JP6114469B2 - 生理学的情報を抽出する装置、システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、人間又は動物等の対象を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置、システム及び方法に関する。

例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は動脈血酸素飽和度等、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、重大な医療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治療設定において、自宅にて、又は、将来の健康、レジャー活動及びフィットネスの設定において広範にモニターされる。

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体積変化の測定を意味し、特に、心拍毎に対象の体を通って移動する心臓血管脈波による体積変化の検出を意味する。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心のある領域若しくは体積の光の反射率又は透過率の時間変数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も光を吸収するため、心拍毎の血液量における差異が、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に加えて、ＰＰＧ波形は、呼吸等のさらなる生理学的現象に起因し得る情報を含み得る。異なる波長（典型的には赤及び赤外の波長）にて透過率及び／又は反射性を評価することによって、血中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）血中酸素飽和度（ＳｐＯ２とも呼ばれる）を測定する従来のパルスオキシメーター（本明細書において接触ＰＰＧ装置とも呼ばれる）は、例えば指先、耳たぶ又は前額等、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、患者の組織を透過した光を検出するフォトダイオードを１つ含む。市販のパルスオキシメーターは、赤色と赤外波長での測定間で迅速に切り替わり、その結果、２つの異なる波長での組織の同じ領域又は体積の透過率を測定する。これは、時分割多重化と呼ばれる。それぞれの波長での時間の経過に伴う透過率は、赤色及び赤外波長に対するＰＰＧ波形を与える。接触ＰＰＧは、基本的には非侵襲性技術とみなされるけれども、パルスオキシメーターは対象に直接取り付けられ、さらに、いかなるケーブルも動く自由を制限してワークフローを邪魔し得るため、接触ＰＰＧ測定は、不快であり且つ目立ち過ぎるとして経験されることが多くある。

パルス信号及び酸素飽和度レベル（ＳＰＯ２）の高速且つ信頼できる検出及び分析は、多くのヘルスケアの適用において最も重要な活動のうちの１つであり、患者が危篤状態にある場合に重大になる。それらの状況において、心拍信号の拍動性は非常に弱く、従って、測定は、いかなる種類のアーチファクトに対しても不安定である。

現代のフォトプレチスモグラフィセンサは、危機状態において高速且つ信頼できる測定をいつも提供するというわけではない。例えば、（透過ＰＰＧに基づく）接触フィンガーパルスオキシメーターは、手の動きに対して不安定であり、さらに、体の末梢部分におけるより少ない血液量のため、患者の中央集中化（ｃｅｎｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ）の場合に停止する。（反射ＰＰＧ測定モードを使用した）接触前額部パルスオキシメーターセンサは、中央集中化作用に対してより頑強なはずである。しかし、前額部センサの精度、頑強性及び反応性は、前額部上でのセンサの正確な位置決め、及び、皮膚に適用される適切な圧力に大きく依存する（センサのきつ過ぎる適用は、局所的な血液拍動性を減らす場合があり、ゆる過ぎる適用は、運動アーチファクト及び／又は静脈拍動性による信頼できない測定をもたらす場合がある）。

最近では、人目につかない測定に対する非接触遠隔ＰＰＧ（ｒＰＰＧ）装置（本明細書においてカメラｒＰＰＧ装置とも呼ばれる）が紹介されてきた。遠隔ＰＰＧは、関心のある対象から離れて配置される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、人目につかず、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と考慮される。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、環境光、並びに、赤、緑及び青のカラーチャンネルを使用した従来の消費者レベルのビデオカメラを使用してフォトプレチスモグラフィ信号を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処理に対する遠隔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つの異なる波長での対象の３つの動画を順次取得する。脈拍数を、単一の波長での動画から決定することができる一方で、異なる波長での少なくとも２つの動画が、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において行われる。

ＰＰＧ技術を使用して、拍出血液量により、すなわち、容積脈波によって誘発されるヒトの皮膚の周期的な色の変化により引き起こされる皮膚における微小な光吸収変化によって明らかにされるバイタルサインを測定することができる。この信号は非常に小さく、さらに、照明の変化及び動きによるはるかに大きい変動において隠されるため、基本的に低い信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善することに一般的関心がある。激しい動き、挑戦的な環境照明の条件、又は、要求される高い精度の適用を有する過酷な状況が依然として存在し、バイタルサイン測定装置及び方法の改善された頑強性及び精度が、特に、より決定的なヘルスケアの適用に対して要求される。

典型的には、バイタルサインは、動的に変わる少なくとも２つのカラー（赤外線を含む場合もある）チャンネルの混合物から生じる。この混合物は、ブラインド信号源分離技術等の種々の技術及び選択アルゴリズムを使用して、又は、エネルギー最小化を用いて、全てにおいてだが、血液吸収スペクトルによって決定される既定のカラー方向において信号エネルギーを最小限にして、見つけることができる。そのような方法は、例えば、非特許文献３において記載されている。

ＵＳ ２０１３／２７１５９１ Ａ１

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） Ｇ．ｄｅ Ｈａａｎ ａｎｄ Ｖ．Ｊｅａｎｎｅ，"Ｒｏｂｕｓｔ ｐｕｌｓｅ−ｒａｔｅ ｆｒｏｍ ｃｈｒｏｍｉｎａｎｃｅ−ｂａｓｅｄ ｒＰＰＧ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１３，ｐｐ．２８７８−２８８６ Ｍ．Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈ，"Ｅｉｎ ｂｉｌｄｇｅｓｔｕｔｚｔｅｓ，ｆｕｎｋｔｉｏｎｅｌｌｅｓ Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｚｕｒ ｏｐｔｏｅｌｅｋｔｒｏｎｉｓｃｈｅｎ Ｅｒｆａｓｓｕｎｇ ｄｅｒ Ｈａｕｔｐｅｒｆｕｓｉｏｎ"，ＰｈＤ−ｔｈｅｓｉｓ，ＲＷＴＨ Ａａｃｈｅｎ，２８−Ｊａｎ．２００８，Ｆａｋｕｌｔａｔ ｆｕｒ Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｋ ｕｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｅｃｈｎｉｋ Ｃｏｒｒａｌ ｅｔ ａｌ．"Ｏｐｔｉｍａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ"，２２ｎｄ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃｓ：Ｌｉｇｈｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｏｒｌｄ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．８０１１，８０１１９１ Ｐｏｈ ｅｔ ａｌ．"Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ，ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｃａｒｄｉａｃ ｐｕｌｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｖｉｄｅｏ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｂｌｉｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １８（１０），ｐｐ．１０７６２−１０７７４（２０１０） Ｌｅｗａｎｄｏｗｓｋａ ｅｔ ａｌ．"Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ａ Ｗｅｂｃａｍ−ａ Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ Ｃａｒｄｉａｃ Ａｃｔｉｖｉｔｙ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＦｅｄＣＳＩＳ，２０１１，ｐｐ．４０５−４１０

