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

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения показателей жизнедеятельности субъекта. В частности, предлагаемое изобретение относится к методике не создающих ограничений оптических измерений, которую можно использовать для определения показателей жизнедеятельности наблюдаемого субъекта, такого как человек или животное. В данном контексте, оптические измерения относятся к дистанционной фотоплетизмографии (Д-ФПГ, R-PPG).
Уровень техники изобретения
Показатели жизнедеятельности человека, к примеру частота сердечных сокращений (HR), интенсивность дыхания (RR), насыщенность крови кислородом, служат индикаторами текущего состояния человека и значимыми предвестниками серьезных медицинских явлений. По этой причине, показатели жизнедеятельности серьезно контролируются в стационарных и в амбулаторных медицинских учреждениях, дома или дополнительно в сфере охраны здоровья, досуга, фитнесе.
Один из способов измерения показателей жизнедеятельности это плетизмография. Плетизмография в целом относится к измерениям изменения объема органов или частей тела и, в частности, к обнаружению изменений объема вследствие распространения сердечно-сосудистой пульсовой волны через тело субъекта с каждым сердцебиением.
Фотоплетизмография (ФПГ) это методика оптических измерений, которая оценивает переменные во времени изменения отражения света или пропускание через область или объем, которые исследуются. ФПГ основан на принципе, состоящем в том, что кровь поглощает свет больше, чем окружающая ткань, поэтому изменения объема крови с каждым ударом сердца оказывают воздействие на пропускание или отражение соответственно. Помимо информации о частоте сердечных сокращений, ФПГ волны могут содержать информацию, относящуюся к дополнительным физиологическим явлениям, таким как дыхание. Посредством оценивания пропускной и/или отражательной способности для различных длин волн (обычно для красной и инфракрасной) можно определить уровень насыщения крови кислородом.
Обычный пульсовой оксиметр для измерения частоты сердечных сокращений и уровня насыщения (артериальной) крови кислородом (также называется SpO2) субъекта прикрепляется к поверхности кожи субъекта, к примеру кончику пальца, мочке уха или лбу. По этой причине, эти приборы называют «контактными» ФПГ приборами. Обычный пульсовой оксиметр содержит красный СИД и инфракрасный СИД, как источники света, и один фотодиод для обнаружения света, который был пропущен через ткани пациента. Имеющийся в продаже пульсовой оксиметр быстро переключается между режимами измерения в красной и инфракрасной длине волны и посредством этого измеряет пропускную способность одной и той же области или объема тканей с помощью двух различных длин волн. Это известно под названием мультиплексирование по времени. Пропускная способность во времени для каждой длины волны формирует форму ФПГ сигнала для красной и инфракрасной длин волн. Хотя контактный ФПГ рассматривается как основная не инвазивная методика, измерения с помощью контактного ФПГ часто воспринимаются негативно, так как пульсовой оксиметр прикрепляется непосредственно к субъекту и любые провода ограничивают свободу перемещения.
В последнее время были внедрены бесконтактные, дистанционные ФПГ (Д-ФПГ, R-PPG) устройства. Дистанционный ФПГ использует источники света или, в общем, источники излучения, расположенные на удалении от субъекта исследования. Подобным образом, также датчик, например камеру или фотодатчик, можно расположить на удалении от субъекта исследования. По этой причине системы и устройства дистанционной фотоплетизмографии считают ненавязчивыми и хорошо подходящими как для медицинских, так и для не медицинских ежедневных применений. Хотя, устройства дистанционной ФПГ обычно обладают более низким отношением сигнал-шум.
Verkruysse и др., «Remote plethysmographic imaging using ambient light (Визуализация посредством дистанционной плетизмографии с использованием естественного освещения)», Optics Express, 16(26), 22 Декабрь 2008, стр. 21434-21445, продемонстрировал, что фотоплетизмографические сигналы можно измерить удаленно, используя естественное освещение и видео камеру обычного потребительского уровня.
Wieringa и др., «Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward «Sp02 Camera» Technology (Визуализация посредством бесконтактной Фотоплетизмографии с использованием кратной длины волны)»: Первый шаг к «Технологии «Spo2 Камеры», Ann. Biomed. Eng. 33, 1034-1041 (2005), раскрывает систему дистанционной ФПГ для бесконтактной визуализации степени насыщения артериальной крови кислородом в тканях, основанной на измерениях плетизмографических сигналов при различных длинах волн. Система содержит монохромную КМОП-камеру и источник света с СИДами трех различных длин волн. Камера последовательно получает три видео субъекта для трех различных длин волн. Частоту пульса можно определить из видео для одной длины волны, в то время как как минимум два видео для других длин волн требуются для определения уровня насыщения кислородом. Измерения производятся в темной комнате, с использованием только одной длины волны в один момент времени.
