用于處理生理信號(hào)的設(shè)備、方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及確定受檢者的生命體征的領(lǐng)域，并且特別涉及用于處理生理信號(hào)的設(shè)備、方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]受檢者的生命體征是在確定受檢者的醫(yī)療狀況或健康中的強(qiáng)有力指示器。生命體征包括但不限于，呼吸率(RR)、心率(HR)或脈搏率。生命體征描述基礎(chǔ)的生理過(guò)程，例如心跳或呼吸運(yùn)動(dòng)。描述基礎(chǔ)的生理過(guò)程的生理信號(hào)可被測(cè)量和評(píng)估。
[0003]生理過(guò)程(例如心率或呼吸率)的即時(shí)頻率的可靠和精確的估計(jì)對(duì)于很多健康護(hù)理應(yīng)用來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。然而，當(dāng)新穎的不引人注目的傳感器(例如體積描記(PPG)傳感器或運(yùn)動(dòng)傳感器)被用于在不受控制的環(huán)境(例如日常生活場(chǎng)景)中的連續(xù)健康監(jiān)測(cè)時(shí)，魯棒的估計(jì)是尤其具有挑戰(zhàn)性的。在這些環(huán)境中，傳感器可生成顯著量的可能非可靠數(shù)據(jù)。因此，通常，信號(hào)處理在導(dǎo)致錯(cuò)誤輸出的這些干擾期間產(chǎn)生問(wèn)題?，F(xiàn)在，用于測(cè)量生理信號(hào)的很多基于手腕的生物傳感器也裝配有加速計(jì)以估計(jì)運(yùn)動(dòng)并基于此來(lái)校正測(cè)量的信號(hào)。
[0004]呼吸率和心率檢測(cè)的當(dāng)前發(fā)展水平的方法基于頻域分析或連續(xù)波長(zhǎng)變換(CWT)。這些方法在生理信號(hào)的節(jié)段上執(zhí)行，該生理信號(hào)的節(jié)段包括基礎(chǔ)生理現(xiàn)象的幾次出現(xiàn)，例如多個(gè)呼吸周期或多個(gè)心跳。這些節(jié)段還被稱為窗并且對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理也被稱為窗口化信號(hào)處理。與該類型的信號(hào)處理有關(guān)的問(wèn)題是時(shí)延。由于處理窗的長(zhǎng)度，例如三十秒的窗，僅可以以對(duì)應(yīng)于處理窗的長(zhǎng)度的延遲獲得結(jié)果。然而，該時(shí)延在緊急情況中是不可接受的。此外，如果檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)偽影，則整個(gè)窗被丟棄。
[0005]US2013/0080489A1公開了用于從多個(gè)自相關(guān)序列確定生理信息的設(shè)備和方法?？蓱?yīng)用連續(xù)小波變換到自相關(guān)序列以確定呼吸信息。針對(duì)例如45秒持續(xù)時(shí)間的處理窗來(lái)計(jì)算自相關(guān)?；诙鄠€(gè)形態(tài)學(xué)度量信號(hào)來(lái)生成多個(gè)自相關(guān)序列。形態(tài)學(xué)度量信號(hào)轉(zhuǎn)而基于光體積描記(PPG)信號(hào)來(lái)生成。
[0006]US2011/0301477A1公開了用于提供生物反饋信息給受檢者的設(shè)備。設(shè)備包括用于從傳感器接收心率數(shù)據(jù)的接收器。傳感器的類型包括麥克風(fēng)(音頻心臟信號(hào))，壓力傳感器(脈壓)，心電圖(ECG)，光體積描記(PPG)，以及利用RF或相機(jī)技術(shù)的非接觸式傳感器。關(guān)于偽影，該文獻(xiàn)教導(dǎo)了窗口化數(shù)據(jù)被去平均(demean)，這消除數(shù)據(jù)的DC偏移，并且窗口化數(shù)據(jù)被去趨勢(shì)(de-trend )，這消除了數(shù)據(jù)的任何基礎(chǔ)趨勢(shì)。在時(shí)延方面，該文獻(xiàn)教導(dǎo)了較短的數(shù)據(jù)窗得到受檢者的生理狀態(tài)的更快更新。在實(shí)際應(yīng)用中，可以找到低到五秒的時(shí)延。
[0007]然而，需要進(jìn)一步減少時(shí)延。此外，需要在幾乎沒(méi)有時(shí)延的情況下檢查信號(hào)的完整性或質(zhì)量，并確定生命體征提取是否可靠。特別是在嚴(yán)重緊急情況下，如復(fù)活，執(zhí)行心肺復(fù)蘇(CPR)或使用自動(dòng)體外除顫器(AED)，低時(shí)延是至關(guān)重要的。而且，有效的實(shí)施方式、低內(nèi)存使用和低功耗是令人期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種具有降低的時(shí)延的用于處理生理信號(hào)的設(shè)備、方法和系統(tǒng)。另外的目的是提供用于處理生理信號(hào)的設(shè)備的有效實(shí)施方式，其有利地具有低的內(nèi)存使用和功耗。
[0009]在本發(fā)明的第一方面，提出了用于處理生理信號(hào)的設(shè)備，其包括
-用于檢測(cè)接收的生理信號(hào)的波形特征的出現(xiàn)的特征檢測(cè)器，其中生理信號(hào)描述生理過(guò)程，并且特征檢測(cè)器用于提供描述檢測(cè)到的生理信號(hào)的波形特征的出現(xiàn)的特征信號(hào)，
-去抖動(dòng)器，其用于從特征信號(hào)去除相對(duì)于另一出現(xiàn)在預(yù)定時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)的非指示性出現(xiàn)并且用于提供去抖動(dòng)后的特征信號(hào)，
-內(nèi)插器，其用于通過(guò)得到指示在波形特征的期望出現(xiàn)處的生理信號(hào)的值來(lái)確定基線信號(hào)，其中期望出現(xiàn)通過(guò)去抖動(dòng)后的特征信號(hào)來(lái)指示，并且內(nèi)插器用于將基線信號(hào)內(nèi)插在所述期望出現(xiàn)之間中。
[0010]在本發(fā)明的另外方面，提出用于處理生理信號(hào)的系統(tǒng)，其包括如上所述的用于處理生理信號(hào)的第一和第二設(shè)備的聯(lián)結(jié)，其中第二設(shè)備的特征檢測(cè)器的輸入連接到第一設(shè)備的輸出。
[0011]在本發(fā)明的又另外的方面，提供了對(duì)應(yīng)的方法、計(jì)算機(jī)程序以及非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)程序包括當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上被執(zhí)行時(shí)用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行本文公開的方法的步驟的程序代碼模塊，該非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)將計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品存儲(chǔ)在其中，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)使本文所公開的方法被執(zhí)行。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中限定。應(yīng)當(dāng)理解的是，所要求保護(hù)的方法、系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)程序和介質(zhì)具有與所要求保護(hù)的設(shè)備和與在從屬權(quán)利要求中限定的相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0013]本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如US2011/0301477A1建議的去平均或去趨勢(shì)無(wú)法校正當(dāng)例如使用PPG傳感器時(shí)出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)偽影。PPG信號(hào)可能被運(yùn)動(dòng)偽影嚴(yán)重扭曲，因?yàn)楣鈧鞲衅鞯妮p微位移可以大大改變輸出信號(hào)。這個(gè)偽影通常是測(cè)得的信號(hào)中的相當(dāng)短的尖峰或跳躍，任選地跟隨有完全不同的信號(hào)幅度，這是不能通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行去趨勢(shì)來(lái)校正的。在這樣的情況下，整個(gè)處理窗可能被分類為壞，并會(huì)在使用處理窗的當(dāng)前發(fā)展水平的設(shè)備中被丟失。
[0014]應(yīng)當(dāng)注意的是，使用加速度計(jì)用于偽影校正還具有顯著限制，因?yàn)楣鈱W(xué)PPG傳感器相對(duì)于皮膚的非常小的移動(dòng)可能給出不與測(cè)量的加速度成比例的巨大信號(hào)偏差。
[0015]本發(fā)明還基于以下發(fā)現(xiàn):當(dāng)前發(fā)展水平的方法在緊急情況下太慢。盡管US2011/03014477A1建議了，它能夠?qū)崟r(shí)在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行，該方法的時(shí)延仍被限制到處理窗的長(zhǎng)度。用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)或去平均的最小持續(xù)時(shí)間由處理窗定義。
