CN109890278A - 用于获得对象的生命信号的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于获得对象的生命信号的设备、系统和方法。为了实现相对于运动的经改善的鲁棒性，所述设备包括分解单元(12)，所述分解单元用于执行对与所述对象的生理性质相关的至少两个光电体积描记检测信号的谱分解，并且允许提取所述对象的生命体征以获得所述检测信号的两个或更多个谱分量。基于根据所述谱分量的特性而导出的相应谱分量与所述生命体征的相关性的估计，来确定每个谱分量的权重。最后，通过以下操作来获得生命体征：利用所确定的对应权重对所述谱分量的至少部分进行加权并且从经加权谱的分量中提取生命体征，或者从所述至少两个谱分量的个体谱分量中提取两个或更多个生命体征子信号，利用所确定的对应谱分量的权重对所提取的生命体征子信号进行加权，并且从经加权的生命体征子信号中提取生命体征。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于获得对象的生命信号的设备、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，在住院和门诊护理环境中、在家庭或者在另外的健康、休闲和健身环境中广泛监测生命体征。
测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常指代对器官或身体部分的体积变化的测量，并且特别是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引起的体积变化的检测。
光电体积描记术(PPG)是一种光学测量技术，其评估感兴趣区域或体积的光反射率或透射率的时变变化。PPG基于以下原理：血液比周围组织更多地吸收光，因此随着每次心跳的血液体积的变化对应地影响透射率或反射率。除了关于心率的信息之外，PPG波形还能够包括可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(通常为红光和红外光)下的透射率和/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，例如被附接到指尖、耳垂或前额。因此，其被称为‘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。商业上可获得的脉搏血氧计在红光波长与红外光波长的测量之间快速地切换，并且由此测量在两个不同波长下的组织的相同区域或体积的透射率。这被称为时分复用。在每个波长下随着时间的透射率给出了针对红光和红外光波长的PPG波形。尽管接触式PPG被认为是基本上非侵入式的技术，但是接触式PPG测量常常被认为是令人不愉快并且是突兀的，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妨碍工作流。针对例如用于呼吸、SpO2或心率测量的接触式传感器同样如此，由于极度敏感的皮肤(例如，烧伤和早产儿的患者)，这有时实际上可能是不实际的。
最近，已经引入了用于不突兀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利用远离感兴趣对象而设置的光源或者通常是辐射源。类似地，例如相机或光电检测器的检测器也能够远离感兴趣对象来设置。因此，远程光电体积描记系统和设备被认为是不突兀的，并且非常适合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OpticsExpress，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445页上的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”一文证明了光电体积描记信号能够使用环境光和常规的消费级视频相机使用红色、绿色和蓝色通道来远程地测量。
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的微小的光吸收变化、即由血液体积脉动引起的人类皮肤的周期性颜色变化来揭示。由于该信号非常小并且由于照明变化和运动而隐藏在大得多的变化中，因此，普遍关注改善从根本上就很低的信噪比(SNR)。仍然存在具有剧烈运动和/或挑战性的环境照明条件(特别是在健身设施中的心率监测中发生的)或者具有高要求的应用精度的苛刻情况，其中，需要对生命体征测量设备和方法的经改善的鲁棒性和准确性，这对于更关键的健康护理应用是典型的。
为了实现运动鲁棒性，脉动提取方法从具有在标准化RGB颜色空间中的取向(其不同于通常由运动引起的最常见失真的取向)的颜色变化中获益。用于鲁棒脉动信号提取的已知方法使用血液体积脉动在标准化RGB颜色空间中的已知固定取向来消除所述失真信号。M.van Gastel、S.Stuijk和G.de Haan在IEEE，Tr.On Biomedical Engineering，第62卷，第5期，2015，第1425-1433页上的“Motion robust remote-PPG in infrared”一文中以及G.de Haan和A.van Leest在Physiol.Meas.35 1913，2014上的“Improved motionrobustness of remote-PPG by using the blood volume pulse signature”一文中公开了另外的背景，其描述了动脉血和无血的皮肤的不同吸收谱导致在标准化RGB空间中沿着非常特异性的向量发生变化。能够针对给定光谱以及相机中的光学滤波器的传递特性来确定精确的向量。结果表明，这种“特征”能够被用于设计一种rPPG算法，所述rPPG算法具有比基于盲源分离的近期方法好得多的运动鲁棒性，并且甚至优于早先发布的基于色度的方法。
通过对象运动通常在所有波长中或者在与肤色互补的方向上(即，当运动改变来自皮肤的镜面反射光的小部分时，在RGB颜色空间中大多呈蓝色)均匀地调制反射光(例如，由于到光源的距离变化，或者改变皮肤表面相对于光源的取向)的事实，可以进一步实现运动鲁棒性，而例如脉搏的生命体征对一些波长(特别是在RGB颜色空间中的绿色)的调制相对强于对其他波长的调制。
然而，在一些关键应用中，仍然认为所获得的运动鲁棒性不足。其原因在于生命体征自身表现为例如由相机或接触式传感器检测到的皮肤的非常小的颜色变化。然而，对象运动容易导致在所检测到的信号中的大得多变化，并且从这些严重失真的信号中恢复生命体征仍然具有挑战性。
XIONG JIPING等人在IEEE ACCESS，第4卷，第3076-3086页，XP011615944上的：“Spectral Matrix Decomposition-Based Motion Artifacts Removal in Multi-Channel PPG Sensor Signals”一文中描述了一种多通道谱矩阵分解(MC-SMD)模型，以在存在强烈身体活动时准确地估计心率。以观测PPG信号谱和加速度谱在频率域中具有几乎相同的谱峰位置为动机，首先将运动伪影的去除建模为谱矩阵分解优化问题。在去除运动伪影之后，提出了一种用于估计心率的新的谱峰跟踪方法。在密集运动期间从12名对象记录的众所周知的PPG数据集的实验结果表明：MC-SMD能够使用多通道PPG传感器信号来有效地去除运动伪影并且取回准确的心率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于获得对象的生命信号的设备、系统和方法，其特别是相对于对象运动具有经改善的鲁棒性。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于获得对象的生命信号的设备，所述设备包括：
-输入单元，其用于获得从对象采集的至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征，其中，所述检测信号是表示不同波长区间的光电体积描记PPG检测信号；
-分解单元，其用于对所述至少两个检测信号执行谱分解，以获得所述检测信号的两个或更多个谱分量；
-加权单元，其用于基于以相应谱分量的特性为基础的所述谱分量与所述生命体征的相关性的估计，来确定每个谱分量的权重，以及
-生命体征提取单元，其用于通过以下操作来获得生命体征：
i)利用所确定的对应权重对所述谱分量的至少部分进行加权，并且从经加权的谱分量中提取生命体征，或者
ii)从所述至少两个检测信号的个体谱分量中提取两个或更多个生命体征子信号，并且利用所确定的对应谱分量的权重对所提取的生命体征子信号进行加权，并且从经加权的生命体征子信号中提取生命体征。
在本发明的另外的方面中，提出了一种用于获得对象的生命信号的系统，所述系统包括：
-检测信号采集单元，其用于从对象采集至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征；以及
-如在本文中所公开的设备，其用于基于所采集的检测信号来获得所述对象的生命信号。
在本发明的又另外的方面中，提供了一种对应的方法、一种计算机程序以及一种非瞬态计算机可读记录介质，所述计算机程序包括程序代码模块(means)，当所述计算机程序在计算机上被执行时，所述程序代码模块用于使计算机执行在本文中所公开的方法的步骤，在所述非瞬态计算机可读记录介质中存储有计算机程序产品，所述计算机程序产品当由处理器运行时使得执行在本文中所公开的方法。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法、系统、计算机程序以及介质具有与所要求保护的设备相似和/或相同的优选实施例，特别是如在从属权利要求中所限定的以及如在本文中所公开的。