Используя дистанционную ФПГ технологию, можно измерить показатели жизнедеятельности с помощью сигналов видеокамеры, обеспечивающей временную последовательность кадров изображений, так как они обнаруживаются за счет небольших изменений в поглощении поверхности кожи, вызванных колеблющимся объемом крови. Поскольку этот сигнал очень мал и скрывается в значительно больших колебаниях, вызванных изменениями освещения и движением, общий интерес представляет улучшение фундаментально низкого отношения сигнал-шум (ОСШ, SNR). Имеются также сложные ситуации, в которых присутствуют резкие движения, осложняющие условия внешнего освещения или требуется высокая точность применения, где требуется повышенная надежность устройств и способов дистанционного. К примеру, особенно сложно надежно разделить импульсный сигнал с низким ОСШ и другой периодический сигнал, полученный с помощью того же средства формирования изображений (камеры). Те зашумленные сигналы могли бы иметь амплитуду и частоту в том же диапазоне, что и сигнал сердцебиения, и поэтому могли бы быть перепутаны с реальным сигналом сердцебиения.
В процессе применения Д-ФПГ технологии в сфере здравоохранения, такие ситуации с необнаружением реального сигнала сердцебиения и его спутывание с шумовым сигналом может привести к серьезным проблемам. К примеру, стремительное ухудшение состояния здоровья человека могло бы быть оставлено незамеченным из за необнаружения сигнала слабого пульса. Поэтому, есть потребность в способе для надежного отделения импульсного сигнала от других шумовых сигналов со схожими временными и частотными характеристиками в процессе отслеживания ЧCС с помощью Д-ФПГ технологии, основанной на камере.
EP 2546780 A1 раскрывает способ осуществления дистанционного фотоплетизмографического анализа. Указанный способ включает получение ряда изображений с как минимум одной камеры, каждое из которых представлено пиксельными данными отраженного естественного освещения в как минимум ограниченном диапазоне длин волн, и, для как минимум одной зоны измерений, предоставление сигнала, показывающего по меньшей мере изменения в переменном во времени значении сочетания значений пикселей в по меньшей мере некотором количестве точек изображения в зоне измерений для использования в определении как минимум одного значения физиологического параметра. Отслеживается как минимум часть из выбранных субъектов, представленных в ряду изображений, и управляется освещение направляемым источником света, освещающем по меньшей мере часть выбранных субъектов.
US 2011/0311143 A1 раскрывает способ управления работой устройства. Указанный способ включает получение ряда цифровых изображений, сделанных в последовательные моменты времени. Выбирается как минимум одна зона измерений, включающая множество точек изображения. Для как минимум одной зоны измерений, получают образец сигнала по меньшей мере колебаний в переменном во времени значении сочетания значений пикселей для как минимум некоторого количества точек изображения, и определяется как минимум одна характеристика сигнала как минимум в области исследования его спектра по отношению к данным для сравнения. Определение содержит как минимум одно из: (i) определение, имеет ли сигнал спектр с локальным максимумом при частоте, совпадающей со сравниваемой частотой, с определенной точностью; и (ii) определение того, находится ли хотя бы конкретная частотная составляющая сигнала в совпадающей фазе со сравниваемым сигналом, с определенной точностью. Функция управляется в зависимости от того, положителен ли результат данного определения.
US 2009/0141124 A1 раскрывает систему для измерения пульса и интенсивности дыхания с помощью пассивного термовидео. Указанная система включает сегментацию контура и отслеживание, кластеризацию исследуемых информационных пикселей, и надежное оценивание доминантной частоты компонентов. Сегментация контуров используется для определения местоположения измеряемой области кровеносного сосуда, после чего все пиксели в соседней области выравниваются по кадрам на основании позиции сегментации, и масштабируются в каждом кадре. Затем выполняется пространственная фильтрация для удаления шумов, не связанных с сердцебиением, и затем выполняется нелинейная фильтрация временного сигнала, соответствующего каждому выстроенному пикселю. Спектр сигнала каждого пикселя затем поставляется алгоритму кластеризации для удаления выбросов. Пиксели в наибольшем кластере затем используются для определения доминантной частоты, и медиана доминантной частоты выводится как частота пульса.
Сущность изобретения
Задача предлагаемого изобретения состоит в предоставлении устройства и способа определения показателей жизнедеятельности субъекта, имеющих высокое отношение сигнал/шум и, в частности, обеспечении возможности надежно различать сигнал сердечных сокращений и другие шумовые сигналы, имеющие схожие временные и частотные характеристики.
В первом аспекте предлагаемого изобретения представляется устройство для определения показателей жизнедеятельности, устройство содержит:
- интерфейс для приема потока данных, извлеченных из обнаруженного электромагнитного излучения, отраженного от области исследования, включающей участок кожи субъекта, причем указанный поток данных содержит сигнал данных от области пикселей кожи одного или более пикселей кожи для множества областей пикселей кожи упомянутой области исследования, причем сигнал данных представляет обнаруженное электромагнитное излучение, отраженное от соответствующей области пикселей кожи во времени,
- анализатор для проведения анализа пространственных и/или оптических свойств одного или более сигналов данных в одном или более диапазонах длин волн,
- процессор для определения сигнала информации о показателе жизнедеятельности субъекта, основываясь на сигналах данных пикселей кожи в пределах участка кожи, и
- постпроцессор для определения желаемого показателя жизнедеятельности из упомянутого сигнала информации о показателе жизнедеятельности,
причем упомянутые определенные пространственные и/или оптические свойства используются процессором для определения сигнала информации о показателе жизнедеятельности или постпроцессором для определения желаемого показателя жизнедеятельности.
В еще одном аспекте предлагаемого изобретения представляется соответствующий способ для определения показателей жизнедеятельности субъекта.
В еще одном дополнительном аспекте предлагаемого изобретения представляется система для определения показателей жизнедеятельности субъекта, указанная система содержит:
- средство формирования изображений для обнаружения электромагнитного излучения, отраженного от области исследования, включая участок кожи субъекта, чтобы получить поток данных, указанный поток данных, содержащий сигнал данных с областей пикселей кожи одного или более пикселей кожи, для множества областей пикселей кожи упомянутой области исследования, сигнал данных, представляющий обнаруженное электромагнитное излучение, отраженное от соответствующей области пикселей кожи во времени, и
- устройство для приема указанного потока данных и для определения показателя жизнедеятельности субъекта из указанного потока данных.
В еще одном аспекте предлагаемого изобретения, предоставляется компьютерная программа, которая содержит средства программного кода для выполнения компьютером этапов способа, когда указанная компьютерная программа выполняется на компьютере, также как и невременный машиночитаемый носитель, который содержит компьютерный программный продукт, который при исполнении процессором компьютера, вызовет выполнение раскрытого здесь способа.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ, система, компьютерная программа и машиночитаемый носитель имеют схожие и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления как заявленное устройство и как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Многие известные способы и устройства для основанной на камере регистрации сердечного ритма основываются на предположении, что импульсный сигнал это единственный периодический сигнал, обнаруживаемый камерой, в то время как шумы (например, вызванные движением или изменением освещения) это в основном непериодические сигналы. Иногда, разделение реального импульсного сигнала и шума осуществляется на основе амплитудного анализа (ожидается, что сигналы сердечного ритма содержаться в определенном амплитудном диапазоне). Более того, обычно делается предположение, что сигнал сердцебиения обязательно присущ обследуемому субъекту, и затем алгоритм просто должен найти периодический сигнал, который окажется сердечным ритмом. Однако было обнаружено, что такое предположение не всегда обосновано в реальных жизненных ситуациях. Болезненный субъект может иметь непериодический ЧСС (HR), или быстро сменяющийся ЧСС (HR). Более того, шумы могут иметь временные и частотные характеристики в диапазоне таком же, как и реальный импульсный сигнал. К примеру, мерцающее внешнее освещение может вводить периодическую составляющую в получаемый ФПГ сигнал, которая может иметь более устойчивую частоту, нежели сердцебиение.
Таким образом, устройство и метод, предлагаемые настоящим изобретением, полагаются не на одномерные характеристики получаемого сигнала, чтобы отличить реальный импульсный сигнал от шума с похожими временными характеристиками, а на оптические и пространственные свойства сигнала дистанционного ФПГ, то есть сигналы данных, содержащиеся в потоке данных, производимых средством формирования изображений в ответ на воспринимаемое электромагнитное излучение (например, полученные кадры изображений субъекта).
Предлагаемое устройство и способ в частности основываются на обработке потока данных (таких как видео с камеры с как минимум двумя каналами цветности (например, R (красный) и G (зеленый) каналы RGB камеры)), чтобы различать реальный ФПГ сигнал с другими повторяющимися сигналами с частотными и амплитудными диапазонами, сходными с ФПГ сигналом. Чтобы различить реальный импульсный сигнал и шумовой сигнал, анализируются пространственные и/или оптические свойства ФПГ сигнала (одного или более сигналов данных). Пространственные свойства используется, например, в анализе распределения амплитуды ФПГ сигнала по одной или более областям пикселей кожи (то есть одной или более областей у области кожи субъекта). Оптические свойства используются, например, при анализе одного или более отношений ФПГ амплитуд в каналах цветности (диапазонах длин волн), зависящих от длины волны, распределения максимальных диапазонов амплитуд ФПГ сигналов в различных каналах цветности и/или временной устойчивости амплитуд ФПГ сигналов в различных каналах цветности.
Результат анализа, то есть определенная информация о временных и/или пространственных свойствах одного или более сигналов данных в одном или более диапазонах длин волн, первоначально используется для определения того, содержит ли сигнал данных или пригоден ли он для получения сигнала информации о показателе жизнедеятельности субъекта, или это зашумленный сигнал, искажающий или даже делающий невозможным надежное получение сигнала информации о показателе жизнедеятельности из него.
Более того, он может быть использован для настройки одного или более параметров и/или алгоритма, используемого для выявления и/или пост-обработки, в частности для определения сигнала информации о показателе жизнедеятельности, для определения желаемого показателя жизнедеятельности и/или для определения параметров средства формирования изображений, используемого для получения электромагнитной информации, еще дополнительно, он может использоваться для выбора оптимального размера и формы ОИ (ROI) на поверхности кожи для получения показателей жизнедеятельности либо для выбора методики пост-обработки, которая наиболее оптимальна для определения пространственных и/или временных свойств участка поверхности кожи. Таким образом, отношение сигнал-шум и эффективность в сокращении ложной информации, вызванной движением субъекта или изменением освещения, можно эффективно улучшить.
Помимо обнаружения сигналов сердечного ритма (и различения их с шумами) данное изобретение можно использовать также для получения других показателей жизнедеятельности, выводимых из ФПГ информации. К примеру, для вычисления SpO2 подойдет (составляющая) сигнал в красном (К, R) канале, после удостоверения в том, что данный сигнал действительно является ФПГ сигналом и не зашумлен.
Взаимодействие электромагнитного излучения, в частности света, с биологической тканью является комплексным и включает (оптические) процессы (многократного) рассеяния, обратного рассеяния, поглощения, прохождения и (рассеянного) отражения. Термин «отражаться», как он использован в данном контексте настоящего изобретения, не должен истолковываться ограниченно как зеркальное отражение, но содержит вышеупомянутые типы взаимодействий электромагнитного излучения, в частности света, с тканью и любые комбинации из этого.
Термин «показатель жизнедеятельности», как он использован в данном контексте настоящего изобретения, относится к физиологическим показателям субъекта (то есть, живого существа) и производным показателям. В частности, термин «показатели жизнедеятельности» включает в себя частоту сердечных сокращений (ЧСС, HR) (иногда также называемой частотой пульса), изменчивость частоты сердечных сокращений (изменчивость частоты пульса), силу пульсового давления, кровоснабжение, изменчивость кровоснабжения, ФПГ пульсацию, волны Траубе-Геринга-Майера, частоту дыхания (ЧД, RR), температуру поверхности кожи, кровяное давление, время распространения пульсовой волны (ВРПВ, PTT), концентрацию веществ в крови и/или ткани, как к примеру насыщение крови кислородом или уровень глюкозы.
Термин «информация о показателе жизнедеятельности», как он использован в данном контексте настоящего изобретения, содержит один или более измеренных показателей жизнедеятельности, как определено выше. Дополнительно, он содержит данные, относящиеся к физиологическим показателям, соответствующие линии формы волны или данные, относящиеся к физиологическим показателям в момент времени, что может служить для последующего анализа.
Для получения сигналов информации о показателях жизнедеятельности субъекта оцениваются сигналы данных областей пикселей кожи в пределах участка кожи. Здесь, «область пикселей кожи» означает область, содержащую один пиксель кожи или группу соседних пикселей кожи, то есть сигнал данных можно получить для одного пикселя или группы пикселей кожи.
В варианте осуществления упомянутый анализатор сконфигурирован для сравнения пространственных и/или оптических свойств одного или более сигналов данных в одном или более диапазонах длин волн с соответствующим образцом, представляющим ожидаемые пространственные и/или оптические свойства. Таким образом, основываясь на этом сравнении можно решить, относятся ли анализированные сигналы данных к зашумленным сигналам или содержат полезную информацию о показателях жизнедеятельности. Образец может быть доступен из статистического анализа ранее проведенных исследований или может быть стандартизированным. В улучшенном варианте осуществления используется в определенной мере предметно-специфицированный образец. К примеру, для молодого человека можно использовать образцы другие, нежели для пожилого человека, и для заболевшего человека можно использовать образцы другие, нежели для здорового человека.
В другом варианте осуществления указанный анализатор сконфигурирован для определения основной частотной составляющей в спектре упомянутых одного или более сигналов данных в упомянутых одном или более диапазонах длин волн, и для выбора одной или более основных частотных составляющих в ожидаемом диапазоне частот, относящихся к показателю жизнедеятельности, который необходимо определить. К примеру, если в качестве показателя жизнедеятельности будет определяться частота сердечных сокращений, выбирается частотная составляющая в ожидаемом диапазоне частот сердечных сокращений, то есть в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 2 Гц. Предпочтительно, как предложено в дополнительном варианте осуществления, анализатор сконфигурирован для анализа амплитуды сигнала выбранных одной или более основных частотных составляющих в спектре упомянутых одного или более сигналов данных в указанных одном или более диапазонах длин волн. Таким образом, анализ более точен, так как он фокусируется на реально интересующей(их) частотной(ых) составляющей(их).
В предпочтительном варианте осуществления указанный анализатор сконфигурирован для анализа пространственного распределения пульсации в диапазоне длины волны видимого и невидимого света, в частности зеленого света. В общем, пульсовое давление это мера изменчивости объема циркулирующей крови, она равна разности пикового систолического и минимального диастолического объемов, деленной на среднее значение в течение сердечного цикла. Было обнаружено, что в зеленом канале пульсация сильнее на лбу и щеках человека, слабее на других участках лица. Это знание установлено согласно данному варианту осуществления, чтобы усовершенствовать различение между шумом и реальным сигналом.
В схожем варианте осуществления упомянутый анализатор сконфигурирован для анализа пространственного распределения отношения амплитуд сигналов в диапазоне длины волны красного света и амплитуд сигналов в диапазоне длины волны инфракрасного света. Было обнаружено, что пространственное распределение амплитуды соотношения Красный/Инфракрасный свет при одинаковой частотной составляющей будет равномерным на всем лице, и это знание установлено согласно данному варианту осуществления, чтобы усовершенствовать различение между шумом и реальным сигналом.
Преимущественно, упомянутый анализатор сконфигурирован для анализа отношения амплитуд сигналов двух различных диапазонов длин волн, в частности диапазона длины волны зеленого света и диапазона длины волны красного света. Было обнаружено, что пульсация сигналов данных в зеленом канале в несколько раз больше, чем в красном канале, и это знание установлено согласно данному варианту осуществления, чтобы улучшить различение между шумом и реальным сигналом.
Кроме того еще, в варианте осуществления упомянутый анализатор сконфигурирован для анализа максимального диапазона амплитуд сигналов одного или более сигналов данных в различных диапазонах длин волн и/или для анализа временной устойчивости амплитуд сигналов и/или отношений амплитуд сигналов одного или более сигналов данных в различных диапазонах длин волн. В зависимости от конкретного применения это может улучшить результат анализа.
В другом варианте осуществления упомянутый интерфейс сконфигурирован для получения потока данных, содержащих множество кадров изображений субъекта, полученных за период времени. Таким образом, как приведено выше, электромагнитное излучение представлено множеством кадров изображений, полученных средством формирования изображений, например камерой.
Предпочтительно, упомянутый интерфейс сконфигурирован для получения потока данных, содержащих множество кадров изображений, полученных с различной частотой смены кадров, и упомянутый анализатор сконфигурирован для выбора частотных составляющих сигналов данных для последующего анализа, независящего от частоты смены кадров. Таким образом, объясняется, что другие частотные составляющие были вызваны некоторым источником шума, например камерой, или частотой колебаний мерцающего освещения.
В то время, как настоящее изобретение в целом работает с сигналами данных, содержащими одиночный образец составляющей сигналов данных одиночной спектральной области (например, в спектральном диапазоне зеленого цвета), в варианте осуществления упомянутые сигналы данных содержат как минимум две составляющих сигналов данных, где первая компонента сигналов данных представляет первую спектральную область (в частности область видимого света), и где вторая составляющая сигналов данных представляет вторую индикативную спектральную область, в частности инфракрасную область. Эта идея использует факт того, что глубина проникновения излучения, которая зависит от поглощения в крови и поглощения в ткани, в основном также зависит от длины волны падающего излучения. Обычно, инфракрасный (или около-инфракрасный) и красный свет проникают глубже в ткани субъекта, нежели видимый свет, имеющий более короткую длину волны. Для примера, первая спектральная область может быть сформирована в виде полосы или субполосы в зеленой области видимого излучения.
Как упоминалось ранее, предлагаемая система содержит средство формирования изображений, в частности камеру, для дистанционного обнаружения электромагнитного излучения, отраженного от субъекта, в частности в одном или двух различных спектральных диапазонах. Средство формирования изображений, в частности, подходит для применения при дистанционном мониторинге. Средство формирования изображений может содержать один или более элементов визуализации. К примеру, средство формирования изображений может содержать матрицу фотодиодов или приборов с зарядовой связью. Согласно варианту осуществления, средство формирования изображений содержит как минимум две группы элементов визуализации, каждый из которых сконфигурирован для обнаружения одной из составляющих сигналов данных. Согласно другому варианту осуществления, средство формирования изображений может использовать единичную группу элементов визуализации, имеющих частотные характеристики, позволяющие обнаруживать компоненты сигналов данных. Средство формирования изображений может быть дополнительно сконфигурировано для получения ряда кадров изображений, альтернативно представляющих компоненты сигналов данных.
В другом предпочтительном варианте осуществления, предлагаемая система дополнительно содержит источник излучения, в частности источник света, для направления электромагнитного излучения к субъекту, к примеру в одном или двух различных спектральных диапазонах. Источник излучения может быть реализован с помощью источника широкополосного освещения и/или может использовать одну группу, или две, или даже более групп элементов излучения. Однако предлагаемая система не обязательно должна содержать источник излучения, а может использовать источники естественного излучения, которые не подключены к системе.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные в дальнейшем. На последующих чертежах.
Фиг. 1 представляет принципиальную схему системы, в которой используется устройство согласно предлагаемому изобретению.
Фиг. 2 представляет график, отображающий зависимость ФПГ пульсации от длины волны отраженного света.
Фиг. 3 представляет график амплитуд зеленого, красного и ИК (IR) цветов, иллюстрирует физиологические диапазоны ФПГ амплитуд в зеленом, красном и ИК цветах соответственно, и
Фиг. 4 показывает схему варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 представляет принципиальную схему системы 10, в которой используется устройство 30 согласно предлагаемому изобретению. Система 10 может использоваться для записи кадров изображений, представляющих удаленный субъект 12 или как минимум участок 14 (область исследования) субъекта 12 для дистанционного ФПГ слежения. Область исследования 14 содержит, для примера, участок лба, участок лица или, более общо, один или более участков поверхности кожи субъекта 12. Данные для записи, к примеру, серия кадров изображений, могут быть получены из электромагнитного 16 излучения, отраженного от субъекта 12. Возможно, при определенных условиях, по меньшей мере часть электромагнитного излучения может быть испущена или пропущена через себя субъектом 12. Передача излучения может возникнуть, когда субъект 12 просвечивается сильным источником освещения, светящим сквозь субъект 12. Испускание излучения может возникнуть, когда направляется и принимается инфракрасное излучение, вызванное тепловым излучением тела. Хотя при применении дистанционного ФПГ, большая часть принимаемого электромагнитного 16 излучения может рассматриваться как излучение, отраженное субъектом 12. Субъект 12 может быть человеком или животным, или, в общем, живым существом. Более того, субъект 12 можно рассматривать в виде части человека, показательной с точки зрения желаемого сигнала.
Источник излучения, такой как солнце 18а, искусственный источник излучения 18b, или комбинация нескольких источников излучения, влияют или воздействуют на субъект 12. Источники излучения 18а, 18b в основном испускают падающие излучения 20а, 20b, направляющиеся к субъекту 12. В дополнение, или альтернативно, система 10 может также включать или применять внутренний источник 22 электромагнитного излучения 24, который испускает и направляет падающее 24 излучение к субъекту 12 и который также может быть частью устройства 30 в альтернативном варианте осуществления. Внутренний 22 источник излучения 24 может быть сконфигурирован для направления излучения, имеющего определенные характеристики, к субъекту 12, в частности излучения, принадлежащего определенной спектральной области. Так как в соответствии с вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере две различные спектральные области регистрируются и обрабатывается, то согласно другому аспекту этого варианта воплощения предпочтительно, чтобы внутренний 22 источник электромагнитного 24 излучения «соответствовал» этим спектральным областям.
Для извлечения физиологической информации из зарегистрированных данных, к примеру, последовательности кадров изображений, излучение 16 из определенной части или участка субъекта 12, такого как область 14 исследования, распознается средством 28 формирования изображений. Средство 28 формирования изображений можно реализовать, для примера, с помощью средства оптического датчика, сконфигурированного для регистрации информации, относящейся к как минимум одной спектральной составляющей электромагнитного 16 излучения. В одном варианте осуществления, Средство 28 формирования изображений реализовано с помощью камеры или набора камер, таких как видео камера (то есть RGB камера). Средство 28 формирования изображений также может быть частью устройства 30 в альтернативном варианте осуществления.
Необходимо сказать, что устройство 30 можно также адаптировать для обработки входящих сигналов, а именно входного потока 26 данных, уже записанных заранее и, тем временем, помещенных на хранение или буферизованных. Как указано выше, электромагнитное 16 излучение может содержать непрерывный или дискретный сигнал, который может быть хорошим показателем как минимум одного показателя 26 жизнедеятельности, в контексте настоящего изобретения особенно частоты сердечных сокращений, интенсивности дыхания и/или насыщения крови кислородом.
Устройство 30 для определения показателя жизнедеятельности субъекта согласно настоящему изобретению содержит (входной) интерфейс 32 для получения потока 26 данных (от средства 28 формирования изображений или запоминающего устройства, или буфера), выведенных из обнаруженного электромагнитного 16 излучения, отраженного (включая испущенное или переданное излучение) от области 14 исследования, включающей участок поверхности кожи субъекта 12. Указанный поток 26 данных содержит сигнал данных с пикселя кожи для множества областей пикселей кожи одного или более пикселей кожи (предпочтительно для всех областей пикселей кожи или даже для всех отдельных пикселей кожи) указанной области исследования, где сигнал данных представляет обнаруженное электромагнитное 16 излучение, отраженное от соответствующей области пикселей кожи во времени.
Анализатор 34 предоставлен для проведения анализа пространственных и/или оптических свойств одного или более сигналов данных в одном или более диапазонах длин волн. Таким образом, информация о пространственных и/или оптических свойствах сигналов данных поставляется анализатором 34 как будет пояснено более подробно ниже.
Устройство 30 дополнительно содержит процессор 36 для определения сигнала информации о показателе жизнедеятельности субъекта, основываясь на сигналах данных областей пикселей кожи в пределах участка поверхности кожи, и постпроцессор 38 для определения желаемого показателя жизнедеятельности из упомянутого сигнала информации о показателе жизнедеятельности. Этот способ обработки сигналов данных общеизвестен в сфере дистанционной ФПГ и поэтому не будет объясняться детально здесь. Однако, в противоположность известным устройствам и способам, упомянутые пространственные и/или оптические свойства используются процессором для определения сигнала информации о показателе жизнедеятельности или постпроцессором для определения желаемого показателя жизнедеятельности.
Наконец, может быть предоставлен (выходной) интерфейс 40, к которому может подаваться установленный показатель 39 жизнедеятельности, и который подает выходные 41 данные для дальнейшего анализа и/или для отображения. Оба интерфейса 32, 40 можно объединить с помощью одного (в виде оборудования) соединителя.
В одном из вариантов осуществления, предусмотрен контроллер 42 для выборочного управления по меньшей мере средством 28 формирования изображений или источником 22 излучения.
Анализатор 34, процессор 36 и постпроцессор 38 (и, если предусмотрен, контроллер 42) могут быть реализованы в виде общего блока 50 обработки данных, который можно считать вычислительным устройством, или по меньшей мере, частью вычислительного устройства, управляемого соответствующими логическими командами (программным кодом) с тем, чтобы обеспечить желаемую обработку данных. Блок обработки 50 данных может содержать несколько составляющих или модулей, которые рассматриваются в последующем. Должно быть понятно, что каждая составляющая или модуль блока обработки данных может быть реализована виртуально или отдельно. К примеру, блок обработки 50 данных может содержать несколько процессоров, например многоядерных процессоров или одноядерных. Как минимум один процессор может использоваться блоком обработки данных. Каждый из этих процессоров может быть сконфигурирован как стандартный процессор (например, центральный процессор) или как специализированный процессор (например, графический процессор). Отсюда, блок обработки 50 данных может соответствующим образом управляться с тем, чтобы распределять несколько задач обработки данных соответствующим процессорам.
Блок обработки 50 данных так же как и интерфейсы 32, 40 может быть реализован в общем обрабатывающем устройстве или корпусе, в целом представляющем предлагаемое устройство 30. Средство 28 формирования изображений и источник 22 излучения- как правило внешние элементы, но также могут быть интегрированы в устройство 30, например, посредством общего корпуса с другими элементами устройства 30.
В последующем, будут пояснены детали настоящего изобретения и предпочитаемых вариантов осуществления.
Часто предполагается, что шумовые сигналы являются непериодическими сигналами и что показатели жизнедеятельности (например сердцебиение или дыхательное движение) являются исключительно периодическим сигналами. Это, однако, не всегда правда, и способ одного только поиска периодического сигнала не всегда приводит к надежному установлению показателя жизнедеятельности.
Предложенные устройство и способ более эффективны в отделении реального периодического сигнала информации о показателе жизнедеятельности (например, импульсного сигнала) от шумового сигнала со схожими временными характеристиками. Улучшение в добытом показателе жизнедеятельности, в частности, основано на анализе оптических и/или пространственных свойств сигнала дистанционной ФПГ, использованного для получения желаемого показателя жизнедеятельности.
В предпочтительном варианте осуществления средство 28 формирования изображений содержит камеру, имеющую по меньшей мере два канала цветности (например, красный и зеленый каналы RGB камеры), чтобы различать реальный ФПГ сигнал и другие повторяющиеся сигналы с частотными и амплитудными диапазонами, схожими с теми, что присущи ФПГ сигналу. Для различения реального импульсного сигнала и шумового сигнала может быть использован другой принцип. Пространственные свойства учитывают распределение ФПГ амплитуды в одной или более областях пикселей кожи. Оптические свойства учитывают отношение ФПГ амплитуд в каналах цветности в зависимости от длины волны, максимальный диапазон амплитуд ФПГ сигнала в различных каналах цветности и/или временную устойчивость амплитуд ФПГ сигналов в различных каналах цветности.
Пространственные свойства оцениваются, поскольку амплитуда ФПГ сигнала не одинакова в пределах лица человека. Хотя точный шаблон ФПГ визуализации (пространственная карта амплитуды ФПГ сигнала) разный для каждого человека, есть общие признаки, которые можно использовать, чтобы отличить ФПГ сигнал, полученный с лица, от шумового сигнала. К примеру, пульсация ФПГ в зеленом канале сильнее на лбу и немного слабее на щеках человека. В то же время, пространственное распределение амплитуды отношения красный/инфракрасный при одинаковой частоте будет одинаковым на всем лице. В обоих случаях, отображение зеленого ФПГ сигнала и/или ФПГ отображение красного/инфракрасного не будут совпадать с пространственным распределением градиента интенсивности. Другими словами, в случае, если АС/DC амплитуда повторяющегося сигнала одинаково пространственно распределена на лице, или сильно коррелирует с градиентом освещения, то наиболее вероятно, что данный сигнал вызван изменениями освещения или другими факторами, не относящимися к сердцебиению.
Оптические свойства оцениваются, поскольку ФПГ сигнал имеет различные нормированные амплитуды (пульсацию) в различных каналах цветности. Фиг. 2 представляет зависимость ФПГ пульсации от длины волны отраженного света. Было доказано, что пульсация ФПГ сигнала в зеленом канале (550-600 нм) в несколько раз больше, чем в красном канале (около 700 нм). Этот принцип использован в варианте осуществления для различения реального ФПГ сигнала от шумового сигнала, который должен иметь распределение амплитуд в каналах цветности, отличное от того, что показано на фиг. 2.
Повышается степень достоверности, что периодический сигнал, созданный сердечно-сосудистой активностью, будет получен благодаря выигрышу от двух дополнительных признаков. Во-первых, в варианте осуществления используется диапазон физиологических амплитуд для соответствующих диапазонов длин волн. Во-вторых, связь между красным и инфракрасным (ИК, IR) цветами обычно сильнее (более надежна), нежели связь между зеленым и одной из других длин волн, как показано на фиг. 3 для 247 записей в области лба 47 различных людей. И физиологический диапазон ФПГ амплитуд и их относительные мощности (и надежности) могут быть определены экспериментально.
Фиг. 3, в частности, представляет, что амплитуды зеленого, красного и ИК цветов иллюстрируют физиологические диапазоны ФПГ амплитуд (0,7-1,5%, 0,07-0,13% и 0,15–0,28%) в зеленом, красном и ИК цветах соответственно. Также показано, что связь между красным и ИК вполне устойчива (они отличаются множителем порядка 2.2) и также более надежна, нежели связь между зеленым и ИК, и поэтому должна иметь больший статистический вес при определении, является ли сигнал настоящим ФПГ сигналом или нет.
Относительные амплитуды для диапазонов длин волн могут немного отличаться для разных участков лица, например щеки, носа, лба и так далее. В варианте осуществления такие статистические различия также используются, чтобы повысить надежность.
На фиг. 4 изображена блок-схема, отображающая этапы типового варианта осуществления предложенного метода. Пример, поясненный со ссылкой на фиг. 4, предполагает наличие RGB и ИК каналов. Дополнительно предполагается, что применяется простая предобработка (не показано) в процессе получения временных AC/DC сигналов для нормализации изменений интенсивности естественного освещения.
На первом этапе S10 обнаруживается участок кожи лица. Обнаруженный участок кожи разделяется на пространственные блоки (S12) и определяются (S14) физиологические области для каждого блока (лоб, щека, нос, и т.д.) В случае перемещения участка лица применяется компенсация движения (не показано), чтобы отследить каждый пространственный блок. После этого осуществляется частотный анализ временных (AC/DC) сигналов внутри каждого блока. В частности, определяются (S16) основные частоты в спектре временного (ФПГ) сигнала для каждого канала цветности в каждом блоке, и выбираются (S18) частотные составляющие в пределах ожидаемой частоты сердечных сокращений (то есть 0.5 - 2 Гц). После этого итеративно анализируется каждая частотная составляющая.
При этом анализе амплитуды соответствующей частотной составляющей, исследуемой в соответствующей итерации, анализируются (S20) для каждого канала цветности в каждом блоке. Обычно осуществляется один или более видов анализа. При одном из них анализируется (S22, S24) отношение амплитуд в каналах цветности (предпочтительно зеленом и красном/инфракрасном) для данной конкретной частотной составляющей и сравнивается с ожидаемым распределением амплитуды ФПГ сигнала (S26). В другом из них (предпочтительно параллельно) анализируется (S28) пространственное распределение пульсации, соответствующей выбранной в данный момент частотной составляющей, и сравнивается (S30) с ожидаемым шаблоном ФПГ визуализации.
Если и распределение амплитуд между каналами цветности и пространственное распределение амплитуд коррелировано с шаблонами пространственного и амплитудного распределения ФПГ сигнала (S32), это интерпретируется так, что выбранная частота соответствует частоте сердечных сокращений. В ином случае, выбирается (S18) другая частотная составляющая из спектра полосы пропускания и выполняется другая итерация c шага S20 по шаг S23.
Таким образом, подводя итог вышесказанному, предоставлено устройство и способ для регистрации и анализа сигнала дистанционной фотоплетизмографии (R-PPG), использующий камеру с возможностью измерения временных сигналов (ФПГ сигналов) с участка кожи с длиной волн как минимум двух цветов, модуль для анализа пространственного распределения амплитуд временных сигналов в каждом канале цветности и модуль для анализа отношения амплитуд временных сигналов в каждом канале цветности . В варианте осуществления предусмотрен модуль для сравнения пространственного распределения амплитуд временных сигналов с определенным заранее пространственным шаблоном. В другом варианте осуществления предусмотрен модуль для сравнения отношения амплитуд одного временного сигнала в различных каналах цветности с определенным заранее шаблоном амплитудного распределения. В другом варианте осуществления предусмотрен модуль для анализа временной устойчивости отношения ФПГ амплитуд в красном и инфракрасном каналах в сравнении с отношением ФПГ амплитуд в красном и зеленом или инфракрасном и зеленом каналах. В другом варианте осуществления предусмотрен модуль для анализа пространственной однородности отношения ФПГ амплитуд в красном и инфракрасном каналах в сравнении с отношением ФПГ амплитуд в красном и зеленом каналах.
Для примера, настоящее изобретение можно применить в области здравоохранения, например ненавязчивого дистанционного мониторинга пациента, общего наблюдения, мониторинга безопасности и в так называемой среде формирования образа жизни, например для фитнес оборудования. Приложения могут включать мониторинг уровня насыщение кислородом (пульсовая оксиметрия), частоты сердечных сокращений, кровяного давления, минутного объема сердца, изменений в кровоснабжении, оценивание автономных функций, и обнаружение болезней периферических сосудов.
Несмотря на то, что изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в предшествующем описании, такие иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничительными; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты в отношении раскрытых вариантов осуществления могут быть предположены и реализованы специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения на практике, по изучению чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множественности. Одиночный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Простое обстоятельство, что определенные средства перечислены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не служит признаком того, что комбинация этих средств не может быть использована с выгодой.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический запоминающий носитель или твердотельный носитель, поставляемый вместе с или в качестве части других аппаратных средств, но также может распространяться в других формах, таких как через сеть Интернет или другие системы проводной или беспроводной дальней связи.
Как использовано здесь, слово «компьютер» обозначает большое многообразие обрабатывающих устройств. Другими словами, также мобильные устройства, имеющие значительные вычислительные возможности, могут называться вычислительным устройством, даже если они обеспечивают меньше вычислительных ресурсов, нежели стандартные настольные компьютеры. Более того, термин «компьютер» может также относиться к устройству распределенных вычислений, которое может привлекать или использовать вычислительную мощность, предоставленную в облачной среде.
Позиционные обозначения в формуле изобретения не должны истолковываться в качестве ограничивающих объем.