(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象のバイタルサインを決定する装置であって、
−  前記対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるインターフェースであり、前記データストリームは、前記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された前記検出される電磁放射線を表す、インターフェースと、
−  複数の波長範囲におけるデータ信号の空間的及び光学的特性を分析する分析器と、
−  前記皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、前記対象のバイタルサイン情報信号とバックグラウンドノイズとを区別するプロセッサと、
−  前記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサと、
を含む、装置。
【請求項２】
前記分析器は、複数の波長範囲におけるデータ信号の空間的及び光学的特性を、予想される空間的及び光学的特性を表すそれぞれのテンプレートと比較するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記分析器は、前記複数の波長範囲におけるデータ信号のスペクトルにおける主要周波数成分を決定するように、及び、決定されることになるバイタルサインの予想される周波数の範囲における１つ又は複数の主要周波数成分を選択するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記分析器は、選択された前記複数の波長範囲におけるデータ信号のスペクトルにおける１つ又は複数の主要周波数成分の信号振幅を分析するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記分析器は、可視光及び不可視光の波長範囲における拍動性の空間的分布を分析するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記分析器は、赤色の光の波長範囲における信号振幅対赤外線の光の波長範囲における信号振幅の比の空間的分布を分析するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記分析器は、２つの異なる波長範囲間の信号振幅の比を分析するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記分析器は、種々の波長範囲における前記データ信号の信号振幅の最大範囲を分析するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記分析器は、種々の波長範囲における前記データ信号の信号振幅及び／又は信号振幅の比の時間的安定性を分析するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記インターフェースは、一定時間に取得された前記対象の複数の画像フレームを含むデータストリームを受けるように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記インターフェースは、変化するフレームレートを用いて取得された複数の画像フレームを含むデータストリームを受けるように構成され、さらに、
前記分析器は、前記フレームレートには依存しないさらなる分析に対するデータ信号の周波数成分を選択するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
対象のバイタルサインを決定する方法であって、
−  前記対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるステップであり、前記データストリームは、前記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された前記検出される電磁放射線を表す、ステップと、
−  複数の波長範囲におけるデータ信号の空間的及び光学的特性を分析するステップと、
−  前記皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、前記対象のバイタルサイン情報信号とバックグラウンドノイズとを区別するステップと、
−  前記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記複数の波長範囲におけるデータ信号の空間的及び光学的特性を分析するステップが、
−  複数の波長範囲におけるデータ信号の空間的及び光学的特性を、予想される空間的及び光学的特性を表すそれぞれのテンプレートと比較するステップ、
−  前記複数の波長範囲におけるデータ信号のスペクトルにおける主要周波数成分を決定する、及び、決定されることになるバイタルサインの予想される周波数の範囲における１つ又は複数の主要周波数成分を選択するステップ、
−  選択された前記複数の波長範囲におけるデータ信号のスペクトルにおける１つ又は複数の主要周波数成分の信号振幅を分析するステップ、
−  可視光及び不可視光の波長範囲における拍動性の空間的分布を分析するステップ、
−  赤色の光のさらなる波長範囲における信号振幅対赤外線の光の他の波長範囲における信号振幅の比のさらなる空間的分布を分析するステップ、
−  ２つの異なる波長範囲間の信号振幅の比を分析するステップ、
−  種々の波長範囲における前記データ信号の信号振幅の最大範囲を分析するステップ、
−  種々の波長範囲における前記データ信号の信号振幅及び／又は信号振幅の比の時間的安定性を分析するステップ、
のうち１つ又は複数のステップを含む、請求項１２に記載の対象のバイタルサインを決定する方法。
【請求項１４】
コンピュータプログラムであって、当該コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された場合に前記コンピュータに請求項１２に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【請求項１５】