本发明基于以下思想：通过使用基于相应谱分量的特性的所述谱分量与生命体征的相关性的估计对所述谱分量进行加权来显著地改善已知解决方案的性能。通过对所述检测信号进行谱分解，通过对不能够通过相应的生理活动来解释、例如在PPG信号的情况下不能够通过心脏或呼吸活动来解释的谱分量进行抑制或者至少衰减而利用对所述相关性的该估计。此后，形成经调整的检测信号，可以对其应用各种技术以进一步抑制运动诱发的失真。由此，能够颠倒组合经调整的检测信号和提取生命体征的顺序。
因此，所提出的解决方案不同于或者使用固定带通滤波器或者使用自适应带通滤波器的其他解决方案，在使用固定带通滤波器的解决方案中，一些谱分量接收固定的低权重，在使用自适应带通滤波器的解决方案中，仅脉搏率周围的窄范围的分量被通过，而其他分量被抑制。在后一种情况下，所有分量的权重基于对脉动频率的估计，并且抑制所有其他或者至少显著不同的频率分量。相反，根据本发明，分量的相关性不是由所估计的脉动频率来确定的，而是由所述谱分量自身的特性来确定的，特别是由所述分量的(相对)幅度或能量或者来自不同波长通道的对应分量的不同组合的相对强度来确定的，如在优选实施例中所提出的。
通常，在实施例中，可以进行所述加权，使得给予较不相关的谱分量的权重低于给予更相关的谱分量的权重。
根据优选实施例，所述加权单元被配置为：使用所述相关性的估计，所述相关性的估计基于相应谱分量的能量和/或幅度和/或在所述至少两个检测信号的不同组合中的谱分量的相对强度，其中，谱分量的所述相关性被确定为幅度、能量或相对强度的递增函数或递减函数。因此，根据该实施例，所获得的检测信号(例如，在示例性实施例中，由被附接到皮肤的接触式传感器或者由指向皮肤的相机所采集的PPG信号)的谱分量的幅度和/或能量和/或相对强度被用作一种先验知识。通过对所述检测信号进行谱分解，通过对并行波长通道中具有不能够通过相应的生理活动来解释、例如在PPG信号的情况下不能够通过心脏活动来解释的幅度和/或能量和/或相对强度的谱分量进行抑制或者至少衰减而利用该先验知识。
在实施例中，所述加权单元被配置为确定谱分量的权重，使得：所述能量和/或所述幅度越高，所述权重越低；或者，根据相应谱分量的相对强度的定义和值(至少从特定阈值开始)，所述权重越低或越高。这允许对所述权重的更准确的确定以及对与期望的生命体征不相关的谱分量的抑制。优选地，当谱分量非常小时，针对所述谱分量的增益不会进一步增加，因为这将意味着传感器噪声将被放大。如果有迹象表明谱分量不会是生命体征，因为其幅度或能量太高或者其在不同颜色通道中的相对幅度指示其不可能是脉动信号，则应当减少所述谱分量的影响。在实施例中，因此可以考虑在不同波长通道中的所述谱分量的两个线性组合的相对强度。在分子中，可以放置反映总能量(脉动+运动)的线性组合，并且在分母中，可以放置旨在抑制运动和保持脉动的线性组合。如果相对强度高，则其可能是失真分量(并且该分量的增益减小)。如果其相对低，则其可能是脉动并且保持谱分量的高增益。
根据另一实施例，所述加权单元被配置为确定所述权重，使得具有高于阈值的能量和/或幅度的谱分量的权重低于具有低于所述阈值的能量和/或幅度的谱分量的权重，或者使得具有较高相对强度的谱分量的权重低于另一检测信号的相同谱分量的权重。由此，可以使用以下项作为阈值：预期的能量和/或幅度、或者相应谱分量的预定能量和/或幅度、或者来自所述检测信号的对应谱分量的不同组合的预定或预期的相对强度。因此，取决于要提取的生命体征，可以使用不同的阈值。此外，还可以基于关于对象的信息(例如，年龄、体重、大小、健康状况等)来设置所述阈值。
根据优选实施例，所述加权单元被配置为根据每个检测信号将经加权的谱分量的至少部分组合成经调整的检测信号，并且所述生命体征提取单元被配置为从所述经调整的检测信号中提取生命体征。所述组合例如可以是求平均。该实施例进一步改善了生命体征提取的准确性。
所述谱分解单元可以被配置为执行以下中的一项：傅里叶分析、子带分解、奇异谱分析、多通道奇异谱分析以及经验模式分解。所有不同的方法将所述信号分离成多个分量，其中，每个分量通常由中心频率来表征。所述傅立叶分析和所述子带分解是前置操作，通常提供大量的分量。由于预定义的分析特性，实际的感兴趣分量可能被分在多个分量之中。其他方法是数据驱动的分解，其在计算上要求更高，并且通常给出更有限数量的分量(或者能够以这种方式来限制)。因此，在分量的数量、分离脉动信号(感兴趣分量)的风险与计算成本之间存在折衷。
在特定的应用领域中，所述检测信号包括表示不同波长区间的至少两个光电体积描记PPG检测信号，并且其中，所述加权单元被配置为在不同检测信号的相同谱分量具有相同能量和/或幅度的情况下针对所述谱分量确定相同的权重。所述PPG检测信号可以由接触式传感器(例如，脉搏血氧计)或者非接触式传感器(例如，成像单元，诸如生命体征相机)来采集。
