CN108430321A - 用于确定人的生命体征的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定人的生命体征的设备、系统和方法。为了改善生命体征确定的准确性和可靠性，所述设备包括：输入单元(20)，其用于获得所述人的至少身体部分的生命体征相关信号，根据所述生命体征相关信号能够导出生命体征；身体部分位置确定单元(21)，其用于确定所述人的所述身体部分是否与支撑物接触并生成指示所述身体部分是否与所述支撑物接触的接触信号；质量度量设置单元(22)，其用于基于所述接触信号来设置用于在对所述人的生命体征的所述确定中使用的质量度量；以及生命体征导出单元(23)，其用于根据所获得的生命体征相关信号来导出生命体征，其中，所设置的质量度量被使用在对所述生命体征的所述导出中和/或对导出的生命体征的可靠性的判断中。

Description

用于确定人的生命体征的设备、系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定人的生命体征的设备、系统和方法，所述人特别是至少部分地且暂时地与支撑物(也称为固定对象)接触的人，所述支撑物例如为座位、桌子、椅子、床、卧榻、等等。
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(SpO2)用作人的当前健康状态的指示器并用作严重医学事件的有力预测指示器。出于这个原因，在住院和门诊护理设置中、在家里或在另外的健康、休闲和健身设置中，生命体征被广泛地监测。然而，在其他情况下，生命体征的采集也是有用的，例如，监测交通工具(例如汽车、卡车、火车、轮船、飞机、直升机等)中的驾驶员的健康状况。在这种情况下，此人通常坐在具有头枕的座位上。
测量生命体征的一种方式是体积描记法。体积描记法通常指的是器官或身体部分的体积变化的测量结果，特别是对由随每次心跳行进通过受试者的身体的心血管脉搏波引起的体积变化的检测。
光电体积描记法(PPG)是一种光学测量技术，其评估感兴趣的区域或体积的光反射率或透射的时变变化。PPG基于血液比周围组织更多地吸收光的原理，因此随每次心跳的血液体积的变化对应地影响透射或反射率。除了关于心率的信息之外，PPG波形可以包括可归因于另一生理现象(例如呼吸)的信息。通过评估在不同波长(通常红和红外)的透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度(SpO2)。通常已知和使用不同种类的这种接触传感器(也称为可穿戴设备)，包括接触手指脉搏血氧计、接触前额脉搏血氧计传感器、接触脉搏传感器等。
最近，在许多公开物中已经描述了用于非干扰测量的非接触式远程光电体积描记(rPPG)设备(也称为基于相机的PPG设备)，例如，在Verkruysse等人的“Remoteplethysmographic imaging using ambient light”(Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445页)中，其例示了能够使用环境光和常规的消费级摄像机，使用红色、绿色和蓝色通道来远程地测量光电体积描记信号。
远程PPG利用光源，或一般为辐射源，其被布置在感兴趣的对象的远程。类似地，也能够在感兴趣的对象的远程(即不与对象接触)布置检测器，例如相机或光电检测器。因此，远程光电体积描记系统和设备被认为是非干扰的，并且非常适合于医学以及非医学日常应用。
使用如基于相机的系统的非干扰系统，测量生命体征的另一种方式是通过测量胸部和头部的运动以分别确定呼吸率和心率。
此外，测量生命体征的另一种方式是通过使用可穿戴传感器根据附接了传感器的身体部分(例如胸部、手臂、头部等)的移动来测量呼吸率和心率或者通过在光学接触传感器中使用常规PPG。
然而，对于实际应用，例如汽车环境，SNR(信噪比)未处于能够保证足够高质量的生命体征计算的水平处。通常，远程PPG系统将一直产生输出，其能够例如当人(例如汽车的驾驶员)移动很多时和/或当存在不期望的光照条件时导致生命体征值错误且无意义。能够仅仅当信号满足特定准则(例如足够的幅度)时提供输出，但是这会导致无输出的时段。期望产生可靠的输出。
发明内容
本发明的目的是提供用于可靠地且准确地确定人的生命体征的设备、系统和方法。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定人的生命体征的设备，所述设备包括：
-输入单元，其用于获得所述人的至少身体部分的生命体征相关信号，根据所述生命体征相关信号能够导出生命体征；
-位置确定单元，其用于确定所述人的所述身体部分是否与支撑物接触并生成指示所述身体部分是否与所述支撑物接触的接触信号；
-质量度量设置单元，其用于基于所述接触信号来设置用于在对所述人的生命体征的所述确定中使用的质量度量；以及
-生命体征导出单元，其用于根据所获得的生命体征相关信号来导出生命体征，其中，所设置的质量度量被使用在对所述生命体征的所述导出中和/或对导出的生命体征的可靠性的判断中。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定人的生命体征的系统，所述系统包括：
