LV14514B

LV14514B - Iekārta un metode sirdsdarbības parametru optiskai bezkontakta kontrolei

Info

Publication number: LV14514B
Application number: LVP-10-138A
Authority: LV
Inventors: Renārs ERTS; Uldis RUBĪNS; Vladimirs Upmalis; Jānis SPĪGULIS; Miķelis SVILANS
Original assignee: Latvijas Universitāte
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-08-20
Also published as: EP2438849A1; LV14514A

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

Tehnikas joma

Izgudrojums attiecas uz kardioloģiju un konkrēti - cilvēku sirdsdarbības frekvences un citu parametru noteikšanu un reģistrāciju, izmantojot bezkontakta fotopletizmogrāfijas (PPG) iekārtu un metodi vienlaicīgi vairākiem mierā un kustībā esošiem cilvēkiem.

Tehnikas līmenis

Viens no veidiem kā novērtēt cilvēka sirds stāvokli ir mērīt sirdsdarbības frekvenci jeb pulsu. Sirdsdarbības frekvences kontrole ir būtiska gan medicīnā, gan veicot profilaktisku veselības pārbaudi vai paškontroli, gan sporta treniņu laikā. Paātrināts pulss gan sirds un asinsvadu slimniekiem, gan praktiski veseliem cilvēkiem var būt indikators, kas liecina par veģetatīvās nervu sistēmas disbalansu ilgstoši pastiprinātu simpātiskās nervu sistēmas aktivitāti. Šis disbalanss var izsaukt un pastiprināt: miokarda išēmiju un stenokardiju, artēriju elastīguma samazināšanos, aterosklerozes attīstību, paaugstinātu asinsspiedienu (hipertensiju).

Tiek uzskatīts, ka normāla sirdsdarbības frekvence pieaugušam cilvēkam miera stāvoklī ir 60100 sitieni minūtē. Labi trenētiem sportistiem - 40-60 sitieni minūtē miera stāvoklī, bet slodzes laikā var sasniegt pat 200 sitienus minūtē. Sirdsdarbības frekvences mērījumi ir svarīgi arī sporta treniņu laikā, lai varētu noteikt slodzes intensitāti.

Līdzās sirdsdarbības frekvencei būtisks fizioloģisks parametrs ir sirdsdarbības ritma variabilitāte. Samazināta sirdsdarbības ritma variabilitāte ir novērota, piemēram, pacientiem ar depresiju, pēctraumatiskā stresa sindromu, uzmanības deficīta sindromu, ari praktiski veseliem cilvēkiem stresa un intelektuālas slodzes laikā. Pēc sirdsdarbības ritma variabilitātes iespējams noteikt riska pacientus pēc miokarda infarkta pārciešanas u.c. sirdsdarbības traucējumiem (aritmija, artēriju ateroskleroze, sirds nepietiekamība). Sirdsdarbības ritma variabilitātes kvantitatīvie un kvalitatīvie parametri (standarta novirze, variāciju koeficients u.c.) atspoguļo veģetatīvās nervu sistēmas ietekmi uz sirds sinusa mezglu un liecina par simpātiskās un parasimpātiskās nervu sistēmas līdzsvaru un organisma funkcionālajām rezervēm tā regulēšanai, kā arī psihoemocionālo stāvokli (E.I. Masterova, V.N. Vasil'ev, T.I. Nevidimova, V.I. Vlasenko. Relation between the psychoemotional State and the heart rāte regulation and immune status in human. Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova, 85(5):621-7, 1999).

Pastāv vairākas neinvazīvas sirdsdarbības frekvences noteikšanas metodes, piemēram, elektrokardiogrāfija, ultrasonogrāfija, ehokardiogrāfija u.c. Visplašāk izmantotā sirdsdarbības frekvences noteikšanas metode ir elektrokardiogrāfija (EKG), kuras darbības princips balstās uz sirds izcelsmes potenciālu starpības pierakstu no ķermeņa virsmas, kas atspoguļo elektriskā potenciāla izplatīšanos sirdī. Sirdsdarbības frekvenci nosaka, mērot laiku starp diviem secīgiem elektrokardiogrammas R zobiem un aprēķinot šādu intervālu skaitu vienā minūtē (J.R. Hampton. The ECG made easy. International Edition, Edinburgh, Churchill Livingstone, p 5,1997).

Sirdsdarbības ritma variabilitāti (periodiskas sirdsdarbības cikla ilguma svārstības) iegūst, analizējot vairākus secīgus RR intervālus un iegūstot laiku starp sirdsdarbības ciklu maksimālajām vai minimālajām vērtībām. Pieslēgums pie cilvēka ķermeņa, kā arī vadu daudzums, kas savieno cilvēka ķermeni ar monitorējošo aparātu, apgrūtina EKG metodes izmantošanu sirdsdarbības frekvences noteikšanā un ierobežo novērojamā cilvēka kustību brīvību.

Fotopletizmogrāfija (angliski - Photoplethysmography, PPG) ir optiska metode, ar kuras palīdzību iespējams neinvazīvi iegūt informāciju par sirdsdarbības radīto audu asins apjoma izmaiņu dinamiku, izmantojot optisko starojumu. Zem ādas atrodas asinsvadu tīklojums, un, pateicoties sirdsdarbībai, asinsvados pulsē asinis; atkarībā no periodiskajām tilpuma izmaiņām, mainās arī iestarotās gaismas absorbcija audos. Virzot optisko starojumu uz audu virsmu, daļa no tā tiek atstarota, daļa tiek izkliedēta un daļa absorbēta, tāpēc no atpakaļatstarotā optiskā starojuma intensitātes izmaiņām laikā pēc fotoelektriskas pārveidošanas var iegūt elektrisku PPG signālu. Izmantojot kontaktzondes ar speciāli veidotiem uztvērējiem, ir iespējams reģistrēt šīs izmaiņas laikā - fotopletizmogrāfiskā signāla mainīgo (AC) komponenti. Fotopletizmogrāfiskā signāla mērīšanas metode visbiežāk tiek izmantota ts. «terapeitiskā loga” viļņu garumu diapazonā 600 - 1300 nm, kurā asinīm un ūdenim ir vismazākā absorbcija, lai optiskais starojums pēc iespējas dziļāk iespiestos audos un tiktu iegūta informācija no audu dziļākajiem slāņiem (J. Allen. Photoplethysmography and its application in clinicalphysiological measurement. Physiological Measurement, Vol. 28, pp. 1-39, 2007). Lai iegūtu pēc iespējas lielāku refleksijas PPG signāla amplitūdu, par optiskā starojuma avotu bieži tiek izvēlēta sarkanā krāsa vai tuvais IS diapazons (650-950 nm), kas ir piemērots kompromiss starp absorbciju un iespiešanās dziļumu audos.

