CN105813564A - 用于确定对象的生命体征的设备和方法 - Google Patents

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CN105813564A CN201480067580.4A CN201480067580A CN105813564A CN 105813564 A CN105813564 A CN 105813564A CN 201480067580 A CN201480067580 A CN 201480067580A CN 105813564 A CN105813564 A CN 105813564A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定对象的生命体征的设备，所述设备包括：接口(22)，其用于接收通过光学体积描记PPG测量从对象(14)获得的周期性PPG信号；信号划分单元(24)，其用于在时间上将所述PPG信号划分成多个PPG子信号，所述多个PPG子信号覆盖半个周期或半个周期的整数倍；归一化单元(26)，其用于在时间和/或幅度上对所述PPG子信号和/或在所述划分之前的所述PPG信号进行归一化；信号组合单元(28)，其用于将多个经归一化的PPG子信号进行组合以获得经组合的PPG子信号；以及生命体征处理器(30)，其用于根据所述PPG信号、一个或多个经组合的PPG子信号或通过相继地布置多个经组合的PPG子信号而获得的经增强的PPG信号导出期望的生命体征。

Description

用于确定对象的生命体征的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定诸如人或动物的对象的生命体征的设备和方法。
背景技术
人的生命体征(例如心率(HR)、呼吸率(RR)或血氧饱和度)用作人的当前状态的指标并用作严重医学事件的有力的预测器。为此，在住院病人和门诊病人护理设施中、在家中、或者在另外的健康、休闲和健身设施中广泛地监测生命体征。
测量生命体征的一种方式是体积描记法。体积描记法一般指的是对器官或身体部分的体积变化的测量，尤其指对由于心血管脉动波随着每次心跳行进通过对象的身体而引起的体积变化的检测。
光学体积描记法(PPG)是评估感兴趣区域或体积的光反射或透射随时间的变化的光学测量技术。PPG基于这样的原理，即血液比周围组织吸收更多的光，因此血液体积随每次心跳的变化对应地影响透射和反射。除了关于心率的信息，PPG波形还能够包括可归于另外的生理现象(例如呼吸)的信息。通过评估在不同波长(典型地为红色和红外)处的透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度。
用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度(也称为SpO2)常规脉搏血氧计(本文中也称为接触式PPG设备)被附着到对象的皮肤，例如指尖、耳垂或额头。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，以及用于探测已经透射通过患者组织的光的一个光电二极管。商业上可获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，并且由此在两个不同的波长处测量组织的同一区域或体积的透射。这被称为时分复用。在每个波长处随时间的透射给出了针对红色波长和红外波长的PPG波形。虽然接触式PPG被认为是基本无创的技术，但是接触式PPG测量通常是不愉快的经历，这是因为脉搏血氧计被直接附着到对象，并且有些线缆限制了移动的自由度。
最近已经引入了用于非干扰性测量的非接触式远程PPG(rPPG)设备(本文中也被称为相机rPPG设备)。远程PPG采用远离感兴趣对象设置的光源(或一般为辐射源)。类似地，也能够将探测器(例如相机或光检测器)远离感兴趣对象设置。因此，远程光学体积描记系统和设备被认为是非干扰性的，并且非常适合于日常的医学和非医学应用。然而，远程PPG设备通常实现较低的信噪比。
Verkruysse等人的“Remoteplethysmographicimagingusingambientlight”(OpticsExpress，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445页)展示了能够使用环境光和常规的消费级视频相机、利用红色、绿色和蓝色通道来远程地测量光学体积描记信号。
