CN101959458A - 便于使用可见光图像来测定心率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种设备(400)接收(101)与接近传送血液的毛细血管(404)的对象的皮肤(403)对应的多个可见光图像，然后处理(102)所述多个可见光图像以测定所述对象的心率。这些教导涵盖光透射图像和光反射图像。根据一种方法，可见光图像包括由蜂窝电话照相机(402)捕获的图像。所述处理整体或部分地发生在蜂窝电话处或者位于远处的服务器(408)处。

Description

便于使用可见光图像来测定心率的方法和设备
技术领域
本发明大体上涉及光电容积描记术，更具体地涉及用于测定心率的光的使用。
背景技术
使用光来测定给定对象的心率是本领域公知的。当心脏泵血时，对应的脉冲扩张对象皮下组织中的传送血液的毛细血管(例如，动脉和小动脉)。可以通过下述方式来检测在体积上的对应变化：通过使用例如发光二极管来照射皮肤，然后使用光电二极管来测量透射或反射的光量。在该种测量期间，每一个心动周期将其自身表征为峰。
可以获得能够以这种方式来进行操作的装置。它们的可用性是重要的，因为测定一个人的心率出于各种原因可以构成对于许多人而言重要的行为。例如，精确地测定心率可以构成一个人的健康养生方案的重要部分。测定心率也可以构成在许多应用设置中的重要的诊断输入。
但是，当前解决方案不总是满足在所有的应用设置中的所有终端用户要求。至少，这样的装置构成了感兴趣的终端用户必须根据需要来维持、保持供电、和随身携带的至少再一个的装置。这会导致在需要使用时与该装置的无电状态有关的不期望的意外，和/或在需要使用时因为终端用户还没有将该装置包含在该终端用户随身携带的物品内而导致与该装置的当前不可用性有关的不期望的意外。
附图说明
通过提供在下面的详细说明中描述特别是结合附图得知的便于使用可见光图像来测定心率的方法和设备，至少部分地满足上述需要，在附图中：
图1是根据本发明的各个实施例配置的流程图；
图2是根据本发明的各个实施例配置的流程图；
图3是根据本发明的各个实施例配置的流程图；
图4是根据本发明的各个实施例配置的框图；
图5是可见光图像的说明性示例；
图6是所得到的二值图像的说明性示例；
图7是与所得到的二值图像对应的降维图形表示；
图8是与结果产生的二值图像对应的、滤波后的降维图形表示；以及
图9是提取的心跳数据的图形表示。
技术人员可以明白，为了简单和清楚而示出在附图中的元件，在附图中的元件不一定是根据比例绘制的。例如，在附图中的一些元件的尺寸和/或相对定位可能相对于其他元件被夸大，以有助于改善对于本发明的各个实施例的理解。而且，通常不描述在商业上可行的实施例中有用或必要的常用而且公知的元件，以便利于使得本发明的这些各个实施例的查看较少受阻。进一步可以理解，可以以特定的发生顺序来说明或描述某些行为和/或步骤，但是本领域内的技术人员可以明白，实际上不要求相对于次序的这样的特定性。也应该明白，除非在此另外给出不同的特定含义，否则在此使用的术语和表达具有由在如上给出的本领域的技术人员对该术语和表达所理解的普通技术含义。
具体实施方式
一般而言，根据这些各个实施例，设备可以接收与接近传送血液的毛细血管的对象的皮肤对应的多个可见光图像，然后处理该多个可见光图像，由此测定对象的心率。这些教导将涵盖光透射图像和光反射图像。根据一种方法，这些可见光图像可以包括通过使用蜂窝电话照相机而捕获的图像。上述处理可以全部或部分地发生在蜂窝电话本身处或远处的位置/设施(诸如在对应的服务器)处。
根据一种方法，可见光图像可以包括具有对应的颜色分量的图像。在该情况下，上述处理可以包括将对应的颜色分量转换为不同的颜色分量。例如，这可以包括：提供基于RGB的图像，并且将那些图像转换为由色度饱和度纯度(HSV)分量构成的图像。这个和其他处理步骤可以提供对应的高对比度图像。然后，可以将这些高对比度图像的维度内容减少，以提供对应的降维图像。例如，后者可以包括：从构成对应的高对比度图像的多个图像分量中仅选择一个图像分量和仅使用该一个图像分量。
