CN105979861B - 用于基于反射和透射的光来确定对象的生命体征的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定对象的生命体征的设备、系统和方法。为了提高准确性和可靠性，所述设备包括检测单元(30)，所述检测单元用于对来自对象的感兴趣区域的至少两个不同波长范围中的光的无接触的检测，其中，所述检测单元(30)被配置为响应于由第一光源(22)的照射而根据从所述感兴趣区域反射的光来检测在第一波长范围中的第一光部分，并且被配置为响应于由第二光源(24)的照射而根据透射通过所述感兴趣区域的光来检测在第二波长范围中的第二光部分，其中，所述检测单元(30)被配置为响应于至少时间上同时的照射来同时检测所述第一光部分和所述第二光部分，并且其中，所述第一波长范围和所述第二波长范围是不同的。提供了处理单元(32)用于根据针对所述至少两个不同波长范围的检测到的光来导出光电体积描记PPG信号。提供了分析单元(34)用于根据针对至少两个不同波长范围的所述PPG信号来导出期望的生命体征。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定诸如人或动物的对象的生命体征的设备、系统和方法。此外，本发明涉及可穿戴光源设备。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或动脉血氧饱和度，充当人的当前状态的指示器并且充当严重医学事件的强有力的预测器。出于该原因，在住院和门诊护理设施中、在家庭或者在其他健康、休闲和健身设施中生命体征被广泛地监测。
测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常是指对器官或身体部分的体积变化的测量，并且尤其是指对由于随着每次心跳行进通过对象的身体的心脏-脉管脉搏波造成的体积变化的检测。
光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区域或体积的光反射或透射的时间变化改变的光学测量技术。PPG基于血液比周边组织吸收更多光的原理，因此，随着每次心跳的血液体积的变化对应地影响透射或反射。除了关于心率的信息，PPG波形能够包括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(通常为红和红外)处的透射和/或反射，能够确定血氧饱和度。
用于测量心率和(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设备)被附接到对象的皮肤，例如被附接到手指尖、耳垂或前额。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以及用于检测已经透射通过患者组织的光的一个光电二极管。市售的脉搏血氧计在以红和红外波长的测量之间快速切换，并且从而以两个不同的波长来测量相同感兴趣区域或组织的透射率。这被称为时分多路复用。在每个波长处随时间的透射给出针对红和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被认为是基本无创的技术，但接触式PPG测量常常经历为不舒适和突兀的，因为脉搏血氧计被直接附接到对象，并且任何线缆限制移动的自由度并且可能阻碍工作流。
对脉搏信号和血氧饱和度水平(SPO2)的快速并且可靠的检测与分析是在许多健康护理应用中最为重要的行为，如果患者处在紧急状况中，其变得性命攸关。在那些情况下，心跳信号的脉动性是非常微弱的，并且因此，测量结果易于受到任何种类的伪迹的影响。
现代光电体积描记传感器并不总在紧急情况下提供快速并且可靠的测量结果。例如，接触式手指脉搏血氧计(基于透射PPG)易于受手的运动的影响，并且在对患者的集中管理的情况下由于在身体肢端上的较低的血液体积而失败。接触式前额脉搏血氧计传感器(使用反射式PPG测量模式)被认为对集中化效应更为鲁棒。然而，前额传感器的精确度、鲁棒性和响应性高度取决于传感器在前额上的正确的定位以及施加到皮肤上的恰当的压力(对传感器的过紧的应用可能降低具备血液脉动性，过松的应用可能由于运动伪迹和/或静脉搏动性而导致不可靠的测量结果)。
最近，已经引入了用于隐蔽的测量的非接触式远程PPG(rPPG)设备(在本文中也被称为相机rPPG设备)。远程PPG利用离感兴趣对象远程地设置的光源，或者通常为辐射源。类似地，例如相机或光检测器的检测器能够离感兴趣对象远程地设置。因此，远程光电体积描记系统和设备被认为是不突兀的，并且也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“Remote plethysmographic imaging using ambient light”Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445页，展示能够利用环境光和常规消费级视频相机使用红、绿和蓝色通道远程地测量光电体积描记信号。
Wieringa等人的“Contactless Multiple Wavelength PhotoplethysmographicImaging:A First Step Toward"SpO2Camera"Technology”，Ann.Biomed.Eng.33，1034-1041(2005)，公开了一种用于基于以不同波长对体积描记信号的测量结果对组织中的动脉血氧饱和度的无接触成像的远程PPG系统。所述系统包括单色CMOS-相机和具有三种不同波长的LED的光源。所述相机顺序采集在三种不同波长处的对象的三个影像。根据在单个波长处的影像能够确定脉搏率，而需要在不同波长处的至少两个影像以确定血氧饱和度。一次仅使用一个波长在暗室中执行所述测量。
使用PPG技术，能够测量生命体征，所述生命体征通过由脉动血液体积引起的皮肤中微小的光吸收改变，即，通过由血液体积脉动诱发的人皮肤的周期性颜色改变，来揭示。由于该信号非常小并且隐藏在由于照射改变和运动造成的大得多的变化中，一般感兴趣改善根本地低的信噪比(SNR)。仍然存在高要求的情况，即，具有严重的运动、挑战的环境照明状况或者应用的高的所需的准确性，其中，需要对生命体征测量设备和方法的经改进的鲁棒性和准确性，尤其是对于更为关键的健康护理应用。
US 2008/0194906 A1公开了一种无创生理数据测量系统和方法以及光学诱发的处置系统。所述测量系统包括监测机构，所述监测机构包括能够以至少两种波长发射光的光发射器模块。从所述光发射器模块发射的光透射通过对象并且到光接收机构，例如光学传感器。从所接收的光获取生理数据。所述系统还能够通过获得对象的初始轮廓并将该轮廓与随后获得的轮廓进行比较来确认对象的移动。治疗光学系统包括用于以治疗波长提供光的非粘附式光发射机构。
WO 2013/027141 A2公开了一种数据管理系统，其包括：传感器单元，其用于获得生命体的至少身体部分的图像数据；生命体征提取单元，其用于从所获得的所述生命体的图像数据提取所述生命体的一个或多个生命体征；特征提取单元，其用于从所获得的所述生命体的图像数据来提取所述生命体的一个或多个特征；识别单元，其用于通过使用所述生命体的所述一个或多个所提取的特征来确定所述生命体的身份；以及数据关联单元，其用于将所述生命体的一个或多个提取的生命体征与所述生命体的所确定的身份相关联。
WO 2013/186696 A1公开了诸如呼吸率和心率的生命体征的测量。具体而言，一种用于确定对象的生命体征的系统，包括：成像单元，其用于获得所述对象的视频数据；标记物，其被直接或间接附接到对象的身体，其中，所述标记物包括图形图案；图像处理单元，其用于检测所述视频数据中的所述标记物；以及分析单元，其适于从所述视频数据提取与所述对象的生命体征相关的生命体征参数并且适于根据所述生命体征参数来确定所述生命体征。
发明内容
本发明的目的是提供用于确定对象的生命体征的经改进的设备、系统和方法，其具有增加的信噪比以及由失真(尤其是由对象的运动或来自环境光的干扰)所引起的伪迹的有效降低。本发明的另一目的是提供用于在这样的系统和方法中使用的对应的可穿戴光源设备。
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：
-检测单元，其用于对来自对象的感兴趣区域的至少两个不同的波长范围中的光的无接触的检测，其中，所述检测单元被配置为响应于由第一光源的照射而根据从所述感兴趣区域反射的光来检测在第一波长范围中的第一光部分，并且被配置为响应于由第二光源的照射根据透射而通过所述感兴趣区域的光来检测在第二波长范围中的第二光部分，其中，所述检测单元被配置为响应于至少时间上同时的照射来同时地检测所述第一光部分和所述第二光部分，并且其中，所述第一波长范围和所述第二波长范围是不同的，
-处理单元，其用于根据针对所述至少两个不同波长范围的检测到的光来导出光电体积描记PPG信号，以及
-分析单元，其用于根据针对至少两个不同波长范围的所述PPG信号来导出生命体征。
在本发明的另一方面中，提出了一种对应的方法。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定对象的生命体征的系统，所述系统包括：
-如在本文中所描述的用于确定对象的生命体征的设备，
-光源(在下文有时也被称为第二光源)，其用于发射光通过对象的感兴趣区域以照射所述感兴趣区域来获得透射光，其中，光的所述发射以及用于获得反射光的由光对所述对象的照射是至少时间上同时的。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所主张的方法和系统与所主张的设备具有相似和/或相同的优选实施例并且如在从属权利要求中所限定。
本发明基于如下发现。用于远程PPG的生命体征相机(即，用于确定对象的生命体征的设备)的典型实施例使用对PPG信号的测量的反射式方法，其中，使用环境或专用照射。尽管这样的反射式远程PPG技术是最为方便的，但是在来自环境照明的严重干扰的情况下，或者如果PPG信号的脉动性非常低，则所提取的信号的SNR将微弱并且测量结果将易于受伪迹影响。针对这一点的原因在于这样的事实，即，以反射模式测量的PPG信号的脉动性与以透射式模式测量的PPG信号相比更低，这是由于在反射模式中光的较小的穿透深度。尤其地，使用远程反射式PPG方案以红和红外颜色范围测量的PPG信号的脉动性可能非常低，由此降低了SPO2测量结果的准确性。
本发明通过组合用于PPG信号采集的透射模式和使用通用检测器(诸如相机)的无接触感测的优点克服了基于无接触式相机的反射式PPG技术和常规接触式传感器的限制。本发明因此利用了以反射模式的(尤其是基于相机的)测量实现的大感测面积以及在透射模式中提取的PPG信号的相对大的SNR的优点。
根据本发明，单个检测器(例如，图像传感器或相机)同时测量反射和透射的光，并且根据反射和透射的照射两者来提取PPG信号。用于评估和导出生命体征的透射和反射光的波长是互补的(例如，使用来自反射光的绿和红波长、使用来自透射光的IR波长)。因此，以透射和反射模式评估的波长是不同的。然后，可以根据原始PPG信号或者一个或多个组合的PPG信号以更高的准确性和鲁棒性来获得一个或多个生命体征。
从相同的感兴趣区域(ROI)或者从不同的感兴趣区域来获得透射光和反射光。例如，对于HR测量，对反射(例如，以绿波长)和透射(在IR范围中)PPG信号的采集是可能的并且有用的。针对SpO2，优选的是，知晓针对反射式PPG的不同身体位置使用的校准常量。由此，针对当反射式和透射式PPG两者来自相同ROI的情况以及针对反射式和透射式PPG来自不同位置的情况，针对SPO2计算使用的校准常量将是不同的。然而，一般而言，可以从不同的ROI或者从相同的ROI来获得透射PPG信号的反射PPG信号。
一般而言，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对(多种)散射、背散射、吸收、透射和(扩散)反射的(光学)处理。在本发明的上下文中所使用的术语“反射”不应当被理解为限于镜面反射，而是包括前面提到类型的电磁辐射(尤其是光)与组织的相互作用以及其任意组合。
在本发明的上下文中所使用的术语“生命体征”是指对象(即，生命体)的生理参数和衍生参数。具体地，术语“生命体征”包括血液体积脉冲信号、心率(HR)(有时也被称为脉搏率)、心率变化性(脉搏率变化性)、脉动性强度、灌注指标、灌注变化性、Traube HeringMayer波、呼吸率(RR)、皮肤温度、血压、血液和/或组织中的物质的浓度例如(动脉)血氧饱和度或葡萄糖水平。此外，“生命体征”一般包括从PPG信号的形状获得的健康指示(例如，形状可以表示关于部分动脉阻塞(例如，从手的PPG信号获得的形状当在手臂上应用血压袖带时得到更为正弦)，或者关于皮肤厚度(例如，来自面部的PPG信号不同于来自手的PPG信号)，或者甚至是可以关于温度等的一些内容)。
在本发明的上下文中所使用的术语“生命体征信息”包括如上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的数据、对应的波形轨迹或者涉及时间的生理参数的数据，其能够用于随后的分析。
为了获得对象的生命体征信息信号，评估在皮肤区域内的皮肤像素区域的数据信号。在此，“皮肤像素区域”意味着包括皮肤像素或一组相邻皮肤像素的区域，即，可以针对单个像素或者针对一组皮肤像素来导出数据信号。
在实施例中，所述设备还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述第一光源、所述第二光源和/或所述检测单元以将所述第一光源、所述第二光源和/或所述检测单元中的两个或更多个彼此同步。例如，可以利用第一光源和检测单元来控制第二光源，使得仅在检测信号的每个第二样本中测量透射光，但检测信号的每个样本测量反射光。这改善了最终获得的生命体征的鲁棒性。
时间连续波长的该实施例适用于两种场景。第一，当所述系统需要将所述第二光源的贡献与相同范围中的环境光的贡献去耦合时。因此，针对每个波长，所述检测单元将以偶数帧来测量专用光和环境光的混合，并且以奇数帧来测量仅环境光的贡献。通过获取在两个相邻帧(假设帧率足够高)之间的差异，测量仅第二光源的贡献。第二，该实施例对于另一场景也是有用的，当单色相机传感器被用作检测单元，所述检测单元不具有光学滤波器以区分来自不同波长的光源的贡献。在这种场景中，所提出的系统模拟时间连续多谱相机的行为。
在另一实施例中，所述设备还包括控制单元，其用于控制所述第一光源以发射在所述第一波长范围中的光和/或控制所述第二光源以发射在所述第二波长范围中的光。一般而言，所述第一光源和/或所述第二光源可以被设计为分别仅以第一波长范围或第二波长范围来发射光。然而，优选控制所述波长范围。例如，这使得能够使用单个光源(例如，如第二光源)，用于在不同的波长范围之间(例如，在红色波长范围和红外波长范围之间或者在两个不同的红外波长范围之间)交替地切换。
在另一实施例中，所述检测单元包括一个或多个光学滤波器，其用于将在一个或多个波长范围处的光从检测到的光中滤除。这进一步改善了所获得的生命体征的准确性和可靠性。
更进一步地，在实施例中，所述设备还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述第二光源来连续发射在所述一个或多个波长范围中的光，尤其是在红色波长范围和红外波长范围中的光。如果所述检测单元包括一个或多个滤波器，这尤其是优选的。
所述分析单元优选地被配置为组合针对至少两个不同波长范围的所述PPG信号并根据经组合的PPG信号来导出所述生命体征。存在用于组合PPG信号的不同的选项。例如，平均值可以是若干PPG信号的组合，或者在红色波长范围和红外波长范围中的PPG信号被用于获得以一般已知的方式来获得动脉血的血氧饱和度。
有利地，所述检测单元是用于采集所述感兴趣区域的图像帧的集合的相机。根据所述图像帧，之后能够提取PPG信号。根据期望的应用，特别是根据期望的生命体征，可以使用单色相机、RGB相机或专用相机(例如，针对特定波长范围的采集进行优化的)。
所提出的系统优选包括第一光源和第二光源，例如，专用灯，用于发射期望的光。优选地，一个或多个LED被用于该目的。
所述第二光源优选被配置用于被布置在耳的后面，类似于助听器，以发射光通过耳的外侧部分，或者被布置在人的手的一侧，以发射光通过手。
在另一实施例中，所述系统还包括新生儿重症护理单元(NICU)，其具有底层，尤其是床垫，其中，所述第二光源包括多个光元件，尤其是LED，其被布置在所述底层中。这使得能够以可靠的方式来不突兀地并且连续地获得新生儿的生命体征。
根据本发明的另一方面，提出了可穿戴光源设备，其可以被用在所公开的系统和方法中，所述设备包括：
-保持器，其用于将所述可穿戴光源设备布置到对象的身体的部分，特别是在人的耳的后面或者在手的一侧上，
-光源，其用于发射光，其中，所述光源被安装在所述保持器中或者被安装在所述保持器处，使得所发射的光透射通过所述对象的感兴趣区域，用于照射所述感兴趣区域以获得透射光，以及
-控制输入部，其用于接收控制信息用于控制所述光源。
优选地，所述控制输入部被配置用于无线地接收控制信息。
附图说明
根据下文描述的实施例并且参考这些实施例加以阐述，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，在如下附图中：
图1示出了包括根据本发明的设备的系统的示意图，
图2示出了根据本发明的设备的示意图，
图3示出了图示用于SPO2测量的专用照射的波长的选择的图表，
图4示出了图示图像帧检测与照射的对齐的第一范例，
图5示出了图示图像帧检测与照射的对齐的第二范例，
图6示出了根据本发明的系统的另一实施例的示意图，并且
图7示出了可穿戴光源设备的实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了包括根据本发明的用于获得对象14的生命体征的设备12的系统10的实施例的示意图。对象14，在该范例中为患者，躺在医院或其他健康护理设施中的床16中，但也可以是例如躺在保育器中的新生儿或早产婴儿，或者是在家里或在不同环境中的人。对象14的图像帧是借助包括合适的光电传感器的相机(也被称为检测单元或者基于相机的或远程PPG传感器)来捕获的。所述相机将所记录的图像帧转发到设备12的处理单元，其中，所述图像帧将如下文更为详细解释地进行处理。设备12还被连接到接口20以显示所确定的信息，和/或用于为医务人员提供接口以改变设备12和/或系统10的其他元件的设置。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单元。
由所述相机捕获的图像帧可以尤其对应于借助例如在(数字)相机中的模拟或数字光电传感器所捕获的视频序列。这样的相机通常包括光电传感器，例如CMOS或CCD传感器，其也可以在特定谱范围(可见、IR)中进行操作或者提供针对不同的谱范围的信息。所述相机可以提供模拟或数字信号。所述图像帧包括具有相关联的像素值的多个图像像素。具体而言，所述图像帧包括表示利用光电传感器的不同的光敏感的元件捕获的光强度值。这些光敏感元件可以在特定谱范围中是敏感的(即，表示特定的颜色)。所述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电检测器的光敏感元件以及其(模拟或数字)输出部或者可以基于多个光敏感元件的组合(即，通过分组)来确定。
系统10还包括两个光源22、24。第一光源22、例如灯，被提供用于利用第一波长范围中的光来照射感兴趣区域26，例如患者的面部的皮肤(例如，耳朵的外部部分)，以获得来自所述感兴趣区域26的反射光，所述反射光由所述相机检测。第二光源24，例如LED或其他(优选微型)光源，被提供用于发射在第二波长范围中的光通过耳朵的外部部分，以获得透射光。
第一光源22发射在至少第一波长范围中的光，例如在包括绿光的波长范围中的光，并且第二光源24发射在不同于第一波长范围的至少第二波长范围中的光，例如，在红和/或红外光的波长范围中的光。反射模式中的绿PPG脉动性的幅度比在反射模式中的红或IR PPG脉动性的幅度大得多。在透射模式中的红和IR PPG脉动的脉动性比在反射模式中的大得多。因此，该实施例受益于反射模式中的大的绿PPG脉动性与透射模式中的IR或红的大的PPG脉动性的组合。然而，本发明并不仅仅限于在反射与透射模式之间的波长的该分布。
在另一实施例中，不提供专用第一光源，而环境光被用于以反射模式来照射对象。根据反射光，仅在期望波长范围(例如，绿光)中的光被检测和/或评估。因此，同样在该实施例中，从反射光评估的光部分和从透射光评估的光部分处在不同的波长范围中。
由第二光源24对光的发射以及利用第一光源的光对感兴趣区域的照射是至少时间上同时的。例如，第一光源22可以连续照射感兴趣区域26，而第二光源24可以仅以特定时间间隔周期性地发射光通过耳朵，如将在下文更为详细地解释的。
如在图1中所图示的系统10可以例如被定位在医院、健康护理设施、老年护理设施等中。除了对患者的监测之外，本发明也可以被应用于其他领域，例如新生儿监测、一般性监控应用、安全监测或所谓的生活方式环境(诸如健身器械)等。在设备12、光源22、24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来工作，其中，应当注意，光源22、24中的一个或两个也可以被配置为单机操作并且无需与设备12进行通信。
图2示出了根据本发明的设备12的实施例的更为详细的示意性图示。设备12包括检测单元30，例如相机，其用于基于响应于处在第一波长范围中的第一光源22的照射从所述感兴趣区域反射的第一光部分以及响应于处在不同于所述第一波长范围的第二波长范围中的第二光源24的照射透射通过所述感兴趣区域的第二光部分，对来自对象的感兴趣区域的至少两个不同波长范围中的光进行无接触的检测。此外，处理单元32，例如，处理器，被提供用于根据针对所述至少两个不同波长范围的检测到的光19(包括第一光部分和第二光部分)来导出PPG信号。从检测到的光，例如从感兴趣区域的图像，来获得PPG信号的方式是现有技术中通常已知的，例如从上文所引用的文档中已知，并且将在此更为详细地进行解释。更进一步地，提供了分析单元34以用于根据针对至少两个不同的波长范围的所述PPG信号来导出生命体征。同样地，该步骤在现有技术中是通常已知的，例如从上文所引用的文档中已知，并且在此将不更加详细地进行解释。
优选地，设备12还包括控制单元36，控制单元36用于控制所述第一光源22、所述第二光源24和/或所述检测单元30，以使所述第一光源24、所述第二光源24和/或所述检测单元30中的两个或更多个彼此同步。控制单元36还可以被配置为控制所述第一光源22以发射处在第一波长范围中的光和/或控制所述第二光源24以发射处在第二波长范围中的光，例如，以单独地或者交替地发射处在红色波长范围或红外波长范围中的光。
这被图示在图3中所示的曲线图中，其图示了对用于SPO2测量的专用照射的波长的示范性、非限制选择，尤其是PPG幅度(AC/DC)对氧合(100％SpO2)和低氧合(60％SpO2)动脉血的相关性。如所图示，第二光源24能够发射具有在范围>700nm中的至少一个窄谱带的光，用于提取心率信号。在应当测量SPO2的情况下，第二光源24允许发射在至少两个波长范围中的光：650nm-750nm(红光)以及>800nm(红外光)。所示光能够由第二光源24按时间顺序或同时地发射。由第二光源24发射波长是根据实在图3中所示的图表来选择的。
存在若干另外的实施例，其基于检测单元和光源的不同组合和/或不同控制方案。
在相当简单的实施例中，系统10包括作为检测单元的一个多色相机以及在具有窄带的在一个波长处发射在IR范围中的光的第二光源。在这种情况下，所述第一光是环境光(至少是其谱的可见光部分)。在这种情况下，所述系统测量由反射的环境光所生成的PPG脉动性与由来自专用光源的透射IR的所生成的PPG脉动性的组合。其实际上能够是主要的、最简单的实施例。在该实施例中，不提供专用的第一光源，而是环境光(例如，日光和/或室光)被用于在反射模式中照射对象，并且例如通过使用上文所提到的滤波器从反射光中仅检测和/或评估处在期望波长范围中的光。
在另一实施例中，所述系统包括一个单色相机和按时间顺序发射具有至少两个波长(优选具有窄带)的红和IR范围中的光的第二光源。相机的帧捕获以这样的方式在时间上与第二光源同步：使得相邻的图像帧在第二光源的不同波长处被捕获，如在图4上所描绘的。图4示出了第二光源22的光发射的时间曲线图以及在IR和红(或者第二红外IR2)范围中的所述照射与多色相机对图像帧的捕获的对准。
在又一实施例中，所述系统包括相机，其中，在相机的图像传感器的前方具有在红和IR范围中的至少两个光学滤波器31(在图2中以点线被示为光学元件)，其对应于第二光源22的照射波长的窄带。在这种情况下，在至少两个不同波长带中的光优选连续发射。
在又一实施例中，所述系统包括相机，所述相机具有在相机的图像传感器前方的处在绿、红和IR范围中的三个滤波器(滤波器能够类似于常规颜色相机的RGB滤波器来布置)。相机的帧捕获将与操作在红和IR范围中的第二光源22同步。该实施例允许同时以透射和反射模式来采集PPG信号。透射模式操作在红和IR范围中，而反射模式操作在绿、红和IR范围中。在实施例中，顺次操作在红和IR波长处的透射PPG的常规(例如，手指脉搏)传感器与反射绿PPG的组合。针对反射模式，能够存在环境或专用光，其包含在谱中的绿色。针对透射模式，将存在具有650-1000nm的谱的专用光。
图5示出了相机与第二光源的时间同步的范例。在该范例中，第二光源按照时间顺序发射具有红(R)(互第二红外，IR2)和第一红外(IR1)波长的光。未明确示出第一光的光，但这可以是环境光，其始终存在并且覆盖包括绿光的整个可见光谱。这允许，在具有以及不具有来自第二光源的第二照射的情况下，通过比较将针对红(或IR2)和IR1波长中的每个的对应传感器数据，与使用环境照射(在红、IR1、IR2的范围中)相比对PPG信号采集的鲁棒性的改善。在针对红(或IR2)与IR1通道中的每个的相邻帧之间的(运动补偿的)差异提供仅对第二光部分的估计(在没有环境照射的贡献的情况下)。因此，运动补偿是通过处理沿着所估计的运动矢量的像素来实现的，如在任意运动补偿视频处理算法中。
此外，对所述第二光源的顺次开启和关闭允许在专用照射关闭时采集反射PPG。因此，在该实施例中的系统组合通道R(或IR2)与IR1中的透射PPG与在通道绿(G)、红(或IR2)和IR1中的反射PPG。在另一实施例中，在其他波长范围中的反射光，例如蓝和绿波长范围，以及在反射波长范围中的透射光，如果有必要和/或对于各自的应用和期望的生命体征的导出是有利的，则可以对其进行评估。
存在针对利用专用照射的透射PPG与利用环境照射或来自另一专用光源的照射的反射PPG的组合的许多其他的实施例。
优选实施例使用用于专用照射的第二光源，其被放置在对象的耳的后面(例如，像助听器)，而相机被定位在对象面部的前方。该相机的帧捕获与第二光源同步，由此，采集透射PPG信号(利用从第二光源发射的光)和反射PPG信号(利用环境光或来自第一光源的光)两者。
在图6中描绘了所提出的系统10’的另一实施例。在该实施例中，所述第二光源包括多个(在此为3个)光源元件25，例如，LED或灯，其被嵌入在NICU 40的床垫42中，而包括相机的设备12被定位在身体15之上，并采集透射和反射光两者，根据所述透射和反射光，如上文所解释地来获得用于导出一个或多个生命体征的PPG信号。
应当注意到，设备12的元件可能不必被组合到单个实体或外壳中，而是也能够以分布的方式进行布置。例如，处理单元32和分析单元34(以及同样地，控制单元36)也可以与相机30分离地布置，例如，布置在接口20之内或者在分离的计算机中。
图7示出了根据本发明的可穿戴光源设备50的实施例的示意图。所述可穿戴光源设备50优选地被用作图1中所示的第一光源24。
可穿戴光源设备50包括保持器52，保持器52用于将所述可穿戴光源设备布置到对象的身体的部分，在该实施例中，被布置在人的耳的后面，在这种情况下，所述保持器具有例如助听器的形式。用于发射光的光源54，例如LED，被安装在所述保持器52中或者被安装在所述保持器52处，使得所发射的光透射通过所述对象的感兴趣区域，用于照射所述感兴趣区域，以获得透射光。在该实施例中，光源54被布置在保持器52的面向耳垂的后侧的表面56处，使得光透射通过耳垂并且透射的光能够从耳垂的前侧看到并捕获。
控制输入部58被提供用于接收控制信息，例如来自图2中所示的控制单元36的控制信息，用于以上文所描述的方式来控制光源54。例如，在实施例中，所述光源被控制为使得相机12的帧捕获以这样方式与光源54在时间上同步：使得相邻的图像帧在光源54的不同波长范围处被捕获。优选地，所述控制单元58被配置用于例如经由蓝牙、WLAN、Zigbee等来无线地接收控制信息。
此外，优选地，提供电源60，例如电池，以便避免任何布线并确保可穿戴光源设备50的自维持的操作。
总之，本发明提供了相对于使用夹持式传感器(夹持到手指或耳垂)或相机(使用rPPG)的现有SpO2测量方法的实质优点。具体地，SpO2夹持设备对运动以及由环境光引起的干扰敏感。根据本发明提供的额外(第二)光源可以是电池供电的LED，其被放置的耳的后面。其可以是无线设备并且不需要被“夹持”。此外，SpO2相机测量的SpO2测量结果(在SNR方面)的质量得到增强。
通过范例的方式，本发明能够被应用在健康护理的领域中，例如，不突兀的患者监测、一般性监控、安全监测和所谓的生活类型环境、诸如健身器械等。应用可以包括对血氧饱和度(脉搏血氧计)、心率、血压、心脏输出、血液灌注的改变、自主功能的评估以及外围脉管疾病的检测。本发明尤其能够被用于对危险患者的快速和可靠的检测，例如在自动CPR期间(心肺复苏)。所述系统也能够被用于监测新生儿的生命体征。总体而言，本发明允许点检查和连续监测。
尽管在附图和上述说明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理解为是说明性的或示范性的，而非限制性的，本发明并不限于所描述的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，在实践所主张的发明时能够理解并实现所公开的实施例的各种变型。
在权利要求书中，“包括”一词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在权利要求中所引用的若干项的功能。尽管在相互不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够组合这些措施以获益。
在权利要求书中的任何附图标记都不应当被解释为对范围的限制。
Claims (19)
1.一种用于确定对象的生命体征的设备，所述设备包括：
-第一光源，其被配置为发射第一波长范围的光，所述第一光源远离所述对象；
-第二光源，其被配置为发射第二波长范围的光，所述第二光源被操作地与所述对象连接；
-检测单元(30)，其用于对来自对象的感兴趣区域的所述第一波长范围和所述第二波长范围中的光的无接触的检测，其中，所述检测单元(30)被配置为：
根据从所述感兴趣区域反射的光来检测处在所述第一波长范围中的第一光部分，并且
根据透射通过所述感兴趣区域的光来检测处在所述第二波长范围中的第二光部分，其中，所述检测单元(30)被配置为响应于至少时间上同时的照射来同时地检测所述第一光部分和所述第二光部分，并且其中，所述第一波长范围和所述第二波长范围是不同的，
-处理单元(32)，其用于根据针对所述第一波长范围和所述第二波长范围的检测到的光来导出光电体积描记PPG信号，以及
-分析单元(34)，其用于根据针对所述第一波长范围和所述第二波长范围的所述PPG信号来导出生命体征。
2.根据权利要求1所述的设备，
还包括控制单元(36)，所述控制单元用于控制所述第一光源(22)、所述第二光源(24)和/或所述检测单元(30)以使它们中的两个或更多个彼此同步。
3.根据权利要求1所述的设备，
还包括控制单元(36)，所述控制单元用于控制所述第一光源以发射在所述第一波长范围中的光和/或控制所述第二光源(24)以发射在所述第二波长范围中的光。
4.根据权利要求3中的设备，
其中，所述控制单元(36)被配置为控制所述第二光源(24)以单独地或者交替地发射在红色波长范围或红外波长范围中的光。
5.根据权利要求1中所述的设备，
其中，所述检测单元(30)包括一个或多个光学滤波器(31)，所述一个或多个光学滤波器用于将处在所述第一波长范围和所述第二波长范围处的光从检测到的光中滤除。
6.根据权利要求1所述的设备，
还包括控制单元(36)，所述控制单元用于控制所述第二光源(24)以连续地发射在所述第二波长范围中的光。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述分析单元(34)被配置为组合针对所述第一波长范围和所述第二波长范围的所述PPG信号并根据经组合的PPG信号来导出所述生命体征。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述检测单元(30)是用于采集所述感兴趣区域的图像帧的集合的相机。
9.根据权利要求6所述的设备，还包括：
控制单元(36)，其用于控制所述第二光源(24)以连续地发射在红色波长范围和红外波长范围中的光。
10.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述第二光源(24)被配置为发射光通过对象的感兴趣区域以照射所述感兴趣区域来获得透射光，其中，光的所述发射以及用于获得反射光的由光对所述对象的所述照射是至少时间上同时的。
11.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述第一光源(22)被配置为利用在所述第一波长范围中的光照射所述感兴趣区域以获得来自所述感兴趣区域的反射光。
12.根据权利要求10所述的设备，
其中，所述第二光源(24)被配置用于被布置在人的耳朵的后面或者手的一侧上。
13.根据权利要求10所述的设备，
还包括新生儿重症护理单元(40)，所述新生儿重症护理单元具有底层，其中，所述第二光源(24)包括被布置在所述底层中的多个光元件(25)。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述底层包括床垫(42)。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第二光源(24)包括多个LED。
16.一种用于确定对象的生命体征的方法，所述方法包括：
-利用远离所述对象的第一光源，发射第一波长范围的光；
-利用被操作地与所述对象连接的第二光源，发射第二波长范围的光；
-对来自对象的感兴趣区域的所述第一波长范围和所述第二波长范围中的光进行无接触地检测，其中，根据从所述感兴趣区域反射的光来检测在所述第一波长范围中的第一光部分，并且根据透射通过所述感兴趣区域的光来检测在所述第二波长范围中的第二光部分，其中，响应于至少时间上同时的照射来同时检测所述第一光部分和所述第二光部分，并且其中，所述第一波长范围和所述第二波长范围是不同的，
-根据针对所述第一波长范围和所述第二波长范围的检测到的光来导出光电体积描记PPG信号，并且
-根据针对所述第一波长范围和所述第二波长范围的所述PPG信号来导出生命体征。
17.一种在根据权利要求1所述的用于确定对象的生命体征的设备中使用的可穿戴光源设备(50)，包括：
-保持器(52)，其用于将所述可穿戴光源设备布置到对象的身体的部分，
-所述第二光源(24)，其用于发射光，其中，所述第二光源被安装在所述保持器中或者被安装在所述保持器处，使得所发射的光透射通过所述对象的感兴趣区域以照射所述感兴趣区域来获得透射光，
-控制输入部(58)，其用于接收控制信息以控制所述第二光源。
18.根据权利要求17所述的可穿戴光源设备(50)，其中，所述可穿戴光源设备被布置在人的耳朵的后面或者手的一侧。
19.根据权利要求17所述的可穿戴光源设备(50)，
其中，所述控制输入部(58)被配置用于无线地接收控制信息。
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