用于提取生理信息的设备、系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于从透射通过或反射自诸如人或动物的对象的检测到的电磁辐射 提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备、系统和方法。
【背景技术】
[0002] 人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者动脉血氧饱和度，用作人的当前状 态的指标并且用作严重医学事件的强大预测器。出于这种原因，生命体征在住院患者和门 诊患者护理设置中，在家或者在进一步健康、休闲和健身设置中广泛地被监测。
[0003] 测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常涉及对器官或身体部分 的体积变化的测量，并且尤其涉及对由于随每个心跳穿过对象的身体的心血管脉搏波的体 积变化的检测。
[0004] 光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区或者感兴趣体积的光反射率或者透射的时 变变化的光学测量技术。PPG基于这样的原理:血液与周围组织相比吸收更多光，因此血液 体积中的随着每个心跳的改变对应地影响透射或者反射率。除关于心率的信息之外，PPG波 形能够包括可归因于诸如呼吸的另外的生理现象的信息。通过评估在不同波长(通常是红 色或者红外的)处的透射率和/或反射率，血氧饱和度能够被确定。
[0005] 用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度(也被称为Sp02)的常规脉搏血氧计(在 本文中也被称为接触式PPG)被附着到对象的皮肤，例如被附着到手指端部、耳垂或者额头。 因此，它们被称为"接触式" PPG设备。典型的脉搏血氧计包括作为光源的红色LED和红外LED 以及用于检测已经被发射通过患者组织的光的一个光电二极管。市场上可购得的脉搏血氧 计在红色波长处的测量与红外波长处的测量之间快速切换，并且因此在两个不同波长处测 量组织的相同区或者体积的透射率。这被称为时分复用。在每个波长处的关于时间的透射 率给出针对红色和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被视为基本上是非侵入技术，但是 接触式PPG测量常常被体验为是不舒适的和侵扰的，这是由于脉搏血氧计被直接附着到对 象并且任何线缆限制运动的自由并且可能阻碍工作流程。
[0006] 脉搏信号和氧饱和度水平(SP02)的快速和可靠的检测和分析在许多医疗保健应 用中是最重要的活动之一，如果患者处于危急状况下，这变得至关重要。在这些情况下，心 脏跳动信号的搏动性是非常微弱的，并且因此，测量容易受到任何种类的伪影的损害。
[0007] 现代光电体积描记法传感器在紧急情况下并不总是提供快速和可靠的测量。例 如，接触式手指脉搏血氧计(基于透射PPG的）容易受到手的运动的影响，并且在由于身体外 围上的较低的血液量的患者的集中的情况下失效。接触前额脉搏血氧计传感器(使用反射 PPG测量模式的)被假设为对于集中响应更鲁棒。然而，前额传感器的准确度、鲁棒性和响应 性非常依赖于传感器在前额上的正确定位以及施加到皮肤上的适当的压力（传感器太紧施 加可能降低局部血液脉动性，太松施加可能导致由于运动伪影和/或静脉脉动性引起的不 可靠的测量）。
[0008] 最近，用于非侵扰测量的非接触式、远程PPG(R-PPG)设备(在本文中也被称为相机 rPPG设备）已经被引进。远程PPG利用被设置为远离感兴趣对象的光源，或者一般而言，辐射 源。类似地，检测器，例如相机或者相片检测器，也能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远 程光电体积描记术系统和设备被视为非侵扰的并且非常适于医学以及非医学日常应用。然 而，远程PPG设备通常实现较低的信噪比。
[0009] Verkruysse等人的 "Remote plethysmographic imaging using ambient light"，Optics Express，16(26)，第21434-21445页（2008年 12月22日）证明能够使用红色、 绿色和蓝色颜色通道使用环境光和常规消费者水平相机来测量光电体积描记信号。
[0010] Wieringa等人的 "Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging:A First Step Toward〃Sp02 Camera〃Technology"，Ann.Biomed.Eng.，33，1034-1041(2005)公开了一种用于基于对在不同波长处的光电体积描记信号的测量来对组织中 的动脉氧饱和度进行非接触式成像的远程PPG系统。所述系统包括单色CMOS相机以及具有 三个不同波长的LED的光源。相机顺序地采集在三个不同波长处的对象的三个影片。能够根 据在单个波长处的影片确定脉搏率，然而为确定氧饱和度需要在不同波长处的至少两个影 片。所述测量在暗室中执行，每次使用仅一个波长。
[0011] 使用PPG技术，能够来测量生命体征，其由皮肤中的微小光吸收变化所揭示，所述 微小光吸收变化由搏动的血液体积所引起，即由通过血液体积搏动诱发的人皮肤的周期性 颜色变化所引起。因为该信号非常小并且隐藏在由于照明变化和运动的更加大得多的改变 中，所以存在对改进根本低信噪比（SNR)的一般兴趣。仍然有针对剧烈运动、挑战性环境照 明状况或者高要求的应用准确性的需求情况，其中，要求生命体征测量设备和方法的改进 的鲁棒性和准确性，尤其是为了更危急的医疗保健应用。
[0012] 通常，从至少两个颜色（有时包括红外光）通道的动态改变的混合来得到生命体 征。混合能够被发现使用各种技术，诸如盲源分离技术和选择算法，或者利用能量最小化， 其将在除了由血液吸收谱确定的预先定义的颜色方向之外的所有中的信号能量最小化。这 样的方法是例如在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页）中所描述的。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是提供一种用于从所检测的电磁辐射提取指示对象的至少一个生 命体征的生理信息的设备、系统和方法，其提供(一个或多个)所获得的生命体征的增加的 SNR、准确度和可靠性。
[0014] 在本发明的第一方面中，提出了一种用于从所检测的透射通过或反射自对象的电 磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的设备，所述设备包括：
[0015] -输入接口，其用于接收从所检测的透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐 射导出的检测数据的数据流，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两个信 号通道中的波长相关的反射或透射信息，
[0016] -信号混合器，其用于将所述至少两个信号通道动态混合为至少一个混合信号，
[0017] -处理器，其用于从所述至少一个混合信号导出指示至少一个生命体征的生理信 息，以及
[0018] -控制器，其用于控制所述信号混合器以限制被混合为至少一个混合信号的所述 至少两个信号通道的相对贡献，和/或限制所述相对贡献被允许动态地变化的变化率。
[0019] 在本发明的另外的方面中，提出了一种用于从所检测的透射通过或反射自对象的 电磁辐射提取指示对象的至少一个生命体征的生理信息的系统，所述系统包括：
[0020] -检测器，其用于检测透射通过或反射自对象的皮肤区域的电磁辐射，并且用于从 所检测的电磁辐射导出检测数据，其中，所述检测数据包括表示各自的波长部分的至少两 个信号通道中的波长相关的反射或透射信息，以及
[0021] -如本文公开的设备，其用于从所述检测数据提取生理信息。
[0022] 在本发明的又一方面中，提供了一种对应的方法、一种包括程序代码模块的计算 机程序，所述程序代码模块用于当在计算机上执行所述计算机程序时，令所述计算机执行 本文公开的方法的步骤，提供了一种在其上存储计算机程序产品的非暂态计算机可读记录 介质，所述计算机程序产品当由处理器运行时，令所本文所公开的方法被执行。
[0023] 本发明的优选实施例定义在从属权利要求中。应当理解，请求保护的方法、系统、 计算机程序和介质与请求保护的并且在如从属权利要求中定义的设备具有相同的优选实 施例。
[0024]发明人已经观察到，用于从所检测的电磁辐射获得生命体征的已知方法主要(或 甚至仅)在通常由对象的运动引起的最低水平失真的情况下产生稳定的混合物。在非常静 止的对象中，由不稳定的混合，直观地相反地，生命体征的SNR下降。本发明旨在改进生命体 征的SNR，尤其是在这些接近于静止的情况下。
[0025] 本发明基于这样的想法，即限制混合和/或其变化率，尤其是当在颜色通道或导出 的信号中观察到低能量时，如在实施例中所提出的。限制变化率具有仍然允许所有可能的 混合的优点。本发明同样适用于各种或者甚至全部已知的用于获得(一个或多个)混合信号 的方法，例如，使用诸如主分量分析(PCA)或独立分量分析（ICA)的盲源分离(BSS)的方法、 如G.de Haan等人的在上面提及的文章中所公开的基于色度信号的方法（CHRO-方法 (CHR0M))、基于全维的但是预先定义的一个的能量最小化的方法(也被称为I 3BV-方法），以 及使用来自PBV或CHRO的