本教导很适合于让普通可见光数字照相机(例如，经常构成现代蜂窝电话或个人数字助理等的一部分)能够提供容易处理且转换为给定个体的心跳的精确测定的数据。应该理解，在许多情况下仅仅使用较少的连续图像就能容易地实现这些结果。例如，少至(例如在例如10秒内以每秒10至15帧的帧频捕获的)100至200个这样的图像能够足以提供一个人的心跳的较为精确的测定。
用于支持这些方法的对应的处理和功耗要求是充分适度的，因此允许蜂窝电话、个人数字助理或其他便携装置能够成功地作为这些教导的实现平台。这进而使得终端用户已经携带和定期使用的、任何数量的普通可用装置能够以本地方式支持这些能力。结果是，现在可以获得能够迅速和精确地测定一个人的心率的益处，而不要求终端用户处理、维持和随身携带用于这个目的的专用装置。
在对下面的详细说明进行彻底查看和研究后，这些和其他益处可变得更清楚。现在参见附图，并且具体参见图1，现在示出的是与这些教导中的许多都兼容的说明性过程100。可以通过对应的设备来整体或部分地执行这个过程100。根据一种方法，这种设备可以包括便携的个人装置，诸如蜂窝电话或个人数字助理等。在该情况下，该设备自身很可能与要对其测定心率的人紧密结合地使用。根据另一种方法，该设备可以位于远离该人。这可以包括例如与该人在物理上相距很多英里的服务器。
该过程100使得所述设备接收101与传送血液的毛细血管接近的对象的皮肤对应的多个可见光图像。如在此使用的，应该明白对于“可见光图像”的该引用表示通常与诸如照相机的普通可见光图像捕获部件相关联的种类的照片(包括，也许最典型为数字照片)。如下所述，这可以包括通常的彩色图像，以及实质上包括任何其他可见光摄影格式，该任何其他可见光摄影格式包括但是不限于RGB格式、HSV格式和灰度格式等。一般而言，这些可见光图像具有至少100X100像素的尺寸/分辨率，而176X144尺寸的图像在这一方面上表现良好，并且更高分辨率和/或尺寸的照片则比足够好更好。
这个过程100包括：接收101光透射图像(其中，可见光通过皮肤/毛细血管而到达图像捕获部件)或光反射图像(其中，达到图像捕获部件的可见光包括已经从皮肤的表面反射的光)。
如此接收的可见光图像的数量可以随着应用设置而在一定程度上发生变化。一般地，对于大多数场合，接收至少100至200个这样的图像可能是适当的，其中，该图像包括以大约每秒10至15个帧的大致均匀间隔捕获的图像。一般而言，帧频越大，则心跳测定的对应精度越高。
然后，该过程100用于对多个可见光图像进行处理102，由此测定对象的心率。根据一种方法，这可以包括：在逐帧的基础上动态地评估图像质量，以判定各个图像是否适合用于测定对象的心率。存在为什么给定的可见光图像不可用于这些目的的各种原因，并且这样的步骤将允许识别这样的图像，以避免例如为该不适合的图像进一步耗费处理资源。
根据一种方法，所接收的可见光图像可以每一个都提供有与当捕获图像时的时间点对应的时间戳。在该情况下，处理102可见光图像的这个步骤可以部分地包括：监控与多个可见光图像对应的这些时间戳，并且当处理图像时使用那些时间戳以测定对象的心率。利用另一种方法，在图像之间的间隔可以包括预知的时间量。
存在可以用来实现该处理102的各种方式。然而，在讨论在这一方面上的一些替代方式之前，可能有益的是，再一次注意，该设备可以相对于对象位于远处。在该情况下，该过程100进一步可选地包括：向对象发射103所测定的心率信息。当例如通过对象的蜂窝电话首先捕获到可见光图像时，这个步骤可以包括：将对应的心率信息经由那个蜂窝电话转发到该对象。如由附图标记104表示的假想线所示，该过程100也可以包括：然后继续接收另外的可见光图像，并且，继续测定对象的随后或正在发生的心率。这些随后的结果然后可以被发送到对象，并且过程类似地继续，直到根据期望结束。