-生命体征相关信号采集单元，其用于采集所述人的至少身体部分的生命体征相关信号，根据所述生命体征相关信号能够导出生命体征；以及
-如本文所公开的设备，其用于基于所采集的生命体征相关信号来确定所述人的生命体征。
当应用于质量度量时，术语“设置”和“计算”可以被理解为是相同的。
在本发明的另外的其他方面中，提供了一种对应的方法、一种包括程序代码单元的计算机程序以及一种其中存储了计算机程序产品的非暂态计算机可读记录介质，其中，当所述计算机程序在计算机上被执行时，所述程序代码单元用于使所述计算机执行本文公开的方法的步骤，所述计算机程序产品在由处理器运行时使本文公开的方法被执行。
本发明的优选实施例被限定在从属权利要求中。应当理解，所要求保护的方法、处理器、计算机程序和介质具有与所要求保护的设备和系统类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的和如本文所公开的。
本发明基于考虑和测量在很大程度上确保可靠的生命体征估计能够由设备、系统和方法获得的那些(一个或多个)(外部)条件的构思。特别地已经发现某些情况，特别是当人的至少身体部分(应当从其导出生命体征)至少暂时地与支撑物接触时(例如，在人的头部靠在座位的头枕上时)比其他情况有利。
例如，当头部靠在头枕上时驾驶对于高速公路驾驶是常见的。能够预计，随着自动驾驶车辆的引入，在大多数情况下，对于大多数驾驶员来说，头部可以靠在头枕上。另外，在等红绿灯时，许多驾驶员将他们的头部靠在头枕上。此外，许多乘客将他们的头部靠在头枕上。对于汽车中的生命体征确定或监测，影响性能的主要因素是其生命体征应当被确定或监测的人的运动，特别是头部运动。然而，当驾驶员的头部靠在头枕上时(至少在采集相应生命体征所需要的特定持续时间内)，此人的(一个或多个)生命体征能够以高可靠性被确定。
根据本发明，总体上通过使用质量度量(有时也称为置信度度量或可靠度度量或质量度量参数)来评估对这种情形的识别，所述质量度量考虑到应当从其采集(一个或多个)生命体征的人的身体部分(例如在应当从人的脸部的视频数据导出心率时人的头部)是否靠在支撑物上。任选地，如根据优选实施例所提供的，可以另外使用其他因素。
因此，根据本发明，检测人的身体部分何时与支撑物接触，并且例如通过改变一个或多个度量参数或者通过利用早前当身体部分也与支撑物接触时确定的过去的生命体征值来设置(或获得)质量度量。以这种方式，(例如，坐在具有头枕的椅子上的或坐在或躺在床或卧榻上的)人的生命体征能够更准确地且可靠地被确定。
通常有许多不同的选项可用于质量度量。特别地，基于质量度量，可以选择另一种处理方式，和/或可靠性的指示器可以被发布给此人(或另一用户，如护士或护理员)，并且/或者可以决定不将导出的生命体征呈现给此人(因为它被认为是不可靠的)。在后一种情况时，如果决定呈现生命体征的先前值(其被认为是可靠的)，则这可以被认为是对处理的一种修改。
本发明可以处理由输入单元获得(即检索或接收)的不同种类的生命体征相关信号作为输入。在一个实施例中，由成像单元采集的人的至少一个身体部分的图像的时间序列被获得作为一个或多个生命体征相关信号。这种成像单元可以例如是相机(诸如RGB相机、摄影机、网络摄像头等)，其例如将视频数据记录为图像的时间序列(也称为图像帧)。在另一实施例中，获得人的所述至少一个身体部分的一个或多个可穿戴传感器信号作为一个或多个生命体征相关信号。这样的可穿戴传感器信号由一个或多个可穿戴传感器采集，所述一个或多个可穿戴传感器例如为心率传感器、呼吸传感器、SpO2传感器、加速度计、运动传感器或能够被穿戴在人的身体处以记录可穿戴传感器信号的任何其他传感器，根据所述可穿戴传感器信号能够导出人的生命体征，或者所述可穿戴传感器信号直接表示生命体征。例如，常规的光学接触传感器(例如包括两个LED和一个光电二极管)可以用作可穿戴传感器，通过该可穿戴传感器，受试者的皮肤上的位点被(特别是在两个不同的波长范围处的)辐射辐照并且接收透射通过辐照的皮肤和下面的组织和/或由辐照的皮肤和下面的组织反射的辐射，从而形成所述至少一个生命体征相关信号。
示例性处理工作如下：对于(被获得作为生命体征相关信号的图像帧的时间序列的)每个图像帧，生成输出值(即生命体征值)。之后，(基于质量度量)执行是接受还是拒绝该输出的检查。因此，在这种实施方式中可以使用两种质量度量，一种用于当检测到身体部分与支撑物接触时的情形，另一种用于当身体部分自由时的情形。在前一种情况下，质量度量将被放松，因为已经观察到(因此预计)大多数输出(当身体部分靠着时)是正确的。
根据优选实施例，所述质量度量设置单元被配置为额外地使用以下项中的一个或多个用于设置所述质量度量：照明水平、光强度变化、所述人的运动、所述身体部分的运动、所述支撑物的运动、所述身体部分相对于所述支撑物的运动、用于生命体征导出的算法的种类和/或参数。这进一步改善了生命体征确定的准确性和可靠性。
