技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于确定对象的组织特性的设备、系统和方法。
背景技术
[0002] G.N.Kawchuk等人在2016年3月11日的自然科学报告中的“Structural health monitoring(vibration)as a tool for identifying structural alterations of the lumbar spine:a twin control study”表明对象脊柱受损可以用机械装置进行分类的可能性有多大，该机械装置对脊柱施加振动，并且用
加速度计测量脊柱的
频率响应。然而，该方法明显令人不快并且适用性有限。
[0003] 因此，需要提供一种对对象的脊柱的可能损伤进行分类的不会太令人不快的方式，其还可以具有更广泛的适用性。
[0004] US 2016/0045115 A1公开了一种用于光学弹性成像系统的方法，其将经致动的乳房的数字图像转换成表面运动的描述。随后，表面运动可以用于确定乳房是否具有异常僵硬的区域，例如，指示
乳腺癌的显着可能性。该方法的步骤使用基于模型的分割来标识每个图像中乳房的轮廓，并且对于每对图像，使用光流
算法计算
皮肤表面运动。这种方法消除了将基准标记物放置在对象上的预备步骤。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种用于不太令人不快地确定对象的组织特性的设备、系统和方法。
[0006] 在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的组织特性的设备，其包括：
[0007] -第一控制单元，其被配置为通过第一控制
信号控制
机电换能器，以将在
频率范围内变化或具有变化频率内容的
机械波传递到对象的暴露组织区域；
[0008] -第二控制单元，其被配置为通过第二
控制信号控制电磁
辐射发射器，以向对象的暴露组织区域发射
电磁辐射；
[0009] -辐射信号输入，其被配置为获得辐射信号，该辐射信号指示从对象的暴露组织区域反射的电磁辐射；以及
[0010] -处理器，其被配置为确定组织特性信号，该组织特性信号指示对象的暴露组织区域的组织特性，该组织特性从频率响应或频率传递函数得出，其从所获得的在所述频率范围内的辐射信号获得，或者从所获得的针对所述变化频率内容的辐射信号获得。
[0011] 在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定对象的组织特性的系统，其包括：
[0012] -机电换能器，其被配置为将在频率范围内变化或具有变化频率内容的机械波传递到对象的暴露组织区域；
[0013] -电磁辐射发射器，其被配置为向对象的暴露组织区域发射电磁辐射；
[0014] -辐射检测器，其被配置为检测从对象的暴露组织区域反射的电磁辐射，并且生成指示检测到的电磁辐射的辐射信号；以及
[0015] -如本文所公开的设备，其用于确定组织特性信号，该组织特性信号指示对象的暴露组织区域的组织特性，该组织特性从频率响应或频率传递函数得出，其从在所述频率范围内的辐射信号获得，或者从针对所述变化频率内容的辐射信号获得。
[0016] 在本发明的又一些方面中，提供了一种对应方法、
计算机程序以及非暂态计算机可读记录介质，该计算机程序包括程序代码装置，其用于当所述计算机程序在计算机上执行时使计算机执行本文中所公开的方法的步骤，该非暂态计算机可读记录介质其中存储有计算机程序产品，其当由处理器执行时，使得执行本文中所公开的方法。
[0017] 在从属
权利要求中限定了本发明的优选
实施例。应当理解，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(特别地，如
从属权利要求中所限定的和如本文所公开的设备)类似和/或相同的优选实施例。
[0018] 最近，视频健康监测领域取得了很大进展。在过去的十年中，不但已经出现了用于呼吸、
脉搏率、组织灌注—成像(perfusion-mapping)、以及使用常规摄像机的SpO2监测(例如，通过使用远程光学体积描记术(远程PPG))的应用，而且还出现了用于睡眠活动记录仪、上床/下床以及其他的应用。当在这个发展领域积累知识并且更好地理解了相机获取的数据的局限性的同时，出现了新机会。
[0019] 通过从视频健康监测研究中获得的新知识，存在新机会，比上文所引用的G.N.Kawchuk等人的公开应用更广泛，并且可能完全不会令人不快。特别地，本
发明人已经认识到，相机可能是获取根据G.N.Kawchuk等人的公开中描述的方法获得的各种运动信号的更具吸引
力的装置，该方法利用许多加速度计附接到脊柱的顶部上的对象的皮肤上。进一步地，设想还可以从相机获得运动信号。由于测量系统的
质量为零，所以这对频率响应的干扰更小，并且进一步防止各种检测器附接在皮肤处，可能使用一次性物品或使用之间的清洁。机械
致动器可以由不会令人不快的致动器替换，而应用范围可以比仅测量脊柱健康更广泛。
[0020] 利用光学体积描记术领域的知识，可以区分开由于心脏活动引起的活组织中的吸收诱发的
颜色变化(光电容积脉搏波描记术，PPG)与脉冲频率下运动诱发的变化(心冲击描记术，BCG)。为了在对象的皮肤处获得用于基于相机的运动测量的可行选项，可以使用皮肤的照明。相机(或更一般地，辐射检测器)允许通过选择包括所有必要测量
位置的
视野来替换各种加速度计。进一步地，在一些应用中，机械致动器可以由机电换能器(例如，扬声器)替换，从而使得能够实现完全不会令人不快的测量，其可以用于组织表征，例如，用于皮肤表征，如测量弹性，可能皮下脂肪层定量(脂肪厚度)、
水合程度、病变检测等。
[0021] 因此，根据本发明的方面，一种机电换能器用于向对象的身体部位提供刺激，并且电磁辐射
传感器(例如，相机)和电磁辐射发射器(例如，
光源)用于测量所述身体部位的响应。该响应可以是频率响应，同时不同特征可以从频率传递函数(输入和输出之间，可能使用频率扫描测量，或具有不同频率内容的信号集合)提取，并且
监督学习算法可以用于构建分类器，该分类器可以基于所述特征以及对象的可能特征(年龄、性别等)来提供所需组织特性/健康指标。
[0022] 根据实施例，所述处理器被配置为通过将第一控制信号与辐射信号相关或通过将辐射信号的频率内容与第一控制信号的频率内容组合(例如，划分)来确定组织特性信号。比如，可以使用复相关。如果刺激是
正弦波(具有变化频率)，则这特别有用。然后，复相关包括：从刺激信号中获取分析信号，并且将其与辐射信号相关。正弦刺激的不同频率的相对相关直接提供频率传递特性。在另一实施例中，辐射信号的频率内容可以除以刺激信号的频率内容，以获得频率传递函数。这包括对刺激和辐射信号两者使用傅里叶变换。
[0023] 辐射信号输入可以被配置为获得多个辐射信号，其包括对象的暴露组织区域内的每个
像素或像素组的辐射信号，其中所述处理器被配置为：通过将第一控制信号的AC变化与在对应于对象的暴露组织区域的至少一部分的像素组上的平均像素值(特别地，时间标准化的平均像素值)的AC变化相关来确定组织特性信号，所述AC变化从所述辐射信号得出。比如，根据相机所获得的图像，可以确定多个像素组的平均像素值。可以随时间
跟踪这些装置中的每个装置，从而产生所述像素组的信号。然后，这些信号可以除以它们的平均值以获得标准化信号，从这些标准化信号通过减法获得AC信号(AC变化)。利用该实施例，可以通过有限的处理努力实现合理结果。
[0024] 在另一实施例中，所述处理器被配置为通过使用分类器来确定组织特性信号，该分类器使用辐射信号、组织特性信号、对象和/或组织位置的特征，和/或在来自具有不同组织特性的对象的组织上已经进行了训练。分类器所使用的特征例如可以包括频率响应(例如，响应峰值(增益最高的频率))或频率响应曲线下的面积。其他特征是对象的特征，诸如年龄、体重和性别。分类器的使用改善了一些组织特性的确定。
[0025] 第一控制单元可以被配置为控制机电换能器，以传递在介于1Hz和5000Hz之间(特别地，10Hz和1000Hz之间)的频率范围内变化或具有变化频率内容的机械波。该范围还将确定扬声器是否可行，或者是否可以优选另一机电换能器(例如，具有直接
接触，如Nature论文中一样)。这可能会限制较低
频谱。关于上限，感兴趣的是电磁辐射发射器，特别地，如果它是2D传感器阵列(成像器)。在没有进行二次
采样的情况下，相机可能会牺牲图像速率更高的
分辨率(像素合并)。在子采样的情况下，这可能使用与顺序等效时间采样示波器(通常简称为采样示波器)相同的原理扩展数量级。在这种情况下，一些实施例中的采样可以由电磁辐射发射器(例如，在相机的较长积分时段期间，闪烁LED)控制。
[0026] 第二控制单元可以被配置为控制电磁辐射发射器，以发射
波长范围介于300nm和1000nm之间(特别地，介于600nm和700nm之间或400nm和500nm之间)的电磁辐射。对于
硅光学传感器，最宽范围可能介于300nm和1000nm之间。红光(约650nm)可能特别令人感兴趣，因为它提供了来自PPG信号的高传感器灵敏度和非常低的污染。另一方面，皮肤对于红光是半透明的，该红光限制了空间分辨率。更短的波长(例如，450nm的蓝光)可能提供更好的空间分辨率，而穿透进入组织的深度非常小，以至于可以观察到在
心动周期期间对变化血容量的吸收的影响很小。
[0027] 在特定应用中，所述处理器被配置为特别地通过提供对脊柱的可能损伤的量化确定与对象的脊柱健康有关的组织特性信号。
[0028] 在其他应用中，所述处理器被配置为确定与对象皮肤(特别地，弹性)有关或与从与对象皮肤有关的组织特性信号得出的一个或多个特性(特别地，皮下脂肪厚度或水合状态)有关的组织特性信号。
[0029] 为了进一步改善组织特性的确定，所述辐射信号输入被配置为获得两个或更多个辐射信号，其指示从对象的两个或更多个不同暴露组织区域反射的电磁辐射，并且所述处理器被配置为确定每个辐射信号的组织特性信号，并且将所确定的组织特性信号组合成组合组织特性信号。比如，可以形成所确定的组织特性信号的平均值或加权平均值，以增加所获得结果的可靠性。
[0030] 各种部件可以用于实现所公开的系统的部件。机电换能器可以包括声音发射器，特别地，扬声器。电磁辐射发射器可以包括光源，特别地，LED。辐射检测器可以包括具有或不具有
光学透镜的单个光传感器(例如，光电
二极管)、或成像单元(特别地，摄像机)。优选地，使用在操作期间不与对象组织接触的部件。部分部件或全部部件可以集成到公共设备中，而且还可以用作单独设备。
[0031] 在特别优选的实施例中，电磁辐射发射器被配置为向对象的暴露组织区域以倾斜
角度发射光，其进一步改善了检测，因为这样小的组织运动更强烈地调制反射光。应当指出，使用环境光代替专用电磁辐射发射器所发射的电磁辐射并非不可能。然而，因为运动的灵敏度要高得多，所以使用电磁辐射非常有利，特别地，倾斜角度的光，同时它还有助于使用红光或蓝光，因为这通过由于心脏活动(来自组织的PPG信号在约650nm的红光中最弱)而导致的吸收变化来减少污染。
[0032] 在关键应用中，在检测器的光路中使用偏振光和偏振器可以进一步有利于聚焦
镜面反射光并且减少来自组织的漫反射光的影响(其可以通过PPG进行调制)。
附图说明
[0033] 参考下文所描述的一个或多个实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并且得以阐明。在以下附图中：
[0034] 图1示出了根据本发明的系统和设备的示意图。
具体实施方式
[0035] 图1示出了根据本发明的确定对象的(由对象的手臂2表示的)组织特性的系统1和设备10的示意图。
[0036] 系统1包括机电换能器31，例如，扬声器，其被配置为将在频率范围内变化(即，频率扫描)或具有变化的频率内容的机械波(例如，通过空气传输到对象的组织的
声波)传递到对象的暴露组织区域，在该实施例中，传递到人的手臂2的区域3。系统1还包括电磁辐射发射器32，例如，诸如LED之类的光源，其被配置为向对象的暴露组织区域3发射电磁辐射22。通过使用辐射检测器33，例如，诸如摄像机之类的光学传感器，对从对象的暴露组织区域3反射的电磁辐射进行检测，并且生成辐射信号23，其指示检测到的电磁辐射。设备10根据所述频率范围内的辐射信号23确定组织特性信号24，其指示对象的暴露组织区域3的组织特性。
[0037] 设备10包括第一控制单元11，其被配置为通过第一控制信号21控制机电换能器31，以将在频率范围内变化或具有变化的频率内容的机械波传递到对象的暴露组织区域；
以及第二控制单元12，其被配置为通过第二控制信号22控制电磁辐射发射器32，以向对象的暴露组织区域发射电磁辐射。第一控制单元11和第二控制单元12可以是
控制器的控制输出或与机电换能器31和电磁辐射发射器32耦合的控制信号
接口的控制输出。
[0038] 设备10还包括辐射信号输入13，其被配置为获得指示从对象的暴露组织区域反射的电磁辐射的辐射信号23。辐射信号输入可以是与辐射检测器33耦合的信号接口。通过使用处理器14，确定组织特性信号24，其指示从所获得的在所述频率范围内的辐射信号所得出的对象的暴露组织区域的组织特性。
[0039] 系统1的元件可以是单独设备，或者可以部分或完全集成到公共设备中。设备10可以用
软件和/或
硬件实现，例如，作为在计算机、处理器、
电子用户设备等上运行的软件应用。
[0040] 在用于确定组织特性信号24的实施例中，应当假设第一控制信号21(以及由其控制的机械波)是时变频率的正弦波。然后，因为组织表面的振动引起光调制，并且可能引起不同的
相位和幅度，所以还可以预期辐射信号23以显示具有相同频率的正弦分量。如果从第一控制信号21构造分析信号(例如，使用希尔伯特变换)，则可以计算辐射信号23的幅度和相位(优选地在时间标准化，即，AC/DC之后)。这表示相关的示例，即，在该实施例中，来自辐射信号23的标准化的AC变化信号与第一控制信号21的单位幅度分析信号相关(时间样本的内积)。这类似于根据BCG信号构建幅度和相位图的过程，如例如A. S.Stuijk以及G.de Haan的“Ballistocardiographic Artifacts in PPG Imaging”，IEEE，Tr.on Biomedical Engineering，PP卷，第99号，2015年11月中所描述的。
[0041] 扫描通过频率范围之后，在保持第一控制信号21的幅度恒定的同时，获得频率特性(幅度和相位)。与保持幅度恒定不同，还可以将(来自辐射信号23的)输出除以输入(第一控制信号21)幅度。所获得的频率特性是组织特性信号24。
[0042] 可以从该频率响应确定其他特性，例如，响应峰值(具有最高增益的频率)、或频率响应曲线下的面积。
[0043] 可以应用具有不同频率内容的脉冲序列而非频率扫描。在这种情况下，可以从每个脉冲序列中的频率的相对强度得出频率响应。
[0044] 当测量时，例如来自皮肤组织的峰值频率响应包含关于皮肤健康的信息。已知衰老会减少
胶原蛋白，这在频率响应中表现出来是合理的(皮肤越硬，峰值反应频率越高)。皮下脂肪层的厚度也会
修改响应，最后水合程度也会影响响应。
[0045] 依据激发频率，辐射传感器33(特别是如果它是相机)可能无法以足够高以解析第一控制信号21中的所有频率的速率进行采样。在这种情况下，只能通过计算来自相同输入
波形的多个配准的响应来确定频率响应。这与采样示波器类似，该采样示波器还可以显示远高于其
采样频率的周期信号。
[0046] 在优选实施例中，辐射发射器32是光源，其向对象的组织以倾斜角度发射光，以便最大化由振动组织引起的光调制。
[0047] 优选地，声波的频率范围介于1Hz和5000Hz之间，并且优选地，电磁辐射包括300nm至1000nm范围内的发射，特别地，具有约660nm处的峰值发射，即，血液的吸收下降，或者低于475nm处的发射，其中由于散射而导致光穿透进入皮肤很少。
[0048] 输出组织特性可以与对象的脊柱健康有关，例如，提供对脊柱可能损伤的量化。在其他应用中，组织特性与对象的皮肤或内部器官(例如，弹性)、或衍生特性(如皮下脂肪厚度)、或水合状态有关。
[0049] 可以在不同的身体组织部位同时或顺序地测量特性，并且各个特性可以组合成组合组织特性以提高准确性和可靠性。
[0050] 在实施例中，通过将到机电发射器31的
输入信号与在对应于对象的组织区域3的像素组上的平均像素值的输出AC变化相关来确定频率传递。更特别地，复相关可能是有用的，其中希尔伯特变换用于从输入频率扫描(即，控制信号21)获得分析信号，并且该分析信号与从辐射检测器33获得的
输出信号23相关。
[0051] 在实际实施例中，组织特性由(处理器14所采用的)分类器产生，该分类器使用频率响应/频率传递的特征，并且优选地，在来自具有不同组织特性的对象的组织上已经进行了训练。
[0052] 频率响应的特性(例如，响应峰值(具有最高增益的频率)、或频率响应曲线下的面积)可以是分类器中使用的特征的示例。另外，人的年龄、性别、以及组织位置(手臂、脸颊等)可以是确定皮肤健康参数的附加特征，因为预期特性随年龄而变化，并且取决于性别。例如，如果应当估计水合程度，则可以使用年龄和性别作为已知特征来改善估计。
[0053] 本发明可以优选地用于脊柱和皮肤健康诊断。
[0054] 虽然已经在附图和前面的描述中对本发明进行了详细说明和描述，但是这种说明和描述应当被认为是说明性或示例性的，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、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。
[0055] 在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的几项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。
[0056] 计算机程序可以存储/分布在合适的非暂态介质上，诸如与其他硬件一起供应或作为其他硬件的一部分供应的光学存储介质或固态介质，而且还可以以其他形式(诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统)分布。
[0057] 权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
