CN105451646B - 用于提取生理信息的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从所检测的透射通过或反射自对象(14)的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法。所述设备包括：输入接口(30)，其用于接收从所检测的透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射导出的检测数据的数据流，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息；信号混合器(32)，其用于将所述至少两个信号通道动态地混合为至少一个混合信号；处理器(34)，其用于从所述至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信息；以及控制器(36)，其用于控制所述信号混合器以限制被混合为至少一个混合信号的所述至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态地变化的变化率。
Description
技术领域
本发明涉及用于从透射通过或反射自诸如人或动物的对象的检测到的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者动脉血氧饱和度，用作人的当前状态的指标并且用作严重医学事件的强大预测器。出于这种原因，生命体征在住院患者和门诊患者护理设置中，在家或者在进一步健康、休闲和健身设置中广泛地被监测。
测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常涉及对器官或身体部分的体积变化的测量，并且尤其涉及对由于随每个心跳穿过对象的身体的心血管脉搏波的体积变化的检测。
光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区或者感兴趣体积的光反射率或者透射的时变变化的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液与周围组织相比吸收更多光，因此血液体积中的随着每个心跳的改变对应地影响透射或者反射率。除关于心率的信息之外，PPG波形能够包括可归因于诸如呼吸的另外的生理现象的信息。通过评估在不同波长(通常是红色或者红外的)处的透射率和/或反射率，血氧饱和度能够被确定。
用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度(也被称为SpO2)的常规脉搏血氧计(在本文中也被称为接触式PPG)被附着到对象的皮肤，例如被附着到手指端部、耳垂或者额头。因此，它们被称为“接触式”PPG设备。典型的脉搏血氧计包括作为光源的红色LED和红外LED以及用于检测已经被发射通过患者组织的光的一个光电二极管。市场上可购得的脉搏血氧计在红色波长处的测量与红外波长处的测量之间快速切换，并且因此在两个不同波长处测量组织的相同区或者体积的透射率。这被称为时分复用。在每个波长处的关于时间的透射率给出针对红色和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被视为基本上是非侵入技术，但是接触式PPG测量常常被体验为是不舒适的和侵扰的，这是由于脉搏血氧计被直接附着到对象并且任何线缆限制运动的自由并且可能阻碍工作流程。
脉搏信号和氧饱和度水平(SPO2)的快速和可靠的检测和分析在许多医疗保健应用中是最重要的活动之一，如果患者处于危急状况下，这变得至关重要。在这些情况下，心脏跳动信号的搏动性是非常微弱的，并且因此，测量容易受到任何种类的伪影的损害。
现代光电体积描记法传感器在紧急情况下并不总是提供快速和可靠的测量。例如，接触式手指脉搏血氧计(基于透射PPG的)容易受到手的运动的影响，并且在由于身体外围上的较低的血液量的患者的集中的情况下失效。接触前额脉搏血氧计传感器(使用反射PPG测量模式的)被假设为对于集中响应更鲁棒。然而，前额传感器的准确度、鲁棒性和响应性非常依赖于传感器在前额上的正确定位以及施加到皮肤上的适当的压力(传感器太紧施加可能降低局部血液脉动性，太松施加可能导致由于运动伪影和/或静脉脉动性引起的不可靠的测量)。
最近，用于非侵扰测量的非接触式、远程PPG(R-PPG)设备(在本文中也被称为相机rPPG设备)已经被引进。远程PPG利用被设置为远离感兴趣对象的光源，或者一般而言，辐射源。类似地，检测器，例如相机或者相片检测器，也能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远程光电体积描记术系统和设备被视为非侵扰的并且非常适于医学以及非医学日常应用。然而，远程PPG设备通常实现较低的信噪比。
Verkruysse等人的“Remote plethysmographic imaging using ambientlight”，Optics Express，16(26)，第21434-21445页(2008年12月22日)证明能够使用红色、绿色和蓝色颜色通道使用环境光和常规消费者水平相机来测量光电体积描记信号。
Wieringa等人的“Contactless Multiple Wavelength PhotoplethysmographicImaging:A First Step Toward"SpO2 Camera"Technology”，Ann.Biomed.Eng.，33，1034-1041(2005)公开了一种用于基于对在不同波长处的光电体积描记信号的测量来对组织中的动脉氧饱和度进行非接触式成像的远程PPG系统。所述系统包括单色CMOS相机以及具有三个不同波长的LED的光源。相机顺序地采集在三个不同波长处的对象的三个影片。能够根据在单个波长处的影片确定脉搏率，然而为确定氧饱和度需要在不同波长处的至少两个影片。所述测量在暗室中执行，每次使用仅一个波长。
