JP2018534025A - Device, system and method for acquiring vital sign related information of living body - Google Patents
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Abstract
本発明は、生体3のバイタルサイン関連情報を取得するデバイス、システム、及び方法に関する。提案されるデバイスは、生体3の皮膚領域2から反射される少なくとも1つの波長間隔で受光される光31から生成される入力信号32を受信する入力ユニット12であって、上記入力信号が、上記生体のバイタルサインが得られることができるバイタルサイン関連情報を表す、入力ユニットと、上記入力信号32を処理し、上記生体のバイタルサイン関連情報36を上記入力信号32から得る処理ユニット14と、上記皮膚領域2の向きを推定する方向推定ユニット16と、上記皮膚領域2の上記推定された向きに基づき上記皮膚領域2を照らすため、上記皮膚領域3を光41で照らす照明ユニット40を制御し、及び/又は上記皮膚領域2の推定された方向に基づき選択される時間間隔の間に得られる上記入力信号からバイタルサイン関連情報36を得るため、上記処理ユニットを制御する制御ユニット18とを有する。The present invention relates to a device, a system, and a method for acquiring vital sign related information of a living body 3. The proposed device is an input unit 12 that receives an input signal 32 generated from light 31 received at least one wavelength interval reflected from the skin region 2 of the living body 3, wherein the input signal is An input unit representing vital sign related information from which a vital sign of a living body can be obtained; a processing unit 14 that processes the input signal 32 and obtains the vital sign related information 36 of the living body from the input signal 32; A direction estimation unit 16 for estimating the direction of the skin region 2 and a lighting unit 40 for illuminating the skin region 3 with light 41 to illuminate the skin region 2 based on the estimated direction of the skin region 2; And / or a vital sign function from the input signal obtained during a time interval selected based on the estimated direction of the skin region 2. To obtain information 36, and a control unit 18 for controlling the processing unit.
Description
本発明は、生体のバイタルサイン関連情報を取得するデバイス、システム及び対応する方法に関する。 The present invention relates to a device, system and corresponding method for obtaining vital sign related information of a living body.
ビデオカメラ又は遠隔PPG(フォトプレチスモグラフィ)を用いる目立たないバイタルサイン監視が、患者の監視に関して重要であることが発見及び証明された。遠隔フォトプレチスモグラフ撮像は例えば、Wim Verkruysse、Lars O. Svaasand及びJ. Stuart Nelsonによる「Remote plethysmographic imaging using ambient light」、Optics Express、Vol. 16、No. 26、December 2008に記載される。それは、皮膚中の血液量における時間的変動が、皮膚による光吸収における変動をもたらすという原理に基づかれる。斯かる変動は、例えば顔といった皮膚領域の画像をとるビデオカメラにより位置合わせされることができる。一方、選択された領域(概してこのシステムでは頬の部分)にわたり画素平均の算出が処理される。この平均信号の周期変化に注目することにより、心拍レート及び呼吸レートが抽出されることができる。遠隔PPGを使用して患者のバイタルサインを得るデバイス、システム及び方法の詳細を記載する更なる刊行物及び特許出願が存在する。 Unobtrusive vital sign monitoring using a video camera or remote PPG (Photoplethysmography) has been found and proven to be important for patient monitoring. Remote photoplethysmographic imaging is described, for example, in “Remote plethmomorphic imaging using ol. Ssl, ss. It is based on the principle that temporal variations in blood volume in the skin result in variations in light absorption by the skin. Such variations can be aligned by a video camera that takes an image of a skin area, eg, the face. Meanwhile, the pixel average calculation is processed over a selected region (generally the cheek portion in this system). By paying attention to the periodic change of the average signal, the heart rate and the respiration rate can be extracted. There are additional publications and patent applications that describe details of devices, systems and methods for obtaining patient vital signs using remote PPG.
こうして、動脈血の脈動は、光吸収における変化を引き起こす。光検出器(又は光検出器のアレイ)で観測されるこれらの変化は、PPG(フォトプレチスモグラフィ)信号(波動波とも呼ばれる)を形成する。血液の脈動は、鼓動する心臓、即ち心臓の個別の鼓動に対応するPPG信号におけるピークによりもたらされる。従って、PPG信号は、それ自体において鼓動信号である。この信号の正規化された振幅は、異なる波長に対して異なり、いくつかの波長に対しては、それは、血液酸化の関数でもある。 Thus, arterial blood pulsation causes a change in light absorption. These changes observed at the photodetector (or array of photodetectors) form a PPG (Photoplethysmography) signal (also called a wave). Blood pulsations are caused by peaks in the PPG signal corresponding to the beating heart, ie, the individual beats of the heart. Thus, the PPG signal is a beating signal in itself. The normalized amplitude of this signal is different for different wavelengths, and for some wavelengths it is also a function of blood oxidation.
規則的なビデオデータが、多くの場合において十分なバイタルサイン(時々生物測定信号とも呼ばれ、例えば鼓動、呼吸レート、Sp02レート等である)を産生することが示されるが、強い運動、低い光量、白でない照明といった挑戦的なケースに関する画像取得は、更なる改良を必要とする。既知の方法、システム及びデバイスは、1つの支配的な光源が存在する限り、動き及び異なる照明環境に対して一般的に堅牢である。斯かる状態では、PPG技術は、フィットネス運動中のトレッドミルで、少なくとも心拍数のようないくつかのバイタルサインに対して使用されることができる点で、正確で堅牢であることが証明される。 Regular video data is often shown to produce sufficient vital signs (sometimes also called biometric signals, eg beating, breathing rate, Sp02 rate, etc.), but strong motion, low light intensity Image acquisition for challenging cases, such as non-white lighting, requires further improvement. Known methods, systems and devices are generally robust to motion and different lighting environments as long as one dominant light source is present. Under such conditions, PPG technology has proven to be accurate and robust in that it can be used on treadmills during fitness exercises for at least some vital signs such as heart rate. .
画像ベース(例えばカメラベース)バイタルサイン監視において発生する1つの大きな課題は、支配的な光がその環境に存在しないとき、発生する。更に、例えば異なる皮膚タイプ、体の姿勢に関して、又は、本体運動後において、特定の照射が、すべての測定に必ずしも最適であるというわけではない。 One major challenge that arises in image-based (eg camera-based) vital sign surveillance occurs when no dominant light is present in the environment. Furthermore, specific irradiations are not necessarily optimal for all measurements, for example with respect to different skin types, body postures or after body movements.
WO2014/087310A1号は、生体のバイタルサイン情報を取得するデバイス及び方法を開示する。開示されたデバイスは、少なくとも生体の関心領域から反射された少なくとも1つの波長間隔の光を受光し、受光した光から入力信号を生成する検出ユニットと、入力信号を処理し、遠隔フォトプレチスモグラフィを用いて上記入力信号から上記生体のバイタルサイン情報を得る処理ユニットと、少なくとも上記関心領域を光で照らす照明ユニットと、上記入力信号及び/又は上記導出されたバイタルサイン情報に基づき上記照明ユニットを制御する制御ユニットとを有する。しかしながら、運動堅牢性の更なる改善が望まれる。 WO2014 / 083310A1 discloses a device and method for obtaining vital sign information of a living body. The disclosed device receives at least one wavelength interval of light reflected from a region of interest of a living body, generates an input signal from the received light, processes the input signal, and performs remote photoplethysmography. A processing unit for obtaining vital sign information of the living body from the input signal, an illumination unit for illuminating at least the region of interest with light, and controlling the illumination unit based on the input signal and / or the derived vital sign information Control unit. However, further improvements in exercise robustness are desired.
WO2013/186696A1号は、対象のバイタルサインを決定するシステムを開示し、これは、対象のビデオデータを取得する撮像ユニットと、対象の身体に直接又は間接的に取り付けられ、グラフィックパターンを含むマーカと、上記ビデオデータにおいて上記マーカを検出する画像処理ユニットと、上記ビデオデータから上記対象のバイタルサインに関連付けられるバイタルサインパラメータを抽出し、上記バイタルサインパラメータから上記バイタルサインを決定するように適合された分析ユニットとを有する。 WO2013 / 186696A1 discloses a system for determining a vital sign of a subject, which includes an imaging unit for obtaining the subject's video data, and a marker attached directly or indirectly to the subject's body and including a graphic pattern An image processing unit for detecting the marker in the video data; and adapted to extract a vital sign parameter associated with the target vital sign from the video data and to determine the vital sign from the vital sign parameter And an analysis unit.
本発明の目的は、生体の動作に関するより高い運動堅牢性を提供する生体のバイタルサイン関連情報を取得するデバイス、システム、及び対応する方法を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a device, system and corresponding method for obtaining vital sign related information of a living body that provides higher motion robustness with respect to the movement of the living body.
本発明の第1の態様では、生体のバイタルサイン関連情報を取得するデバイスが提示され、これは、
生体の皮膚領域から反射される少なくとも一つの波長間隔において受光される光から生成される入力信号を受信する入力ユニットであって、上記入力信号が、上記生体のバイタルサインが得られることができるバイタルサイン関連情報を表す、入力ユニットと、
上記入力信号を処理し、上記入力信号から上記生体のバイタルサイン関連情報を得る処理ユニットと、
上記皮膚領域の向きを推定する方向推定ユニットと、
上記皮膚領域の上記推定された向きに基づき上記皮膚領域を照らすため、上記皮膚領域を光で照らす照明ユニットを制御し、及び/又は上記皮膚領域の推定された方向に基づき選択される時間間隔の間に得られる上記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るため、上記処理ユニットを制御する制御ユニットとを有する。
In a first aspect of the present invention, a device for obtaining vital sign related information of a living body is presented,
An input unit for receiving an input signal generated from light received at at least one wavelength interval reflected from a skin region of a living body, wherein the input signal is a vital for obtaining a vital sign of the living body An input unit representing sign-related information;
A processing unit that processes the input signal and obtains vital sign related information of the living body from the input signal;
A direction estimation unit for estimating the direction of the skin region;
In order to illuminate the skin region based on the estimated orientation of the skin region, a lighting unit that illuminates the skin region with light is controlled and / or a time interval selected based on the estimated direction of the skin region. A control unit for controlling the processing unit in order to obtain vital sign related information from the input signal obtained in the meantime.
本発明の更なる態様では、生体のバイタルサイン情報を取得するための対応する方法が提示される。 In a further aspect of the invention, a corresponding method for obtaining vital vital sign information is presented.
本発明の別の態様では、生体のバイタルサイン関連情報を取得するシステムが提示され、上記システムは、
生体の皮膚領域から反射される少なくとも1つの波長間隔における光を受光し、上記生体の生体信号が得られることができるバイタルサイン関連情報を表す入力信号を上記受光される光から生成する検出ユニットと、
上記皮膚領域を光で照らす照明ユニットと、
上記入力信号から生体のバイタルサイン関連情報を取得する本書に開示されるデバイスとを有する。
In another aspect of the present invention, a system for obtaining vital sign related information of a living body is presented,
A detection unit that receives light at at least one wavelength interval reflected from a skin region of a living body and generates an input signal representing vital sign-related information from which the biological signal of the living body can be obtained from the received light; ,
A lighting unit that illuminates the skin area with light;
A device disclosed in this document for obtaining vital sign related information of a living body from the input signal.
本発明の更なる側面において、コンピュータで実行されるとき、コンピュータが本書に記載される方法のステップを実行することをもたらすプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム、及びプロセッサにより実行されるとき、本書に記載される方法が実行されることをもたらすコンピュータプログラムを格納する非一時的なコンピュータ可読記録媒体が提供される。 In a further aspect of the invention, a computer program having program code means that, when executed on a computer, causes the computer to perform the steps of the methods described herein, and described herein when executed by a processor. A non-transitory computer readable recording medium is provided that stores a computer program that causes the method to be performed.
本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載の方法、コンピュータプログラム及び媒体は、請求項に記載されるデバイス及び従属項に規定されるデバイスと類似する及び/又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。 Preferred embodiments of the invention are defined in the dependent claims. It is to be understood that the method, computer program and medium described in the claims have similar and / or identical preferred embodiments to the device recited in the claim and to the device defined in the dependent claims.
本発明によれば、完全な動き追跡(例えば、画像平面における動き、特に皮膚領域の動きを追う)にもかかわらず、照明に対する皮膚の向きにおける変化(呼吸、心拍数又は他の対象の動きによる)が、特に、皮膚への照射が皮膚表面法線と大きな角度にある場合、取得される入力信号の品質又は上記入力信号から得られるPPG信号の品質に著しく影響を及ぼす可能性があることが分かった。これは、投影された光エネルギーが、表面上に分散され、これは、皮膚表面法線と照明角度との間の角度に依存するためである。 In accordance with the present invention, changes in skin orientation relative to illumination (due to breathing, heart rate or other object movement) despite complete motion tracking (eg, following movement in the image plane, particularly following movement of the skin area). ) May significantly affect the quality of the acquired input signal or the PPG signal obtained from the input signal, particularly when the skin irradiation is at a large angle with the skin surface normal. I understood. This is because the projected light energy is distributed over the surface, which depends on the angle between the skin surface normal and the illumination angle.
ある立体角からの照明の場合、表面法線と入射光(特に、入射する主光線)との間の角度が大きくなるとき、照射面は大きくなる。従って、放射照度(W/m2)は、角度の増加とともに減少する。本発明によれば、生信号をある程度まで浄化することができるアルゴリズム的アプローチに従うのではなく、よりクリーンな生信号(入力信号)が取得される。これは、例えば、照明に対する、又は既知の参照平面に対する皮膚領域の推定された方向に基づき、皮膚領域(関心領域とも呼ばれる)の照明を制御することにより達成される。その結果、皮膚領域は、情報の取得に関して最適化された態様で照射され、そこから1つ又は複数の正確なバイタルサインが堅牢な方法で得られることができる。皮膚の向きにおける変化が、照射され、結果として反射される光強度に最小限の影響を及ぼす角度で照射が行われるよう、この制御が行われることが好ましい。 In the case of illumination from a certain solid angle, when the angle between the surface normal and the incident light (especially the incident principal ray) increases, the irradiated surface increases. Therefore, the irradiance (W / m 2) decreases with increasing angle. According to the present invention, a cleaner raw signal (input signal) is obtained instead of following an algorithmic approach that can clean the raw signal to some extent. This is accomplished, for example, by controlling the illumination of the skin region (also referred to as the region of interest) based on the estimated orientation of the skin region relative to the illumination or relative to a known reference plane. As a result, the skin region is illuminated in an optimized manner with respect to information acquisition, from which one or more accurate vital signs can be obtained in a robust manner. This control is preferably performed so that the change in skin orientation is irradiated at an angle that has the least effect on the intensity of the light that is irradiated and consequently reflected.
フォトプレチスモグラフィを用いて上記入力信号から上記生体のバイタルサイン関連情報を得るため、入力信号を処理する、対応する処理ユニットが設けられる。これは、照明制御の代替として、異なる照明角度からの光が例えば、時間マルチプレクス化され、上記処理ユニットは、処理に、及びオプションでバイタルサイン抽出にどの時間間隔を使用するかを決定することができる。 In order to obtain vital sign related information of the living body from the input signal using photoplethysmography, a corresponding processing unit for processing the input signal is provided. As an alternative to lighting control, light from different lighting angles, for example, is time multiplexed and the processing unit determines which time interval to use for processing and optionally for vital sign extraction. Can do.
一般に、電磁放射線、特に光と生体組織との相互作用は複雑であり、(多重)散乱、後方散乱、吸収、透過及び(拡散)反射の(光学)プロセスを含む。本発明の文脈において使用される「反射する」という用語は、鏡面反射に限定されるものではなく、電磁放射線、特に光と組織との前述のタイプの相互作用、及びこれらの任意の組み合わせを含む。 In general, the interaction of electromagnetic radiation, particularly light and biological tissue, is complex and includes (optical) processes of (multiple) scattering, backscattering, absorption, transmission and (diffuse) reflection. The term “reflecting” as used in the context of the present invention is not limited to specular reflection but includes electromagnetic radiation, particularly the aforementioned types of interactions between light and tissue, and any combination thereof. .
本発明の文脈において使用される「バイタルサイン」という用語は、対象の生理学的パラメータ(本書では生体又はヒト又は患者とも呼ばれる)及び派生パラメータを指す。特に、「バイタルサイン」という用語は、血液量パルス信号、心拍数(HR)(時には脈拍数とも呼ばれる)、心拍数変動(脈拍数変動)、拍動強度、灌流、灌流指標、灌流変動、Traube Hering Mayer波、呼吸数(RR)、皮膚温度、血圧、(動脈)血中酸素飽和度又はグルコースレベルといった血液及び/又は組織における物質の濃度を含む。更に、「バイタルサイン」は一般的に、PPG信号の形状から得られる健康状態を含む(例えば、形状は、部分的な動脈閉塞に関する何らかの情報を含み(例えば、腕に血圧カフを適用すると、手のPPG信号から得られる形状がより正弦波になる)、又は例えば、皮膚の厚さに関する情報を含み(例えば顔からのPPG信号は、手のものとは異なる)、又は温度に関する情報さえ含む場合がある)。 The term “vital sign” as used in the context of the present invention refers to a subject's physiological parameters (also referred to herein as a living body or a human or patient) and derived parameters. In particular, the term “vital sign” refers to blood volume pulse signal, heart rate (HR) (sometimes also called pulse rate), heart rate variability (pulse rate variability), pulsation intensity, perfusion, perfusion index, perfusion variability, Traube. This includes the concentration of substances in the blood and / or tissues such as Hering Mayer waves, respiratory rate (RR), skin temperature, blood pressure, (arterial) blood oxygen saturation or glucose levels. In addition, a “vital sign” generally includes a health condition derived from the shape of the PPG signal (eg, the shape includes some information about partial arterial occlusion (eg, applying a blood pressure cuff to the arm, If the shape obtained from the PPG signal is more sinusoidal, or contains information about, for example, skin thickness (eg, the PPG signal from the face is different from that of the hand), or even contains information about temperature There).
本発明の文脈にて用いられる「バイタルサイン情報」という用語は、上記の1つ又は複数の測定されたバイタルサインを含む。更に、それは、生理学的パラメータを参照するデータ、対応する波形トレース、又は後の分析に役立ち得る時間の生理学的パラメータを参照するデータを含む。 The term “vital sign information” as used in the context of the present invention includes one or more measured vital signs as described above. In addition, it includes data referring to physiological parameters, corresponding waveform traces, or data referencing physiological parameters of time that may be useful for later analysis.
対象のバイタルサイン情報信号を得るため、皮膚領域における皮膚画素領域のデータ信号が評価される。ここで、「皮膚画素領域」は、1つの皮膚画素又は隣接する皮膚画素のグループを含む領域を意味し、即ち、データ信号は、単一の画素又は皮膚画素のグループに関して得られることができる。 To obtain a vital sign information signal of interest, the data signal of the skin pixel area in the skin area is evaluated. Here, “skin pixel region” means a region including one skin pixel or a group of adjacent skin pixels, ie, a data signal can be obtained for a single pixel or a group of skin pixels.
本発明によれば、皮膚表面の向きを推定し、照明ユニットの最適な制御、特に照明角を自動化された態様で決定し、及び最適な信号品質のため、これらの推定に照明を適合させるためのレシピを提供するための様々な代替例が記載される。 According to the invention, the orientation of the skin surface is estimated, the optimal control of the illumination unit, in particular the illumination angle is determined in an automated manner, and the illumination is adapted to these estimates for optimal signal quality. Various alternatives for providing the recipe are described.
一実施形態では、上記制御ユニットが、上記照明ユニットにより放射される光の少なくとも一部の強度、方向、分布、及び/又は照明角を制御する。皮膚領域の推定された方向及び照明ユニットの設計に基づき、照明ユニットの対応する(最適な)パラメータがこうして、適切に制御され得る。もちろん、ROIにおける照明の均一性、全ての関連チャネル(波長)における良好/安定した照明、ROI内の影なしなど、他の(追加的又は代替的な)パラメータが制御に使用されることができる。更に、ある実施形態では、特定の波長(例えば、バイタルサイン抽出に使用される波長)のみが変更され、他の波長(例えば、方向測定用)は影響を受けないままである。 In one embodiment, the control unit controls the intensity, direction, distribution, and / or illumination angle of at least a portion of the light emitted by the lighting unit. Based on the estimated direction of the skin area and the design of the lighting unit, the corresponding (optimal) parameters of the lighting unit can thus be appropriately controlled. Of course, other (additional or alternative) parameters can be used for control, such as illumination uniformity in the ROI, good / stable illumination in all relevant channels (wavelengths), no shadows in the ROI. . Further, in certain embodiments, only certain wavelengths (eg, wavelengths used for vital sign extraction) are changed, while other wavelengths (eg, for direction measurements) remain unaffected.
別の実施形態では、上記方向推定ユニットが、上記皮膚領域の表面法線の向きを推定し、上記制御ユニットは、上記照明ユニットにより放射される光の少なくとも一部の強度、方向、分布、及び/又は照明角を制御し、大部分又はすべての光が、推定された表面法線に近い又は同一の照明角から放出される。こうして、この実施形態は、関心領域(ROI)の平均皮膚配向に実質的に垂直な角度で皮膚領域を照射することにより放射照度における変動の振幅を最小化するか、又は少なくとも大きな角度、例えば45度より大きい角度を防ぐ。これは、対象の動きによる放射照度(雑音)における分散を減少させ、従って、より堅牢で正確な入力信号及び結果としてそこから得られるバイタルサインをもたらす。 In another embodiment, the direction estimation unit estimates the orientation of the surface normal of the skin region, and the control unit is the intensity, direction, distribution, and at least part of the light emitted by the illumination unit. Controlling the illumination angle, most or all of the light is emitted from an illumination angle close to or the same as the estimated surface normal. Thus, this embodiment minimizes the amplitude of variation in irradiance by irradiating the skin region at an angle substantially perpendicular to the average skin orientation of the region of interest (ROI), or at least a large angle, eg 45 Prevent angles greater than degrees. This reduces the variance in irradiance (noise) due to object motion, thus leading to a more robust and accurate input signal and resulting vital signs.
別の実施形態では、上記方向推定ユニットが、上記皮膚領域の向きを規則的に又は連続的に推定し、上記制御ユニットは、これに基づき上記照明ユニットの制御を調整する。こうして、対象の動きが迅速に、又は即座に認識され、その結果、照明が自動化された態様で適合されることができる。 In another embodiment, the direction estimation unit estimates the orientation of the skin region regularly or continuously, and the control unit adjusts the control of the lighting unit based on this. In this way, the movement of the object can be recognized quickly or immediately so that the lighting can be adapted in an automated manner.
本発明の1つのオプションによれば、制御ユニットは、皮膚領域の推定された向きに基づき照明ユニットを制御するが、代替的な(又は追加的な)オプションによれば、それは、処理ユニットを制御して、上記皮膚領域の推定された方向に基づき、バイタルサイン関連情報を得る。このオプションの実施形態では、上記制御ユニットが、上記照明ユニットを制御して、異なる照明角度から次の時間間隔で上記皮膚領域を照らし、かつ上記処理ユニットを制御して、上記皮膚領域の上記推定された向きに基づき選択される時間間隔の間に得られる上記入力信号からバイタルサイン関連情報を得る。従って、照明は例えば、時間マルチプレクス化され、最良の照明角度から照明が行われる特定の時間間隔で取得される入力信号のみを使用するよう処理が制御される。 According to one option of the invention, the control unit controls the lighting unit based on the estimated orientation of the skin area, but according to an alternative (or additional) option it controls the processing unit. Then, vital sign related information is obtained based on the estimated direction of the skin region. In this optional embodiment, the control unit controls the illumination unit to illuminate the skin area at different time intervals from the next time interval and controls the processing unit to provide the estimation of the skin area. Vital sign related information is obtained from the input signal obtained during a time interval selected based on the determined orientation. Thus, for example, the illumination is time multiplexed and the process is controlled to use only input signals acquired at specific time intervals where illumination is performed from the best illumination angle.
一般に、照明ユニットとして1つの照明要素を使用すれば十分である(その皮膚領域に対する位置及び/又は向きは変更可能である)が、好ましくは上記照明ユニットは、2つ以上の照明要素(光源とも呼ばれる)、例えば複数のLEDを有する。従って、例えば、別個の照明要素を個別に制御することにより、照明の所望の制御が、迅速、簡単かつ柔軟な態様で実現されることができる。このため、上記2つ以上の照明要素が好ましくは、異なる照明角度から皮膚領域を照らすよう、異なる位置及び/又は異なる向きに配置される。上記2つ以上の照明要素は、個別に制御されることが好ましく、例えば、制御可能なLED、レーザーダイオード、従来の電球、ネオンライトなどとすることができる。 In general, it is sufficient to use one lighting element as the lighting unit (its position and / or orientation with respect to the skin area can be changed), but preferably the lighting unit comprises two or more lighting elements (both light sources). For example, having a plurality of LEDs. Thus, for example, by individually controlling separate lighting elements, the desired control of lighting can be realized in a quick, simple and flexible manner. For this reason, the two or more illumination elements are preferably arranged in different positions and / or different orientations so as to illuminate the skin area from different illumination angles. The two or more lighting elements are preferably controlled individually, such as controllable LEDs, laser diodes, conventional bulbs, neon lights, and the like.
制御ユニットは好ましくは、上記照明要素を個別に制御する、特に、照明要素の強度を個別に制御するよう構成される。これは例えば、表面法線に最も近い角度で皮膚領域を照らす照明要素のパワーを増加させ、より大きい角度で皮膚領域を照らす照明要素のパワーを減少させることを可能にする。 The control unit is preferably configured to control the lighting elements individually, in particular to control the intensity of the lighting elements individually. This makes it possible, for example, to increase the power of the lighting element that illuminates the skin area at an angle closest to the surface normal and to decrease the power of the lighting element that illuminates the skin area at a larger angle.
正確かつ信頼できる態様で皮膚領域の向きを推定するために、様々な実施形態が存在する。一実施形態では、上記制御ユニットが、上記照明要素を制御して、上記皮膚領域をマルチプレクス化及び/又は変調された態様で照らし、上記検出ユニットは、上記後続の照明に基づき、上記皮膚領域から反射された光を受光し、上記受光した光から反射信号を生成し、上記方向推定ユニットが、最も強い強度を持つ反射信号を決定する。上記制御ユニットは更に、最も強い強度を持つ反射信号を生じさせる上記照明要素が、排他的に若しくはすべての照明要素の中でも最も強い強度で上記皮膚領域を照らすよう、上記照明ユニットを制御し、及び/又は最も強い強度を持つ反射信号を生じさせる照明要素が、排他的に若しくはすべての照明要素の中で最も強い強度で上記皮膚領域を照らす時間間隔の間に得られる上記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るよう、上記処理ユニットを制御する。 Various embodiments exist for estimating the orientation of the skin region in an accurate and reliable manner. In one embodiment, the control unit controls the illumination element to illuminate the skin area in a multiplexed and / or modulated manner, and the detection unit is based on the subsequent illumination and the skin area. The reflected light is received, a reflected signal is generated from the received light, and the direction estimation unit determines the reflected signal having the strongest intensity. The control unit further controls the lighting unit such that the lighting element producing the reflected signal with the strongest intensity illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements; and Vital sign related from the input signal obtained during the time interval when the lighting element producing the reflected signal with the strongest intensity illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements The processing unit is controlled to obtain information.
別の実施形態では、(1つ又は複数の照明要素を含む)照明ユニットが、配向に使用される波長及びバイタルサイン測定に用いられる波長を含むスペクトルを放射する。斯かる実施形態において、照明ユニットのスペクトルは変更されてもよく、即ち、バイタルサイン測定に使用される波長の強度のみが適応され、オプションで、方向測定に使用される波長が同じレベルに維持されてもよい。これは、方向測定がいくつかの方向における強度低下に苦しまないという利点を提供する。 In another embodiment, an illumination unit (including one or more illumination elements) emits a spectrum that includes the wavelength used for orientation and the wavelength used for vital sign measurements. In such an embodiment, the spectrum of the lighting unit may be changed, i.e. only the intensity of the wavelength used for vital sign measurement is adapted, optionally keeping the wavelength used for direction measurement at the same level. May be. This provides the advantage that the direction measurement does not suffer from strength reduction in some directions.
代替的な実施形態において、上記制御ユニットが、上記皮膚領域を対に照らすよう、上記照明要素を制御し、隣接する照明要素の異なる対が、異なる交互周波数で、異なる波長で、異なる時間に、及び/又は同期したフリッカーを伴って、上記皮膚領域を交互に照らし、上記検出ユニットは、上記交互の照明に基づき、上記皮膚領域から反射された光を受光し、上記受光した光から反射信号を生成し、上記方向推定ユニットが、最小の強度変調を持つ反射信号を決定する。上記制御ユニットが更に、上記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる上記照明要素のペアが、排他的に若しくはすべての照明要素の中で最も強い強度で上記皮膚領域を照らすよう、又は上記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる照明の時間スロットにおける照明のみが、上記皮膚領域の照明に使用されるよう、又は上記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる照明の時間スロットにおける照明のみが、上記皮膚領域の照明に使用されるよう、上記照明ユニットを制御し、及び/又は上記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる上記照明要素のペアが、排他的に若しくはすべての照明要素の中で最も強い強度で上記皮膚領域を照らす時間間隔の間に得られる上記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るよう、上記処理ユニットを制御する。 In an alternative embodiment, the control unit controls the lighting elements to illuminate the skin region in pairs, and different pairs of adjacent lighting elements are at different alternating frequencies, at different wavelengths, at different times. And / or alternately illuminating the skin area with synchronized flicker, and the detection unit receives light reflected from the skin area based on the alternating illumination and reflects a reflected signal from the received light. And the direction estimation unit determines a reflected signal with minimal intensity modulation. The control unit is further configured so that the pair of lighting elements that produce a reflected signal with the minimum intensity modulation illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements, or the minimum intensity Only illumination in a time slot of illumination that produces a reflected signal with modulation is used for illumination of the skin region, or only illumination in a time slot of illumination that produces a reflected signal with the minimum intensity modulation. The pairs of lighting elements that control the lighting unit and / or produce a reflected signal with the minimum intensity modulation to be used for lighting the skin area are the most exclusive or of all the lighting elements. The processing unit is adapted to obtain vital sign related information from the input signal obtained during a time interval illuminating the skin area with strong intensity Control to.
更なる実施形態において、上記検出ユニットが、受光した光から上記入力信号を生成するカメラと、受光した光から上記反射信号を生成するフォトダイオードとを有し、上記照明ユニットは、上記カメラによる入力信号の生成を可能にするため上記皮膚領域を照らす照明要素の第1のセットと、上記フォトダイオードによる反射信号の生成を可能にする上記皮膚領域を照らす照明要素の第2のセットとを有する。入力信号からバイタルサイン情報が得られ、反射信号から皮膚領域の向きが推定される。フォトダイオードは、より高い変調周波数を可能にする。その結果、皮膚から反射された光は、より大きな程度に集束され得る。 In a further embodiment, the detection unit includes a camera that generates the input signal from received light, and a photodiode that generates the reflected signal from the received light, and the illumination unit is input by the camera. A first set of lighting elements that illuminate the skin region to allow signal generation; and a second set of lighting elements that illuminate the skin region to allow generation of a reflected signal by the photodiode. Vital sign information is obtained from the input signal, and the direction of the skin region is estimated from the reflected signal. The photodiode allows a higher modulation frequency. As a result, the light reflected from the skin can be focused to a greater extent.
更に、上記第2のセットの照明要素は、上記カメラの感度間隔の外側の波長又は波長範囲の光で上記皮膚領域を照らすよう構成され、その結果、方向推定及び入力信号の生成のための光の取得が、互いを妨害することなく、同時に行われることができる。 Further, the second set of lighting elements is configured to illuminate the skin region with light having a wavelength or wavelength range outside the camera sensitivity interval, so that light for direction estimation and generation of input signals is obtained. Can be performed simultaneously without interfering with each other.
方向推定ユニットは、データ、特に例えばTOFカメラ又はレーダーユニットにより取得されるタイムオブフライト(TOF)データにおける距離データを処理し、上記皮膚領域を含む皮膚表面の3Dモデルを決定するよう構成される。これは、かなり正確な態様で皮膚領域の向きを推定する別の簡単なオプションを提供する。 The direction estimation unit is configured to process data, particularly distance data in time-of-flight (TOF) data acquired, for example, by a TOF camera or radar unit, to determine a 3D model of the skin surface including the skin region. This provides another simple option to estimate the skin area orientation in a fairly accurate manner.
一般に、検出ユニットとして1つの検出要素を使用すれば十分であるが、上記検出ユニットは好ましくは、2つ以上の検出要素を有する。上記検出要素は例えば、イメージセンサ、ビデオカメラ、RGBカメラ、赤外線カメラ又は静止画像カメラである。検出要素は一般に、同一のパラメータを持つが、異なる位置及び/又は異なる向きに配置される。一方、一実施形態では、検出要素が異なり、及び/又は異なるパラメータを持つ。その結果、最良のバイタルサイン情報をもたらす検出要素が、信号評価に関して選択されることができる。更に別の実施形態では、2つ以上の検出要素からの入力信号が、例えば入力信号を平均化した後、共通に評価されることができる。 In general, it is sufficient to use one detection element as the detection unit, but the detection unit preferably has two or more detection elements. The detection element is, for example, an image sensor, a video camera, an RGB camera, an infrared camera, or a still image camera. The detection elements generally have the same parameters but are arranged in different positions and / or different orientations. On the other hand, in one embodiment, the detection elements are different and / or have different parameters. As a result, the detection element that provides the best vital sign information can be selected for signal evaluation. In yet another embodiment, input signals from two or more detection elements can be evaluated in common, for example after averaging the input signals.
本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。 These and other aspects of the invention will be apparent from and will be elucidated with reference to the embodiments described hereinafter.
図1は、皮膚表面の異なる向きでの皮膚表面の照明を示す図である。一定の位置及び放射輝度(W/sr−1)を備える光源1は、対象3の皮膚2(この例では胸壁)に対して、皮膚の法線に対して0°とは異なる角度で照明を提供する。皮膚2の向きは、心拍及び呼吸に起因して、経時的に変化する(即ち、皮膚が2aで示されるよう配向されるt=1と、皮膚が2bで示されるように配向されるt=2との間で)。これは、照明4の方向に対してそれぞれ法線N1及びN2の角度として規定される角度
が、
と
との間で変化するという効果を持つ。
FIG. 1 is a diagram illustrating illumination of the skin surface with different orientations of the skin surface. A
But,
When
It has the effect of changing between.
斯かる皮膚の向きの変化は、特に皮膚への照射が皮膚表面法線と大きな角度にある場合、動き追跡にもかかわらず、PPG信号品質に著しい影響を及ぼす可能性がある。これは、投影された光エネルギーが表面上に分散され、そのサイズは、皮膚表面法線と照明との間の角度
に依存するからである。ある立体角からの照明の場合、表面法線と入射光線との間の角度が大きくなると、照射面は大きくなり、角度が大きくなると放射照度(W/m2)は小さくなる。
Such changes in skin orientation can significantly affect the PPG signal quality despite motion tracking, especially when the skin irradiation is at a large angle with the skin surface normal. This is because the projected light energy is distributed over the surface and its size is the angle between the skin surface normal and the illumination
Because it depends on. In the case of illumination from a certain solid angle, as the angle between the surface normal and the incident light increases, the irradiated surface increases, and as the angle increases, the irradiance (W / m 2) decreases.
これは、皮膚表面の異なる向きでの皮膚表面の照明の効果を示す図2Bに示される。図2Aは、皮膚2の拡大部分を示し、図2Bは、角度
にわたる放射照度I(W/cm2)の図を示す。照射される皮膚の放射照度は、照明4の方向に垂直な表面積Spに対して最大である。表面積S1(t=1における)は、表面積Spより係数
分大きい。皮膚の向きが
から
に変化するとき、照射は図2Bに示されるように変化する。これにより、照度は
として表される。時間における方向変化
は、時間における放射照度の変化I(t)へと変換される。
This is shown in FIG. 2B which shows the effect of illumination of the skin surface with different orientations of the skin surface. FIG. 2A shows an enlarged portion of the
A diagram of the irradiance I (W / cm 2) over is shown. The irradiance of the irradiated skin is maximum with respect to the surface area Sp perpendicular to the direction of the
Minutes big. Skin orientation
From
When changing to, the illumination changes as shown in FIG. 2B. As a result, the illuminance is
Represented as: Direction change in time
Is converted to a change in irradiance I (t) over time.
特に
となる。
In particular
It becomes.
放射照度が上記のように変化すると、拡散放射(皮膚から放射される光)も変化し、HR、RR、Sp02などのバイタルサイン測定にとって重要な真のPPG信号を難読化させる可能性がある。例えば心拍誘発触診によりもたらされる照明(例えば、入射光)に対する1°の皮膚表面回転を仮定すると、反射光は、図3A及び3Bに示されるように、パルス頻度の強度変動を示す。これにより、図3Aは、異なる皮膚方向の効果を示す図を示し、図3Bは、角度
に対する相対的な脈動性P(%)の図を示す。図から分かるように、皮膚表面の1°に対する周期的な向きの変化は、垂直照明の場合の反射光の無視できるほどの脈動性を与えるが、45°以上の角度については急速に増加する。図3Aの上半分において、面R1(ランバート面とも呼ばれる)は、入射光に対して垂直である(即ちα1=90°)。その結果、小さな面積A1が最大輝度(単位面積当たりの強度)で照明される。図3Bの下半分において、表面R2は、入射光に対して角度α2<90°の角度で配置される。その結果、より大きな面積A2>A1が、より低い輝度で照明される。
When the irradiance changes as described above, the diffuse radiation (light radiated from the skin) also changes, which may obfuscate the true PPG signal important for vital sign measurement such as HR, RR, Sp02 and the like. Assuming a skin surface rotation of 1 ° for illumination (eg, incident light) provided by, for example, heart-beating palpation, the reflected light exhibits an intensity variation in pulse frequency, as shown in FIGS. 3A and 3B. Thereby, FIG. 3A shows a diagram illustrating the effect of different skin orientations, and FIG.
The figure of relative pulsation P (%) with respect to is shown. As can be seen, the periodic orientation change to 1 ° of the skin surface gives negligible pulsation of the reflected light in the case of vertical illumination, but increases rapidly for angles above 45 °. In the upper half of FIG. 3A, the plane R1 (also called Lambertian plane) is perpendicular to the incident light (ie α1 = 90 °). As a result, the small area A1 is illuminated with the maximum luminance (intensity per unit area). In the lower half of FIG. 3B, the surface R2 is arranged at an angle α2 <90 ° with respect to the incident light. As a result, a larger area A2> A1 is illuminated with lower brightness.
本発明は、皮膚の照明の角度を適合させることにより、放射照度における変動の振幅を最小にする。一実施形態では、照明の角度は、関心領域(ROI)の平均皮膚方向に実質的に垂直に、又はこの垂直方向にできるだけ近くなるように制御される。別の実施形態では、少なくとも大角度
、例えば45度より大きな角度からの照明が防止される。その結果、対象の動きによる放射照度における変動(ノイズ)は、対象の固定照明を適用するシステムに比べて大幅に低減される。これは、本発明の効果を示す図4において見られることができる。
The present invention minimizes the amplitude of variation in irradiance by adapting the skin illumination angle. In one embodiment, the angle of illumination is controlled to be substantially perpendicular to or as close as possible to the average skin direction of the region of interest (ROI). In another embodiment, at least a large angle
For example, illumination from an angle larger than 45 degrees is prevented. As a result, fluctuations (noise) in the irradiance due to the movement of the object are significantly reduced compared to a system that applies fixed illumination of the object. This can be seen in FIG. 4 which shows the effect of the present invention.
図4は特に、3つの異なる照射角度(又は位置A、B及びCと呼ばれるランプ位置)に対して、時間tにわたる角度
、時間tにわたる放射照度I、及び角度
に対する放射照度Iを示す。ランプ位置Aでは、放射照度は、皮膚の向きにおける周期的な変化のため、非常に周期的である。位置Bでは、放射照度における周期性がやや緩和される。即ち、時間的変動はより小さく、全体放射照度レベルは位置Aよりも高い。ランプ位置Cでは、皮膚の向きの影響が最小化される。更に、放射照度における変動は著しく減少し、追加的に、周波数は倍増する。
FIG. 4 in particular shows the angle over time t for three different illumination angles (or lamp positions called positions A, B and C).
, Irradiance I over time t, and angle
The irradiance I with respect to is shown. At lamp position A, the irradiance is very periodic due to the periodic change in skin orientation. At position B, the periodicity in irradiance is slightly relaxed. That is, the temporal variation is smaller and the overall irradiance level is higher than position A. At ramp position C, the effect of skin orientation is minimized. Furthermore, the variation in irradiance is significantly reduced and additionally the frequency is doubled.
図5は、本発明による生体3のバイタルサイン関連情報を取得するシステム100の第1の実施形態の概略図を示す。システム100は、生体3の皮膚領域2(ここでは胸壁;他の領域は手、腕、腹領域、額、チェックなど)から反射される少なくとも1つの波長間隔の光31を受光し、生体のバイタルサインが得られることができるバイタルサイン関連情報を表す入力信号32を受光される光31から生成する、例えばカメラといった検出ユニット30を有する。例えば2つ又はこれ以上の光源(例えば、LED)42を有する照明ユニット40が、上記皮膚領域2を光41で照らす。方向推定ユニット16は、上記皮膚領域2の方向26を推定する。このステップに関しては、以下でより詳細に説明されるように、様々なオプションが存在する。制御ユニット18は、上記皮膚領域2の推定された方向26に基づき、制御信号28により上記照明ユニット40を制御する。
FIG. 5 shows a schematic diagram of a first embodiment of the
方向推定ユニット16及び制御ユニット18は、別個のデバイス10の一部であってもよい。このデバイスはこの実施形態では、検出ユニット30からの入力信号32を受信する入力ユニット12、例えば信号インターフェースを有する。更に、デバイス10は、入力信号32を処理し、好ましくはフォトプレチスモグラフィを用いて、上記入力信号32から上記生体3のバイタルサイン情報36を得る処理ユニット14を有することができる。
The
デバイス10の1つ又は複数のユニットは、本発明がどのように適用されるかに基づき、1つ又は複数のデジタル又はアナログプロセッサに含まれてもよい。異なるユニットは、ソフトウェアで完全に又は部分的に実現され、1つ又は複数の検出器に接続されるパーソナルコンピュータで実行されてもよい。いくつか又は全部の必要な機能は、ハードウェアにおいて、例えば特定用途向け集積回路(ASIC)において、又はフィールドプログラム可能ゲートアレイ(FPGA)において実現されることもできる。
One or more units of
図5に示されるシステム100は、例えば、病院、医療施設、高齢ケア施設などに配置されることができる。患者のモニタリングのほかに、本発明は、新生児モニタリング、一般的なサーベイランス用途、セキュリティモニタリング、又はフィットネス機器などのいわゆるライブスタイル環境などの他の分野においても適用されることができる。デバイス10と検出ユニット30と照明ユニット40との間の単方向又は双方向の通信は、無線又は有線通信を介して動作することができる。本発明の他の実施形態は、デバイス10を含むことができる。これは、独立型デバイスとして提供されるわけではないが、デバイス10の1つ又は複数の要素、例えば、方向推定ユニット16及び制御ユニット18は、検出ユニット30又は照明ユニットに一体化されてもよく、処理ユニット14は、ナースステーションのワークステーションのような別のデバイス、又は病院ネットワークに一体化されることができる。
The
一般に、電磁放射線、特に光と生体組織との相互作用は複雑であり、(多重)散乱、後方散乱、吸収、透過及び(拡散)反射の(光学)プロセスを含む。本発明の文脈において使用される「反射する」という用語は、鏡面反射に限定されるものではなく、電磁放射線、特に光と組織との前述のタイプの相互作用、及びこれらの任意の組み合わせを含む。 In general, the interaction of electromagnetic radiation, particularly light and biological tissue, is complex and includes (optical) processes of (multiple) scattering, backscattering, absorption, transmission and (diffuse) reflection. The term “reflecting” as used in the context of the present invention is not limited to specular reflection but includes electromagnetic radiation, particularly the aforementioned types of interactions between light and tissue, and any combination thereof. .
本発明の文脈において使用される「バイタルサイン」という用語は、対象(即ち、生体)の生理学的パラメータ及び派生パラメータを指す。特に、「バイタルサイン」という用語は、血液量パルス信号、心拍数(HR)(時には脈拍数とも呼ばれる)、心拍数変動(脈拍数変動)、拍動強度、灌流、灌流指標、灌流変動、Traube Hering Mayer波、呼吸数(RR)、皮膚温度、血圧、(動脈)血中酸素飽和度又はグルコースレベルといった血液及び/又は組織における物質の濃度を含む。更に、「バイタルサイン」は一般的に、PPG信号の形状から得られる健康状態を含む(例えば、形状は、部分的な動脈閉塞に関する何らかの情報を含み(例えば、腕に血圧カフを適用すると、手のPPG信号から得られる形状がより正弦波になる)、又は皮膚の厚さに関する情報を含み(例えば顔からのPPG信号は、手のものとは異なる)、又は温度に関する情報さえ含む場合がある)。 The term “vital sign” as used in the context of the present invention refers to the physiological parameters and derived parameters of a subject (ie, a living body). In particular, the term “vital sign” refers to blood volume pulse signal, heart rate (HR) (sometimes also called pulse rate), heart rate variability (pulse rate variability), pulsation intensity, perfusion, perfusion index, perfusion variability, Traube. This includes the concentration of substances in the blood and / or tissues such as Hering Mayer waves, respiratory rate (RR), skin temperature, blood pressure, (arterial) blood oxygen saturation or glucose levels. In addition, a “vital sign” generally includes a health condition derived from the shape of the PPG signal (eg, the shape includes some information about partial arterial occlusion (eg, applying a blood pressure cuff to the arm, May contain more information about skin thickness (eg, PPG signal from the face is different from that of the hand) or even information about temperature ).
本発明の文脈において使用される用語「バイタルサイン関連情報」は、上記で規定された1つ又は複数のバイタルサインが得られ得る情報を含む。更に、それは、生理学的パラメータを参照するデータ、対応する波形トレース、又は後の分析に役立ち得る時間の生理学的パラメータを参照するデータを含む。 The term “vital sign related information” as used in the context of the present invention includes information from which one or more vital signs as defined above can be obtained. In addition, it includes data referring to physiological parameters, corresponding waveform traces, or data referencing physiological parameters of time that may be useful for later analysis.
図5に示される実施形態では、検出ユニット30は、(特にフォトプレチスモグラフ信号が得られることができる、少なくとも皮膚領域2の時間にわたる画像フレームのシーケンスを取得するための)対象3の画像フレームを(遠隔的かつ目立たずに)キャプチャする適切な光センサを含むカメラ(撮像ユニット、又はカメラベース若しくはリモートPPGセンサとも呼ばれる)を有する。カメラによりキャプチャされる画像フレームは特に、例えば(デジタル)カメラにおける、アナログ又はデジタルフォトセンサを用いてキャプチャされるビデオシーケンスに対応することができる。斯かるカメラは通常、例えばCMOS又はCCDセンサといったフォトセンサを含む。そして、それは特定のスペクトル範囲(可視、IR)において作動し、又は異なるスペクトル範囲に関する情報を提供することもできる。カメラは、アナログ又はデジタル信号を提供することができる。画像フレームは、関連付けられる画素値を持つ複数の画像ピクセルを含む。特に、画像フレームは、フォトセンサの異なる感光性要素でキャプチャされる光強度値を表す画素を含む。これらの感光性要素は、特定のスペクトル範囲(即ち特定の色を表す)においてセンシティブでもよい。画像フレームは、対象の皮膚部分を表す少なくともいくつかの画像ピクセルを含む。これにより、画像ピクセルは、光検出器及びその(アナログ又はデジタルの)出力の1つの感光性要素に対応することができるか、又は(例えば、ビン化を介して)複数の感光性要素の組み合わせに基づき決定されることができる。
In the embodiment shown in FIG. 5, the detection unit 30 (in particular for obtaining a sequence of image frames over the time of at least the
対象のバイタルサイン情報信号を得るため、皮膚領域における皮膚画素領域のデータ信号が評価される。ここで、「皮膚画素領域」は、1つの皮膚画素又は隣接する皮膚画素のグループを含む領域を意味し、即ち、データ信号は、単一の画素又は皮膚画素のグループに関して得られることができる。 To obtain a vital sign information signal of interest, the data signal of the skin pixel area in the skin area is evaluated. Here, “skin pixel region” means a region including one skin pixel or a group of adjacent skin pixels, ie, a data signal can be obtained for a single pixel or a group of skin pixels.
この実施形態における照明ユニット40は、少なくとも2つの照明要素42、即ちLED又は他の発光要素といった光源を有する。例示的な実施形態では、方向推定ユニット16は、これらの少なくとも照明要素42のどれが、皮膚表面法線に沿って最も近い(又は、皮膚表面が平坦でない場合、皮膚表面の最大部分の表面法線に最も近い)光を放出するかを決定する。この照明要素が確立されると、他の照明要素は例えば、淡色表示又は完全に消灯される。その結果、皮膚から(拡散的に)反射された光31において運ばれる入力信号32(及びそれから得られるPPG信号)において、皮膚から反射された動き誘導信号が最小化される。
The
一実施形態では、照明要素42のどれが皮膚の表面法線に沿って最も近くに放射するかを(逐次的に)決定するのに、システム100において検出ユニット30を表すカメラにより取得された画像データが使用されることができる。拡散として又は理想的にはランバート反射体として皮膚を近似すると、カメラにより測定され、方向推定ユニット16により評価される最高の照明を生成する照明要素が、その皮膚(及び部分)に対して最良と考えられる(オプションで、オプションの処理ユニット14における実際のバイタルサイン決定のために使用される。このため、方向推定ユニット16は、これに従って、処理ユニット14に通知する。)。規則的若しくは不規則な間隔で、又は連続的に、対象3の実質的な動きの後、一種の較正を表すこれらのステップを繰り返して、照明、特に皮膚領域2の照射角度が適応的に制御されることができる。
In one embodiment, an image acquired by a camera representing
照明ユニット40は一般に、照明要素42の1次元又は2次元アレイとして構成されてもよい。照明要素42は、平坦な又は僅かに湾曲したフレームに配置されることができる。好ましくは、照明要素42は個別に制御されることができる。
The
一般に、制御ユニット18は、照明ユニット40により放射される光の強度、方向、分布、及び/又は照明角を制御するよう構成される。
In general, the
図6は、本発明によるシステム101の第2の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、追加的な距離データ取得ユニット50が設けられ、距離データ取得ユニット50と皮膚領域2との間の距離を表す距離データ52を、対象に放射され、対象から反射される放射線51を用いて取得する。距離データ取得ユニット50は例えば、タイムオブフライト(TOF)カメラ又はレーダーユニットとすることができる。取得した距離データ52から、方向推定ユニット16は、皮膚領域2の皮膚表面の向きを決定し、又は皮膚領域2の皮膚表面の3Dモデルを生成することができる。これは、かなり正確な態様で皮膚領域の向きを推定する別の簡単なオプションを提供する。しかしながら、他の実施形態では、3Dモデルを確立するための他の方法が採用されることができる。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a second embodiment of the system 101 according to the invention. In this embodiment, an additional distance
更に、この実施形態では、照明ユニット60の別の実現が示される。上記照明ユニット60は、単一の照明要素61と、照明要素61の異なる領域からの光の通過を許容又は防止する(機械的に又は電子的に)切り替え可能なシャッタを含むシャッタ要素62とを有する。例えば、LCDが、発光要素61と対象3との間で個別に制御可能な(即ち、制御信号26により制御される)シャッタのアレイと共に照明要素61として使用されてもよい。
Furthermore, in this embodiment, another realization of the
斯かる照明ユニット60は、例えば図5に示されるシステム101といった、提案されるシステムの他の実施形態でも使用されることができ、照明ユニット40は、図6に示されるシステム101の実施形態において使用されることもできる。
Such a
例えば、図5に示されるシステム100の要素と共に用いられる、更なる実施形態では、皮膚は、理想的なランバート反射体ではない、即ちランバートの「余弦法則」に沿っていない鏡面反射又は反射を生成すると仮定されることができる。このモデルは、拡散反射がかなり吸収されるより短い波長が使用される場合に特に有用であり得る。この場合、カメラは、入射角がカメラ角(最大鏡面反射)に等しい照明要素から最も高い輝度を見ることができる。カメラの位置が一定であれば、その後、表面法線にほぼ沿って照射する照明要素の位置を決定することが可能である。
For example, in a further embodiment, used with the elements of the
更に別の実施形態では、照明ユニット40(例えば、LEDアレイ)の複数の照明要素42の2つの隣接する照明要素42は、等しい強度の光を交互に発する(ただし、表面法線に対してわずかに異なる角度である)。照明ユニット40における異なる位置にある照明要素42の組は、異なる周波数で交互に作動する(alternate)。皮膚2から反射された光31は、今やすべての異なる周波数成分、特にすべての異なる周波数成分を示すが、表面法線に最も近く放出する発光要素42は最低の周波数振幅を与える。結果として、反射光31の(変調)スペクトルから、照明要素42のどの向きが表面法線に最も近いかが決定されることができる。
In yet another embodiment, two
更に別の実施形態では、スペクトルは、皮膚領域2で示されるカメラで測定されることができるが、皮膚反射光が集束されるフォトダイオードでは、より高い変調周波数が可能である可能性がある。更に別の方法は、カメラをより高速に走らせる(より低い分解能で行うことができる、いわゆるカメラの「ビニング」オプション)ことである。
In yet another embodiment, the spectrum can be measured with a camera indicated by
図7は、本発明によるシステム102の第3の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、検出ユニット30は、カメラ33により受光される光31から上記入力信号32を生成するカメラ33と、フォトダイオード34により受光された光31から反射信号35を生成するフォトダイオード34とを有する。更に、照明ユニット40は、上記皮膚領域2を照らして上記カメラ33による入力信号31の生成を可能にする照明要素44の第1の組43と、上記皮膚領域2を照らして上記フォトダイオード34による反射信号35の生成を可能にする照明要素46の第2の組45とを有する。
FIG. 7 shows a schematic diagram of a third embodiment of the system 102 according to the invention. In this embodiment, the
好ましくは、照明要素44の第1の組43及び照明要素46の第2の組45により使用される波長は異なる。即ち、照明要素46は、上記カメラ33の感度間隔の外の波長又は波長範囲の光で皮膚領域2を照らすよう構成される。更に、照明要素44及び照明要素46の数は異なっていてよい。
Preferably, the wavelengths used by the first set 43 of
2つの隣接する照明要素はまた、わずかに異なる波長の使用、順次照明、同じ周波数での同期ちらつきなど、変調周波数以外の手段により分離されてもよい。 Two adjacent illumination elements may also be separated by means other than the modulation frequency, such as the use of slightly different wavelengths, sequential illumination, synchronous flickering at the same frequency.
上述の実施形態では、制御ユニット18は、皮膚領域2の推定された向きに基づき照明ユニット40を制御する。他の実施形態では、制御ユニット18は、追加的又は代替的に、皮膚領域2の推定された向きに基づき処理ユニット14を制御することができる。特に、照明ユニット40が、後続の時間間隔で異なる照明角度から皮膚領域2を照らすとき、処理ユニット14は、上記皮膚領域の推定された向きに基づき選択された時間間隔の間に、即ち皮膚領域が最適に照明される時間間隔の間に得られた入力信号から、バイタルサイン関連情報36を得るよう制御されることができる。これは、図7に示されるように、制御ユニット18から処理ユニット14への制御信号29により行われるが、他の実施形態において提供されることもできる。
In the above-described embodiment, the
例えば、一実施形態では、最も強い強度を持つ反射信号を生じさせる照明要素が、排他的に又はすべての照明要素の中で最も強い強度で上記皮膚領域を照らす時間間隔の間に得られた入力信号32のみが、処理ユニット14により使用される。別の実施態様では、最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる照明要素の対が、排他的に又はすべての照明要素の中で最も強い強度で上記皮膚領域を照らす時間間隔の間に得られた入力信号32のみが、処理ユニット14により使用される。従って、斯かる実施形態では、照明ユニットは、同じ態様で、オプションで追加的な制御なしに、皮膚領域2を連続的に照らすことができる。
For example, in one embodiment, an input obtained during a time interval during which a lighting element that produces a reflected signal with the strongest intensity illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements. Only the
図8は、本発明によるシステム103の第4の実施形態の概略図を示し、そこではデバイス10の要素は明示されていない。この実施形態では、照明ユニット及び検出ユニットは、輻射加温器60に埋め込まれる。乳児は、乳児の体温を維持するのを助けるため、斯かる輻射加温器60に入れられることが多い。これは、治療、ケア、及び処置のため、乳児へのより良いアクセスを与える。
FIG. 8 shows a schematic diagram of a fourth embodiment of the system 103 according to the invention, in which the elements of the
輻射加温器60は通常、乳児2の上に中心があるIR加温ランプ62を持つ。加熱要素62を保持する手段は、スペースが許す限り同じ位置でこの加熱要素62と共にフロントエンドにおいて、ここでは上述したようなカメラの形式の検出ユニット30を一体化する理想的な場所にする。加熱要素62を担持するアーム63は、カメラ30を内部に運ぶこともできる(少しの孔しか必要としないので、基本的に見えない)。更に、アームは、照明ユニット40の照明要素42を含み、ここではカメラ30の周りのアレイの形態である。ケーブル配線は、加温器60、特にアーム63の内部で完全に管理されることができる。デバイス10はまた、輻射加温器60に一体化されてもよい。更に、輻射加温器60は、監視及び加温機能に必要とされる場合があるユーザインタフェース及び任意の更なる潜在的計算手段を共有することができる。同様の方法で、提案されるシステムのいくつか又はすべての要素が、インキュベータに一体化されることができる。
The radiant warmer 60 typically has an
本発明による方法の実施形態のフローチャートが図9に示される。第1ステップS10において、少なくとも生体3の皮膚領域2が光で照射される。第2ステップS12において、上記皮膚領域2から反射された少なくとも1つの波長間隔の光31が受光される。第3のステップS14において、生体のバイタルサインが得られるバイタルサイン関連情報を表す入力信号32が、受光された光31から生成される。第4のステップS16において、入力信号32が処理され、生体のバイタルサイン情報36が上記入力信号32から得られる。第5のステップS18において、上記皮膚領域2の向きが推定される。第6ステップS18において、照明ユニット40は、上記皮膚領域2の推定された向きに基づき、上記皮膚領域を照らし、及び/又は上記皮膚領域の推定された向きに基づき、バイタルサイン関連情報36を得るため上記処理を実行する。
A flowchart of an embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. In the first step S10, at least the
要約すると、バイタルサイン測定デバイスが、関心領域の皮膚領域における微妙な変化を測定することによりバイタルサイン情報を得る。これは、照明に依存する。通常、専用照明が必要とされる。しかし、ある特定のプリセット照明が必ずしも測定にとって最適とは限らないことが分かっている。例えば、鏡面反射は、特にSpO2測定にとっての困難さの1つであり、これは、測定に使用される関心領域(ROI)では回避されるべきである。異なる皮膚の種類(状態)及び体の姿勢又は体の動きのために、鏡面反射が、ROIに存在するか、又はROIに現れることがある。各測定に対して、又は環境若しくはバイタルサイン測定デバイスにおける各変更後に、照明設定を手動で調整することは、主観的で時間がかかる。 In summary, a vital sign measurement device obtains vital sign information by measuring subtle changes in the skin region of the region of interest. This depends on the illumination. Usually dedicated lighting is required. However, it has been found that a particular preset illumination is not always optimal for measurement. For example, specular reflection is one of the difficulties, especially for SpO2 measurement, and this should be avoided in the region of interest (ROI) used for the measurement. Due to different skin types (conditions) and body postures or body movements, specular reflections may exist in the ROI or may appear in the ROI. Manually adjusting the lighting settings for each measurement or after each change in the environment or vital sign measurement device is subjective and time consuming.
従って、本発明は、最適な測定のために自動的に構成されることができる控えめなバイタルサイン測定(例えば、心拍監視、SpO2監視など)のための適応的なデバイス及び方法を提案する。従って、例えば1つ又は複数の制御可能な光源といった上記照明ユニット、及び/又はバイタルサイン関連情報を得る処理ユニットを、生体表面の推定された方向に基づき制御する制御ユニットが提供される。バイタルサイン関連情報は例えば、バイタルサイン自体又はバイタルサインが導き出されることができる信号である。従って、条件が変更する場合でも、バイタルサイン関連情報が、最適な精度及び信頼性で得られることができる。 Accordingly, the present invention proposes an adaptive device and method for conservative vital sign measurements (eg, heart rate monitoring, SpO2 monitoring, etc.) that can be automatically configured for optimal measurement. Accordingly, a control unit is provided for controlling the illumination unit, eg one or more controllable light sources, and / or a processing unit for obtaining vital sign related information based on the estimated direction of the biological surface. The vital sign related information is, for example, the vital sign itself or a signal from which the vital sign can be derived. Therefore, even when conditions change, vital sign related information can be obtained with optimal accuracy and reliability.
本発明は、様々な用途に適用されることができる。心拍数、呼吸数、及びSpO2は、患者モニタリング及び在宅医療における非常に重要な要素であり、遠隔心拍数モニタリングは、ますます重要になる。更に、本発明は、フィットネス機器において鼓動を登録するために適用されることができる。提案された発明は、特に、(非接触の)カメラベースのバイタルサインモニタリングが、変化する制御可能な照明又は可変の光条件で実行される任意の用途に適用されることができる。典型的な適用領域は例えば、NICUにおける非常に敏感な皮膚を持つ未熟児、及び損傷を受けた(例えば、火傷)皮膚を持つ患者である。適用場所は、NICU、緊急待合室、一般病棟、養護施設、在宅医療、精神科病棟/刑務所を含む。通常、バイタルサインの採取は、非常に難しく、場合によりは不可能であるが、これにより正確かつ確実に実現されることができる。更に、本発明は、接触パルスオキシメーター又はSpO2測定のフィンガークリップセンサーなどの接触PPGデバイスにも適用されることができる。 The present invention can be applied to various uses. Heart rate, respiratory rate, and SpO2 are very important elements in patient monitoring and home care, and remote heart rate monitoring becomes increasingly important. Furthermore, the present invention can be applied to register beats in fitness equipment. The proposed invention can be applied in particular to any application where (non-contact) camera-based vital signs monitoring is performed with varying controllable illumination or variable light conditions. Typical application areas are, for example, premature babies with very sensitive skin in NICU and patients with damaged (eg burned) skin. Application locations include NICU, emergency waiting room, general ward, nursing home, home care, psychiatric ward / prison. Usually, the collection of vital signs is very difficult and in some cases impossible, but this can be realized accurately and reliably. Furthermore, the present invention can also be applied to contact PPG devices such as contact pulse oximeters or finger clip sensors for SpO2 measurement.
本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解及び実行されることができる。 While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and foregoing description, such illustration and description are to be considered illustrative or exemplary and not restrictive. The invention is not limited to the disclosed embodiments. From a study of the drawings, the disclosure and the appended claims, other variations to the disclosed embodiments can be understood and carried out by those skilled in the art practicing the claimed invention.
請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。 In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or steps, and the indefinite article “a” or “an” does not exclude a plurality. A single element or other unit may fulfill the functions of several items recited in the claims. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measured cannot be used to advantage.
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学的記憶媒体又は固体媒体といった適切な非一時的媒体において格納/配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。 The computer program can be stored / distributed in suitable non-transitory media, such as optical storage media or solid media supplied with or as part of other hardware, but the Internet or other wired or wireless communications It can also be distributed in other formats, such as through a system.
請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。 Any reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope.
Claims (15)
生体の皮膚領域から反射される少なくとも一つの波長間隔において受光される光から生成される入力信号を受信する入力ユニットであって、前記入力信号が、前記生体のバイタルサインが得られることができるバイタルサイン関連情報を表す、入力ユニットと、
前記入力信号を処理し、前記入力信号から前記生体のバイタルサイン関連情報を得る処理ユニットと、
前記皮膚領域の向きを推定する方向推定ユニットと、
前記皮膚領域の前記推定された向きに基づき前記皮膚領域を照らすため、前記皮膚領域を光で照らす照明ユニットを制御し、及び/又は前記皮膚領域の推定された方向に基づき選択される時間間隔の間に得られる前記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るため、前記処理ユニットを制御する制御ユニットとを有する、デバイス。 A device for acquiring vital sign related information of a living body,
An input unit for receiving an input signal generated from light received at at least one wavelength interval reflected from a skin region of a living body, wherein the input signal is a vital for obtaining a vital sign of the living body An input unit representing sign-related information;
A processing unit that processes the input signal and obtains vital sign related information of the living body from the input signal;
A direction estimation unit for estimating the orientation of the skin region;
In order to illuminate the skin area based on the estimated orientation of the skin area, a lighting unit that illuminates the skin area with light is controlled and / or a time interval selected based on the estimated direction of the skin area A control unit for controlling the processing unit to obtain vital sign related information from the input signal obtained in between.
前記制御ユニットは、前記照明ユニットにより放射される光の少なくとも一部の強度、方向、分布、及び/又は照明角を制御し、大部分又はすべての光が、前記推定された表面法線に近い又は同一の照明角から放出される、請求項1に記載のデバイス。 The direction estimation unit estimates a direction of a surface normal of the skin region;
The control unit controls the intensity, direction, distribution, and / or illumination angle of at least some of the light emitted by the illumination unit, most or all of the light being close to the estimated surface normal The device of claim 1, wherein the device is emitted from the same illumination angle.
生体の皮膚領域から反射される少なくとも1つの波長間隔における光を受光し、前記生体の生体信号が得られることができるバイタルサイン関連情報を表す入力信号を前記受光される光から生成する検出ユニットと、
前記皮膚領域を光で照らす照明ユニットと、
前記入力信号から生体のバイタルサイン関連情報を得る請求項1に記載のデバイスとを有する、システム。 A system for acquiring vital sign related information of a living body,
A detection unit that receives light in at least one wavelength interval reflected from a skin region of a living body and generates an input signal representing vital sign related information from which the biological signal of the living body can be obtained from the received light; ,
A lighting unit for illuminating the skin area with light;
The system according to claim 1, further comprising obtaining vital sign related information of a living body from the input signal.
前記検出ユニットは、前記後続の照明に基づき、前記皮膚領域から反射された光を受光し、前記受光した光から反射信号を生成し、
前記方向推定ユニットが、最も強い強度を持つ反射信号を決定し、
前記制御ユニットは更に、最も強い強度を持つ反射信号を生じさせる前記照明要素が、排他的に若しくはすべての照明要素の中でも最も強い強度で前記皮膚領域を照らすよう、前記照明ユニットを制御し、及び/又は最も強い強度を持つ反射信号を生じさせる照明要素が、排他的に若しくはすべての照明要素の中で最も強い強度で上記皮膚領域を照らす時間間隔の間に得られる前記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るよう、前記処理ユニットを制御する、請求項8又は9に記載のシステム。 The control unit controls the lighting element to illuminate the skin area in a multiplexed and / or modulated manner;
The detection unit receives light reflected from the skin region based on the subsequent illumination, generates a reflected signal from the received light,
The direction estimation unit determines the reflected signal with the strongest intensity;
The control unit further controls the lighting unit such that the lighting element producing the reflected signal with the strongest intensity illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements; and Vital sign related from the input signal obtained during the time interval when the lighting element producing the reflected signal with the strongest intensity illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements The system according to claim 8 or 9, wherein the processing unit is controlled to obtain information.
隣接する照明要素の異なる対は、異なる交互周波数で、異なる波長で、異なる時間に、及び/又は同期したフリッカーを伴って、前記皮膚領域を交互に照らし、
前記検出ユニットが、前記交互の照明に基づき、前記皮膚領域から反射された光を受光し、前記受光した光から反射信号を生成し、
前記方向推定ユニットは、最も小さな強度変調を持つ反射信号を決定し、
前記制御ユニットが更に、前記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる前記照明の対が、排他的に若しくはすべての照明要素の中で最も強い強度で前記皮膚領域を照らすよう、又は前記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる照明の時間スロットにおける照明のみが、前記皮膚領域の照明に使用されるよう、前記照明ユニットを制御し、及び/又は前記最小強度変調を持つ反射信号を生じさせる前記照明のペアが、排他的に若しくはすべての照明要素の中で最も強い強度で前記皮膚領域を照らす時間間隔の間に得られる前記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るよう、前記処理ユニットを制御する、請求項9に記載のシステム。 The control unit controls the lighting elements to illuminate the skin area in pairs;
Different pairs of adjacent lighting elements alternately illuminate the skin area at different alternating frequencies, at different wavelengths, at different times, and / or with synchronized flicker,
The detection unit receives light reflected from the skin region based on the alternating illumination, and generates a reflected signal from the received light;
The direction estimation unit determines the reflected signal with the smallest intensity modulation;
The control unit is further adapted so that the illumination pair that produces a reflected signal with the minimum intensity modulation illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all the lighting elements, or the minimum intensity modulation Controlling the illumination unit so that only illumination in a time slot of illumination that produces a reflected signal having the following is used to illuminate the skin area and / or producing a reflected signal having the minimum intensity modulation Controlling the processing unit to obtain vital sign related information from the input signal obtained during a time interval that illuminates the skin area exclusively or with the strongest intensity of all lighting elements; The system according to claim 9.
前記照明ユニットは、前記カメラによる入力信号の生成を可能にするため前記皮膚領域を照らす照明要素の第1のセットと、前記フォトダイオードによる反射信号の生成を可能にするため前記皮膚領域を照らす照明要素の第2のセットとを有する、請求項12に記載のシステム。 The detection unit includes a camera that generates the input signal from received light, and a photodiode that generates the reflected signal from received light;
The lighting unit includes a first set of lighting elements that illuminate the skin area to allow generation of an input signal by the camera, and illumination that illuminates the skin area to allow generation of a reflected signal by the photodiode. 13. The system of claim 12, comprising a second set of elements.
生体の皮膚領域から反射される少なくとも1つの波長間隔で受光される光から生成される入力信号を受信するステップであって、前記入力信号が、前記生体のバイタルサインが得られることができるバイタルサイン関連情報を表す、ステップと、
前記入力信号を処理し、前記入力信号から前記生体のバイタルサイン情報を得るステップと、
前記皮膚領域の向きを推定するステップと、
前記皮膚領域の推定された向きに基づき、前記皮膚領域の光による照明を制御し、及び/又は前記皮膚領域の推定された向きに基づき選択される時間間隔の間に得られる前記入力信号からバイタルサイン関連情報を得るよう、前記処理を制御するステップとを有する、方法。 In a method for obtaining a vital sign of a living body,
Receiving an input signal generated from light received at at least one wavelength interval reflected from a skin region of a living body, wherein the input signal is a vital sign capable of obtaining a vital sign of the living body Steps representing relevant information,
Processing the input signal to obtain vital sign information of the living body from the input signal;
Estimating the orientation of the skin area;
Based on the estimated orientation of the skin area, controls lighting of the skin area with light and / or vitals from the input signal obtained during a selected time interval based on the estimated orientation of the skin area Controlling the process to obtain signature related information.
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