有不同的选项来确定人的身体部分是否与支撑物接触。在一个实施例中，所述身体部分位置确定单元被配置为通过分析表示所述生命体征相关信号的所获得的图像序列来确定所述人的所述身体部分是否与所述支撑物接触。特别地，在所获得的图像序列中所述身体部分相对于所述支撑物的位置、移动和/或取向可以由图像处理单元检测以用于该目的。例如，使用例如模式检测或特征检测的已知算法可以被应用以检测身体部分相对于支撑物的相对位置。
在另一实施例中，所述身体部分位置确定单元被配置为从在所述支撑物中或所述支撑物处的对象传感器接收检测信号并且用于根据所述检测信号来生成所述接触信号，所述对象传感器被配置为检测人的身体部分与所述支撑物的接触。所述对象传感器可以例如是光学传感器、电容传感器、机械传感器、压力传感器、运动传感器等，其被嵌入到支撑物中或者安装在其外表面上。
在另一实施例中，所述身体部分位置确定单元被配置为分析所获得的生命体征相关信号以确定从其提取所述信号的身体部分是否已经与支撑物接触。这能够通过计算信噪比来完成，因为对于当身体部分被支撑时采集的信号，信噪比将大于预定阈值。另外，所采集的信号能够被检查以看其是否满足某些条件，所述条件受预计的生理变化(诸如具有特定幅度或频率范围或变化)启发。此外，还能够跟随有数据挖掘方法，通过收集具有和不具有支撑物的条件的代表性数据，并使用这些数据来训练和测试模型以确定身体部分是否与支撑物接触。
优选地，所述生命体征导出单元可以被配置为将当所述人的所述身体部分被确定为与所述支撑物接触时导出的生命体征标记为可靠。通常，当所述人的身体部分(至少在最小的持续时间内)与支撑物接触时，所述人的身体部分被移动更少(即其具有更少的自由度)，使得在这种条件下获得的生命体征的可靠性通常被认为高于所述人的身体部分没有与支撑物接触的情况。
被标记为可靠的生命体征然后能够用于判断随后采集的生命体征的可靠性，特别是判断采集的生命体征是否可靠和/或在多大程度上可靠。例如，在实施例中，所述生命体征导出单元被配置为确定在被标记为可靠的生命体征已经被导出之后的预定时间段内导出的生命体征是否偏离所述生命体征多于预定百分比并且被配置为将偏离少于所述预定百分比的生命体征标记为可靠。对应的用户信息可以被发布，例如，如在所估计的生命体征能够被信任时指示灯示出绿灯，并且在所估计的生命体征是有问题的测量结果时指示灯示出红灯。
所述设备还可以包括支撑物控制单元，所述支撑物控制单元用于在已经确定所述人的所述身体部分没有与所述支撑物接触并且所述人的生命体征应当被确定的情况下生成用于控制所述支撑物的位置以与所述人的所述身体部分取得接触的支撑物控制信号。这将确保所采集的生命体征更可靠和准确。
所述设备还可以包括用户指令生成器，所述用户指令生成器用于在已经确定所述人的所述身体部分没有与所述支撑物接触并且所述人的生命体征应当被确定的情况下生成指示所述人移动所述身体部分以与所述支撑物取得接触的用户指令。如果此人遵照该指令，则这也将确保所采集的生命体征将更可靠和准确。
在另一实施例中，所述质量度量设置单元被配置为在对所述质量度量的所述设置中额外地使用光照条件。例如已经发现在夜间采集的生命体征的可靠性增加，这在本实施例中将会被考虑。
取决于场景和应用的种类，可以考虑不同的支撑物和不同的身体部分。因此，在实施例中，所述输入单元被配置为获得至少所述人的脸部、手、手臂、躯干、腿或脚的图像的时间序列，并且其中，所述位置确定单元被配置为确定所述人的头部是否与头枕接触、所述人的手臂和/或手是否与扶手接触、所述人的躯干是否与靠背接触、所述人的腿是否与座位区域或躺卧区域接触和/或所述人的脚是否与搁脚板接触。
除了成像单元和所公开的设备之外，所公开的系统还可以包括被布置在支撑物中或支撑物处的对象传感器，其用于检测所述人的所述身体部分与所述支撑物的接触并用于生成指示所述人的所述身体部分是否与所述支撑物接触的检测信号。此外，可以提供用于基于支撑物控制信号来调节所述支撑物的位置以与所述人的所述身体部分取得接触的致动器和/或用于发出指示所述人移动所述身体部分以与所述支撑物取得接触的用户指令的用户接口。
所公开的系统的生命体征相关信号采集单元可以包括成像单元和/或一个或多个可穿戴传感器。
附图说明
本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将从下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在以下附图中：
图1示出了图示在示例性使用场景中的根据本发明的系统的图示，
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示出了根据本发明的系统的第二实施例的示意图，
图4示出了根据本发明的系统和设备的第三实施例的示意图，
图5示出了根据本发明的系统和设备的第四实施例的示意图，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示出了图示根据本发明的系统的示例性使用场景的图示。在该使用场景中，本发明的设备、系统和方法用于确定驾驶汽车2的人(驾驶员)1的生命体征，特别是心率和/或呼吸率。为了采集生命体征相关信号，成像单元11优选地被用作生命体征相关信号采集单元的示例性实施例，该成像单元11采集图像的时间序列。在其他实施例中，一个或多个可穿戴传感器可以额外地或备选地用于采集生命体征相关信号，