検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置、システム及び方法であって、増加したＳＮＲ、得られた１つ又は複数のバイタルサインの精度及び信頼性を提供する装置、システム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、対象を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置が示されており、当該装置は：
― 対象の皮膚領域を透過したか又はそこから反射された検出される電磁放射から得られる検出データのデータストリームを受ける入力インタフェースであって、検出データは、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルにおける波長依存的な反射又は透過の情報を含む、入力インタフェース、
― 少なくとも２つの信号チャンネルを動的に混合して少なくとも１つの混合された信号にする信号ミキサ、
― 少なくとも１つの混合された信号から、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得るプロセッサ、並びに、
― 信号ミキサを制御して、少なくとも１つの混合された信号に混合される少なくとも２つの信号チャンネルの相対寄与、及び／又は、該相対寄与が動的に変化するのを可能にされる変化率を制限する制御装置、
を含む。

本発明のさらなる態様において、対象を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出するシステムが示されており、当該システムは：
― 対象の皮膚領域を透過したか又はそこから反射された電磁放射を検出し、さらに、検出される電磁放射から検出データを得る検出器であって、検出データは、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルにおける波長依存的な反射又は透過の情報を含む、検出器、及び、
― 本明細書において開示される、上記検出データから生理学的情報を抽出する装置、
を含む。

本発明の別のさらなる態様において、対応する方法、プログラムコード手段を含むコンピュータプログラムであって、プログラムコード手段は、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る場合に本明細書において開示される方法のステップをコンピュータに実行させる、コンピュータプログラム、並びに、その中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であって、プロセッサによってコンピュータプログラムプロダクトが実行される場合に、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、従属請求項において定められている。請求される方法、システム、コンピュータプログラム及び媒体は、請求される装置と類似及び／又は同じ、並びに、従属請求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るべきである。

検出される電磁放射からバイタルサインを得るための既知の方法は、通常対象の動きによって引き起こされる最小レベルの歪みの場合に安定した混合物を主に（又はそれのみでさえも）もたらすということが、本発明者等によって観察されてきた。非常に静止した対象において、不安定な混合物により、直観に反した方法でバイタルサインのＳＮＲは下がる。本発明は、特にこれらのほぼ静止した症例において、バイタルサインのＳＮＲを改善することを目的とする。

本発明は、一実施形態において提案されているように、特に、低いエネルギーがカラーチャンネル又は得られた信号において観察される場合に、混合物及び／又はその変化率を制限するアイデアに基づいている。変化率を制限することは、全てのあり得る混合物を依然として可能にするという利点を有する。本発明は、例えば、主成分分析（ＰＣＡ）又は独立成分分析（ＩＣＡ）等のブラインド信号源分離（ＢＳＳ）を使用した方法、クロミナンス信号に基づく方法（非特許文献３において開示されているＣＨＲＯ−方法（ＣＨＲＯＭ））、全ての次元だが既定された１つの次元におけるエネルギー最小化に基づく方法（ＰＢＶ−方法とも呼ばれる）、及び、ＰＢＶ又はＣＨＲＯからのガイダンスを使用したＢＳＳ−方法等、混合された１つ又は複数の信号を得るための種々の既知の方法に対して、又は、全ての既知の方法に対してさえも等しく適用可能である。これらの方法は、以下においてより詳細に説明される。

これらの方法は、例えば、カラービデオカメラからの赤、緑及び青の信号を表す３つの信号チャンネルの混合物として等、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルの混合物としての混合された信号を提供するとして解釈することができるが、少なくとも２つの信号チャンネルを混合するのに使用される最適な重み付けスキームを決定する方法において異なる。一般的に、結果として生じる重みは、歪みが消える混合物を目的としており、すなわち、「重み付けベクトル」は、通常対象の動きによって引き起こされる主な歪みに対して実質的に直交している。本発明によると、この一般的に使用される重み付けスキームは使用されないが、より洗練された信号ミキサの制御が適用され、それによると、制限が、特に、特定条件の下、混合及び／又は変化率に適用されてＳＮＲを改善する。

好ましい実施形態において、制御装置は、少なくとも２つの信号チャンネルのエネルギー又は得られる尺度がエネルギー閾値を下回る場合にのみ相対寄与及び／又は変化率を制限するように構成される。先に説明されたように、この場合には、従来の混合はＳＮＲを下げる。エネルギー閾値を超えると、混合は、好ましくは従来のように、すなわち、エネルギー閾値を超えても最良のＳＮＲを得ることができるようにいかなる制限もなしで行われる。エネルギー閾値は、（例えば校正測定において）予め決定されてもよく、例えばユーザによって適応可能であるか、又は、自己学習する。

別の実施形態において、上記入力インタフェースは、対象又は対象の一部の動きを示す動き信号を受けるように構成され、上記制御装置は、その動きが動き閾値を下回る場合にのみ相対寄与及び／又は変化率を制限するように構成される。動き信号は、例えば対象の体に取り付けられた１つ又は複数の身体センサ（例えば加速度計等）の使用によって、対象と接触している装置内又は装置にて配置される動きセンサ（例えばマットレス内の圧力センサ等）の使用によって、或いは、対象の画像から得られた情報の使用によって等、種々の方法で取得されてもよい。動き閾値を超えると、混合は、好ましくは従来のように行われる。エネルギー閾値のように、動き閾値は、（例えば校正測定において）予め決定されてもよく、例えばユーザによって適応可能であるか、又は、自己学習する。

有利に、制御装置は、所定の値又は範囲に相対寄与及び／又は変化率を制限するように構成される。所定の値又は範囲も、例えば、校正測定において得られてもよい。相対寄与及び／又は変化率に対する所定の値又は範囲の設定は、増加したＳＮＲを得るために最適に制御することを可能にする。

好ましくは、上記制御装置は、相対寄与を更新することによって、特に、再帰的に更新することによって変化率を制限するように構成される。これは、重み付け係数を更新することによって具体化されてもよく、それによって、相対寄与は、混合に対して増加される。

