用于获得生物的生命体征信息的装置和方法.pdf

本发明涉及一种用于获得生物(2)的生命体征信息的装置(1)和方法。提出的装置(1)包括：探测单元(3)，其用于接收从生物(2)的至少感兴趣区域(20)反射的至少一个波长区间中的光(4)，并用于根据接收到的光(4)生成输入信号(5)；处理单元(6)，其用于处理所述输入信号(5)并使用远程光电体积描记术根据所述输入信号(5)导出所述生物的生命体征信息(7)；以及，照明单元(8)，用于在照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域(20)，其中，优化所述照明区间期间的所述光，以从利用远程光电体积描记术从所述感兴趣区域反射的接收光而生成的输入信号导出生命体征信息。

1.  一种用于获得生物(2)的生命体征信息的装置，包括：
-探测单元(3)，其用于接收在从生物(2)的至少感兴趣区域(20)反射的至少一个波长区间中的光(4)，并且用于根据接收到的光(4)生成输入信号(5)，
-处理单元(6)，其用于处理所述输入信号(5)并且使用远程光电体积描记术根据所述输入信号(5)导出所述生物的生命体征信息(8)，以及
-照明单元(8)，其用于在照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域(20)，其中，优化所述照明区间期间的所述光，以根据使用远程光电体积描记术根据从所述感兴趣区域反射的接收到的光而生成的输入信号导出生命体征信息。

2.  根据权利要求1所述的装置，还包括控制单元(13)，所述控制单元用于控制所述探测单元(3)仅在所述照明区间期间接收光和/或生成输入信号。

3.  根据权利要求1所述的装置，还包括控制单元(13)，所述控制单元用于控制所述处理单元(6)仅处理根据在所述照明区间期间接收到的光而生成的输入信号(5)的部分。

4.  根据权利要求1所述的装置，还包括控制单元(10)，所述控制单元用于控制所述照明单元(8)仅在所述照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域(20)。

5.  根据权利要求1所述的装置，还包括控制单元(10)，所述控制单元用于将由所述照明单元(8)对所述至少一个感兴趣区域的所述照明与由所述探测单元(3)对光的接收和/或对输入信号的生成进行同步，和/或与由所述处理单元(6)对输入信号的所述处理进行同步。

6.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述照明单元(8)被配置为在周期性照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域(20)，并且
其中，所述探测单元(3)被配置为根据接收到的光探测所述周期性照明区间，并且后续地仅在所述周期性照明区间期间接收光和/或生成输入信号。

7.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述照明单元(8)被配置为控制在所述照明区间期间发射的光的所述波长和/或控制所述照明区间的持续时间，使得在所述照明区间期间发射的光对于人眼而言不可见或不引人注目。

8.  根据权利要求7所述的装置，其中，所述照明单元(8)被配置为在所述照明区间期间发射红外光。

9.  根据权利要求7所述的装置，其中，所述照明单元(8)优选被配置为在所述照明区间期间发射可见光谱范围中的光的具有低占空比的高频光脉冲。

10.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述照明单元(8)被配置为在所述照明区间期间发射光，所述光在所述探测单元(3)接收光(4)的最小波长范围中相对于所述环境光是支配性的。

11.  根据权利要求1所述的装置，还包括用于感测环境光的传感器(15)和控制单元(16)，所述控制单元用于控制所述照明单元(8)在所述照明区间期间发射光，所述光在所述探测单元(3)接收光(4)的最小波长范围中相对于环境光是支配性的。

12.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述照明单元(8)被配置为在所述照明区间之间根据用户定义的照明曲线发射光。

13.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述照明单元(8)被配置为在照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域(20)，其中，通过发射具有使得环境光条件变化不显著的幅度的光来优化所述光，以根据使用远程光电体积描记术根据从所述感兴趣区域反射的接收到的光而生成的输入信号导出生命体征信息。

14.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述探测单元(3)包括成像单元，尤其是相机。

15.  一种用于获得生物(2)的生命体征信息的方法，包括：
-接收从生物(2)的至少感兴趣区域(20)反射的至少一个波长区间中的光(4)，
-根据接收到的光(4)生成输入信号(5)，以及
-处理所述输入信号(5)并且使用远程光电体积描记术根据所述输入信号(5)导出所述生物的生命体征信息(8)，
其中，在照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域(20)，其中，区间优化所述照明区间期间的所述光，以根据使用远程光电体积描记术根据从所述感兴趣区域反射的接收到的光而生成的输入信号导出生命体征信息。

用于获得生物的生命体征信息的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于获得生物的生命体征信息的装置和对应方法。
背景技术
使用相机或远程PPG(光电体积描记术)进行不引人注目的生命体征监测已经经过证明并被发现与患者监测相关。例如，在Wim Verkruysse，Lars O.Svaasand和J.Stuart Nelson的文章“Remote plethysmographic imaging using ambient light”(Optics Express，16卷，26期，2008年12月)中描述了远程光电体积描记成像。该技术基于这样的原理：皮肤中血液体积的时间变化导致皮肤对光吸收的变化。这样的变化能够由拍摄皮肤区域(例如面部)图像的摄像机记录，而通过处理计算手动选定区域(典型地，是本系统中面颊的一部分)上的像素平均值。通过查看该平均信号的周期性变化，能够提取出心搏率和呼吸率。同时，还有很多公开文本和专利申请描述了用于使用远程PPG来获得患者的生命体征的装置和方法的详情。
因此，动脉血的脉博导致光吸收的变化。利用光电探测器(或光电探测器阵列)观测到的那些变化形成PPG(光电体积描记术)信号(也被称为pleth波)。血液的脉博是由跳动的心脏导致的，即，PPG信号中的峰对应于心脏的逐次跳动。因此，PPG信号本身是心搏信号。这种信号的归一化幅度对于不同波长而言是不同的，并且对于某些波长，还是血液氧合的函数。
尽管定期的视频数据已经证明会在很多情况下产生足够的生命体征(有时也被称为生物统计信号，诸如心搏、呼吸率、SpO2率等)，但对复杂情况(例如强运动、低光度、非白光照明)的图像采集需要进一步的改善。只要存在一个支配性光源，已知的方法和装置通常对于运动和不同的光照环境是稳定的。在这样的条件下，已经证明PPG技术是准确且稳定的，以至于可以将其用于康复锻炼期间的踏车上。
在环境中不存在支配性光时，在基于图像(即，基于摄像机)的生命体征中会遇到一个主要问题。实际上，对于室内应用而言，一般会在环境中定位几个光源，例如，用于营造气氛。这些光源呈现出相似的照明强度，不符合支配性光源的要求，而是具有不同的光谱，并且因此呈现不同的彩色特性。光源的设置可能随着时间变化，导致受检者(具体而言，生物面部)的测量区域(即，感兴趣区域)上发生剧烈色彩变化，并且使得生命体征的提取极其困难，在一些情况下甚至是不可能的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于获得生物的生命体征信息的装置和对应的方法，与已知装置和方法相比，其具有更高的准确度和可靠性，尤其是在具有光变化状况的情况下。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于获得生物的生命体征信息的装置，包括：
-探测单元，其用于接收在从生物的至少感兴趣区域反射的至少一个波长区间内的光，并且用于根据接收到的光而生成输入信号，
-处理单元，其用于处理所述输入信号并且使用远程光电体积描记术根据所述输入信号导出所述生物的生命体征信息，以及
-照明单元，其用于在照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域，其中，优化所述照明区间期间的所述光，以根据使用远程光电体积描记术根据从所述感兴趣区域反射的接收到的光而生成的输入信号导出生命体征信息。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于获得生物的生命体征信息的对应方法。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所主张的方法与所主张并在从属权利要求中定义的装置具有相似和/或相同的优选实施例。
解决上述问题的一种可能方式是针对被监测的受检者(即生物，诸如患者或人，但一般还是动物)使用恒定的光条件。然而，由于应用环境是未知的，因此一般不能判断光条件是否是静态的(例如，一些健身俱乐部 或家庭的光照氛围变化很奇特)，并且一般也不可能“规定”这样的恒定光条件。
因此，根据本发明，提供了一种使用探测单元(例如，包括摄像机)在色谱或一个或多个可控光源(一般称为照明单元)强度变化的条件下对生命体征进行不引人注目的监测(例如，心搏监测、SpO2监测等)的方法和装置。以这样的方式控制照明单元：对于短周期(照明周期)，光，尤其是光谱和/或强度，对于生命体征监测测量是最优的。因此，仅这个照明周期期间，测量和/或处理从感兴趣区域(ROI)反射的光以获得生命体征。因此，在连续测量从ROI反射的光的实施例中，但然后仅处理在照明周期期间测量的光。在另一实施例中，仅在照明周期期间测量从ROI反射的光。
优选地，通过照明，使得照明周期期间的光对于人类观察者的人眼而言是不可见的。在剩余时间周期中，优选使用照明单元来实现营造氛围或其他目的。
因此，本发明提供了一种在变化的光条件的环境中基于图像(基于相机)的生命体征提取的方案，其增强了用户体验、可靠性和准确度。
在本发明的实施例中，提出的装置还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述探测单元仅在所述照明区间期间接收光和/或生成输入信号。在另一(额外或备选)实施例中，提出的装置还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述处理单元仅处理根据在所述照明区间期间接收到的光而生成的输入信号的部分。控制单元可以是单独的单元或组合单元。这些实施例需要更少的存储空间和/或处理时间和工作量。
在本发明的另一优选实施例中，所提出的装置还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述照明单元仅在所述照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域。因此，能够还根据作为照明单元提供的光源类型，通过例如控制照明的亮度、颜色、频率等来实现期望的照明。所述光源例如可以是LED、激光二极管、常规的灯泡、霓虹灯等，其可以是受控的。在最简单的实施例中，使用的光源发射进行最优生命体征测量的所需的光。
在优选实施例中，所提出的装置还包括控制单元，所述控制单元用于将所述照明单元对所述至少一个感兴趣区域的照明与由所述探测单元接收光和/或生成输入信号和/或与由所述处理单元对输入信号进行所述处理进 行同步。因此，即使不对ROI进行周期性的照明，也实现了优化的照明和输入信号生成和处理。
优选地，所述照明单元被配置为在周期性照明区间期间利用光照射至少所述感兴趣区域，并且所述探测单元被配置为从接收到的光探测所述周期性照明区间，并后续地仅在所述周期性照明区间期间接收光和/或生成输入信号。因此，不需要单独的控制模块来控制探测单元，而探测单元能够识别何时照射ROI，然后控制(即同步)自身以进行周期性照明，从而节省功率和存储时间。
在有利的实施例中，所述照明单元被配置为控制在所述照明区间期间发射的光的波长和/或控制所述照明区间的持续时间，使得在所述照明区间期间发射的光对于人眼而言不可见或不引人注目。优选地，所述照明不应改变或干扰光照氛围，但对于照明处或周围存在的任何人应当是发现不了的。
为此，所述照明单元优选地被配置为在所述照明区间期间发射红外光。
在另一实施例中，为此，所述照明单元优选地被配置为在所述照明区间期间发射可见光谱范围中光的具有低占空比的高频光脉冲。在后一种实施例中，人类观察者将察觉到照明是强度低得多的恒定光源。在特定频率以上，(由光脉冲的频率引入的)闪烁将是不可见的。此外，在正常照明的强度远高于高频光脉冲的强度的条件下，对于人眼，信号变得觉察不到且观察不到。
在光源的不同组合作为能够在强度和光谱上受控的照明单元的情况下，能够创建人类观察者将察觉为相同颜色的相似光条件。因此，在实施例中，针对正常的光条件调整优化的照明光谱，以使照明区间期间的照明不可察觉。
为了实现好的结果，优选在实施例中，所述照明单元被配置为在所述照明区间期间发射光，所述光在所述探测单元接收光的最小波长范围中相对于所述环境光是支配性的。
优选地，根据环境光或提供环境光的光源的光谱，能够选择最优的波长。优选地使用具有不同波长的LED实现这一目的。
在又一实施例中，提出的装置还包括用于感测环境光的传感器和控制 单元，所述控制单元用于控制所述照明单元在所述照明区间期间发射光，在探测单元接收光的最小波长范围中，发射的光相对于环境光是支配性的。因此，能够针对环境光照条件调整光照明，从而能够受到控制以尽可能不引人注目。优选利用板载多频谱传感器或能够手动配置的外部传感器自动探测光谱。使用外部传感器，可以识别照明光谱。光谱的这种特征可以用于手动配置装置的照明，即，在这种情况下优选配置照明而不是外部传感器。
在又一实施例中，所述照明单元被配置为在所述照明区间之间根据用户定义的照明曲线发光。因此，所提供的照明单元能够用于在照明区间之间提供或支持“正常”光照条件。
在优选实施例中，所述照明单元被配置为在照明区间期间用光照射至少所述感兴趣区域，其中，通过发射具有使环境光条件变化不显著的幅度的光来优化所述光，以根据使用远程光电体积描记术从所述感兴趣区域反射的接收到的光而生成的输入信号导出生命体征信息。所需的最少发射光取决于干扰信号的频率和强度。在用户能够观测到之前最大量的发射光具体取决于闪光频率和脉冲宽度强度，以及环境照明强度。在一种实施方式中，照明的频率应当使得能够利用至少从0.25到3Hz(20到240bpm)的频率提取心率信号。
优选地，所述探测单元包括成像单元，特别是相机，诸如摄像机、RGB摄像机和/或红外摄像机。
在优选实施例中，探测单元被配置为针对几个不同的波长范围生成输入信号。因此，根据要导出的期望的生命体征，最适合的一个或多个输入信号可以用于导出生命体征信息。
再者，在实施例中，所述照明单元适于根据所述至少一个感兴趣区域的一个或多个参数，设置用于在所述照明区间期间照射至少一个感兴趣区域的光的参数。例如，根据ROI的尺寸和/或位置(例如，面部的一部分或手的手心)或根据生物的肤色，能够优化光的亮度和/或频率。
可以自动或手动选择所述ROI。为此目的，所提出的装置还可以包括选择单元，所述选择单元用于自动选择所述感兴趣区域或允许手动选择所述感兴趣区域。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考其加以阐述。在以下附图中：
图1示出了根据本发明用于获得生物的生命体征信息的装置的第一实施例的示意图，
图2示出了图示照明单元和探测单元的同步的时间图，
图3示出了根据本发明用于获得生物的生命体征信息的装置的第二实施例的示意图，以及
图4示出了根据本发明用于获得生物的生命体征信息的装置的第三实施例的示意图。
图5示出了根据本发明用于获得生物的生命体征信息的装置的第四实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明用于获得生物2(例如医院中的患者、在家中床上被监测的老年人或在健身俱乐部中做运动的人)的生命体征信息的装置1a的第一实施例。装置1a包括探测单元3，所述探测单元3用于接收在从生物2的至少感兴趣区域反射的至少一个波长区间内的光4，并用于根据接收到的光4生成输入信号5。例如，探测单元3被配置为记录接收到的光4的空间-时间变化，并且优选是用于拍摄图像的成像单元，诸如基本连续或定期拍摄生物2或生物2的至少感兴趣区域(ROI)20的图像的摄像机。
装置1a还包括处理单元6，所述处理单元6用于处理输入信号5并且使用远程光电体积描记术跟据所述输入信号5导出所述生物2的生命体征信息7。例如，处理单元6可以被实现为运行于处理器或计算机上的软件、专用硬件或硬件和软件的混合。生命体征信息(例如心搏、呼吸信号、SpO2值、血色素值等)的推导是本领域中已知的，尤其是在远程光电体积描记术领域中，例如，上文引用的Wim Verkruysse等人的文章，在此通过引用将其解释并入，本文将不会更详细地解释。
然后从装置1输出获得的生命体征信息7，例如，发送到中心监测站(例 如医院中护士的监测室)，以在监视器上显示，直接在生物旁边的显示器上显示，或发送到遥控中心进一步处理和/或显示。
装置1a还包括照明单元8，所述照明单元8用于在照明区间期间用光9照射至少所述感兴趣区域20，其中，优化所述照明区间期间的所述光9，以根据使用远程光电体积描记术从所述感兴趣区域20反射的接收到的光4而生成的输入信号5导出生命体征信息7。所述照明单元8可以包括一个或多个光源，所述一个或多个光源优选地在发射的光的亮度和/或频谱方面是可控的。一种实际的实现可以包括具有特定波长或波长范围的一个或多个LED阵列。其他实施例使用
-具有宽光谱的LED阵列与具有不同波长的光谱滤波器组合，其中，利用特定滤波器对LED进行切换；
-具有宽光谱的LED阵列与光谱滤波器组合，所述光谱滤波器能够调整其波长(通过电子/机械方式)；
-具有宽光谱的LED阵列和包含具有不同波长的滤波器的旋转盘(彩色转盘)，像投影仪中使用的那种，其中，盘的位置决定所使用的波长；
-具有特定波长的多个激光器；
-具有宽光谱的LED阵列与光谱滤波器组合，所述光谱滤波器能够调整其波长(通过电子/机械方式)；
-LCD屏幕或其他显示器，其中，能够控制输出信号，其中，通过增加或替代视频信号中的帧并使探测单元(相机)同步，能够调整/控制光条件。
应当指出，也可以提供超过一个照明单元8，并且可以存在其他光源，其提供用户希望的环境光或光照条件，例如，医院房间中的室内光或健身俱乐部中变化的光。
在优选由本实施例实施的无源模式中，照明单元8控制用于测量输入信号的最优照明的周期，例如，用于心搏测量，该输入信号对于从其导出期望的生命体征信息是最优的。在大部分时间期间，照明单元8显示出用户定义的行为(例如，是时变的，低/高强度的，和颜色)，或甚至被关闭，但对于短周期的照明周期，它被配置为提供至少ROI 20的最优照明，以进行生命体征测量。探测单元3能够从随时间获得的光(尤其是从随时间探测的图像)检测由照明单元8发射的光脉冲的周期。因此，能够检测最优 照明的周期。从将照明单元8切换到对于生命体征测量而言最优(即，在照明区间中发射“最优”光)的“最优”照明模式的时刻开始，探测单元3开始其测量，直到照明单元8随后被切换到其“正常”工作模式，例如，如用户定义那样，或者被关闭。在将照明单元8后续地再次切换到最优照明模式时，开始新的测量(例如，图像采集)，并将这个序列重复若干次，甚至连续重复，只要获得生命体征即可。
在实施例中，探测单元3采集包含照明单元8的图像。从随时间对图像进行的分析，能够检测照明区间的周期性，以后续地仅在照明区间期间采集图像(或至少接收从ROI 20反射和/或发射的光)，从而在所述照明区间之间节省功率和存储空间。
图2示出了图示随时间变化照明单元8的设置S8和探测单元3的设置S3的时间图。将照明单元8交替地在大部分时间期间(正常工作时间Tn1、Tn2、Tn3)(期间照明单元8被关闭或对期望照明条件有贡献)切换到“正常”工作模式，并在照明周期Ti1、Ti2期间切换到“最优”照明模式。如仅在照明周期Ti1、Ti2期间可以看出，探测单元3活动以接收来自ROI 20的光。
在本实施例的变化中，探测单元3连续探测来自ROI 20的光，但处理单元被配置为在照明周期Ti1、Ti2期间仅处理根据由探测单元3接收到的光而生成的输入信号，而忽略所有其他输入信号。优选地，仅由探测单元3根据在照明周期Ti1，Ti2期间接收到的光而生成输入信号。
照明单元6优选由例如用户进行预先编程，为此，提供(任选的)接口80为照明单元8进行编程控制。
图3示出了用于获得生物2的生命体征信息的装置1b的第二实施例。在该采用活动模式的实施例中，提供控制单元10以控制照明单元6在所述照明区间期间利用针对生命体征测量优化的光至少照射所述感兴趣区域20。
在实施方式中，控制单元10受到用户或远程操作员的控制或进行预先编程。
备选地，控制单元10被耦合到探测单元3和/或处理单元，如图3中由虚线11和12所示，以将由所述照明单元8对所述至少一个感兴趣区域20 的照明与由所述探测单元3接收光和/或生成输入信号和/或与由所述处理单元6对输入信号进行所述处理进行同步。这进一步提供了在照明区间期间基于获得的生命体征自适应控制照明的能力。例如，如果处理单元6发现导出的生命体征质量不是最优的，能够相应地修改照明单元8的设置以通过ROI 20更优化的照明来改善质量。
图4示出了用于获得生物2的生命体征信息的装置1c的第三实施例。在该实施例中，提供控制单元13以控制所述探测单元3仅在所述照明区间期间接收光和/或生成输入信号和/或控制所述处理单元6以仅处理根据所述照明区间期间接收到的光而生成的输入信号5的部分。优选地，所述控制单元13被耦合到照明单元8，如虚线14所示，以基于照明区间控制探测单元3和/或处理单元6，因此照明区间在时间和持续时间上是可变的。备选地，可以根据照明区间的固定时间对控制单元13进行预先编程。
图5示出了用于获得生物2的生命体征信息的装置1d的第四实施例。在该实施例中，提供传感器15以感测环境光，尤其是生物2周围，尤其是感兴趣区域20的区域中的光。此外，提供控制单元16以控制所述照明单元8在所述照明区间期间发射光，在探测单元3接收光4的最小波长范围中，发射的光相对于环境光是支配性的。因此，基于探测的环境光，能够实时调整照明区间期间的照明。
通常，应当执行照明，从而为针对根据使用远程光电体积描记术根据接收从所述感兴趣区域反射的光而生成的输入信号导出生命体征信息来优化光，其中，光具有使得环境光条件的变化不显著的幅度。所需的最少发射光一般取决于干扰信号的频率和强度。在用户能够观测到之前最大量的发射光尤其取决于闪光频率和脉冲宽度强度，并且也取决于环境照明强度。在一种实施方式中，照明的频率应当使得能够利用至少从0.25到3Hz(20到240bpm)的频率提取心率信号。心率信号的采样可以是均匀的以及不均匀的。
在实际实施例中，使用超过每秒15帧来测量健身应用中的心率信号。对于休息时的测量，心率更低，并且一般可以降低帧速率和照明周期。
应当指出，在实施例中，例如，通过计算机程序将处理单元6和控制器10、13、16实施于(同一或独立)处理器或计算机上，例如，微处理器 上，在执行计算机程序时，其执行所提出处理方法的步骤。
本发明可以被应用于各种应用中。心率、呼吸频率和SpO2是患者监测和家庭保健中的非常相关的因素，其中，远程心率监测变得越来越相关。此外，本发明可以被应用于在健身装置中记录心搏。尤其提出的发明能够被应用于利用改变的可控照明或利用可变光条件执行基于相机机的生命体征监测的任何应用中。正常情况下，生命体征提取是及其复杂的，在有些情况下甚至是不可能的，但现在能够准确并且可靠地实现。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载的特定措施，但是这并不指示不能有效地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。