所述输入单元可以被配置为获得至少三个输入检测信号(例如，例如由RGB相机采集的针对不同颜色通道的RGB信号，但是所述颜色通道也可以完全地或部分地从近红外(NIR)谱中选择)，并且所述设备还可以包括用于将所述输入检测信号组合成所述至少两个检测信号(例如，x信号和y信号，x和y表示颜色空间中的色度平面上的轴)的预处理单元。
优选地，所述预处理单元被配置为通过对时间标准化的输入检测信号的线性组合来组合所述输入检测信号。由此，可以使用不同的线性组合。替代时间标准化，也可以将对数传递函数应用于所述输入检测信号。
在另一实施例中，所述生命体征提取单元被配置为将来自不同(时间标准化或对数的)检测信号的对应谱分量投射在投影轴上。例如，三个颜色检测信号(R，G，B)的颜色空间中的轴能够被定义为所述三个颜色检测信号的线性组合。例如，1R+0G+0B等于R轴，并且0.5R+0.5G+0B是在RG平面中的对角轴(B＝0)。通过投射在RGB空间中的轴上来提取脉动信号P意味着P＝wl·R+w2·G+w3·B，其中，选择权重wi以最大程度地抑制(运动诱发的)失真。在上文中，R可以是时间标准化的R/σ(R)(其中，σ(R)是R的时间平均值)，或者也可以是log(R)。
所述加权单元还可以被配置为通过以下操作来确定权重：确定相应谱分量的方差或标准偏差，并且除非所述方差或标准偏差高于预定或预期的限值，否则将所述权重保持在值1处。这提供了确定所述权重的相当简单的方式。
在另一实施例中，所述加权单元被配置为通过确定G＝1/(var+bias)来确定增益G作为权重，其中，参数bias被选择为使得当表示方差或标准偏差或相对强度的var低于预定或预期的限值时，增益G基本上稳定，并且使得当var高于所述预定或预期的限值时，增益G减小。当方差或标准偏差或相对强度(var)高于所述预定或预期的限值时，增益G可能特别快速地下降。
为了采集所述检测信号，存在各种选项，即，本发明通常可以被应用在具有不同种类的检测信号的许多不同的领域中。因此，所述检测信号采集单元可以被配置为生成以下类型的检测信号中的一种作为检测信号：
i)根据响应于入射在对象的身体部分上的辐射而透射通过所述身体部分或者从所述身体部分反射的辐射而获得的光电体积描记信号；
ii)表示至少对象的身体部分的运动的运动信号；
iii)表示所述对象的电可测量生理参数的电信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种设备以及对应的方法，其中，所述设备包括：
-输入单元，其用于获得从对象采集的至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征；
-分解单元，其用于对所述至少两个检测信号执行谱分解，以获得所述检测信号的两个或更多个谱分量；
-加权单元，其用于基于相应谱分量的能量和/或幅度和/或在所述至少两个检测信号中的所述谱分量的(其不同的组合)的相对强度来确定每个谱分量的权重，其中，具有高于阈值的能量和/或幅度的谱分量的权重低于具有低于所述阈值的能量和/或幅度的谱分量的权重，或者其中，具有较高相对强度的谱分量的权重低于另一检测信号的相同谱分量的权重；以及
-生命体征提取单元，其用于通过以下操作来获得生命体征：
i)利用所确定的对应权重对所述谱分量的至少部分进行加权，并且从经加权的谱分量中提取生命体征，或者
ii)从所述至少两个检测信号的个体谱分量中提取两个或更多个生命体征子信号，并且利用所确定的对应谱分量的权重对所提取的生命体征子信号进行加权，并且从经加权的生命体征子信号中提取生命体征。
附图说明
根据下文所描述的(一个或多个)实施例并且参考所述实施例加以阐述，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。在以下附图中：
图1示出了图示随着波长的相对PPG幅度的图，
图2示出了根据本发明的系统和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4A-E示出了图示在使用绝对加权的处理的各个步骤处的信号的图，并且
图5A-F示出了图示在使用相对加权的处理的各个步骤处的信号的图。
具体实施方式
图1示出了图示随着波长的相对PPG幅度的图。如从该图能够看到的，所述相对PPG幅度S强烈取决于从对象的皮肤反射的光的波长。相反，由运动引起的相对信号强度M完全是波长无关的。因此，通过对象运动在所有波长中均等地调制反射光而例如脉搏的生命体征对一些波长的调制相对强于其他波长的事实实现了基本的运动鲁棒性。然而，为了获得特别是相对于对象运动的经改善的鲁棒性，必须采取进一步的措施。
图2示出了根据本发明的系统1和设备10的第一实施例的示意图。系统1通常包括检测信号采集单元20，检测信号采集单元20用于从对象100采集至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征。此外，系统1包括用于基于所采集的检测信号来获得所述对象的生命信号的设备10。
