用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置。分段單元（4）從生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段，分類單元（5）基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類，并且生理信息確定單元（7）根據(jù)i）被分類為所述有效類的信號片段和ii）被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息。因此，能夠基于相應信號片段是否是有效的認識來確定所述生理信息。例如，能夠依賴于所述生理信號的有效適合的片段來確定諸如呼吸率的生理參數(shù)，所述有效適合的片段適于所述生理信號的周期。這改善了從生理信號確定生理信息的質量。
【專利說明】用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置、監(jiān)測方法以及監(jiān)測計算機程序?！颈尘凹夹g】
[0002]US6997882B1公開了一種用于監(jiān)測受試者的呼吸功能的方法。從附接在受試者上的至少一個加速度計模塊采集加速度信號。處理所述加速度信號，以獲得表示與內外(medio-lateral)加速度矢量很大程度上無關的前后加速度矢量的前后加速度信號。從所述前后加速度信號中提取由于呼吸的加速度成分，其中，所述提取包括最小均方自適應噪聲消除技術的應用。所提取的加速度成分可能不利地受到非呼吸運動的影響。因此，降低了所提取的加速度成分的質量。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置、監(jiān)測方法和監(jiān)測計算機程序，其中，確定生理信息的質量能夠得以改善。在本發(fā)明的第一方面中，提出一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置，其中，所述監(jiān)測裝置包括:
[0004]-生理信號提供單元，其用于提供周期性生理信號，
[0005]-分段單元，其用于從所述生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段，
[0006]-分類單元，其用于基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類，
[0007]-生理信息確定單元，其用于根據(jù)i)被分類為所述有效類的信號片段和ii)被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息。
[0008]由于所述分段單元從 所述生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段，其中，之后，所述分類單元基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類，并且所述生理信息確定單元根據(jù)i)被分類為所述有效類的信號片段和ii)被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息，能夠基于相應信號片段是否是有效的認識來確定所述生理信息。例如，所述生理信息確定單元能夠適于依賴于所述生理信號的有效適合的片段來確定諸如呼吸率的生理參數(shù)，所述有效適合的片段適于所述生理信號的周期，例如，其適于呼吸信號的單個呼吸。這允許改善從周期性生理信號確定生理信息的質量。
[0009]所述生理信號提供單元能夠是存儲單元，在所述存儲單元中已經存儲了周期性生理信號，并且從所述存儲單元中能夠檢索所述生理信號以提供相同的生理信號。所述生理信號提供單元還能夠是用于經由無線或有線數(shù)據(jù)連接接收所述周期性生理信號的接收單元，其中，所述生理信號提供單元提供所接收的周期性生理信號。所述生理信號提供單元還能夠是用于測量所述周期性生理信號的測量單元。例如，所述生理信號提供單元能夠是用于測量加速度計呼吸信號的加速度計。所述生理信號的周期優(yōu)選地對應于單個呼吸。
[0010]優(yōu)選地，所述分段單元適于在所述生理信號中找到波谷并且確定信號片段為所述生理信號的在兩個相鄰波谷之間的片段。所述波谷能夠指示所述生理信號的周期的開始和結束。因此，通過由兩個相鄰的波谷定義信號片段，所述信號片段能夠表示所述生理信號的周期。
[0011]進一步優(yōu)選地，所述分段單元適于i)在所述生理信號中找到波谷，ii)將預定規(guī)則的集合應用于所述生理信號的所找到的波谷周圍的特性，其中，所述預定規(guī)則的集合基于所述生理信號的所找到的波谷周圍的所述特性定義所找到的波谷是否是所述生理信號的周期的開始和結束，iii)丟棄未定義周期的開始或結束的所找到的波谷，iv)確定信號片段為所述生理信號的在兩個相鄰的未丟棄的波谷之間的片段。在優(yōu)選實施例中，所述分段單元適于應用規(guī)則的集合，根據(jù)所述規(guī)則的集合相應所找到的波谷之前的生理信號的幅度、偏度和斜率中的至少一個與相應所找到的波谷之后的相應生理信號的相應內容進行比較，并且依賴于所述比較確定相應所找到的波谷是否是由所述生理信號的周期的開始或結束造成的。所述生理信號能夠由例如偽影、噪聲和其他缺陷破壞，或者由于用于測量所述生理信號的相應測量原理的性質，可能偏離正弦波形，這可以產生不是由所述生理信號的周期的開始或結束造成的波谷。因此，通過應用所述規(guī)則的集合并通過根據(jù)所述規(guī)則的集合丟棄未定義所述生理信號的周期的開始或結束的所找到的波谷，能夠改善確定所述信號片段的質量。
