CN109068991A - 用于人类对象的皮肤探测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种织物产品以及其用于支撑和/或部分覆盖人类对象的使用。织物产品(10、31、43)由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。它在执行皮肤探测和/或探测/监测人类对象的生命体征时支持和/或部分覆盖人类对象。因此实现了织物产品与NIR波长范围内的皮肤之间的对比度增加。

Description

用于人类对象的皮肤探测的系统和方法
技术领域
本发明涉及使用这样的织物产品来对人类对象进行皮肤探测的系统和方法。更进一步地,本发明涉及这样的织物产品产品和保育箱的使用。
背景技术
健康监测传统上存在于医院,特别是ICU,包括监测生命体征,如EEG、ECG、脉搏率、呼吸率、血氧水平、血压等。睡眠实验室也使用活动描记和肌电图以及额外的一些其他生命体征来采集关于睡眠对象的信息。这些应用领域通常涉及附接到患者身体的多个传感器,其中的一些传感器可以是无线的而其他传感器是有线的,除了引起不适和可能的皮肤损伤之外,还限制了患者的移动自由或睡眠质量。
视频健康监测最近新兴为针对越来越多的上述健康指标的一种有前途的不突兀的替代方案,不仅仅是由于强烈希望减少由当前技术对(早产)新生儿和具有严重皮肤损伤(例如,由于烧伤)的患者造成的负担所驱动。
显然,视频健康监测由于其不突兀的特性,即使在当前技术没有造成真正损害的情况下也增加了患者的舒适度。然而,消费者领域也出现了新的应用领域,因为更简单的派生方法可以在像笔记本电脑、平板电脑和移动电话之类的消费者平台上运行,或者在用于在健身房中锻炼使用的装备内的嵌入式平台上运行。
视频健康监测也正在出现用于分析人类皮肤,特别是与化妆品行业(例如保湿剂建议)和皮肤病学(例如黑素瘤探测)相关。可以根据视频序列中的运动来诊断各种疾病,例如周期性腿部移动,谵妄,而视频分析可以揭示与婴儿监视器相关的身体姿势的信息以防止婴儿猝死。可以分析以便提取患者的健康状况的这样的运动也被理解为生命体征。
因此,视频健康监测有一个非常广泛的应用领域,从美容产品、健身房、消费者家庭医学保健,包括婴儿监测、睡眠中心、普通病房、重症监护室、到高度专业化的新生儿重症监护室单位和烧伤中心。
虽然这是一个充满希望的新领域,但必须克服许多挑战。例如,在基于相机的生命体征监测中,例如使用远程光学体积描记术(rPPG),对于可靠测量重要的是正确探测要被监测的对象的皮肤区域。
包含NIR吸收性质的织物产品例如在US 2012/286177 A1,US2011/167572A1和US2008/102724A1中公开。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于改善皮肤探测的解决方案,特别是皮肤与邻近皮肤区域的其他元素之间的区别,如各种织物产品和背景。
在本发明的第一方面中,提供了一种织物产品,其被配置用于支撑和/或部分地覆盖人类对象,所述织物产品由含有吸收近红外NIR的颜料的织物产品制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物产品。
在本发明的另一方面中,提供了一种保育箱,所述保育箱包括床垫和/或床上用品(bedding),其中,所述床垫和/或所述床上用品至少部分地覆盖有和/或由本文所公开的织物产品制成。
在本发明的第一方面中,提出了一种用于人类对象的皮肤探测的系统和相应的方法,所述系统包括:
-探测单元,其用于探测来自包括人类对象的至少一部分的场景的近红外光NIR光,
-分类器,其用于基于从各个感兴趣区域探测到的光的强度和/或颜色,将所述场景的一个或多个感兴趣区域分类为生物的皮肤区域或非皮肤区域,以及
-支撑和/或部分覆盖人类对象的织物产品,所述织物产品由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。在本发明的另一方面中,提供了一种保育箱,所述保育箱包括床垫和/或床上用品,其中,所述床垫和/或所述床上用品至少部分地由织物产品覆盖和/或由织物产品制成,所述织物产品由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。
