УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
DEVICE AND METHOD FOR VITAL SIGN MEASUREMENT OF A PERSON

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству и соответствующему способу для измерения основных показателей состояния организма человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В настоящее время имеется возможность удаленно измерять основные показатели состояния организма, такие как частота сердечных сокращений и частота дыхания. Дистанционная фотоплетизмография (RPPG) измеряет малые изменения яркости кожи с использованием отраженного окружающего света. Измерения дыхания основаны на детектировании движения и различиях между двумя кадрами изображения.
В лечебных средах с использованием окружающей среды (Ambient healing Environments)(AHE) пациенту представляют аудиовизуальную тему, способствующую релаксации, например до или в течение проведения МРТ или ПЭТ-КТ-сканирования. Дистанционный (на основе видеокамеры) контроль основных показателей состояния организма чувствителен к изменениям в окружающей среде, в особенности условиям окружающего освещения. В лечебных средах с использованием окружающей среды состояние среды полностью контролируется, демонстрируя успокаивающую тему (визуальную или аудиовизуальную) с использованием видеопроекций, световых эффектов и/или звуков.
В публикации WO 2009/153700 Al раскрыт способ контроля жизненно важного параметра состояния пациента путем измерения затухания света, излученного на ткань пациента. В частности, представлена схема модуляции для устранения помех от окружающего света.
В US 2009/0299675 Al раскрыты система и способ управления светоизлучающим устройством для оптического датчика на основе требований к качеству сигнала и/или потреблению энергии. Питающим током и/или временем интегрирования управляют в зависимости от детектированного окружающего света или качества сигнала. При снижении качества сигнала управляющий ток или время интегрирования могут регулироваться для обеспечения более пригодного сигнала. Этот способ, в частности, использован в пальцевом прищепочном датчике.
Однако в настоящее время отсутствует оборудование для дистанционного измерения основных показателей состояния организма в AHE, а также не существует связи между устройствами для дистанционного измерения основных показателей состояния организма и оборудованием с использованием окружающей среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства и соответствующего способа для измерения основных показателей состояния организма человека, позволяющих точно и надежно детектировать основные показатели состояния организма человека.
В первом аспекте настоящего изобретения представлено устройство для измерения основных показателей состояния организма человека, содержащее
- средство представления для представления человеку визуальной темы,
- осветительное средство для освещения области освещения, в которой располагается упомянутый человек, основные показатели состояния организма которого должны быть измерены,
- оптическое средство измерения для оптического детектирования сигналов оптического детектирования упомянутой области освещения,
- средство оценки для оценки упомянутых сигналов оптического детектирования и получения из них информации об основных показателях состояния организма,
- средство управления для управления упомянутым осветительным средством для освещения упомянутой области освещения, позволяющей детектирование сигнала оптического детектирования, из которого может быть получена информация об основных показателях состояния организма независимо от изменений визуальной темы.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ.
В еще одном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа, содержащая средство программного кода для выполнения компьютером этапов оценки сигналов оптического детектирования и получения из них информации об основных показателях состояния организма, а также управляющая упомянутым этапом освещения для освещения упомянутой области освещения, обеспечивающей детектирование сигналов оптического детектирования, из которых может быть получена информация об основных показателях состояния организма независимо от изменений визуальной темы, когда компьютерная программа выполняется на компьютере.
Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ и заявленная компьютерная программа имеют схожие и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, соответствующие заявленному устройству и соответствующим зависимым пунктам формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее объединения средства представления, например AHE, и средства измерения основных показателей состояния организма, а также управления упомянутой областью освещения так, чтобы гарантировать условия минимального освещения для измерений основных показателей состояния организма, даже если представление человеку визуальной темы изменяется. В этом смысле «условия освещения» можно понимать как условия в отношении излучения света средством освещения, включающие в себя условия в отношении цвета, текстуры, яркости, угла падения световых лучей и т.д. Одним или более параметрами, относящимися к управлению этими условиями, управляют согласно настоящему изобретению средством управления, например реализованным в контроллере или программируемом процессоре, входящим в состав предлагаемого устройства.
В одном варианте осуществления упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления упомянутым средством представления для обеспечения визуальной темы так, чтобы не препятствовать детектированию сигналов оптического детектирования, позволяющих получить из них информацию об основных показателях состояния организма, в частности для обеспечения визуальной темы, изменения которой происходят со скоростью за пределами диапазона детектирования сигналов оптического детектирования. Это, в частности, позволит избежать ситуации, при которой изменения световых эффектов визуальной темы вмешиваются в скорость изменения основных показателей состояния организма, таких как частота сердечных сокращений или частота дыхания, что привело бы к снижению точности измерений.
В другом варианте осуществления упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления упомянутым осветительным средством и/или упомянутым средством представления на основе обратной связи от упомянутого средства оценки. Таким образом, на основе обратной связи можно соответствующим образом влиять на освещение и/или представление визуальной темы, например, в случае снижения точности измерения повторно увеличить точность путем обеспечения улучшенных условий освещения для требуемых измерений основных показателей состояния организма.
Предпочтительно упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления упомянутым осветительным средством и/или упомянутым средством представления на основе индикатора качества, показывающего качество информации об основных показателях состояния организма, и/или получения упомянутой информации об основных показателях состояния организма из упомянутых сигналов оптического детектирования.
В одном варианте осуществления предложенное устройство содержит устройство дистанционной фотоплетизмографии (RPPG), включающее в себя упомянутое средство оптического детектирования и упомянутое средство оценки, при этом упомянутое средство оценки выполнено с возможностью получения сигнала PPG (фотоплетизмографии) в качестве упомянутой информации об основных показателях состояния организма из упомянутых сигналов оптического детектирования. Использование RPPG, в общем, известно. Такой способ замеров изменений цвета кожи описан в работе Wim Verkruysse, Lars O.Svaasand, J. Stuart Nelson, «Remote plethysmographic imaging using ambient light», Optics Express, Vol. 16, No. 26, December 2008. Он основан на представлениях о том, что временные изменения объема крови в коже приводят к изменениям поглощения света кожей. Такие изменения могут регистрироваться видеокамерой, получающей изображения некоторой области кожи, например лица, при этом выполняется расчет среднего количества пикселей на выбираемом вручную участке (обычно части щеки в данной системе). Анализируя периодические изменения данного усредненного сигнала, можно извлечь информацию о частоте сердечных сокращений и частоте дыхания. Такое RPPG-устройство может использоваться в устройстве по настоящему изобретению для измерения основных показателей состояния организма.
Обнаружено, что амплитуда RPPG-сигналов имеет наибольшую величину в зеленом и инфракрасном диапазонах длин волн. В этой связи в другом варианте осуществления предложено использовать второй цветовой канал в качестве опорного сигнала, где отсутствует влияние со стороны PPG (длин волн голубой и красной частей спектра). Средство освещения далее предпочтительно выполнено с возможностью обеспечения того, чтобы область освещения постоянно освещалась соответствующим набором длин волн. Помимо этого, световые эффекты не должны изменяться в ритме сердечных сокращений.
Амплитуда RPPG обычно определяется спектром поглощения (ди)оксигемоглобина. Оптимальные длины волн известны, например, из результатов измерений пальцевого прищепочного датчика.
В то время как в одном варианте осуществления область освещения освещается постоянно, в другом варианте осуществления упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления упомянутым осветительным средством и упомянутым средством представления для переменного освещения упомянутой области освещения и представления упомянутой визуальной темы, а также управления упомянутым средством оптического детектирования для детектирования сигналов оптического детектирования, только когда упомянутая область освещения освещена. Таким образом, можно оптимизировать освещение для детектирования сигнала оптического детектирования для оптимального измерения основных показателей состояния организма.
Кроме того, упомянутое средство управления предпочтительно выполнено с возможностью управления процентным отношением времени, в течение которого осветительное средство освещает упомянутую область освещения, а упомянутое средство оптического детектирования детектирует сигналы оптического детектирования. Это особо предпочтительно, если свет освещения и визуальная тема «конфликтуют», например, приводя к плохому визуальному восприятию для пользователя, при этом интервал времени, в течение которого осветительное средство освещает область освещения, минимизируется.
Упомянутое средство управления предпочтительно выполнено с возможностью управления упомянутым осветительным средством для компенсации изменений освещения представлением визуальной темы, в частности изменений яркости и/или цвета. Таким образом, освещение, в частности яркость и цвет, могут изменяться так, что, несмотря на потенциально отрицательные изменения яркости и цвета визуальной темы, измерение основных показателей состояния организма по-прежнему возможно с достаточной точностью.
В другом варианте осуществления упомянутое средство оценки выполнено с возможностью получения частоты дыхания и/или глубины дыхания упомянутого человека из упомянутых сигналов оптического детектирования.
Дыхание обычно детектируется с использованием малых покадровых изменений в последовательности видеокадров. Для детектирования таких малых изменений объект должен обладать некоторым поверхностным контрастом. Таким образом, предлагается, чтобы осветительное средство обеспечивало существование достаточного контраста. Контраст может создаваться, например, путем регулировки угла падения света. Даже на равномерно окрашенной поверхности (например, покрывале) появятся легкие тени, если точечный источник освещает поверхность под углом.
В еще одном варианте осуществления предложенное устройство дополнительно содержит средство коррекции для коррекции упомянутых сигналов оптического детектирования с целью внесения поправки на изменения визуальной темы, в частности по всей области освещения или ее подобластям. Таким образом, в частности, изменения цвета и/или яркости визуальной темы корректируются по всему изображению, областям изображения или даже по пикселям. Кроме того, предпочтительно корректируется прямой свет (например, от визуальной темы) и непрямой свет (от окружающей среды или отражений визуальной темы).
Упомянутое средство представления предпочтительно включает в себя лечебное оборудование с использованием окружающей среды для представления человеку аудиовизуальных тем. Такое лечебное оборудование с использованием окружающей среды, например, используемое в лечебных средах с использованием окружающей среды (AHE), в общем, известно и, например, описано в работе «Ambient Experience helps soothe patients for successful scans», FieldStrength, опубликованной заявителем в выпуске 42 в декабре 2010 г. Такое лечебное оборудование с использованием окружающей среды, например, может содержать осветительные элементы и/или дисплеи, способные создавать у пациента различные зрительные ощущения, например, полностью окрашивая одну или несколько стен помещения и/или путем воспроизведения картин или текстур на одной или нескольких стенах или экранах.
Осветительное средство может включать в себя точечный источник света, в частности СИД, для излучения света видимого или инфракрасного диапазона. В сравнении с использованием источника рассеянного света это позволяет обеспечивать резко очерченные тени для повышения точности измерений частоты дыхания и/или глубины дыхания, о чем говорилось выше. Когда человек совершает дыхательные движения, любые тени и текстура поверхности на принимаемых изображениях изменяются, т.е. представляют собой сигналы оптического детектирования. Эти изменения далее используются для измерения основных показателей состояния организма.
В одном варианте осуществления упомянутое осветительное средство включает в себя, по меньшей мере, два источника света для раздельного освещения подобластей освещения упомянутой области освещения, при этом упомянутое средство управления выполнено с возможностью индивидуального управления упомянутыми, по меньшей мере, двумя источниками света, при этом управление источником света осуществляется только тогда, когда человек присутствует в соответствующей подобласти освещения. Для этого могут использоваться RPPG-сигнал, сигнал дыхания и/или любой другой сигнал детектирования, например детектирования движения с применением известного детектора движения (например, датчика перемещений).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из описанных ниже вариантов осуществления. На  Фиг.1 показана блок-схема одного варианта осуществления с различными вариантами устройства по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 показана блок-схема одного варианта осуществления предложенного устройства 1 для измерения основных показателей состояния организма человека 2 согласно настоящему изобретению. На Фиг.1 конкретно показан вариант осуществления с принципиально важными элементами, но также отражены дополнительные варианты с различными возможными элементами, как будет показано ниже. Неотъемлемые и дополнительные элементы, в общем, могут произвольным образом комбинироваться в ряде различных вариантов осуществления.
Устройство 1 содержит средство 10 представления для представления человеку 2 визуальной или аудиовизуальной темы 20. Средство 10 представления может быть частью лечебных сред с использованием окружающей среды (AHE), для представления людям визуальных или аудиовизуальных тем 20 и может, например, включать в себя аппаратуру для видеопроекции или проецирования изображений, телевизор либо мультимедийный проектор.
Кроме того, устройство 1 содержит осветительное средство 11 для освещения области 3 освещения, в которой находится упомянутый человек 2, основные показатели состояния организма которого измеряются, т.е. для направления осветительного сигнала 21 (например, видимого света и инфракрасного света) к человеку 2. Осветительное средство 11 может включать в себя, например, один или более управляемых осветительных блоков, например один или более СИД или блоков СИД.
Для оптического детектирования сигналов 23 оптического детектирования из упомянутой области 3 освещения устройство 1 содержит оптическое средство 12 измерения, включающее в себя, например, один или более фотодиодов, датчик изображений, видеокамеру, для измерения светового излучения 22 из упомянутой области 3 освещения, из которого генерируются сигналы 23 оптического детектирования.
Детектированные сигналы 23 оптического детектирования оцениваются средством 13 оценки, из которого получают требуемую информацию 24 об основных показателях состояния организма. Средство 13 оценки может включать в себя, например, блок оценки, обычно предусмотренный в RPPG-устройстве, с помощью которого сигналы сердцебиения человека могут быть получены из сигналов оптического детектирования, в частности видеоизображений кожи (например, щек) человека.
Для управления упомянутым осветительным средством 11 посредством линии 30 управления для освещения упомянутой области 3 освещения, позволяющей детектировать сигналы 23 оптического детектирования, из которых можно получить требуемую информацию 24 об основных показателях состояния организма независимо от изменений визуальной темы 20, предусмотрено средство 14 управления. Упомянутое средство 14 управления может быть реализовано с помощью специализированного контроллера или процессора, запрограммированного соответствующим образом. Кроме того, средство 13 оценки также может быть реализовано с помощью запрограммированного процессора, либо отдельного, либо встроенного в средство 14 управления.
В одном варианте осуществления упомянутое осветительное средство 11 обеспечивает постоянное освещение области 3 освещения (называемой также областью измерения), например стола для пациента, вне зависимости от установки темы. Постоянный свет осветительного средства 11 может находиться в инфракрасном диапазоне длин волн, так что оно не создает помех зрительным стимулам.
В качестве альтернативы, свет, по меньшей мере, в области 3 освещения быстро изменяется (например, с частотой 100 Гц) между установкой, оптимизированной для измерений, и дополнительной установкой, добавляющей цвета темы. Например, если для измерения требуется только свет зеленой части спектра, а тема требует использование ахроматического света, световое излучение будет изменяться между зеленым и пурпурным. Зрительно человек не почувствует или почти не почувствует разницы. Однако измерительная система (т.е. средство оптического детектирования), синхронизированная со световым излучением, легко различит эти установки.
В случае если между измерением и условиями темы возникают противоречия, визуальное воздействие можно минимизировать путем проведения измерений лишь в течение малого процентного отношения времени (например, 10% рабочего цикла), т.е. средство 10 представления и осветительное средство 11 будут соответствующим образом управляться средством 14 управления.
2
Устройство 1 может циклически проходить через множество установок для измерений (например, одно - для частоты сердечных сокращений, второе - для частоты дыхания (SpO)) вдобавок к визуальным темам.
В одном варианте осуществления сигналы 23 оптического детектирования, например видеоизображение, представленное в средство 13 оценки, т.е. детектирования основных показателей состояния организма, компенсируются с учетом изменений освещения от средства 10 представления. Яркость и цвет видеоизображения корректируются с учетом прямого и/или непрямого освещения (отражений) от окружающей темы, предпочтительно как прямого, так и непрямого освещения. Это может быть реализовано, например, в средстве 130 коррекции (дополнительном), которое предпочтительно входит в состав средства 13 оценки.
Может выполняться единая коррекция для всего изображения либо коррекция по области изображения и даже по пикселю. Коэффициенты коррекции могут быть предварительно вычислены при установке AHE-системы посредством так называемой «калибровки в темной комнате», при которой вклад каждого источника света измеряется индивидуально.
Если тема состоит из заданного содержимого, световые эффекты могут быть записаны, а затем воспроизведены синхронно с темой.
В одном варианте осуществления предпочтительно (аудио)визуальные темы выполнены с возможностью изменения (предпочтительно в режиме офлайн) со скоростью, лежащей за пределами диапазона измерений основных показателей состояния организма, предпочтительно значительно медленнее. Это позволяет средству 13 оценки отфильтровывать любые изменения, связанные с содержимым тем.
Источник рассеянного света, используемый в качестве средства 11 освещения, может обеспечивать недостаточный контраст (тени) для измерения параметров дыхания. Следовательно, в одном варианте осуществления в устройстве 1 используется точечный источник освещения для обеспечения четко обозначенных теней. Точечный источник предпочтительно представляет собой СИД, работающий в инфракрасном диапазоне.
В определенных помещениях в больнице (например, в помещении для проведения ПЭТ и больничной палате) пациентов накрывают покрывалом, чтобы поддерживать постоянную температуру тела. Однако покрывало может мешать измерению параметров дыхания. Чтобы помочь провести измерения, можно использовать покрывала, имеющие видимый контур, способствующий измерению параметров дыхания. В сочетании с измерительной видеокамерой, работающей в инфракрасном диапазоне, контур можно детектировать только в инфракрасной области спектра.
В одном варианте осуществления (аудио)визуальная тема адаптирована с использованием обратной связи по результатам измерений основных показателей состояния организма человека, т.е. в качестве опции имеется контур 31 обратной связи между средством 13 оценки и средством 14 управления, который соответствующим образом управляет средством 10 представления посредством дополнительной линии 32 управления, так что тема не создает помех измерениям. Например, изменения световых эффектов можно ускорить или замедлить до скорости, не совпадающей с частотой сердечных сокращений и частотой дыхания соответственно.
Кроме того, показатели качества измерений, такие как соотношение «сигнал-шум», сформированные средством 12 измерения или средством 13 оценки и поступающие на средство 14 управления по контуру 31 обратной связи или контуру 33 обратной связи, могут использоваться средством 14 управления через линию 32 управления для изменения темы, например, приглушая свет лишь до уровня, при котором качество измерений будет достаточно высоким. Это позволяет избежать проблем измерения, например для темнокожих пациентов, у которых амплитуда RPPG-сигнала низка.
В одном варианте осуществления предпочтительно осветительное средство 11 включает в себя множество (по меньшей мере, два) источников 110, 111 света, обеспечивающих постоянный или переменный свет (как описано выше) в нескольких подобластях 3a, 3b освещения. Однако установка света в подобластях 3a, 3b освещения адаптируются только тогда, когда человек (т.е. основной показатель состояния организма) присутствует в этой подобласти 3a, 3b освещения. Детектирование человека в подобласти 3a, 3b освещения может основываться на упорядоченном запросе информации 24 об основных показателях состояния организма, например RPPG-сигнала или сигнала дыхания (например, один раз в минуту), и/или выполняться с помощью другого (дополнительного) средства 15 детектирования, такого как средство детектирования движений.
В одном варианте осуществления устройство 1 содержит сигнальный блок 16 для подачи визуального и/или звукового сигнала предупреждения медицинскому персоналу, если присутствие в области 3 освещения обнаружено, но в течение заданного интервала времени не удается измерить основные показатели состояния организма. Это указывает либо на проблему измерительного характера (например, отсутствует визуальный доступ к коже, что приводит к отсутствию RPPG-сигнала), либо на проблему, связанную с состоянием пациента (например, возникновение апноэ или остановку сердца).
Настоящее изобретение может быть реализовано в различных устройствах и способах, включая, в частности, лечебные среды с использованием окружающей среды (например, для проведения МРТ или ПЭТ/КТ), внешние среды для релаксации в домашних условиях, контроль состояния пациента, измерения основных показателей состояния организма (например, при проведении гимнастики), системы обеспечения безопасности (например, связанные со светом) и т.д.
Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в приведенном выше описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать как приведенные в качестве примера и не носящие ограничительного характера; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. В дополнение к раскрытым вариантам осуществления специалисты в данной области техники смогут предложить другие варианты на основе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а термин в единственном числе не исключает множественного числа. Один элемент или другой блок могут выполнять функции нескольких объектов, приведенных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные мероприятия изложены во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мероприятий не может быть использовано с выгодой.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе для постоянного хранения данных, таком как оптический носитель информации и/или твердотельный носитель, поставляемом совместно с аппаратным обеспечением или в качестве его части, но может также распределяться в других формах, например через Интернет или посредством других проводных или беспроводных телекоммуникационных систем.