[0012]所述分類單元適于基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類。與所述信號片段相關的特性為例如時間、頻譜和空間特性。它們能夠是相應信號片段本身的特性。與所述信號片段相關的特性還能夠是對應于用于在已經測量了相應信號片段的同時，測量所述生理信號、人或動物的狀態(tài)等的測量單元的屬性的特性相應。例如，所述生理信號能夠是加速度計信號，其中，所述分類單元能夠適于對所述信號片段基于在相應信號片段已經被測量的同時定義所述加速度計的旋轉的旋轉角，進行分類。所述旋轉角優(yōu)選地被定義為在單個周期期間所述加速度計在空間上旋轉的角度，即，所述旋轉角能夠被定義為所述加速度計在相應信號片段開始時的取向與在相應信號片段結束時的取向之間的差。當與來自生理信號的信號片段相比時，對于來自運動偽影的信號片段來說，所述旋轉角通常更大。具體而言，不包括運動偽影的呼吸信號能夠在原則上在單個呼吸周期期間產生零凈旋轉角，即，所述加速度計在一個呼吸結束時基本上返回其初始取向。所述分類單元還能夠適于基于與所述信號片段相關的其他特性對所述信號片段進行分類，所述其他特性例如為相應信號片段的.譜熵、相應信號片段內的波谷的數(shù)量和/或相應信號片段內的波谷的形狀。
[0013]優(yōu)選地，所述分類單元適于使用決策樹分類器，以將所述信號片段分類為有效類和無效類。這允許以簡單方式并且實時地對所述信號片段進行分類。
[0014]還優(yōu)選地，所述分類單元適于依賴于相應信號片段確定指示將信號片段分類為所述有效類或所述無效類的準確性的準確性值。例如，如果所述分類單元適于使用決策樹以將所述信號片段分類為有效類和無效類，則能夠執(zhí)行利用基礎事實(ground truth)的決策樹分類器的交叉驗證，其中，通過確定在特定葉節(jié)點上做出的正確決策與在該葉節(jié)點上做出的所有決策的比率，能夠為已經向其分配了有效標簽或無效標簽的該葉節(jié)點確定準確性值。所述準確性值能夠用作分類質量的指示，所述準確性值能夠向用戶示出和/或用于進一步處理。[0015]在優(yōu)選實施例中，所述監(jiān)測裝置還包括分類校正單元，所述分類校正單元用于校正將所述信號片段分為有效類和無效類的分類。具體而言，如果特定信號片段的準確性值低于預定準確性閾值，則所述分類校正單元能夠適于校正該特定信號片段的分類。例如，依賴于生理參數(shù)的臨界值和應用情形，能夠設置針對所述準確性閾值的適當值。在實施例中，所述分類校正單元能夠包括在a)生理參數(shù)和/或應用以及b)準確性閾值之間的分配，其中，所述分類校正單元能夠基于所述分配和當前監(jiān)測的生理參數(shù)和/或當前應用來使用準確性閾值。所述分類校正單元能夠包括校正規(guī)則的集合，所述校正規(guī)則的集合基于校正特征中的至少一個相應定義片段的分類是否必須校正以及如何校正，所述校正特征例如為準確性值、相應片段的特性、相鄰片段的特性、諸如用戶活動水平的用戶特性、諸如環(huán)境溫度的環(huán)境特性、一天中的時間等。例如，如果片段被標記為有效并且具有小于可以為60%的準確性閾值的準確性值，并且如果暫時相鄰的片段是無效片段，則所述規(guī)則的集合能夠定義所述分類校正單元將具體片段的標簽校正為無效。這允許改善片段分類為有效和無效片段的質量，由此進一步改善生理參數(shù)的確定的質量。
[0016]所述生理信息確定單元能夠適于根據(jù)被分類為有效類的信號片段確定生理參數(shù)為生理信息。例如，能夠確定呼吸率或心率為生理參數(shù)。具體而言，所述生理信號提供單元能夠適于提供呼吸信號為所述生理信號，其中，所述生理信息確定單元能夠適于通過例如取被分類為有效類的信號片段的持續(xù)時間的倒數(shù)根據(jù)被分類為有效類的信號片段確定呼吸率為生理參數(shù)。所述生理信息確定單元還能夠適于根據(jù)被分類為有效類的信號片段以及根據(jù)被分類為無效類的信號片段確定生理模式作為生理信息。所述生理模式為例如呼吸模式或心跳模式，即，心臟模式。具體而言，所述生理信息確定單元能夠適于確定諸如潮式呼吸、周期性呼吸、呼吸暫停等的呼吸模式。為了確定呼吸模式，所述生理信息確定單元優(yōu)選地適于不僅使用有效片段，還使用無效片段。具體而言，所述生理信息確定單元能夠適于基于覆蓋例如兩分鐘的持續(xù)時間的有效和無效片段以及這些有效和無效片段的特性來確定呼吸模式。所述生理信息確定單元能夠包括規(guī)則的集合，所述規(guī)則的集合基于這些有效和無效片段以及它們的特性來確定呼吸模式。例如，如果具有連續(xù)無效片段(其具有小于預定變化閾值的變化)的生理信號部分跟隨著具有調制幅度的連續(xù)有效片段的分生理信號部分，則所述規(guī)則的集合能夠定義存在潮式呼吸模式。具有連續(xù)無效片段(其具有低變化)的生理信號部分能夠表示呼吸暫停，并且具有調制幅度的連續(xù)有效片段的生理信號部分能夠表示呼吸過度。
[0017]優(yōu)選地，所述監(jiān)測裝置還包括預處理單元，所述預處理單元用于通過執(zhí)行以下中的至少一項對所述生理信號進行預處理:濾波、歸一化、偏移消除、下采樣。所述預處理能夠改善所述生理信號的質量和/或減少用于進一步處理呼吸信號的計算負荷。例如，通過所述生理信號的下采樣，能夠減少用于進一步處理的計算時間和負荷。在實施例中，所述生理信號為呼吸信號，并且呼吸信號被下采樣至小于20Hz，優(yōu)選地至大約16Hz。