在本发明的另一方面中,提供了如本文所公开的织物产品的用途,所述织物产品被配置用于在通过如本文所公开的系统或方法对人类对象进行皮肤探测时支持和/或部分覆盖人类对象,所述织物产品由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解,请求保护的方法、系统、保育箱和使用与请求保护的并且如特别是在从属权利要求中定义并且在本文中公开的系统具有相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于以下发现:如果使用并评估近红外(NIR)范围内的辐射,则例如当由相机(作为所公开系统的探测单元)记录时,区分皮肤和其他元件是特别困难的,例如,在睡眠期间使用以及在一天的大部分时间内必须处于低照明条件(约1勒克斯)的新生儿的监测是典型的。困难来自皮肤和NIR范围内的其他材料的相对平坦的反射光谱,这使得难以基于光谱特征进行区分。为了解决这个问题,建议使用(一个或多个)所提出的织物产品,特别是在将探测的靠近对象的皮肤的区域。以此方式,在NIR范围内实现织物产品与对象皮肤之间(将根据其来探测生命体征)的增加的对比度(优选地,最大对比度)。皮肤与周围的(主要)其他元素之间的高对比度,例如在相机视图中,有助于以低(处理)成本容易地探测皮肤。
本发明可有利地在皮肤探测的系统和方法中使用,特别是用于基于相机的生命体征监测的系统和方法,例如,在NICU和其他医学护理设置中,例如医院,老年人的房屋等,其涉及高度受控的环境。此外,为了改善对NICU中新生儿的监测,可以在保育箱中使用所述织物产品,例如用于床上用品、床单、枕套、毯子、衣服等,以获得与婴儿皮肤的最大对比度。
根据一个实施例,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物产品具有与人皮肤的NIR辐射的吸收谱显著不同的NIR辐射的吸收谱。因此,至少颜料示出了在NIR范围内将其与人类皮肤区分开的吸收光谱。由于皮肤在NIR中具有相当平坦的吸收光谱,因此吸收光谱可以例如在NIR范围内的某处具有吸收下沉或凹口,或者,例如可以与皮肤的吸收光谱相比是倾斜的(对于较长波长,皮肤通常具有略微增加的反射;如果颜料具有明显减少的反射,则可以将它们与皮肤区分开来)。
在另一个实施例中,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物具有高于人皮肤的NIR吸收的对NIR辐射的吸收(有时也称为吸收率),特别是至少50%的吸收,至少75%或至少90%的吸收,或者具有低于人皮肤的NIR吸收的对NIR辐射的吸收,特别是小于35%或小于10%的吸收。这清楚地允许对织物产品与皮肤进行区分。
有利地,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物产品在650-1100nm,特别是620-1200nm的波长范围内的波长或波长区间具有所述NIR吸收。这种波长范围例如对于通过使用远程PPG进行生命体征探测是感兴趣的,如本领域公知的并且在许多文献中描述的,例如在M.van Gastel,S.Stuijk和G.de Haan在IEEE,Tr.On Biomedical Engineering,Vol.62,No.5,2015,pp.1425-1433上的“Motion robust remote-PPG in infrared”。
在另一个实施例中,所述织物产品具有与人皮肤的NIR辐射的反射光谱显著不同的NIR辐射的反射光谱。所述织物产品可能具体地具有低于人体皮肤的反射率的NIR辐射的反射率(有时也称为反射比率),特别是低于50%,低于25%或低于10%,或者NIR的反射率,高于人体皮肤反射率的辐射,特别是高于65%或高于80%,特别是在650-1100nm,特别是620-1200nm波长范围内的波长或波长区间。这也允许清楚地对织物产品与皮肤进行区分。
在实际实现方式中,所述织物可以用含有吸收NIR的颜料的染料来处理。例如,可以使用含有在NIR范围内具有相对高的吸收的颜料的染料,或者可以使用具有与人皮肤显著不同的特定伪色的染料,但不一定在完整的NIR范围内吸收很多。然后可以根据其“颜色”(在NIR范围内)而不是根据强度探测皮肤,为此目的,使用具有至少两个波长通道(例如,成像单元,例如具有至少两个光电探测器元件的相机或光电探测器)的检探单元,例如针对rPPG的生命体征探测和监测所使用的。
在另一个实施例中,织物产品可以由含有吸收NIR的颜料或用吸收NIR的颜料处理的纤维制成。因此,所述织物(或布)的原材料可以相应地进行预处理或制造,或者使用固有地具有期望的性能的纤维。
如果皮肤与其他元件之间的对比度应进一步增强,则可以使用利用其来将吸收NIR的颜料施加在织物上的空间对比度(特别是图案),以进一步帮助提供与皮肤的对比。因此,在织物产品的另一个实施例中,吸收NIR的颜料以图案化方式包含在所述织物产品中,特别是作为点图案,线图案,网格图案或条纹图案,包括例如像颜料(或具有颜料的染料)的图案-无颜料-颜料,较多颜料-较少颜料-较多颜料,类型1的颜料-类型2的颜料-类型1的颜料。
对于实际应用,例如在保育箱中,但也在病房中,护理站或甚至在家中用于远程患者监测,所述织物产品可至少是床上用品,床单,枕套,毯子,衣服,睡衣和/或内衣的一部分。
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变得显而易见并得以阐述。在附图中:
图1示出了说明根据本发明的织物产品的使用的图,
图2示出了根据本发明的保育箱的一个实施例,
图3示出了根据本发明的监测系统的实施例的示意图,
图4示出了在根据本发明的织物产品的在不同实施例中使用的各种NIR-颜料图案的图。
具体实施方式
图1示出了说明根据本发明的织物产品的使用的图。在所述实施例中,制造织物产品10(在该实施例中为毯子)的织物用吸收NIR的颜料处理,使得在织物产品10的NIR范围内的总反射率或在特定波长下的反射率变为当用大致相同的NIR光水平照射时,显著低于对象的人类皮肤11。因此可以采用基于结构的表观亮度来区分皮肤和织物产品的算法(皮肤明显比织物产品淡)。
如图1中所示,其中NIR通道仅由普通灰色通道表示,仅用于说明目的,整个毯子用吸收NIR的颜料制成“更暗”,导致比皮肤明显更暗的色调。在图1A所示的情况下,使用传统的毯子20,其示出与皮肤11的弱的对比,因为毯子20的至少一些部分具有与皮肤类似的颜色。在图1B所示的情况下,使用根据本发明的毯子10,其示出与皮肤11的强的对比。
图2示出了根据本发明的保育箱30的一个实施例。保育箱30尤其包括床垫31(以及例如床上用品等),其至少部分地覆盖有根据本发明的织物产品和/或由其制成。例如,床垫31可以由如本文所公开的由织物产品制成的床垫罩覆盖,或者床垫31的外层可以由这样的织物产品制成。这使得可以实现在NIR范围内婴儿33的皮肤32与床垫31之间的良好对比。
通常,根据本发明,织物产品将用于支撑和/或部分覆盖人类对象,该人类对象由包括吸收NIR的颜料的织物产品制成或包括吸收NIR的颜料的织物产品。
这里,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物产品可以具有与人皮肤的NIR辐射的吸收谱显著不同的NIR辐射的吸收谱。NIR辐射的吸收可以高于人皮肤的NIR吸收,特别是至少50%,特别是至少75%或至少90%。替代地,NIR辐射的吸收可以低于人类皮肤的NIR吸收,特别是小于35%或小于10%的吸收。
在其他实施例中,所述织物产品可以被配置为使得所述织物产品具有与人类皮肤的NIR辐射的反射光谱显著不同的NIR辐射的反射光谱。NIR辐射的反射率可以低于人类皮肤的反射率,特别是低于50%,特别是低于25%或低于10%。替代地,NIR辐射的反射率可以高于人类皮肤的反射率,特别是高于65%或高于80%。
关于吸收NIR的颜料和/或织物产品的吸收和反射的这些不同性质在650-1100nm特别是620-1200nm的波长范围内的(一个或多个)波长或波长区间中特别受关注,。
在这种情况下应注意,即使在NIR波长范围内,深色色素皮肤也可具有非常低的反射率。如果血液/黑色素是主要色素,则近红外波长范围内的反射率趋于相当平坦,但在浅色皮肤中,水可以将其特征添加到反射率并使反射率下降至100nm。水也可以将反射率推低到更大的波长,使得吸收NIR的颜料实际上可以减少吸收。因此,取决于对象是具有浅色皮肤还是深色皮肤,实际上可以在实际应用中使用不同的织物产品。
图3示出了根据本发明的系统40的实施例的示意图。在基本实施例中,系统40可以被配置用于人类对象的皮肤探测。在更复杂的实施例中,该系统还可以用于使用远程PPG的生命体征探测和/或监测。
在基本实施例中,系统40包括探测单元41,例如相机或光电探测器,具有一个或多个颜色通道(NIR中的至少一个颜色通道),用于探测来自包括人类对象的至少一部分的场景的NIR光。系统40还包括分类器42,所述分类器42用于基于从各个感兴趣区域探测到的光的强度和/或颜色,将所述场景的一个或多个感兴趣区域分类为生物的皮肤区域或非皮肤区域。分类器42可以例如是处理探测到的NIR光的处理器或计算机,即探测单元41的输出(例如电子探测信号)。根据本发明的织物产品43(这里是枕头的枕套)用于支撑和/或部分地覆盖躺在病床中的人类对象44。在该示例性实施例中,织物产品43是枕套,但也可以是例如床上用品、床单、毯子、衣服、睡衣和/或内衣,并且用于确保在期望的感兴趣区域的皮肤45(这里是对象的面部)与其环境(例如周围的织物产品)之间存在足够大的对比度。
系统40还可以用于从包括对象的图像帧的时间序列的图像数据中探测和/或监测对象44的生命体征(例如,心率,呼吸率,SpO2等)。对象44,在本范例中可以是在医院或其他医学机构中的患者,但是也可以是新生儿或早产儿,如躺在保育箱中,或者是在家里或在不同环境中的人,例如,正在进行运动的运动员。
探测单元41可以包括用于采集场景的图像数据(也称为RGB图像,其应被理解为红外波长范围内的(并且优选地,可见)光图像)的相机(也称为探测单元或者称为基于相机的或远程PPG传感器),特别是用于随时间采集对象44的图像帧序列,优选地包括可以从其导出PPG信号的对象44的皮肤区域45。在应用中,皮肤区域45优选地是面部的区域,例如脸颊或前额,但也可以是具有可见皮肤表面的身体的另一区域,例如手或手臂。