Wieringa等人的“ContactlessMultipleWavelengthPhotoplethysmographicImaging:AFirstStepToward“SpO2Camera”Technology”(Ann.Biomed.Eng.33，第1034-1041页，2005年)公开了一种用于基于在不同波长处的体积描记信号的测量结果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。所述相机顺序地在三个不同波长处采集对象的三段影片。能够根据在单个波长处的影片来确定脉搏率，而为了确定氧饱和度，采集在不同波长处的至少两段影片。所述测量是在暗室中执行的，一次仅使用一个波长。
能够使用PPG技术来测量生命体征，所述生命体征是由因脉动的血液体积造成的皮肤的微小的光吸收变化所披露的，即由因血液体积脉动诱发的人类皮肤的周期性颜色变化所披露的。由于该信号非常小，并且隐藏在由于照射变化和运动引起的大得多的变化中，因此存在对改善基本上低信噪比(SNR)的普遍兴趣。还存在如下需求情形：有严重的运动、具挑战性的环境照射条件或者应用的高要求的准确度，其中，要求尤其用于较重要的健康护理应用的生命体征测量设备和方法的改善的鲁棒性和准确度。
US2005/197579A1公开了一种用于检测组织中的混合静脉与动脉血液脉动的存在的方法和设备，其包括：从被血液灌注的组织部分接收与光的红外波长和红色波长相对应的第一电磁辐射信号和第二电磁辐射信号；获得第一电磁辐射信号与第二电磁辐射信号之间的相位差的度量；将所述度量与阈值进行比较以形成比较结果；并且使用所述比较结果来检测静脉脉动是否存在。
US2006/217615A1公开了对对象的临床压力的确定。为了提出一种用于监测对象的压力状态的不复杂且成本高效的方法，从对象采集体积描记信号数据并导出第一测量信号，所述第一测量信号指示所述信号数据中出现的呼吸调制的预定特征。接着基于第一测量信号来形成指数信号，并且所述指数信号用作指示对象的临床压力的指数。
WO2013/027027A2公开了一种通过监测对象的图像中的PPG信号来远程监测生命体征的方法，所述图像是通过诸如网络摄像头的视频相机拍摄的。通过对从对象的皮肤上的感兴趣区域反射的环境光的自动回归分析来识别PPG信号。通过对从不在对象的皮肤上(例如在背景中)的感兴趣区域反射的环境光的自动回归分析来抵消环境光的频率分量和因视频相机的帧率导致的混叠伪影。这披露了环境光的谱成分，从而允许识别对象的PPG信号。根据PPG信号来获得心率、氧饱和度和呼吸率。能够基于对所述值的统计学分析来将这些值组合成健康指数。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定对象的生命体征的经改进的设备和方法，其中，所述设备和方法具有提高的信噪比，并且有效地减小由失真造成的尤其是由对象的运动造成的伪影。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的生命体征的设备，所述设备包括：
-接口，其用于接收通过光学体积描记(PPG)测量而从对象获得的周期性PPG信号，
-信号划分单元，其用于在时间上将所述PPG信号划分成多个PPG子信号，所述多个PPG子信号覆盖半个周期或半个周期的整数倍，
-归一化单元，其用于在时间上和/或幅度上对所述PPG子信号和/或在所述划分之前的所述PPG信号进行归一化，
-信号组合单元，其用于将多个经归一化的PPG子信号进行组合以获得经组合的PPG子信号，以及
-生命体征处理器，其用于根据所述PPG信号、一个或多个经组合的PPG子信号或通过相继地布置多个经组合的PPG子信号而获得的经增强的PPG信号来导出期望的生命体征。
在本发明的另一方面中，提出了一种对应的方法。
在本发明的另外的其他方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，当在计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码单元令计算机执行所述方法的步骤；并且提供了一种在其中存储有计算机程序产品的非瞬态计算机可读记录介质，当由计算机处理器运行时，所述计算机程序产品令本文中公开的所述方法得到执行。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的方法、计算机程序和介质具有与要求保护的设备以及与在从属权利要求中限定的相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于这样的构思，即通过增强从接触式PPG或相机rPPG设备获得的波形(即PPG信号)来改善信号。在时间和/或幅度上对逐心跳波形的可能自适应的最近历史进行归一化和组合，以创建具有更相关的生理意义的经增强的(或经合成的)波形。这种经增强的波形被用于至少部分地替代或补充实际的逐心跳波形，从而产生实时的经增强的脉动信号(即，经增强的PPG信号)。接着可以根据原始PPG信号、一个或多个经组合的PPG子信号或通过相继地布置多个经组合的PPG子信号而获得的经增强的PPG信号以较高的准确度和鲁棒性来获得一个或多个生命体征。
例如，在实施例中，提出了计算经组合的PPG子信号，并且除了原(原始)PPG信号外，还显示(任选地(在时间和幅度上)经归一化的)PPG子信号。在这种情况下，能够根据经组合的PPG子信号来观察形状信息，而能够根据(可能未增强并且在显示器上移动的)原始PPG信号来观察规律性。
在另一实施例中，相继地布置多个经组合的PPG子信号以获得经增强的PPG信号，接着根据所述经增强的PPG信号来获得一个或多个生命体征。
因此，通过使用和/或组合经归一化的PPG子信号来导出生命体征，有效地减小了失真和运动的负面影响。
当从相同的皮肤段重复地进行测量时，得到的经增强的PPG信号重现，而当从不同的位置或从具有已知病理的人测量时，得到的经增强的PPG信号优选地示出差异。这实现了针对远程PPG技术的新应用，其是目前仅利用接触式PPG传感器展现的。还能够应用相同的技术来将从接触式传感器获得的信号的质量带到更高的水平。
电磁辐射(具体为光)与生物组织的相互作用是复杂的，并且包括(多个)散射、反向散射、吸收、透射和(漫)反射的(光学)过程。在本发明的背景下使用的术语“反射”不应被解释为限于镜面反射，而是包括前述的电磁辐射(具体为光)与组织的各类型的相互作用及其任意组合。
在本发明的背景下使用的术语“生命体征”指的是对象(即生物)的生理参数以及衍生参数。具体而言，术语“生命体征”包括血液体积脉动信号、心率(HR，有时也称为脉搏率)、心率变化性(脉搏率变化性)、脉动性强度、灌注、灌注指标、灌注变化性、TraubeHeringMayer波、呼吸率(RR)、体温、血压、血液和/或组织中的物质的浓度(例如(动脉)氧饱和度或血糖水平)。另外，“生命体征”一般包括从PPG信号的形状获得的健康指示(例如形状可以给出关于部分动脉堵塞(例如当在手臂上应用血压袖带时，从手部的PPG信号获得的形状变得更加正弦化)或关于皮肤厚度(例如来自脸部的PPG信号与来自手部的不同)或甚至可能是关于温度等的指示)。
在本发明的背景下使用的术语“生命体征”包括如以上所定义的一个或多个测得的生命体征。另外，其包括指代生理参数的数据、对应的波形轨迹或者指代能够被用于后续分析的时间的生理参数的数据。
为了获得对象的生命体征信息信号，对皮肤区域内的皮肤像素区域的数据信号进行评估。这里，“皮肤像素区域”指的是包括一个皮肤像素或一组相邻的皮肤像素的区域，即可以针对单个像素或一组皮肤像素来导出数据信号。
在实施例中，所述信号组合单元被配置为根据经归一化的PPG子信号的时间顺序来相继地布置经组合的PPG子信号，所述经组合的PPG子信号是根据所述经归一化的PPG子信号来获得的。优选地，所述信号组合单元被配置为对被布置在时间窗内的预定数量的相继的经归一化的PPG子信号进行组合以获得经组合的PPG子信号，其中，所述时间窗针对每个经组合的PPG子信号在时间上被移位。因此，使用一种在时间上滑动的滑动时间窗来选择被组合成经组合的PPG子信号的经归一化的PPG子信号。这样，能够重建PPG信号的原始时间序列。
在另一实施例中，所述信号划分单元被配置为检测所述PPG信号的过零点和/或极值(峰和/或谷)，并且被配置为使用检测到的过零点和/或极值来划分所述PPG信号。例如，通过这种划分获得的PPG子信号能够跨度半个周期(例如从一个过零点到下一个过零点或从峰到后续的谷)或整个周期(例如从一个峰到下一个峰、从一个谷到下一个谷、或者从过零点到接下来的第二个过零点)。接着，在时间上的后续归一化确保PPG子信号的时间长度是相等的。
优选地，所述归一化单元被配置为通过检测所述PPG信号的极值来对在所述划分之前的所述PPG信号进行归一化、通过检测到的峰来拟合第一曲线并且通过检测到的谷来拟合第二曲线、从所述PPG信号的瞬时信号值中减去所述第一曲线和所述第二曲线的瞬时平均值、并且将瞬时结果值除以所述第一曲线与所述第二曲线的瞬时差值以获得所述PPG信号的经归一化的信号值。这提供了所获得的生命体征的准确度和鲁棒性的另一改进。
有利地，所述归一化单元被配置为重复所述归一化直到满足停止条件或者直到根据所述归一化获得的归一化信号值收敛，由此能够潜在地进一步改善经增强的PPG信号的SNR。
针对经归一化的PPG子信号的组合，存在各种选项。在实施例中，所述信号组合单元被配置为生成两个或更多个经归一化的PPG子信号的平均值、加权平均值或截尾均值(trimmedmean)，尤其是全部(直到当前时间区间，但限于“合理的”历史(例如直到几分钟，但过长的历史可能具有减小的值))经归一化的PPG子信号的平均值、加权平均值或截尾均值。已经示出了，这些实施例提供了良好的结果。
