JP2019055256A - 対象のバイタルサインを決定する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号対雑音比、対象の動きにより引き起こされるアーチファクトを減少したバイタルサインを決定する装置を提供する。【解決手段】対象のバイタルサイン３９を決定する装置３０であり、対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された電磁放射線１６から得られるデータストリーム２６を受ける。データストリームは、関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された電磁放射線を表す。皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性を分析する分析器は、時間の経過に伴う皮膚領域の滑らかさ、サイズ、均一性、並びに／又は、皮膚領域の色度及び／若しくは輝度成分を決定するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、対象のバイタルサインを決定する装置及び方法に関する。特に、本発明は、人間又は動物等の観察される対象におけるバイタルサインを検出するのに使用することができる非影響光学測定方法に関する。これに関連して、光学測定は、遠隔フォトプレチスモグラフィ（Ｒ−ＰＰＧ）を意味する。

例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は血液の酸素飽和度等、人間のバイタルサインは、人間の現在の状態の指標として、及び、重大な医学的事象の強力な予測因子として役立つ。この理由のため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者の医療環境において、自宅にて、又は、さらなるヘルス、レジャー及びフィットネス環境において広くモニターされる。

バイタルサインを測定する１つの方法はプレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは、一般的に、臓器又は身体部位の容積変動の測定を意味し、特に、心拍毎に対象の体を通って移動する心血管脈波（ｃａｒｄｉｏ−ｖａｓｃｕｌａｒ ｐｕｌｓｅ ｗａｖｅ）による容積変動の検出を意味する。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心のある領域又は容積の光の反射率又は透過率における経時変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは、周囲の組織よりも血液が光を吸収するため、心拍毎の血液量における変動が対応して透過率又は反射率に影響を与えるという原理に基づく。心拍数に関する情報の他に、ＰＰＧ波形は、呼吸等のさらなる生理現象に起因し得る情報を含み得る。異なる（典型的には赤色及び赤外線の）波長にて透過率及び／又は反射率を評価することによって、血液の酸素飽和度を決定することができる。

対象の心拍数及び（動脈）血液の酸素飽和度（ＳｐＯ２とも呼ばれる）を測定するための従来のパルスオキシメーターは、例えば指先、耳たぶ又は額等、対象の皮膚に取り付けられ、従って、「接触」ＰＰＧ装置と呼ばれる。典型的なパルスオキシメーターは、光源として赤色ＬＥＤ及び赤外線ＬＥＤ、並びに、患者組織を透過してきた光を検出するための１つのフォトダイオードを含む。市販のパルスオキシメーターは、赤色の波長及び赤外線の波長での測定を迅速に切り換え、その結果、２つの異なる波長で同じ組織の領域又は容積の透過率を測定する。これは、時分割多重化と呼ばれる。各波長での時間の経過に伴う透過率は、赤色及び赤外線の波長に対するＰＰＧ波形を与える。接触ＰＰＧは基本的には非侵襲性の技術とみなされるけれども、接触ＰＰＧ測定は、パルスオキシメーターが対象に直接取り付けられ且ついかなるケーブルも動く自由を制限するため、不快なものとして経験されることが多くある。

最近では、非影響測定に対する非接触の遠隔ＰＰＧ（Ｒ−ＰＰＧ）装置が紹介されている。遠隔ＰＰＧは、関心のある対象から離して配置された光源、又は一般に、放射源を利用する。同様に、例えばカメラ又は光検出器等の検出器も、関心のある対象から離して配置することができる。従って、遠隔フォトプレチスモグラフィシステム及び装置は、非影響のものであると考慮され、さらに、医学的並びに非医学的な毎日の適用に対して適切である。しかし、遠隔ＰＰＧ装置は、典型的には、より低い信号対雑音比を達成する。

非特許文献１は、フォトプレチスモグラフィ信号は、環境光及び従来の消費者レベルのビデオカメラを使用して離れて測定することができるということを実証している。

非特許文献２は、異なる波長でのプレチスモグラフィ信号の測定に基づく組織における動脈血酸素飽和度の非接触画像に対する遠隔ＰＰＧシステムを開示している。このシステムは、モノクロームＣＭＯＳカメラ、及び、３つの異なる波長のＬＥＤを有する光源を含む。カメラは、３つの異なる波長で３つの対象の動画を順次取得する。脈拍数を、１つの波長での動画から決定することができる一方で、少なくとも２つの異なる波長での動画が、酸素飽和度を決定するために要求される。測定は、一度に１つの波長のみを使用して暗室内で行われる。

遠隔ＰＰＧ技術を使用して、バイタルサインを、拍出血液量によってもたらされる微小な皮膚における光吸収の変化によって明らかにされるように、ビデオカメラの信号から測定することができる。この信号は非常に小さく、且つ、照明の変化及び動きによるはるかに大きな変動において隠れているため、根本的に低い信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善することにおいて一般的関心がある。遠隔ＰＰＧ装置及び方法の改善されたエラー強さが要求される激しい動き、挑戦的な環境的照射条件、又は、高く要求される適用の正確性では、依然として要求が厳しい状況である。

