非侵擾式皮膚組織水合確定設備及相關的方法與流程

2023-10-04 08:56:59 3

本發明涉及用於確定皮膚組織的水合狀態的設備和方法。具體地，本發明涉及可以被利用以便確定皮膚組織指示水合的信號的非侵擾式遠程PPG監測設備並且涉及相關的方法。更廣泛地，本發明涉及能夠用於檢測被觀察對象中的生理參數的非侵擾式(光學)非接觸式測量方法。在這一點上，光學測量可以具體指光電體積描記術(PPG)，並且在某種程度上是指脈搏血氧計。本發明還涉及對應的電腦程式。

背景技術：

US 2013/0210058 A1公開了一種用於通過近紅外光譜來確定人類組織的水合狀態的裝置，所述裝置包括：照明器，其被配置為利用近紅外光對所述人類組織進行照明；光學接收器，其被配置為接收來自所述人類組織的近紅外光；光譜儀，其與所述光學接收器光學通信，所述光譜儀產生指示光譜的輸出；以及處理系統，其被配置為接收來自所述光譜儀的所述輸出並確定指示所述人類組織中的水合狀態的輸出。該文獻還公開了上述方法的若干細化。

在健康監測的領域中，皮膚水合可以被認為是指示被觀察的感興趣對象(例如，患者)的當前皮膚健康狀態的關鍵因素。皮膚水合測量結果可以基本上提供關於對象的皮膚的實際健康狀況的診斷信息。此外，皮膚水合測量結果可以指示皮膚屏障功能的完整性。

如在本文中所使用的，皮膚水合和皮膚組織水合可以被同義地使用。關於皮膚組織，一般可以預期人類皮膚組織，然而，其不應被理解為限制。通常，可以藉助於近紅外光譜來測量皮膚組織水合。如在US 2013/0210058 A1中所示出的，常規的皮膚組織水合確定設備要求近紅外光源和能夠闡釋和處理光譜信息的光譜儀。在皮膚組織水合測量的領域中，常規的基於光譜儀的設備利用這樣的事實：活體組織的實際水含量通常影響特定波長處的組織反射率。

然而，基於光譜儀的水合檢測設備要求花費相當高的硬體和仔細控制實驗室條件。因此，基於光譜儀的皮膚組織水合測量尚未被廣泛利用。此外，基於光譜儀的設備和方法基本上要求穩定的監測條件，其基本上對非侵擾式非接觸式遠程測量方法產生巨大的挑戰。相比之下，患者通常不愉快且不舒服地經歷在恆定實驗室條件下的皮膚組織水合確定。

在非侵擾式遠程非接觸式患者監測的領域中，近年來已經取得了相當大的進展。在這方面中，例如，已經提出了遠程光體積描記術(rPPG)。通常，基於PPG的方法監測皮膚的周期性顏色變化，所述皮膚的周期性顏色變化可歸因於灌注(脈動的血流)。光體積描記術，尤其是遠程光體積描記術，可以被用於監測若干生命體徵，例如，心率、心率變異性、呼吸率、動脈血氧合(血氧飽和度)等。

另外，一個或多個視頻相機用於通過使用遠程光體積描記成像來非侵擾性地監測對象的心率(HR)、呼吸率(RR)或其他生命體徵。例如在Wim Verkruysse、Lars O.Svaasand和J.Stuart Nelson的「Remote plethysmographic imaging using ambient light」(Optics Express，第16卷，第26號，2008年12月)中描述了遠程光體積描記成像。其基於這樣的原理：皮膚中的血液體積的時間變化引起皮膚對光吸收的變化。這樣的變化能夠由對諸如面部的皮膚區拍攝圖像的視頻相機來記錄，同時對在選定區域(在該系統中通常為面頰的部分)的像素平均值進行計算。通過觀看該平均值信號的周期性變化，能夠提取心率和呼吸率。與此同時，還存在描述用於通過使用遠程PPG獲得患者的生命體徵的設備和方法的細節的多個其他公開物和專利申請。

與基於光譜儀的方法相比，基於遠程光體積描記的方法和途徑通常要求較不昂貴的硬體。基於PPG的成像方法與基於光譜儀的監測方法是的區別還在於後者太容易受到幹擾、噪聲和其他環境影響的影響，例如，被觀察的(皮膚)區與各自的傳感器(諸如相機的成像設備)之間的相對運動。這至少部分地歸因於針對各自的方法所固有的信號處理基礎。

在基於光譜儀的方法中，通常監測、測量並處理DC信號部分。換言之，觀察或多或少地恆定的絕對信號水平。通常，負面地影響信噪比的幹擾會干擾被觀察的信號的DC部分。相比之下，基於PPG的方法關注於疊加在DC部分上的AC信號部分。AC信號部分可以被認為是脈動的信號部分，其指示歸因於脈動的血流的信號水平的或多或少地周期性的變化。換言之，總體幹擾可以主要破壞DC信號部分，而AC信號部分通常不受影響。因此，基於PPG的方法更適合於遠程監測和測量方法。

技術實現要素：

因此，本發明的目標是提供用於非侵擾地遠程PPG監測以確定皮膚組織的水合狀態的設備和方法，所述設備和方法能夠利用遠程PPG實施方法並允許以增加的精確度和可靠性來成本高效地魯棒檢測皮膚組織水合水平。更優選地，根據本公開內容的設備和方法可以克服針對基於光譜儀的水合檢測設備所固有的若干缺點。優選地，所述設備和所述方法尤其適合於非侵擾式遠程非接觸式監測。

在本公開內容的第一方面中，提出了一種用於確定皮膚組織的水合狀態的非侵擾式PPG監測設備，所述設備包括：

-接口，其用於接收包括多個PPG信號的數據流，所述多個PPG信號至少包括指示第一波長範圍的第一PPG信號、指示第二波長範圍的第二PPG信號，以及指示第三波長範圍的第三PPG信號；

-處理單元，其用於至少基於從所述多個PPG信號選擇的第一對信號計算第一組合信號和基於從所述多個PPG信號選擇的第二對信號計算第二組合信號，其中，所述第一組合信號或所述第二組合信號中的至少一個PPG信號依賴於組織水合水平，並且另一組合信號的PPG信號不依賴於所述組織水合水平；以及

-分析單元，其用於計算指示皮膚水合的水合信號，其中，所述水合信號是根據所述第一組合信號和所述第二組合信號導出的。

優選地，但並不被理解為限制，所述設備被布置為非侵擾式遠程PPG監測設備。因此，所述設備可以被布置為能夠處理遠程檢測到的數據流的非接觸式PPG監測設備。如在本文中所使用的，術語遠程檢測到的數據應當指被布置在距感興趣對象一距離處的傳感器(例如，視頻相機、光電二極體等)。遠程檢測到的數據可以涉及視頻數據、圖像數據等。然而，至少在一些實施例中，所述設備能夠被布置為包括或者利用接觸式PPG傳感器的接觸式PPG監測設備。

本發明基於這樣的洞悉：PPG監測方法、尤其是遠程PPG監測方法，可以被用於檢測皮膚組織水合信息。更具體地，已經觀察到可以指示各自獨特的波長或波長範圍的PPG信號會受到皮膚組織中的水沉積的目前水平影響。這在另一方面可以負面地影響已知的PPG測量的精確度，例如，SpO2測量結果(血氧飽和度測量結果)等。然而，發明人推斷出，在另一方面，可以利用皮膚組織中的水沉積的實際水平的依賴性以便從各自受影響的PPG信號獲得水合狀態信息。

更具體地，本發明基於以下假設：從兩對PPG信號計算出的SpO2值應當是相等的，除非(在對水合敏感的波長中的)PPG信號中的一個受到水合的不同水平影響。因此，基於兩對PPG信號計算出的SpO2值(其波長並不依賴於水合水平)能夠充當「參考」值以比較基於PPG信號計算出的另一SpO2值，其中，波長中的至少一個對皮膚水合水平敏感。兩個SpO2值之間的差異是水合水平的指示。

通常，水展現出針對入射光(或者，更一般地，入射輻射)的依賴于波長的特徵吸收行為。還由於皮膚組織的其他「組成部分」(血紅蛋白、黑色素等)展現出各自的特徵吸收行為，多個PPG信號(其中的每個信號與各自的波長或波長範圍相關聯)可以被分析，以便根據其得出水合狀態指示性信息。換言之，可以生成具有多個未知項(例如，皮膚組織中的組成部分的比例)方程組並通過考慮基於從多個PPG信號選擇的PPG信號的至少兩個組合信號來對該方程組進行求解。

為此，能夠相應地捕獲並處理由對象發出或反射的輻射。如在本文中所使用的，術語「由對象發出或反射的輻射」通常可以指朝向感興趣對象發出並最終由感興趣對象重新發出的輻射。例如，入射輻射可以在對象的皮膚表面處被鏡面反射。此外，入射輻射可以在對象的皮膚組織的下層部分處被漫反射。然而，儘管如此，入射輻射也可以被透射通過對象的皮膚組織，例如，在指尖或耳垂處。輻射的透射可以涉及直接透射，但也涉及反射透射。所有這些事件都可以被術語「再次發出」涵蓋。通常，被再次發出的輻射能夠包括若干部分，所述若干部分可以已經經受各種類型的反射或透射。

通常，數據流能夠包括幀的序列或幀的序列的集合或者，更確切地，包括基於感興趣區域的表示的光譜信息的圖像幀的系列或圖像幀的系列的集合。如在本文中所使用的，數據流通常可以包括圖像數據，尤其是視頻數據。因此，數據流可以包括視頻幀的連續系列。能夠根據數據屏包括的圖像數據來得出各自的PPG信號。數據流可以包括指示相當寬的波長範圍的圖像數據。通過範例的方式，數據流可以至少覆蓋可見光的部分和紅外光的部分。如在本文中所使用的，術語可見光將指對人眼可見的電磁輻射。換言之，可見光可以跨越約390nm(納米)至700nm之間的範圍。鄰近電磁光譜的可見光部分，提供了可以跨越約700nm(納米)至約1mm(毫米)的範圍的紅外部分。電磁光譜的紅外部分可以被分成其他子部分。通過範例的方式，各自的近紅外部分可以覆蓋約750nm至約1.4μm(微米)的範圍。短波長紅外部分可以覆蓋約1.4μm至約3μm的範圍。中波長紅外部分可以覆蓋約3μm至約8μm的範圍等。

通過範例的方式，第一PPG信號、第二PPG信號、第三PPG信號以及第四PPG信號等(如果有的話)中的每個可以指示在在紅色部分和紅外部分中(例如，在約600nm至約1200nm之間的範圍內)的各自的了部分或帶。不言而喻，各自的PPG信號指示的範圍中的每個範圍是相當窄的帶的子部分，或者在極端情況下為單個波長「線」。PPG信號指示的各自的波長範圍優選彼此不同且(在對皮膚組織的組成部分的吸收行為方面)能清楚地區分開。然而，至少在一些實施例中，波長範圍中的至少一些可以至少部分地交疊。