在该实施例中，信号采集单元20包括诸如相机的成像单元，其接收来自对象100(例如，个人或患者)的辐射101(特别是光)。这样的成像单元在远程PPG的领域中通常是已知的，并且可以是常规RGB相机、网络相机、视频相机等。
设备10可以以硬件和/或软件来实施，例如，经编程的处理器或计算机或对应的电路。设备10包括输入单元11，输入单元11用于获得由所述成像单元从所述对象采集的至少两个检测信号。输入单元11例如可以是用于以有线或无线的方式从成像单元11接收或取回所述检测信号的数据接口。
设备10还包括分解单元12，分解单元12用于执行对所述至少两个检测信号的谱分解，以获得所述检测信号的两个或更多个谱分量。所述谱分解能够是例如傅里叶变换的子带分解，但是数据驱动的分解，如(多通道)奇异谱分析(SSA和MSSA)或者经验模式分解(EMD)已经被证明是特别有吸引力的。
设备10还包括加权单元13，加权单元13用于基于对相应谱分量与生命体征的相关性的估计来确定每个谱分量的权重，其中，给予较不相关的谱分量的权重低于给予更相关的谱分量的权重。因此，所述权重确定了所述谱分量对所输出的生命体征的贡献。例如，确定所述相应谱分量的权重，使得所述权重随着具有相对高的能量/幅度(例如，与生命信号的预期的能量/幅度相比)的谱分量的能量/幅度的增加而快速减小，而针对具有相对低的能量/幅度的分量仅改变很小。
设备10还包括生命体征提取单元14，生命体征提取单元14用于获得生命体征，特别是通过组合来自不同检测信号的信号。由此，存在各种选项。在一个选项中，利用所确定的对应权重对所述谱分量的至少部分进行加权，并且从经加权的谱分量中提取生命体征。在备选选项中，首先从所述至少两个检测信号的个体谱分量中提取两个或更多个生命体征子信号，然后利用所确定的对应谱分量的权重对所提取的生命体征子信号进行加权，并且最后，从经加权的生命体征子信号中提取生命体征。所述提取可以涉及(自适应)投影，其非常类似于G.de Haan和V.Jeanne在IEEE，Tr.OnBiomedical Engineering，第60卷，第10期，2013年10月，第2878-2886页上的“Robust pulse-rate from chrominance-based rPPG”一文中已经描述的内容。下文将描述更多细节和优选实施例。
在一些实施例中，可以使用在不同波长下的两个以上的检测信号，例如，来自相机20的红色、绿色和蓝色通道，如在图中2所示的。因此，在这样的实施例中，可以任选地提供预处理单元15，以用于将输入检测信号组合成所述至少两个检测信号，特别是通过对时间标准化(或者对数)的输入检测信号的线性组合。例如，在预处理步骤中，三个输入检测信号可以被组合成更少的检测信号(X、Y，例如表示颜色空间中的色度平面上的两个轴)，其随后被输入到分解单元12。该步骤的优点在于：减少了处理需求，因为必须被谱分解和处理的检测信号更少。实质上，这也能够被解读为如同脉动提取被分离到预处理(投射到色度平面)和提取后(仅对剩余通道的自适应加权仍然是必要的)。
此外，在先前的实施例中，来自预处理的导出的检测信号通常包括时间标准化(或对数)的(r)PPG输入检测信号的不同线性组合(例如，X＝a1Rn+b1Gn+c1Bn，Y＝a2Rn+b2Gn+c2Bn，其中，ai+bi+ci＝0)。
图3示出了根据本发明的系统2的第一实施例的示意图。系统2包括与在图2中所示的是相同种类的设备10。此外，所述检测信号采集单元包括接触式传感器21，特别是脉搏血氧计，在该实施例中，其通过束带被安装到对象的身体，但是其也能够例如是手指脉搏血氧计(例如，手指夹)。由接触式传感器21采集的检测信号是光电体积描记信号，所述光电体积描记信号是根据响应于入射在对象的身体部分上的辐射而从所述身体部分反射(或者任选地透过所述身体部分)的辐射获得的。
在图2和图3中所示的这两个实施例中，两个PPG检测信号可以是可用的，例如，手指血氧计或配准皮肤区域的相机的红色和红外通道，根据其使用针对每个波长的平均像素值。在设备10的特定实施例中，这两个检测信号都被滤波，例如，利用在脉动率带中的互补滤波器，以获得每个检测信号的至少两个谱分量。测量在每个谱分量中的幅度/能量，根据其确定针对所述谱分量的增益因子，使得如果所述幅度/能量高于从针对所述脉动信号的所述波长通道中预期的幅度/能量，则抑制所述分量。接下来，根据每个波长信号来组合(求平均)经加权的谱分量，以获得经调整的检测信号。因此，这些经调整的检测信号被输入到脉动提取，通常根据其获得输出脉动信号，作为加权平均值(即，在颜色空间中的轴上的投影)。
在备选实施例中，可以在加权和求和之前对不同检测信号的对应谱分量执行脉动提取。这允许针对不同谱分量的个体投影轴。
