(57)【要約】  本発明は、対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定するシステム及び方法に関する。周囲光の堅牢性を改善するために、上記システムは、対象の皮膚領域を照明するよう構成された照明ユニット２であって、上記照明ユニットは、２つ以上の波長チャネル及び／又は２つ以上の偏光チャネルにおいて異なる変調電磁放射線を放出するよう構成された第１の放射線源２０及び第２の放射線源２１を備える、照明ユニットと、対象の皮膚領域から反射された電磁放射線を検出し、検出信号を生成するよう構成された検出ユニット４であって、上記検出ユニット４は、複数の検出要素を備え、検出信号は、検出要素又は２つ以上の検出要素のグループごとに生成される、検出ユニットと、復調された検出信号を得るために照明ユニットにより適用された変調に対応する検出信号を復調するよう構成された処理ユニット１１と、波長又は偏光チャネルごとに、上記復調された検出信号から同じ瞬間に統計的尺度を決定し、上記統計的尺度からバイタルサインを抽出するよう構成されたバイタルサイン決定ユニット５とを有する。
2021527466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定するシステムであって、
前記対象の皮膚領域を照明する照明ユニットであって、２つ以上の波長チャネル及び／又は２つ以上の偏光チャネルにおいて異なる変調電磁放射線を放出する第１の放射線源及び第２の放射線源を含む、照明ユニットと、
前記対象の皮膚領域から反射された電磁放射線を検出し、検出信号を生成する検出ユニットであって、前記検出ユニットが、複数の検出要素を含み、前記検出信号は、検出要素又は２つ以上の検出要素のグループごとに生成される、検出ユニットと、
復調された検出信号を得るため、前記照明ユニットにより適用された変調に対応する検出信号を復調する処理ユニットと、
波長又は偏光チャネルごとに、前記復調された検出信号から同じ瞬間に統計的尺度を決定し、前記統計的尺度からバイタルサインを抽出するバイタルサイン決定ユニットとを有する、システム。
【請求項２】
前記第１及び第２放射線源が、異なる波長又は波長範囲又は波長の混合の電磁放射線を放射する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１及び第２の放射線源が、異なる偏光を有する電磁放射線を放射する、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記照明ユニットが、１ｋＨｚよりも高い範囲、特に１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲において、放射された電磁放射線を変調するための変調周波数を適用する、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の放射線源が、前記放射された電磁放射線を変調するための第１の変調周波数を適用し、前記第１の変調周波数は、前記放射された電磁放射線を変調するために、前記第２の放射線源により適用される第２の変調周波数から少なくとも８Ｈｚ離れている、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記統計的尺度が、標準偏差、分散、平均絶対差、中央絶対差、及び／又は四分位範囲の少なくとも１つを示す、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記検出ユニットが、フォトダイオードのアレイ、ＣＣＤアレイ又はＣＭＯＳアレイを含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記対象の皮膚領域から反射された前記電磁放射線に偏光を適用する偏光ユニットを更に有する、請求項３に記載のシステム。
【請求項９】
前記対象の皮膚領域から反射された前記電磁放射線をフィルタリングして、前記照明ユニットにより使用される変調周波数のみを通過させる光学フィルタユニットを更に有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記処理ユニットが、前記復調された検出信号を得るために、前記検出信号に同期復調を適用する、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記バイタルサイン決定ユニットが、前記復調された検出信号を重み付けされた組み合わせにより線形に結合することにより、前記復調された検出信号からバイタルサインを決定し、前記重み付けされた組み合わせの重みは、ブラインド信号分離により、特に主成分分析又は独立成分分析により、及び所定の基準に基づき組み合わされた検出信号の成分チャネルを選択することにより決定される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記バイタルサイン決定ユニットが、重みを用いて重み付けされた組み合わせを用いて、前記復調された検出信号を線形に結合することにより、前記復調された検出信号からバイタルサインを決定し、前記線形結合によりパルス信号がもたらされ、前記パルス信号に関して、元の検出信号との積が、個別のシグネチャベクトルにより表される相対脈動と等しく、前記シグネチャベクトルは、前記元の検出信号における検出信号の予想される相対強度を提供する、請求項１乃至１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１及び第２の放射線源の少なくとも一方が、制御可能な狭い放射線ビームを放射する、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記バイタルサイン決定ユニットが、前記復調された検出信号から、統計的尺度として、波長又は偏光チャネルごとに、中心傾向メトリック及び分散メトリックを決定する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定する方法において、
照明ユニットにより対象の皮膚領域を照明するステップであって、前記照明ユニットが、２つ以上の波長チャネル及び／又は２つ以上の偏光チャネルにおいて異なる変調電磁放射線を放出する第１の放射線源及び第２の放射線源を含む、ステップと、
検出ユニットにより、前記対象の皮膚領域から反射された電磁波を検出し、検出信号を生成するステップであって、前記検出ユニットが、複数の検出要素を含み、前記検出信号は、検出要素ごと又は２つ以上の検出要素のグループごとに生成される、ステップと、
前記照明ユニットにより適用された変調に対応する検出信号を復調し、復調された検出信号を得るステップと、
同じ瞬間における前記復調された検出信号から、波長チャネル毎又は偏光チャネル毎に統計的尺度を決定するステップと、
前記統計的尺度からバイタルシグナルを抽出するステップとを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人のバイタルサイン、例えば、心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は（末梢若しくは拍動性）血中酸素飽和度（ＳｐＯ２；これは、動脈血酸素飽和度ＳａＯ２の推定値を提供する）は、人の現状の指標として、及び重篤な医学的事象の強力な予測因子として役立つ。このため、バイタルサインは、入院及び外来ケアの状況、在宅、又は更なる健康、余暇及びフィットネスの状況において広範囲に監視される。
【０００３】
バイタルサインを測定する１つの方法は、プレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは一般に、臓器又は身体部分の体積変化の測定値を指し、特に、心拍ごとに対象の身体を通って進行する心臓血管脈波による体積変化の検出を指す。
【０００４】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心領域又は体積の光反射率又は透過率の時間変化を評価する光学的測定技術である。ＰＰＧは、血液が周囲の組織よりも多く光を吸収し、そのため、心拍ごとの血液量の変動が、それに応じて透過率又は反射率に影響を及ぼすという原理に基づかれる。脈拍数（心拍数）に関する情報の他に、ＰＰＧ波形（ＰＰＧ信号とも呼ばれる）は、呼吸などの更なる生理学的現象に起因する情報を含むことができる。異なる波長（典型的には赤色及び赤外線）における透過率及び／又は反射率を評価することにより、血中酸素飽和度が決定されることができる。