優選地，多個PPG信號中的每個至少部分地歸因於因時變血液灌注而引起的脈動的顏色變化。此外，優選地，在多個PPG信號中的至少一些信號對所監測的皮膚組織中的水沉積相當敏感，而其他PPG信號對所監測的皮膚組織中的水沉積不敏感。在皮膚組織中沉積的水越多，由設備分析的PPG信號被水沉積影響地越多。由於水含量基本不同地影響不同的波長範圍，因此可能發生各自的不同的與水合有關的「偏移」。由於多個PPG信號，優選地，至少三個PPG信號，被選擇性地組合以導出至少第一對信號和第二對信號，因此至少在某種程度上可以識別出水合相關的信號偏移。因此，可以相應地識別出絕對和/或相對水合相關的信號。

分析單元基本上被配置為執行第一對信號與第二對信號之間的比較。假設水合狀態對PPG信號沒有影響，則第一對信號和第二對信號兩者將是基本相等的(例如在血氧飽和度的水平方面)。然而，由於水依賴于波長而以變化的程度吸收電磁輻射，因此可以預期在(基於第一對信號的)第一組合信號處和(基於第二對信號的)的第二組合信號處的不同「信號偏移」。具有至少一些這些「信號偏移」的指示基本上允許根據經檢測並且經處理的PPG信號來推斷水合的水平。

在一個實施例中，所述分析單元還被配置為將所述第一組合信號與所述第二組合信號進行匹配，並且被配置為基於信號匹配來計算水合信號。通過範例的方式，所述第一組合信號和所述第二組合信號中的每個可以包括代表性比率的潛在的PPG信號。計算所述第一組合信號和所述第二組合信號還可以涉及將校準常量應用到各自的值。假設檢測到第一組合信號與第二組合信號之間的顯著差異，則可以調整針對例如第二組合信號的各自的校準常量，以便將第一組合信號與第二組合信號進行「匹配」。基於所要求的校準常量的變化，可以導出指示水合的信號。

因此，在又一實施例中，所述分析單元還可以被配置為通過修正針對第二組合信號的可變校準常量在考慮針對第一組合信號的校準常量的預定義集合的情況下來計算水合信號。

在又一實施例中，所述分析單元還可以被配置為以連續方式或準連續方式隨時間監測所述水合信號的相對變化。通過範例的方式，可以計算初始水合水平。基於各自的初始值，可以隨時間跟蹤並監測第一組合信號與第二組合信號之間的變化。這可以允許關於所觀察的對象的皮膚組織的水合狀態的定性趨勢的推論。因此，能夠實現趨勢監測，所述趨勢監測可以允許關於皮膚組織水合水平的相對和/或絕對變化的推論。也能夠預見到定性趨勢監測。

在又一實施例中，所述處理單元還可以被配置為在考慮校準常數的第一預定義集合的情況下計算至少第一組合信號，並且被配置為在考慮校準常數的第二預定義集合的情況下計算至少第二組合信號，其中，所述分析單元還被配置為基於針對皮膚水合水平的參考值以及所述至少第一組合信號與所述至少第二組合信號之間的檢測到的不一致來計算所述水合信號。

為此，可以提供參考數據，例如，查找表等。如以上已經指示的，第一組合信號與第二組合信號之間的差異基本指示目前的組織水合水平。根據以上實施例，通過校準常量的各自的變化對第一組合信號與第二組合信號的「信號匹配」不是必要的。基於檢測到的第一組合信號與第二組合信號之間的差異，可以從參考數據獲得結果得到的皮膚水合水平。可以在上遊參考測量結果中獲得/生成參考數據，以定義參考值的各自的集合或資料庫和/或導出特徵公式或分配算法(輸入值：檢測到的差異；輸出值：水合水平)。參考數據可以普遍地應用於全部參考數據。然而，至少在一些實施例中，可以通過將參考測量應用到當前要被監測的對象來獲得特定的參考數據。在該背景中優選地是基於常規的基於光譜的皮膚組織水合測量的參考測量。因此，可以生成絕對和/或相對測量標度。

以上實施例可以被進一步發展，在於所述分析單元被配置為基於從參考測量獲得的參考值的數據集來監測絕對組織水合水平值。因此，也可以實現斑點測量。

在所述設備的又一實施例中，所述第一波長範圍是從紅色波長範圍選擇的，其中，所述第二波長範圍是從近紅外波長範圍選擇的，其中，所述第三波長範圍是從深紅外範圍選擇的，並且其中，所述第三波長範圍包括比所述第二波長範圍更大的波長。優選地，皮膚組織中的水沉積不同地影響各自的波長範圍內的皮膚組織的吸收行為。

以上實施例可以被進一步發展，在於所述多個PPG信號還至少包括指示第四波長範圍的第四PPG信號，其中，所述第四波長範圍是從跨越紅色波長帶和近紅外波長帶的波長部分選擇的，優選地，所述第四波長範圍是從深紅外波長範圍選擇的。因此，例如，第一組合信號可以是基於第一PPG信號和第二PPG信號，而第二組合信號可以是基於第三PPG信號和第四PPG信號的。

在又一實施例中，所述第一組合信號和所述第二組合信號中的每個是指示氧飽和度的信號。這可以具有以下優點：在氧飽和度檢測模式中，所述設備可以被配置為確定指示氧飽和度的信號，並且在皮膚水合測量模式中，所述設備可以被配置為確定指示水合的信號。可以並行地操作氧飽和度檢測模式和皮膚水合測量模式。