在使用所述谱分量的能量和/或幅度的情况下，检测信号的能量，例如，具有最低脉动能量的检测信号被用于确定谱分量中的失真的强度。如果这是高的，则可以认为该谱分量与生命体征的相关性较低。
通常，PPG信号由皮肤中的血液体积的变化引起。因此，当在反射/透射光的不同谱分量中观察时，所述变化给出了特性脉动“特征”。该“特征”基本上是由于血液的吸收谱与无血液的皮肤组织的吸收谱的对比(差异)而得到的。如果例如相机或传感器的检测器具有离散数量的颜色通道，每个颜色通道具有不同的谱灵敏度，例如，每个颜色通道感测光谱的特定部分，那么在这些通道中的相对标准化的脉动、即相对脉动的比率能够被布置在“特征向量”中，也被称为“标准化血液体积向量”，Pbv。G.de Haan和A.van Leest在Physiol.Meas.35 1913，2014上的“Improved motion robustness of remote-PPG byusing the blood volume pulse signature”一文中已经证明，在此通过引用将其并入本文，如果该特征向量是已知的，那么基于颜色通道和特征向量的运动鲁棒的脉动信号提取是可能的。针对脉动信号的质量，签名正确是必要的，否则已知方法将噪声混合到输出的脉动信号中，以便实现所述脉动向量与标准化颜色通道的规定的相关性，如由签名向量所指示的。在US 2013/271591A1中还已经描述了Pbv方法以及标准化血液体积向量的使用(被称为“具有指示参考生理信息的设定取向的预定索引元素”)的细节，其详细内容也通过引入的方式并入本文中。
除了Pbv之外，还存在若干种已知方法以从(标准化的)检测信号中获得脉动信号S，所述方法被称为由Pbv/CHROM引导的ICA、PCA、CHROM和ICA/PCA，其也已经在上文所引用的de Haan和van Leest的论文中有所描述。这些方法能够被解读为将所述脉动信号提供为不同波长通道的混合量，例如来自彩色视频相机的红色、绿色和蓝色信号，但是其在确定最佳加权方案方面不同。在这些方法中，所得到的权重针对的是失真消失的混合量，即“加权向量”基本上与通常由对象运动和/或照明变化引起的主要失真正交。
在备选实施例中，可能除了PPG检测信号之外，还添加运动检测信号。这可以来自例如被包括在手指血氧计中的加速度计22(参见图3)，或者在视频相机被用作PPG传感设备的情况下来自视频运动估计器。
在又一备选实施例中，可以使用电输入检测信号，如，例如ECG-信号、EMG-信号或者来自胸部体积测量的信号(例如，由呼吸束带采集的)。
在更先进的实施例中，可以例如通过执行傅立叶变换(FT)、子带分解(SB)，(可能是多通道)奇异谱分析(SSA、MSSA)、经验模式分解(EMD)等根据个体检测信号来生成更多的谱分量。在再次进行分解之后，根据每个谱分量的幅度/能量等来计算所述权重。
在另外的有利实施例中，联合地计算在不同波长检测信号中的对应谱分量的权重，并且将相同的权重应用于对应的分量。在此有利的结果是将不修改在不同波长通道中的相对脉动幅度，这是大多数提取方法(例如，POS、CHROM、PBV)的先决条件。
并非如上文所描述地限制谱分量的var，有利地可以通过G＝1/(var+bias)来计算增益，其中，选择bias，使得当var低于脉动信号的估计的var时，所述增益接近稳定，但是使得当var高于脉动信号的估计的var时，所述增益快速地下降。
其他变体是G＝bm/(vm+bm)，其中，b表示bias，v表示方差，并且m是功率系数，其中，m>1/2。在m>1的情况下，利用先前给出的表达式对高幅度信号进行更强的抑制。又一种选项将是G＝(bv)m/2/(vm+bm)。在此，获得了对高幅度信号和低幅度信号两者的抑制；方差接近于b的信号被衰减最小。
在另一实施例中，加权单元13被配置为使用所述至少两个检测信号的不同组合中的所述谱分量的相对强度，其中，谱分量的相关性被确定为所述相对强度的递增函数或递减函数。在使用所述谱分量的相对强度的情况下，预期几乎不遭受已知失真的组合中的强度(例如，与强度变化正交的轴上的投影和镜面反射失真：C1＝var(-R+2G-B))与显著遭受已知失真的组合中的强度(可以是所述检测信号中的总(加和)能量：C2var(R+G+B))进行比较。该比值C1/C2越低，针对所述生命体征可以考虑该谱分量越不重要。
图4A至图4E示出了图示使用绝对加权的处理的各个步骤处的信号。图4A示出了来自RGB相机的三个颜色信号。图4B示出了所述三个颜色信号的谱分量，其示出了由运动得到的峰值P1以及由脉动得到的另一峰值P2。图4C示出了基于红色信号的谱分量的幅度的加权(仅针对红色信号确定的)。如能够看到的，具有低于约0.002(即，包括由具有较低幅度的脉动引起的峰值P2)的幅度的谱分量被加权1，而具有高于约0.002的幅度的谱分量(即，包括由具有较高幅度的运动引起的峰值P1)被加权0。图4D示出了经滤波的谱信号(即，在施加所述权重之后在图4B中所示的谱信号)。图4E示出了对应的经滤波的颜色信号，然后将其用于提取所述生命体征。
