CN103476330A - 用于人的生命体征测量的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于人（2）的生命体征测量的设备（1），包括呈现装置（10），其用于向人（2）呈现视觉主题（20）；照明装置（11），其用于照亮生命体征将被测量的所述人（2）所处的照明区域（3）；光学测量装置（12），用于在光学上检测来自所述照明区域（3）的光学检测信号（23）；估算装置（13），用于估算所述光学检测信号（23）并根据其推导生命体征信息（24）；以及控制装置（14），其用于控制所述照明装置（11）以照亮所述照明区域（3）从而允许检测光学检测信号（23），能够根据所述光学检测信号推导生命体征信息（24）而不管所述视觉主题（24）如何改变。
Description
技术领域
本发明涉及用于人的生命体征测量的设备和相应方法。
背景技术
如今有可能远程测量生命体征，例如心率和呼吸率。远程光电体积描记术（remote photo-plethysmography，RPPG）利用反射的周围光来测量皮肤的细微亮度变化。呼吸测量是基于检测视频帧之间的运动和差异的。
在氛围治疗环境（Ambient Healing Environments，AHE）内，例如在MRI或PET-CT扫描过程之前或期间，向病人呈现视听主题以帮助放松。远程（基于摄像机的）生命体征监控容易受到环境中的改变的影响，特别是周围照明状况的影响。在氛围治疗环境内，环境被完全控制，以便利用视频投影、光效和/或声音来展示舒适的（视觉或视听的）主题。
WO 2009/153700 A1公开了一种通过测量发射到病人组织上的光的衰减来监控病人生命参数的方法。具体地，公开了一种用于除去来自周围光的噪声的调制方案。
US 2009/0299675 A1公开了一种用于基于信号质量和/或功耗需求来控制用于光学传感器的发光器件的系统和方法。驱动电流和/或积分时间是作为检测到的周围光或信号质量的函数而被控制的。当信号质量下降时，驱动电流或积分时间可以被调节成提供更合用的信号。该方法被特别地集成到指夹（fingerclip）传感器中。
然而，目前在AHE中，不存在远程生命体征测量设施，并且在生命体征测量设备与周围环境设施之间也没有连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于人的生命体征测量的设备和相应方法，实现了人的生命体征的精确而可靠的检测。
在本发明的第一方面中，介绍了一种用于人的生命体征测量的设备，包括
－呈现装置，用于向人呈现视觉主题，
－照明装置，用于照亮生命体征将被测量的所述人所处的照明区域，
－光学测量装置，用于在光学上检测来自所述照明区域的光学检测信号，
－估算装置，用于估算所述光学检测信号并且根据其推导生命体征信息，
－控制装置，用于控制所述照明装置以照亮所述照明区域，从而允许检测光学检测信号，能够根据所述光学检测信号推导生命体征信息而不管所述视觉主题如何改变。
在本发明的另一方面中，介绍了一种相应的方法。
更进一步地，在本发明的一个方面中，介绍了一种包括程序代码装置的计算机程序，该程序代码装置用于当所述计算机程序在计算机上被执行时使该计算机执行以下步骤：估算光学检测信号并根据其推导生命体征信息，控制所述照亮步骤以照亮所述照明区域，从而允许检测光学检测信号，能够根据所述光学检测信号推导生命体征信息而不管所述视觉主题如何改变。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法和所要求保护的计算机程序具有如从属权利要求中限定的与所要求保护的设备相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于这样的思想：合并例如AHE的呈现装置和生命体征测量装置，并且控制所述照明区域，使得即使视觉主题向人的呈现改变，也保证用于生命体征测量的照明条件最小化。在本上下文中，“照明条件”可以被理解为关于从照明装置发射光的条件，包括关于颜色、纹理、亮度、光角度等的条件。与控制这些条件相关的一个或多个参数是由例如被实现在所提出的设备中包括的控制器或编程处理器中的控制装置根据本发明来控制。
