JP2019511941A - 対象のバイタルサインを決定するデバイス、システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、対象のバイタルサインを決定するデバイス、システム、及び方法に関する。対象の動き、特に心弾動運動の影響を低減するため、このデバイスは、少なくとも２つの放射線信号を得る入力インタフェースであって、各放射線信号が、照射に基づき個別の皮膚領域から反射されるか、又は皮膚領域を透過する放射線を検出することにより、上記対象の異なる皮膚領域から取得される、入力インタフェースと、上記取得された放射線信号からフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出し、皮膚領域ごとに少なくとも１つのＰＰＧ信号を得る抽出ユニット３１と、上記個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、上記皮膚領域に関する第１の重みを決定する評価ユニット３２と、個別の第１の重みに基づき異なる皮膚領域の２つ以上のＰＰＧ信号を結合し、結合されたＰＰＧ信号を得る結合ユニット３３と、上記結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得るバイタルサイン決定ユニット３４とを有する。

Description

本発明は、対象のバイタルサインを決定するデバイス、システム、及び方法に関する。

例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は動脈の血中酸素飽和（ＳｐＯ２）といった人のバイタルサインは、人の現在の健康状態のインジケータとして、及び重大な医学イベントの強力な予測器として機能する。このため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者看護環境において、在宅で、又は、更なる健康、余暇及びフィットネス環境において広くモニタされる。

バイタルサインを測定する１つの態様は、プレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは一般に、器官又は体部位のボリューム変化の測定を意味し、特に鼓動毎に対象の体を通り進行する心血管パルス波が原因によるボリューム変化の検出を指す。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心領域又はボリュームの光反射又は透過率の時間変動変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは、血液が周囲組織より多くの光を吸収する原理に基づかれる。そのため、すべての心拍に伴う血液量における変動は、これに対応して透過又は反射率に影響を及ぼす。心拍数に関する情報の他に、ＰＰＧ波形は、例えば呼吸といった更なる生理的現象に起因する情報を有することができる。異なる波長（典型的には赤色及び赤外）における透過率及び／又は反射率を評価することにより、血液酸素（又は他の血液ガス／物質）飽和度が決定されることができる。

近年では、目立たない測定に関して非接触の遠隔ＰＰＧ（ｒＰＰＧ）デバイス（カメラｒＰＰＧデバイスとも呼ばれる）が導入された。遠隔ＰＰＧは、光源を利用するか、又は、関心対象から離れて配置される一般の放射線源を利用する。同様に、検出器、例えば、カメラ又は光検出器も、関心対象から離れて配置されることができる。従って、遠隔フォトプレチスモグラフシステム及びデバイスは、目立たないと考えられ、医療用途だけでなく非医学的な日々の用途にもよく適している。この技術は、非常に脆弱な皮膚を持つ又は未熟児の新生児集中治療室（ＮＩＣＵ）患者といったバイタルサイン監視を必要とする極端な皮膚感受性を持つ患者に特に有利である。

Ｖｅｒｋｒｕｙｓｓｅらによる「Ｒｅｍｏｔｅ ｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｍｂｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１６（２６）、２２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００８、ｐｐ．２１４３４−２１４４５は、環境光と、赤、緑及び青色チャネルを用いる従来の消費者向けレベルのビデオカメラとを用いて、フォトプレチスモグラフ信号がリモートで測定されることができることを示す。

既知のデバイス及び方法の主な問題は、対象の動きに対する感度である。例えばＳｐＯ２を決定するためのリモートＰＰＧは、皮膚における変化する血液量に起因して皮膚からカメラへと反射された光の変調振幅を測定することを目的とする。しかしながら、光源に対する動きも反射光を変調させる。結果として、ｒＰＰＧカメラは、動きと血液量における変化（ＰＰＧ）の合計された効果を捕捉する。ｒＰＰＧ信号における動き成分を低減するため、バンドパスフィルタ及び相関ベースのアプローチが一般的に使用されるが、動きが心臓活動そのものに関連する場合、これは有効ではない。心臓活動に起因するこの対象の運動は一般に、心弾道（ＢＣＧ）（微小）運動と呼ばれ、実質的にすべての皮膚領域で異なる強度を備える反射光の変化として測定されることができる。

ＷＯ２０１４／１４０９７８Ａ１号は、対象のバイタルサイン情報を得るデバイスを開示し、これは、上記対象の第１のバイタルサインに関連付けられる第１のバイタルサイン情報信号の抽出を可能にする検出データの第１のセットを取得する第１の検出ユニットと、上記対象の第２のバイタルサインに関連付けられる第２のバイタルサイン情報信号の抽出を可能にする検出データの第２のセットを取得する第２の検出ユニットと、検出データの第１のセットから第１のバイタルサイン情報信号を抽出し、検出データの第２のセットから第２のバイタルサイン情報信号を抽出する解析ユニットと、上記第１のバイタルサイン情報信号と上記第２のバイタルサイン情報信号とを結合して結合されたバイタルサイン情報信号を得る処理ユニットと、上記結合されたバイタルサイン情報信号から上記対象の上記第１及び第２バイタルサインの少なくとも一方を抽出する抽出ユニットとを有する。

Ａ．Ｖ．Ｍｏｃｏ、Ｓ．Ｓｔｕｉｊｋ及びＧ．ｄｅ Ｈａａｎによる「Ｂａｌｌｉｓｔｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｒｔｉｆａｃｔｓ ｉｎ ＰＰＧ Ｉｍａｇｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｖｏｌ．６３、ｎｏ．９、ｐｐ．１８０４−１８１１、Ｓｅｐｔ．２０１６は、光源により照らされたランバート面に対するＢＣＧアーチファクトの振幅のモデリングを開示する。モデルに関するピークツーピークヘッド変位を得るため、ＰＰＧ及び慣性センサデータが、脈及び頭頂部において記録される。人間の顔のメッシュ表示における光源位置の効果がシミュレートされる。

本発明の目的は、特に対象の動き、特にＢＣＧの動きによる擾乱を低減し、精度及び信頼性を高めた対象のバイタルサインを決定するデバイス、システム及び方法を提供することである。

本発明の第１の態様では、パルス及び／又は血液ガス成分に関連付けられる対象のバイタルサインを決定するデバイスが提供され、これは、
少なくとも２つの放射線信号を得る入力インタフェースであって、各放射線信号が、照射に基づき個別の皮膚領域から反射されるか、又は皮膚領域を透過する放射線を検出することにより、上記対象の異なる皮膚領域から取得される、入力インタフェースと、
上記取得された放射線信号からフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出し、皮膚領域ごとに少なくとも１つのＰＰＧ信号を得る抽出ユニットと、
上記個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、上記皮膚領域に関する第１の重みを決定する評価ユニットと、
個別の第１の重みに基づき異なる皮膚領域の２つ以上のＰＰＧ信号を結合し、結合されたＰＰＧ信号を得る結合ユニットと、
上記結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得るバイタルサイン決定ユニットとを有する。

本発明の更なる態様では、対象のバイタルサインを決定するシステムが提供され、これは、
少なくとも２つの放射線信号を得る検出器であって、各放射線信号が、照射に基づき個別の皮膚領域から反射されるか、又は皮膚領域を透過する放射線を検出することにより、上記対象の異なる皮膚領域から取得される、検出器と、
上記シーンの取得された放射線信号に基づき、本書に記載の対象のバイタルサインを決定するデバイスとを有する。

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。

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、プロセッサ、コンピュータプログラム及び媒体が、請求項に記載のシステム及び従属項に記載されるシステムと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明は、ＢＣＧ運動に明らかに苦しむ皮膚領域を認識し、その測定への寄与を低減し、低いＢＣＧ運動を示す皮膚領域からの寄与を増加させるという考え方に基づかれる。パルスとＢＣＧ運動が同じ基本周波数（パルス速度）を持つとしても識別が可能である。なぜなら、ＢＣＧ運動のスペクトルが実際のＰＰＧ信号の血液量変化よりもはるかに強い高調波を持つことが分かっているからである。従って、本発明によれば、基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の（相対的及び／又は絶対的な）強度が評価され、他の皮膚領域より強い対象の動き、特にＢＣＧの動きを呈する（又は苦しむ）皮膚領域が検出される。これらの皮膚領域の最終測定への寄与は、より低い対象の動き、特にＢＣＧの動きを示す皮膚領域からの寄与と比較して低減される。

本発明は、主にＢＣＧ運動の効果を低減することに向けられるが、特にパルスと基本周波数が同じか、又は似ている他の運動効果の低減にも有用である。これは例えば、対象の身体の動き又は光源の動きである。

従って、提案されたデバイス、システム及び方法は、現在の主な課題の１つである、対象の動きに対する堅牢性を向上させる。従って、本発明は、特にｒＰＰＧ技術を使用してカメラで取得した画像から、運動ロバストバイタルサイン測定、例えばＳｐＯ２測定を実現する。しかし、ＣＯ、ＣＯ２、ビリルビン、グルコースなどの他の血液（ガス）成分の測定も、同じ技術で改善されることができる。更に、本発明は一般に、光学的接触ＰＰＧセンサ、例えば、皮膚領域から反射される、又はこれを透過する放射線（例えば、ＩＲ光及び赤色光）を用いるＳｐＯ２センサに適用されることができる。例えば、斯かるセンサのいくつかの測定値は、基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の強度に関する測定値の評価に基づき重み付けされることができる。

一実施形態では、上記結合ユニットが、上記個別の皮膚領域に関して決定される上記第１の重みを用いて各ＰＰＧ信号を重み付けし、上記重み付けされたＰＰＧ信号を合計する。これは、重み付けされたＰＰＧ信号を結合するかなり単純ではあるが効果的な方法を提供する。しかしながら、加重平均、閾値以下の第１の重みを持つＰＰＧ信号の抑制など、他の結合も可能である。

別の実施形態では、上記評価ユニットは、上記個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける上記基本周波数並びに第１及び／又は第２高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、上記皮膚領域に関する上記第１の重みを決定する。特に、パルス周波数の基本波と第１高調波の相対強度は、重みを決定するのに有用な効果を示す。２つ以上の波長（又は波長チャネル）に関する放射信号が得られる場合、各サブ領域に与えられる重みは、すべての波長（又は波長チャネル）について同じであってもよい。この場合がしばしば好ましい。例えばＳｐ０２は、２つの波長チャネルにおける同様に結合された領域から得られることができる。

上記評価ユニットが更に、上記第２の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおけるより弱い高調波を持つ第２の皮膚領域に関してよりも、上記第１の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおいてより強い高調波（特に、基本周波数と比較して）を持つ第１の皮膚領域に関して一層低い第１の重みを決定するよう構成されることができる。これは、モーションアーチファクトの抑制を更に改善する。

別の実施形態では、上記入力インタフェースが、皮膚領域ごとに、異なる波長チャネルで少なくとも２つの放射線信号を取得し、上記抽出ユニットは、放射線信号ごとにＰＰＧ信号を抽出し、皮膚領域ごとに、異なる波長チャネルの上記ＰＰＧ信号を結合し、皮膚領域ごとの領域結合ＰＰＧ信号を得て、上記評価ユニットが、上記領域結合ＰＰＧ信号を使用して、上記個別の皮膚領域の領域結合されたＰＰＧ信号のスペクトルにおける上記基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、上記皮膚領域の重みを決定する。これにより、上記皮膚領域に関して得られた放射線信号から抽出された異なる波長チャネルのＰＰＧ信号の加重平均として、特定の皮膚領域に関する領域結合されたＰＰＧ信号が得られることができる。これは、得られたバイタルサインの堅牢性を更に増加させる。

上記抽出ユニットが更に、正規化された血液量パルスベクトル署名ベースの方法、クロミナンスベースの方法、ブラインド音源分離法、主成分分析又は独立成分分析を使用して上記加重平均で使用する第２の重みを計算するよう構成されることができる。決定されるべきバイタルサインに適合された正規化された血液量パルスベクトル署名ベースの方法を使用することにより、更なる堅牢性が達成されることができる。

更にこの場合、上記結合ユニットが、個別の第１の重みに基づき上記異なる皮膚領域の上記ＰＰＧ信号を波長チャネルごとに結合し、波長チャネルごとに波長結合されたＰＰＧ信号を得て、上記バイタルサイン決定ユニットは、上記波長結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得る。

従って、この実施形態では、ＰＰＧ信号のスペクトルが、すべてのサブ領域について分析され、波長ごとのすべての領域にわたる重み付けされた平均ＰＰＧ信号が計算されて、これは、パルス周波数の強い高調波を示すサブ領域に、平均化プロセスにおいてより低い重みを与える。サブ領域は好ましくは、両方の組み合わせが同じ重み付き皮膚領域を確実に反映するよう、２つの波長に関する平均で同じ重みを得る。

別の実施形態では、上記入力インタフェースが、皮膚領域ごとに、異なる波長チャネルで少なくとも２つの放射線信号を取得し、上記抽出ユニットは、放射線信号ごとにＰＰＧ信号を抽出し、上記結合ユニットが、個別の第１の重みに基づき上記異なる皮膚領域の上記ＰＰＧ信号を波長チャネルごとに結合し、波長チャネルごとに波長結合されたＰＰＧ信号を得て、上記バイタルサイン決定ユニットは、上記波長結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得る。これは、得られたバイタルサインの堅牢性を高める別のオプションを提供する。

上述したように、本発明は、接触型ＰＰＧセンサ、又は好ましくは、画像データを取得するカメラなどの遠隔ＰＰＧセンサで一般に使用されることができる。従って、一実施形態において、上記入力インタフェースが、画像フレームの時系列を含む画像データを取得し、上記画像データは、上記対象の異なる皮膚領域からの少なくとも２つの画像データ部分を含み、上記画像データ部分が、上記放射線信号を表す。

本発明によるシステムの第１の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 本発明によるデバイスの第１の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 ＢＣＧ運動を受ける皮膚領域から取得されたＰＰＧ信号のダイアグラムを示す図である。 ＢＣＧ運動を受ける皮膚領域から取得されたＰＰＧ信号のスペクトルのダイアグラムを示す図である。 ＢＣＧ運動を受けない皮膚領域から取得されたＰＰＧ信号のダイアグラムを示す図である。 ＢＣＧ運動を受けない皮膚領域から取得されたＰＰＧ信号のスペクトルのダイアグラムを示す図である。 本発明によるデバイスの第２の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 本発明によるデバイスの第３の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。

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。

図１は、対象を透過又はこれから反射した検出電磁放射線から対象１４の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出するデバイス１２を含む、本発明によるシステム１０の概略図を示す。この例では患者である対象１４は、例えば病院又は他のヘルスケア施設のベッド１６において横になるが、例えば保育器において横になる新生児若しくは早産児、又は自宅若しくは異なる環境における人でもよい。

代替的に（好ましくは）、又は一緒に使用され得る、対象を透過又はこれから反射した電磁放射線を検出する検出器（信号取得ユニットとも呼ばれる）に関する異なる実施形態が存在する。システム１０の実施形態では、検出器の２つの異なる実施形態が示され、以下に説明される。検出器の両方の実施形態は、検出された電磁放射線から少なくとも２つの検出信号（放射線信号とも呼ばれる）を得るよう構成され、各検出信号は、異なる波長チャネルにおける波長依存反射又は透過情報を含む。これにより、使用される光学フィルタは、異なることが好ましいが、重複していてもよい。それらの波長依存透過性が異なっていれば十分である。

一実施形態では、検出器は、対象１４の画像フレームを（リモートでかつ目立たないように）キャプチャする、特に時間にわたり対象１４の画像フレームのシーケンスを取得する適切なフォトセンサを含むカメラ１８（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。画像フレームからは、フォトプレチスモグラフ（ＰＰＧ）信号が得られることができる。カメラ１８によりキャプチャされる画像フレームは特に、例えば（デジタルの）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１８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。これは、特定のスペクトル範囲（可視、ＩＲ）において作動することもでき、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１８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、関連付けられるピクセル値を持っている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しているピクセルを含む。これらの感光性要素は、特定のスペクトル範囲（即ち特定の色を表している）においてセンシティブでもよい。画像フレームは、それぞれが、例えば額、頬、喉、手など対象の異なる皮膚領域を表すいくつかの画像ピクセルの少なくとも２つのグループを含む。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。

別の実施形態では、検出器は、異なる皮膚領域から、図１に示される実施形態では額と右手からフォトプレチスモグラフ信号を取得するため、対象１４の異なる皮膚領域に取り付けられるよう構成された２つ以上の光学的フォトプレチスモグラフセンサ１９ａ、１９ｂ（接触ＰＰＧセンサとも呼ばれる）を有する。ＰＰＧセンサ１９ａは例えば、（血液の酸素飽和度を測定するために従来から使用されるように）指のクリップの形で設計されることができ、ＰＰＧセンサ１９ｂは例えば、（例えば、心拍数の測定に使用されるような）ステッカーの形態で設計されてもよい。これらは、可能なすべての実施形態のうちのいくつかを挙げるに過ぎない。ＰＰＧセンサ１９ａ、１９ｂは、他の形態で設計され、身体の他の皮膚領域に配置されてもよい。

カメラ１８を使用するとき、システム１０は更に、患者の顔の皮膚（例えば、頬又は額の一部）のような関心領域２４を、例えば（例えば、赤色、緑色及び／又は赤外線の波長範囲といった）所定の（１つ又は複数の）波長範囲における光で照明するための、ランプのような光源２２（照明源とも称される）をオプションで有する。上記照明に基づき上記関心領域２４から反射される光は、カメラ１８により検出される。別の実施形態では、専用の光源は提供されず、対象１４の照明に関して、環境光が使用される。反射光から、所望の波長範囲における光（例えば、緑色及び赤色若しくは赤外光、又は少なくとも２つの波長チャネルをカバーする十分に大きな波長範囲における光）のみが検出及び／又は評価されることができる。

デバイス１２は更に、決定された情報を表示する、並びに／又はデバイス１２、カメラ１８、ＰＰＧセンサ１９ａ、１９ｂ、光源２２の設定を変更する、及び／若しくはシステム１０の任意の他のパラメータを変更するためのインタフェースを医療従事者に提供するインタフェース２０に接続される。斯かるインタフェース２０は、異なるディスプレイ、ボタン、タッチスクリーン、キーボード又は他の人間機械インタフェース手段を有することができる。

図１に示されるようにシステム１０は例えば、病院、ヘルスケア施設、高齢者ケア施設等において配置されることができる。患者のモニタリングとは別に、本発明は、新生児モニタリング、一般監視アプリケーション、セキュリティモニタリング、又はフィットネス機器、ウェアラブル、スマートフォンのようなハンドヘルドデバイスといったいわゆるライブスタイル環境などの他の分野にも適用されることができる。デバイス１２、カメラ１８、ＰＰＧセンサ１９ａ、１９ｂ、及びインタフェース２０の間の単方向又は双方向の通信は、無線又は有線通信インタフェース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、スタンドアロンではなく、カメラ１８又はインタフェース２０に一体化されたデバイス１２を含むことができる。

図２は、図１に示されるシステム１０におけるデバイス１２として使用されることができる、本発明によるデバイス１２ａの第１の実施形態の概略図を示す。デバイス１２ａは、少なくとも２つの放射線信号４０、４１を得る入力インタフェース３０を有する。各放射線信号は、照射に基づき、個別の皮膚領域から反射又はこれを透過した放射線を検出することにより、対象１４の異なる皮膚領域（例えば、額及び手）から取得される。抽出ユニット３１は、得られた放射線信号からＰＰＧ信号４２、４３を抽出し、皮膚領域ごとに少なくとも１つのＰＰＧ信号を得る。評価ユニット３２は、個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、上記皮膚領域に関する第１の重み４４、４５を決定する。組合せユニット３３は、個別の第１の重み４４、４５に基づき、異なる皮膚領域の２つ以上のＰＰＧ信号４２、４３を結合し、結合されたＰＰＧ信号４６を得る。最後に、バイタルサイン決定ユニット３４は、特に一般に既知のＰＰＧ技術を用いて従来の方法で、結合されたＰＰＧ信号４６からバイタルサイン４７を得る。

少なくとも２つの放射線信号４０、４１は、異なる接触センサ、例えば図１に示される接触センサ１９ａ、１９ｂにより検出される信号であるか、又はカメラ１８により検出された画像フレームの時系列を含む共通画像データストリームの異なる画像領域を表す画像信号とすることができる。上記異なる画像領域は、対象１４の異なる皮膚領域に対応する。これにより、異なる皮膚領域は、身体の異なる部分（例えば、額及び手、頬及び手など）に位置する皮膚領域であってもよく、又は頬又は額における２つ（又はそれ以上）のスポットといった共通の皮膚領域のサブ領域とすることができる。

本発明は、ＢＣＧ運動に著しく苦しむ皮膚領域を認識し、測定への寄与を低減し、低いＢＣＧ運動を示す皮膚領域からの寄与を増加させることを可能にする。これにより、ＢＣＧ運動のスペクトルは、ＰＰＧ信号に反映された血液量変化よりもはるかに強い高調波を持つことが利用される。これは、図３Ａと図３Ｂとの比較から分かる。図３Ａは、対象の顔面からの反射光におけるＢＣＧ信号を示し、図３Ｂは、そのスペクトルを示す。図４Ａは、ＢＣＧ運動の少ない対象の顔の領域から測定されるｒＰＰＧ信号を示し、図４Ｂは、そのスペクトルを示す。（周波数に対する信号振幅をｂｐｍで示す）図３Ｂに見られるように、脈拍数の第２高調波（この例では６０ｂｐｍ）が最大振幅を持つが、基本周波数は、ｒＰＰＧ信号と干渉するのに十分強い。図４Ｂに見られるように、基本周波数（即ち、脈拍数）は最も強く、高調波は著しく弱い。

デバイス１２ｂの別の実施形態が図５に示され、これは、バイタルサインとしてＳｐ０２値の以下の例示的な処理及び計算に使用されることができる。Ｓｐ０２は、（例えば、カメラ１８の赤外線（ＩＲ）波長チャネルに結合される）入力サブインターフェース３０ａ及び（例えば、カメラ１８の赤（Ｒ）（又は別の赤外線）波長チャネルに結合される）入力サブインターフェース３０ｂで受信された異なる波長チャネルから、例えば６６０ｎｍ及び８５０ｎｍといった２つ（又はそれ以上）の波長間隔における相対脈動の比として計算される。従って、２つの異なる皮膚領域がこの実施形態で考慮される場合、４つの放射線信号４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂが実際に使用される（２つの皮膚領域に関する皮膚領域ごとに２つの波長チャネル）。Ｓｐ０２の計算のため、指オキシメーターにおいて一般的に知られ使用されているように、いわゆる比率比法が適用される。

カメラにより見られる皮膚領域（ＲＯＩ）は、少なくとも２つの（好ましくはより多くの）サブ領域に分割され、波長の各サブ領域に関するＰＰＧ信号が計算される。従って、放射線信号ごとに１つの抽出サブユニット３１ａ−３１ｄを含む抽出ユニット３１が、放射線信号ごとにＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂを抽出するよう構成される。更に、皮膚領域ごとに異なる波長チャネルの上記ＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂを組み合わせて、皮膚領域ごとの領域結合ＰＰＧ信号４２ｃ、４３ｃを得る結合サブユニット３１ｅ、３１ｆが提供される。

２つの評価サブユニット３２ａ、３２ｂを含むことができる評価ユニット３２は、個別の皮膚領域の上記領域結合ＰＰＧ信号４２ｃ、４２ｄのスペクトルにおける基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、上記皮膚領域に関する重み４４、４５を決定するため、上記領域結合ＰＰＧ信号４２ｃ、４２ｄを使用するよう構成される。

上記重み４４、４５に基づき、ＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｃが結合ユニット３３の結合サブユニット３３ａ、３３ｂで結合され、波長チャネル毎の波長結合ＰＰＧ信号４６ａ、４６ｂが得られる。この信号から、バイタルサイン４７としての例えばＳｐ０２が最終的に得られる。

デバイス１２ｂの特定の実現では、特定の皮膚領域に関する領域結合ＰＰＧ信号、例えば領域結合ＰＰＧ信号４２ｃが、上記皮膚領域に関して得られた放射線信号４０ａ、４０ｂから抽出された異なる波長チャネルのＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂの加重平均として個別の結合サブユニット３１ｅ、３１ｆにより得られる。抽出ユニット３１、特に結合サブユニット３１ｅ、３１ｆは更に、正規化された血液量パルスベクトル署名ベースの方法、クロミナンスベースの方法、ブラインド音源分離方法、主成分分析又は独立成分分析を用いて、上記加重平均で使用する第２の重みを計算するよう構成されることができる。抽出ユニット３１は特に、決定されるバイタルサインに適合される正規化された血液量パルスベクトル署名ベースの方法を用いて、上記加重平均で使用する第２の重みを計算するよう構成されることができる。上記正規化された血液量パルスベクトル署名ベースの方法及び上記第２の重みを決定するために使用され得る他の方法に関するいくつかの説明が以下に与えられる。

（正規化された）検出信号Ｃｎからパルス信号Ｓを得るいくつかの既知の方法が存在する。この方法は、ＩＣＡ、ＰＣＡ、Ｐｂｖ、ＣＨＲＯＭ、及びＰｂｖ／ＣＨＲＯＭにより導かれるＩＣＡ／ＰＣＡと呼ばれる。これらは、上記のｄｅ Ｈａａｎ及びｖａｎ Ｌｅｅｓｔの論文に記載される。これらの方法は、異なる波長チャネルの混合物、例えばカラービデオカメラからの赤、緑、青の信号としてパルス信号Ｓを提供するものとして解釈されることができる。しかし、それらは、最適な重み付け方式を決定する方法において異なる。これらの方法では、結果として得られる重みは、歪みが消滅する混合物を目的とする。即ち「重み付けベクトル」は、対象の動き及び／又は照明の変動により通常もたらされる主な歪みに実質的に直交する。

以下では、Ｐｂｖ法に関するいくつかの基本的な考察が簡単に説明される。

心臓の鼓動は、動脈における圧力変動をもたらす。なぜなら、心臓が、血管床の抵抗に対して血液を送り出すからである。動脈は弾性的であるので、その直径は、圧力変動に同期して変化する。これらの直径の変化は、皮膚のより小さな血管においてさえ起こり、血液量の変動が、光の吸収の変化を引き起こす。

単位長正規化血液量パルスベクトル（署名ベクトルとも呼ばれる）がＰｂｖとして定義され、赤、緑、青のカメラ信号において相対的なＰＰＧ強度を提供する。期待値を定量化するため、赤、緑及び青チャンネルの応答Ｈｒｅｄ（ｗ）、Ｈｇｒｅｅｎ（ｗ）及びＨｂｌｕｅ（ｗ）が、グローバルシャッターカラーＣＣＤカメラの波長ｗ、対象の皮膚反射率

、使用される絶対ＰＰＧ振幅曲線ＰＰＧ（ｗ）の関数として測定される。これらの曲線から、例えば上記のｄｅ Ｈａａｎ及びｖａｎ Ｌｅｅｓｔの論文の図２に示されるように、血液量パルスベクトルＰｂｖは、

として計算され、これは、白色のハロゲン照明スペクトルＩ（ｗ）を使用して、正規化されたＰｂｖ=[０．２７、０．８０、０．５４]をもたらす。よりノイズの多い曲線を使用するとき、結果はＰｂｖ=[０．２９、０．８１、０．５０]になる。

使用されたモデルにより予測された血液量パルスは、白色照明条件下で複数の対象の測定値を平均した後に発見される、実験的に測定された正規化血液容量パルスベクトルＰｂｖ=[０．３３、０．７７、０．５３]に合理的にうまく対応する。この結果から、観察されるＰＰＧ振幅は、特に赤色で、及びより小さな程度において青色カメラチャネルで、５００及び６００ｎｍの間の間隔における波長からのクロストークにより大部分が説明されることができると結論付けられる。正確な血液量パルスベクトルは、モデルが示すように、カメラのカラーフィルタ、光のスペクトル及び皮膚反射率に依存する。実際には、波長チャネルのセットを与えられても、ベクトルは著しく安定することが判明する（ベクトルは、ＲＧＢベースのベクトルと比較して赤外線において異なる）。

更に、白色照明下での赤色、緑色及び青色チャネルにおける皮膚の相対反射率は、皮膚タイプに大きく依存しないことが見出される。これは、血液を含まない皮膚の吸収スペクトルが、メラニン吸収により支配されるためと考えられる。より高いメラニン濃度は絶対吸収をかなり増加させることができるが、異なる波長における相対吸収は同じままである。これは、メラニンの増加が皮膚を暗くするが、皮膚の正規化された色をほとんど変化させないことを意味する。結果として、正規化された血液量パルスＰｂｖもまた、白色照明下でかなり安定である。赤外線波長では、メラニンの影響は、更に減少される。なぜなら、その最大吸収は、短波長（ＵＶ光）で生じ、長波長で減少するからである。

Ｐｂｖの安定した特性は、血液量変化により引き起こされる色の変化を、代替的な原因による変化から区別するために使用されることができる。得られたパルス信号Ｓは、既知の方法を用いて、個々のＤＣフリー正規化カラーチャネルの線形結合（いくつかの可能な「混合」方法の１つを表す）として書かれることができ、

となり、ここで、

が成り立つ。３×ＮマトリクスＣｎの３つの行のそれぞれは、ＤＣフリーの正規化された赤色、緑色及び青色チャネル信号Ｒｎ、Ｇｎ及びＢｎのＮ個のサンプルを含み、即ち

となる。

ここで、演算子

は平均に対応する。異なる方法間の主な違いは、重み付けベクトルＷの計算にある。１つの方法では、ノイズ及びＰＰＧ信号は、２つのカラーチャネルの線形結合として構築された２つの独立した信号に分離されることができる。１つの組み合わせは、クリーンなＰＰＧ信号に近似し、他の組み合わせは、動きによるノイズを含む。最適化基準として、パルス信号におけるエネルギーが最小化されることができる。別の方法では、パルス信号を得るのに、３つのカラーチャネルの線形結合が用いられることができる。更に別の方法では、この線形結合を見出すのに、ＩＣＡ又はＰＣＡが用いられることができる。重み付けされたどのカラー信号がパルス信号であるかは先験的に知られていないので、それらの全てがパルス信号の周期性を選択基準として使用する。

Ｐｂｖ法は一般に、ＵＳ２０１３／２７１５９１Ａ１号及び上記のｄｅ Ｈａａｎ及びｖａｎ Ｌｅｅｓｔの論文に基本的に記載されるように、血液量パルスベクトルを使用して混合係数を得る。Ｒｎ、Ｇｎ及びＢｎのバンドパスフィルタリングされたバージョンが使用される場合、最良の結果が得られる。この方法によれば、Ｐｂｖの既知の方向は、パルス信号と歪みとを区別するために使用される。これは、パルスがビデオにおける唯一の周期成分であるという（以前の方法の）仮定を取り除くだけでなく、歪み信号の方向に関する仮定も排除する。このため、前と同様、パルス信号は、正規化された色信号の線形結合として構築されると仮定される。赤、緑及び青チャネルにおけるパルス信号の相対振幅がＰｂｖにより与えられることが知られているので、パルス信号Ｓを与える重みＷ_ＰＢＶが探索される。これに関して、色チャネルＲｎ、Ｇｎ、及びＢｎとの相関は、Ｐｂｖに等しく、

が成り立つ。結果として、混合を決定する重みは、

により決定され、スカラーｋは、Ｗ_ＰＢＶが単位長を持つよう決定される。正規化された血液量パルスＰｂｖにおいて反映されるＰＰＧ信号の特徴的な波長依存性は、皮膚領域にわたって平均化された時系列ＲＧＢピクセルデータからパルス信号を推定するのに使用されることができると結論付けられる。このアルゴリズムは、Ｐｂｖ法と呼ばれる。

従って、上述したように、パルス信号は、少なくとも２つの検出信号Ｃｎの加重和として得られる。すべての検出信号Ｃｎはパルス及び異なるレベルの（共通の）ノイズを含むので、（パルス信号を得るための検出信号の）重み付けは、純粋なノイズフリーパルスをもたらすことができる。このため、ＩＣＡ及びＰＣＡを使用してノイズとパルスとが分離されることができる。

従って、本発明の一実施形態によれば、スペクトルは、最初に少なくとも２つの波長チャネルのＰＰＧ信号をよりモーションロバストなパルス信号に結合した後に、すべてのサブ領域（即ち、すべての皮膚領域）に関して計算及び分析される。このよりロバストなパルス信号は例えば、ＰＣＡ、ＩＣＡ、２波長比、血液量パルス署名ベース、クロミナンスベースといった複数の波長を用いる任意のロバストなパルス抽出方法から得られる。各サブ領域からのロバストなパルス信号のスペクトルから、その領域の重みが上述したのと同様に計算される。即ち、高調波成分を含む領域は、結合プロセスにおいて少ない重みを得る。例えば、パルス周波数の強い高調波を示すサブ領域に平均化プロセスにおいてより低い重みを与えることにより、波長当たりのすべての領域にわたる加重平均ＰＰＧ信号が計算されることができる。サブ領域は好ましくは、両方の組み合わせが同じ重み付き皮膚領域を確実に反映するよう、２つの波長に関する平均で同じ重みを得る。言い換えると、この場合、重み４４、４５は、異なる波長からの信号の重み付けされた組み合わせとして得られるロバストなＰＰＧ信号のスペクトルを使用して決定される（例えば、上述のようにＰＣＡ、ＩＣＡ、ＰＢＶ−方法、又はＣＨＲＯＭを使用する）。相対的に最低の高調波パルスエネルギーを備えるサブ領域は、結合された領域において最も高い（第１の）重みを受ける。

別の実施形態では、スペクトルは、血液量パルス署名法を使用して波長チャネルからのＰＰＧ信号を結合して得られるパルス信号から計算される。ここで、署名は、測定されたバイタルサイン（例えばＳｐ０２）に適合される。

図６は、本発明によるデバイス１２ｃの第３の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、結合ユニット３３は再び、個別の第１の重み４４、４５に基づき異なる皮膚領域の上記ＰＰＧ信号を波長チャネルごとに結合し、波長チャネルごとに波長結合ＰＰＧ信号４６ａ、４６ｂを得るよう構成される。次に、バイタルサイン決定ユニット３４は、波長結合されたＰＰＧ信号４６ａ、４６ｂからバイタルサイン４７を得る。更に、第１の重み４４、４５を決定するため、この実施形態では追加的情報４８が使用される。上記追加的情報４８は例えば、異なる皮膚領域におけるＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂの運動歪みに関する情報（例えば、運動歪みの相対的強度）とすることができる。即ち、より少ない運動歪みを備える皮膚領域は一般に、より多くの運動歪みを備える皮膚領域よりも高い第１の重みを得るべきである。斯かる追加的情報４８は、運動検出器といった外部ソースから、又は、放射線信号を表す若しくは放射線信号が由来する、経時的に取得された元の放射線信号又は画像の動き解析から、得られることができる。

ＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂの処理及び評価は、図５に関して上述したように実行されてもよい。しかしながら、他のオプションが存在し、使用されることができる。例えば、予備的な第１の重みが、ＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂのそれぞれに関して決定され、（例えば、ＰＰＧ信号４２ａ、４２ｂ及びＰＰＧ信号４３ａ、４３ｂに関して）同じＲＯＩからのＰＰＧ信号に関する予備の第１の重みを平均して、個別のＲＯＩの第１の重み４４、４５が得られることができる。

本発明の１つの用途は、患者監視のためのパルスレート、呼吸及びＳｐ０２のカメラベースの測定である。カメラを用いた非接触モニタリングは、ＮＩＣＵにおける非常に敏感な皮膚を備える未熟児、及び損傷を受けた（例えば火傷）皮膚の患者にとって非常に重要であると考えられるが、一般的な病棟においても接触センサを使用するより便利である。しかしながら、本発明は、他のシナリオ及び接触センサ（カメラに対する代替物又は追加物として）においても使用されることができる。

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。

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。

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。

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。

Claims (15)