対象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含む関心のある領域から反射された電磁放射線を検出してデータストリームを得る画像処理ユニットであり、前記データストリームは、前記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される前記電磁放射線を表す、画像処理ユニットと、
−前記データストリームを受ける、及び、前記データストリームから対象のバイタルサインを決定する請求項１に記載の装置と、
を含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象のバイタルサインを決定する装置及び方法に関する。特に、本発明は、人間又は動物等の観察される対象におけるバイタルサインを検出するのに使用することができる非影響光学測定方法に関する。これに関連して、光学測定は、遠隔フォトプレチスモグラフィ（Ｒ−ＰＰＧ）を意味する。
【背景技術】
【０００２】
例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は血液の酸素飽和度等、人間のバイタルサインは、人間の現在の状態の指標として、及び、重大な医学的事象の強力な予測因子として役立つ。この理由のため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者の医療環境において、自宅にて、又は、さらなるヘルス、レジャー及びフィットネス環境において広くモニターされる。
【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、一般的に、臓器又は身体部位の容積変動の測定を意味し、特に、心拍毎に対象の体を通って移動する心血管脈波（ｃａｒｄｉｏ−ｖａｓｃｕｌａｒ  ｐｕｌｓｅ  ｗａｖｅ）による容積変動の検出を意味する。
【０００４】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心のある領域又は容積の光の反射率又は透過率における経時変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは、周囲の組織よりも血液が光を吸収するため、心拍毎の血液量における変動が対応して透過率又は反射率に影響を与えるという原理に基づく。心拍数に関する情報の他に、ＰＰＧ波形は、呼吸等のさらなる生理現象に起因し得る情報を含み得る。異なる（典型的には赤色及び赤外線の）波長にて透過率及び／又は反射率を評価することによって、血液の酸素飽和度を決定することができる。
【０００５】
対象の心拍数及び（動脈）血液の酸素飽和度（ＳｐＯ２とも呼ばれる）を測定するための従来のパルスオキシメーターは、例えば指先、耳たぶ又は額等、対象の皮膚に取り付けられ、従って、「接触」ＰＰＧ装置と呼ばれる。典型的なパルスオキシメーターは、光源として赤色ＬＥＤ及び赤外線ＬＥＤ、並びに、患者組織を透過してきた光を検出するための１つのフォトダイオードを含む。市販のパルスオキシメーターは、赤色の波長及び赤外線の波長での測定を迅速に切り換え、その結果、２つの異なる波長で同じ組織の領域又は容積の透過率を測定する。これは、時分割多重化と呼ばれる。各波長での時間の経過に伴う透過率は、赤色及び赤外線の波長に対するＰＰＧ波形を与える。接触ＰＰＧは基本的には非侵襲性の技術とみなされるけれども、接触ＰＰＧ測定は、パルスオキシメーターが対象に直接取り付けられ且ついかなるケーブルも動く自由を制限するため、不快なものとして経験されることが多くある。
【０００６】
最近では、非影響測定に対する非接触の遠隔ＰＰＧ（Ｒ−ＰＰＧ）装置が紹介されている。遠隔ＰＰＧは、関心のある対象から離して配置された光源、又は一般に、放射源を利用する。同様に、例えばカメラ又は光検出器等の検出器も、関心のある対象から離して配置することができる。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、非影響のものであると考慮され、さらに、医学的並びに非医学的な毎日の適用に対して適切である。しかし、遠隔ＰＰＧ装置は、典型的には、より低い信号対雑音比を達成する。
【０００７】
非特許文献１は、フォトプレチスモグラフィ信号は、環境光及び従来の消費者レベルのビデオカメラを使用して離れて測定することができるということを実証している。
【０００８】
非特許文献２は、異なる波長でのプレチスモグラフィ信号の測定に基づく組織における動脈血酸素飽和度の非接触画像に対する遠隔ＰＰＧシステムを開示している。このシステムは、モノクロームＣＭＯＳカメラ、及び、３つの異なる波長のＬＥＤを有する光源を含む。カメラは、３つの異なる波長で３つの対象の動画を順次取得する。脈拍数を、１つの波長での動画から決定することができる一方で、少なくとも２つの異なる波長での動画が、酸素飽和度を決定するために要求される。測定は、一度に１つの波長のみを使用して暗室内で行われる。
【０００９】
遠隔ＰＰＧ技術を使用して、バイタルサインを、拍出血液量によってもたらされる微小な皮膚における光吸収の変化によって明らかにされるように、時系列の画像フレームを提供するビデオカメラの信号から測定することができる。この信号は非常に小さく、且つ、照明の変化及び動きによるはるかに大きな変動において隠れるため、根本的に低い信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善することにおいて一般的関心がある。遠隔ＰＰＧ装置及び方法の改善されたエラー強さが要求される激しい動き、挑戦的な環境的照射条件、又は、高く要求される適用の正確性では、依然として要求が厳しい状況である。例えば、低いＳＮＲを有するパルス信号を、同じ画像処理ユニット（カメラ）によって取得される他の周期信号から確実に区別することは特に挑戦である。それらのノイズを伴う信号は、心拍信号と同じ範囲の振幅及び周波数を有してもよく、従って、本物の心拍信号と混同され得る。
【００１０】
ヘルスケア用途においてＲ−ＰＰＧ技術を適用する場合、本物の心拍信号の誤検出及びノイズとのその混同を有するそのような状況は、重大な問題をもたらし得る。例えば、人間の健康状態の急速な悪化は、弱いパルス信号の誤検出のために気づかれないまま放置され得る。従って、Ｒ−ＰＰＧカメラベースの技術を用いたＨＲモニタリングの間に、パルス信号を、類似の時間及び周波数特徴を有する他のノイズ信号から確実に区別する方法が必要とされる。
【００１１】
