用于遠程光體積描記法的自動相機調(diào)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于獲得對象的生命體征的設(shè)備和方法。尤其地，本發(fā)明涉及能夠用 于檢測諸如人或動物的被觀察的對象中的生命體征的非干擾性光學(xué)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人的生命體征，例如，心率(HR)、呼吸率(RR)或血氧飽和度，充當(dāng)人的當(dāng)前狀態(tài)的 指示物并且能夠被用作醫(yī)學(xué)事件的預(yù)測物。出于這種原因，生命體征在住院患者護理環(huán)境 和門診患者護理環(huán)境中，在家或者在另外的健康、休閑和健身環(huán)境中得到廣泛地監(jiān)測。
[0003] 測量生命體征的一種方式是體積描記法。體積描記法通常指對器官或身體部分的 體積變化的測量，并且尤其指對因隨著每一次心跳行進通過對象的身體的心血管脈搏波引 起的體積變化的檢測。光體積描記法(PPG)是評價感興趣區(qū)或體積的光反射或光透射的時 變變化的光學(xué)測量技術(shù)。PPG基于以下原理：即，血液比周圍組織吸收更多的光，因此血液體 積隨著每一次心跳的變化相應(yīng)地影響透射或反射。除了關(guān)于心率的信息以外，PPG波形(也 被稱為PPG信號）能夠包括可歸因于諸如呼吸的另外的生理現(xiàn)象的信息。通過評價在不同波 長(通常為紅色和紅外)處的透射率和/或反射率，能夠確定血氧飽和度。常規(guī)的脈搏血氧計 通常被附著到對象的皮膚。因此，它們被稱為"接觸式" PPG設(shè)備。
[0004] 最近，已經(jīng)推出了用于非干擾性測量的非接觸式遠程PPG(RPPG)設(shè)備。遠程PPG利 用被遠離感興趣對象設(shè)置的光源，或者通常為輻射源。類似地，諸如相機或光探測器的探測 器也能夠被設(shè)置為遠離感興趣對象。因此，遠程PPG系統(tǒng)和設(shè)備被認(rèn)為是非干擾性的，并且 非常適合于醫(yī)學(xué)日常應(yīng)用以及非醫(yī)學(xué)日常應(yīng)用。
[0005] Verkruysse等人的 "Remote plethysmographic imaging using ambient light" (Optics Express，第16卷，第26期，第21434-21445頁，2008年12月22日）展示了能夠使用周 圍環(huán)境光和常規(guī)消費者水平的視頻相機來遠程測量光體積描記信號。基于相機的生命體征 監(jiān)測優(yōu)于在體傳感器的主要優(yōu)點之一是高易用性:不需要附著傳感器，僅使相機瞄準(zhǔn)對象 的皮膚/胸部是足夠的。基于相機的生命體征監(jiān)測優(yōu)于在體傳感器的另一優(yōu)點是用于實現(xiàn) 運動魯棒性的潛力:相機具有顯著的空間分辨率，而接觸式傳感器大多包括單元件檢測器。
[0006] 由于基于相機的生命體征監(jiān)測是通過仔細分析皮膚顏色的非常細微的變化來執(zhí) 行的，因此其高度取決于相機傳感器捕獲這些變化的能力。對于該技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是 在低光環(huán)境中或者在范圍為從全太陽光到夜間臥室光水平的變化的環(huán)境照明狀況下能夠 提供魯棒的測量。因此，相機靈敏度是該過程中的關(guān)鍵問題。通常，視頻信號在模擬域中被 捕獲然后被數(shù)字化。針對RPPG的感興趣信號，即，光強度或亮度的變化，通常是微弱的（為 0.25LSB的量級），尤其是當(dāng)商業(yè)可獲得的相機被使用時或者當(dāng)周圍照明狀況相當(dāng)微弱時。 因此，在模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換步驟期間由于所捕獲的圖像信號中的噪聲而存在完全丟失信號（即， 相關(guān)信息）的高可能性。
[0007] 在US 2010/0066849 A1中，描述了圖像處理方法和設(shè)備。所提出的方法和設(shè)備允 許捕獲場景的內(nèi)容，基于像素的測得的亮度值來確定針對表示場景的像素的分箱樣式，并 且使用該分箱樣式來捕獲圖像的內(nèi)容。這樣的方法可以允許以較低的分辨率為代價來降低 相機噪聲，并且可以在確定分箱設(shè)定時被使用。
[0008] W0 2011/055288 A1公開了提供視頻數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的組合的方法。所述方法包括 獲得由視頻相機捕獲的圖像的序列。從圖像的序列提取至少一個信號，其中，每個提取的信 號表征光強度和顏色中的至少一個中的局部時間變化。至少一種視頻壓縮技術(shù)被應(yīng)用在來 自序列的圖像的圖像數(shù)據(jù)上，以獲得壓縮的視頻數(shù)據(jù)。所提取的信號是從處于在將所述至 少一種壓縮技術(shù)應(yīng)用于來自這些圖像的圖像數(shù)據(jù)之前的狀態(tài)中的圖像提取的。所壓縮的數(shù) 據(jù)被提供有元數(shù)據(jù)，所述元數(shù)據(jù)用于表征被表示在圖像的至少部分中的對象中的至少一個 過程，所述過程引起從對象捕獲的光的顏色和強度中的至少一個的局部時間變化。元數(shù)據(jù) 至少基于所提取的信號中的至少一個。
[0009] W0 2011/042839 A1公開了一種便于獲得用于分析的第一數(shù)據(jù)以表征其至少一個 周期性分量的方法。所述方法包括獲得表示捕獲的電磁輻射的強度的至少兩個第二信號， 每個第二信號對應(yīng)于各自的不同輻射頻率范圍。第一信號至少可從輸出信號導(dǎo)出，所述輸 出信號可通過對第二信號應(yīng)用變換來獲得，使得輸出信號的任何值基于來自在對應(yīng)的時間 點處的每個各自的第二信號的值。所述方法還包括當(dāng)對應(yīng)于第二信號的信號被捕獲并且變 換被應(yīng)用時，通過以下中的至少一個來獲得確定各自的第二信號的至少分量對輸出信號的 影響的至少一個變量的至少一個值：（i)分析第二信號、通過對第二信號應(yīng)用變換獲得的輸 出信號以及從輸出信號導(dǎo)出的第一信號中的至少一個，并且使用所述分析來選擇對應(yīng)于變 量中的各自的一個的至少一個參數(shù)的至少一個值；以及(ii)計算對應(yīng)于變量中的各自的一 個的至少一個時變因子的值，每個因子值基于至少一個第二信號值，并且將每個因子應(yīng)用 在操作的多個并行序列中的包括至少一個這樣的操作的至少一個序列中的操作中，并且將 對應(yīng)于第二信號中的各自的一個的信號采取為輸入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于在變化的照明狀況(其范圍潛在地為從全太陽光到夜間 臥室光水平)下可靠且準(zhǔn)確地獲得對象的生命體征的設(shè)備和方法。
[0011] 在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種用于獲得對象的生命體征的設(shè)備。所述設(shè)備 包括:接口，其用于接收對象的圖像幀的集合，圖像幀包括具有相關(guān)聯(lián)的像素值的多個圖像 像素;信號提取單元，其用于從圖像幀的所述集合提取所述對象的光體積描記，PPG，信號； 信號評價單元，其用于確定所述PPG信號的特征，所述特征指示所提取的PPG信號關(guān)于所述 對象的期望的生命體征的信息內(nèi)容;處理單元，其用于基于所提取的PPG信號的所確定的特 征來確定分箱配置，所述分箱配置被提供用于控制對圖像幀的圖像像素的分箱；以及生命 體征確定單元，其用于根據(jù)所提取的PPG信號來確定生命體征信息。
[0012] 在本發(fā)明的第二方面中，提出了一種用于獲得對象的生命體征的對應(yīng)的方法。
[0013] 在本發(fā)明的又一方面中，提供了一種包括程序代碼單元的計算機程序，當(dāng)在計算 機上執(zhí)行所述計算機程序時，所述程序代碼單元用于令所述計算機執(zhí)行在本文中公開的方 法的步驟，并且提供了一種非瞬態(tài)計算機可讀記錄介質(zhì)，在所述非瞬態(tài)計算機可讀記錄介 質(zhì)中存儲了計算機程序產(chǎn)品，所述計算機程序產(chǎn)品當(dāng)由處理器運行時令在本文中公開的方 法被執(zhí)行。
[0014] 在從屬權(quán)利要求中定義了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應(yīng)當(dāng)理解，要求保護的方法和計 算機程序具有與要求保護的設(shè)備和在從屬權(quán)利要求中所定義的相似和/或相同的優(yōu)選實施 例。
[0015] 由于圖像信號中的噪聲是統(tǒng)計地分布在空間區(qū)上的，因此應(yīng)對嘈雜圖像信號的一 種可能是分箱。分箱指的是將(物理)像素的簇組合成單個(虛擬)像素。例如，2x2分箱通常 指的是將4個(物理)像素的陣列組合成單個更大的(虛擬)像素，從而減少像素的總數(shù)目。其 一個缺點在于，圖像分辨率也被降低。一些商業(yè)可獲得的相機提供人工分箱控制，即，用戶 基于記錄的圖像來人工決定要被使用的分箱設(shè)定。
[0016]通常，其目標(biāo)是應(yīng)用在以下意義上來說最優(yōu)的分箱配置:足夠數(shù)目的像素被分箱 以便獲得圖像信號的適當(dāng)?shù)男旁氡?，盡管將經(jīng)分箱的像素的數(shù)目保持為最小以便獲得合理 的圖像分辨率。對分箱配置的確定因此能夠被看作所捕獲的噪聲與圖像分辨率之間的折 衷。已知方法要求基于所記錄的圖像的質(zhì)量來人工選取分箱配置，或者基于像素的亮度來 確定分箱配置。在其中圖像幀要被用于提取PPG信號并且從所述PPG信號確定生命體征信息 的應(yīng)用中，這些方法在有不充足的分箱被應(yīng)用并且不能夠提取有意義的PPG信號的風(fēng)險下 運行，或者有在太多像素被分箱使得圖像幀的分辨率非必要地減小的風(fēng)險下運行。
[0017] 為了避免這些影響，本發(fā)明提出基于根據(jù)提取的PPG信號確定的特征來確定分箱 配置。PPG信號被提取并且尤其是關(guān)于要從其提取的特定生命體征而被評價。基于該PPG信 號(或者其特征），分箱配置被確定，所述分箱配置在以下意義上來說是最優(yōu)的:最小數(shù)目的 像素被分箱，盡管能夠提取有意義的PPG信號，基于所述有意義的PPG信號，能夠確定生命體 征信息。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，分箱配置自動被確定，而不必進行人工調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明，對 分箱配置的確定直接基于期望的生命體征信息，而不是僅基于對環(huán)境照明狀況的評價。因 此，所確定的分箱配置適于特定期望的生命體征。如果所提取的PPG信號已經(jīng)允許（以足夠 的準(zhǔn)確性)對生命體征信息進行確定，則不要求另外的分箱。另一方面，如果所提取的PPG信 號和根據(jù)其確定的特征不允許對生命體征信息的足夠準(zhǔn)確的提取，則分箱配置能夠被調(diào)整 以便獲得更好的PPG信號。從而，如果不是對生命體征信息的確定所需的，則太多像素的分 箱被避免。因此，如在本文中所提出的基于PPG信號的確定的特征來確定分箱配置允許對最 優(yōu)分箱配置進行選取。如果另一生命體征是期望的并且如果照明狀況改變，則分箱配置能 夠被調(diào)整。針對可以被確定并且被用在本發(fā)明的背景中的PPG信號的特征的范例尤其包括 信噪比、波動量度，例如，方差或標(biāo)準(zhǔn)差、分位數(shù)、平均值、趨勢、外