图5A至图5F示出了图示使用相对加权的处理的各个步骤处的信号的图。图5A示出了来自RGB相机的三个颜色信号。图5B示出了所述三个颜色信号的谱分量，其示出了由运动得到的两个峰值P3和P4。图5C示出了基于所述谱分量的相对强度的加权。在R、G和B方向上的谱分量的相对强度能够被表示为在(标准化或对数的)RGB颜色空间中的向量(方向)。方向指示分量是否主要包含运动诱发的失真，或者包含显著的脉动。根据分量的实际方向，如果主要暗指失真能量，则能够减小所述权重。所述权重不一定必须直接从颜色空间中的方向来确定。替代地，在有利实施例中，可以首先以不同的方式组合来自不同波长通道的对应谱分量(将数据投影到不同的线上)，并且然后，可以使用这些不同地组合的信号的相对强度来确定所述权重。优选地，可以使用两种组合，其中，第一种组合表示总幅度/能量，而另一种组合主要表示脉动相关的能量(例如，通过投射到与强度和镜面反射变化正交的线上)。在图5C和图5D中的图示示出了在加权之前和加权之后的不同谱分量。每个分量由其在RGB空间(向量)中的相对能量来表征，并且加权的结果是一些向量收缩(所述谱分量得到较低的权重)，因为其相对能量似乎指示针对所述生命体征的较低相关性(他们反映失真的可能性更大)。图5E示出了经滤波的谱信号(即，在施加所述权重之后在图5B中所示的所述谱信号)。图5F示出了对应的经滤波的颜色信号，其然后被用于提取所述生命体征。
本发明可以被有利地应用于对脉搏率、呼吸和SpO2的基于相机的测量，以用于患者监测。假设利用相机的非接触式监测与针对NICU中皮肤非常敏感的早产儿以及针对具有皮肤受损(例如烧伤)的患者高度相关，但是也可能比在普通病房中所使用的接触式传感器更方便。然而，预期本发明同样适用于当前流行的接触式传感器。
本发明聚焦于使用谱分量加权来抑制不属于脉动的分量(例如，运动分量)。输入能够是ID PPG信号。此外，该技术能够被用于从多位置测量中选择所述PPG信号。尽管已知方法使用如独立分量分析(ICA)或主分量分析(PCA)的盲源分离(BSS)从多个(或者空间冗余的)测量中选择一个信号分量，但是本发明使用谱加权来选择/组合来自多个测量的脉动相关的频率分量，其通常用于全视频脉动测量。
尽管已经在附图和前文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例示性或示例性的而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中所记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实并不指示不能够使用这些措施的组合以获益。
计算机程序可以被存储/分布在适合的非瞬态介质上，诸如与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也能够以其他形式分布，诸如经由互联网或者其他有线或无线电信系统。
权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制范围。
Claims (15)
1.一种用于获得对象的生命信号的设备，所述设备包括：
-输入单元(11)，其用于获得从对象采集的至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征，其中，所述检测信号是表示不同波长区间的光电体积描记PPG检测信号；
-分解单元(12)，其用于对所述至少两个检测信号执行谱分解，以获得所述检测信号的两个或更多个谱分量；
-加权单元(13)，其用于基于根据相应谱分量的特性而导出的所述谱分量与所述生命体征的相关性的估计来确定每个谱分量的权重；以及
-生命体征提取单元(14)，其用于通过以下操作来获得生命体征：
i)利用所确定的对应权重对所述谱分量的至少部分进行加权，并且从经加权的谱分量中提取生命体征，或者
ii)从所述至少两个检测信号的个体谱分量中提取两个或更多个生命体征子信号，并且利用所确定的对应谱分量的权重对所提取的生命体征子信号进行加权，并且从经加权的生命体征子信号中提取生命体征。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为使用所述相关性的估计，所述相关性的估计基于所述相应谱分量的能量和/或幅度和/或所述至少两个检测信号的不同组合中的所述谱分量的相对强度，其中，谱分量的所述相关性被确定为所述幅度、所述能量或所述相对强度的递增函数或递减函数。
3.根据权利要求2所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为确定谱分量的权重，使得：所述能量和/或所述幅度越高，所述权重越低；或者取决于所述相应谱分量的不同组合中的所述相对强度的定义或值，所述权重越低或越高。
4.根据权利要求2所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为确定所述权重，使得：具有高于阈值的能量和/或幅度的谱分量的权重低于具有低于所述阈值的能量和/或幅度的谱分量的所述权重；或者在特定组合中具有较高相对强度的谱分量的所述权重低于检测信号的另一组合的相同谱分量的所述权重，特别是使用以下项作为阈值：预期的能量或幅度、所述相应谱分量的预定能量和/或幅度，或者来自所述检测信号的对应谱分量的不同组合的预定或预期的相对强度。
5.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为根据每个检测信号将所述经加权的谱分量的至少部分组合成经调整的检测信号；并且其中，所述生命体征提取单元(14)被配置为从所述经调整的检测信号中提取所述生命体征。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述谱分解单元(12)被配置为执行以下中的一项：傅里叶分析、子带分解、奇异谱分析、多通道奇异谱分析以及经验模式分解。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为在不同检测信号的相同谱分量具有相同的能量和/或幅度的情况下针对所述谱分量确定相同的权重。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述输入单元(11)被配置为获得至少三个输入检测信号，并且其中，所述设备还包括预处理单元(15)，所述预处理单元用于将所述输入检测信号组合成所述至少两个检测信号，特别是通过对所述输入检测信号的时间标准化版本或对数版本的线性组合。
9.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述生命体征提取单元(14)被配置为在投影轴上投射来自不同检测信号的对应谱分量。
10.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为通过以下操作来确定权重：确定所述相应谱分量的方差或标准偏差，并且除非所述方差或所述标准偏差高于预定或预期的限值，否则将所述权重保持在值1处。
11.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述加权单元(13)被配置为通过确定G＝1/(var+bias)来确定增益G作为权重，其中，参数bias被选择为使得：当表示所述方差或所述标准偏差或所述相对强度的var低于预定或预期的限值时，所述增益G基本上稳定；并且当var高于所述预定或预期的限值时，所述增益G减小。
12.一种用于获得对象的生命信号的系统，所述系统包括：
-检测信号采集单元(20、21、22)，其用于从对象采集至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征；以及
-根据权利要求1所述的设备(10)，其用于基于所采集的检测信号来获得所述对象的生命信号。
13.根据权利要求12所述的系统，
其中，所述检测信号采集单元(20、21、22)被配置为生成以下类型的检测信号中的一种来作为检测信号：
i)根据响应于入射在对象的身体部分上的辐射而透射通过所述身体部分或者从所述身体部分反射的辐射获得的光电体积描记信号；
ii)表示至少对象的身体部分的运动的运动信号；
iii)表示所述对象的电可测量生理参数的电信号。
14.一种用于获得对象的生命信号的方法，所述方法包括：
-获得从对象采集的至少两个检测信号，所述检测信号与所述对象的生理性质相关并且允许提取所述对象的生命体征，其中，所述检测信号是表示不同波长区间的光电体积描记PPG检测信号；
-执行对所述至少两个检测信号的谱分解以获得所述检测信号的两个或更多个谱分量；
-基于根据相应谱分量的特性而导出的所述谱分量与所述生命体征的相关性的估计来确定每个谱分量的权重；
-通过以下操作来获得生命体征：
i)利用所确定的对应权重对所述谱分量的至少部分进行加权，并且从经加权的谱分量中提取生命体征，或者
ii)从所述至少两个检测信号的个体谱分量中提取两个或更多个生命体征子信号，并且利用所确定的对应谱分量的权重对所提取的生命体征子信号进行加权，并且从经加权的生命体征子信号中提取生命体征。
15.一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被执行时，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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