CN107106017B - 用于提取生理信息的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种根据探测到的从对象(14)反射的电磁辐射来提取指示所述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)，其用于接收根据探测到的从对象的皮肤区域反射的电磁辐射导出的探测数据的数据流，其中，所述探测到的电磁辐射是在所述偏振辐射探测器的偏振角度被改变的同时由偏振辐射探测器探测到的；PPG提取单元(32)，其用于从所述探测数据提取光电体积描记PPG信号；信号质量确定单元(34)，其用于确定来自针对所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的不同设置的所述PPG信号的质量度量；选择单元(36)，其用于从所确定的质量度量中选择最佳质量度量值，并且用于生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得最佳质量度量值；以及处理器(38)，其用于从所述PPG信号导出指示至少一个生命体征的生理信息。
Description
技术领域
本发明涉及用于根据探测到的从诸如人或动物的对象反射的电磁辐射来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)或动脉血氧饱和度，充当人的当前状态的指示器并且充当对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、在家中或者在其他健康、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术。体积描记术通常涉及对器官或身体部分的体积改变的测量，并且尤其涉及对由于随着每次心跳而行进通过对象的身体的心血管脉搏波所造成的体积改变的探测。
光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区域或感兴趣体积的光反射或透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液与周边组织相比吸收更多光，因此，血液体积随着每次心跳的变化对应地影响透射或反射。除了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其他生理现象的信息。通过评估在不同波长(通常是红或红外的)处的透射率和/或反射率，能够被确定血氧饱和度。
用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度(也被称为SpO2)的常规脉搏血氧计(在本文中也被称为PPG设备)被附接到对象的皮肤，例如被附接到指尖、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。市售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地切换，并且由此在两个不同波长处测量组织的相同区域或体积的透射率。这被称为时分复用。在每个波长处的随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被视为基本上是无创的技术，但是接触式PPG测量常常被体验为是不舒适和突兀的，这是由于脉搏血氧计被直接附接到对象并且任何线缆限制运动的自由并且可能妨碍工作流程。
近来，已经引入了非接触式、远程PPG(rPPG)设备(在本文中也被称为相机rPPG设备)，以用于不突兀的测量。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，探测器，例如相机或光子探测器，也能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远程光电体积描记系统和设备被认为是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等人在Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第 21434-21445页上的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”一文中证明了能够使用环境光和常规消费级视频相机、使用红、绿、蓝颜色通道来测量光电体积描记信号。
Wieringa等人在Ann.Biomed.Eng.，33，1034-1041(2005)上的“ContactlessMultiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging:A First Step Toward"SpO2Camera"Technology”一文中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。相机顺序地采集对象在三个不同波长处的三个影像。能够根据在单个波长处的影像来确定脉搏率，而为了确定氧饱和度需要在不同波长处的至少两个影像。所述测量是在暗室中执行的，每次使用仅一个波长。