在另一实施例中，所述信号组合单元被配置为生成两个或更多个经归一化的PPG子信号的加权平均值或截尾均值，尤其是全部经归一化的PPG子信号的加权平均值或截尾均值，其中，用于对经归一化的PPG子信号的进行加权的权重随着到当前时间区间的时间距离而减小。因此，在对经组合的PPG子信号的生成中，与早前的PPG子信号相比，最近的PPG子信号的影响较高。
优选地，所述设备还包括滤波器，所述滤波器用于对接收到的PPG信号进行低通滤波或带通滤波，其中，经滤波的PPG信号被用于后续处理。这保证了提前从所述PPG信号中删除所述PPG信号中在期望的生命体征的典型频率范围之外的频率分量。
在另一实施例中，所述组合单元被配置为在时间上对所述经组合的PPG子信号的周期进行缩放以使所述经组合的PPG子信号的周期与当前时间区间的周期相匹配，并且被配置为相继地布置多个经缩放的经组合的PPG子信号以获得经增强的PPG信号。因此，在生成所述经增强的PPG信号之前，所述经组合的PPG子信号在时间上被重新缩放到如在原始PPG信号中提供的原始周期。这样，能够例如与所述原始PPG信号同步地(例如作为叠加)或替代所述原始PPG信号来显示所述经增强的PPG信号以将改进可视化；或者仅示出经增强的信号以防止混淆。这使得能够替代当前PPG信号而示出经降噪的PPG信号(或经增强的PPG信号)。当前示出的PPG信号也不必是原信号，而是可能已经应用了各种滤波/处理操作来改善信号。因此，本实施例提供了不能利用当前的处理/滤波来实现的对脉动信号的进一步改善。
在又一实施例中，所述设备还包括增强(boosting)滤波器，所述增强滤波器用于增强所述PPG子信号和/或所述经增强的PPG信号中的高频谐波。这允许对不同波形的更简单的视觉鉴别。
在又一实施例中，所述设备还具有对从不同的波长或颜色通道(例如红色、红外、红色、绿色、蓝色)获得的多个PPG信号的访问，其中，经增强的PPG信号(其可以根据一个或多个颜色通道导出并如以上描述地在稍后被增强)被用于后续处理以计算生命体征。对于特定生命体征，PPG信号内的特定颜色范围示出最佳结果，例如已经示出，大约650nm(红色)与大约840nm(红外)的波长区间的相关幅度比率给出关于血液的氧水平(SpO2)的清楚的信息。因此，如果将要这样的特定生命体征，则可以从干净的(经增强的)PPG信号的可用性获益。能够通过计算红色PPG信号以及红外PPG信号与经增强的PPG信号的各相关性的比率来减小相关幅度的比率中的噪声。备选地，能够将红色PPG信号以及红外PPG信号与根据所述经增强的PPG信号导出的相匹配的滤波器进行卷积计算。
在优选的实施例中，所提出的设备还包括：成像单元，尤其是诸如视频相机的相机，其用于采集对象的图像帧；以及PPG信号发生器，其用于根据所述图像帧中示出的所述对象的皮肤部分来导出PPG信号，并且用于将所述PPG信号提供到所述接口。所述成像单元能够包括一个或多个成像元件。例如，所述成像单元能够包括光电二极管或电荷耦合元件的阵列。
在备选实施例中，所提出的设备还包括PPG传感器，所述PPG传感器用于从在所述对象的皮肤部分处的PPG测量结果中采集PPG信号，并且用于将所述PPG信号提供到所述接口。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。在附图中：
图1示出了包括根据本发明的设备的第一实施例的监测系统的示意图，
图2示出了根据本发明的设备的第一实施例的示意图，
图3示出了典型的PPG信号和PPG信号的放大部分的图形以图示将PPG信号划分成各PPG子信号，
图4示出了示意性地图示对各PPG子信号的组合的图形，
图5示出了所获得的经组合的PPG子信号的两个范例
图6示出了根据本发明的设备的第二实施例的示意图，
图7示出了图示根据本发明的处理PPG信号的另一实施例的图形，
图8示出了经增强的PPG信号的范例，并且
图9示出了经组合的PPG子信号的另一范例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的监测系统10的示意图，所述监测系统包括用于获得对象14的生命体征的设备12。在该范例中，对象14是例如在医院中或其他健康护理设施中躺在床16上的患者，但也可以是例如躺在保温箱中的婴儿或早产的幼儿，或者是在家中或在不同环境中的人。借助于包括适合的光学传感器的相机18(也被称为基于相机的或远程的PPG传感器)来捕捉对象14的图像帧。相机18将所记录的图像帧转发到设备12。设备12还被连接到接口20以显示所确定的信息和/或为医学人员提供接口来改变对设备12、相机18或监测系统10的设定。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器件。备选地，或除了相机之外，PPG传感器8(也被称为接触式PPG传感器)例如是以下的形式：用于测量血氧饱和度的手指夹、心率传感器、和/或用于测量呼吸率的加速度计，这里仅列举出所有可能的实施例中的几个。
