УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК A61B5/00 G06K9/00 G06K9/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отражаемого субъектом, в которых физиологическая информация является показателем, по меньшей мере одного, по меньшей мере, частично периодического жизненно важного сигнала.

Уровень техники

Документ WO 2011/021128 A2 раскрывает способ и систему анализа изображения, содержащие этапы, на которых:

получают последовательности изображений;

выполняют анализ на основе просмотра по меньшей мере одной последовательности изображений, чтобы получить данные для классификации состояния субъекта, представленного на изображениях;

определяют по меньшей мере одно значение физиологического параметра живого существа, представленного по меньшей мере в одной из последовательности изображений, в котором по меньшей мере одно значение физиологического параметра определяется посредством анализа данных изображения из той же самой последовательности изображений, из которой берется по меньшей мере одно изображение, для которого выполнялся анализ, основанный на просмотре; и

классифицируют состояние субъекта, используя данные, полученные с помощью анализа, основанного на просмотре, и по меньшей мере одно значение физиологического параметра.

Документ дополнительно раскрывает несколько усовершенствований способа и системы. Например, предусматривается использование дистанционного фотоплетизмографического (PPG) анализа.

В основном, фотоплетизмография считается стандартной технологией, которая может использоваться для обнаружения изменений объема крови, которые могут использоваться для обнаружения изменений объема крови в ткани контролируемого субъекта. Традиционно известные PPG-подходы содержат так называемые контактные PPG-устройства, которые могут прикрепляться к коже пациента, например, к кончику пальца. Форма сигнала PPG обычно включает пульсирующую физиологическую форму сигнала, свойственную кардиальным синхронным изменениям в объеме крови при каждом сердечном сокращении. Помимо этого, форма сигнала PPG может содержать дополнительную информацию, относящуюся к дыханию, насыщенности кислородом и даже к дополнительным физиологическим феномам.

В последнее время так называемая дистанционная фотоплетизмография сделал огромные успехи, среди которых были продемонстрированы малозаметные безконтактные измерения. Тем не менее, однако, стандартные PPG-подходы страдают различными недостатками. Полученные зарегистрированные данные, такие как полученное отраженное или испускаемое электромагнитное излучение (например, записанные кадры изображения), всегда содержат помимо полезного сигнала, который должен быть извлечен из него, дополнительные сигнальные компоненты, вызванные общими помехами. Помехи могут возникать, например, из-за изменений условий освещенности или движения наблюдаемого субъекта. Дополнительно, как огромная проблема для подходов к дистанционной PPG, рассматривается так называемое зеркальное отражение (в основном, "зеркально отражаемое" падающее излучение). Следовательно, подробное точное извлечение полезных сигналов все еще рассматривается как представляющее серьезные проблемы для обработки таких данных. При измерениях для дистанционной PPG существует общая потребность в дополнительном улучшении отношения сигнал-шум.

Возможный подход к этой проблеме может быть направлен на обеспечение хорошо подготовленных и устойчивых окружающих условий при получении интересующего сигнала, в котором заключен полезный сигнальный компонент, чтобы минимизировать помеховые сигнальные компоненты, накладывающиеся на сигнал или взаимодействующие с сигналом. Однако, такие лабораторные условия не могут быть перенесены на каждодневные применения на местах, поскольку для этого могут требоваться большие усилия и подготовительная работа. В конце концов, обнаружение жизненно важных сигналов становится еще более трудным, когда амплитуды и/или номинальные значения помеховых сигнальных компонентов намного больше, чем амплитуды и/или номинальные значения полезных сигнальных компонент, подлежащих извлечению. Это относится в частности, к значительному перемещению пациента и условиям плохой освещенности. Можно ожидать, что в поле дистанционной PPG значение разности между соответствующими компонентами (полезных сигналов относительно помеховых сигналов) будет составлять даже несколько порядков.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении системы и способа извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отражаемого пациентом, обеспечении дальнейших усовершенствований, облегчающих получение полезных сигналы с более высокой точностью и, предпочтительно, даже в плохих условиях, таких как плохая освещенность и сильное движение.

В первом варианте настоящего изобретения представляется устройство для извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного пациентом, причем упомянутое устройство содержит:

интерфейс для приема потока данных, производных от обнаруженного электромагнитного излучения, причем поток данных содержит первую последовательность выборок сигнала, индицирующих различные спектральные участки;

устройство разложения данных, выполненное с возможностью разделения потока данных по меньшей мере на две производные чередующиеся последовательности зарегистрированных выборок сигнала, где каждая из производных чередующихся последовательностей представляет определенный спектральный участок и содержит индицирующие выборки сигнала с промежутками во времени;

процессор данных, выполненный с возможностью формирования искусственных выборок с учетом ближайших индицирующих выборок сигнала, чтобы, по меньшей мере, частично заменять пустые промежутки между индицирующими сигнальными выборками, формируя, таким образом, дополнительный поток данных.

Настоящее изобретение основано на идее, что точность и отношение сигнал-шум обнаруженных сигналов могут быть улучшены, разделяя (или "разворачивая") первую последовательность, чтобы получить многочисленные "субпоследовательности", обеспечивающие более широкую спектральную основу для обработки данных. Следовательно, одиночная последовательность сигналов может быть разделена по меньшей мере на две, предпочтительно, на три последовательности. Возникающие в результате промежутки или разрывы в сигнале каждой результирующей разделенной последовательности могут заполняться или дополняться искусственными сигналами посредством вставки. Таким образом, неблагоприятные побочные эффекты "разбиения" сигнала (например, пониженная временная разрешающая способность или частота выборки) могут быть предотвращены, по меньшей мере, в некоторой степени. Разложение или разделение сигнала может выполняться с частотой "разбиения". Следовательно, в каждой из производных результирующих чередующихся последовательностей присутствует меньше выборок исходного сигнала, чем в исходной последовательности. Другими словами, частота выборки в каждой из производных чередующихся последовательностей сохраняется даже при том, что доступно меньше исходных выборок. Пустые разрывы или промежутки заполняются искусственными выборками. Искусственные выборки могут формироваться с учетом соседних исходных выборок. Предпочтительно, искусственные выборки являются компенсированными в отношении движения.

Следует заметить, что замена (или заполнение) пустых промежутков не обязательно содержит полную замену каждого промежутка между индицирующими выборками в соответствующих производных чередующихся последовательностях. Однако, предпочтительна замена промежутков полностью. Тем не менее, замена пустых промежутков может также относиться к заполнению по меньшей мере одного промежутка (пустого промежутка) между двумя индицирующими сигнальными выборками. Например, когда поток данных разделяется на три производные чередующиеся последовательности зарегистрированных сигнальных выборок, пустой промежуток может содержать две пустые выборки, так что каждая чередующаяся последовательность состоит, в основном, из повторяющейся последовательности трех выборок (или кадров), содержащих одну индицирующую выборку и пустой промежуток, сформированный двумя пустыми выборками. Например, процессор обработки данных может быть выполнен с возможностью частичного заполнения пустых промежутков, заменяя одну из двух пустых выборок в пустом промежутке.

Определенный спектральный участок каждой из производных чередующихся последовательностей, как он используется здесь, может формироваться посредством определенного диапазона длин волн, который представляет соответствующую полученную чередующуюся последовательность. Другими словами, устройство, соответствующее изобретению, может использовать отдельные участки электромагнитного спектра (отдельные каналы), в то же время не требуя обязательного использования многоканальных устройств сбора данных.

Например, поток данных, принятый в интерфейсе, может содержать последовательность сигнальных выборок (например, кадров), охватывающую повторяющиеся последовательности определенных композиций спектральных участков. Зная состав потока данных, принятая первая последовательность может быть разделена по меньшей мере на две производные чередующиеся последовательности, чтобы расширить базис данных.

Устройство, соответствующее изобретению, в частности, пригодно для объединения с дешевыми датчиками, в частности, дешевыми камерами. Термин "дешевая камера", как он используется здесь, может относиться к камере, имеющей один тип датчика с ограниченным поведением спектральной характеристики. Например, могут использоваться дешевые инфракрасные (IR) камеры. Необходимые IR-датчики могут обладать определенной спектральной чувствительностью, охватывающей один определенный участок инфракрасного излучения. В отличие от этого, широко известные (цветные) камеры могут обычно содержать три различных типа датчиков (R, G, B). Следовательно, с их помощью можно получать сигналы в трех диапазонах длин волн. Обычно считается предпочтительным получать сигналы по меньшей мере в двух диапазонах длин волн (каналах), поскольку при этом могут учитываться вредные помехи, присутствующие в сигналах. Другими словами, объединяя сигналы, полученные по трем каналам соответствующим способом, можно обрабатывать две главные помеховые компоненты (например, за счет движения и зеркального отражения).

Настоящее изобретение "имитирует" поток данных, имеющий более чем только один (спектральный) сигнальный канал. Следовательно, могут также применяться меры по компенсации помех, даже при том, что на конце с камерой используется только один единственный "канал".

Дополнительно, устройство, соответствующее изобретению, в частности, пригодно для обработки входного потока данных инфракрасных (IR) сигналов. Как указано выше, первая последовательность может быть разделена по меньшей мере на две отдельные чередующиеся последовательности, которые могут представлять различные поддиапазоны IR-диапазона электромагнитного спектра. Следовательно, дополнительное применение можно видеть в местах, где освещение очень слабое. Например, ночной контроль пациента часто использует небольшое (видимое) освещение, поскольку яркое освещение, как полагают, оказывает негативное влияние на сон пациента. Другую конкретную область применения можно видеть в контроле разминки в фитнес-центрах или подобных условиях. В связи с этим, использование исходит из того факта, что малейшие изменения в отражении падающего излучения также присутствуют и могут обнаруживаться в инфракрасном излучении. Использование инфракрасных сигналов может обладать и другим преимуществом. Поскольку полезные сигналы сливаются с тонкими флюктуациями отражения кожей пациента падающего излучения, которые вызываются кровообращением (пульсацией) в кожной ткани пациента, внимание уделяется поведению поглощения крови в ткани и самой тканью (свойственного типу и количеству меланина в коже пациента). В этом контексте следует заметить, что, особенно для более темной кожи, поглощение меланином кожи огромно и поэтому дистанционные PPG-измерения для этого типа кожи могут считаться большой проблемой при столкновении с условиями плохой освещенности. Использование инфракрасного излучения позволяет получить выигрыш из того факта, что в этом диапазоне волн поглощение меланином относительно низкое. Следовательно, значительная часть падающего излучения может проникать через кожу и может отражаться кровеносными сосудами, чтобы индицировать изменения объема, связанные с его пульсацией крови.

В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, устройство дополнительно содержит детектор сигнала для извлечения непрерывного или дискретного характеристического сигнала из дополнительного потока данных, где характеристический сигнал содержит физиологическую информацию, индицирующую по меньшей мере один, частично периодический жизненно важный сигнал. По меньшей мере, частично периодический жизненно важный сигнал может выбираться из группы, содержащей частоту сердечных сокращений, цикл сердечных сокращений, частоту дыхания, изменчивость частоты сердечных сокращений, волны Траубе-Херинга-Майера и насыщенность кислородом.

Поскольку дополнительный поток данных, в основном, состоит по меньшей мере из двух, предпочтительно трех сигнальных каналов, полезный сигнал может быть извлечен с помощью алгоритмов, позволяющих дополнительные меры компенсации помех. Например, извлечение полезного сигнала может содержать применение линейной комбинации сигналов, производных от каждой по меньшей мере из двух производных последовательностей с учетом определенных коэффициентов. Дополнительно, может выполняться временная и/или пространственная (то есть, локальная) нормализация каждого из сигналов, полученных в каждой по меньшей мере из двух производных последовательностей (каналов). Однако, в альтернативе или кроме того могут предусматриваться дополнительные меры по обработке сигналов и оптимизации.

В соответствии с другим вариантом, устройство дополнительно содержит средство датчика, в частности, камеру, выполненную с возможностью сбора данных электромагнитного излучения, в котором средство датчика обладает определенной частотной характеристикой, адаптированной по меньшей мере к одному определенному спектральному распределению. Как упомянуто выше, предпочтительно использовать камеру, приспособленную к сбору данных инфракрасного излучения. В связи с этим подчеркивается, что может использоваться так называемая "монохромная" дешевая камера. Следует понимать, что термин "монохромная" не обязательно относится к характеристике спектральной чувствительности камеры, обеспечивающей идеальный одиночный пик чувствительности на только одной длине волны. Вместо этого, термин "монохромная" относится к одиночному датчику (типу) в камере, в основном, имеющей одиночную характеристику чувствительности в спектре излучений. Поэтому "монохромная" IR-камера может охватывать значительный участок диапазона инфракрасного излучения. Тем не менее, следует отметить, что такая камера обычно содержит одиночный (цветной) канал. Тем не менее, в соответствии с изобретением, может использоваться даже одноканальная дешевая камера, поскольку входные данные, передаваемые по единственному каналу, могут разделяться по меньшей мере на две производные последовательности (или производных канала), свойственные отдельным участкам инфракрасного излучения.

В соответствии с еще одним вариантом, устройство дополнительно содержит по меньшей мере один источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью направления излучения на субъект, в частности, источник инфракрасного освещения. В связи с этим следует понимать, что средство датчика и по меньшей мере один источник электромагнитного излучения (или по меньшей мере один из них) могут физически соединяться (скрепляться) с устройством или даже интегрироваться в устройство. Однако, каждое из средств датчика или по меньшей мере из одного источника электромагнитного излучения или по меньшей мере один из них могут также логически соединяться с устройством альтернативным способом. Физическое соединение может содержать общий корпус или по меньшей мере физическое соединение. Логическое соединение может содержать сигнальные соединения через кабель или через беспроводные соединения. Поэтому, альтернативно, устройство, соответствующее изобретению, может рассматриваться или интерпретироваться как система, содержащая отдельные компоненты, совместно действующие и соединяемые требуемым способом.

В соответствии с еще одним дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, устройство дополнительно содержит средство расширения границ сигнала для попеременного воздействия на спектральный состав сигнальных выборок в первой последовательности. Средство расширения границ сигнала может использоваться для обогащения или подготовки первой последовательности сигнальных выборок. Средство расширения границ сигнала может влиять на первую последовательность таким образом, что определенные переменные выборки или их участки относят к определенным спектральным участкам или диапазонам. Знание спектрального состава сигнальных выборок позволяет разделение потока данных по меньшей мере на две производные последовательности, относящиеся к различным каналам, даже когда исходные данные собираются через дешевые средства "монохромных" датчиков. Таким образом, принятая первая последовательность может быть улучшена с точки зрения спектральной информации. Средство расширения границ сигнала может дополнительно быть выполнено с возможностью применения периодически повторяющейся спектральной обработки (или смещения) к сигнальным выборкам.

В соответствии с другим вариантом средство расширения границ сигнала дополнительно содержит синхронизированный фильтр, выполненный с возможностью выборочного переключения по меньшей мере между двумя определенными спектральными характеристиками средства датчика. Следовательно, на заданную основную частотную характеристику средства датчика можно попеременно воздействовать, чтобы собирать данные электромагнитного излучения посредством средства "монохромного" датчика, сохраняя все же некоторую спектральную диапазонность.