特許文献１は、遠隔フォトプレチスモグラフィ分析を可能にする方法を開示している。該方法は、少なくとも１つのカメラから一連の画像を得るステップであって、それぞれの画像は、少なくとも限定された範囲の波長の反射された環境光を表すピクセルデータによって表される、ステップ、及び、少なくとも１つの測定ゾーンに対して、生理学的パラメータの少なくとも１つの値を決定することにおいて使用するための、少なくとも測定ゾーンにおける多くの画像ポイントでのピクセル値の組合せの時変値における変動を少なくとも表す信号を提供するステップを含む。一連の画像において表されている選択された対象の少なくとも一部が追跡され、さらに、選択された対象の少なくとも一部を照射する操向可能な光源が制御される。
【００１２】
特許文献２は、装置の機能を制御する方法を開示している。該方法は、連続した時点にて撮られた一連のデジタル画像を得るステップを含む。複数の画像ポイントを含む少なくとも１つの測定ゾーンが選択される。少なくとも１つの測定ゾーンに対して、少なくとも多くの画像ポイントでのピクセル値の組合せの時変値における変動を少なくとも表す信号が得られ、さらに、少なくとも比較データに関するそのスペクトルの関心のある範囲内の信号の少なくとも１つの特徴が決定される。その決定は、（ｉ）信号が、ある程度の精度まで比較周波数に一致する周波数にて極大値を有するスペクトルを有しているかどうかを決定すること；及び、（ｉｉ）信号の少なくとも特定の周波数成分が、ある程度の精度まで比較信号と同位相であるかどうかを決定すること；のうち少なくとも１つを含む。上記機能は、決定が肯定的であるかどうかに応じて制御される。
【００１３】
特許文献３は、パッシブサーマルビデオから脈拍数及び呼吸数を測定するシステムを開示している。該システムは、輪郭線の分割及び追跡、関心のある情報を与えるピクセルのクラスタリング、並びに、ロバストな優位周波数成分の推定を含む。輪郭線の分割は、測定する血管領域を突き止めるために使用され、その後で、近くの領域内の全ピクセルが、分割の位置及び各フレームにおける尺度に基づきフレームにわたって整列させられる。次に、空間フィルタリングが、心拍に関連しないノイズを取り除くために行われ、次に、非線形フィルタリングが、各整列させられたピクセルに対応する時間信号に対して行われる。各ピクセルの信号スペクトルは、次に、外れ値除去のためにクラスタリングアルゴリズムに与えられる。次に、最大のクラスタにおけるピクセルが、優位周波数を可決するために使用され、さらに、優位周波数の中央値が脈拍数として出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】ＥＰ２５４６７８０  Ａ１
【特許文献２】ＵＳ２０１１／０３１１１４３  Ａ１
【特許文献３】ＵＳ２００９／０１４１１２４  Ａ１
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｖｅｒｋｒｕｙｓｓｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｒｅｍｏｔｅ  ｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ａｍｂｉｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，１６（２６），２２  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００８，ｐｐ．２１４３４−２１４４５
【非特許文献２】Ｗｉｅｒｉｎｇａ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ：Ａ  Ｆｉｒｓｔ  Ｓｔｅｐ  Ｔｏｗａｒｄ  “ＳｐＯ２  Ｃａｍｅｒａ”Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，Ａｎｎ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．３３，１０３４−１０４１（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
増加した信号対雑音比を有し、且つ、特に、心拍数信号を、類似の時間及び周波数特徴を有する他のノイズ信号から確実に識別するのを可能にする対象のバイタルサインを決定するための改善された装置及び方法を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様において、対象のバイタルサインを決定する装置が示され、当該装置は：
−  対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された検出される電磁放射線から得られるデータストリームを受けるインターフェースであって、上記データストリームは、上記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される電磁放射線を表す、インターフェースと、
−  １つ又は複数の波長範囲における１つ又は複数のデータ信号の空間的及び／又は光学的特性を分析する分析器と、
−  皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき、対象のバイタルサイン情報信号を決定するプロセッサと、
−  上記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサと、
を含み、決定された上記空間的及び／又は光学的特性は、バイタルサイン情報信号を決定するプロセッサによって、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサによって使用される。
【００１８】
本発明のさらなる態様において、対象のバイタルサインを決定するための対応する方法が示されている。
【００１９】
さらに、本発明のさらなる態様において、対象のバイタルサインを決定するシステムが示されており、当該システムは、
−対象の皮膚領域を含む関心のある領域から反射された電磁放射線を検出してデータストリームを得る画像処理ユニットであって、上記データストリームは、上記関心のある領域の複数の皮膚ピクセル領域に対する、１つ又は複数の皮膚ピクセルの１つの皮膚ピクセル領域あたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される電磁放射線を表す、画像処理ユニットと、
−上記データストリームを受ける、及び、上記データストリームから対象のバイタルサインを決定する装置と、
を含む。
【００２０】
本発明の別のさらなる態様において、コンピュータプログラムが提供され、当該コンピュータプログラムは、当該コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された場合にコンピュータに方法のステップを行わせるプログラムコード手段を含み、同様に、コンピュータプログラムプロダクトを格納する非一時的なコンピュータ可読記録媒体が提供され、コンピュータプログラムプロダクトは、コンピュータプロセッサによって実行された場合に、本明細書において開示される方法が行われるようにする。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態が従属項において定められている。本発明の方法、システム、コンピュータプログラム及び媒体は、本発明の装置と類似の及び／又は同じ、さらに、従属項において定められる好ましい実施形態を有するということが理解されたい。
【００２２】
カメラベースのＨＲ検出に対する多くの既知の方法及び装置が、パルス信号はカメラによって検出される単なる周期信号である一方、（例えば動き又は照明の変化によって誘発される）ノイズは実質的に非周期信号であるという仮定に基づいている。時には、本物のパルス信号とノイズが、（心拍信号は特定の振幅範囲内にあると予想される）振幅分析に基づき区別される。さらに、心拍信号はモニターされる対象において常に存在すると通常仮定され、従って、アルゴリズムは、心拍であろう周期信号を容易に見つけるはずである。しかし、そのような仮定は、「現実」の状況において常に確かであるというわけではないということが分かっている。不健康な対象は、非周期ＨＲ又は急速に変化するＨＲを有し得る。さらに、ノイズは、本物のパルス信号が持つ範囲の時間及び周波数特徴を有し得る。例えば、明滅する環境照明は、取得されるＰＰＧ信号において、心拍より安定した周波数を有し得る周期成分を導入し得る。
【００２３】
このように、本発明によって提案される装置及び方法は、本物のパルス信号を、類似の時間特徴を有するノイズから識別するために、取得される信号の一次元特徴に依存しないが、遠隔ＰＰＧ信号の光学的及び空間的特性、すなわち、（例えば取得される対象の画像フレーム等）受信した電磁放射線に応答して画像処理ユニットによって出力されるデータストリーム内に含有されるデータ信号に依存する。
【００２４】
提案される装置及び方法は、特に、本物のＰＰＧ信号を、ＰＰＧ信号と類似の周波数及び振幅範囲を有する他の反復信号から区別するための（（例えば、ＲＧＢカメラのＲ及びＧチャンネル等）少なくとも２つのカラーチャンネルを有するカメラからのビデオ等の）データストリームの処理に基づいている。ノイズ信号から本物のパルス信号を識別するために、ＰＰＧ信号の空間的及び／又は光学的特性（１つ又は複数のデータ信号）が分析される。空間的特性は、例えば、１つ又は複数の皮膚ピクセル領域（すなわち、対象の皮膚領域のうちの１つ又は複数の領域）にわたるＰＰＧ信号振幅の分布の分析において使用される。光学的特性は、例えば、波長に応じたカラーチャンネル（波長範囲）におけるＰＰＧ信号振幅の比、種々のカラーチャンネルにおけるＰＰＧ信号の振幅の最大範囲の分布、及び／又は、種々のカラーチャンネルにおけるＰＰＧ信号の振幅の時間的安定性のうち１つ又は複数の分析において使用される。
【００２５】
分析の結果、すなわち、１つ又は複数の波長範囲における１つ又は複数のデータ信号の時間的及び／又は空間的特性に関する決定された情報は、データ信号が、対象のバイタルサイン情報信号を含有しているか若しくはそれを得るように使用可能であるか、又は、データ信号が、バイタルサイン情報信号を偽り伝える若しくはそれをデータ信号から確実に得るのを不可能にさえするノイズ信号であるかを決定するために主として使用される。
【００２６】
さらに、時間的及び／又は空間的特性に関する決定された情報は、抽出及び／又は後処理に、特に、バイタルサイン情報信号を決定するため、所望のバイタルサインを決定するため、及び／又は、電磁情報の取得に使用される画像処理ユニットのパラメータを決定するために使用される１つ若しくは複数のパラメータ及び／又はアルゴリズムを調整するために使用されてもよい。さらに、時間的及び／又は空間的特性に関する決定された情報は、バイタルサインの取得に対して皮膚上のＲＯＩの最適なサイズ及び形状を選択するか、或いは、決定された皮膚領域の空間的及び／又は時間的特性に対して最適な後処理方法を選択するために使用されてもよい。このように、信号対雑音比、及び、対象の動き又は照明の変化により引き起こされるアーチファクトの減少における効率を、能率的に改善することができる。
【００２７】
心拍数信号を検出すること（及びノイズから識別すること）に加えて、本発明は、ＰＰＧ情報から得られる他のバイタルサインの抽出にも使用することができる。例えば、赤（Ｒ）チャンネルにおける信号（の成分）に、その信号が本当にＰＰＧ信号でありノイズではないという確認の後で、ＳｐＯ２の計算を適用することができる。
【００２８】
生物学的組織との電磁放射線、特に光の相互作用は複雑であり、さらに、（多重）散乱、後方散乱、吸収、透過及び（拡散）反射の（光学）処理を含む。本発明に関連して使用される場合「反射する」という用語は、鏡面反射に限定されるとして解釈されることはないが、上述のタイプの組織との電磁放射線、特に光の相互作用、及び、いかなるその組合せも含む。
【００２９】
本発明に関連して使用される場合「バイタルサイン」という用語は、対象（すなわち生物）の生理学的パラメータ及び派生パラメータを意味する。特に、「バイタルサイン」という用語は、（脈拍数とも呼ばれることがある）心拍数（ＨＲ）、心拍変動（脈拍変動）、拍動性強度、灌流、灌流変動、ＰＰＧ拍動性、Ｔｒａｕｂｅ  Ｈｅｒｉｎｇ  Ｍａｙｅｒ波、呼吸数（ＲＲ）、皮膚温、血圧、脈波伝播時間（ＰＴＴ）、（動脈）血液の酸素飽和度又はグルコースレベル等、血液及び／又は組織中の物質の濃度を含む。
【００３０】
本発明に関連して使用される場合「バイタルサイン情報」という用語は、上記の１つ又は複数の測定されたバイタルサインを含み、さらに、後の分析に役立ち得る生理学的パラメータを指すデータ、対応する波形トレース又は時間の生理学的パラメータを指すデータを含む。
【００３１】
対象のバイタルサイン情報信号を得るために、皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号が評価される。ここで、「皮膚ピクセル領域」とは、１つの皮膚ピクセル又は隣接する皮膚ピクセルの群を含む領域を意味し、すなわち、データ信号は、単一ピクセル又は皮膚ピクセルの群に対して得られてもよい。
【００３２】
一実施形態において、上記分析器は、１つ又は複数の波長範囲における１つ又は複数のデータ信号の空間的及び／又は光学的特性を、予想される空間的及び／又は光学的特性を表すそれぞれのテンプレートと比較するように構成される。このように、この比較に基づき、分析されるデータ信号はノイズ信号に相当するか又は有用なバイタルサイン情報を含有するかどうかを決めることができる。テンプレートは、前の分析の統計学的分析から入手可能であり得るか、又は、標準化されてもよい。改善された実施形態において、ある程度対象特異的であるテンプレートが使用される。例えば、若い人に対しては、年老いた人に対するものとは異なるテンプレートが使用されてもよく、さらに、病気の人に対しては、健康な人に対するものとは異なるテンプレートが使用されてもよい。
【００３３】
別の実施形態において、上記分析器は、上記１つ若しくは複数の波長範囲における上記１つ又は複数のデータ信号のスペクトルにおける主要周波数成分を決定するように、及び、決定されることになるバイタルサインの予想される周波数の範囲における１つ又は複数の主要周波数成分を選択するように構成される。例えば、心拍数がバイタルサインとして決定されるものとする場合、心拍数の予想される周波数の範囲における、すなわち、約０．５から約２Ｈｚの範囲における周波数成分が選択される。好ましくは、さらなる実施形態において提案されるように、分析器は、選択された上記１つ又は複数の波長範囲における上記１つ又は複数のデータ信号のスペクトルにおける１つ又は複数の主要周波数成分の信号振幅を分析するように構成される。このように、分析は、本当に関心のある１つ又は複数の周波数成分に焦点を合わせているため、より正確である。
【００３４】
好ましい実施形態において、上記分析器は、可視光及び不可視光の、特に緑色の光の波長範囲における拍動性の空間的分布を分析するように構成される。一般的に、拍動性は、血液量の可変性の程度であり、心臓周期間の平均量によって分割された最大収縮期の量と最小拡張期の量との差に等しい。緑チャンネルにおいては、拍動性は、人間の額及び頬上で最も強く、さらに、顔の他の部分においてはそれほど強くないということが分かってきている。この知識は、ノイズと本物の信号との区別を改善するために、この実施形態に従って評価される。
【００３５】
類似の実施形態において、上記分析器は、赤色の光の波長範囲における信号振幅対赤外線の光の波長範囲における信号振幅の比の空間的分布を分析するように構成される。同じ周波数成分での赤色／赤外線の光の比の振幅の空間的分布は、顔にわたって一様であるということが分かってきており、この知識は、ノイズと本物の信号との区別を改善するために、この実施形態に従って評価される。
【００３６】
有利に、上記分析器は、２つの異なる波長範囲間、特に、緑色の光の波長範囲と赤色の光の波長範囲間の信号振幅の比を分析するように構成される。緑チャンネルにおけるデータ信号の拍動性は、赤チャンネルにおけるものよりも数倍大きいということが分かってきており、この知識は、ノイズと本物の信号との区別を改善するために、この実施形態に従って評価される。
【００３７】
さらに、一実施形態において、上記分析器は、種々の波長範囲における１つ若しくは複数のデータ信号の信号振幅の最大範囲を分析するように、並びに／又は、種々の波長範囲における１つ若しくは複数のデータ信号の信号振幅及び／若しくは信号振幅の比の時間的安定性を分析するように構成される。特定の用途に応じて、これは、分析の結果をさらに改善することができる。
【００３８】
別の実施形態において、上記インターフェースは、一定時間に取得された対象の複数の画像フレームを含むデータストリームを受けるように構成される。従って、上記のように、電磁放射線は、カメラ等の画像処理ユニットによって得られる複数の画像フレームによって表される。
【００３９】
好ましくは、上記インターフェースは、変化するフレームレートを用いて取得された複数の画像フレームを含むデータストリームを受けるように構成され、さらに、上記分析器は、フレームレートには依存しないさらなる分析に対するデータ信号の周波数成分を選択するように構成される。このように、他の周波数成分は、例えばカメラ等のあるノイズ源によって引き起こされているとして、又は、明滅する照明のビート周波数として解釈される。
【００４０】
本発明は、概して、（例えば、緑色の光のスペクトル範囲において等）単一のスペクトル部分を表す単一のデータ信号成分を含むデータ信号と共に機能するけれども、一実施形態において、上記データ信号は、少なくとも２つのデータ信号成分を含み、第１のデータ信号成分は第１のスペクトル部分、特に可視光の部分を表し、さらに、第２のデータ信号成分は第２の表示するスペクトル部分、特に赤外線の部分を表す。このアイデアは、血液の吸収及び組織の吸収次第である放射線の侵入深さが、基本的には、入射放射線の波長次第でもあるという事実を活用する。典型的には、赤外線（又は近赤外線）及び赤色の光が、より短い波長を有する可視光よりも対象の組織内に深く侵入する。例として、第１のスペクトル部分は、可視放射の緑色の部分における帯又は副帯から形成することができる。
【００４１】
上記のように、提案されるシステムは、特に１つ又は２つの異なるスペクトル範囲の対象から反射された電磁放射線を離れて検出するための画像処理ユニット、特にカメラを含む。画像処理ユニットは、遠隔監視用途に特に適している。画像処理ユニットは、１つ又は複数の画像処理要素を含み得る。例えば、画像処理ユニットは、フォトダイオード又は電荷結合素子のアレイを含み得る。一実施形態によると、画像処理ユニットは、少なくとも２つのグループの画像処理要素を含み、そのそれぞれが、複数のデータ信号成分のうち単一のデータ信号成分を検出するように構成される。別の実施形態によると、画像処理ユニットは、データ信号成分の検出を可能にする反応特徴を有する単一のグループの画像処理要素を使用することができる。画像処理ユニットは、データ信号成分を代わって表す一連の画像フレームをキャプチャするようにさらに構成することができる。