別の実施形態において、少なくとも２つの信号チャンネルは、３００ｎｍから１０００ｎｍの、特に、赤、緑及び青色の光に対応する波長部分を表す波長間隔から選択される。これは、特に、ＰＰＧ信号が、（例えば従来の）ビデオカメラによって取得された画像信号から得られる場合、及び、上記の遠隔ＰＰＧの原理が１つ又は複数のバイタルサインを得るために使用される場合に使用される。他の実施形態において、赤外光も、別のカラーチャンネルに加えて、又は、別のカラーチャンネルの代わりに使用されてよい。例えば、夜間の適用に対しては、１つ又は複数の赤外波長が加えて又は代わりに使用されてもよい。

一般的に、生物学的組織との電磁放射、特に光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（光学的）プロセスを含む。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、特に光の相互作用、及び、いかなるその組み合わせも含む。

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、容積脈波信号、（脈拍数と呼ばれることもある）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、トラウベ‐ヘリング‐マイヤー波、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等、血液及び／又は組織内の物質の濃度を含む。さらに、「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指標を含む（例えば、形状は、（例えば、腕に血圧カフを適用する場合に、手のＰＰＧ信号から得られる形状はより正弦曲線状になる等）部分的な動脈閉塞に関して、又は、（例えば、顔からのＰＰＧ信号は、手からのＰＰＧ信号とは異なる等）皮膚の厚さに関して、又は、温度等に関してさえも何かを示し得る）。

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、１つ又は複数の測定された上記のバイタルサインを含み、さらに、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、後の分析に対して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。

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」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、データ信号を、単一のピクセル又は皮膚ピクセルの群に対して得ることができる。

依然として別の実施形態において、上記信号ミキサは、ブラインド信号源分離、特に、主成分分析又は独立成分分析を使用して、少なくとも１つの混合された信号をコンピュータ処理するように構成される。種々の方法はそれぞれ、利点及び欠点を有してもよく、さらに、所望の用途に従って選択されてもよい。

さらに、一実施形態において、上記信号ミキサは、１つ又は複数の比の所定のセットにおいて少なくとも２つの信号チャンネルと相関する単一の混合された信号をコンピュータ処理するように構成される。相関性は、例えば、単一の混合された信号及び少なくとも２つの信号チャンネルの内積としてコンピュータ処理されてもよい。これは、（例えばＡ及びＢ等）２つの値を与え、正規化されたベクトル（［Ａ，Ｂ］／ｎｏｒｍ（［Ａ，Ｂ］））として記述されるこれらの値は、例えば（ＰＢＶ−方法の詳細を記載する特許文献１において「参照生理学的情報を示す設定された方向を有する所定のインデックス要素」と呼ばれる）正規化された血液量ベクトル等、１つ又は複数の比の所定のセットと同じであるべきである。

さらに別の実施形態において、上記信号ミキサは、少なくとも２つの直交色差信号の混合物として少なくとも１つの混合された信号をコンピュータ処理するように構成される。例えば、Ｒ−Ｇ（赤マイナス緑）は、色差信号の有用な例であり、さらに、Ｒ＋Ｇ−２＊Ｂ（赤プラス緑マイナス２掛ける青）は、第１の例に直交する別の有用な例である。この混合方法の背景技術は、非特許文献３において与えられている。色差信号は、鏡面反射を本質的に抑制し、少なくとも２つの色差信号の混合は、バイタルサイン出力信号における運動により誘発される歪みをさらに抑制する。後に説明される実施形態は、ＢＳＳ、容積脈波を使用した方法及びクロミナンスベースの方法に対する本発明の適用を提供する。

対象の皮膚領域を透過したか又はそこから反射された電磁放射を検出し、さらに、検出された電磁放射から検出データを得る検出器は、種々の方法で実行されてもよい。一実施形態において、検出器は、フォトプレチスモグラフィ信号を取得するために対象の皮膚部分に乗せられるように構成されるプレチスモグラフィセンサを含む。そのようなセンサは、例えば、指若しくは耳たぶに乗せられるオプティカルプレチスモグラフィセンサ、又は、リストバンド若しくはリストウォッチ内に配置されるセンサであってもよい。

別の実施形態において、検出器は、時間の経過に伴う対象の一連の画像フレームを取得する画像処理ユニットを含んでもよく、遠隔ＰＰＧの原理を使用して、上記画像フレームからフォトプレチスモグラフィ信号を得ることができる。データストリームは、従って、一連の画像フレーム、又は、より正確には、スペクトル情報を含む一連の画像フレームを含み得る。例えば、色情報を含むＲＧＢ画像を利用することができる。しかし、赤外（ＩＲ）及び赤（Ｒ）の情報を表すフレームも、その一連のフレームを形成することができる。画像フレームは、観察された対象及びさらなる要素を表し得る。

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

本発明によるシステムの概略図である。 本発明による装置の概略図である。 ２つの異なるアプローチによる相対及び絶対ＰＰＧ振幅を示した図である。 カラーチャンネルにおけるＰ_ｂｖ及び相対ＰＰＧの予測に対する入力カーブを示した図である。 １０５の対象の正規化された肌の色あい及びＰ_ｂｖを示した図である。

図１は、対象１４を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置１２を含む本発明によるシステム１０の概略図を示している。この例においては患者である対象１４は、例えば病院又は他の保健施設におけるベッド１６において横たわっているが、例えば保育器において横たわっている新生児若しくは未熟児、又は、自宅若しくは異なる環境にいる人間であってもよい。この例においては患者である対象１４は、例えば病院又は他の保健施設におけるベッド１６において横たわっているが、例えば保育器において横たわっている新生児若しくは未熟児、又は、自宅若しくは異なる環境にいる人間であってもよい。

検出器に対しては異なる実施形態が存在し、代わりに又は共に使用されてもよい（代わりに使用されるのが好ましい）。システム１０の実施形態においては、検出器の２つの異なる実施形態が示されている。

一実施形態において、検出器は、対象１４の画像フレームを（離れて且つ人目につかないように）捕獲する、特に、時間の経過に伴う対象１４の一連の画像フレームを取得する適したフォトセンサを含むカメラ１８（画像処理ユニット又はカメラベース若しくは遠隔ＰＰＧセンサとも呼ばれる）を含み、上記画像フレームから、フォトプレチスモグラフィ信号を得ることができる。カメラ１８によって捕獲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によって捕獲される動画像列に相当し得る。そのようなカメラ１８は、通常、特定のスペクトル範囲（可視、ＩＲ）において作動し得る、又は、異なるスペクトル範囲に対して情報を提供し得るＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサ等のフォトセンサを含む。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、関連するピクセル値を有す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を用いて捕獲された光強度値を表すピクセルを含む。これらの感光性要素は、特定のスペクトル（すなわち、特定の色を表す）範囲において感応性であってもよい。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。その結果、画像ピクセルは、光検出器の１つの感光性要素及びその（アナログ又はデジタル）出力に相当し得るか、又は、複数の感光性要素の（例えばビニングを介した）組み合わせに基づき決定され得る。

別の実施形態において、検出器は、フォトプレチスモグラフィ信号を取得するために対象１４の皮膚部分に乗せられるように構成される１つ又は複数のオプティカルフォトプレチスモグラフィセンサ１９（１つ又は複数の接触ＰＰＧセンサとも呼ばれる）を含む。１つ又は複数のＰＰＧセンサ１９は、全てのあり得る実施形態のうち２〜３例を挙げると、例えば、血中酸素飽和度を測定するフィンガークリップ、又は、心拍数を測定する心拍数センサの形で設計されてもよい。

カメラ１８を使用する場合に、システム１０は、さらに任意で、（例えば頬又は額の一部等）患者の顔の皮膚等の関心のある領域２４を、例えば、１つ又は複数の所定の波長範囲（例えば、１つ又は複数の赤、緑及び／又は赤外の波長範囲）における光で照射するために、ランプ等の光源２２（照明源とも呼ばれる）を含んでもよい。上記照射に応答した上記関心のある領域２４から反射される光は、カメラ１８によって検出される。別の実施形態においては、専用の光源は提供されないが、環境光が、対象１４の照射に対して使用される。反射された光から、所望の波長範囲における光（例えば緑の光）のみを検出及び／又は評価することができる。

装置１２は、決定された情報を表示する、並びに／又は、装置１２、カメラ１８、１つ又は複数のＰＰＧセンサ１９、光源２２及び／若しくはシステム１０のいかなる他のパラメータの設定を変えるためにインタフェースを医療関係者に提供するインタフェース２０にさらに接続される。そのようなインタフェース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ヒューマンマシンインタフェース手段を含んでもよい。

図１において例示されているシステム１０は、例えば、病院、保健施設、老健施設等に置かれてもよい。患者のモニタリングに加えて、本発明は、新生児モニタリング、一般的な監視用途、セキュリティモニタリング、又は、フィットネス設備等のいわゆる生活様式環境等、他の分野においても適用されてよい。装置１２、カメラ１８、１つ又は複数のＰＰＧセンサ１９及びインタフェース２０の間の一方向性又は二方向性通信は、無線又は有線の通信インタフェースを介して機能し得る。本発明の他の実施形態は、スタンドアロンで提供されないがカメラ１８又はインタフェース２０に統合される装置１２を含み得る。

図２は、本発明による装置１２の一実施形態のより詳細な概略図を示している。装置１２は、対象１４の皮膚領域を透過したか又はそこから反射された検出される電磁放射から得られる検出データのデータストリーム２８を受ける入力インタフェース３０を含む。検出データのデータストリームは、例えば、カメラ１８及び／又は１つ又は複数のＰＰＧセンサ１９によって提供され、さらに、検出データは、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルにおける波長依存的な反射又は透過の情報を含む。

信号ミキサ３２は、少なくとも２つの信号チャンネルを動的に混合して、少なくとも１つの混合された信号にするために提供される。種々の実施形態が上記の混合に対して存在し、以下においてより詳細に説明されることになる。

プロセッサ３４は、少なくとも１つの混合された信号から、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得るために提供される。例えば、関心のある領域の画像から又は接触ＰＰＧセンサの信号から等、検出された光からＰＰＧ信号を得る方法は、例えば上記の文献から等、遠隔又は接触フォトプレチスモグラフィの分野において一般的に既知であり、従って、ここではさらに詳細には説明されないものとする。

最後に、制御装置３６が、信号ミキサを制御して、少なくとも１つの混合された信号に混合された少なくとも２つの信号チャンネルの相対寄与、及び／又は、上記相対寄与が動的に変化するのを可能にされる変化率を制限するために提供される。この方法で、得られた生理学的情報の信頼性及び精度を、従来の処理が得られた生理学的情報の分解をもたらすであろう種々の状況において上げることができ、これは、以下においてより詳細に説明される。

装置１２の種々のユニットは、どのようにして及びどこで本発明が適用されるかに応じて１つ又は多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。異なるユニットが、ソフトウェアにおいて完全に又は部分的に実行されてもよく、さらに、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上で行われてもよい。要求される機能性の一部又は全てが、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）において等、ハードウェアにおいても実行されてよい。

本発明の詳細は、出力バイタルサインがパルス信号Ｓであるケースに対して記載されるものとする。Ｓを見つける方法がいくつか存在し、該方法は、ＩＣＡ、ＰＣＡ、ＰＢＶ、ＣＨＲＯＭ、及び、ＰＢＶ／ＣＨＲＯＭにより導かれるＩＣＡ／ＰＣＡと呼ばれる。これらの方法は、カラービデオカメラからの赤、緑及び青の信号の混合物としてパルス信号を提供するとして解釈することができるが、最適な重み付けスキームを決定する方法において異なる。これらの方法において、結果として生じる重みは、歪みが消える混合物を目的とし、すなわち、「重み付けベクトル」は、通常対象の動きによって引き起こされる主な歪みに対して実質的に直交である。

以下において、これらの方法のいくつかの基本的な考察及び本質が簡単に説明されるものとする。

心臓の拍動は、心臓が血管床の抵抗に対して血液をポンプの作用で輸送するに従い、動脈において圧力変動を引き起こす。動脈は弾性であるため、その直径は、圧力変動と同期して変化する。これらの直径の変化は、皮膚のより小さな管においてさえも発生し、その血液量の変動は、変化する光の吸収を引き起こす。

非特許文献４において、結果として生じる相対ＰＰＧ振幅は、血液と血液のない組織とのコントラストによって決定されるということが説明されている。酸素を含ませた動脈血の吸収スペクトル、並びに、真皮及び表皮の吸収スペクトルが与えられ、さらに、３％メラニンの濃度を仮定すると、非特許文献４におけるシミュレーションは、図３Ａにおいて示されているように、波長の関数として相対振幅４０をもたらす（絶対振幅４１においても示されている）。この曲線においては、５４２及び５７７ｎｍでの酸素を含ませた血液の吸収ピークを明確に認識することができる。

波長の関数として絶対ＰＰＧ振幅５１が、非特許文献５によって、分光計及び白いハロゲン照明を使用して測定された。この曲線５１は、図３Ｂにおいて示されているように、５５０ｎｍあたりで強い振幅ピークを示している。この絶対ＰＰＧであるＰＰＧ（ｗ）（ｗは波長である）は、ハロゲン照明の放出スペクトルであるＩ（ｗ）及び皮膚反射スペクトルであるｐ_ｓ（ｗ）を介して、相対ＰＰＧ曲線であるＲＰＰＧ（ｗ）に関連があり、

として表される。

図３Ｂにおいては、得られた相対ＰＰＧ５０が含まれ、この相対ＰＰＧ５０は、より短い波長に対するより高いノイジネスに加えて、Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈのモデルからの予測に適度によく一致する。より短い波長に対する（ハロゲン）ランプのより弱い放出及び皮膚のより高い吸収が与えられると、増加したノイズレベルが予想されることになる。

Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈのモデルからノイズのない曲線を使用して、通常のビデオカメラのカラーチャンネルにおけるＰＰＧ振幅を予測した。カメラは、眼の３つの原色、すなわち、赤、緑及び青に対する３つのカラーチャンネルを使用して、ある程度粗い感覚で可視光スペクトルを採取する。これらのカラーチャンネルは、典型的には、４５０ｎｍ、５５０ｎｍ及び６５０ｎｍあたりで中心がつけられ、約１００ｎｍの相対的に広い帯域幅を有し、その結果、部分的に重複している。Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈのモデルによって予測されているように、波長の関数としてＰＰＧ信号が与えられると、相対ＰＰＧ振幅を、異なる皮膚の色あい及び光源のスペクトル組成に対して予測することができる。

単位長正規化血液量パルスベクトル（ｕｎｉｔ ｌｅｎｇｔｈ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｂｌｏｏｄ ｖｏｌｕｍｅ ｐｕｌｓｅ ｖｅｃｔｏｒ）は、Ｐ_ｂｖと定義されるものとし、図４Ａにおいて示されているように、赤、緑及び青のカメラ信号における相対ＰＰＧ強度を提供する。予想を定量化するために、それぞれ赤、緑及び青のチャンネルの応答Ｈ_ｒｅｄ（ｗ）（図４Ａにおける曲線６０）、Ｈ_{ｇｒｅｅｎ}（ｗ）（図４Ａにおける曲線６１）及びＨ_ｂｌｕｅ（ｗ）（図４Ａにおける曲線６２）を、波長ｗ、グローバルシャッターカラーＣＣＤカメラ１、対象の皮膚反射率６４であるｐ_ｓ（ｗ）の関数として測定し、さらに、Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈのモデルから得られた絶対ＰＰＧ振幅曲線６３、ＰＰＧ（ｗ）を使用した。図４Ａにおいて示されているこれらの曲線から、血液量パルスベクトルＰ_ｂｖは、

としてコンピュータ処理され、白いハロゲン照明スペクトルＩ（ｗ）６５を使用して、正規化されたＰ_ｂｖ＝［０．２７，０．８０，０．５４］をもたらす。Ｃｏｒｒａｌ等によって測定されたよりノイズを有する曲線を使用した場合、結果は、Ｐ_ｂｖ＝［０．２９，０．８１，０．５０］であった。

使用されるモデルによって予測される血液量パルスは、実験的に測定される正規化された血液量パルスベクトルＰ_ｂｖ＝［０．３３，０．７８，０．５３］に適度によく一致し、上記の血液量パルスベクトルは、白の照明条件下での多くの対象に対する測定値を平均した後でわかる。この結果が与えられると、特に赤いカメラチャンネルにおける、及び、より少ない程度に青いカメラチャンネルにおける観察されるＰＰＧ振幅は、５００から６００ｎｍの間隔における波長からのクロストークによって、主として説明することができるということを結論づけた。図４Ｂは、どのようにして同じ波長間隔が、カメラカラーチャンネル（赤：７０、緑：７１、青：７２）のそれぞれに寄与するかを示している。正確な血液量パルスベクトルは、モデルが示しているように、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次第である。けれども実際にはベクトルは、著しく安定するようになる。以下において、これは、皮膚の色あいの範囲に対して検証されるものとする。

興味深いことに、白い照明下での赤（図５Ａにおける曲線８０）、緑（図５Ａにおける曲線８１）及び青（図５Ａにおける曲線８２）のチャンネルにおける皮膚の相対反射率は、図５Ａにおいて示されているように、皮膚のタイプには大して依存しない。これはおそらく、血液のない皮膚の吸収スペクトルが、メラニン吸収によって支配されているためである。より高いメラニン濃度は絶対吸収をかなり上げることができるけれども、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黒くするが、正規化された皮膚の色をほとんど変えないということを意味する。その結果、正規化された血液量パルスＰ_ｂｖも、白い照明下でかなり安定している。これは、異なる皮膚タイプを有する１０５の対象の同じデータセットに対する赤（図５Ｂにおける曲線９０）、緑（図５Ｂにおける曲線９１）及び青（図５Ｂにおける曲線９２）のチャンネルを示した図５Ｂによって確認されている。

Ｐ_ｂｖの安定特徴を使用して、代わりとなる原因による変動から、血液量の変化によって引き起こされる色の変動を区別することができる。ビデオからパルス信号を見つける先の方法は、（上記の）Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈ、非特許文献６及び非特許文献７によって記載されてきた。全てのこれらの先の方法に対する結果として生じるパルス信号Ｓは、以下の式：

として、個々のＤＣのない正規化されたカラーチャンネルの（いくつかのあり得る「混合」方法のうちの１つを表す）線型結合として記載することができ、ＷＷ^Ｔは＝１であり、３×ＮマトリクスＣ_ｎの３つの列のそれぞれが、ＤＣのない正規化された赤、緑及び青のチャンネル信号Ｒ_ｎ、Ｇ_ｎ及びＢ_ｎのＮのサンプルをそれぞれ含有し、すなわち、以下の式：

として表される。

ここで、演算子μは平均に相当する。方法間の鍵となる差は、重み付けベクトルＷの計算にある。Ｈｕｌｓｂｕｓｃｈはノイズ及びＰＰＧ信号を、２つのカラーチャンネルの線型結合として構築された２つの独立した信号に分離した。１つの結合は、きれいなＰＰＧ信号を近似し、もう一方の結合は、動きによるノイズを含有した。最適化の基準として、パルス信号におけるエネルギーを最小にした。Ｐｏｈ等もＬｅｗａｎｄｏｗｓｋａ等も、３つのカラーチャンネルの線型結合を使用してパルス信号を得ることを提案した。Ｐｏｈ等はＩＣＡを使用し、Ｌｅｗａｎｄｏｗｓｋａ等はＰＣＡを使用して、この線型結合を見つけた。どの重み付けされたカラー信号がパルス信号であるかは演繹的に未知であるため、その全てが、選択基準としてパルス信号の周期的性質を使用した。

上記は、ＢＳＳ方法の説明を提供している。異なるアプローチがｄｅ Ｈａａｎによって（上記の文献において記載されているように）使用され、ｄｅ Ｈａａｎは、歪み信号の方向の知識、及び、一定の標準化された皮膚の色を仮定して、仮定された歪みに対して直交のカラー信号の線型結合を組み立てた。これは、周期性に基づく選択を排除し、周期的な動きを有するフィットネスビデオにおいて有利であると示された。標準化された皮膚の色を、［Ｒ_ｓ，Ｇ_ｓ，Ｂ_ｓ］＝［０．７６８２，０．５１２１，０．３８４１］として選択し、それは、図５Ａからわかるように、実際の測定値に密接に一致した。このアルゴリズム（ＣＨＲＯ）は、クロミナンス信号、Ｘ_ｓ＝０．７７Ｒ_ｎ−０．５１Ｇ_ｎ及びＹ_ｓ＝０．７７Ｒ_ｎ＋０．５１Ｇ_ｎ−０．７７Ｂ_ｎに基づき、以下の式：

としてパルス信号Ｓを見つけ、ここで、演算子σは標準偏差に相当する。この式は、以下の式：

として書き換えることができ、

である。

この書き換えは、実際にここでも、正規化されたカラーチャンネル（Ｃｎ）の（異なって得られた）混合物（重みベクトルＷ）であるということを明らかにする。

混合係数を得るさらに別の方法（ＰＢＶ方法と呼ばれる）は、特許文献１において基本的には記載されているように、血液量パルスベクトルを使用する。最良の結果は、帯域通過フィルタのバージョンのＲ_ｎ、Ｇ_ｎ及びＢ_ｎが使用される場合に得られる。この方法によると、Ｐ_ｂｖの既知の方向が使用されて、パルス信号と歪みとを識別する。これは、パルスがビデオにおいて唯一の周期性成分であるという仮定を除くだけでなく、歪み信号の方向づけに対する仮定も排除する。この目的のために、パルス信号は、式（３）のように、正規化されたカラー信号の線型結合として構築されるということが前のとおりに仮定される。赤、緑及び青のチャンネルにおけるパルス信号の相対振幅はＰ_ｂｖによって与えられるということが既知であるため、パルス信号Ｓを与える重みであるＷ_ＰＢＶが探索され、それに対して、カラーチャンネルＲ_ｎ、Ｇ_ｎ及びＢ_ｎとの相関性は、以下の式：

において示されているようにＰｂｖに等しく、その結果、混合を決定する重みが、以下の式：

によって決定され、スカラーｋは、Ｗ_ＰＢＶが単位長を有するように決定される。正規化された血液量パルスＰ_ｂｖにおいて反映されたＰＰＧ信号の特徴的な波長の依存性を使用して、皮膚領域にわたって平均された時系列ＲＧＢピクセルデータからパルス信号を推定することができるということが結論づけられる。このアルゴリズムは、ＰＢＶ方法と呼ばれる。

以下においては、代替案が紹介されて、上記の仮定を緩和するものとする。特に、混合係数をコンピュータ処理する別の４つのさらなる方法が記載される。そのようなカラーチャンネルの混合をもたらす全ての方法を、重みを修正することによって本発明を使用して適応させることができる。

ＩＣＡ及びＰＣＡのようなブラインド信号源分離（ＢＳＳ）に基づく方法の長所は、歪みのタイプ又は皮膚の色あい若しくは血液量パルスベクトルの方向づけに関する仮定に頼らないということである。その短所は、どの出力成分がパルス信号を担持するかということが前もって明確ではないということである。成分選択に対してパルス信号の特徴として周期性を使用することは、変化する統計値、すなわち、フーリエドメインにおける不十分な解像度を有する短い重畳加算間隔に対する迅速な適応を要求するため、乏しいモーションロバストネス（ｍｏｔｉｏｎ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）をもたらすということが、ｄｅ Ｈａａｎによって先に示されてきた。さらに、フィットネス設定において、実質的に全ての動きが、脈拍数として同じ範囲の発生頻度を有して周期的である。

代替案として、ＣＨＲＯ又はＰＢＶ方法から得られる式（５）又は（９）の重み付け係数Ｗを使用して、成分選択を導くことが提案される。良い選択によって、最大の（絶対的な）相関性を有する成分が選ばれる。結果として生じるアルゴリズムは、仮定（ＣＨＲＯに対する既知の歪み、及び、ＰＢＶに対する安定したＰ_ｂｖ）がガイダンスのみに使用され、さらに、小さい偏差は何の役割も果たさないため、歪みをより正確に最小限にする重み付けを可能にする。

そのアルゴリズムを例示するために、ＩＣＡ又はＰＣＡが、正規化されたＲＧＢ信号Ｃｎの線型結合としてそれぞれ得られる３つの成分信号、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を生成するということが仮定され、以下の式：

として表される。

ここで、パルス信号Ｓは、ＣＨＲＯ又はＰＢＶアルゴリズムから得られる参照重みベクトルＷ_ＲＥＦ＝Ｗ_ＣＨＲＯ又はＷ_ＲＥＦ＝Ｗ_ＰＢＶを使用して成分信号から選ばれ、以下の式：

になるように、ｐ∈｛１，２，３｝でＳ＝Ｓ_ｐに等しい。

これは、４つのさらなるアルゴリズムである、ＣＨＲＯによって若しくはＰＢＶによって導かれるＩＣＡ又はＰＣＡを与える。全てのアルゴリズムが、上記のｄｅ Ｈａａｎの文献において紹介されている重畳加算処理を使用してもよく、さらに、成分選択基準として周期性を使用した先のＢＳＳベースのアルゴリズムとは違って、短い間隔の長さをうまく使用することができる。ＢＳＳはパルス信号の方向性を保証することができないため、個々の信号断片のサインは間隔Ｍに対して補正され、Ｓ_Ｍが、以下の式：

を使用して表され、ここでｐは間隔ごとに変わり得る。

非常に静止した対象を典型的には意味する実質的な歪みの非存在下で、（カラーチャンネルの混合物を決定する）重み付けベクトルの方向付けは未決定になり、さらに、時間の経過に伴う無作為な変動を示す（通常、重畳加算手順が、重み付けベクトルの時間的適応を可能にするために適用される）。これらの無作為な変動は、結果として生じる出力パルス信号のＳＮＲを、存在する（限定された）歪みで得られるＳＮＲよりも有意に悪くなるようにする。

上記のＣＨＲＯ方法を適用する本発明の第１の実施形態において、ほとんどの場合歪みが正規化されたＲＧＢ空間において既知の方向を有するという観察が使用される。動きは、典型的には、強度の変動に、すなわち、方向［１ １ １］における歪みに主として変換される。この歪みを排除するために、重み付けベクトルＷは、クロミナンス面にあると予想され、すなわち、和（Ｗ）はゼロに近い。この第１の実施形態において、重み付けベクトルＷは、デフォルトベクトルと交換される。和（Ｗ）が閾値を超える場合はいつでも、優れた例証的な選択は、Ｗｄ＝［−１ １．４ −０．４］又はＷｄ＝［−１ ２ −１］である。

第２の一般的な歪みは、典型的には色の彩度を変えさせるが色あいは変えさせない鏡面反射によるものである。従って、第２の実施形態において、重みベクトルＷは、強度及び彩度に直交のベクトルあたりの範囲に制限され、すなわち、Ｗは、上記のデフォルトベクトルＷｄのあたりの範囲（固定角）に制限される。

ＣＨＲＯ方法を適用することによって、別の優れた実施形態は、０．８から１．２のαの値（式（５）を参照）をクリップする。

さらなる好ましい実施形態において、上記の制限は、問題がありそうな場合、すなわち、見込み閾値を超えた存在の可能性を有する場合にのみ行われるようにされる。これは、例えばカラー信号若しくはクロミナンス信号の標準偏差、ＰＣＡベースの方法における固有値、又は、ＰＢＶ方法の共分散マトリクスＱのノルム（式（９）を参照）によって推定することができる。

記載される実施形態の欠点は、制限選択が最も一般的な歪みに基づくということであり得る。これは、特定の場合において最適以下であり得る。この態様を改善するために、好ましい実施形態は、信号セグメントに遭遇する毎に上述のデフォルトベクトルを更新することによって「デフォルト」重み付けベクトルＷｄをコンピュータ処理し、それは、以下に説明されるように、ほぼ最適なレベルの歪みを有しているように思われる。この実施形態のさらなる精巧なバージョンにおいて、デフォルト重み付けベクトルＷｄは、再帰的なプロセスから生じ、Ｗｄ（新）＝０．０１×Ｗ（信頼できる）＋０．９９×Ｗｄ（古）として表され、ここで、Ｗ（信頼できる）は、改善されることになる方法を使用してほぼ最適なレベルの歪みを有する最も新しい信号部分の間に得られる重み付けベクトルである。改善されることになる方法がＰＢＶ方法である場合、ここでも、Ｑのノルムを使用して、Ｗ（信頼できる）を選択することができる。非常に高いノルムは、通常、過剰な歪みによる信頼できないＷを意味し、非常に小さいノルムは、歪みの欠如による信頼できないＷを意味し、従って、中間値がＷｄの更新を示唆する。改善されることになる方法がＣＨＲＯ方法である場合、Ｙのノルムを代わりに使用することができる。ここでも、非常に高いノルムは、通常、過剰な歪みによる信頼できない混合を意味し、非常に小さいノルムは、歪みの欠如による信頼できないα（従ってＷ）を意味し、従って、中間値がαの更新を示唆する。

上記の記載において、所与の瞬間での皮膚に対する単一のカラーの値（包括的方法）からのバイタルサインの抽出が仮定される。より有利な方法は、皮膚領域を種々のサブ領域に細分し、さらに、適応して組み合わせて出力バイタルサイン信号にすることができるこれらのサブ領域から、多数の候補バイタルサイン信号を得ることができる（例えばまだ公開されていない欧州特許出願１２ １９９ １３９．２において記載される局所的方法を表す）ということが既知である。この場合、上記の実施形態のうち２つ以上の実施形態が、並行して使用されてもよい。しかし、この場合、好ましい実施形態は、（例えば非極限共分散行列等）「信頼できる」と仮定される全ての空間的領域によって再帰的に更新することができる一般的なデフォルト重み付けベクトルＷｄも使用してよい。

本発明は、歪みのレベルが非常に低い（ほぼ静止した対象の）状況に対するｒＰＰＧ及びＰＰＧアルゴリズムの能力を改善することを目的とする。この場合、重み付けベクトルははっきりとは定義されないことになり、ＳＮＲは、そのような「容易な」場合に対して予想されるよりもかなり悪いという結果になる。好ましくは、優れたＳＮＲを提供するために、制限が固定され、さらに、実験的に最適化される。「制限」は、（例えば再帰的な低域フィルタリングによる）変化率を制限することよりも優れていないと示したため、ほとんどの取組みはその選択肢に焦点が合わせられた。

相対寄与は、式５から得られる変数αの値を、価値のある改善をもたらす１．２から０．８の値にクリップすることによって制限することができる。この改善は、式５が＜０．８，１．２＞の範囲外の値をもたらす場合、変数α＝１の場合にさらによくなった。別の試みにおいて、いかなる方法に対しても得られる（混合に対する）重みベクトルの和Ｗを、共分散行列Ｑを使用してチェックした。この和が実質的に０から偏向される一方で、Ｑのノルムが低い場合、コンピュータ処理されるＷを、固定された重み付けベクトルＷ＝［−０．４ ０．８ −０．４］と交換することができる。変化率は、再帰的にフィルタリングされるバージョンのＷ（使用済み）＝０．０１×Ｗ（信頼できる）＋０．９９×Ｗｄ（古）と重み付けベクトルＷを交換することによって制限することができる。

種々の身体位置から得られる結果（スペクトルグラム）は、パルス信号が、本発明に従って提案される修正を有してかなりきれいになるということを示している。例えばシャツ等の洋服の動きにおいて存在するパルス信号は、皮膚において予想される典型的な色の変動を示さないため、修正後に抑制されているということもわかる。

上記の局所的方法は、一般的に、個々のノイズ結果が平均されるため、ノイズに対してより感受性が少ないと予想される。それにもかかわらず実験結果は、大きな皮膚領域における何百ものサブ領域を含有した連続物をテストしたけれども、（ＳＮＲにおける１ｄＢよりも）有意な改善を示す。

さらに、新生児のＮＩＣＵにて撮影した動画は明確な改善を示しており、すなわち、この場合は色のついた環境における呼吸の動きによるモーションアーチファクトが、（完全には排除されていないけれども）有意に減っている。

上記の方法は、主に、非接触センサに関して説明されてきた。一般的に、同じ方法を、接触センサに対しても使用することができる。ＣＨＲＯ、及び、ＣＨＲＯによって導かれるＩＣＡ／ＰＣＡに対しては、３つの波長が要求されるであろう。他の方法も、２つの波長のみで機能し得る。

例として、本発明は、例えば、人目につかない遠隔患者モニタリング、一般的な監視、セキュリティモニタリング、及び、フィットネス設備等のいわゆる生活様式環境等、ヘルスケアの分野において適用することができる。適用は、酸素飽和度（パルスオキシメトリ）、心拍数、血圧、心拍出量、血液潅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、例えば自動ＣＲＰ（心肺蘇生）の間に、例えば迅速且つ信頼できる重症患者のパルス検出に対して使用することができる。システムは、新生児のバイタルサインのモニタリングに対しても使用することができる。要約すると、本発明は、ほぼ静止した対象に対するＳＮＲをかなり改善し、その結果、より正確な拍動毎の測定をもたらす。

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る。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。単一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。

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 (16)

1. 対象を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置であって、
   ― 対象の皮膚領域を透過したか又は対象の皮膚領域から反射された検出される電磁放射から得られる検出データのデータストリームを受ける入力インタフェースであり、前記検出データは、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルにおける波長依存的な反射又は透過の情報を含む、入力インタフェースと、
   ― 動的に変化する前記少なくとも２つの信号チャンネルを混合して少なくとも１つの混合された信号にする信号ミキサと、
   ― 前記少なくとも１つの混合された信号から、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得るプロセッサと、
   ― 前記信号ミキサを制御して、少なくとも１つの混合された信号に混合される前記少なくとも２つの信号チャンネルの相対寄与、及び／又は、該相対寄与が動的に変化するのを可能にされる変化率を制限する制御装置と、
   を含む装置。
2. 前記制御装置は、前記少なくとも２つの信号チャンネルのエネルギーがエネルギー閾値を下回る場合にのみ前記相対寄与及び／又はその変化率を制限するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記入力インタフェースは、前記対象又は前記対象の一部の動きを示す動き信号を受けるように構成され、さらに、
   前記制御装置は、前記動きが動き閾値を下回る場合にのみ前記相対寄与及び／又はその変化率を制限するように構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記制御装置は、所定の値又は範囲に前記相対寄与及び／又は変化率を制限するように構成される、請求項１に記載の装置。
5. 前記制御装置は、前記相対寄与を更新することによって前記変化率を制限するように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも２つの信号チャンネルは、３００ｎｍから１０００ｎｍの波長間隔から選択される、請求項１に記載の装置。
7. 前記信号ミキサは、ブラインド信号源分離を使用して、前記少なくとも１つの混合された信号をコンピュータ処理するように構成される、請求項１に記載の装置。
8. 前記信号ミキサは、単一の混合された信号であって、前記少なくとも２つの信号チャンネルとの相関度が、正規化されたベクトルに等しくなるような単一の混合された信号をコンピュータ処理するように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記少なくとも２つの信号チャンネルは、少なくとも２つの直交色差信号であり、
   前記信号ミキサは、前記少なくとも２つの直交色差信号から前記少なくとも１つの混合された信号をコンピュータ処理するように構成される、請求項１に記載の装置。
10. 対象を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する方法であって、
    ― 対象の皮膚領域を透過したか又は対象の皮膚領域から反射された検出される電磁放射から得られる検出データのデータストリームを受けるステップであり、前記検出データは、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルにおける波長依存的な反射又は透過の情報を含む、ステップと、
    ― 動的に変化する前記少なくとも２つの信号チャンネルを混合して少なくとも１つの混合された信号にするステップと、
    ― 前記少なくとも１つの混合された信号から、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得るステップと、
    ― 信号ミキサを制御して、少なくとも１つの混合された信号に混合される前記少なくとも２つの信号チャンネルの相対寄与、及び／又は、該相対寄与が動的に変化するのを可能にされる変化率を制限するステップと、
    を含む方法。
11. 対象を透過したか又は対象から反射された検出される電磁放射から、対象の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出するシステムであって、
    ― 対象の皮膚領域を透過したか又は対象の皮膚領域から反射された電磁放射を検出し、さらに、検出される前記電磁放射から検出データを得る検出器であり、前記検出データは、それぞれの波長部分を表す少なくとも２つの信号チャンネルにおける波長依存的な反射又は透過の情報を含む、検出器と、
    ― 前記検出データから生理学的情報を抽出する請求項１に記載の装置と、
    を含むシステム。
12. 前記検出器は、フォトプレチスモグラフィ信号を取得するために前記対象の皮膚部分に乗せられるように構成されるプレチスモグラフィセンサ、及び／又は、時間の経過に伴う前記対象の一連の画像フレームを取得する画像処理ユニットを含み、前記画像フレームからフォトプレチスモグラフィ信号を得ることができる、請求項１１に記載のシステム。
13. プログラムコード手段を含むコンピュータプログラムであって、前記プログラムコード手段は、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る場合に請求項１０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、コンピュータプログラム。
14. 前記制御装置は、前記相対寄与を再帰的に更新することによって前記変化率を制限するように構成される、請求項１に記載の装置。
15. 前記少なくとも２つの信号チャンネルは、赤、緑及び青色の光に対応する波長部分を表す波長間隔から選択される、請求項１に記載の装置。
16. 前記信号ミキサは、主成分分析又は独立成分分析を使用して、前記少なくとも１つの混合された信号をコンピュータ処理するように構成される、請求項１に記載の装置。

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