用于從視頻確定呼吸速率的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于從呼吸功能受到監(jiān)視的個(gè)體的視頻確定呼吸速率的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 監(jiān)視患者呼吸速率在對(duì)例如急性呼吸衰竭和肺部疾病等潛在致命呼吸事件的早 期檢測(cè)中具有臨床重要性。當(dāng)前技術(shù)要求靜止的患者跨他們的胸部佩戴感測(cè)裝置（例如， 胸帶）以便能夠估計(jì)呼吸測(cè)量值。此要求可導(dǎo)致不適、心理依賴和尊嚴(yán)的喪失。老年患者 和患有慢性疾病的患者更有可能遭受監(jiān)視的此類負(fù)面影響。本發(fā)明特別針對(duì)于為此作出的 努力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 所揭不的是一種用于從呼吸功能受到監(jiān)視的個(gè)體的視頻確定呼吸速率的系統(tǒng)和 方法。本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例涉及以下內(nèi)容。首先，接收個(gè)體的視頻。所述視頻包括 所述個(gè)體的身體的關(guān)注區(qū)的多個(gè)時(shí)間連續(xù)圖像幀，其中可以通過(guò)視頻成像裝置的至少一個(gè) 成像通道記錄對(duì)應(yīng)于呼吸的信號(hào)。隨后從每一圖像幀中從關(guān)注區(qū)提取像素的特征，且由所 提取的特征形成向量。每一圖像幀具有相關(guān)聯(lián)的特征向量。特征向量可以包括（例如）強(qiáng) 度分量、位置分量或運(yùn)動(dòng)分量。其后，構(gòu)建長(zhǎng)度N的循序連續(xù)特征向量的NXM視頻矩陣，其 中所述視頻矩陣中的總列數(shù)M對(duì)應(yīng)于在其間確定個(gè)體的呼吸速率的持續(xù)時(shí)間。處理所述視 頻矩陣以獲得本征向量矩陣，其中所述本征向量矩陣包括通過(guò)使用單一值分解計(jì)算平均值 和協(xié)方差矩陣所獲得的標(biāo)準(zhǔn)正交向量。本征向量矩陣使得歸因于與個(gè)體的呼吸相關(guān)聯(lián)的運(yùn) 動(dòng)而引起的變化主軸包含在第一少數(shù)本征向量中。選擇第一少數(shù)本征向量中的一個(gè)，且隨 后從所述選定的本征向量提取個(gè)體的呼吸速率。在此處的一個(gè)實(shí)施例中，從所述選定的本 征向量提取呼吸速率涉及產(chǎn)生所述選定的本征向量的功率譜密度曲線，并識(shí)別所述功率譜 密度曲線內(nèi)的具有最高信號(hào)強(qiáng)度的頻率。所識(shí)別的頻率是個(gè)體的呼吸速率。隨后將個(gè)體的 呼吸速率傳送到顯示裝置。如果個(gè)體的呼吸速率不在正常范圍內(nèi)，那么可以發(fā)起警告和/ 或可以用信號(hào)通知醫(yī)療專業(yè)人員?？梢詫?shí)時(shí)地從個(gè)體的串流視頻處理本發(fā)明的方法，使得 可以連續(xù)地確定呼吸速率。
[0004] 上述方法的特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下詳細(xì)描述和附圖而變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 通過(guò)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述可以明白本文中揭示的標(biāo)的物的前述及其它 特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中：
[0006] 圖1示出了成年人的前（前面）視圖及后（后面）視圖兩者；
[0007] 圖2示出了捕獲圖1的個(gè)體的關(guān)注區(qū)的圖像幀的視頻成像裝置；
[0008] 圖3是說(shuō)明用于從個(gè)體的視頻確定呼吸速率的本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例的 流程圖；
[0009] 圖4是圖3的流程圖的接續(xù)部分，其中流程處理相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A繼續(xù)；
[0010] 圖5說(shuō)明用于實(shí)施如相對(duì)于圖3和4的流程圖所描述的本發(fā)明方法的各種方面的 一個(gè)實(shí)例視頻處理系統(tǒng)的框圖；以及
[0011] 圖6示出了針對(duì)三個(gè)個(gè)體中的每一個(gè)所產(chǎn)生的本征向量和所得的周期圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 所揭不的是一種用于從呼吸功能受到監(jiān)視的個(gè)體的視頻確定呼吸速率的系統(tǒng)和 方法。
[0013] 非限制性定義
[0014] "個(gè)體"是指正受到監(jiān)視以確定呼吸速率的生物。雖然可貫穿本發(fā)明使用術(shù)語(yǔ)"人" 或"患者"，但應(yīng)了解，個(gè)體可以是除人類之外的某物，例如靈長(zhǎng)類動(dòng)物。因此，此類術(shù)語(yǔ)的使 用將不被視為將所附權(quán)利要求書(shū)的范圍嚴(yán)格地限制于人類。
[0015] -般理解的"視頻"是個(gè)體的一個(gè)或多個(gè)關(guān)注區(qū)的所捕獲圖像幀的時(shí)變序列，其中 可以通過(guò)用于捕獲所述視頻的視頻成像裝置的至少一個(gè)成像通道記錄對(duì)應(yīng)于呼吸的信號(hào)。 應(yīng)了解，視頻還可含有其它分量，例如音頻、時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)、幀速率及類似者。視頻由視頻成 像裝置捕獲。
[0016] "視頻成像裝置"是指用于獲取視頻的單通道或多通道攝像機(jī)。視頻成像裝置包含 彩色（RGB)攝像機(jī)。視頻成像裝置可具有多個(gè)輸出，可以從所述輸出檢索視頻或以其它方 式基于每一通道接收視頻，且視頻成像裝置可并入一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)裝置和處理器 以用于執(zhí)行用于根據(jù)此處的教示來(lái)處理和分析視頻的機(jī)器可讀程序指令。由視頻成像裝置 捕獲的視頻經(jīng)處理以隔離一個(gè)或多個(gè)關(guān)注區(qū)。
[0017] 個(gè)體的"關(guān)注區(qū)"是指?jìng)€(gè)體的身體的區(qū)的至少局部視圖（其通過(guò)視頻成像裝置的 光圈看到），其中可以通過(guò)視頻成像裝置的至少一個(gè)成像通道記錄呼吸信號(hào)。這些區(qū)是歸因 于呼吸期間胸部的擴(kuò)展及收縮而移動(dòng)的區(qū)。身體區(qū)包含前胸區(qū)、胸區(qū)的側(cè)視圖、背側(cè)身體的 背面區(qū)、以及面部區(qū)。圖1示出了成年人的前（前面）視圖101以及后（后面）視圖102。 在圖1的實(shí)施例中，關(guān)注區(qū)103和104分別勾勒出個(gè)體的前胸區(qū)和后胸區(qū)，其中可以通過(guò)視 頻成像裝置獲取呼吸信號(hào)。關(guān)注區(qū)可用被單或一件衣服遮蓋。在視頻圖像幀中隔離關(guān)注區(qū) 以用于處理。
[0018] 可以使用圖像處理領(lǐng)域中完善的大量技術(shù)中的任一種以多種方式實(shí)現(xiàn)"隔離關(guān)注 區(qū)"?？梢允褂脠D像處理技術(shù)在圖像幀中隔離像素，所述圖像處理技術(shù)例如為基于色彩、紋 理、空間特征、光譜信息、物體識(shí)別（例如面部或胸區(qū)辨識(shí)、圖案辨識(shí)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)）的像素分 類。還可以通過(guò)用戶選擇在圖像幀中識(shí)別與關(guān)注區(qū)相關(guān)聯(lián)的像素以用于處理。例如，在系 統(tǒng)設(shè)置和配置期間，技術(shù)員可使用鼠標(biāo)或觸摸屏顯示器以圍繞個(gè)體的所顯示視頻的一個(gè)或 多個(gè)區(qū)域手動(dòng)地繪制拖引線框，進(jìn)而界定一個(gè)或多個(gè)關(guān)注區(qū)，其邊界被存儲(chǔ)且用于隔離這 些區(qū)。從所隔離的關(guān)注區(qū)中的像素獲得特征。
[0019] "特征向量"含有從處理所關(guān)注的隔離區(qū)中的像素獲得的特征。包括特征向量的特 征包含像素強(qiáng)度值、圖像幀中的像素位置以及一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)分量，例如相鄰幀之間的像 素移動(dòng)量。如果用于捕獲個(gè)體的視頻的視頻成像裝置是具有紅色、綠色及藍(lán)色（RGB)通道 的彩色攝像機(jī)，那么可以基于每一像素從成像聲道中的任一個(gè)或其組合獲得包括特征向量 的強(qiáng)度分量。一個(gè)或多個(gè)關(guān)注區(qū)中的像素可以根據(jù)特征以及它們的所計(jì)算的平均值或更高 階統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而進(jìn)行分組。強(qiáng)度分量還可以是來(lái)自給定關(guān)注區(qū)中的RGB通道中的每一個(gè)的像 素值的代數(shù)和。可在空間上對(duì)像素進(jìn)行濾波以減小噪聲。使用長(zhǎng)度N的時(shí)間上連續(xù)的特征 向量構(gòu)建NXM矩陣，其中所述視頻矩陣中的總共M列對(duì)應(yīng)于在其間確定個(gè)體的呼吸速率的 持續(xù)時(shí)間和視頻幀率。處理所述NXM視頻矩陣以獲得本征向量矩陣。
[0020] "本征向量"（來(lái)自德語(yǔ)表示"唯一"或"特有的"字本征）是與線性方程組（即， 矩陣方程）相關(guān)聯(lián)的一組特殊向量，有時(shí)也被稱作特性向量、恰當(dāng)向量或潛在向量。系統(tǒng)的 本征向量和本征值的確定在物理學(xué)及工程技術(shù)中是極其重要的，其中其等效于矩陣對(duì)角化 且出現(xiàn)在例如穩(wěn)定性分析、旋轉(zhuǎn)主體的物理學(xué)和振動(dòng)系統(tǒng)的小振蕩（僅舉幾個(gè)例子）等普 通應(yīng)用中。每一本征向量與對(duì)應(yīng)的所謂的本征值配對(duì)。將矩形矩陣A分解為本征值和本 征向量在此項(xiàng)工作中被稱為本征分解，且以下事實(shí)被稱為本征分解定理：只要矩陣A是矩 形，此分解就始終可能。矩形矩陣A的本征向量是非零向量V，當(dāng)所述矩陣乘以V時(shí)，其得 到V的恒定倍數(shù)，后一乘數(shù)通常由λ表示，其中Av= λ v。數(shù)λ常常被稱作對(duì)應(yīng)于￥的八 的本征值。矩陣（或線性算子）的所述組所有本征向量（每一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的本征值配對(duì)） 被稱為所述矩陣的本征系統(tǒng)。本征向量的任何倍數(shù)也是本征向量，其具有相同的本征值。 矩陣的本征空間是具有相同本征值的所述組所有本征向量，連同零向量。矩陣的本征基礎(chǔ) 是由所述矩陣的線性獨(dú)立的本征向量組成的所述組所有向量的任何基礎(chǔ)。不是每個(gè)矩陣 都具有本征基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)上，存在左本征向量及右本征向量。然而，對(duì)于許多問(wèn)題，僅考慮右 本征向量就足夠。因此，不具有"左"或"右"限制條件的術(shù)語(yǔ)本征向量一般理解為是指右 本征向量。讀者可閱讀《矩陣的本征值（Eigenvalues of Matrices)》，弗朗索瓦絲.查特 蘭（.Fmnpoise Chatelin)，工業(yè)社會(huì)及應(yīng)用數(shù)學(xué)（Society for Industrial and Applied Mathematics)，（2012)，ISBN-13:978-1611972450 ;以及《物理學(xué)家的數(shù)學(xué)方法，第七版： 全面指導(dǎo)（Mathematical Methods for Physicists, Sevent