УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СУБЪЕКТА
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING VITAL SIGNS OF SUBJECT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу определения основных физиологических показателей субъекта. В частности, настоящее изобретение относится к ненавязчивому способу оптических измерений, который может использоваться для распознавания основных физиологических показателей в обследуемом субъекте, таком как человек или животное. В данном случае оптическое измерение касается удаленной фотоплетизмографии (R-PPG).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основные физиологические показатели человека, например частота сердечных сокращений (HR), частота дыхания (RR) или насыщение крови кислородом, служат индикаторами текущего состояния человека и эффективными показателями для прогнозирования наступления серьезных событий медицинского характера. В этой связи основные физиологические показатели тщательно контролируются при больничном и внебольничном лечении, в домашних условиях или при дополнительной проверке здоровья, на отдыхе и при занятиях фитнесом.
Одним из способов измерения основных физиологических показателей является плетизмография. Плетизмография, в общем, касается измерения изменений объема органа или части тела и, в частности, детектирования изменений объема, вызванных кардиоваскулярной пульсовой волной, проходящей через организм субъекта при каждом сердечном сокращении.
Фотоплетизмография (PPG) – технология оптических измерений, оценивающая переменное по времени изменение отражения или пропускания света в исследуемой области или исследуемом объеме. Технология PPG основана на принципе, согласно которому кровь поглощает свет больше, чем окружающая ткань, так что изменения объема крови при каждом сердечном сокращении соответственно влияют на пропускающую и отражательную способность. Помимо информации о частоте сердечных сокращений форма волны PPG может содержать информацию, связанную с дополнительным физиологическим явлением, таким как дыхание. Оценив коэффициент пропускания и/или коэффициент отражения для разных длин волн (обычно красной и инфракрасной областей спектра), можно определить насыщение крови кислородом.
Традиционные пульсовые оксиметры для измерения частоты сердечных сокращений и насыщения (артериальной) крови субъекта кислородом (называемого также SpO2) крепятся к коже субъекта, например к кончику пальца, мочке уха или на лбу. Поэтому они называются «контактными» PPG устройствами. Обычный пульсовой оксиметр содержит красный светодиод (LED) и инфракрасный LED в качестве источников света, а также один фотодиод для детектирования света, прошедшего через ткань пациента. Коммерчески доступные пульсовые оксиметры быстро переключаются между измерениями на длинах волн красной и инфракрасной областей спектра, а потому измеряют коэффициент пропускания одной и той же области или объема ткани на двух различных длинах волн. Это называют мультиплексированием с временным разделением. Коэффициент пропускания в динамике по времени на каждой длине волны позволяет получить Формы волн PPG для длин волн красной и инфракрасной областей спектра. Хотя контактная PPG рассматривается как по существу неинвазивная технология, контактное PPG измерение часто вызывает неприятные ощущения, поскольку пульсовой оксиметр непосредственно крепится к субъекту, при этом любые провода ограничивают свободу движения.
В последнее время представлены бесконтактные удаленные PPG (R-PPG) устройства для проведения ненавязчивых измерений. В дистанционной PPG применяются источники света или вообще источники излучения, расположенные удаленно от обследуемого субъекта. Точно так же детектор, например камера или фотодетектор, может быть расположен удаленно от обследуемого субъекта. Таким образом, дистанционные фотоплетизмографические системы и устройства считаются незаметными и подходящими для каждодневного применения в медицинских и не в медицинских целях. Однако устройства удаленной PPG обычно обладают низким отношением сигнал-шум.
В публикации Verkruysse и др., "Remote plethysmographic imaging using ambient light", Optics Express, 16(26), 22 декабря 2008, с. 21434-21445, показано, что фотоплетизмографические сигналы могут измеряться удаленно с использованием окружающего освещения и видеокамеры среднего потребительского уровня.
В публикации Wieringa и др., "Contactless Multiple Wavelenghth Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward "Sp02 Camera" Technology," Ann. Biomed. Eng. 33, 1034- 1041 (2005), раскрыта удаленная PPG система для бесконтактной визуализации насыщения артериальной крови кислородом в ткани на основе измерения плетизмографических сигналов на различных длинах волн. Система содержит монохромную CMOS-камеру, а также источник света с LED трех разных длин волн. Камера последовательно получает три кинофрагмента субъекта на трех различных длинах волн. Частота пульса может определяться из кинофрагмента на одной длине волны, в то время как для определения насыщения кислородом требуются, по меньшей мере, два кинофрагмента на различных длинах волн. Измерения проводятся в темной комнате, используя в каждый момент времени только одну длину волны.
Используя технологию удаленной PPG, основные физиологические показатели могут быть измерены из сигналов видеокамеры по мере выявления мельчайших изменений поглощения света в коже, вызванных пульсацией крови. Поскольку этот сигнал очень мал и скрыт в значительно более существенных изменениях, вызванных изменениями освещенности и движением, представляет интерес улучшить принципиально низкое отношение сигнал-шум (SNR). Кроме того, существует ряд ответственных ситуаций, в которых присутствуют сильно выраженные движения, сложные условия окружающего освещения или предъявляются высокие требования к точности измерений, где требуется повышенная надежность устройств и способов проведения удаленной PPG.
В публикации WO 2012/093320 A2 раскрыты видеоустройство кодирования и способ сохранения информации, относящейся к PPG, а также видеоустройство декодирования и способ. Видеоустройство кодирования содержит модуль селекции для выбора исследуемой области во входных видеоданных, предоставляющих мощный PPG-сигнал, первый блок кодирования для кодирования упомянутой выбранной исследуемой области упомянутых входных видеоданных согласно заданной схеме кодирования с первым установочным параметром кодирования для сохранения информации, относящейся к PPG, в закодированной исследуемой области, второй блок кодирования для кодирования остальных частей упомянутых входных видеоданных согласно упомянутой заданной схеме кодирования со вторым установочным параметром кодирования, а также комбинированный блок кодирования для объединения закодированной исследуемой области и закодированных остальных частей упомянутых входных видеоданных в выходной поток видеоданных кодирующего устройства.
В заявке США 2012/0195469 A1 раскрыт способ формирования переменного по времени сигнала, отражающего, по меньшей мере, изменения некоторой величины на основе пиксельных значений из последовательности изображений, при этом сигнал, по длине соответствующий последовательности изображений, предполагает получение последовательности изображений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованных устройства и способа определения основные физиологические показатели субъекта с более высоким отношением сигнал-шум и более высокой эффективностью уменьшения артефактов, вызванных движением субъекта.
В первом аспекте настоящего изобретения представлено устройство для определения основных физиологических показателей субъекта, при этом устройство содержит:
интерфейс для приема потока данных, полученных из обнаруженного электромагнитного излучения, отраженного от исследуемой области, включающей область кожной поверхности субъекта, при этом упомянутый поток данных содержит информационный сигнал, приходящийся на область точечных элементов (пикселей) кожной поверхности одного или более точечных элементов кожной поверхности, для множества областей точечных элементов кожной поверхности упомянутой исследуемой области, при этом информационный сигнал представляет обнаруженное электромагнитное излучение, отраженное от соответствующей области точечных элементов кожной поверхности в динамике по времени,
анализатор для проведения анализа пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности,
процессор для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях субъекта, на основе информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности, а также
постпроцессор для определения требуемого физиологического показателя из упомянутого сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях,
при этом упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения информации о надежности из упомянутых пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности, при этом упомянутая информация о надежности указывает степень надежности определения информации об основных физиологических показателях или физиологического показателя, определенных на основе информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности,
при этом упомянутые найденные пространственные и/или временные характеристики, а также упомянутая информация о надежности используются процессором для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, и/или постпроцессором для определения требуемого физиологического показателя.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ определения насыщение крови кислородом у субъекта, при этом способ содержит:
прием потока данных, полученных из обнаруженного электромагнитного излучения, отраженного от исследуемой области, включающей область кожной поверхности субъекта, при этом упомянутый поток данных содержит информационный сигнал, приходящийся на область точечных элементов кожной поверхности одного или более точечных элементов кожной поверхности, для множества областей точечных элементов кожной поверхности упомянутой исследуемой области, при этом информационный сигнал представляет обнаруженное электромагнитное излучение, отраженное от соответствующей области точечных элементов кожной поверхности в динамике по времени,
проведение анализа пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности,
определение информации о надежности из упомянутых пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности, при этом упомянутая информация о надежности указывает степень надежности определения информации об основных физиологических показателях или физиологического показателя, определенного на основе информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности,
определение сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях субъекта, на основе информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности, а также
определение требуемого физиологического показателя из упомянутого сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, при этом упомянутые найденные пространственные и/или временные характеристики и упомянутая информация о надежности используются для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, и/или постпроцессором для определения требуемого физиологического показателя.
В дополнительных аспектах настоящего изобретения предложены компьютерная программа, содержащая средство программного кода для выполнения компьютером этапов способа, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере, а также энергонезависимый машиночитаемый носитель информации, на котором хранится компьютерная программа, которая при выполнении процессором компьютера, приводит к осуществлению этапов способа, раскрытого в настоящем описании.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленные способ, компьютерная программа и носитель имеют предпочтительные варианты осуществления, аналогичные и/или идентичные предпочтительным вариантам осуществления заявленного устройства, определенным в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению уточнение выделенного физиологического показателя достигается путем анализа пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности, используемых для выделения требуемого сигнала, содержащего информацию об основных физиологических показателях, в частности временного постоянства и/или пространственного анализа гладкости области кожной поверхности. Например, определяется (например, измеряется или оценивается) пространственная однородность распознанной области кожной поверхности и/или определяется (например, измеряется или оценивается) различие в размере и однородности области кожной поверхности между смежными кадрами изображения. Найденная информация о временных и/или пространственных характеристиках области кожной поверхности, в частности о пространственной однородности и временном постоянстве области кожной поверхности, используется для регулирования одного или более параметров и/или алгоритма, используемых для выделения и/или постобработки, в частности для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, и/или для определения требуемого физиологического показателя, либо для выбора способа постобработки, являющегося наиболее подходящим для найденных пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности. Таким образом, отношение сигнал-шум и эффективность уменьшения артефактов, вызванных движением субъекта, можно существенно повысить.
Пространственные характеристики области кожной поверхности
Взаимодействие электромагнитного излучения, в частности светового, с биологической тканью является сложным и включает в себя (оптические) процессы (многократного) рассеяния, обратное рассеяние, поглощение, прохождение, а также (диффузное) отражение. Термин "отражать" в контексте настоящего изобретения не следует рассматривать как ограниченный зеркальным отражением; он содержит вышеупомянутые типы взаимодействия электромагнитного излучения, в частности светового, с тканью, а также все их сочетания.
Термин «информация об основных физиологических показателях» в контексте настоящего изобретения содержит один или более основных физиологических показателей, приведенных выше. Кроме того, он содержит данные, относящиеся к физиологическому параметру, соответствующие записи формы волны или данные, относящиеся к физиологическому параметру в динамике по времени, которые могут использоваться для последующего анализа.
Для получения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях субъекта, оцениваются информационные сигналы областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности. В данном случае "область точечных элементов (пикселей) кожной поверхности" означает область, содержащую один точечный элемент кожной поверхности или группу смежных точечных элементов кожной поверхности, т.е. информационный сигнал может быть получен для единственного точечного элемента или группы точечных элементов кожной поверхности.
В одном варианте осуществления упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения гладкости, размера, однородности области кожной поверхности и/или составляющих сигналов цветности и/или яркости области кожной поверхности в динамике по времени. Таким образом, могут использоваться один или более параметров области кожной поверхности. Обычно гладкость представляет в большей степени высокочастотную характеристику, в то время как однородность является показателем уровня постоянной составляющей. Гладкие поверхности все же могут быть неоднородными в силу присутствия плавного перехода в пиксельных значениях.
В общем, существует несколько способов определения пространственной однородности области кожной поверхности и ее стабильности в динамике по времени. Согласно другому варианту осуществления упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения пространственной однородности области кожной поверхности в динамике по времени путем разбиения области кожной поверхности на блоки точечных элементов кожной поверхности (содержащие группы точечных элементов кожной поверхности), определения пространственной однородности упомянутых блоков точечных элементов кожной поверхности, а также определения числа гладких и/или текстурированных гладких блоков точечных элементов кожной поверхности. Предпочтительно упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения числа гладких и/или текстурированных блоков точечных элементов кожной поверхности в динамике по времени. Временные изменения числа гладких и/или текстурированных блоков точечных элементов кожной поверхности далее могут оцениваться и использоваться для адаптации (пост)обработки информационных сигналов и/или сигналов, несущих информацию об основных физиологических показателях, для получения в конечном счете требуемых основных физиологических показателей.
Согласно настоящему изобретению упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения информации о надежности из упомянутых пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности, при этом упомянутая информация о надежности указывает степень надежности определения информации об основных физиологических показателях или физиологического показателя, определенного на основе информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности, при этом упомянутый процессор и/или упомянутый постпроцессор выполнены с возможностью использования упомянутой информации о надежности для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, и/или постпроцессором для определения требуемого физиологического показателя. Таким образом, точность требуемого физиологического показателя может быть дополнительно повышена, поскольку используются дополнительные сведения об определении информации об основных физиологических показателях или физиологического показателя, так что, например, довольно ненадежная информация об основных физиологических показателях может быть отброшена или ей может быть присвоен меньший весовой коэффициент, чем весьма надежной информации об основных физиологических показателях, как и в отношении физиологического показателя.
Информация о надежности может определяться различными способами. В одном способе упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения упомянутой информации о надежности, используя изменение числа гладких и/или текстурированных блоков точечных элементов кожной поверхности в динамике по времени и/или изменение размера области кожной поверхности в динамике по времени. Предпочтительно упомянутый анализатор выполнен с возможностью определения информации о надежности для указания степени надежности тем большей, чем выше число гладких блоков точечных элементов кожной поверхности и чем больше размер области кожной поверхности. В общем, главный принцип настройки (пост)обработки заключается в следующем: гладкость постобработки увеличивается с уменьшением пространственной однородности области кожной поверхности и/или увеличением ее временной нестабильности.
Для адаптации (пост)обработки существуют различные опции. В одном предпочтительном варианте осуществления упомянутый постпроцессор выполнен с возможностью установки ширина временного интервала и/или постоянной времени фильтра нижних частот упомянутого постпроцессора на основе упомянутых найденных пространственных и/или временных характеристик. В другом упомянутый постпроцессор выполнен с возможностью установки ширины полосы пропускания фильтра упомянутого постпроцессора на основе упомянутых найденных пространственных и/или временных характеристик. Выбор предпочтительной настройки постобработки зависит от требований в отношении времени задержки и точности найденного физиологического показателя. Изменение постоянной времени фильтра на более высокую величину означает большее осреднение в динамике по времени, что приводит к более высокому отношению сигнал-шум (точности) ценой медленного отклика на изменения (большого времени задержки).
Предпочтительно в одном варианте осуществления упомянутый постпроцессор выполнен с возможностью корректировки найденного физиологического показателя только тогда, когда информация о надежности указывает степень надежности, превышающую заданный порог надежности. Таким образом, потенциально неверные результаты нахождения физиологического показателя отбрасываются, при этом слишком большие изменения физиологического показателя (возможно вызванные ошибочными измерениями) устраняются.
В другом предпочтительном варианте осуществления упомянутый процессор выполнен с возможностью ранжирования блоков точечных элементов кожной поверхности области кожной поверхности согласно соответствующей им временной стабильности и определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях субъекта, на основе информационных сигналов точечных элементов кожной поверхности, полученных от наиболее стабильных во времени блоков точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности. В качестве альтернативы или дополнительно упомянутый процессор выполнен с возможностью определения весовых коэффициентов надежности для блоков точечных элементов кожной поверхности области кожной поверхности согласно соответствующей им временной стабильности и определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях субъекта, на основе информационных сигналов точечных элементов кожной поверхности, которые взвешены согласно найденным весовым коэффициентам надежности соответствующих блоков точечных элементов кожной поверхности. Таким образом, надежность определения физиологического показателя может быть дополнительно повышена.
В то время как настоящее изобретение, в общем, имеет дело с информационными сигналами, содержащими единственную составляющую информационного сигнала, представляющую единственный спектральный участок (например, в спектральном диапазоне зеленого света), в одном варианте осуществления упомянутые информационные сигналы содержат, по меньшей мере, две составляющие информационного сигнала, при этом первая составляющая информационного сигнала представляет первый спектральный участок, в частности участок видимого света, а вторая составляющая информационного сигнала представляет второй показательный спектральный участок, в частности инфракрасный участок. В данном подходе используется тот факт, что глубина проникновения излучения, зависящая от поглощения кровью и поглощения тканью, в принципе также зависит от длины волны падающего излучения. Обычно инфракрасный (или ближней инфракрасной области) и красный свет глубже проникают в ткань субъекта, чем видимый свет, имеющий более короткие волны. Например, первый спектральный участок может быть образован областью или подобластью зеленого участка видимого излучения.
В предпочтительном варианте осуществления предложенное устройство дополнительно содержит блок визуализации, в частности камеру, для удаленного детектирования электромагнитного излучения, отраженного от субъекта, в частности в одном или двух различных спектральных диапазонах. Блок визуализации в особенности пригоден для проведения удаленного мониторинга. Блок визуализации может содержать один или более визуализирующих элементов. Например, блок визуализации может содержать матрицу фотодиодов или приборы с зарядовой связью. Согласно одному варианту осуществления блок визуализации содержит, по меньшей мере, две группы визуализирующих элементов, каждая из которых выполнена с возможностью детектирования одной из составляющих информационного сигнала. Согласно другому варианту осуществления блок визуализации может использовать единственную группу визуализирующих элементов, имеющих частотную характеристику, позволяющую детектировать составляющие информационного сигнала. Блок визуализации дополнительно может быть выполнен с возможностью захвата кадров изображения, поочередно представляющих составляющие информационного сигнала.
В другом предпочтительном варианте осуществления предложенное устройство дополнительно содержит источник излучения, в частности световой источник, для направления электромагнитного излучения на субъект, например в одном или двух различных спектральных диапазонах. Источник излучения может быть реализован с помощь широкополосного источника освещения и/или в нем могут использоваться одна группа либо две или более групп излучающих элементов. Однако предложенное устройство не обязательно должно содержать источник излучения, но может также использовать источники окружающего освещения, не связанные с устройством.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из вариантов осуществления, описанных ниже. На следующих чертежах
на Фиг. 1 показана блок-схема системы, в которой используется устройство согласно настоящему изобретению,
на Фиг. 2 показана блок-схема алгоритма по одному варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показана блок-схема системы 10, в которой используется устройство 30 согласно настоящему изобретению. Система 10 может использоваться для регистрации кадров изображения, представляющих удаленный субъект 12 или, по меньшей мере, участок 14 (исследуемую область) субъекта 12, для удаленного PPG-мониторинга. Исследуемая область 14 содержит, например, участок лба, участок лица или, в более общем смысле, один или более участков кожи субъекта 12. Регистрируемые данные, например набор кадров изображения, могут быть получены из электромагнитного излучения 16, отраженного субъектом 12. Возможно в определенных условиях, по меньшей мере, часть электромагнитного излучения может испускаться или пропускаться самим субъектом 12. Пропускание излучения может происходить тогда, когда субъект 12 подвержен воздействию мощных источников освещения, просвечивающих субъекта 12. Испускание излучения может происходить тогда, когда инфракрасное излучение, вызванное тепловым излучением тела, направленно излучается и захватывается. Однако для удаленного применения PPG огромная часть захватываемого электромагнитного излучения 16 может рассматриваться как излучение, отраженное субъектом 12. Субъект 12 может представлять собой человека или животное, либо вообще живое существо. Кроме того, под субъектом 12 можно понимать часть организма человека, несущую существенную информацию о требуемом сигнале.
Источник излучения, например солнечный свет 18a, искусственный источник 18b излучения или сочетание нескольких источников излучения оказывают влияние или воздействуют на субъект 12. Источники 18a, 18b излучения в принципе испускают падающее излучение 20a, 20b, попадающее на субъект 12. Кроме того или в качестве альтернативы система 10 может также содержать или использовать внутренний источник 22 электромагнитного излучения 24, испускающий и направляющий излучение 24 на субъект 12, который также может быть частью устройства 30 в альтернативном варианте осуществления. Внутренний источник 22 излучения 24 может быть выполнен с возможностью направления излучения, имеющего заданные характеристики, на субъект 12, в частности излучения, принадлежащего заданному спектральному участку. Поскольку в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения захватываются и обрабатываются, по меньшей мере, два отдельных спектральных участка, согласно другому аспекту данного варианта осуществления предпочтительно, чтобы внутренний источник 22 электромагнитного излучения 24 "соответствовал" этим спектральным участкам.
Для извлечения физиологической информации из зарегистрированных данных, например последовательности кадров изображения, излучение 16 от заданной части или заданного участка субъекта 12, например исследуемой области 14, детектируется блоком 28 визуализации. Блок 28 визуализации может быть реализован, например, с помощью оптического сенсорного средства, выполненного с возможностью сбора информации, касающейся, по меньшей мере, одной спектральной составляющей электромагнитного излучения 16. В одном варианте осуществления блок 28 визуализации реализован с помощью камеры или набора камер, например видеокамеры (например, RGB-камеры). Блок 28 визуализации может также быть частью устройства 30 в альтернативном варианте осуществления.
Разумеется, устройство 30 может также быть выполнено с возможностью обработки входных сигналов, а именно входного потока 26 данных, уже зарегистрированных заранее и в текущий момент времени хранящихся в памяти или помещенных в буфер. Как указано выше, электромагнитное излучение 16 может содержать непрерывный или дискретный отличительный сигнал, несущий существенную информацию, по меньшей мере, об одном физиологическом параметре 26, в контексте настоящего изобретения, в частности, частоте сердечных сокращений, частоте дыхания и/или насыщении крови кислородом.
Устройство 30 для определения физиологического показателя субъекта согласно настоящему изобретению содержит (входной) интерфейс 32 для приема потока 26 данных (из блока 28 визуализации или из блока памяти либо буфера), полученных из обнаруженного электромагнитного излучения 16, отраженного (включая испущенное или прошедшее излучение) от исследуемой области 14, включающей в себя область кожной поверхности субъекта 12. Упомянутый поток 26 данных содержит информационный сигнал, приходящийся на точечный элемент кожной поверхности, для множества областей точечных элементов кожной поверхности одного или более точечных элементов кожной поверхности (предпочтительно для всех областей точечных элементов кожной поверхности или даже для всех отдельных точечных элементов кожной поверхности) упомянутой исследуемой области, при этом информационный сигнал представляет обнаруженное электромагнитное излучение 16, отраженное от соответствующей области точечных элементов кожной поверхности в динамике по времени.
Анализатор 34 выполнен с возможностью проведения анализа пространственных и/или временных характеристик области кожной поверхности 14. Таким образом, на выход из анализатора 34 поступает информация о пространственных и/или временных характеристиках области кожной поверхности. В одном варианте осуществления анализатор вычисляет относительные амплитуды в единственной спектральной полосе (например, зеленого света) или в красной и инфракрасной спектральных полосах из временного отражения от кожи, представленного информационными сигналами множества точечных элементов кожной поверхности.
Устройство 30 дополнительно содержит процессор 36 для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях субъекта, на основе информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности в области кожной поверхности, а также постпроцессор 38 для определения требуемого физиологического показателя из упомянутого сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях. Этот способ обработки информационных сигналов, в общем, известен в области техники удаленной PPG, а потому в настоящем описании более подробно поясняться не будет. В отличие от известных устройств и способов, однако, упомянутые найденные пространственные и/или временные характеристики используются процессором 36 для определения сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, и/или постпроцессором 38 для определения требуемого физиологического показателя.
Наконец, может быть создан (выходной) интерфейс 40, на который может поступать найденный физиологический показатель 39, например, для предоставления выходных данных 41 для последующего анализа и/или для отображения. Оба интерфейса 32, 40 могут быть реализованы с помощью одинаковых соединений (аппаратного обеспечения).
В одном варианте осуществления контроллер 42 выполнен с возможностью селективного управления, по меньшей мере, блоком 28 визуализации или источником 22 излучения.
Анализатор 34, процессор 36 и постпроцессор 38 (а также контроллер 42, если он предусмотрен) могут быть реализованы с помощью общего блока 50 обработки данных, который можно причислить к вычислительному устройству или, по меньшей мере, части вычислительного устройства, управляемого соответствующими логическими командами (программным кодом), чтобы обеспечить требуемую обработку данных. Блок 50 обработки данных может содержать несколько компонентов или модулей, которые будут рассмотрены ниже. Следует понимать, что каждый компонент или модуль блока 50 обработки данных может быть реализован виртуально или дискретно. Например, блок 50 обработки данных может содержать ряд процессоров, таких как многоядерные процессоры или одноядерные процессоры. По меньшей мере, один процессор может использоваться блоком 50 обработки данных. Каждый из процессоров может быть выполнен в виде стандартного процессора (например, центрального процессора) или специализированного процессора (например, графического процессора). Таким образом, блок 50 обработки данных может надлежащим образом управляться так, чтобы распределять различные задания между соответствующими процессорами.
Блок 50 обработки данных, а также интерфейсы 32, 40 могут быть реализованы в общем устройстве обработки данных или корпусе, обычно представляя предложенное устройство 30. Блок 28 визуализации и источник 22 излучения обычно представляют собой внешние элементы, однако могут также быть встроены в устройство 30, например, имея общий корпус с другими элементами устройства 30.
Ниже будут даны пояснения деталям основы настоящего изобретения, а также предпочтительных вариантов осуществления.
Как правило, в известных контактных и бесконтактных датчиках для измерения основных физиологических показателей применяется алгоритм постобработки к измеренным основным физиологическим показателям с целью уменьшения артефактов и/или повышения согласованности результатов измерений. Большинство известных ID алгоритмов постобработки работают под управлением информации, собранной либо из самого ID сигнала, либо с дополнительных (контекстных) датчиков. Например, носимые контактные PPG датчики (например, датчики, установленные на запястье или пальце) используют данные со встроенного акселерометра для уменьшения артефактов движения в ID-сигнале, несущем информацию об основных физиологических показателях.
В качестве опции может использоваться постобработка выделенного сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, например сигнала сердечных сокращений, на основе информации о частоте повторяющегося движения субъекта. Такая информация может быть собрана либо из векторов движения или других данных, описывающих повторяющиеся движения субъекта. Существенно повысив надежность мониторинга сердечных сокращения в процессе регулярного движения субъекта, этот способ не обеспечивает серьезного улучшения, если движение субъекта не является регулярным. Например, если субъект неожиданно отвернет лицо от камеры, выделенный сигнал сердечных сокращений будет потерян, при этом алгоритм постобработки, основанный на детектировании повторяющегося периодического движения, не повысит согласованность выделенного сигнала.
Помимо этого, различные виды движения по-разному влияют на качество выделенного PPG сигнала. Например, поступательное движение лица, когда одна и та же область кожной поверхности постоянно находится в зоне видимости, создает значительно меньше артефактов (если вообще создает) по сравнению с поворотным движением лица с той же частотой и скоростью; при поворотном движении зрительно доступная область кожной поверхности постоянно изменяется.
Еще один пример того, что использование информации о частоте движений не является оптимальным, - измерение сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях (в частности, связанного с сигналом сердечных сокращений) (который иногда также называют PPG-сигналом), поступающего от лица человека, произносящего слова. В этом случае большинство векторов движения не будут указывать на существенное движение, однако деформации кожи лица, вызванные произнесением слов, создадут существенные артефакты в выделенном сигнале, несущем информацию об основных физиологических показателях.
Предложенные устройство и способ более эффективны в уменьшении артефактов, вызванных движением кожи, и более чувствительны к различным типам движения. Уточнение выделенного физиологического показателя в особенности основано на анализе временного постоянства и/или пространственной гладкости области кожной поверхности, используемых для выделения физиологического показателя.
В системах мониторинга основных физиологических показателей на основе камеры измеряются малые изменения цвета области кожной поверхности (например, лица человека), вызванные изменениями объема крови, и выделяется сигнал, несущий информацию об основных физиологических показателях. Изменения цвета чрезвычайно малы, а это означает, что любая помеха (движение, изменения освещения) повлияет на сигнал. Движение контролируемого субъекта вызывает пространственное смещение и изменение области кожной поверхности. Уровень артефактов, вызванных смещением и деформацией, может существенно разниться. Пространственное смещение области кожной поверхности без деформирования (например, в процессе бокового движения) создает меньше проблем для выделения сигналов сердечных сокращений по сравнению с деформированием области кожной поверхности. В большинстве случаев артефакты, вызванные смещением области кожной поверхности, могут быть скорректированы, при этом остаточные артефакты, связанные с регулярным смещением области кожной поверхности могут быть успешно отработаны в процессе постобработки путем устранения спектра движения из спектра измеренного сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях.
Артефакты, вызванные деформированием области кожной поверхности, обычно являются значительно более серьезными (в зависимости от степени деформирования) и их скорректировать значительно сложней. В процессе деформирования кожи количество точечных элементов кожной поверхности в области сбора информации варьируется, в то время как наибольшая часть области кожной поверхности может оставаться неподвижной. Следовательно, анализ векторов движения области кожной поверхности недостаточен для компенсации артефактов.
Помимо этого, мощность выделенного сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, и его SNR неодинаковы по области кожной поверхности. Имеются части области кожной поверхности, генерирующие сигналы с более высоким уровнем шума, чем в других частях. Например, области гладкой кожи будут иметь более «чистый» сигнал, несущий информацию об основных физиологических показателях, по сравнению с областями кожной поверхности, обладающими высокой рельефностью. Следовательно, деформирование изначально гладкой области, обладающей мощным сигналом, несущим информацию об основных физиологических показателях, создаст существенно более значительные артефакты (изменения в артефактах), чем деформирование текстурированных областей, которые уже имели слабые сигналы, несущие информацию об основных физиологических показателях.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения предложено анализировать пространственные и временные характеристики области кожной поверхности и использовать результаты данного анализа для адаптации обработки информационных сигналов областей точечных элементов кожной поверхности области кожной поверхности и/или постобработки выделенного сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях. Предпочтительно создается также метрика надежности измерений.
На Фиг. 2 показана блок-схема алгоритма одного варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению. На первом этапе S10 область кожной поверхности исследуемой области 14 разбивается в текущем и смежном кадрах изображения на 2D блоки пикселей (также называемые в настоящем описании блоками точечных элементов кожной поверхности). На втором этапе S12 определяется пространственная однородность множества блоков (предпочтительно каждого), а также определяется размер области кожной поверхности для текущего кадра. Затем определяется число "гладких" и "текстурированных" пространственных блоков. Однородность может измеряться несколькими способами, например, используя энтропию и/или динамический диапазон. Пример такого способа описан в работе "Spatial Texture Analysis: A comparative Study", Maneesha Singh и Sameer Singh, PANN Research, Department of Computer Science, University of Exeter, ICPR '02 Proceedings of the 16th International Conference on Pattern Recognition (ICPR'02) том 1 – том 1, с.10676, IEEE Computer Society Washington, DC, USA.
На третьем этапе S14 определяется пространственная однородность и размер области кожной поверхности в смежном кадре изображения. На четвертом этапе S16 определяются различия между размерами области кожной поверхности в рассматриваемых кадрах изображения, а также изменение числа "гладких" и "текстурированных" блоков.
На пятом этапе S18 создается метрика надежности на основе параметров временной и пространственной стабильности, в которой используется следующее качественное соотношение: чем больше различие в размере общей области кожной поверхности и в числе "гладких" блоков, тем менее надежен выделенный сигнал, несущий информацию об основных физиологических показателях, или физиологический показатель (например, число сердечных сокращений или частота дыхания). Чем больше число "гладких" блоков в области кожной поверхности, тем выше надежность выделенного сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях или физиологического показателя.
На шестом этапе S20 параметры постобработки регулируются на основе результатов анализа, проведенного на этапе S18. Например, временное окно (или постоянная времени) фильтра нижних частот может быть увеличено, чтобы уменьшить флуктуации выделенного сигнала, несущего информацию об основных физиологических показателях, или физиологического показателя. В качестве альтернативы ширина полосы пропускания фильтра применительно к выделенному сигналу, несущему информацию об основных физиологических показателях, или физиологическому показателю может быть уменьшена или/и сдвинута относительно ранее достоверного значения. В качестве еще одной альтернативы предыдущие выходные данные постпроцессора могут быть сохранены, когда метрика надежности (полученная на этапе S18) показала высокую надежность для предыдущего значения и низкую надежность для текущего значения. В следующий раз это значение может регулироваться только в том случае, если метрика надежности показывает, что выделенный сигнал, несущий информацию об основных физиологических показателях, или физиологический показатель снова заслуживает доверие.
В результате вышеописанной обработки флуктуации выделенного сигнала уменьшаются, если область кожной поверхности не стабильна в пространстве и во времени.
Вместо настройки постпроцессора 38 показатель надежности (или лежащий в основе анализ) может также использоваться на других этапах обработки данных, как ясно из следующих вариантов осуществления.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения все блоки в области кожной поверхности ранжируются в зависимости от их временной стабильности, при этом блоки кожной поверхности, обладающие наивысшей временной нестабильностью, полностью устраняются или исключаются из области сбора информации (т.е. ни один сигнал не выделяется и/или не используется из этих блоков для определения требуемого физиологического показателя).
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения аналогичный подход может использоваться для взвешивания вклада отдельных пространственных блоков области кожной поверхности для конечного сигнала. Частям области кожной поверхности, для которых на основе рассмотренных мер ожидается образование относительно малого количества артефактов, присваивается более высокий весовой коэффициент, чем другим.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предложено включить анализ стабильности цвета и/или интенсивности блоков в смежных кадрах изображения (например, изменения среднего значения цветности или/и яркости блоков между смежными кадрами изображения). Если число блоков с изменением среднего значения цветности или/и яркости превышает определенный уровень, тогда найденный физиологический показатель не достоверен. Соответственно устанавливается метрика надежности (например, на этапе S16 варианта осуществления, описанного на Фиг. 2).
В качестве примера настоящее изобретение может применяться в области здравоохранения, например для не создающего препятствий удаленного мониторинга пациента, общего наблюдения, контроля состояния безопасности и в так называемых средах, определяемых стилем жизни, например оборудовании для занятий фитнесом, и т.п. Сферы применения могут включать мониторинг насыщения кислородом (пульсовую оксиметрию), частоты сердечных сокращений, кровяного давления, функционального состояния сердца, изменения перфузии крови, оценку автономных функций, а также обнаружение заболеваний периферических кровеносных сосудов.
Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно представлено в вышеприведенном описании, эти иллюстрации и описание следует рассматривать как приведенные в качестве примера, но не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предложить и реализовать другие модификации раскрытых вариантов осуществления, применяя на практике заявленное изобретение, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения.
В формуле изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких объектов, перечисленных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры упоминаются во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем энергонезависимом носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, поставляемом совместно с другим аппаратным обеспечением или в виде его части, однако может также быть распространяться в других формах, например через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
В настоящем описании термин "компьютер" означает широкий круг устройств для обработки данных. Другими словами, мобильные устройства, обладающие значительными вычислительными возможностями, также могут рассматриваться в качестве вычислительных устройств, несмотря на то, что их вычислительные возможности уступают стандартным настольным компьютерам. Кроме того, термин "компьютер" может также относиться к распределенным вычислительным устройствам, в которых могут использоваться возможности вычисления в облачной среде.
Ни одну из ссылочных позиций не следует рассматривать как ограничивающую объем изобретения.