【０００５】
対象の脈拍数及び（動脈の）血液酸素飽和度を測定するための従来のパルスオキシメータ（本書では接触ＰＰＧデバイスとも呼ばれる）は、対象の皮膚、例えば指先、耳たぶ又は額に取り付けられる。従って、それらは「接触」ＰＰＧデバイスと呼ばれる。接触ＰＰＧは、基本的に非侵襲的な技術と見なされるが、接触ＰＰＧ測定は、不快で目立つものとして経験されることが多い。なぜなら、パルスオキシメータは、対象に直接取り付けられ、ケーブルが移動の自由を制限し、作業の流れを妨げる場合があるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
目立たない測定のための非接触遠隔ＰＰＧ（ｒＰＰＧ）デバイス（カメラベースのデバイス又はビデオ健康監視デバイスとも呼ばれる）が、過去１０年間に提案される。遠隔ＰＰＧは、関心対象からある距離に配置された光源、又は一般に放射線源を利用する。同様に、検出器、例えばカメラ又は光検出器が、関心対象からある距離に配置されることができる。従って、遠隔フォトプレチスモグラフィシステム及び装置は、目立たないと考えられ、医療及び非医療の日常的な用途によく適している。
【０００７】
ＰＰＧ技術を用いて、バイタルサインが測定されることができる。バイタルサインは、拍動する血液量により引き起こされる皮膚における微小な光吸収変化により、即ち、血液量パルスにより引き起こされるヒトの皮膚の周期的な色変化により明らかにされる。この信号は非常に小さく、照明の変化及び動きによるずっと大きな変動に隠されるので、根本的に低い信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善することに一般的な関心がある。厳しい運動、厳しい環境照明条件、又は厳しい精度要件を伴う厳しい状況が依然として存在し、バイタルサイン測定デバイス及び方法の改善された堅牢性及び精度が、特に、より重大なヘルスケア用途のために必要とされる。
【０００８】
ビデオヘルスモニタリング（心拍数、呼吸数、ＳｐＯ２、アクチグラフィ、せん妄などをモニタリング又は検出する）は、有望な新興分野である。その本質的な目立たなさは、皮膚が脆弱な患者、又はＮＩＣＵ患者、広範囲熱傷患者、接触センサを除去する精神疾患患者、又は睡眠中に自宅でモニタリングされなければならないＣＯＰＤ患者など、長期的なバイタルサインモニタリングを必要とする患者にとって明確な利点がある。一般病棟又は救急室などの他の環境では、非接触監視の快適さは、依然として魅力的な特徴である。
【０００９】
重要なバイタルサインの１つである血中酸素飽和度（ＳｐＯ２）の測定値は、最近、カメラベースのｒＰＰＧで実現可能であることが示される。ＳｐＯ２測定は、相対的な拍動性、即ち異なる波長チャンネルにおける拍動信号の正規化された振幅（ＡＣ／ＤＣ）を正確に検出することを必要とする。遠隔測定の精度には２つの大きな脅威がある。第１は、脈動が雑音と比較して低いことであり、第２は、心弾動（ＢＣＧ）運動が各チャネルにおける相対的な脈動を修正することである。
【００１０】
酸素飽和度の次に、他の動脈血ガス及び血液種、例えばＨＢＣＯ、ＭｅｔＨＢ、ＨＢＣＯ２、ビリルビンの飽和度が、同じ（ある程度適合された）技術を用いて得られることができ、本発明が解決しようとするものと同じ脅威に苦しむ。動脈血成分は、この技術を用いて選択される。なぜなら、動脈血のみが心臓活動のリズムで拍動すると想定されるからである。同様に、呼吸サイクルは静脈系において体積変動を誘発すると仮定され、これは、異なる波長における呼吸リズムでの拍動の相対的強度が、静脈血成分の分析、例えば静脈血酸素飽和度（ＳｖＯ２）の推定に使用され得ることを意味する。
【００１１】
有望な新しい分野ではあるが、多くの課題が克服されなければならない。遠隔ＰＰＧシステムの弱点は、強い周囲光が遠隔ＰＰＧのための皮膚の意図された照射を妨害するとき、それらの堅牢性がしばしば損なわれ、一方、皮膚のセグメント化はしばしば困難であり、マルチスペクトルカメラは高価であることである。
【００１２】
従って、周囲の照明又は干渉の場合でもより高い信頼性及び堅牢性を有する結果を得るよう、対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定する改良されたシステム及び方法が必要とされる。
【００１３】
ＵＳ２０１４／０２４３６２２Ａ１号は、標的物体を照射するための光源を含むフォトプレチスモグラフ装置を開示する。変調器は、出力強度が変調周波数における変調信号の機能として変化するように光源を駆動する。検出器は、標的物体から光を受け取り、受け取った光の強度の関数として電気出力を生成する。局部発振器を有する復調器は、検出器出力を受信し、時間及び／又は血液組成の関数として血液量を示す、変調信号と発振器との間の位相差に影響されない復調出力を生成する。異なる波長の複数の光源から、又は検出器のアレイから信号を得るために、複数の復調器が設けられてもよい。プレチスモグラフは、透過モード又は反射モードで作動することができる。反射モードにあるとき、デバイスは、光学スペクトルの緑色部分を使用することができ、偏光フィルタを使用することができる。
【００１４】
更なる先行技術は、ＷＯ２０１６／１６６６５１Ａ１号及びＷＯ２０１１／１１７７８０Ａ１号に見られることができる。
【００１５】
本発明の目的は、対象の少なくとも１つのバイタルサインを決定するシステム及び方法を提供することであり、これにより、周囲照明又は干渉の場合であっても、より高い信頼性及び堅牢性を有する結果が達成されることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様では、システムが提示され、このシステムは、
対象の皮膚領域を照明するよう構成された照明ユニットであって、２つ以上の波長チャネル及び／又は２つ以上の偏光チャネルにおいて異なる変調電磁放射線を放出するよう構成された第１の放射線源及び第２の放射線源を含む、照明ユニットと、
対象の皮膚領域から反射された電磁放射線を検出し、検出信号を生成するよう構成された検出ユニットであって、複数の検出要素を含み、検出信号が、検出要素又は２つ以上の検出要素のグループごとに生成される、検出ユニットと、
復調された検出信号を得るために照明ユニットにより適用された変調に対応する検出信号を復調するよう構成された処理ユニットと、
波長又は偏光チャネルごとに、上記復調された検出信号から同じ瞬間に統計的尺度を決定し、上記統計的尺度からバイタルサインを抽出するよう構成されたバイタルサイン決定ユニットとを有する。
【００１７】
本発明の更なる態様では、対応する方法が提供される。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に規定される。請求項に記載される方法は、特に従属請求項に規定され、本書に開示されるような、請求項に記載されるシステムと類似及び／又は同一の好ましい実施形態を有することを理解されたい。
【００１９】
遠隔ＰＰＧシステムの弱点は、対象の皮膚領域から反射された（又は対象の皮膚領域を透過した）電磁放射線を検出するために従来使用されるようなカメラが、比較的低い時間サンプリング周波数（即ち、画像レート）を有し、これは、周囲照明に対して非常に堅牢であり得る低コストの（周波数／位相多重）多波長解決策を妨げることにある。ＨＦ変調光を用いた堅牢性は、周囲照明スペクトルが通常多くの高周波数を示さないという事実からくる。光源の高周波変調を使用し、カメラからの信号を復調することは、周囲の光の変動をシステムが事実上検出できなく（blind）する。これは、ＨＦ変調された光を捕捉するために必要な高サンプリングレートをカメラが許容する場合にのみ機能し、これはカメラ技術の現在の状態ではこの技術を厳しく制限する。
【００２０】
周囲光に関連して取り扱われるカメラに関する別の問題は、カメラが、典型的には８ビット又は最大１２ビットの輝度量子化を使用して、非常に限定されたダイナミックレンジを有することである。これは、周波数変調が使用されても、変調されていない追加の周囲光が、変調された光よりも強い場合（これは太陽光で容易に発生する可能性がある）、変調された光が、光センサのクリッピングを通して失われる可能性があることを意味している。
【００２１】
カメラの使用に関する更なる関心事は、プライバシーに関し、これも本発明で解決されることができる問題である。
【００２２】
遠隔ＰＰＧのために提案されるシステムは、電磁放射線を検出するため及び検出信号を生成するための検出ユニットを選択することにより、これらの弱点の１つ又は複数を効果的に除去することができ、そこから、非皮膚表面からの光反射を伴う皮膚領域の固有汚染を扱うことを可能にする統計量が得られることができる。好ましくは、例えばフォトダイオードの小さなアレイとして構築された低分解能２Ｄセンサが使用され、その結果、非常に高いサンプリングレート及び大きなダイナミックレンジが実現可能になる。
これは、ＨＦ変調された放射線源を可能にし、非常に大きなダイナミックレンジと組み合わされて、強い周囲光堅牢性を提供することができる。
【００２３】
照明ユニットは、２つ以上の波長チャネル及び／又は２つ以上の偏光チャネルにおいて異なる変調電磁放射線を放出する２つの放射源を有する。照明ユニットは例えば、ＬＥＤなどの個々の放射線（例えば、光）放出要素により実現されてもよい。
【００２４】
従って、各検出信号は（別々に）２回復調され（第１及び第２の放射線源により適用される変調に対応する）、即ち、測定された検出信号当たり２つの復調された検出信号が得られる。換言すれば、検出ユニットの全ての画素は、異なる変調周波数で復調されて、各波長又は偏光チャネルに対する画素値が得られる。
【００２５】
バイタルサインは、統計的尺度から抽出される。一例として、検出ユニット内に例えば１６個のフォトダイオードがあり、それぞれが検出信号を生成し、３つの波長チャネルがある場合、好ましくは、上記検出信号から、少なくとも２つの統計的尺度が波長チャネルごとに生成され、即ち、合計６つの統計的尺度が得られる。一実施形態では、波長チャネルごとに、中心傾向メトリック（例えば、各波長に対するすべての画素の平均又は中央値）及び分散メトリック（例えば、各波長に対するすべての画素の分散）が得られる。次いで、６つの統計的尺度（３つの波長チャネル当たり２つの測定メトリック）からバイタルサインが抽出される。
【００２６】
本書で使用されるように、統計的尺度（統計パラメータ値とも呼ばれる）は、検出ユニットの画素の値を示す尺度を指し得る。統計的分散（変動、散乱、又は広がりとも呼ばれる）は、分布が伸張又は圧搾される程度を示すことができる。統計的分散の尺度の一般的な例は、分散、標準偏差、及び四分位間範囲である。候補信号は、対応する検出信号の統計的尺度を経時的に連結することにより決定されることができる。例えば、時間の各瞬間において、時間のこの瞬間における画素値の標準偏差値が決定され、その後の標準偏差値が経時的に候補信号を形成する。
【００２７】
従って、本発明によれば、空間統計量（即ち、空間領域における統計的尺度）が使用される（例えば、検出要素のアレイを含む２Ｄ検出ユニットのサンプルの要約統計量）。斯かる空間統計量は、同じ検出要素（例えば、画素）からの時間的に連続したサンプルを組み合わせることにより得られるサンプルの集合を要約することを目的とする時間的統計量（復調周期的信号との時間的相関として見られることができる復調など）、即ち時間信号の時間的領域統計量とは異なる。対照的に、本発明は、異なる検出要素又は検出要素のグループ（即ち、検出ユニットの画素、例えば、低解像度２Ｄセンサアレイ）により同時に取得された複数の検出信号のサンプルの空間的統計量を使用する。
【００２８】
オプションで、例えば、候補信号をその（移動ウィンドウ）時間平均で割る、その対数をとる、及び／又はオフセットを除去することにより、候補信号を正規化するといった追加のステップが実行されることができる。更に、重み付けマップによる画素の重み付け、（重み付け）検出信号のリサイズ、再スケーリング、再サンプリング又はクロッピングなどの（前）処理ステップが行われる。従って、本書で使用される（重み付けされた）検出信号は、斯かる（前）処理された（重み付けされた）検出信号を指すこともある。
【００２９】
本書で使用される「光」及び「放射線」という用語は一般に、同じ、特に可視及び赤外スペクトルの電磁放射線を意味するものとして理解されることに留意されたい。好ましくは、本発明によれば、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の放射線が使用される。
【００３０】
一実施形態によれば、上記統計的尺度は、標準偏差、分散、平均絶対差、中央絶対差、及び／又は四分位範囲の少なくとも１つを示す。従って、統計的分散を示す統計的尺度が、関心領域における画素の平均化（即ち、中心傾向メトリックの評価）の従来のアプローチの代わりに評価される。
【００３１】
一実施形態によれば、第１及び第２の放射線源は、異なる波長又は波長範囲又は波長の混合で電磁放射線を放出するよう構成される。次いで、これらの変調波長チャネルから（擬似）色信号がロバストに復調されることができる。
【００３２】
別の実施形態では、第１及び第２放射線源は、異なる偏光を有する電磁放射線を放出するよう構成される。一実施形態では、両方のオプションを実現することも可能である。これは、周囲光の堅牢性を更に高めることができ、及び／又は鏡面反射に対する感度を低下させることができる。
【００３３】
オプションで、照明ユニットは、１ｋＨｚよりも高い範囲、特に１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲において、放出された電磁放射線を変調するための変調周波数を適用するよう構成される。これは、それらを周囲照明変動から明確に区別することを可能にする。
オフィスでは、現在の蛍光ランプは、潜在的な高調波を伴って１００／１２０Ｈｚを発するが、最近のＬＥＤはしばしば、ｋＨｚに及ぶ範囲の強い周波数を発する。調光可能な蛍光灯の中には、２０ｋＨｚまでの周波数を発するものもある。従って、すべての想像上の干渉を防止するためには、かなり高い周波数が好ましい。これらの周波数は、現行のカメラ技術では明らかに得られない。従って、この実施形態は、周囲光の変動に対して良好な堅牢性を提供する。
【００３４】
第１の放射線源は、放射された電磁放射線を変調するための第１の変調周波数を適用するよう構成されてもよく、この変調周波数は、放射された電磁放射線を変調するための第２の放射線源により適用される第２の変調周波数から少なくとも８Ｈｚ離れている。これは、波長チャネルの良好な分離を可能にし、更に、周囲光に対する堅牢性の改善に寄与する。
【００３５】
検出ユニットは好ましくは、複数の検出要素、特に、フォトダイオードのアレイ、ＣＣＤアレイ又はＣＭＯＳアレイの単一フォトダイオード又はフォトダイオードのアレイを含み、これは、安価であるが有効な解決策を表す。例えば、比較的小さなアレイのフォトダイオード、即ち、個々の偏光方向を捕捉するのにちょうど十分な大きさのアレイ、又は周囲光の堅牢性を更に向上させるために個々の光学フィルタを備えたアレイが使用されることができる。
【００３６】
システムは、更に、対象の皮膚領域から反射された電磁放射線に偏光を適用するよう構成された偏光ユニットを含んでもよい。例えば、単一の（共通の）偏光子が、検出ユニットのすべての画素の前に配置されてもよい。復調後、交差偏光チャネル及び平行偏光チャネルの両方が得られることができる。別の実現において、いくつかの検出要素は、第１放射線源の第１偏光と同一の偏光子を有してもよく、他の検出要素は、第２放射線源の第２偏光と同一の偏光子を有してもよい。
【００３７】
システムは更に、対象の皮膚領域から反射された電磁放射線をフィルタリングして、照明ユニットにより使用される変調周波数のみを通過させるよう構成された光学フィルタユニットを含んでもよい。費用対効果の高い実施形態では、変調された放射線源で使用される波長のみを透過させる共通のフィルタが提供される。これは、センサを、他のすべての波長に対して「ブラインド」とし、従って、周囲光の堅牢性を高める（典型的には、周囲光は、非常に広いスペクトルを有する（例えば、太陽光））。別の実現では、個々の画素が、使用される全ての波長のよりも少ない波長を通過させるフィルタを具備することができる（例えば、３つの異なる波長が放射源により放射される場合には、１つ又は２つの波長のみ）。これは、波長当たりの有効画素数を減少させるものの、周囲光の堅牢性を更に増加させる。使用される異なるフィルタの数が波長の数と等しい場合でも（例えば、３つのＬＥＤ及び異なる整合フィルタを有する３つの画素群）、変調は、助けとなる。なぜなら、（運動などによる）波長間隔のほとんどの変動は、変調周波数の周辺の狭い帯域に入らない場合があるからである。