[0016]因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)元素是采用特征檢測(cè)器，用于檢測(cè)生理信號(hào)的波形特征的出現(xiàn)。由此，波形的特性隨著它們出現(xiàn)而被識(shí)別。波形特征包括但不限于峰，谷，超過(guò)預(yù)定閾值的值，局部最大值或最小值，預(yù)定能量的峰/谷、斜率等。波形特征的出現(xiàn)可以被提供作為在特征檢測(cè)器的輸出處的特征信號(hào)，用于進(jìn)一步處理。因此，在逐個(gè)特征的基礎(chǔ)上以非常低的時(shí)延提供特征信號(hào)。因此特征信號(hào)指示檢測(cè)到波形特征的時(shí)間點(diǎn)或樣本號(hào)。
[0017]實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，并非所有的檢測(cè)到的波形特征的出現(xiàn)實(shí)際上可以歸因于基礎(chǔ)的生理現(xiàn)象，而可能是由于偽影，例如PPG傳感器的位移。因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面的用于處理生理信號(hào)的設(shè)備包括用于從特征信號(hào)去除非指示性出現(xiàn)的去抖動(dòng)器。非指示性出現(xiàn)相對(duì)于另一次出現(xiàn)在預(yù)定時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)。例如，測(cè)量心率時(shí)，緊接著前一峰值的峰值在比人類的連續(xù)心跳的最小時(shí)間更短的時(shí)間窗內(nèi)的出現(xiàn)可以被丟棄。這樣的出現(xiàn)可指示偽影并因此不期望的。描述潛在期望出現(xiàn)的去抖動(dòng)后的特征信號(hào)可以在去抖動(dòng)器的輸出處提供。去抖動(dòng)后的特征信號(hào)提供期望出現(xiàn)，因?yàn)榉侵甘拘猿霈F(xiàn)已被移除。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還包括內(nèi)插器，其用于通過(guò)得到指示在波形特征的期望出現(xiàn)處的生理信號(hào)的值來(lái)確定基線信號(hào)，并且將基線信號(hào)內(nèi)插在所述期望出現(xiàn)之間。由此，基線信號(hào)可以在逐個(gè)特征的基礎(chǔ)上被確定。因此，時(shí)延減少到兩個(gè)特征之間的間隔。這是相對(duì)于當(dāng)前發(fā)展水平的基于窗的解決方案的相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴恍枰却麄€(gè)窗，而僅等待下一特征。
[0019]基線信號(hào)因此可以通過(guò)在特征的出現(xiàn)處的生理信號(hào)的值來(lái)定義。例如，如果峰被連接則基線信號(hào)表示上包絡(luò)，或如果谷被連接則基線信號(hào)表示下包絡(luò)。任選地，基線可通過(guò)平均從一個(gè)或多個(gè)不同類型的特征中得到的基線來(lái)確定。因?yàn)榛€信號(hào)的可用性取決于波形特征的出現(xiàn)，基線對(duì)于快速生理過(guò)程如跳動(dòng)的心臟被更快刷新，并對(duì)于如呼吸，以較低的速度被刷新。
[0020]本發(fā)明的另外優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)應(yīng)的實(shí)施方式的占用量是非常小的，S卩，它是非常高效的，因?yàn)椴皇褂眠^(guò)多的存儲(chǔ)器，并且要求很少的計(jì)算，如乘法。
[0021]在實(shí)施例中，特征檢測(cè)器被配置為檢測(cè)生理信號(hào)的峰、谷、超過(guò)預(yù)定閾值的值、局部最大值或最小值、預(yù)定能量的峰/谷、斜率中的至少一個(gè)的出現(xiàn)。例如峰可被檢測(cè)為超過(guò)預(yù)定閾值的值?？商娲?，生理信號(hào)的導(dǎo)數(shù)被評(píng)估用于確定局部最小值或最大值。任選地，多個(gè)特征(例如峰和谷)被檢測(cè)，使得多個(gè)基線可被檢測(cè)，以進(jìn)一步提高測(cè)量的精確度和可靠性。任選地，峰和谷被檢測(cè)以用于執(zhí)行基于峰和谷的平衡信號(hào)處理。
[0022]在另外的實(shí)施例中，去抖器和/或內(nèi)插器被配置為實(shí)時(shí)提供輸出信號(hào)。在該上下文中的實(shí)時(shí)表示一旦波形特征的下一次有效出現(xiàn)可獲得則提供輸出。因此，可以在逐個(gè)特征的基礎(chǔ)上提供去抖器的輸出信號(hào)(即去抖后的特征信號(hào))和/或內(nèi)插器的輸出信號(hào)(即基線信號(hào))。這個(gè)實(shí)時(shí)處理的優(yōu)點(diǎn)是，輸出信號(hào)可以以低時(shí)延被提供，這在緊急情況下特別有利。
[0023]在實(shí)施例中，去抖器進(jìn)一步被配置為確定在特征信號(hào)或在去抖后的特征信號(hào)中特征的兩次出現(xiàn)之間的時(shí)間間隔。描述在特征信號(hào)或在去抖后的特征信號(hào)中特征的兩次出現(xiàn)之間的時(shí)間間隔的信號(hào)可以任選地被提供作為在去抖器的輸出處的時(shí)間間隔信號(hào)。這些輸出信號(hào)再次可