針對PPG測量的重要領域是確定血氧飽和度。在脈搏血氧計測量的領域中，已知基於PPG的設備在兩個不同的波長帶處(例如，在紅色波長帶和紅外波長帶中)進行操作。通過範例的方式，常規的非侵擾式接觸式PPG設備可以被布置為指夾、耳夾等。接觸式脈搏血氧測定計典型地發射紅色和紅外(或者更精確地，在一些情況下是近紅外的)光通過感興趣對象的血管組織。能夠以交替(快速切換)的方式來發射並探測各自的光部分(R/IR)。考慮到各自的光譜部分由氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)不同地吸收，最終能夠對血氧飽和度進行處理。氧飽和度(SpO2)估計算法能夠利用與紅色部分和紅外部分有關的信號的比率。此外，所述算法能夠考慮非脈動信號分量。典型地，PPG信號包括DC分量和相對小的脈動AC分量。此外，SpO2估計總體而言涉及被應用到經處理的值的根據經驗推導出的校準因子。典型地，該校準因子(或校準曲線)是根據涉及有創血氧飽和度測量結果的參考測量結果而確定的。由於PPG設備基本上探測(光譜)信號部分的比率，所述比率必須被轉換成典型地與HbO2與Hb的比率有關的血氧飽和度值，因此需要校準因子。例如，但並不旨在對本公開內容進行限制，對血氧飽和度的估計能夠基於以下的通用公式：

而PPG設備經由間接非侵擾式測量試圖「感測」HbO2和Hb。

最近，已經提出了用於遠程光體積描記氧飽和度測量的方法。在該背景中，參考了WO 2014/080313 A1。本公開內容總體上尋求探測針對基於rPPG設備的新的應用領域。

在所述設備的又一實施例中，所述第一組合信號和所述第二組合信號中的每個包括從所述多個PPG信號選擇的第一選定信號與從所述多個PPG信號選擇的第二選定信號的比率。

該實施例可以被進一步發展，在於所述第一組合信號和所述第二組合信號中的每個包括從所述多個PPG信號選擇的所述第一選定信號的時變分量與從所述多個PPG信號選擇的所述第二選定信號的時變分量的比率。假設所述設備利用三個不同的PPG信號，則可以應用以下公式：

SpO2_1＝C11-C12RR1 (3)

並且

SpO2_2＝C21-C22RR2 (5)

其中，ACx是各自的PPG信號的各自的時變脈動分量，其中，DCx是各自的PPG信號的各自的非脈動分量，其中，RR1和RR2是基於其可以計算第一組合信號和第二組合信號的各自的比率，並且其中，Cx1和Cx2是用於第一組合信號和第二組合信號的計算的各自的校準常量。

假設所述設備利用指示四個不同的波長範圍的四個不同的PPG信號，則可以應用以下公式：

SpO2_1＝C11-C12RR1 (7)

並且

SpO2_2＝C21-C22RR2 (9)

在又一實施例中，所述第一組合信號依賴於組織水合水平，其中，所述第二組合信號的至少一個PPG信號比所述第一組合信號的PPG信號更依賴於組織水合水平，優選地，至少提高2倍，更優選地，提高5倍。換言之，多個PPG信號(根據其可以計算第一組合信號和第二組合信號)可以被選擇為使得水合水平的相當小的改變就可以引起第一組合信號與第二組合信號之間的相當大的差異。因此，所述設備對水合狀態的改變能夠是非常敏感的。

在又一實施例中，所述設備還包括傳感器單元，尤其是成像單元，所述傳感器單元用於遠程地捕獲圖像數據，其中，所述傳感器單元還被配置為提供數據流，所述數據流包括多個PPG信號，所述多個PPG信號至少包括指示第一波長範圍的第一PPG信號、指示第二波長範圍的第二PPG信號，以及指示第三波長範圍的第三PPG信號，其中，PPG信號表示能根據所捕獲的圖像數據導出的各自的波長範圍。通過範例的方式，傳感器單元可以被布置為能夠捕獲視頻數據的視頻相機。視頻數據可以覆蓋可見輻射但也能夠至少部分地覆蓋紅外輻射。通常，所述傳感器單元可以被配置為在相當寬的波長範圍內捕獲(視頻)圖像數據，可以從所述相當寬的波長範圍選擇各自的PPG信號。

然而，至少在一些實施例中，所述設備可以包括能夠被附接到對象的皮膚的接觸式傳感器單元。例如，所述接觸式傳感器單元可以包括至少三個不同的接觸式傳感器(例如，光電二極體)，所述接觸式傳感器中的每個被配置為在不同的波長範圍處進行操作。此外，可以預見到至少一個接觸式傳感器，其能夠在三個不同的波長範圍處進行操作。各自的接觸式傳感器可以被耦合到各自的輻射發出元件(或者，更確切地，光源，例如發光二極體等)或與各自的輻射發出元件一起提供。也在接觸式測量環境中，根據本公開內容的至少一些方面能夠得到益處。

在本發明的又一方面中，提出了一種用於確定皮膚組織的水合狀態的非侵擾式PPG監測方法，所述方法包括以下步驟：

-接收包括多個PPG信號的數據流，所述多個PPG信號至少包括指示第一波長範圍的第一PPG信號、指示第二波長範圍的第二PPG信號、以及指示第三波長範圍的第三PPG信號，

-至少計算基於從所述多個PPG信號選擇的第一對信號的第一組合信號和基於從所述多個PPG信號選擇的第二對信號的第二組合信號，其中，所述第二組合信號的至少一個PPG信號依賴於組織水合水平，並且

-計算指示皮膚水合的水合信號，其中，所述水合信號是根據所述第一組合信號和所述第二組合信號導出的。

優選地，但不應被理解為限制，所述方法被布置為非侵擾式遠程PPG監測方法。因此，所述方法可以被布置為非接觸式PPG監測方法。然而，至少在一些實施例中，所述方法能夠被布置為利用至少一個接觸式PPG傳感器的接觸式PPG監測方法。