由探测单元41捕获的图像帧在该实施例中可以特别地对应于由模拟或数字光传感器,例如,在(数字的)相机中的,捕获的视频序列。这样的相机通常包括光传感器,如CMOS或CCD传感器,其还可以在特定光谱范围(可见光,nIR)内操作或提供针对不同的光谱范围的信息,特别是使得能够提取PPG信号。相机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。特别地,所述图像帧包括表示利用光传感器的不同的光敏元件所捕获的光强度值的像素。这些光敏元件可以是在特定光谱范围内敏感的(即,表示特定的颜色)。所述图像帧包括表示人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探测器的一个光敏元件和它的(模拟或数字)输出,或者可以基于多个光敏元件的组合(例如通过像素分箱)来确定。
当使用相机作为探测单元41时,系统40可以还任选地包括照明单元46(也称为照明源或光源或电磁辐射器),例如灯或LED,用于利用光来照射辐射感兴趣区域,例如患者面部的皮肤(例如,脸颊或前额的一部分),例如在预定波长范围内(例如,在红外和任选的红色和/或绿色波长范围内)。响应于所述照射,从所述感兴趣区域反射光被相机探测。在另一个实施例中,不提供专用光源,而是使用环境光用于照射对象44。从反射光中,可以仅探测和/或评估期望波长范围内的光(例如,红外光,或覆盖至少两个波长信道的足够大的波长范围内的光)。
设备47,例如包括分类器42的处理器或计算机,还可以连接到接口48,用于显示所确定的信息和/或为医务人员提供改变设备47、相机41、照明单元46和/或系统40的任何其他参数的设置的界面。这样的接口48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。
如图3所示的系统40可以,例如,定位于医院,医学设施,老年人护理设施等。除了患者的监测,本发明还可以应用于其他领域,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,如健身器材、可穿戴、手持设备如智能手机等等。设备47、相机41、和接口48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。本发明的其它实施例可以包括一个设备47,其不被提供为分立的,但被集成到相机41或接口48中。
在另一个实施例中,织物用吸收NIR的颜料制造,所述吸收NIR的颜料以图案化方式施加(喷涂,编织等)。可以相对容易地识别为人造(即非皮肤)的织物产品上的NIR颜料的点、线或任何图案化应用可以用于帮助区分皮肤和织物产品。示例图案在图4中示出,其中,图4A示出了点图案,图4B示出了第一线图案,图4C示出了网格图案,图4D示出了第二线图案,图4E示出了第三线图案。虽然点图案和线条图案可能与人体皮肤有相似之处,但对于网格状图案来说这是不太可能的。
在另一个实施例中,为了改进现有的织物产品,可以在这些织物产品中植入NIR吸收剂处理的线,例如以规则的距离植入,优选地以网格状的方式植入,以避免与可提供类似空间频率和对齐的毛发的可能相似性。
为了评估,可以生成由探测单元采集的图像的FFT变换。FFT图像可以提供更好的对比度以区分皮肤和NIR处理的织物产品,因为规则性表现为明显的峰。因此,如果基于亮度或周期性图案的算法不能提供足够的对比度,则可以使用傅里叶变换图像来分析这些图像中的峰值对比度,其在NIR/图案处理的织物产品中可能比在皮肤区域中高得多。
通过使用NIR吸收剂的图案,颜料的吸收特性不一定与未处理的织物产品部分的吸收特性差别很大。与整体较暗的均匀织物产品相比,相对容易探测到小对比的图案。如果简单的算法(例如,使用NIR图案的训练特征/图案探测)可能无法探测到NIR颜料的图案,则空间域中的图像的局部傅立叶变换将在(已知)空间频率处的规则图案的情况下具有不同的峰。当相机在一角度下“看到”织物产品时,发现的空间频率可能略小。然而,使用FFT的局部检查将提供与所应用的NIR颜料的“已知”空间频率一致的峰的分布。
在不太可能的情况下,具有毛发的皮肤也将具有这样的峰值(在空间域中的FFT之后),可以在两个方向上施加图案以破坏与皮肤上的毛发的相似性,这些毛发通常在一个主导方向上对齐。在需要较少吸收NIR的颜料以获得相同对比度的意义上,这也提供了额外的优点。此外,已经证明,如果施加多于一个方向的周期性,则织物产品中的褶皱仍将显示出显著的周期性(并因此与皮肤形成对比)。
因此,总之,根据本发明,提出了例如保育箱(或其他应用中的床)的织物(床上用品/床垫)中的颜料/染料,其在NIR或至少一种吸收光谱中的吸收与人体皮肤在NIR中的吸收足够不同,其易于与人类对象的皮肤区分开。
本发明可以应用于患者监测中的脉搏率、呼吸和SpO2的基于相机的测量。假设使用相机进行非接触式监测与新生儿重症监护病房皮肤非常敏感的早产儿高度相关。
尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明,但这样的例示和描述应当被认为是例示性或示范性的,而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。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。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的,但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。
权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于人类对象(44)的皮肤探测的系统(40),所述系统包括:
-探测单元(41),其用于探测来自包括所述人类对象的至少一部分的场景的近红外光NIR光,
-分类器(42),其用于基于从各个感兴趣区域探测到的光的强度和/或颜色,将所述场景的一个或多个感兴趣区域分类为生物的皮肤区域或非皮肤区域,以及
-织物产品,其用于支撑和/或部分覆盖人类对象,所述织物产品(10、31、43)由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。
2.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物产品具有与人类皮肤的NIR辐射的吸收谱显著不同的NIR辐射的吸收谱。
3.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物具有高于类人皮肤的NIR吸收的对NIR辐射的吸收,特别是至少50%的吸收,特别是至少75%或至少90%的吸收,或者具有低于人类皮肤的NIR吸收的对NIR辐射的吸收,特别是小于35%或小于10%的吸收。
4.根据权利要求3所述的系统,
其中,所述吸收NIR的颜料和/或所述织物产品在650-1100nm,特别是620-1200nm的波长范围内的波长或波长区间具有所述NIR吸收。
5.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述织物产品具有与人类皮肤的NIR辐射的反射光谱显著不同的NIR辐射的反射光谱。
6.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述织物产品具有低于人类皮肤的反射率的对NIR辐射的反射率,特别是低于50%,特别是低于25%或低于10%,或者具有高于人类皮肤的反射率的对NIR辐射的反射率,特别是高于65%或高于80%。
7.根据权利要求6所述的系统,
其中,所述织物产品在650-1100nm,特别是620-1200nm的波长范围内的波长或波长区间具有所述反射率。
8.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述织物产品用含有吸收NIR的颜料的染料处理。
9.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述织物产品由含有吸收NIR的颜或用吸收NIR的颜料处理的纤维制成。
10.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述吸收NIR的颜料以图案化方式包含在所述织物产品中,特别是作为点图案、线图案、网格图案或条纹图案。
11.根据权利要求1所述的系统,
其中,所述织物产品是床上用品、床单、枕套、毯子、衣服、睡衣和/或内衣的至少部分。
12.一种包括床垫(31)和/或床上用品的保育箱(30),其中,所述床垫和/或所述床上用品至少部分地由织物产品覆盖和/或由织物产品制成,所述织物产品由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。
13.一种用于人类对象的皮肤探测的方法,所述方法包括:
-探测来自包括所述人类对象的至少一部分的场景的近红外光NIR光,-基于从各个感兴趣区域探测到的光的强度和/或颜色,将所述场景的一个或多个感兴趣区域分类为生物的皮肤区域或非皮肤区域,
其中,所述人类对象由用于支撑和/或部分覆盖人类对象的织物产品支撑和/或部分覆盖,所述织物产品(10、31、43)由含有吸收近红外NIR的颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。
14.在由根据权利要求1所述的系统或根据权利要求13所述的方法执行对人类对象的皮肤探测时对用于支持和/或部分覆盖人类对象的织物产品(10、31、43)的使用,所述织物产品由含有吸收近红外NIR颜料的织物制成或包括含有吸收近红外NIR的颜料的织物。
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