用于從特征信號(hào)提取信息的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于從所檢測(cè)的特征信號(hào)提取信息的裝置和方法。接收可來(lái)自從物體（11）發(fā)射或反射的電磁輻射的數(shù)據(jù)流（76,78,80,82）且可從其提取隨時(shí)間的過(guò)去而變化的多個(gè)特征指標(biāo)元素（50）。這些指標(biāo)元素（50）包括指示至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)（12）的生理信息（48），以及干擾信號(hào)分量（58）。為在很大程度上消除該干擾信號(hào)分量（58），可將這些特征指標(biāo)元素（50）投影至減少了干擾的指標(biāo)元素（64），該減少了干擾的指標(biāo)元素（64）關(guān)于該干擾信號(hào)分量（58）的假設(shè)定向具有相異定向。該減少了干擾的指標(biāo)元素（64）經(jīng)選擇以便反映該干擾信號(hào)分量（58）隨時(shí)間的過(guò)去占優(yōu)勢(shì)的主要定向及長(zhǎng)度。因此，可將以此方式從該數(shù)據(jù)流（76,78,80,82）所提取的主要地真正的生理信息（48）用于確定該至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)（12）。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于從特征信號(hào)提取信息的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于從特征信號(hào)提取信息的裝置及方法，其中這些特征信號(hào)嵌入可來(lái)自電磁輻射的數(shù)據(jù)流中，具體地，其中該數(shù)據(jù)流包含連續(xù)或離散信號(hào)，該連續(xù)或離散信號(hào)包括指示至少一個(gè)至少部分地周期性的生命征兆的生理信息。
【背景技術(shù)】
[0002]WO 2010/100594 A2公開(kāi)了用于處理生物的圖像的方法及系統(tǒng)。該方法包含以下
步驟:
-獲得在連續(xù)時(shí)間點(diǎn)所拍攝的數(shù)字圖像的序列；
-選擇包含多個(gè)圖像點(diǎn)的至少一個(gè)測(cè)量區(qū)，其中
-選擇至少一個(gè)測(cè)量區(qū)的步驟包括:基于這些圖像中的至少一個(gè)中的多個(gè)圖像部分的像素?cái)?shù)據(jù)來(lái)分析信息，每一圖像部分包括至少一個(gè)圖像點(diǎn)，以及從被確定為具有類(lèi)似特征的連續(xù)部分來(lái)選擇每一測(cè)量區(qū)；及
-針對(duì)每一測(cè)量區(qū)，獲得信號(hào)以用于確定在該信號(hào)的頻譜中的至少一峰值的存在及頻率值中的至少一者，該信號(hào)表示在至少數(shù)個(gè)圖像點(diǎn)處的家素債的組合的時(shí)變平均值的至少變化，該頻譜對(duì)應(yīng)于周期性生理現(xiàn)象的頻率。
[0003]該文件進(jìn)一步公開(kāi)了該方法的若干改進(jìn)?？傮w而言，在圖像處理的領(lǐng)域中，因?yàn)槭沟媚軌驅(qū)λ涗浀臄?shù)據(jù)進(jìn)行深遠(yuǎn)的分析`，所以產(chǎn)生了巨大進(jìn)步。在此背景中，可設(shè)想以一方式從所記錄的數(shù)據(jù)提取信息以便使得能夠關(guān)于所觀測(cè)的有生命個(gè)體的個(gè)性或甚至健康得出詳細(xì)結(jié)論。
[0004]然而，由于所記錄的數(shù)據(jù)(諸如，所俘獲的反射或發(fā)射的電磁輻射)，尤其是所記錄的圖像幀，除了要從其提取的所期望的信號(hào)之外也總是包含來(lái)自總干擾的另外的信號(hào)分量(藉由實(shí)例，諸如歸因于改變的照度條件或所觀測(cè)的物體的移動(dòng)的噪聲)，因此對(duì)所期望的信號(hào)的詳細(xì)的準(zhǔn)確提取仍對(duì)處理這種數(shù)據(jù)造成主要挑戰(zhàn)。
[0005]當(dāng)干擾信號(hào)分量的振幅和/或標(biāo)稱(chēng)值遠(yuǎn)大于要提取的所期望的信號(hào)分量的振幅和/或標(biāo)稱(chēng)值時(shí)，這尤為適用?？赡艿?，可預(yù)期各個(gè)分量之間的差的量值甚至包含若干級(jí)。
[0006]一種解決此挑戰(zhàn)的可能方法可針對(duì)在俘獲感興趣信號(hào)時(shí)提供經(jīng)充分準(zhǔn)備且穩(wěn)定的周?chē)鷹l件，其中所期望的信號(hào)分量經(jīng)嵌入以便最小化覆蓋(overlay)該信號(hào)的干擾信號(hào)分量。然而，不可將這些實(shí)驗(yàn)條件轉(zhuǎn)移至日常領(lǐng)域應(yīng)用，這是因?yàn)闉榇藢⑿枰叩呐皽?zhǔn)備工作。
[0007]例如，所需的準(zhǔn)備可包含安裝及定向若干標(biāo)準(zhǔn)光源，以及此外，用于固定要觀測(cè)的物體的措施，以便避免對(duì)甚至更大的噪聲水平負(fù)責(zé)的干擾移動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于從所檢測(cè)的特征信號(hào)提取信息的系統(tǒng)和方法，其提供進(jìn)一步改進(jìn)以促進(jìn)獲得具有更高的精確度的所期望的信號(hào)。[0009]此外，提供甚至經(jīng)調(diào)適成使得能夠在相當(dāng)差的周?chē)鷹l件(例如，小的信噪比、變化的照度條件和/或待觀測(cè)的物體的甚至不穩(wěn)定移動(dòng)的穩(wěn)定)下提取所期望的信號(hào)的系統(tǒng)將是有利的。