由相机18捕捉到的图像帧可以具体与借助于(例如(数码)相机中的)模拟或数字光学传感器捕捉到的视频序列相对应。这样的相机通常包括诸如CMOS或CCD传感器的光学传感器，其还可以在特定的谱范围(可见光、IR)中操作或提供针对不同的谱范围的信息。相机18可以提供模拟信号或数字信号。图像帧19包括具有相关联的像素值的多个图像像素。具体而言，图像帧包括表示利用光学传感器的不同光敏元件捕捉到的光强度值的像素。这些光敏元件可以是在特定谱范围中敏感的(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。由此，图像像素可以与光学检测器的一个光敏元件及其(模拟的或数字的)输出相对应，或者可以基于多个光敏元件的组合(例如通过分箱)而被确定。在该实施例中，PPG信号发生器17被提供用于根据图像帧中示出的对象的皮肤部分来导出PPG信号。
如图1所示的监测系统10例如可以被定位在医院、健康护理设施、老人护理设施等之中。除了对患者的监测，本发明还可以被应用在其他领域中，例如婴儿监测、通用监控应用、安全监测或所谓的生活方式环境(例如健身装备)等。在设备12、相机18以及接口20之间的单向通信或双向通信可以经由无线通信接口或有线通信接口来进行。本发明的其他实施例可以包括不是被单独提供而是被集成到相机18或接口20中的设备12。
图2示出了根据本发明的设备12的第一实施例12a的更详细的示意性图示。设备12a包括接口22，其用于接收通过PPG测量从对象14获得的周期性光学体积描记(PPG)信号19。能够根据通过相机18或从传感器8获得的图像帧的集合来导出所述PPG信号19。接口22可以对应于有线网络连接或无线网络连接、任何种类的串行连接、或另一标准的或非标准的通信接口。
设备12a还包括信号划分单元24，其用于在时间上将PPG信号划分成多个PPG子信号，所述多个PPG子信号覆盖半个周期或半个周期的整数倍。在图3B中对此进行了示意性图示，示出了图3A所示的PPG信号P的(在时间上拉伸的)放大视图(其中，幅度A对比时间t)。图3A示出了使用远程PPG技术从半静止的对象获得的PPG信号P的典型波形。尽管以相当高的SNR获得了脉动信号，但波形示出了因运动以及其他非生理的失真引起的相对高的变化性。图3B示出了将PPG信号划分成PPG子信号P1、P2……Pm。在该实施例中，PPG子信号跨度PPG信号P的从一个过零点到接下来第二个过零点的整个周期，例如，第一PPG子信号P1从第一过零点Z1跨度到第三过零点Z3，第二PPG子信号P2从第三过零点Z3跨度到第五过零点Z5等。实际上，最好在PPG信号的最陡边缘上确定过零点，这是因为该处遭受最少的噪声。在其他实施例中，PPG子信号跨度一倍或三倍或更多倍的半个周期。另外，作为将过零点用作PPG子信号的起点和终点的替代，可以使用PPG信号的其他特征(能容易检测到的)点，例如峰和谷。
设备12a还包括归一化单元26，其用于在时间和/或幅度上，优选地在时间和幅度两者上，对在由划分单元24进行划分之前的PPG信号和/或从划分单元24获得的PPG子信号进行归一化。在这两种情况下，结果是(经归一化的)PPG子信号具有基本上相同的持续时间和/或幅度。
设备12a还包括信号组合单元28，其用于将多个经归一化的PPG子信号进行组合以获得经组合的PPG子信号，并且其任选地用于相继地布置多个经组合的PPG子信号以获得经增强的PPG信号。在图4中对此进行了示意性图示，示出了这样的组合的实施例。在该实施例中，经归一化的PPG子信号P1n、P2n……Pmn(其可以是图3B所示的PPG子信号P1、P2……Pn的经归一化的版本)被组合成经组合的PPG子信号P1c、P2c……Pmc。例如，经归一化的PPG子信号P1n、P2n、P3n被组合以获得经组合的PPG子信号P2c，经归一化的PPG子信号P2n、P3n、P4n被组合以获得经组合的PPG子信号P3c，等等。如果PPG子信号仅跨度半个周期，则仅有每第二PPG子信号可以被用于组合成经组合的PPG子信号。
因此，所述组合优选地被进行为使得被布置在时间窗内的预定数量的相继的经归一化的PPG子信号被组合以获得经组合的PPG子信号，其中，所述时间窗针对每个经组合的PPG子信号在时间上被移位，在图4中描绘的范例中，所述时间窗跨度三个周期。
在图5A、图5B中示出了这样的组合的结果，每幅图示出了多个经归一化的PPG子信号P1n1、P2n1……Pmn1(对于图5A)和P1n2、P2n2……Pmn2(对于图5B)以及各自的经组合的PPG子信号Pxc1、Pxc2(在该实施例中，是各自的经归一化的PPG子信号的截尾均值)。图5A所示的经归一化的PPG子信号是根据从对象的手部获得的远程PPG信号来导出的，而图5B所示的经归一化的PPG子信号是根据从对象的脸部获得的远程PPG信号来导出的。虽然个体的经归一化的PPG子信号差异很大，但是经增强的波形(即经组合的PPG子信号)根据第二测量结果而被很好地重现。此外，从手部和脸部获得的波形是不同的，暗示这些波形在生理上是有意义的。
接着相继地布置多个所获得的经组合的PPG子信号P1c、P2c……Pmc以获得经增强的PPG信号，最终由生命体征处理器30根据所述经增强的PPG信号来导出期望的生命体征31，例如心率、呼吸率、(动脉)血氧饱和度。优选地，如以上解释的已知方法被用于该目的。
一般地，根据原始PPG信号、一个或多个经组合的PPG子信号、通过相继地布置多个经组合的PPG子信号而获得的经增强的PPG信号来获得生命体征。在除了以上解释的实现方式的另一实现方式中，计算经组合的PPG子信号(例如单个周期)，并且除了原始PPG信号之外还显示(优选地在时间和幅度上经归一化的)经组合的PPG子信号，使得能够根据经组合的PPG子信号来观察形状信息，同时能够根据原始PPG信号来观察规律性。
可以根据如何应用本发明以及在哪里应用本发明而将设备12a的各个单元包括在一个或多个数字或模拟处理器中。不同单元可以被完全地或部分地实现在软件中，并且在连接到用于获得对象的图像帧的设备(例如相机设备)的个人计算机上执行。所需要的功能中的一些或全部还可以被实现在硬件中，例如在专用集成电路(ASIC)中或在现场可编程门阵列(FPGA)中。
图6中描绘了根据本发明的设备的另一实施例12b。根据该实施例，提供了用于对接收到的PPG信号19进行低通(或带通)滤波的滤波器23，并且经滤波的PPG信号被用于后续处理。另外，在滤波器23中，从PPG信号中减去原始的经低通滤波的PPG信号的移动平均值(作为一种趋势消除，如果使用带通滤波器来对PPG信号进行滤波，则所述减去不是必须的)。这从经滤波的PPG信号中消除了PPG信号的低频变化和DC信号内容。如以上解释的，接着例如利用正的和/或负的一阶导数来确定经滤波的且消除趋势的PPG信号的极值或过零点(典型地过零点在PPG信号的最陡部分上)。接下来，例如以上解释的，对各个这样的过零点之间的多个最近获得的PPG子信号求平均以获得经改善的(经组合的)PPG子信号，并且最终获得经改善的经增强的PPG信号。在求平均之前，首先将PPG子信号片段归一化以具有基本相同的幅度和/或持续时间。可以作为原始的(最初接收到的)PPG信号的替代或与其一起示出经增强的PPG信号以添加波形信息。
在大体具有与图6所示的实施例相同或相似的元件的又一实施例中，所示原始的PPG信号(尽管其任选地经带通滤波)被用作到划分单元24的输入，在该实施例中，所述划分单元包括峰和谷检测器(或被配置为检测峰和谷)。该峰和谷检测器可以是更先进的极值检测器，并且使用抑制区间来抑制对在过于靠近先前的峰或谷的距离处的峰和/或谷的检测。在后继的步骤中，在归一化单元26中通过各峰来拟合第一曲线并且通过各谷来拟合第二曲线。在图7中对此进行了图示，图7描绘了原始PPG信号P、通过其拟合第一曲线Cp的峰p、通过其拟合第二曲线Cv的谷v、以及第一曲线Cp和第二曲线Cv的平均值曲线A。
针对PPG信号P的每个样本减去这两条曲线Cp、Cv的平均值，同时将结果值除以两条曲线的瞬时差值，以便对PPG信号进行趋势消除和幅度归一化。该流程可以被重复若干次(固定的次数或直到不发生显著的变化)。该过程在某种程度上类似于经验模式分解(或Hilbert-Huang变换)中的基础步骤，其中，所述步骤被用于生成多个不同的信号分量而不是对信号进行归一化。接下来，如在第一实施例中那样，过零点被用于对信号的时间归一化，并且对两个这样的过零点之间的多个最近的信号片求平均以获得改善的波形。
根据又一实施例，根据PPG信号的最近历史合成的所获得的经组合的PPG子信号还能够被用于在将其持续时间适配到当前区间的持续时间之后替换当前PPG信号(完整地或仅其(例如失真)的部分)。图8示出了结果，描绘了原始PPG信号P和经增强的PPG信号Ps。为此，能够在足够数量的周期之后开始组合过程(选项1)或当历史为至少两个周期时立即开始组合(选项2)。另外，针对选项1组合可以任选地包括固定数量的周期，针对选项2可以任选地包括增长的数量的周期，或者可以在针对在时间上较远的周期的截尾均值的贡献减小的情况下使用加权。因此，组合的构思是在将(一个或多个)经增强的周期缩放回到与(一个或多个)当前PPG周期的持续时间(并且有可能甚至在幅度上)相匹配之后，简单地用(一个或多个)经增强的周期来替换PPG信号的(一个或多个)最近的周期(通常在监视器上示出)。
已经发现，当在相同的身体部分(例如在不同的日期来自同一个人的手部)处测量时，来自以上实施例的得到的脉动信号波形重现，而针对不同的身体部分(例如脸和手)所述脉动信号波形是不同的。这强烈暗示了合成的波形(即经增强的PPG信号)在生理上是具有意义的。
本发明可以与远程PPG信号一起使用，但也能够被同样地应用于增强来自接触式PPG传感器的信号，如图9示出了根据PPG信号或接触式PPG传感器获得的经组合的PPG子信号P’c和经归一化的PPG子信号P’n。根据该附图，还能够看出来自接触式传感器的PPG信号P’具有较小的噪声，并且示出了明显不同的波形，这可能是由于所使用的红外光源到皮肤中的更大的穿透深度。已经示出，该波形承载关于年龄、在身体上的测量的位置以及可能的病理的相关信息。通过将从对称的一对身体部分得到的波形进行比较(例如将两手或两脚进行比较)，还可以发现一些血管的部分阻塞。
针对远程PPG得到的波形含有比通常从接触式传感器中看到的更低幅度的谐波，并且因此形状是不同的。这可能是由浅测量深度造成的(绿色光具有到皮肤中的有限的穿透深度)，因此仅达到其中高频(脉动信号的谐波)被抑制的最小血管。为了允许对不同波形(假设它们具有诊断值)的更简单的视觉鉴别，可以提供(在图6中被指示为任选的)HF增强滤波器32来增强经增强的PPG信号。
另外，经增强的PPG信号还可以被用于在单独的颜色通道中更可靠地寻找PPG信号的幅度。这能够与SpO2测量相关，其中，对红色谱范围中的脉动的正确幅度的寻找(SpO2被测量为红色和红外的相对幅度的比率)通常因低幅度以及由此的差的SNR而复杂化。使用来自相同的、靠近的波长或甚至是波长的组合的、具有经增强的PPG信号的红色PPG信号与红外PPG信号的相关性，能够减小噪声的影响。在这种情况下，根据具有经增强的PPG信号的经归一化的红色PPG信号和经归一化的红外PPG信号的相关性的比率来导出SpO2。
在又一实施例中，在对红色PPG信号的相匹配的滤波期间，能够使用根据(高幅度)绿色PPG信号或根据(均匀空间分布)红外(IR)PPG信号生成的经增强的PPG信号、或者甚至根据两个或更多个波长的组合导出的经增强的PPG信号。在这种情况下，使用在红色和IR谱范围中的“原始”PPG信号，并且使用与绿色和/或IR谱范围中的经增强的PPG信号相匹配的滤波器来对所述“原始”PPG信号进行清洁。在实施例中，获得经增强的PPG信号的特定最近的波长、可能利用Hanning窗对其进行窗口处理，并且将来自不同的颜色通道的原始PPG信号与该滤波核进行卷积计算。
虽然能够对所有随时间变化的生命体征应用所描述的处理，但有意义的结果最可能针对的是近似周期性的生命体征，例如脉动波或TraubeHeringMayer波，并且也可能针对如呼吸的形状随周期改变稍大的信号。
通过范例，本发明能够被应用在健康护理领域中，例如非干扰性远程患者监测、通用监控、安全监测和所谓的生活方式环境(例如健身装备)等。应用可以包括对氧饱和度(脉搏血氧计)、心率、血压、心输出量、血压灌注的变化的监测、对自主功能的评价、以及对外围血管疾病的检测。
尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，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，在实践要求保护的本发明时，能够理解并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。单个元件或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。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。
计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。
如在本文中使用的，术语“计算机”指代各种处理设备。换言之，具有相当的计算能力的移动设备也能够被认为是计算设备，即使它们提供比标准台式计算机更少的处理处理能力资源。另外，术语“计算机”还可以指分布的计算设备，所述分布的计算设备可以包括或使用云环境中提供的计算能力。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于确定对象的生命体征的设备，包括：
-接口(22)，其用于接收通过光学体积描记PPG测量从对象(14)获得的周期性PPG信号，
-信号划分单元(24)，其用于在时间上将所述PPG信号划分成多个PPG子信号，所述多个PPG子信号覆盖半个周期或半个周期的整数倍，
-归一化单元(26)，其用于在时间上和/或幅度上对所述PPG子信号和/或在所述划分之前的所述PPG信号进行归一化，
-信号组合单元(28)，其用于将多个经归一化的PPG子信号进行组合，以获得经组合的PPG子信号，以及
-生命体征处理器(30)，其用于根据所述PPG信号、一个或多个经组合的PPG子信号或通过相继地布置多个经组合的PPG子信号而获得的经增强的PPG信号来导出期望的生命体征。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号组合单元(28)被配置为根据所述经归一化的PPG子信号的时间顺序来相继地布置经组合的PPG子信号，所述经组合的PPG子信号是根据所述经归一化的PPG子信号来获得的。
3.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号组合单元(28)被配置为对被布置在时间窗内的预定数量的相继的经归一化的PPG子信号进行组合以获得经组合的PPG子信号，其中，所述时间窗针对每个经组合的PPG子信号在时间上被移位。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号划分单元(24)被配置为检测所述PPG信号的过零点和/或极值，并且被配置为使用检测到的过零点和/或极值来划分所述PPG信号。
5.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述归一化单元(26)被配置为通过检测所述PPG信号的极值来对在所述划分之前的所述PPG信号进行归一化、通过检测到的峰来拟合第一曲线并且通过检测到的谷来拟合第二曲线、从所述PPG信号的瞬时信号值中减去所述第一曲线和所述第二曲线的瞬时平均值、并且将瞬时结果值除以所述第一曲线与所述第二曲线的瞬时差值以获得所述PPG信号的经归一化的信号值。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述归一化单元(26)被配置为重复所述归一化直到满足停止条件或者直到根据所述归一化获得的经归一化的信号值收敛。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号组合单元(28)被配置为生成两个或更多个经归一化的PPG子信号的平均值、加权平均值或截尾均值，尤其是全部经归一化的PPG子信号的平均值、加权平均值或截尾均值。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号组合单元(28)被配置为生成两个或更多个经归一化的PPG子信号加权平均值或截尾均值，尤其是全部经归一化的PPG子信号的加权平均值或截尾均值，其中，用于对经归一化的PPG子信号进行加权的权重随着到当前时间区间的时间距离而减小。
9.根据权利要求1所述的设备，
还包括滤波器(23)，所述滤波器用于对接收到的PPG信号进行低通滤波或带通滤波，其中，经滤波的PPG信号被用于后续处理。
10.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述组合单元(28)被配置为在时间上对所述经组合的PPG子信号的周期进行缩放以使所述经组合的PPG子信号的周期与当前时间区间的周期相匹配，并且被配置为相继地布置多个经缩放的经组合的PPG子信号以获得所述经增强的PPG信号。
11.根据权利要求1所述的设备，
还包括增强滤波器(32)，所述增强滤波器用于增强所述PPG子信号和/或所述经增强的PPG信号中的高频谐波，其中，所述经滤波的PPG信号被用于后续处理。
12.根据权利要求1所述的设备，还包括：
-成像单元(18)，尤其是相机，所述成像单元用于采集对象(14)的图像帧；以及
-PPG信号发生器(17)，其用于根据所述图像帧中示出的所述对象的皮肤部分来导出PPG信号，并且用于将所述PPG信号提供到所述接口。
13.根据权利要求1所述的设备，
还包括PPG传感器(8)，其用于从在所述对象的皮肤部分处的PPG测量结果中采集PPG信号，并且用于将所述PPG信号提供到所述接口。
14.一种用于确定对象的生命体征的方法，包括：
-接收通过光学体积描记PPG测量从对象获得的周期性PPG信号，
-在时间上将所述PPG信号划分成多个PPG子信号，所述多个PPG子信号覆盖半个周期或半个周期的整数倍，
-在时间上和/或幅度上对所述PPG子信号和/或在所述划分之前的所述PPG信号进行归一化，
-将多个经归一化的PPG子信号进行组合以获得经组合的PPG子信号，并且
-根据所述PPG信号、一个或多个经组合的PPG子信号或通过相继地布置多个经组合的PPG子信号而获得的经增强的PPG信号来导出期望的生命体征。
15.一种包括程序代码单元的计算机程序，当在计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码单元令所述计算机执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
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