【００３８】
処理ユニットは更に、復調された検出信号を得るために、検出信号に同期復調を適用するよう構成されてもよい。
【００３９】
候補信号に基づかれる対象の生理学的パラメータ、例えばバイタルサインの抽出が、既知の技術を用いて行われることができる。例示的な技方法は、以下に限定されるものではないが、異なる波長チャネル（ＲＧＢ、ＩＲ）の候補信号にわたる固定加重和を評価すること、又は両方の候補信号を有利に含むブラインドソース分離法を含み、ブラインドソース分離法は、最も拍動性の独立信号を選択することに基づかれるブラインドソース分離、主成分分析（ＰＣＡ）、独立成分分析（ＩＣＡ）、ＣＨＲＯＭ（クロミナンスベースのパルス抽出）、ＰＯＳ（ここで、パルスは、皮膚トーンベクトルに直交する平面内で抽出される）、ＰＢＶ法（これは、血液量パルスベクトルの所定のシグネチャを使用する）、又はＡＰＢＶ（ＰＢＶ方法の適応的バージョン、これも血液酸素飽和モニタリングを可能にする）を含む。性能を更に改善するために、例えば、１つ又は複数のチャネルの利得の補正など、オプションの前処理が候補信号に適用されることができることに留意されたい。
【００４０】
従って、一実施形態では、バイタルサイン決定ユニットは、復調された検出信号を重み付けされた組み合わせにより線形に結合することにより、復調された検出信号からバイタルサインを決定するよう構成され、ここで、上記重み付けされた組み合わせの重みは、ブラインド信号分離により、特に主成分分析又は独立成分分析により決定され、所定の基準に基づき、結合された検出信号の成分チャネルを選択することにより決定される。
【００４１】
別の実施形態では、バイタルサイン決定ユニットは、重みを用いて重み付けされた組み合わせを用いて、復調された検出信号を線形に結合することにより、復調された検出信号からバイタルサインを決定するよう構成され、これは、パルス信号をもたらす。パルス信号に関して、元の検出信号との積が、それぞれのシグネチャベクトルにより表される相対脈動と等しくなる。シグネチャベクトルは、元の検出信号における検出信号の予想される相対強度を提供する。
【００４２】
第１及び第２放射線源の少なくとも一方は、制御可能な狭い放射線ビームを放射するよう構成される。この目的のために、制御ユニットが設けられることができる。従って、放射源により放出される放射ビームの方向、ビーム幅、及び強度の１つ又は複数が制御されることができる。
これは、例えば、対象の皮膚部分を主に照らし、又は対象の皮膚部分のみを照らし、対象の他の部分又は対象の環境を照らさないままにするために使用されてもよい。
【００４３】
最も効果的には、照明ユニットは、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲内の電磁放射線で対象の皮膚領域を照明するよう構成される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明によるシステムの第１の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。
【図２】本発明によるシステムの第２の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。
【図３】本発明によるシステムの第３の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。
【図４】本発明によるシステムの第４の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、これを参照して説明される。
【００４６】
図１は、本発明による、対象５０の少なくとも１つのバイタルサインを決定するためのシステム１の第１の実施形態の概略図を示す。対象５０は、例えば病院又は他の医療施設のベッドに横たわる患者とすることができるが、例えばインキュベータに横たわる新生児若しくは未熟児であってもよく、又は自宅若しくは異なる環境にいる人であってもよい。
【００４７】
システム１は、対象５０の皮膚領域を照明するよう構成された照明ユニット２を有する。照明ユニット２は、２つ以上の波長チャネル及び／又は２つ以上の偏光チャネルにおいて異なるように変調された電磁放射線を放出するよう構成された第１の放射線源２０及び第２の放射線源２１を有する。例えば、放射源はＬＥＤとして構成されてもよい。実施形態では、複数の放射線源、即ち２つ以上の放射線源が設けられることができる。
【００４８】
放射線源２０、２１は、制御可能であってもよい。この目的のために、照明ユニット２の放射源２１、２２を制御するよう構成された制御ユニット３が設けられることができ、この制御ユニットは例えば、コントローラ又はプロセッサであってもよい。
【００４９】
システム１は、対象５０の皮膚領域から反射された電磁放射線を検出し、検出された電磁放射線から検出信号を生成するよう構成された検出ユニット４を更に有する。検出ユニット４は例えば、単一のフォトダイオードであっても、フォトダイオードのアレイであってもよい。
【００５０】
システム１は更に、復調された検出信号を得るため、照明ユニット２により適用された変調に対応する検出信号を復調するよう構成された処理ユニット１１を有する。
【００５１】
最後に、システム１は、波長又は偏光チャネルごとに、上記復調された検出信号から統計的尺度を決定し、上記統計的尺度からバイタルサインを抽出するよう構成されたバイタルサイン決定ユニット５を有する。処理ユニット１１及び／又はバイタルサイン決定ユニット５は例えば、プロセッサ又はコンピュータ又は専用ハードウェアであってもよい。
【００５２】
システム１はオプションで、決定された情報を表示するため、及び／又はシステムの要素の設定を変更するためのインターフェースを医療従事者に提供するためのインターフェース６を更に有することができる。斯かるインターフェースは、種々のディスプレイ、ボタン、タッチスクリーン、キーボード、又は他のヒューマンマシンインターフェース手段を有することができる。
【００５３】
放射源が例えばＬＥＤである場合、放射電磁放射線の変調は、ＬＥＤを通る電流を変調することにより最も容易に達成される。電子回路は例えば、正弦波様式で、バイアス値の周囲で変調された電流を提供してもよい（しかしながら、他の波形も可能であり、魅力的であり得る）。ＬＥＤ以外の光源では、斯かるＨＦ変調をソース自体で達成することは困難であり、その結果、放射される電磁放射線の変調を達成するために光変調器が付加的に使用されることができる。
【００５４】
図１に示されるようなシステム１は例えば、病院、医療施設、老人医療施設等に配置されてもよい。患者のモニタリングとは別に、本発明は、新生児モニタリング、一般的なサーベイランスアプリケーション、セキュリティモニタリング、又はフィットネス機器、ウェアラブル、スマートフォンなどのハンドヘルドデバイスといったいわゆるライブスタイル環境などの他の分野にも適用されることができる。システム１の２つ以上の要素間の単方向又は双方向通信は、無線又は有線通信インターフェースを介して機能することができる。
【００５５】
図１に示す実施形態は、特に自動車用途に適した低コストの実施形態である。照明ユニット２及び検出ユニット４は、共通の光学要素７、例えば共通のレンズを介して対象５０と共にシーンを見ている。対象５０の顔は照明ユニット２に比較的近いため、それは、対象の背後の表面よりもはるかに多くの光を反射する。斯かる例示的な実施形態では、半透明ミラー８が使用されることができるが、実際には、検出ユニット４への直接光を十分に抑制することができず、即ち、代わりに、照明ユニット２及び検出ユニット４のための別個のレンズが使用されることができる。
【００５６】
検出ユニット４の個々の検出要素からの信号は復調され、検出ユニット４毎に異なる波長／偏光チャネルが、好ましくは検出要素の２Ｄアレイで取得される。
