用于远程光体积描记法的自动相机调节的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于获得对象的生命体征的设备和方法。尤其地，本发明涉及能够用 于检测诸如人或动物的被观察的对象中的生命体征的非干扰性光学测量方法。
【背景技术】
[0002] 人的生命体征，例如，心率(HR)、呼吸率(RR)或血氧饱和度，充当人的当前状态的 指示物并且能够被用作医学事件的预测物。出于这种原因，生命体征在住院患者护理环境 和门诊患者护理环境中，在家或者在另外的健康、休闲和健身环境中得到广泛地监测。
[0003] 测量生命体征的一种方式是体积描记法。体积描记法通常指对器官或身体部分的 体积变化的测量，并且尤其指对因随着每一次心跳行进通过对象的身体的心血管脉搏波引 起的体积变化的检测。光体积描记法(PPG)是评价感兴趣区或体积的光反射或光透射的时 变变化的光学测量技术。PPG基于以下原理：即，血液比周围组织吸收更多的光，因此血液体 积随着每一次心跳的变化相应地影响透射或反射。除了关于心率的信息以外，PPG波形(也 被称为PPG信号）能够包括可归因于诸如呼吸的另外的生理现象的信息。通过评价在不同波 长(通常为红色和红外)处的透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度。常规的脉搏血氧计 通常被附着到对象的皮肤。因此，它们被称为"接触式" PPG设备。
[0004] 最近，已经推出了用于非干扰性测量的非接触式远程PPG(RPPG)设备。远程PPG利 用被远离感兴趣对象设置的光源，或者通常为辐射源。类似地，诸如相机或光探测器的探测 器也能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远程PPG系统和设备被认为是非干扰性的，并且 非常适合于医学日常应用以及非医学日常应用。
[0005] Verkruysse等人的 "Remote plethysmographic imaging using ambient light" (Optics Express，第16卷，第26期，第21434-21445页，2008年12月22日）展示了能够使用周 围环境光和常规消费者水平的视频相机来远程测量光体积描记信号。基于相机的生命体征 监测优于在体传感器的主要优点之一是高易用性:不需要附着传感器，仅使相机瞄准对象 的皮肤/胸部是足够的。基于相机的生命体征监测优于在体传感器的另一优点是用于实现 运动鲁棒性的潜力:相机具有显著的空间分辨率，而接触式传感器大多包括单元件检测器。
[0006] 由于基于相机的生命体征监测是通过仔细分析皮肤颜色的非常细微的变化来执 行的，因此其高度取决于相机传感器捕获这些变化的能力。对于该技术的关键挑战之一是 在低光环境中或者在范围为从全太阳光到夜间卧室光水平的变化的环境照明状况下能够 提供鲁棒的测量。因此，相机灵敏度是该过程中的关键问题。通常，视频信号在模拟域中被 捕获然后被数字化。针对RPPG的感兴趣信号，即，光强度或亮度的变化，通常是微弱的（为 0.25LSB的量级），尤其是当商业可获得的相机被使用时或者当周围照明状况相当微弱时。 因此，在模数(AD)转换步骤期间由于所捕获的图像信号中的噪声而存在完全丢失信号（即， 相关信息）的高可能性。
[0007] 在US 2010/0066849 A1中，描述了图像处理方法和设备。所提出的方法和设备允 许捕获场景的内容，基于像素的测得的亮度值来确定针对表示场景的像素的分箱样式，并 且使用该分箱样式来捕获图像的内容。这样的方法可以允许以较低的分辨率为代价来降低 相机噪声，并且可以在确定分箱设定时被使用。
[0008] W0 2011/055288 A1公开了提供视频数据和元数据的组合的方法。所述方法包括 获得由视频相机捕获的图像的序列。从图像的序列提取至少一个信号，其中，每个提取的信 号表征光强度和颜色中的至少一个中的局部时间变化。至少一种视频压缩技术被应用在来 自序列的图像的图像数据上，以获得压缩的视频数据。所提取的信号是从处于在将所述至 少一种压缩技术应用于来自这些图像的图像数据之前的状态中的图像提取的。所压缩的数 据被提供有元数据，所述元数据用于表征被表示在图像的至少部分中的对象中的至少一个 过程，所述过程引起从对象捕获的光的颜色和强度中的至少一个的局部时间变化。元数据 至少基于所提取的信号中的至少一个。
[0009] W0 2011/042839 A1公开了一种便于获得用于分析的第一数据以表征其至少一个 周期性分量的方法。所述方法包括获得表示捕获的电磁辐射的强度的至少两个第二信号， 每个第二信号对应于各自的不同辐射频率范围。第一信号至少可从输出信号导出，所述输 出信号可通过对第二信号应用变换来获得，使得输出信号的任何值基于来自在对应的时间 点处的每个各自的第二信号的值。所述方法还包括当对应于第二信号的信号被捕获并且变 换被应用时，通过以下中的至少一个来获得确定各自的第二信号的至少分量对输出信号的 影响的至少一个变量的至少一个值：（i)分析第二信号、通过对第二信号应用变换获得的输 出信号以及从输出信号导出的第一信号中的至少一个，并且使用所述分析来选择对应于变 量中的各自的一个的至少一个参数的至少一个值；以及(ii)计算对应于变量中的各自的一 个的至少一个时变因子的值，每个因子值基于至少一个第二信号值，并且将每个因子应用 在操作的多个并行序列中的包括至少一个这样的操作的至少一个序列中的操作中，并且将 对应于第二信号中的各自的一个的信号采取为输入。
【发明内容】
[0010] 本发明的目标是提供用于在变化的照明状况(其范围潜在地为从全太阳光到夜间 卧室光水平)下可靠且准确地获得对象的生命体征的设备和方法。
[0011] 在本发明的第一方面中，提出了一种用于获得对象的生命体征的设备。所述设备 包括:接口，其用于接收对象的图像帧的集合，图像帧包括具有相关联的像素值的多个图像 像素;信号提取单元，其用于从图像帧的所述集合提取所述对象的光体积描记，PPG，信号； 信号评价单元，其用于确定所述PPG信号的特征，所述特征指示所提取的PPG信号关于所述 对象的期望的生命体征的信息内容;处理单元，其用于基于所提取的PPG信号的所确定的特 征来确定分箱配置，所述分箱配置被提供用于控制对图像帧的图像像素的分箱；以及生命 体征确定单元，其用于根据所提取的PPG信号来确定生命体征信息。
[0012] 在本发明的第二方面中，提出了一种用于获得对象的生命体征的对应的方法。
[0013] 在本发明的又一方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，当在计算 机上执行所述计算机程序时，所述程序代码单元用于令所述计算机执行在本文中公开的方 法的步骤，并且提供了一种非瞬态计算机可读记录介质，在所述非瞬态计算机可读记录介 质中存储了计算机程序产品，所述计算机程序产品当由处理器运行时令在本文中公开的方 法被执行。
[0014] 在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的方法和计 算机程序具有与要求保护的设备和在从属权利要求中所定义的相似和/或相同的优选实施 例。
[0015] 由于图像信号中的噪声是统计地分布在空间区上的，因此应对嘈杂图像信号的一 种可能是分箱。分箱指的是将(物理)像素的簇组合成单个(虚拟)像素。例如，2x2分箱通常 指的是将4个(物理)像素的阵列组合成单个更大的(虚拟)像素，从而减少像素的总数目。其 一个缺点在于，图像分辨率也被降低。一些商业可获得的相机提供人工分箱控制，即，用户 基于记录的图像来人工决定要被使用的分箱设定。
[0016]通常，其目标是应用在以下意义上来说最优的分箱配置:足够数目的像素被分箱 以便获得图像信号的适当的信噪比，尽管将经分箱的像素的数目保持为最小以便获得合理 的图像分辨率。对分箱配置的确定因此能够被看作所捕获的噪声与图像分辨率之间的折 衷。已知方法要求基于所记录的图像的质量来人工选取分箱配置，或者基于像素的亮度来 确定分箱配置。在其中图像帧要被用于提取PPG信号并且从所述PPG信号确定生命体征信息 的应用中，这些方法在有不充足的分箱被应用并且不能够提取有意义的PPG信号的风险下 运行，或者有在太多像素被分箱使得图像帧的分辨率非必要地减小的风险下运行。
[0017] 为了避免这些影响，本发明提出基于根据提取的PPG信号确定的特征来确定分箱 配置。PPG信号被提取并且尤其是关于要从其提取的特定生命体征而被评价。基于该PPG信 号(或者其特征），分箱配置被确定，所述分箱配置在以下意义上来说是最优的:最小数目的 像素被分箱，尽管能够提取有意义的PPG信号，基于所述有意义的PPG信号，能够确定生命体 征信息。
[0018] 本发明的优点在于，分箱配置自动被确定，而不必进行人工调节。根据本发明，对 分箱配置的确定直接基于期望的生命体征信息，而不是仅基于对环境照明状况的评价。因 此，所确定的分箱配置适于特定期望的生命体征。如果所提取的PPG信号已经允许（以足够 的准确性)对生命体征信息进行确定，则不要求另外的分箱。另一方面，如果所提取的PPG信 号和根据其确定的特征不允许对生命体征信息的足够准确的提取，则分箱配置能够被调整 以便获得更好的PPG信号。从而，如果不是对生命体征信息的确定所需的，则太多像素的分 箱被避免。因此，如在本文中所提出的基于PPG信号的确定的特征来确定分箱配置允许对最 优分箱配置进行选取。如果另一生命体征是期望的并且如果照明状况改变，则分箱配置能 够被调整。针对可以被确定并且被用在本发明的背景中的PPG信号的特征的范例尤其包括 信噪比、波动量度，例如，方差或标准差、分位数、平均值、趋势、外