1. パルス及び／又は血液ガス成分に関連付けられる対象のバイタルサインを決定するデバイスであって、
   少なくとも２つの放射線信号を得る入力インタフェースであって、各放射線信号が、照射に基づき個別の皮膚領域から反射されるか、又は皮膚領域を透過する放射線を検出することにより、前記対象の異なる皮膚領域から取得される、入力インタフェースと、
   前記取得された放射線信号からフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出し、皮膚領域ごとに少なくとも１つのＰＰＧ信号を得る抽出ユニットと、
   前記個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、前記皮膚領域に関する第１の重みを決定する評価ユニットと、
   個別の第１の重みに基づき異なる皮膚領域の２つ以上のＰＰＧ信号を結合し、結合されたＰＰＧ信号を得る結合ユニットと、
   前記結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得るバイタルサイン決定ユニットとを有する、デバイス。
2. 前記結合ユニットが、前記個別の皮膚領域に関して決定される前記第１の重みを用いて各ＰＰＧ信号を重み付けし、前記重み付けされたＰＰＧ信号を合計する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記評価ユニットは、前記個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける前記基本周波数並びに第１及び／又は第２高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、前記皮膚領域に関する前記第１の重みを決定する、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記評価ユニットが、前記第２の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおけるより弱い高調波を持つ第２の皮膚領域に関してより、前記第１の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおいてより強い高調波を持つ第１の皮膚領域に関して一層低い第１の重みを決定する、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記入力インタフェースが、皮膚領域ごとに、異なる波長チャネルで少なくとも２つの放射線信号を取得し、
   前記抽出ユニットは、放射線信号ごとにＰＰＧ信号を抽出し、皮膚領域ごとに、異なる波長チャネルの前記ＰＰＧ信号を結合し、皮膚領域ごとの領域結合ＰＰＧ信号を得て、
   前記評価ユニットが、前記領域結合ＰＰＧ信号を使用して、前記個別の皮膚領域の領域結合されたＰＰＧ信号のスペクトルにおける前記基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、前記皮膚領域に関する重みを決定する、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記抽出ユニットが、前記皮膚領域に関して得られる前記放射線信号から抽出される前記異なる波長チャネルのＰＰＧ信号の加重平均として、特定の皮膚領域に関する領域結合されたＰＰＧ信号を取得する、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記抽出ユニットが、正規化された血液量パルスベクトル署名ベースの方法、クロミナンスベースの方法、ブラインド音源分離法、主成分分析又は独立成分分析を使用して前記加重平均で使用する第２の重みを計算する、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記結合ユニットが、個別の第１の重みに基づき前記異なる皮膚領域の前記ＰＰＧ信号を波長チャネルごとに結合し、波長チャネルごとに波長結合されたＰＰＧ信号を得て、
   前記バイタルサイン決定ユニットは、前記波長結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得る、請求項５に記載のデバイス。
9. 前記入力インタフェースが、皮膚領域ごとに、異なる波長チャネルで少なくとも２つの放射線信号を取得し、
   前記抽出ユニットは、放射線信号ごとにＰＰＧ信号を抽出し、
   前記結合ユニットが、個別の第１の重みに基づき前記異なる皮膚領域の前記ＰＰＧ信号を波長チャネルごとに結合し、波長チャネルごとに波長結合されたＰＰＧ信号を得て、
   前記バイタルサイン決定ユニットは、前記波長結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得る、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記入力インタフェースが、画像フレームの時系列を含む画像データを取得し、前記画像データは、前記対象の異なる皮膚領域からの少なくとも２つの画像データ部分を含み、前記画像データ部分が、前記放射線信号を表す、請求項１に記載のデバイス。
11. 対象のバイタルサインを決定するシステムであって、
    少なくとも２つの放射線信号を得る検出器であって、各放射線信号が、照射に基づき個別の皮膚領域から反射されるか、又は皮膚領域を透過する放射線を検出することにより、前記対象の異なる皮膚領域から取得される、検出器と、
    前記取得された放射線信号に基づき、請求項１に記載の対象のバイタルサインを決定するデバイスとを有する、システム。
12. 前記検出器が、画像フレームの時系列を含む画像データを取得する撮像ユニットを有し、前記画像データは、前記対象の異なる皮膚領域からの少なくとも２つの画像データ部分を含み、前記画像データ部分が、前記放射線信号を表す、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記検出器が、個別の皮膚領域を照射し、前記照射に基づき、前記個別の皮膚領域から反射される、又は前記皮膚領域を透過する放射線を検出する少なくとも２つの接触センサを有する、請求項１１に記載のシステム。
14. コンピュータ又はプロセッサにより実行される、パルス及び／又は血液ガス成分に関連付けられる対象のバイタルサインを決定する方法において、
    少なくとも２つの放射線信号を得るステップであって、各放射線信号が、照射に基づき個別の皮膚領域から反射されるか、又は皮膚領域を透過する放射線を検出することにより、前記対象の異なる皮膚領域から取得される、ステップと、
    前記取得された放射線信号からフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出し、皮膚領域ごとに少なくとも１つのＰＰＧ信号を得るステップと、
    前記個別の皮膚領域のＰＰＧ信号のスペクトルにおける基本周波数及び／又は１つ若しくは複数の高調波の相対強度及び／又は絶対強度に基づき、前記皮膚領域に関する第１の重みを決定するステップと、
    個別の第１の重みに基づき異なる皮膚領域の２つ以上のＰＰＧ信号を結合し、結合されたＰＰＧ信号を得るステップと、
    前記結合されたＰＰＧ信号からバイタルサインを得るステップとを有する、方法。
15. コンピュータで実行されるときに請求項１４に記載の方法のステップを前記コンピュータに実行させるための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。

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