用于提取生理信息的設備和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于從遠程檢測到的由對象發(fā)射或反射的電磁輻射提取生理信息的 設備和方法，其中，所述生理信息被嵌入在包括表示感興趣區(qū)域的信號樣本的序列的數(shù)據(jù) 流中，所述信號樣本的序列展示了包括指示至少一個至少部分周期性的生命信號的生理信 息的連續(xù)或離散的特征信號。
【背景技術】
[0002] US2011/0251493Al公開了一種用于測量生理參數(shù)的方法，所述方法包括：
[0003] _捕獲人臉的圖像的序列；
[0004] -在捕獲到的圖像的幀中識別臉的位置，并且建立包括臉的感興趣區(qū)域；
[0005]-將幀中的感興趣區(qū)域中的像素分成形成隨時間的原始軌跡的至少兩個通道值；
[0006]-將原始軌跡分解成至少兩個獨立的源信號；并且
[0007]-處理源信號中的至少一個以獲得生理參數(shù)。
[0008] 該文檔還公開了對所述方法的若干細化。具體而言，設想了對遠程光學體積描記 (PPG)分析的使用。光學體積描記法是公知的光學測量方法，所述光學測量方法能夠被用來 檢測被監(jiān)測對象的組織的微血管床中的血液體積變化。常規(guī)PPG方法包括所謂的接觸PPG。 接觸PPG需要基本必須被附接到對象的皮膚的測量部件（例如，光源或光電探測器）。因 此，標準光學體積描記包括例如經(jīng)由被固定到對象的耳垂或指尖的收發(fā)器單元的干擾式測 量。因此，遠程PPG測量通常被體驗為不愉快的。
[0009] 通常，標準（或者：接觸）PPG設備包括將被直接附接到待觀察的對象的諸如皮膚 部分的指示表面的人工光源。以這種方式，實現(xiàn)了對不利影響的避免或減少。例如，能夠 解決由其他（或者：環(huán)境）光源引起的潛在干擾入射輻射和不期望的目標相對于光源的運 動。對應地，諸如至少一個光電二極管的接收器或檢測器也被緊密地固定到對象的感興趣 皮膚貼片。在收發(fā)器單元太堅固地被固定于對象以至于避免了對象相對于裝備的移動的情 況下，信號質量也能夠例如由于不期望的組織壓縮而下降。
[0010] 最近，應用非干擾式測量的遠程PPG方法已經(jīng)被介紹?；旧?，遠程光學體積描記 法利用遠離感興趣對象設置的光源或一般為輻射源。優(yōu)選地，對于一些應用，甚至利用容易 可用的現(xiàn)有（環(huán)境）光源而不是限定的特殊用途光源。例如，能夠利用人造光源和/或自 然光源。因此，在遠程PPG環(huán)境中，預計由于廣泛變化的照明條件，檢測到的信號一般提供 非常小的信噪比。類似地，諸如相機的檢測器也能夠遠離遠程PPG測量的感興趣對象設置。 因此，遠程光學體積描記系統(tǒng)和設備被認為是非干擾式的，并且能夠適于且非常適合于日 常應用。應用的領域可以包括非干擾式住院護理和門診監(jiān)測以及甚至休閑和健身應用。在 這一點上，被觀察對象能夠在遠程PPG測量期間享受到特定的移動的自由度被認為是有益 的。
[0011] 因此，與標準（干擾式）光學體積描記法相比，遠程（非干擾式）光學體積描記法 更易于受畸變和噪聲影響。不期望的對象相對于檢測器和/或輻射源的運動能夠極大地影 響信號檢測。具體而言，遠程光學體積描記設備經(jīng)常經(jīng)受變化的總體照明條件。因此，預計 檢測到的信號幾乎總是被噪聲和畸變損壞。
[0012] 另外，遠程光學體積描記法測量結果可能遭受包括至少部分對象的皮膚組織的感 興趣區(qū)域中的所謂鏡面反射?；旧希鲧R面發(fā)射被稱為入射輻射在表面處的"鏡狀"反 射。鏡面反射也可以發(fā)生在生物的皮膚表面處。這尤其適用于油性皮膚部分并且一般適用 于具有相當黑（高黑色素含量）的皮膚的對象。由于經(jīng)受鏡面反射的皮膚部分基本上在一 定程度上對皮膚的表面處的入射輻射進行鏡像，所以經(jīng)反射的輻射只包含穿透皮膚組織而 得到的部分。因此，具有鏡面反射部分的輻射被認為不直接指示期望的生命信號。
[0013] 總的來說，遠程PPG仍被認為對信號檢測和信號處理造成重大挑戰(zhàn)。由于記錄的 數(shù)據(jù)，例如捕獲到的經(jīng)反射或發(fā)射的電磁輻射（例如記錄的圖像幀）除了將要從其中提取 的期望的信號之外總是包括根據(jù)諸如由于照明條件變化（包括鏡面反射）的噪聲和被觀察 對象與檢測傳感器之間的相對移動的總體干擾導出的另外的信號分量，對期望的信號的詳 細精確提取仍被認為對現(xiàn)有檢測方法和處理算法造成重大問題。
[0014]作為補救，US2011/0251493Al建議通過獨立成分分析（ICA)來對例如與由RGB圖像檢測布置提供的每個波長通道相對應的導出的通道數(shù)據(jù)進行處理，通過獨立成分分析 (ICA)得到單獨的信號分量。在公開的范例中，這些信號分量是三個信號分量。例如，這些 信號分量中的一個包括與待檢測的生命體征相關的期望的信息。然而，包含期望的信息的 信號分量的結果可能因情況而變化。為了選擇正確的信號分量，建議利用周期性信號特征 來識別信號分量。這還通過將時間相關的信號分量變換到頻域中以分析功率譜來進一步分 析。
[0015] 除了對于計算資源的需求以外，所提出的方法還需要高達一分鐘的顯著信號長 度，以便能夠通過這種到頻域中的變換來實現(xiàn)對正確的信號分量的有用識別。另外，所提出 的方法依賴于這樣的假設：在執(zhí)行ICA之后僅有的周期性信號是包含生命體征數(shù)據(jù)的期望 信號分量。然而，也能夠是例如前述鏡面反射也可以得到周期性信號分量的情形。通過舉 例的方式，這可以是在待監(jiān)測的對象以周期性方式例如在健身房中的鍛煉設備上移動的應 用中的情況。在這樣的示范性設置中，所提出的方法具有在ICA之后選擇正確信號分量的 困難并且將提供錯誤的生命體征數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于從遠程檢測到的由對象發(fā)射或反射的電磁輻 射提取生理信息的設備和方法，所述設備和方法更有效并且需求更少的時間和資源，并且 所述設備和方法還優(yōu)選在選擇正確的信號分量時更具確定性，由此避免檢測誤差。
[0017] 在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種用于從遠程檢測到的由對象發(fā)射或反射的電 磁輻射提取生理信息的設備，所述設備包括：
[0018] _接口，其用于接收根據(jù)檢測到的電磁輻射導出的數(shù)據(jù)流，所述數(shù)據(jù)流包括表示感 興趣區(qū)域的信號樣本的至少一個序列，所述信號樣本的至少一個序列展示包括指示至少一 個至少部分周期性的生命信號的生理信息的連續(xù)或離散的特征信號，并且所述數(shù)據(jù)流包括 至少兩個波長分量，
[0019]-變換單元，其被配置用于確定并提供適用于根據(jù)所述信號樣本的至少一個序列 的所述至少兩個波長分量導出至少一個信號分量的至少一個系數(shù)分量，
[0020] _系數(shù)選擇單元，其用于選擇一個系數(shù)分量，以及
[0021] -信號分量單元，其用于基于所選擇的系數(shù)分量和所述信號樣本的至少一個序列 來提供信號分量，
[0022] 所述設備優(yōu)選地還包括：
[0023] _信號處理單元，其用于提供來自所述信號分量的期望的生理信息。
[0024] 如在本發(fā)明的上下文內(nèi)使用的術語"波長分量"應當被理解為所述信號樣本的至 少一個序列的表示特定波長或波長范圍的分量。常見的非限制性范例是RGB信號中的三個 波長分量。然而，可以選擇包括至少兩個波長分量的任何其他格式的信號。
[0025] 如在本發(fā)明的上下文內(nèi)使用的術語"信號分量"應當被理解為基于由所述接口接 收到的所述數(shù)據(jù)流的所述信號樣本的至少一個序列的分量的信號樣本的序列并且還是由 所述接口接收到的所述數(shù)據(jù)流的所述信號樣本的至少一個序列的分量，在下文中還是信號 樣本的輸入序列。提供這些"信號分量"的示范性方式可以是通過使用被應用到所述信號 樣本的輸入序列的權重系數(shù)或系數(shù)向量。這些系數(shù)分量可以是基于所述信號樣本的輸入序 列本身的并且能夠例如通過盲源分離（BSS)方法來提供。通過舉例的方式，這些BSS方法 包括獨立成分分析（ICA)或主成分分析（PCA)。
[0026] 如在本發(fā)明的上下文內(nèi)使用的術語"系數(shù)分量"應當被理解為被應用到所述信號 樣本的輸入序列的系數(shù)或系數(shù)向量，提供對應的信號分量。這樣的"系數(shù)分量"可以通過諸 如示范性提到的BSS方法的方法被提供為系數(shù)分量的集合，并且其中還被用于提供期望的 信號分量。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這樣的系數(shù)分量還可以被確定為單個系數(shù)（向量），而 不是自動地提供系數(shù)分量的集合，如在確立的BSS方法中就是這樣。
[0027] 盡管之前單獨地被提到，但是所述變換單元和所述系數(shù)選擇單元還可以被實現(xiàn)為 單個（組合的）單元。
[0028] 在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種用于從遠程檢測到的由對象發(fā)射或反射的電 磁輻射提取生理信息的方法，所述方法包括以下步驟：
[0029] _接收根據(jù)檢測到的電磁輻射導出的數(shù)據(jù)流，所述數(shù)據(jù)流包括表示感興趣區(qū)域的 信號樣本的序列，所述信號樣本的序列展示包括指示至少一個至少部分周期性的生命信號 的生理信息的連續(xù)或離散的特征信號，并且所述數(shù)據(jù)流包括至少兩個波長分量，
[0030] -根據(jù)所述至少兩個波長分量確定并提供至少一個系數(shù)分量，
[0031] -選擇一個系數(shù)分量，并且
[0032] _基于所選擇的系數(shù)分量和所述信號樣本的序列來提供信號分量，所述方法優(yōu)選 地還包括以下步驟：
[0033] _基于所述信號分量來提供所述生理信息。
[0034] 關于所述系數(shù)選擇單元或者選擇