当驾驶时，在一些时间段期间，驾驶员1将坐在座位3中的两个主要不同位置处，即如图1A所示，其头部4没有与头枕5接触，或者如图1B所示，其头部4与头枕5接触。
根据本发明的系统10包括成像单元11，其用于采集人1的至少身体部分(在脸部6的该示例性使用场景中，即皮肤区域)的图像的时间序列。根据脸部的这些图像，能够通过使用已知的远程光电体积描记(远程PPG)的原理来导出人1的生命体征。这由根据本发明的设备12执行，如将在下面更详细解释的。
成像单元11可以是包括用于(远程地且非干扰地)捕获人1(在该示例性使用场景中至少是脸部6)的图像帧(特别是用于随时间采集图像帧的序列)的合适的光电传感器的相机(也称为基于相机的或远程的PPG传感器)，根据图像帧的序列能够导出光电体积描记信号。由相机捕获的图像帧可以特别地对应于借助于(例如(数码)相机中的)模拟或数字光电传感器捕获的视频序列。这样的相机通常包括光电传感器，例如CMOS或CCD传感器，其也可以在特定的光谱范围(可见光，IR)内进行操作或提供针对不同光谱范围的信息。相机可以提供模拟信号或数字信号。图像帧包括具有相关联的像素值的多个图像像素。特别地，图像帧包括表示利用光学传感器的不同光敏元件捕获的光强度值的像素。这些光敏元件可以在特定光谱范围内敏感(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，图像像素可以对应于光电检测器的一个光敏元件及其(模拟或数字)输出，或者可以基于多个光敏元件的组合(例如通过装箱)来确定。
图2示出了根据本发明的设备12的第一实施例的示意图。设备12包括输入单元20，其用于获得(例如，接收或检索)人1的至少身体部分(在至少脸部6的图1的使用场景中)的图像30的时间序列，根据其能够导出生命体征。图像通常由成像单元11在运行中采集并提供，但是也可以在它们被提供给设备12和/或由设备12进行处理之前根据需要进行缓冲。输入单元20可以例如被配置为数据接口，例如，串行接口、并行接口、HDMI接口或任何其他合适的接口。
设备12还包括身体部分位置确定单元21，其用于确定所述身体部分(即人1的头部4)是否与支撑物(在图1的使用场景中为头枕5)接触并生成指示所述身体部分是否与支撑物接触的接触信号。包括超过10个小时的驾驶和心率范围在60至90之间的6个驾驶员的白天和夜间高速公路驾驶数据(驾驶速度在60-130km/h之间变化)已经表明当头部靠在头枕上时，心率能够以高准确性和可靠性被计算。
质量度量设置单元22被提供用于基于所述接触信号来设置用于在对人的生命体征的确定中使用的质量度量。生命体征导出单元23被提供用于根据所获得的图像序列来导出生命体征31，特别是通过使用远程PPG，其中，所设置的质量度量被使用在对生命体征的导出中和/或对导出的生命体征的可靠性的判断中。
取决于如何应用本发明以及在何处应用本发明，设备12的单元中的一个或多个可以被包括在一个或多个数字或模拟处理器中。不同的单元可以完全地或部分地用软件实现并在连接到一个或多个检测器的计算机上被执行。所需要的功能中的一些或全部也可以用硬件来实现，例如，在专用集成电路(ASIC)中或在现场可编程门阵列(FPGA)中。
能够以不同的方式来完成对人的身体部分(在该示例性使用场景中为驾驶员的头部4)是否靠在头枕5上的检测。在一个实施例中，身体部分位置确定单元21被配置为通过分析所获得的图像序列30来确定人的所述身体部分是否与支撑物接触。特别地，在所获得的图像序列中检测所述身体部分相对于支撑物的位置、移动和/或取向。例如，头部6被检测并且在图像序列30内分析头部运动和头部位置。检测到头部位置没有改变并且头部运动被限制并且类似于躯干运动被用作确定头部6是否靠在头枕5上的指示器。
在另一实施例中，身体部分位置确定单元21被配置为从在支撑物内或支撑物处的对象传感器13接收检测信号并且用于根据所述检测信号来生成所述接触信号，所述对象传感器被配置为检测人的身体部分与支撑物的接触。这被图示在图3中，图3示出了在图1中图示的示例性使用场景中的所提出的系统10a的另一实施例。在该实施例中，系统10a还包括被布置在头枕5中或头枕5处的对象传感器13，其用于检测人的头部4与头枕5的接触并且用于生成指示人的头部4是否与头枕5接触的检测信号。如上所述，该检测信号然后(例如以有线或无线的方式，例如经由汽车2的车载网络)被提供给设备12以供身体部分位置确定单元21使用。例如，对象传感器13可以是或包括光学传感器、电容传感器、机械传感器、压力传感器等。在另一实施例中，对象传感器13可以是或包括运动传感器(例如惯性传感器)。当身体部分与支撑物接触时，运动传感器能够提供关于与传感器相比身体部分的运动的额外信息(并且因此提供正被测量的生命体征的置信度)。