如在图5提供的图示所示，给定的可见光图像501通常包括较为模糊的提供品。可用于标注心跳的存在的该种图像内的变化趋向于较为轻微。现在参见图2，根据一种方法，处理这样的可见光图像的上述步骤可以包括：首先增强201那些图像，以突出(highlight)一个或多个感兴趣的特定特征。在这一方面上的有益增强技术包括二维滤波、对比度增强、边缘增强和中值滤波等。通过例示，向诸如在图5中提供的那个的图像应用这样的技术可以得到高对比度和降维的图像，诸如在图6中所示的结果601。如下更详细所述，这样的增强可以非常有助于允许对于普通可见光照片的该使用来检测心跳标记(indicia)。
这些增强的图像然后被处理202，以利于从图像序列提取一个或多个选择的特征。这可以包括例如阈值测定、霍夫(Hough)变换、边缘检测和定位、以及中值滤波等的使用。提取行为可以包括例如：使用阈值处理和求和来计算大于给定阈值的给定图像的面积、在霍夫变换后的面积计算、给定感兴趣的轴的边缘的绝对位置、二维快速傅立叶变换(FFT)分析、和对应的峰频率提取等。
然后，所提取的特征的集合被缩减203为一维表示。在这一方面上，在图7中示出一个说明性示例701。这可以使用例如矢量量化、主成分分析、和面积计算等来实现。根据一种方法，该处理还可以进一步包括用于提高对应的信噪比(SNR)的对于这些特征的处理204。这可以包括例如根据需要使用另外的滤波、平滑和平均等。在这一方面上，在图8示出一个说明性示例801。
然后，可以通过从信息的该(可能减少了噪声的)降维特征的集合中提取205改变速度来计算对象的心率901(如图9中所示)。这可以通过使用多种方法的任何一种来实现，该多种方法包括谐波分析、峰值检测、微分、峰值(或波谷)的周期性、以及过零检测等。如果期望，此后可跟着通过使用例如平均技术来去除206寄生噪声。
上述方法包括便利的处理过程的非常通用的概述，通过该便利的处理过程，可以处理多个可见光图像，以测定给定对象的心率。现在参见图3，现在提供在这一方面上的更具体的示例。
在这个说明性示例中，所接收的可见光图像包括具有对应的颜色分量的彩色图像的序列。然后，这些彩色图像被处理以将对应的颜色分量转换为不同的颜色分量。例如，原始可见光图像可以包括红绿蓝(RGB)颜色分量，它们然后被转换为可以更适合于提取表征心跳的图像内容的另一组颜色分量。这样的替代颜色分量的示例包括本领域中公知的色度饱和度纯度(HSV)、YCb、Cr和CMYK等。
如果期望，可以相对于其他非标准维度来进一步处理可见光图像。例如，给定图像的RGB值可以与对应的HSV信息的V值组合，以提供新的“颜色”维度。这些结果有可能是在美学观点上不令人满意的和不寻常的，但是通过突出在利于提取期望的心率信息方面表现良好的特定突现特征，可有效地更便利提取期望的心率信息。
该转换后的多维图像然后可以被降维到更少的维度。其可以包括例如：提供色度饱和度纯度(HSV)分量的对应图像，然后处理HSV分量的那些图像以提供对应的高对比度图像。这些高对比度图像的维度内容可以被减少，以产生对应的降维图像。这可以包括例如：仅提取基于HSV的图像的V(纯度)分量，以及然后仅使用那个提取的图像分量来用于这些目的。
作为另一个示例，这可以包括：例如当图像包括基于RGB的图像时提取R(红色)分量。作为另一种方法，当高对比度图像包括红绿蓝(RGB)彩色模型图像时，这可以包括：根据
Figure BPA00001207994300071
来处理红绿和蓝分量值。
然后，可以将对应结果的所得到的一维内容转换为多个对应的二值图像。这可以包括例如：相对于阈值处理多个可见光图像，使得超过阈值的像素值被转换为第一颜色值，并且使得低于阈值的像素值被转换为相对于第一颜色呈高度对比性的第二颜色。根据一种方法，例如，第一颜色可以是黑色，并且第二颜色可以是白色。在图6中通过示例示出这样的方法的结果。
虽然被获得，上述降维二值图像然后可以被滤波，以提供对应的滤波后的图像。根据一种方法，这可以包括：使用频域处理技术(例如但是不限于傅立叶分析技术)来识别各个心跳。根据另一种方法，与上述方法结合或取代上述方法，这可以包括：使用时域处理技术(例如但是不限于峰值检测和过零检测等)来识别心跳。
这些行为在图3中被一般地表示如下。从引入的图像提取301所选择的信息，然后使用一个或多个阈值来评估302所得到的图像分量。然后，处理303所得到的高对比度和降维的图像，以识别什么画面可以被表征为感兴趣的“色斑(blob)”(在图6中示出该色斑的说明性示例)。在平滑304后，识别305反映心跳的图像，之后进行平均306以去除寄生噪声。
本领域内的技术人员将明白，可以使用广泛多种可用和/或容易配置的平台来容易地实现上述处理，该平台包括本领域中已知的部分或整体可编程的平台或一些应用所需的专用平台。现在参见图4，现在将提供用于该平台的说明性方法。
如上所述，该设备400可以包括位于远处的平台，诸如经由因特网访问的服务器，或者，该设备400可以包括诸如个人数字助理的个人便携设备或诸如蜂窝电话、一键通(press-to-talk)的步谈机等的便携无线双向通信设备。在该说明性示例中，设备400包括处理器401，处理器401可操作地耦合到可见光图像捕获部件402(或当提供超过一个这样的部件时耦合到多个可见光图像捕获部件)。该可见光图像捕获部件402可以包括例如照相机，所述照相机诸如被提供给许多现代蜂窝电话的通用照相机。
该可见光图像捕获部件402适合于允许捕获接近传送血液的毛细血管404的对象的皮肤403的可见光图像。后述的接近应当是使得能够经由对象的皮肤403在视觉上显著表征与心跳相关联的压力提高。根据一种方法，这些捕获的图像可以基于外部发射的可见光光源(未示出)，以使得可见光通过对象的组织。根据另一种方法，这些捕获的图像可以基于从对象的皮肤403反射出的反射可见光。
在后一种情况下，如果期望，反射可见光可以至少部分地初始源自一个或多个可见光光源405，该一个或多个可见光光源405构成设备400的部分。该可见光光源405可以包括例如发光二极管，该发光二极管在可见光图像捕获部件402的通常使用期间用作该可见光图像捕获部件402的闪光灯。根据另一种方法，该闪光灯元件可以专用于仅当捕获图像时使用，以便测定对象的心跳。可见光的其他源也可以用于这些方面。例如，如果期望，可见光光源405可以包括显示器背光，该显示器背光可以另外构成设备400的一部分。
本领域内的技术人员认识到和理解，这样的处理器401可以包括固定目的的硬布线平台，或可以包括部分或整体可编程的平台(诸如微处理器或微控制器)。所有这些架构选项是本领域公知和明白的，并且不需要在此做进一步的描述。这个处理器401可以被配置和布置(经由例如本领域内的技术人员明白的适当编程)来实现已经在此阐述的步骤、行为和功能的一个或多个。这可以包括例如：从可见光图像捕获部件402接收上述可见光图像，并且处理那些图像以由此测定对象的心率。
如果期望，则这个设备400可以进一步包括存储器406，该存储器406可操作地耦合到处理器401。该存储器406可以用于暂时或永久地存储可见光图像、中间图像处理结果、和/或测定的心跳信息。该存储器406也可以用于存储操作指令，该操作指令允许处理器401执行所述步骤。
如上所述，如果期望，则设备400可以具有双向无线通信能力。为了便利这样的能力，设备400进一步可选地包括收发机407(诸如蜂窝电话收发机)，该收发机允许例如设备400经由一个或多个中间网络409(诸如蜂窝电话网络、因特网等)来与服务器408通信。在该情况下，如果期望，则设备400可以用于收集上述可见光图像，然后将该信息(以其原始形式，或根据这些教导而部分地处理后的)转发到服务器408，在服务器408，信息的处理完成。服务器408然后将所提取的心率信息返回到设备400，在设备400，可以使用选择的呈现仪器来将该信息提供到对象或其他终端用户。
本领域内的技术人员可以认识到和明白，这样的设备400可以由通过在图4中所示的图示建议的多个物理上不同的元件构成。然而，也可能将这个图示看作包括逻辑视图，在该情况下，可以经由共享平台来启用和实现这些元件的一个或多个。也应该明白，这样的共享平台可以包括在本领域中已知的整体或至少部分地可编程的平台。
如此配置的、通常可用的能力(诸如配备了相对适度的图像捕获能力的蜂窝电话)可容易地用来提供高效和精确的心跳测定。这些教导允许仅从较少的图像提取这样的信息。这继而最小化了图像捕获要求和处理要求。这还允许这样的能力作为诸如蜂窝电话的通常可用的和通常携带的设备的集成于其上的能力。这避免了让感兴趣的终端用户单独获取、维持和携带分立装置来用作该种特定工具的需求。
本领域内的技术人员认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对于上述实施例进行多种修改、改变和组合，并且这样的修改、改变和组合要被看作在本发明的思想的范围内。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
在设备处：
接收与接近传送血液的毛细血管的对象的皮肤对应的多个可见光图像；以及
处理所述多个可见光图像以测定所述对象的心率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个可见光图像包括光透射图像和光反射图像中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个可见光图像包括具有对应的颜色分量的图像；以及
其中，处理所述多个可见光图像包括：处理所述多个可见光图像以将所述对应的颜色分量转换为不同的颜色分量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，处理所述多个可见光图像以将所述对应的颜色分量转换为不同的颜色分量包括：提供色度饱和度纯度分量的对应图像；以及
其中，处理所述多个图像进一步包括：处理色度饱和度纯度分量的所述对应图像，以提供对应的高对比度图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，处理所述多个可见光图像进一步包括：
减少所述对应的高对比度图像的维度内容，以提供对应的降维图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，减少所述对应的高对比度图像的维度内容包括下述步骤的至少一个：
通过从构成所述对应的高对比度图像的多个图像分量中选择仅一个图像分量和仅使用所述一个图像分量来减少所述对应的高对比度图像的维度内容；
当所述对应的高对比度图像包括红绿蓝颜色模型图像时，根据来处理红绿和蓝分量值；以及
通过将所述多个可见光图像转换为多个对应的二值图像来减少所述对应的降维图像的维度内容。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，处理所述多个可见光图像包括：
对所述对应的降维图像进行滤波以提供滤波后的图像；以及
使用频域处理技术、时域处理技术中的至少一种来处理所述滤波后的图像，以识别心跳。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用频域处理技术来处理所述滤波后的图像包括：使用快速傅立叶变换处理技术来识别所述心跳；以及
其中，使用时域处理技术来处理所述滤波后的图像包括：使用峰检测处理技术和过零检测处理技术中的至少一种来识别所述心跳。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设备位于远离所述对象的皮肤处。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述多个可见光图像以测定所述对象的心率包括：
在逐帧的基础上动态地评估图像质量，以判定所述图像是否适合用于测定所述对象的所述心跳。
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