使用PPG技术，能够测量生命体征，这是由脉动的血液体积所引起的皮肤中的微小光吸收变化所揭示的，即通过由血液体积脉动诱发的人类皮肤的周期性颜色变化。因为该信号非常小并且隐藏在由于照明改变和运动造成的大得多的变化中，一般有兴趣改进根本上低的信噪比(SNR)。还存在关于剧烈运动、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，需要生命体征测量设备以及方法的经改进的鲁棒性和准确度，特别是对于更加紧急的健康护理应用。
在存在镜面反射时，基于相机的生命体征测量会导致大量错误，并且期望仅使用不包含镜面反射的这些区域以用于测量。理想情况下，镜面反射的负面影响能够通过使用专用照明和具有完美交叉偏振的相机来抑制。在US 2014/243622 A1中公开了应用这种方法的一种光电体积描记设备。这样的理想的系统假定没有其他的(非偏振光)光的源。然而，在实践中，提供仅一个完美的交叉偏振的照明源几乎是不可能的，因为总有一些不受控制的环境照明存在。
US 2007/263226 A1公开了一种用于检查组织的医学状况的成像系统，其具有照明光学系统，包括光源射束整形光学器件以及偏振光学器件。光学分束器将照明光引导到包含空间光调制器阵列的成像子系统。物镜对从空间光调制器阵列到组织的照明光进行成像。光学探测系统对空间光调制器到光探测器阵列进行成像。在实施例中，使用交叉偏振器，特别是照明光的路径上的驱动预偏振器，以及在探测到的光的路径中的偏振分析器，其被一致地旋转，使得它们的消光轴旋转到相对于组织的各个位置中。通过控制器，它们被旋转相同的角度量，使得它们保持相交，以确保镜面反射的光和从组织重新出现同时名义上保持初始偏振状态的光两者都被交叉偏振分析器消除，而从组织中重新出现的、其偏振被组织内的双折射结构某种程度地旋转的光然后能够使所述光的一些部分透射通过偏振分析器。以这种方式，偏振敏感的光学器件实现了对双折射组织结构的成像。
US 2013/307950 A1公开了一种使用一系统来探查组织表面的形态的方法，所述系统可以包括光源、偏振器、分析器、以及具有多个图片元件的相机。所述方法利用穿过偏振器的入射光来照射组织表面。所述相机可以通过分析器以图像帧的连续序列捕获来自所述组织表面的散射的光。偏振状态的变化可以是以下中的至少一种的偏振状态的变化：通过改变偏振器来改变来自光源的入射光，或者通过改变分析器来改来自组织表面的散射光。在捕获期间，针对相机的图片元件，响应于变化的偏振状态来探测散射光的变化的强度信号。
发明内容
本发明的目的是提供用于根据探测到的从对象反射的电磁辐射来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，其最小化或者甚至完全抑制镜面反射对测量结果的负面效果。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于根据探测到的从对象反射的电磁辐射来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，其用于接收根据探测到的从对象的皮肤区域反射的电磁辐射导出的探测数据的数据流，其中，所述探测到的电磁辐射是由偏振辐射探测器探测到的，其中，所述偏振辐射探测器的偏振角度在对所述电磁辐射的探测期间被改变，
-PPG提取单元，其用于从所述探测数据提取光电体积描记PPG信号，
-信号质量确定单元，其用于针对所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的不同设置来确定来自所述PPG信号的质量度量，
-选择单元，其用于从所确定的质量度量中选择最佳质量度量值，并且用于生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将所述偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得所述最佳质量度量，以及
-处理器，其用于从所述PPG信号导出指示至少一个生命体征的生理信息。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于根据探测到从对象反射的电磁辐射来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：
-根据在本文中所公开设备，以及
-偏振辐射探测器，其用于探测从对象的皮肤区域反射的电磁辐射，并且用于根据探测到的电磁辐射来导出探测数据，其中，所述偏振辐射探测器被配置为在对所述电磁辐射的探测期间将偏振角度改变为不同的角度值以找到最佳角度值或者响应于从所述设备接收到的偏振控制信息而将所述偏振角度改变为最佳角度值。
还在本发明的其他方面中，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，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述程序代码模块用于令所述计算机执行在本文中所公开的方法的步骤；并且提供了一种在其中存储计算机程序产品非瞬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，令在本文中所公开的方法被执行。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所请求保护的方法、系统、计算机程序和介质与请求保护的以及如在从属权利要求中定义的设备具有相似和/或相同的优选实施例。
本发明是基于这样的思想：提供对偏振辐射探测器(例如包括或者被提供有偏振器的相机)的偏振角度的自动调节，以最小化镜面反射的影响，提高在存在环境光时的交叉偏振的效果，并且甚至减少或者完全克服对专用的、主导的交叉偏振照明的需要。
如上文所提到的，能够使用诸如相机的探测器来执行PPG测量，非常类似于如何以接触式传感器来实现的，即，通过测量从对象的皮肤反射回的光。该光被脉动的动脉调制并且调制幅度包含血液饱和度水平的信息。该调制能够在探测数据中看到，例如，在随后相继采集的图像帧(例如，由视频相机采集的视频数据)的图像序列中看到。所述幅度以脉动为单位进行测量，并且根据来自图像数据的感兴趣区域的空间像素平均来计算。
脉动仅仅发生在已经穿透到皮肤内并且被漫反射的光的那部分。到达探测器的镜面反射的光不包含由于动脉血脉动造成的任何光调制，因为它是从皮肤的表面被反射回的光。这导致观察到的脉动的降低。而且也能够以脉动之外的其他质量度量观测到镜面反射的效果，诸如信噪比(SNR) 或形状的信息。
根据本发明，通过自动地调节偏振辐射探测器的偏振角度来利用这种效果，以通过优化(例如最大化)质量度量来找到测量的PPG信号的所使用的质量度量的最佳质量度量的值，从而降低来自不受控制的环境照射的镜面反射率的影响。由此，“最佳”在以下方面应当被理解为：所提取的信号的质量(其可以是PPG信号的质量，以及被计算为PPG信号的导出量的最终提取的生命信号(例如SpO2))应当是最高的。
一般而言，电磁辐射、尤其是光与生物组织的相互作用是复杂的，并且包括(多个)散射、背向散射、吸收、透射以及(漫)反射的(光学) 过程。如在本发明的上下文中所使用的术语“反射”不应当被解释为限于镜面反射，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，以及它们的任何组合。
如在本发明的上下文中所使用的术语“生命体征”指代对象(即，生命体)的生理参数和导出参数。具体地，术语“生命体征”包括血液体积脉动信号、心率(HR)(有时也被称为脉搏率)、心率变异性(脉搏率变异性)、脉动强度、灌注、灌注指标、灌注变化性、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”一般包括从PPG信号的形状获得的健康指示(例如，形状可以指关于部分动脉阻塞的内容(例如当在胳膊上应用袖带时的，从手的PPG信号获得的形状变得更正弦)，或者关于皮肤厚度的内容(例如，来自面部的PPG信号与来自手的PPG信号不同)，或者甚至可以是关于温度等的内容)。
如在本发明的上下文中所使用的“生理信息”包括如上文所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，或者能够用于随后的分析的涉及时间的生理参数的数据。
为了获得对象的生理信息信号，评估在皮肤区域内的皮肤像素区域的数据信号。此处，“皮肤像素区域”意指包括一个皮肤像素或相邻皮肤像素的组的区域，即，可以针对单个像素或者皮肤像素的组来导出数据信号。
在所提出的设备的优选实施例中，所述PPG提取单元被配置为从探测数据提取两个或更多个PPG信号，所述探测数据是根据探测到的从所述对象的两个或更多个不同皮肤区域反射的电磁辐射导出的，所述信号质量确定单元被配置为确定来自所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的质量度量，并且所述选择单元被配置为从针对所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的所确定的质量度量中单独地选择最佳质量度量值，并且被配置为生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将偏振角度设置为如下角度值以用于对来自相应皮肤区域的辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得针对相应PPG信号的最佳质量度量值。已经发现，最佳的偏振角度可以针对不同感兴趣区域是不同的，即，针对不同皮肤区域是不同的。因此，有利的是，针对每个皮肤区域单独地确定最佳偏振角度，以用于对来自相应皮肤区域的辐射的探测。
在所提出的设备的另一实施例中，所述PPG提取单元、所述信号质量确定单元和所述选择单元被配置为：定期地、连续地或不时地执行其功能以定期地、连续地或不时地调节偏振角度的设置。由于环境光的状况和/对象的位置和取向随时间而改变，优选的是，至少不时地更新偏振角度的设定以随时间保持测量结果的质量和准确度。
在所提出的设备的又一实施例中，所述PPG提取单元被配置为根据所述探测数据的不同频率分量来提取两个或更多个PPG信号，所述信号质量确定单元被配置为确定来自所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的质量度量，并且所述选择单元被配置为从针对所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的所确定的质量度量中单独地选择最佳质量度量值，并且被配置为生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将偏振角度设置为如下角度值以用于对相应频率范围中的辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得针对相应PPG信号的最佳质量度量值。不同的频率分量例如可以是不同的颜色分量，诸如绿色、红色和蓝色光，或者红光和红外光分量。针对相应频率分量中的每个频率分量，因此，偏振角度的不同设置可以被用于对辐射的探测，因为镜面反射可以不同地影响不同频率分量。这进一步优化测量结果以及所获得的生理信息的质量。
这例如能够通过使用包括分立的探测单元(例如图像传感器(例如，针对每个颜色通道))的辐射探测器(例如相机)来实现。在探测单元(图像传感器)中的每个探测单元前面的偏振器可以被单独地调节。在不同的实施例中，可以使用单个探测单元(图像传感器)，利用所述单个探测单元，时间顺序处理能够被用于对在不同频率范围中的辐射的随后的探测。
存在可以被用作质量度量不同信号或多条信息。在优选实施例中，所述信号质量确定单元被配置为确定脉动性、信噪比和/或形状信息，作为来自针对所述偏振辐射探测器的偏振角度的不同设置的所述PPG信号的质量度量。SNR值提供对所提取的PPG信号的强度相比于噪声(由环境光、镜面反射、运动等所引起的)的指示。最大SNR值将对应于PPG信号的最大脉动和噪声的最低水平。包含在形状信息中的脉冲信号的形状对应于频谱的“干净度”；由镜面反射引起的噪声将引入额外的频率，并且因此将破坏 PPG信号的形状。
在优选实施例中，脉动性被用作质量度量。因此，所述信号质量确定单元被配置为将脉动性确定为针对所述偏振辐射探测器的偏振角度的不同设置的来自PPG信号的质量度量，并且其中，所述选择单元被配置为从所所确定的脉动性值中选择最大脉动性值，并且用于生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得最大脉动性值。
存在用于改变偏振辐射探测器的偏振角度的各种实施例。例如，在一个实施例中，所述探测器可以包括机械地或电子地可控的偏振器，其偏振角度能够被机械地或电子地改变。在另一实施例中，所述探测器可以包括可旋转偏振器，所述可旋转偏振器的偏振角度能够通过对偏振器的旋转来改变，所述可旋转偏振器被布置在探测器输入部的前面，在所述探测器处，接收电磁辐射。再进一步地，在一实施例中，所述探测器可以包括光学结构，所述光学结构的偏振角度能够被电子地控制，所述光学结构被布置在探测器输入部的前面，在所述探测器处，接收电磁辐射。
在另一实施例中，所述输入接口被配置为接收偏振角度信息，所述偏振角度信息指示在对所述电磁辐射的探测期间所述偏振辐射探测器的偏振角度的设置，或者所述信号质量确定单元被配置为根据探测到的电磁辐射来确定所述偏振角度信息。因此，存在提供关于针对所述设备的当前偏振角度的信息的可用的不同选项。
优选地，所提出的系统还包括非偏振辐射探测器，诸如额外的成像单元，例如，第二相机，其用于探测从所述对象的与偏振辐射探测器相同的皮肤区域反射的电磁辐射，并且用于从探测到的电磁辐射导出额外的探测数据，其中，所述设备被配置为使用所述额外的探测数据作为参考数据，被用于从所确定的质量度量中选择最佳质量度量值并且用于生成所述偏振控制信息。该参考数据例如可以被用于提取参考PPG信号以用于与(原始) PPG信号进行比较。这可以加快找到用于优化偏振角度的最佳质量度量值的过程，例如，其可以减少找到用于最优偏振角度所需的迭代的量。
在又一实施例中，所述非偏振辐射探测器包括：体积描记传感器，其被配置为被安装到对象的皮肤部分，以用于采集光电体积描记信号；和/或成像单元，其用于随时间采集所述对象的图像帧的序列，根据所述图像帧的序列能够导出光电体积描记信号以用作参考数据。
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以阐述。在以下附图中：
图1示出了根据本发明的系统的第一实施例的示意图，
图2示出了根据本发明的设备的示意图，
图3示出了图示对脉动的计算的图解，
图4A 和图 4B 示出了图示镜面反射在脉动上的效应的图解，
图5示出了根据本发明的系统的第二实施例的示意图，并且
图6示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统10的示意图，其包括设备12，设备12 用于根据探测到的从对象14反射的电磁辐射来提取指示对象14的至少一个生命体征的生理信息。对象14，在本范例中为患者，躺在例如医院或其他健康护理机构中的床上，但是也可以是例如躺在保育箱中的新生儿或早产儿，或者是在家里或在诸如养老院的不同环境中的人。
偏振辐射探测器18被提供用于探测从所述对象14的皮肤区域24(也被称为感兴趣区域(ROI))反射的电磁辐射，并且用于根据探测到的电磁辐射来导出探测数据。所述偏振辐射探测器18被配置为在对电磁辐射的探测期间或者将偏振角度改变为不同的角度值以找到最佳角度值，或者响应于来自设备12的偏振控制信息将偏振角度改变为最佳角度值，如下文将更加详细解释的。
探测器18优选包括相机19(也被称为成像单元，或者被称为基于相机的或远程PPG传感器)，所述相机19包括合适的光电传感器以用于(远程地并且不突兀地)捕获对象14的图像帧，尤其是用于随时间采集对象14 的图像帧的序列，根据所述图像帧的序列能够导出光电体积描记信号。由相机19捕获的图像帧尤其可以对应于借助例如(数字的)相机中的模拟或数字光传感器所捕获的视频序列。这样的相机19通常包括光传感器，诸如 CMOS或CCD传感器，其还可以在特定谱范围(可见光，IR)中操作或提供针对不同谱范围的信息。相机19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。具体地，所述图像帧包括表示利用光传感器的不同光敏元件捕获的光强度值的像素。这些光敏元件可以是在特定谱范围中敏感的(即，表示特定的颜色)。所述图像帧包括表示所述对象的皮肤部分的至少一些图像像素。由此，所述图像像素可以对应于光探测器的一个光敏元件以及其(模拟或数字)输出，或者可以基于多个光敏元件的组合(例如通过分箱)来确定。
探测器18优选还包括(内部或外部)偏振调节器件20，其用于在对电磁辐射的探测期间改变偏振角度，使得仅具有特定偏振角度的辐射被允许发射和到达探测器的辐射探测元件，诸如相机19的光传感器。
当使用相机19时，系统10任选还可以包括光源22(也被称为照明源)，诸如灯，其用于利用例如在一个或多个预定波长范围中(例如，在(一个或多个)红色、绿色和/或红外波长范围中)的光来照射感兴趣区域24，诸如患者的面部的皮肤(例如，脸颊或前额的一部分)。响应于所述照射，由探测器18来探测从所述感兴趣区域24反射的光。在另一实施例中，不提供专用光源，而是使用环境光用于照射对象14。从所反射的光，可以探测和/或评估仅在期望的波长范围中的光(例如绿光)。
设备12还被连接到或者被提供有接口13，以用于显示所确定的信息和 /或用于为医务人员提供接口以改变对设备12、探测器、光源22的设置和/ 或系统10的任何其他参数。这样的接口13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。
如在图1中所示的，系统10例如可以被定位在医院、健康护理设施、老年人护理设施等中。除了对患者的监测，本发明还可以应用于其他领域，诸如新生儿监控、一般监控应用、安防监控或所谓的休闲环境中，诸如健身器械等。设备12、探测器18、以及接口13之间的单向或双向通信可以经由无线或有线通信接口工作。本发明的其他实施例可以包括这样的设备 12：设备12不是被独立地提供的，而是被集成到探测器18或接口13中。
图2示出了根据本发明的设备12的实施例的更加详细的示意图。设备 12包括输入接口30，输入接口30用于接收根据探测到的(如由偏振辐射探测器18所探测和提供的)从对象14的皮肤区域反射的电磁辐射导出的探测数据的数据流29，其中，所述偏振辐射探测器的偏振角度在对电磁辐射的探测期间、至少在初始校准阶段或者最佳偏振角应被确定的优化阶段中被改变(即，当偏振辐射探测器的偏振角度被改变时)。
设备12还包括PPG提取单元32，PPG提取单元32用于从所述探测数据29提取光电体积描记(PPG)信号。在远程光电体积描记的领域已知从探测到的电磁辐射、例如从感兴趣区域的图像获得PPG信号的方式，例如根据上文所描述的文档，并且因此在这里将不进行更详细的说明。
信号质量确定单元34被提供用于确定来自针对偏振辐射探测器的偏振角度的不同设置的PPG信号的质量度量。各种质量度量能够被用于此目的。例如，信号质量确定单元34可以被配置为确定脉动性、信噪比和/或形状信息，作为来自针对所述偏振辐射探测器的偏振角度的不同设置的所述PPG 信号的质量度量。
选择单元36从所确定的质量度量中选择最佳质量度量值，并且生成偏振控制信息37以用于由所述偏振辐射探测器用于将偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得最佳质量度量值。因此，针对随后的辐射探测和评估，使用对偏振角度的特定设置，其可以被不时地或定期地或连续地更新。
根据从具有偏振角度的优化设置的辐射导出的PPG信号，处理器38 导出指示至少一个生命体征的生理信息39。例如，在具体应用中能够根据需要导出心率信号、呼吸率信号、SpO2率等中的一个或多个。
由该测器18探测到的辐射由脉动的动脉进行调制并且调制幅度包含期望的生理信息，例如血液饱和度水平的信息。在探测数据的数据流29(例如，相机视频)中能够看到具有以脉动(mNP)为单位测得的幅度的这种调制，并且可以根据来自数据流29(例如视频数据)的感兴趣区域的空间像素平均来计算。
存在用于为提供信号质量确定单元34提供关于偏振辐射探测器的偏振角度的当前设置的信息的各种选项。在一个选项中，例如由计算机或控制器来控制偏振角，其可以与设备12(尤其是信号质量确定单元34)相耦合，使得关于当前偏振角度的信息可以被直接提供给信号质量确定单元34。例如，可以提供用于控制所述偏振器的控制信号或者指示偏振器的当前状况 (旋转位置)的电子位置信号。因此，输入接口30可以在对电磁辐射的探测期间接收指示偏振辐射探测器的偏振角度的设置的偏振角度信息。
作为另一选项，能够例如通过测量所述偏振器20的当前旋转位置、或者通过测量探测到的辐射的偏振、以及通过将测量到的信息转发到信号质量确定单元34来测量偏振角度。因此，信号质量确定单元34可以根据探测到的电磁辐射来确定偏振角度信息。
在下文中，本发明的细节将通过参照对作为探测到的辐射的特定范例幅光的探测进行解释，例如参照探测可见光和红外光(优选近红外光)进行解释。
图3示出了图示脉动性的计算的图解。图3尤其示出了PPG信号P，其可以表示单个像素的测量的信号或一组像素的平均信号。所述PPG信号 P的脉动性被定义为归一化到PPG信号P的DC电平的PPG信号的AC信号部分的幅度。脉动性仅发生于已经穿透到皮肤中并且被漫反射的光的那部分。到达探测器18的镜面反射的光不包含由于动脉血脉动造成的任何光调制，因为其是从皮肤的表面被反射回的光。这导致观测到的脉动性的下降。镜面反射率的影响可以利用如在表1中所示的样本计算来示出。
| DC(LSB) | AC(LSB) | 脉动(mNP) | |
| 无镜面反射 | 100 | 1 | 10 |
| 有镜面反射(+10％) | 110 | 1 | 9.09 |
表1
如在表1中所示的，镜面反射率的量能够以与脉动性的反比关系(镜面反射越多，脉动越小)来影响脉动性的值。示出镜面反射的皮肤区域的脉动性因而将具有较低的脉动性，而无镜面反射的皮肤区域将具有较高的脉动性。
图4A 和图 4 B 示出了图示镜面反射对脉动性的效果的图解。具体地描绘了由偏振探测器获得的脉动性(mNP)测量信号S1p、S2p以及由非偏振探测器获得的脉动测量信号S1n、S2n。在图4A中示出的脉动测量信号S1p、S1n是从示出镜面反射的皮肤区域获得的，而在图4B中示出的脉动测量信号S2p、 S2n是从未示出镜面反射的皮肤区域获得的。如能够在图4A 和图 4 B 中看到的，在镜面反射的区域的脉动测量中存在显著的差异，而在无镜面反射的区域中几乎没有任何差别。
根据本发明的优选实施例中，探测器18的偏振角度在以下情况下被定义为最优偏振角度(对于ROI的一部分或整个ROI)，即，如果：所提取的 PPG信号的脉动(在ROI的一部分或整个ROI中)针对该偏振角度相比于可调节偏振器20的其他偏振角度是最大的。由于环境光可能包括来自各种照明源的、具有不同反射角度的光，并且皮肤区域是不平坦的，因而最佳偏振角度可能针对ROI的不同部分是不同的。因此，本发明的该实施例的另一变型提出了选择可调节偏振器的空间局部偏振角度以使PPG信号在该空间局区域上的脉动性最大化。
能够使用各种元件作为偏振调整单元20。在一个实施例中，可以使用机械地或电子地可控的偏振器，其偏振角度能够被机械地或电子地改变。偏振器例如可以是圆盘状元件，或者是被安装在探测器输入部的前面的可旋转偏振器，例如相机19的透镜，并且其能够例如通过使用电机或致动器被机械地旋转。在又一实施例中，可以使用光学结构，其偏振角度能够被电子地控制，被布置在探测器输入部的前面，在所述探测器处，接收电磁辐射。这样的光学结构的偏振特性能够被电子地控制。作为范例，可以使用液晶光学元件，如例如Fujikake等人在Optical Review 3月/4月，1998 年，第5卷，第2期，第93-98页上的“Electrically-Controllable Liquid Crystal Polarizing Filter for EliminatingReflected Light”一文中所公开的。
图5示出了根据本发明的系统10’的第二实施例的示意图。在该实施例中，系统10’还包括非偏振辐射探测器，其用于探测从所述对象的与偏振辐射探测器18相同的皮肤区域反射电磁辐射并且用于根据探测到的电磁辐射来导出额外的探测数据。所述设备12被配置为使用所述额外的探测数据作为参考数据，以用于从所确定的质量度量中择最佳质量度量值，并且用于生成所述偏振控制信息。通常，PPG信号的脉动性的绝对值可能在人与人之间是不同的，并针对各种身体部位具有不同的值。此外，PPG脉动性可能由于生理原因而随时间变化。因此，在对偏振角度的优化期间能够使用PPG信号的另一个源，作为一种“基”信号以进行比较。这可能降低选择最佳的偏振角度所需的迭代次数。
在一个实施例中，所述非偏振辐射探测器包括被安装到对象的皮肤部分的体积描记传感器26，以用于采集光电体积描记信号。在另一实施例中，所述非偏振辐射探测器包括成像单元25，其用于随时间采集所述对象的图像帧的序列，从中能够导出用于用作参考数据的光电体积描记信号。因此，在所提出的系统10’的一个实施例中，一个相机25不具有偏振并且被用作参考，同时包括第二相机19的探测器18具有(旋转)偏振器20，所述偏振器20具有可调节偏振角度。
在图6中描绘了由在图1中所示的系统10所执行的根据本发明的方法的流程图。在第一步骤S10中，由偏振辐射探测器18采集探测数据29，其被提供给设备12以用于处理。在第二步骤S12中，根据所述探测数据29 提取PPG信号。在第三步骤S14中，检查所述PPG信号是否可以被用于提取生理信息或者检查偏振辐射探测器的偏振角度是否应当被优化(或者至少检查当前使用的偏振角是否是最佳的)，以避免镜面反射的任何负面效果。决定优化偏振角度的条件可以包括已经过去一定时间，所述PPG信号质量已经下降，已经发现所使用的ROI包含镜面反射的指示等。
如果将不进行优化，则在步骤S16中根据PPG信号导出指示至少一个生命体征的生理信息39。该算法然后返回到步骤S10，其对应于该实施例，其中，基于从PPG导出的最终提取的生命信号来估计最佳质量水平。
如果应当进行优化，则在步骤S18中，确定来自针对偏振辐射探测器 18的偏振角度的不同设置的PPG信号的质量度量。此外，在步骤S20中，最佳质量度量值是从所计算的质量度量中选择的。再进一步地，在步骤S22 中，确定偏振控制信息37以用于由所述偏振辐射探测器18用于将偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得最佳质量度量值。该算法然后返回到步骤S10以用于下一次迭代。
应当指出，可以使用其他质量度量来替代脉动性，诸如信噪比和/或形状信息。
综上所述，本发明使用质量度量，诸如PPG脉动性，作为用于选择相机偏振的最佳偏振角度的标准。此外，一实施例使用具有偏振器的取向的若干最佳偏振角度的可能性，其中的每个对于皮肤区域的空间局部部分是最佳的。可以使用具有计算机控制的旋转偏振器的单个相机来以时间顺序的方式执行具有不同偏振设置的图像采集。因此，计算机可以例如借助于电动马达来控制所述单个相机前面的机械可定向偏振器。当与观测到的光电容积描记信号相比时，偏振方向能够例如以5Hz快速地改变，并且其将跟随有所采集的图像序列的相干解调。其他选项包括对偏振方向的伪随机采样。
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。
权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种用于根据探测到的从对象(14)反射的电磁辐射来提取指示所述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)，其用于从用于探测从对象的皮肤区域反射的电磁辐射的偏振辐射探测器接收探测数据的数据流并且用于从用于探测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射的非偏振辐射探测器(25、26)接收额外的探测数据，其中，探测到的电磁辐射是在所述偏振辐射探测器的偏振角度被改变的同时探测到的，
-PPG提取单元(32)，其用于根据所述探测数据来提取光电体积描记PPG信号，
-信号质量确定单元(34)，其用于确定来自针对所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的不同设置的所述PPG信号的质量度量，
-选择单元(36)，其使用所述额外的探测数据作为参考数据用于从所确定的质量度量中选择最佳质量度量值并且用于生成偏振控制信息，所述偏振控制信息由所述偏振辐射探测器使用以将所述偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得所述最佳质量度量值，以及
-处理器(38)，其用于根据所述PPG信号来导出指示至少一个生命体征的生理信息。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述PPG提取单元(32)被配置为根据探测数据来提取两个或更多个PPG信号，所述探测数据是根据探测到的从所述对象的两个或更多个不同皮肤区域反射的电磁辐射导出的，
其中，所述信号质量确定单元(34)被配置为确定来自所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的质量度量，并且
其中，所述选择单元(36)被配置为从针对所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的所计算的质量度量中单独地选择所述最佳质量度量值，并且被配置为生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将所述偏振角度设置为如下角度值以用于对来自相应皮肤区域的辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得针对相应PPG信号的所述最佳质量度量值。
3.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述PPG提取单元(32)、所述信号质量确定单元(34)和所述选择单元(36)被配置为定期地、连续地或不时地执行其功能以定期地、连续地或不时地调节所述偏振角度的设置。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述PPG提取单元(32)被配置为根据所述探测数据的不同频率分量来提取两个或更多个PPG信号，
其中，所述信号质量确定单元(34)被配置为确定来自所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的质量度量，并且
其中，所述选择单元(36)被配置为从针对所述两个或更多个PPG信号中的每个PPG信号的所计算的质量度量中单独地选择所述最佳质量度量值，并且被配置为生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将所述偏振角度设置为如下角度值以用于对相应频率范围中的辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得针对相应PPG信号的所述最佳质量度量值。
5.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号质量确定单元(34)被配置为确定脉动性、信噪比和/或形状信息，作为来自针对所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的不同设置的所述PPG信号的质量度量。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号质量确定单元(34)被配置为将脉动性确定为来自针对所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的不同设置的所述PPG信号的质量度量，并且其中，所述选择单元(36)被配置为从所确定的脉动性值中选择最大脉动性值，并且用于生成偏振控制信息以用于由所述偏振辐射探测器用于将所述偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得所述最大脉动性值。
7.根据权利要求1所述的设备，
所述输入接口(30)被配置为接收偏振角度信息，所述偏振角度信息指示在对所述电磁辐射的所述探测期间的所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的所述设置，或者其中，所述信号质量确定单元(34)被配置为根据所述探测到的电磁辐射来确定所述偏振角度信息。
8.一种用于根据探测到的从对象(14)反射的电磁辐射来提取指示所述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：
-根据权利要求1所述的设备(12)，
-偏振辐射探测器(18)，其用于探测从所述对象的皮肤区域反射的电磁辐射，并且用于根据探测到的电磁辐射来导出探测数据，其中，所述偏振辐射探测器被配置为在对所述电磁辐射的所述探测期间将所述偏振角度改变为不同的角度值以找到最佳角度值或者响应于从所述设备接收到的偏振控制信息来将所述偏振角度改变为最佳角度值，以及
-非偏振辐射探测器(25、26)，其用于探测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射。
9.根据权利要求8所述的系统，
其中，所述探测器(18)包括机械地或电子地可控的偏振器(20)，所述偏振器的偏振角度能够被机械地或电子地改变。
10.根据权利要求8所述的系统，
其中，所述探测器(18)包括可旋转偏振器(20)，所述可旋转偏振器的偏振角度能够通过对所述偏振器的旋转来改变，所述可旋转偏振器被布置在探测器输入部的前面，在所述探测器处，所述电磁辐射被接收。
11.根据权利要求8所述的系统，
其中，所述探测器(18)包括光学结构(20)，所述光学结构的偏振角度能够被电子地控制，所述光学结构被布置在探测器输入部的前面，在所述探测器处，所述电磁辐射被接收。
12.根据权利要求8的系统，其中
所述非偏振辐射探测器(25、26)根据探测到的电磁辐射来导出所述额外的探测数据。
13.根据权利要求12所述的系统，
其中，所述非偏振辐射探测器包括：体积描记传感器(26)，其被配置为被安装到所述对象的皮肤部分以用于采集光电体积描记信号；和/或成像单元(25)，其用于随时间采集所述对象的图像帧的序列，根据所述图像帧的序列能够导出光电体积描记信号以用作参考数据。
14.一种用于根据探测到的从对象(14)反射的电磁辐射来提取指示所述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：
-从用于探测从对象的皮肤区域反射的电磁辐射的偏振辐射探测器接收探测数据的数据流并且从用于探测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射的非偏振辐射探测器(25、26)接收额外的探测数据，其中，探测到的电磁辐射是在所述偏振辐射探测器的偏振角度被改变的同时探测到的，
-根据所述探测数据来提取光电体积描记PPG信号，
-确定来自针对所述偏振辐射探测器的所述偏振角度的不同设置的所述PPG信号的质量度量，
-使用所述额外的探测数据作为参考数据从所计算的质量度量中选择最佳质量度量值并且生成偏振控制信息，所述偏振控制信息由所述偏振辐射探测器使用以将所述偏振角度设置为如下角度值以用于对辐射的随后的探测：在所述角度值处，获得所述最佳质量度量值，并且
-根据所述PPG信号来导出指示至少一个生命体征的生理信息。
15.一种计算机可读介质，其存储包括程序代码模块的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述程序代码模块用于使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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