CN113498326A - 用于确定生理信息的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法。所述设备包括脉冲信号计算单元(132)，所述脉冲信号计算单元(132)被配置为根据至少三个探测信号(210)计算脉冲信号(211)，其中所述探测信号中的至少一个包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息。处理单元(133)从由向量系数表示的所述特征向量的一部分导出指示至少一个生命体征的生理信息(212)，所述向量系数反映包括仅在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的所述探测信号的脉动性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定指示对象(诸如患者)的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸速率(RR)或者动脉血氧饱和度(SpO2)，用作人的当前状态的指示符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冲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。
视频健康监测(心率、呼吸速率、SpO2、体动记录、谵妄等)是有前景的新兴领域。其固有的非侵扰性具有针对具有脆弱皮肤的患者的不同的优点，或者实际上具有长期生命体征监测，诸如NICU患者、具有大面积烧伤的患者或必须在睡眠期间在家监测的COPD患者。在其他设置中，诸如在普通病房或急诊室中，无接触监测的舒适仍然是吸引人的特征。
尽管是有前景的新领域，但是必须克服许多挑战。将系统设计为对患者的移动鲁棒目前是主要挑战之一，特别是为了实现在急诊室中的应用。
WO2017/121834A1公开了用于生成承载对象的生命体征信息的光体积描记图像的设备、系统和方法。为了提供针对运动(尤其是针对心冲击运动)的增强的有效性和鲁棒性，所提出的设备包括输入接口、组合单元和图像生成单元，所述输入接口用于获得至少两个不同波长信道中的对象的皮肤区域的图像数据，所述图像数据包括通过检测随时间透射通过皮肤区域或随时间从皮肤区域反射的光采集的两个或更多个图像帧，其中，所述图像数据包括所述至少两个不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，所述组合单元用于针对每个像素或像素组和每个时刻来组合所述至少两个不同波长信道的图像数据值以获得每个像素或像素组的时变脉冲信号，所述图像生成单元用于根据包括至少两个图像帧的时间窗口中的相应的脉冲信号的性质来生成光体积描记图像。
发明内容
本发明的目的是提供用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法，通过所述设备、系统和方法，即使在对象的移动的情况下能够实现具有更高可靠性的结果。
在本发明的第一方面中，呈现了一种用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备，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是根据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的，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，其中，所述探测信号中的至少一个探测信号包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息
-脉冲信号计算单元，其被配置为使用表示所述至少三个探测信号中的脉冲信号的预期相对脉动性的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号计算所述脉冲信号，其中，对所述脉冲信号的所述计算涉及使用实现以下脉冲信号的权重来计算所述至少三个探测信号的加权组合：针对所述脉冲信号，与所获得的至少三个探测信号的乘积等于由所述特征向量表示的所述相对脉动性，
-处理单元，其用于根据由向量系数表示的所述特征向量的部分来导出指示至少一个生命体征的生理信息，所述向量系数反映包括仅在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的所述探测信号的脉动性。
在本发明的另外的方面中，呈现了一种用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的系统，所述系统包括：
-探测器，其用于探测透射通过对象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根据探测到的电磁辐射来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波长相关性反射或透射信息，其中，所述探测信号中的一个探测信号包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息，
-如本文所公开的设备，其用于提取生理信息。
在本发明的另外的方面中，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在计算机上执行所述计算机程序时使所述计算机执行本文所公开的方法的步骤；以及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在由处理器运行时使本文中公开的方法被执行。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。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系统具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中定义的并且如本文中公开的。
本发明基于以下构思：使用高脉动性波长来进行生理信息的运动鲁棒确定，特别是诸如SpO2(和其他)的生命体征的测量，以进一步改进运动鲁棒性而不引入对于重新校准的需要。SpO2方法的问题在于，为了可校准性(即，该方法可以被校准以对不同的对象产生良好的准确性，并且关于可用的皮肤区域不太关键)，需要使用长于650nm的波长，因为在550nm周围的强得多的PPG信号在个体和皮肤部位之间变化太大。因此，根据本发明，在基于特征的间接SpO2估计(或其他生理信息的确定)中使用在600nm之下(例如，在550nm周围)的高度脉动波长，但是忽略在在600nm之下的该波长本身处的脉动性(相对脉动强度，即反射光的AC/DC)以维持良好的可校准性。
如上所述，PPG信号是源于皮肤中血液体积的变化。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(其中，皮肤的散射性质也起作用)。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(即，时变部分除以随时间的平均)安排在“特征向量”中，也称为“归一化血液体积向量”，PBV。其在以下文章中示出：G.de Haan and A.van Leest,“Improvedmotion robustness of remote-PPG by using the blood volume pulse 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，以便实现脉冲向量与由特征向量所指示的归一化颜色通道的规定相关性。
PBV方法的细节和归一化血液体积向量的使用(称为“指示参考生理信息的具有设置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。
因此，本发明实现了使用生命体征相机的运动鲁棒SpO2测量，而且实现改进的运动鲁棒脉冲信号、改进的脉搏率、任选地改进的血清胆红素估计(实质上可以使所有基于PPG的信息更鲁棒)。最终，本发明甚至可以用于改进接触式血氧计的运动鲁棒性。
在优选实施例中，所述至少三个探测信号中的两个探测信号包括红色和/或红外光的不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，并且第三探测信号包括除了红色之外的另一颜色的可见光的波长信道中的波长相关性反射或透射信息。在特定实施方式中，第一波长信道覆盖在620nm至1000nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在660nm至760nm的范围内的波长或波长范围，第二波长信道覆盖在620nm至1000nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在850nm至940nm的范围内的波长或波长范围(例如在900nm周围)，并且第三波长信道覆盖在400nm至600nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在520nm至580nm的范围内的波长或波长范围。使用这些波长信道已经表明提供可靠的结果，特别是关于一个或多个生命体征(诸如SpO2)的确定。
所述处理单元还被配置为导出指示血液物质，特别是Hb、HbO2、MetHb和HbCO中的一种或多种的相对浓度的生理信息。本发明已经表明在确定这样的生理信息方面是特别有用的。
在又一实施例中，所述脉冲信号计算单元被配置为使用不同的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号计算至少两个脉冲信号，其中，针对对每个脉冲信号的所述计算，不同的给定特征向量被使用，其中，给定特征向量表示所述至少三个探测信号中的相应脉冲信号的预期相对脉动性，其中，对脉冲信号的所述计算涉及使用实现以下脉冲信号的权重来计算所述至少三个探测信号的加权组合：针对所述脉冲信号，与所获得的至少三个探测信号的乘积等于由相应特征向量表示的所述相对脉动性，其中，所述设备还包括质量指示符计算单元，所述质量指示符计算单元用于计算针对所述脉冲信号的质量指示符值，所述质量指示符值指示相应脉冲信号的特性，并且其中，所述处理单元被配置为使用一个或多个特征向量的部分来导出指示至少一个生命体征的生理信息，所述一个或多个特征向量的所述部分实现具有最佳质量指示符值的所述一个或多个脉冲信号并且由反映包括在600nm之上的波长信道中(即，在具有长于600nm的波长的信道中)的波长相关性反射或透射信息的所述探测信号的脉动性的向量系数表示。
当血液的成分变化时，PPG信号的特性波长相关性变化。特别是，动脉血的氧饱和度对620nm和780nm之间的波长范围内的吸收有强的效应。不同SpO2值的这种变化的特征导致取决于动脉血液氧合的相对PPG脉动性。这种相关性可以用于实现一种运动鲁棒的远程SpO2监测系统，其已被称为自适应PBV方法(APBV)，并且在WO 2017/055218 A1中和在M.vanGastel、S.Stuijk和G.de Haan的“New principle for measuring arterial bloodoxygenation,enabling motion-robust remote monitoring”(Nature ScientificReports,Nov.2016)中进行了详细描述。在这些文档中提供的APBV方法的细节的描述也通过引用并入本文。
当在以下时可以进一步改进该实施例：所述脉冲信号计算单元被配置为使用固定的一组不同的特征向量，并且所述处理单元被配置为对实现具有所述最佳质量指示符值的所述脉冲信号的所述特征向量的所述部分的时间序列进行滤波以获得所述生理信息被导出的经滤波的部分特征向量，其中，部分特征向量的所述时间序列是根据针对所述至少两个探测信号的连续时间窗口计算的脉冲信号和质量指示符来获得的。
存在用于确定和使用质量指示符的各种选项。在一个实施例中，所述质量指示符计算单元可以被配置为特别是在滑动时间窗口上计算归一化脉冲信号的幅度谱(例如，脉冲信号除以其标准偏差)，并且使用特别是典型脉冲频率的范围内的最高峰的幅度作为针对所述脉冲信号的质量指示符。不是使用归一化脉冲信号的幅度谱作为用于计算的基础，而是可以颠倒顺序，即可以使用脉冲信号的归一化幅度谱，其中，归一化可以是幅度谱除以其总和或除以其能量。
在另一实施例中，所述质量指示符计算单元可以被配置为计算滑动时间窗口中的脉冲信号，并且将所述谱的所述脉冲频率的范围内的偏斜度定义为针对所述脉冲信号的所述质量指示符。
在又一实施例中，所述质量指示符计算单元可以被配置为计算滑动时间窗口中的经带通滤波(限于HR带)的脉冲信号，并且将脉冲信号的峰度定义为针对所述脉冲信号的所述质量指示符
在又一实施例中，所述脉冲信号计算单元可以被配置为通过在时间窗口上计算归一化的无DC探测信号Cn的协方差矩阵Q＝CnCn T来计算所述脉冲信号S1、S2，并且将用于计算脉冲信号
的权重Wx找到为
其中，k被选择为使
并且x∈{1,2}。此处应当注意，权重和Pbvs对于从相同探测信号Cn获得的两个脉冲信号是不同的。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文描述的(一个或多个)实施例而显而易见并且将参考下文描述的(一个或多个)实施例得到阐述。在以下附图中：
图1示出了血液的吸收光谱的示图；
图2示出了根据本发明的系统的示意图；
图3示出了根据本发明的设备的第一实施例的示意图；
图4示出了根据本发明的设备的第二实施例的示意图；并且
图5示出了有序特征向量集的示图。
具体实施方式
用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的已知方法的问题是其对对象运动的灵敏度。其原因是生命体征将其自身表现为由非接触式传感器(例如相机)或接触式传感器(例如脉搏血氧仪)探测到的皮肤的小颜色变化。然而，对象运动容易导致探测到的信号中的大得多的变化，并且根据这些失真信号恢复生命体征是要解决的主要问题之一。上面描述的PPV和APPV方法通过使用基于特征的脉搏提取方法以鲁棒的方式间接测量例如SpO2来解决该问题。即使这导致鲁棒性的巨大进步，其仍然还可以改进以允许例如在急诊室中的应用，其中，运动通常比床上的患者更强。
SpO2估计方法的问题是，为了可校准性，需要使用长于650nm的波长。这是因为更短波长较差地穿透皮肤。因此，脉动性变得强烈取决于在对象和身体部位之间变化的皮肤层的厚度。然而，更长波长处的低脉动性增加了针对对象运动的脆弱性。在550nm周围使用强得多(大约5-10倍)的PPG信号将是非常有吸引力的，因为这可以以相同的因子改善运动鲁棒性。
这可以在图1中看见，图1示出了取决于氧饱和度的血液的吸收光谱的示图。如果传感器例如在650/760nm、810nm和900nm周围对该光谱进行采样，则“特征”向量Pbv具有都取决于SpO2的三个分量。
而且，与睡眠监测应用不同，急诊室中的测量可以使用可见光而不被认为是突兀的。令人遗憾地，实验表明该高得多的脉动性在个体和皮肤部位之间变化相当大，并且取决于环境条件，这将需要对于每个对象的重新校准并且甚至可能该流程随着环境变化(例如，温度的)的重复。
本发明使用高脉动性波长用于生理信息的运动鲁棒确定，特别是用于确定诸如SpO2的生命体征。本发明的一个元素是，除了已知系统中使用的NIR波长之一之外或作为其备选，使用在600nm之下(例如在550nm周围)的波长，其中，脉动性是非常高的，但是在相对宽地变化的范围内，对生理信息的确定(特别是SpO2值的确定)是无关紧要的。以这种方式，可以在不引入对于重新校准的需要的情况下改进运动鲁棒性。这将在下面更详细地进行解释。
图2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，并且用于根据探测到的电磁辐射导出至少三个探测信号。每个探测信号包括不同的波长信道中波长相关性反射或透射信息，其中所述探测信号中的一个包括在600nm之下的波长信道中(即，具有短于600nm的波长的信道中)的波长相关性反射或透射信息。
系统100还包括用于根据至少三个探测信号来确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备130。对象120可以是患者，在本示例中为躺在床160上的患者，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波长相关性反射或透射信息。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2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3示出了根据本发明的设备130的第一实施例130a的更详细的示意图。设备130a包括输入接口131，输入接口131被配置为获得从探测到的透射通过对象120的皮肤区域或从对象120的皮肤区域反射的电磁辐射导出的至少三个探测信号210。如上所述，每个探测信号210包括不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，其中，探测信号210中的至少一个包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息。
设备130a还包括脉冲信号计算单元132，脉冲信号计算单元132被配置为使用表示至少三个探测信号210中的脉冲信号的预期相对脉动性的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号211来计算脉冲信号211。脉冲信号211的计算涉及使用实现与所获得的(原始)至少三个探测信号的(内)乘积等于如由特征向量表示的相对脉动性的脉冲信号的权重来计算至少三个探测信号210的加权组合。优选地，在执行该计算之前，使脉冲信号和探测信号无DC并且归一化。
设备130a还包括处理单元133，处理单元133用于从由向量系数表示的所述特征向量的部分导出指示至少一个生命体征的生理信息212，所述向量系数反映包括在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的探测信号的脉动性。
取决于如何以及在何处应用本发明，设备130a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以软件实现，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以硬件来实现，例如以专用集成电路(ASIC)或者以现场可编程门阵列(FPGA)。
因此，根据本发明的该实施例，除了至少两个在600nm之上(优选地在630nm之上)的波长之外，确保了在生理信息的确定中(例如，在SpO2估计中)使用在600nm之下(例如，在550nm周围)的高度脉动波长(优选地基于特征，即间接)，由此确保在600nm之下的波长本身的脉动强度在所得到的生理信息(例如，SpO2)中不起作用以维持良好的可校准性。
所使用的波长处的相对脉动性可以被描述为特性特征，即具有反映所使用的波长处的相对脉动强度的分量的向量。这些分量之一对应于在600nm之下(例如，在550nm周围处)的波长的脉动强度，其基本上是不确定的并且不携带信息。
如上所述，该“特征”也已经被称为“归一化血液体积向量”PBV。如果该PBV是已知的，那么基于颜色信道和特征PBV的运动鲁棒脉冲信号提取是可能的。对于脉冲信号的质量，重要的是特征是准确的，因为否则上面描述的PBV和APBV方法将噪声混合到输出脉冲信号中，以便实现脉冲向量与如由特征PBV指示的归一化颜色信道的规定相关性。并行地测试多个特征向量或使用质量度量来调整特征，知道血液的组成(SpO2、CO、MtHB、胆红素等)是间接地可能的，因为具有正确的相对脉动性的特征将使用PBV方法给出最高的脉搏质量。
图4示出了根据本发明的设备130的第一实施例130b的更详细的示意图。根据该实施例130b，脉冲信号计算单元132使用不同的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号210计算不是仅仅一个而是至少两个脉冲信号211b。对于对每个脉冲信号的计算，使用不同的给定特征向量，其中，给定特征向量表示至少三个探测信号中的相应脉冲信号的预期相对脉动性，其中脉冲信号的计算涉及使用实现与所获得的(原始)至少三个探测信号的乘积等于如由相应特征向量表示的相对脉动性的脉冲信号的权重来计算至少三个探测信号的加权组合。
该设备还包括质量指示符计算单元134，质量指示符计算单元134用于计算针对所述脉冲信号211a、211b的指示相应脉冲信号的特性的质量指示符值213。处理单元133被配置为从(一个或多个)特征向量的部分导出指示至少一个生命体征的生理信息212，所述(一个或多个)特征向量的所述部分实现具有(一个或多个)最佳质量指示符值213的(一个或多个)脉冲信号，并且由反映包括在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的探测信号的脉动性的向量系数表示。因此，在一个实施例中，可以仅使用(实现最佳质量指示符值的)单个特征向量的部分，但是在其他实施例中也可以使用(实现最佳质量指示符值的)若干(例如三个)特征向量的部分。
因此，根据本发明，与已知描述的PBV和APBV方法相对，在600nm之下(例如，在550nm周围)的额外波长信道需要扩展要测试的向量的范围，但是在生理信息的确定中(例如，在SpO2、CO、MetHB、胆红素等的测量中)忽略对应于该波长的脉动强度的分量的选择。
在另一实施例中，可以使用利用传感器/相机的APBV方法(例如在660nm、880nm处以及额外在550nm周围对光谱进行采样)来实现鲁棒的脉冲信号和SpO2测量。使用PBV方法并行测试的特征向量集呈现具有分别反映550nm、660nm和880nm信道中的相对脉动性的三个分量的向量。
在特定示例中，该集合可以包括660nm和880nm分量的M＝30个不同组合，反映M＝30个不同的SpO2值(例如，100％-70％SpO2，以1％的步长)，其利用不同的第一分量发生多次(N次)(反映不确定的相对550nm脉动性)。如果这些向量在列表中排序，如图5所示，则该列表中的索引对应于特定的SpO2值。由于要忽略550nm的脉动性，可以对索引取模M以提供SpO2。尽管子集的选择对于SpO2测量是无意义的，但是其可以用于其他测量(例如皮肤性质、身体部位、色素沉着等)。如图5所示，有序特征向量集包含重复子集，其中，红色/红外信道中的相对脉动性对应于SpO2范围，而每个子集具有550nm信道的不同脉动性。有序列表中的索引(具有最佳质量脉冲信号的特征)识别SpO2值，而所使用的模函数禁止来自550nm脉动强度的任何效应。
下表示出了合适的PBV特征向量集的简化得多的集合。
第二组数字(行7-12)将550nm、660nm和880nm的相对脉动性示出为SpO2的函数。第一组数字(行1-6)和第三组数字(行13-18)是其副本，其中，550nm信道中的脉动性已经分别减小和增加。对于实际的SpO2测量，在第一、第二或第三向量子集中是否找到最佳向量是不相关的，而是只有子集中的相对位置才是相关的。
在以下中，应该简要解释关于Pbv方法的一些基本考虑。
心脏的跳动将引起动脉中的压力变化，因为心脏泵送血液抵抗血管床的阻力。由于动脉是弹性的，因此动脉的直径与压力变化同步变化。这种直径变化甚至发生在皮肤的较小血管中，其中，血液体积变化引起光吸收变化。
单位长度的归一化血液体积搏动向量(也被称为特征向量)被定义为PBV，其提供在红色、绿色和蓝色相机信号中的相对PPG强度，即：
其中，σ指示标准偏差。
为了量化期望值，红色、绿色和蓝色信道的响应H红(w)、H绿(w)和H蓝(w)分别被测量作为波长w、全局快门颜色CCD相机1、对象的皮肤反射率ρS(w)的函数，并且使用绝对PPG幅度曲线PPG(w)。根据上面引用的de Haan和van Leest的文章的例如图2中所示的这些曲线，血液体积搏动向量PBV被计算为：
其使用白卤素照明谱I(W)产生归一化PBV＝[0.27,0.80,0.54]。当使用更嘈杂曲线时，结果可以是PBV＝[0.29,0.81,0.50]。
由所使用的模型预测的血液体积搏动合理地良好对应于对在白光照明状况下的多个对象上的测量结果进行平均后发现的通过实验测量的归一化血液体积搏动向量PBV＝[0.33，0.78，0.53]。在假定是这样的结果的情况下，得出以下结论：(尤其是在红色中以及到蓝色相机信道中的较小范围中)观察到的PPG幅度能够极大地由来自500nm至600nm之间的区间中的波长的串扰来解释。精确血液体积搏动向量依赖于相机的颜色滤波器、光的谱以及皮肤反射率，如模型所示。在实践中，通过给定波长信道的集合，向量被证明是非常稳定的(相比于基于RGB的向量，这种向量在红外部分中将是不同的)。
已经进一步发现：皮肤在白光照明下在红色、绿色和蓝色信道中的相对反射率并不非常依赖于皮肤类型。这可能是因为无血液的皮肤的吸收谱是由黑色素吸收主导的。虽然更高的黑色素浓度能够相当大地增加绝对吸收，但是在不同波长中的相对吸收保持不变。这意味着黑色素的增加使皮肤变暗，但是几乎不会使皮肤的归一化颜色变化。因此，归一化血液体积搏动PBV在白光照明下也是相当稳定的。在红外波长中，由于黑色素对于短波长(UV光)发生最大吸收而对于较长波长吸收减少，因此黑色素的影响被进一步减小。
PBV的稳定特性能够用于区分由血液体积变化引起的颜色变化与由于备选原因引起的变化(即，稳定的PBV能够用作血液体积改变的“特征”以区分其颜色变化)。颜色信道PBV的已知相对搏动性因此能够被用于区别脉冲信号与失真。使用已知方法得到的脉冲信号S能够被写作个体无DC归一化颜色信道的线性组合(表示“混合”的若干可能的方法之一)：
S＝W Cn
其中，WWT＝1，并且其中，3×N矩阵Cn的三行中的每行分别包含无DC归一化红色、绿色、蓝色信道信号Rn、Gn和Bn的N个样本，即：
此处，算子μ对应于均值。不同方法之间的关键差异在于加权向量W的计算。在一种方法中，噪声和PPG信号可以被分离成被建立为两个颜色信道的线性组合的两个独立信号。一种组合接近清洁的PPG信号，另一种包含归因于运动的噪声。作为优化准则，脉冲信号中的能量可以被最小化。在另一方法中，三个信道的线性组合被用于获得脉冲信号。
PBV方法一般使用如在US 2013/271591 A1以及上面引用的de Haan和van Leest的文章中主要描述的血液体积搏动向量来获得混合系数。如果使用Rn、Gn和Bn的带通滤波的版本，那么会获得最好的结果。根据该方法，Pbv的已知方向被用于区别脉冲信号与失真。这不仅消除了(较早方法中)搏动仅是视频中的周期性分量的假设，而且还消除了关于失真信号的取向的假设。为此，如前，假设脉冲信号被建立为归一化颜色信号的线性组合。由于已知在红色、绿色和蓝色信道中的脉冲信号的相对幅度由PBV给出，因此搜索权重WPBV，其给出脉冲信号S，针对脉冲信号S，与颜色信道Rn、Gn和Bn的相关性等于Pbv。
并且因此通过下式来确定对混合进行确定的权重：
根据实施例，可靠性指示符可以根据度量(例如，频域中的相同峰(脉冲率)，或类似的SNR，或脉冲信号的对之间的低均方差)，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方法被用于从三个波长信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，可靠性指示符可以根据度量(例如，候选值的标准偏差(如图7中所表示的)，可能在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(在接触式传感器的情况下)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。
在以下中，相对于Pbv方法的一些基本考虑应当简单地解释。
代替于从PPG波形提取特征，APBV间接地基于利用SpO2“特征”提取的脉冲信号的信号质量来确定SpO2。该流程可以在数学上被描述为：
其中，Cn包含DC归一化颜色变化，并且标量k被选择为使得
具有单位长度。在
中编译的SpO2特征可以从生理学和光学导出。假定相同相机，N个相机的PPG幅度可以通过以下内容确定：
此处，PPG幅度谱PPG(λ)可以通过来自动脉血中的主要发色团血红蛋白的两个最常见变型的光吸收谱的线性混合来近似；氧化(HbO2)和还原(Hb)：
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
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
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。
总的来说，根据本发明的实施例，使用给定的特征向量来计算脉冲信号，即，确定权重(参见等式(2))(每个波长信道一个权重)。通常，根据等式(2)确定的所有权重被用于确定生命体征(参见等式(3))。相比之下，根据本发明，为了确定期望的生命体征(例如SpO2)，忽略针对在600nm之下的至少一个波长信道(例如绿色波长信道)确定的权重，但是只有针对在600nm之上的波长信道(例如红色和红外波长信道)的权重才用于确定期望的生命体征(例如根据等式(3))。这是可能的，因为如由上面给出的表所示，SpO2值对于绿色信道中(此处在550nm处)的相对脉动性的不同值是相同的。
不敢为了确定期望的生命体征而忽略其，确定针对在600nm之下的至少一个波长信道的权重，因为否则针对在600nm之上的波长信道的权重可能是不正确的，并且所得到的脉冲信号可能不够干净。只要脉冲信号尽可能干净(即，对运动鲁棒)，给予在600nm之上的波长信道的权重才是可靠的，并且允许以高准确性和可靠性确定期望的生命体征的值。各个波长信道中的相对脉动性相差越大，运动鲁棒性越好，因为运动在所有波长信道中具有相同的相对脉动性，即如果脉搏具有非常不同的相对脉动性，则与脉搏的对比度最高。
在600nm之上的波长信道中的相对脉动性与所得到的生命体征的值(例如，SpO2值)之间的关系可以从理论(例如，人类皮肤中的吸收和散射现象的建模)或优选地从实验(例如，使用对许多(静态)个体的测量、使用可信参考测量(例如，通过诸如脉搏血氧仪的接触式测量设备或通过从那些个体抽取的血液样本的分析获得))来确定。
尽管相对脉动性的间接测量(例如，使用APBV)似乎是最有利的，但是可以应用使用额外的但更少信息性的(例如，550nm)波长信道来改进血液物质浓度的测量的鲁棒性的备选算法。
典型的实施例使用传达在620nm与1000nm之间(特别是660/760nm与880nm之间)的波长范围内感测到的反射数据的光学传感器信道，而额外信道优选地传达在400nm与600nm之间(特别是在520nm与580nm之间)的范围内感测到的反射数据。
本发明的典型应用是在基于接触式传感器或相机的光体积描记中，其中，主要测量关于血管(特别是动脉或小动脉)中的血液物质(例如Hb、HbO2、MetHb、HbCO、胆红素等)的(相对)浓度。
本发明可以应用于已经使用接触式传感器和/或无接触传感器采集的探测信号。通过范例，本发明可以被应用在医疗保健领域中，例如，非侵扰远程患者监测、一般监督、安全性监测和所谓的生活方式环境(诸如健身装备、健身/健康手表/带(通常腕戴))等。应用可以包括氧饱和度(脉搏血氧计)、心率、血压、心脏输出、血液灌注的改变的监测、自主功能呼吸的评估、以及周围血管疾病的检测。本发明可以例如被用于危重患者的快速和可靠的脉搏检测，例如在自动化CPR(心肺复苏术)期间。系统可以被用于对例如NICU中的具有非常敏感的皮肤的新生儿和对具有损坏(例如烧伤的)皮肤的患者的生命体征的监测，而且可以是比如在普通病房中使用的接触传感器更方便的。
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，在实践请求保护的发明时能够理解并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实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/被分布在合适的非瞬态介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (14)
1.一种用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备，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是根据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的，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，其中，所述探测信号中的至少一个探测信号包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息，
-脉冲信号计算单元(132)，其被配置为使用表示所述至少三个探测信号(210)中的脉冲信号(211)的预期相对脉动性的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号计算所述脉冲信号，其中，对所述脉冲信号的所述计算涉及使用实现以下脉冲信号的权重来计算所述至少三个探测信号的加权组合：针对所述脉冲信号，与所获得的至少三个探测信号的乘积等于由所述特征向量表示的所述相对脉动性，以及
-处理单元(133)，其用于根据由向量系数表示的所述特征向量的部分来导出指示至少一个生命体征的生理信息(212)，所述向量系数反映包括仅在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的所述探测信号的脉动性。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述至少三个探测信号中的两个探测信号包括红色和/或红外光的不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，并且第三探测信号包括除了红色之外的另一颜色的可见光的波长信道中的波长相关性反射或透射信息。
3.根据权利要求2所述的设备，
其中，第一波长信道覆盖在620nm至1000nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在660nm至760nm的范围内的波长或波长范围，第二波长信道覆盖在620nm至1000nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在850nm至940nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在900nm周围的波长或波长范围，并且第三波长信道覆盖在400nm至600nm的范围内的波长或波长范围，特别是覆盖在520nm至580nm的范围内的波长或波长范围。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述处理单元(132)被配置为导出指示血液物质的相对浓度的生理信息(212)，特别是导出指示Hb、HbO2、MetHb和HbCO中的一种或多种的相对浓度的生理信息(212)。
5.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述脉冲信号计算单元(133)被配置为使用不同的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号(210)计算至少两个脉冲信号(211a、211b)，其中，针对对每个脉冲信号的所述计算，不同的给定特征向量被使用，其中，给定特征向量表示所述至少三个探测信号中的相应脉冲信号的预期相对脉动性，其中，对脉冲信号的所述计算涉及使用实现以下脉冲信号的权重来计算所述至少三个探测信号的加权组合：针对所述脉冲信号，与所获得的至少三个探测信号的乘积等于由相应特征向量表示的所述相对脉动性，
其中，所述设备还包括质量指示符计算单元(134)，所述质量指示符计算单元用于计算针对所述脉冲信号(211a、211b)的质量指示符值，所述质量指示符值指示相应脉冲信号的特性，并且
其中，所述处理单元(133)被配置为使用一个或多个特征向量的部分来导出指示至少一个生命体征的生理信息(212)，所述一个或多个特征向量的所述部分实现具有最佳质量指示符值的所述一个或多个脉冲信号并且由反映包括在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的所述探测信号的脉动性的向量系数表示。
6.根据权利要求5所述的设备，
其中，所述脉冲信号计算单元(132)被配置为使用固定的一组不同的特征向量，并且所述处理单元(133)被配置为对实现具有所述最佳质量指示符值的所述脉冲信号的所述特征向量的所述部分的时间序列进行滤波以获得所述生理信息被导出的经滤波的部分特征向量，其中，部分特征向量的所述时间序列是根据针对所述至少两个探测信号(210)的连续时间窗口计算的脉冲信号和质量指示符来获得的。
7.根据权利要求5和6中的任一项所述的设备，
其中，所述质量指示符计算单元(134)被配置为计算归一化脉冲信号的幅度谱，特别是在滑动时间窗口上计算归一化脉冲信号的幅度谱，并且使用一范围内的最高峰的幅度作为针对所述脉冲信号的所述质量指示符，特别是使用典型脉冲频率的范围内的最高峰的幅度作为针对所述脉冲信号的所述质量指示符。
8.根据权利要求5和6中的任一项所述的设备，
其中，所述质量指示符计算单元(134)被配置为计算所述脉冲信号的归一化幅度谱，并且使用在一范围内的最高峰的幅度作为针对所述脉冲信号的所述质量指示符，特别是使用典型脉冲频率的范围内的最高峰的幅度作为针对所述脉冲信号的所述质量指示符。
9.根据权利要求5和6中的任一项所述的设备，
其中，所述质量指示符计算单元(134)被配置为计算滑动时间窗口中的脉冲信号，并且将所述谱的所述脉冲频率的范围内的偏斜度定义为针对所述脉冲信号的所述质量指示符。
10.根据权利要求5和6中的任一项所述的设备，
其中，所述质量指示符计算单元(134)被配置为计算滑动时间窗口中的经带通滤波的脉冲信号，并且将脉冲信号的峰度定义为针对所述脉冲信号的所述质量指示符。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，
其中，所述脉冲信号计算单元(132)被配置为通过在时间窗口上计算归一化的无DC探测信号Cn的协方差矩阵Q＝CnCn T来计算所述脉冲信号S1、S2，并且将用于计算脉冲信号
的权重Wx找到为
其中，k被选择为使
并且x∈{1,2}。
12.一种用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的系统，所述系统包括：
-探测器(112、114)，其用于探测透射通过对象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根据探测到的电磁辐射来导出至少三个探测信号(Cn)，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，其中，所述探测信号中的一个探测信号包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息，
-根据前述权利要求中的任一项所述的设备(130、130a、13b)，其用于提取生理信息。
13.一种用于确定指示对象的至少一个生命体征的生理信息的方法，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是根据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的，其中，每个探测信号包括不同波长信道中的波长相关性反射或透射信息，其中，所述探测信号中的至少一个探测信号包括在600nm之下的波长信道中的波长相关性反射或透射信息，
-使用表示所述至少三个探测信号(210)中的脉冲信号(211)的预期相对脉动性的给定特征向量来根据所述至少三个探测信号计算所述脉冲信号，其中，对所述脉冲信号的所述计算涉及使用实现以下脉冲信号的权重来计算所述至少三个探测信号的加权组合：针对所述脉冲信号，与所获得的至少三个探测信号的乘积等于由所述特征向量表示的所述相对脉动性，并且
-根据由向量系数表示的所述特征向量的部分来导出指示至少一个生命体征的生理信息(212)，所述向量系数反映包括仅在600nm之上的波长信道中的波长相关性反射或透射信息的所述探测信号的脉动性。
14.一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使所述计算机执行根据权利要求13所述的方法的步骤。
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