УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ СУБЪЕКТА

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения показателей жизненно важных функций субъекта, такого как человек или животное.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основные показатели жизнедеятельности человека, например частота сердечных сокращений (HR), частота дыхания (RR) или насыщение крови кислородом, служат индикаторами текущего состояния человека и позволяют предсказывать серьезные медицинские события. По этой причине показатели жизненно важных функций экстенсивно отслеживаются в учреждениях для стационарного и амбулаторного лечения, в домашних условиях или других учреждениях для охраны здоровья, досуга и фитнеса.

Одним способом измерения показателей жизненно важных функций является плетизмография. Плетизмография обычно относится к измерению изменений объема органа или части тела, и в частности к обнаружению изменений объема благодаря сердечно-сосудистой пульсовой волне, проходящей через тело субъекта при каждом сердцебиении.

Фотоплетизмография (ФПГ) является оптической техникой измерений, которая оценивает изменения во времени коэффициента отражения или пропускания света исследуемой области или объема. ФПГ основана на том принципе, что кровь поглощает свет больше чем окружающая ткань, так что вариации объема крови с каждым сердцебиением влияют соответственно на коэффициент пропускания или отражения. Помимо информации о частоте сердечных сокращений, форма волны ФПГ может включать в себя информацию, которую можно приписать дополнительным физиологическим явлениям, таким как дыхание. Путем оценки пропускания и/или отражения на различных длинах волн (обычно красных и инфракрасных) может быть определено насыщение крови кислородом.

Обычные пульсоксиметры (также называемые в настоящем документе контактным ФПГ устройством) для измерения частоты сердечных сокращений и насыщения кислородом (артериальной) крови (также называемого SpO2) субъекта прикрепляются к коже субъекта, например к кончику пальца, мочке уха или лбу. Поэтому они упоминаются как «контактные» ФПГ устройства. Типичный пульсоксиметр содержит светоизлучающий диод (СИД) красного свечения и СИД инфракрасного свечения в качестве источников света и один фотодиод для обнаружения света, прошедшего через ткань пациента. Коммерчески доступные пульсоксиметры быстро переключаются между измерениями на красной и инфракрасной длине волны и таким образом измеряют пропускание одной и той же области или объема ткани на двух различных длинах волн. Это упоминается как мультиплексирование с разделением по времени. Пропускание во времени на каждой длине волны дает формы ФПГ волны для красной и инфракрасной длин волн. Хотя контактная ФПГ рассматривается как в основном неинвазивный метод, контактное ФПГ измерение часто воспринимается как неприятное, так как пульсоксиметр присоединяется непосредственно к субъекту, и его кабели ограничивают свободу перемещения.

В последнее время были введены бесконтактные, дистанционные ФПГ устройства (ДФПГ) для незаметных измерений (также называемые в настоящем документе устройством с ДФПГ-камерой). Дистанционная ФПГ использует источники света или, в общем случае, источники излучения, расположенные удаленно от исследуемого субъекта. Аналогичным образом детектор, например, камера или фотодетектор, может быть расположен удаленно от исследуемого субъекта. Следовательно, дистанционные ФПГ системы и устройства рассматриваются как незаметные и хорошо подходящие для медицинских, а также немедицинских ежедневных применений. Однако дистанционные фотоплетизмографические устройства как правило обеспечивают более низкое отношение «сигнал-шум».

Публикация Verkruysse et al., «Remote plethysmographic imaging using ambient light», Optics Express, 16(26), 22 December 2008, pp. 21434-21445 демонстрирует, что фотоплетизмографические сигналы могут быть измерены дистанционно с использованием рассеянного света и обычной видеокамеры потребительского уровня, используя красный, зеленый и синий каналы цветности.

Публикация Wieringa, et al., «Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward «SpO2 Camera» Technology», Ann. Biomed. Eng. 33, 1034-1041 (2005) раскрывает дистанционную ФПГ систему для бесконтактной визуализации артериального насыщения кислородом в ткани, основанную на измерении плетизмографических сигналов на различных длинах волн. Эта система содержит монохромную КМОП-камеру и источник света с СИДами трех различных длин волн. Камера последовательно получает три видеоряда субъекта на трех различных длинах волн. Частота пульса может быть определена из видеоряда на одной длине волны, тогда как по меньшей мере два видеоряда на различных длинах волн требуются для того, чтобы определить насыщение кислородом. Измерения выполняются в темной комнате, используя только одну длину волны за один раз.

С использованием ФПГ технологии могут быть измерены показатели жизненно важных функций, которые выявляются посредством небольших изменений поглощения света в коже, вызываемых пульсацией объема крови, то есть периодическими изменениями цвета человеческой кожи, вызываемыми пульсацией объема крови. Поскольку этот сигнал является очень слабым и скрыт в намного больших изменениях вследствие изменений освещения и движения, существует общий интерес к улучшению фундаментально низкого отношения «сигнал-шум» (SNR). Все еще существуют ситуации с интенсивным движением, сложными условиями освещения или высокой точности, требуемой приложением, в которых требуются улучшенная надежность и точность устройств и способов измерения показателей жизненно важных функций, особенно для более критических приложений здравоохранения.

US 2005/197579 A1 раскрывает способ и устройство для обнаружения наличия смешанной пульсации венозной и артериальной крови в ткани, включающие в себя прием первого и второго сигналов электромагнитного излучения от перфузируемой кровью части ткани, соответствующего инфракрасным и красным длинам волн света, получение меры разности фаз между первым и вторым сигналами электромагнитного излучения, сравнение этой меры с пороговым значением для того, чтобы сформировать сравнение, а также обнаружение наличия или отсутствия венозной пульсации с использованием этого сравнения.

US 2006/217615 A1 раскрывает определение клинического стресса субъекта. Для того чтобы осуществить несложный и экономичный способ для мониторинга стрессового статуса субъекта, данные плетизмографического сигнала получаются от субъекта, и из них выводится первый сигнал измерения, который указывает на заранее заданный признак дыхательной модуляции, появляющейся в упомянутых данных сигнала. Затем на основе первого сигнала измерения формируется сигнал индекса, и этот сигнал индекса используется в качестве индекса, указывающего на клинический стресс субъекта.

WO 2013/027027 A2 раскрывает способ дистанционного мониторинга показателей жизненно важных функций путем обнаружения ФПГ сигнала в изображении субъекта, получаемом с помощью видеокамеры, такой как веб-камера. ФПГ сигнал идентифицируется с помощью авторегрессионного анализа рассеянного света, отраженного от интересующей области на коже субъекта. Частотные составляющие рассеянного света и искажающие артефакты, проистекающие из частоты кадров видеокамеры, компенсируются с помощью авторегрессионного анализа рассеянного света, отраженного от области исследования, расположенной не на коже субъекта, например на заднем плане. Это позволяет выявить спектральные характеристики рассеянного света, что в свою очередь позволяет идентифицировать ФПГ сигнал субъекта. Частота сердечных сокращений, насыщение кислородом и частота дыхания получаются из ФПГ сигнала. Эти значения могут быть скомбинированы в индекс хорошего здоровья на основе их статистического анализа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в предоставлении улучшенных устройства и способа для определения показателей жизненно важных функций субъекта, имеющих повышенное отношение «сигнал-шум» и эффективность уменьшения артефактов, вызванных искажениями, в частности за счет движения субъекта.

В первом аспекте настоящего изобретения устройство для определения показателей жизненно важных функций субъекта, содержащее:

- интерфейс для приема периодического фотоплетизмографического (ФПГ) сигнала, получаемого от субъекта с помощью ФПГ измерения,

- блок разделения сигнала для разделения ФПГ сигнала во времени на множество ФПГ подсигналов, покрывающих половину периода или кратных половине периода,

- блок нормализации для нормализации ФПГ сигнала перед разделением и/или ФПГ подсигналов по времени и/или амплитуде,

- блок комбинирования сигнала для комбинирования нескольких нормализованных ФПГ подсигналов, чтобы получить комбинированный ФПГ подсигнал, и

- процессор показателя жизненно важной функции для вывода требуемого показателя жизненно важной функции из ФПГ сигнала, одного или более комбинированных ФПГ подсигналов или улучшенного ФПГ сигнала, получаемого путем последовательного расположения нескольких комбинированных ФПГ подсигналов.

В следующем аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ.

В дополнительных аспектах настоящего изобретения предлагаются компьютерная программа, которая включает в себя средства программного кода для того, чтобы заставить компьютер выполнять этапы способа, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере, а также невременный машиночитаемый носитель записи, на котором хранится компьютерный программный продукт, который будучи выполняемым компьютерным процессором вызывает выполнение способа, раскрытого в настоящем документе.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определяются в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ, компьютерная программа и носитель записи имеют сходные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления с заявленным устройством, и как это определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее улучшения сигнала посредством улучшения формы волны (то есть ФПГ сигналов), получаемой либо от контактного ФПГ или от устройства с ДФПГ-камерой. По возможности адаптивная последняя история формы волны от биения к биению нормализуется по времени и/или амплитуде и комбинируется для того, чтобы создать улучшенную (или синтезированную) форму волны с более релевантным физиологическим значением. Эта улучшенная форма волны используется по меньшей мере частично для замещения или дополнения фактической формы волны от биения к биению для того, чтобы произвести улучшенный пульсовой сигнал в реальном времени (то есть улучшенный ФПГ сигнал). Один или более показателей жизненно важных функций может быть затем получен с более высокой точностью и надежностью из первоначального ФПГ сигнала, одного или более комбинированных ФПГ подсигналов или улучшенного ФПГ сигнала, получаемого путем последовательного расположения нескольких комбинированных ФПГ подсигналов.

Например, в одном варианте осуществления предлагается вычислять комбинированный ФПГ подсигнал и отображать (необязательно нормализованный (по времени и амплитуде)) ФПГ подсигнал в дополнение к необработанному (первоначальному) ФПГ сигналу. В этом случае информация о форме могла бы наблюдаться на (однопериодном, неподвижном на экране) комбинированном ФПГ подсигнале, в то время как регулярность могла бы наблюдаться на (возможно не улучшенном и перемещающемся на экране) первоначальном ФПГ сигнале.

В другом варианте осуществления несколько комбинированных ФПГ подсигналов располагаются последовательно для получения улучшенного ФПГ сигнала, из которого затем получаются один или более показателей жизненно важных функций.

Таким образом, путем использования и/или комбинирования нормализованных ФПГ подсигналов для вывода показателей жизненно важных функций отрицательные эффекты искажений и движения эффективно уменьшаются.

Получающийся улучшенный ФПГ сигнал воспроизводится при неоднократном измерении на идентичных сегментах кожи, в то время как он предпочтительно является разным при измерении в различных местоположениях, или на людях с известными патологиями. Это создает возможность новых применений для технологии дистанционной ФПГ, которые в настоящее время демонстрируются только с помощью контактных ФПГ датчиков. Та же самая технология может быть дополнительно применена для того, чтобы поднять качество сигналов, получаемых от контактных ФПГ датчиков, на более высокий уровень.

Взаимодействие электромагнитного излучения, в частности света, с биологической тканью является сложным и включает в себя (оптические) процессы (множественного) рассеивания, обратного рассеивания, поглощения, пропускания и (диффузного) отражения. Использованный в контексте настоящего изобретения термин «отражать» не должен рассматриваться как ограниченный только зеркальным отражением, но содержит вышеупомянутые типы взаимодействия электромагнитного излучения, в частности света, с тканью, а также любые их комбинации.

Использованный в контексте настоящего изобретения термин «показатель жизненно важных функций» относится к некоторому физиологическому параметру субъекта (то есть живого существа), а также к производным от него параметрам. В частности, термин «показатель жизненно важных функций» представляет собой сигнал пульсации объема крови, частоту сердечных сокращений (HR) (иногда также называемую частотой пульса), изменчивость частоты сердечных сокращений (изменчивость частоты пульса), стабильность пульсового давления, перфузию, индикатор перфузии, изменчивость перфузии, волны Траубе-Херинга-Майера, частоту дыхания (RR), температуру тела, кровяное давление, концентрацию некоторого вещества в крови и/или ткани, такую как насыщение (артериальной) крови кислородом или уровень глюкозы. Кроме того, «показатель жизненно важных функций» обычно включает в себя показатели нормального состояния, получаемые из формы ФПГ сигнала (например, форма может что-то сказать о частичном закупоривании артерии (например, форма, полученная из ФПГ сигналов руки, становится более синусоидальной при наложении на руку пневматической манжеты), или о толщине кожи (например, ФПГ сигнал от лица отличается от ФПГ сигнала от руки), или возможно даже о температуре, и т.д.).

Использованный в контексте настоящего изобретения термин «информация о показателе жизненно важной функции» содержит один или более измеренных показателей жизненно важных функций, как было определено выше. Кроме того, он содержит данные, относящиеся к некоторому физиологическому параметру, соответствующие следам формы волны, или данные, относящиеся к изменению некоторого физиологического параметра во времени, которые могут служить для последующего анализа.

Для того чтобы получить сигнал информации о показателях жизненно важных функций субъекта, оцениваются сигналы данных областей пиксела кожи внутри области кожи. Здесь «область пиксела кожи» означает область, содержащую один пиксел кожи или группу смежных пикселов кожи, то есть сигнал данных может быть выведен для единственного пиксела или для группы пикселов кожи.

В одном варианте осуществления упомянутый блок комбинирования сигнала выполнен с возможностью последовательно располагать комбинированные ФПГ подсигналы в соответствии с хронологическим порядком нормализованных ФПГ подсигналов, из которых они были получены. Предпочтительно упомянутый блок комбинирования сигнала выполнен с возможностью комбинирования заранее заданного количества последовательных нормализованных ФПГ подсигналов, расположенных в пределах некоторого временного окна, чтобы получить комбинированный ФПГ подсигнал, причем временное окно сдвигается во времени для каждого комбинированного ФПГ подсигнала. Таким образом, своего рода скользящее временное окно, которое сдвигается во времени, используется для выбора нормализованных ФПГ подсигналов, которые комбинируются в комбинированный ФПГ подсигнал. Таким образом, первоначальная временная последовательность ФПГ сигнала может быть реконструирована.

В другом варианте осуществления упомянутый блок разделения сигнала выполнен с возможностью обнаружения пересечений с нулем и/или экстремумов (пиков и/или впадин) ФПГ сигнала и использования обнаруженных пересечений с нулем и/или экстремумов для разделения ФПГ сигнала. Например, ФПГ подсигналы, полученные с помощью этого разделения, могут охватывать половину периода (например, от одного пересечения с нулем до следующего пересечения с нулем или от пика до последующей впадины) или полный период (например, от одного пика до следующего пика, от одной впадины до следующей впадины или от одного пересечения с нулем до следующего пересечения с нулем). Последующая нормализация по времени затем гарантирует, что продолжительности ФПГ подсигналов являются равными.

Предпочтительно блок нормализации выполнен с возможностью нормализации ФПГ сигнала перед разделением путем обнаружения экстремумов ФПГ сигнала, проведения первой кривой через обнаруженные пики и второй кривой через обнаруженные впадины, вычитания мгновенного среднего значения первой и второй кривых из мгновенного значения ФПГ сигнала и деления получаемого мгновенного значения на мгновенное значение разности первой и второй кривых, чтобы получить нормализованную величину ФПГ сигнала. Это обеспечивает дополнительное улучшение точности и надежности получаемых показателей жизненно важных функций.

Предпочтительно блок нормализации выполнен с возможностью повторения нормализации до тех пор, пока не будет соблюдено условие остановки, или пока значение нормализованного сигнала, получаемое благодаря нормализации, сходится, посредством чего отношение сигнал-шум улучшенного ФПГ сигнала потенциально может быть дополнительно улучшено.

Для комбинирования нормализованных ФПГ подсигналов существуют различные варианты. В одном варианте осуществления блок комбинирования сигнала выполнен с возможностью генерировать среднее значение, взвешенное среднее значение или усеченное среднее значение из двух или более нормализованных ФПГ подсигналов, в частности, всех (вплоть до текущего временного интервала, но ограниченных «достаточной» историей (например, вплоть до нескольких минут, но вероятно, что намного более длинные истории имеют уменьшающееся значение)) нормализованных ФПГ подсигналов. Было показано, что эти варианты осуществления обеспечивают хорошие результаты.

В другом варианте осуществления блок комбинирования сигнала выполнен с возможностью генерировать взвешенное среднее значение или усеченное среднее значение из двух или более нормализованных ФПГ подсигналов, в частности, всех нормализованных ФПГ подсигналов, причем вес для взвешивания нормализованных ФПГ подсигналов уменьшается с расстоянием по времени до текущего временного интервала. Таким образом, влияние свежего ФПГ подсигнала является более высоким по сравнению с более ранними ФПГ подсигналами при генерировании комбинированного ФПГ подсигнала.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит фильтр для низкочастотного или полосового фильтрования принятого ФПГ сигнала, причем отфильтрованный ФПГ сигнал используется для последующей обработки. Это гарантирует, что частотные составляющие в ФПГ сигнале, которые находятся за пределами типичного диапазона частот требуемого показателя жизненно важной функции, заранее удаляются из ФПГ сигнала.

В другом варианте осуществления блок комбинирования сигнала выполнен с возможностью масштабирования периода комбинированных ФПГ подсигналов во времени, чтобы согласовать период текущего временного интервала и последовательно расположить несколько масштабированных комбинированных ФПГ подсигналов для получения улучшенного ФПГ сигнала. Таким образом, комбинированные ФПГ подсигналы повторно масштабируются во времени к первоначальному периоду, обеспечиваемому первоначальным ФПГ сигналом, перед генерированием улучшенного ФПГ сигнала. Таким образом, улучшенный ФПГ сигнал может быть, например, отображен одновременно или вместо первоначального ФПГ сигнала, например как наложенная картинка, для того, чтобы визуализировать улучшение, или чтобы показать только улучшенный сигнал во избежание путаницы. Это позволяет показывать очищенный от шума (или улучшенный) ФПГ сигнал вместо текущего ФПГ сигнала. В настоящее время показываемый ФПГ сигнал также не обязательно является необработанным сигналом, но различные операции фильтрования/обработки могут быть применены для улучшения сигнала. Таким образом, представленный вариант осуществления при этом обеспечивает дополнительное улучшение пульсового сигнала, которое не может быть достигнуто с помощью текущей обработки/фильтрования.

В еще одном варианте осуществления устройство дополнительно содержит вспомогательный фильтр для усиления высокочастотных гармоник в ФПГ подсигналах и/или в улучшенном ФПГ сигнале. Это обеспечивает более легкое визуальное различение различных форм волны.

В еще одном варианте осуществления устройство дополнительно имеет доступ к нескольким ФПГ сигналам, получаемым при различных длинах волн, или к цветным каналам (например, красному, инфракрасному, красному, зеленому, синему), причем улучшенный ФПГ сигнал, который может быть получен из одного или более цветных каналов и затем улучшен, как описано выше, используется для последующей обработки с тем, чтобы вычислить показатель жизненно важной функции. Для некоторых показателей жизненно важных функций определенные цветные диапазоны в пределах ФПГ сигнала показывают лучшие результаты, например, было показано, что относительное отношение амплитуды на длинах волн в интервалах около 650 нм (красный) и 840 нм (инфракрасный) дают ясную информацию об уровне оксигенации крови (SpO2). Следовательно, если должен быть вычислен такой определенный показатель жизненно важной функции, он может выиграть от доступности чистого (улучшенного) ФПГ сигнала. Шум в относительном отношении амплитуд может быть уменьшен путем вычисления отношения корреляций красного и инфракрасного ФПГ сигналов с улучшенным ФПГ сигналом. Альтернативно, возможно произвести свертку красного и инфракрасного ФПГ сигналов с использованием согласованного фильтра, выведенного из улучшенного ФПГ сигнала.

В предпочтительном варианте осуществления предложенное устройство дополнительно содержит блок визуализации, в частности камеру, такую как видеокамера, для получения кадров изображения субъекта, а также генератор ФПГ сигнала для вывода ФПГ сигнала из части кожи субъекта, показываемой в кадрах изображения, а также для подачи ФПГ сигналов к интерфейсу. Блок визуализации может содержать один или более элементов визуализации. Например, блок визуализации может содержать массив фотодиодов или устройств с зарядовой связью.

В альтернативном варианте осуществления предложенное устройство дополнительно содержит ФПГ датчик для получения ФПГ сигналов из ФПГ измерения на части кожи субъекта, а также для подачи ФПГ сигналов к интерфейсу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут объяснены со ссылками на варианты осуществления, описанные далее в настоящем документе. На следующих чертежах

Фиг.1 показывает принципиальную схему системы мониторинга, включающей в себя первый вариант осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг.2 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг.3 показывает диаграмму типичного ФПГ сигнала и увеличенную часть ФПГ сигнала для иллюстрации разделения ФПГ сигнала на ФПГ подсигналы,

Фиг.4 показывает диаграмму, схематично иллюстрирующую комбинацию ФПГ подсигналов,

Фиг.5 показывает два примера полученных комбинированных ФПГ подсигналов,

Фиг.6 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг.7 показывает диаграмму, иллюстрирующую другой вариант осуществления обработки ФПГ сигнала в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг.8 показывает пример улучшенного ФПГ сигнала, и

Фиг.9 показывает другой пример комбинированного ФПГ подсигнала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 показывает принципиальную схему системы 10 мониторинга, включающей в себя устройство 12 для получения показателей жизненно важных функций субъекта 14 в соответствии с настоящим изобретением. Субъект 14, в данном примере пациент, лежит на кровати 16, например в больнице или другом медучреждении, но может быть также новорожденным или недоношенным младенцем, например лежащим в инкубаторе, или человеком, находящимся в домашней обстановке или в другом окружении. Кадры изображения субъекта 14 захватываются посредством камеры 18 (также называемой дистанционным ФПГ датчиком или ФПГ датчиком на основе камеры), включающей в себя подходящий фотодатчик. Камера 18 посылает записанные кадры изображения к устройству 12. Устройство 12 дополнительно соединено с интерфейсом 20 для отображения определенной информации и/или для обеспечения медицинского персонала интерфейсом для изменения настроек устройства 12, камеры 18 или системы 10 мониторинга. Такой интерфейс 20 может содержать различные дисплеи, кнопки, сенсорные экраны, клавиатуры или другие средства человеко-машинного интерфейса. Альтернативно или в дополнение к камере может использоваться ФПГ датчик 8 (также называемый контактным ФПГ датчиком), например в форме зажима для пальца, для измерения насыщения крови кислородом, датчик частоты сердечных сокращений и/или датчик ускорения для измерения частоты дыхания, если упомянуть только несколько из всех возможных вариантов осуществления.

Кадры изображения, захваченные камерой 18, могут в частности соответствовать видеопоследовательности, захваченной посредством аналогового или цифрового фотодатчика, например в (цифровой) камере. Такая камера обычно включает в себя фотодатчик, такой как датчик КМОП или ПЗС, который может также работать в конкретном спектральном диапазоне (видимом, инфракрасном) или предоставлять информацию для различных спектральных диапазонов. Камера 18 может обеспечивать аналоговый или цифровой сигнал. Кадры 19 изображения включают в себя множество пикселов изображения, имеющих связанные с ними значения пиксела. В частности, кадры изображения включают в себя пикселы, представляющие значения интенсивности света, захваченные с помощью различных фоточувствительных элементов фотодатчика. Эти фоточувствительные элементы могут быть чувствительными в конкретном спектральном диапазоне (то есть представлять конкретный цвет). Кадры изображения включают в себя по меньшей мере некоторые пикселы изображения, представляющие часть кожи субъекта. Тем самым пиксел изображения может соответствовать одному фоточувствительному элементу фотодетектора и его (аналоговому или цифровому) выходу или может быть определен на основе на комбинации (например, посредством биннинга) множества фоточувствительных элементов. Генератор 17 ФПГ сигнала предусмотрен в этом варианте осуществления для вывода ФПГ сигнала из части кожи субъекта, показываемой в кадрах изображения.

Система 10 мониторинга, проиллюстрированная на Фиг.1, может быть расположена, например, в больнице, в лечебном учреждении, в доме престарелых и т.п. Кроме мониторинга пациентов настоящее изобретение может также быть применено в других областях, таких как мониторинг новорожденных, общие приложения наблюдения, мониторинг безопасности или так называемые среды здорового стиля, такие как оборудование для занятий фитнесом и т.п. Однонаправленная или двунаправленная коммуникация между устройством 12, камерой 18 и интерфейсом 20 может работать с помощью беспроводного или проводного коммуникационного интерфейса. Другие варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя устройство 12, которое не является автономным, но интегрировано в камеру 18 или интерфейс 20.

Фиг.2 показывает более подробную схематическую иллюстрацию первого варианта осуществления 12a устройства 12 в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 12a содержит интерфейс 22 для приема периодического фотоплетизмографического (ФПГ) сигнала 19, получаемого от субъекта 14 с помощью ФПГ измерения. Упомянутый ФПГ сигнал 19 может быть получен из набора кадров изображения, полученных камерой 18, или от ФПГ датчика 8. Интерфейс 22 может соответствовать проводному или беспроводному сетевому соединению, любому виду последовательного соединения или другому стандартному или нестандартному коммуникационному интерфейсу.

Устройство 12а дополнительно содержит блок 24 разделения сигнала для разделения ФПГ сигнала во времени на множество ФПГ подсигналов, покрывающих половину периода или кратных половине периода. Это схематично проиллюстрировано на Фиг.3B, показывающей увеличенный вид (растянутый во времени) ФПГ сигнала P (с его амплитудой А в зависимости от времени t), показанного на Фиг.3A. Фиг.3A показывает типичную форму волны ФПГ сигнала P, получаемого от полустационарного субъекта с использованием технологии дистанционной ФПГ. Хотя импульсный сигнал получается с довольно высоким отношением сигнал-шум, форма волны показывает относительно высокую изменчивость вследствие движений и других нефизиологическим искажений. Фиг.3B показывает разделение ФПГ сигнала на ФПГ подсигналы P1, P2..., Pm. В этом варианте осуществления ФПГ подсигнал охватывает полный период ФПГ сигнала P от одного пересечения с нулем до следующего пересечения с нулем, например первый ФПГ подсигнал P1 охватывает интервал от первого пересечения с нулем Z1 до третьего пересечения с нулем Z3, второй ФПГ подсигнал P2 охватывает интервал от третьего пересечения с нулем Z3 до пятого пересечения с нулем Z5, и т.д. На практике лучше определять пересечение с нулем на самом крутом краю ФПГ сигнала, поскольку он меньше всего страдает от шума. В других вариантах осуществления ФПГ подсигналы охватывают более чем одну половину периода или три или более половин периодов. Далее, вместо того, чтобы использовать пересечения с нулем в качестве начальных и конечных точек ФПГ подсигнала, могут использоваться другие характерные (легко поддающиеся обнаружению) точки ФПГ сигнала, такие как пики или впадины.

Устройство 12a дополнительно содержит блок 26 нормализации для нормализации ФПГ сигнала перед его разделением блоком 24 разделения и/или для нормализации ФПГ подсигналов, полученных из блока 24 разделения, по времени и/или амплитуде, предпочтительно и по времени, и по амплитуде. В обоих случаях в результате (нормализованные) ФПГ подсигналы имеют практически одинаковую длительность и/или амплитуду.

Устройство 12a дополнительно содержит блок 28 комбинирования сигнала, чтобы комбинировать несколько нормализованных ФПГ подсигналов для получения комбинированного ФПГ подсигнала, и, необязательно, чтобы последовательно расположить несколько комбинированных ФПГ подсигналов для получения улучшенного ФПГ сигнала. Это схематично проиллюстрировано на Фиг.4, показывающей один вариант осуществления такой комбинации. В этом варианте осуществления нормализованные ФПГ подсигналы P1_n, P2_n,..., Pm_n, которые могут быть нормализованной версией ФПГ подсигналов P1, P2,..., Pn, показанной на Фиг.3B, комбинируются в комбинированные ФПГ подсигналы P1_c, P2_c,..., Pm_c. Например, нормализованные ФПГ подсигналы P1_n, P2_n, P3_n комбинируются, чтобы получить комбинированный ФПГ подсигнал P2_c, нормализованные ФПГ подсигналы P2_n, P3_n, P4_n комбинируются, чтобы получить комбинированный ФПГ подсигнал P3_c, и т.д. Если ФПГ подсигнал охватывает только половину периода, только каждый второй ФПГ подсигнал может использоваться для комбинации в комбинированный ФПГ подсигнал.

Таким образом, эта комбинация предпочтительно делается таким образом, что заранее заданное число последовательных нормализованных ФПГ подсигналов, расположенных в пределах временного окна, комбинируются для того, чтобы получить комбинированный ФПГ подсигнал, в котором временное окно сдвигается во времени для каждого комбинированного ФПГ подсигнала и охватывает более трех периодов в примере, изображенном на Фиг.4.

Результат такой комбинации показан на Фиг.5A, 5B, каждая из которых показывает несколько нормализованных ФПГ подсигналов P1_n1, P2_n1,..., Pm_n1 (для Фиг.5A) и P1_n2, P2_n2,..., Pm_n2 (для Фиг.5B), а также соответствующий комбинированный ФПГ подсигнал Px_c1, Px_c2 (в этом варианте осуществления усеченное среднее соответствующих нормализованных ФПГ подсигналов). Нормализованные ФПГ подсигналы, показанные на Фиг.5A, получаются из дистанционного ФПГ сигнала, полученного с руки субъектов, а нормализованные ФПГ подсигналы, показанные на Фиг.5B, выводятся из дистанционного ФПГ сигнала, полученного с лица субъектов. Хотя индивидуальные нормализованные ФПГ подсигналы сильно отличаются, улучшенные формы волны, то есть комбинированные ФПГ подсигналы, хорошо воспроизводятся из второго измерения. Также формы волны, полученные с руки и с лица, являются различными, что позволяет предположить, что эти формы волны являются физиологически значащими.

Несколько полученных комбинированных фотоплетизмографических подсигналов P1_c, P2_c,..., Pm_c затем располагается последовательно для того, чтобы получить улучшенный ФПГ сигнал, из которого требуемый показатель 31 жизненно важной функции, такой как частота сердечных сокращений, частота дыхания, насыщение (артериальной) крови кислородом, наконец выводится процессором 30 показателя жизненно важной функции. Предпочтительно с этой целью используется известный способ, как было объяснено выше.

Обычно показатели жизненно важных функций получаются из первоначального ФПГ сигнала, одного или более комбинированных ФПГ подсигналов или улучшенного ФПГ сигнала, получаемого путем последовательного расположения нескольких комбинированных ФПГ подсигналов. В другой реализации, отличающейся от объясненной выше реализации, комбинированный ФПГ подсигнал (например один период) вычисляется и отображается (предпочтительно в нормализованном по времени и амплитуде виде) в дополнение к первоначальному ФПГ сигналу так, чтобы информация о форме могла наблюдаться из комбинированного ФПГ подсигнала, в то время как регулярность могла наблюдаться из первоначального ФПГ сигнала.

Различные блоки устройства 12a могут содержаться в одном или множестве цифровых или аналоговых процессоров в зависимости от того, как и где применяется настоящее изобретение. Различные блоки могут полностью или частично быть осуществлены в программном обеспечении и выполнены на персональном компьютере, связанном с устройством для получения кадров изображения субъекта, таким как камера. Некоторая или вся требуемая функциональность может также быть осуществлена в аппаратных средствах, например в специализированной интегральной схеме (ASIC) или в программируемой пользователем вентильной матрице (FPGA).

Другой вариант осуществления 12b устройства в соответствии с настоящим изобретением изображен на Фиг.6. В соответствии с этим вариантом осуществления предусмотрен фильтр 23 для низкочастотной (или полосовой) фильтрации полученного ФПГ сигнала 19, а отфильтрованный ФПГ сигнал используется для последующей обработки. Кроме того, в фильтре 23 скользящее среднее значение исходного, отфильтрованного низкочастотным фильтром ФПГ сигнала вычитается (как своего рода устранение тренда) из ФПГ сигнала (такое вычитание может быт ненужным, если для фильтрации ФПГ сигнала используется полосовой фильтр). Это устраняет низкочастотные вариации и компонент постоянного тока ФПГ сигнала из отфильтрованного ФПГ сигнала. Как было объяснено выше, затем определяются экстремумы или пересечения с нулем отфильтрованного ФПГ сигнала с удаленным трендом, например с помощью положительной и/или отрицательной первой производной (как правило пересечение с нулем на самой крутой части ФПГ сигнала). После этого несколько недавно полученных ФПГ подсигналов между двумя из таких пересечений с нулем усредняются, например как объяснено выше, для того, чтобы получить улучшенный (комбинированный) ФПГ подсигнал и, наконец, улучшенный ФПГ сигнал. Перед этим усреднением части ФПГ подсигналов сначала нормализуются так, чтобы они имели практически одинаковую амплитуду и/или длительность. Улучшенный ФПГ сигнал может быть показан вместо или вместе с необработанным (первоначально полученным) ФПГ сигналом для того, чтобы добавить информацию о форме волны.

В еще одном варианте осуществления, который в целом имеет те же самые или подобные элементы, что и вариант осуществления, показанный на Фиг.6, исходный, хотя необязательно пропущенный через полосовой фильтр, ФПГ сигнал используется в качестве входа для блока 24 разделения, включающего в себя детектор пиков и впадин (или выполненного с возможностью обнаружения пиков и впадин) в этом варианте осуществления. Этот детектор пиков и впадин может быть более усовершенствованным детектором экстремумов и может использовать запрещенные интервалы для запрета обнаружения пика и/или впадины на слишком близком расстоянии от более раннего пика или впадины. На следующем этапе в блоке 26 нормализации первая кривая проводится через пики, а вторая кривая проводится через впадины. Это проиллюстрировано на Фиг.7, изображающей исходный ФПГ сигнал P, пики p, через которые проводится первая кривая Cp, впадины v, через которые проводится вторая кривая Cv, и среднюю кривую А для первой и второй кривых Cp, Cv.

Для каждого отсчета ФПГ сигнала P вычитается среднее из этих двух кривых Cp, Cv, в то время как получаемое значение делится на мгновенную разность этих двух кривых для того, чтобы удалить тренд и нормализовать амплитуду ФПГ сигнала. Эта процедура может быть повторена пару раз (постоянное число раз или до тех пор, пока не исчезнут существенные изменения). Этот процесс в чем-то подобен основному этапу эмпирической декомпозиции (или преобразования Гильберта-Хуаня), где он используется для того, чтобы произвести несколько различных сигнальных компонентов вместо нормализации сигнала. Затем, как и в первом варианте осуществления, пересечения с нулем используются для временной нормализации сигнала, и несколько последних частей сигнала, находящихся между двумя такими пересечениями с нулем, усредняются для того, чтобы получить улучшенную форму волны.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления полученные комбинированные ФПГ подсигналы, синтезированные из последней истории ФПГ сигнала, могут дополнительно использоваться для того, чтобы заместить текущий ФПГ сигнал (полностью или частично (например, только его искаженные части)) после адаптации его продолжительности к продолжительности текущего интервала. Результат показан на Фиг.8, изображающей первоначальный ФПГ сигнал P и улучшенный ФПГ сигнал Ps. С этой целью можно начать процесс комбинирования после достаточного числа периодов (вариант 1) или начать комбинирование, как только история составит по меньшей мере два периода (вариант 2). Кроме того, комбинация может необязательно использовать постоянное число периодов для варианта 1, растущее число периодов для варианта 2, или может использоваться взвешивание, когда вклад в усеченное среднее уменьшается для периодов, более удаленных во времени. Идея комбинации состоит в том, чтобы таким образом просто заменить самый последний период (периоды) ФПГ сигнала (который обычно показывается на мониторе) улучшенным периодом (периодами) после его (их) обратного масштабирования для согласования продолжительности (а возможно даже и амплитуды) текущего ФПГ периода (периодов).

Было обнаружено, что получаемая форма волны пульсового сигнала в описанном выше варианте осуществления воспроизводится при измерении на той же самой части тела (например, на руке в различные дни у того же самого человека) и отличается для различных частей тела (например для лица и для руки). Это дает серьезные основания полагать, что синтетическая форма волны (то есть улучшенный ФПГ сигнал) является физиологически значимой.

Настоящее изобретение может быть использовано с дистанционными ФПГ сигналами, но в равной степени может быть применено для того, чтобы улучшить сигналы от контактного ФПГ датчика, как показано на Фиг.9, иллюстрирующей комбинированный ФПГ подсигнал P’_c и нормализованные ФПГ подсигналы P’_n, полученные из ФПГ сигнала контактного ФПГ датчика. Из этого чертежа можно дополнительно заметить, что ФПГ сигнал P’ от контактного ФПГ датчика имеет меньше шума и показывает отчетливо другую форму волны, вероятно благодаря большей глубине проникновения используемого инфракрасного света в кожу. Эта форма волны, как уже было показано, несет релевантную информацию относительно возраста, локализации измерения на теле и возможных патологий. Также может быть обнаружена частичная непроходимость некоторых кровеносных сосудов путем сравнения формы волны, взятой от симметричных пар частей тела, например путем сравнения двух рук или двух ног.

Получающиеся формы волны для дистанционной ФПГ содержат более низкие амплитудные гармоники, чем в типичной для контактного ФПГ датчика форме волны, и поэтому эти формы волны различаются. Это может быть вызвано малой глубиной измерения (зеленый свет имеет ограниченную глубину проникновения в кожу), вследствие чего достигаются только самые малые кровеносные сосуды, где высокие частоты (гармоники сигнала пульса) демпфируются. Для того чтобы обеспечить более легкое визуальное различение различных форм волны (допуская, что они имеют диагностическое значение) высокочастотный вспомогательный фильтр 32 (как опционально показано на Фиг.6) может быть предусмотрен для усиления улучшенного ФПГ сигнала.

Кроме того, улучшенный ФПГ сигнал может также использоваться для того, чтобы более надежно находить амплитуду ФПГ сигнала в индивидуальных цветных каналах. Это могло бы быть важным для измерения SpO2, где обнаружение правильной амплитуды пульса в красном спектральном диапазоне (SpO2 измеряется как отношение относительной амплитуды в красном и инфракрасном диапазонах) часто осложняется низкой амплитудой и, следовательно, малым отношением сигнал-шум. Использование корреляции красного ФПГ сигнала и инфракрасного ФПГ сигнала с улучшенным ФПГ сигналом на той же самой длине волны, на соседней длине волны или даже на комбинации длин волн, могло бы уменьшить влияние шума. В этом случае SpO2 выводится из отношения корреляций нормализованных красного и инфракрасного ФПГ сигналов с улучшенным ФПГ сигналом.

В еще одном варианте осуществления улучшенный ФПГ сигнал, сгенерированный из зеленого ФПГ сигнала (высокой амплитуды) или из инфракрасного (IR) ФПГ сигнала (равномерное пространственное распределение), или даже улучшенный ФПГ сигнал, полученный из комбинации двух или более длин волн, может быть использован во время согласованного фильтрования красного ФПГ сигнала. В этом случае используются «исходные» ФПГ сигналы в красном и инфракрасном спектральных диапазонах, очищенные с использование согласованного фильтра с улучшенным ФПГ сигналом в зеленом или/и инфракрасном спектральных диапазонах. В одном варианте осуществления берется некоторая последняя длина улучшенного ФПГ сигнала, возможно кадрированная с помощью окна Хеннинга, и необработанные ФПГ сигналы от различных цветных каналов сворачиваются с этим ядром фильтра.

Хотя описанная обработка может быть применена ко всем изменяющимся во времени показателям жизненно важных функций, значимые результаты наиболее вероятны для близких к периодическим показателей жизненно важных функций, таких как пульсовые волны или волны Траубе-Херинга-Майера, и возможно также для таких сигналов, как дыхание, которые чуть больше изменяются по форме от цикла к циклу.

В качестве примера настоящее изобретение может быть применено в области здравоохранения, например для незаметного дистанционного мониторинга пациента, для общего наблюдения, для мониторинга безопасности, а также в так называемых средах здорового стиля, например в оборудовании для занятий фитнесом и т.п. Приложения могут включать в себя мониторинг насыщения кислородом (пульсоксиметрия), частоты сердечных сокращений, кровяного давления, функционального состояния сердца, изменения перфузии крови, исследование автономных функций и обнаружение периферических сосудистых заболеваний.

В то время как настоящее изобретение было подробно проиллюстрировано и описано в чертежах и предшествующем описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и сделаны при осуществлении заявленного изобретения специалистами в области техники на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения.

В формуле изобретения слова «включающий в себя» не исключают других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного числа. Единственный элемент или другой блок могут выполнять функции нескольких пунктов формулы изобретения. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгод.

Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другими аппаратными средствами или как их часть, но также может распространяться в других формах, таких как через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.

Используемый в настоящем документе термин «компьютер» означает большое разнообразие обрабатывающих устройств. Другими словами, мобильные устройства, имеющие значительную вычислительную мощность, также могут упоминаться как вычислительное устройство, даже при том, что они обеспечивают меньше ресурсов вычислительной мощности, чем стандартные настольные компьютеры. Кроме того, термин «компьютер» может также относиться к распределенному вычислительному устройству, которое может включать в себя или использовать вычислительную мощность, обеспечиваемую в облачной среде.

Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.