用于提取生理信息的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于從透射通過(guò)或反射自諸如人或動(dòng)物的對(duì)象的檢測(cè)到的電磁輻射 提取指示對(duì)象的至少一個(gè)生命體征的生理信息的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人的生命體征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者動(dòng)脈血氧飽和度，用作人的當(dāng)前狀 態(tài)的指標(biāo)并且用作嚴(yán)重醫(yī)學(xué)事件的強(qiáng)大預(yù)測(cè)器。出于這種原因，生命體征在住院患者和門(mén) 診患者護(hù)理設(shè)置中，在家或者在進(jìn)一步健康、休閑和健身設(shè)置中廣泛地被監(jiān)測(cè)。
[0003] 測(cè)量生命體征的一種方式是體積描記術(shù)。體積描記術(shù)通常涉及對(duì)器官或身體部分 的體積變化的測(cè)量，并且尤其涉及對(duì)由于隨每個(gè)心跳穿過(guò)對(duì)象的身體的心血管脈搏波的體 積變化的檢測(cè)。
[0004] 光電體積描記術(shù)(PPG)是評(píng)估感興趣區(qū)或者感興趣體積的光反射率或者透射的時(shí) 變變化的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。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(gè)心跳的改變對(duì)應(yīng)地影響透射或者反射率。除關(guān)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(xiàn)象的信息。通過(guò)評(píng)估在不同波長(zhǎng)(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(cè)量對(duì)象的心率和(動(dòng)脈)血氧飽和度(也被稱為Sp02)的常規(guī)脈搏血氧計(jì)(在 本文中也被稱為接觸式PPG)被附著到對(duì)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(shè)備。典型的脈搏血氧計(jì)包括作為光源的紅色LED和紅外LED 以及用于檢測(cè)已經(jīng)被發(fā)射通過(guò)患者組織的光的一個(gè)光電二極管。市場(chǎng)上可購(gòu)得的脈搏血氧 計(jì)在紅色波長(zhǎng)處的測(cè)量與紅外波長(zhǎng)處的測(cè)量之間快速切換，并且因此在兩個(gè)不同波長(zhǎng)處測(cè) 量組織的相同區(qū)或者體積的透射率。這被稱為時(shí)分復(fù)用。在每個(gè)波長(zhǎng)處的關(guān)于時(shí)間的透射 率給出針對(duì)紅色和紅外波長(zhǎng)的PPG波形。盡管接觸式PPG被視為基本上是非侵入技術(shù)，但是 接觸式PPG測(cè)量常常被體驗(yàn)為是不舒適的和侵?jǐn)_的，這是由于脈搏血氧計(jì)被直接附著到對(duì) 象并且任何線纜限制運(yùn)動(dòng)的自由并且可能阻礙工作流程。
[0006] 脈搏信號(hào)和氧飽和度水平(SP02)的快速和可靠的檢測(cè)和分析在許多醫(yī)療保健應(yīng) 用中是最重要的活動(dòng)之一，如果患者處于危急狀況下，這變得至關(guān)重要。在這些情況下，心 臟跳動(dòng)信號(hào)的搏動(dòng)性是非常微弱的，并且因此，測(cè)量容易受到任何種類的偽影的損害。
[0007] 現(xiàn)代光電體積描記法傳感器在緊急情況下并不總是提供快速和可靠的測(cè)量。例 如，接觸式手指脈搏血氧計(jì)(基于透射PPG的）容易受到手的運(yùn)動(dòng)的影響，并且在由于身體外 圍上的較低的血液量的患者的集中的情況下失效。接觸前額脈搏血氧計(jì)傳感器(使用反射 PPG測(cè)量模式的)被假設(shè)為對(duì)于集中響應(yīng)更魯棒。然而，前額傳感器的準(zhǔn)確度、魯棒性和響應(yīng) 性非常依賴于傳感器在前額上的正確定位以及施加到皮膚上的適當(dāng)?shù)膲毫Γ▊鞲衅魈o施 加可能降低局部血液脈動(dòng)性，太松施加可能導(dǎo)致由于運(yùn)動(dòng)偽影和/或靜脈脈動(dòng)性引起的不 可靠的測(cè)量）。
[0008] 最近，用于非侵?jǐn)_測(cè)量的非接觸式、遠(yuǎn)程PPG(R-PPG)設(shè)備(在本文中也被稱為相機(jī) rPPG設(shè)備）已經(jīng)被引進(jìn)。遠(yuǎn)程PPG利用被設(shè)置為遠(yuǎn)離感興趣對(duì)象的光源，或者一般而言，輻射 源。類似地，檢測(cè)器，例如相機(jī)或者相片檢測(cè)器，也能夠被設(shè)置為遠(yuǎn)離感興趣對(duì)象。因此，遠(yuǎn) 程光電體積描記術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備被視為非侵?jǐn)_的并且非常適于醫(yī)學(xué)以及非醫(yī)學(xué)日常應(yīng)用。然 而，遠(yuǎn)程PPG設(shè)備通常實(shí)現(xiàn)較低的信噪比。
[0009] Verkruysse等人的 "Remote plethysmographic imaging using ambient light"，Optics Express，16(26)，第21434-21445頁(yè)（2008年 12月22日）證明能夠使用紅色、 綠色和藍(lán)色顏色通道使用環(huán)境光和常規(guī)消費(fèi)者水平相機(jī)來(lái)測(cè)量光電體積描記信號(hào)。
[0010] Wieringa等人的 "Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging:A First Step Toward〃Sp02 Camera〃Technology"，Ann.Biomed.Eng.，33，1034-1041(2005)公開(kāi)了一種用于基于對(duì)在不同波長(zhǎng)處的光電體積描記信號(hào)的測(cè)量來(lái)對(duì)組織中 的動(dòng)脈氧飽和度進(jìn)行非接觸式成像的遠(yuǎn)程PPG系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括單色CMOS相機(jī)以及具有 三個(gè)不同波長(zhǎng)的LED的光源。相機(jī)順序地采集在三個(gè)不同波長(zhǎng)處的對(duì)象的三個(gè)影片。能夠根 據(jù)在單個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)處的至少兩個(gè)影 片。所述測(cè)量在暗室中執(zhí)行，每次使用僅一個(gè)波長(zhǎng)。
[0011] 使用PPG技術(shù)，能夠來(lái)測(cè)量生命體征，其由皮膚中的微小光吸收變化所揭示，所述 微小光吸收變化由搏動(dòng)的血液體積所引起，即由通過(guò)血液體積搏動(dòng)誘發(fā)的人皮膚的周期性 顏色變化所引起。因?yàn)樵撔盘?hào)非常小并且隱藏在由于照明變化和運(yùn)動(dòng)的更加大得多的改變 中，所以存在對(duì)改進(jìn)根本低信噪比（SNR)的一般興趣。仍然有針對(duì)劇烈運(yùn)動(dòng)、挑戰(zhàn)性環(huán)境照 明狀況或者高要求的應(yīng)用準(zhǔn)確性的需求情況，其中，要求生命體征測(cè)量設(shè)備和方法的改進(jìn) 的魯棒性和準(zhǔn)確性，尤其是為了更危急的醫(yī)療保健應(yīng)用。
[0012] 通常，從至少兩個(gè)顏色（有時(shí)包括紅外光）通道的動(dòng)態(tài)改變的混合來(lái)得到生命體 征?；旌夏軌虮话l(fā)現(xiàn)使用各種技術(shù)，諸如盲源分離技術(shù)和選擇算法，或者利用能量最小化， 其將在除了由血液吸收譜確定的預(yù)先定義的顏色方向之外的所有中的信號(hào)能量最小化。這 樣的方法是例如在G.de Haan和V.Jeanne的 "Robust pulse-rate from chrominance-based rPPG"（IEEE Transactions on Biomedical Engineering,Vol.60,No.10,2013^10 月，第2878-2886頁(yè)）中所描述的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種用于從所檢測(cè)的電磁輻射提取指示對(duì)象的至少一個(gè)生 命體征的生理信息的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，其提供(一個(gè)或多個(gè))所獲得的生命體征的增加的 SNR、準(zhǔn)確度和可靠性。
[0014] 在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種用于從所檢測(cè)的透射通過(guò)或反射自對(duì)象的電 磁輻射提取指示對(duì)象的至少一個(gè)生命體征的生理信息的設(shè)備，所述設(shè)備包括：
[0015] -輸入接口，其用于接收從所檢測(cè)的透射通過(guò)或反射自對(duì)象的皮膚區(qū)域的電磁輻 射導(dǎo)出的檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流，其中，所述檢測(cè)數(shù)據(jù)包括表示各自的波長(zhǎng)部分的至少兩個(gè)信 號(hào)通道中的波長(zhǎng)相關(guān)的反射或透射信息，
[0016] -信號(hào)混合器，其用于將所述至少兩個(gè)信號(hào)通道動(dòng)態(tài)混合為至少一個(gè)混合信號(hào)，
[0017] -處理器，其用于從所述至少一個(gè)混合信號(hào)導(dǎo)出指示至少一個(gè)生命體征的生理信 息，以及
[0018] -控制器，其用于控制所述信號(hào)混合器以限制被混合為至少一個(gè)混合信號(hào)的所述 至少兩個(gè)信號(hào)通道的相對(duì)貢獻(xiàn)，和/或限制所述相對(duì)貢獻(xiàn)被允許動(dòng)態(tài)地變化的變化率。
[0019] 在本發(fā)明的另外的方面中，提出了一種用于從所檢測(cè)的透射通過(guò)或反射自對(duì)象的 電磁輻射提取指示對(duì)象的至少一個(gè)生命體征的生理信息的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0020] -檢測(cè)器，其用于檢測(cè)透射通過(guò)或反射自對(duì)象的皮膚區(qū)域的電磁輻射，并且用于從 所檢測(cè)的電磁輻射導(dǎo)出檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中，所述檢測(cè)數(shù)據(jù)包括表示各自的波長(zhǎng)部分的至少兩 個(gè)信號(hào)通道中的波長(zhǎng)相關(guān)的反射或透射信息，以及
[0021] -如本文公開(kāi)的設(shè)備，其用于從所述檢測(cè)數(shù)據(jù)提取生理信息。
[0022] 在本發(fā)明的又一方面中，提供了一種對(duì)應(yīng)的方法、一種包括程序代碼模塊的計(jì)算 機(jī)程序，所述程序代碼模塊用于當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行 本文公開(kāi)的方法的步驟，提供了一種在其上存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄 介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品當(dāng)由處理器運(yùn)行時(shí)，令所本文所公開(kāi)的方法被執(zhí)行。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例定義在從屬權(quán)利要求中。應(yīng)當(dāng)理解，請(qǐng)求保護(hù)的方法、系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)程序和介質(zhì)與請(qǐng)求保護(hù)的并且在如從屬權(quán)利要求中定義的設(shè)備具有相同的優(yōu)選實(shí) 施例。
[0024]發(fā)明人已經(jīng)觀察到，用于從所檢測(cè)的電磁輻射獲得生命體征的已知方法主要(或 甚至僅)在通常由對(duì)象的運(yùn)動(dòng)引起的最低水平失真的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的混合物。在非常靜 止的對(duì)象中，由不穩(wěn)定的混合，直觀地相反地，生命體征的SNR下降。本發(fā)明旨在改進(jìn)生命體 征的SNR，尤其是在這些接近于靜止的情況下。
[0025] 本發(fā)明基于這樣的想法，即限制混合和/或其變化率，尤其是當(dāng)在顏色通道或?qū)С?的信號(hào)中觀察到低能量時(shí)，如在實(shí)施例中所提出的。限制變化率具有仍然允許所有可能的 混合的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明同樣適用于各種或者甚至全部已知的用于獲得(一個(gè)或多個(gè))混合信號(hào) 的方法，例如，使用諸如主分量分析(PCA)或獨(dú)立分量分析（ICA)的盲源分離(BSS)的方法、 如G.de Haan等人的在上面提及的文章中所公開(kāi)的基于色度信號(hào)的方法（CHRO-方法 (CHR0M))、基于全維的但是預(yù)先定義的一個(gè)的能量最小化的方法(也被稱為I 3BV-方法），以 及使用來(lái)自PBV或CHRO的