【００４２】
別の好ましい実施形態において、提案されるシステムは、例えば１つ又は２つの異なるスペクトル範囲における電磁放射線を対象に向けるための放射源、特に光源をさらに含む。放射源は、広帯域の照射源によって具体化することができ、及び／又は、単一のグループ又は２つ若しくはさらなるグループの放射要素さえ使用することができる。しかし、提案されるシステムは、必ずしも放射源を含んでいなければいけないわけではなく、システムに接続されていない環境光源も使用することができる。
【００４３】
本発明の上記及び他の態様が、以下に記載の実施形態から明らかになり、以下に記載の実施形態を参考にして解明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による装置が使用されるシステムの概略図である。
【図２】反射された光の波長へのＰＰＧ拍動性の依存関係を例示した図である。
【図３】緑色、赤色及びＩＲの振幅の図であり、それぞれ緑色、赤色及びＩＲでのＰＰＧ振幅の生理学的範囲を例示している。
【図４】本発明による方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、本発明による装置３０が使用されるシステム１０の概略図を示している。システム１０は、遠隔ＰＰＧモニタリングのために、遠隔の対象１２又は対象１２の少なくとも一部１４（関心のある領域）を表す画像フレームを記録するために利用することができる。関心のある領域１４は、例として、対象１２の額部分、顔面部分、又は、より一般的には１つ又は複数の皮膚の部分を含む。記録されるデータ、例えば、一連の画像フレームは、対象１２によって反射された電磁放射線１６から得ることができる。おそらく、特定の条件下で、電磁放射線の少なくとも一部は、対象１２自体によって放たれ得るか又は透過させられ得る。放射線透過は、対象１２が、対象１２を通る光を放つ強い照射源に曝露される場合に生じ得る。放射線放出は、体熱により引き起こされる赤外線に的がしぼられ且つ該赤外線がキャプチャされる場合に生じ得る。しかし、遠隔ＰＰＧ用途に対しては、キャプチャされることになる電磁放射線１６の大部分は、対象１２によって反射された放射線として考慮することができる。対象１２は、ヒト若しくは動物、又は一般的に生物であり得る。さらに、対象１２は、所望の信号を高度に示すヒトの一部であるとして考慮することができる。
【００４６】
日光１８ａ、人工の放射源１８ｂ又はいくつかの放射源の組合せ等の放射源は、対象１２に作用するか又は衝突する。放射源１８ａ、１８ｂは、基本的に、対象１２に達する入射放射線２０ａ、２０ｂを放つ。加えて、又は、代わりとなる案において、システム１０は、電磁放射線２４の内部線源２２も含み得るか又はそれを使用することもでき、内部線源２２は、入射放射線２４を放ち且つそれを対象１２に向け、さらに、代わりとなる実施形態において装置３０の一部であってもよい。放射線２４の内部線源２２は、規定の特徴を有する放射線、特に、規定のスペクトル部分に属する放射線を対象１２に向けるように構成することができる。本発明の一実施形態に従って少なくとも２つの異なるスペクトル部分がキャプチャされ且つ処理されるため、この実施形態の別の態様によると、電磁放射線２４の内部線源２２はこれらのスペクトル部分に「一致する」ということが好ましい。
【００４７】
例えば一連の画像フレーム等のキャプチャされたデータから生理学的情報を抽出するために、関心のある領域１４等の対象１２の規定の一部又は一部分からの放射線１６が、画像処理ユニット２８によって検出される。画像処理ユニット２８は、例として、電磁放射線１６の少なくとも１つのスペクトル成分に属する情報をキャプチャするように構成される光センサ手段によって具体化することができる。一実施形態において、画像処理ユニット２８は、（例えばＲＧＢカメラ等）ビデオカメラ等のカメラ又はカメラのセットによって具体化される。画像処理ユニット２８は、代わりとなる実施形態において装置３０の一部でもあり得る。
【００４８】
言うまでもなく、装置３０は、前もってすでに記録され、さらに、合間に記憶されるか又は一時記憶領域へ移される入力信号、すなわち入力データストリーム２６を処理するように適応させることもできる。上記のように、電磁放射線１６は、少なくとも１つのバイタルサインパラメータ２６、本発明に関連して特に心拍数、呼吸数及び／又は血液の酸素飽和度を高度に示すことができる連続的又は別々の特徴信号を含有することができる。
【００４９】
本発明による対象のバイタルサインを決定する装置３０は、対象１２の皮膚領域を含む関心のある領域１４から反射された検出される電磁放射線１６（放たれたか又は透過された放射線を含む）から得られるデータストリーム２６を（画像処理ユニット２８から又は記憶装置若しくはバッファから）受ける（入力）インターフェース３２を含む。上記データストリーム２６は、上記関心のある領域の１つ又は複数の皮膚ピクセルの複数の皮膚ピクセル領域に対する（好ましくは、全ての皮膚ピクセル領域に対する、又は、全ての個々の皮膚ピクセルにさえ対する）１つの皮膚ピクセルあたりのデータ信号を含み、データ信号は、時間の経過に伴うそれぞれの皮膚ピクセル領域から反射された検出される電磁放射線１６を表す。
【００５０】
分析器３４は、１つ又は複数の波長範囲における１つ又は複数のデータ信号の空間的及び／又は光学的特性を分析するために提供される。従って、以下により詳細に説明されているように、データ信号の空間的及び／又は光学的特性に関する情報が、分析器３４から出力される。
【００５１】
装置３０は、皮膚領域内の皮膚ピクセル領域のデータ信号に基づき対象のバイタルサイン情報信号を決定するプロセッサ３６、及び、上記バイタルサイン情報信号から所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサ３８をさらに含む。このデータ信号を処理する方法は、一般的に、遠隔ＰＰＧの分野において既知であり、従って、ここではより詳細には説明されないものとする。しかし、既知の装置及び方法とは反対に、上記決定される空間的及び／又は光学的特性が、バイタルサイン情報信号を決定するプロセッサ３６、及び／又は、所望のバイタルサインを決定するポストプロセッサ３８によって使用される。
【００５２】
最後に、（出力）インターフェース４０を提供することができ、このインターフェース４０には、例えば、さらなる分析に対して及び／又は表示に対して出力データ４１を提供するために、決定されたバイタルサイン３９を届けることができる。インターフェース３２も４０も、同じ（ハードウェア）コネクタによって具体化することができる。
【００５３】
一実施形態において、コントローラ４２が、画像処理ユニット２８及び放射源２２のうち少なくとも１つを選択的に制御するために提供される。
【００５４】
分析器３４、プロセッサ３６及びポストプロセッサ３８（さらに、提供される場合はコントローラ４２）は、所望のデータ処理を定めるようにそれぞれのロジックコマンド（プログラムコード）によって駆動される計算装置又は少なくとも計算装置の一部であるとして考慮することができる共通の処理ユニット５０によって実行されてもよい。処理ユニット５０は、以下において焦点が当てられるいくつかの構成要素又はユニットを含んでもよい。処理ユニット５０の各構成要素又はユニットは、仮想的又は離散的に実行することができるということが理解されるべきである。例えば、処理ユニット５０は、マルチコアプロセッサ又はシングルコアプロセッサ等の多くのプロセッサを含んでもよい。少なくとも１つのプロセッサを、処理ユニット５０によって利用することができる。プロセッサのそれぞれを、（例えば中央処理ユニット等の）標準プロセッサとして、又は、（例えばグラフィックスプロセッサ等の）専用プロセッサとして構成することができる。従って、処理ユニット５０は、データ処理のいくつかのタスクを適したプロセッサに割り当てるように適切に作動させることができる。
【００５５】
処理ユニット５０並びにインターフェース３２、４０は、一般的には、提案される装置３０に相当する共通の処理機器又はハウジングにおいて具体化することができる。画像処理ユニット２８及び放射源２２は、一般的に、外部の要素であるが、装置３０の他の要素と共に、例えば共通のハウジングを用いて装置３０内に統合することもできる。
【００５６】
以下において、本発明及び好ましい実施形態の詳細が説明される。
【００５７】
ノイズは非周期信号であると仮定され、さらに、（例えば心拍又は呼吸の動き等の）バイタルサインが唯一の周期信号であると仮定されることが多くある。これは、しかし、常に本当であるというわけではなく、単に周期信号を探す方法は、信頼できるバイタルサインの検出を常にもたらすというわけではない。
【００５８】
提案される装置及び方法は、（例えばパルス信号等の）本物の周期バイタルサイン情報信号を、類似の時間的特徴を有するノイズから識別することにおいてより能率的である。抽出されるバイタルサインの改善は、特に、所望のバイタルサインの抽出に使用される遠隔ＰＰＧ信号の光学的及び／又は空間的特性の分析に基づいている。
【００５９】
好ましい実施形態において、画像処理ユニット２８は、本物のＰＰＧ信号を、ＰＰＧ信号と類似の周波数及び振幅範囲を有する他の反復信号から区別するための（例えば、ＲＧＢカメラの赤及び緑等）少なくとも２つのカラーチャンネルを有するカメラを含む。異なる原理を使用して、本物のパルス信号をノイズ信号から識別することができる。空間的特性は、１つ又は複数の皮膚ピクセル領域にわたるＰＰＧ振幅の分布を考慮する。光学的特性は、波長に応じたカラーチャンネルにおけるＰＰＧ振幅の比、種々のカラーチャンネルにおけるＰＰＧ信号の振幅の最大範囲、及び／又は、種々のカラーチャンネルにおけるＰＰＧ信号の振幅の時間的安定性を考慮する。
【００６０】
ＰＰＧ信号の振幅は人間の顔にわたって同じではないため、空間的特性が評価される。ＰＰＧイメージングの厳密なパターン（ＰＰＧ信号の振幅の空間マップ）は人それぞれ異なるけれども、顔から取得されたＰＰＧ信号とノイズ信号とを識別するために使用することができる共通の特徴がある。例えば、緑チャンネルにおけるＰＰＧの拍動性は、額で最も強く、人間の頬ではわずかに弱い。同時に、同じ周波数での赤色／赤外線の比の振幅の空間的分布は、顔にわたって一様である。どちらの場合も、緑色のＰＰＧ信号のイメージング及び／又は赤色／赤外線のＰＰＧイメージングは、輝度勾配の空間的分布と一致しない。さもなければ、反復信号のＡＣ／ＤＣ振幅が、顔にわたって等しく空間的に分布されるか又は照明勾配と強く相互関係がある場合、十中八九この信号は、照明の変化、又は、心拍とは関連していない他の要因によって引き起こされている。
【００６１】
ＰＰＧ信号は、種々のカラーチャンネルにおいて異なる正規化された振幅（拍動性）を有しているため、光学的特性が評価される。図２は、反射された光の波長へのＰＰＧ拍動性の依存関係を示している。緑チャンネル（５５０〜６００ｎｍ）におけるＰＰＧ信号の拍動性は、赤チャンネル（約７００ｎｍ）におけるものよりも数倍大きいということが証明されている。この原理は、一実施形態において、図２において示されているものとは異なるカラーチャンネルにおける振幅の分布を有するであろうノイズから、本物のＰＰＧ信号を区別するために使用される。
【００６２】
周期信号が心臓血管の活動によって誘発されているということに対するさらに高い確信度に、２つのさらなる認識から利益を得ることによって達することができる。第一に、それぞれの波長帯に対する生理学的振幅の範囲が、一実施形態において使用される。第二に、４７の異なる個体の額に対する２４７の記録に対して図３において視覚化されているように、赤色と赤外線（ＩＲ）との関係は、典型的には、緑色と他の波長のうちの１つとの関係よりもはるかに強い（より信頼できる）。ＰＰＧ振幅の生理学的範囲も、その相対強度（及び信頼度）も、実験的に決定することができる。
【００６３】
図３は、緑色、赤色及びＩＲの振幅が、それぞれ緑色、赤色及びＩＲでのＰＰＧ振幅の生理学的範囲（０．７〜１．５％、０．０７〜０．１３％及び０．１５〜０．２８％）を例示しているということを特に示している。赤色とＩＲとの関係が、かなり安定しており（約２．２倍異なり）、また、緑色とＩＲとの関係よりも信頼でき、従って、信号が本当のＰＰＧ信号かどうか決定するためにより大きな統計学的重みを有するべきであるということも示している。
【００６４】
波長帯間の相対振幅は、頬、鼻、額等、顔の領域によってわずかに異なり得る。そのような統計学的差も、一実施形態において、信頼度を高めるために使用される。
【００６５】
提案される方法の例証的な実施形態のステップを例示した流れ図が図４において描かれている。図４を参考にして説明される例は、ＲＧＢ及びＩＲチャンネルの有用性を仮定している。環境照明の強度の変化に対して正規化するために、時間的なＡＣ／ＤＣ信号の抽出の間にシンプルな前処理が適用されている（図示せず）ということがさらに仮定される。
【００６６】
第１のステップＳ１０において、顔の皮膚領域が検出される。検出された皮膚領域は、空間ブロックに分割され（Ｓ１２）、さらに、各ブロックの生理学的箇所（額、頬、鼻等）が画定される（Ｓ１４）。顔の領域の動きの場合、動き補償が適用されて（図示せず）、各空間ブロックを追跡する。その後、各ブロック内の時間的（ＡＣ／ＤＣ）信号の周波数分析が行われる。特に、各ブロックにおける各カラーチャンネルに対する時間的（ＰＰＧ）信号のスペクトルにおける主要周波数が定められ（Ｓ１６）、さらに、予想されるＨＲの範囲内の周波数成分（例えば０．５〜２Ｈｚ）が選択される（Ｓ１８）。その後、各周波数成分が反復して分析される。
【００６７】
分析において、それぞれの反復において分析されるそれぞれの周波数成分の振幅が、各ブロックにおける各カラーチャンネルに対して分析される（Ｓ２０）。１つ又は複数の種類の分析が一般的には行われる。１つの種類において、この特定の周波数成分に対するカラーチャンネル（好ましくは緑及び赤／赤外線）における振幅の比が分析され（Ｓ２２、Ｓ２４）、さらに、ＰＰＧ信号振幅の予想される分布と比較される（Ｓ２６）。別の（好ましくは平行した）種類において、現在選択されている周波数成分に対応する拍動性の空間的分布が分析され（Ｓ２８）、さらに、ＰＰＧイメージングの予想されるテンプレートと比較される（Ｓ３０）。
【００６８】
カラーチャンネル間の振幅の分布も、振幅の空間的分布も、ＰＰＧ信号の空間的分布及び振幅の分布のテンプレートと相互関係がある場合（Ｓ３２）、これは、選択された周波数が心拍数に対応しているように解釈される。さもなければ、帯域通過スペクトルからの別の周波数成分が選択され（Ｓ１８）、さらに、ステップＳ２０からＳ３２の別の反復が実行される。
【００６９】
このように、要約すると、皮膚領域から時間的信号（ＰＰＧ信号）を測定する少なくとも２つの色の波長を有するカメラユニット、各カラーチャンネルにおける時間的信号の振幅の空間的分布を分析するユニット、及び、各カラーチャンネルにおける時間的信号の振幅の比を分析するユニットを使用した、遠隔フォトプレチスモグラフィ（Ｒ−ＰＰＧ）信号の検出及び分析に対する装置並びに方法が提供される。一実施形態において、時間的信号の振幅の空間的分布対規定の空間テンプレートの比較に対するユニットが提供される。別の実施形態において、異なるカラーチャンネルにおける同じ時間的信号の振幅の比対既定の振幅の分布のテンプレートの比較に対するユニットが提供される。別の実施形態において、赤外線のチャンネルに対する赤チャンネルにおけるＰＰＧ振幅の比、対、緑チャンネルに対する赤チャンネルにおける、又は、緑チャンネルに対する赤外線チャンネルにおけるＰＰＧ振幅の比の時間的安定性の分析に対するユニットが提供される。別の実施形態において、赤外線チャンネルに対する赤チャンネルにおけるＰＰＧ振幅の比、対、緑チャンネルに対する赤チャンネルにおけるＰＰＧ振幅の比の空間的均一性の分析に対するユニットが提供される。
【００７０】
例として、本発明は、例えば非影響遠隔患者モニタリング等のヘルスケア、一般的な監視、セキュリティモニタリング、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等の分野において適用することができる。適用業務は、酸素飽和度（パルスオキシメトリ）、心拍数、血圧、心拍出量、血液灌流の変化のモニタリング、自律神経機能の評価及び末梢血管疾患の検出を含んでもよい。
【００７１】
本発明は、図面及び上記の説明において詳細に例示及び記述されてきたけれども、そのような例示及び記述は、例示的又は例証的であり、拘束性はないと考慮されることになり；本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変化は、請求された発明を実行する際に、図面、明細書、及び付随の特許請求の範囲の調査から当業者により理解する及びもたらすことができる。
【００７２】
特許請求の範囲において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞はその複数形を除外しない。１つの要素又は他のユニットは、特許請求の範囲において列挙されたいくつかの項目の機能を満たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属項において記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを役立つよう使用することができないと示しているわけではない。
【００７３】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に若しくはその一部として供給される、光記憶媒体又は固体記憶媒体等、適したメディア上に記憶／分散させてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介して等、他の形状で分散させてもよい。
【００７４】
本明細書において使用される場合、「コンピュータ」という用語は、各種の処理装置を意味する。言い換えると、かなりの計算能力を有するモバイルデバイスも、標準的なデスクトップコンピュータよりも少ない処理動力資源を提供するけれども、計算装置と呼ぶことができる。さらに、「コンピュータ」という用語は、クラウド環境において提供される計算能力を含むか又はそれを使用することができる分散計算処理装置を意味することもあり得る。
特許請求の範囲におけるいかなる参照番号も、その範囲を限定するとして解釈されるべきではない。
【図１】
0006423807.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006423807.tif 000004
【図４】
0006423807.tif 000005