用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法。

背景技术

人的生命体征(例如心率(HR)、呼吸率(RR)或(外周或搏动)血氧饱和度(SpO2；它提供动脉血氧饱和度SaO2的估计))用作人的当前状态的指标并且用作严重医学事件的有力预示。出于该原因，生命体征在住院患者和门诊患者护理环境中、在家中或在另外的健康、休闲和健身环境中广泛地被监测。

测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常涉及对器官或身体部分的体积改变的测量，并且尤其涉及对由于随着每次心跳而行进通过对象的身体的心血管脉搏波的体积改变的检测。

光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区域或体积的光反射率或透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液与周围组织相比吸收更多光，因此血液体积随着每次心跳的变化对应地影响透射或反射率。除了关于脉搏率(心率)的信息之外，PPG波形(也称为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。通过评估在不同波长(通常是红色或红外的)处的透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度。

用于测量对象的脉搏率和(动脉)血氧饱和度的常规脉搏血氧仪(本文中也称为PPG设备)被附接到对象的皮肤，例如被附接到指尖、耳垂或额头。因此，它们被称为“接触式”PPG设备。尽管接触式PPG基本上被视为无创技术，但是接触式PPG测量常常被体验为是不舒适和干扰的，这是由于脉搏血氧仪被直接附接到对象并且线缆限制移动的自由并且可能妨碍工作流程。

在过去的十年中，已经提出了用于非干扰测量的非接触式远程PPG(rPPG)设备(也称为基于相机的设备或视频健康监测设备)。远程PPG利用被设置在相距感兴趣对象的一距离处的光源，或一般而言，辐射源。类似地，检测器(例如相机或光子检测器)能够被设置在相距感兴趣对象的一距离处。因此，远程光电体积描记系统和设备被视为非干扰的并且非常适于医学以及非医学日常应用。

使用PPG技术，生命体征可以被测量。生命体征由搏动的血液体积所引起的皮肤内的微小光吸收变化来披露，即通过由血液体积脉搏引起的人类皮肤的周期性颜色变化来披露。因为该信号非常小并且隐藏在由于照射改变和运动的大得多的变化中，所以存在对改进从根本上低的信噪比(SNR)的一般兴趣。还有具有剧烈运动、挑战性环境照射状况或严格准确性要求的需求情况，其中，需要远程生命体征测量设备及方法的改进的鲁棒性和准确度，特别是对于更紧急的健康护理应用。

视频健康监测(为了监测或检测例如心率、呼吸率、SpO2、体动记录、精神错乱等)是有前景的新兴领域。对于具有脆弱皮肤或需要长期生命体征监测的患者(诸如NICU患者)、具有大范围烧伤的患者、移除接触式传感器的心理疾病患者、或在家中必须在睡眠期间被监测的COPD患者，其固有的无干扰性具有独特的优点。在其他环境中，诸如在普通病房或急诊室中，非接触式监测的舒适性仍然是有吸引力的特征。

最近已经表明重要生命体征之一(血氧饱和度(SpO2))的测量利用基于相机的rPPG是可行的。SpO2测量需要相对搏动性(即不同波长信道中的脉搏信号(AC/DC)的归一化幅度)的准确检测。对远程测量的准确性有两个主要威胁。第一个是搏动性与噪声相比是低的，而第二个是心冲击描记(BCG)运动修改每个信道中的相对搏动性。

紧接着氧饱和度，其他动脉血液气体和血液种类(例如HBCO、MetHB、HBCO2、胆红素)的饱和度可以使用相同(稍微适配的)技术来获得，并且遭受本发明旨在解决的相同威胁。动脉血液成分利用这种技术来进行选择，因为仅假设动脉血液在心脏活动的节律下搏动。假设的是，类似地，呼吸周期诱发静脉系统中的体积变化，意味着在不同波长中的呼吸节律下的搏动的相对强度可以用来分析静脉血液成分，例如以估计静脉氧饱和度(SvO2)。

虽然是有前景的新领域，但是必须克服许多挑战。远程PPG系统的缺点是当强环境光干扰用于远程PPG的皮肤的预期辐照时，其鲁棒性经常遭受影响，而皮肤分割经常是困难的，并且多谱相机是昂贵的。

因此，需要一种用于确定对象的至少一个生命体征的改进的系统和方法，以即使在环境照射或干扰的情况下也获得具有更高可靠性和鲁棒性的结果。

WO 2016/166651 A1公开了监测生命体征的装置和方法。多谱照射源产生对对象进行照射的具有多个波长的光。处理部件(诸如飞行时间相机系统)测量光从多谱照射源行进到对象并且从对象行进到处理部件已经花费的时间，并且计算范围信息以定位对象，并且利用从自对象接收的光导出的光电体积描记(PPG)信息和范围信息来计算对象的生命体征。

能够在US 2014/0117780 A1中发现另外的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定对象的至少一个生命体征的系统和方法，通过该系统和方法，即使在环境照射或干扰的情况下，也可以实现具有更高可靠性和鲁棒性的结果。

在本发明的一方面中，呈现了一种系统，包括：

照射单元，其包括多个辐射源，所述多个辐射源被配置为发射电磁辐射，并且所述多个辐射源是能单独地和/或成组地控制的，

控制单元，其被配置为控制所述照射单元的所述辐射源，其中，所述控制单元被配置为基于指示所述对象的一个或多个皮肤区域的位置的皮肤区域信息和/或基于指示提取的生命体征的质量的生命体征信息来控制由辐射源发射的辐射射束的方向、射束宽度和强度中的一个或多个，以对所述对象的所述一个或多个皮肤区域进行照射，

检测单元，其被配置为检测从所述对象的所述皮肤区域反射的电磁辐射的高频变化并且根据检测到的所述电磁辐射的高频变化来生成检测信号，以及

生命体征确定单元，其被配置为从所述检测信号提取生命体征。

在本发明的又一方面中，提供了对应的方法。

在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，请求保护的方法与请求保护的系统(特别是如从属权利要求中定义的并且如本文中所公开的)具有相似和/或相同的优选实施例。

远侧PPG系统的缺点是，通常用于检测从对象的皮肤区域反射(或透射通过对象的皮肤区域)的电磁辐射的相机具有相对低的空间采样频率(即图片速率)，其阻止能够对环境照射非常鲁棒的低成本(频率/相位多路复用)多波长解决方案。使用经HF调制的光的鲁棒性来自以下事实：环境照射谱通常不会呈现出许多高频率。使用光源的高频调制并且解调来自相机的信号使系统几乎看不见环境光变化。只有相机允许捕获经HF调制的光所需的高采样速率，这才能够工作，这严重限制了利用当前状态的相机技术的这种技术。

相机处理环境光的另一问题是它们具有非常有限的动态范围，通常使用8或最大12位亮度量化。这意味着，即使频率调制被使用，如果额外的未经调制的环境光强于经调制的光(这可能容易在阳光的情况下发生)，经调制的光也能够通过光学传感器的修剪而丢失。

相机的使用的又一担忧涉及隐私，该问题也能够利用本发明来解决。

提出的用于远程PPG的系统能够通过选择用于反射的电磁辐射的高频变化的高速检测单元(诸如单个光电检测器)和包括能单独地和/或成组地控制的多个辐射源的照射单元(诸如像素化的光源)来有效地消除这些缺点中的一个或多个。来自对象的皮肤区段的总反射光因此能够被简单地捕获，甚至利用单个光电二极管，特别是当仅(或几乎仅)皮肤部分被照射时，而对象的非皮肤部分(在很大程度上)保持黑暗。检测单元(例如单个光电二极管)允许例如经HF调制的光源，并且能够结合其非常大的动态范围提供极好的环境光鲁棒性。

包括两个或更多个辐射源的照射单元可以以各种方式被实现。例如，可以存在单独的辐射(例如光)发射元件(诸如LED)，其能够被单独地和/或成组地控制。另一实施方式使用单个辐射(例如光)发射元件(诸如灯(例如灯泡、卤素灯、LED的阵列等))和在单个辐射发射元件前面的多个辐射调制器，该调制器能够被单独地和/或成组地控制。在一实施例中，辐射元件的单独遮蔽(以仅对皮肤进行照射)和逐组(每波长)调制被应用。

控制单元被配置为控制由辐射源发射的辐射射束的方向、射束宽度和强度中的一个或多个以对一个或多个皮肤区域进行照射。这可以例如用来主要或仅对对象的皮肤部分进行照射，并且使对象的其他部分或她/他的环境不被照射。控制单元因此能够控制所发射的辐射的空间分布。

在一个备选方案中，控制单元还被配置为基于指示对象的一个或多个皮肤区域的位置的皮肤区域信息来控制辐射源。皮肤区域信息可以从例如使用图像处理的先前或单独的测量或估计或使用任何模态的对象位置确定获得。该信息也能够基于使用备选波长(即除了用于生命体征监测的波长之外的其他波长)的“视觉”，或基于雷达或超声或热成像(即在相当不同的频率范围内的波长或甚至根本没有电磁辐射)。

在一个备选方案中，控制单元还被配置为基于指示提取的生命体征的质量的生命体征信息来控制辐射源。例如，提取的生命体征信息的质量可以用来估计辐射是否是从皮肤区域提取的，以进一步引导照射单元以主要或仅对皮肤区域进行照射。特别地，照射的随机修改可以被提供，并且如果它改善生命体征的质量，则被接受，否则被拒绝。这能够是收敛到最佳情况照射的连续过程。因此，在此实施例的情况下，获得额外的皮肤区域信息不是必要的，而是使用优化提取的脉搏信号的质量的反馈环，皮肤在照射区域中占主导越多，这将会越好。

这里应当注意，如本文中使用的术语“光”和“辐射”应当一般被理解为指的是相同的，特别是可见和红外谱中的电磁辐射。优选地，根据本发明使用在从400nm至1000nm的范围内的辐射。

本发明的实施例提供低成本系统(例如可应用于汽车应用中)，其不需要像素化的光源，而是使用聚焦的(即定向的窄射束)、能远程控制的或相对弱的但是附近的光源获得仅皮肤照射。

在优选实施例中，检测单元被配置为检测在高于1kHz的频率范围内、特别是在从10kHz至100MHz的频率范围内的从对象的皮肤区域反射的电磁辐射的高频变化。这使得能够将它们与环境照射变化清楚地区别开。在办公室中，目前的荧光灯发射具有潜在谐波的100/120Hz，而较新的LED通常发射在多达kHz的范围内的强频率。一些可调光的荧光灯甚至可以发射高达20kHz的频率。因此，相当高的频率是优选的，以防止所有可想象到的干扰。这些频率在目前相机技术的情况下明显是不可获得的。

如上面提到的，检测单元优选地包括单个光电二极管或光电二极管的阵列，这表示便宜的且有效的解决方案。例如，可以使用光电二极管的相对小的阵列，即刚好大的足以捕获个体偏振方向或配备有个体光学滤光器以进一步改善环境光鲁棒性的阵列。

照射单元优选地包括像素化的光源。像素的控制可以是低频(LF)的，并且能够利用慢调制器(像LCD)来实现，而波长是高频(HF)调制的，例如所有像素共同的LED背光。备选地，能够具有像素化的LED辐射器，即所有像素能够同时是LF和HF调制的。

在一实施例中，照射单元被配置为发射经调制的电磁辐射，优选地在高于1kHz的范围内、特别是在从10kHz至100MHz的频率范围内的调制频率处调制电磁辐射。这提供了对抗环境光变化的良好的鲁棒性。

照射单元可以还被配置为发射在若干不同波长处或在若干不同波长范围内的电磁辐射。这进一步改善环境光鲁棒性。(伪)彩色信号然后能够从这些经调制的波长信道鲁棒地解调，并且PPG信号能够从波长信道提取。

在这样的实施例中，照射单元能够还被配置为不同地调制不同波长或不同波长范围的电磁辐射。例如，第一调制频率可以被应用于调制第一波长或波长范围的电磁辐射，第一调制频率与第二调制频率分开至少8Hz，第二调制频率被应用于调制第二波长或波长范围的电磁辐射。这实现波长信道的良好分开，并且进一步有助于改善对抗环境光的鲁棒性。

在另一实施例中，照射单元被配置为使不同波长或不同波长范围的电磁辐射不同地偏振。这可以进一步增加环境光鲁棒性和/或降低对于镜面反射的灵敏性。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在以下附图中：

图1示出了根据本发明的系统的第一实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的系统的第二实施例的示意图；

图3示出了根据本发明的系统的第三实施例的示意图；以及

图4示出了根据本发明的系统的第四实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于确定对象50的至少一个生命体征的系统1的第一实施例的示意图。对象50可以是例如躺在医院或其他健康护理设施中的床上的患者，但是也可以是例如躺在保育箱中的新生儿或早产儿、或在家中或在不同环境中的人。

系统1包括照射单元2，该照射单元被配置为对对象50的皮肤区域进行照射。照射单元2包括多个辐射源21、22，例如多个LED，多个辐射源被配置为发射电磁辐射，并且多个辐射源是能单独地和/或成组地控制的。在一实施例中，照射单元2包括像素化的光源。

系统1还包括控制单元3，该控制单元被配置为控制照射单元2的辐射源21、22。控制单元3可以例如是控制器或处理器。

系统1还包括检测单元4，该检测单元被配置为检测从对象的皮肤区域反射的电磁辐射的高频变化，并且根据检测到的电磁辐射的高频变化来生成检测信号。检测单元4可以例如是单个光电二极管或光电二极管的阵列。

最后，系统1包括生命体征确定单元5，该生命体征确定单元被配置为从检测信号提取生命体征。生命体征确定单元5可以例如是处理器或计算机或专用硬件。

在一实施例中，至少两个(一般N个)不同的载波(HF变化)被使用。对于每个载波，解调被执行(将每个载波混合到DC，紧接着低通滤波(典型的带宽等于4Hz，即脉搏率频率的宽度)。接下来，低通滤波的解调信号被归一化(例如除以分析间隔内的时间均值(或对数))。假如N个信号对应于N个不同的波长(在其他实施例中，不同的偏振方向可以代替波长信号来使用，需要一些适配)，得到的归一化的N个信号被输入到脉搏提取单元(例如PBV方法、CHROM、BSS等，如将会在下面更详细地解释的)。代替导出脉搏信号，也能够导出呼吸信号或动脉血液的饱和水平的估计。

系统1可以可选地还包括用于显示所确定的信息和/或用于为医学人员提供改变系统的部件的设置的接口的接口6。这样的接口可以包括不同的显示器、按钮、触摸屏、键盘或其他人机接口器件。

如图1中图示的系统100可以例如位于医院、健康护理设施、老年人护理设施等中。除了患者的监测，本发明还可以应用于其他领域中，诸如新生儿监测、一般监控应用、安防监视或所谓的休闲环境(诸如健身器材)、可穿戴设备、手持设备(像智能手机)等等。系统1的两个或更多个部件之间的单向或双向通信可以经由无线或有线通信接口工作。

图1中示出的实施例是低成本实施例，特别适合于汽车应用。照射单元2和检测单元4正在通过共同的光学元件7(例如共同的透镜)观察具有对象50的场景。由于对象50的面部相对靠近照射单元2，所以它反射比对象后面的表面多得多的光。半透明反射镜8可以被使用在这样的示范性实施例中，但是在实践中可能不能充分地抑制到检测单元4的直射光，即用于照射单元2和检测单元4的单独透镜可以替代地被使用。

通常，用于脉搏、呼吸和血氧饱和度测量的电磁辐射在400nm至1000nm的范围内，特别是在620nm至920nm的范围内。此特定范围最适合于SpO2测量，并且对于睡眠期间的非干扰监测很有吸引力(对于接近黑暗，对760nm至920nm的范围的进一步限制可以是优选的)，但是假如光的可见性不是干扰的，谱的可见部分可以允许更高的质量(即NIR不一定在所有情况下都是优选的选项)。检测信号可以通过光电传感器(光电传感器阵列)远程地感测对象的皮肤来采集。

通过对照射单元2的使用，能够在原理上防止对非皮肤表面的照射。各种方法能够用来实现这一点，但是范例是像素化的光源被嵌入在反馈环中，其中提取的PPG信号的质量(例如SNR)通过改变像素化的光源的“像素”的强度来优化。在这种情况下，光电二极管足以感测包括对象的一些皮肤段的区域以提取PPG信号。

在实际的实施例中，照射单元2可以以至少两个或三个不同的波长间隔(RGB或使用NIR的不可见波长)、优选地以经调制的(频率或相位)方式发射辐射，以实现环境光鲁棒性。(伪)彩色信号然后能够从这些经调制的波长信道鲁棒地解调(或备选地从配备有不同光学滤光器的不同光电二极管获得)，并且PPG信号能够使用已经被提出用于基于相机的提取的相同基本算法(诸如ICA、PCA、CHROM、POS、(A)PBV方法等)从波长信道运动鲁棒地提取，如将在下面更详细地解释的。

为了实现针对环境照射变化的良好鲁棒性，照射单元2能够在相对高的频率处(例如在1kHz与若干MHz之间)进行调制，其中能够预期环境光谱通常是相当干净的，并且因此不会引起对经解调的波长信道的干扰。因为检测器是高速检测器(例如光电二极管)而非通常在远程PPG应用中使用的成像传感器，这些高频率是容易可行的。不同的波长能够在不同的频率处进行调制，但是信道不必被分开非常远。大约8Hz分开可以已经足够，因为对于最大人类脉搏率，由于脉搏信号的边带被限制于大约+/-4Hz。

在另一实施例中，环境光鲁棒性通过使用配备有光学滤光器的检测单元(例如光电检测器)来改善，所述光学滤光器选择性地透射在经调制的照射单元中使用的波长，但是阻挡所有(或大部分)其他环境光，例如借助于可见光阻挡滤光器。

又一实施例可以通过针对所使用的每个波长使用单独的光电检测器来增加环境光鲁棒性，其中每个光电检测器可以配备有匹配光学滤光器的照射单元。

为了进一步改善环境光鲁棒性或降低对于镜面反射的灵敏性，偏振器可以在检测单元和/或照射单元的前面被使用。而且，具有利用不同偏振滤光器获得的两个信号可以本身允许比个体信号更干净的(部分独立的)信号的组合。这实现了具有单个波长的选项，或提供比在没有偏振器的情况下多两倍的要被组合的检测信号。

用于控制照射单元2的控制单元3可以被配置为控制来自照射单元2的(一般相对窄)射束30的方向和/或宽度和/或强度，使得使用相同的优化准则，例如尽可能多的皮肤和尽可能少的非皮肤表面被照射。优选地，辐射元件21、22能够被独立地或成组地控制以实现这种效果。

在图1中示出的系统1的实施例中，不同的波长能够被多路复用，或多个LED(不同的波长)利用不同的频率来调制。非常高的调制频率(kHz-MHz)是可能的，并且使用例如乘积检测器(或外差解调器)，良好的分开是可能的。例如，解调可以通过计算在滑动分析窗内与正弦和余弦波的内积并且计算平方内积的平方根并且最终对来自滑动窗处理的得到的值进行低通滤波(例如4Hz截止)来实现。高调制频率防止运动的问题，并且能够使系统对于环境照射非常鲁棒，即频率选择性使系统“看不见”环境照射变化，所述环境照射变化通常低于1kHz(对于典型的光源，50/100Hz，对于LED光，几百Hz)，并且低于100kHz。在这种情况下，面部的相对接近度(与背景相比)能够防止像素化的光的必要性，或备选地，对象正后方的高吸收背景能够防止来自非皮肤表面的损害贡献。

图2至4示出了根据本发明的系统的另外的实施例的示意图。在这些图中，主要示出了照射单元和检测单元，而省略了系统的其他部件，像控制单元和生命体征检测单元。

图2示出了根据本发明的系统100的第二实施例的示意图。在该实施例中，能够使照射单元2朝向对象50投射窄射束30，例如宽到足以仅允许作为汽车驾驶员移动的必要自由的射束30，并且使检测单元4以类似窄的观察角度40观察对象50。因此，不同于系统1，在该实施例中，源和传感器的光路径是分开的。主要对面部进行照射，因为它最靠近照射单元2，因此背景对信号质量几乎没有影响(或高吸收背景(例如头靠))。

光路径30和40两者是窄的，并且如果它们的检查主要包含皮肤，即使背景不是黑的，PPG信号也将会具有良好的质量。在一些应用中，使用黑的背景也可以是切实可行的选项。如果背景在来自场景的反射光中起显著作用，那么仍然能够使用几个传感器中的光的方差(而非均值，即单个光电二极管)得到高质量PPG信号。

使用光电二极管作为检测单元，其检测信号能够在kHz范围内被同步地解调。例如，以频率多路复用方式调制的3波长系统(例如使用760nm、800nm和900nm)能够使其中心频率在10kHz附近，其中波长信道至少分开8Hz(例如10、11或12kHz)。由于可能脉搏频率的范围(0.5-4Hz，其将向调制频率给出+/-4Hz边带)，这种分开是优选的。因此，它们应当分开8Hz以防止干扰。

但是存在其他干扰考虑。辐射源(例如LED)中的非线性引起调制频率的谐波，其还应当不会引起其他波长的脉搏带中的干扰(例如10kHz调制频率引起在20、30、40等kHz处的谐波)。如果解调器中的任一个将这些谐波中的任一个下混合成脉搏率带干扰结果(例如当对于波长1使用10kHz时，其他调制频率也应当保持没有40kHz+/-32Hz以防止干扰)。

因此，可以存在选择调制频率的各种约束。不仅存在下界，而且存在不应当被使用的许多频带，如从以上范例变得清楚的。

还能够调制所接收的具有不同偏振方向(与照射射束20的光的偏振交叉和平行)的光。为此目的，偏振器9和10可以被使用。对用于照射的偏振光和在检测单元4前面或作为检测单元的一部分的交叉偏振器10(具体在感测所接收的辐射的传感器前面)的使用可以帮助抑制镜面反射光。而且，对偏振器的使用可以(部分地)代替对改进运动鲁棒性和PPG信号的SNR的额外波长的使用。

为了抑制镜面反射，使用用于所有辐射源的单个偏振器和在检测单元前面的正交(交叉)偏振器足以。为了改善鲁棒性，多个选项存在：

a)使用在所有辐射源前面的单个偏振器以及在两个检测元件(形成检测单元)前面的交叉偏振器和平行偏振器；

b)使在单个检测元件(形成检测单元)前面的偏振交替(切换)；

c)使用在检测单元前面的单个偏振器，并且使在辐射源前面的偏振切换；或

d)在平行辐射源上使用多个偏振器。

一般来说，偏振滤光器可以被用作偏振器。然而，为此目的，不仅透射滤光器能够被采用，而且反射器和/或反射镜(例如偏振反射镜)可以用来实现相同的效果。

图3示出了根据本发明的系统200的第三实施例的示意图。在该实施例中，使用多个照射单元2a、2b，每个照射单元具有相对窄的射束30a、30b，并且可选地，每个照射单元具有偏振器9a，9b。仅在窄射束30a、30b与窄传感器观察角度40的交叉中的物体将会对检测信号做出贡献。

图4示出了根据本发明的系统300的第四实施例的示意图。该实施例特别适合于汽车应用，因为背景照射能够被一起防止。对象的面部从侧面优选地利用偏振光进行照射。检测单元4配备有交叉偏振器10，并且因此在其视野中仅看见已经通过透明物体被去偏振的反射。在汽车中，防止视野中的任何其他(显著反射)物体应当是相对容易的，使得仅从皮肤反射的散射光被检测单元4“看见”。

没有像素化的光源作为检测单元的又一备选实施例采用能够由控制器引导的光的非常窄的射束(窄到足以引起比旨在用于身体部分(例如面部)的更小的照射区域)。在该实施例中，检测单元可以“看见”更大的环境，但是只有光斑到达对象的皮肤，它才仍然能够给出良好质量的PPG信号。可能地，控制器改变光束的取向，以此方式优化PPG信号质量。

一般来说，PPG信号源自于皮肤中的血液体积的变化。因此，当在反射/透射光的不同光谱分量中观察时，该变化给出了特性搏动性“特征”。这种“特征”基本上是血液的吸收光谱与无血液的皮肤组织的吸收光谱的对比(差异)产生的。如果检测器(例如传感器)具有离散数量的颜色信道，每个信道感测光谱的特定部分，则可以将这些信道中的相对搏动性安排在“特征向量”中，也称为“归一化的血液体积向量”PBV。其在以下文章中示出：G.deHaan和A.van Leest的“Improved motion robustness of remote-PPG by using theblood volume pulse signature”(Physiol.Meas.35 1913，2014)，通过引用将其并入本文，即，如果该特征向量是已知的，则基于颜色信道和特征向量的运动鲁棒的脉搏信号提取是可能的。对于脉搏信号的质量，尽管特征向量是准确的，但这是至关重要的，因为其他情况下已知方法会将噪声混合到输出脉搏信号中，以便实现脉搏向量与由特征向量所指示的归一化的颜色信道的规定的相关性。

PBV方法的细节和对归一化的血液体积向量的使用(称为“指示参考生理信息的具有设定取向的预定索引元素”)也已经在US 2013/271591 A1中进行了描述，其细节也通过引用并入本文。

当血液的成分变化时，PPG信号的特性波长依赖性会发生变化。尤其是，动脉血液的氧饱和度对在620nm至780nm的波长范围内的光吸收有强烈影响。不同SpO2值的这种变化的特征导致取决于动脉血氧饱和度的相对PPG搏动性。这种依赖性可以用于实现一种运动鲁棒的远程SpO2监测系统，所述系统已经被命名为自适应PBV方法(APBV)，并在以下文章中进行了详细描述：M.van Gastel、S.Stuijk和G.de Haan的“New principle for measuringarterial blood oxygenation,enabling motion-robust remote monitoring”(NatureScientific Reports，2016年11月)。该文章中对APBV方法的细节的描述也通过引用并入本文。

当反映不同波长信道中的相对搏动性的PBV向量准确时，PBV方法给出最干净的脉搏信号。由于该向量取决于实际的SpO2值，所以利用对应于一系列SpO2值的不同PBV向量测试PBV方法，SpO2值结果为对应于给出具有最高SNR的脉搏信号的PBV向量的一个。

在下文中，使用RGB波长信道作为范例，将简要说明有关PBV方法的一些基本考虑。

心脏的跳动会导致动脉内的压力变化，因为心脏会逆着血管床的阻力泵送血液。由于动脉具有弹性，因此其直径与压力变化同步地变化。这些直径变化不仅发生在大动脉中，而且甚至发生在毛细血管床、细动脉的动脉侧处的皮肤的较小血管中，其中血液体积变化会引起光的变化的吸收。

单位长度归一化的血液体积脉搏向量(也称为特征向量)被定义为PBV，提供红色、绿色和蓝色相机信号中的相对PPG强度，即，

其中，σ指示标准偏差。

为了量化期望值，红色、绿色和蓝色信道的响应H

其使用白色卤素照射光谱I(w)得到归一化的PBV＝[0.27,0.80,0.54]。

通过使用的模型预测的血液体积脉搏相当好地对应于在白色照射条件下对多个对象进行平均测量后发现的实验测量的归一化的血液体积脉搏向量PBV＝[0.33，0.78，0.53]。给出这个结果，可以得出如下结论：观察到的PPG幅度，特别是红色中，以及在较小程度上在蓝色相机信道中，可以很大程度上由来自在500至600nm之间的间隔内的波长的串扰来解释。如模型所示，精确的血液体积脉搏向量取决于相机的颜色滤波器、光的光谱和皮肤反射率。在实践中，尽管给定了一组波长信道，但是所述向量结果是非常稳定的(与基于RGB的向量相比，所述向量在红外方面会有所不同)。

进一步发现，在白色照射下在红色、绿色和蓝色信道中皮肤的相对反射率不会过多地依赖于皮肤类型。这可能是因为无血液皮肤的吸收光谱由黑色素吸收占主导。尽管较高的黑色素浓度可以相当大地增加绝对吸收，但是在不同波长中的相对吸收保持不变。这意味着黑色素的增加使皮肤变暗，但几乎不改变皮肤的归一化的颜色。因此，归一化的血液体积脉搏PBV在白色照射下也非常稳定。在红外波长中，黑色素的影响会进一步减小，因为黑色素的最大吸收发生在短波长(紫外光)下，而对于较长波长下降。

PBV向量不受黑色素影响太多的主要原因是黑色素在表皮中，并且因此充当AC和DC两者上的光学滤光器。因此，它可以降低搏动性，但是同时也降低反射的DC值。因此，AC/DC(相对搏动性)根本不改变。

PBV的稳定特性可以用于区分由从归因于备选原因的变化而引起的血液体积变化引起的颜色变化，即，稳定的PBV可以用作血液体积变化的“特征”以区分其颜色变化。因此，可以使用颜色信道PBV的已知相对搏动性来区分脉搏信号和失真。使用已知方法得到的脉搏信号S可以写为各个无DC归一化的颜色信道的线性组合(表示“混合”的几种可能方式之一)：

S＝W C

其中WW

这里，算子μ对应于均值。不同方法之间的关键区别在于对加权向量W的计算。在一种方法中，可以将噪声和PPG信号分离为被构建为两个颜色信道的线性组合的两个独立的信号。一种组合近似了干净的PPG信号，另一种包含由于运动引起的噪声。作为优化准则，可以使脉搏信号中的能量最小化。在另一种方法中，可以使用三个颜色信道的线性组合来获得脉搏信号。

PBV方法通常使用血液体积脉搏向量来获得混合系数，如基本上在US 2013/271591 A1和上面引用的de Haan和van Leest的文章中所述。如果使用R

并且因此，确定混合的权重通过以下公式来确定

并且确定标量k，使得W

换言之，权重指示检测信号应当如何被(线性地)组合以便从检测信号提取脉搏信号。权重是未知的，并且需要被计算/选择。

特征向量(PBV向量)表示由血液的吸收谱和光到皮肤内的穿透引起的不同波长信道(即检测信号)中的给定的(已知的或预期的)相对搏动性(如果光子被血液更多吸收，则血液的体积变化导致比当血液几乎透明时更大的信号)。利用这种了解和观察到的数据(即检测信号)，权重(例如权重向量)能够被确定。得到的权重是数据依赖的，即依赖于检测信号。

由于脉搏信号在每个波长信道中具有不同的比AC/DC(这也被称为相对信号强度/搏动性)，能够看出谱示出了具有针对不同颜色的不同峰值的谱中的脉搏峰。该谱是傅里叶分析的结果，但是它基本上意味着如果具有脉搏频率的正弦曲线与检测信号(在范例中，RGB，对于SpO2，NIR波长)相关(相乘)，则精确地获得谱中的峰值，通过定义，该峰值被称为特征向量(PBV向量)：这些峰值是不同检测信号中的脉搏信号的归一化的幅度的相对强度。

此的结果是能够使用这种先验知识(即特征向量)获得干净的脉搏信号S(假设脉搏信号是检测信号的加权和的结果)。这样做的一个选项是计算归一化的检测信号C

意识到例如在NIR光谱中，特别是在620和770nm之间，血液吸收谱依据SpO2水平而改变。由于该原因，提出了提取具有不同特征向量(不同PBV向量)的脉搏信号，其中每个PBV向量被选择为与针对具体生命体征值(例如SpO2值)的检测信号中的相对搏动性相对应。由于提取的脉搏信号质量取决于PBV向量的正确性，因此不同的提取的脉搏信号将会具有不同的质量。通过选择最佳质量的脉搏信号，来自特征向量的生命体征值(例如SpO2值)引起该有利的脉搏信号。

在另一实施例中，APBV方法用于从三个波长信道中的两个或更多个不同的组合中提取SpO2值，例如从[λ1，λ2]，从[λ1，λ3]和/或从[λ1，λ2，λ3]中提取。在下文中，将简要说明有关APBV方法的一些基本考虑。

代替从PPG波形中提取特征，APBV间接地基于利用SpO2“特征”提取的脉搏信号的信号质量来确定SpO2。该过程在数学上可以被描述为：

其中C

这里，PPG幅度谱PPG(λ)可以通过动脉血中的主要生色团的两个最常见变体(血红蛋白；氧合的(HbO2)和还原的(Hb))的光吸收谱的线性混合来近似：

其中假设对于600<λ<1000nm光路长度差异都可忽略不计，并且SaO2∈[0，1]。己经认识到，散射的波长依赖的效应可能使该假设无效。当使用两个波长时，比率比参数R和APBV比率参数

应当注意，即使脉搏质量非常好，也并不总是意味着估计的SpO2值足够可靠并且可以信任。当使导致SpO2校准曲线偏移的未预期的血液种类(例如COHb)可用时，即当使用PBV方法或APBV方法进行脉搏提取时，引起不同的特征向量以导致最佳脉搏质量时，尤其可能发生这种情况。

在上面至关重要的是，PBV方法假设波长信道中的相对搏动性是已知的，如果期望的生命体征信息(例如SpO2)是已知的，则这是正确的。然而，在SpO2监测中，基本上不是这种情况，因为这是被搜索的参数。如果权重被正确地选择，则得到的脉搏与个体检测信号C

APBV方法的实质是运行与不同PBV向量并行的多个PBV方法。当反映不同波长信道中的相对搏动性的PBV向量准确时，PBV方法给出最干净的脉搏信号。由于该向量取决于实际的SpO2值，所以利用对应于一系列SpO2值的不同PBV向量测试PBV方法，SpO2值结果为对应于给出具有最高SNR的脉搏信号的PBV向量的一个。

尽管ABPV方法是革命性的，因为它第一次允许运动鲁棒的远程SpO2测量，但是存在限制鲁棒性的缺点。如能够从图1中示出的示意图看出的，当血液的氧合水平下降时，三个波长信道中的相对搏动性变得更相似。PBV方法的运动鲁棒性通过PBV向量与对应于三个波长信道中的运动诱发的信号分量的主要相对强度的向量[1 1 1]之间的角度来指示。该角度越小，运动鲁棒性越少。

通常，对于脉搏、呼吸和血氧饱和度测量，根据本发明使用的电磁辐射在400nm至1000nm的范围内，特别是在620nm至920nm的范围内。该特定范围最适合于SpO2测量，并且对于睡眠(黑暗)期间的非干扰监测很有吸引力，但是如果需要脉搏或呼吸信号，则谱的可见部分可以允许更高的质量(即NIR不一定在所有情况下都是优选的选项)。

可以将上述方法应用于使用非接触传感器采集的检测信号。举例来说，本发明可以应用于健康护理领域，例如，非干扰的远程患者监视、一般监控、安全监视以及所谓的生活方式环境(例如健身器材)等等。应用可以包括监测氧饱和度(脉搏血氧饱和度)、脉搏率、血压、心输出量、呼吸、血液灌注变化、自主神经功能的评价和外周血管疾病的检测。本发明可以例如用于例如在自动CPR(心肺复苏)期间对危重患者的快速且可靠的脉搏检测。该系统可以用于监测例如NICU中的皮肤非常敏感的新生儿的生命体征，以及皮肤受损(例如烧伤)的患者，而且可以比普通病房中使用的接触式传感器更方便，并且为运动鲁棒性提供更好的解决方案。另外的应用是在汽车领域中。本发明具体解决了关于环境光鲁棒的多波长系统的问题，提供了更低成本的解决方案并且消除了隐私担忧。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。

权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为对范围的限制。