CN111295133A - 用于确定对象的至少一个生命体征的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定对象的至少一个生命体征的设备、系统和方法。所述设备(130)包括输入接口(131)，所述输入接口被配置为获得至少三个探测信号(210)，所述至少三个探测信号从透射通过对象的皮肤区域或从对象的皮肤区域反射的探测到的电磁辐射导出，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的与波长相关的反射或透射信息，生命体征提取单元(132)，其被配置为从所述至少三个探测信号中提取相同类型的生命体征的多个候选生命体征(232)，其中，每个候选生命体征从不同探测信号或至少两个探测信号的不同组合中提取，生命体征确定单元(133)，其被配置为根据所述多个候选生命体征来确定最终生命体征(233)，以及可靠性信息单元(133)，其被配置为提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征候选生命体征可靠性的可靠性信息(234a)，并提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征候选生命体征不可靠性来源的不可靠性源信息(234b)。

Description

用于确定对象的至少一个生命体征的设备、系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定对象的至少一个生命体征的设备、系统和方法。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者动脉血氧饱和度(SpO2)，用作人的当前状态的指标并且用作严重医学事件的有利预示。出于该原因，生命体征在住院患者和门诊患者护理设置中，在家或者在进一步在健康、休闲和健身设置中广泛地被监测。
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每个心跳而通过对象的身体的心血管脉搏波的体积改变的探测。
光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区或者感兴趣体积的光反射率或者透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液与周围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者反射率。除了关于心率的信息之外，PPG波形(也称为PPG信号)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(通常是红色或者红外的)处的透射率和/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)血氧饱和度的常规脉搏血氧计(本文中也称为PPG设备)被附着到对象的皮肤，例如被附着到手指端部、耳垂或者额头。因此，它们被称为“接触式”PPG设备。尽管接触式PPG被视为基本上是非侵入技术，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着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。
在过去的十年中，已经提出了用于非突兀地测量的非接触式远程PPG(rPPG)设备(也称为基于相机的设备)。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，例如相机或者光子探测器，也能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远程光电体积描记术系统和设备被视为非突兀的并且非常适于医学以及非医学日常应用。
使用PPG技术，生命体征可以被测量，这是由脉动的血液体积所引起的皮肤微小光吸收的变化而揭示，即通过由血液体积脉动引起的人类皮肤的颜色周期性变化。因为该信号非常小并且隐藏在由于照明改变和运动的更加大得多的变化中，所以存在对改进从根本上低的信噪比(SNR)的一般兴趣。还有针对剧烈运动、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，需要远程生命体征测量设备及方法的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。
此外，未预期的血液物质，尤其是像CO或MetHB之类的血气，可能会导致差的SNR或用于对测量结果进行测量或评估的方法校准错误，从而导致结果不可靠。
因此，需要一种改进的设备、系统和方法，其用于即使在运动和意外血液物质存在的情况下，也可以确定对象的至少一个生命体征以获得具有更高可靠性的结果。
US 2016/0253820 A1公开了一种用于获得对象的生命体征的设备，所述设备包括：接口，其用于接收对象的一组图像帧；运动分析单元，其用于分析所述一组图像帧中的图像帧内的至少一个测量区域的并且用于表征在所述一组图像帧内的的所述对象的运动；信号提取单元，其用于使用对所述一组图像帧内的所述对象的运动的所述表征来从所述一组图像帧中提取PPG信号；以及生命体征确定单元，其用于根据所述提取的PPG信号来确定生命体征信息。可以取决于观察到的运动类型来提取可靠性指示量度。在一个实施例中，运动的类型被链接到任意值。例如，在平移的情况下，可以将可靠性指示符设置为1，并且在旋转的情况下，可以将可靠性指示符设置为较低的值，例如，设置为0.1。所述可靠性指示符可以用于指示PPG信号和/或从所述PPG信号提取的提取的生命体征信息的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定对象的至少一个生命体征的设备、系统和方法，通过该设备、系统和方法，即使在运动和意外血液物质存在的情况下，也具有更高的可靠性的结果。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的至少一个生命体征的设备，所述设备包括：
输入接口，其被配置为获得至少三个探测信号，所述至少三个探测信号从透射通过对象的皮肤区域或从对象的皮肤区域反射的探测到的电磁辐射导出，其中，每个探测信号包括不同波长信道中与波长相关的反射或透射信息，
生命体征提取单元，其被配置为从所述至少三个探测信号中提取相同类型的生命体征的多个候选生命体征，其中，每个候选生命体征均从不同探测信号或至少两个探测信号的不同组合中提取，
生命体征确定单元，其被配置为根据所述多个候选生命体征来确定最终生命体征，以及
可靠性信息单元，其被配置为提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征可靠性的可靠性信息，并提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征不可靠性来源的不可靠性来源信息。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定对象的至少一个生命体征的系统，所述系统包括：
探测器，所述探测器用于探测从对象的皮肤区域透射或反射的电磁辐射，并从探测到的电磁辐射导出至少三个探测信号，其中，每个探测信号包括不同波长信道中与波长相关的反射或透射信息，以及
如本文公开的用于从根据至少三个探测信号来确定所述对象的至少一个生命体征的设备。
在本发明的又一个方面中，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，所述程序代码模块用于，当所述计算机程序在计算机上执行时，令所述计算机执行本文中所公开的方法的步骤，并且提供了一种在其中存储有计算机程序产品的非瞬态计算机可读记录介质，所述计算机程序产品当由计算机处理器运行时，使得本文公开的方法被执行。
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、处理器、计算机程序和介质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设备具有相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于这样的思想，即利用多波长PPG探测器中的冗余。特别地，利用多个波长的测量在患者运动期间以及在存在意外血液物质期间表现出行为的差异。这允许探测其中测量和/或确定的生命体征的可靠性降低的情况，并获得关于可靠性的量以及任何潜在不可靠性的来源的信息。这样就可以仅在具有可靠的结果的情况下发出警报，和/或在结果不可靠的情况下防止误警报，并且防止在其他来源(例如存在对象运动的存在和/或血气的存在会影响测量)的情况下进行误校准和/或误解读。
根据一个实施例，所述可靠性信息单元被配置为提供指示对象运动、未预期的血气、血液种类和血液成分中的一个或多个的不可靠性来源信息。利用这种信息，例如，可以改善例如用于确定SpO2作为两个不同波长信道的脉冲比(AC信号值)的比率的测量和/或评估。
在另一个实施例中，所述设备还包括脉冲信号计算单元，所述脉冲信号计算单元被配置为根据所述至少三个探测信号来计算多个脉冲信号，其中，每个脉冲信号是从不同的探测信号或至少两个探测信号的不同组合中提取的。如在另一实施例中提出的，优选地，使用基于血液体积向量的PBV或自适应PBV方法来根据所述至少三个探测信号计算这些脉冲信号。此外，脉冲信号计算单元可以被配置为使用用于计算每个脉冲信号的不同的特征向量从所述至少三个探测信号中计算所述多个脉冲信号，所述特征向量在所述至少三个探测信号中提供脉冲信号的预期相对强度，其中，脉冲信号的计算包括至少两个探测信号的加权组合，特别是使用权重，所述权重被选择为使得得到的脉冲信号与原始探测信号相关，如相应的特征向量所指示。
如上所述，PPG信号是源于皮肤中血液量的变化。因此，当在反射/透射光的不同光谱分量中观察时，变化给出了特性脉动性“特征”。这种“特征”基本上是血液与无血液的皮肤组织的吸收光谱的对比(差异)产生的。如果探测器(例如相机或传感器)具有离散数量的颜色通道，每个通道感测光谱的特定部分，则可以将这些通道中的相对脉动安排在“特征向量”中，也称为“归一化的血液体积向量”，PBV。其在以下文章中示出：G.de Haan and A.vanLeest,“Improved motion robustness of remote-PPG by using the blood volumepulse signature”,Physiol.Meas.35 1913,2014，通过引用将其并入本文，如果该特征向量是已知的，则基于颜色通道和特征向量的运动鲁棒的脉冲信号提取是可能的。对于脉冲信号的质量，尽管特征是正确的，但至关重要的是，否则，已知方法会将噪声混合到输出脉冲信号中，以实现脉冲向量与由特征向量所指示的归一化色彩通道的规定相关性。
PBV方法的细节和归一化的血液体积向量的使用(称为“指示参考生理信息的具有设定取向的预定索引元素”)也已在US 2013/271591 A1中进行了描述，其详细内容也通过引用并入本文。
当血液成分变化时，PPG信号的特性波长依赖性会发生变化。尤其是，动脉血的氧饱和度对620nm至780nm波长范围内的吸收有强的影响。不同SpO2值的这种变化的特征导致取决于动脉血氧合的相对PPG搏动性。这种依赖性可用于实现一种运动鲁棒的远程SpO2监视系统，所述系统已被称为自适应PBV方法(aPBV)，并在以下文章中进行了详细描述：M.vanGastel,S.Stuijk and G.de Haan,“New principle for measuring arterial bloodoxygenation,enabling motion-robust remote monitoring”,Nature ScientificReports,Nov.2016。该文章中对aPBV方法的细节的描述也通过引用并入本文。
在另一个实施例中，所述可靠性信息单元被配置为通过比较所述脉冲信号来确定所述可靠性信息和所述不可靠性来源信息。例如，基于所述脉冲信号的相似性，根据脉冲信号相似性度量，特别是在频域中，或根据SNR，或根据脉冲信号对之间的低均方差，可以获得所述可靠性信息和所述不可靠性来源信息。
一个实施例涉及确定动脉血氧饱和度，其是重要的生命体征。在该实施例中，所述生命体征提取单元被配置为从至少两个探测信号的不同组合中提取多个候选SpO2值作为候选生命体征，其中，所述生命体征确定单元被配置为根据所述多个候选SpO2值来确定最终SpO2值，其中，所述可靠性信息单元被配置为根据SpO2相似性度量，特别是根据候选SpO2值的标准偏差，任选地在时间区间内被滤波，或者根据通过自适应PBV方法的不同版本从所述至少两个探测信号中提取的脉冲信号的SNR值，或者根据候选SpO2值的相似性结合表示对象运动的运动信号的强度，基于所述候选SpO2值的相似性来确定所述可靠性信息和所述不可靠性来源信息。
提出的设备可以还包括输出单元，所述输出单元被配置为输出最终生命体征以及可靠性信息和/或不可靠性来源信息。所述输出单元可以例如是像显示器、计算机或扬声器的用户接口。
更进一步，所提出的设备可以包括控制单元，所述控制单元被配置为基于最终生命体征以及基于可靠性信息和/或不可靠性来源信息来生成警报控制信号，所述警报控制信号用于控制被配置为发出警报并且被配置为输出生成的警报控制信号的警报单元。如在另一实施例中提出的那样，这提供了如下能力：控制单元被配置为生成警报控制信号，所述警报控制信号在最终生命体征的可靠性较低的情况下抑制警报，和/或生成触发警报的警报控制信号，所述警报指示未预期的血气和/或对象运动导致最终生命体征的可靠性低。
因此，控制单元可以被配置为基于候选生命体征的相异性和对象运动的低概率来使用度量，这进一步支持了防止虚假警报并以更高的可靠性发出正确警报的目的。
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示出了在三种不同波长下的相对PPG幅值的图；
图2是血液成分不同的血液的吸收光谱图；
图3是表示一氧化碳(CO)对针对SpO2的校正曲线的影响的图；
图4示出了根据本发明的监测系统的实施例的示意图；
图5示出了根据本发明的设备的第一实施例的示意图；
图6是示出使用aPBV法的SpO2测定的图；
图7是示出SpO2的3次测定的标准偏差的图；并且
图8示出了根据本发明的设备的第二实施例的示意图。
具体实施方式
近来，已经实现了对远程PPG监视技术的运动鲁棒性的显著改进。能够将运动引起的信号变化和实际PPG变化分开的基本见解是，运动会平等地影响所有波长通道(典型的PPG监视系统至少使用两个波长通道)，即运动引起的变化的相对信号强度在所有通道相同，而基于PPG的变化明显是波长依赖的。PPG信号的波长依赖性主要是由于血液和皮肤之间的吸收对比度随波长而变化。另外，它在较小程度上还取决于随波长而变化的光的穿透深度以及在人皮肤中光的散射特性。
PPG信号的特征波长相关性可以用作签名，从而实现鲁棒性PPG测量。可以被抑制的独立失真的数量等于波长通道的数量减一。上面引用的G.de Haan and A.van Leest,“Improved motion robustness of remote-PPG by using the blood volume pulsesignature”,Physiol.Meas.35 1913,2014中描述了这种所谓的PBV方法。
当血液成分变化时，PPG信号的特性波长依赖性会发生变化。尤其是，动脉血的氧饱和度对620nm至780nm波长范围内的吸收有很强的影响。针对不同的SpO2值的该改变的特征导致依赖于动脉血氧合(SaO2)的相对PPG脉动，如在图1中针对在近红外中的三个波长所图示，具体而言针对λ1＝760nm的(信号线1)，λ2＝800nm的(信号线2)和λ3＝905nm(信号线3)。这种依赖性可用于实现一种运动鲁棒的远程SpO2监视系统，所述系统已被称为自适应PBV方法(aPBV)，并在以上引用的文章M.van Gastel,S.Stuijk and G.de Haan,“Newprinciple for measuring arterial blood oxygenation,enabling motion-robustremote monitoring”,Nature Scientific Reports,Nov.2016中进行了描述。
在此应注意，SaO2是实际的动脉氧合水平，将通过抽取血液和随后的分析进行侵入式测量。SpO2是来自光学测量的结果，其仅是对实际测量结果的替代，然而，己经证明在某些情况下在临床上具有相关性，尽管其较不准确，即SpO2是使用光电体积描记法的估计结果。
PBV方法和aPBV方法都存在一个问题，即它们依赖于对此特征的假定知识(可能是针对不同的SpO2值)。先前的知识受到意外血液物质(例如CO或MetHB)的威胁，其可能导致PBV方法中的差的SNR或aPBV方法的错误校准。在这些情况下，测量是不可靠的。
图2图示了其他可能的血液成分由于其异常的吸收光谱而可能如何影响血液吸收光谱。在那里示出了不是只有Hb(信号线10)氧合为HbO2(信号线11)导致血液吸收光谱不同。还有其他可能的血液成分，像一氧化碳(CO；针对COHb的信号线12)和高铁血红蛋白(MetHB；信号线13)会改变吸收率，并且因此也改变不同波长下的相对PPG幅值(特征)。
因此，使用光电体积描记术的(基于相机的)生命体征监测方法通常会针对所监测的生命体征生成一值，即使在无法可靠建立生命体征的情况下也是如此。可能发生这种情况的示例包括患者运动引起误检的情况，以及其他较琐碎的情况，其中，血液成分(如CO和MetHB)引起SpO2测量的校准曲线偏移以及经修改的血液体积脉冲特征，其引起基于输出PPG的生命体征信噪比受损(例如脉搏和呼吸信号)。图3显示了CO对使用两个NIR波长的SpO2测量的校准曲线的影响示例。在此，假设没有CO，信号线20为规则曲线(即，对于COHb＝0％)。其他信号线21-26显示了血液中不同浓度的CO的偏差(从针对信号线21的COHb＝5％到针对信号线26的COHb＝30％的5％的递增步长)。
如果例如运动引起的失真太强以至于它们超过了PPG测量方法的鲁棒性，则会出现某种程度可比的不可靠性问题。在这些情况下，通常测得的SpO2等于在波长的脉动时的氧合水平通常发生的值。该值取决于所使用的波长。
本发明允许探测这种情况并量化生命体征的可靠性，从而能够在这种情况下发出警报或在时间情况下(运动)防止虚假警报。在这种情况下，生命体征可能包括以下一项或多项：心率(HR)，呼吸频率(RR)，动脉血氧饱和度(SpO2)，CO，CO2，MetHB，血压，葡萄糖水平，来自脉搏波结果波形分析的结果(例如增强指数)，脉冲渡越时间等
图4示出了根据本发明的系统100的实施例的示意图。系统100包括探测器110，所述探测器110用于探测透射穿过对象120的皮肤区域或从对象的皮肤区域反射的电磁辐射，并且用于导出根据所探测的电磁中导出的至少三个探测信号210。每个探测信号210包括不同的波长信道中与波长有关的反射或透射信息。系统100还包括用于根据至少三个探测信号210来确定对象的至少一个生命体征的设备130。对象120，在本范例中为患者，躺在床130上，例如在医院或其他医学机构中，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的人。
存在用于探测透射通过对象或从对象反射的电磁辐射的探测器的不同实施例，所述探测器可以可替代地(其是优选的)或一起使用。在系统100的实施例中，示出了探测器的两个不同实施例，并将在下面进行说明。探测器的两个实施例均被配置为根据探测到的电磁辐射导出探测信号，其中，每个探测信号包括不同波长信道中与波长有关的反射或透射信息。在此，可以使用的光学滤光器优选地不同，但是它们的滤波器带宽可以交叠。如果它们的取决于波长的透射率是不同的就足够了。
在一个实施例中，所述探测器18优选地包括相机112(也被称为成像单元，或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用于(远程地并且不突兀地)捕获对象120的图像帧，尤其是用于随时间采集对象120的图像帧的序列，根据所述图像帧的序列可以导出光电体积描记信号。由相机112拍摄的图像帧可以特别地对应于由模拟或数字光电传感器，例如，在(数字)相机中的，捕获的视频序列。这样的相机112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，IR)内操作或提供针对不同的光谱范围的信息。相机112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，表示特定的颜色或伪颜色(NIR中的))。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，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。
在另一实施例中，探测器包括一个或多个光学光电体积描记传感器114(也称为(一个或多个)接触PPG传感器)，其被配置用于安装到对象120的皮肤部分以采集光电体积描记信号。(一个或多个)PPG传感器114例如可以被设计成手指夹的形式或者被设计成用于测量血氧饱和度的腕戴式可穿戴设备或者被设计成用于测量心率的心率传感器，仅举所有可能的实施例的几个示例。
当使用相机112时，系统100还可以任选地包括一光源140(也称为照明源)，例如灯，用于利用光来照射感兴趣区域142，例如皮肤患者面部(例如脸颊的一部分或前额)，例如，在(一个或多个)预定波长范围内或范围(例如，在(一个或多个)红色、绿色和/或红外波长范围内)内的光。响应于所述照射从所述感兴趣区域142反射光被相机112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120。从反射光中，可以仅探测和/或评估若干期望波长范围内的光(例如，绿光和红光或红外光，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130还优选地连接到接口150，用于显示所确定的信息和/或用于这医务人员提供接口来改变设备130、相机112、(一个或多个)PPG传感器114、光源140的设置和/或系统100的任何其他参数。这样的接口150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1所示的系统100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130、相机112、(一个或多个)PPG传感器114和接口150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130，其不被提供为分立的，但被集成到相机112或接口150中。
图5示出了根据本发明的设备130的第一实施例130a的更加详细的示意图。设备130a包括输入接口131，所述输入接口131用于采集(即，采集或接收)至少三个探测信号210，所述至少三个探测信号210源自透射通过对象120的皮肤区域或从对象120的皮肤区域反射的探测到的电磁辐射。探测数据的数据流，即探测信号210，例如由相机112和/或一个或多个PPG传感器114提供，其中，每个探测信号包括不同波长信道中与波长有关的反射或透射信息。
生命体征提取单元132从所述至少三个探测信号中提取相同类型的生命体征的多个候选生命体征232，其中，每个候选生命体征232均从不同探测信号210或至少两个探测信号210的不同组合中提取，
生命体征确定单元133根据所述多个候选生命体征232来确定最终生命体征233。
可靠性信息单元134提供指示所述最终生命体征233和/或所述候选生命体征232中的一个或多个的可靠性的可靠性信息234a，并提供指示所述最终生命体征233和/或所述候选生命体征232中的一个或多个的不可靠性的来源的不可靠性来源信息234b。
不可靠性来源信息可以特别指示对象运动、未预期的血气、血液种类和血液成分中的一种或多种。所有选项都可能改变得到的SpO2输出值。未预期的血液成分通常会移动校准曲线(相对搏动性与得到的SpO2估计值之间的关系)，具体取决于未预期的成分。运动也可能导致错误的SpO2值，但前提是与脉冲信号的强度相比，由于运动引起的信号变化相对较大。所有原因都会以不同的方式影响替代(冗余)测量(导致不同的误差，具体取决于所使用的波长组合)，而运动可以通过引起的信号中较大的方差来识别(并且SpO2值通过每个波长组合趋向)。如果冗余测量提供了不同的SpO2输出，而信号方差是正常的(只是脉冲)，则可以假定一定有未预期的血液成分(例如，吸烟者血液中的CO)。
运动通常是暂时性的问题，等待一会儿(并且保留警报)可能足以稍后再获得更好的测量值(或者可以暂时使用先前的有效测量结果来桥接暂时不可用的新的可靠值)。未预期的血气消退可能需要更长的时间，并且会导致长时间的错误测量。如果对象接近静态(低方差信号)，如果可以确定没有其他“污染物”(例如MetHB)，则甚至可以估算出CO的浓度，或者反之，如果知道对象是非吸烟者且未遭受CO中毒，则可以测量MetHB水平。根据冗余测量的数量，可以在不假设不存在某些血液成分的情况下测量更多的血液成分。
取决于如何以及在何处应用本发明，设备13的各个单元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或部分地用软件实现，并且在连接到一个或多个探测器的个人计算机上执行。一些或所有所需的功能也可以用硬件来实现，例如以专用集成电路(ASIC)或者以现场可编程门阵列(FPGA)。
当更详细地分析图1时，用两个和三个波长进行的测量显示出患者运动期间行为的差异已经很明显。由于所示波长的相对脉动取决于血液的氧合作用，因此可以使用两个不同的波长通道进行测量。不同的波长通道可能对不同的波长间隔或相同的波长间隔敏感，但对各个波长的贡献不同。当使用760nm和800nm作为波长时，从图1可以看出，相对搏动在大约78％的动脉氧合水平附近变得相同。当使用760nm和905nm作为波长时，在大约55％的动脉氧合水平附近，相对脉动相同(该点位于图1之外)。当使用三个波长时，例如在上述引用的文章M.van Gastel,S.Stuijk and G.de Haan,“New principle for measuringarterial blood oxygenation,enabling motion-robust remote monitoring”,NatureScientific Reports,Nov.2016中所提出的，从图1中可以看出，不会出现相等的脉动，这使系统对运动更加稳健，但同时，如果发生过多的运动引起的失真，则结果将更加不可预测。
使用三个波长的系统可以实现四个可能的结果(通过两个波长的三个不同组合以及所有三个波长的组合)，在简单情况下，这些结果应该是相同的，而如果运动失真太大或出现未预期的血气则测量开始偏离。这在图6中进行了图示，其示出了在8分钟的记录期间上述SpO2测量的输出。信号线30示出了使用三3个波长(760nm、800nm和842nm)的测量结果。信号线31示出了使用两个波长760nm和800nm的测量结果。信号线32示出了使用两个波长760nm和842nm的测量结果。在协议的静态部分(总共8分钟的前2.5分钟)中，测量结果一致，然后它们偏离，指示可靠性降低。在最初的几分钟内，对象静止不动，并且通过屏住呼吸几分钟后而创建了SpO2下沉。大约2.5分钟后，对象开始移动，大约4分钟后再次屏住呼吸。
从图6中可以看出，在SpO2高时和在SpO2下沉时，前2.5分钟的所有三个测量值都一致。在此后的一段时间内，随着运动的进行，这三个测量值开始偏离，指示可靠性降低。由于在该实验中，针对所有测量使用了aPBV方法，即两个和三个波长情况，所以所有方法都具有一定的运动鲁棒性。实际上，使用所有三个波长的测量最密切地接近协议，但是运动太强而无法实现可靠的测量。
图7显示了图6中SpO2的三个测量结果的标准偏差σ的图，清楚地指示在最初的几分钟内高的可靠性，而在第二部分中可靠性严重降低(标准偏差更高)，而当对象停止移动且标准差立即下降时，接近协议末尾的可靠性提高。
简要总结，利用本发明，例如图5所示的设备，确定了对象的生命体征。表示透射通过对象的皮肤或从对象的皮肤反射的电磁辐的射具有至少三个通道的时间信号用于使用至少三个通道的组合来从时间信号中提取多个候选生命体征。除了通过选择候选生命体征之一或者通过组合(例如，平均、加权平均等)两个或更多个候选生命体征获得的最终生命体征之外，还生成了候选生命体征中的至少一个和/或最终生命体征的可靠性的指示符，以及关于任何潜在不可靠性的信息。
通常，针对脉冲、呼吸和动脉氧合测量的电磁辐射在400nm至1000nm的范围内，特别是在620nm至920nm的范围内。此特定范围最适合SpO2测量，并且对于睡眠(黑暗)期间的不突兀监测很有吸引力，但是如果需要脉冲或呼吸信号，则谱的可见部分可以提供更高的质量(即NIR不一定在所有情况下都是优选的)。探测信号可以由与皮肤直接接触的光传感器(阵列)和/或使用远程感测对象皮肤的相机采集。
实施例使用PBV方法从三个波长信道的两个或更多个不同组合中提取脉冲信号(或呼吸信号)，例如从[λ1，λ2]，[λ1，λ3]和/或[λ1，λ2，λ3]，其中[λ1，λ2，λ3]可以是RGB摄像机的红绿蓝通道，也可以是在近红外区域中选择的不同波长(区间)，例如[760nm，800nm，905nm]。
在下文中，将简要说明有关PBV方法的一些基本考虑。
心脏跳动会导致心脏内的压力变化，因为心脏会逆着血管床的阻力向血液中泵送血液。由于动脉具有弹性，因此其直径会随压力变化而变化。这些直径变化甚至发生在较小的皮肤血管中，在这些血管中血液体积的变化会导致光吸收的变化。
单位长度归一化的血液体积脉冲向量(也称为特征向量)被定义为PBV，提供红色、绿色和蓝色摄像机信号中的相对PPG强度，即
Figure BDA0002476855650000141
其中，σ指示标准偏差。
为了量化期望值，分别测量了红色、绿色和蓝色通道的响应H红(w)，H绿(w)和H蓝(w)作为全局快门彩色CCD相机1的波长w的函数，对象的皮肤的反射率，ρS(w)，并且使用绝对PPG-幅值曲线PPG(w)。根据这些曲线，例如上面引用的de Haan和van Leest文章的图2中所示，血液体积脉冲向量PBV被计算为：
Figure BDA0002476855650000142
其使用白色卤素照明光谱I(w)得到归一化PBV＝[0.27、0.80、0.54]。当使用噪声更多的曲线时，结果可能是PBV＝[0.29、0.81、0.50]。
通过使用模型预测的血液体积脉冲与在白色照明条件下对多个对象进行平均测量后发现的、实验测量的归一化血液体积脉冲向量PBV＝[0.33，0.78，0.53]相当吻合。给出这个结果，可以得出如下结论：观察到的PPG振幅，特别是红色的，在蓝色摄像机通道中的程度较小，可以很大程度上解释为500至600nm之间的波长的串扰。如模型所示，精确的血液体积脉冲向量取决于相机的色彩滤波器、光的光谱和皮肤反射率。在实践中，尽管给定了一组波长通道，所述向量还是非常稳定的(与基于RGB的向量相比，所述向量在红外方面会有所不同)。
进一步发现，在白色照明下在红色、绿色和蓝色通道中皮肤的相对反射率与皮肤类型的关系不大。这可能是因为无血皮肤的吸收光谱受黑色素吸收支配。尽管较高的黑色素浓度可以显著增加绝对吸收，但是在不同波长下的相对吸收保持不变。这意味着黑色素的增加使皮肤变暗，但几乎不改变皮肤的正常颜色。因此，归一化的血液体积脉冲PBV在白色照明下也非常稳定。在红外波长中，黑色素的影响会进一步减小，因为黑色素的最大吸收发生在短波长(紫外线)下，而对于较长波长则下降。
PBV的稳定特性可用于区分由于其他原因引起的血液体积变化引起的颜色变化，即，稳定的PBV可用作血液体积变化的“特征”以区分其颜色变化。因此，可以使用颜色通道PBV的已知相对脉动来区分脉冲信号和失真。使用已知方法得到的脉冲信号S可以写为各个无DC归一化色彩通道的线性组合(表示“混合”的几种可能方式之一)：
S＝WCn
其中，WWT＝1，并且其中，3x N矩阵Cn的三行中的每行分别包含N个无直流归一化的红色、绿色和蓝色通道信号Rn，Gn和Bn的样本，即：
Figure BDA0002476855650000151
在此，算子μ对应于平均。不同方法之间的关键区别在于加权向量W的计算。在一种方法中，可以将噪声和PPG信号分离为两个独立的信号，将其构建为两个颜色通道的线性组合。一种组合近似了干净的PPG信号，另一种包含由于运动引起的噪声。作为优化准则，可以使脉冲信号中的能量最小化。在另一种方法中，可以使用三个颜色通道的线性组合来获得脉冲信号。
PBV方法通常使用血液体积脉冲向量来获得混合系数，如US 2013/271591 A1和上面引用的de Haan和van Leest的文章中所述。如果使用Rn，Gn和Bn的带通滤波版本，则可获得最佳结果。根据该方法，PBV的已知方向用于区分脉冲信号和失真。这不仅消除了(较早方法的)脉冲是视频中唯一周期分量的假设，而且消除了失真信号取向的假设。为此，与以前一样，将脉冲信号构建为归一化颜色信号的线性组合。由于已知红色、绿色和蓝色通道中脉冲信号的相对振幅由PBV给出，因此搜索权重WPBV，得出脉冲信号S，其与彩色通道Rn、Gn和Bn的相关性等于Pbv
Figure BDA0002476855650000161
并且因此，确定混合的权重通过以下公式来确定
Figure BDA0002476855650000162
并且确定标量k，使得WPBV具有单位长度。结论是，归一化的血液体积脉冲PBV所反映的PPG信号的特征波长依赖性可用于根据在皮肤区域上平均的时间顺序RGB像素数据估算脉冲信号。该算法称为PBV方法。
根据一个实施例，可靠性指示符可以根据度量(例如，频域中的相同峰值(脉冲率)，或类似的SNR，或成对的脉冲信号之间的均方差低)，取决于候选脉冲的相似性来输出可靠性值(关于脉冲或呼吸信号的质量)。
在另一个实施例中，aPBV方法用于从三个波长通道的两个或更多个不同的组合中提取SpO2值，例如从[λ1，λ2]，[λ1，λ3]和/或[λ1，λ2，λ3]中提取。在这种情况下，可靠性指标可以根据度量标(例如，候选值的标准偏差(如图7中所表示)，可能在一段时间间隔内经滤波和/或通过aPBV方法的不同版本提取的脉冲信号的SNR值，和/或(对于接触式传感器)候选SpO2值的相似性结合运动信号的强度，例如，表示患者运动的加速度计信号，和/或(在基于相机的传感器的情况下)如由从对象视频中计算出的运动向量所表示对象运动的强度。
在下文中，将简要说明有关aPBV方法的一些基本考虑。
代替从PPG波形中提取特征，而是aPBV根据使用SpO2“特征”提取的脉冲信号的信号质量间接确定SpO2。该过程在数学上可以被描述为：
Figure BDA0002476855650000171
其中，Cn包含DC归一化的颜色变化，标量k被选择为使得
Figure BDA0002476855650000172
具有单位长度。在
Figure BDA0002476855650000173
中汇编的SpO2特征可以从生理学和光学导出。假设相同的相机，则可以通过以下方式确定N个相机的PPG幅值：
Figure BDA0002476855650000174
这里，PPG振幅谱PPG(λ)可以通过动脉血中主要生色团的两个最常见变体的光吸收谱的线性混合来近似。氧合的(HbO2)和还原的(Hb)：
Figure BDA0002476855650000175
其中，假设对于600<λ<1000nm光路长度差异都可以忽略不计，并且SaO2∈[0，1]。己经认识到，散射的波长依赖的效应可能使该假设无效。使用两个波长时，比率比参数R和aPBV比率参数
Figure BDA0002476855650000176
相符合。波长选择可以基于三个准则：1)希望在临床应用中在黑暗中测量氧饱和度(λ>700nm)，2)具有合理的SpO2对比度，并且3)波长在相机光谱灵敏度内。使用三种波长代替脉冲血氧仪中常用的两种波长的想法是由SpO2测量的鲁棒性提高两倍所激励的。这可以通过在利用相机测量时运动如何影响PPG波形来进行说明。由于运动引起的强度变化在所有波长下都是相等的，因此，如果脉冲特征
Figure BDA0002476855650000181
不等于该运动特征(其可以被描述为具有相等权重的向量)，则对于aPBV方法，可以抑制这些伪迹。
应当注意，即使脉冲质量非常好，也并不总是意味着估计的SpO2值足够可靠并且可以信任。当使用导致SpO2校准曲线偏移的未预期的血液种类(例如COHb)时，即当使用PBV方法或aPBV方法进行脉冲提取时，引起不同的特征向量以导致最佳脉冲质量时，尤其可能发生这种情况。
图8示出了根据本发明的设备130b的第二实施例的示意图。在该实施例中，除了设备130a的第一实施例的元件之外，还可以提供其他元件。
特别地，可以提供脉冲信号计算单元135，其如上所述从所述至少三个探测信号210计算多个脉冲信号235。由此，尤其是使用PBV或PBV方法，可以从不同的探测信号或至少两个探测信号的不同组合中提取每个脉冲信号235。
此外，可以提供输出单元136，例如显示器，扬声器，计算机等，其输出最终生命体征233以及可靠性信息234a和/或不可靠性来源信息234b。
更进一步，可以提供控制单元137，其基于最终生命体征233并且基于可靠性信息234a和/或不可靠性来源信息234b生成用于控制(外部)警报单元，所述(外部)警报单元被配置为发出警报并输出产生的警报控制信号237。
在一个实施例中，所述控制单元137被配置为至在探测到生命体征的可靠性低的情况下产生警报控制信号237，所述警报控制信号237至少暂时地抑制警报(例如，SpO2低、呼吸停止、异常脉搏等)。这可以防止令人烦恼的错误警报，在当前的临床实践中，这些错误警报有时会导致警报疲劳。如果是由患者的(时间)运动引起的，这种抑制可能是最实际的，但是如果由于未预期的血液成分而消失，则这种抑制就不那么实用了，因为它们将花费更长的时间才能消失。显然，如果不可靠性持续时间过长，警报的抑制可能很危险，并且这种暂时性抑制的持续时间可能取决于生命体征和对象的状态(即，在ICU/NICU可能与一般病房不同)和诊断的原因的不可靠性，即运动vs血液成分系。
在另一个实施例中，所述控制单元137被配置为生成警报控制信号237，所述警报控制信号237触发警报，例如以指示可能的意外血液物质(CO，MetHB等)和/或对象运动禁止适当的生命体征测量。众所周知，所有SpO2测量设备在出现重大未预期的血液成分(例如CO或MetHB)的情况下均会出现校准错误，并且此功能可以发出信号通知此类事件以防止误诊。
在后一种情况下，所述控制单元137可以使用基于候选生命体征的不相似性的度量，结合例如通过加速度计(接触传感器)或在对象的视频上操作的运动估计器(例如，光流)建立的或通过解读不同波长通道中的方差建立的(运动可能导致所有波长通道中的方差更大)对象运动的低概率。这确保了候选者之间的差异不是由过度运动引起的，而是由替代的血液成分引起的。此外，在使用相机的情况下，可以预期在所有波长通道中的相对强度(AC/DC)相同。这也可以从各个SpO2测量结果趋向于一个预先确定的值(取决于所使用的波长通道的组合)观察到。
可以将上述方法应用于使用接触传感器和/或非接触传感器采集的探测信号。举例来说，本发明可以应用于健康护理领域，例如，不突兀的远程患者监视，一般监视，安全监视以及所谓的生活方式环境，例如健身器材，健身/健康手表/表带(通常是腕带)，等等。应用可能包括监测血氧饱和度(脉搏血氧饱和度)、心率、血压、心输出量、血液灌注的变化、自主神经功能评估、呼吸作用和外围血管疾病的探测。本发明可以例如用于例如在自动CPR(心肺复苏)期间对危重患者的快速和可靠的脉搏探测。该系统可用于监测皮肤非常敏感的新生儿的生命体征，例如在重症监护病房(NICU)中以及皮肤受损(例如烧伤)的患者，但也可能比普通病房中使用的接触式传感器更方便。防止误报和可靠性指标对于此类产品的成功至关重要。
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图示性或示范性的，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完成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。
计算机程序可以存储/分布在与其它硬件一起或作为其它硬件的部分来提供的合适(非瞬态)介质中，例如光存储介质或固态介质，但也可以用其它形式来发布，例如经由互联网或者其它有线或无线电信系统。
权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于确定对象的至少一个生命体征的设备，所述设备包括：
输入接口(131)，其被配置为获得至少三个探测信号(210)，所述至少三个探测信号从透射通过对象的皮肤区域或从对象的皮肤区域反射的探测到的电磁辐射导出，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的与波长相关的反射或透射信息，
生命体征提取单元(132)，其被配置为从所述至少三个探测信号中提取相同类型的生命体征的多个候选生命体征(232)，其中，每个候选生命体征从不同探测信号中或从至少两个探测信号的不同组合中提取，
生命体征确定单元(133)，其被配置为根据所述多个候选生命体征来确定最终生命体征(233)，以及
可靠性信息单元(133)，其被配置为提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征可靠性的可靠性信息(234a)并且提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征不可靠性来源的不可靠性来源信息(234b)。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述可靠性信息单元(134)被配置为提供指示对象运动、未预期的血气、血液种类和血液成分中的一个或多个的不可靠性来源信息。
3.根据权利要求1所述的设备，
还包括脉冲信号计算单元(135)，所述脉冲信号计算单元被配置为根据所述至少三个探测信号来计算多个脉冲信号(235)，其中，每个脉冲信号是从不同的探测信号中或从至少两个探测信号的不同组合中提取的。
4.根据权利要求3所述的设备，
其中，所述脉冲信号计算单元(135)被配置为使用基于血液体积向量的PBV或自适应PBV方法来根据所述至少三个探测信号计算所述多个脉冲信号(235)。
5.根据权利要求3所述的设备，
其中，所述脉冲信号计算单元(135)被配置为使用用于每个脉冲信号的计算的不同的特征向量来根据所述至少三个探测信号计算所述多个脉冲信号(235)，所述特征向量在所述至少三个探测信号中提供所述脉冲信号的预期相对强度，其中，脉冲信号的所述计算涉及至少两个探测信号的加权组合。
6.根据权利要求3所述的设备，
其中，所述可靠性信息单元(134)被配置为通过比较所述脉冲信号来确定所述可靠性信息和所述不可靠性来源信息。
7.根据权利要求6所述的设备，
其中，所述可靠性信息单元(134)被配置为，根据脉冲信号相似性度量，尤其是在频域中，或者根据SNR，或者根据所述脉冲信号对之间的低的均方差，来基于所述脉冲信号的相似性来确定所述可靠性信息和所述不可靠性来源信息。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述生命体征提取单元(132)被配置为从至少两个探测信号的不同组合中提取多个候选SpO2值作为候选生命体征，其中，所述生命体征确定单元(133)被配置为根据所述多个候选SpO2值确定最终SpO2值，并且
其中，所述可靠性信息单元(134)被配置为根据SpO2相似性度量，特别是根据候选SpO2值的标准偏差，任选地在时间区间内被滤波，或者根据通过自适应PBV方法的不同版本从所述至少两个探测信号中提取的脉冲信号的SNR值，或者根据候选SpO2值的相似性与表示对象运动的运动信号的强度的组合，基于所述候选SpO2值的相似性来确定所述可靠性信息和所述不可靠性来源信息。
9.根据权利要求1所述的设备，
还包括输出单元(136)，所述输出单元被配置为输出所述最终生命体征以及所述可靠性信息和/或所述不可靠性来源信息。
10.根据权利要求1所述的设备，
还包括控制单元(137)，所述控制单元被配置为基于所述最终生命体征以及基于所述可靠性信息和/或所述不可靠性来源信息来生成警报控制信号(237)，所述警报控制信号用于控制被配置为发出警报并且被配置为输出生成的警报控制信号的警报单元。
11.根据权利要求10所述的设备，
其中，所述控制单元(137)被配置为生成在所述最终生命体征的低可靠性的情况下抑制警报的警报控制信号(237)，并且/或者被配置为生成触发指示未预期的血气和/或对象运动导致所述最终生命体征的低可靠性的警报的警报控制信号(237)。
12.根据权利要求10所述的设备，
其中，所述控制单元被配置为使用基于所述候选生命体征的不相似性与对象运动的低概率的组合的度量。
13.一种用于确定对象的至少一个生命体征的系统，所述系统包括：
探测器(110；112、114)，所述探测器用于探测从对象的皮肤区域透射或反射的电磁辐射，并且从探测到的电磁导出至少三个探测信号，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的与波长相关的反射或透射信息，以及
根据权利要求1所述的设备(130)，其用于根据所述至少三个探测信号来确定所述对象的至少一个生命体征。
14.一种用于确定对象的至少一个生命体征的方法，所述方法包括：
获得至少三个探测信号(210)，所述至少三个探测信号从透射通过对象的皮肤区域或从对象的皮肤区域反射的探测到的电磁辐射导出，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的与波长相关的反射或透射信息，
从所述至少三个探测信号中提取相同类型生命体征的多个候选生命体征(232)，其中，每个候选生命体征从不同探测信号或至少两个探测信号的不同组合中提取，
从所述多个候选生命体征确定最终生命体征(233)，并且
提供指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征可靠性的可靠性信息(234a)以及指示所述最终生命体征和/或所述候选生命体征中的一个或多个的候选生命体征不可靠性来源的不可靠性源信息(234b)。
15.一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当所述计算机程序在计算机上执行时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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