[0018]在實施例中，所述生理信號提供單元適于提供諸如呼吸信號和脈搏信號的若干周期性生理信號。之后，所述分段單元能夠適于針對不同的生理信號確定信號片段，所述分類單元能夠適于對不同的生理信號的信號片段進行分類，并且所述生理信息確定單元能夠適于針對不同的生理信號確定生理參數(shù)。例如，能夠確定呼吸率和脈搏率。為了使用針對不同的生理信號確定的生理參數(shù)以評價被監(jiān)測受試者的狀態(tài)，具體而言評價人類或動物的狀態(tài)，所述預處理單元能夠適于對不同的生理信號應用相位校正，從而使其他們同相。
[0019]在實施例中，所述生理信號為呼吸信號，并且所述預處理單元適于對呼吸信號應用0.1至2Hz的帶通濾波器。因此，只有與呼吸相關的頻率通過所述預處理單元，由此改善呼吸信號的質量。
[0020]在另一實施例中，所述生理信號提供單元適于提供對應于三軸加速度計的三個軸的三個生理信號，其中，所述預處理單元適于將所述三個生理信號融合為單個生理信號。例如，所述預處理單元能夠對所述生理信號應用主成分分析(PCA)。PCA將優(yōu)選地對應于加速度計的三個不同軸的三個相關信號的數(shù)據(jù)集變換為三個正交信號的數(shù)據(jù)集，其中，第一主成分具有最大變化。所述預處理單元能夠適于確定PCA的第一主成分為融合的單個生理信號，由此將三維數(shù)據(jù)減少為一維數(shù)據(jù)。這能夠減少用于進一步處理的計算時間和負荷。
[0021]優(yōu)選地，所述監(jiān)測裝置還包括用于顯示所確定的生理參數(shù)的顯示器。
[0022]在本發(fā)明的另一方面中，提出一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測方法，所述監(jiān)測方法包括:
[0023]-由生理信號提供單元提供周期性生理信號，
[0024]-由分段單元從所述生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段，
[0025]-由分類單元基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類，
[0026]-由生理信息確定單元根據(jù)i)被分類為所述有效類的信號片段和ii)被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息。
[0027]在本發(fā)明的另一 方面中，提出一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測計算機程序，其中，所述監(jiān)測計算機程序包括程序代碼模塊，所述程序代碼模塊用于當所述計算機程序在控制如權利要求1所述的監(jiān)測裝置的計算機上運行時，令所述監(jiān)測裝置執(zhí)行如權利要求14所述的監(jiān)測方法的步驟。
[0028]應當理解，權利要求1所述的監(jiān)測裝置、權利要求14所述的監(jiān)測方法以及權利要求15所述的監(jiān)測計算機程序具有相似和/或等同的優(yōu)選實施例，具體而言，如在從屬權利要求中定義的。
[0029]應當理解，本發(fā)明的優(yōu)選實施例還能夠是從屬權利要求與相應獨立權利要求的任
意組合。
[0030]本發(fā)明的這些和其他方面將從下文描述的實施例變得顯而易見，并且將參考下文描述的實施例被闡明其他。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]在附圖中:
[0032]圖1示意性并且示范性地示出了用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置的實施例，
[0033]圖2和圖3示范性地示出了具有波谷和波峰的呼吸信號的部分，
[0034]圖4示范性地示出了具有有效信號片段和無效信號片段的呼吸信號，并且
[0035]圖5示出了示范性地圖示了用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】[0036]圖1示意性并且示范性地示出了用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置的實施例。監(jiān)測裝置I包括用于提供周期性生理信號的生理信號提供單元2。在該實施例中，生理信號提供單元2為存儲單元，在其中已經存儲了周期性生理信號。所述生理信號優(yōu)選為已經通過使用加速度計測量的加速度計呼吸信號。所述加速度計是測量由地球重力(g=9.8ms2)引起的重力加速度和由運動引起的慣性加速度兩者的機電傳感器。具體而言，所述加速度計為三軸加速度計，其附接在人體胸部，優(yōu)選為左胸腔，以便測量重力矢量在其感測軸上的投影。在呼吸期間，胸腔的運動使傳感器在地球參考系中旋轉，因此造成重力矢量在三個軸上的投影的變化，這反映在傳感器軸信號上。因此，所述加速度計優(yōu)選地用作傾斜儀，以便測量加速度計呼吸信號。通過使用所述加速度計，能夠提供無電纜、無干擾、低成本并且連續(xù)的呼吸監(jiān)測。取代將所述加速度計附接在胸腔或除了將所述加速度計附接在胸腔以外，所述加速度計還能夠附接在隨呼吸運動的人體的另一部位，例如腹部。
[0037]在另一實施例中，所述生理信號提供單元適于測量所述周期性生理信號。具體而言，所述生理信號提供單元能夠包括用于測量加速度計呼吸信號的加速度計、用于將測量的模擬加速度計呼吸信號轉換為數(shù)字加速度計呼吸信號的模數(shù)轉換器以及用于在將所述數(shù)字加速度計呼吸信號提供給預處理器單元3之前存儲所述數(shù)字加速度計呼吸信號的緩沖器。
[0038]預處理單元3適于通過執(zhí)行以下中的至少一個對所提供的生理信號進行預處理:濾波、歸一化、偏移消除和下采樣。優(yōu)選地執(zhí)行該預處理，從而簡化后續(xù)信號處理，而不損失相關信息。例如，預處理單元3能夠適于將0.1-1Hz或0.l-2Hz的帶通濾波器應用于呼吸信號。因此，能夠執(zhí)行濾波，從而使僅與呼吸相關的頻率通過預處理單元3，由此改善呼吸信號的質量。0.1-1Hz的帶通濾波器對應于每分鐘6-60次呼吸的正常呼吸率。0.l-2Hz的帶通濾波器還考慮到新生兒呼吸。
[0039]在該實施例中，生理信號提供單元2適于提供三軸加速度計的三個加速度計信號為呼吸信號。通過使用PCA由預處理單元3將對應于所述加速度計的三個軸的三個加速度計信號優(yōu)選地融合為一個呼吸信號。PCA的第一主成分優(yōu)選為用于進一步處理的單個呼吸.信號。
[0040]監(jiān)測裝置I還包括用于從所述生理信號(B卩，在該實施例中的呼吸信號)確定對應于所述生理信號的周期的信號片段的分段單元4。片段能夠被認為是呼吸候選，其中，分段單元4通過生成呼吸候選來為呼吸檢測準備呼吸信號，所述呼吸候選是分類的基本單元，這將在下文中進一步描述。典型的呼吸循環(huán)類似于具有將吸氣和呼吸分開的波峰的正弦形狀的呼吸信號，同時由呼吸信號中的局部最小值標記吸氣的開始和呼氣的結束。
[0041]分段單元4能夠適于在所述生理信號中找到波谷，并且確定信號片段為所述生理信號的在兩個相鄰的波谷之間的片段。因此，分段單元4能夠適于在呼吸信號中找到波谷，以識別呼吸候選的開始和結束，所述波谷可以被定義為呼吸信號的平均值以下的局部最小值。由于并非所有波谷都可以是呼吸的真實開始/或結束(這是由于例如用于測量生理信號的測量原理的性質、小的偽影、噪聲或其他缺陷)，可能出現(xiàn)無效波谷，這可以導致錯誤的候選。因此，分段單元4能夠適于將預定規(guī)則的集合應用于呼吸信號的所找到的波谷周圍的特征，其中，基于呼吸信號的所找到的波谷周圍的所述特征，所述規(guī)則的集合定義所找到的波谷是否是呼吸信號的周期的開始或結束。具體而言，分段單元4能夠適于應用規(guī)則的集合，根據(jù)所述規(guī)則的集合，相應所找到的波谷之前的呼吸信號的幅度、偏度和斜率中的至少一個與相應所找到的波谷之后的相應呼吸信號的相應內容進行比較，其中，依賴于所述比較確定相應所找到的波谷是由呼吸信號的周期的開始或結束造成的相應。能夠通過校準或訓練確定所述規(guī)則的集合，其中，定義所述規(guī)則的集合，從而針對校準或訓練呼吸信號，對相應所找到的波谷是否是由呼吸信號的周期的開始或結束造成的進行確定相應的準確性得以優(yōu)化。因此，規(guī)則的集合能夠通過從例如錯誤候選的出現(xiàn)進行學習被定義，其中，定義所述規(guī)則的集合，從而使錯誤候選的出現(xiàn)最小化。
[0042]分段單元4還能夠適于丟棄未定義呼吸信號的周期的開始或結束的所找到的波谷，并且確定信號片段為呼吸信號的在兩個相鄰的未丟棄的波谷之間的片段。
[0043]圖2和圖3示意性并且示范性地示出了融合的加速度計呼吸信號的部分，具體而言，示出了依賴于時間t的任意單位的信號的幅度A。在這些附圖中，叉號指示波谷，垂直線指示波峰，并且橢圓指示將被移除的波谷。分段單元4能夠適于找到在圖2和圖3中由橢圓表示的波谷，以便識別這些波谷為未定義呼吸周期的開始或結束的波谷。
[0044]所述監(jiān)測裝置還包括用于基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類的分類單元5。因此，分類單元5優(yōu)選地適于計算能夠被認為是特征的與相應信號元相關(即，與相應呼吸候選相關)的特性，并且依賴于所計算的特性對相應信號片段進行分類。所述特性能夠是例如與相應信號元相關的時間、頻譜和空間特性中的至少一個。例如，在相應信號片段已經被測量的同時定義加速度計的旋轉的旋轉角能夠被計算為空間特性，相應信號片段的譜熵能夠被確定為頻譜特性，并且相應信號片段的波谷的數(shù)量和相應信號片段的波谷的形狀能夠被計算為時間特性。所述旋轉角優(yōu)選地被定義為在單個周期期間加速度計在空間中旋轉的角度，即，所述旋轉角能夠被定義為所述加速度計在相應信號片段開始時的取向與在相應片段結束時的取向之間的差。分類單元5能夠例如適于如果所述旋轉角小于預定旋轉角閾值，則將相應信號片段分類為有效，如果所述旋轉角大于預定旋轉角閾值，則將相應信號片段分類為無效。所述旋轉角閾值能夠通過利用不知道是有效還是無效的信號片段進行校準或訓練被預定。
[0045]分類單元5優(yōu)選地 適于確定針對信號片段(即，呼吸候選)的特征矢量，所述特征矢量表示與相應信號元相關的特性。之后，所述分類單元優(yōu)選地使用所述特征矢量將具體呼吸候選分為有效或無效，即，分為呼吸片段或非呼吸片段。分類單元5能夠使用可以完成該任務的多種類型的分類器。優(yōu)選地，分類單元5使用決策樹分類器，所述決策樹分類器允許以簡單方式并且實時地對所述信號片段進行分類。
[0046]還優(yōu)選地通過使用已知是有效或無效的信號片段來訓練或校準所述決策樹分類器。例如，能夠從手動注釋的呼吸數(shù)據(jù)訓練所述決策樹分類器，其中，注釋了相應信號片段是有效還是無效的。所述呼吸數(shù)據(jù)能夠是位于一個或若干醫(yī)院的若干人的呼吸數(shù)據(jù)。