在一个实施例中，所述控制装置被配置成控制所述呈现装置以提供视觉方案，使得不阻止检测光学检测信号，从而允许根据其推导生命信号信息，尤其是被配置成提供以在光学检测信号的检测的范围之外的速度改变的视觉主题。特别地，这将避免视觉主题的光效变化干扰例如心率或呼吸率之类的生命体征的变化速率，这将导致测量精度降低。
在另一个实施例中，所述控制装置被配置成基于来自所述估算装置的反馈来控制所述照明装置和/或所述呈现装置。因此，例如如果降低了测量精度以通过为生命体征的期望测量提供更好的照明条件来再次增加精度，基于该反馈，可以适当地影响照明和/或视觉主题的呈现。
优选地，所述控制装置被配置成基于指示生命体征信息质量的质量指示符和/或基于从所述光学检测信号推导所述生命体征信息，来控制所述照明装置和/或所述呈现装置。
在一个实施例中，所提出的设备包括远程光电体积描记术（RPPG）设备，其包括所述光学检测装置和所述估算装置，其中，所述估算装置被配置成根据所述光学检测信号推导PPG（光电体积描记术）信号，作为所述生命体征信息。RPPG通常是已知的。用于测量皮肤颜色变化的这种方法在Wim Verkruysse、Lars O. Svaasand和J. Stuart Nelson的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”，Optics Express, 第16卷, 第26号，2008年12月中被描述。它是基于这样的原理的：皮肤中的血量的瞬时变化导致皮肤的光吸收的变化。这种变化可以由拍摄皮肤区域（例如，脸）的图像的视频摄像机来记录，同时处理计算人工选择区域（典型地，在该系统中，是面颊的一部分）上的像素平均。通过查看该平均信号的周期性变化，可以提取心跳速率和呼吸率。这种RPPG设备可以被用于根据本发明的设备，以用于测量生命体征。
已经发现RPPG信号幅度在绿色和红外波长中是最大的。因此，在另一个实施例中，提出第二颜色通道，作为参考信号，其中没有来自PPG（蓝色和红色波长）的影响。于是，所述照明装置优选地被适配为确保以合适的波长混合持续地照亮照明区域。附加地，光效应该不以与心率相同的节奏而改变。
RPPG幅度通常由（去氧血红蛋白）氧合血红蛋白的吸收光谱而定。最佳波长例如从指夹传感器得知。
尽管在一个实施例中，照明区域被持续地照亮，而在另一个实施例中所述控制装置被配置成控制所述照明装置和所述呈现装置以交替地照亮所述照明区域并呈现所述视觉主题，以及被配置成控制所述光学检测装置以便仅当所述照明区域被照亮时才检测光学检测信号。因此，可以针对光学检测信号的检测最优化照明，以最佳化生命体征测量。
另外，所述控制装置优选地被配置成控制其间所述照明装置照亮所述照明区域并且所述光学检测装置检测光学检测信号的时间的百分比。优选地，这在以下的情况下是有利的：照明光和视觉主题“冲突”，例如给用户造成坏的视觉印象，在这种情况下，所述照明装置照亮所述照明区域的时间被最小化。
优选地，所述控制装置被配置成控制所述照明装置，以便补偿由视觉主题的呈现进行的照明的变化，尤其是亮度和/或颜色的变化。因此，照明（特别地，亮度和颜色）可以被修改，使得不管视觉主题的亮度和颜色的可能负面变化是怎样的，仍可能以足够的精度来测量生命体征。
在另一个实施例中，所述估算装置被配置成根据所述光学检测信号推导所述人的呼吸率和/或呼吸深度。
通常利用视频序列中帧到帧的微小变化来检测呼吸。为了检测这种微小变化，对象应当具有相当的表面对比度。因此，提出了所述照明装置确保有足够的对比度。可以例如通过调节入射光角度来创建对比度。甚至在均匀着色的表面（例如毯子）上，如果点源正以某角度照亮该表面，则将出现微小的阴影（shadow）。
在又一个实施例中，所提出的设备还包括校正装置，校正装置用于校正所述光学检测信号以针对视觉主题的变化进行校正，特别是针对每个完整照明区域或其子区域进行校正。因此，特别地，针对每个完整图像、图像区域或甚至每个像素，校正视觉主题的颜色和/或亮度的变化。附加地，（例如来自视觉主题的）直接光和（来自视觉主题的周围环境或反射的）间接光被优选地校正。