Ｖｅｒｋｒｕｙｓｓｅ ｅｔ ａｌ．，"Ｒｅｍｏｔｅ ｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｍｂｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，１６（２６），２２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００８，ｐｐ．２１４３４−２１４４５ Ｗｉｅｒｉｎｇａ，ｅｔ ａｌ．，"Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ：Ａ Ｆｉｒｓｔ Ｓｔｅｐ Ｔｏｗａｒｄ "ＳｐＯ２ Ｃａｍｅｒａ"Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，Ａｎｎ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．３３，１０３４−１０４１（２００５） "Ｓｐａｔｉａｌ Ｔｅｘｔｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｙ"，Ｍａｎｅｅｓｈａ Ｓｉｎｇｈ ａｎｄ Ｓａｍｅｅｒ Ｓｉｎｇｈ，ＰＡＮＮ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｅｔｅｒ，ＩＣＰＲ ‘０２ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ（ＩＣＰＲ‘０２）Ｖｏｌｕｍｅ１−Ｖｏｌｕｍｅ１，Ｐａｇｅ １０６７６，ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，ＵＳＡ

信号対雑音比、及び、対象の動きにより引き起こされるアーチファクトの減少における効率が増加した、対象のバイタルサインを決定するための改善された装置及び方法を提供することが本発明の目的である。

本発明の第１の態様において、対象のバイタルサインを決定する装置が示され、当該装置は：
− 対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるインターフェースであって、上記データストリームは、上記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される電磁放射線を表す、インターフェースと、
− 皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性を分析する分析器と、
− 皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、対象のバイタルサイン情報信号を決定するプロセッサと、
− 上記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサと、
を含み、決定された上記空間的及び／又は時間的特性は、バイタルサイン情報信号を決定するプロセッサによって、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって使用される。

本発明のさらなる態様において、対象の血液の酸素飽和度を決定するための対応する方法が示され、当該方法は：
− 対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるステップであって、上記データストリームは、上記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される電磁放射線を表す、ステップと、
− 皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性を分析するステップと、
− 皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、対象のバイタルサイン情報信号を決定するステップと、
− 上記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するステップと、
を含み、決定された上記空間的及び／又は時間的特性は、バイタルサイン情報信号を決定するために、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって使用される。

本発明の別のさらなる態様において、コンピュータプログラムが提供され、コンピュータプログラムは、該コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された場合にコンピュータに方法のステップを行わせるプログラムコード手段を含み、同様に、コンピュータプログラムプロダクト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、コンピュータプログラムプロダクトは、コンピュータプロセッサによって実行された場合に、本明細書において開示される方法が行われるようにする。

本発明の好ましい実施形態が従属項において定められている。本発明の方法、コンピュータプログラム及び媒体は、本発明の装置と類似の及び／又は同じ、さらに、従属項において定められる好ましい実施形態を有するということが理解されたい。

本発明によると、抽出されるバイタルサインの改善が、所望のバイタルサイン信号の抽出に使用される皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性の分析、特に皮膚領域の滑らかさの時間的整合性及び／又は空間の分析によって達成される。例えば、検出される皮膚領域の空間的均一性が（例えば測定又は推定される等）決定され、並びに／又は、隣接する画像フレーム間の皮膚領域のサイズ及び均一性の差が（例えば測定又は推定される等）決定される。皮膚領域の時間的及び／又は空間的特性に関する、特に、皮膚領域の空間的均一性及び時間的整合性に関する決定された情報は、抽出及び／又は後処理、特に、バイタルサイン情報信号を決定するため、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するために使用される１つ若しくは複数のパラメータ及び／又はアルゴリズムを調整するため、或いは、決定された皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性に対して最適な後処理方法を選択するために使用される。このように、信号対雑音比、及び、対象の動きにより引き起こされるアーチファクトの減少における効率を、能率的に改善することができる。

皮膚領域の空間的特性は、空間ブロック、空間テクスチャ、色の均一性のダイナミックレンジ及びピクセル値の分散又はエントロピーを含むがそれらに限定されない。空間特性は、時間的特性の一部でもあり得る。例えば、ダイナミックレンジだけでなく、ダイナミックレンジの時間的整合性も、空間的及び時間的特性として使用することができる。

生物学的組織との電磁放射線、特に光の相互作用は複雑であり、さらに、（多重）散乱、後方散乱、吸収、透過及び（拡散）反射の（光学）処理を含む。本発明に関連して使用される場合「反射する」という用語は、鏡面反射に限定されるとして解釈されることはないが、上述のタイプの組織との電磁放射線、特に光の相互作用、及び、いかなるその組合せも含む。

本発明に関連して使用される場合「バイタルサイン」という用語は、対象（すなわち生物）の生理学的パラメータ及び派生パラメータを意味する。特に、「バイタルサイン」という用語は、（脈拍数とも呼ばれることがある）心拍数（ＨＲ）、心拍変動（脈拍変動）、拍動性強度、灌流、灌流指標、灌流変動、Ｔｒａｕｂｅ Ｈｅｒｉｎｇ Ｍａｙｅｒ波、呼吸数（ＲＲ）、体温、血圧、（動脈）血液の酸素飽和度又はグルコースレベル等、血液及び／又は組織中の物質の濃度を含む。

本発明に関連して使用される場合「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み、さらに、後の分析に役立ち得る生理学的パラメータを指すデータ、対応する波形トレース又は時間の生理学的パラメータを指すデータを含む。

対象のバイタルサイン情報信号を得るために、皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号が評価される。ここで、「皮膚ピクセル領域」とは、１つの皮膚ピクセル又は隣接する皮膚ピクセルの群を含む領域を意味し、すなわち、データ信号は、単一ピクセル又は皮膚ピクセルの群に対して得られてもよい。

一実施形態において、上記分析器は、時間の経過に伴う皮膚領域の滑らかさ、サイズ、均一性、並びに／又は、皮膚領域の色度及び／若しくは輝度成分を決定するように構成される。このように、皮膚領域の１つ又は複数のパラメータを利用することができる。一般的に、滑らかさは高周波特性をさらに表し、均一性は等しいＤＣレベルの指標である。滑らかな領域は、ピクセル値における滑らかな移行の存在のために依然として不均一であり得る。

一般的に、時間の経過に伴う皮膚領域の空間的均一性及びその安定性を決定する方法がいくつかある。別の実施形態によると、上記分析器は、（皮膚ピクセルの群を含む）皮膚ピクセルブロックに皮膚領域を分割すること、上記皮膚ピクセルブロックの空間的均一性を決定すること、並びに、滑らかな及び／又は肌理を有する（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）滑らかな皮膚ピクセルブロックの数を決定することによって、時間の経過に伴う皮膚領域の空間的均一性を決定するように構成される。好ましくは、上記分析器は、時間の経過に伴う滑らかな及び／又は肌理を有する皮膚ピクセルブロックの数を決定するように構成される。従って、滑らかな及び／又は肌理を有する皮膚ピクセルブロックの数の時間変化を評価することができ、さらに、データ信号及び／又はバイタルサイン情報信号の（後）処理を適応させて、１つ又は複数の所望のバイタルサインを最終的に得るために使用することができる。

別の実施形態において、上記分析器は、上記皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性から信頼度情報を決定するように構成され、上記信頼度情報は、皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき決定されるバイタルサイン情報又はバイタルサインの決定の信頼度を示し、上記プロセッサ及び／又は上記ポストプロセッサは、バイタルサイン情報信号を決定するために、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって上記信頼度情報を使用するように構成される。このように、バイタルサイン情報又はバイタルサインの決定に関するさらなる知識がさらに利用されるため、例えばいくぶん信頼できないバイタルサイン情報を無視することができるか又は非常に信頼できるバイタルサイン情報若しくはバイタルサインよりも少ない重みを付加することができるために、所望のバイタルサインの正確性をさらに増すことができる。

信頼度情報は、異なる方法で決定されてもよい。１つの方法において、上記分析器は、時間の経過に伴う滑らかな及び／若しくは肌理を有する皮膚ピクセルブロックの数の変化、並びに／又は、時間の経過に伴う皮膚領域のサイズの変化を使用して上記信頼度情報を決定するように構成される。好ましくは、上記分析器は、信頼度情報を決定して、信頼度が高いほど、滑らかな皮膚ピクセルブロックの数は多く且つ皮膚領域のサイズは大きいということを示すように構成される。一般的に、（後）処理の調整に対する基本原理は：後処理の円滑さが、皮膚領域の空間的均一性の減少及び／又はその時間的不安定性の増加と共に増すということである。

（後）処理を適応させるために、種々の選択肢が存在する。好ましい実施形態において、上記ポストプロセッサは、上記決定された空間的及び／又は時間的特性に基づき、上記ポストプロセッサの低域フィルタの時間幅及び／又は時定数を設定するように構成される。別の実施形態において、上記ポストプロセッサは、上記決定された空間的及び／又は時間的特性に基づき、上記ポストプロセッサの帯域フィルタの幅を設定するように構成される。好ましい後処理の調整の選択は、決定されるバイタルサインの遅延時間及び正確性に関する要求次第である。より大きい値までフィルタの時定数を変えることは、変化に対する遅い反応（高遅延）という犠牲においてより優れた信号対雑音比（正確性）をもたらす、時間の経過に伴うさらなる平均化を意味する。

好ましくは、一実施形態において、上記ポストプロセッサは、信頼度情報が所定の信頼度の閾値を超える信頼度を示す場合にのみ、決定されるバイタルサインを更新するように構成される。このように、もしかすると間違っている決定されたバイタルサインの結果は無視され、さらに、（もしかすると誤った測定によって引き起こされる）バイタルサインの大き過ぎる変化が回避される。

別の有利な実施形態において、上記プロセッサは、その関連する時間的安定性に従って皮膚領域の皮膚ピクセルブロックをランク付けするように、及び、皮膚領域内の最も時間的に安定した皮膚ピクセルブロックからの皮膚ピクセルのデータ信号に基づき、対象のバイタルサイン情報信号を決定するように構成される。或いは又は加えて、上記プロセッサは、その関連する時間的安定性に従って、皮膚領域の皮膚ピクセルブロックに対する信頼度の重みを決定するように、及び、関連する皮膚ピクセルブロックの決定された信頼度の重みに従って重みづけされた皮膚ピクセルのデータ信号に基づき、対象のバイタルサイン情報信号を決定するように構成される。この方法で、バイタルサイン決定の信頼度をさらに上げることができる。

本発明は、概して、（例えば、緑色の光のスペクトル範囲において等）単一のスペクトル部分を表す単一のデータ信号成分を含むデータ信号と共に機能するけれども、一実施形態において、上記データ信号は、少なくとも２つのデータ信号成分を含み、第１のデータ信号成分は第１のスペクトル部分、特に可視光の部分を表し、さらに、第２のデータ信号成分は第２の表示するスペクトル部分、特に赤外線の部分を表す。このアイデアは、血液の吸収及び組織の吸収次第である放射線の侵入深さが、基本的には、入射放射線の波長次第でもあるという事実を活用する。典型的には、赤外線（又は近赤外線）及び赤色の光が、より短い波長を有する可視光よりも対象の組織内に深く侵入する。例として、第１のスペクトル部分は、可視放射の緑色の部分における帯又は副帯から形成することができる。

好ましい実施形態において、提案される装置は、特に１つ又は２つの異なるスペクトル範囲の、対象から反射された電磁放射線を離れて検出するための画像処理ユニット、特にカメラをさらに含む。画像処理ユニットは、遠隔監視用途に特に適している。画像処理ユニットは、１つ又は複数の画像処理要素を含み得る。例えば、画像処理ユニットは、フォトダイオード又は電荷結合素子のアレイを含み得る。一実施形態によると、画像処理ユニットは、少なくとも２つのグループの画像処理要素を含み、そのそれぞれが、複数のデータ信号成分のうち単一のデータ信号成分を検出するように構成される。別の実施形態によると、画像処理ユニットは、データ信号成分の検出を可能にする反応特徴を有する単一のグループの画像処理要素を使用することができる。画像処理ユニットは、データ信号成分を代わって表す一連の画像フレームをキャプチャするようにさらに構成することができる。

別の好ましい実施形態において、提案される装置は、例えば１つ又は２つの異なるスペクトル範囲における電磁放射線を対象に向けるための放射源、特に光源をさらに含む。放射源は、広帯域の照射源によって具体化することができ、及び／又は、単一のグループ又は２つ若しくはさらなるグループの放射要素さえ使用することができる。しかし、提案される装置は、必ずしも放射源を含んでいなければいけないわけではなく、装置に接続されていない環境光源も使用することができる。

本発明の上記及び他の態様が、以下に記載の実施形態から明らかになり、以下に記載の実施形態を参考にして解明される。

本発明による装置が使用されるシステムの概略図である。 本発明による方法の一実施形態の流れ図である。

図１は、本発明による装置３０が使用されるシステム１０の概略図を示している。システム１０は、遠隔ＰＰＧモニタリングのために、遠隔の対象１２又は対象１２の少なくとも一部１４（関心のある領域）を表す画像フレームを記録するために利用することができる。関心のある領域１４は、例として、対象１２の前頭部分、顔面部分、又は、より一般的には１つ又は複数の皮膚の部分を含む。記録されるデータ、例えば、一連の画像フレームは、対象１２によって反射された電磁放射線１６から得ることができる。おそらく、特定の条件下で、電磁放射線の少なくとも一部は、対象１２自体によって放たれ得るか又は透過させられ得る。放射線透過は、対象１２が、対象１２を通る光を放つ強い照射源に曝露される場合に生じ得る。放射線放出は、体熱により引き起こされる赤外線に的がしぼられ且つ該赤外線がキャプチャされる場合に生じ得る。しかし、遠隔ＰＰＧ用途に対しては、キャプチャされることになる電磁放射線１６の大部分は、対象１２によって反射された放射線として考慮することができる。対象１２は、ヒト若しくは動物、又は一般的に生物であり得る。さらに、対象１２は、所望の信号を高度に示すヒトの一部であるとして考慮することができる。

日光１８ａ、人工の放射源１８ｂ又はいくつかの放射源の組合せ等の放射源は、対象１２に作用するか又は衝突する。放射源１８ａ、１８ｂは、基本的に、対象１２に達する入射放射線２０ａ、２０ｂを放つ。加えて、又は、代わりとなる案において、システム１０は、電磁放射線２４の内部線源２２も含み得るか又はそれを使用することもでき、内部線源２２は、入射放射線２４を放ち且つそれを対象１２に向け、さらに、代わりとなる実施形態において装置３０の一部であってもよい。放射線２４の内部線源２２は、規定の特徴を有する放射線、特に、規定のスペクトル部分に属する放射線を対象１２に向けるように構成することができる。本発明の一実施形態に従って少なくとも２つの異なるスペクトル部分がキャプチャされ且つ処理されるため、この実施形態の別の態様によると、電磁放射線２４の内部線源２２はこれらのスペクトル部分に「一致する」ということが好ましい。

例えば一連の画像フレーム等のキャプチャされたデータから生理学的情報を抽出するために、関心のある領域１４等の対象１２の規定の一部又は一部分からの放射線１６が、画像処理ユニット２８によって検出される。画像処理ユニット２８は、例として、電磁放射線１６の少なくとも１つのスペクトル成分に属する情報をキャプチャするように構成される光センサ手段によって具体化することができる。一実施形態において、画像処理ユニット２８は、（例えばＲＧＢカメラ等）ビデオカメラ等のカメラ又はカメラのセットによって具体化される。画像処理ユニット２８は、代わりとなる実施形態において装置３０の一部でもあり得る。

言うまでもなく、装置３０は、前もってすでに記録され、さらに、合間に記憶されるか又は一時記憶領域へ移される入力信号、すなわち入力データストリーム２６を処理するように適応させることもできる。上記のように、電磁放射線１６は、少なくとも１つのバイタルサインパラメータ２６、本発明に関連して特に心拍数、呼吸数及び／又は血液の酸素飽和度を高度に示すことができる連続的又は別々の特徴信号を含有することができる。

本発明による対象のバイタルサインを決定する装置３０は、対象１２の皮膚領域を含む関心のある領域１４から反射された検出される電磁放射線１６（放たれたか又は透過された放射線を含む）から得られるデータストリーム２６を（画像処理ユニット２８から又は記憶装置若しくはバッファから）受ける（入力）インターフェース３２を含む。上記データストリーム２６は、上記関心のある領域の１つ又は複数の皮膚ピクセルの複数の皮膚ピクセル領域に対する（好ましくは、全ての皮膚ピクセル領域に対する、又は、全ての個々の皮膚ピクセルにさえ対する）１つの皮膚ピクセルあたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される電磁放射線１６を表す。

分析器３４は、皮膚領域１４の空間的及び／又は時間的特性を分析するために提供される。従って、皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性に関する情報が、分析器３４から出力される。一実施形態において、分析器は、複数の皮膚ピクセルのデータ信号によって表される時間的皮膚の反射率から、（例えば緑色の光等の）単一のスペクトルバンドにおける、又は、赤色及び赤外線のスペクトルバンドにおける相対振幅を計算する。

装置３０は、皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき対象のバイタルサイン情報信号を決定するプロセッサ３６、及び、上記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサ３８をさらに含む。このデータ信号を処理する方法は、一般的に、遠隔ＰＰＧの分野において既知であり、従って、ここではより詳細には説明されないものとする。しかし、既知の装置及び方法とは反対に、上記決定される空間的及び／又は時間的特性が、バイタルサイン情報信号を決定するプロセッサ３６、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサ３８によって使用される。

最後に、（出力）インターフェース４０を提供することができ、このインターフェース４０には、例えば、さらなる分析に対して及び／又は表示手段に対して出力データ４１を提供するために、決定されたバイタルサイン３９を届けることができる。インターフェース３２も４０も、同じ（ハードウェア）コネクタによって具体化することができる。

一実施形態において、コントローラ４２が、画像処理ユニット２８及び放射源２２のうち少なくとも１つを選択的に制御するために提供される。

分析器３４、プロセッサ３６及びポストプロセッサ３８（さらに、提供される場合はコントローラ４２）は、所望のデータ処理を定めるようにそれぞれのロジックコマンド（プログラムコード）によって駆動される計算装置又は少なくとも計算装置の一部であるとして考慮することができる共通の処理装置５０によって実行されてもよい。処理ユニット５０は、以下において処理されるいくつかの成分又はユニットを含んでもよい。処理ユニット５０の各成分又はユニットは、仮想的又は離散的に実行することができるということが理解されるべきである。例えば、処理ユニット５０は、マルチコアプロセッサ又はシングルコアプロセッサ等の多くのプロセッサを含んでもよい。少なくとも１つのプロセッサを、処理ユニット５０によって利用することができる。プロセッサのそれぞれを、（例えば中央処理ユニット等の）標準プロセッサとして、又は、（例えばグラフィックスプロセッサ等の）専用プロセッサとして構成することができる。従って、処理ユニット５０は、データ処理のいくつかのタスクを適したプロセッサに割り当てるように適切に作動させることができる。

処理ユニット５０並びにインターフェース３２、４０は、一般的には、提案される装置３０に相当する共通の処理機器又はハウジングにおいて具体化することができる。画像処理ユニット２８及び放射源２２は、一般的に、外部の要素であるが、装置３０の他の要素と共に、例えば共通のハウジングを用いて装置３０内に統合することもできる。

以下において、本発明の背景及び好ましい実施形態の詳細が説明される。

通常、バイタルサインの測定に対する既知の接触又は非接触センサは、後処理アルゴリズムを測定されたバイタルサインに適用して、アーチファクトを減らす、及び／又は、測定の一貫性を改善する。既知の１Ｄ後処理アルゴリズムのほとんどは、１Ｄ信号自体から又はさらなる（コンテキスト）センサから取得された情報によって制御される。例えば、着用式接触ＰＰＧセンサ（例えばリスト又はフィンガーセンサ等）は、埋め込まれた加速度計からのデータを使用して、１Ｄバイタルサイン情報信号におけるモーションアーチファクトを減らす。

１つの選択肢は、対象の反復運動の周波数に関する情報に基づき、例えば心拍信号等の抽出されたバイタルサイン情報信号を後処理することである。そのような情報は、対象の反復運動を表す動きベクトル又は他のデータから取得することができる。対象の通常の動きの間の心拍モニタリングのエラー強さを著しく改善する一方で、その方法は、対象の動きが通常のものではない場合に著しい改善を提供しない。例えば、対象が突然カメラから対象の顔をそむけた場合、抽出される心拍信号は失われ、反復周期運動の検出に頼る後処理アルゴリズムは、抽出される信号の一貫性を改善しない。

さらに、動きのタイプによって、抽出されるＰＰＧ信号の質に対する影響は異なる。例えば、顔の並進運動は、同じ皮膚領域が絶えず可視である場合、同じ周波数及び速度を有する顔の回転運動と比較して（たとえあるとしても）はるかに少ないアーチファクトをもたらし、回転運動に対しては、可視の皮膚領域は絶えず変化している。

運動周波数情報の使用が最適ではない場合のさらに別の例は、話している顔からの（特に心拍信号に関する）バイタルサイン情報信号（ＰＰＧ信号と呼ばれる場合もある）の測定である。この場合、大多数の動きベクトルは重大な動きを示さないが、話をすることによって引き起こされる顔の皮膚の変形は、抽出されるバイタルサイン情報信号において重大なアーチファクトを導く。

提案される装置及び方法は、皮膚の動きによって引き起こされるアーチファクトの減少においてより能率的であり、さらに、異なるタイプの動きに対してより反応がよい。抽出されるバイタルサインの改善は、特に、バイタルサインの抽出に使用される皮膚領域の時間的整合性及び／又は空間的滑らかさの分析に基づいている。

カメラベースのバイタルサインモニタリングシステムにおいて、血液量の変化によって引き起こされる（例えば人物の顔等の）皮膚領域のより小さな色の変化が測定され、さらに、バイタルサイン情報信号が抽出される。色の変化は極度に小さく、それは、いかなる妨害（動き、照射の変化）も信号に影響を与えるということを意味する。モニターされる対象の動きは、皮膚領域の空間変位及び変化を引き起こす。変位及び変形によって引き起こされるアーチファクトのレベルは大いに異なり得る。（例えば横の運動の間の）変形を有することのない皮膚領域の空間変位は、心拍信号の抽出に対して、皮膚領域の変形と比較してより問題にはならない。ほとんどの場合、皮膚領域の変位によって引き起こされるアーチファクトは補正することができ、さらに、通常の皮膚領域の変位からの残りのアーチファクトは、測定されたバイタルサイン情報信号のスペクトルから運動スペクトルを取り除くことによって後処理の間に首尾よく処理することができる。

皮膚領域の変形によって引き起こされるアーチファクトは、典型的には、（変形の量に応じて）はるかにより激しく、補正するのがはるかにより困難である。皮膚の変形の間に、感知領域内の皮膚ピクセルの量は変わる一方、皮膚領域の大部分がそのままであり得る。従って、皮膚領域の動きベクトルの分析は、アーチファクトの補正には十分ではない。

さらに、抽出されるバイタルサイン情報信号の強度及びそのＳＮＲは、皮膚領域にわたり等しくない。皮膚領域のうち、他の部分よりもノイズを伴う信号を生成する部分がいくつかある。例えば、滑らかな皮膚を有する領域は、非常に肌理を有する皮膚領域と比較してより明瞭なバイタルサイン情報信号を有することになる。従って、強いバイタルサイン情報信号を有する初めは滑らかな領域の変形は、すでに乏しいバイタルサイン情報信号を有した肌理を有する領域の変形よりもはるかに大きなアーチファクト（における変化）をもたらす。