[0047]在實施例中，所述特征矢量包括若干特征、時間跨度、頻率和/或空間域。例如，所述特征矢量能夠包括以下特征中的至少一個:寬度、平均值、中值、幅度變化、峰值幅度、信號元開始時幅度、信號元結束時幅度、相應信號元內的峰值的相對位置、正寬度、在信號片段內部但在平均值以上的波谷的數(shù)量、通過信號片段開始和結束幅度的線的斜率、信號片段曲線以下的面積、主頻率、主頻率量級、譜熵、譜矩心、若干(具體而言四個)不同預定頻率帶的量級、旋轉角等。若干頻率帶能夠通過使用包括已知被正確分配為有效類或無效類的信號片段的訓練數(shù)據(jù)集被預定，其中，選擇所述頻率帶，從而使所述訓練數(shù)據(jù)集的不正確分類的信號片段的數(shù)量被最小化。
[0048]分類單元5能夠適于在執(zhí)行上述分類之前對所述信號片段進行預分類。優(yōu)選地，通過使用小于上述決策樹分類器的決策樹預分類器來執(zhí)行所述預分類。具體而言，為信號片段確定較少的特征，并且基于這些少量特征執(zhí)行所述預分類。例如，用于所述預分類的特征能夠是容易計算的特征，例如相應信號片段的寬度或幅度變化。
[0049]所述預分類優(yōu)選地用于識別明顯無效的信號片段，并且能夠通過使用訓練數(shù)據(jù)集被訓練。所述決策樹預分類器能夠例如適于使得具有比呼吸暫停閾值更小的幅度變化的信號片段被認為是明顯無效的片段，這是由于假設這樣的信號片段在呼吸暫停內。此外，能夠執(zhí)行所述預分類，從而使得具有超過運動閾值的幅度變化的信號片段被識別為無效信號片段，這是由于假設幅度的相對高的變化是由運動偽影造成的。之后，在還未由所述預分類識別為明顯無效的信號片段的信號片段上執(zhí)行主要分類。因此，在較少的信號片段上執(zhí)行所述主要分類，由此減小執(zhí)行所述主要分類的計算負荷。
[0050]執(zhí)行所述主要分類的決策樹分類器和執(zhí)行所述預分類的任選的決策樹預分類器能夠是例如標準C4.5決策樹分類器或分類與回歸樹(CART)。
[0051]分類單元5優(yōu)選地還適于確定指示依賴于相應信號片段將信號片段分類為有效類或無效類的準確性的準確性值。指示將相應信號片段分類的準確性，即，指示標簽決策的該準確性值，與對應呼吸的質量直接相關。分類單元5能夠適于例用基礎事實交叉驗證決策樹分類器，并且確定準確性值為在葉上做出的正確決策與在該葉上做出的所有決策的比率，所述葉向相應信號片段分配有效或無效標簽。在實施例中，包括已知其為有效或無效信號片段的信號片段的訓練數(shù)據(jù)集由決策樹分類器進行分類。由于已知相應信號片段的正確分類，通過使用決策樹分類器產生的分類能夠與正確的分類比較，以便確定針對決策樹分類器的每個葉的準確性值。例如，準確性值能夠被定義為在相應葉上做出的正確決策的數(shù)量除以在相應葉上做出的決策的總數(shù)。在針對每個葉的準確性值已經被確定之后，所述決策樹分類器能夠被應用于未知其正確分類的實際信號片段，其中，在已經執(zhí)行分類之后，將相應實際信號片段分配到所述決策樹分類器的特定葉上，由此定義相應實際信號片段的類型以及相應的準確性值。
[0052]圖4示意性并且示范性地示出了依賴于時間t的呼吸信號的幅度A。不同的信號片段由叉號指示的波谷定義。由實線表示有效的信號片段，并且由虛線表示無效的信號片段。在圖4中相應信號片段的上方示出的數(shù)字指示相應準確性值。
[0053]如在圖4中能夠看出的，信號片段9偏離正弦形狀，并且具有較低的準確性值。這種偏離和低準確性值可能由加速度計信號受到非呼吸運動的影響而造成。
[0054]監(jiān)測裝置I優(yōu)選地還包括用于校正將信號片段分為有效類和無效類的分類的校正單元6。具體而言，依賴于標記的準確性以及對周圍標簽的認識，能夠撤銷分類器決策，以改善可靠性。
[0055]如果特定信號片段的準確性值低于預定準確性閾值，分類校正單元6能夠適于校正該特定信號片段的分類。例如，依賴于生理參數(shù)的臨界值和應用情形，能夠設置針對所述準確性閾值的適當值。在實施例中，分類校正單元6能夠包括在a)生理參數(shù)和/或應用以及b)準確性閾值之間的分配，其中，分類校正單元6能夠基于所述分配和當前監(jiān)測的生理參數(shù)和/或當前應用使用準確性閾值。例如，能夠預定所述準確性閾值，從而將圖4所示并且具有小于0.8的準確性值的信號片段9的分類從有效類校正為無效類。
[0056]分類校正單元6能夠包括校正規(guī)則的集合，所述校正規(guī)則的集合基于準確性閾值、相應片段的特性、相鄰片段的特性、諸如用戶活動水平的用戶特性、諸如環(huán)境溫度的環(huán)境特性、一天中的時間等定義片段的分類是否必須校正以及如何校正。例如，如果片段被標記為有效并且具有小于可以是60%的準確性閾值的準確性值，并且如果暫時相鄰的片段是無效片段，則所述規(guī)則的集合能夠定義分類校正單元6將具體片段的標簽校正為無效。這允許改善將片段分為有效和無效片段的分類的質量，由此進一步改善生理參數(shù)的確定的質量。
