用时间序列信号确定基于视频的脉搏传导时间的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种从视频图像生成的时变源信号中确定关注对象的动脉脉搏传导时间的系统和方法。在一个实施例中，视频成像系统用来捕获关注对象的近侧和远侧区的时变源信号。图像帧被处理以隔离对象的裸露皮肤的近侧和远侧区的局部区域。从源视频图像中提取每个近侧和远侧区的时间序列信号。计算每个时间序列信号的相对于频率的相位角，以产生每个区各自的相位相对频率的曲线。从每个相位曲线中提取选定的心脏频率范围内的斜率，计算两个斜率之间的差，以获得对象的动脉脉搏传导时间。
【专利说明】用时间序列信号确定基于视频的脉搏传导时间的系统和方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及从获得的病人的源视频信号中确定该病人的动脉脉搏传导时间的系 统和方法。
【背景技术】
[0002] 在医疗行业非常需要有通过非接触手段捕获生理信号的能力。出于许多原因，一 个重要的生理信号是脉搏传导时间，其中的一个原因是脉搏传导时间与血压相关联。为了 获得这些测量值，电子-心电图（ECG)装置的电极需要直接附连到病人的皮肤。这在护理 具有敏感肌肤的早产儿的新生儿重病特别护理病房可能是个问题。
[0003] 因此，本领域需要从视频图像生成的时变源信号中确定关注对象的动脉脉搏传导 时间的系统和方法。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种从视频图像生成的时变源信号中确定关注对象的动脉脉搏传 导时间的系统和方法。在一个实施例中，视频成像系统用来捕获关注对象的近侧和远侧区 的时变源信号。图像帧被处理以隔离对象的裸露皮肤的近侧和远侧区的局部区域。从源视 频中提取每个近侧和远侧区的时间序列信号。关于频率计算每个时间序列信号的相位角， 以产生每个区各自的相位相对频率的曲线。然后，从每个相位相对频率的曲线中提取选定 的心脏频率范围内的斜率。计算两个斜率之间的差，以获得对象的动脉脉搏传导时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0005] 图1示出了关注对象的右手抓住电极，以图解说明人的手臂的动脉系统的两个近 侧和远侧点。
[0006] 图2是图解说明从使用视频成像系统获得的源视频图像中确定关注对象的近侧 和远侧区之间的动脉脉搏传导时间的本方法的一个实施例的流程图。
[0007] 图3是对象的图像，近侧区确定为手背区域，远侧区确定为脸部区域。
[0008] 图4示出了根据本文中的教导从处理过的图3的每个近侧和远侧区的时变源信号 获得的相位角关于频率的曲线的绘制斜率。
[0009] 图5是示例性联网图像处理系统的框图，其中，实现如在图2的流程图中描述的本 方法的各个方面。
【具体实施方式】
[0010] 如本文中使用的"关注对象"指能够表现出动脉脉搏的任何物体。本文中使用诸 如"个人"或"病人"的词语不应视为将所附权利要求的范围限制到只是人体。
[0011] "近侧"（来自拉丁文邻近：意思是最接近）指较接近升脉中的动脉脉搏的源。为 了进行动脉脉搏测量，动脉中的近侧点是较靠近心脏即远侧点上游的点。
[0012] "远侧"（来自拉丁文远的：意思是远离）指距离身体的中心较远的点。为了动脉 脉搏测量目的，动脉中的远侧点是在动脉网携带血液向上游&下游通过主动脉弓和降主动 脉的分支时距离心脏较远的点，即在近侧点的上游或下游。
[0013] "动脉脉搏波"是当心脏肌肉的左心室收缩压迫大量血进入大动脉时在血管系中 产生的压力波。动脉脉搏波具有两个主要分量，即左心室收缩时向前的行波和从末梢区域 返回的反射波。
[0014] "脉搏传导时间"指压力脉搏从近侧动脉部位到达远侧动脉部位所花的时间。脉搏 传导时间（PTT)是脉搏波速度的函数，脉搏波速度又是血压、血管直径、血液密度的函数。 PTT信号可以被校准以提取病人的血管网中逐拍血压和血流速度，包括便于各种诊断，比方 说例如血管随时间的膨胀、关注的两点（或两个区域）之间的血管阻塞、糖尿病人的周围神 经病变等。图1示出了关注对象的右臂100向外延伸抓紧电极102的一部分。对象的肱动 脉103向手臂下方延伸，分别在104和105分支成烧动脉和尺动脉。肱动脉中的点106邻 近桡动脉中的点107。在图1中，脉搏传导时间是动脉脉搏波从近侧区108中的点106行 进到远侧区109中的点107所花的时间。当选择脸部和手部区域时，由于脸部和手部之间 没有血管网直接连接，所以基于视频的脉搏传导时间表示脸部信号和手部信号之间的时间 差。
[0015] "源视频图像"是使用视频成像传感器获得的图像的时变序列。源视频图像可以是 以下当中的任何组合=NIR图像、RGB图像、RGB和NIR图像、热图像、多光谱图像和超光谱视 频图像。
[0016] "视频成像传感器"指用于通过一个或多个信道获得源视频数据的装置。视频成像 传感器可以是具有高帧速率和高空间分辨率的装置，比方说例如用于捕获黑/白视频图像 的单色摄像机或者用于捕获彩色视频图像的彩色摄像机。视频成像传感器可以是光谱传感 器，诸如热图像、多光谱或超光谱系统。成像传感器可以是能够以具有高帧速率和高空间分 辨率的传统视频模式和具有低帧速率但高光谱分辨率的光谱模式操作的混合装置。
[0017] 现在参照图2的流程图。流程处理开始于步骤200,立即前进到步骤202。
[0018] 在步骤202,接收已经捕获的关注对象的时变源图像。源视频图像已经通过视频成 像系统的至少一个信道获得。源图像包括多个图像帧。
[0019] 在步骤204,处理视频图像，以识别包含裸露皮肤区域的对象的近侧和远侧区。示 出了示例性的近侧和远侧区，并分别参照图1的区域108和109描述。通过逐帧分析视频 图像、对那些图像帧中包括的像素进行分类，可以确定图像中的裸露的皮肤区域。可以使用 例如上文包括的像素分类方法识别分类为人的皮肤的像素。
[0020] 在步骤206,从源图像中提取与每个识别的近侧和远侧区关联的视频图像，以获得 每个信道的时间序列信号。信号对应于血压的体积变化。这可以通过计算每个图像帧内 每个识别的近侧和远侧区中所有像素的平均值以获得每个区每一帧的信道平均值来实现。 然后可以通过将多个帧的信道平均值相加，再除以总帧数来计算每个信道的全局信道平均 值。从全局信道平均值中减去信道平均值，再将所得结果用全局信道标准偏差去除，获得每 个近侧和远侧区的零平均单位方差时间序列信号。这些时间序列信号包含频率分量。为 了确定脉搏传导时间的目的，只借助单一颜色的信道进行处理是足够的。例如，在RGB视频 中，来自绿色信道的时间序列信号包含充足的信号。一旦已经获得每个近侧和远侧区的标 准化的时间序列信号，可以将这些信号使用快速傅立叶变换（FFT)算法进行预滤波，以去 掉不期望的频率。产生的预处理和预滤波时间序列信号包含每个区内的体积压力变化的求 和总和。可以使用盲源（blind source)分离算法（诸如在前述参考中描述的独立分量分析 或限定独立分量分析）进行进一步的预处理以提取源血液体积信号（诸如体积描记信号）。 应当理解，第一和第二区域中体积变化是由于每个这些区中的所有血管造成的。动脉脉搏 是这些信号中的主要分量。来自较小结构（诸如毛细管和末端动脉）的分量尽管不那么重 要，原因是这些分量只提供对表现出脉搏的微小贡献，但当关注区域大时可能是重要的，原 因是合成效果可以提高信噪比。后补偿信号包含去相关和噪声校正信道，即每个近侧和远 侧区的环境补偿信号。
[0021] 在步骤208,计算每个时间序列信号相对于频率的相位角，获得这些信号中各频率 的各自的相位相对频率的曲线。只有一个视频信道可以用来确定相位相对频率的曲线。如 果使用源分离算法，则来自近侧和远侧区的源信号会用来计算相位相对频率的曲线。本领 域技术人员会理解给定时间序列信号，如何关于频率ω计算相位角<4。如果(P 1O)是 对应于近侧区的时间序列信号的相位，办0)是对应于远侧区的时间序列信号的相位，则 & = 和4 = 是各自的斜率。这些斜率可以通过对每个相位相对频率的曲 线拟合多项式方程或者通过对频率求导来计算。如果相位相对频率的曲线是线性的，则时 间序列信号内包含的所有的频率具有相同的时间移动。
[0022] 在步骤210,从每个相位相对频率的曲线中提取选定的心脏频率范围内的各自的 斜率。一个心脏频率范围是〇. 75到4. OHz。斜率代表各自的时间序列信号内的每个谐波的 时间移动。
[0023] 在步骤212,计算斜率之间的差，以获得对象的动脉脉搏传导时间。在此实施例 中，进一步的处理停止。图3示出了对象的图像，近侧区确定为手背区域，远侧区确定为脸 部区域。图4示出了关于获得的图3的近侧和远侧区的频率，绘制的相位相对频率的曲线。 这些相位相对频率的曲线关于心脏频率范围内的频率呈现出线性特征。手部区域的斜率 是-18. 0917秒。脸部区域的斜率是-17. 5271秒。对应于近侧和远侧区之间的对象的动脉 脉搏传导时间的计算差是0. 5647秒。两个线性相位相对频率的曲线的斜率差对应于血液 在这两个区域之间流动的传播（或时间）延迟。应注意，相位相对频率的曲线在不同程度 的疾病状态的所有对象中可能不是线性的。在其它实施例中，动脉脉搏传导时间传送到计 算机系统，并用来便于确定以下中的任何一个：对象血管网中的血压、血管随时间的膨胀、 血管阻塞、血流速度和/或周围神经病变的存在。
[0024] 现在参照图5,图5是示例性联网视频图像处理系统500的框图，其中，实现了参照 图2的流程图描述的本方法的各个方面。
[0025] 在图5中，成像传感器502获取在视频摄像机的视场503中捕获的关注对象（显 示为右臂）的源视频图像501。源视频图像是通过至少一个成像信道获得的，每个信道的信 号504传送到视频图像处理系统505,在视频图像处理系统505中执行本方法的各个方面。
[0026] 系统505显示为包括缓冲器506,以缓冲源信号以便进行处理。缓冲器506可以进 一步存储根据本文中的教导处理源视频图像所需的数据、公式、数学表达式等等。图像稳定 器模块507处理图像，以在需要时补偿异常（诸如运动引起的模糊、成像模糊、缓慢发光变 化等等）。区域检测处理器508接收视频图像，处理其中包含的图像，以便分别在509A和 509B确定近侧和远侧区。被捕获源视频图像的一个或多个帧可以通过未显示的路径传送到 工作站520,以在显示器523上显示，使得用户可以从捕获的任何一个图像帧中选择近侧和 远侧区中的任何一个。可以由用户使用例如通过点击和拖曳鼠标产生的橡皮绳框，或者通 过其它方式高亮显示视频序列的一个或多个图像帧中裸露皮肤的局部区域进行选择以进 行处理。
[0027] 与每一个近侧和远侧区关联的源图像的各部分提供到视频图像预处理器510,视 频图像预处理器510接收与每个识别的近侧和远侧区关联的源图像，从源图像中提取每个 区的每个信道的时间序列信号。各个信号分量可以使用未显示的通信路径向存储装置511 存储/检索。分别为近侧和远侧区提取的标准化时间序列信号512和513提供到FFT模块 514,在FFT模块514中，这些时间序列信号经过预滤波以去掉不期望频率。FFT模块还可以 使用其它滤波技术。共同在515的经过滤波的时间序列信号提供给相位角确定器516,相位 角确定器516接收每个近侧和远侧区的经过滤波的时间序列信号，计算所选的关注信道的 每个时间序列信号相对于频率的相位^，获得相位相对频率的曲线。斜率提取器517分别 接收近侧和远侧区的相位相对频率的曲线蒙：||*1和，从每个相位相对频率的曲线中 提取选定的心脏频率范围内的斜率（T1和T2)。差异计算器518计算两个斜率之间的差，获 得对象的动脉脉搏传导时间（PTT) 519。动脉脉搏传导时间传送到联网计算机系统520。
[0028] 工作站520对计算机可读介质522 (诸如软盘、光盘、⑶-R0M、DVD、磁带等）进行读 /写。箱体521安置具有处理器和存储器的母板、网卡、图形卡等等以及其它软件和硬件。 工作站包括用户接口，在此实施例中，用户接口包括显示器523 (诸如CRT、LCD、触摸屏等）、 键盘524和鼠标525。用户或技术人员可以使用键盘和/或鼠标来识别近侧和远侧区，设置 参数，选择图像以进行处理，查看结果等等。应当认识到，工作站具有操作系统和其它被配 置成显示各种数字值、文本、滚动条、具有用户可选择选项的下拉菜单等等用于输入、选择 或修改显示装置523上显示的信息的专用软件。由视频捕获装置502捕获的源视频信号的 各个部分可以传送到工作站520以处理并存储到存储装置526。工作站520通过箱体521 内部的通信接口与网络527的一个或多个远程装置通信。
[0029] 应当认识到，由信号处理单元505的任何模块和处理单元执行的一些或全部功能 可以整体或部分由工作站520执行。其中的任何一个可以存储到存储装置526或者写入到 计算机介质522。图5的模块和处理单元中的任何一个可以设置成与存储装置511和526 通信，可以向其存储/从其中检索执行预期功能所需的数据、变量、记录、参数、函数、机器 可读/可执行程序指令。系统505的任何一个模块可以设置成通过网络527与一个或多个 装置通信。尽管显示为桌面计算机，但应当认识到计算机系统520可以是膝上型计算机、大 型计算机、服务器或专用计算机（诸如ASIC、电路板、专用处理器等等）中的任何一个。
[0030] 还应当认识到，各种模块可以指定一个或多个组件，这些组件又包括设计为执行 预期功能的软件和/或硬件。多个模块可以共同执行单个功能。每个模块可以具有能够执 行机器可读程序指令的专用处理器。模块可以包括单个硬件，诸如ASIC、电子电路或专用处 理器。多个模块可以由单个专用计算机系统或并行操作的多个专用计算机系统执行。模块 之间的连接包括物理和逻辑连接。模块可以进一步包括一个或多个软件/硬件模块，这些 软件/硬件模块可以进一步包括操作系统、驱动器、装置控制器和其它设备，其中的一些或 全部可以通过网络连接。还考虑到，本方法的一个或多个方面可以在专用计算机系统上实 现，还可以在分布式计算环境中实践，在分布式环境中，任务是由通过网络链接的若干远程 装置执行的。本文中的教导可以使用任何已知的或由本领域技术人员无需过度实验借助相 关领域的通常知识通过本文中提供的功能后续开发的系统、结构、装置和/或软件以硬件 或软件实现。
[0031] 本文中描述的方法的一个或多个方面想要包括于制造品当中，包括具有计算机可 用或机器可读介质的一个或多个计算机程序产品。制造品可以包括于机器架构可读的至少 一个存储介质或者体现能够执行本文中描述的方法的可执行程序指令的图像处理系统上。 制造品可以被包括以作为操作系统的一部分，制造品可以运输、销售、租赁或另外单独地提 供，独立地或者作为附加物、更新、升级或套件产品的一部分。
[0032] 在不偏离本发明的精神和范围下可以对上述的实施例进行各种变化。包括专利和 专利申请的任何印刷出版物的教导分别通过引用全部被并入本文中。
【权利要求】
1. 一种从使用视频成像系统获得的源视频图像中确定关注对象的近侧和远侧区之间 的动脉脉搏传导时间的方法，所述方法包括： 接收在视频成像系统的至少一个信道上获得的时变源图像，所述源图像包括捕获的关 注对象的裸露皮肤区域的近侧和远侧区的视频图像； 从所述源图像中提取每个所述近侧和远侧区的时间序列信号； 计算每个所述时间序列信号的相对于频率的相位角，获得各自的相位相对频率的曲 线. 从每个所述相位相对频率的曲线提取选定的心脏频率范围内的相应斜率；以及 计算所述提取的斜率之间的差，所述差包括所述对象的所述近侧和远侧区之间的动脉 脉搏传导时间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述时变源信号包括NIR图像、RGB图像、RGB与 NIR图像、多光谱图像、热图像和超光谱图像的任意组合。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述近侧和远侧区分别包括所述对象的第一和 第二局部区域。
4. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括从所述动脉脉搏传导时间确定所述对象的 血管网中的血压、血管随时间的膨胀、血管阻塞、血流速度和存在周围神经病变中的任何一 个。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，用于获得所述近侧和远侧区的所述时变源图像 的所述视频成像系统包括两个视频摄像机，第一视频摄像机获得所述近侧区的第一视频， 第二视频摄像机获得所述远侧区的第二视频。
6. -种从使用视频摄像机获得的源视频图像中确定关注对象的近侧和远侧区之间的 动脉脉搏传导时间的基于视频的系统，所述系统包括： 视频成像系统，所述视频成像系统用于在至少一个信道上捕获时变源图像，所述源图 像包括捕获的关注对象的裸露皮肤区域的近侧和远侧区的视频图像；以及 处理器，所述处理器与所述视频摄像机和存储器通信，所述处理器执行机器可读指令， 以执行： 接收在视频成像系统的至少一个信道上获得的时变源图像，所述源图像包括捕获的关 注对象的裸露皮肤区域的近侧和远侧区的视频图像； 从所述源图像中提取每个所述近侧和远侧区的时间序列信号； 计算每个所述时间序列信号的相对于频率的相位角，获得各自的相位相对频率的曲 线. 从每个所述相位相对频率的曲线提取选定的心脏频率范围内的相应斜率；以及 计算所述提取的斜率之间的差，所述差包括所述对象的所述近侧和远侧区之间的动脉 脉搏传导时间。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述时变源信号包括NIR图像、RGB图像、RGB与 NIR图像、多光谱图像、热图像和超光谱图像的任意组合。
8. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述近侧和远侧区分别包括所述对象的第一和 第二局部区域。
9. 根据权利要求6所述的系统，其中，进一步包括从所述动脉脉搏传导时间确定所述 对象的血管网中的血压、血管随时间的膨胀、血管阻塞、血流速度和存在周围神经疾病中的 任何一个。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，用于获得所述近侧和远侧区的所述时变源图像 的所述视频成像系统包括两个视频摄像机，第一视频摄像机获得所述近侧区的第一视频， 第二视频摄像机获得所述远侧区的第二视频。
【文档编号】A61B5/0245GK104434078SQ201410426354
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】L·K·梅斯泰, S·卡亚奥 申请人:施乐公司