Sirdsdarbības frekvences noteikšanai var pielietot PPG signālu, mērot laiku (Dt) starp divu secīgu pulsa periodu maksimālām vai minimālām vērtībām PPG signālā (Fig. 2) (L. Lindberg, H. Ugnell, P. Oberg. Monitoring of respiratory and heart rātes using a fibre-optic sensor. Medical & Biological Engineering & Computing, Vol. 32, pp. 533-537, 1992).

Ir aprakstīta metode un ierice fizioloģisko parametru (sirdsdarbības frekvence un variabilitāte) monitoringam, izmantojot kontakta PPG signālu (patents US 7001337 B2), kuram tiek atfiltrētas nevajadzīgās frekvenču komponentes un tad tas tiek tālāk apstrādāts, lai iegūtu informāciju par autonomo nervu sistēmu, cilvēka asinsspiediena izmaiņām un elpošanas frekvenci. Šī metode un ierice nenodrošina PPG signāla mērīšanu bezkontakta veidā un ir paredzēta tikai viena cilvēka mērījumiem. Ja ir nepieciešami vairāku cilvēku mērījumi, tad tie tiek veikti pēc kārtas.

Ir zināma metode un ierice (patents JP 3787336 B2) cilvēka sirdsdarbības frekvences noteikšanai ar speciāli izstrādātiem signālu apstrādes algoritmiem kustību laikā, izmantojot kontakta fotopletizmogrāfisko signālu. Tiek izmantota kustību artefakta līmeņa detektēšanas sistēma, kas kontrolē, kāds kustību apjoms konkrētajā brīdī notiek, un tālāk ar vilnīšu transformāciju (vvavelet transform) nosaka pulsa frekvences vērtību. Tāpat kā iepriekšējā metodē, ari šeit PPG signāla mērīšana bezkontakta veidā nav nodrošināta.

Ir zināma ierice sirdsdarbības frekvences kontaktveida monitoringam ar PPG metodi (starptautisks patenta pieteikuma WO 2009100776 Al), kas sastāv no vairākām daļām: gaismas avota; mobilā telefona, fotoaparāta vai cita veida kameras, kas darbojas videorežīmā, un procesora, kas ir pievienots pie kameras. Gaismas avotu var aizvietot dabiskais apgaismojums. Ierice kontaktveidā (piemēram, pieliekot pirkstu pie kameras objektīva) reģistrē dzīvajiem audiem caurizgājušo optisko starojumu un veic attēlu analīzi un nepieciešamos aprēķinus. Šīs ierīces un metodes ierobežojums ir tāds, ka PPG signāls tiek mērīts tikai vienam cilvēkam un nav paredzēti iespēja monitorēt apkārtējo starojumu, lai iegūtu kvalitatīvu PPG signālu.

Ir ari zināma ierice γ^2 _{+ ļ}j2 _+g2 sirdsdarbības frekvences gan bezkontakta, gan kontaktveida monitoringam (patenta pieteikums US 2009/0226071 Al), kas sastāv no mobilā telefona kameras, kas ierīces atmiņā uzkrāj gan krāsainus, gan melnbaltus statiskus attēlus, no kuriem procesors izvēlas sarkanos, zaļos un zilos (RGB) pikseļus, kuru amplitūdas vērtības tiek izmantotas, lai iegūtu PPG signālu, no kura tiek aprēķināta sirdsdarbības frekvence, kura var tikt tālāk pārraidīta caur datortīklu uz kādu datus uzkrājošu sistēmu. Var tikt izmantots gan caurizgājušais, gan atpakaļatstarotais starojums. Lai samazinātu uzkrājamo datu apjomu, no katra pikseļa RGB signāla vērtībām tiek aprēķināta viena vērtība, kas tiek izmantota tālākai Furjē matemātiskai analīzei, no kuras aprēķina pulsa frekvenci. Ierice un metode nenodrošina vienlaicīgi vairāku cilvēku bezkontakta PPG signālu mērījumus, nedz ari spēj izsekot cilvēka pārvietošanos. Cilvēks mērījumu gaitā nedrīkst kustēties, jo nav paredzēti algoritmi cilvēka kustību nofiltrēšanai. Ierīce nenosaka, vai ir pietiekams apgaismojums, lai iegūtu kvalitatīvu PPG signālu.

Tika veikts pētījums par kontakta un bezkontakta PPG signālu atšķirībām (K. Humphreys, C. Markham, T.E. Ward. A CMOS camera-based system for clinical photoplethysmographic applications. Proc. SPIE, 5823, pp. 88-95, 2005). Bezkontakta PPG mērījumos tika izmantota infrasarkanā (IS) starojuma diode ar viļņa garumu 800nm un melnbaltā CMOS tipa videokamera ar izšķirtspēju

1280x1024 pikseļi, kas pieslēgta datoram, izmantojot Firewire interfeisu. Mērījumos tika izmantota aktīvā zona ar 320x240 pikseļu izšķirtspēju un ar kadrēšanas frekvenci 30 kadri/s. Katrs videokadra attēls tika sadalīts 20x20 pikseļu zonās un aprēķināta vidējā intensitātes vērtība katrā zonā. Vienlaicīgi ar bezkontakta PPG signālu mērījumiem tika mērits PPG signāls, izmantojot standarta kontaktpulsoksimetru (Nellcor). Tika secināts, ka gan kontakta, gan bezkontakta PPG signālu formas un Furjē frekvenču spektri ir ļoti līdzīgi. Šī ierice neveic vienlaicīgu vairāku cilvēku PPG signālu mērīšanu un netiek sekots līdzi cilvēka kustībām. Tāpat arī par gaismas avotu tiek izmantota tikai IS, nevis apkārtējais starojums.

Tika veikts pētījums par PPG signālu iegūšanu, izmantojot dienas gaismu un videokameru (W. Verkruysse, L.O. Svaasand, J.S. Nelson. Remote plethysmographic imaging using ambient light. Opt.

Express, 16(26): 21434-21445, 2008). Videokamera tika iestādīta manuālā režīmā, lai nodrošinātu pastāvīgus ekspozīcijas, krāsu toņa un diafragmas atvēruma parametrus. Filmēšana notika vairākas minūtes, ar kadrēšanas frekvenci 15 vai 30 kadri/s, ar 320x240 vai 640x480 pikseļu izšķirtspēju. Tika veikti PPG signāla mērījumi sejas ādai ar patoloģisku “Vīna traipa” sindromu pirms un pēc lāzera terapijas kursa. Veicot PPG signāla Furjē analīzi, pētnieki konstatēja, ka starp veselu un patoloģisku ādu pastāv PPG signālu fāžu nobīde. Šī metode nenodrošina vienlaicīgus vairāku cilvēku PPG signālu fāžu nobīdes mērijumus un neparedz sekot līdzi cilvēka kustībām. Tādēļ cilvēks mērījumu laikā nedrīkst kustēties, jo nav iestrādāts algoritms PPG signālu mērīšanai kustību laikā.

Ir zināma ierice cilvēka automātiskai sekošanai, izmantojot video telefonu. Tā sastāv no diviem motoriem, kuri spēj grozīt kameru augšā, lejā, pa labi, pa kreisi, lai sekotu līdzi cilvēka ķermeņa kustībām (patenta pieteikums KR 1020050004572 A) tādos gadījumos, kad aparātā iebūvēta programmatūra detektē kameras uztveres zonā notiekošu kustību. Pie ierīces var tikt pieslēgts mobilais telefons vai internēta savienojums, kas var pārraidīt ziņojumu par video telefona uztveres zonā esošu kustību. Šī ierice nenodrošina cilvēka PPG signālu mērijumus, tādējādi netiek iegūta informācija par monitorējamās personas sirdsdarbību un tās atvasinātiem parametriem.

Ir zināma metode cilvēka kustību sekošanai, izmantojot virknē esošu videoattēlu apstrādi (patents US 5953055). Video kameras izeja tiek pieslēgta pie apstrādes bloka, kas videoattēlus digitalizē un saglabā atmiņā. Video laukā tiek definētas viena vai vairākas interešu zonas, kurās tiek detektēts, piemēram, cilvēks, kas nekustīgi skatās uz kādu interesējošu objektu, piemēram, naudas bankomātu; tiek ari noteikts cilvēku skaits, kas atrodas zonās. Šī ierīce nenodrošina cilvēka PPG signālu mērījumus un netiek iegūta informācija par personas sirdsdarbību un tās atvasinātiem parametriem.

Ir zināma ierice automātiskai attēla fokusēšanai digitālo kameru vajadzībām (patenta pieteikums JP 2010-91709). Tā sastāv no attēlu uztveršanas ierīces, aprēķinu veikšanas bloka, fokusa vadīšanas motora, kas kontrolē ierices lēcu sistēmu. Uztvertais optiskais attēls tiek pārveidots digitālā formā, aprēķinu veikšanas bloks rēķina attēla novērtējuma vērtību. Fokusa vadīšanas sistēma, balstoties uz paātrinājuma/palēninājuma funkciju, vada fokusa vadīšanas sistēmas motoru, kamēr tiek sasniegta optimāla fokusa vērtība. Šī ierice nenodrošina cilvēka PPG signālu mērījumus un netiek iegūta informācija par personas sirdsdarbību un tās atvasinātiem parametriem.

Ir zināma bezkontakta metode un ierice, lai reālā laikā detektētu, atpazītu un analizētu cilvēkus un citus objektus, izmantojot video kadru uztveršanas sistēmu drošības pārbaudes posteņos, publiskās un citās vietās, lai identificētu cilvēku aktivitātes drošības un citos nolūkos (patents US 7200266 B2). Gadījumā, kad ierice detektē jaunu kustīgu vai nekustīgu objektu, tā salīdzina atpazītos objektus ar datubāzē ievietoto objektu parametriem, tādā veidā nodrošinot interesējamo objektu atpaāšanu, piemēram, cilvēks, soma, suns u.t.t. Metode arī paredz sekošanu līdzi cilvēka kustībām un kustības veida atpazīšanu. Šī metode un ierice nenodrošina cilvēka PPG signālu mērījumus, no kuriem varētu iegūt informāciju par personas sirdsdarbību un tās atvasinātiem parametriem, ne ari atšķir vai šķiro interesējamus objektus pēc to atrašanās attāluma no ierices.

Zināmās ierīces un metodes nenodrošina iespēju vienlaicīgi gan mierā, gan kustībā esošiem vairākiem cilvēkiem bezkontakta veidā reģistrēt sirdsdarbību un aprēķināt sirdsdarbības parametrus (piem., tekošo sirdsdarbības frekvences vērtību, vidējo sirdsdarbības frekvenci, standarta novirzi, variāciju koeficientu u.c.).

Izgudrojuma atklāsme

Izgudrojuma mērķis ir izveidot metodi, kas vienlaicīgi gan mierā, gan kustībā esošiem vairākiem cilvēkiem nodrošina sirdsdarbības frekvences un tās atvasināto parametru (piem., vidējo sirdsdarbības frekvenci, standarta novirzi, variāciju koeficientu u.c.) bezkontakta reģistrāciju precīzi noteiktā distancē.

Tiek piedāvāta metode, ar kuras palīdzību vienlaicīgi var noteikt vairāku cilvēku sirdsdarbības frekvences un no tās atvasinātos parametrus no attāluma bezkontakta veidā un rezultātus izvadīt uz grafiskā vai ciparu ekrāna un saglabāt atmiņas nesējā turpmākai apstrādei. Sirdsdarbības parametri tiek mērīti tikai tiem cilvēkiem, kuri atrodas noteiktā attālumā. Ja aprēķinātā sirdsdarbības frekvences vērtība vai tās atvasinātie parametri pārsniedz atsevišķi iestādāmu minimālo vai maksimālo vērtību, sistēma ģenerē trauksmes signālu. PPG signāla reģistrēšanai vislabāk izmantot RGB pikseļu sarkano (R) vērtību, jo sarkanās krāsas starojumam ir lielāks iespiešanās dziļums zem ādas zemākas asins absorbcijas dēļ, tāpēc tiek sasniegta lielāka PPG signāla amplitūda un ar mazāku trokšņu līmeni, nekā to sniedz zaļās vai zilās krāsas starojums, no kura tālāk tiek aprēķināta sirdsdarbības frekvence un no tās atvasinātie parametri. Lai izveidotu PPG signālu, ir iespējams izmantot arī zināmas formulas, piemēram, US 2009/0226071 Al aprakstīto formulu. Ierīce sirdsdarbības frekvences neinvazīvai un nepārtrauktai noteikšanai ir ilustrēta pievienotajos attēlos.

Zīmējumu īss apraksts

Fig. 1 ir attēlota ierīces blokshēma sirdsdarbības neinvazīvai bezkontakta noteikšanai.

Fig. 2 ir attēlots fotopletizmogrāfiskā (PPG) signāla piemērs, kas sastāv no divām asinsvadu pulsācijām, starp kuru maksimumiem vai minimumiem var tikt mērīts laiks At, no kura tālāk var aprēķināt sirdsdarbības parametrus; uz horizontālās ass ir attēlots laiks, uz vertikālās ass ir fotopletizmogrāfiskā (PPG) signāla amplitūda relatīvās vienībās.

Fig. 3 ir blokshēma, kurā attēlota metode bezkontakta sirdsdarbības parametru optiskai kontrolei vienlaicīgi vairākiem mierā un kustībā esošiem cilvēkiem.

Fig. 4 ir algoritma blokshēma, kas attēlo viena vai vairāku cilvēku kustību ātruma aprēķināšanas metodi. ·

Izgudrojuma portatīvas bezkontakta sirdsdarbības kontroles ierīces 10 blokshēma ir attēlota zīmējumā Fig 1. lence satur starojuma jutīgu sensoru 20, kuram ir redzes loks 140, atsevišķi ieslēdzamu/izslēdzamu starojuma avotu 30, distances mērītāju 130, kura orientācija ir grozāma ar distances mērītāja virzības sistēmu 120, signālu apstrādes bloku 70, kas tā, lai caur attiecīgiem savienojumiem var vadīt distances mērītāja virzības sistēmu 120, starojuma avotu 30, kā arī parādīt signālu apstrādes rezultātus uz izvades bloka 100.

Lai veiktu attēlu ierakstu no viena vai vairākiem mierā un/vai kustībā esošiem cilvēkiem 40, starojuma jutīgais sensors 20 ir aprīkots ar optiku, kas nodrošina vajadzīgo redzes loku 140.

Virknē ierakstītie attēli 80 tiek pārraidīti no starojuma jutīgā sensora 20 uz signālu apstrādes 30 bloku 70, kas nodrošina to apstrādi, to skaitā pikseļu amplitūdas nolasīšanu no starojuma jutīgā sensora 20, to kombināciju aprēķināšanu, attēlu laukumu noteikšanu, kuros parādās PPG signāli, kustību artefaktu samazināšanu, sirdsdarbības frekvences un tās atvasināto parametru aprēķināšanu, signalizāciju par sirdsdarbības frekvences un/vai tās atvasināto parametru (piem., vidējo sirdsdarbības frekvenci, standarta novira, variāciju koeficientu u.c.) straujām vai nelabvēlīgām izmaiņām.

Starojuma jutīgajam sensoram 20 var izmantot dažādus optiskos uztvērējus, gan atsevišķus detektorus, gan detektoru masīvus, piemēram, melnbaltas vai krāsu CCD un CMOS kameras, kurās iekļautas pikseļu matricas. To jutībai jābūt pēc iespējas labāk saskaņotai ar attiecīgas vides apgaismojuma intensitāti izmantotajā optiskajā spektrālajā jomā, piemēram, ar melnbaltu matricu var sasniegt 0,3 Lux jūtību pie 46 dB signāla/trokšņa attiecības redzamajā (tipiski 400 - 760 nm) un tuvējā infrasarkanajā (IS) (800 - 1400 nm) jomā. Izplatītas ir kadrēšanas frekvences ar 15 vai 30 kadriem/s, bet izšķirtspēja 320x240 vai 640x480 pikseļu. Melnbalto sensoru priekšrocība ir lielāks jutīgums, kā ari mazāks apstrādājamo pikseļu daudzums. Turpretim ar krāsu sensoriem (RGB) iespējams iegūt augstāku attēlu kontrastu un līdz ar to uzlabotu signāla/trokšņu attiecību, bet apstrādājamo pikseļu daudzums palielinās, uzliekot papildu slodzi signālu apstrādes blokam 70.

Interesējošā spektrālā joma fotopletizmogrāfiskajam pielietojumam ietver t.s. „terapeitiskā loga” viļņu garumu diapazonu no 600 - 1300 nm, kurā zemādas asinīm un šķidrumam ir zema absorbcija, kas pieļauj optiskā starojuma pietiekoši dziļu iespiešanos audos, bet reizē nodrošina pēc iespējas lielāku PPG signāla amplitūdu. Visizdevīgākais viļņu garums atrodas sarkanajā un tuvajā IS diapazonā (650-950 nm).

Starojuma avots 30 tiek pielietots apstākļos, kad vides apgaismojuma intensitāte nav pietiekoša, lai nodrošinātu vajadzīgo PPG signāla kvalitāti no starojuma jutīgā sensora 20. Tas apgaismo visus mērāmos objektus, kas atrodas starojuma jutīgā sensora 20 redzes lokā 140. Mērāmo objektu apgaismošanai var izmantot halogēnlampas, redzamās vai infrasarkanās gaismas diodes vai citas atbilstošas ierices. Starojuma avots 30 var darboties nepārtraukti, bet apstākļos, kur nepieciešams samazināt ierices elektroenerģijas patēriņu, piemēram, barošanas no akumulatora gadījumā, starojums var ari būt impulsveida ar frekvenci, kas ir saskaņota ar pielietoto kadrēšanas frekvenci.

Pielietojot augstākas kadrēšanas frekvenci, var izmantot PPG signāla integrēšanu laikā (uzņemot, piemēram, 3 kadrus un no tiem matemātiski aprēķinot vidējo), tādā veidā uzlabojot signāla/trokšņu attiecību, bet reizē no signālu apstrādes bloka 70 prasa lielāku datu apstrādāšanas jaudu.

Lai nodrošinātu mierā vai kustībā esošu cilvēku attālumu noteikšanu no starojuma jutīgā sensora 20 līdz monitorējamām personām, signālu apstrādes bloks 70 ir savienots ar distances mērīšanas virzības sistēmu 120, kura satur motoru un distances mērītāju 130, piemēram, lāzera vai ultraskaņas tālmēra. Motors nodrošina distances mērītāja 120 virzību horizontāli (0 ⁰ - 360 °) un/vai vertikāli (0° -180°).

Ja attālums starp starojuma jutīgo sensoru 20 un monitorējamiem cilvēkiem 40 pārsniedz konkrētu, atsevišķi iestādāmu vērtību, signālu apstrādes bloks 70 pārtrauc monitorēt šī cilvēka sirdsdarbības frekvenci un no tās atvasinātos parametrus; ja cilvēks atgriežas starojuma jutīgā sensora 20 darbības zonā un signālu apstrādes bloks 70 atpazīst šo cilvēku, tad viņa sirdsdarbības frekvences un no tā atvasināto parametru monitorēšana turpinās. Cilvēka (sejas un/vai auguma) atpazīšana notiek sekojošā veidā: ierīcei ir atsevišķs darbības režīms, kad tiek uzņemtas cilvēka sejas un/vai auguma bildes no dažādiem skatu leņķiem, saglabātas ciparu veidā ierīces atmiņā kā matemātiskas matricas. Ja iericei ir jāatpazīst cilvēka seja vai augums, tad ierice nosaka cilvēka kontūru, pārveido to matricas formā un salīdzina ar jau saglabātas matricas vērtībām. Signālu apstrādes bloks 70 ir savienots ar izvades bloku 100 - monitoru, ciparu ekrānu, printeru, ploteru vai līdzīgu ierīci, kas nodrošina informācijas attēlošanu.

Katra monitorējāmā cilvēka aprēķinātā sirdsdarbības frekvence un no tās atvasinātie parametri, mērījuma laiks, datums, pārvietošanās koordinātes tiek saglabāti savā datnē, piemēram, XML, ASCII vai citā formātā. Piedāvātā ierice var būt viens savrups bloks, bet to var veidot arī vairāki savstarpēji savienoti bloki (20-130). .

Piedāvātās vispārīgās bezkontakta sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto vērtību noteikšanas ierīces darbības algoritms ir parādīts Fig. 3. Tiek izmērīta apkārtējā starojuma vērtība 200 un, ja tā pārsniedz robežvērtību, tiek uzkrāta virknē esošu attēlu sērija 202, ja apkārtējā starojuma robežvērtība nepārsniedz robežvērtību, tiek ieslēgts impulsveida vai nepārtrauktā starojuma avots 201. Pēc sākotnējās attēlu sērijas uzkrāšanas katram cilvēkam ierīces redzes laukā 140 tiek noteiktas atrašanās koordinātes 203, tiek noteikts cilvēku skaits ierīces redzes laukā 204, tiek noteikts, vai katrs noteiktais cilvēks ierīces redzes laukā atrodas monitorēšanas attālumā 205 izmantojot distances virzības sistēmu 120, ja nav, tad ierice turpina piekārtot koordinātes katram cilvēkam 203 un tiek meklēts, kad cilvēks parādās monitorēšanās attālumā 205. Ja cilvēks atrodas monitorēšanas attālumā 205, tad, ja viens vai vairāki cilvēki pārvietojas, notiek cilvēku kustības ātruma noteikšana 206. Tiek veikta cilvēku sejas/auguma atpazīšana 207, ja cilvēks agrāk nav bijis signālu apstrādes bloka 70 ,,redzeslaukā”, tad cilvēkam tiek izveidots sava individuālā datne 208, ja cilvēks agrāk ir bijis signālu apstrādes bloka 70 „redzeslaukā”, turpmāk saņemtie dati tiek ierakstīti iepriekš izveidotā datnē. Katram cilvēkam tiek meklēti sirdsdarbības noteikšanas derīgie reģioni 209 un katram derīgajam reģionam tiek piekārtota savas koordinātes. No sirdsdarbības noteikšanas derīgajiem reģioniem tiek izskaitļota sirdsdarbības frekvence un no tās atvasinātie parametri 210 un tiek atsijātas tās vērtības, kuras pārsniedz kļūdas robežas. Aprēķinātie parametri tiek attēloti uz ciparu vai grafiskā ekrāna 213. Ja aprēķinātā sirdsdarbības frekvences vērtība vai tās atvasinātie parametri pārsniedz kritisko robežvērtību 211, tiek ģenerēts trauksmes signāls 212.

Tehnikas līmeņa viena vai vairāku cilvēku kustību detektēšanas algoritms (Fig. 4) darbojas šādi: tiek uzkrāti virknē esoši videoattēli 301, tiek ņemts pamatkadrs 302, no kura, izmantojot cilvēku sejas vai auguma atpazīšanas algoritmus, tiek noteikts, cik cilvēku atrodas kadrā, un katram cilvēkam tiek piekārtotas atrašanās koordinātes 303. Tālāk turpinās videokadru iegūšana 304, tiek noteiktas katra cilvēka atrašanās koordinātes, un tiek aprēķināta cilvēku atrašanās koordināšu starpība starp tā brīža un iepriekšējo kadru 305. Gadījumā, ja šī atšķirība pārsniedz robežvērtību 306, tiek detektēta cilvēku kustība un aprēķināts cilvēku kustības ātrums 307, savukārt, gadījumā, ja atšķirība nepārsniedz robežvērtību, tiek iegūts nākamais kadrs 302, no kura notiek turpmākie aprēķini.

Izgudrojuma realizācijas piemēri

Bezkontakta sirdsdarbības frekvences un tās atvasināto parametru mērīšanai tiek izmērīta visas apkārtnes starojuma vērtība. Ja tā ir mazāka par robežvērtību, kāda ir nepieciešama (tipiski 500 lx), lai iegūtu kvalitatīvu PPG signālu, tiek ieslēgts gaismas avots, kas darbojas impulsveidu vai nepārtrauktā režīmā, lai nodrošinātu kvalitatīva PPG signāla iegūšanu, no kura, pēc Futjē matemātiskās analīzes veikšanas, ir iespējams skaidri izšķirt sirdsdarbības frekvences komponenti.

Starojums izkliedējas zemādas asinsritē un daļa tiek absorbēta, līdz ar sirdsdarbību pulsējoši mainās arī asins tilpuma izmaiņas un attiecīgi mainās atpakaļatstarotais starojums no audiem. Dzīvos audus apgaismojot ar piemērotu gaismas avotu (infrasarkano vai redzamo), atstarotie optiskie signāli tiek detektēti ar melnbalto vai krāsu starojuma jutīgo sensoru 20.

Apstrādes bloks 70 uzkrāj secībā esošos videoattēlus 80, kuru izmērs ir atkarīgs no uztveres zonā esošu cilvēku skaita un to attālumam līdz starojuma jutīgajam sensoram 20, parasti 640x480 pikseļi. Attēlu uztveršanas ātrumam jābūt vismaz 15 kadri/sekundē (jo lielāks tas ir, jo lielāka būs aprēķināto sirdsdarbības parametru precizitāte). Videoattēlu uzkrāšanas ilgums ir vismaz 15 līdz 50 sekundes, t.i. laiks, kāds ir nepieciešams optimālai sirdsdarbības parametru noteikšanai.

Apstrādes bloks 70 no secībā esošu videoattēlu pikseļiem uzkrāj vai nu (i) 3 atsevišķos masīvos sarkano, zaļo un zilo (RGB) pikseļu amplitūdu vērtības, vai (ii) melnbalta starojuma jutīgā sensora 20 pikseļu amplitūdu vērtības 1 masīvā.

Turpmākai apstrādei tiek izvēlēta starojuma jutīgā detektora pikseļu amplitūdu vai to kombināciju vērtība. Iegūtos attēlus apstrādes bloks 70 apstrādā, izmantojot sejas vai auguma atpazīšanas algoritmus.

Apstrādes bloks 70 nosaka, cik cilvēku atrodas ierīces uztveres laukā (optimālais cilvēku skaits ir ne vairāk kā 5, to nosaka starojuma jutīgā sensora 20 un optikas izšķirtspēja, jo, lai iegūtu kvalitatīvu PPG signālu, starojuma jutīgā sensora 20 uztveres zonā esošajam cilvēkam parasti ir jāaizņem laukums vismaz 100x100 pikseļi, lai turpmākā apstrādē tiktu iegūti kvalitatīvi PPG signāli, kuru signāla/trokšņa attiecība būtu vislielākā). Apstrādes bloks 70 katram cilvēkam ierīces uztveres zonā ar x,y koordinātēm reģistrē apgabalus, kurā katrs cilvēks atrodas. Apstrādes bloks 70, izmantojot distances mērīšanas virzības sistēmu 110, nosaka, kāds attālums ir līdz katram cilvēkam. Ja attālums ir lielāks par atsevišķi iestādāmu vērtību (parasti 5 metri), apstrādes bloks 70 šī cilvēka atrašanās koordinātes x,y izņem no turpmākās apstrādes.

Ja ir atrasts cilvēks, kas iepriekš nav bijis ierīces darbības lokā, tad apstrādes bloks 70 atmiņā izveido profilu (piem., datni) cilvēkam, kurā tiek ievietots cilvēka attēls un turpmākie cilvēka sirdsdarbības parametri tiek uzkrāti šajā profilā. Ja ir atrasts cilvēks, kas iepriekš ir bijis apstrādes bloka 70 darbības lokā, tad ierice no atmiņas saņem informāciju par atpazīto cilvēku un turpmākie aprēķinātie sirdsdarbības parametri tiek ierakstīti klāt cilvēka profilam.

No atpazīto cilvēku apgabaliem apstrādes bloks 70 nosaka sirdsdarbības frekvences detektējamos reģionus sekojošā veidā: no videoattēliem uzkrāto pikseļu masīva vērtībām vai to kombinācijām, izmantojot Furjē matemātisko analīzi, spektra frekvenču joslā tiek meklētas izteiktas frekvences no 0,66 - 3 Hz, jo sirdsdarbības frekvence Furjē frekvenču sadalījumā ir skaidri izteikta un ar vismaz divreiz lielāku amplitūdu nekā pārējās frekvenču komponentes.

Katram sirdsdarbības frekvences noteikšanas derīgajam reģionam (parasti vismaz 10x10 pikseļi), kura lielums ir atkarīgs no tā, lai signāla/trokšņa attiecība būtu vislielākā, tiek piekārtota sava x,y koordināte. No videosignāla attēlu sirdsdarbības frekvences noteikšanas derīgajam reģioniem apstrādes bloks 70 aprēķina katra atpazītā cilvēka sirdsdarbības frekvenci, izmantojot sekojošas metodes:

1) izmantojot Furjē matemātisko analīzi, meklējot frekvenču sadalījumā robežās no 0,66 - 3

Hz frekvenci, kurai ir maksimāla amplitūda, un izmanto formulu sirdsdarbības frekvence = 60 » Maksimālas ampliiūdes frekvence

2) no videoattēlu pikseļiem tiek izvēlētas, piem., pikseļu vērtību kombinācijas un tiek meklētas maksimālās vai minimālās PPG signāla vērtības, mērot laiku (Dt) starp divu secīgu pulsa periodu maksimālām vai minimālām vērtībām fotopletizmogrāfiskajā signālā (Fig. 2) un izmantojot formulu

(2).

Lai uzlabotu sirdsdarbības frekvences aprēķināšanas precizitāti, apstrādes bloks 70 salīdzina abu sirdsdarbības frekvenču noteikšanas metožu vērtību starpību: ja tās atšķiras vairāk nekā par 10%, tās tiek izslēgtas no turpmākās apstrādes. Tāpat ari, ja sirdsdarbības frekvences vērtības vienam cilvēkam no dažādiem sirdsdarbības frekvences noteikšanas derīgajiem reģioniem atšķiras par 10%, tās tiek izslēgtas no turpmākās apstrādes.

Vidējo sirdsdarbības frekvenci katram ierices uztveres zonā esošam cilvēkam nosaka, izmantojot formulu:

(3), kur f - sirdsdarbības frekvences tā brīža vērtība, - Audējā sirdsdarbības frekvences vērtība, n aprēķināto sirdsdarbības frekvenču apjoms.

Sirdsdarbības frekvences standarta novirzi σ katram ierices uztveres zonā esošam cilvēkam nosaka, izmantojot formulu:

σ=^Σ(ίί ~f) (4).

Sirdsdarbības frekvences variāciju koeficientu katram ierices uztveres zonā esošam cilvēkam aprēķina, izmantojot formulu:

ΰ

Ja kāda cilvēka sirdsdarbības frekvence vai tās atvasinātais parametrs pārsniedz atsevišķi iestādāmu kritisko minimālo vai maksimālo vērtību (piemēram, 180 sitieni/minūtē vai 40 sitieni/minūtē), apstrādes bloks 70 ģenerē brīdinājuma vai trauksmes signālu.

No videosignāla attēliem apstrādes bloks 70 aprēķina, vai atpazītie cilvēki pārvietojas un ar kādu ātrumu (Fig. 4), optimālais kustības ātrums < 6 km/stundā, ko nosaka starojuma jutīgā sensora 20 attēlu iegūšanas un apstrādes bloka 70 apstrādes ātrdarbība.

Aprēķinātos sirdsdarbības parametrus apstrādes bloks 70 attēlo uz grafiskā vai ciparu ekrāna 10 reālā laika režīmā.

Otra bezkontakta sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto vērtību noteikšanas metode ir līdzīga iepriekš aprakstītai, ar to atšķirību, ka apstrādes bloks 70 uz grafiskā ekrāna reālā laika režīmā atveido attēlu, ko iegūst no starojuma jutīgā sensora 20 un blakus katram atpazītajam cilvēkam dažu grafiskā ekrāna pikseļu attālumā tiek attēlota ari sirdsdarbības frekvences vai tā atvasināto parametru vērtības.

Aprakstītais izgudrojums tika izmantots sirdsdarbības frekvences monitoringam cilvēkiem, kas vingro sportā zālē. Sporta zāles apgaismojums ir 600 lx, kas ir pietiekams, lai iegūtu PPG signālus, kuru signāla/trokšņu attiecība ir vislielākā. Kad sporta zālē (izmēri 7x10 m) ienāk pirmais cilvēks un sāk sportot 5 metru attālumā no bezkontakta reģistrācijas aparāta ar tajā iebūvētu melnbalto starojuma jutīgo sensoru (kura jutība 0.3 Lux, atiecība signāls/troksnis 46 dB), apstrādes bloks reģistrē kustību un tiek atpazīts, ka starojuma jutīgā sensora uztveres zonā atrodas cilvēks, kurš uztveres zonā iepriekš nav bijis. Tiek izveidots jauns datu profils pirmo reizi atpazītajam cilvēkam. Tiek detektēts, ka sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto parametru reģistrēšanai derīgi ir cilvēka atkailinātie apgabali - piere, abu roku plaukstas un vienas kājas apakšstilbs, no šiem reģioniem tiek uzsākta sirdsdarbības parametru reģistrācija un tie tiek pierakstīti cilvēka profila datos. Tiek detektēts, ka sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto parametru reģistrēšanai derīgi ir cilvēka abu kāju augšstilbi, no šiem reģioniem sāk reģistrēt sirdsdarbības parametrus un pieraksta tos atpazītā cilvēka profilā. Turpinot sporta nodarbības, cilvēka sirdsdarbības frekvence strauji izmainās no 115 līdz 40 sitieni em/min, aparāts ģenerē trauksmes signālu.

Piedāvātā ierīce, salīdzinot ar citām ierīcēm ir ērtāka lietošanā - tā ir neinvazīva un ierīces novietojums neierobežo kustības; tā automātiski nosaka, vai apkārtējais starojums ir pietiekams, lai iegūtu kvalitatīvus un apstrādājamus PPG signālus. Ir iespējams iegūt sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto parametru vērtības vienlaicīgi gan mierā, gan kustībā esošiem vairākiem cilvēkiem.

lencē ir iebūvēta sejas vai auguma atpazīšanas sistēma, lai identificētu cilvēku un iegūtu viņa sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto parametru izmaiņu vēsturi. Ierīce ir izmantojama vienlaikus ar citām organisma fizioloģiskā stāvokļa izmeklēšanas metodēm.

Ierīce ir viegla, tādēļ to var iebūvēt citās ierīcēs, tāpat arī barošanas spriegums var tikt iegūts no uzlādējamiem akumulatoriem vai saules baterijām.

Piedāvātajai ierīcei iespējams plašs pielietojuma loks, piemēram, diagnostikai medicīnas iestādēs; fizioloģisko parametru novērošanai zīdaiņiem inkubatoros un miegā esošiem cilvēkiem; pacientiem ar ādas apdegumiem; transporta līdzekļos; āra apstākļos un telpās fitnesa zālēs; sporta sacensību laikā; masu pasākumos; drošības kontroles sistēmās lidostās (piemēram, bezkontakta veidā monitorējot straujas sirdsdarbības frekvences vērtības izmaiņas aizdomīgai izmeklējamai personai tuvojoties drošības kontrolei) u.c.

Claims

Pretenzijas

1. Fotopletizmogrāfiska ierīce (10), kas ietver:

- starojuma jutīgu sensoru (20) ar redzes loku (140) viena vai vairāku cilvēku (40)

5 elektronisku attēlu (80) iegūšanai sirdsdarbības radīto audu asins apjoma izmaiņu dinamikas novērošanai,

- distances mērītāju (130) distances mērīšanai no fotopletizmogrāfiskās ierīces (10) līdz vienam vai vairākiem cilvēkiem (40),

- distances mērītāja virzības sistēmu (120) orientācijas uzstādīšanai un izmaiņai,

10 - izvades bloku (100) elektroniskās informācijas attēlošanas nodrošināšanai un/vai signalizācijai par viena vai vairāku cilvēku (40) sirdsdarbības frekvenci un no tās atvasinātajiem parametriem,

- signālu apstrādes bloku (70), kas ar mērītāju (130), sistēmu (120), sensoru (20) un izvades bloku (100) ir savienots ar signālu nosūtīšanas un/vai apmaiņas iespēju; signālu apstrādes

15 bloks (70) ir piemērots attēlu (80) apstrādei, analīzei un saglabāšanai, kā arī pielāgots sistēmas (120) vadīšanai un signālu apstrādes rezultātu attēlošanai uz izvades bloka (100).
2. Ierīce saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka starojuma jutīgajam sensoram (20) jutīgās spektrālās joslas viļņu garums ir starp 600 nm un 1300 nm, labāk starp 650 nm un 950 nm.

20
3. Ierīce saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka starojuma jutīgais sensors (20) ir izraudzīts no grupas, kas sastāv no CMOS krāsu kameras, CCD krāsu kameras un melnbaltā attēla kameras.
4. Ierīce saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētām pretenzijām, kas atšķiras ar to, ka tā papildus ietver caur signālu apstrādes bloku (70) kontrolējamu starojuma avotu (30) sensora (20) redzes

25 lokā (140) esošo viena vai vairāku cilvēku (40) apstarošanai ar viļņu garumu, kas atrodas sensora (20) jutīgajā spektrālajā joslā.
5. Ierīce saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētām pretenzijām, kas atšķiras ar to, ka distances mērītājs (120), sensors (20) un starojuma avots (30) ir izpildīti tā, lai var nodrošināt to virzību horizontāli 0°-360° un/vai vertikāli 0°-180°.

30
6. Metode sirdsdarbības frekvences un no tās atvasināto parametru monitoringam, kas ietver šādus soļus:

i) starojuma jutīga sensora (20) ar redzes loku (140) uzstādīšana un redzes loka (140) orientēšana uz cilvēku (40) potenciālu atrašanās vietu;

ii) attēlu (80) elektroniska iegūšana ar starojuma jutīgu sensoru (20) no redzes loka (140) un to saglabāšana signālu apstrādes blokā (70);

iii) elektroniski iegūtajos attēlos (80) katra redzes lokā (140) esošā cilvēka atrašanās apgabalu reģistrēšana, apzīmējot tos ar x,y koordinātēm, pielietojot apstrādes bloku (70);

5 iv) atklātu ķermeņa apgabalu noteikšana katra redzes lokā (140) esošā cilvēka atrašanās apgabalos;

v) cilvēku atklāto ķermeņa apgabalu vairāku atstaroto konsekvento fotopletizmogrāfisko signālu datu savākšana ar signālu apstrādes bloku (70);

vi) savākto fotopletizmogrāfisko signālu datu reģistrēšana;

10 vii) sirdsdarbības frekvences un/vai no tās atvasināto parametru aprēķināšana, kļūdu novērtēšana un vērtību, kuras pārsniedz kļūdas robežas, atsijāšana.
7. Metode saskaņā ar 6. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka elektroniski iegūtos attēlus (80) apstrādes bloks (70) apstrādā, izmantojot sejas un/vai auguma atpazīšanas algoritmus.
8. Metode saskaņā ar 6. vai 7. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka pēc cilvēku sejas un/vai auguma

15 atpazīšanas bloks (70) veic katra atpazīta cilvēka datu uzkrāšanu attiecīgajā datnē.
9. Metode saskaņā ar jebkuru no 6. līdz 8. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka no atklātajiem ķermeņa apgabaliem elektroniski iegūtajos attēlos (80) apstrādes bloks (70) aprēķina katra atpazītā cilvēka sirdsdarbības frekvenci un/vai no tās atvasinātus parametrus, mērot attālumu starp diviem fotopletizmogrāfiskā signāla maksimumiem vai minumumiem.

20 10. Metode saskaņā ar jebkuru no 6. līdz 9. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka no atklātājiem ķermeņa apgabaliem elektroniski iegūtajos attēlos (80) apstrādes bloks (70) aprēķina katra atpazītā cilvēka sirdsdarbības frekvenci un/vai no tās atvasinātus parametrus, izmantojot Furjē frekvenču analīzi.

11. Metode saskaņā ar 9. un 10. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka, ja apstrādes bloka (70)

25 aprēķinātā sirdsdarbības frekvence atšķiras no Furjē frekvenču analīzē iegūtās sirdsdarbības frekvences par vairāk nekā 10%, tad tās tiek izslēgtas no turpmākās apstrādes.

12. Metode saskaņā ar jebkuru no 6. līdz 11. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka pēc katra redzes lokā (140) esošā cilvēka atrašanās apgabala reģistrēšanas, apzīmējot tos ar koordinātēm, apstrādes bloks (70) nosaka viena vai vairāku cilvēku kustības ātrumu, regulējot starojuma

30 jutīgā sensora (20) redzes loku (140), lai sekotu līdzi kustībā esošam vienam vai vairākiem cilvēkiem.

13. Metode saskaņā ar jebkuru no 6. līdz 12. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka pēc cilvēku detektēšanas monitorēšanas attālumā, nosaka attālumu līdz katram redzes lokā (140) esošam cilvēkam.

14. Metode saskaņā ar 13. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka attālumu līdz katram redzes lokā

5 (140) esošam cilvēkam aprēķina apstrādes bloks (70), izmērot attālumu no distances mērītāja (130) līdz katram redzes lokā (140) esošam cilvēkam.

15. Metode saskaņā ar jebkuru no 6. līdz 14. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka, ja kāda cilvēka sirdsdarbības frekvence vai tās atvasinātais parametrs pārsniedz atsevišķi iestādāmu kritisko minimālo vai maksimālo vērtību, apstrādes bloks (70) ģenerē brīdinājuma vai trauksmes
10 signālu.