用于確定對象的生命體征的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于確定對象的生命體征的設備和方法。尤其是，本發明涉及非侵擾光學測量方法，所述非侵擾光學測量方法能夠用于檢測諸如人或動物的所觀測的對象中的生命體征。在該背景下，光學測量涉及遠程光電體積描記術(R-PPG)。
【背景技術】
[0002]人的生命體征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者血氧飽和度，用作人的當前狀態的指標并且用作嚴重醫學事件的強大預測器。出于該原因，生命體征在住院患者和門診患者護理設置中，在家或者在進一步健康、休閑和健身設置中廣泛地被監測。
[0003]測量生命體征的一種方式是體積描記術。體積描記術通常涉及對器官或身體部分的體積改變的測量，并且尤其涉及對由于隨每個心跳穿過對象的身體的心血管脈搏波的體積改變的檢測。
[0004]光電體積描記術(PPG)是評估感興趣區或者感興趣體積的光反射率或者透射的時變改變的光學測量技術。PPG基于這樣的原理:血液與周圍組織相比吸收更多光，因此血液體積中的隨著每個心跳的變化對應地影響透射或者反射率。除關于心率的信息之外，PPG波形能夠包括可歸因于諸如呼吸的另外的生理現象的信息。通過評估在不同波長(通常是紅色或者紅外的)處的透射率和/或反射率，血氧飽和度能夠被確定。
[0005]用于測量對象的心率和(動脈)血氧飽和度(也被稱為Sp02)的常規脈搏血氧計被附著到對象的皮膚，例如被附著到手指端部、耳垂或者額頭。因此，它們被稱為“接觸式”PPG設備。典型的脈搏血氧計包括作為光源的紅色LED和紅外LED以及用于檢測已經被發射通過患者組織的光的一個光電二極管。市場上可購得的脈搏血氧計在紅色波長處的測量與紅外波長處的測量之間快速切換，并且因此在兩個不同波長處測量組織的相同區或者體積的透射率。這被稱為時分復用。在每個波長處的關于時間的透射率給出針對紅色和紅外波長的PPG波形。盡管接觸式PPG被視為基本上是非侵入技術，但是接觸式PPG測量常常被體驗為是不舒適的，這是由于脈搏血氧計被直接附著到對象并且任何線纜限制運動的自由。
[0006]最近，用于非侵擾測量的非接觸式、遠程PPG(R-PPG)設備已經被引進。遠程PPG利用被設置為遠離感興趣對象的光源，或者一般而言，輻射源。類似地，檢測器，例如相機或者相片檢測器，也能夠被設置為遠離感興趣對象。因此，遠程光電體積描記術系統和設備被視為非侵擾的并且非常適于醫學以及非醫學日常應用。然而，遠程PPG設備通常實現較低的信噪比。
[0007]Verkruysse 等人 的“Remote plethysmographic imaging using ambientlight，，，Optics Express，16 (26)，第 21434-21445 頁(2008 年 12 月 22 日)證明能夠使用環境光和常規消費者水平攝像機來測量光電體積描記信號。
[0008]Wieringa 等人的 “Contactless Multiple Wavelength PhotoplethysmographicImaging: A First Step Toward〃Sp02Camera〃Technology，，，Ann.B1med.Eng.，33，1034-1041 (2005)公開了一種用于基于對在不同波長處的光電體積描記信號的測量來對組織中的動脈氧飽和度進行非接觸式成像的遠程PPG系統。所述系統包括單色CMOS相機以及具有三個不同波長的LED的光源。相機順序地采集在三個不同波長處的對象的三個影片。能夠根據在單個波長處的影片確定脈搏率，然而為確定氧飽和度需要在不同波長處的至少兩個影片。所述測量在暗室中執行，每次使用僅一個波長。
[0009]使用遠程PPG技術，能夠根據提供圖像幀的時間序列的攝像機信號來測量生命體征，因為其由皮膚中的微小光吸收改變所反映，所述微小光吸收改變由搏動的血液體積所引起。因為該信號非常小并且隱藏在由于照明改變和運動的更加大得多的變化中，所以存在對改進從根本上低的信噪比(SNR)的一般興趣。還有針對劇烈運動、挑戰性環境照明狀況或者高要求的應用準確性的需求情況，其中，需要遠程PPG設備及方法的改進的魯棒性。例如，可靠區分具有低SNR的脈搏信號與由相同的成像單元(相機)采集的其他周期信號是特殊挑戰。這些噪聲信號可以具有在與心跳信號相同的范圍中的幅度和頻率，并且因此可以與真實心跳信號混淆。
[0010]當將R-PPG技術應用在醫療保健應用中時，具有對真實心跳信號的漏檢以及所述真實心跳信號的與噪聲的混淆的這樣的情況能夠導致嚴重問題。例如，人的健康狀況的快速惡化能夠被忽視，這是由于對微弱脈搏信號的漏檢。因此，存在對用于可靠分辨在利用R-PPG基于相機的技術的HR監測期間的脈搏信號與具有類似的時間和頻率特性的其他噪聲信號的方法的需要。
[0011]EP 2546780A1公開了一種實現遠程光電體積描記分析的方法。所述方法包括:從至少一個相機獲得圖像的序列，每幅由表示在至少限制的波長范圍中的反射的環境光的像素數據來表示；并且針對至少一個測量區，提供表示在測量區中的至少多個圖像點處的像素值的組合的時變值中的至少變化的信號，以在確定生理參數的至少一個值時使用。在圖像的序列中表示的所選擇的對象的至少部分被跟蹤，并且照射所選擇的對象的至少部分的可引導光源被控制。
[0012]US 2011/0311143 Al公開了一種控制設備的功能的方法。所述方法包括獲得在時間上相繼的點處獲拍攝的數字圖像的序列。包括多個圖像點的至少一個測量區被選擇。針對至少一個測量區，表示在至少多個圖像點處的像素值的組合的時變值中的至少變化的信號被獲得，并且相對于比較數據的它的頻譜的至少感興趣范圍內的信號的至少一個特性被確定。確定包括以下中的至少一個:(i)確定信號是否具有帶在將比較頻率匹配到特定準確性的頻率處的局部最大值的頻譜；以及(ii)確定信號的至少特定頻率分量是否在特定準確性下與比較信號同相。依賴于確定是否為正來控制所述功能。
[0013]US 2009/0141124 Al公開了一種用于根據被動熱視頻測量脈搏和呼吸率的系統。所述系統包括輪廓分割和跟蹤、感興趣信息像素的聚類以及魯棒性主頻分量估計。輪廓分割用于對要測量的血管區域進行定位，在這之后，在附近區域中的全部像素基于分割的位置在幀上被對準并且在每個幀中縮放。空間濾波然后被執行以移除與心跳無關的噪聲，并且然后在對應于每個對準的像素的時間信號上執行非線性濾波。每個像素的信號譜然后被饋送到用于異常值移除的聚類算法。最大聚類中的像素然后用于對主頻進行投票，并且主頻的中值被輸出為脈搏率。
【發明內容】
[0014]本發明的目的是提供一種改進的設備和方法，用于確定具有增加的信噪比的對象的生命體征，尤其是允許可靠地在心率信號與具有類似的時間和頻率特性的其他噪聲信號之間進行分辨。
[0015]在本發明的第一方面中，提出了一種用于確定對象的生命體征的設備，所述設備包括:
[0016]-接口，其用于接收根據從包括所述對象的皮膚區的感興趣區域反射的檢測到的電磁輻射導出的數據流，所述數據流包括針對所述感興趣區域的多個皮膚像素區的一個或多個皮膚像素的每皮膚像素區的數據信號，數據信號表示隨時間的從各自的皮膚像素區反射的所述檢測到的電磁輻射，
[0017]-分析器，其用于分析在一個或多個波長范圍中的一個或多個數據信號的空間和/或光學性質，
[0018]-處理器，其用于基于在所述皮膚區內的皮膚像素區的所述數據信號，來確定所述對象的生命體征信息信號，以及
[0019]-后處理器，其用于根據所述生命體征信息信號來確定期望的生命體征，
[0020]其中，所確定的空間和/或光學性質由所述處理器用于確定所述生命體征信息信號，和/或由所述后處理器用于確定期望的生命體征。
[0021]在本發明的又一方面，提出了一種用于確定對象的生命體征的對應的方法。
[0022]在本發明的又一方面，提出了一種用于確定對象的生命體征的對應的系統，所述系統包括:
[0023]-成像單元，其用于檢測從包括對象的皮膚區的感興趣區域反射的電磁輻射以獲得數據流，所述數據流包括針對所述感興趣區域的多個皮膚像素區的一個或多個皮膚像素的每皮膚像素區的數據信號，數據信號表示隨時間的從各自的皮膚像素區反射的所檢測到的電磁輻射，
[0024]-用于接收所述數據流，并且用于根據所述數據流來確定對象的生命體征的設備。
[0025]在本發明的又一個方面中，提供了一種包括程序代碼模塊的計算機程序，所述程序代碼模塊用于，當所述計算機程序在計算機上執行時，令所述計算機執行所述方法的步驟，并且提供了一種在其中存儲有計算機程序產品非暫態計算機可讀記錄介質，所述計算機程序產品當由計算機處理器運行時，令本文公開的方法被執行。
[0026]本發明的優選實施例定義在從屬權利要求中。應當理解，請求保護的方法、系統、計算機程序和介質與請求保護的并且如在從屬權利要求中定義的設備具有相似和/或相同的優選實施例。
[0027]針對基于相機的HR檢測的許多已知的方法和設備基于這樣的假設，即脈搏信號是由相機檢測到的僅周期性信號，而噪聲(例如，由運動或照明改變引起的)基本上是非周期性信號。有時，真實脈搏信號與噪聲之間的區分是基于幅度分析(心跳信號被希望在特定幅度范圍中)實現的。此外，通常進行這樣的假設:心跳信號總是存在于監測的對象中，并且然后算法應當僅找到周期性信號，所述周期性信號將是心跳。然而，已經發現，這樣的假設在“現實生活”