所述呈现装置优选地包括用于向人呈现视听主题的氛围治疗设施。例如特别地用于氛围治疗环境（AHE）中的这种氛围治疗设施一般是已知的并且例如被描述于由本申请人公布的“Ambient Experience helps soothe patients for successful scans”，FieldStrength，刊号42，2010年12月。这种氛围治疗设施可以例如包括照明元件和/或显示器，其可以通过对房间中的一个或多个墙壁完全着色和/或通过在一个或多个墙壁或屏幕上显示图片或纹理而为病人提供不同的视觉印象。
所述照明装置可以包括点光源，特别是用于发射视觉或红外光的LED。与使用大型漫射照明器相比，这使得能够创建边界清晰的阴影以增强如上所提及的呼吸率和/或呼吸深度的测量。当人呼吸时，任何阴影和表面纹理将在所接收的图像中改变，即光学检测信号。这些改变然后被用于生命体征测量。
在一个实施例中，所述照明装置包括用于分别照亮所述照明区域的照明子区域的至少两个光源，其中所述控制单元被配置成单独控制所述至少两个光源，其中如果人存在于关联照明子区域中，才控制光源。对于这种检测，RPPG信号、呼吸信号和/或任何其他检测，例如通过使用已知运动检测器（例如，移动传感器）的运动检测。
附图说明
根据下文描述的（多个）实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见，并且参考下文描述的（多个）实施例，本发明的这些和其他方面将被阐明。在下图中
图1示出了根据本发明的具有设备的若干变型的实施例的框图。
具体实施方式
图1示出了所提出的根据本发明的用于人2的生命体征测量的设备1的实施例的框图。具体地，图1不仅示出了具有基本元素的实施例，还描绘了将在下文说明的具有各种可选元素的另外的变型。基本和可选元素通常可以在若干不同实施例中被任意地组合。
设备1包括用于向人2呈现视觉或视听主题20的呈现装置10。呈现装置10可以是氛围治疗环境（AHE）的一部分，用于向人呈现视觉或视听主题20，并且呈现装置10可以例如包括视频或图像投影仪器、电视机或卷轴机。
此外，设备1包括照明装置11，照明装置11用于照亮生命体征将被测量的所述人2所处的照明区域3，即用于将照明信号21（例如可见光或红外光）引导至人2。照明装置11可以例如包括一个或多个可控光单元，比如一个或多个LED或LED组合。
为了在光学上检测来自所述照明区域3的光学检测信号23，设备1包括用于测量来自生成光学检测信号23的所述照明区域3的光22的光学测量装置12，该装置例如包括一个或多个光电二极管、图像传感器或视频摄像机。
所检测到的光学检测信号23由估算装置13来估算，据此，推导出所期望的生命体征信息24。估算装置13可以例如包括通常在RPPG设备中提供的估算单元，可以由该估算单元根据光学检测信号，尤其是人皮肤（例如面颊）的视频图像，推导此人的心跳信号。
提供了控制装置14，以便经由控制线30控制所述照明装置11照亮所述照明区域3，从而允许检测光学检测信号23，可以根据该光学检测信号23推导出所期望的生命体征信息24而不管视觉主题20如何改变。所述控制装置14可以通过专用控制器或适当编程的处理器来实现。此外，估算装置13也可以被实现为与控制装置14相分离或者集成在一起的被编程的处理器。
在一个实施例中，所述照明装置11提供例如病人检查台的照明区域3（也称为测量区域）的持续照明，与主题设置无关。照明装置11的持续光可以处于红外线波长内，使得其不干扰视觉刺激体。
可替换地，至少在照明区域3中的光在对于测量而言是最优的设置与添加了主题颜色的补充设置之间（例如以100 Hz）快速交替。例如，如果测量只需要绿光，并且主题需要白光，则光将在绿色和品红色之间交替。在视觉上，对于人类观察者来说，将不存在或者存在极少的差异。然而，与所述光同步的测量系统（即光学检测装置）可以容易地区分所述设置。
如果测量和主题条件冲突，则可以通过在仅仅小比例的所述时间（例如10%的工作周期）内进行测量来最小化视觉影响，即呈现装置10和照明装置11由控制装置14相应地控制。
除了视觉主题之外，设备1可以循环于多个测量设置之中（例如一个用于心率，第二个用于呼吸率（SpO2）。
在一个实施例中，针对来自呈现装置10的照明中的变化，补偿被呈现给估算装置13的例如视频图像的光学检测信号23（即生命体征检测）。针对来自周围环境主题的直接和/或间接照明（反射），优选地针对直接和间接照明二者，校正视频图像的亮度和颜色。这可以例如被实现在（可选的）校正装置130中，该校正装置优选地包括在估算装置13中。
可以有针对整个图像的单一校正或者有针对每个图像区域的校正，或者甚至有针对每个像素的校正。可以在安装AHE系统时，通过所谓的“黑房校准”预先计算校正因子，由此单独测量每个灯的贡献。
如果主题包括预定的内容，则可以记录照明效果并且将其与主题一起同步回放。
优选地，在一个实施例中，（听觉以及）视觉主题被最优化（优选地，脱离）成仅仅以落在生命体征测量范围之外（优选地，慢得多）的速度改变。这允许估算装置13过滤掉由于主题内容而导致的任何改变。
对于呼吸感测，用作照明装置11的漫射光源所创建的对比度（阴影）可能不足。因此，在一个实施例中，设备1采用点光源来创建边界清晰的阴影。点源优选地是红外LED。
在医院的某些房间（例如PET摄入房和病房）内，用毯子盖着病人，以维持恒定体温。然而，所述毯子会干扰呼吸感测。可以通过使用具有可视图案的毯子辅助呼吸感测，来帮助测量。结合红外感光摄像机，图案可以仅在红外波长内是可见的。
在一个实施例中，利用来自生命体征测量的反馈来适配（听觉以及）视觉主题，即可选地，存在从估算装置13到控制装置14的反馈环路31，其相应地经由可选控制线32来控制照明装置10以使得所述主题不干扰测量。例如，光效的改变可以被相应地加速或减慢到不与心率和呼吸率重叠的速率。
附加地，由光学检测装置12或估算装置13生成且通过反馈环路31或33提供给控制装置14的例如信噪比的测量质量指示符，可以经由控制线32由控制装置14使用以便例如通过将光调光到仅仅是测量质量充足的点来修改所述主题。例如对于黑皮肤病人（其中RPPG信号幅度较低）而言，这阻止了测量问题。
优选地，在一个实施例中，照明装置11包括多个（至少两个）光源110、111，其在若干照明子区域3a、3b提供持续或交替的光（如上文所述）。然而，照明子区域3a、3b中的光设置仅当人（即生命体征）存在于该照明子区域3a、3b中时才被适配。照明子区域3a、3b中的人的识别可以基于生命体征信息24（例如RPPG或呼吸信号）的“轮询”（例如每分钟一次），和/或通过其他（可选）检测装置15，例如运动检测装置。
在一个实施例中，设备1包括信令单元16，信令单元16用于当在照明区域3中检测到存在体但可能没有在预定时间间隔内测量到生命体征时向工作人员给出视觉和/或听觉警告。这要么指示测量的问题（例如由于皮肤不可见，导致没有RPPG信号），要么指示病人的问题（例如呼吸暂停、心力衰竭）。
本发明可以被实现在各种不同的设备和方法中，特别地包括（例如用于MRI和PET/CT的）氛围治疗环境、家用的氛围放松环境、病人监控、（例如用于健身俱乐部的）生命体征测量、（例如与光耦合的）安全系统等等。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，然而这种说明和描述被看作是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。在实践所要求保护的发明中，本领域技术人员可以通过研习附图、本公开和所附权利要求来理解并实施实现所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定测量的纯粹事实并不指示这些测量的组合无法被有利地使用。
计算机程序可以被存储/分布于合适的非临时性介质上，例如与其他硬件一起或作为其一部分而供应的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线电信系统。
权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制范围。
Claims (15)
1. 一种用于人（2）的生命体征测量的设备（1），包括：
－呈现装置（10），其用于向人（2）呈现视觉主题（20），
－照明装置（11），其用于照亮生命体征将被测量的所述人（2）所处的照明区域（3），
－光学测量装置（12），其用于在光学上检测来自所述照明区域（3）的光学检测信号（23），
－估算装置（13），其用于估算所述光学检测信号（23）并且根据其推导出生命体征信息（24），