[0057]監(jiān)測裝置I還包括用于根據(jù)i)被分類為有效類的信號片段和ii)被分類為無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息的生理信息確定單元7。具體而言，生理信息確定單元7適于根據(jù)被分類為有效類的信號片段確定生理參數(shù)。在該實施例中，生理信息確定單元7適于根據(jù)被分類為有效類的信號片段確定呼吸率為生理參數(shù)。例如，生理信息確定單元7能夠適于通過取被分類為有效類的信號片段的持續(xù)時間的倒數(shù)來確定呼吸率。生理信息確定單元7還能夠適于確定諸如潮式呼吸、周期性呼吸、呼吸暫停等的呼吸模式。為了確定呼吸模式，生理信息確定單元7優(yōu)選地適于不僅使用有效片段，還使用無效片段。具體而言，生理信息確定單元7能夠適于基于覆蓋例如兩分鐘的持續(xù)時間的信號片段的有效和無效標簽以及這些有效和無效片段的特性來確定呼吸模式。生理信息確定單元7能夠包括規(guī)則的集合，所述規(guī)則的集合基于信號片段的有效和無效標簽以及信號片段的特性來確定呼吸模式。例如，所述規(guī)則的集合能夠定義，如果具有連續(xù)無效片段(其優(yōu)選地具有至少10秒的持續(xù)時間，且具有小于預定變化閾值的變化)的生理信號部分跟隨著具有調制幅度的連續(xù)有效片段的生理信號部分，則存在潮式呼吸模式。具有連續(xù)無效片段(其具有低變化)的生理信號部分能夠表示呼吸暫停，并且具有調制幅度的連續(xù)有效片段的生理信號部分能夠表示呼吸過度。另外，由生理信息確定單元7使用的所述規(guī)則的集合能夠通過校準或訓練被定義，其中，使用表示已知生理參數(shù)和/或已知生理模式的信號片段。
.[0058]監(jiān)測裝置I還包括用于顯示例如，諸如呼吸率的生理參數(shù)、諸如呼吸模式的生理模式、有效信號和/或無效信號的顯示器8。具體而言，如在圖4中示范性示出的，所述顯示器能夠適于示出有效和無效的信號片段。
[0059]在下文中，參考在圖5中所示的流程圖，將示范性地描述用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測方法的實施例。
[0060]在步驟101中，生理信號提供單元2提供周期性生理信號，在該實施例中，所述生理信號為加速度計呼吸信號。在步驟102中，所述生理信號由預處理單元3進行預處理。具體而言，通過使用0.l-2Hz的帶通濾波器對所述生理信號進行濾波。此外，預處理單元3通過PCA將加速度計呼吸信號融合為單個呼吸信號，所述加速度計呼吸信號優(yōu)選地為三軸加速度計的三個加速度計呼吸信號。在步驟103中，分段單元4從預處理的生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段，并且在步驟104中，分類單元5基于與所述信號片段相關的特性，將所述信號片段分類為有效類和無效類。在步驟105中，如果有需要，分類校正單元6校正將所述信號片段分為有效類和無效類的分類，并且在步驟106中，生理信息確定單元7確定生理信息，例如，根據(jù)被分類為有效類的信號片段確定諸如呼吸率的生理參數(shù)，或者根據(jù)被分類為有效類的信號片段和被分類為無效類的信號片段確定諸如呼吸模式的生理模式。在步驟107中，在顯示器8上至少示出確定的生理參數(shù)和/或生理模式。
[0061]盡管在上述實施例中，所述生理信號為加速度計呼吸信號，但所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法還能夠適于監(jiān)測由諸如呼吸帶的另一設備測量的呼吸信號。所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法還能夠適于監(jiān)測另一生理信號，例如心臟信號，具體而言例如心電圖信號。
[0062]所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法能夠適于監(jiān)測一個或若干生理信息。例如，一個或若干加速度計能夠用于監(jiān)測一個或若干呼吸信號。此外，所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法能夠適于同時監(jiān)測不同的生理信號，例如呼吸信號和心臟信號。
[0063]諸如呼吸率和心率的生理參數(shù)能夠具有作為患者健康惡化的早期指標的高臨床值。傳統(tǒng)上，在重癥和中等護理病房中的患者得到良好監(jiān)測，而在醫(yī)療和術后護理病房中的那些患者得不到良好監(jiān)測。通常，由于護理人員的短缺、缺少監(jiān)督和適當監(jiān)測系統(tǒng)的不可用性，在長時間段內連續(xù)監(jiān)測患者的生理參數(shù)是一項艱巨的任務，這可能導致不理想的護理。上述監(jiān)測裝置能夠是可靠、自動并且易于使用的裝置，以為普通病房患者測量生理參數(shù)。
[0064]加速度傳感器優(yōu)選地附接在患者的胸部或腹部，并且能夠用于檢測呼吸努力，以及諸如患者的心跳、體位和活動水平的信息。加速度傳感器能夠附接于比傳統(tǒng)上監(jiān)測的重癥護理病房(I⑶)的患者在身體上更活躍的患者，其中，傳感器信號能夠與由于患者身體運動產生的加速度混合。所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法能夠適于通過從臨床相關信號而不是從混入運動的信號推導生理參數(shù)來確保測量數(shù)據(jù)的可靠解讀。通過這樣做，誤報警得到限制，并且患者狀態(tài)能夠被適當?shù)乇O(jiān)督。具體而言，所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法優(yōu)選地適于丟棄被分類為無效的混入運動的信號，即，混入運動的信號片段，并且可靠地從剩余的信號中提取呼吸/脈搏率和趨勢。因此，能夠提供自動算法，其智能地識別并且移除混入運動的測量，以使普通病房患者的重要身體跡象的連續(xù)監(jiān)測有意義。
[0065]所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法優(yōu)選地適于準確地檢測呼吸信號中的每一單個呼吸。因此，對照于固定時間幀分析，所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法能夠適于以最佳分辨率運行，并且因此捕獲每個有效 的單個呼吸，由此增加呼吸信息的可用性，在所述固定時間幀分析中，以固定大小的幀(例如25s)分段并處理呼吸信號。諸如呼吸率(RR)、準確性值(也能夠被稱為置信指數(shù)(Cl))、呼吸模式等的輸出優(yōu)選地被發(fā)送到顯示器，以通知觀察者。所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法優(yōu)選地在呼吸信號的自適應分段之后檢測每一單個呼吸。在呼吸信號上執(zhí)行一系列操作，以計算例如RR和對應的Cl。Cl優(yōu)選地量化在評價來自單個呼吸的呼吸率中的置信度。它反映了呼吸檢測的準確性和呼吸的質量。
[0066]呼吸信號優(yōu)選地為加速度計的數(shù)字信號，并且優(yōu)選地在由預處理單元進行預處理之前被緩存到例如10秒的一個呼吸循環(huán)中，所述預處理單元優(yōu)選地在數(shù)字化并且緩存的原始傳感器信號上實施諸如濾波、DC消除、歸一化等的操作。之后，分段單元優(yōu)選地基于預定規(guī)則來劃分信號，以生成呼吸候選。與固定幀分類相比，呼吸候選，即，信號片段，能夠被看作具有時變長度的高分辨率幀，所述呼吸候選是基本單元，分類單元在所述呼吸候選上運行。所述分類單元優(yōu)選地計算針對每個呼吸候選的呼吸特異性特征的集合，之后使用諸如決策樹的分類算法將每個呼吸候選分類為“呼吸”和“非呼吸”的類別，即，有效和無效的類別。之后，生理信息確定單元優(yōu)選地計算呼吸率，以及來自被分類為“呼吸”的呼吸候選的對應置信指數(shù)。[0067]所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法能夠適于被應用在設置中，在那里，通過使用一個或多個傳感器，具體而言使用一個或多個加速度計，監(jiān)測諸如呼吸的重要身體跡象。所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法能夠適于在醫(yī)院的普通病房中監(jiān)測呼吸。但是，所述監(jiān)測裝置和所述監(jiān)測方法也能夠適于ICU監(jiān)測和家庭醫(yī)療保健。
[0068]盡管在上述實施例中使用PCA作為用于融合生理信號的技術，還能夠使用其他融合技術，例如加權求和波束成形(WSB)、幾何坐標旋轉以及其他啟發(fā)式融合方法。
[0069]通過研究附圖、說明書和權利要求書，本領域技術人員在實施所要求保護的本發(fā)明中能夠理解并實現(xiàn)對所公開的實施例的其他變型。
[0070]在權利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且，不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。
[0071]單個單元或設備可以實現(xiàn)權利要求書中記載的若干項目的功能。特定措施記載在相互不同的從屬權利要求中不指示不能有利地使用這些措施的組合。
[0072]由一個或若干單元或設備執(zhí)行的計算，例如信號片段的確定、信號片段的分類或生理信息的確定，能夠由任意其他數(shù)量的單元或設備執(zhí)行。例如，步驟102到106能夠由單個單元或由任意其他數(shù)量的不同單元執(zhí)行。根據(jù)所述監(jiān)測方法的所述監(jiān)測裝置的計算和/或控制能夠被實施為計算機程序的程序代碼模塊和/或專用硬件。
[0073]計算機程序可以被存儲/分布在諸如光學存儲介質或固態(tài)介質的適當?shù)慕橘|上，所述介質與其他硬件一起提供或作為其他硬件的一部分提供，但計算機程序也可以以其他形式分布，例如，經由因特網或其他有線或無線的遠程通信系統(tǒng)。
[0074]權利要求書中的任何附圖標記不得被解釋為對范圍的限制。
[0075]本發(fā)明涉及一 種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置。分段單元從生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段，分類單元基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類，并且生理信息確定單元根據(jù)i)被分類為所述有效類的信號片段和ii)被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息。因此，能夠基于相應信號片段是否是有效的認識來確定所述生理信息。例如，依賴于根據(jù)所述生理信號的有效適合的片段來確定諸如呼吸率的生理參數(shù)，所述有效適合的片段適于所述生理信號的周期。這改善了從生理信號確定生理信息的質量。
【權利要求】
1.一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置(I)包括: -生理信號提供單元(2)，其用于提供周期性生理信號， -分段單元(4)，其用于從所述生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段， -分類單元(5)，其用于基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類， -生理信息確定單元(7)，其用于根據(jù)i)被分類為所述有效類的信號片段和ii)被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息。
2.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述分段單元(4)適于: -找到所述生理信號中的波谷， -確定信號片段為所述生理信號的在兩個相鄰的波谷之間的片段。
3.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述分段單元(4)適于: -找到所述生理信號中的波谷， -將預定規(guī)則的集合應用于所述生理信號的所找到的波谷周圍的特性，其中，所述規(guī)則的集合基于所述生理信號的所找到的波谷周圍的所述特性定義所找到的波谷是否是所述生理信號的周期的開始或結束， -丟棄未定義周期的開始或結束的所找到的波谷， -確定信號片段為所述生理信`號的在兩個相鄰的未丟棄的波谷之間的片段。
4.如權利要求3所述的監(jiān)測裝置，其中，所述分段單元(4)適于: -應用規(guī)則的集合，根據(jù)所述規(guī)則的集合將在相應的所找到的波谷之前的生理信號的幅度、偏度和斜率中的至少一個與相應的所找到的波谷之后的相應生理信號的相應內容進行比較， -依賴于所述比較確定相應的所找到的波谷是否是由所述生理信號的周期的開始或結束造成的。
5.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述分類單元(5)適于對所述信號片段基于各個的信號片段的時間、頻譜和空間特性中的至少一個進行分類。
6.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述生理信號是由加速度計測量的加速度計信號，并且其中，所述分類單元(5)適于對所述信號片段基于在各個的信號片段已經被測量的同時定義所述加速度計的旋轉的旋轉角，進行分類。
7.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述分類單元(5)適于使用決策樹分類器，以將所述信號片段分類為有效類和無效類。
8.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述分類單元(5)還適于依賴于各個的信號片段確定指示將該信號片段分類為所述有效類或所述無效類的準確性的準確性值。
9.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述監(jiān)測裝置(I)還包括分類校正單元(6)，所述分類校正單元用于校正將所述信號片段分類為所述有效類和所述無效類的分類。
10.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述生理信息確定單元(7)適于以下中的至少一項i)根據(jù)被分類為所述有效類的信號片段確定生理參數(shù)作為所述生理信息和ii)根據(jù)被分類為所述有效類的信號片段以及根據(jù)被分類為所述無效類的信號片段確定生理模式作為所述生理信息。
11.如權利要求10所述的監(jiān)測裝置，其中，所述生理信號提供單元(2)適于提供呼吸信號作為所述生理信號，并且其中，所述生理信息確定單元(7)適于根據(jù)被分類為所述有效類的信號片段確定呼吸率作為所述生理參數(shù)。
12.如權利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，所述監(jiān)測裝置還包括預處理單元(3)，所述預處理單元用于通過執(zhí)行濾波、歸一化、偏移消除、下采樣中的至少一個對所述生理信號進行預處理。
13.如權利要求12所述的監(jiān)測裝置，其中，所述生理信號提供單元(2)適于提供對應于三軸加速度計的三個軸的三個生理信號，其中，所述預處理單元(3 )適于將所述三個生理信號融合為單個生理信號。
14.一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測方法，所述監(jiān)測方法包括: -由生理信號提供單元提供周期性生理信號， -由分段單元從所述生理信號確定對應于所述生理信號的周期的信號片段， -由分類單元基于與所述信號片段相關的特性將所述信號片段分類為有效類和無效類， -由生理信息確定單元根據(jù)i)被分類為所述有效類的信號片段和ii)被分類為所述無效類的信號片段中的至少一種確定生理信息。
15.一種用于監(jiān)測生理信號的監(jiān)測計算機程序，所述監(jiān)測計算機程序包括程序代碼模塊，所述程序代碼模塊用于當所述計算機程序在控制如權利要求1所述的監(jiān)測裝置的計算機上運行時，令所述監(jiān)測 裝置執(zhí)行如權利要求14所述的監(jiān)測方法的步驟。
【文檔編號】A61B5/113GK103429150SQ201280012815
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年2月8日 優(yōu)先權日:2011年3月11日
【發(fā)明者】M·K·戈帕爾薩米, B·尹 申請人:皇家飛利浦有限公司