在示例性使用场景中的所提出的构思的实施方式中，当检测到头部与头枕的接触时(即当检测到驾驶员的头部靠在头枕上时)，能够放松默认质量度量计算参数(例如使用第一质量度量)。对于这种情况，放松质量度量要求将提高系统的灵敏度，而不会降低准确性。这能够通过例如增加可接受的信号幅度值的范围来完成。通过这样做，能够增加所提出的设备12产生生命体征输出(即，设备的灵敏度)的时间的百分比。通过放松质量度量计算参数(例如，可接受的信号幅度)，设备12能够更频繁地产生可靠的生命体征，而不会牺牲生命体征质量，因为假定即使没有在头部靠着条件下的严格质量度量，生命体征也是准确的。
相反，当检测到头部不再被支撑物(即，头枕)支撑时，对质量度量的要求能够更苛刻(例如，使用第二“更严格”的质量度量)以确保能够过滤由于头部的自由度增加而产生的所有类型的噪音和伪影。具有更严格的要求能够意味着系统的灵敏度降低(即，与放松的质量度量条件相比，输出被产生更少的次数)以便确保计算的输出值是准确的。
因此，一般来说，可以应用至少两个质量度量。然而，在其他情况下能够使用另外的质量度量。例如，在城市驾驶条件下，在驾驶员的运动预计更大时，可以采用第三质量度量。
在所提出的构思的另一实施方式中，当检测到头部与头枕的接触时，使用更严格的(即更苛刻的，第二)质量度量来计算期望的生命体征(例如心率)。因此，通过使用苛刻的(第二)质量度量和头部在头枕上的信息两者，提高了测得的生命体征值准确的置信度。然后将所计算的生命体征值存储(例如，在设备的存储器中，未示出)并标记为“真”(或“可靠”)，即假定它们是正确的。
对于从已经计算出“可靠”生命体征的最后时间的下一时间段(例如在15-45分钟的范围内，例如30分钟或另一用户定义的时间段)，基于最后检测到的“可靠”值来定义生命体征带。如果新计算的值在该带之外，则它们很可能是不正确的并被认为是“不可靠”的。该带能够例如通过使用可靠值±X％(X例如在5-25的范围内，例如为10或20)或±Y(Y是反映特定百分比的绝对数值；例如对于心率值，Y在5-15BPM(每分钟的心跳)范围内，例如为10BPM)来定义。在驾驶期间的心率变化通常不会很快发生，而是仅在较长的时间段内逐渐发生，因此在驾驶条件中没有未预料到的变化时，例如30分钟的时间段可以是针对该时间段的良好选择。
如果新计算的生命体征值在该带内，则即使它们不符合严格的质量度量条件，它们也很可能是正确(“可靠”)的(因为质量度量被设计为具有高特异性，这自然导致较低灵敏度)。在这种情况下，生命体征值能够被发布给例如驾驶员或其他用户。这种实施方式的益处是能够提高该设备的灵敏度(即，准确生命体征值被示出的次数百分比)而不会降低质量。
图4图示了根据本发明的系统和设备的另一实施例，其中，图4A图示了在图1中用于说明的示例性使用场景中的系统10b，而图4B示出了对应的设备12b的示意图。系统10b还包括致动器14，其用于基于支撑物控制信号32来调节支撑物(即，在该使用场景中的头枕5)的位置以与人的感兴趣的身体部分(即，在该使用场景中的人的头部4)取得接触。致动器14可以是被集成到座位3(例如靠背7和/或头枕5)中的电机。支撑物控制信号32由设备12b的支撑物控制单元24生成并以无线或有线方式(例如，经由汽车2的车载网络)被提供给致动器14。在已经确定人的所述身体部分没有与支撑物接触并且人的生命体征应当被确定的情况下，所述支撑物控制信号通常被配置为控制支撑物(头枕5)的位置以与人1的所述身体部分(头部4)取得接触。
因此，例如在智能汽车中，头枕的位置能够以智能方式电子地且自动地进行调节。头枕因此能够当例如心率测量被启动时被自动激活并且与驾驶员的头部获得接触。就安全性而言，头部在驾驶期间一直在头枕上是优选的，因此从这个角度来看座位的这种功能是有利的。
图5图示了根据本发明的系统和设备的另一实施例，其中，图5A图示了在图1中用于说明的示例性使用场景中的系统10c，而图5B示出了对应的设备12c的示意图。系统10c还包括用户接口15(例如汽车中的导航系统的例如显示器和/或扬声器)，其用于发出指示人移动所述身体部分(在该使用场景中为头部4)以与支撑物(在该使用场景中的头枕5)取得接触的用户指令33。用户指令33由用户指令生成器25生成并以无线或有线的方式(例如，经由汽车2的车载网络)被提供给用户接口15。指令还能够经由触觉接口提供，例如插入驾驶员的座位或驱动轮中。在已经确定人的所述身体部分没有与支撑物接触并且人的生命体征应当被确定的情况下，所述指令通常被配置为指示人1移动所述身体部分以与支撑物取得接触。
因此，对于某些情况，当例如心率测量是必要的或应当进行的时，能够指示驾驶员将他的头部靠在头枕上。例如，在激活系统后，能够显示这样的指令。也能够在之后通过使用由身体部分位置确定单元21确定的信息来检查驾驶员是否遵照该指令，使得在驾驶员没有遵照该指令时该指令能够被重复。
此外，在该实施例中，可以提供示例性可穿戴传感器16(在该实施例中为戴在手腕处的心率传感器)(附加或备选地为成像单元11)，以获得表示生命体征相关信号的可穿戴传感器信号。可穿戴传感器16通常可以是能够安装在患者身体处的任何传感器(例如，如使用腕带的腕表，如使用腰带的身体传感器，如使用夹持机制的手指夹，电子皮肤(表皮电子)，等等)。示例性可穿戴传感器包括心率传感器、呼吸传感器、SpO2传感器、加速度计、运动传感器或能够被穿戴在人的身体处以采集可穿戴传感器信号的任何其他传感器，根据所述可穿戴传感器信号能够导出人的生命体征或者所述可穿戴传感器信号直接表示生命体征。