В соответствии с другим вариантом, средство расширения границ сигнала содержит средство синхронизированного фильтра, выполненное с возможностью выборочного переключения по меньшей мере между двумя определенными спектральными распределениями излучения, формируемого по меньшей мере одним источником электромагнитного излучения. Поэтому, альтернативно или в дополнение, можно также воздействовать на источник излучения, чтобы выборочно подавать излучение с чередующимися и периодически повторяющимися спектральными распределениями. Следует заметить, что обычно источник излучения также содержит основное спектральное распределение. Посредством фильтра на распределение можно воздействовать, чтобы в конечном счете собирать данные отраженного излучения с помощью средства "монохромного" датчика, при этом позволяя разделение собранного сигнала по меньшей мере на две производные последовательности, каждая из которых относится к определенному спектральному участку. Следовательно, предпочтительно, чтобы частота "воздействия" и частота кадров средства датчика были так или иначе синхронизированы.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления, устройство (или система) содержит по меньшей мере два источника освещения, каждый из которых выполнен с возможностью формирования излучения отдельного спектрального состава, в котором средство расширения границ сигнала дополнительно выполнено с возможностью последовательного во времени попеременного запуска по меньшей мере двух источников освещения.

В соответствии с этим вариантом, средство расширения границ сигнала не обязательно должно содержать фильтр. Напротив, средство расширения границ сигнала может быть реализовано синхронизированным переключателем, выполненным с возможностью переключения между по меньшей мере двумя источниками излучения, так чтобы выборочно направлять излучение с определенным спектральным составом на интересующий субъект.

Следовательно, могут рассматриваться несколько вариантов осуществления средства расширения границ сигнала. Границы сигнала могут быть расширены на уровне источника освещения или на уровне средства датчика. Дополнительно может также рассматриваться комбинация, на которую выборочно влияют средство датчика и по меньшей мере один источник освещения.

При этом, однако, также может рассматриваться вариант осуществления устройства, использующего средство датчика, подвергаемое воздействию, но реализуемое без интегрированного источника электромагнитного излучения.

Например, средство расширения границ сигнала может быть выполнено с возможностью совместной работы со средством датчика и/или по меньшей мере с одним источником электромагнитного излучения, так что первая последовательность, полученная средством датчика содержит выборки, попеременно указывающие участки спектра, имеющие пик на длине волны приблизительно 700 нм, приблизительно 800 нм и приблизительно 900 нм. Следовательно, из первой последовательности могут быть извлечены три производные последовательности даже с помощью использования простого средства "монохромного" датчика.

В соответствии с еще одним вариантом, процессор обработки данных дополнительно выполнен с возможностью формирования вставляемых искусственных выборок с учетом ближайших индицирующих сигнальных выборок, так что сформированный дополнительный поток данных содержит искусственные выборки компенсированного движения. Таким образом, промежутки или разрывы, остающиеся в каждой по меньшей мере из двух производных чередующихся последовательностей после разделения первой последовательности, могут быть заполнены так, что частота выборки или частота кадров могут сохраняться. Следовательно, наборы одиночных выборок в один и тот же момент времени по меньшей мере в двух производных чередующихся последовательностях могут соответственно синхронизироваться и обрабатываться.

В соответствии с другим вариантом осуществления, устройство дополнительно содержит средство сегментации кожи для обнаружения интересующей области в субъекте, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения смещения во времени интересующей области для формирования вставляемых искусственных выборок.

Само собой разумеется, что участки кожи интересующего субъекта рассматриваются как в высшей степени показательные для требуемых жизненно важных сигналов. Поэтому автоматические сегментация кожи и обнаружение считаются полезными. Дополнительно сегментация кожи может способствовать обнаружению движения и использоваться для обработки вставляемых искусственных выборок.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления, устройство дополнительно содержит средство слежения за признаками для обнаружения по меньшей мере одного отдельного участка кожи, в частности, структуры лица, на котором определенное смещение по меньшей мере одного отдельного участка кожи используется для формирования вставляемых искусственных выборок. Предпочтительно, сегментация кожи и слежение за признаками могут объединяться, чтобы обнаруживать области индикации и отслеживать их во время измерения и обработки сигналов.

Например, компенсация движения может использовать сегментацию кожи и/или слежение за признаками для обнаружения центра (оптической) тяжести интересующей области в сигнальных выборках. Пути движения могут оцениваться при слежении за центром (оптической) тяжести интересующей области во времени. Альтернативно, средство слежения за признаками может быть реализовано средством слежения Лукаса-Кэнэйда для оценки оптического пути, чтобы определять нежелательное движение между субъектом и средством датчика.

В соответствии с другим вариантом устройства, частота кадров средства датчика и частота деления устройства разложения данных синхронизируются, причем предпочтительно средство датчика и устройство разложения данных управляются на рабочей частоте, составляющей удвоенную частоту питающей сети или целочисленную часть питающей сети источника электропитания.

После синхронизации средства датчика и устройства разложения данных, может быть обеспечено выравнивание по времени (синхронизация) получения выборок и спектрального влияния. Поэтому предпочтительно сохранять целочисленное соотношение между частотой кадров средства датчика и частотой разделения устройства разложения данных. Сохранение (частотного) расстояния относительно частоты питающей сети может помочь избежать нежелательных биений частот, которые могут неблагоприятно влиять на обработку сигналов.

В дополнительном варианте изобретения представляется способ извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отражаемого субъектом, причем способ содержит этапы, на которых:

принимают поток данных, полученный из обнаруженного электромагнитного излучения, причем поток данных содержит первую последовательность сигнальных выборок, указывающих различные спектральные участки;

разделяют поток данных по меньшей мере на две производные чередующиеся последовательности зарегистрированных сигнальных выборок, где каждая из производных чередующихся последовательностей представляет определенный спектральный участок и содержит индицирующие сигнальные выборки, разнесенные по времени; и

формируют искусственные выборки с учетом ближайших индицирующих сигнальных выборок, так чтобы, по меньшей мере, частично заменить пустые промежутки между индицирующими сигнальными выборками, формируя, таким образом, дополнительный поток данных.

Предпочтительно, способ может выполняться, используя устройство извлечения информации, соответствующее изобретению.

В соответствии с вариантом осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором:

попеременно воздействуют на спектральный состав сигнальных выборок в первой последовательности.

В еще одном варианте настоящего изобретения обеспечивается компьютерная программа, содержащая средство программного кода для побуждения компьютера выполнять этапы способа извлечения, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере.

Термин "компьютер", как он используется здесь, означает большое разнообразие устройств обработки. Другими словами к компьютерному устройству могут также относиться мобильные устройства, обладающие значительными вычислительными возможностями, даже при том, что они обеспечивают меньшие ресурсы вычислительной мощности, чем стандартные настольные компьютеры. Дополнительно, термин "компьютер" может также относиться к распределенному вычислительному устройству, которое может содержать или использовать вычислительные возможности, обеспечиваемые в среде облака.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения определяются в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленные способы и заявленная компьютерная программа могут иметь предпочтительные варианты осуществления, схожие с заявленным устройством и с тем, что определено в зависимых пунктах формулы изобретения устройства.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения станут очевидны и будут подробно объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные здесь далее. В последующих чертежах:

Фиг. 1 - общая планировка устройства, в котором может использоваться настоящее изобретение;

Фиг. 2a, 2b - графики спектральной чувствительности и спектральных характеристик;

Фиг. 3a, 3b и 3c - упрощенные схематические иллюстрации первой последовательности (фиг. 3a), которая делится на производные чередующиеся последовательности (фиг. 3b), в конечном счете, заполняемые искусственными сигнальными выборками (фиг. 3c);

Фиг. 4a, 4b - кадр сигнала выборки и последовательность сигнальных кадров, к которым применяются меры по интерполяции компенсации движения;

Фиг. 5 - примерный кадр, имеющий секции кадра, представляющие интересующие области субъекта;

Фиг. 6 - примерное средство расширения границ сигнала;

Фиг. 7 - альтернативное средство расширения границ сигнала;

Фиг. 8 - другая планировка альтернативного средства расширения границ сигнала; и

Фиг. 9 - блок-схема последовательности выполнения этапов варианта осуществления способа в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Последующий раздел описывает примерные подходы к фотоплетизмографии, в частности, к дистанционной фотоплетизмографии (дистанционной PPG), используя несколько вариантов устройства и способа изобретения. Следует понимать, что отдельные этапы и признаки показанных подходов могут быть извлечены из контекста соответствующего общего подхода. Эти этапы и признаки могут поэтому быть частью отдельных вариантов осуществления, также охваченных объемом изобретения.

Основные подходы а дистанционной фотоплетизмографии описываются в работе Verkruysse, W. и др. (2008), "Remote phlethysmographic imaging using ambient light" в журнале Optics Express, Американское оптическое общество, Вашингтон, округ Колумбия, США, том 16, № 26, стр. 21434-21445. Документ WO 2011/042858 A1 раскрывает дополнительные способ и систему, обращенные к обработке сигнала, содержащего по меньшей мере один компонент, представляющий периодическое явление в живом организме.

На фиг. 1 схематично показано устройство извлечения физиологической информации, которое обозначается ссылочной позицией 10. Например, устройство 10 может использоваться для записи кадров изображения, представляющих удаленный субъект 12 для дистанционного контроля PPG. Полученные кадры изображения могут быть извлечены из электромагнитного излучения 14, в основном, испускаемого или отражаемого субъектом 12. Субъект 12 может быть человеком или животным или, в общем, живым существом. Дополнительно, субъект 12 может быть частью человека, весьма характерной для желаемого сигнала, например, участком лица, или, в общем, участком кожи.

Источник излучения, такой как солнечный свет 16a или искусственный источник 16b излучения, а также комбинация нескольких источников излучения, может воздействовать на субъект 12. Следует понимать, что источники 16a, 16b излучения могут считаться независимыми источниками окружающего излучения. На независимые источники окружающего излучения не может активно влиять устройство 10. Источники 16a, 16b излучения, в основном, испускают падающее излучение 18a, 18b, попадающее на субъект 12. В отличие от этого, устройство 10 может также содержать по меньшей мере один источник 22 излучения, на который может выборочно воздействовать устройство 10 или который может запускать устройство 10. По меньшей мере один источник излучения 22 испускает падающее излучение 20, направленное на субъект 12. Источник излучения 22 может быть выполнен с возможностью подачи видимого излучения или, более предпочтительно, подачи инфракрасного (IR) излучения или, еще более предпочтительно, длинноволнового инфракрасного (NIR) излучения 20. Источник излучения 22 может быть реализован по меньшей мере одним светодиодом (LED), имеющим определенную спектральную характеристику. Дополнительно, источник излучения 22 может быть реализован матрицей или светодиодами. Для извлечения информации из обнаруженных данных, например, последовательности кадров изображения, определенная часть или участок субъекта 12 могут быть зарегистрированы средством 24 датчика. Средство 24 датчика может быть реализовано, например, с помощью камеры, выполненной с возможностью получения информации, принадлежащей, по меньшей мере, к спектральному компоненту электромагнитного излучения 14. Предпочтительно, средство 22 датчика, реализуется камерой инфракрасного (IR) или длинноволнового инфракрасного (NIR) диапазона. Само собой разумеется, устройство 10 также может быть выполнено с возможностью обработки входных сигналов, а именно, потока входных данных, уже записанного заранее и в это время хранящегося или буферированного.

Как указано выше, электромагнитное излучение 14 может содержать непрерывный или дискретный характеристический сигнал, который может в высокой степени быть индикатором по меньшей мере одного, по меньшей мере частично, периодического жизненно важного сигнала 26. Характеристический сигнал может быть введен во (входной) поток 30 данных. В соответствии с одним из вариантов осуществления, для сбора данных может быть выбран (или заранее выбран) потенциально в высокой степени индицирующий участок субъекта 12. Выбор индицирующего участка может содержать маскирование соответствующего участка пиксельной структурой. При накоплении соответствующих значений сигнальных пикселей для пиксельной структуры в некоторый момент (или в некотором кадре), из пиксельной структуры может быть получено среднее пиксельное значение. Таким образом, обнаруженные сигналы могут быть нормализованы и в какой-то степени компенсированы для всех помех. Среднее пиксельное значение может быть представлено характеристическим сигналом. Жизненно важный интересующий сигнал 26 может быть введен в малые флюктуации (малые периодические изменения свойств) характеристического сигнала. Далее, поток 30 собранных данных может считаться представлением определенной интересующей области субъекта 12, которая может охватывать область накопленных пикселей, содержащую множество пикселей. На фиг. 1 жизненно важный сигнал 26 может позволить сделать несколько заключений в отношении частоты сердечных сокращений, сердцебиения, изменчивости частоты сердечных сокращений, частоты дыхания или даже насыщенности кислородом. Известные способы получения таких жизненно важных сигналов могут содержать тактильный контроль частоты сердечных сокращений, избирательную кардиографию или пульсоксиметрию. Для этой цели, однако, требуются навязчивые контроль и измерения. Как указано выше, альтернативный подход обращен к незаметному дистанционному измерению, использующему способы обработки изображений.

Поток 30 данных, содержащий непрерывный или дискретный характеристический сигнал, может передаваться от средства 24 датчика к интерфейсу 32. Само собой разумеется, между средством 24 датчика и интерфейсом 32 может также вводиться буферное средство. Идущий к интерфейсу 32 поток 30' входных данных может передаваться на процессорный блок 62, обозначенный прямоугольником. Процессорным устройством 62 можно считать компьютерное устройство или по меньшей мере часть компьютерного устройства, управляемого соответствующими логическими командами, чтобы обеспечивать требуемую обработку данных. Процессорное устройство 62 может содержать несколько компонентов или блоков, назначение которых описывается далее. Следует понимать, что каждый компонент или блок процессорного устройства 62 могут реализовываться фактически или дискретно. Например, процессорное устройство 62 может содержать много процессоров, например, многоядерных процессоров или одноядерных процессоров. Процессорный блок 62 может использовать по меньшей мере один процессор. Каждый из процессоров может быть выполнен как стандартный процессор (например, центральный процессор) или как специальный процессор (например, графический процессор). Следовательно, процессорный блок 62 может действовать должным образом, чтобы распределять несколько задач обработки данных по соответствующим процессорам.

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, процессорный блок 62 содержит устройство 34 разложения данных, выполненное с возможностью разделения входного потока (30, 30') данных на производные субпоследовательности, каждая из который представляет определенный спектральный участок. В связи с этим, ссылка делается на фиг. 3a и 3b. Дополнительно, могут быть обеспечены блок 36 сегментации кожи и/или устройство 38 слежения за признаком. Оба компонента, блок 36 сегментации кожи и устройство 38 слежения за признаком, могут быть выполнены с возможностью обнаружения структуры. Оба компонента могут использоваться для обнаружения интересующей области субъекта 12, которая считается в высокой степени индицирующей желаемый интересующий сигнал. Как указано пунктирными прямоугольниками, каждый из компонентов 36, 38 (а также некоторые из компонент, отмеченных далее) может рассматриваться как вспомогательный компонент, дополнительно улучшающий обработку данных и процедуру извлечения.

В альтернативном варианте осуществления обнаружение структуры может выполняться вручную пользователем устройства 10. Например, пользователь может замаскировать участок лица или участок кожи субъекта 12 в кадре, представляющем начальный кадр, для определения части начального кадра, которая должна обрабатываться.

Например, может быть предусмотрен фильтр 40, в частности, частотный фильтр, предпочтительно фильтр нижних частот. Фильтр 40 может быть выполнен с возможностью селективной фильтрации входного потока 30, 30' данных или, более предпочтительно, производных субпоследовательностей, созданных устройством 34 разложения данных из первой (одиночной) последовательности, введенной в поток 30, 30' входных данных. Фильтр 40 может быть выполнен с возможностью удаления частотных участков входных данных, которые явно не связаны с принятым частотным поведением жизненно важного интересующего сигнала. В некоторой степени частотная фильтрация может рассматриваться как мера по компенсации движения, при условии, что помехи, связанные с движением, возникают в полосе заграждения фильтра.

Дополнительно следует заметить, что термин "частота", часто используемый здесь, обычно относится к (макроскопическим) частотам, связанным со временем и возникающим в обработанных данных и сигналах. В отличие от этого, при обращении к терминам "длина волны" и "спектр" обычно имеют дело с характеристиками электромагнитного излучения.

Процессорный блок 62 может дополнительно содержать процессор 42 данных, выполненный с возможностью формирования искусственных выборок с учетом ближайших индицирующих сигнальных выборок, чтобы (заново) заполнять производные субпоследовательности, созданные устройством 34 разложения данных. Дополнительные объяснения в этом отношении предоставляются ниже со ссылкой на фиг. 3b и 3c. Тем не менее, процессорный блок 62 может дополнительно содержать сигнальный детектор 44, выполненный с возможностью извлечения непрерывных или дискретных характеристических сигналов из поданных на него данных. Следовательно, сигнальный детектор 44 может быть выполнен с возможностью осуществления нескольких алгоритмов извлечения и улучшения сигналов. В частности, для этой цели могут использоваться обработанные производные субпоследовательности, созданные из первой последовательности. Как упомянуто выше, устройство 10 выполнено с возможностью расширения базиса заданного сигнала так, чтобы одиночная первая входная последовательность была разделена для возможности получения по меньшей мере двух производных разных последовательностей. При преобразовании данных одиночной последовательности (канала) в данные мультипоследовательности (канала), могут рассматриваться несколько помех, возникающих в собранных данных, которые могут уменьшаться или даже удаляться во время последующей обработки.

Также в процессорном блоке 62 может обеспечиваться (дополнительный) оптимизатор 46 данных. Оптимизатор 46 данных может быть выполнен с возможностью дальнейшего улучшения потенциально индикационного сигнала, обнаруживаемого сигнальным детектором 44. Например, оптимизатор 46 данных может также реализовываться (частотным) фильтром. В альтернативе или в дополнение, оптимизатор 46 данных может быть выполнен с возможностью применения алгоритма взвешивания или подобных алгоритмов к сигналам, обнаруженным сигнальным детектором 44.

После процессорного блока 62 может обеспечиваться (выходной) интерфейс 50, на который подается поток 48 обработанных данных. Через интерфейс 50 выходные данные 52 могут становиться доступными для дополнительных анализов и/или для мер по отображению.

Процессорный блок 62 может дополнительно содержать средство 56 расширения границ сигнала, выполненное с возможностью попеременного воздействия на спектральный состав сигнальных выборок в первой последовательности. Дополнительно, варианты осуществления средства 56 расширения границ сигнала рассматриваются в сочетании с фиг. 6, 7 и 8. Средство 56 расширения границ сигнала может содержать тактовый генератор 58, выполненный с возможностью подачи управления или частоты запуска, которые могут использоваться для выборочного управления спектральным составом обработанных данных. Тактовый генератор 58 может соединяться со спектральным контроллером 60. Спектральный контроллер 60 может выборочно влиять на состав спектральных данных. Спектральный контроллер 60 может попеременно или в целом управлять или запускать по меньшей мере один источник излучения 22, средство 24 датчика и/или устройство 34 разложения данных, чтобы обеспечивать, что разделение первой последовательности сигнальных выборок синхронизируется с переменным спектральным составом полученных данных.

Процессорный блок 62, а также интерфейсы 32, 50 могут быть реализованы в общем процессорном устройстве или корпусе 64. Ссылочная позиция 64 может также описывать границу виртуальной системы. Также, средство 24 датчика и по меньшей мере один источник излучения 22 могут быть интегрированы в общем корпусе 64 процессорного блока. Напротив, устройство 10 может быть дополнительно реализовано как распределенное устройство. Например, средство 24 датчика и по меньшей мере один источник излучения 22 могут быть расположены отдельно или на удалении от процессорного устройства 62. Кроме того, функциональные объекты процессорного устройства 62 могут быть реализованы в распределенных процессорных устройствах, которые могут присоединяться через кабельные или беспроводные сети.

Устройство 10 может через соединительную линию 66 соединяться с сетью 68 электропитания. Сеть 68 электропитания может быть выполнена с возможностью подачи переменного тока с рабочей или сетевой частотой. Как указано выше, частота сети потенциально может оказывать негативное влияние на процессорный блок 62, вызывая так называемые частоты биений. Поэтому предпочтительно запускать или управлять устройством 10 с частотой выборки (или частотой кадров), которая достаточно удалена от сетевой частоты.

На фиг. 2a и 2b показаны характеристики спектральной чувствительности и/или поглощения. Ось 70 ординат представляет электромагнитные свойства, а именно, длину волны (разметка шкалы в нанометрах). Соответствующий спектральный интервал, указанный на фиг. 2a и 2b, охватывает видимое излучение, а также коротковолновый участок ультрафиолетового (UV) излучения и длинноволновый участок инфракрасного (IR) излучения. Ось абсцисс обозначается ссылочной позицией 72. Ось 72 представляет безразмерные качественные или пропорциональные значения, указывающие чувствительность или поглощение. На фиг. 2a показаны два графика 74, 76 поглощения. График 74 поглощения описывает типичное поглощение кровью. График 76 поглощения описывает типичное поглощение меланином. При распознавании или обнаружении интересующей области, в основном, состоящей из кожи, фактическое отражение может быть результатом поглощения кровью и меланином (с наложенными или покрытыми помехами). Кривая 76 поглощения меланина, в целом, снижается с увеличением длины волны. Кривая 74 поглощения кровью демонстрирует характерную изогнутую форму, содержащую максимумы. Поглощение кровью имеет локальный минимум на длине волны приблизительно 680 нм. Дополнительно, кривая 74 поглощения кровью содержит несколько локальных минимумов и максимумов, в особенности, в диапазоне излучения, в котором присутствует видимый свет. Для определения жизненно важного интересующего сигнала, связанного с реальной перфузией крови, предпочтительно обнаруживать излучение в диапазоне длин волн, в котором ни поглощение кровью, ни поглощение меланином не является слишком высоким. Поэтому инфракрасная область, предпочтительно, так называемая ближняя инфракрасная область, хорошо подходит для обнаружения сигнала. В отличие от этого, используя стандартные камеры или средства датчиков, такие как RGB-камеры, должен назначаться диапазон видимого излучения, который считается неоптимальным с точки зрения поглощения меланином и кровью. Для целей иллюстрации, на фиг. 2b показаны типичные графики 84a, 84b, 84c спектральной чувствительности видеокамеры, имеющей три вида (цветных) датчиков или соответствующих фильтров. График 84a может представлять красный датчик или фильтр. График 84b может представлять зеленый датчик или фильтр. График 84c может представлять синий датчик или фильтр. Хотя стандартные RGB-камеры являются, в целом, доступными по низким ценам, инфракрасные камеры или средства датчиков, имеющие более одного вида типа датчика, выполненного с возможностью обнаружения более одного диапазона длин волн в инфракрасной области, считаются дорогими и поэтому не используются для каждодневных применений.

С другой стороны, дешевые инфракрасные камеры являются доступными, охватывая участок одиночной длины волны в инфракрасной области. Например, график 86 спектральной чувствительности на фиг. 2b может представлять датчик одиночного типа инфракрасной камеры.

Термин "датчик", как он используется здесь, обычно относится к определенному типу вида датчика, расположенного в матрице средства цифрового датчика. Само собой разумеется, что средство (цифрового) датчика (например, CCD-камера) обычно содержит множество датчиков. Однако, многоканальные камеры поэтому требуют матрицы с множеством типов датчиков, тогда как одноканальные (монохромные) камеры требуют просто матрицы датчиков одиночного типа.

Как описано выше, в качестве мер по компенсации помех предпочтительна многоканальная сигнальная запись. Объединяя соответствующие сигналы от каждого из многочисленных каналов, могут рассматриваться несколько помех (например, движение субъекта, зеркальные отражения и изменения в окружающей яркости). Поэтому желательно получить многоканальную или по меньшей мере квазимногоканальную запись сигнальных выборок в требуемом диапазоне длин волн, даже когда в камере обеспечивается только один тип датчика. Возвращаясь к фиг. 2b, могло бы быть чрезвычайно интересно выборочно фокусировать различные спектральные участки в пределах заданного графика 86 спектральной чувствительности, чтобы определить поддиапазоны длин волны. Выбор таких желательных участков длин волны или сегментов обозначается ссылочными позициями 82a, 82b, 82c. Снова стоит заметить, что участки или сегменты 82a, 82b, 82c не должны пониматься или рассматриваться ограничивающим образом, как "монохромные" сегменты в строгом смысле термина "монохромный". Каждая из ссылочных позиций 82a, 82b, 82c может также означать диапазон длин волн.

Предпочтительный подход к вышеупомянутой проблеме представлен в сочетании с фиг. 3a, 3b и 3c. На фиг. 3a показана во времени серия или первая последовательность 92 последовательных сигнальных выборок 94 (смотрите ссылочную позицию 90, обозначающую временную ось). Каждая из сигнальных выборок 94a, 94b, 94c может означать одиночный кадр в первой последовательности 92. В альтернативе, каждая из сигнальных выборок 94 может также представлять множество последовательных кадров. Предпочтительно, каждая из сигнальных выборок 94a, 94b, 94c охватывает один и тот же промежуток времени. Каждая из сигнальных выборок 94a, 94b, 94c может представлять целый кадр, записанный средством датчика. Однако, в альтернативе, каждая из сигнальных выборок 94a, 94b, 94 может также представляться подразделом записанного кадра. Первая последовательность 92 может упоминаться как одноканальная последовательность средства (монохромного) датчика. Однако, как указано определенными штриховками, в первой последовательности 92 может присутствовать чередующаяся серия различных спектральных участков. Например, сигнальные выборки 94a могут фокусироваться на разделе или сегменте 82a (смотрите фиг. 2b). Соответственно, сигнальная выборка 94b может быть индикацией сегмента излучения или раздела 82b. Дополнительно, сигнальная выборка 94c может быть очень хорошим индикатором сегмента излучения или секции 82c. Следовательно, даже при том, что записывается только один сигнальный канал, в первую последовательность 92 вводится по меньшей мере "квазимногоканальная" информация. Управление фактической спектральной характеристикой, присутствующей в соответствующей сигнальной выборке 94, может выполняться с помощью средства 56 расширения границ сигнала, как показано на фиг. 1 и на фиг. 6, 7 и 8, соответственно.

На фиг. 3b показаны полученные чередующиеся последовательности 96a, 96b, 96c, также называемые субпоследовательностями. Полученные последовательности 96a, 96b, 96c могут быть получены посредством "разделения" первой последовательности 92 с учетом определенной чередующейся серии отдельных спектральных характеристик в сигнальных выборках 94a, 94b, 94c. Например, производная последовательность 96a первоначально может быть образована из сигнальных выборок 94a, хорошо индицирующих спектральный сегмент или участок 82a (фиг. 2b). Соответственно, полученная последовательность 96b может содержать сигнальные выборки 94b, представляющие сегмент или участок излучения 82b. Кроме того, полученная последовательность 96c может быть образована из сигнальных выборок 94c, представляющих спектральный сегмент или участок 82c. Следовательно, спектральная информация, введенная в одноканальную первую последовательность 92, может быть развернута и использоваться во время дальнейшей обработки.

На фиг. 3b три полученные последовательности 96a, 96b, 96c создаются из начальной первой последовательности 92. Следовательно, каждая из созданных производных последовательностей 96a, 96b, 96c содержит пустые промежутки или разрывы 98, поскольку из начальной первой последовательности 92 в соответствующую из производных последовательностей 96a, 96b, 96c может просто передаваться каждая третья сигнальная выборка 94. На фиг. 3b каждый пустой промежуток 98, в основном, соответствует длительности двух сигнальных выборок 94. Пустые промежутки 98 обычно состоят по меньшей мере из одной пустой выборки, соответствующей индицирующей выборке (например, "синхронизированной" с точки зрения частоты выборки). Так, на фиг. 3b каждый пустой промежуток 98, в основном, может содержать две пустые выборки.

На фиг. 3c показано, что пустые промежутки 98 (или по меньшей мере одна из их соответствующих пустых выборок) в производных последовательностях 96a, 96b, 96c могут заполняться так называемыми искусственными сигнальными выборками 102a, 102b, 102c, чтобы заново установить более чем один полный сигнальный ряд, приводя в результате по меньшей мере к двумя завершенным последовательностям 104a, 104b, 104c. Каждая из искусственных сигнальных выборок 102a, 102b, 102c может соответствовать одиночной пустой выборке пустых промежутков 98. Как упомянуто выше, каждая из искусственных сигнальных выборок 102a, 102b, 102c может быть получена, применяя алгоритмы вставки к соседствующим сигнальным выборкам 94a, 94b, 94c. Соседствующие сигнальные выборки могут содержать непосредственно или опосредствованно предшествующие или последующие сигнальные выборки той же самой полученной последовательности 96a, 96b, 96c. Предпочтительно, вставка выборки направлена на компенсацию движения. В конечном счете, может быть получен дополнительный поток 106 данных, содержащий по меньшей мере две завершенные последовательности 104a, 104b, 104c, в которых каждый пустой промежуток заполнен соответствующими искусственными сигнальными выборками 102a, 102b, 102c.

Вставка сигнальной выборки может делаться для компенсации движения. В этой связи, на фиг. 4a показан кадр (или раздел кадра) 110, представляющий субъекта 12, в частности, участок 112 лица субъекта 12. Примерная интересующая область 114 обозначена прямоугольником. Интересующая область 114 может быть выбрана вручную или используя блок 36 сегментации кожи и/или средство 38 слежения за признаком. В целом, меры по обнаружению структуры могут быть применены к заданному представлению субъекта 12, который должен наблюдаться, чтобы автоматически обнаруживать индикативными областями, которые могут интересующими областями 114. Смещенное или перемещенное положение субъекта 12 обозначается ссылочной цифрой 12'. Субъект 12', может быть представлен последовательной сигнальной выборкой 94' (опосредствованно) после сигнальной выборки 94, смотрите фиг. 4b. Как показано на фиг. 3b, разделение первой последовательности 92, в основном, приводит к производным последовательностям 96, содержащим индикативные сигнальные выборки 94 и разрывы или пустые промежутки 98. Компенсация движения может быть направлена на установку искусственных сигнальных выборок 102, 102' (фиг. 4b), заполняющих или заменяющих соответствующие пустые промежутки 98.

На фиг. 4a дополнительно указаны пути 120a, 120b перемещения, которые могут быть интерполированы с учетом определенных соответствующих начальных положений 116 и отслеженные положений 118. Начальное положение 116 может представлять положение субъекта 12 в сигнальной выборке 94, тогда как отслеженное положение 118 может представить положение субъекта 12' в сигнальной выборке 94'. Прямой путь, в основном, может быть определен между положениями 116, 118, так чтобы определить прямой путь перемещения или вектор 120a. Однако, если путь перемещения может быть также искривлен, обратитесь к альтернативному пути 120b перемещения. Компенсация движения посредством интерполяции может быть выполнена с учетом более чем одной предыдущей или последующей сигнальной выборки 94. Следовательно, переход плавного движения может допускаться, чтобы определить изогнутые пути перемещения. Вдоль каждого из путей 120a, 120b перемещения могут быть определены позиции 122a, 122b вставки. Основываясь на положениях 122a, 122b вставки, искусственные сигнальные выборки 102, 102' могут быть установлены и введены в каждую из производных последовательностей 96, чтобы получить "дополненные" дополнительные последовательности 102, формирующие дополнительный поток 106 данных, составленный по меньшей мере из двух каналов.

На фиг. 5 показан кадр (изображение) 110, демонстрирующий представление субъекта 12. Как упомянуто выше, несколько участков субъекта 12, которые должны контролироваться, могут служить в качестве интересующей области 114, которые, как предполагают, должны быть в большой степени индикативными для желаемых жизненно важных сигналов. Например, в интересующей области 114, в целом, может быть представлен участок лица. Однако, дистанционное обнаружение фотоплетизмографических жизненно важных сигналов может также быть применено к интересующим областям меньшего размера. Например, интересующая область 114a может включить лобный участок лица. Альтернативная интересующая область 114b может содержать участок щеки лица. Кроме того, интересующая область 114c может содержать участок шеи. Дополнительная альтернативная интересующая область 114d, в основном, содержит участок предплечья субъекта 12, который должен наблюдаться. Также, в качестве интересующей области может наблюдаться участок руки субъекта 12.

На фиг. 6, 7 и 8 показаны несколько вариантов осуществления средства 56 расширения границ сигнала, используемого для попеременного воздействия на спектральный состав сигнальных выборок 94a, 94b, 94c в первой последовательности 92. В основном, каждое из средств 56 расширения границ сигнала может быть по меньшей мере частично реализовано в процессорном блоке 62 (фиг. 1).

На фиг. 6 показано средство 56a расширения границ сигнала, содержащее тактовый генератор 58 и спектральный контроллер 60, как уже было описано в связи с фиг. 1. Дополнительно, средство 56а расширения границ сигнала содержит переключатель 126 запуска, выполненный с возможностью выборочного управления одним из множества источников излучения 22a, 22b, 22c. Источники излучения 22a, 22b, 22c могут быть осуществлены как соответствующие светодиоды или матрицы светодиодов, в которых каждый (тип) светодиод адаптирован к определенному отдельному участку длин волн. В совокупности, источники излучения 22a, 22b, 22c и средство 56а расширения границ сигнала могут формировать блок 124a обогащения сигнала. Блок 124а обогащения сигнала может синхронизироваться с частотой кадров средства датчика или камеры 24. Предпочтительно, каждый из источников излучения 22a, 22b, 22c выполнен с возможностью охватывания определенного отдельного спектрального сегмента или участка 82a, 82b, 82c (фиг. 2b) в пределах одной характеристики спектральной чувствительности или частотной характеристики 86 одноканального средства 24 датчика. Следовательно, даже при том, что средство 24 датчика может содержать ограниченную функциональность и может поэтому продаваться по низким ценам, достигается "квазимногоканальная" обработка сигналов.

В основном, та же самая функциональность обеспечивается альтернативными блоками 124b, 124c обогащения сигнала, представленными на фиг. 7 и 8, соответственно. Например, блок 124b обогащения сигнала содержит средство 56b расширения границ сигнала, выполненное с возможностью управления фильтром 128 освещенности. Фильтр 128 освещенности может быть реализован в виде подвижной матрицы фильтра, смотрите двойную стрелку 130. Фильтр 128 освещенности может содержать участки отдельных определенных характеристик фильтра. Управление фильтром 128 освещенности в соответствии с частотой кадров средства 24 датчика позволяет сбор данных последовательной во времени серии сигнальных выборок 94, охватывающих определенные переключаемые спектральные участки 82a, 82b, 82c.

Блок 124c обогащения сигнала, показанный на фиг. 8, содержит средство 56c расширения границ сигнала, выполненное с возможностью выборочного действия фильтра 132 датчика, соединенного со средством 24 датчика. Таким образом, записанными сигналами можно управлять нужным способом на уровне камеры. Кроме того, фильтр 132 датчика может содержать матрицу передвижного фильтра, имеющего участки фильтра с определенными явными свойствами спектральной чувствительности. Запуск фильтра 132 датчика (смотрите двойную стрелку 134) может выборочно влиять на спектральную характеристику средства 24 датчика. Предпочтительно, работа фильтра 132 датчика и частота кадров средства 24 датчика синхронизируется. Дополнительно могут быть предусмотрены общеизвестные фильтры 128, 132.

Каждый из примерных вариантов осуществления блока 124a, 124b, 124c обогащения сигнала может быть реализован в соответствии с общей планировкой устройства 10, показанного на фиг. 1. Эти примерные варианты осуществления имеют, в общем, дешевые одноканальные камеры, которые могут использоваться для обнаружения сигнала, в то же время позволяя многоканальную или по меньшей мере "квазимногоканальную" обработку.

Демонстрируя несколько альтернативных примерных подходов, охватываемых изобретением, на фиг. 9, на который делается ссылка, схематично показан способ извлечения информации из обнаруженного электромагнитного излучения.

Первоначально, на этапе 150 принимается поток входных данных или (первая) входная последовательность 152, содержащая нескольких зарегистрированных кадров 153. Ось времени обозначается стрелкой t. Поток данных может передаваться от средства 24 датчика или от средства буфера данных или запоминающего устройства. Поток данных может быть реализован, например, последовательностью кадров изображения или участками кадров изображения, меняющимися во времени. Кадры изображения могут содержать пиксельные данные, представляющие инфракрасное излучение. Входная последовательность 152 может содержать представление интересующего субъекта.

На последующем этапе 154 поток входных данных, содержащий последовательность 152, обрабатывается и разделяется по меньшей мере на две производные субпоследовательности 158a, 158b, 158c. Обычно разделение сигнала может выполняться с учетом спектрального фильтра 156, имеющего по меньшей мере две характеристики фильтра. Таким образом, входная последовательность 152 может регистрироваться в соответствии с различными определенными спектральными участками, уже присутствующими в последовательности 152. Производные субпоследовательности 158a, 158b, 158c могут содержать индикативные кадры или выборки 153 и пустые промежутки или разрывы 160.

На другом этапе 162, который может предшествовать или следовать после этапа 154, обнаружение структуры применяется к присутствующим в потоке данных индикативным выборкам 153. Таким образом, интересующие области 164 могут быть определены.

На другом этапе 166 к субпоследовательностям 158a, 158b, 158c применяется интерполяция движения. Компенсация движения может содержать определение начального положения интересующей области 164 и результирующее положение интересующей области 164' в сигнальной выборке, непосредственно или иначе следующей за начальной сигнальной выборкой. Следовательно, могут быть определены промежуточные положения 165 интересующей области. В конечном счете, могут быть сформированы искусственные промежуточные сигнальные выборки 172, используемые для заполнения или замены пустых промежутков 160 в субпоследовательностях 158a, 158b, 158c, чтобы получить заполненные или дополненные последовательности 168a, 168b, 168c.

В дальнейшем, к полученным дополнительным последовательностям 168a, 168b, 168c могут быть применены меры по обработке сигналов. Стоит заметить, что начиная с начальной одноканальной последовательности 152, получается многоканальное представление по меньшей мере двух дополненных или заполненных последовательностей 168a, 168b, 168c. Поэтому, этап 170 обработки данных может быть направлен на компенсацию всех помех, таких как движение субъекта и/или зеркальное отражение, который могут потребовать многоканального представления.

Далее может следовать этап 174 фильтрации, на котором может выполняться частотная фильтрацию по каждому каналу или для каждой последовательности. С этой целью может использоваться частотный фильтр 176, который может быть фильтром нижних частот или полосовым фильтром. В некоторой степени, частотная фильтрацию сигнала уже может рассматриваться как мера по компенсации движения. Например, фильтрация низких частот может содержать частоту разделения приблизительно 10 Гц.

На другом этапе 178 могут выполняться меры по сбору данных по набору. Например, участки 180a, 180b, 180c характеристических сигналов могут быть получены или выведены из соответствующих последовательностей 168a, 168b, 168c. Например, накопление сигнала может использоваться, накапливая множество пиксельных значений в интересующей области, чтобы получить единое репрезентативное значение для каждого кадра.

На этапе 182 получения производного сигнала участки 180a, 180b, 180c характеристических сигналов могут объединяться соответствующим способом, например, посредством линейной комбинации.

В конечном счете может быть получен производный характеристический сигнал 184, который уже может быть в большой степени индикатором желаемого жизненно важного сигнала. Тем не менее, на этапе 186 к производному характеристическому сигналу 184 могут применяться дополнительные меры оптимизации. Следовательно, может быть получен оптимизированный сигнал 188 может быть получен, позволяющий делать заключения по меньшей мере об одном по меньшей мере частично периодическом жизненно важном интересующем сигнале 190. Следует понимать, что представление, основанное на времени, и/или представление, основанное на частоте интересующего сигнала 190, может представлять интерес.

В качестве примера, настоящее изобретение может применяться в области здравоохранения, например, для незаметного дистанционного контроля пациента, общего надзора, контроля состояния безопасности и так называемых сред образа жизни, таких как оборудование для занятий фитнесом, и т.п. Применения могут содержать контроль насыщенности кислородом (пульсоксиметрия), частоты сердечных сокращений, кровяного давления, функциональное состояние сердца, изменения перфузии крови, минутного объема сердца, изменений перфузии крови, оценку автономных функций и обнаружение периферических сосудистых заболеваний. Само собой разумеется, в варианте осуществления способа, соответствующем изобретению, несколько из описанных здесь этапов, могут выполняться в измененном порядке или даже одновременно. Дополнительно, некоторые этапы могут быть также пропущены, не отступая от объема изобретения. Это, в частности, относится к нескольким альтернативным этапам обработки сигналов.

Хотя изобретение было показано и подробно описано на чертежах и в предшествующем описании, такие чертежи и описание следует считать иллюстративными или примерными и не создающими ограничений; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут стать понятны и быть осуществлены на практике специалистами в области заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы и единственное число не исключает множественное число. Одиночный элемент или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов, описанных в формуле изобретения. Простой факт, что некоторые критерии применяются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что объединение таких критериев не может использоваться для достижения преимущества.

Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптический носитель или твердотельный носитель, предоставляемый вместе с другим аппаратурным обеспечением или как его часть, но может также распространяться в других формах, таких как через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи.

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

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отражаемого субъектом. Устройство содержит интерфейс для приема потока данных, полученного из обнаруженного электромагнитного излучения, причем поток данных содержит первую последовательность сигнальных выборок, указывающих различные спектральные участки, устройство разложения данных, выполненное с возможностью разделения потока данных по меньшей мере на две производных чередующихся последовательности зарегистрированных сигнальных выборок, причем каждая из производных чередующихся последовательностей представляет определенный спектральный участок и содержит индикативные сигнальные выборки, разнесенные по времени, процессор данных, выполненный с возможностью формирования искусственных выборок с учетом ближайших индикативных сигнальных выборок, чтобы по меньшей мере частично заменять пустые промежутки между индикативными сигнальными выборками, формируя, таким образом, дополнительный поток данных. Способ осуществляется посредством использования устройства, включающего носитель информации, содержащий компьютерную программу. Использование изобретений позволяет повысить точность получения сигналов, в том числе, при плохой освещенности и сильном движении. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного субъектом (12), содержащее:

интерфейс (32) для приема потока (30) данных, полученного из обнаруженного электромагнитного излучения, причем упомянутый поток (30) данных содержит первую последовательность (92; 152) сигнальных выборок (94), указывающих различные спектральные участки;

устройство (34) разложения данных, выполненное с возможностью разделения потока (30) данных по меньшей мере на две производных чередующихся последовательности (96а, 96b, 96с) зарегистрированных сигнальных выборок (94а, 94b, 94с), причем каждая из производных чередующихся последовательностей (96а, 96b, 96с) представляет определенный спектральный участок (82а, 82b, 82с) и содержит индикативные сигнальные выборки (94а, 94b, 94с), разнесенные по времени;

процессор (42) данных, выполненный с возможностью формирования искусственных выборок (102а, 102b, 102с) с учетом ближайших индикативных сигнальных выборок (94а, 94b, 94с), чтобы по меньшей мере частично заменять пустые промежутки (98) между индикативными сигнальными выборками (94а, 94b, 94с), формируя, таким образом, дополнительный поток (106) данных.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее сигнальный детектор (44) для извлечения непрерывного или дискретного характеристического сигнала (184) из дополнительного потока (106) данных, причем характеристический сигнал (184) включает в себя физиологическую информацию, характеризующую, по меньшей мере один по меньшей мере частично периодический жизненно важный сигнал (26; 190).

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее средство (24) датчика, в частности камеру, выполненную с возможностью сбора данных электромагнитного излучения, причем средство (24) датчика обладает определенной частотной характеристикой (86), адаптированной по меньшей мере к одному определенному спектральному распределению.

4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере один источник электромагнитного излучения (22), выполненный с возможностью направления на субъект (12) излучения, в частности источник инфракрасного освещения.

5. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее средство (56) расширения границ сигнала для поочередного воздействия на спектральный состав сигнальных выборок (94а, 94b, 94с) в первой последовательности (92; 152).

6. Устройство по п. 5, в котором средство (56) расширения границ сигнала содержит средство (128) фильтрации, управляемое тактовым генератором, выполненное с возможностью выборочного переключения по меньшей мере между двумя определенными спектральными характеристиками отклика средства датчика.

7. Устройство по п. 5, в котором средство (56) расширения границ сигнала содержит средство (132) фильтрации, управляемое тактовым генератором, выполненное с возможностью выборочного переключения по меньшей мере между двумя определенными спектральными распределениями излучения, сформированного по меньшей мере одним источником электромагнитного излучения.

8. Устройство по п. 5, содержащее по меньшей мере два источника (22b, 22b, 22с) освещения, каждый из которых выполнен с возможностью формирования излучения отдельного спектрального состава, причем средство (56) расширения границ сигнала дополнительно выполнено с возможностью попеременного запуска последовательно во времени по меньшей мере двух источников (22b, 22b, 22с) освещения.

9. Устройство по п. 1, в котором процессор (42) данных дополнительно выполнен с возможностью формирования интерполированных искусственных выборок (102а, 102b, 102с) с учетом ближайших индикативных сигнальных выборок (94а, 94b, 94с), так что сформированный дополнительный поток (106) данных содержит искусственные выборки (102а, 102b, 102с) для компенсации движения.

10. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее средство (36) сегментации кожи для обнаружения интересующей области (114) в субъекте (12), причем процессор (42) данных дополнительно выполнен с возможностью определения движения во времени интересующей области (114) для формирования интерполированных искусственных выборок (102а, 102b, 102с).

11. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее устройство (38) слежения за признаком для обнаружения по меньшей мере одного явного отдельного участка кожи, в частности, структуры (112) лица, причем определенное перемещение по меньшей мере одного отдельного участка кожи используется для формирования интерполированных искусственных выборок (102а, 102b, 102с).

12. Устройство по п. 1, в котором частота кадров средства (24) датчика и частота разделения устройства (34) разложения данных синхронизированы, причем, предпочтительно, средство (24) датчика и устройство (34) разложения данных работают на рабочей частоте, которая в два раза больше, чем частота питающей сети, или чем целочисленная часть частоты питающей сети источника (68) электропитания.

13. Способ извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного субъектом (12), содержащий этапы, на которых:

принимают поток (30) данных, полученный из обнаруженного электромагнитного излучения, причем поток (30) данных содержит первую последовательность (92) сигнальных выборок (94), указывающих различные спектральные участки;

разделяют поток (30) данных по меньшей мере на две производные чередующиеся последовательности (96а, 96b, 96с) зарегистрированных сигнальных выборок (94а, 94b, 94с), причем каждая из производных чередующихся последовательностей (96а, 96b, 96с) представляет определенный спектральный участок (82а, 82b, 82с) и содержит индикативные сигнальные выборки (94а, 94b, 94с), разнесенные по времени; и

формируют искусственные выборки (102а, 102b, 102с) с учетом ближайших индикативных сигнальных выборок (94а, 94b, 94с), чтобы по меньшей мере частично заменять пустые промежутки (98) между индикативными сигнальными выборками (94а, 94b, 94с), формируя, таким образом, дополнительный поток (106) данных.

14. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этап, на котором:

поочередно воздействуют на спектральный состав сигнальных выборок (94а, 94b, 94с) в первой последовательности (92; 152).

15. Носитель информации, содержащий компьютерную программу для извлечения физиологической информации из электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного субъектом, причем компьютерная программа побуждает компьютер выполнять этапы способа по п. 13, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере.