CN112272538A - 用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法 - Google Patents

用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112272538A
CN112272538A CN201980039485.6A CN201980039485A CN112272538A CN 112272538 A CN112272538 A CN 112272538A CN 201980039485 A CN201980039485 A CN 201980039485A CN 112272538 A CN112272538 A CN 112272538A
Authority
CN
China
Prior art keywords
detection
unit
radiation source
subject
detection signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980039485.6A
Other languages
English (en)
Inventor
G·德哈恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips NV filed Critical Koninklijke Philips NV
Publication of CN112272538A publication Critical patent/CN112272538A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/02416—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate using photoplethysmograph signals, e.g. generated by infrared radiation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14558—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters by polarisation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0077—Devices for viewing the surface of the body, e.g. camera, magnifying lens
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14542—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring blood gases
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
    • A61B5/14557—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases specially adapted to extracorporeal circuits
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/04—Arrangements of multiple sensors of the same type
    • A61B2562/046—Arrangements of multiple sensors of the same type in a matrix array

Abstract

本发明涉及一种用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法。为了提高环境光稳定性，所述系统包括照射单元(2)，其被配置为照射所述对象的皮肤区域，所述照射单元包括第一辐射源(20)和第二辐射源(21)，所述第一辐射源(20)和第二辐射源(21)被配置为在两个或多个波长通道内和/或在两个或更多个偏振通道内分别发射以不同方式调制的电磁辐射，检测单元(4)，其被配置为检测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射并生成检测信号，其中，所述检测单元(4)包括多个检测元件，并且其中，检测信号由每个检测元件或两个或多个检测元件的组生成，处理单元(11)，其被配置为对应于由照射单元应用的调制来解调所述检测信号，以获得经解调的检测信号，以及生命体征确定单元(5)，其被配置为针对每个波长或偏振根据相同时刻处的所述经解调的检测信号来确定统计量度，并且从所述统计量度提取生命体征。

Description

用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法
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系统和方法。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸频率(RR)或(外周的或搏动的)血氧饱和度(SpO2；其提供对动脉血氧饱和度SaO2的估计值)，用作对人的当前状态的指示，并且用作严重医学事件的有力预测器。因此，在住院患者和门诊患者护理场所、在家中或在其他健康、休闲和健身场所中，对生命体征进行广泛地监测。
测量生命体征的一种方法是体积描记法。体积描记法总体上是指测量器官或身体部位的体积变化，并且具体地是指检测由于随着每次心跳都穿过对象的身体的心血管脉搏波引起的体积变化。
光电体积描记法(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或透射随时间的变化。PPG基于以下原理：血液比周围组织吸收更多的光，因此血液量随每次心跳的变化相应地影响透射或反射。除了有关脉搏率(心率)的信息外，PPG波形(也称为PPG信号)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(典型地红色和红外线)处的透射和/或反射，能够确定血氧饱和度。
用于测量对象的脉搏率和(动脉)血氧饱和度的常规脉搏血氧仪(在本文中也称为接触式PPG设备)附接至对象的皮肤，例如指尖、耳垂或前额。因此，它们被称为“接触式”PPG设备。尽管接触式PPG基本上被认为是一种非侵入性技术，但是接触式PPG测量通常令人不快且引人注目，因为脉搏血氧计被直接附接到对象，并且电缆限制了移动的自由度，并可能阻碍工作流程。
在过去的十年中，已经提出了用于非干扰性测量的非接触式远程PPG设备(也称为基于相机的设备或视频健康监测设备)。远程PPG利用与感兴趣对象以一定距离布置的光源或总体上的辐射源。类似地，检测器(例如相机或光电检测器)能够被布置在距感兴趣对象一定距离处。因此，远程光电体积描记法系统和设备被认为是非干扰性的，并且非常适合医学以及非医学日常应用。
使用PPG技术，能够测量生命体征。通过由脉动的血液体积引起的皮肤中的微小光吸收变化(即，通过血液体积脉冲引起的人皮肤的周期性颜色的变化)来揭示生命体征。由于这种信号非常小，并且由于照射变化和运动而隐藏在更大的变化中，因此对于改善基本上较低的信噪比(SNR)总体上很感兴趣。仍然存在要求很高的情况，包括剧烈运动、具有挑战性的环境照射条件或严格的精度要求，这需要改善的生命体征测量设备和方法的稳定性和准确性，尤其是对于更关键的医学保健应用而言。
视频健康监测(监测或检测例如心率、呼吸频率、SpO2、心电图、精神错乱(delirium)等)是一个有前途的新兴领域。对于皮肤脆弱或需要长期生命体征监测的患者，例如NICU患者、大面积烧伤患者、移除接触式传感器的精神病患者或必须在睡眠期间在家进行监测的COPD患者，其固有的非干扰性具有明显的优势。在诸如普通病房或急诊室的其他环境中，非接触式监测的舒适性仍然是有吸引力的特征。
重要的生命体征之一，即血氧饱和度(SpO2)的测量最近已显示出利用基于相机的rPPG是可行的。SpO2测量需要准确检测相对脉动，即在不同波长通道中脉动信号(AC/DC)的标准化幅度。对于远程测量的准确性有两个主要威胁。第一个是与噪声相比，脉动性较低，第二个是，心动描记法(BCG)运动修改每个通道中的相对脉动性。
除了氧饱和度外，其他动脉血液气体和血液种类，例如HBCO、MetHB、HBCO 2、胆红素的饱和度可以使用相同的技术(略有调整)来获得，并且也受到本发明旨在解决的相同的威胁。利用该技术来选择动脉血液成分，因为仅假定动脉血液以心脏活动的节奏脉动。假设类似地，呼吸循环包括静脉系统中的体积变化，这意味着在不同波长的呼吸节律下脉动的相对强度可以用于分析静脉血液成分，例如以估计静脉血氧饱和度(SvO2)。
在成为一个充满希望的新领域的同时，必须克服许多挑战。远程PPG系统的缺点是，当强环境光干扰对想要的用于远程PPG的皮肤辐射时，它们的稳定性通常会受到损害，同时皮肤分段通常很困难，并且多光谱相机的价格昂贵。
因此，需要一种即使在环境照射或干扰的情况下也能够确定对象的至少一个生命体征以获得具有更高可靠性和稳定性的结果的改进的系统和方法。
US 2014/0243622 A1公开了一种光电体积描记法设备，其包括用于照射目标物体的光源。调制器驱动光源，使得输出强度作为调制频率处的调制信号的函数而变化。检测器接收来自目标物体的光，并生成作为接收到的光的强度的函数的电输出。具有本地振荡器的解调器接收检测器输出，并产生对调制信号和振荡器之间的任何相位差均不敏感的解调输出，指示作为时间和/或血液成分的函数的血液体积。可以提供许多解调器，以得出来自不同波长的多个光源或来自检测器阵列的信号。体积描记器可以在透射模式或反射模式下进行操作。当在反射模式下时，设备可以使用光谱的绿色部分，也可以使用偏振滤波器。
其他现有技术可以在WO 2016/166651 A1和WO 2011/117780 A1中找到。
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系统和方法，通过所述系统和方法，即使在环境照射或干扰的情况下，也能够获得具有更高可靠性和稳定性的结果。
在本发明的一个方面中，提出一种系统，所述系统包括
-照射单元，其被配置为照射对象的皮肤区域，所述照射单元包括第一辐射源和第二辐射源，所述第一辐射源和第二辐射源被配置为在两个或更多个波长通道内和/或在两个或更多个偏振通道内发射以不同方式调制的电磁辐射，
-检测单元，其被配置为检测从对象的皮肤区域反射的电磁辐射并生成检测信号，其中，检测单元包括多个检测元件，并且其中，检测信号由每个检测元件或两个或更多个检测元件的组生成，
-处理单元，其被配置为对应于由照射单元应用的调制来解调检测信号，以获得经解调的检测信号，以及
-生命体征确定单元，其被配置为针对每个波长或偏振通道根据相同时刻处的所述经解调的检测信号来确定统计量度，并且从所述统计量度提取生命体征。
在本发明的另一方面中，提供一种相应的方法。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法具有与所要求保护的系统相似和/或相同的优选实施例，具体地如从属权利要求中所定义的和本文所公开的。
远程PPG系统的缺点是，例如常规地用于检测从对象的皮肤区域反射(或透射穿过)的电磁辐射的相机具有相对较低的时间采样频率(即图片速率)，这阻碍了对环境照射能够使非常稳定的低成本(频率/相位多路传输)的多波长解决方案。使用HF-调制光的稳定性来自以下事实：环境照射光谱通常不会呈现很多的高频。使用光源的高频调制，以及解调来自相机的信号，使系统几乎看不到环境光的变化。这仅在相机允许捕获HF-调制光所需的高采样率的情况下才能够有效，相机技术的当前状态严重限制了该技术。
相机要处理的与环境光有关的另一个问题是它们具有非常有限的动态范围，典型地，使用8位或最大12位亮度量化。这意味着，即使使用频率调制，如果附加的非调制环境光比调制光更强，则调制光也能够通过光学传感器的削波而丢失，这在太阳光下很容易发生。
与相机的使用有关的另一个问题涉及隐私，本发明也能够解决该问题。
所提出的用于远程PPG的系统能够通过选择用于检测电磁辐射并用于生成检测信号的检测单元来有效消除这些缺点中的一个或多个，从所述检测信号中能够导出统计信息，其允许处理具有来自非皮肤表面的光反射的皮肤区域的内在污染。优选地，使用低分辨率2D传感器，例如设置为小阵列的光电二极管，从而使非常高的采样率和较大的动态范围变为可行的。这允许HF调制辐射源，并且能够与其非常大的动态范围相结合提供强大的环境光稳定性。
照射单元包括两个辐射源，用于在两个或更多个波长通道和/或两个或更多个偏振通道中以不同方式发射调制的电磁辐射。照射单元可以例如通过诸如LED的单独的辐射(例如光)发射元件来实现。
每个检测信号因此被(分别)解调两次(对应于第一辐射源和第二辐射源应用的调制)，即，每个所测量的检测信号获得两个经解调的检测信号。换言之，利用不同的调制频率解调检测单元的每个像素，以获得针对每个波长或偏振通道的像素值。
从统计量度提取生命体征。作为范例，如果检测单元中存在16个光电二极管，每个生成一个检测信号，并且如果存三个波长通道，优选地，从所述检测信号中，每个波长信道生成至少两个统计量度，即，总共导出六个统计量度。在实施例中，每个波长信道获得向心趋势度量(例如，针对每个波长的所有像素的平均值或中位数)和分散度量(例如，针对每个波长的所有像素的方差)。然后从六个统计量度中提取生命体征(每三个波长通道两个度量)。
如本文所使用的，统计量度(也称为统计参数值)能够涉及指示检测单元的像素的值的测量值。统计分散(也称为可变性、散射或散布)能够指示分布被拉伸或压缩的程度。统计分散的测量值的常见范例是方差、标准偏差和四分位数范围。能够通过连结随时间变化的相应检测信号的统计量度来确定候选信号。例如，在每一个时刻处，确定在该时刻的像素值的标准偏差值，并且随后的标准偏差值形成随时间的候选信号。
因此，根据本发明，使用空间统计信息(即，空间域中的统计量度)(例如，包括检测元件阵列的2D检测单元的样本的摘要统计信息)。这种空间统计信息不同于时间统计信息(例如，可以看作与解调周期信号在时间上相关的解调)，所述时间统计信息目的在于总结通过结合来自同一检测元件(例如像素)的时间上连续的样本而获得的样本集合，即，时间信号的时域统计信息。相反，本发明使用由不同检测元件或检测元件的组在相同时间上获取的多个检测信号的样本的空间统计信息(即，例如低分辨率2D传感器阵列的检测单元的像素)。
可选地，可以执行诸如对候选信号进行标准化的附加步骤，例如通过将其除以其(移动窗口)时间平均值、取其对数和/或除去偏移量。此外，(前置-)处理步骤，诸如通过加权图对像素进行加权、对(加权的)检测信号调整大小、重新缩放，重新采样或裁剪。本文所使用的(加权的)检测信号因此也可以涉及这种(前置-)处理过的(加权的)检测信号。
在此应当注意，本文所使用的术语“光”和“辐射”总体上应理解为相同的含义，具体地是指在可见光和红外线光谱中的电磁辐射。优选地，根据本发明，使用在400nm至1000nm范围内的辐射。
根据实施例，所述统计量度指示标准偏差、方差、平均绝对差、中值绝对差和/或四分位数范围中的至少一个。因此，代替在感兴趣区域中的平均像素的常规方法(即，评估向心趋势度量)，评估指示统计分散的统计量度。
根据实施例，第一辐射源和第二辐射源被配置为发射不同波长或波长范围或混合波长的电磁辐射。然后能够根据这些调制的波长通道对(伪)-颜色信号进行稳定地解调。
在另一实施例中，第一辐射源和第二辐射源被配置为发射具有不同偏振的电磁辐射。还能够在一个实施例中实现两个选项。这可以进一步提高环境光稳定性和/或降低对镜面反射的灵敏度。
可选地，照射单元被配置为在高于1kHz的范围内，具体地在从10kHz至100MHz的频率范围内应用调制频率来调制所发射的电磁辐射。这能够将它们从环境照射变化中清楚地区分开。在办公室中，当前的荧光灯发射出具有潜在谐波的100/120Hz，而最近的LED通常发射出范围高达kHz的强频率。一些可调光的荧光灯甚至可以发射高达20kHz的频率。因此，为了防止所有可想象的干扰，优选使用相当高的频率。这些频率显然无法通过当前的相机技术获得。因此，本实施例提供良好的对环境光变化的稳定性。
第一辐射源可以被配置为应用用于调制所发射的电磁辐射的第一调制频率，所述第一调制频率与由第二辐射源所应用的用于调制所发射的电磁辐射的第二调制频率相距至少8Hz。这能够良好地分离波长通道，并且还有助于提高对环境光的稳定性。
检测单元优选地包括多个检测元件，具体地包括多个光电二极管阵列、CCD阵列或CMOS阵列单个光电二极管或光电二极管阵列，这代表了廉价但有效的解决方案。例如，可以使用相对较小的光电二极管阵列，即刚好足够大以捕获单独的偏振方向的阵列或者配备有单独的滤波器以进一步改善环境光稳定性的阵列。
系统还可以包括偏振单元，其被配置为对从对象的皮肤区域反射的电磁辐射应用偏振。例如，可以将单个(共用)偏振器布置在检测单元的所有像素的前面。解调之后，能够同时获得交叉和平行偏振通道。在另一个实施方式中，一些检测元件可以具有与第一辐射源的第一偏振相同的偏振器，并且其他检测元件可以具有与第二辐射源的第二偏振相同的偏振器。
系统还可以包括光学滤波器单元，其被配置为对从对象的皮肤区域反射的电磁辐射进行滤波，以仅允许由照射单元使用的调制频率通过。在具有成本效益的实施例中，提供仅透射在调制辐射源中使用的波长的共用滤波器。这使传感器对所有其他波长都“失明”，因此提高环境光稳定性(通常环境光具有非常宽的光谱(例如，太阳光))。在另一实现方式中，可以为单个像素提供滤波器，所述滤波器通过少于全部所使用的波长(例如，在由辐射源发射3种不同波长的情况下，仅通过一个或两个波长)。然而，这减少了每个波长的有效像素数，而进一步提高了环境光稳定性。即使在所使用的不同滤波器的数量等于波长的数量的情况下(例如三个LED和具有不同的所匹配的滤波器的三组像素)，由于(例如由运动引起的)波长区间的大多数变化可能在调制频率附近的窄带中不会下降，因此调制是有帮助的。
处理单元还可以被配置为对检测信号应用同步解调以获得经解调的检测信号。
能够使用已知技术来执行基于候选信号的对象的生理参数(例如生命体征)的提取。范例性技术包括但不限于，在不同波长通道(RGB，IR)的候选信号上评估固定加权和、有利地涉及两个候选信号的盲源分离技术(例如基于选择最大脉动的独立信号的盲源分离)、主成分分析(PCA)、独立成分分析(ICA)、CHROM(基于色度的脉冲提取)、POS(其中在与肤色矢量正交的平面中提取脉冲)、PBV方法(使用血液体积脉冲矢量的预先确定的签名)或APBV(PBV方法的自适应版本，还允许血氧饱和度的检测)。应当注意，可以将可选的预处理应用于候选信号，例如校正一个或多个通道的增益，以进一步提高性能。
因此，在实施例中，生命体征确定单元被配置为通过加权组合对经解调的检测信号进行线性组合来根据经解调的检测信号确定生命体征，其中，所述加权组合的权重通过盲信号分离，具体地通过主成分分析或独立成分析，并通过根据预定标准选择组合检测信号的成分通道来确定。
在另一实施例中，生命体征确定单元被配置为通过使用权重的加权组合对经解调的检测信号进行线性组合从而产生脉冲信号来根据经解调的检测信号确定生命体征，对于所述脉冲信号，与原始检测信号的乘积等于由各个签名矢量所表示的相对脉动相等，签名矢量提供原始检测信号中的检测信号的预期相对强度。
第一辐射源和第二辐射源中的至少一个被配置为发射可控的窄辐射束。为此目的，可以提供控制单元。因此可以控制由辐射源发射的辐射射束的方向、射束宽度和强度中的一个或多个。这可以例如用于主要照射或仅照射对象的皮肤部分，而不照射对象的其他部分或她/他的环境。
最有效地，照射单元被配置为利用在300nm到1000nm的波长范围内的电磁辐射来照射对象的皮肤区域。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些及其他方面将变得显而易见。
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系统的第二实施例的示意图；
图3示出了根据本发明的系统的第三实施例的示意图；并且
图4示出了根据本发明的系统的第四实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于确定对象50的至少一个生命体征的系统1的第一实施例的示意图。对象50可以是例如躺在医院或其他医学设施的床上的患者，但也可以是例如躺在恒温箱中的新生儿或早产儿，或者在家中或其他环境中的人。
系统1包括照射单元2，其被配置为照射对象50的皮肤区域。照射单元2包括第一辐射源20和第二辐射源21，它们被配置为发射两个或更多个波长通道中和/或两个或更多个偏振通道中的以不同方式调制的电磁辐射。例如，辐射源可以被配置为LED。在实施例中，可以提供多个辐射源，即多于两个的辐射源。
辐射源20、21可以是可控的。为此目的，可以提供被配置为控制照射单元2的辐射源21、22的控制单元3，其可以例如是控制器或处理器。
系统1还包括检测单元4，其被配置为检测从对象50的皮肤区域反射的电磁辐射，并且根据检测到的电磁辐射来生成检测信号。检测单元4可以例如是单个光电二极管或光电二极管阵列。
系统1还包括处理单元11，其被配置为对应于由照射单元2应用的调制来解调检测信号，以获得经解调的检测信号。
最后，系统1包括生命体征确定单元5，其被配置为针对每个波长或偏振通道根据所述经解调的检测信号来确定统计量度，并且从所述统计量度中提取生命体征。处理单元11和/或生命体征确定单元5可以例如是处理器或计算机或专用硬件。
系统1还可以可选地包括接口6，其用于显示所确定的信息和/或用于向医务人员提供改变系统组件的设置的接口。这样的接口可以包括不同的显示器、按钮、触摸屏、键盘或其他人机接口装置。
如果辐射源是例如LED，则所发射的电磁辐射的调制最容易通过调制通过LED的电流来实现。电子电路可以提供围绕偏置值调制的电流，例如以正弦形式(尽管其他波形也是可能的，并且可以是有吸引力的)。对于除LED以外的光源，可能很难利用光源本身实现这种HF调制，因此可以附加地使用光学调制器来实现所发射的电磁辐射的调制。
如图1所示的系统1可以例如位于医院、保健设施、老人护理设施等中。除了监测患者之外，本发明还可以应用于其他领域，例如新生儿监测、总体监测应用、安全监测或所谓的生活方式环境，例如健身器材、可穿戴式手持式设备，如智能手机等。系统1的两个或更多个组件之间的单向或双向通信可以经由无线或有线通信接口来工作。
图1所示的实施例是低成本的实施例，特别适合于自动化应用。照射单元2和检测单元4正在通过共用光学元件7(例如，共用透镜)观察具有对象50的场景。由于对象50的面部相对靠近照射单元2，因此其反射的光远多于对象后部的表面。在这样的范例性实施例中可以使用半透明镜8，但是在实践中可能不能充分地抑制朝向检测单元4的直射光，即，可以替代地使用用于照射单元2和检测单元4的单独的透镜。
优选地在检测元件的2D阵列中，解调来自检测单元4的各个检测元件的信号，以检索每个检测单元4的不同的波长/偏振通道。接下来，针对各个波长/偏振通道计算统计量度，例如向心趋势(例如，来自阵列的所有解调的检测器信号或通道的均值或中值)，以及分散(例如，来自阵列的所有解调的检测器信号或通道的方差或标准偏差)度量，以处理落在某些检测元件上的反射光(的一部分)可能来自非皮肤表面的事实(应当注意，总体上不使用感兴趣区域(RoI)检测器，但整个检测信号集代表皮肤和某些背景(可能被视为污染的RoI))。
最后，从通道(优选地所有通道)的统计量度中提取生命体征，例如，PPG信号(脉冲)能够作为所有波长通道的统计量度的线性组合来获取。通常，任何先前报告的方法(PCA、ICA、PBV、CROM、POS、APBV、PBVGOP)都能够应用于各个统计量度，例如PCA应用于均值，PCA应用于方差，得出两个PPG信号，通过选择或组合从其中获得输出PPG信号，例如使用质量指标(例如，光谱的偏度、标准化光谱中最高峰的高度等)进行线性加权。这种选择的背景是，在少数通道对应于非皮肤表面的情况下，均值效果很好，而在大部分通道对应于非皮肤并且可能只有少数通道对应于皮肤的情况下，方差效果更好。
通常，用于脉冲、呼吸和血氧饱和度测量的电磁辐射在400nm至1000nm的范围内，具体地在620nm至920nm的范围内。这个具体范围是最适合SpO2测量的，并且对于睡眠期间的非干扰性监测具有吸引力(对于近乎黑暗的情况，进一步限制在760nm至920nm的范围可能是更优选的)，但是，光谱的可见光部分可以允许较高的质量，以防光的可见性是非干扰的(即，NIR不一定在所有情况下都是优选的选项)。检测信号可以通过远程感测对象皮肤的光电传感器(或光电传感器阵列)来采集，即至少某些皮肤需要由检测器进行成像，但是检测器也可以会看到一些背景。
通过使用照射单元2，原则上能够防止或最小化非皮肤表面的照射。能够使用各种方法来实现这一点，但是范例是将照射嵌入到反馈环路中，其中，通过改变照射单元的“像素”的强度来优化所提取的PPG信号的质量(例如SNR)。
在实际实施例中，照射单元2可以以一种调制的(频率或相位)方式在至少两个或三个不同的波长区间(RGB，或使用NIR的不可见波长)中发射辐射，以实现环境光的稳定性。(伪)色彩信号随后能够从这些调制的波长通道稳定地解调(或者备选地，从配备有不同光学滤波器的不同光电二极管获得，在这种情况下，调制仅对环境光具有增强的稳定性，并且对于所有波长能够是相同的(即相同的调制频率))，并且，能够稳定地使用已经针对基于相机的提取所提出的相同基础算法(例如ICA，PCA，CHROM，POS，(A)PBV方法等)从波长通道移动提取PPG信号，下面将对此进行详细说明。
为了获得对于环境照射变化的良好的稳定性，照射单元2能够以相对高的频率(例如，在1kHz到几个MHz之间)来调制，其中，能够预期环境光光谱通常是相当干净的，并且因此不会引起对解调的波长通道的干扰。因为检测器是高速检测器，例如光电二极管，而不是通常在远程PPG应用中使用的成像传感器，所以这些高频更容易实现。尽管通道不需要分开非常远，但是能够在不同的频率下调制不同的波长/偏振(在单色检测器的情况下)。大约8Hz的分隔就已经足够了，因为对于最大的人的脉搏率，由脉冲信号引起的边带被限制为大约+/-4Hz。
在另一实施例中，通过使用检测单元(例如，光电检测器)来改善环境光稳定性，所述检测单元配备有光学滤波器，其可选择地透射在调制的照射单元中使用的波长，但是例如借助于可见光阻挡滤波器阻挡所有(或大部分)其他环境光。
另一实施例可以通过对所使用的每个波长使用单独的光电检测器来提高环境光稳定性，其中，每个光电检测器可以配备有与光学滤波器匹配的照射单元。
为了提高环境光的稳定性或降低对镜面反射的灵敏度，可以在检测单元和/或照射单元的前面使用偏振器。得到利用通过不同的偏振滤波器获得的两个信号本身也可以允许比单个信号更干净的组合(部分独立)的信号。这使具有单一波长的选项成为可能，或者提供比没有偏振器时多两倍的待组合的检测信号。
用于控制照射单元2的控制单元3可以被配置为控制来自照射单元2的(总体上相对较窄的)射束30的方向和/或宽度和/或强度，使得例如，使用相同的优化标准，照射尽可能多的皮肤，并尽可能少地照射非皮肤表面。优选地，可以单独地或成组地控制辐射源21、22以实现该效果。
在图1所示的系统1的实施例中，能够复用不同的波长或者能够以不同的频率调制多个LED(不同的波长)。非常高的调制频率(kHz-MHz)是可能的，并且使用例如产品检测器(或外差解调器)的良好的分离也是可能的。例如，可以通过在具有正弦波和余弦波的滑动分析窗口上计算内积，并且计算平方内积的平方根，最后从滑动窗口处理得到的值进行低通滤波(例如4Hz截断)来影响解调。高调制频率防止具有运动的问题，并且能够使系统对于环境照射非常稳定，即，频率选择性使系统对通常低于1kHz(对于经典光源是50/100Hz，对于LED灯是数百Hz)的环境照射变化“失明”，并且低于100kHz。在这种情况下，脸部的相对接近度(与背景相比)能够避免对像素化的光的需要，或者备选地，对象正后方的高吸收背景能够避免对非皮肤表面的破坏性贡献。
图2示出了根据本发明的系统100的另一实施例的示意图。主要示出了照射单元和检测单元，同时省略了系统的其他部件，如控制单元和生命体征检测单元。
在系统100的实施例中，有可能使照射单元2向例如对象50投射窄的射束30，例如，射束30宽度仅够允许作为汽车驾驶员时移动的必要的自由度，并且使检测单元4以类似的窄视角40观察对象50。因此，与系统1不同，在本实施例中，光源光路和传感器是分离的。由于最靠近照射单元2，面部被照射地最多，因此背景对信号质量的影响很小(或高吸收背景(例如头枕))。因此，皮肤/面部对检测器阵列上的光贡献最大(显著)，但是一个或多个统计量度的使用允许生命体征提取，即使当存在来自非皮肤表面的检测光的污染时。
光路30和40都是窄的，并且假设它们的交点主要包含皮肤，即使背景不是黑色的，PPG信号也将具有良好的质量。在某些应用程序中，使用深色背景也是可行的选择。如果背景在从场景的反射的光中起到重要作用，则仍然能够通过组合由一个或多个统计量度(例如，向心趋势和分散)形成的信号来获得高质量的PPG信号。
使用光电二极管作为检测单元，其检测信号能够在kHz范围内同步解调。例如，在频率复用中调制的3波长系统(例如，使用760nm、800nm和900nm)能够使它的中心频率在10kHz左右，波长信道至少相隔8Hz，例如10、11或12kHz。由于可能的脉冲频率范围(0.5-4Hz，这会给调制频率提供+/-4Hz的边带)，因此这种分离方式是优选的。因此，它们应当相距8Hz以防止干扰。
但是，还有其他干扰考虑。辐射源(例如LED)中的非线性引起调制频率的谐波，这也不应当引起其他波长的脉冲带中的干扰(例如10kHz调制频率引起20、30、40等kHz的谐波)。如果任何解调器将这些谐波中的任何一个混合到脉冲频率带中，则产生干扰(例如，当使用针对波长1的10kHz时，其他调制频率也应避开(stay clear)40kHz+/-32Hz以避免干扰)。
因此，选择调制频率可能会有各种限制。如从上述范例变得清楚的，不仅有下边界，而且还有许多不应使用的频带。
还可以以不同的偏振方向(与照射射束20的光的偏振交叉并平行)来调制接收到的光。为此目的，可以使用偏振器9和10。在检测单元4前方或作为检测单元4的一部分(特别是在感测接收到的辐射的传感器的前方)使用用于照射的偏振光和交叉偏振器10可以帮助抑制镜面反射的光。同样，偏振器的使用可以(部分)代替附加波长的使用，以提高运动稳定性和PPG信号的SNR。
为了抑制镜面反射，对于所有辐射源和在检测单元前方的正交(交叉)偏振器使用单个偏振器就足够了。为了提高运动稳定性，存在多种选择：
a)在所有辐射源前方使用单个偏振器，并且在两个检测元件(形成检测单元)前方使用交叉偏振器和平行偏振器；
b)在单个检测元件(形成检测单元)前方交替(切换)偏振；
c)在检测单元前方使用单个偏振器，并且在辐射源前方切换偏振；或者
d)在平行辐射源上使用多个偏振器。
总体上，可以使用偏振滤波器作为偏振器。然而，为此目的，不仅能够采用透射滤波器，而且能够使用反射镜和/或反光镜(例如偏振镜)来获得相同的效果。
图3示出了根据本发明的系统200的第三实施例的示意图。在本实施例中，使用多个照射单元2a、2b，每个照射单元具有相对窄的射束30a、30b，并且可选地，每个照射单元具有偏振器9a、9b。仅在窄射束30a、30b与窄传感器视角40的相交处的对象才对检测信号有贡献。
图4示出了根据本发明的系统300的第四实施例的示意图。由于能够完全避免背景照射，所以本实施例特别适用于自动化应用。从侧面照射对象的脸部，优选使用偏振光。检测单元4配备有交叉偏振器10，因此在其视图中仅看到已经由半透明物体消偏振的反射。在汽车中，避免视野中出现任何其他(显著反射)的物体应当相对容易，所以只有从皮肤反射的散射光能够被检测单元4“看到”。
另一个备选实施例采用能够控制器引导的非常窄的射束(足够窄以引起小于目标身体部位(例如面部)的照射区域)。在本实施例中，检测单元可以“看到”较大的环境，但是尽管如此，如果斑点仅到达对象的皮肤，它能够给出高质量的PPG信号。可能地是，控制器改变光射束的方向，以这种方式优化PPG信号质量。
总体上，根据皮肤中血液体积的变化产生PPG信号。因此，当在反射/透射光的不同光谱分量中观察时，变化给出了特征性脉动“签名”。这种“签名”基本上随着血液的吸收光谱和无血液皮肤组织的吸收光谱的对比(差异)产生。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，每个通道感测光谱的具体部分，则能够将这些通道中的相对脉动布置在“签名矢量”中，也称为“标准化血液体积矢量”，PBV。这已经在G.de Haan和A.vanLeest的“Improved motion robustness of remote-PPG by using the blood volumepulse signature”(2014年，Physiol.Meas.35 1913)中示出，其通过引用并入本文，即，如果该签名矢量是已知的，则基于颜色通道和签名矢量的运动稳定的脉冲信号提取是可能的。对于脉冲信号的质量，至关重要的是，尽管签名矢量是准确的，另有已知方法将噪声混合到输出脉冲信号中，以实现所描述的脉冲矢量与由签名矢量指示的标准化色彩通道的相关性。
PBV方法的细节和标准化的血液体积矢量(称为“具有指示参考生理信息的设定方向的预定索引元素”)的使用的细节也已在US 2013/271591A1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信号的特征性波长依赖性也发生改变。具体地，动脉血的氧饱和度在620nm至780nm之间的波长范围内对光吸收具有强烈影响。这种用于不同SpO2值的变化签名导致取决于动脉血氧饱和度的相对PPG脉动。这种依赖性能够用于实现运动稳定的远程SpO2监测系统，所述系统已被命名为自适应PBV方法(APBV)，并在M.van Gastel、S.Stuijk和G.de Haan的“New principle for measuring arterial blood oxygenation，enabling motion-robust remote monitoring”(2016年11月，Nature ScientificReports)中进行了详细描述。该文献中对APBV方法细节的描述也通过引用并入本文。
当反映不同波长通道中的相对脉动PBV矢量是准确的时，PBV方法给出最干净的脉冲信号。由于这种矢量取决于实际的SpO2值，以对应于SpO2值范围的具有不同的PBV矢量的测试PBV方法，因此SpO2值作为对应于给出具有最高SNR的脉冲信号PBV矢量的一个值产生。
在下文中，使用RGB波长通道为范例，简要说明有关PBV方法的一些基本考虑。
心脏的跳动引起动脉中的压力变化，因为心脏会逆着血管床的阻力泵血。由于动脉是有弹性的，因此它们的直径随着压力变化同步改变。这些直径改变不仅发生在大动脉中，而且甚至发生在毛细血管床的动脉侧的皮肤的较小血管，小动脉中，其中，血液体积变化引起光吸收的改变。
单位长度标准化的血液体积脉冲矢量(也称为签名矢量)被定义为PBV，假设红色、绿色和蓝色相机信号中的相对PPG强度，即
Figure BDA0002829737850000151
其中，σ指示标准偏差。
为了量化期望值，红色、绿色和蓝色通道的响应Hred(w)、Hgreen(w)和Hblue(w)分别被测量为全局快门彩色CCD相机的波长w、对象的皮肤反射率ρs(w)的函数，并被使用了绝对PPG幅度曲线PPG(w)。根据这些曲线，例如在上述de Haan和van Leest的论文的图2中所示，血液体积脉冲矢量PBV被计算为：
Figure BDA0002829737850000161
其中，使用白色卤素照射光谱I(w)，产生标准化PBV＝[0.27，0.80，0.54]。
由所使用的模型预测的血液体积脉冲相当合理地对应于在对白色照射条件下的多个对象的测量值平均化之后创建的实验测量的标准化血液体积脉冲矢量，PBV＝[0.33，0.78，0.53]。给出这个结果，可以推断出，具体地在红色中的并且很小程度上在蓝色相机通道中所观察的PPG幅度能够主要通过在500至600nm之间的区间中的波长的串扰来解释。如模型所示，精确的血液体积脉冲矢量取决于相机的颜色滤波器、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，矢量还是非常稳定的(与基于RGB的矢量相比，矢量在红外线中是不同的)。
还发现，在白色照射下的红色、绿色和蓝色通道中皮肤的相对反射率并非非常依赖于皮肤类型。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能够相当显著地增加绝对吸收，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黑，但几乎不改变皮肤的标准化颜色。因此，标准化的血液体积脉冲PBV在白色照射下也非常稳定。在红外波长中，黑色素的影响进一步减小，因为其最大吸收出现于短波长(紫外线)，而对于较长的波长则下降。
PBV矢量不受黑色素影响太大的主要原因是黑色素存在于表皮中，因此在AC和DC上均充当光学滤波器。因此，它可以减少脉动，但同时也可以减少反射的DC值。因此，AC/DC(相对脉动)完全不变。
PBV的稳定特征能够用于区分由血液体积改变引起的颜色变化与由其他原因引起的变化，即，稳定的PBV能够用作血液体积改变的“签名”以区分其颜色变化。颜色通道PBV的已知相对脉动能够用来鉴别脉冲信号和失真。使用已知方法得到的脉冲信号S能够写为各个无DC标准化色彩通道的线性组合(表示“混合”的几种可能方式之一)：
S＝W Cn
其中，WWT＝1，并且3 x N矩阵Cn的三行中的每一行分别包含N个无DC标准化的红色、绿色和蓝色通道信号Rn、Gn和Bn的样本，即：
Figure BDA0002829737850000171
在此，运算符μ对应于均值。不同方法之间的关键区别在于加权矢量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，所述两个独立的信号被构建为两个颜色通道的线性组合。一种组合近似于干净的PPG信号，另一种组合包含运动引起的噪声。作为优化标准，可以使脉冲信号中的能量最小化。在另一种方法中，三个颜色通道的线性组合可以用于获得脉冲信号。
PBV方法总体上使用血液体积脉冲矢量来获得混合系数，基本上如US 2013/271591 A1中和上面引用的de Haan和van Leest的论文中所描述的。如果使用Rn、Gn和Bn的带通滤波版本，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。这不仅取消(较早方法的)脉冲是在视频中的唯一周期分量的假设，而且消除失真信号的取向的假设。为此，与以前一样，假设脉冲信号被构建为标准化颜色信号的线性组合。由于已知红色、绿色和蓝色通道中的脉冲信号的相对幅度是由PBV给出的，因此搜索给出脉冲信号S的权重WPBV，对于所述脉冲信号S，与彩色通道Rn、Gn和Bn的相关性等于PBV
Figure BDA0002829737850000172
并且因此，通过以下公式确定决定混合的权重
Figure BDA0002829737850000173
其中，
Figure BDA0002829737850000174
并且，标量k被确定为使得WPBV具有单位长度。结论是，如在标准化血液体积脉冲PBV中所反射的PPG信号的特征波长依赖性能够用于估计来自在皮肤区域上平均的时间顺序RGB像素数据的脉冲信号。该算法称为PBV方法。
换言之，权重指示检测信号应当如何被(线性)组合，以便从检测信号中提取脉冲信号。权重是未知的，需要计算/选择。
签名矢量(PBV矢量)代表不同波长通道(即检测信号)中给出的(已知的或预期的)的相对脉动，这是由血液的吸收光谱和光穿透皮肤引起的(如果光子被血液吸收得更多，血液的体积变化导致与血液几乎透明时相比更大的信号)。有了这些知识，以及观察到的数据(即检测信号)，能够确定权重(例如权重矢量)。得到的权重是数据依赖性的，即取决于检测信号。
由于脉冲信号在每个波长通道中具有不同的AC/DC比(也称为相对信号强度/脉动)，因此能够看出，光谱显示对于不同颜色具有不同峰值的光谱中的脉冲峰。这种光谱是傅里叶分析的结果，但是基本上意味着，如果具有脉冲频率的正弦波与检测信号(范例中为RGB，对于SpO2为NIR-波长)相关(相乘)，正好获得光谱中的峰值，这根据定义称为签名矢量(PBV矢量)：这些峰值是不同检测信号中脉冲信号的标准化幅度的相对强度。
其结果是，使用这种先验知识(即签名矢量)，能够获得干净的脉冲信号S(假设脉冲信号是检测信号的加权和的结果)。一种选择是对标准化检测信号Cn的协方差矩阵Q求逆。因此，使用常量签名矢量PBV，可以根据当前分析窗口中的检测信号的协方差矩阵(Q，其是数据依赖性的，即随时间连续变化)计算对检测信号进行线性混合以提取脉冲信号S的权重W。
认识到，例如在近红外光谱中，具体地在620和770nm之间，血液吸收光谱根据SpO2水平而变化。由于这个原因，建议提取具有不同签名矢量(不同的PBV矢量)的脉冲信号，其中，每个PBV矢量被选择为对应于针对具体生命体征值，例如SpO2值的检测信号中的相对脉动。由于所提取的脉冲信号质量取决于PBV矢量的正确性，因此不同的所提取的脉冲信号将具有不同的质量。通过选择最佳质量的脉冲信号，可从签名向量中获取引起这种有利脉冲信号的生命体征值(例如SpO2值)。
在另一实施例中，使用APBV方法从三个波长信道的两个或更多个不同组合中提取SpO2值，例如从[λ1，λ2]、从[λ1，λ3]和/或从[λ1，λ2，λ3]。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，APBV基于利用SpO2“签名”提取的脉冲信号的信号质量间接确定SpO2。该过程在数学上能够描述为：
Figure BDA0002829737850000191
其中，Cn包含DC-标准化的颜色变化，并且标量k被选择为使得
Figure BDA0002829737850000192
具有单位长度。在
Figure BDA0002829737850000193
中编译的SpO2签名能够从生理学和光学导出。假设相同的相机，则能够通过以下公式确定N个相机的PPG幅度：
Figure BDA0002829737850000194
在此处，PPG幅度光谱PPG(λ)能够通过线性混合来自动脉血液中的主生色团的两个最常见的变体的光吸收光谱来近似得出，血红蛋白；氧合(HbO2)和还原(Hb)：
Figure BDA0002829737850000195
其中，假设对于600<λ<1000nm和SaO2∈[0，1]，光路长度差是忽略不计的。认识到，波长相关的散射效应能够使这种假设无效。当使用两个波长时，参数R的比率和APBV参数
Figure BDA0002829737850000196
的比率重合。波长选择可以基于以下三个标准：1)对测量在用于临床应用的黑暗中的氧饱和度(λ>700nm)的期望；2)具有合理的SpO2对比度；以及3)相机的光谱灵敏度内的波长。改进的SpO2测量的两倍稳定性激发了在脉冲血氧仪中使用三个波长代替常用的两个波长的想法。这能够通过在用相机测量时运动如何影响PPG波形来解释。由于运动引发的强度变化在所有波长下都相等，因此，如果脉冲签名
Figure BDA0002829737850000201
不等于这种运动签名，其能够被描述为具有相同权重的矢量，则对于APBV方法这些伪影的抑制是可能的。
应当注意，即使脉冲质量非常好，也并不总是意味着所估算的SpO2值足够可靠并且能够被信任。这可以在当意想不到的血液-种类(例如COHb)可用，引起了SpO2校准曲线偏移，即引起了不同的签名矢量，导致当使用用于脉冲提取的PBV方法或APBV方法时的最佳脉冲质量时具体地发生。
在上文中至关重要的是，PBV方法假设波长通道中的相对脉动是已知的，如果想要的生命体征信息，例如SpO2是已知的，则为真。然而，在SpO2监测中基本上不是这种情况，因为这是要搜索的参数。如果正确选择权重，则所得脉冲与各个检测信号Cn的相关性正好是检测信号Cn中的脉冲的这些相对强度。现在，如果生命体征信息(例如SpO2)是错误的或未知的，则结果将是具有相对较差SNR(即较差质量指标)的脉冲信号。
APBV方法的本质是利用不同的PBV矢量并行运行多种PBV方法。当反映不同波长通道中的相对脉动的PBV矢量是准确的，PBV方法给出最干净的脉冲信号。由于这种矢量取决于对应于SpO2值范围的实际的SpO2值测试具有不同的PBV矢量的PBV方法，因此SpO2值作为对应于给出具有最高SNR的脉冲信号的PBV矢量的一个值来给出。
通常，根据本发明使用的电磁辐射在用于脉搏、呼吸和血氧饱和度测量的400nm至1000nm的范围内，具体地在620nm至920nm的范围内。这个具体范围最适合于SpO2测量，并且对于睡眠(黑暗)期间的非干扰性监测很有吸引力，但是如果需要脉冲或呼吸信号，则光谱的可见部分可以允许更高的质量(即，NIR不一定在所有情况下都是优选的选择)。
上述方法能够应用于已经使用非接触式传感器采集的检测信号。举例来说，本发明能够应用于医学保健领域，例如非干扰的远程患者监测、总体监测、安全监测以及所谓的生活方式环境，例如健身设备等。应用可以包括对血氧饱和度(脉搏血氧饱和度)、脉搏率、血压、心脏输出、呼吸、血液灌注变化的监测，自动功能的评估以及周围血管疾病的检测。本发明能够例如用于对危重患者进行快速可靠的脉搏检测，例如在自动CPR(心肺复苏)过程中。所述系统能够用于监测例如在NICU中的皮肤非常敏感的新生儿的生命体征，以及用于皮肤受损(例如烧伤)患者，但也可以是在比普通病房中使用的接触式传感器更方便的，并且针对运动稳定性提供更好的解决方案。其他应用是在自动化领域。本发明具体地解决了环境光稳定的多波长系统的问题，提供了一种成本较低的解决方案，并且消除了隐私问题。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地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范例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。
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权利要求中记载的若干项的功能。仅有在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一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：
-照射单元(2)，其被配置为照射所述对象的皮肤区域，所述照射单元包括第一辐射源(20)和第二辐射源(21)，所述第一辐射源和所述第二辐射源被配置为在两个或更多个波长通道内和/或在两个或更多个偏振通道内发射以不同方式调制的电磁辐射，
-检测单元(4)，其被配置为检测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射并生成检测信号，其中，所述检测单元(4)包括多个检测元件，并且其中，检测信号由每个检测元件或者两个或更多个检测元件的组生成，
-处理单元(11)，其被配置为对应于由所述照射单元应用的调制来解调所述检测信号，以获得经解调的检测信号，以及
-生命体征确定单元(5)，其被配置为针对每个波长或偏振通道根据相同时刻处的所述经解调的检测信号来确定统计量度，并且从所述统计量度中提取生命体征。
2.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述第一辐射源(20)和第二辐射源(21)被配置为发射在不同波长处或波长范围或波长的混合的电磁辐射。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述第一辐射源(141)和第二辐射源(142)被配置为发射具有不同偏振的电磁辐射。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述照射单元(2)被配置为应用在高于1kHz的范围内，具体地在从10kHz到100MHz的频率范围内的用于调制所发射的电磁辐射的调制频率。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述第一辐射源(20)被配置为应用用于调制所发射的电磁辐射的第一调制频率，所述第一调制频率与由所述第二辐射源(22)应用的用于调制所发射的电磁辐射的第二调制频率相差至少8Hz。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述统计量度指示以下中的至少一个：标准偏差、方差、平均绝对差、中位绝对差和/或四分位数范围。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述检测单元(4)包括光电二极管阵列、CCD阵列或CMOS阵列。
8.根据权利要求3所述的系统，
还包括偏振单元(10)，所述偏振单元被配置为对从所述对象的皮肤区域反射的所述电磁辐射应用偏振。
9.根据权利要求2所述的系统，
还包括光学滤波器单元，所述光学滤波器单元被配置为对从所述对象的皮肤区域反射的所述电磁辐射进行滤波，以仅允许由所述照射单元使用的调制频率通过。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述处理单元(11)被配置为对所述检测信号应用同步解调，以获得所述经解调的检测信号。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述生命体征确定单元(5)被配置为通过由加权组合对所述经解调的检测信号进行线性组合而根据所述经解调的检测信号来确定生命体征，其中，所述加权组合的权重通过盲信号分离，具体地通过主分量分析或独立分量分析，并且通过根据预定标准选择所组合的检测信号的分量通道来确定。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述生命体征确定单元(5)被配置为通过由加权组合对所述经解调的检测信号进行线性组合而根据所述经解调的检测信号来确定生命体征，所述加权线性组合使用产生脉冲信号的权重，对于所述权重，与原始检测信号的乘积等于由相应签名矢量表示的相对脉动，签名矢量提供所述原始检测信号中的所述检测信号的预期相对强度。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述第一辐射源(20)和所述第二辐射源(21)中的至少一个被配置为发射可控的窄辐射射束。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
其中，所述生命体征确定单元(5)被配置为针对每个波长或偏振通道根据所述经解调的检测信号来确定向心趋势度量和分散度量作为统计量度。
15.一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：
-由照射单元照射所述对象的皮肤区域，所述照射单元包括第一辐射源(20)和第二辐射源(21)，所述第一辐射源和所述第二辐射源被配置为在两个或更多个波长通道内和/或在两个和/或更多个偏振通道内发射以不同方式调制的电磁辐射，
-检测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射并由检测单元(4)生成检测信号，其中，所述检测单元(4)包括多个检测元件，并且其中，检测信号由每个检测元件或者两个或更多个检测元件的组生成，
-对应于由所述照射单元应用的调制来解调所述检测信号，以获得经解调的检测信号，
-针对每个波长通道或每个偏振通道根据在相同时刻处所述经解调的检测信号来确定统计量度，并且
-从所述统计量度中提取生命体征信号。
CN201980039485.6A 2018-06-12 2019-06-05 用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法 Pending CN112272538A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18177303.7 2018-06-12
EP18177303.7A EP3581091A1 (en) 2018-06-12 2018-06-12 System and method for determining at least one vital sign of a subject
PCT/EP2019/064612 WO2019238489A1 (en) 2018-06-12 2019-06-05 System and method for determining at least one vital sign of a subject

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112272538A true CN112272538A (zh) 2021-01-26

Family

ID=62630955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980039485.6A Pending CN112272538A (zh) 2018-06-12 2019-06-05 用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20210219884A1 (zh)
EP (2) EP3581091A1 (zh)
JP (1) JP7304899B2 (zh)
CN (1) CN112272538A (zh)
WO (1) WO2019238489A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116112107A (zh) * 2023-04-13 2023-05-12 深圳市奋达智能技术有限公司 一种多pd的信号选择方法及其相关设备

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3581092A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-18 Koninklijke Philips N.V. System and method for determining at least one vital sign of a subject
SE2130254A1 (en) * 2021-09-23 2023-03-24 Rths Ab A sensing arrangement for obtaining data from a body part using accurate reference values

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393398A (zh) * 2002-09-30 2012-03-28 应用材料以色列公司 用于光学检测的照射系统
CN103635782A (zh) * 2011-04-08 2014-03-12 光学感应器控股有限公司 光纤分布式感测
US20140243622A1 (en) * 2006-04-11 2014-08-28 The University Of Nottingham Photoplethysmography
CN104755018A (zh) * 2012-11-02 2015-07-01 皇家飞利浦有限公司 用于提取生理信息的设备和方法
CN105451646A (zh) * 2014-05-07 2016-03-30 皇家飞利浦有限公司 用于提取生理信息的设备、系统和方法
WO2016166651A1 (en) * 2015-04-13 2016-10-20 Koninklijke Philips N.V. Vital sign monitoring
US20170055860A1 (en) * 2014-05-22 2017-03-02 Koninklijke Philips N.V. Method and apparatus for optical sensing of tissue variation at increased accuracy

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6184318B2 (ja) * 2010-03-23 2017-08-23 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 患者の生命パラメータをモニタすることにおける干渉の削減
RU2589389C2 (ru) 2011-01-05 2016-07-10 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Устройство и способ извлечения информации из характеристических сигналов
CN105142501B (zh) * 2013-03-06 2019-02-01 皇家飞利浦有限公司 用于确定生命体征信息的系统和方法
EP2999396B1 (en) * 2013-05-20 2023-11-08 Cardiac Pacemakers, Inc. Apparatus for heart failure risk stratification
US9924896B2 (en) * 2014-06-23 2018-03-27 Koninklijke Philips N.V. Device, system and method for determining the concentration of a substance in the blood of a subject
US9770213B2 (en) * 2014-10-30 2017-09-26 Koninklijke Philips N.V. Device, system and method for extracting physiological information
US11229372B2 (en) * 2016-09-21 2022-01-25 Arizona Board of Regents on Behalf of Arizona State of University Systems and methods for computer monitoring of remote photoplethysmography based on chromaticity in a converted color space

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393398A (zh) * 2002-09-30 2012-03-28 应用材料以色列公司 用于光学检测的照射系统
US20140243622A1 (en) * 2006-04-11 2014-08-28 The University Of Nottingham Photoplethysmography
CN103635782A (zh) * 2011-04-08 2014-03-12 光学感应器控股有限公司 光纤分布式感测
CN104755018A (zh) * 2012-11-02 2015-07-01 皇家飞利浦有限公司 用于提取生理信息的设备和方法
CN105451646A (zh) * 2014-05-07 2016-03-30 皇家飞利浦有限公司 用于提取生理信息的设备、系统和方法
US20170055860A1 (en) * 2014-05-22 2017-03-02 Koninklijke Philips N.V. Method and apparatus for optical sensing of tissue variation at increased accuracy
WO2016166651A1 (en) * 2015-04-13 2016-10-20 Koninklijke Philips N.V. Vital sign monitoring

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G DE HAAN: "《Improved motion robustness of remote-PPG by using the blood volume pulse signature》", 《PHYSIOLOGICAL MEASUREMENT》, pages 1913 - 1926 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116112107A (zh) * 2023-04-13 2023-05-12 深圳市奋达智能技术有限公司 一种多pd的信号选择方法及其相关设备
CN116112107B (zh) * 2023-04-13 2023-09-08 深圳市奋达智能技术有限公司 一种多pd的信号选择方法及其相关设备

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019238489A1 (en) 2019-12-19
JP7304899B2 (ja) 2023-07-07
EP3581091A1 (en) 2019-12-18
JP2021527466A (ja) 2021-10-14
EP3806740A1 (en) 2021-04-21
EP3806740B1 (en) 2021-10-13
US20210219884A1 (en) 2021-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220054089A1 (en) Device, system and method for generating a photoplethysmographic image carrying vital sign information of a subject
JP6525890B2 (ja) 対象者のバイタルサイン情報を決定するためのシステム及び方法
US20190200871A1 (en) System and method for vital signs detection
JP7304899B2 (ja) 対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定するシステム及び方法
WO2019185375A1 (en) Device, system and method for determining at least one vital sign of a subject
US11712185B2 (en) Device, system and method for extracting physiological information indicative of at least one vital sign of a subject
JP6970840B2 (ja) 対象を含むシーンの画像の画像セグメンテーションのための装置、システム及び方法
US20220047221A1 (en) System and method for determining at least one vital sign of a subject
JP7399112B2 (ja) 対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定するシステム及び方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination