用于生成生物的生物测量信号的相的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于生成生物的生物测量信号的相机（1，1’），所述相机包括：滤光器（11），用于阻挡高达至少550nm的波长范围中的入射可见光；颜色传感器（12，12’），用于接收经滤光的所述入射光并生成至少两个不同的颜色信号（5，6，9）；组合单元（15），用于通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号（7a，7b）；以及处理单元（16），用于处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物（3）的至少一个生物测量信号（8）。
【专利说明】用于生成生物的生物测量信号的相机【技术领域】
[0001]本发明涉及用于生成生物的生物测量(biometrical)信号的相机。本发明还涉及用于生成生物的生物测量信号的方法。再进一步，本发明涉及在该相机和方法中使用的处理器和处理方法。最后，本发明涉及用于实施所述处理方法的计算机程序。
【背景技术】
[0002]脉冲测氧法是容许使用脉冲血氧仪来监视患者的血红蛋白的氧合的非侵入方法。传感器放置在患者的身体的细的(thin)部分上，该细的部分通常是手指尖端或耳垂。具有大约650nm的波长的红光和具有大约850至940nm的波长的红外光顺序穿过患者到达光电探测器。测量该两个波长中的每一个波长的改变的吸光度，容许确定仅归因于脉动动脉血，而不包括静脉血、皮肤、骨、肌肉和脂肪，的吸光度。基于由结合了氧(亮红色)与未结合氧(数种情况下为暗红或蓝色)的血液血红蛋白之间颜色的差异引起的红色和红外光的改变的吸光度的比率，能够进行氧合(与氧分子结合的血红蛋白分子的百分比)的测量。这在该领域也称作Sp02监视。
[0003]基于相机的Sp02监视常规地通过具有对应的光学带通滤光器的两个单色相机来实现，但是归因于对于许多应用所需的对准(即，来自两个或更多传感器的图像的空间对准)、复杂性和成本，这是不实际的，该许多应用诸如是运动、家庭使用或用于诸如移动电话的智能装置中的实施的应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供用于生成生物的生物测量信号并且与常规的基于相机的监视装备和方法相比，能够应用于较宽范围的应用且较不复杂和昂贵的相机和对应的方法。本发明的进一步的目的是提供用于该相机中的对应的处理器和处理方法以及用于实施所述处理方法的计算机程序。`
[0005]在本发明的第一方面，介绍了一种相机，所述相机包括:
[0006]-滤光器，用于阻挡高达至少550nm，特别是高达至少600nm，的波长范围中的入射可见光；
[0007]-颜色传感器，用于接收经滤光的所述入射光并生成三个不同的颜色信号；
[0008]-组合单元，用于通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号；以及
[0009]-处理单元，用于处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物的至少一个生物测量信号。
[0010]在本发明的进一步的方面，介绍了一种用于用于生成生物的生物测量信号的相机中的处理器，所述处理器包括:
[0011]-组合单元，用于通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号；以及[0012]-处理单元，用于处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物的至少一个生物测量信号。
[0013]在本发明的进一步的方面中，介绍了对应的方法以及包括程序代码模块的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于使得所述计算机执行所述处理方法的步骤。
[0014]在从属权利要求中限定本发明的优选实施例。应当理解，声称的方法与声称的装置具有类似和/或相同的优选实施例并具有与从属权利要求中限定的类似和/或相同的优选实施例。
[0015]本发明基于向用于生成生物的生物测量信号(也称为生命体征)的相机增加专门的滤光器的想法。虽然在常规相机中，滤光器用于阻挡红外光，使得由颜色传感器，例如RGB传感器，主要感测可见光，但是根据本发明，提出了非常相反的情况，并且滤光器用于阻挡高达至少550nm,优选地高达至少600nm,的波长范围中的入射可见光。换句话说，通过在相机的光路中放置用于阻挡入射可见光的滤光器，以使得仅某一阈值波长以上的光撞击颜色传感器，来修改相机的谱特性。
[0016]颜色传感器生成至少两个不同的颜色信号。将这些颜色信号组合成至少一个组合的颜色信号，然后进一步处理该至少一个组合的颜色信号以提取沙漠生物测量信号。结果是具有用于生物测量信号探测，特别是用于Sp02监视和Sp02成像，的几乎最佳的谱特性的便宜且相当简单的相机。
[0017]然而，本发明不限于探测Sp02信号，而是也可以提取其它生物测量信号，诸如生物的心跳、心动周期、呼吸速率、麻醉深度或血容量不足和血容量过多。例如，利用该提出的相机和方法，来自所述至少一个组合的颜色信号的心跳(也称为心率或HR)探测是更鲁棒的，并且甚至能够在暗的照明条件下进行，因为根据本发明，主要评估红外光，而不是如常规地那样评估可见光。
[0018]在优选实施例中，所述颜色传感器适于生成三个不同的颜色信号，优选地是红色信号、绿色信号以及蓝色信号。当然，这些颜色传感器也在红外波长范围中具有灵敏度。颜色传感器优选地是标准RGB传感器，该标准RGB传感器包括光电探测器和用于在入射光撞击光电探测器之前不同地对该入射光进行滤光的滤色器阵列。在另一实施例中，颜色传感器包括用于探测入射光的不同谱部分并生成不同颜色信号的独立的(不同的)颜色探测器。
[0019]通常，(XD/CM0S传感器制造商以单色(即，没有滤色器)和RGB (即，在像素的顶部“打印”有滤色器阵列)版本供给该传感器。针对可见段优化那些滤光器的谱响应。绿色和蓝色滤光器在近红外段(传感器的硅对该段仍然灵敏)的增大的透明性是使用的化学品(染料)的副作用。通常默认通过给颜色相机装备IR阻挡滤光器来解决这个。
[0020]从而本发明也能够理解为该颜色传感器的一种误用，该传感器特别是试图获得否则需要不同定制的光学滤光器的信号的RGB颜色传感器(以及它们在近红外谱范围中的不期望的行为)。
[0021]优选地使用标准的商业可用的RGB传感器的主要原因是成本因素(大量制造这些传感器)。当以低数量制造定制的颜色阵列时，这些定制的颜色阵列是昂贵的。但是，使用通常也可能的具有光学滤光器的一个以上的单色传感器也增大了总的系统成本。另外，介绍了来自不同传感器的图像的空间对准和/或透视问题。[0022]在另一优选实施例中，所述组合单元适于通过线性组合来组合所述至少两个颜色信号。已经表明线性组合提供好的结果。但是在某些环境下，特别是取决于颜色传感器的种类和/或照明生物的光源的谱，也可以替代地使用其它组合。
[0023]在另一实施例中，所述组合单元适于通过对所述三个生成的颜色信号中的至少两个颜色信号进行两种不同的组合来生成两个组合的颜色信号，所述两种不同的组合特别是线性组合。好的组合是最小化所述至少两个组合的颜色信号之间的串扰并且从而最大化得到的生物测量信号的对比度的组合。例如，如果通过PPG (光电体积描记术)提取从组合的颜色信号提取生物测量信号，则可以最大化PPG幅度之间的对比度。
[0024]导致好的结果的优选组合，通过将红色信号和绿色信号相加并从所述和减去蓝色信号的两倍来生成第一组合的颜色信号，并且通过从蓝色信号的两倍减去绿色信号来生成第二组合的颜色信号。
[0025]在另一实施例中，所述滤光器适于阻挡高达至少650nm的波长范围中的入射可见光。通常，蓝和绿颜色探测器在大约650nm的波长范围中具有光透射的局部最小值。然而，阻挡通常以大约545nm为中心的可见光谱中的绿色灵敏度峰是优选的。在650nm以上的较长波长处的阈值不是优选的，因为这将降低对于生物测量信号探测的对比度。那些生物测量信号通常具有在大约660nm的波长范围中的最小值，该波长范围从而表示其中能够最好地进行生物测量信号的探测或生物测量信号的评估的波长范围。
[0026]自然，在成像硅传感器中，如优选地在颜色传感器中使用的，灵敏度朝向较长波长减小。然而，如果，这不是对于某些颜色传感器的情况，则可以在至少IlOOnm以上，特别是至少1000nm以上，的波长范围中的入射光到达所述颜色传感器之前，将阻挡该至少IlOOnm以上，特别是至少1000nm 以上，的波长范围中的入射光的另一滤光器放置在相机的光路中。
[0027]如上所述，提出的相机可以用于生成不同种类的生物测量信号。本发明的优选应用的一个领域是用于通过PPG提取从该至少一个组合的颜色信号提取心跳信号。
[0028]在以下文献中描述了称为光电体积描记成像(PPG)的测量皮肤颜色变化的方法:Vim Verkruysse> Lars 0.Svaasand 和 J.Stuart Nelson 的 “Remote pIethysmographicimaging using ambient light”，Optics Express, Vol.16，N0.26, 2008 年 12 月。其基于以下原理:皮肤中的血容量的时间变化导致皮肤的光吸收的变化。能够由摄像机记录该变化，该摄像机拍摄皮肤区域，例如脸，的图像，同时处理计算手动选择的区域(典型地此系统中的颊的部分)上的像素平均值。通过观看此平均信号的周期性变化，能够提取心跳速率和呼吸速率。
[0029]从而，动脉血的脉动引起光吸收的改变。以光电探测器(或光电探测器阵列)观察的那些改变形成PPG (光电体积描计术)信号(除其它外，也称作体积(pleth)波)。血的脉动由跳动的心脏引起，即PPG信号的峰对应于心脏的个体跳动。因此，PPG信号是心跳信号本身。此信号的标准化幅度对于不同的波长是不同的，并且对于一些波长，其也是血氧合的函数。
[0030]为了提高心率计算的鲁棒性，使用一个以上的PPG信号，特别是以最大化标准化幅度的差异的方式在不同波长处获得的信号，是有益的。以一个信号除另一个信号有助于消除两个信号中存在的畸变。[0031]本发明的另一应用领域是Sp02估计。从而，优选地，处理模块适于通过提取不同波长处的至少两个PPG信号并且根据所述至少两个PPG信号确定Sp02信号，来从所述至少一个组合的颜色信号提取Sp02信号。
[0032]Sp02估计基于两个不同的波长范围处(一个在谱的红色部分处而另一个在谱的红外部分处)的PPG信号的标准化幅度的比率:
【权利要求】
1.用于生成生物的生物测量信号的相机，包括: -滤光器(11)，用于阻挡高达至少550nm的波长范围中的入射可见光； -颜色传感器(12，12’)，用于接收经滤光的所述入射光并生成至少两个不同的颜色信号; -组合单元(15)，用于通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号；以及 -处理单元(16)，用于处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物的至少一个生物测量信号。
2.如权利要求1所述的相机， 其中，所述颜色传感器(12)适于生成至少三个颜色信号。
3.如权利要求2所述的相机， 其中，所述颜色传感器(12’)适于生成红色信号、绿色信号以及蓝色信号。
4.如权利要求1所述的相机， 其中，所述组合单元(15)适于通过线性组合来组合所述至少两个颜色信号。
5.如权利要求2所述的相机， 其中，所述组合单元(15)适于通过对所述三个颜色信号中的至少两个颜色信号进行两种不同的组合来生成两个组合的颜色`信号，所述两种不同的组合特别是线性组合。
6.如权利要求3所述的相机， 其中，所述组合单元(15)适于通过对所述红色信号和所述绿色信号进行相加并从所述和减去所述蓝色信号的两倍来生成第一组合的颜色信号，并适于通过从所述蓝色信号的两倍减去所述绿色信号来生成第二组合的颜色信号。
7.如权利要求1所述的相机， 其中，所述滤光器(11)适于阻挡高达至少650nm的波长范围中的入射可见光。
8.如权利要求1所述的相机， 还包括另一滤光器(18)，用于在至少IlOOnm以上，特别是在至少1000nm以上，的波长范围中的入射光到达所述颜色传感器之前，阻挡所述在至少IlOOnm以上，特别是在至少1000nm以上，的波长范围中的入射光。
9.如权利要求1所述的相机， 其中，所述处理单元(16)适于从所述至少一个组合的颜色信号提取所述生物的心跳、心动周期、呼吸速率、Sp02、麻醉深度或血容量不足和血容量过多。
10.如权利要求1所述的相机， 其中，所述处理单元(16)适于通过提取不同波长处的至少两个PPG信号并且根据所述至少两个PPG信号确定Sp02信号，来从所述至少一个组合的颜色信号提取Sp02信号。
11.如权利要求1所述的相机， 其中，所述处理单元(16)适于通过PPG提取来从所述至少一个组合的颜色信号提取心跳信号。
12.用于生成生物的生物测量信号的方法，包括以下步骤: -阻挡高达至少550nm的波长范围中的入射可见光； -通过颜色传感器接收经滤光的所述入射光；-生成至少三个不同的颜色信号； -通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号；以及 -处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物的至少一个生物测量信号。
13.用于用于生成生物的生物测量信号的相机中的处理器，所述相机包括:滤光器，用于阻挡高达至少550nm的波长范围中的入射可见光；以及颜色传感器，用于接收经滤光的所述入射光并生成至少两个不同的颜色信号，所述处理器(17)包括: -组合单元(15)，用于通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号；以及 -处理单元(16)，用于处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物的至少一个生物测量信号。
14.用于用于生成生物的生物测量信号的相机中的处理方法，所述相机包括:滤光器，用于阻挡高达至少550nm的波长范围中的入射可见光；以及颜色传感器，用于接收经滤光的所述入射光并生成至少两个不同的颜色信号，所述处理方法包括: -通过组合所述至少两个颜色信号来生成至少一个组合的颜色信号；以及 -处理所述至少一个组合的颜色信号并提取所述生物的至少一个生物测量信号。
15.包括程序代码模 块的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于使得所述计算机执行如权利要求14所述的方法的步骤。
【文档编号】G06T7/00GK103764019SQ201280042552
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月27日 优先权日:2011年9月2日
【发明者】M·J·巴尔图拉, W·韦尔克鲁杰塞 申请人:皇家飞利浦有限公司