СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАМЕРЫ
SYSTEM FOR MEASURING VITAL ACTIVITY INDICATORS USING CAMERA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе, устройству, способу и компьютерной программе для определения показателя жизнедеятельности субъекта, в частности частоты дыхательных движений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Показатели жизнедеятельности человека, например частоты сердечных сокращений (ЧСС) или частоты дыхательных движений (ЧДД), могут служить мощным прогностическим фактором серьезных медицинских событий. По этой причине, частота дыхательных движений часто контролируется онлайн в отделениях интенсивной терапии или при ежедневных выборочных проверках в общей палате больницы. Неинвазивное измерение частоты дыхательных движений может осуществляться визуально с помощью стационарной видеокамеры.
Видеокамера фиксирует дыхательные движения грудной клетки пациента в потоке изображений. Дыхательные движения приводят к временной модуляции определенных элементов изображения, где частота модуляции соответствует частоте дыхательных движений. Примерами таких элементов изображения являются средняя амплитуда в области пространства, представляющей интерес, (ROI) вокруг грудной клетки пациента, или местоположение максимума пространственной взаимной корреляции ROI в последующих изображениях. Качество и надежность полученной информации о показателе жизнедеятельности во многом зависит от качества входных видеоданных, в частности, контрастности изображения и соответствующего выбора ROI. В частности, выбор вручную ROI является трудоемким. Кроме того, движения пациента, которые не связаны с показателями жизнедеятельности влияют на измерение.
В патенте США 2007/0076935 А1 раскрывается оптическая система для мониторинга активности дыхания субъекта, включающая в себя камеру, маркер, вычислительное устройство для вычисления положения маркера и передающее устройство для передачи предупредительного сигнала. Маркер или блок маркера с несколькими маркерами может быть размещен на грудной клетке пациента. Маркеры предпочтительно используются вместо опознавательных точек тела, так как они могут быть обнаружены и отслежены более точно с помощью видеоизображения, генерируемого камерой. Благодаря отражающим или светоотражающим свойствам маркеры могут обеспечить большую контрастность изображения. Система может воспроизводить характер дыхания посредством отслеживания перемещения маркера. Вычислительное устройство может анализировать характер дыхания и определять нарушения.
EP 2380493 A1 раскрывается устройство обнаружения дыхательного движения для обнаружения дыхательного движения человека. Осветительное устройство освещает человека с использованием шаблона освещения, и детектор обнаруживает шаблон освещения на человеке в динамике по времени. Шаблон освещения значительно деформируется при небольших движениях человека. Эта деформация анализируется в динамике по времени для того, чтобы определить, дыхательные движения человека. Площадь проецирования шаблона должна быть отрегулирована на пациенте, предпочтительно на груди пациента. Описанное устройство повышает надежность измерения частоты дыхательных движений за дополнительную стоимость блока управляемого освещения для проецирования шаблона.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить систему, устройство и способ для более точных и надежных измерений показателей жизнедеятельности при пониженной стоимости системы.
В первом аспекте настоящего изобретения, представляется система для определения показателя жизнедеятельности субъекта, которая содержит блок формирования изображений для получения видеоданных субъекта, маркер, прикрепленный к телу субъекта, причем маркер содержит машинно-считываемый графический шаблон, причем графический шаблон содержит кодированные данные, блок обработки изображений для обнаружения указанного маркера в указанных видеоданных и для определения указанных кодированных данных из указанного графического шаблона, и блок анализа, выполненный с возможностью извлечения в зависимости от кодированных данных параметра показателя жизнедеятельности, связанного с показателем жизнедеятельности субъекта, из указанных видеоданных и определения показателя жизнедеятельности из указанного параметра показателя жизнедеятельности.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлено устройство для определения показателя жизнедеятельности субъекта, которое содержит блок формирования изображений для получения видеоданных субъекта, блок обработки изображений для обнаружения маркера в указанных видеоданных, причем указанный маркер прикрепляется к телу субъекта, причем маркер содержит машинно-считываемый графический шаблон, причем графический шаблон содержит кодированные данные и для определения указанных кодированных данных из указанного графического шаблона, и блок анализа, выполненный с возможностью извлечения в зависимости от кодированных данных параметра показателя жизнедеятельности, связанного с показателем жизнедеятельности субъекта, из указанных видеоданных и определения показателя жизнедеятельности из указанного параметра показателя жизнедеятельности.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ определения показателя жизнедеятельности субъекта, который включает в себя этапы прикрепления маркера к телу субъекта, маркер содержит машинно-считываемый графический шаблон, причем графический шаблон содержит кодированные данные, получения видеоданных субъекта, обнаружения указанного маркера в указанных видеоданных и определения указанных кодированных данных из указанного графического шаблона, извлечения в зависимости от кодированных данных параметра показателя жизнедеятельности, связанного с показателем жизнедеятельности субъекта из указанных видеоданных и определения показателя жизнедеятельности из указанного параметра показателя жизнедеятельности.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается компьютерная программа, которая содержит средства программного кода для того, чтобы предписать компьютеру выполнять этапы способа для определения показателя жизнедеятельности субъекта, когда указанная компьютерная программа, как выполнятся на компьютере.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Нужно понимать, что заявляемое устройство, способы и компьютерная программа имеют подобные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как и заявленная система и как они определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Термин «показатель жизнедеятельности», как применяют в настоящем документе, относится к физиологическим параметрам субъекта. В частности, термин «показатель жизнедеятельности» включает в себя частоту сердечных сокращений (ЧСС), частоту дыхательных движений (RR), температуру тела, кровяное давление, концентрацию вещества в крови и/или тканях, такую как насыщение кислородом или уровень глюкозы.
Известные системы могут быть сгруппированы в пассивные системы без управляемого освещения и активные системы, такие как в ЕР 2380493 A1, с источником управляемого освещения для проецирования шаблона.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что пассивные системы, в соответствии с известным уровнем техники, не приводят к надежным измерениям показателей жизнедеятельности. В частности, произвольные движения пациента, т.е. движения, которые не связаны с показателями жизнедеятельности, вызывают изменения в изображении вида, которые могут быть неверно истолкованы как патологическое состояние пациента. Кроме того, известные системы показывают ограниченное качество выполнения измерений при низкой контрастности изображений, т.е. при измерении пациента под одноцветным одеялом или при низких уровнях освещенности.
Кроме того известные системы только оценивают движение в двумерном изображении или видеопотоке. Таким образом, дыхательное движение значительной амплитуды, которое происходит преимущественно в направлении движения, перпендикулярного плоскости изображения, может быть неверно истолковано как поверхностное дыхание. Другими словами, только направления движения в плоскости изображения дают надежные данные измерения со значительной амплитудой.
Маркер по настоящему изобретению включает в себя графический шаблон. Этот графический шаблон позволяет системе определять ориентацию и/или местонахождение маркера. Эту ориентацию можно использовать для передачи двумерных видеоданных в трехмерное движение маркера. Таким образом, маленькая амплитуда в плоскости изображения может быть реконструирована до своей фактической амплитуды в трехмерном пространстве пациента. Это значительно повышает качество выполнения измерений и снижает количество ложных сигналов тревоги о проблеме с дыханием, которые предупреждают врача об опасности.
Маркер по настоящему изобретению можно использовать в измерениях показателей жизнедеятельности непосредственно или косвенно. Во-первых, маркер непосредственно определяет представляющую интерес область, подлежащую измерению. Для измерений дыхания, движение самого маркера может быть оценено непосредственно. Например, маркер находится на грудной клетке пациента. Дыхательное движение грудной клетки (и маркер) напрямую отслеживается для того, чтобы определять частоту дыхательных движений. Альтернативно, для измерения частоты сердечных сокращений, оценивается изменение цвета в динамике по времени кожи на маркере.
Во-вторых, маркер можно использовать непрямо в качестве индикатора, который указывает представляющую интерес область (ROI), которая подлежит оценке. Например, маркер помещается на предплечье пациента рядом с грудной клеткой. В этом примере, маркер существенно не двигается. Однако ROI находится в известном положении по отношению к маркеру. Таким образом, ориентация и положение маркера указывают, какие области изображения должны быть оценены для определения показателей жизнедеятельности. Более того, ориентацию и расположение ROI можно оценить для того, чтобы проецировать измеренную амплитуду показателя жизнедеятельности, связанного с движением, в двумерной плоскости изображения в трехмерное пространство. Это знание о фактическом направлении движения и амплитуды показатель жизнедеятельности также позволяет определить надежную метрику измеряемого показателя жизнедеятельности.
Активные системы, такие как EP 2380493 A1, способны давать надежные результаты измерений, однако, за дополнительные затраты на создание блока управляемого освещения для проецирования шаблона. Система согласно настоящему изобретению представляет собой пассивную систему, которая является менее дорогостоящей, поскольку она не требует блока управляемого освещения. Кроме того уменьшается сложность системы, что помогает обслуживанию.
Маркер содержит графический шаблон, выполненный с возможностью быть обнаруженным с помощью блока обработки изображений в видеоданных. Предпочтительно, маркер представляет собой графический шаблон высокой контрастности изображения, например, черно-белый шаблон. Альтернативно, графический шаблон включает в себя различные цвета, которые можно отчетливо различать. Выгодно, чтобы графический шаблон оптимизировался так, чтобы быть машиночитаемым, таким как штрихкод, матричный штрихкод, буквенно-цифровые символы или двумерный штрихкод или тому подобное. Выгодно, чтобы использовался графический шаблон, который оптимизирован для обнаружения. Для блока обработки изображений легче обнаружить определенный графический шаблон на наблюдаемой зоне, отображаемой видеокамерой, чем сделать обоснованное решение, на какой представляющей интерес области находится оптимальная площадка для проведения измерений.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения, указанный параметр показателя жизнедеятельности является дыхательным движением, и определенный показатель жизнедеятельности является частотой дыхательных движений.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, указанным параметром показателя жизнедеятельности является изменение во времени цвета кожи, и определенный показатель жизнедеятельности является ЧСС или пульсом. Цвет кожи включает в себя яркость и спектр. Для определения частоты сердечных сокращений или пульса, достаточно оценить изменения во времени яркости. Необязательно, оцениваются яркости нескольких спектральных составляющих, например, RGB (красный, зеленый, синий) каналы камеры для цветной съемки. Цвет кожи, который анализируется, не ограничивается видимой областью спектра. Несколько спектральных составляющих, в том числе инфракрасная, могут быть оценены для того, чтобы определить дополнительные значения, такие как насыщение крови кислородом или уровень глюкозы. В основном спектральная оценка делает возможным дистанционное измерение концентрации вещества в крови и/или тканях.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, маркер дополнительно содержит индикатор ориентации для указания ориентации маркера. Индикатор ориентации может быть частью графического шаблона или отдельным элементом на маркере. В стационаре, маркер, как правило, прикрепляется к телу пациента медсестрой или другим медицинским персоналом. В одном примере, индикатор ориентации указывает, как маркер должен быть прикреплен к телу субъекта. Это важно, потому что тогда блок формирования изображений может быть выполнен с возможностью измерения движений в определенных направлениях по отношению к пациенту и/или маркеру.
Движения дыхания идеально измеряются перпендикулярно к поверхности грудной клетки. Индикатор ориентации может, например, быть реализован в виде пиктограммы или стрелки. Альтернативно, ориентацию и/или расположение маркера можно определить из графического шаблона, например, предоставляя машиночитаемый шаблон, позволяющий осуществить определение местоположения и/или ориентацию маркера в видеоданных посредством блока обработки изображений.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения маркер выполнен в виде, по существу, плоской поверхности. В частности, маркер представляет собой, по существу, двумерный объект. Например, маркер с графическим шаблоном и индикатор ориентации могут быть напечатаны на типичном экземпляре «коврика для мыши», который может быть помещен на грудную клетку пациента. Альтернативно, маркер может быть напечатан на листе бумаги. Тонкий, по существу двумерный маркер, конечно, может адаптироваться к форме предмета, на котором он размещен. Например, маркер может соответствовать кривизне грудной клетки пациента. Это делает возможным индивидуальные маркеры с очень низкой стоимости.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, маркер располагается на ткани, которая выполнена с возможностью контактировать с субъектом или с предметом, предпочтительно медицинским предметом, который выполнен с возможностью контактировать с субъектом. Маркер может быть напечатан поверх или вплетен в одеяло, простыню, футболку, ползунки, или одежду или аналогичные предметы. Отслеживание маркера, напечатанного на одеяле, создает возможность для близкого постоянного контроля субъекта пока он в постели.
Альтернативно, маркер располагается на предмете, который выполнен с возможностью контактировать с субъектом. Вообще можно использовать любой предмет, который имеет фиксированное или, по меньшей мере, относительно фиксированное положение по отношению к представляющей интерес области субъекта, которая подлежит оценке. Примеры включают в себя в качестве неограничивающих примеров любой тип крепежа, который носится пациентом, кровать, гипсовая повязка или медицинское измерительное оборудование. Графический шаблон также может быть нарисован вручную, отштампован или напечатан на поверхности, представляющей интерес, в том числе коже пациента.
В целях повышения эффективности рабочего процесса, маркер, содержащий графический шаблон можно добавить к другим предметам, которые уже используются в лечении пациента, таким как больничная рубашка или манжета для измерения кровяного давления.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, маркер, по меньшей мере, частично покрывает представляющую интерес область тела субъекта, которая подходит для получения показателя жизнедеятельности.
В качестве примера, маркер помещается на грудную клетку пациента. Таким образом, маркер охватывает область тела, которая движется вверх и вниз в течение дыхательного цикла. В качестве дополнительного примера, маркер помещается на лбу пациента для того, чтобы определить частоту сердечных сокращений из изменения цвета кожи около маркера. Можно использовать, по меньшей мере, частично прозрачный маркер или маркер с отверстиями для того, чтобы получать изображение голой кожи под маркером. Оцениваемая область в видеоданных также может быть выбрана больше или меньше, чем размер маркера.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, маркер располагается на грудной клетке субъекта или прилегает к ней. Если он установлен непосредственно на грудной клетке субъекта, движение маркера может быть оценено непосредственно. Альтернативно, маркер располагается рядом с грудной клеткой, как например, на манжете для измерения кровяного давления или другом предмете, несущем указанный маркер. В этом случае, маркер обнаруживается в видеоданных для того, чтобы определить положение предмета, несущего маркер. Затем представляющая интерес область (ROI) для извлечения параметров показателей жизнедеятельности выбирается по отношению к положению маркера.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, блок анализа калибруется с использованием местоположения и/или ориентации маркера, прикрепленного к телу субъекта. Видеоданные, полученные блоком формирования изображений, представляет собой серию двумерных изображений. Маркер, содержащий графический шаблон, отображается этим блоком формирования изображений. Другими словами, графический шаблон является известным двумерным элементом, который проецируется на плоскость изображения. Блок анализа теперь может определить ориентацию и/или местоположение маркера в трехмерном пространстве объекта, т.е. в пространстве перед камерой, на основании известного графического шаблона маркера и проецируемого изображения. Например, блок формирования изображений ориентируется под углом 45° по отношению к направлению дыхательного движения пациента. Направление дыхания определяется как направление движения, по существу перпендикулярного к грудной клетке пациента, которое возникает во время вдоха или выдоха. Блок анализа может определить этот угол из проекции маркера в видеоданных изображения. Таким образом, спроектированное движение грудной клетки на 4 см под углом 45° соответствует действительному движению на 5,6 см в направлении дыхания. Вообще, некоторые конкретные особенности изображения могут иметь диаграмму направленности, например они могут давать максимальную амплитуду сигнала для движения в определенном направлении в пространстве, которое может быть выбрано в соответствии с преобладающими компонентами движения. Блок анализа дополнительно может быть выполнен с возможностью коррекции деформации маркера, например, искривления гибкого маркера при размещении на грудной клетке пациента. Альтернативно используется жесткий маркер.
Ориентация и/или расположение маркера может еще помочь определить относительное положение, которое подлежит оценке, для измерения показателя жизнедеятельности. Ориентацию и/или расположение маркера можно использовать для определения того, где в видеоданных можно ожидать параметр показателя жизнедеятельности. В первом примере, маркер помещается на манжету для измерения кровяного давления, которая крепится к руке пациента. Во время измерения кровяного давления рука пациента, как правило, располагается рядом с грудной клеткой. Блок обработки изображений обнаруживает указанный маркер в видеоданных и определяет грудную клетку, как представляющую интерес область для оценки показателя жизнедеятельности, как положение по отношению к расположению и ориентации маркера. Частота дыхательных движений в этом случае определяется из дыхательного движения ROI. Альтернативно, положение лица пациента можно оценить из положения и/или ориентации маркера на манжете для измерения кровяного давления. Изменение цвета кожи лица во времени может быть оценено для того, чтобы определить частоту сердечных сокращений пациента.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, блок обработки изображений выполнен с возможностью определения метрики качества измерений. Система обеспечивает медсестру обратной связью относительно того, как хорошо располагаются маркер и камера. В частности, ориентацию и/или расположение маркера по отношению к блоку формирования изображений можно использовать в качестве обратной связи с медсестрой для того, чтобы регулировать положение блока формирования изображений для оптимального качества сигнала измерения. Например, направление дыхательного движения должно включать в себя, по меньшей мере, компонент движения, перпендикулярный к плоскости изображения.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, маркер дополнительно содержит кодированные данные. При бесконтактных измерениях нет физической связи между измерительной системой и субъектом, который подлежит контролю. Однако для системы контроля крайне важно следить за тем, чтобы информация, собранная с помощью системы измерения правильно приписаны контролируемому субъекту. Поэтому кодированные данные могут включать в себя данные, относящиеся к пациенту, такие как имя пациента, госпитальная палата, идентификатор пациента. Основываясь на этой информации, определенный показатель жизнедеятельности может быть непосредственно и автоматически передан в историю болезни пациента. Кроме того, параллельное измерение показателя жизнедеятельности и идентификатора пациента обеспечивает изначально более безопасную систему, что гарантирует, что измеренные значения правильно приписаны надлежащему пациенту. Это также упрощает рабочий процесс. В варианте осуществления, несколько маркеров прикрепляется к пациенту для того, чтобы получить несколько измерений показателей жизнедеятельности из различных частей тела. Например, насыщение кислородом измеряется на лбу и на обеих руках.
Маркеры с кодированными данными также могут использоваться для идентификации нескольких субъектов или нескольких желаемых участков измерения на теле испытуемого. Зашифрованные данные могут быть уникальным идентифицирующим кодом, который позволяет блоку обработки изображений автоматически выбрать конкретный маркер из нескольких маркеров. Можно контролировать одновременно несколько пациентов, например, каждого, носящего футболку с особым маркером. Кроме того пациент может автоматически опознаваться при перемещении по больнице, например, во время перемещения из одной комнаты в другую. Более того, кодированные данные могут относиться к конкретному пациенту, например, вес, рост и т.д., что может помочь идентифицировать пациента или альтернативно помочь в определении соответствующей представляющей интерес области для извлечения параметров показателей жизнедеятельности.
Маркеры с кодированными данными также могут предоставить информацию для обеспечения измерения показателя жизнедеятельности, например, данные калибровки. Данные калибровки включают в себя корректировки калибровки, зависящие от субъекта, или для одного субъекта, зависящие от части тела, от которой должно быть принято измерение. Данные калибровки могут содержать математическую функцию калибровки, которая используется при определении показателя жизнедеятельности, и/или коэффициентов для использования функцией калибровки. Альтернативно, калибровочные данные включают в себя информацию о расположении, например, о расположении на лбу, руке, ноге, щеке, и система запрашивает базу данных для того, чтобы получить калибровочную информацию для того, чтобы настроить систему для измерения показателя жизнедеятельности в месте, которое указывается в информации о расположении. Кроме того, данные калибровки содержат информацию для управления источником света для освещения субъекта. Например, инфракрасный источник света или источник света с определенным спектром испускания включается или интенсивность корректируется на основе калибровочных данных.
В дополнительном аспекте этого варианта осуществления, маркер дополнительно содержит кодированные данные для конфигурирования точности измерений системы. В зависимости от сценария применения имеются различные требования к точности измерений. Например, для измерения насыщения кислородом на вентилируемых новорожденных важно точно определить насыщение кислородом в диапазоне 90-100%, в то время как для сценария общей палаты может быть достаточно различать нормальное насыщение кислородом 95-100% и низкое насыщение кислородом 60-85%. Кроме того, для некоторых применений измерения тенденции без каких-либо требований по абсолютным значениям измерений является достаточным. Кодирование требуемой точности и/или применения в маркере можно использовать для автоматического выбора различных пороговых значений для вынесения предупреждения или уведомления и тем самым предотвращения ненужных тревог.
Кодирование данных на маркере является особенно полезным, если система для определения показателя жизнедеятельности субъекта является автономной системой. Например, идентификатор пациента, данные калибровки или требуемая точность могут обеспечиваться в системе без подключения к внешнему объекту, такому как медицинская информационная система или электронная история болезни.
Графический шаблон, содержащий кодированные данные, может быть машинно-считываемым кодом любого типа, например, двумерным штрихкодом, штрихкодом, машинно-считываемыми буквенно-цифровыми символами или последовательностями, пиктограммой или геометрическим шаблоном, включающим в себя размер и/или форму маркера, расположение отверстий на маркере, в черно-белом или имеющем один или разные цвета.
Кроме того, можно использовать код коррекции ошибок или шифрование, применяемое для сохранения тайны информации о пациенте. Кодированные данные могут дополнительно использоваться для проверки маркеров от производителя оригинального оборудования.
В качестве синергетического эффекта, кодированные данные можно использовать для определения метрики качества измерений. Кодированные данные могут быть закодированы с использованием обнаружения ошибок или кода коррекции ошибок. Исходя из количества ошибок во время обнаружения, может быть установлена метрика качества измерений. Другими словами, закодированная информация также может быть использована для определения надежности, достоверности или качества измерения показателя жизнедеятельности.
В другом варианте осуществления система согласно настоящему изобретению дополнительно содержит второй блок формирования изображений для получения вторых видеоданных субъекта и второй блок обработки изображений для обнаружения указанного маркера в указанных вторых видеоданных. Преимущество второго блока формирования изображений состоит в том, что надежность определения показателя жизнедеятельности субъекта может быть улучшена. Второй блок обработки изображений обнаруживает маркер во вторых видеоданных и, таким образом, делает возможным выравнивание изображений, содержащихся в видеоданных, и вторых изображений, содержащихся во вторых видеоданных. Маркер помогает, когда та же самая представляющая интерес область оценивается в обоих видеопотоках. Необязательно, блоки формирования изображений устанавливаются в различных положениях по отношению к субъекту для того, чтобы обеспечить измерения с разных точек зрения. Необязательно, можно использовать более двух блоков формирования изображений и блоков обработки изображений. Кроме того функция двух или более отдельных блоков обработки изображений может быть реализована как один блок обработки изображений.
В дополнительном варианте осуществления системы, блок формирования изображений содержит фильтр для избирательного пропускания света с первой длиной волны, и второй блок формирования изображений содержит второй фильтр для избирательного пропускания света со второй длиной волны. Например, первый блок формирования изображений является видеокамерой с фильтром для длин волн красной области видимого спектра, и второй блок формирования изображений является второй видеокамерой со вторым фильтром для длин волн инфракрасного диапазона. Измерение с разными длинами волн позволяет измерять концентрацию вещества в крови и/или тканях, например, для удаленного определения насыщения крови кислородом. Дополнительные длины волн могут быть оценены с помощью дополнительных блоков формирования изображений с соответствующими фильтрами.
Термин «длина волны», как применяют в настоящем документе, также относится к полосе длин волн или диапазону длин волн. Например, термин длина волны относится к спектру испускания источника света и включает в себя не только среднюю длину волны. Таким образом, для оптического фильтра термин длина волны относится к полосе пропускания фильтра. Таким образом, термин длина волны не ограничивается одной единственной длиной волны, но также используется для диапазона длин волн, например, несколько нанометров или несколько десятков нанометров, около средней длины волны.
В дополнительном варианте осуществления системы согласно настоящему изобретению, графический шаблон маркера является невидимым для субъекта. Например, маркер может быть обнаружен только с помощью инфракрасной камеры. Альтернативно, маркер содержит комбинацию видимых и невидимых особенностей. Например, невидимый графический шаблон комбинируется с видимым показателем ориентации. Видимый индикатор ориентации информирует медсестру, как поместить маркер, в то время как невидимый графический шаблон можно контролировать с помощью инфракрасной камеры, даже если пациент спит. Видимые и/или источники инфракрасного излучения могут быть применены для обеспечения достаточного освещения и контрастности изображения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны и прояснены со ссылкой на описанные ниже варианты осуществления. На следующих чертежах
На Фиг. 1 показан примерный вариант осуществления системы для определения показателя жизнедеятельности субъекта согласно настоящему изобретению;
На Фиг. 2 показан первый пример маркера с графическим шаблоном;
На Фиг. 3 показан второй пример маркера с графическим шаблоном;
На Фиг. 4 показан сценарий измерения в соответствии с предшествующим уровнем техники;
На Фиг. 5 показан сценарий измерения в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг. 6 показан типовой график движения объекта;
На Фиг. 7 показан альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения с маркером, встроенным в манжету для измерения кровяного давления;
На Фиг. 8 показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения со вторым блоком формирования изображений; и
На Фиг. 9 показана последовательность операций для измерения показателя жизнедеятельности с помощью системы согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показан примерный вариант осуществления системы 1 для определения показателя жизнедеятельности субъекта 100 согласно настоящему изобретению. Субъект 100 лежит в постели 101, причем голова субъекта 100 находится на подушке 102 и субъект 100 укрыт одеялом 103. Система 1 содержит блок 2 формирования изображений для получения видеоданных субъекта 100 и маркер 10, прикрепленный к телу субъекта 100. Маркер 10 содержит графический шаблон 11. Блок 3 обработки изображений выполнен с возможностью обнаружения указанного маркера 10 в видеоданных. Блок 4 анализа выполнен с возможностью извлечения параметра показателя жизнедеятельности, относящегося к показателю жизнедеятельности субъекта 100, из видео данных, и определения показателя жизнедеятельности из параметра показателя жизнедеятельности. В этом примере, параметром показателя жизнедеятельности является дыхательное движение, и показатель жизнедеятельности является частотой дыхательных движений.
Маркер 10 присоединяется непосредственно к телу субъекта 100 путем размещения его на грудной клетке субъекта 100. В этом примере маркер 10 печатается на одеяле 103.
Блок 2 формирования изображений устанавливается на удаленном расстоянии, например, на потолке или на стене комнаты, в которой располагается кровать 101. Лампа 5 может присутствовать для освещения сцены и обеспечения достаточной контрастности изображения. В одном из вариантов осуществления блоком формирования изображений 2 может быть инфракрасная камера, и источник света 5 может представлять собой инфракрасный источник света.
Ориентация пациента 100 по отношению к блоку 2 формирования изображений определяется автоматически из ориентации графического шаблона 11 на маркере 10.
На Фиг. 2 показан первый вариант осуществления маркера 10, содержащий графический шаблон 11 и индикатор 12 ориентации для индикации ориентации маркера. В этом примере, графический шаблон 11 представляет собой так называемый двумерный штрихкод 17. Двумерный штрихкод имеет три структурных элемента 13, 14, 15, которые делают возможным машинно-считываемое определение ориентации и/или местоположения шаблона 11. Для того чтобы облегчить правильное размещение маркера 10 на теле субъекта 100, дополнительный индикатор 12 ориентации может быть внедрен наряду с графическим шаблоном 11. В этом примере индикатором ориентации является пиктограмма человека, которая показывает положение 16, там где нужно разместить маркер 10.
Маркер 10 может быть сделан из бумаги, ткани, резины или подобного материала. В качестве примера, можно представить себе компьютерный коврик для мыши, который имеет резиноподобную нижнюю поверхность, которая удерживает его от скольжения. Графический шаблон 11 будет печататься на верхней поверхности «коврика для мыши». Маркер 10 может также иметь определенный вес для того, чтобы обеспечить строгое следование дыхательным движениям.
Графический шаблон 11 может быть сгенерирован с помощью компьютерной программы и может быть напечатан на материале. В случае двумерного штрихкода, данные, относящиеся к конкретному пациенту, могут кодироваться вместе с защитой от ошибок или шифрованием данных. Альтернативно, можно использовать другие типы машиночитаемых графических шаблонов.
На Фиг. 3 показан альтернативный вариант осуществления маркера 20 с графическим шаблоном в виде штрихкода 21. Кроме того, маркер 20 содержит индикатор ориентации со стрелкой 23 и пиктограмму 22 лица, которое должно быть выровнено так, чтобы указывать на лицо субъекта 100. Данные кодируются в штрихкод 21 и печатаются как текст 18.
На Фиг. 4 показан сценарий измерения в соответствии с предшествующим уровнем техники. Субъект 100 контролируется во время сна в постели 101. Субъект 100 покрыт белым одеялом 103. Последовательность видеокадров этой сцены анализируется для определения частоты дыхательных движений пациента 100. Анализ всего изображения также включает в себя движения пациента, которые не имеют отношения к дыхательным движениям и могут вызывать ошибки измерения.
В другом известном примере, медсестра вручную выбирает область видео, которая соответствует грудной клетке 104 субъекта 100. Эта представляющая интерес область (ROI) затем анализируется на периодические движения, соответствующие частоте дыхательных движений субъекта 100. Эта процедура является трудоемкой и подвержена ошибкам.
На Фиг. 5 показан сценарий измерения, использующий систему для определения показателя жизнедеятельности субъекта 100 согласно настоящему изобретению. В отличие от Фиг. 4, на Фиг. 5 показан маркер 10, размещенный на грудной клетке 104 субъекта 100. Маркер 10 содержит машиночитаемый графический шаблон 11, который может легко и автоматически обнаружить блок 3 обработки изображений согласно настоящему изобретению. Кодовый шаблон 11 может дополнительно включать в себя кодированные данные, которые дают инструкции системе для определения показателей жизнедеятельности относительно того, как выбрать представляющую интерес область. Например, представляющая интерес область (ROI) 30 может быть выбрана, такой же большой, как сам маркер 10. Альтернативно, кодированные данные могут предоставить инструкцию для того, чтобы установить размер в одном или двух измерениях маркера 10 меньшим или большим, чем сам маркер 10. Альтернативно, могут быть доступны маркеры разного размера. Вместо выбора размера ROI на компьютере, на грудной клетке пациента 100 может быть размещен маркер 10 соответствующего размера. Например, более большой маркер 10 используется для взрослого человека, тогда как меньший маркер 10 используется для ребенка.
Графический шаблон 11 на маркере 10 делает возможным автоматическое определение ориентации и местоположения маркера 10. Графический шаблон 11 фиксируется и не меняется от изображения к изображению в видеоданных, полученных из блока 2 формирования изображений. Таким образом, движение этого маркера может легко отслеживаться. Блок 2 формирования изображений относится к любому типу источника изображений, производящего множество или поток изображений, такого как видеокамера.
В предпочтительном варианте осуществления движение маркера 10 включает в себя, по меньшей мере, один компонент движения перпендикулярный блоку 2 формирования изображений. Это делает возможным отслеживание простого движения. В альтернативном варианте осуществления маркер 10 также может использоваться для оценки расстояния между камерой 2 и маркером 10. Эту информацию можно использовать в качестве обратной связи с медсестрой, чтобы регулировать положение камеры для оптимального качества сигнала измерения. Обратная связь может предоставляться на дисплее с указанием силы сигнала. Альтернативно акустическая обратная связь обеспечивается таким образом, что медсестра может регулировать маркер 10, в то время пока еще обращена к пациенту 100.
На Фиг. 6 показано улучшение в данных измерений, которое может быть достигнуто с помощью устройства 1 согласно настоящему изобретению (Фиг. 5) по сравнению с известным уровнем техники (Фиг. 4). Здесь для имитации дыхательных движений использовался механический фантом для удовлетворительного сравнения кривых измерений, соответствующих известному уровню техники 31 и настоящему изобретению 32. Ответ детектора признаков показан для представляющей интерес области на простыне 31 и для представляющей интерес области с маркером 32 на основе двумерного шаблона. Устройство по настоящему изобретению производит значительно улучшенный сигнал, который четко отображает дыхательные циклы и улучшает последующую оценку частоты дыхательных движений. Кроме того, ориентацию и расположение маркера можно рассматривать в извлечении параметра показателя жизнедеятельности. Например, проекция маркера, который наклонен по отношению к плоскости изображения, может быть скорректирована посредством регулировки амплитуды графика. Таким образом, система согласно настоящему изобретению дает абсолютную амплитуду дыхательного движения.
На Фиг. 7 показан альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения во время стандартной процедуры выборочной проверки в общей палате. В этой процедуре, медсестра применяет манжету для измерения кровяного давления к одной из рук пациента. Во время измерения артериального давления больному 100 как правило сообщается, что надо быть тихим и не двигаться. Эти условия являются идеальными для одновременного измерения частоты дыхания с использованием камеры. Маркер 10 на манжете 40 поможет камере автоматически найти правильную ROI 30 для измерения частоты дыхания на грудной клетке пациента 104.
Более конкретно, в начале измерения артериального давления шаблон на манжете 40 может быть автоматически найден в изображении камеры, при условии, что камера примерно указывает на пациента 100, и что она охватывает достаточно широкую зону обзора. Так как манжета 40 всегда находится на одном из плечей, положение манжеты 40 и шаблона 11 сразу указывает на относительное расположение грудной клетки пациента 104. Другими словами, представляющая интерес область находится рядом с манжетой 40 для измерения кровяного давления на расстоянии в несколько сантиметров. Поэтому грудная клетка 104 может быть найдена легко, надежно и полностью автоматически. Измерение частоты дыхания может спокойно начаться вместе с измерением артериального давления без какого-либо дополнительно необходимого человеческого вмешательства или действия. Это может значительно увеличить эффективность работы медсестры и улучшить качество измерения частоты дыхания.
Обычное определение частоты дыхания делается вручную посредством подсчета вдохов. Это очень ненадежно и на практике часто совсем обходится медицинским персоналом. Исследования показывают, что на практике очень часто нормальная частота дыхания «18» вдохов в минуту сообщается по умолчанию медсестрой без каких-либо реальных измерений, так как такое измерение вручную путем подсчета требует много времени и усердия.
Кроме того пациент 100 специально не ставится в известность об измерении частоты дыхания. Таким образом, сильно уменьшается опасность того, что пациент 100 сознательно или подсознательно повлияет на свое дыхание. Другими словами, качество автоматически измеряемой частоты дыхания увеличивается.
В альтернативном варианте осуществления параметром показателя жизнедеятельности является изменение во времени цвета кожи и показателем жизнедеятельности является частота сердечных сокращений. На Фиг. 7 показано лицо пациента в качестве второй представляющей интерес области 33. Еще раз, графический шаблон определяется автоматически на маркере 10 блоком обработки изображений. Маркер 10 образует часть манжеты 40 для измерения кровяного давления. В этом примере данные, закодированные в графическом шаблоне 11, указывают системе 1 для определения показателей жизнедеятельности, что вторая представляющая интерес область 33 находится на определенном расстоянии от маркера 10 и имеет определенную ориентацию. Кроме того указывается размер второй представляющей интерес области 33. Затем блок анализа извлекает изменение во времени цвета кожи ROI 33 из видеоданных и определяет частоту сердечных сокращений.
Если пациент движется во время измерения, блок обработки изображений может обнаружить это движение пациента 100 и отрегулировать представляющую интерес область 30, 33 соответственно. Кроме того частотный анализ данных и фильтрация могут быть выполнены для того, чтобы отделить сигналы от параметров показателя жизнедеятельности от общих движений тела, которые не связаны с показателями жизнедеятельности. Могут быть применены альтернативные этапы обработки, известные из обработки сигналов.
На Фиг. 8 показан другой примерный вариант осуществления системы 1' для определения показателя жизнедеятельности субъекта 100 согласно настоящему изобретению. Система 1' включает в себя блок 2 формирования изображений для получения видеоданных субъекта 100, второй блок 2' формирования изображений для получения видеоданных субъекта 100, маркер 60, прикрепленный ко лбу 104 субъекта 100 и второй маркер 61, прикрепленный к левой руке субъекта 100. Первый блок 2 формирования изображений представляет собой видеокамеру с фильтром 6 для избирательного пропускания длин волн красной области видимого спектра и второй блок 2' формирования изображений представляет собой вторую видеокамеру со вторым фильтром 6' для избирательного пропускания волн инфракрасного диапазона.
Блок обработки 3 изображений, подсоединенный к блоку 2 формирования изображений, выполнен с возможностью обнаружения указанных маркеров 60, 61 в видеоданных, полученных с помощью блока 2 формирования изображений. Второй блок 3' обработки изображений, подсоединенный ко второму блоку 2' формирования изображений, выполнен с возможностью обнаружения указанных маркеров 60, 61 в видеоданных, полученных с помощью блока 2' формирования изображений. Блок 2 обработки изображений и второй блок 2' обработки изображений соединены с блоком 4 анализа. Блок 4 анализа выполнен с возможностью извлечения параметра показателя жизнедеятельности, связанного с показателем жизнедеятельности субъекта 100, из видеоданных, полученных с помощью блока 2 формирования изображений и второго блока 2' формирования изображений, и определения показателя жизнедеятельности из параметра показателя жизнедеятельности. Сцена освещается окружающим освещением, в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного включительно.
Маркер 60 в этом примере прикладывается ко лбу 104 субъекта 100. Форма маркера 60 представляет собой прямоугольник с треугольником на одной стороне, который указывает в направлении центральной части лба 104 и, таким образом, указывает на представляющую интерес область 34 для определения показателя жизнедеятельности субъекта 100. Графический шаблон маркера 60 не ограничивается формой маркера 60, но необязательно также содержит машинно-считываемый двумерный штрихкод, который хранит калибровочную информацию для системы 1'.
Маркер 61 в этом примере прикладывается к левой руке пациента 100. Маркер содержит прозрачную область 62 рядом с машинно-считываемым графическим шаблоном. Кожа пациента 100 может отображаться с помощью блоков 2 и 2' формирования изображений через эту прозрачную область 62 маркера.
В этом примере, показателем жизнедеятельности является насыщение кислородом пациента. Насыщение кислородом может быть определено путем оценки и сравнения изменения во времени света с длинами волн красной области видимого спектра и в инфракрасном диапазоне. Благодаря красному светофильтру 6, блок 2 формирования изображений принимает свет только с длинами волн красной области видимого спектра. Благодаря инфракрасному второму фильтру 6', второй блок 2' формирования изображений принимает свет только с длинами волн в инфракрасном диапазоне. Альтернативно используются другие длины волн. Маркеры 60 и 61 обнаруживаются в видеоданных блока 2 формирования изображений и в видеоданных блока 2' формирования изображений. Видеоданные двух блоков 2 и 2' формирования изображений могут быть выровнены на основе обнаруженных маркеров. Это гарантирует, что та же самая представляющая интерес область измеряется на обеих длинах волн.
Машинно-считываемый шаблон маркеров 60 и 61 дополнительно содержит калибровочную информацию. Например, характеристики поглощения кожи на лбу 104 и кожи на руках отличаются. Калибровочная кривая для учета и коррекции этого различия может быть закодирована в графическом шаблоне маркера.
На Фиг. 9 показана последовательность 50 операций для определения показателя жизнедеятельности субъекта 100 согласно настоящему изобретению. Этапы процесса с левой стороны показывают этапы, которые должны быть выполнены вручную медсестрой. Правая сторона графа показывает этапы автоматизированного процесса, осуществляемого системой согласно настоящему изобретению. Во-первых, медсестра располагает 51 пациента на стуле или в постели и информирует пациента о том, что нельзя двигаться. Далее, маркер согласно настоящему изобретению прикрепляется 52 непосредственно к представляющей интерес области или не непосредственно, например, на манжету для измерения кровяного давления, прикрепленную к руке пациента. На следующем этапе 53, блок формирования изображений, примерно регулируется 53 так, чтобы пациент находился в его поле обзора. Альтернативно можно использовать блок формирования изображений с широкоугольной оптикой, так что регулировка не требуется.
Система согласно настоящему изобретению автоматически обнаруживает 54 маркер через графический шаблон. Ориентация и положение маркера используются для определения 55 представляющей интерес области. Далее, параметр показателя жизнедеятельности, относящийся к показателю жизнедеятельности субъекта, например, дыхательное движение, извлекается 56 из видеоданных, полученных блоком формирования изображений. Движение субъекта затем могут быть проанализированы для того, чтобы определить показатель жизнедеятельности, например, частоту дыхания, из этих данных движения. В дополнение к извлечению периодического движения субъекта, связанного с показателями жизнедеятельности, видеоданные также могут быть скорректированы для общих движений пациента. Например, общее движение пациента вне представляющей интерес области можно отслеживать и использовать для того, чтобы вычесть это общее движение пациента из движения, обнаруженного в представляющей интерес области. Таким образом, остается только движение или изменение сигнала, связанного с показателем жизнедеятельности, такого как частота дыхания.
В качестве последнего этапа 58, медсестра должна только удалить маркер. Следует отметить, что маркер можно использовать снова для другого пациента.
Измеренную информацию показателя жизнедеятельности можно автоматически предоставлять врачу или компьютерной системе больницы.
Система для определения показателя жизнедеятельности субъекта предназначена для использования в больнице, клинике, у врача или для мониторинга пациентов на дому.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и предшествующем описании, такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные или приведенные в качестве примера, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Изучив чертежи, раскрытие и приложенную формулу изобретения, специалисты в данной области смогут понять и осуществить при практической реализации заявленного изобретения другие вариации показанных вариантов осуществления.
В формуле изобретения слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, и формы единственного числа не исключают множественного числа. Один элемент или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные средства перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих средств нельзя использовать с пользой.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящих носителях, таких как средства оптического хранения информации или твердотельных носителях информации, поставляемых вместе или как часть других аппаратных средств, но также могут распространяться в других формах, таких как через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема.