用于处理生理信号的设备、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及确定受检者的生命体征的领域，并且特别涉及用于处理生理信号的设备、方法和系统。
【背景技术】
[0002]受检者的生命体征是在确定受检者的医疗状况或健康中的强有力指示器。生命体征包括但不限于，呼吸率(RR)、心率(HR)或脉搏率。生命体征描述基础的生理过程，例如心跳或呼吸运动。描述基础的生理过程的生理信号可被测量和评估。
[0003]生理过程(例如心率或呼吸率)的即时频率的可靠和精确的估计对于很多健康护理应用来说是关键的。然而，当新颖的不引人注目的传感器(例如体积描记(PPG)传感器或运动传感器)被用于在不受控制的环境(例如日常生活场景)中的连续健康监测时，鲁棒的估计是尤其具有挑战性的。在这些环境中，传感器可生成显著量的可能非可靠数据。因此，通常，信号处理在导致错误输出的这些干扰期间产生问题。现在，用于测量生理信号的很多基于手腕的生物传感器也装配有加速计以估计运动并基于此来校正测量的信号。
[0004]呼吸率和心率检测的当前发展水平的方法基于频域分析或连续波长变换(CWT)。这些方法在生理信号的节段上执行，该生理信号的节段包括基础生理现象的几次出现，例如多个呼吸周期或多个心跳。这些节段还被称为窗并且对应的信号处理也被称为窗口化信号处理。与该类型的信号处理有关的问题是时延。由于处理窗的长度，例如三十秒的窗，仅可以以对应于处理窗的长度的延迟获得结果。然而，该时延在紧急情况中是不可接受的。此外，如果检测到运动伪影，则整个窗被丢弃。
[0005]US2013/0080489A1公开了用于从多个自相关序列确定生理信息的设备和方法。可应用连续小波变换到自相关序列以确定呼吸信息。针对例如45秒持续时间的处理窗来计算自相关。基于多个形态学度量信号来生成多个自相关序列。形态学度量信号转而基于光体积描记(PPG)信号来生成。
[0006]US2011/0301477A1公开了用于提供生物反馈信息给受检者的设备。设备包括用于从传感器接收心率数据的接收器。传感器的类型包括麦克风(音频心脏信号)，压力传感器(脉压)，心电图(ECG)，光体积描记(PPG)，以及利用RF或相机技术的非接触式传感器。关于伪影，该文献教导了窗口化数据被去平均(demean)，这消除数据的DC偏移，并且窗口化数据被去趋势(de-trend )，这消除了数据的任何基础趋势。在时延方面，该文献教导了较短的数据窗得到受检者的生理状态的更快更新。在实际应用中，可以找到低到五秒的时延。
[0007]然而，需要进一步减少时延。此外，需要在几乎没有时延的情况下检查信号的完整性或质量，并确定生命体征提取是否可靠。特别是在严重紧急情况下，如复活，执行心肺复苏(CPR)或使用自动体外除颤器(AED)，低时延是至关重要的。而且，有效的实施方式、低内存使用和低功耗是令人期望的。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种具有降低的时延的用于处理生理信号的设备、方法和系统。另外的目的是提供用于处理生理信号的设备的有效实施方式，其有利地具有低的内存使用和功耗。
[0009]在本发明的第一方面，提出了用于处理生理信号的设备，其包括
-用于检测接收的生理信号的波形特征的出现的特征检测器，其中生理信号描述生理过程，并且特征检测器用于提供描述检测到的生理信号的波形特征的出现的特征信号，
-去抖动器，其用于从特征信号去除相对于另一出现在预定时间窗内出现的非指示性出现并且用于提供去抖动后的特征信号，
-内插器，其用于通过得到指示在波形特征的期望出现处的生理信号的值来确定基线信号，其中期望出现通过去抖动后的特征信号来指示，并且内插器用于将基线信号内插在所述期望出现之间中。
[0010]在本发明的另外方面，提出用于处理生理信号的系统，其包括如上所述的用于处理生理信号的第一和第二设备的联结，其中第二设备的特征检测器的输入连接到第一设备的输出。
[0011]在本发明的又另外的方面，提供了对应的方法、计算机程序以及非暂态计算机可读记录介质，该计算机程序包括当所述计算机程序在计算机上被执行时用于使计算机执行本文公开的方法的步骤的程序代码模块，该非暂态计算机可读记录介质将计算机程序产品存储在其中，该计算机程序产品当由处理器执行时使本文所公开的方法被执行。
[0012]本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。应当理解的是，所要求保护的方法、系统、计算机程序和介质具有与所要求保护的设备和与在从属权利要求中限定的相似和/或相同的优选实施例。
[0013]本发明人已经发现，如US2011/0301477A1建议的去平均或去趋势无法校正当例如使用PPG传感器时出现的运动伪影。PPG信号可能被运动伪影严重扭曲，因为光传感器的轻微位移可以大大改变输出信号。这个伪影通常是测得的信号中的相当短的尖峰或跳跃，任选地跟随有完全不同的信号幅度，这是不能通过对信号进行去趋势来校正的。在这样的情况下，整个处理窗可能被分类为坏，并会在使用处理窗的当前发展水平的设备中被丢失。
[0014]应当注意的是，使用加速度计用于伪影校正还具有显著限制，因为光学PPG传感器相对于皮肤的非常小的移动可能给出不与测量的加速度成比例的巨大信号偏差。
[0015]本发明还基于以下发现:当前发展水平的方法在紧急情况下太慢。尽管US2011/03014477A1建议了，它能够实时在移动设备上运行，该方法的时延仍被限制到处理窗的长度。用于对数据进行去趋势或去平均的最小持续时间由处理窗定义。
[0016]因此，根据本发明的设备的一个元素是采用特征检测器，用于检测生理信号的波形特征的出现。由此，波形的特性随着它们出现而被识别。波形特征包括但不限于峰，谷，超过预定阈值的值，局部最大值或最小值，预定能量的峰/谷、斜率等。波形特征的出现可以被提供作为在特征检测器的输出处的特征信号，用于进一步处理。因此，在逐个特征的基础上以非常低的时延提供特征信号。因此特征信号指示检测到波形特征的时间点或样本号。
[0017]实验已经表明，并非所有的检测到的波形特征的出现实际上可以归因于基础的生理现象，而可能是由于伪影，例如PPG传感器的位移。因此，根据本发明的一方面的用于处理生理信号的设备包括用于从特征信号去除非指示性出现的去抖动器。非指示性出现相对于另一次出现在预定时间窗内出现。例如，测量心率时，紧接着前一峰值的峰值在比人类的连续心跳的最小时间更短的时间窗内的出现可以被丢弃。这样的出现可指示伪影并因此不期望的。描述潜在期望出现的去抖动后的特征信号可以在去抖动器的输出处提供。去抖动后的特征信号提供期望出现，因为非指示性出现已被移除。
[0018]根据本发明的设备还包括内插器，其用于通过得到指示在波形特征的期望出现处的生理信号的值来确定基线信号，并且将基线信号内插在所述期望出现之间。由此，基线信号可以在逐个特征的基础上被确定。因此，时延减少到两个特征之间的间隔。这是相对于当前发展水平的基于窗的解决方案的相当大的优势，因为不需要等待整个窗，而仅等待下一特征。
[0019]基线信号因此可以通过在特征的出现处的生理信号的值来定义。例如，如果峰被连接则基线信号表示上包络，或如果谷被连接则基线信号表示下包络。任选地，基线可通过平均从一个或多个不同类型的特征中得到的基线来确定。因为基线信号的可用性取决于波形特征的出现，基线对于快速生理过程如跳动的心脏被更快刷新，并对于如呼吸，以较低的速度被刷新。
[0020]本发明的另外优点在于，对应的实施方式的占用量是非常小的，S卩，它是非常高效的，因为不使用过多的存储器，并且要求很少的计算，如乘法。
[0021]在实施例中，特征检测器被配置为检测生理信号的峰、谷、超过预定阈值的值、局部最大值或最小值、预定能量的峰/谷、斜率中的至少一个的出现。例如峰可被检测为超过预定阈值的值。可替代地，生理信号的导数被评估用于确定局部最小值或最大值。任选地，多个特征(例如峰和谷)被检测，使得多个基线可被检测，以进一步提高测量的精确度和可靠性。任选地，峰和谷被检测以用于执行基于峰和谷的平衡信号处理。
[0022]在另外的实施例中，去抖器和/或内插器被配置为实时提供输出信号。在该上下文中的实时表示一旦波形特征的下一次有效出现可获得则提供输出。因此，可以在逐个特征的基础上提供去抖器的输出信号(即去抖后的特征信号)和/或内插器的输出信号(即基线信号)。这个实时处理的优点是，输出信号可以以低时延被提供，这在紧急情况下特别有利。
[0023]在实施例中，去抖器进一步被配置为确定在特征信号或在去抖后的特征信号中特征的两次出现之间的时间间隔。描述在特征信号或在去抖后的特征信号中特征的两次出现之间的时间间隔的信号可以任选地被提供作为在去抖器的输出处的时间间隔信号。这些输出信号再次可