[0010]在本發(fā)明的第一方面中，提出一種用于從所檢測(cè)的特征信號(hào)提取信息的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
-界面，其用于接收可來(lái)自從物體所發(fā)射或反射的電磁輻射的數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流包含包括生理信息的連續(xù)或離散的特征信號(hào)，該生理信息表示至少一個(gè)至少部分地周期性的生命號(hào)，
-提取器構(gòu)件，其用于從該數(shù)據(jù)流提取該生理信息，該提取器構(gòu)件從該數(shù)據(jù)流得到多個(gè)特征指標(biāo)元素，該多個(gè)特征指標(biāo)元素指示該生理信息及干擾信號(hào)分量，其中該多個(gè)特征指標(biāo)元素與表示該電磁輻射的特征的信號(hào)空間相關(guān)聯(lián)，該信號(hào)空間包括具有指示參考生理信息的設(shè)定定向的預(yù)定指標(biāo)元素，該預(yù)定指標(biāo)元素可至少近似地籍由對(duì)各個(gè)參考值的上游石角定(upstream determination)而石角定，
-轉(zhuǎn)換器構(gòu)件，其用于籍由將該多個(gè)特征指標(biāo)元素投影至來(lái)自該多個(gè)特征指標(biāo)元素的給定定向及長(zhǎng)度的減少了干擾的指標(biāo)元素來(lái)轉(zhuǎn)換該多個(gè)特征指標(biāo)元素，該減少了干擾的指標(biāo)元素關(guān)于該干擾信號(hào)分量的假設(shè)定向具有相異定向，其中該減少了干擾的指標(biāo)元素是籍由在考慮該預(yù)定指標(biāo)元素的該定向的情況下最優(yōu)化(optimize)表達(dá)式而確定。
[0011]本發(fā)明是基于以下見(jiàn)解:在旨在提取所期望的生命信號(hào)時(shí)，一般而言，必須考慮差的信噪比?？紤]到該一般比率，很可能假 定感興趣的信號(hào)分量(即，特征指標(biāo)元素)一般包含指示噪聲及其類(lèi)似物的主要部分(即，干擾分量)以及指示所期望的生命信號(hào)的可能非常小的部分(即，生理信息)。由于干擾信號(hào)分量可受眾多干擾源影響，因此不可預(yù)先精確地預(yù)測(cè)其關(guān)于信號(hào)空間的位置及定向。然而，生理信息在信號(hào)空間中的一般定向可至少近似地籍由與信號(hào)空間相關(guān)聯(lián)的預(yù)定指標(biāo)元素來(lái)預(yù)定及體現(xiàn)。換言之，可籍由上游處理來(lái)確定生理信息的僅僅預(yù)期的標(biāo)稱(chēng)定向(例如，軸或曲線(xiàn))。另一方面，除小的所期望的部分之外，待檢測(cè)的信號(hào)包含主要干擾分量，該主要干擾分量的定向、位置和值是完全未知的。
[0012]在此背景中，歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)第09172337.9號(hào)(以與本發(fā)明相同的 申請(qǐng)人:的名義、在本申請(qǐng)的 優(yōu)先權(quán)日:期之前申請(qǐng)且在其之后公開(kāi))提出對(duì)所期望的信號(hào)的提取的增強(qiáng)，這是因?yàn)楸举|(zhì)上所檢測(cè)的表示所期望的信號(hào)及噪聲的總信號(hào)將投影至信號(hào)空間中的預(yù)定軸，藉此消除與此預(yù)定軸正交的噪聲?？梢源朔绞皆谀撤N程度上改善信噪比。然而，作為另一改進(jìn)，將需要藉由也消除指示大體被定向成與預(yù)定軸或線(xiàn)平行的噪聲的信號(hào)分量來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)該比率。
[0013]考慮可用的輸入變量及給定約束，應(yīng)注意，似乎不太可能針對(duì)上文所概述的問(wèn)題而提供僅基于旨在得出清楚及唯一結(jié)果的分析及類(lèi)似方法的解。對(duì)比而言，本發(fā)明依賴(lài)于多變量統(tǒng)計(jì)方法以便達(dá)到近似解。不用說(shuō)，也考慮近似解以適當(dāng)?shù)馗纳菩旁氡?，因此相?dāng)促進(jìn)對(duì)所期望的生命信號(hào)的提取?？梢哉f(shuō)，以一方式分析特征信號(hào)以檢測(cè)若干特征指標(biāo)元素的特征圖案，該圖案指示覆蓋干擾信號(hào)分量的主要定向。在至少近似地確定主要干擾或噪聲定向后，可將特征指標(biāo)元素投影至與此所確定的主要定向正交的元素(即所謂的減少了干擾的指標(biāo)元素)，藉此消除與其正交的噪聲。因此，可得到噪聲減少以及信號(hào)品質(zhì)方面的很大改善。[0014]存在提取器構(gòu)件及轉(zhuǎn)換器構(gòu)件的若干實(shí)施例。在第一相當(dāng)簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，由處理單元(具體地，個(gè)人計(jì)算機(jī)的處理單元)來(lái)體現(xiàn)檢測(cè)器構(gòu)件與轉(zhuǎn)換器構(gòu)件兩者，該處理單元由各個(gè)邏輯命令來(lái)驅(qū)動(dòng)。此處理單元也可包含合適的輸入和輸出界面。
[0015]然而，在替代方案中，可籍由由各個(gè)命令所驅(qū)動(dòng)或可由各個(gè)命令驅(qū)動(dòng)的單獨(dú)處理單元來(lái)體現(xiàn)提取器構(gòu)件及轉(zhuǎn)換器構(gòu)件中的每一者。因此，每個(gè)各個(gè)處理單元可適應(yīng)于其特殊目的。因此，可應(yīng)用任務(wù)的分配，其中在多處理器處理單元的單個(gè)處理器上處理(例如，執(zhí)行)相異任務(wù)，或再次參考個(gè)人計(jì)算機(jī)，在圖像處理器上執(zhí)行與圖像處理有關(guān)的任務(wù)，而在中央處理單元上執(zhí)行其他操作任務(wù)。
[0016]根據(jù)用于提取信息的裝置的優(yōu)選實(shí)施例，該裝置進(jìn)一步包含分析構(gòu)件，該分析構(gòu)件用于確定投影型(projected)指標(biāo)元素的時(shí)間變化以及用于檢測(cè)籍由生理信息所表示的至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)。
[0017]同樣，可籍由由邏輯命令所驅(qū)動(dòng)的處理單元來(lái)體現(xiàn)分析構(gòu)件。為此，可利用單獨(dú)處理單元或?yàn)樘崛∑鳂?gòu)件、轉(zhuǎn)換器構(gòu)件以及分析構(gòu)件所共用的處理單元。可以說(shuō)，藉由投影型指標(biāo)元素隨時(shí)間的過(guò)去的脈動(dòng)來(lái)表示感興趣信號(hào)(至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào))?？蓪?gòu)成此脈動(dòng)的基礎(chǔ)的特征頻率視為高程度指示所期望的生命信號(hào)。
[0018]應(yīng)注意，投影型指標(biāo)元素仍大體不與預(yù)定指標(biāo)元素確切地重合。這將僅在該多個(gè)特征指標(biāo)元素的干擾信號(hào)分量的所確定的主要定向應(yīng)與預(yù)定指標(biāo)元素正交的狀況下發(fā)生。若這將適用，則該多個(gè)特征指標(biāo)元素中的 每一者至預(yù)定指標(biāo)元素的已經(jīng)純粹投影(在此狀況下，其與減少了干擾的指標(biāo)元素重合)將達(dá)到對(duì)至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)的完全準(zhǔn)確確定。然而，即使預(yù)定指標(biāo)元素與減少了干擾的指標(biāo)元素形成角(較佳為銳角)，(投影至減少了干擾的指標(biāo)元素的)投影型指標(biāo)元素仍使得能夠至少在相當(dāng)大的程度上精確地確定至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)，這是因?yàn)橹甘驹肼暤母蓴_信號(hào)分量自其消除。倘若主要地將分析投影型指標(biāo)元素的時(shí)間變化的頻率以便檢測(cè)感興趣信號(hào)，則在與預(yù)定指標(biāo)元素對(duì)準(zhǔn)時(shí)投影型指標(biāo)元素的純粹長(zhǎng)度(其不同于生理信息的假定長(zhǎng)度)并不導(dǎo)致頻率分析的錯(cuò)誤或曲解的結(jié)果，這是因?yàn)闃?gòu)成時(shí)間脈動(dòng)的基礎(chǔ)的頻率不受影響。
[0019]可替換地，提出經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)的裝置將是進(jìn)一步有利的，這是因?yàn)橥队靶椭笜?biāo)元素的振幅是藉由取決于減少了干擾的指標(biāo)元素與預(yù)定指標(biāo)元素之間的角度的因數(shù)而被校正。
[0020]就此而論，根據(jù)該實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，分析構(gòu)件經(jīng)進(jìn)一步調(diào)適以補(bǔ)償投影型指標(biāo)元素與具有設(shè)定定向的預(yù)定指標(biāo)元素之間的角偏移(of f set)。
[0021]可藉由三角法計(jì)算來(lái)執(zhí)行補(bǔ)償。以此方式，可將特征指標(biāo)元素精確地分為干擾信號(hào)分量和生理信息，該生理信息精確地表示感興趣的信號(hào)分量。換言之，生理信息可幾乎完全從含噪聲的原始特征指標(biāo)元素還原。
[0022]根據(jù)用于提取信息的裝置的較佳實(shí)施例，該多個(gè)特征指標(biāo)元素為一組差值向量，其表示連續(xù)或離散的特征信號(hào)在信號(hào)空間中的時(shí)間變化。
[0023]就此而論，WO 2010/100594 A2以及歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)第09172337.9號(hào)基本上例證了
用于檢測(cè)這種特征指標(biāo)元素的方法及裝置，并且此外，用于分析來(lái)自其的處理了的信號(hào)以便在原則上得到所期望的生命信號(hào)的方法及裝置。
[0024]根據(jù)甚至另一實(shí)施例，用于提取信息的裝置進(jìn)一步包含傳感器構(gòu)件，該傳感器構(gòu)件用于檢測(cè)在選自由以下各項(xiàng)組成的組的至少一特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射:可見(jiàn)光、紅外光以及紫外輻射，該傳感器構(gòu)件可連接至該界面。
[0025]在替代例中，已經(jīng)俘獲及儲(chǔ)存了的數(shù)據(jù)可遞送至界面且由裝置處理。當(dāng)觀測(cè)到生物(具體地，動(dòng)物，或更具體地，人)時(shí)，可從所發(fā)射的輻射(例如，紅外光)和/或所反射的輻射(例如，可見(jiàn)光及紫外輻射)的微小變化來(lái)導(dǎo)出生命信號(hào)。對(duì)于日常應(yīng)用而言，應(yīng)了解是否檢測(cè)到及分析實(shí)質(zhì)上可見(jiàn)光。為此，除普通自然或人造光源外，在分析期間不需要另外輻射源和/或無(wú)需考慮另外輻射源。
[0026]可進(jìn)一步發(fā)展此實(shí)施例，其中傳感器構(gòu)件包含相機(jī)，該相機(jī)經(jīng)綢適以用于在選自由以下各項(xiàng)組成的組的信號(hào)空間內(nèi)俘獲信號(hào):RGB、sRGB、Rg色度、HSV、HSL, CMYK、YPbPr,YCbCr 以及 xvYCC。
[0027]換言之，可將提供足夠色彩深度的視頻攝像機(jī)(甚至所謂的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī))用于觀測(cè)感興趣的物體以及記錄待分析的數(shù)據(jù)流。不言而喻，也可利用指定的信號(hào)空間類(lèi)型的導(dǎo)數(shù)，諸如1gRGB?？蛇M(jìn)一步設(shè)想至少部分地組合若干相異信號(hào)空間以便提供用于所需的分析處理的更寬的光譜基礎(chǔ)。
[0028]在此背景中，作為替代例，也可設(shè)想包含可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍及紅外光的波長(zhǎng)范圍的信號(hào)空間。以此方式，裝置可合適地適應(yīng)變化的總條件(諸如，照度條件的更大改變，或甚至?xí)円垢淖?。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可籍由對(duì)所檢測(cè)的多個(gè)特征指標(biāo)元素取對(duì)數(shù)來(lái)進(jìn)一步變換信號(hào)空間。換言之，也可將藉由信號(hào)空間所表示的電磁輻射的光譜分量或特征的標(biāo)度轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)標(biāo)度。就此而言，可促進(jìn)信號(hào)空間中的后續(xù)計(jì)算。此外，可檢測(cè)及處理輸入信號(hào)的值的一范圍的若干量的值.，同時(shí)仍使得能夠清楚地概述及理解其表示。
[0030]根據(jù)用于提取信息的裝置的甚至另一實(shí)施例，該至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)選自由以下各項(xiàng)組成的組:心跳、呼吸速率以及心率變化性。
[0031]不用說(shuō)，應(yīng)了解是否可藉由應(yīng)用各個(gè)轉(zhuǎn)換及分析步驟而將各個(gè)生命信號(hào)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為彼此。
[0032]指定的生命信號(hào)與血液循環(huán)有關(guān)，當(dāng)記錄表示感興趣物體(例如，人)的指示性區(qū)域的圖像序列時(shí)，血液循環(huán)可籍由傳感器構(gòu)件觀測(cè)到。當(dāng)分析所記錄的數(shù)據(jù)流時(shí)，可藉由所得到的多個(gè)特征指標(biāo)元素來(lái)表示由所觀測(cè)的物體所發(fā)射或反射的電磁輻射的微小變化。然而，如上文所提及，除這些微小變化之外，干擾信號(hào)分量也嵌入于該多個(gè)特征指標(biāo)元素中。
[0033]根據(jù)用于提取信息的裝置的另一實(shí)施例，信號(hào)空間為歸一化色空間，其中籍由歸一化處理來(lái)至少暫時(shí)地補(bǔ)償至少一個(gè)自由度。
[0034]實(shí)踐中，藉由實(shí)例，包含生理信息的該多個(gè)特征指標(biāo)元素的“脈動(dòng)”可描述信號(hào)空間中的三維曲線(xiàn)。倘若可將該三維曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為二維曲線(xiàn)或甚至二維直線(xiàn)，則可在很大程度上簡(jiǎn)化分析及計(jì)算。
[0035]在此背景中，信號(hào)空間為歸一化二維色空間是進(jìn)一步優(yōu)選的，其中執(zhí)行照度歸一化以及色彩歸一化。
[0036]根據(jù)用于提取信息的裝置的甚至另一實(shí)施例，提取器構(gòu)件進(jìn)一步包含歸一化構(gòu)件，該歸一化構(gòu)件用于籍由歸一化嵌入于數(shù)據(jù)流中的實(shí)際照度值(借助于將原色的各個(gè)確定組合應(yīng)用于數(shù)據(jù)流的色彩表示性分量)和/或籍由歸一化數(shù)據(jù)流的色彩強(qiáng)度(借助于將數(shù)據(jù)流的各個(gè)時(shí)間平均值應(yīng)用于其色彩表示性分量的實(shí)際值)而將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)移至信號(hào)空間中。
[0037]根據(jù)用于提取信息的裝置的另一甚至進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例，分析構(gòu)件進(jìn)一步包含濾波器構(gòu)件，該濾波器構(gòu)件用于對(duì)數(shù)據(jù)流濾波以及用于在一在0.2Hz與IOHz之間、優(yōu)選在0.5Hz與3.5Hz之間的帶寬處增強(qiáng)信號(hào)分量。
[0038]以此方式，可從數(shù)據(jù)流移除不指示所期望的生命信號(hào)的甚至另外的干擾信號(hào)分量。在此背景中，應(yīng)提及，可以單獨(dú)每一步驟的方式或以其兩個(gè)或三個(gè)步驟的任意組合的方式將照度歸一化步驟、色彩歸一化步驟以及濾波步驟應(yīng)用于數(shù)據(jù)流。
[0039]根據(jù)用于提取信息的裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器構(gòu)件經(jīng)調(diào)適以用于藉由定義包含藉由提取器構(gòu)件所得到的一組特征指標(biāo)元素值的數(shù)據(jù)集及藉由執(zhí)行該數(shù)據(jù)集至坐標(biāo)系統(tǒng)的變換、優(yōu)選為實(shí)質(zhì)上正交線(xiàn)性變換來(lái)確定減少了干擾的指標(biāo)元素，其中其占優(yōu)勢(shì)的分量與該坐標(biāo)系統(tǒng)的軸對(duì)準(zhǔn) ，且其中該占優(yōu)勢(shì)的分量與減少了干擾的指標(biāo)元素重合。
[0040]藉由將此統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用于該多個(gè)特征指標(biāo)元素，即使輸入數(shù)據(jù)以及給定約束的缺乏阻礙了分析解法，仍可確定減少了干擾的指標(biāo)元素?？蛇M(jìn)一步發(fā)展此實(shí)施例，這是因?yàn)闇p少了干擾的指標(biāo)元素是藉由在一時(shí)間間隔內(nèi)最小化所投影的特征指標(biāo)元素的能量而確定。
[0041]根據(jù)另一實(shí)施例，籍由在一時(shí)間間隔中對(duì)該多個(gè)特征指標(biāo)元素或其導(dǎo)數(shù)執(zhí)行主要分量分析以及籍由將由其產(chǎn)生的具有最小本征值且與已知的預(yù)定指標(biāo)元素顯著相關(guān)的元素選擇作為減少了干擾的指標(biāo)元素來(lái)確定減少了干擾的指標(biāo)元素。
[0042]在替代例中，若應(yīng)用加權(quán)函數(shù)以用于確定減少了干擾的指標(biāo)元素以便使該減少了干擾的指標(biāo)元素收斂至預(yù)定指標(biāo)元素，則可為進(jìn)一步有利的。
[0043]在本發(fā)明的另一方面中，提出一種用于從所檢測(cè)的特征信號(hào)提取信息的方法，其包含以下步驟:
-接收可來(lái)自從物體所發(fā)射或反射的電磁輻射的數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流包含包括生理信息的連續(xù)或離散的特征信號(hào)，該生理信息表示至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)，
-籍由從該數(shù)據(jù)流得到多個(gè)特征指標(biāo)元素而從該數(shù)據(jù)流提取該生理信息，該多個(gè)特征指標(biāo)元素指示該生理信息以及干擾信號(hào)分量，其中該多個(gè)特征指標(biāo)元素與表示該電磁輻射的特征的信號(hào)空間相關(guān)聯(lián)，該信號(hào)空間包含具有指示參考生理信息的設(shè)定定向的預(yù)定指標(biāo)元素，該預(yù)定指標(biāo)元素可至少近似地籍由對(duì)各個(gè)參考值的上游確定而確定，
-藉由將該多個(gè)特征指標(biāo)元素投影至來(lái)自該多個(gè)特征指標(biāo)元素的給定定向以及長(zhǎng)度的減少了干擾的指標(biāo)元素來(lái)轉(zhuǎn)換該多個(gè)特征指標(biāo)元素，該減少了干擾的指標(biāo)元素關(guān)于該干擾信號(hào)分量的假設(shè)定向具有相異定向，其中該減少了干擾的指標(biāo)元素是籍由在考慮該預(yù)定指標(biāo)元素的該定向的情況下最優(yōu)化表達(dá)式來(lái)確定。
[0044]有利地，可利用本發(fā)明的用于提取信息的裝置來(lái)執(zhí)行該方法。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的甚至另一方面，提出一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包含程序代碼構(gòu)件，該程序代碼構(gòu)件用于使得計(jì)算機(jī)在該計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行于計(jì)算機(jī)上時(shí)執(zhí)行本發(fā)明的用于提取信息的方法的步驟。
[0046]在從屬權(quán)利要求中定義本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)理解，所主張的方法具有與所主張的裝置類(lèi)似和/或相同的且如在從屬權(quán)利要求中所定義的優(yōu)選實(shí)施例?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0047]通過(guò)參考以下描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是清楚的并得到闡述。在附圖中
圖1示出可使用本發(fā)明的裝置的總體布局的示意性說(shuō)明，
圖2示出信號(hào)空間的樣本示意性說(shuō)明，可將歸一化應(yīng)用于該信號(hào)空間，
圖3示出歸一化信號(hào)空間的樣本示意性說(shuō)明，其中說(shuō)明了預(yù)定指標(biāo)元素和減少了干擾的指標(biāo)元素，
圖4示出與圖3的信號(hào)空間相當(dāng)?shù)臍w一化信號(hào)空間的進(jìn)一步示意性說(shuō)明，
圖5示出信號(hào)空間的甚至進(jìn)一步示意性說(shuō)明，其中說(shuō)明了多個(gè)特征指標(biāo)元素，以及 圖6示出說(shuō)明性框圖，其表示根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例的若干步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0048]最近，使用傳感器(諸如，照相機(jī)或遠(yuǎn)程光學(xué)體積描記裝置)來(lái)對(duì)生命征兆(藉由實(shí)例，心跳、心率變化性以及呼吸速率)進(jìn)行不引人注目的監(jiān)視已得到證實(shí)?；旧希A(chǔ)算法追蹤由人(或一般地，生物)所發(fā)射或反射的平均信號(hào)(例如，所觀測(cè)的物體的皮膚的色彩或色調(diào))。所俘獲的信號(hào)可隨時(shí)間的過(guò)去而隨血容量及血氧合(blood oxygenation)而變化。然而，一般而言，此方法易受以下因素的影響:待觀測(cè)的物體的運(yùn)動(dòng)或傳感器相對(duì)照相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步地，感興趣的信號(hào)中的局部變化(例如，皮膚色調(diào));并且照明度改變和/或光譜改變，其一般被懷疑不利地影響監(jiān)視結(jié)果。換言之，待提取的信號(hào)嵌入于具有差的(也即，相當(dāng)小)信噪比的所俘獲的.信號(hào)中。
[0049]在此背景中，提出另外措施以籍由改善指示感興趣生命征兆的所嵌入的生命信號(hào)的魯棒性來(lái)增強(qiáng)從含噪聲的總信號(hào)提取感興趣的信號(hào)。當(dāng)旨在分析所俘獲的圖像幀序列時(shí)，一般而言，這可籍由在一時(shí)間間隔中歸一化平均膚色來(lái)達(dá)成，由此消除照明光譜的緩慢改變以及歸因于運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的平均膚色的緩慢改變的效應(yīng)。此外，可籍由照明歸一化調(diào)平(level)從而減小不穩(wěn)定的周?chē)彰鳁l件的影響來(lái)消除局部亮度變化的效應(yīng)。
[0050]可以說(shuō)，假定所檢測(cè)的信號(hào)(例如，膚色)在歸一化色彩條件以及歸一化局部照明條件下隨時(shí)間的過(guò)去的剩余變化至少在相當(dāng)大的程度上反映感興趣的生命信號(hào)的變化。當(dāng)進(jìn)一步將此預(yù)處理信號(hào)映射至信號(hào)空間時(shí)，該預(yù)處理信號(hào)可投影于其上，該信號(hào)空間包含被假設(shè)為至少近似地表示感興趣信號(hào)的假定范圍或定向的預(yù)定指標(biāo)元素(例如，所謂的心跳軸)。以此方式，可消除仍然保留于預(yù)處理信號(hào)中的含噪聲的信號(hào)分量，其與預(yù)定元素正交。
[0051]當(dāng)采用該方法以籍由實(shí)質(zhì)上從隨時(shí)間的過(guò)去的膚色改變得到生命信號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)該生命信號(hào)時(shí)，必須考慮到，作為在此方面的主要挑戰(zhàn)，生物(具體地，人)的皮膚是復(fù)雜的光學(xué)層。實(shí)質(zhì)上，皮膚由薄的表面層、表皮及真皮(其為置放于表皮下的較厚層)構(gòu)成。一般而言，皮膚的光反射發(fā)生于表皮表面處，其中僅小部分(例如，約近似5 % )的入射光被反射。入射光的剩余部分進(jìn)入皮膚，其中其被吸收并在皮膚層內(nèi)散射。換言之，表皮主要地吸收光；其具有光學(xué)濾光片的性質(zhì)，其中光取決于其波長(zhǎng)以及表皮中的黑色素濃度(即，皮膚的“色彩”)而被透射。光在真皮中進(jìn)一步被散射且減弱為漫反射抑或吸收于真皮中，最有可能被血液或毛發(fā)吸收。漫反射光含有信號(hào)，這是因?yàn)槠鋸?qiáng)度是籍由血容量分?jǐn)?shù)(blood volumefraction)的周期性改變而暫時(shí)調(diào)制。吸收主要地取決于血液的含量及其成份(諸如，血色素、膽紅素及β胡蘿卜素)。利用了這些特征，這是因?yàn)榭蓱?yīng)用圖像處理方法來(lái)檢測(cè)膚色細(xì)節(jié)的小變化(例如，歸因于血液循環(huán))。
[0052]就此而言，可設(shè)想藉由采用傳感器構(gòu)件(例如，照相機(jī))來(lái)執(zhí)行生命信號(hào)檢測(cè)，該傳感器構(gòu)件對(duì)所觀測(cè)物體的被假定為高程度指示所期望的信號(hào)的區(qū)域拍攝圖像。籍由實(shí)例，人的面頰可相當(dāng)?shù)乇硎倦S時(shí)間的過(guò)去的血液循環(huán)及與其有關(guān)的生命信號(hào)。為此，可計(jì)算并分析感興趣區(qū)域的像素平均值以便確定信號(hào)的至少部分地周期性的變化?？墒謩?dòng)地或藉由執(zhí)行用于檢測(cè)具有高程度代表性的皮膚區(qū)域的算法來(lái)選擇感興趣區(qū)域。
[0053]不言而喻，也可將已經(jīng)記錄的所儲(chǔ)存數(shù)據(jù)(例如，圖像序列或視頻數(shù)據(jù))用作待分析的輸入數(shù)據(jù)，以便檢測(cè)其中的生命信號(hào)的存在。
[0054]原則上，可如下應(yīng)用藉由視頻攝像機(jī)或遠(yuǎn)程PPG進(jìn)行的心跳檢測(cè):皮膚中歸因于心跳的血容量變化引起皮膚的隨時(shí)間的過(guò)去的色彩變化。可相應(yīng)地檢測(cè)并記錄各個(gè)皮膚區(qū)域。對(duì)圖像幀序列中表示皮膚區(qū)域的所選像素求平均值、檢測(cè)被求平均值的信號(hào)并且隨時(shí)間的過(guò)去來(lái)追蹤其可產(chǎn)生一信號(hào)形式(即，波形)，可自該信號(hào)形式獲得心跳(或總體而言，另一生命信號(hào))。
[0055]然而，如上文所提及，這種所謂的基本系統(tǒng)面臨以下挑戰(zhàn):心跳并非所提取的信號(hào)的變化的唯一原因。皮膚相對(duì)于照相機(jī)(也即，傳感器構(gòu)件)的微小移動(dòng)以及暫時(shí)的照明改變可被視為可容易地超過(guò)純心跳信號(hào)的振幅若干數(shù)量級(jí)的噪聲的主要來(lái)源。
[0056]又，當(dāng)籍由實(shí)質(zhì)上從由相機(jī)所俘獲的隨時(shí)間的過(guò)去的膚色改變而得到生命信號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)其時(shí)，可設(shè)想，對(duì)于已知的照明光譜、照相機(jī)中的彩色濾光片的已知敏感性以及皮膚的已知的彩色濾光效應(yīng)而言，改善信噪比可為可行的，這是因?yàn)榭深A(yù)測(cè)感興趣的色彩改變依賴(lài)于色空間中的已知向量。通過(guò)將所測(cè)量的信號(hào)投影于此向量上，有可能消除導(dǎo)致與此向量正交的噪聲的偽像。
[0057]當(dāng)進(jìn)一步針對(duì)從被空間地求平均值的皮膚反射光或輻射提取心跳信號(hào)時(shí)，應(yīng)了解消除照明的時(shí)變光譜的效應(yīng)，其可改變心跳信號(hào)在信號(hào)空間中的方向且一般而言可由于在具有光譜不同的光源的環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)或相對(duì)于彩色反射表面的運(yùn)動(dòng)而引起。
[0058]此外，消除局部膚色的空間變化效應(yīng)可以是期望的，這可由以下事實(shí)產(chǎn)生:并非總是相同的膚色位置被求平均值，又有可能籍由運(yùn)動(dòng)及由于某種不完美的膚色檢測(cè)而誘發(fā)。
[0059]在陳述照明的時(shí)變光譜之后，可設(shè)想將籍由傳感器構(gòu)件所使用的信號(hào)空間(例如，色空間)變換為歸一化信號(hào)空間，在該歸一化信號(hào)空間中，相對(duì)緩慢的色彩改變(原則上，其并非感興趣的)不具有效應(yīng)。要在照度歸一化之后、之前抑或與其一起執(zhí)行的另一步驟是基于以下領(lǐng)會(huì):待觀測(cè)的物體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和/或相機(jī)相對(duì)于物體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)致使難以或甚至不可能追蹤感興趣像素區(qū)域的位置。由于更大的皮膚像素區(qū)域展現(xiàn)歸因于心跳和/或血氧合的色彩變化，因此可有利地僅追蹤歸因于運(yùn)動(dòng)等而具有可變組合的所謂圖案的皮膚像素的平均值的改變。為此，盡管運(yùn)動(dòng)自身可引起亮度變化，但應(yīng)進(jìn)一步提出在對(duì)個(gè)別皮膚像素求平均值之前歸一化其亮度。
[0060]又，不用說(shuō)，可隨意地選擇該兩個(gè)步驟的次序，并且兩個(gè)選項(xiàng)促成改善的信噪比。
[0061]可籍由將所檢測(cè)的信號(hào)投影于至少近似地固定的預(yù)定指標(biāo)元素(例如，以經(jīng)驗(yàn)方式確定的心跳向量)上以及籍由將帶通濾波應(yīng)用于所提取的信號(hào)形式來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)從經(jīng)平均值歸一化的皮膚像素的時(shí)間變化來(lái)提取生命信號(hào)。這種后處理利用感興趣生命信號(hào)的頻率大體處于已知頻率范圍內(nèi)的事實(shí)。
[0062]兩個(gè)歸一化步驟的另一優(yōu)點(diǎn)是所得膚色像素最終應(yīng)在很大程度上彼此類(lèi)似，也即，可容易地檢測(cè)并消除以信號(hào)形式保留(例如，歸因于不精確的初始膚色檢測(cè))的離群值(outlier)(例如,基于非人為偽像)。
[0063]應(yīng)注意，遍及此文件，向量和矩陣未必由連續(xù)文字部分中的單獨(dú)向量箭頭表示。具體地，應(yīng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉敘述的是標(biāo)量值或向量值。
[0064]藉由實(shí)例，可假定生物的皮膚中的血容量改變(例如，歸因于心跳)引起藉由皮膚所反射或發(fā)射的電磁輻射的色彩改變。顯然，顯而易見(jiàn)，可利用反射光以從其得到感興趣輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)藉由(例如，在RGB或類(lèi)似的色空間，或一般地，信號(hào)空間的范圍中為敏感的)多光譜照相機(jī)來(lái)檢視時(shí)，在位置X和時(shí)間t的所登記(register)的色彩改變慫，..;dCu:J).!
【權(quán)利要求】
1.一種用于從所檢測(cè)的特征信號(hào)提取信息的裝置，其包含: -界面(18)，其用于接收可來(lái)自從物體(11)所發(fā)射或反射的電磁輻射(14)的數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)，該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)包含包括生理信息(48)的連續(xù)或離散的特征信號(hào)(13)，該生理信息(48)表示至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)(12)， -提取器構(gòu)件(20)，其用于從該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)提取該生理信息(48)，該提取器構(gòu)件(20)從該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)得到多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)，該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)指示該生理信息(48)和干擾信號(hào)分量(58)，其中該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)與表示該電磁輻射(14)的特征的信號(hào)空間(36)相關(guān)聯(lián)，該信號(hào)空間(36)包含具有指示參考生理信息的設(shè)定定向的預(yù)定指標(biāo)元素(46)，該預(yù)定指標(biāo)元素(46)可至少近似地藉由對(duì)各個(gè)參考值的上游確定而確定， -轉(zhuǎn)換器構(gòu)件(22)，其用于籍由將該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)投影至來(lái)自該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)的給定定向及長(zhǎng)度的減少了干擾的指標(biāo)元素(64)來(lái)轉(zhuǎn)換該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)，該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)關(guān)于該干擾信號(hào)分量(58)的假設(shè)定向具有相異定向，其中該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)籍由在考慮該預(yù)定指標(biāo)元素(46)的該定向的情況下最優(yōu)化表達(dá)式而確定。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進(jìn)一步包含分析構(gòu)件(24)，該分析構(gòu)件(24)用于確定投影型指標(biāo)元素(66)的時(shí)間變化，并用于檢測(cè)由該生理信息(48)所表示的該至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)(12)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該分析構(gòu)件(24)經(jīng)進(jìn)一步調(diào)適以補(bǔ)償該投影型指標(biāo)元素(66 )與具有該設(shè)定定向的該預(yù)定指標(biāo)元素(46 )之間的角偏移(70 )。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)為一組差值向量，其表示該連續(xù)或離散的特征信號(hào)(13)在該信號(hào)空間(36)中的時(shí)間變化。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進(jìn)一步包含傳感器構(gòu)件(16)，該傳感器構(gòu)件(16)用于檢測(cè)在選自由以下各項(xiàng)組成的組的至少一個(gè)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射(14):可見(jiàn)光、紅外光和紫外輻射，該傳感器構(gòu)件(16)可連接至該界面(18)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該傳感器構(gòu)件(16)包含照相機(jī)，該照相機(jī)經(jīng)調(diào)適以用于在選自由以下各項(xiàng)組成的組的信號(hào)空間(36)內(nèi)俘獲信號(hào):RGB、sRGB、Rg色度、HSV、HSL、CMYK、YPbPr、YCbCr 以及 xvYCC。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)(12)選自由以下各項(xiàng)組成的組:心跳、呼吸速率以及心率變化性。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該信號(hào)空間(36)為歸一化色空間，其中至少一個(gè)自由度(38、40、42 )籍由歸一化處理來(lái)至少暫時(shí)地補(bǔ)償。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該提取器構(gòu)件(20)進(jìn)一步包括歸一化構(gòu)件，該歸一化構(gòu)件用于籍由以下步驟而將該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)轉(zhuǎn)移至該信號(hào)空間(36)中:藉由將原色的各個(gè)確定組合應(yīng)用于該數(shù)據(jù)流的色彩表示性分量來(lái)歸一化嵌入于該數(shù)據(jù)流(76、78、80,82)中的實(shí)際照度值，和/或藉由將該數(shù)據(jù)流的各個(gè)時(shí)間平均值應(yīng)用于其色彩表示性分量的實(shí)際值來(lái)歸一化該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82 )的色彩強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該分析構(gòu)件(24)進(jìn)一步包含濾波器構(gòu)件，該濾波器構(gòu)件用于對(duì)該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)濾波且用于在0.2Hz與IOHz之間、優(yōu)選在0.5Hz與.3.5Hz之間的帶寬下增強(qiáng)信號(hào)分量(106)。
11.如權(quán)利要求2所述的裝置，其進(jìn)一步包含處理單元(26)，該處理單元(26)包括該提取器構(gòu)件(20)、該轉(zhuǎn)換器構(gòu)件(22)以及該分析構(gòu)件(24)。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該轉(zhuǎn)換器構(gòu)件(22)經(jīng)調(diào)適以用于籍由定義包含由該提取器構(gòu)件(20)所得到的一組特征指標(biāo)元素值的數(shù)據(jù)集以及藉由執(zhí)行該數(shù)據(jù)集至坐標(biāo)系統(tǒng)的變換、優(yōu)選為實(shí)質(zhì)上正交線(xiàn)性變換來(lái)確定該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)，其中其占優(yōu)勢(shì)的分量與該坐標(biāo)系統(tǒng)的軸對(duì)準(zhǔn)，且其中該占優(yōu)勢(shì)的分量與該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)重合。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中加權(quán)函數(shù)用于確定該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)，以便使該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)收斂至該預(yù)定指標(biāo)元素(46)。
14.一種用于從所檢測(cè)的特征信號(hào)提取信息的方法，其包含以下步驟: 接收可來(lái)自從物體(11)所發(fā)射或反射的電磁輻射(14 )的數(shù)據(jù)流(76、78、80、82 )，該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)包含包括生理信息(48)的連續(xù)或離散的特征信號(hào)(13)，該生理信息(48)表示至少一個(gè)至少部分地周期性的生命信號(hào)(12)， 藉由從該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)得到多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)而從該數(shù)據(jù)流(76、78、80、82)提取該生理信息(48)，該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)指示該生理信息(48)和干擾信號(hào)分量(58)，其中該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)與表示該電磁輻射(14)的特征的信號(hào)空間(36)相關(guān)聯(lián)，該信號(hào)空間(36)包含具有指示參考生理信息的設(shè)定定向的預(yù)定指標(biāo)元素(46)，該預(yù)定指標(biāo)元素(46)可至少近似地籍由對(duì)各個(gè)參考值的上游確定而確定， 籍由將該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)投影至來(lái)自該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)的給定定向及長(zhǎng)度的減少了干擾的指標(biāo)元素(64)來(lái)轉(zhuǎn)換該多個(gè)特征指標(biāo)元素(50)，該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)關(guān)于該干擾信號(hào)分量(58)的假設(shè)定向具有相異定向，其中該減少了干擾的指標(biāo)元素(64)籍由在考慮該預(yù)定指標(biāo)元素(46)的該定向的情況下最優(yōu)化表達(dá)式而確定。
15.一種包含程序代碼構(gòu)件的計(jì)算機(jī)程序，該程序代碼構(gòu)件用于使得計(jì)算機(jī)在該計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行于計(jì)算機(jī)上時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求14所述的方法的步驟。
【文檔編號(hào)】A61B5/024GK103429144SQ201280004738
【公開(kāi)日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月5日
【發(fā)明者】A.J.范里斯特, G.德哈安, W.維克魯伊斯塞 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司