次に、検出要素のいくつかに当たる反射光（の一部）が非皮膚表面からのものであり得るという事実を処理するため、統計的尺度、例えば、中心傾向（例えば、アレイからの全ての復調された検出器信号又はチャネルの平均又は中央値）と、個々の波長／偏光チャネルについての分散（例えば、アレイからの全ての復調された検出器信号又はチャネルの分散又は標準偏差）メトリックとが計算される（関心領域（ＲｏＩ）検出器は一般に使用されないが、皮膚及びいくつかの背景（汚染されたＲｏＩと考えられ得る）を表す検出信号のセット全体が使用されることに留意されたい）。
【００５７】
最後に、バイタルサインは、チャネル、好ましくは全てのチャネルの統計的尺度から抽出され、例えば、ＰＰＧ信号（パルス）は、全ての波長チャネルの統計的尺度の線形結合として達成されることができる。典型的には、前述した方法（ＰＣＡ、ＩＣＡ、ＰＢＶ、ＣＲＯＭ、ＰＯＳ、ＡＰＢＶ、ＰＢＶＧＯＰ）のいずれかが、個々の統計的メトリックに適用され、例えば平均値にＰＣＡ、及び分散にＰＣＡが適用されることができ、これは、例えば、品質指標（例えば、スペクトルの歪度、正規化されたスペクトルにおける最高ピークの高さなど）を用いた線形重み付けといった選択又は組み合わせにより出力ＰＰＧ信号が得られる２つのＰＰＧ信号をもたらす。この選択の背景は、少数のチャネルが非皮膚表面に対応する場合、平均が非常に良好に機能し、一方、チャネルのかなりの部分が非皮膚に対応し、場合によっては少数のチャネルのみが皮膚に対応する場合、分散がより良好に機能することである。
【００５８】
典型的には、電磁放射線は、パルス、呼吸及び血液酸素飽和度測定のために４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲、特に６２０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲である。この特定の範囲は、ＳｐＯ２測定に最も適しており、睡眠中の目立たないモニタリングにとって魅力的である（暗やみに近い場合、７６０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲への更なる制限が好ましい場合がある）が、スペクトルの可視部分は、光の可視性が目立たない場合に、より高い品質を可能にし得る（即ち、ＮＩＲは、すべての場合において必ずしも好ましい選択肢ではない）。検出信号は、対象の皮膚を遠隔的に感知する光センサ（又は光センサアレイ）により取得されてもよく、即ち、少なくともいくつかの皮膚は、検出器により撮像される必要があるが、検出器は、いくつかの背景も見ることができる。
【００５９】
照明ユニット２を使用することにより、非皮膚表面の照明が原則的に防止又は最小化されることができる。これを実現するために様々な方法が使用されることができるが、一例として、照明はフィードバックループに埋め込まれており、そこでは、抽出されたＰＰＧ信号の品質（例えばＳＮＲ）が、照明ユニットの「画素」の強度を変化させることにより最適化される。
【００６０】
実際の実施形態では、照明ユニット２は、周囲光の堅牢性を可能にするために、変調（周波数又は位相）方式で少なくとも２つ又は３つの異なる波長間隔（ＲＧＢ、又はＮＩＲを使用する不可視波長）で放射線を放射することができる。次いで、（擬似）カラー信号が、これらの変調波長チャネルからロバストに復調されることができ（又は代替的に、異なる光学フィルタを具備した異なるフォトダイオードから得られることができる。この場合、変調は周囲光に対して増大した堅牢性のみを果たし、全ての波長に対して同一（即ち、同一変調周波数）とすることができる。）、ＰＰＧ信号は、以下により詳細に説明されるように、カメラベース抽出（ＩＣＡ、ＰＣＡ、ＣＨＲＯＭ、ＰＯＳ、（Ａ）ＰＢＶ法など）のために提案されるのと同じ基本アルゴリズムを用いて、運動ロバストに波長チャネルから抽出されることができる。
【００６１】
周囲の照明変動に対して良好な堅牢性を達成するために、照明ユニット２は、例えば１ｋＨｚ〜数ＭＨｚの間の比較的高い周波数で変調されることができ、この場合、周囲光スペクトルは典型的には、かなりクリーンであることが期待され、及び従って、復調された波長チャネルに対して干渉を生じない。検出器は、遠隔ＰＰＧアプリケーションで典型的に使用される撮像センサではなく、高速検出器、例えばフォトダイオードであるため、これらの高周波数は容易に実現可能である。異なる波長／偏光は、異なる周波数で変調されることができる（単色検出器の場合）。しかしながら、チャンネルはあまり離される必要はない。８Ｈｚ付近の分離は、既に十分であり得る。なぜなら、パルス信号による側波帯は、人の最大脈拍数に対して約＋／−４Ｈｚに制限されるからである。
【００６２】
別の実施形態では、周囲光の堅牢性は、変調された照明ユニットで使用される波長を選択的に透過させるが、例えば可視光遮断フィルタにより全て（又は大部分）の他の周囲光を遮断する光学フィルタを備えた検出ユニット、例えば光検出器を使用することにより改善される。
【００６３】
更なる実施形態は、使用される波長ごとに別個の光検出器を使用することにより、周囲光の堅牢性を向上させてもよく、ここで、各光検出器は、照明ユニット整合光学フィルタを備えてもよい。
【００６４】
周囲光の堅牢性を向上させるか、又は鏡面反射に対する感度を低下させるために、検出ユニット及び／又は照明ユニットの前で偏光子が使用されることができる。異なる偏光フィルタで得られた２つの信号を有すること自体が、個々の信号よりもクリーンな（部分的に独立した）信号の組み合わせを可能にし得る。これは、単一波長のオプションを可能にし、又は偏光子がない場合よりも２倍多くの検出信号が組み合わせられることを提供する。
【００６５】
照明ユニット２を制御する制御ユニット３は、同じ最適化基準を使用して、例えば、できるだけ多くの皮膚及びできるだけ少ない非皮膚表面が照明されるように、照明ユニット２からの（一般に比較的狭い）ビーム３０の方向及び／又は幅及び／又は強度を制御するよう構成されてもよい。好ましくは、放射線源２１、２２は、この効果を達成するために、個別に又はグループで制御されることができる。
【００６６】
図１に示すシステム１の実施形態では、異なる波長が多重化されるか、又は複数のＬＥＤ（異なる波長）が異なる周波数で変調されることができる。非常に高い変調周波数（ｋＨｚ−ＭＨｚ）が可能であり、製品検出器（又はヘテロダイン復調器）などを使用して良好な分離が可能である。例えば、復調は、正弦波及び余弦波を有する滑り解析ウィンドウ上の内積を計算し、二乗内積の平方根を計算し、最終的に、滑りウィンドウ処理から得られた値をローパスフィルタリング（例えば、４Ｈｚカットオフ）することにより行われることができる。高い変調周波数は、運動に関する問題を防止し、システムを周囲照明に対して非常に堅牢にすることができる。即ち、周波数選択性は、典型的には１ｋＨｚ（古典的な光源では５０／１００Ｈｚ、ＬＥＤ光では数百Ｈｚ）よりも低く、１００ｋＨｚよりも低い、周囲照明の変動に対してシステムを「ブラインド」にすることができる。この場合、（背景と比較した）顔の相対的な近接が、画素化された光の必要性を防ぐことができ、又は代替的に、対象のすぐ後ろの非常に吸収性の背景は、非皮膚表面からの有害な寄与を防ぐことができる。
【００６７】
図２は、本発明によるシステム１００の更なる実施形態の概略図を示す。照明ユニット及び検出ユニットが主に示され、制御ユニット及びバイタルサイン検出ユニットなどシステムの他の要素は省略される。
【００６８】
システム１００のこの実施形態では、照明ユニット２に、対象５０に向けて狭いビーム３０を、例えば、自動車運転者として動くのに必要な自由度だけを可能にするのに十分な幅のビーム３０を投影させ、検知ユニット４に、対象５０を同様に狭い視野角４０で見させることが可能である。従って、システム１とは異なり、光源及びセンサの光路は、この実施形態では別個である。顔は、照明ユニット２に最も近いので最も照明され、従って、背景は、信号品質（又は高度に吸収性の背景（例えば、ヘッドレスト））にほとんど影響を及ぼさない。従って、皮膚／顔は、（著しく）検出器アレイ上の光に最も寄与するが、１つ又は複数の統計的メトリックの使用は、非皮膚表面からの検出光の汚染がある場合であっても、バイタルサイン抽出を可能にする。
【００６９】