在本發明的又一方面中，提供了一種包括程序代碼單元的電腦程式，所述程序代碼單元用於當所述電腦程式在計算機上被執行時令所述計算機執行上述方法的步驟。

如在本文中所使用的，術語「計算機」代表眾多種類的數據處理設備。換言之，具有相當的計算能力醫學設備和/或行動裝置也能夠被稱為計算設備，即使它們提供比標準臺式計算機更少的處理能力資源。此外，術語「計算機」也可以指可以涉及或利用遠端環境中提供的計算能力的分布式計算設備。

在從屬權利要求中定義了本發明的優選實施例。應當理解，請求保護的方法和請求保護的電腦程式能夠具有與請求保護的設備和在從屬設備權利要求中所定義的相似優選實施例。

附圖說明

參考後文描述的實施例，本發明的這些方面和其他方面將是顯而易見的並且將得以闡述。在以下附圖中：

圖1示出了根據本發明的設備的總體布局的示意性圖示；

圖2示出了圖示皮膚組織組成部分的光譜吸收行為的圖；

圖3示出了圖示皮膚組織組成部分的光譜吸收行為的另外的圖；

圖4示出了圖示本公開內容的信號處理方面的示意性方框圖；

圖5示出了圖示本公開內容的信號處理方面的另外的示意性方框圖；並且

圖6示出了表示根據本公開內容的方法的實施例的若干步驟的圖示性方框圖。

具體實施例

以下部分描述了利用本發明的設備和方法的若干方面對光體積描記術，尤其是遠程血氧飽和度測量的示範性方法。應當理解，能夠從各自的總體方法和實施例的背景提取出所示出的方法的單個步驟和特徵。這些步驟和特徵因此能夠仍是本發明的範圍所覆蓋的單獨的實施例。

圖1示出了由附圖標記10指代的用於提取生理信息的設備的示意性圖示。例如，所述設備能夠被用於記錄表示遠程對象12的圖像幀或對象12是至少部分以用於遠程PPG監測。在這種關係中，當進行監測時對對象12中的感興趣區域進行尋址。通過範例的方式，感興趣區域能夠包括對象12的例如前額部分、面部部分，或更一般地，皮膚部分。所記錄的數據，例如，圖像幀的系列，能夠根據由對象12反射(或重新發出)的電磁輻射14導出。可能地，在某些狀況下，電磁輻射的至少部分能夠由對象12本身發出或透射。輻射透射可以發生在對象12被暴露於照射通過對象12的強照明源時。輻射發出可以發生在由身體熱量引起的紅外輻射被尋址或捕獲時。然而，針對遠程PPG應用，要被捕獲的電磁輻射14的巨大部分能夠被認為是由對象12反射的輻射。對象12能夠是人類或動物，或者，更一般地，活體。此外，對象12能夠被認為是人類或動物的高度指示期望信號的部分。

輻射源(例如，太陽光或人工輻射源，也可以是若干輻射源的組合)能夠影響對象12或碰撞在對象12上。(一個或多個)輻射源基本上發出撞擊對象12的入射輻射。通常，輻射源可以被集成在設備10中。然而，在備選方案中，設備12也能夠利用外部輻射源。通常，設備10可以被配置為檢測和/或處理可見輻射以及紅外輻射。

為了從各自捕獲的數據(例如，圖像幀的序列)提取生理信息，能夠由傳感器20檢測諸如感興趣區域的對象12的定義部分。傳感器20能夠由適於捕獲屬於電磁輻射14的至少一個光譜分量的信息的光學傳感器來實施。在相當簡單的實施例中，傳感器20可以由相機或相機的集合來實施。

當然，設備10也能夠適於處理已經被提前記錄同時被存儲或被緩存的輸入信號，即，輸入數據流32。如以上所指示的，電磁輻射14能夠包含連續或離散的特徵信號、PPG信號，其能夠高度指示至少一個生命參數。所述特徵信號能夠被實施在輸入數據流32中。

通常，特徵PPG信號被認為包含相當恆定(DC)部分和疊加在DC部分上的交變(AC)部分。應用信號處理措施，AC部分能夠被提取並針對幹擾被補償。例如，特徵信號的AC部分能夠包括能夠高度指示對象12的脈管活動(尤其是心跳)的主頻。仍然，特徵信號(尤其是AC部分)能夠指示其他生命參數。在這種關係中，檢測血氧飽和度是重要的應用領域。本公開內容主要描述了針對基於PPG的(或者，更確切地，基於rPPG的)方法和設備的擴展應用。

如以上所指示的，基本上，能夠考慮特徵信號在其不同的光譜部分處的AC部分的行為來計算血氧飽和度代表性值。換言之，血氧飽和度的程度能夠被反映在血管處的不同輻射吸收中。此外，人們能夠利用這樣的事實：即，歸因於氧合的級別的吸收的差異在不同的光譜部分上也會顯著變化。典型地，DC分量表示組織、靜脈血和非脈動動脈血的總體光吸收。相比之下，AC分量可以表示脈動動脈血的吸收。因此，血氧飽和度(SpO2)的確定能夠被表達為：

其中，C是校準參數(或者表示校準參數的集合)。C可以代表可應用於AC/DC關係的各種校準參數，並且因此不應以等式(10)的嚴格代數意義來解讀。典型地，在現有技術的測量設備中，C表示固定的常數值或固定常數的集合。

通過範例的方式，另一示範性SpO2導出模型能夠被表達為：

其中，C1和C2能夠被認為是線性近似的校準參數。在示範性實施例中，信號校準參數確定能夠指向調節或調整參數C1。仍然，在備選方案中，SpO2導出也可以基於存於設備10的(能由設備10訪問的)取值表。取值表(或：資料庫)可以提供檢測到的PPG信號與期望的校準參數之間的關係的離散表示。也在該情況中，可調整的校準參數可以被應用於改進生命參數確定的準確性。

應當理解，出於說明目的來呈現等式(10)和(11)。它們不應被解釋為限制本公開內容的範圍。可以有利的是，將SpO2測量與皮膚組織水合測量進行組合。然而，也可以預見到，在備選方案中，皮膚組織水合確定基於不可應用於SpO2確定的模型和等式。實際上，本領域技術人員可以確定和建立其他適當的導出模型，基於所述其他適當的導出模型，可以建立皮膚組織水合確定。

能夠將包括連續的或離散的特徵信號的數據流32從傳感器器件20遞送到接口22。當然，緩衝器件也能夠被插入在傳感器器件20與接口22之間。在接口22的下遊，輸入數據流32能夠被遞送到數據處理模塊30。數據處理模塊30能夠被認為是由代表性邏輯命令(程序代碼)驅動以便提供期望的數據處理的計算設備或者至少該計算設備的部分。數據處理模塊30可以包括在下文中講解的若干部件或單元。

應當理解，能夠虛擬地或離散地實時數據處理模塊30的每個部件或單元。例如，數據處理模塊30可以包括多個處理器，例如，多核處理器或單核處理器。至少一個處理器能夠由數據處理模塊30利用。處理器中的每個能夠被配置為標準處理器(例如，中央處理單元)或者被配置為專用處理器(例如，圖形處理器)。因此，數據處理模塊30能夠被合適地操作，以便將數據處理的若干任務分布到充足的處理器。

根據有利的實施例，數據處理模塊30被提供有接口22或被耦合到接口22以用於接收數據流32。數據流32可以包括多個PPG信號，所述多個PPG信號至少包括指示第一波長範圍的第一PPG信號、指示第二波長範圍的第二PPG信號，以及指示第三波長範圍的第三PPG信號。第四PPG信號也被提供在數據流32中。各自的PPG信號能夠被嵌入在數據流32中並能夠從數據流32被提取。數據流32可以包括視頻數據，所述視頻數據包括對象12的表示。

數據處理模塊30還可以包括處理單元24，所述處理單元24用於至少基於從多個PPG信號選擇的第一對信號計算第一組合信號和基於從多個PPG信號選擇的第二對信號計算第二組合信號。優選地，第一組合信號或第二組合信號的至少一個PPG信號依賴於目前組織水合水平，並且另一組合信號的PPG信號不依賴於目前組織水合水平，即，水合不變量。這有助於利用波長相關的強度來觀察影響光吸收行為的皮膚組織中的水沉積。

數據處理模塊30還可以包括分析單元26，所述分析單元26用於計算指示皮膚水合的水合信號34，其中，水合信號34是從第一組合信號和第二水合信號導出的。可以經由各自的輸出接口28來提供或輸出水合信號34。在備選方案中，設備10本身可以包括顯示器或類似的輸出單元。

在圖1中由附圖標記36來指代設備10的潛在的總體系統邊界。例如，附圖標記36可以代表常見的處理裝置或殼體。應當理解，設備10也能夠被實施為分布式設備。

已經觀察到，對象的皮膚組織的實際水合狀態影響皮膚組織的吸收行為。因此，皮膚水合(皮膚組織中沉積的水)的實際程度被反映在由傳感器20(或更一般地，設備10)捕獲的數據中。

在該背景中，圖2和圖3圖示了可以存在於皮膚組織中的若干物質的吸收行為的光譜相關性。圖2圖示了定性光吸收圖表40。圖3圖示了定量光吸收圖表60。

在圖2中，橫坐標軸42表示實際波長。另外，坐標軸44表示採取0(根本沒有吸收)與1(全部吸收)之間的值的實際吸收程度。在圖3中，橫坐標軸62圖示波長範圍。坐標軸64圖示吸收係數(單位[cm-1])，其可以採取10-3與104之間的值(對數標度)。

在圖2中，曲線圖46圖示了血紅蛋白中的光吸收的光譜相關性。曲線圖48圖示了黑色素的光吸收的光譜相關性。曲線圖50圖示了水中的光吸收的光譜相關性。在圖3中，曲線圖66圖示了血紅蛋白(也被稱為Hb)中的光吸收的光譜相關性。曲線圖66涉及去氧血紅蛋白。相比之下，曲線圖68圖示了去氧血紅蛋白(也被稱為HbO2)中的光吸收的光譜相關性。相應地，曲線圖70圖示了水70中的光吸收的光譜相關性。

依賴於入射輻射的波長和皮膚組織的實際組成成分，入射輻射的各自的部分將被吸收。因此，入射輻射的剩餘部分可以被反射(和/或被發射)，其能夠由傳感器20所檢測並能夠由設備10所評價。

如在圖3中由附圖標記72、74、76和78(作為一選項)所指示的，可以根據圖像/視頻數據來觀察和/或獲得多個指示各自的波長部分的各自的PPG信號，以便最終從其導出指示水合的信號。通過範例的方式，第一PPG信號可以指示在約660nm的區域中的波長或波長範圍72。第二PPG信號可以指示在約810nm的區域中的波長或波長範圍74。第二PPG信號可以指示在約1050nm的區域中的波長或波長範圍76。第四PPG信號可以指示在約910nm的區域中的波長或波長範圍78。

如以上所解釋的，各自的PPG信號對可以是從多個PPG信號選擇的，以便處理組合信號，所述組合信號可以(至少在某種程度上)有助於氧飽和度。一個重要方面在於能夠從至少三個不同的PPG信號獲得兩個各自的組合信號。事實上，針對兩個組合信號，指示氧飽和度的信號基本上應當(在氧合方面)具有相同的水平。假設能夠檢測到相當多的信號不一致，則從中得到關於所觀察的皮膚組織中的實際水沉積的推論。因此，可以有益的是，選擇多個PPG信號和各自的多個波長範圍72、74、76和78，使得可歸因於水沉積的輻射吸收將以變化的程度影響在各自的範圍72、74、76和78處的總吸收。

圖4和圖5圖示了可以被利用在根據本公開內容的設備10的信號處理方法。

如在圖4和圖5兩者中能夠看到的，數據流100(其可以對應於圖1所指示的數據流32)可以被接收和處理。數據流100優選地包括圖像幀的序列。至少在一些實施例中，數據流能夠被認為是視頻數據流。數據流100典型地包括在所觀察的對象12中的感興趣區域(通常為皮膚區域)的表示。此外，如由方框箭頭104、106、108以及任選地110所圖示的，可以從數據流100獲得各自的光譜子部分。為此，可以利用濾波器102。濾波器102可以採取硬體濾波器的形式。額外地，或在備選方案中，濾波器102可以採取軟體濾波器的形式。濾波器102通常可以被布置為帶濾波器。濾波器102可以被實施在傳感器20的層面上和/或數據處理模塊30的層面上。在備選方案中，傳感器20可以被配置為經由各自數量的波長敏感傳感器元件和數據傳輸通道來捕獲不同的PPG信號104、106、108、110。通常，PPG信號104、106、108、110中的每個可以表示電磁光譜的(尤其是可見光帶和紅外帶中的)相當窄的子帶。

如由圖4和圖5中的圖示性方框112、114所指示的，可以基於PPG信號104、106、108和110來計算組合信號116、118。這可以由處理單元24來執行。組合信號116、118中的每個可以基於從多個PPG信號104、106、108、110選擇的一對PPG信號。因此，要求至少三個PPG信號，以便允許計算兩個不同的組合信號116、118。在一些實施例中，利用四個不同的PPG信號104、106、108和110，使得組合信號116、118中的每個可以基於不同信號的不同對。

如由附圖標記120所圖示的，可以比較組合信號116、118。為此，可以利用硬體信號比較器和/或軟體信號比較器。可以由分析單元26來執行信號比較。信號比較120可以輸出第一組合信號116與第二組合信號118之間的檢測到的不一致。檢測到的信號不一致可以被用於評估所觀察的皮膚組織的實際水合狀態。

在該背景下，進一步參考圖4。根據圖4中圖示的實施例，可以建立某些種類的「控制環」。如由附圖標記122所指示的，可以執行第一組合信號116與第二組合信號118之間的信號匹配。假設在120和122處檢測到各自的顯著不一致，則如附圖標記124所指示的可以執行各自的參數修改以用於計算第二組合信號118(和/或第一組合信號116)。因此，在120之後執行另外的信號比較，其仍然可以得到第一組合信號116與第二組合信號118之間的檢測到的信號不一致。然而，最終可以檢測到第一組合信號116與第二組合信號118的信號匹配，假設已經在124處適當地修改了校準參數。如由附圖標記126所圖示的，然後可以生成高度指示所觀察的皮膚組織的實際水合狀態的輸出信號。輸出信號能夠根據所修改的「校準」參數導出，所述「校準」參數實現了第一組合信號116與第二組合信號118的期望的信號匹配。

略微修改圖5中所圖示的皮膚組織水合檢測方法。如由附圖標記128所圖示的，在120處檢測到的第一組合信號116與第二組合信號118之間的目前差異或不一致可以被用於檢查各自的資料庫130，所述各自的資料庫130可以由例如查找表來實施。因此，並不要求修改各自的參數，以便最終將第一組合信號116與第二組合信號118進行匹配。相比之下，檢測到的差異可以充當輸入值。基於該輸入值，可以從資料庫130獲得指示皮膚組織水合狀態的期望的輸出值，並且該輸出值可以最終被提供為結果，這由圖5中的附圖標記132指示的各自的方框所圖示。

圖4和圖5中圖示的上述方法可以用於同時測量皮膚水合狀態。然而，至少在一些實施例中，上述方法可以用於皮膚水合狀態的連續測量和/或準連續測量。還可以預見到，計算可以要求各自的參考測量的絕對皮膚水合指示性值。然而，在至少一些實施例中，可以優選計算可以允許例如趨勢監測的相對皮膚水合指示性值。

已經展示了本公開內容所覆蓋的若干備選示範性方法，圖6涉及示意性圖示用於確定皮膚組織的水合狀態的方法，所述方法優選被布置為非侵擾式遠程PPG監測方法。最初，在步驟S10中，可以記錄或捕獲圖像數據。圖像數據可以包括(可見和紅外)圖像幀的序列。圖像數據可以被認為是(可見和紅外)視頻數據。在另外的步驟S12處，可以接收基於所捕獲的書的數據流。所述數據流可以包括多個PPG信號，所述多個PPG信號中的每個指示各自的波長範圍。通常，優選地，可以從數據流導出至少三個PPG信號，所述至少三個PPG信號中的每個指示各自的波長範圍。

在另外的步驟S14處，可以計算第一組合信號和第二組合信號。第一組合信號和第二組合信號中的每個可以基於從多個PPG信號選擇的各自的信號對，所述多個PPG信號可以被嵌入在於步驟S12處接收到的數據流中。如以上所解釋的，皮膚組織水合水平基本上以波長依賴的方式影響皮膚組織的光吸收行為。因此，存在於數據流中提供的信息中的透射和/或反射行為受到影響。由於水的光吸收還依賴於入射光的實際波長，並且由於第一組合信號和第二組合信號利用表示不同波長部分的PPG信號，因此可以檢測到並處理第一組合信號與第二組合信號之間的特徵不一致，以便根據其來得出高度指示實際皮膚組織水合水平的信號。可以在步驟S16處執行皮膚組織水合信號的各自的計算。在另外的步驟S18處，可以顯示、輸出和/或提供得到的水合信號以用於另外的處理步驟。

通過範例的方式，本發明能夠被應用在健康護理的領域中，例如，非侵擾式遠程患者監測、一般監視、安全監測以及所謂的生活型環境(例如，健身器材)等。應用可以包括監測氧飽和度(脈搏血氧計)、心率、血壓、心臟輸出、血液灌注的變化、自主神經功能的評估，以及外周血管疾病的檢測，所述應用能夠與皮膚組織水合檢測相組合。當然，在根據本發明的方法的實施例中，能夠以改變的順序或甚至並行地執行在本文中描述的步驟中的若干步驟。另外，也能夠跳過步驟中的一些步驟而不脫離本發明的範圍。

在權利要求書中，「包括」一詞不排除其他元件或步驟，並且詞語「一」或「一個」不排除多個。單個元件或其他單元可以實現在權利要求中記載的若干項的功能。儘管在互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施，但是這並不指示不能有利地使用這些措施的組合。

電腦程式可以被存儲和/或分布在合適的(非瞬態)介質上，例如與其他硬體一起或作為其他硬體的部分供應的光學存儲介質或固態介質，但是也可以被以其他形式分布，例如經由網際網路或其他有線或無線的電信系統。此外，不同的實施例能夠採用可從計算機可用機制或計算機可讀介質訪問的電腦程式產品的形式，所述計算機可用介質或計算機可讀介質提供由於由計算機或運行指令的任何設備或系統使用或與其結合使用。出於本公開內容的目的，計算機可用介質或計算機可讀介質通常能夠是任何有形裝置，所述任何有形裝置能夠包含、存儲、傳送、傳播或轉移用於由指令運行設備使用或與指令運行設備連接結合使用的程序。

此外，不同的實施例能夠採用可從計算機可用介質或計算機可讀介質訪問電腦程式產品的形式，所述計算機可用介質或計算機可讀介質提供用於由計算機或運行指令的任何設備或設備使用或與其結合使用的程序代碼。出於本公開內容的目的，計算機可用介質或計算機可讀介質通常能夠是任何有形的設備或裝置，所述任何有形的設備或裝置能夠包含、存儲、傳關、傳播或傳轉移於由指令運行設備使用或與指令運行設備連接結合使用的程序。

目前為止已經公開的本公開內容的實施例至少部分地由軟體控制的數據處理設備來實施，將意識到，也考慮承載這樣的軟體的非瞬態機器可讀介質(例如，光碟、磁碟、半導體存儲器等)來表示本公開內容的實施例。

所述計算機可用介質或計算機可讀介質能夠例如是，但不限於，電子、磁性、光學、電磁、紅外或半導體系統或傳播介質。計算機可讀介質的非限制性範例包括半導體或固態存儲器、磁帶、可移動計算機軟盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁碟以及光碟。光碟可以包括壓縮盤-只讀存儲器(CD-ROM)、壓縮盤-讀/寫(CD-R/W)以及DVD。

另外，計算機可用介質或計算機可讀介質可以包含或存儲計算機可讀程序代碼或計算機可用程序代碼，使得當所述計算機可讀程序代碼或計算機可用程序代碼在計算機上被運行時，該計算機可讀程序代碼或計算機可用程序代碼的運行令所述計算機在通信鏈路上發射另一計算機可讀程序代碼或計算可用程序代碼。該通信鏈路可以使用例如為，但不限於，物理或無線的介質。

適合於存儲和/或運行計算機可讀程序代碼或計算機可用程序代碼的數據處理系統或設備將包括一個或多個處理器，所述一個或多個處理器通過諸如系統總線的通信結構被直接或間接地耦合到存儲器元件。所述存儲器元件可以包括在實際運行程序代碼期間採用的局部存儲器、批量存儲設備以及高速緩衝存儲器，其提供對至少一些計算機可讀程序代碼或計算機可用程序代碼的臨時存儲，以減少在代碼運行期間從批量存儲取回代碼的次數。

輸入/輸出(或I/O設備)能夠直接地或通過介於中間的I/O控制器被耦合到所述系統。這些設備可以包括，例如，但不限於，鍵盤、觸控螢幕顯示器以及指點設備。不同的通信適配器也可以被耦合到所述系統，以使得數據處理系統能夠變得通過介於中間的私人網絡或公共網絡被耦合到其他數據處理系統、遠程印表機，或存儲設備。非限制性範例為數據機和網絡適配器以及僅僅一些當前可用類型的通信適配器。

已經出於圖示和描述的目的提出了不同圖示性實施例的描述，並且該描述並非旨在是排他性的或限於以所公開形式的實施例。許多修改和變形對於本領域普通技術人員來說將是明顯的。另外，不同的圖示性實施例可以提供與其他圖示性實施例相比不同的優點。選取並描述選定的(一個或多個)實施例，以便最佳地解釋該實施例的原理、實際應用，並且使得本領域普通技術人員對於具有預期的特定使用所適合的各種修改的各種實施例能夠理解本公開內容。本領域技術人員通過研究附圖、公開內容以及權利要求，在實踐請求保護的發明時能夠理解並實現對所公開的實施例的其他變型。

權利要求中的任何附圖標記都不應被解釋為對範圍的限制。