CN113080872A - 用于确定对象的生命体征的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定对象的生命体征的设备和方法。所提出的设备包括：接口(32)，所述接口用于接收根据从包括所述对象(12)的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)；分析器(34)，其用于分析所述皮肤区的空间和/或时间性质；处理器(36)，其用于基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号；以及后处理器(38)，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，其中，所述确定的空间和/或时间性质由所述处理器用于确定所述生命体征信息信号，和/或由所述后处理器用于确定期望的生命体征。
Description
本申请是申请日为2014年3月12日、发明名称为“用于确定对象的生命体征的设备和方法”的专利申请201480014747.0的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于确定对象的生命体征的设备和方法。尤其是，本发明涉及非侵扰光学测量方法，所述非侵扰光学测量方法能够用于检测诸如人或动物的所观测的对象中的生命体征。在该背景下，光学测量涉及远程光电体积描记术(R-PPG)。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者血氧饱和度，用作人的当前状态的指标并且用作严重医学事件的强大预测器。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穿过对象的身体的心血管脉搏波的体积改变的检测。
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，因此血液体积中的随着每个心跳的变化对应地影响透射或者反射率。除关于心率的信息之外，PPG波形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，血氧饱和度能够被确定。
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。典型的脉搏血氧计包括作为光源的红色LED和红外LED以及用于检测已经被发射通过患者组织的光的一个光电二极管。市场上可购得的脉搏血氧计在红色波长处的测量与红外波长处的测量之间快速切换，并且因此在两个不同波长处测量组织的相同区或者体积的透射率。这被称为时分复用。在每个波长处的关于时间的透射率给出针对红色和红外波长的PPG波形。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。
最近，用于非侵扰测量的非接触式、远程PPG(R-PPG)设备已经被引进。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，检测器，例如相机或者相片检测器，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侵扰的并且非常适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等人的“Remote plethysmographic imaging using ambientlight”，Optics Express，16(26)，第21434-21445页(2008年12月22日)证明能够使用环境光和常规消费者水平摄像机来测量光电体积描记信号。
Wieringa等人的“Contactless Multiple Wavelength PhotoplethysmographicImaging:A First Step Toward"SpO2 Camera"Technology”，Ann.Biomed.Eng.，33，1034-1041(2005)公开了一种用于基于对在不同波长处的光电体积描记信号的测量来对组织中的动脉氧饱和度进行非接触式成像的远程PPG系统。所述系统包括单色CMOS相机以及具有三个不同波长的LED的光源。相机顺序地采集在三个不同波长处的对象的三个影片。能够根据在单个波长处的影片确定脉搏率，然而为确定氧饱和度需要在不同波长处的至少两个影片。所述测量在暗室中执行，每次使用仅一个波长。
使用远程PPG技术，能够根据摄像机信号来测量生命体征，因为其由皮肤中的微小光吸收改变所揭示，所述微小光吸收改变由搏动的血液体积所引起。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，所以存在对改进根本低信噪比(SNR)的一般兴趣。仍然有针对剧烈运动、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PPG设备及方法的改进的鲁棒性。
WO 2012/093320 A2公开了一种用于保留PPG相关信息的视频编码设备和方法，并且提供了视频解码设备和方法。所述视频编码设备包括：选择单元，其用于选择在输入视频数据中的提供强PPG信号的感兴趣区域；第一编码单元，其用于利用编码的第一设置根据预先确定的编码方案来对所述输入视频数据的所述所选择的感兴趣区域进行编码，以保留编码的感兴趣区域中的PPG相关信息；第二编码单元，其用于利用编码的第二设置根据所述预先确定的编码方案来对所述输入视频数据的剩余部分进行编码；以及编码器组合单元，其用于将编码的感兴趣区域与所述输入视频数据的编码的剩余部分组合为编码器输出视频流。
US 2012/0195469 A1公开了一种基于来自图像的序列的像素值形成表示值中的至少变化的时变信号的方法，在长度上对应于图像的序列的信号包括获得图像的序列。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的设备和方法，用于确定具有增加的信噪比的对象的生命体征，并且在降低由对象的运动引起的伪迹中有效。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的生命体征的设备，所述设备包括：
-接口，其用于接收根据从包括所述对象的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射导出的数据流，所述数据流包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射，
-分析器，其用于分析所述皮肤区的空间和/或时间性质，
-处理器，其用于基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，以及
-后处理器，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，
其中，所述分析器被配置为根据所述皮肤区的所述空间和/或时间性质来确定可靠性信息，所述可靠性信息指示对所述生命体征信息或所述生命体征的确定的可靠性，所述生命体征信息或所述生命体征基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号而被确定，并且
其中，所述确定的空间和/或时间性质以及所述可靠性信息由所述处理器用于确定所述生命体征信息信号，和/或由所述后处理器用于确定所述期望的生命体征。
在本发明的又一方面，提出了一种用于确定对象的生命体征的对应的方法，所述方法包括：
-接收根据从包括所述对象的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射导出的数据流，所述数据流包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射，
-分析所述皮肤区的空间和/或时间性质，
-根据所述皮肤区的所述空间和/或时间性质来确定可靠性信息，所述可靠性信息指示对所述生命体征信息或所述生命体征的确定的可靠性，所述生命体征信息或所述生命体征基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号而被确定，
-基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，并且
-根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，
其中，所述确定的空间和/或时间性质以及所述可靠性信息被用于确定所述生命体征信息信号，和/或由所述后处理器使用以确定所述期望的生命体征。
在本发明的又一个方面中，提供了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，令所述计算机执行所述方法的步骤，并且提供了一种在其中存储有计算机程序产品非暂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，令本文公开的方法被执行。
本发明的优选实施例定义在从属权利要求中。应当理解，请求保护的方法、系统、计算机程序和介质与请求保护的并且如在从属权利要求中定义的设备具有相似和/或相同的优选实施例。
根据本发明，通过对用于提取期望的生命体征信号的皮肤区的空间和/或时间性质，尤其是时间一致性的分析和/或对所述皮肤区的光滑度的空间分析，来实现所提取的生命体征的改进。例如，检测到的皮肤区的空间均匀性被确定(例如，被测量或估计)和/或相邻的图像帧之间的皮肤区的尺寸和均匀性中的差异被确定(例如，被测量或估计)。关于所述皮肤区的时间和/或空间性质的，尤其是关于所述皮肤区的空间均匀性和时间一致性的，所确定的信息用于调节一个或多个参数和/或用于提取和/或后处理的算法，尤其是用于确定生命体征信息信号和/或用于确定期望的生命体征的算法，或者用于选择对于所述皮肤区的确定的空间和/或时间性质而言最优的后处理方法。因此，信噪比以及在降低由对象的运动引起的伪影中的效应能够有效地被提高。
皮肤区的空间性质包括，但不限于空间块的动态范围、空间纹理、颜色均匀性以及像素值的变化或熵。空间性质也能够是时间性质的部分。例如，动态范围以及动态范围的时间一致性能够用作空间和时间性质。
电磁辐射，尤其是光与生物组织的相互作用是复杂的，并且包括(多个)散射、后向散射、吸收、透射以及(漫)反射的(光学)过程。如本发明的上下文中所使用的术语“反射”不被解释为限于镜面反射，而是包括电磁辐射，尤其是光与组织的上述类型的相互作用，以及它们的任何组合。
如本发明的上下文中所使用的“生命体征”是指对象(即，生物)的生理参数和导出参数。尤其是，术语“生命体征”包括心率(HR)(有时也被称为脉搏率)、心率变化性(脉搏率变化性)、搏动强度、灌注、灌注指标、灌注变化性、Traube-Hering-Mayer波、呼吸率(RR)、身体温度、血压、血液和/或组织中的物质的浓度，例如，(动脉)血氧饱和度或血糖水平。
如本发明的上下文中所使用的“生命体征信息”包括如上面定义的一个或多个测量的生命体征。此外，其包括涉及生理参数、对应的波形踪迹的数据，或者涉及时间的生理参数的能够服务于随后的分析的数据。
为了获得对象的生命体征信息信号，在皮肤区内的皮肤像素区的数据信号被评估。此处，“皮肤像素区”意指包括一个皮肤像素或相邻皮肤像素的组的区，即，可以针对单个像素或者皮肤像素的组导出数据信号。
在实施例中，所述分析器被配置为确定随时间的所述皮肤区的光滑性、尺寸、均匀性和/或所述皮肤区的色度和/或照度分量的光滑性、尺寸、均匀性。因此，所述皮肤区的一个或多个参数能够被采用。通常，光滑度更多表示高频性质，而均匀性是相等DC水平的指示。光滑区可以仍然是不均匀的，这是由于像素值中的光滑转变的存在。
总体存在用于确定随时间的皮肤区的空间均匀性以及其稳定性的若干方法。根据另一实施例，所述分析器被配置为通过将所述皮肤区划分为皮肤像素块(包括皮肤像素的组)，来确定所述皮肤像素块的空间均匀性并且确定光滑皮肤像素块和/或有纹理的光滑皮肤像素块的数量，来确定随时间的所述皮肤区的所述空间均匀性。优选地，所述分析器被配置为确定随时间的光滑皮肤像素块和/或有纹理的皮肤像素块的数量。光滑和/或纹理的皮肤像素块的数量的时间改变然后能够被评估并且用于调整数据信号和/或生命体征信息信号的(后)处理，以最终获得(一个或多个)期望的生命体征。
根据本发明，所述分析器被配置为根据所述皮肤区的所述空间和/或时间性质来确定可靠性信息，所述可靠性信息指示对所述生命体征信息或者生命体征的确定的可靠性，所述生命体征信息或者生命体征基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号被确定，其中，所述处理器和/或后处理器被配置为使用所述可靠性信息来确定所述生命体征信息信号和/或由所述后处理器来确定期望的生命体征。因此，期望的生命体征的准确性还能够增加，这是由于关于对所述生命体征信息或者所述生命体征的确定的额外的知识额外地被采用，使得例如相当不可靠的生命体征信息可以被忽略，或者相比于非常可靠的生命体征信息或者生命体征被较少加权。
可靠性信息可以以不同方式来确定。在一种方式中，所述分析器被配置为使用光滑皮肤像素块和/或有纹理的皮肤像素块的数量随时间的改变和/或所述皮肤区的尺寸随时间的改变，来确定所述可靠性信息。优选地，所述分析器被配置为确定所述可靠性信息，以指示光滑皮肤像素块的数量越高并且所述皮肤区的尺寸越大，可靠性就越高。通常，调节(后)处理的基本原则如下：随着所述皮肤区的空间均匀性的减小和/或在其时间不稳定性中的增加，后处理的光滑度增加。
为了调整(后)处理，存在各种选项。在优选的实施例中，所述后处理器被配置为基于所述确定的空间和/或时间性质，来设置所述后处理器的低通滤波器的时间宽度和/或时间常数。在另一个中，所述后处理器被配置为基于所述确定的空间和/或时间性质，来设置所述后处理器的带通滤波器的宽度。后处理的优选调节的选择依赖于关于确定的生命体征的延迟和准确性的要求。将滤波器的时间常数改变到更高的值意味着在时间上的更多的平均，这以对改变的缓慢响应(高延迟)为代价实现更好的信噪比(准确性)。
优选地，在实施例中，所述后处理器被配置为仅当所述可靠性信息指示高于预先确定的可靠性阈值的可靠性时，更新所确定的生命体征。因此，所确定的生命体征的潜在错误结果被忽略，并且所述生命体征的太强烈的改变(潜在地由错误测量引起)被避免。
在另一个有利的实施例中，所述处理器被配置为根据所述皮肤区的皮肤像素块的相关联的时间稳定性来对它们进行分级，并且被配置为基于来自在所述皮肤区内的最为时间稳定的皮肤像素块的皮肤像素的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号。备选地或者额外地，所述处理器被配置为根据所述皮肤区的皮肤像素块的相关联的时间稳定性来确定针对它们的可靠性权重，并且被配置为基于皮肤像素的所述数据信号来确定所述对象的生命体征信息信号，所述数据信号根据相关联的皮肤像素块的所确定的可靠性权重被加权。以该方式，生命体征确定的可靠性还能够增加。
尽管本发明通常利用包括表示单个频谱部分(例如，在绿色光的频谱范围中)的单个数据信号分量的数据信号进行工作，但是在实施例中，所述数据信号包括至少两个数据信号分量，其中，第一数据信号分量表示第一频谱部分，尤其是可见光部分，并且其中，第二数据信号分量表示第二指示性频谱部分，尤其是红外部分。该想法使用依赖于血液吸收和组织吸收的辐射的穿透深度基本上也依赖于入射辐射的波长的事实。通常，相比于具有更短的波长的可见光，红外(或近红外)光和红色光更深地穿透到对象的组织中。通过范例，第一频谱部分能够由在可见辐射的绿色部分中的带或子带形成。
在优选实施例中，所提出的设备还包括成像单元，尤其是相机，以远程检测从对象反射的，尤其是在一个或两个不同频谱范围中的电磁辐射。
所述成像单元尤其适于远程监测应用。所述成像单元能够包括一个或多个成像元件。例如，所述成像单元能够包括光电二极管或电荷耦合器件的阵列。根据实施例，所述成像单元包括成像元件的至少两个组，所述组中的每个被配置用于检测数据信号分量中的单个。根据另一实施例，所述成像单元能够使用具有允许检测数据信号分量的响应特性的成像元件的单个组。所述成像单元还能够被配置为捕获交替表示数据信号分量的图像帧的序列。
在另一优选实施例中，所提出的设备还包括辐射源，尤其是光源，以将电磁辐射引导到对象，所述电磁辐射例如在一个或两个不同频谱范围中。辐射源能够由宽频照明源来实现和/或能够使用辐射元件的单个组或者两个或者甚至更多组。然而，所提出的设备不必须包括辐射源，而是也能够使用环境光源，所述环境光源不连接到设备。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。在附图中：
图1示出了其中根据本发明设备被使用的系统的示意图，
图2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示出了其中根据本发明的设备30被使用的系统10的示意图。系统10能够用于记录表示远程对象12或者对象12的至少部分14(感兴趣区域)的图像帧，以进行远程PPG监测。感兴趣区域14通过范例包括对象12的额头部分、面部部分，或者更具体而言，一个或多个皮肤部分。能够根据由对象12反射的电磁辐射16来导出记录的数据，例如，图像帧的系列。可能地，在特定状况下，对象12本身能够发出或者发射电磁辐射的至少部分。当对象12被暴露于照耀通过对象12的强照明源时可以出现辐射透射。当由身体热量引起的红外辐射被提供并且被捕获时可以出现辐射发出。然而，对于远程PPG应用，要捕获的电磁辐射16的极大的部分能够被视为由对象12反射的辐射。对象12能够是人或者动物，或者总体而言，生物。此外，对象12能够被视为高度指示期望的信号的人的部分。
辐射的源，例如阳光18a、人工辐射源18b或者若干辐射源的组合，影响或者冲击对象12。辐射源18a、18b主要地发出撞击对象12的入射辐射20a、20b。额外地或者备选地，系统10还可以包括或者使用电磁辐射24的内部源22，所述内部源发出入射辐射24并将所述入射辐射引导到对象12，并且在备选实施例中还可以是设备30的部分。辐射24的内部源22能够被配置为将具有定义的特性的辐射引导到对象12，所述辐射尤其是属于定义的频谱部分的辐射。由于根据本发明的实施例，至少两个不同频谱部分被捕获并且处理，根据该实施例的另一个方面，电磁辐射24的内部源22优选地与这些频谱部分“匹配”。
为了从所捕获的数据，例如图像帧的序列，提取生理信息，由成像单元28来检测来自对象12的定义的部分或分，例如感兴趣区域14的辐射16。成像单元28通过范例能够由光学传感器模块来实现，所述光学传感器模块被配置为捕获属于电磁辐射16的至少一个频谱分量的信息。在实施例中，成像单元28由相机或相机的集，例如摄像机(例如，RGB相机)来实现。在备选实施例中，成像单元28也可以是设备30的部分。
当然，设备30也能够适于处理事先已经记录的，并且同时被存储或者缓存的输入信号，即输入数据流26。如上面指示的，电磁辐射16能够包含连续或者离散的特性信号，所述连续或者离散的特性信号能够高度指示至少一个生命体征参数26，在本发明的上下文中，尤其是心率，呼吸率和/或血氧饱和度。
根据本发明的用于确定对象的生命体征的设备30包括(输入)接口32，所述接口用于接收根据从感兴趣区域14反射的检测的电磁辐射16(包括发出的或者发射的辐射)导出的数据流26(来自成像单元28或者来自存储单元或者缓冲器)，所述感兴趣区域包括对象12的皮肤区。所述数据流26包括针对所述感兴趣区域的一个或多个皮肤像素的多个皮肤像素区(优选地针对全部皮肤像素区或者甚至针对全部个体皮肤像素)的按皮肤像素的数据信号，其中，数据信号表示随时间从各自的皮肤像素区反射的检测到的电磁辐射16。
分析器34被提供用于分析皮肤区14的空间和/或时间性质。因此，关于所述皮肤区的空间和/或时间性质的信息从分析器34被输出。在实施例中，所述分析器根据由多个皮肤像素的数据信号表示的时间皮肤反射率来计算在单个频带(例如，绿色光的)中或者在红色和红外频带中的相对幅度。
设备30还包括：处理器36，其用于基于在皮肤区内的皮肤像素区的数据信号，来确定对象的生命体征信息信号；以及后处理器38，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征。处理数据信号的该方式是远程PPG的领域中公知的，并且因此此处将不会更加详细地解释。然而与已知设备和方法相反，所述确定的空间和/或时间性质由处理器36来使用以确定生命体征信息信号，和/或由后处理器38来使用以确定期望的生命体征。
最后，(输出)接口40能够被提供，所确定的生命体征39能够被递送到所述接口，例如以提供输出数据41，以用于进一步的分析和/或用于显示。二者接口32、40能够由相同(硬件)连接器来实现。
在实施例中，控制器42被提供用于选择性地控制成像单元28和辐射源22中的至少一个。
分析器34、处理器36及后处理器38(并且如果被提供，则控制器42)可以由公共处理单元50来实施，所述公共处理单元能够被视为由各自的逻辑命令(程序代码)驱动的计算设备或者计算设备的至少部分，从而提供期望的数据处理。处理单元50可以包括下文提供的若干部件或单元。应理解，处理单元50的每个部件或单元能够被虚拟地或分立地被实现。例如，处理单元50可以包括多个处理器，例如，多核处理器或单核处理器。处理单元50能够利用至少一个处理器。处理器中的每个能够被配置为标准处理器(例如，中央处理单元)或为专用处理器(例如，图形处理器)。因此，处理单元50能够适当地操作，从而将数据处理的若干任务分布到适当的处理器。
处理单元50以及接口32、40能够被实现在公共处理装置或壳体中，其通常表示所提出的设备30。成像单元28和辐射源22通常是外部元件，但也可以集成到设备30中，例如与具有设备30的其他元件的公共壳体一起。
在下文中，将解释本发明的和优选实施例的背景的细节。
通常，用于测量生命体征的已知接触或非接触式传感器将后处理算法应用到所测量的生命体征，以降低伪影和/或改进测量的一致性。已知1D后处理算法中的多数由来自1D信号本身或者来自额外的(上下文)传感器的采集的信号来控制。例如，可穿戴接触式PPG传感器(例如，腕或手指传感器)使用来自嵌入的加速度计的数据来降低1D生命体征信息信号中的运动伪影。
一个选择将是基于关于对象的重复运动的频率的信息，对提取的生命体征信息信号，例如心跳信号进行后处理。这样的信息能够从描述对象的重复运动的运动向量或其他数据被采集。该方法尽管显著改进了在对象的规律运动期间的心跳监测的鲁棒性，但是在对象的运动不规律的情况下不提供显着改进。例如，如果对象突然转动他或她的面部远离相机，则提取的心跳信号将丢失，并且依赖于重复周期性运动的检测的后处理算法将不改进提取的信号的一致性。
此外，不同类型的运动对提取的PPG信号的质量具有不同的影响。例如，当相同的皮肤区不断可见时，面部的平移运动创建比具有相同的频率和速度的面部的旋转运动少的多的伪影(如果有的话)；针对旋转运动，可见皮肤区不断改变。
当对运动频率信息的使用不是最优时的又一范例是从说话的面部测量生命体征信息信号(尤其是涉及心跳信号)(有时也被称为PPG信号)。在该情况下，运动向量中的多数将不指示显著运动，但是由说话引起的面部皮肤变形将在提取的生命体征信息信号中引入显著伪影。
所提出的设备和方法在降低由皮肤运动引起的伪影中更加有效并且更响应于不同类型的运动。所提取的生命体征的改进尤其基于对用于生命体征的提取的皮肤区的时间的一致性和/或空间光滑的分析。
在基于相机的生命体征监测系统中，由血液体积改变引起的皮肤区(例如，人的面部)的轻微颜色变化被测量，并且生命体征信息信号被提取。颜色的变化是极端小，这意味着任何干扰(运动，光照改变)将影响信号。监测的对象的运动引起空间位移和皮肤区的改变。由位移和变形引起的伪影的水平能够很大地不同。没有变形的皮肤区的空间位移(例如，在横向运动期间)相比于皮肤区的变形，对于心跳信号的提取而言是较小问题的。在多数情况下，由皮肤区位移引起的伪影能够被补偿，并且能够在后处理期间，通过从测量的生命体征信息信号的频谱移除运动谱，来成功地解决来自皮肤区的规律位移的残余伪影。
由皮肤区变形引起的伪影通常是更严重得多(依赖于变形的量)，并且它们更难补偿得多。在皮肤变形期间，感测区中的皮肤像素的量变化，同时皮肤区中的多数可以静止不动。因此，皮肤区的运动向量的分析不足以补偿伪影。
此外，所提取的生命体征信息信号的强度以及它的SNR在皮肤区上不相等。存在比其他部分生成更多噪声信号的皮肤区的一些部分。例如，具有光滑皮肤的区相比于具有高纹理的皮肤区将具有更干净的生命体征信息信号。因此，具有强生命体征信息信号的初始光滑区的变形相比于有纹理的区的变形将创建更加大得多的伪影(中的变化)，所述有纹理的区已经具有差的生命体征信息信号。
在本发明的实施例中，提出分析皮肤区的空间和时间性质，并且使用该分析的结果来调整皮肤区的皮肤像素区的数据信号的处理和/或提取的生命体征信息信号的后处理。优选地，针对测量的可靠性的度量也被生成。
图2示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。在第一个步骤S10中，感兴趣区域14的皮肤区在当前和相邻图像帧中被划分为2D像素块(在本文中也被称为皮肤像素块)。在第二步骤S12中，多个块的(优选地，中的每个的)空间均匀性被确定并且皮肤区的尺寸针对当前帧被确定。此外，“光滑”和“有纹理的”空间块的数量被确定。能够使用若干方法，例如使用熵和/或动态范围来测量均匀性。这样的方法的范例被描述在Maneesha Singh和Sameer Singh的“Spatial Texture Analysis:A comparative Study”，PANN Research，Department of Computer Science，University of Exeter，ICPR'02Proceedings of the16th International Conference on Pattern Recognition(ICPR'02)，IEEE ComputerSociety Washington，DC，USA，卷1—卷1、第10676页)中。
在第三步骤S14中，在相邻图像帧中的皮肤区的空间均匀性和尺寸被确定。在第四步骤S16中，在考虑的图像帧中的皮肤区的尺寸之间的差异以及“光滑”和“有纹理的”块的数量的改变被确定。
在第五步骤S18中，可靠性度量基于时间和空间稳定性的参数被生成，其具有以下定性关系：在总皮肤区的尺寸中的差异以及在“光滑”块的数量中的差异越大，提取的生命体征信息信号或生命体征(例如，呼吸的心跳)越不可靠。皮肤区中的“光滑”块的数量越大，所提取的生命体征信息信号或生命体征的可靠性越高。
在第六步骤S20中，后处理的参数基于在步骤S18处的分析的结果被调节。例如，低通滤波器的时间窗(或时间常数)能够增加，以降低所提取的生命体征信息信号或生命体征的波动。备选地，被应用到所提取的生命体征信息信号或生命体征的带通滤波器的宽度能够被降低或/和在先前可靠性值的周围移位。另一个备选是，当可靠性度量(来自步骤S18)示出针对先前值的高可靠性和针对当前值的低可靠性时，后处理器的先前输出能够被保存。下次仅当可靠性度量示出所提取的生命体征信息信号或生命体征再次可靠时，所述值能够被调节。
作为上面处理的结果，如果皮肤区不是空间和时间稳定的，则所提取的信号的波动被降低。
代替于调节后处理器38，可靠性测量(或下层分析)也能够用在处理的其他阶段，如根据以下实施例而是清楚的。
在本发明的另一实施例中，在皮肤区中的所有块依赖于它们的时间稳定性被分级，并且具有最高时间不稳定性的皮肤块从感测区被完全移除或者忽略(即，没有来自这些块的信号被提取和/或使用，以确定期望的生命体征)。
在本发明的又一实施例中，可以使用类似的方法来对针对最终信号的皮肤区的独立空间块的贡献进行加权。基于所论述的测量，预期相对低数量的伪影针对其被生成的皮肤区的部分被给予比其他部分更多权重。
在本发明的又一实施例中，其被提出为包括对相邻图像帧中的块的颜色和/或强度稳定性(例如，相邻图像帧之间的块的色度或/和照度的平均值的改变)的分析。如果具有色度或/和照度的平均值的改变的块的数量超过特定水平，那么所确定生命体征不可靠。可靠性度量相应地被调整(例如，在图2中解释的实施例的步骤S16中)。
通过范例，本发明能够被应用在医疗保健(例如，非侵扰式的远程患者监测)、一般监测、安全监测以及所谓的生活环境(例如，健身装备)等的领域中。应用可以包括对氧饱和度(脉搏血氧饱和度)、心率、血压、心输出量、血液灌注的改变的监测，对自主功能的评定，以及对周围血管疾病的检测。
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说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。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。
在权利要求书中，词语“包括”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。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这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/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统分布。
如本文使用的，术语“计算机”表示各种各样的处理设备。换言之，具有值得考虑的计算能力的移动设备也能够被称为计算设备，即使它们相比于标准台式计算机提供更少处理功率资源。此外，术语“计算机”还可以指的是分布式计算设备，所述分布式计算设备可以涉及或者使用提供在云环境中的计算能力。
权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (10)
1.一种用于确定对象的生命体征的设备，包括：
-接口(32)，其用于接收根据从包括所述对象(12)的一个皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，所述数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)，
-分析器(34)，其用于
通过以下方式来分析所述皮肤区的空间和/或时间性质：通过将所述皮肤区划分为皮肤像素块、确定所述皮肤像素块的空间均匀性并且确定随时间的光滑皮肤像素块和/或有纹理的皮肤像素块的数量来确定所述皮肤区的随时间的空间均匀性，以及
使用光滑皮肤像素块和/或有纹理的皮肤像素块的数量随时间的改变和/或所述皮肤区的尺寸随时间的改变，来确定可靠性信息，
-处理器(36)，其用于基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，以及
-后处理器(38)，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，
所述可靠性信息指示对所述生命体征信息或所述生命体征的确定的可靠性，所述生命体征信息或所述生命体征基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号而被确定，并且
其中，所述分析的空间和/或时间性质以及所述可靠性信息由所述处理器用于确定所述生命体征信息信号和/或由所述后处理器用于确定所述期望的生命体征。
2.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为确定随时间的所述皮肤区的和/或所述皮肤区的色度和/或照度分量的光滑性、尺寸、均匀性。
3.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为确定所述可靠性信息，以指示光滑皮肤像素块的数量越高并且所述皮肤区的尺寸越大可靠性就越高。
4.如权利要求1所述的设备，
其中，所述后处理器(38)被配置为基于所述确定的空间和/或时间性质，来设置所述后处理器(38)的低通滤波器的时间宽度和/或时间常数。
5.如权利要求1所述的设备，
其中，所述后处理器(38)被配置为基于所述确定的空间和/或时间性质，来设置所述后处理器(38)的带通滤波器的宽度。
6.如权利要求1所述的设备，
其中，所述后处理器(38)被配置为仅当所述可靠性信息指示高于预先确定的可靠性阈值的可靠性时才更新所确定的生命体征。
7.如权利要求1所述的设备，
其中，所述处理器(36)被配置为根据所述皮肤区的皮肤像素块的相关联的时间稳定性来对它们进行分级，并且被配置为基于来自在所述皮肤区内的最为时间稳定的皮肤像素块的皮肤像素的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号。
8.如权利要求1所述的设备，
其中，所述处理器(36)被配置为根据所述皮肤区的皮肤像素块的相关联的时间稳定性来确定针对它们的可靠性权重，并且被配置为基于皮肤像素的所述数据信号来确定所述对象的生命体征信息信号，所述数据信号根据相关联的皮肤像素块的所确定的可靠性权重而被加权。
9.一种用于确定对象的生命体征的方法，包括：
-接收根据从包括所述对象(12)的一个皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，所述数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)，
-通过以下方式来分析所述皮肤区的空间和/或时间性质：通过将所述皮肤区划分为皮肤像素块、确定所述皮肤像素块的空间均匀性并且确定随时间的光滑皮肤像素块和/或有纹理的皮肤像素块的数量来确定所述皮肤区的随时间的空间均匀性，
-使用光滑皮肤像素块和/或有纹理的皮肤像素块的数量随时间的改变和/或所述皮肤区的尺寸随时间的改变，来确定可靠性信息，
所述可靠性信息指示对所述生命体征信息或所述生命体征的确定的可靠性，所述生命体征信息或所述生命体征基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号而被确定，
-基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，并且
-根据所述生命体征信息信号来确定所期望的生命体征，
其中，所述分析的空间和/或时间性质以及所述可靠性信息用于确定所述生命体征信息信号，和/或由后处理器用于确定所期望的生命体征。
10.一种计算机可读介质，其上存储有指令，所述指令能被运行以执行如权利要求9所述的方法的步骤。
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