使用PPG技术，能够来测量生命体征，其由皮肤中的微小光吸收变化所揭示，所述微小光吸收变化由搏动的血液体积所引起，即由通过血液体积搏动诱发的人皮肤的周期性颜色变化所引起。因为该信号非常小并且隐藏在由于照明变化和运动的更加大得多的改变中，所以存在对改进根本低信噪比(SNR)的一般兴趣。仍然有针对剧烈运动、挑战性环境照明状况或者高要求的应用准确性的需求情况，其中，要求生命体征测量设备和方法的改进的鲁棒性和准确性，尤其是为了更危急的医疗保健应用。
通常，从至少两个颜色(有时包括红外光)通道的动态改变的混合来得到生命体征。混合能够被发现使用各种技术，诸如盲源分离技术和选择算法，或者利用能量最小化，其将在除了由血液吸收谱确定的预先定义的颜色方向之外的所有中的信号能量最小化。这样的方法是例如在G.de Haan和V.Jeanne的“Robust pulse-rate from chrominance-based rPPG”(IEEE Transactions on Biomedical Engineering，Vol.60，No.10，2013年10月，第2878-2886页)中所描述的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于从所检测的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法，其提供(一个或多个)所获得的生命体征的增加的SNR、准确度和可靠性。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于从所检测的透射通过或反射自对象的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备，所述设备包括：
-输入接口，其用于接收从所检测的透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射导出的检测数据的数据流，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，
-信号混合器，其用于将所述至少两个信号通道动态混合为至少一个混合信号，
-处理器，其用于从所述至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信息，以及
-控制器，其用于控制所述信号混合器以限制被混合为至少一个混合信号的所述至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态地变化的变化率。
在本发明的另外的方面中，提出了一种用于从所检测的透射通过或反射自对象的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的系统，所述系统包括：
-检测器，其用于检测透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射，并且用于从所检测的电磁辐射导出检测数据，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，以及
-如本文公开的设备，其用于从所述检测数据提取生理信息。
在本发明的又一方面中，提供了一种对应的方法、一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于当在计算机上执行所述计算机程序时，令所述计算机执行本文公开的方法的步骤，提供了一种在其上存储计算机程序产品的非暂态计算机可读记录介质，所述计算机程序产品当由处理器运行时，令所本文所公开的方法被执行。
本发明的优选实施例定义在从属权利要求中。应当理解，请求保护的方法、系统、计算机程序和介质与请求保护的并且在如从属权利要求中定义的设备具有相同的优选实施例。
发明人已经观察到，用于从所检测的电磁辐射获得生命体征的已知方法主要(或甚至仅)在通常由对象的运动引起的最低水平失真的情况下产生稳定的混合物。在非常静止的对象中，由不稳定的混合，直观地相反地，生命体征的SNR下降。本发明旨在改进生命体征的SNR，尤其是在这些接近于静止的情况下。
本发明基于这样的想法，即限制混合和/或其变化率，尤其是当在颜色通道或导出的信号中观察到低能量时，如在实施例中所提出的。限制变化率具有仍然允许所有可能的混合的优点。本发明同样适用于各种或者甚至全部已知的用于获得(一个或多个)混合信号的方法，例如，使用诸如主分量分析(PCA)或独立分量分析(ICA)的盲源分离(BSS)的方法、如G.de Haan等人的在上面提及的文章中所公开的基于色度信号的方法(CHRO-方法(CHROM))、基于全维的但是预先定义的一个的能量最小化的方法(也被称为PBV-方法)，以及使用来自PBV或CHRO的引导的BSS-方法。这些方法将在下文更详细的进行解释。
这些方法能够被解释为提供所述混合信号作为表示各自的波长部分的至少两个信号通道的混合，例如作为表示来自彩色摄像机的红色、绿色和蓝色信号的三信号通道的混合，但它们在确定用于混合所述至少两个信号通道的最优加权方案上不同。通常，所得到的权重旨在混合，在所述混合中，失真消失，即“加权向量”基本上正交于如通常由对象运动所引起的主失真。根据本发明，未使用这种常用的加权方案，而是应用所述信号混合器的更复杂的控制，根据所述控制，限制具体而言在一定条件下被应用到混合和/或变化率，以改进SNR。
在优选实施例中，所述控制器被配置为仅在所述至少两个信号通道的能量或所导出的量度低于能量阈值的情况下限制所述相对贡献和/或所述相对贡献的变化率。如上面解释的，在这种情况下，常规混合导致降低的SNR。高于能量阈值，优选地常规地执行，即没有任何限制地执行混合，使得高于能量阈值也能够获得最好的SNR。能量阈值可以是预先确定的(例如在校准测量中)、可例如通过用户或自学习调整的。
在另一实施例中，所述输入接口被配置为接收指示所述对象或所述对象的部分的运动的运动信号，并且其中，所述控制器被配置为仅在所述运动低于运动阈值的情况下限制所述相对贡献和/或所述相对贡献的变化率。所述运动信号可以以各种方式来采集，例如，通过使用被附接至所述对象的身体的一个或多个身体传感器(例如，加速计)、通过使用被布置在与所述对象接触的设备中或设备处的运动传感器(例如，床垫内的压力传感器)、或者通过使用从所述对象的图像获得的信息。高于运动阈值，优选地常规地执行混合。所述运动阈值，如所述能量阈值，可以是预先确定的(例如在校准测量中)、可例如通过用户或自学习调整的。
有利地，所述控制器被配置为将所述相对贡献和/或所述变化率限制到预先确定的值或范围。所述预先确定的值或范围可以例如也是在校准测量中获得的。用于所述相对贡献和/或所述变化率的预先确定的值或范围的设置允许地控制以获得增加的SNR。
优选地，所述控制器被配置为通过更新所述相对贡献，尤其是通过递归更新所述相对贡献，来限制所述变化率。这可以通过更新加权因子来实现，针对混合，所述相对贡献被乘以所述加权因子。
在另一实施例中，所述至少两个信号通道从300nm和1000nm之间的波长区间来选择，具体而言表示对应于红光、绿光和蓝光的波长部分。这具体地在PPG信号从由(例如常规)摄像机所采集的图像信号获得时，并且当远程PPG的上面提及的原理被用于导出一个或多个生命体征时被使用。在其他实施例中，除另一种颜色通道外或代替另一种颜色通道，也可以使用红外光。例如，对于夜间应用，可以额外地或备选地使用一个或多个红外光波长。
通常，电磁辐射，特别是光与生物组织的相互作用是复杂的，并且包括(多)散射、反向散射、吸收、透射和(漫射)反射的(光学)过程。在本发明的上下文中使用的术语“反射”不应被解读为限于镜面反射，而是包括电磁辐射，尤其是光与组织的上述类型的相互作用，以及它们的任意组合。
如本发明的上下文中所使用的“生命体征”是指对象(即，生物)的生理参数和导出参数。尤其是，术语“生命体征”包括血容量脉冲信号、心率(HR)(有时也被称为脉搏率)、心率改变性(脉搏率改变性)、搏动强度、灌注、灌注指标、灌注改变性、Traube-Hering-Mayer波、呼吸率(RR)、皮肤温度、血压、血液和/或组织中的物质的浓度，诸如，(动脉)血氧饱和度或血糖水平。此外，“生命体征”总体上包括从PPG信号的形状获得的健康指示(例如，形状可以说明与部分动脉阻塞有关的情况(例如当在手臂上应用血压袖带时，从手的PPG信号获得的形状变得更加正弦化)，或者与皮肤厚度有关的情况(例如，来自面部的PPG信号不同于来自手部的)，或者可以甚至是与温度有关的情况，等)。
如本发明的上下文中所使用的“生命体征信息”包括如上面定义的一个或多个测量的生命体征。此外，其包括涉及生理参数、对应的波形踪迹的数据，或者涉及时间的生理参数的能够服务于随后的分析的数据。
为了获得对象的生命体征信息信号，在皮肤区内的皮肤像素区的数据信号被评估。此处，“皮肤像素区”意指包括一个皮肤像素或相邻皮肤像素的组的区，即，可以针对单个像素或者皮肤像素的组导出数据信号。
在又一实施例中，所述信号混合器被配置为使用盲源分离，尤其是主成分分析或独立成分分析，来计算所述至少一个混合信号。所述各种方法每种均可以具有优点和缺点，并且可以根据期望的用途来选择。
此外，在实施例中，所述信号混合器被配置为计算单个混合信号，所述单个混合信号与一个多个比率的预先确定的集合中的所述至少两个信号通道相关。所述关联可以例如被计算为单个混合信号和所述至少两个信号通道的内积。这给出被写为规范化的向量([A，B]/范数([A，B])的两个值(例如，A和B)应当等于一个或多个比率的预先确定的集合，例如规范化的血液量向量(在描述PBV-方法的细节的US 2013/271591 A1中的被称为“具有指示参考生理信息的设置取向的预先确定的指数元素”)。
在又一实施例中，所述信号混合器被配置为将所述至少一个混合信号计算为至少两个正交色差信号的混合。例如，R-G(红色减绿色)是色差信号的有用的范例，且R+G-2*B(红色加绿色减两倍的蓝色)是正交于第一范例的另一有用的范例。这种混合方式的背景已经在G.de Haan和V.Jeanne的“Robust pulse-rate from chrominance-based rPPG”(EEETransactions on Biomedical Engineering，60(10)、第2878-86页，2013年10月)中给出。所述色差信号固有地抑制所述镜面反射，并且至少两个色差信号的混合抑制在生命体征信号中的另外的运动诱发的失真。随后解释的实施例将本发明的应用提供到BBS、使用血液容积脉搏的方法和基于色度的方法。
可以以各种方式来实施所述检测器，其用于检测透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射，并且用于从所检测的电磁辐射导出检测数据。在一个实施例中，所述检测器包括体积描记传感器，所述体积描记传感器被配置为被安装至所述对象的皮肤部分，以便采集光电体积描记信号。这种传感器可以例如是被安装至手指或耳垂的光电体积描记传感器或布置在腕带或手表内的传感器。
在另一实施例中，所述检测器可以包括成像单元，所述成像单元用于采集所述对象的随时间的图像帧的序列，能够从所述序列导出光电体积描记信号。所述数据流可以因此包括图像帧的序列，或者更精确地，包括一系列包括光谱信息的图像帧。例如，能够利用包括颜色信息的RGB图像。然而，表示红外光(IR)和红光(R)信息的帧也能够形成帧的序列。所述图像帧能够表示所观察到的对象和其他元素。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。在附图中：
图1示出了根据本发明的系统的示意图，
图2示出了根据本发明的设备的示意图，
图3示出了根据两种不同方法的相对和绝对PPG幅度的图，
图4示出了针对Pbv的预测和颜色通道中的相对PPG的输入曲线的图，并且
图5示出了105个对象的规范化的皮肤色调和Pbv的图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统10的示意图，所述系统包括设备12，所述设备用于从透射通过或反射自对象的所检测的电磁辐射提取指示对象14的至少一个生命体征的生理信息。对象14，在该范例中为患者，在于例如医院或其它医疗保健设施中的床16上，但也可以是例如在于恒温箱中的新生儿或早产儿，或者在家中或在不同环境中的人。对象14，在该范例中为患者，在于例如医院或其它医疗保健设施中的床16上，但也可以是例如在于恒温箱中的新生儿或早产儿，或者在家中或在不同环境中的人。
存在针对检测器的不同实施例，其可以备选地(其是优选的)或一起被使用。在系统10的实施例中，示出了检测器的两个不同实施例。
在一个实施例中，检测器包括相机18(也被称为成像单元，或为基于相机的或远程PPG传感器)，所述相机包括合适的光传感器，所述光传感器用于(远程地并且非侵扰地)捕获对象14的图像帧，尤其是用于采集随时间的对象14的图像帧的序列，能够从其导出光电体积描记信号。由相机18捕获的图像帧具体而言可以对应于借助于例如在(数字)相机中的模拟或数字光传感器捕获的视频序列。这种相机18通常包括光传感器，诸如CMOS或CCD传感器，其也可以操作在特定的光谱范围(可见，IR)中或者提供用于不同光谱范围的信息。相机18可以提供模拟或数字信号。图像帧包括具有相关联的像素值的多个图像像素。尤其是，图像帧包括表示利用光传感器的不同光敏感元件捕获的光强度值的像素。这些光敏感元件可以敏感于特定光谱范围(即，表示特定颜色)。图像帧包括表示对象的皮肤部分的至少一些图像像素。因此，图像像素可以对应于光检测器的一个光敏感元件及其(模拟或数字)输出，或者可以基于多个光敏感元件的组合(例如，通过划分)来被确定。
在另一实施例中，所述检测器包括一个或多个光学光电体积描记传感器19(也称为(一个或多个)接触式PPG传感器)，所述一个或多个光学光电体积描记传感器被配置为被安装至对象14的皮肤部分，以便采集光电体积描记信号。(一个或多个)PPG传感器19可以例如被设计为用于测量血氧饱和度的手指夹的形式，或者用于测量心率的心率传感器的形式，仅提出所有可能实施例中的几个。
当使用相机18时，系统10任选地还可以包括诸如灯的光源22(也被称为照明源)，所述光源用于利用光，其例如在(一个或多个)预先确定的波长范围中(例如，在红、绿和/或红外波长范围中)，来照射诸如患者面部的皮肤(例如面颊或前额的部分)的感兴趣区域24。由相机18来检测响应于所述照明的从所述感兴趣区域24反射的光。在另一实施例中，不提供专用光源，而是环境光被用于对象14的照明。从反射光，仅在期望的波长范围中的光(例如绿光)可以被检测和/或评价。
设备12还被连接至接口20，所述接口用于显示所确定的信息和/或用于向医学人员提供接口以变化设备12、相机18、(一个或多个)PPG传感器19、光源22和/或系统10的任何其他参数的设置。这样的接口20可以包括不同的显示器、按钮、触摸屏、键盘或其他人机接口模块。
如图1中图示的系统10可以，例如，被定位在医院、医疗保健设施、老年护理设施等中。除了患者的监测，本发明还可以应用在其它领域中，诸如新生儿监测、一般监控应用、安全监测或诸如健身装备的所谓的生活方式环境等。设备12、相机18、(一个或多个)PPG传感器19和接口20之间的单向或双向通信可以经由无线或有线通信接口进行工作。本发明的其他实施例可以包括不是独立提供的，而是被集成到相机18或接口20中的设备12。
图2示出了根据本发明的设备12的实施例的更详细的示意性图示。设备12包括输入接口30，所述输入接口用于接收从所检测到电磁辐射导出的检测数据的数据流28，所述电磁辐射是透射通过或反射自对象14的皮肤区域的。检测数据的数据流例如是由相机18和/或一个或多个PPG传感器19提供的，并且检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息。
信号混合器32被提供为将至少两个信号通道动态混合为至少一个混合信号。存在用于所述混合的各种实施例，这将在下文更详细地进行解释。
处理器34被提供为从至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信息。从所检测的光，例如从感兴趣区域的图像或从接触式PPG传感器的信号获得PPG信号的方式是通常在远程或接触式光电体积描记术的领域中已知的，例如从上述文档已知的，并且因此此处不更详细地说明。
最后，控制器36被提供为控制信号混合器限制被混合为至少一个混合信号的至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态变化的变化率。以这种方式，所获得的生理信息的可靠性和准确度能够在各种情况下增加，其中，常规处理会导致所获得的生理信息的劣化，如也将在下文中更详细说明的。
设备12的各种单元可以依赖于如何以及在何处应用本发明被包括在一个或多个数字或模拟处理器中。不同单元可以完全地或部分地被实施在软件中，并且在被连接至一个或多个检测器的个人计算机上被执行。所需功能的一些或全部也可以被实施在硬件中，例如，在专用集成电路(ASIC)中或在现场可编程门阵列(FPGA)中。
本发明的细节应当针对输出生命体征为脉冲信号S的情况被描述。存在几种方法来找到S，所述方法被称为由PBV/CHROM引导的ICA、PCA、PBV、CHROM以及ICA/PCA。这些方法能够被解释为提供作为来自彩色摄像机的红色、绿色和蓝色信号的混合的脉冲信号，但是它们在确定最优加权方案的方式上不同。在这些方法中，所得到的权重旨在混合，其中，失真消失，即“加权向量”基本上正交于通常由对象运动引起的主要失真。
在下文中，应简要解释这些方法的一些基本思路及实质。
心脏的跳动引起动脉中的压力改变，因为心脏泵送血液抵抗(against)血管床的阻力。由于动脉是弹性的，它们的直径与压力改变同步变化。这种直径变化甚至出现在皮肤的较小血管中，其中，血液量改变引起光的变化的吸收。
在M.Hülsbusch的“Ein bildgestütztes,funktionelles Verfahren zuroptoelektronischen Erfassung der Hautperfusion”(für Elektrotechnikund Informationstechnik，PhD-thesis，RWTH Aachen，2008年1月28日)中，解释了得到相对PPG幅度由血液和无血液组织之间的对比来确定。给定氧化动脉血液的吸收光谱和真皮及表皮的吸收光谱，并且假设3％的黑色素浓度，其模拟实现作为如图3A中所示的波长的函数的相对幅度40(也示出在绝对幅度41中)。在该曲线中，在542和577nm处的氧合血液的吸收峰能够清楚地被识别。
作为波长的函数的绝对PPG-幅度51由Corral等人在“Optimal wavelengthselection for non-contact reflection photoplethysmography”(22nd Congress ofthe International Commission for Optics:Light for the Development of theWorld,Proc.of SPIE，Vol.8011，801191)中使用光谱仪和白色卤素照明来测量。该曲线51示出了550nm附近的强幅度峰值，如图3B所示。该绝对PPG(PPG(w)，w是波长)经由卤素照明的发射光谱I(w)和皮肤反射光谱ρs(w)与相对PPG-曲线RPPG(w)有关：
PPG(w)＝ρs(w)I(w)RPPG(w)。 (1)
在图3B中，所导出的相对PPG 50已经被包括，其除了针对较短波长的较高噪声之外，合理地良好地对应于来自Hülsbusch的模型的预测。增加的噪声水平要被预期给出(卤素)灯的较弱的发射和针对较短波长的皮肤的较高的吸收。
来自Hülsbusch的模型的无噪声曲线用于预测在普通摄像机的颜色通道中的PPG-幅度。相机使用针对眼睛的三原色，即红色、绿色和蓝色，的三个颜色通道以相当粗糙的感测采样可见光光谱。这些颜色通道通常以450nm、550nm和650nm为中心，并具有若干100nm的相对宽的带宽，并因此部分交叠。给出作为波长函数的PPG-信号，如由Hülsbusch的模型所预测的，相对PPG-幅度能够针对不同皮肤色调和光源的光谱组成来预测。
单位长度规范化血液量脉冲向量应当被定义为Pbv，其提供在红色、绿色和蓝色相机信号中的相对PPG-强度，如图4A中所示。为了量化预期，红色、绿色和蓝色通道的响应Hred(w)(图4A中的曲线60)、Hgreen(w)(图4A中的曲线61)和Hblue(w)(图4A中的曲线62)分别被测量为波长w、全局快门颜色CCD相机1、对象的皮肤反射率64ρs(w)的函数，并且使用从Hülsbusch模型导出的PPG-幅度曲线63PPG(w)。从图4A中所示的这些曲线，血液量脉冲向量Pbv被计算为：
其中，使用白色的卤素照明光谱I(w)65，实现规范化的Pbv＝[0.27，0.80，0.54]。当使用由Corral等人测量的更高噪声的曲线时，结果是Pbv＝[0.29，0.81，0.50]。
由所使用的模型预测的血液量脉冲合理地良好地对应于对在白光照明状况下的多个对象上的测量进行平均后发现的实验测量的规范化血液量脉冲向量Pbv＝[0.33，0.78，0.53]。给定该结果，得出结论，所观察到的PPG-幅度，尤其是在红色中并且到蓝色相机通道中的较小的范围，能够极大地由来自500和600nm之间的区间中的波长的串扰来解释。图4B示出了相同波长区间如何贡献于相机颜色通道中的每个(红：70，绿：71，蓝：72)。精确血液量脉冲向量依赖于相机的颜色滤波器、光的光谱以及皮肤反射率，如模型示出。在实践中，向量被证明是非常稳定的。在下文中，这应当针对皮肤色调的范围来验证这。
有趣地，皮肤在白光照明下在红色(图5A中的曲线80)、绿色(图5A中的曲线81)和蓝色通道(图5A中的曲线82)中的相对反射率并不非常依赖于皮肤类型，如图5A中所示。这可能是因为无血液皮肤的吸收光谱是由黑色素吸收主导的。尽管更高的黑色素浓度能够相当地增加绝对吸收，但在不同波长中的相对吸收保持不变。这意味着黑色素的增加使皮肤变暗，但几乎不变化皮肤的规范化的颜色。因此，规范化的血液量脉冲Pbv在白光照明下也是相当稳定的。这由图5B来证实，其示出了针对具有不同皮肤类型的105个对象的相同数据集的红色(图5B中的曲线90)、绿色(图5B中的曲线91)和蓝色通道(图5B中的曲线92)。
Pbv的稳定特性能够用于区分由血液量变化引起的颜色改变与由于备选原因的改变。从视频找到脉冲信号的较早的方法已经由Hülsbusch(如上面提及的)、Poh等人的“Non-contact,automated cardiac pulse measurements using video imaging and blindsource separation”(Opt.Express 18(10)、第10762-10774页(2010))以及Lewandowska等人的“Measuring Pulse Rate with a Webcam-a Non-contact Method for EvaluatingCardiac Activity”(Proc.FedCSIS，第405-410页(2011年))进行了描述。用于所有这些较早方法的得到脉冲信号S能够被写为个体无DC规范化颜色通道的线性组合(表示“混合”的若干可能的方法之一)：
S＝W Cn (3)
其中，WWT＝1，并且其中，3×N矩阵Cn的三行中的每个分别包含无DC规范化的红色、绿色、蓝色通道信号Rn、Gn和Bn的N样本，即：
此处，算子μ对应于平均值。方法之间的主要区别在于加权向量W的计算。Hülsbusch将噪声和PPG信号分离为被建立为两个颜色通道的线性组合的两个独立信号。一种组合接近清洁PPG信号，另一种包含由于运动的噪声。作为优化准则，最小化脉冲信号中的能量。Poh等人和Lewandowska等人都提出使用三个颜色通道的线性组合来获得脉冲信号。Poh等人使用ICA，而Lewandowska等人使用PCA来找到该线性组合。因为何者加权颜色信号是脉冲信号是先验未知的，因此它们全部使用脉冲信号的周期性性质作为选择准则。
上面提供了BSS方法的解释。De Haan使用了一种不同的方法(如在上面提及的文章中所描述的)，其假设知晓失真信号的取向和恒定规范化的皮肤颜色，以构建正交于假设的失真的颜色信号的线性组合。这消除了基于周期性的选择，其被示出为在具有周期运动的健身视频中是有利的。规范化的皮肤颜色被选择为[RS，GS，BS]＝[0.7682，0.5121，0.3841]，如从图5A中所能够看到的，其接近地对应于实际测量值。基于色度信号的这种算法(CHRO)，XS＝0.77Rn-0.51Gn和YS＝0.77Rn+0.51Gn－0.77Bn，找到脉冲信号S为：
其中，
并且其中，算子σ对应于规范化的偏差。这种表达能被写为：
其中，
这种重写明确了其同样实际上是规范化的颜色通道(Cn)的(不同地获得的)混合(权重向量W)。
获得混合系数的又一种方法(称为PBV-方法)使用如在US 2013/271591A1中基本上描述的血液量脉冲向量。如果使用Rn、Gn和Bn的带通滤波的版本，则获得最好的结果。根据该方法，Pbv的已知方向被用于在脉冲信号和失真之间进行辨别。这不仅移除了脉冲是视频中的仅周期性分量的假设，而且消除了关于失真信号的取向的假设。为此，如前，假设脉冲信号被建立为如公式(3)中的规范化的颜色信号的线性组合。因为已知在红色、绿色和蓝色通道中的脉冲信号的相对幅度由Pbv给出，因此权重WPBV被搜索，其给出脉冲信号S，针对其，与颜色通道Rn、Gn和Bn的相关等于Pbv
并且因此确定混合的权重由下式来确定
其中，
并且标量k被确定使得WPBV具有单位长度。结果，PPG-信号的特性波长相关性，如在标准化血液量脉冲中所反映的，能够用于估计来自跨越皮肤区域被平均化的时间上连续的RGB像素数据的脉冲信号。该算法被称为PBV-方法。
在下文中，将引入备选来放宽所述假设。具体而言，仍然描述四种方式来计算混合系数。实现颜色通道的这种混合的所有方法能够通过修改权重来使用本发明来调整。
基于盲源分离(BSS)的方法，诸如ICA和PCA，的优点在于它们不依赖于与失真的类型或皮肤色调的取向或血液量脉冲向量有关的假设。它们的缺点在于何者输出分量承载脉冲信号在前期是不清楚的。较早已经由de Haan等人示出，使用周期性作为用于分量选择的脉冲信号的特性导致差的运动鲁棒性，因为这需要快速适配到变化的统计，即具有在傅里叶域中的不足的分辨率的短的交迭相加区间。此外，在健身设置中，基本上所有运动是周期性的，其中，它们的频率在与脉冲率相同的范围内。
作为备选，提出了使用从CHRO-或PBV-方法获得的加权系数，公式(5)或(8)的W，来引导分量选择。好的选项选择具有最大(绝对)相关性的分量。得到的算法允许更精确地最小化失真的加权，因为假设-针对CHRO的已知失真和针对PBV的稳定Pbv-仅用于引导，小的偏差不起作用。
为了图示所述算法，假设ICA或PCA生成每个作为规范化的RGB信号的线性组合获得的三个分量信号S1、S2、S3，Cn：
Si＝Wi Cn，其中，i＝1，2，3。 (9)
现在，脉冲信号S使用根据CHRO-或PBV-算法获得的参考权重向量WREF＝WCHRO或WREF＝WPBV从分量信号来选择，等于S＝SP，其中，p∈{1，2，3}，使得
这给出四个额外算法，由CHRO或由PBV引导的ICA或PCA。所有算法可以使用交迭相加处理(如在de Haan的上面提及的文章中所介绍的)，并且能够成功地使用短区间长度，不同于使用周期性作为分量选择准则的较早的基于BSS的算法。由于BSS不能保证脉冲信号的极性，个体信号片断的符号使用下式针对区间M，SM被校正：
其中，ρ可以从一个时间区间到另一个改变。
在不存在实质的失真时，这通常意味着非常静止的对象，(确定颜色通道的混合的)加权向量的取向变得不确定，并且呈现随着时间的随机改变(通常交迭相加流程被应用，以允许加权向量的时间适配)。这些随机改变令得到的输出脉冲信号的SNR显著比在(有限的)失真存在的情况下获得的SNR差。
在应用上面解释的CHRO-方法的本发明的第一实施例中，观察被使用，在多数情况下，失真在规范化的RGB空间中具有已知的方向。运动通常大部分转化在强度改变中，即在方向[111]中的失真。为了消除这种失真，加权向量W被预期在于色度平面中，即总和(W)接近于零。在该第一实施例中，加权向量W由缺省向量来替换。好的示范性的选择是每当总和(W)超过阈值时，Wd＝[-1 1.4 -0.4]或Wd＝[-1 2 -1])。
第二种常见失真是由于镜面反射引起的，镜面反射通常令颜色的饱和度变化而不是色相。因此，在第二实施例中，权重向量W被限制到围绕正交于强度和饱和度的向量的范围，即W被限制到围绕较早提及的缺省向量Wd的范围(固定的角)。
应用CHRO方法，另一个好的实施例将α的值(参见方程式(5))夹在0.8和1.2之间。
在另外的优选实施例中，上面的限制仅在问题可能，即具有高于可能性阈值的存在的可能性的情况下被激活。这能够例如通过以下来估计：颜色信号或者色度信号的标准偏差、在基于PCA的方法中的特征值或PBV-方法(参见公式(8))的协方差矩阵Q的范数。
所描述的实施例的缺点可以是限制选择是基于最常见的失真的。这能够是不理想的是特定情况。为了改进该方面，优选实施例通过每当遭遇看上去具有如下所述的失真的接近最优水平的信号段时更新缺省向量来计算“缺省”加权向量Wd。在该实施例的另外的详尽版本中，缺省加权向量Wd从递归过程来得到：Wd(新)＝0.01×W(可靠)+0.99x Wd(旧)，其中，W(可靠)是在最近信号部分期间利用失真的接近最优水平使用要被改进的方法获得的加权向量。在要被改进的方法是PBV-方法的情况下，Q的范数再次能够用于选择W(可靠)。非常高的范数通常意味着由于过度失真的不可靠W，并且非常小的范数意味着由于不存在失真的不可靠W，因此中间值建议更新Wd。在要被改进的方法是CHRO方法的情况下，能够代替地使用范数Y。同样，非常高的范数通常意味着由于过度失真的不可靠混合，并且非常小的范数意味着由于不存在失真的不可靠α(并且因此W)，因此中间值建议更新α。
在上面的描述中，生命体征的提取被假设在给定时刻来自针对皮肤的单个颜色值(全局方法)。已知，更多的有利的方法可以将皮肤区域细分为各个子区域，并且从这些子区域导出多个候选生命体征信号，所述多个候选生命体征信号能够自适应地被组合为输出生命体征信号(表示局部方法，如例如在没有公布的欧洲专利申请12199139.2中所描述的)。在这种情况下，上面提及的实施例中的两个或多个可以并行使用。然而，在这种情况下，优选实施例也可以使用公共缺省加权向量Wd，所述公共缺省加权向量能够由被假设“可靠”的所有的空间区域(例如，非极端协方差矩阵)来递归更新。
本发明旨在在失真的水平非常低的(接近于静止的对象)的情况下改进rPPG和PPG算法的性能。在这种情况下，加权向量变得定义不清，SNR结果比针对这种“容易”的情况预期的坏地多。优选地，限制已经被固定并实验性地优化以提供好的SNR。由于被示出为比限制变化率(例如，通过递归低通滤波)更不好的“限制”，多数努力已经集中在该选项上。
相对贡献能够通过将从公式(5)获得的变量α的值夹在值1.2和0.8之间来限制，从而实现有价值的改进。当变量α＝1时，在公式(5)产生范围<0.8，1.2>以外的值的情况下，这种改进变得甚至更好。在另一种尝试中，使用协方差矩阵Q来检查针对任何方法获得的权重向量(针对混合)的总和W。如果该总和基本上从0偏离，在Q的范数低的同时，所计算的W能够利用固定的加权向量W＝[-0.4 0.8 -0.4]来替换。变化率能够通过由递归滤波的版本W(使用的)＝0.01×W(可靠)+0.99x Wd(旧)替换加权向量W来限制。
从各个身体位置获得的结果(光谱图)示出，脉冲信号利用根据本发明提出的修变化得更加清洁得多。还能够看到，呈现在服装，例如衬衫的运动中的脉冲信号在修改后正在被抑制，因为其未呈现在皮肤中的预期的典型的颜色改变。
如上面提及的局部方法总体上被预期为对噪声更不敏感，因为个体噪声结果被平均。然而，实验结果示出了显著的改进(在SNR中大于1分贝)，即使包含在大的皮肤区域中的数百个子区域的序列被测试。
此外，在新生儿的NICU处的影像镜头示出了清楚的改进，即在这种情况下由于在彩色环境中的呼吸运动的运动伪影被显著地降低(尽管没有完全消除)。
上面描述的方法已经基本上关于非接触传感器来解释。总体而言，相同的方法也能够用于接触式传感器。对于由CHRO引导的ICA/PCA，将需要三种波长。其他方法也能够利用仅两种波长来工作。
通过范例，本发明能够应用在医疗保健领域(例如，非侵扰远程患者监测)、一般监护、安全监测和诸如健身装备的所谓的生活环境等中。应用可以包括对氧饱和度(脉冲血氧饱和度)、心率、血压、心输出量、血液灌注的变化的监测，对自主功能的评定，以及对周围血管疾病的检测。本发明例如能够被用于例如在自动化CPR(心肺复苏)期间的危重患者的快速和可靠的脉冲检测。所述系统也能够用于新生儿生命体征的监测。总之，本发明显著地改进了针对接近于静止的对象的SNR，并且因此实现更准确的心跳到心跳测量。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供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，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统分布。
权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (13)
1.一种用于从所检测的透射通过或反射自对象(14)的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备，所述设备包括：
-输入接口(30)，其用于接收从所检测的透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射导出的检测数据的数据流，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，
-信号混合器(32)，其用于将所述至少两个信号通道动态地混合为至少一个混合信号，
-处理器(34)，其用于从所述至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信息，以及
-控制器(36)，其用于控制所述信号混合器以限制被混合为至少一个混合信号的所述至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态地变化的变化率。
2.如权利要求1所述的设备，
其中，所述控制器(36)被配置为仅在所述至少两个信号通道的能量或导出的量度低于能量阈值的情况下限制所述相对贡献和/或所述相对贡献的变化率。
3.如权利要求1所述的设备，
其中，所述输入接口(30)被配置为接收指示所述对象或所述对象的部分的运动的运动信号，并且
其中，所述控制器(36)被配置为仅在所述运动低于运动阈值的情况下限制所述相对贡献和/或所述相对贡献的变化率。
4.如权利要求1所述的设备，
其中，所述控制器(36)被配置为将所述相对贡献和/或所述变化率限制到预先确定的值或范围。
5.如权利要求1所述的设备，
其中，所述控制器(36)被配置为通过更新所述相对贡献，尤其是通过递归地更新所述相对贡献，来限制所述变化率。
6.如权利要求1所述的设备，
其中，所述至少两个信号通道从300nm和1000nm之间的波长区间来选择，尤其表示对应于红光、绿光和蓝光的波长部分。
7.如权利要求1所述的设备，
其中，所述信号混合器(32)被配置为使用盲源分离，尤其是使用主分量分析或独立分量分析，来计算所述至少一个混合信号。
8.如权利要求1所述的设备，
其中，所述信号混合器(32)被配置为计算单个混合信号，所述单个混合信号与一个多个比率的预先确定的集合中的所述至少两个信号通道相关。
9.如权利要求1所述的设备，
其中，所述信号混合器(32)被配置为根据至少两个正交色差信号来计算所述至少一个混合信号。
10.一种用于从所检测的透射通过或反射自对象(14)的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的方法，所述方法包括：
-接收从所检测的透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射导出的检测数据的数据流，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，
-将所述至少两个信号通道动态混合为至少一个混合信号，
-从所述至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信息，并且
-控制信号混合器来限制被混合为至少一个混合信号的所述至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态地变化的变化率。
11.一种用于从所检测的透射通过或反射自对象的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的系统，所述系统包括：
-检测器(18、19)，其用于检测透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射，并且用于从所检测的电磁辐射导出检测数据，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，以及
-如权利要求1所述的设备(12)，其用于从所述检测数据提取生理信息。
12.如权利要求11所述的系统，
其中，所述检测器包括：体积描记传感器(19)，其被配置为被安装至所述对象的皮肤部分，用于采集光电体积描记信号；和/或成像单元(18)，其用于随时间采集所述对象的图像帧的序列，从所述序列能够导出光电体积描记信号。
13.一种用于从所检测的透射通过或反射自对象(14)的电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的装置，所述装置包括：
用于接收从所检测的透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射导出的检测数据的数据流的模块，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，
用于将所述至少两个信号通道动态混合为至少一个混合信号的模块，
用于从所述至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信息的模块，并且
用于控制信号混合器来限制被混合为至少一个混合信号的所述至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态地变化的变化率的模块。
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