因此，在该系统的实施例中，在计算所计算的输出的可靠性中利用一个(或多个)可穿戴传感器的测量结果。例如，如果人穿戴能够测量心率的可穿戴设备或(一个或多个)传感器，则由(一个或多个)可穿戴传感器测得的心率信号或值能够用作对所提出的设备12c的额外(或备选)输入30并且能够被考虑。例如，只有当头部靠在头枕上、更严格的质量要求被满足、并且相机HR输出与由(一个或多个)可穿戴传感器生成的输出相匹配时，才能够将计算的HR输出标记为“真实”(或“可靠”)。
已经发现，生命体征计算能够在夜间由于光照的有限影响而被更可靠地完成。基于此，能够放松质量度量计算参数(这种“放松”能够以不同的方式发生，意味着当头部在头枕上时的放松的质量度量能够不同于在夜间驾驶条件下的放松的质量度量计算参数)，或者当检测到夜间条件或当检测到有限的光照变化时，能够定义和使用基于早前“可靠”值的(上面解释的)生命体征带。因此，在另一优选实施例中，所述质量度量设置单元12被配置为额外地使用以下项中的一个或多个用于设置质量度量：照明水平、光强度变化、人的运动、用于生命体征导出的算法的种类和/或参数。优选地，所述质量度量设置单元12被配置为在对质量度量的设置中额外地使用光照条件。假定汽车系统和生命体征测量单元被连接并进行通信，则可以使用成像单元11所采集的图像或使用车内传感器来检测光照变化或夜间条件。
后面的实施例基于如下认识：许多伪影显著地显现并且对图像数据的处理通常包括许多处理阶段。因此，总质量度量可以被构造为来自处理链的各个部分的若干度量的组合。
具体来说，给出以下伪影的来源：低照明水平、由运动或照明源引发的光强度变化以及解决具体问题的算法选择。因此，除了上述接触信号之外，质量度量还可以根据对充分照明的测度(相对于量化噪声的充分高的信号水平)、反映运动伪影移除的成功的测度以及对算法选择的敏感度的测度。
这些度量中的两个或更多个可以被组合成单个质量度量，其可以用于控制系统的操作(的部分)。示例如下。如果发现当前估计低于阈值，则不将值返回给用户。或者，鉴于生理变量通常仅相对缓慢地变化的事实，可以显示较旧的可靠值。另外或者，两种规则都可以被组合。或者，质量度量能够被呈现给用户。例如，能够使用交通(或指示器)灯激发的颜色代码，即，当根据质量度量认为可靠时以绿色显示生理值，当认为不可靠时以红色显示生理值，并且当关于可靠性不确定时以橙色或指示质量的数字显示生理值。这两种功能(控制和显示)都能够被组合到系统中。
根据这样的实施例，使用图像的流来确定感兴趣的量。一个或多个内部信号正被拾取以计算质量测度。这种质量测度用于操纵处理和/或创建额外的输出。如上所述，来自不同来源的(一个或多个)生命体征相关信号能够被使用并且还能够被包括在该计算中，其包括通过成像采集的图像和由一个或多个可穿戴传感器采集的可穿戴传感器信号。
该处理可以包括视频预处理阶段，其中，感兴趣的区域被定义并且运动补偿单元被激活，从而得到有界区域(或区域的集合)内的稳定的图像的序列。下一处理阶段可以是核心处理，其中，感兴趣的区域中的信息和不同(颜色或红外)通道中的信息被组合成反映感兴趣的生理变量(例如血脉搏或呼吸信号)的单个时变信号。可以使用后处理来从此信号中提取感兴趣的特征，例如心率或呼吸率。
第一度量可以查看图像(也称为帧)的信号水平，并且尤其是在感兴趣的区域内，确定这些水平(每种颜色或平均)的直方图。根据(可能在不同帧上进行组合的)这些数据，可以获得照明水平的测度。由于量化噪声(比特数)和(由硬件定义的)相机噪声的估计是已知的或固定的，所以可以使用直方图的平均值、中值或其他统计测度来有效地定义信噪比。该信息在预处理中很容易获得。信噪比能够被包含在质量度量参数计算中，因此也能够被包含在对要使用的质量度量的类型的选择中。
对于第二度量，若干度量是可行的。在一个示例中，可以使用运动补偿来稳定图像。该处理的困难和处理中的错误通常与运动量直接相关。因此，图像中的运动量本身能够用作运动减少步骤的质量的指示器。该度量在预处理中作为(感兴趣的区域内的)平均位移因子(该信息能够用作质量度量的一部分，或选择使用什么类型的质量度量)或最大位移矢量容易获得。
具有经运动补偿的图像的序列，能够查看信号随时间的局部或平均变化。在从皮肤进行运动补偿和心率估计的情况下，(相对于平均信号)预计血脉搏引发的变化的特定信号强度。如果实际测得的变化比(根据生理学和/或根据静止图像的经验)预计的大得多(或者小得多)，则运动引发的光照伪影可能没有得到充分补偿(或者可能被过度补偿)。因此，能够基于在第二处理(的输入)中的信息的基础上经运动补偿的图像中的信号强度来定义可靠性度量。大多数情况下，(相对)信号强度通常是核心处理中已经获得的测度。
第三度量也能够采用若干变体。对于几乎每个构建块，备选实施方式都是已知的。例如，许多不同的运动补偿算法是已知的，已经公布了许多面部分割，远程PPG估计核心算法可用于各种变体中，并且存在各种后处理算法(例如，在呼吸或心率输出情况下的频率估计)。这些算法已经考虑了不同的观点进行了设计，并且通常具有(稍微)不同的最佳操作点。因此，在不同算法上的输出的一致性能够有利地用作系统运行的条件的简单性的指示器。从实践角度来看，为了质量度量的目的，系统的一些部分成本很高。例如，运动补偿单元是需要相当高的处理能力的单元。除此之外，解决该输出的正确性的质量度量已经就位。因此，从实践角度来看，基于源自于算法的各种选项的结果之间的一致性的质量度量更加合理地位于后处理和核心处理中。
作为示例，心率是期望的输出并且后处理递送心率必须根据其被确定的时域信号。通常，感兴趣的信号仍然很弱。估计频率的标准方法包括如自相关函数(ACF)的中间表示或如短时傅立叶变换或功率谱密度函数的频率表示。ACF能够用于确定重复发生的滞后。滞后的倒数与期望的频率成比例。由于信号的薄弱，对ACF中的局部峰值的确定可能是困难的，并且除此之外，容易出现如基频频率的频率减半的错误。或者，短时傅里叶变换或功率谱密度函数中的峰值可以用作针对期望输出的估计。同样，由于信号的薄弱，峰值可能难以识别，并且频率加倍能够容易发生。如果两种方法的输出(几乎)相等，则这能够被认为是估计的稳健性的指示。在两种输出显著不同时，则这引起关于任一的可靠性的问题。
在另一示例中，以上在正常处理中解释的三个处理步骤中的每个将信息馈送到质量度量设置。这包括从第一处理到质量度量设置的数据流，并且可以例如是关于每帧的照明水平的统计信息或作为运动的指示器的(一个或多个)帧到帧位移信号。这还包括从核心处理到质量度量设置的数据流，并且可以是如前所述的信号的预计的(相对)方差。此外，这包括从后处理到质量度量设置的数据流，并且可以例如是由不同算法生成的输出。这些数据流在质量度量设置中基于启发式或实验方式获得的规则来进行处理，以确定单个质量或可靠性测度。该测度能够作为控制信号被馈送到不同的处理步骤，或者能够被馈送到显示器或存储单元以增强正常处理链的输出。
本发明不仅适用于上述汽车中的驾驶员的使用场景以及对驾驶员的头部与汽车的座位的头枕的接触的检测。其他使用场景可以与其他人(例如火车、卡车或公共汽车的驾驶员、飞行员、患者、等等)、其他身体部分(例如为手、腿、脚、胸部、躯干等)和/或其他支撑物(例如扶手、靠背、搁脚板、座位区域或躺卧区域等)相关。例如，身体部分位置确定单元21可以被配置为确定人的手臂和/或手是否与扶手接触、人的躯干是否与靠背接触、人的腿是否与座位区域或躺卧区域接触和/或人的脚是否与搁脚板接触。
通常，生命体征测量(例如血脉搏和呼吸信号)是临床背景中有意义的指示器。一种使用是将这些信号用于扫描器中的同步或触发目的，以便使扫描反映人的一致状态。这意味着扫描操作由测得的生命体征控制。只有在控制信号的质量得到充分保证的情况下才应当给予这种控制。因此，基于观察到的身体部分(例如，手臂)由刚性结构(例如，扫描器的床)支撑的程度或换言之观察到的身体部分的移动由适当的支撑物减小的程度的质量度量是有价值的信息。
图6示出了根据本发明的方法100的实施例的流程图。在第一步骤101中，获得人的至少身体部分的图像的时间序列，根据图像的时间序列能够导出生命体征。在第二步骤102中，确定人的所述身体部分是否与支撑物接触。在第三步骤103中，生成指示所述身体部分是否与支撑物接触的接触信号。在第四步骤中，基于所述接触信号来设置用于在对人的生命体征的确定中使用的质量度量。在第五步骤105中，根据所获得的图像序列来导出生命体征，其中，所设置的质量度量被使用在对生命体征的导出中和/或对导出的生命体征的可靠性的判断中，特别是在对导出的生命体征是否可靠和/或在多大程度上可靠的判断中。
尽管在附图和前述描述中已经详细说明并描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。
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实现权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实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/分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但是计算机程序也可以以其他的形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程通信系统。
权利要求中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于确定人的生命体征的设备，所述设备包括：
-输入单元(20)，其用于获得所述人的至少身体部分的生命体征相关信号，根据所述生命体征相关信号能够导出生命体征；
-身体部分位置确定单元(21)，其用于确定所述人的所述身体部分是否与支撑物接触并生成指示所述身体部分是否与所述支撑物接触的接触信号；
-质量度量设置单元(22)，其用于基于所述接触信号来设置用于在对所述人的生命体征的所述确定中使用的质量度量；以及
-生命体征导出单元(23)，其用于根据所获得的生命体征相关信号来导出生命体征，其中，所设置的质量度量被使用在对所述生命体征的所述导出中和/或对导出的生命体征的可靠性的判断中。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述质量度量设置单元(22)被配置为额外地使用以下项中的一个或多个用于设置所述质量度量：照明水平、光强度变化、所述人的运动、所述身体部分的运动、所述支撑物的运动、所述身体部分相对于所述支撑物的运动、用于生命体征导出的算法的种类和/或参数。
3.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述输入单元(20)被配置为获得由成像单元采集的所述人的至少一个身体部分的图像的时间序列和/或由可穿戴传感器采集的可穿戴传感器信号作为一个或多个生命体征相关信号。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述身体部分位置确定单元(21)被配置为通过分析表示所述生命体征相关信号的图像序列，特别是在所获得的图像序列中检测所述身体部分相对于所述支撑物的位置、移动和/或取向，来确定所述人的所述身体部分是否与所述支撑物接触。
5.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述身体部分位置确定单元(21)被配置为从在所述支撑物中或所述支撑物处的对象传感器接收检测信号并且用于根据所述检测信号来生成所述接触信号，所述对象传感器被配置为检测人的身体部分与所述支撑物的接触。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述生命体征导出单元(23)被配置为将当所述人的所述身体部分被确定为与所述支撑物接触时导出的生命体征标记为可靠。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述生命体征导出单元(23)被配置为确定在被标记为可靠的生命体征已经被导出之后的预定时间段内导出的生命体征是否偏离所述生命体征多于预定百分比并且被配置为将偏离少于所述预定百分比的生命体征标记为可靠。
8.根据权利要求1所述的设备，
还包括对象控制单元(24)，所述对象控制单元用于在已经确定所述人的所述身体部分没有与所述支撑物接触并且所述人的生命体征应当被确定的情况下生成用于控制所述支撑物的位置以与所述人的所述身体部分取得接触的对象控制信号。
9.根据权利要求1所述的设备，
还包括用户指令生成器(25)，所述用户指令生成器用于在已经确定所述人的所述身体部分没有与所述支撑物接触并且所述人的生命体征应当被确定的情况下生成指示所述人移动所述身体部分以与所述支撑物取得接触的用户指令。
10.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述质量度量设置单元(22)被配置为在对所述质量度量的所述设置中额外地使用光照条件。
11.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述输入单元(20)被配置为获得至少所述人的脸部、手、手臂、躯干、腿或脚的图像的时间序列作为一个或多个生命体征相关信号，并且其中，所述身体部分位置确定单元(21)被配置为确定所述人的头部是否与头枕接触、所述人的手臂和/或手是否与扶手接触、所述人的躯干是否与靠背接触、所述人的腿是否与座位区域或躺卧区域接触和/或所述人的脚是否与搁脚板接触。
12.一种用于确定人的生命体征的系统，所述系统包括：
-生命体征相关信号采集单元(11)，其用于采集所述人的至少身体部分的生命体征相关信号，根据所述生命体征相关信号能够导出生命体征；以及
-根据权利要求1所述的设备(12)，其用于基于所采集的生命体征相关信号来确定所述人的生命体征。
13.根据权利要求12所述的系统，
还包括以下项中的一个或多个：
-被布置在支撑物中或支撑物处的对象传感器(13)，其用于检测所述人的所述身体部分与所述支撑物的接触并用于生成指示所述人的所述身体部分是否与所述支撑物接触的检测信号；
-致动器(14)，其用于基于对象控制信号来调节所述支撑物的位置以与所述人的所述身体部分取得接触；以及
-用户接口(15)，其用于发出指示所述人移动所述身体部分以与所述支撑物取得接触的用户指令。
14.一种用于确定人的生命体征的方法，所述方法包括：
-获得所述人的至少身体部分的生命体征相关信号，根据所述生命体征相关信号能够导出生命体征；
-确定所述人的所述身体部分是否与支撑物接触；
-生成指示所述身体部分是否与所述支撑物接触的接触信号；
-基于所述接触信号来设置用于在对所述人的生命体征的所述确定中使用的质量度量；并且
-根据所获得的生命体征相关信号来导出生命体征，其中，所设置的质量度量被使用在对所述生命体征的所述导出中和/或对导出的生命体征的可靠性的判断中。
15.一种包括程序代码单元的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上被执行时，所述程序代码单元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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