－控制装置（14），其用于控制所述照明装置（11）照亮所述照明区域（3）从而允许检测光学检测信号（23），能够根据所述光学检测信号推导生命体征信息（24）而不管所述视觉主题（24）如何改变。
2. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述控制装置（14）被配置成控制所述呈现装置（10）提供视觉主题（20）使得不阻止检测光学检测信号（23）以便允许根据光学检测信号推导生命信号信息，尤其是提供以在光学检测信号（23）的检测的范围之外的速度改变的视觉主题（20）。
3. 根据权利要求1或2所述的设备（1），
其中，所述控制装置（14）被配置成基于来自所述估算装置（13）的反馈来控制所述照明装置（11）和/或所述呈现装置（10）。
4. 根据权利要求3所述的设备（1），
其中，所述控制装置（14）被配置成基于指示所述生命体征信息（24）的质量的质量指示符和/或基于从所述光学检测信号（23）推导所述生命体征信息（24），来控制所述照明装置（11）和/或所述呈现装置（10）。
5. 根据权利要求1所述的设备（1），
包括远程光电体积描记术设备，其包括所述光学检测装置和所述估算装置（13），其中所述估算装置（13）被配置成从所述光学检测信号（23）推导PPG信号，作为所述生命体征信息（24）。
6. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述控制装置（14）被配置成控制所述照明装置（11）和所述呈现装置（10）以交替地照亮所述照明区域（3）并呈现所述视觉主题（20），以及被配置成控制所述光学检测装置以便仅当所述照明区域（3）被照亮时才检测光学检测信号（23）。
7. 根据权利要求6所述的设备（1），
其中，所述控制装置（14）被配置成控制其间所述照明装置（11）照亮所述照明区域（3）并且所述光学检测装置检测光学检测信号（23）的时间的百分比。
8. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述控制装置（14）被配置成控制所述照明装置（11）补偿由所述视觉主题（20）的呈现进行的照明的变化，尤其是亮度和/或颜色的变化。
9. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述估算装置（13）被配置成根据所述光学检测信号（23）推导所述人（2）的呼吸率和/或呼吸深度。
10. 根据权利要求1所述的设备（1），
还包括校正装置（130），其用于校正所述光学检测信号（23）以针对所述视觉主题（20）的变化进行校正，尤其是针对每个完整的照明区域（3）或其子区域（3a、3b）进行校正。
11. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述呈现装置（10）包括用于向人（2）呈现视听主题（20）的氛围治疗设施。
12. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述照明装置（11）包括点光源，尤其是用于发射视觉或红外光的LED。
13. 根据权利要求1所述的设备（1），
其中，所述照明装置（11）包括用于分别照亮所述照明区域（3）的照明子区域的至少两个光源，以及
其中，所述控制单元被配置成单独地控制所述至少两个光源，其中如果人（2）存在于关联的照明子区域中，才开启光源。
14. 一种用于人的生命体征测量的方法，包括以下步骤：
－向人（2）呈现视觉主题（20），
－照亮生命体征将被测量的所述人（2）所处的照明区域（3），
－在光学上检测来自所述照明区域（3）的光学检测信号（23），
－估算所述光学检测信号（23）并且根据其推导生命体征信息（24），
－控制所述照亮的步骤以照亮所述照明区域（3）从而允许检测光学检测信号（23），能够根据所述光学检测信号推导生命体征信息（24）而不管所述视觉主题（24）如何改变。
15. 一种包括程序代码装置的计算机程序，该程序代码装置用于当所述计算机程序在计算机上被执行时使该计算机执行根据权利要求14所述的方法中的估算和控制的步骤。
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