両方の光路３０及び４０は狭く、それらの交差部が主に皮膚を含むならば、ＰＰＧ信号は、たとえ背景が黒でなくても、良好な品質のものとなる。用途によっては、暗い背景を使用することが有効なオプションの場合がある。背景がシーンからの反射光において重要な役割を果たす場合、１つ又は複数の統計的メトリック（例えば、中心傾向及び分散）により形成される信号を組み合わせることにより、高品質のＰＰＧ信号を得ることが依然として可能である。
【００７０】
検出ユニットとしてフォトダイオードを用いるとき、その検出信号がｋＨｚ範囲で同期復調されることができる。例えば、周波数多重で変調された３波長システム（例えば、７６０ｎｍ、８００ｎｍ及び９００ｎｍを使用）は、１０ｋＨｚ付近の中心周波数を有することができ、波長チャネルは例えば、１０、１１又は１２ｋＨｚのように、少なくとも８Ｈｚ離れている。この分離は、可能なパルス周波数の範囲（０．５〜４Ｈｚ、これは変調周波数に＋／−４Ｈｚ側波帯を与える）のために好ましい。従って、干渉を防ぐには、８Ｈｚ離しておく必要がある。
【００７１】
しかしながら、他の干渉考慮事項がある。放射源（例えば、ＬＥＤ）における非線形性は、変調周波数の高調波をもたらし、これも他の波長のパルス帯域に干渉を生じさせてはならない（例えば、１０ｋＨｚの変調周波数は、２０、３０、４０等のｋＨｚに高調波を生じさせる）。復調器のいずれかがこれらの高調波のいずれかを脈拍数バンド干渉結果にミックスダウンする場合（例えば、波長１に対して１０ｋＨｚを使用するとき、干渉を防止するために他の変調周波数も４０ｋＨｚ＋／−３２Ｈｚを避けるべきである）。
【００７２】
従って、変調周波数の選択にはさまざまな制約がある場合がある。下限だけでなく、上記の例から明らかなように、使用されるべきでない多くの周波数帯域がある。
【００７３】
異なる偏光方向（照明ビーム２０の光の偏光に対して交差及び平行）で受光光を変調することも可能である。この目的のために、偏光子９及び１０が使用されることができる。照明のために偏光を使用し、検出ユニット４の前又は一部として（特に、受信された放射線を感知するセンサの前で）交差偏光子１０を使用することは、鏡面反射光を抑制するのに役立ち得る。偏光子の使用は、動きの堅牢性及びＰＰＧ信号のＳＮＲを改善するために、余分な波長の使用を（部分的に）置き換えることもできる。
【００７４】
鏡面反射を抑えるためには、１つの偏光子を全ての放射線源に使用し、直交（交差）偏光子を検出ユニットの前に使用すれば十分である。動き堅牢性を改善するために、複数のオプションが存在する：
ａ）すべての放射線源の前に単一の偏光子を使用し、２つの検出要素の前に交差偏光子と平行偏光子とを使用する（検出ユニットを形成する）；
ｂ）単一の検出要素（検出ユニットを形成する）の前で偏光を交互させる（スイッチする）；
ｃ）検出ユニットの前に１つの偏光子を使用し、放射源の前で偏光を切り替える。
ｄ）平行放射源において複数の偏光子を使用する。
【００７５】
一般に、偏光子として、偏光フィルタが用いられることができる。
しかしながら、この目的のためには、透過フィルタが使用されることができるだけでなく、同じ効果を達成するのに、反射器及び／又は鏡（例えば、偏光鏡）が使用されてもよい。
【００７６】
図３は、本発明によるシステム２００の第３の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、複数の照明ユニット２ａ、２ｂがそれぞれ、比較的狭いビーム３０ａ、３０ｂと共に使用され、オプションで各々が偏光子９ａ、９ｂを伴う。狭いセンサ視野角４０と狭いビーム３０ａ、３０ｂとの交点にある物体のみが検出信号に寄与することになる。
【００７７】
図４は、本発明によるシステム３００の第４の実施形態の概略図を示す。この実施形態は、自動車用途に特に適している。なぜなら、背景照明が完全に防止されることができるからである。対象の顔は、側面から、好ましくは偏光で照明される。検出ユニット４は、交差偏光子１０を備えており、その結果、その視野において半透明の物体により偏光解消された反射のみを見る。自動車では、皮膚から反射された散乱光のみが検出ユニット４により「見られる」ように、視野内の他の任意の（著しく反射する）物体を防止することは比較的容易でなければならない。
【００７８】
更なる代替実施形態は、コントローラにより方向付けられることができる光の非常に狭いビーム（身体部分（例えば、顔）に対して狙いを定められたものよりも小さい照射領域を生じさせるのに十分な狭さ）を採用する。この実施形態では、検出ユニットは、より大きな環境を「見る」ことができるが、それにもかかわらず、これは、スポットが対象の皮膚のみに到達している場合には、良好な品質のＰＰＧ信号を与えることができる。おそらく、コントローラは、光ビームの方向を変え、こうしてＰＰＧ信号品質が最適化される。
【００７９】
一般に、ＰＰＧ信号は、皮膚内の血液量の変動から生じる。従って、変動は、反射光／透過光の異なるスペクトル成分で見ると、特徴的な拍動性「シグネチャ」を与える。この「シグネチャ」は基本的に、血液の吸収スペクトルと血液のない皮膚組織の吸収スペクトルとのコントラスト（差）として生じる。検出器、例えば、カメラ又はセンサが、それぞれが光スペクトルの特定の部分を感知する離散的な数のカラーチャネルを有する場合、これらのチャネルにおける相対的な拍動は、「正規化血液量ベクトル」ＰＢＶとも呼ばれる「シグネチャベクトル」に配置されることができる。これは、Ｇ．ｄｅ  Ｈａａｎ及びＡ．ｖａｎ  Ｌｅｅｓｔによる「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｍｏｔｉｏｎ  ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ  ｏｆ  ｒｅｍｏｔｅ−ＰＰＧ  ｂｙ  ｕｓｉｎｇ  ｂｌｏｏｄ  ｖｏｌｕｍｅ  ｐｕｌｓｅ  ｓｉｇｎａｔｕｒｅ」、Ｐｈｙｓｉｏｌ．Ｍｅａｓ．３５  １９１３、２０１４に示される。この文献は、参照により本書に組み込まれ、このシグネチャベクトルが既知であれば、カラーチャンネル及びシグネチャベクトルに基づき、運動ロバストなパルス信号抽出が可能であることを示す。パルス信号の品質のためには、シグネチャベクトルが正確であることが不可欠であるが、他の態様では、既知の方法は、シグネチャベクトルにより示されるように、正規化されたカラーチャネルとパルスベクトルとの所定の相関を達成するために、出力パルス信号にノイズを混合する。
【００８０】
ＰＢＶ法の詳細及び正規化血液量ベクトル（「基準生理学的情報を示す設定方位を有する所定のインデックス要素」と呼ばれる）の使用は、ＵＳ２０１３／２７１５９１Ａ１号にも記載され、その詳細も参照により本書に組み込まれる。
【００８１】
ＰＰＧ信号の特徴的な波長依存性は、血液の組成が変化するときに変化する。
特に、動脈血の酸素飽和度は、６２０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長範囲における光吸収に強い影響を及ぼす。異なるＳｐＯ２値に対するこの変化するシグネチャは、動脈血酸素飽和度に依存する相対的なＰＰＧ拍動性をもたらす。
この依存性は、運動ロバストな遠隔ＳｐＯ２監視システムを実現するのに使用されることができる。このシステムは、適応的ＰＢＶ法（ＡＰＢＶ）と名付けられ、Ｍ．ｖａｎ  Ｇａｓｔｅｌ、Ｓ．Ｓｔｕｉｊｋ及びＧ．ｄｅ  Ｈａａｎによる「Ｎｅｗ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ｆｏｒ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ａｒｔｅｒｉａｌ  ｂｌｏｏｄ  ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ，  ｅｎａｂｌｉｎｇ  ｍｏｔｉｏｎ−ｒｏｂｕｓｔ  ｒｅｍｏｔｅ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ」、Ｎａｔｕｒｅ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｐｏｒｔｓ、Ｎｏｖ．２０１６に詳細に記載される。この文書におけるＡＰＢＶ法の詳細の説明もまた、参照により本書に組み込まれる。
【００８２】
ＰＢＶ法は、ＰＢＶベクトルが異なる波長チャネルにおける相対的脈動を反映して正確であるとき、最もクリーンなパルス信号を与える。このベクトルは実際のＳｐＯ２値に依存するので、ＳｐＯ２値の範囲に対応する異なるＰＢＶベクトルでＰＢＶ法をテストすると、ＳｐＯ２値の結果は、最も高いＳＮ比を持つパルス信号を与えるＰＢＶベクトルに対応するものとなる。
【００８３】
以下では、ＰＢＶ法に関するいくつかの基本的な考察が、ＲＧＢ波長チャネルを例として使用して簡単に説明される。
【００８４】
心臓の拍動は、心臓が血管床の抵抗に逆らって血液を送り出す際に、動脈の圧力変動を引き起こす。動脈は弾性があるので、その直径は圧力変動に同期して変化する。これらの直径の変化は、太い動脈だけでなく、毛細血管床の動脈側の皮膚の細い血管である細動脈でも起こり、血液量の変動が光の吸収を変化させる。
【００８５】
単位長さ正規化血液量パルスベクトル（シグネチャベクトルとも呼ばれる）は、ＰＢＶとして規定され、赤、緑、及び青のカメラ信号における相対的なＰＰＧ強度である
2021527466.tif 000003
を提供する。ここで、σは、標準偏差を示す。
【００８６】
予想を定量化するために、赤、緑及び青チャネルの応答Ｈｒｅｄ（ｗ）、Ｈｇｒｅｅｎ（ｗ）及びＨｂｌｕｅ（ｗ）がそれぞれ、グローバルシャッターカラーＣＣＤカメラの波長ｗ、対象の皮膚反射率ρｓ（ｗ）及び使用される絶対ＰＰＧ振幅曲線ＰＰＧ（ｗ）の関数として測定される。
例えば、ｄｅ  Ｈａａｎ及びｖａｎ  Ｌｅｅｓｔの上記の論文の図２に示されるこれらの曲線から、血液量パルスベクトルＰＢＶが、
2021527466.tif 000004
として計算され、これは、白色ハロゲン照明スペクトルＩ（ｗ）を使用して、正規化されたＰＢＶ＝[０．２７、０．８０、０．５４］をもたらす。
【００８７】
使用されたモデルにより予測された血液量パルスは、白色照明条件下で複数の対象についての測定値を平均した後に見出された実験的に測定された正規化血液量パルスベクトル、ＰＢＶ＝[０．３３、０．７８、０．５３］に合理的によく対応する。この結果を考えると、観測されたＰＰＧ振幅は、特に赤色で、及び青色カメラチャネルではより小さい程度であるが、５００〜６００ｎｍの間の間隔の波長からのクロストークにより大部分が説明されることができると結論付けられる。正確な血液量パルスベクトルは、モデルが示すように、カメラのカラーフィルタ、光のスペクトル、及び皮膚反射率に依存する。実際には、ベクトルは、波長チャネルのセットが与えられても非常に安定的であることが分かる（ベクトルは、ＲＧＢベースのベクトルと比較して赤外線において異なる）。
【００８８】
更に、白色照明下の赤色、緑色、及び青色チャネルにおける皮膚の相対反射率は、皮膚の種類にあまり依存しないことが見出された。これは、無血皮膚の吸収スペクトルがメラニン吸収により支配されるためであると思われる。より高いメラニン濃度は絶対吸収をかなり増加させることができるが、異なる波長における相対吸収は同じままである。これは、メラニンの増加が皮膚を暗くするが、皮膚の正規化された色をほとんど変化させないことを意味する。その結果、正規化された血液量パルスＰＢＶも、白色照明下で非常に安定的である。赤外線波長では、メラニンの影響は更に減少する。なぜなら、メラニンの最大吸収が短波長（ＵＶ光）で起こり、長波長では減少するからである。
【００８９】
ＰＢＶベクトルがメラニンによってあまり影響されない主な理由は、メラニンが表皮中にあり、及び従ってＡＣ及びＤＣの両方において光学フィルタとして作用することである。従って、それは、脈動を低減させることができるが、同時に、反射のＤＣ値も低減させることができる。従って、ＡＣ／ＤＣ（相対脈動率）はまったく変化しない。
【００９０】
ＰＢＶの安定した特性は、血液量の変化により引き起こされる色の変化を、別の原因による変化と区別するために使用することができ、即ち、安定したＰＢＶは、血液量の変化の「シグネチャ」として使用され、それらの色の変化が区別されることができる。従って、カラーチャネルの既知の相対的脈動ＰＢＶを使用して、パルス信号と歪みとが識別されることができる。既知の手法を用いた結果のパルス信号Ｓは、個々のＤＣフリーの正規化されたカラーチャネルの線形結合（「ミックス」の複数の可能な方法の一つを表す）として書かれることができ、
2021527466.tif 000005
となる。ここで、
2021527466.tif 000006
が成り立ち、３×Ｎ行列Ｃｎの３つの各行が、それぞれＤＣフリーの正規化された赤、緑、青のチャネル信号Ｒｎ、Ｇｎ、ＢｎのＮ標本を含み、即ち、
2021527466.tif 000007
となる。
【００９１】
ここで、オペレータμは平均に対応する。異なる方法間の主要な違いは、重み付けベクトルＷの計算にある。１つの方法では、ノイズ及びＰＰＧ信号は、２つのカラーチャネルの線形結合として構築された２つの独立した信号に分離されてもよい。一つの組合せは、クリーンなＰＰＧ信号に近似し、もう一つは、運動によるノイズを含む。最適化基準として、パルス信号におけるエネルギーが最小化されることができる。別の方法では、３つのカラーチャネルの線形結合を使用してパルス信号が得られることができる。
【００９２】
ＰＢＶ法は一般に、基本的にＵＳ２０１３／２７１５９１Ａ１号と上記のｄｅ  Ｈａａｎ及びｖａｎ  Ｌｅｅｓｔの論文とに記載されるような血液量パルスベクトルを使用して混合係数を得る。最良の結果は、Ｒｎ、Ｇｎ及びＢｎの帯域通過フィルタリングされたバージョンが使用される場合に得られる。この方法によれば、ＰＢＶの既知の方向を使用して、パルス信号と歪みとが識別される。これは、パルスがビデオ内の唯一の周期的成分であるという仮定（以前の方法の）を取り除くだけでなく、歪み信号の方向に関する仮定も取り除く。このために、パルス信号が正規化されたカラー信号の線形結合として構築されることが前述のように仮定される。
赤、緑、青チャネルにおけるパルス信号の相対振幅はＰＢＶにより与えられることが知られるので、重みＷＰＢＶはパルス信号Ｓを与えるように探索され、そのパルス信号Ｓに対して、カラーチャネルＲｎ、Ｇｎ、及びＢｎとの相関はＰＢＶに等しく、
2021527466.tif 000008
となり、その結果混合を決定する重みは、
2021527466.tif 000009
により決定され、スカラーｋは、ＷＰＢＶが単位長を持つように決定される。ＰＰＧ信号の特徴的な波長依存性は、正規化された血液量パルスＰＢＶに反映されるように、皮膚領域にわたって平均化された時系列ＲＧＢ画素データからパルス信号を推定するために使用されることができると結論付けられる。このアルゴリズムは、ＰＢＶ法と呼ばれる。
【００９３】
換言すれば、重みは、検出信号からパルス信号を抽出するために、検出信号がどのように（線形に）組み合わせられるべきかを示す。重みは未知であり、計算／選択される必要がある。
【００９４】
シグネチャベクトル（ＰＢＶベクトル）は、血液の吸収スペクトル及び皮膚への光の浸透により引き起こされる、異なる波長チャネルにおける所与の（既知の又は予想される）相対拍動（即ち、検出信号）を表す（光子が血液によって一層吸収される場合、血液の体積変化は、血液がほぼ透明であるときよりも大きな信号をもたらす）。この知識及び観察されたデータ（即ち、検出信号）を用いて、重み（例えば、重みベクトル）が決定されることができる。結果として得られる重みは、データに依存する、即ち検出信号に依存する。
【００９５】
パルス信号は、各波長チャネルで異なる比のＡＣ／ＤＣ（これは相対信号強度／脈動性とも呼ばれる）を持つため、スペクトルは異なる色に対して異なるピーク値を持つスペクトルのパルスピークを示すことが分かる。このスペクトルは、フーリエ解析の結果であるが、それは基本的には、パルス周波数を有する正弦波が検出信号（例ではＲＧＢ、ＳｐＯ２についてはＮＩＲ波長）と相関（乗算）される場合、スペクトル内のピーク値が正確に得られ、これは規定により、シグネチャベクトル（ＰＢＶベクトル）と呼ばれる。これらのピーク値は、異なる検出信号内のパルス信号の正規化された振幅の相対強度である。
【００９６】
この結果は、この事前知識（即ち、シグネチャベクトル）を用いて、クリーンなパルス信号Ｓが得られることができる（パルス信号が検出信号の加重和の結果であると仮定して）ことである。これを行うための１つの選択肢は、正規化された検出信号Ｃｎの共分散行列Ｑの逆行列を計算することである。従って、パルス信号Ｓを抽出するために検出信号を線形混合する重みＷは、定数シグネチャベクトルＰＢＶを用いて、現在の分析ウィンドウにおける検出信号の共分散行列（データ依存である、即ち経時的に連続的に変化するＱ）から計算されることができる。
【００９７】
例えば、ＮＩＲ光スペクトル、特に６２０〜７７０ｎｍにおいて、血液吸収スペクトルは、ＳｐＯ２レベルに基づき変化することが認識される。このため、異なるシグネチャベクトル（異なるＰＢＶベクトル）を持つパルス信号を抽出することが提案される。ここで、各ＰＢＶベクトルは、特定のバイタルサイン値、例えばＳｐＯ２値に対する検出信号における相対脈動に対応するように選択される。抽出されたパルス信号品質はＰＢＶベクトルの正しさに依存するので、異なる抽出されたパルス信号は異なる品質を持つであろう。最良の品質のパルス信号を選択することにより、この好ましいパルス信号を引き起こしたシグネチャベクトルからバイタルサイン値（例えばＳｐＯ２値）を求める。
【００９８】
別の実施形態では、ＡＰＢＶ法は、３つの波長チャネルの２つ以上の異なる組み合わせから、例えば、［λ１、λ２］、［λ１、λ３］、及び／又は［λ１、λ２、λ３］からＳｐＯ２値を抽出するために使用される。以下では、ＡＰＢＶ法に関するいくつかの基本的な考察が簡単に説明される。
【００９９】
ＰＰＧ波形から特徴を抽出する代わりに、ＡＰＢＶは、ＳｐＯ２「シグネチャ」で抽出されたパルス信号の信号品質に基づきＳｐＯ２を間接的に決定する。
この手順は、数学的に
2021527466.tif 000010
として記述されることができ、ここで、ＣｎはＤＣ正規化された色変動を含み、スカラーｋは、
2021527466.tif 000011
が単位長を有するように選択される。
2021527466.tif 000012
にコンパイルされたＳｐＯ２シグネチャは、生理学及び光学から得られることができる。同一のカメラを仮定すると、Ｎ台のカメラのＰＰＧ振幅は、
2021527466.tif 000013
により決定されることができる。
【０１００】
ここで、ＰＰＧ振幅スペクトル、ＲＲＧ（λ）は、動脈血、ヘモグロビンにおける主発色団の２つの最も一般的な変種、酸素化（Ｈｂ０２）及び還元（Ｈｂ）からの光吸収スペクトルの線形混合物により近似されることができ、
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となる。ここで、光路長差は、６００＜λ＜１０００ｎｍに対して無視でき、かつ
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であると仮定される。散乱の波長依存効果は、この仮定を無効にし得ることが認識される。２つの波長を使用する場合、比率パラメータＲとＡＰＢＶパラメータ
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の比率は一致する。波長の選択は、３つの基準、即ち、１）臨床用途のための暗所での酸素飽和度を測定する要望（λ＞７００ｎｍ）、２）合理的なＳｐＯ２コントラストを有すること、及び３）カメラのスペクトル感度内の波長、に基づかれることができる。パルスオキシメトリで使用される一般的な２波長の代わりに３つを使用するアイデアは、ＳｐＯ２測定値の堅牢性が２倍向上したことに動機付けられる。これは、カメラで測定されるとき、動きがＰＰＧ波形にどのように影響するかにより説明されることができる。動き誘導強度変動は全ての波長に対して等しいので、パルスシグネチャ
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がこの動きシグネチャに等しくない場合、これらのアーチファクトの抑制がＡＰＢＶ法に対して可能である。これは、等しい重みを有するベクトルとして記述されることができる。
【０１０１】
パルス品質が非常に良好であっても、推定ＳｐＯ２値が十分に信頼性が高く、かつ信頼されることができることを必ずしも意味するものではないことに留意されたい。
これは特に、予期しない血液種（例えば、ＣＯＨｂ）が利用可能であり、ＳｐＯ２較正曲線をシフトさせる場合、即ち、パルス抽出のためにＰＢＶ法又はＡＰＢＶ法を使用するとき、異なるシグネチャベクトルが最適なパルス品質をもたらす場合に起こり得る。
【０１０２】
上記において、ＰＢＶ法は、波長チャネルにおける相対的な脈動が既知であると仮定することが重要であり、これは、所望のバイタルサイン情報、例えばＳｐＯ２が既知である場合に当てはまる。しかしながら、これは、ＳｐＯ２監視では、本質的にそうではない。なぜなら、これが探索されるパラメータであるからである。重みが正しく選択された場合、結果として得られるパルスと個々の検出信号Ｃｎとの相関は正確に、検出信号Ｃｎにおけるパルスのこれらの相対強度である。ここで、バイタルサイン情報（例えば、ＳｐＯ２）が誤っているか、又は未知である場合、結果は、比較的低いＳＮＲを有するパルス信号（即ち、劣悪な品質インジケータ）となる。
【０１０３】
ＡＰＢＶ法の本質は、異なるＰＢＶベクトルと並行して複数のＰＢＶ法を実行することである。ＰＢＶ法は、ＰＢＶベクトルが異なる波長チャネルにおける相対的脈動を反映して正確であるとき、最もクリーンなパルス信号を与える。このベクトルは実際のＳｐＯ２値に依存するため、ＳｐＯ２値の範囲に対応する異なるＰＢＶベクトルでＰＢＶ法をテストすると、ＳｐＯ２値の結果は、最も高いＳＮＲを持つパルス信号を与えるＰＢＶベクトルに対応するものとなる。
【０１０４】
典型的には、本発明に基づき使用される電磁放射線は、パルス、呼吸及び血液酸素飽和度測定のために４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲、特に６２０ｎｍ〜９２０ｎｍの範囲である。この特定の範囲は、ＳｐＯ２測定に最も適しており、睡眠中の目立たない監視（暗やみ）には魅力的であるが、パルス又は呼吸信号が必要とされる場合、スペクトルの可視部分は、より高い品質を可能にし得る（即ち、ＮＩＲは、すべての場合において必ずしも好ましい選択肢ではない）。
【０１０５】
上述の方法は、非接触型センサを使用して取得された検出信号に適用されることができる。例として、本発明は、例えば目立たない遠隔患者監視といった健康管理の分野、一般的な監視、セキュリティ監視、及びフィットネス機器等のいわゆるライフスタイル環境に適用されることができる。用途は、酸素飽和度（パルスオキシメトリ）、脈拍数、血圧、心拍出量、呼吸、血液潅流変動のモニタリング、自律神経機能の評価、及び末梢血管疾患の検出を含み得る。本発明は例えば、自動ＣＰＲ（心肺蘇生）中に、重篤な患者の迅速かつ信頼性の高いパルス検出に使用することができる。このシステムは例えば、ＮＩＣＵにおける非常に敏感な皮膚を有する新生児のバイタルサインのモニタリングのために、及び損傷した（例えば、火傷した）皮膚を有する患者のために使用され得るが、一般病棟において使用されるような接触センサよりも便利であり得、運動堅牢性のためのより良好な解決策を提供し得る。更なる用途は、自動車分野である。本発明は特に、周囲光ロバストな多重波長システムに関する問題を解決し、より低コストの解決策を提供し、プライバシーの問題を排除する。
【０１０６】
本発明が、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されてきたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であり、限定的ではないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の請求項の検討から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者により理解され、及び実施されることができる。
【０１０７】
請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を排除するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に列挙されるいくつかの項目の機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。
【０１０８】
請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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