本発明の一実施形態において、皮膚領域の空間的及び時間的特性を分析すること、並びに、この分析の結果を使用して、皮膚領域の皮膚ピクセル領域のデータ信号の処理、及び／又は、抽出されたバイタルサイン情報信号の後処理を適応させることが提案される。好ましくは、測定値の信頼度に対する計量も生じる。

図２は、本発明による方法の一実施形態の流れ図を示している。第１のステップＳ１０において、関心のある領域１４の皮膚領域は、最新及び隣接する画像フレームにおいて、ピクセルの２Ｄブロック（本明細書においては皮膚ピクセルブロックとも呼ばれる）に分割される。第２のステップＳ１２において、複数のブロックの（好ましくはそれぞれの）空間的均一性が決定され、さらに、皮膚領域のサイズが、最新のフレームに対して決定される。さらに、「滑らかな」及び「肌理を有する」空間ブロックの数が決定される。均一性は、例えばエントロピー及び／又はダイナミックレンジを使用する等、いくつかの方法を使用して測定することができる。そのような方法の一例は、非特許文献３に記載されている。

第３のステップＳ１４において、隣接する画像フレームにおける皮膚領域の空間的均一性及びサイズが決定される。第４のステップＳ１６において、考慮される画像フレームにおける皮膚領域のサイズ間の差、並びに、「滑らかな」及び「肌理を有する」ブロックの数の変化が決定される。

第５のステップＳ１８において、信頼度の計量が、以下の質的関係を有する時間的及び空間的安定性のパラメータに基づき生じる。全皮膚領域のサイズにおける、及び、「滑らかな」ブロックの数における差が大きいほど、抽出されたバイタルサイン情報信号又はバイタルサイン（例えば呼吸の心拍等）は信頼度が低い。皮膚領域内の「滑らかな」ブロックの数が多いほど、抽出されたバイタルサイン情報信号又はバイタルサインの信頼度は高い。

第６のステップＳ２０において、後処理のパラメータが、ステップＳ１８での分析の結果に基づき調整される。例えば、低域フィルタの時間窓（又は時定数）を増やして、抽出されたバイタルサイン情報信号又はバイタルサインの変動を減らすことができる。或いは、抽出されたバイタルサイン情報信号又はバイタルサインに適用される帯域フィルタの幅を、以前に信頼可能な値の辺りまで減らす及び／又はシフトさせることができる。さらに別の代わりとなる案は、以前のポストプロセッサの出力を、（ステップＳ１８からの）信頼度の計量が、以前の値に対して高い信頼度を、及び、最新のものに対して低い信頼度を示した場合に保存することができるということである。その値は、抽出されたバイタルサイン情報信号又はバイタルサインが再度信頼できるということを信頼度の計量が示す場合にのみ、次回に調整することができる。

上記の処理の結果として、抽出される信号の変動は、皮膚領域が空間的及び時間的に安定ではない場合に減らされる。

ポストプロセッサ３８を調整することの代わりに、信頼度の測定（又は根底にある分析）を、以下の実施形態から明らかなように、他の処理段階でも使用することができる。

本発明の別の実施形態において、皮膚領域内の全てのブロックが、その時間的安定性に応じてランク付けされ、さらに、最も高い時間的不安定性を有する皮膚ブロックが、感知領域から完全に除去されるか又は無視される（すなわち、いかなる信号も、所望のバイタルサインを決定するためにそれらのブロックから抽出されず及び／又は使用されない）。

本発明のさらに別の実施形態において、類似のアプローチを使用して、最終信号に対する皮膚領域の別々の空間ブロックの寄与に重みづけすることができる。考察された測定に基づき、比較的少ない数のアーチファクトが生じるということが期待される皮膚領域の部分は、他の部分よりも重みが加えられる。

本発明のさらに別の実施形態において、（例えば、隣接する画像フレーム間のブロックの色度又は／及び輝度の平均値の変化等）隣接する画像フレームにおけるブロックの色及び／又は強度の安定性の分析を含むことが提案される。色度又は／及び輝度の平均値の変化を有するブロックの数が特定のレベルを超える場合、決定されたバイタルサインは信頼できるものではない。信頼度の計量は従って（例えば、図２において説明される実施形態のステップＳ１６において等）適応される。

例として、本発明は、例えば非影響遠隔患者モニタリング等のヘルスケア、一般的な監視、セキュリティモニタリング、及び、フィットネス機器等のいわゆるライフスタイル環境等の分野において適用することができる。適用業務は、酸素飽和度（パルスオキシメトリ）、心拍数、血圧、心拍出量、血液灌流の変化のモニタリング、自律神経機能の評価及び末梢血管疾患の検出を含んでもよい。

本発明は、図面及び上記の説明において詳細に例示及び記述されてきたけれども、そのような例示及び記述は、例示的又は例証的であり、拘束性はないと考慮されることになり；本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変化は、請求された発明を実行する際に、図面、明細書、及び付随の特許請求の範囲の調査から当業者により理解する及びもたらすことができる。

特許請求の範囲において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞はその複数形を除外しない。１つの要素又は他のユニットは、特許請求の範囲において列挙されたいくつかの項目の機能を満たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属項において記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを役立つよう使用することができないと示しているわけではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に若しくはその一部として供給される、光記憶媒体又は固体記憶媒体等、適したメディア上に記憶／分散させてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介して等、他の形状で分散させてもよい。

本明細書において使用される場合、「コンピュータ」という用語は、各種の処理装置を意味する。言い換えると、かなりの計算能力を有するモバイルデバイスも、標準的なデスクトップコンピュータよりも少ない処理動力資源を提供するけれども、計算装置と呼ぶことができる。さらに、「コンピュータ」という用語は、クラウド環境において提供される計算能力を含むか又はそれを使用することができる分散計算処理装置を意味することもあり得る。

特許請求の範囲におけるいかなる参照番号も、その範囲を限定するとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 対象のバイタルサインを決定する装置であって、
   − 前記対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるインターフェースであり、前記データストリームは、前記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、前記データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された前記検出される電磁放射線を表す、インターフェースと、
   − 前記皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性を分析する分析器と、
   − 前記皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、前記対象のバイタルサイン情報信号を決定するプロセッサと、
   − 前記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサと、
   を含み、決定された前記空間的及び／又は時間的特性は、前記バイタルサイン情報信号を決定するプロセッサによって、及び／又は、前記所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって使用される、装置。
2. 前記分析器は、時間の経過に伴う前記皮膚領域の滑らかさ、サイズ、均一性、並びに／又は、前記皮膚領域の色度及び／若しくは輝度成分を決定するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記分析器は、皮膚ピクセルブロックに前記皮膚領域を分割すること、前記皮膚ピクセルブロックの空間的均一性を決定すること、並びに、滑らかな及び／又は肌理を有する滑らかな皮膚ピクセルブロックの数を決定することによって、時間の経過に伴う前記皮膚領域の空間的均一性を決定するように構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記分析器は、時間の経過に伴う滑らかな及び／又は肌理を有する皮膚ピクセルブロックの数を決定するように構成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記分析器は、前記皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性から信頼度情報を決定するように構成され、前記信頼度情報は、前記皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき決定されるバイタルサイン情報又はバイタルサインの決定の信頼度を示し、さらに、
   前記プロセッサ及び／又は前記ポストプロセッサは、前記バイタルサイン情報信号を決定するために、及び／又は、前記所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって前記信頼度情報を使用するように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記分析器は、時間の経過に伴う滑らかな及び／若しくは肌理を有する滑らかな皮膚ピクセルブロックの数の変化、並びに／又は、時間の経過に伴う前記皮膚領域のサイズの変化を使用して前記信頼度情報を決定するように構成される、請求項４及び５に記載の装置。
7. 前記分析器は、前記信頼度情報を決定して、信頼度が高いほど、滑らかな皮膚ピクセルブロックの数は多く且つ前記皮膚領域のサイズは大きいということを示すように構成される、請求項６に記載の装置。
8. 前記ポストプロセッサは、前記決定された空間的及び／又は時間的特性に基づき、前記ポストプロセッサの低域フィルタの時間幅及び／又は時定数を設定するように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記ポストプロセッサは、前記決定された空間的及び／又は時間的特性に基づき、前記ポストプロセッサの帯域フィルタの幅を設定するように構成される、請求項１に記載の装置。
10. 前記ポストプロセッサは、前記信頼度情報が所定の信頼度の閾値を超える信頼度を示す場合にのみ、決定される前記バイタルサインを更新するように構成される、請求項５に記載の装置。
11. 前記プロセッサは、その関連する時間的安定性に従って前記皮膚領域の皮膚ピクセルブロックをランク付けするように、及び、前記皮膚領域内の最も時間的に安定した皮膚ピクセルブロックからの皮膚ピクセルのデータ信号に基づき、前記対象のバイタルサイン情報信号を決定するように構成される、請求項５に記載の装置。
12. 前記プロセッサは、その関連する時間的安定性に従って、前記皮膚領域の皮膚ピクセルブロックに対する信頼度の重みを決定するように、及び、関連する皮膚ピクセルブロックの決定された前記信頼度の重みに従って重みづけされた皮膚ピクセルのデータ信号に基づき、前記対象のバイタルサイン情報信号を決定するように構成される、請求項５に記載の装置。
13. 対象のバイタルサインを決定する方法であって、
    − 前記対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるステップであり、前記データストリームは、前記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、前記データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された前記検出される電磁放射線を表す、ステップと、
    − 前記皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性を分析するステップと、
    − 前記皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、前記対象のバイタルサイン情報信号を決定するステップと、
    − 前記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するステップと、
    を含み、決定された前記空間的及び／又は時間的特性は、前記バイタルサイン情報信号を決定するために、及び／又は、前記所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって使用される、方法。
14. コンピュータプログラムであって、当該コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された場合に前記コンピュータに請求項１３に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。

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