CN105009173B - 用于确定对象的动脉血氧饱和度的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定对象的血氧饱和度的设备和方法。所提出的设备包括：接口(32)，其用于接收从探测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述电磁辐射是从所述对象(12)的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流(26)包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射(16)；分析器(34)，其用于基于所述多个皮肤像素的所述数据信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化；选择器(36)，其用于选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出血氧饱和度的变化最快的皮肤像素或除了示出血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素；以及处理器(38)，其用于基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号来确定所述对象的所述血氧饱和度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定对象的血氧饱和度的设备和方法。具体而言，本发明涉及一种能够被用于检测被观察的对象(例如人或动物)中的动脉血氧饱和度的非强迫性光学测量途径。在该背景中，光学测量指的是光学体积描记法(PPG)，并且更具体地指的是脉搏血氧测定法。
背景技术
人的生命体征(例如心率(HR)、呼吸速率(RR)或血氧饱和度)用作对人的当前状态的指标并用作对严重的医学事件的有力预测。因此，生命体征在在住院护理环境和门诊护理环境、在家、或者在另外的健康、休闲和健身环境中被广泛地监测。
测量生命体征的一种方式是体积描记法。体积描记法总体指对器官或身体部分的体积变化的测量，并且具体指对源于随着每一次心跳行进通过对象的身体的心血管脉搏波的体积变化的检测。
光学体积描记法(PPG)是对感兴趣区域或体积的光反射或透射的时变变化进行评估的光学测量技术。PPG基于血液比周围组织吸收更多的光的原理，因此血液体积随着每一次心跳的变化对应地影响透射和反射。除了关于心率的信息，PPG波形也能够包括能归于另外的生理现象(例如呼吸)的信息。通过对在不同波长(典型地是红色和红外)处的透射率和/或反射率的评估，能够确定血氧饱和度。
用于测量对象的心率和动脉血氧饱和度(也被称为SpO2)的常规脉搏血氧测定计被附着到对象的皮肤，例如指尖、耳垂或前额。因此，它们被称为“接触式”PPG设备。典型的脉搏血氧测定计包括作为光源的红色LED 和红外LED以及用于探测已经透射通过患者组织的光的一个光电二极管。商业可用的脉搏血氧测定计在红色波长处的测量与红外波长处的测量之间快速地切换，并且由此测量组织的相同区域或体积在两种不同波长处的透射率。这被称为分时复用。在每种波长处的随时间的透射率给出了针对红色波长和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被认为是基本无创的技术，但是接触式PPG测量体验起来常常令人不愉快，这是因为脉搏血氧测定计被直接附着到对象并且任何线缆都限制移动的自由。
在该背景中，应当注意到，“血氧饱和度”在许多研究和医学领域中常常指平均血液或组织氧饱和度，所述平均血液或组织氧饱和度一般不同于动脉氧饱和度或SpO2。脉搏血氧测定计一般不测量组织饱和度，而是测量典型地比平均血氧饱和度(其也包含静脉血)高很多的动脉氧饱和度。SpO2 是SaO2的无创等价方案，其中，在前者中“p”指的是脉搏，而在后者中“a”指的是动脉。当在本文中引用“血氧饱和度”或SpO2时，一般意指动脉血氧饱和度。
当前，已经引入了用于非强迫性测量的非接触式、远程PPG设备。远程PPG采用被远离感兴趣对象设置的光源，或一般而言是辐射源。类似地，探测器(例如相机或光学探测器)也能够被远离感兴趣对象设置。因此，远程光学体积描记系统和设备被认为是非强迫性的并且非常适合于医学以及非医学的日常应用。然而，远程PPG设备典型地得到较低的信噪比。
Verkruysse等人的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”(Optics Express，16(26)，2008年12月22日，21434-21445页)展示了能够使用环境光和常规的消费者水平的视频相机来远程地测量光学体积描记信号。
Wieringa等人的“Contactless Multiple Wavelength PhotoplethysmographicImaging：AFirst Step Toward“SpO2Camera”Technology”(Ann.Biomed.Eng.33，第1034-1041页，2005年)公开了一种用于基于对不同波长处的体积描记信号的测量结果来对组织中的动脉血氧饱和度进行非接触式成像的远程 PPG系统。所述系统包括单色CMOS相机和具有三个不同波长的LED的光源。相机按次序地在三个不同波长处采集对象的三段影片。能够根据在单个波长处的影片来确定脉搏率，而要求在不同波长处的至少两段影片来确定氧饱和度。一次只使用一个波长在暗室中执行该测量。
期望在新生儿重症监护病房(NICU)应用中使用非接触式的基于相机的PPG设备。早产婴儿(NICU中的典型患者)具有频繁的缺氧时段(即低SpO2)，这要求立即的护理。医生然后查看SpO2值来看他们的介入是否成功。因此，敏感且准确的SpO2测量是关键的。
WO 02/39873 A2公开了一种对象的功能性大脑绘图的方法。所述方法通过以下来产生效果：(a)利用入射光对对象的大脑或大脑的部份的暴露的皮质进行照射；(b)采集所述对象的暴露的皮质的至少部份的每个图片元素的反射频谱；(c)刺激所述对象的大脑；(d)在步骤(c)期间或之后采集所述对象的暴露的皮质的至少所述部份的每个图片元素的至少一个额外的反射频谱；以及(e)生成对在步骤(b)和步骤(d)中采集的暴露的皮质的频谱之间的差异进行突出显示的图像，从而突出显示功能性大脑区域。还公开了能够被用于实践所述方法的用于计算氧饱和度和血液体积图的算法。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于敏感且准确地确定对象(例如躺在恒温箱中的NICU中的早产婴儿)的血氧饱和度的设备和方法。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的血氧饱和度的设备，所述设备包括：
接口，其用于接收从探测到的电磁辐射导出的数据流，所述电磁辐射是从所述对象的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射，
分析器，其用于通过使用光学体积描记法基于所述多个皮肤像素的所述数据信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化，
选择器，其用于选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出血氧饱和度的变化最快的皮肤像素或者除了示出血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素，以及
处理器，其用于通过使用光学体积描记法基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号来确定所述对象的所述血氧饱和度。
在本发明的另外的方面中，提出了一种用于确定对象的血氧饱和度的对应方法，所述方法包括：
接收从探测到的电磁辐射导出的数据流，所述电磁辐射是从所述对象的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像素的每皮肤像素数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射，
通过使用光学体积描记法基于所述多个皮肤像素的所述数据信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化，
选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出血氧饱和度的变化最快的皮肤像素或者除了示出血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素，并且
通过使用光学体积描记法基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号来确定所述对象的所述血氧饱和度。
在本发明的又另外的方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当所述计算机程序在计算机以及在其中存储有计算机程序产品的非瞬态计算机可读记录介质上执行时令计算机执行所述方法的步骤，当由计算机处理器运行时，所述计算机程序产品令本文中公开的所述方法被执行。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法具有与所要求保护的方法、计算机程序和介质具有与在从属权利要求中所定义的相似和/或相同的优选实施例。
理解血氧饱和度是系统性值(从心脏泵送到动脉系统中的动脉血的氧饱和度)而不是在身体上变化的值，已经总结出在血氧饱和度在动脉血氧合的变化期间，一些身体部分提供可能与其他身体部分处的值不同的血氧饱和度值。例如，在源于呼吸状况恶化的血氧饱和度的急剧下降期间，在身体外围上的脉搏血氧测定计传感器(例如手指血氧测定计)和前额传感器将示出不同的血氧饱和度值。这在本公开中通过识别具有延迟的血液(尤其是动脉的)灌注的区域且忽略这些区域而被解决，因此更加敏感且准确地逼近系统性血氧饱和度。
SpO2被认为是动脉血的氧饱和度的量度。SpO2是从由动脉灌注引起的PPG信号测得的。然而，动脉血到达一些身体部分比到达其他身体部分更快。类似地，即使在一个身体部分(例如手)上，一些皮肤区域比其他皮肤区域被更早地供应有动脉血。
根据以上引用的Wieringa的公开已知的远程PPG系统的目的在于对这些差异进行成像而不是将这些差异求平均而得到一个值。)迄今为止的其他已知的非接触式PPG设备(例如基于相机的PPG设备在大的皮肤区域上对获得的数据信号(也被称为PPG信号)求平均，并且因此找到针对具有“旧”血液的皮肤的血氧饱和度值，所述具有“旧”血液的皮肤仍然可以具有不表示在该时刻处由心脏泵出的血液的动脉血。平均血氧饱和度因此是“旧”血液(“旧”血氧饱和度)和“新血液”的平均值。利用本发明，选择只表示“新血液”的那些皮肤像素或甚至皮肤区域，并且因此所确定的血氧饱和度是更有代表性的血氧饱和度。
在实施例中，所述分析器被配置为确定针对所述多个皮肤像素的每皮肤像素血氧饱和度信号，并且被配置为基于所述血氧饱和度信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化。因此，根据皮肤像素的所述数据信号确定了针对所述皮肤像素的血氧饱和度信号，所述血氧饱和度信号接着优选地被使用在如另外的实施例所提出的选择最优皮肤像素和/或确定总的血氧饱和度的后续处理中，根据所述另外的实施例，所述处理器被配置为根据选定的皮肤像素的组的所述皮肤像素的所述血氧饱和度信号来确定所述对象的所述血氧饱和度。
所述处理器还优选地被配置为通过对选定的皮肤像素的组的所述皮肤像素的所述血氧饱和度信号求平均来确定所述对象的所述血氧饱和度。在备选实施例中，也可能对所述血氧饱和度信号应用某种加权，例如考虑它们的如由质量系数确定的可靠性和/或准确度。
在备选实施例中，所述处理器被配置为对选定的皮肤像素的组的所述皮肤像素的所述数据信号求平均，以获得平均数据信号，并且根据所述平均数据信号来确定所述对象的所述血氧饱和度。这允许减少血氧饱和度测量结果的噪声水平，同时仍然利用血氧饱和度变化的各种动态来对区域进行区分。
存在可用于选择皮肤像素的组的各种实施例。一般地，如以上所定义的，选定的皮肤像素的组包括示出血氧饱和度的变化最快的皮肤像素(即做出对待使用的皮肤像素的正选择)，或者选定的皮肤像素的组包括除了示出血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素的全部(即做出对要排除的皮肤像素的负选择)。
在实施例中，所述选择器被配置为通过使用针对所述血氧饱和度的上限/下限阈值或者通过使用针对所述多个皮肤像素的要被选择为所述组的皮肤像素的百分比的阈值来选择所述皮肤像素的组。所述阈值可以基于实验数据而被提前确定，但是也可以例如在注意到对所述血氧饱和度的确定的准确度和/或反应时间不足时可由用户调整。例如，所述下限阈值能够被设定为在80-95％的范围中的值。
在另一实施例中，所述选择器被配置为在所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化低于预定的最小阈值的情况下将所述多个皮肤像素的所有皮肤像素选择为所述组。在所述血氧饱和度基本没有变化的情况中尤其是这样的。
在又一实施例中，所述选择器被配置为在不存在预定事件的情况下，具体是不存在缺氧事件的情况下将所述多个皮肤像素的所有皮肤像素选择为所述组。
为了确定这样的预定事件是否存在，在实施例中，所述接口被配置为接收指示所述预定事件的存在和/或不存在的事件指示信号。可以由一个或多个外部传感器(例如用于辨认出缺氧事件的传感器)来生成所述事件信号。用于感测指示所述预定事件的存在和/或不存在的事件指示信号的这样的事件传感器中的一个或多个也可以被包括在所提出的设备本身中。
备选地或额外地，在实施例中，所述分析器被配置为基于所述数据信号中的一个或多个来确定所述预定事件存在还是不存在，其中，所述数据信号中的一个或多个优选地由本发明的所述非强迫性设备采集。因此，所述分析器可以根据对所述数据信号的分析并优选地根据由此确定的血氧饱和度信号来辨认出预定事件(例如针对所述像素中的至少一些的血氧饱和度的急剧下降和/或增加)出现。
优选地，所述数据信号包括至少两个数据信号分量，其中，第一数据信号分量表示第一频谱部分，具体为可见光部分，并且其中，第二数据信号分量表示第二指示性频谱部分，具体为红外部分。这种想法利用以下事实：即取决于血液吸收和组织吸收的辐射的穿透深度基本上也取决于入射辐射的波长。典型地，红外(或近红外)光和红色光比具有较短波长的光在对象的组织中穿透得更深。例如，所述第一频谱部分能够由可见辐射的绿色部分中带或子带形成。
在优选实施例中，所提出的设备还包括成像单元，具体为相机，所述成像单元用于具体在至少两个不同的频谱范围中远程探测从所述对象发射或反射的电磁辐射。所述成像单元尤其适合于远程监测应用。所述成像单元能够包括一个或多个成像元件。例如，所述成像单元能够包括光电传感器或电荷耦合设备的阵列。根据一个实施例，所述成像单元包括至少两组成像元件，所述成像元件中的每个被配置用于检测所述数据信号分量中的单个分量。根据另一实施例，所述成像单元能够利用具有响应特性的成像元件的单个组，允许对数据信号分量的检测。所述成像单元还能够被配置用于捕捉交替地表示所述数据信号分量的图像帧的序列。
在另一优选实施例中，所提出的设备还包括辐射源，具体为光源，所述辐射源用于具体在两个或更多个不同的频谱范围中将电磁辐射引导到对象。所述辐射源能够由宽带照明源来体现和/或能够利用辐射元件的单个组或者两个或甚至更多个组。然而，所提出的设备不必须包括辐射源，而也能够利用未被连接到所述设备的环境光源。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。在以下附图中：
图1示出了其中使用根据本发明的设备的系统的示意图，
图2示出了图示在应用和没有应用所提出的发明的情况下测得的血氧饱和度的图，
图3示出了图示血氧饱和度值的空间分布的图，
图4示出了图示针对在血氧饱和度的各种状态中的多个像素的血氧饱和度信号值的分布的图，
图5示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了其中使用根据本发明的设备30的系统10的示意图。系统 10能够被用于记录表示远程对象12或对象12的至少部分14(感兴趣区域) 的图像帧，以用于远程PPG监测。例如，感兴趣区域14包括前额部分、面部部分或，更一般地，对象12的一个或多个皮肤部分。记录下的数据(例如一系列图像帧)能够从由对象12反射的电磁辐射16导出。可能的是，在特定的条件下，电磁辐射的至少部分能够由对象12本身发射或透射。当对象12暴露于照射通过对象12的强照明源时，可以发生辐射透射。当由身体热量引起的红外辐射被寻址并被捕捉时，可以发生辐射发射。然而，针对远程PPG应用，待捕捉的电磁辐射16的大部分能够被认为是由对象 12反射的辐射。对象12能够是人类或动物，或总体而言为生物。另外，对象12能够被认为是人类的高度指示期望信号的部分。
诸如阳光18a、人工辐射源18b、或若干辐射源的组合的辐射的源影响对象12或撞击在对象12上。辐射源18a、18b基本上发射冲撞对象12的入射辐射20a、20b。额外地或备选地，系统10也可以包括或利用电磁辐射 24的内部源22，所述内部源22发射入射辐射24并将入射辐射24引导向对象12，并且所述内部源22在备选实施例中也可以是设备30的部分。辐射24的内部源22能够被配置用于将具有定义的特性的辐射(尤其是属于定义的频谱部分的辐射)引导向对象12。由于根据本发明的实施例，至少两个不同的频谱部分被捕捉并处理，因此根据该实施例的另一方面，电磁辐射24的内部源22优选地“匹配”这些频谱部分。
为了从捕捉到的数据(例如图像帧的序列)中提取生理信息，由成像单元28来探测来自对象12的定义的部分或份(例如感兴趣区域14)的辐射16。例如，成像单元28能够通过光学传感器器件来体现，所述光学传感器器件被配置为捕捉属于电磁辐射16的至少一个频谱分量的信息。在实施例中，成像单元28是通过相机或一组相机来体现的，例如视频相机(例如 RGB相机)。在备选实施例中，成像单元28也可以是设备30的部分。
当然，设备30也能够适于处理已经被提前记录并同时被存储或被缓存的输入信号，即输入数据流26。如以上所指示的，电磁辐射16能够包含能够高度指示至少一个生命体征参数26(在本发明的背景中具体是血氧饱和度)的连续的或离散的特性信号。
用于PPG测量的重要领域是对血氧饱和度(尤其是动脉血氧饱和度) 的确定。接触式脉搏血氧测定计典型地发射红色光和红外(或者更精确地，在一些情况下是近红外)光通过感兴趣对象的血管组织。能够以交替(快速切换)的方式来发射并检测各自的光部分(R/IR)。在给出各自的频谱部分由氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)不同地吸收的情况下，最终能够对血氧饱和度进行处理。氧饱和度(SpO2)估计算法能够利用与红色部分有关的信号和与红外部分有关的信号的比率。此外，所述算法能够考虑非脉动信号分量。典型地，PPG信号包括DC分量和相对小的脉动 AC分量。此外，SpO2估计一般涉及被应用到经处理的值的根据经验导出的校准因子。典型地，所述校准因子(或校准曲线)是根据涉及有创动脉血氧饱和度测量结果(SaO2)的参考测量结果而被确定的。需要一个或多个校准因子，这是因为PPG设备基本上检测(频谱)信号部分的比率，所述比率必须被转换成典型地涉及HbO2与Hb的比率的血氧饱和度值。例如但不旨在对本公开做出限制，血氧饱和度估计能够基于以下的通用公式：
一般地，所述特性信号被认为包含相当恒定的(DC)部分和重叠在 DC部分上的交变(AC)部分。应用信号处理措施，能够提取AC部分并且进一步地针对干扰对AC部分进行补偿。例如，特性信号的AC部分能够包括主频率，所述主频率能够高度地指示对象12的血管活动，尤其是心跳。再者，特性信号(尤其是AC部分)能够指示另外的生命体征参数。在该背景中，对血氧饱和度的检测是应用的重要领域。如以上所指示的，考虑在特性信号的不同频谱部分处特性信号的AC部分的表现，基本上能够计算血氧饱和度值。换言之，血氧饱和度的程度能够被反映在血管处的不同的辐射吸收中。此外，能够利用这样的事实，即源于氧合等级的吸收差异在不同的频谱部分上也显著地变化。典型地，DC分量表示组织、静脉血和动脉血的总体光吸收。相比之下，AC分量可以表示脉动的动脉血的吸收。因此，对血氧饱和度(SpO2)的确定能够被表达为：
其中，C是校准参数。C可以代表许多种类的适用于AC/DC关系的校准参数，并且因此应当被以公式(2)的严格代数意义来解读。典型地，在现有技术的测量设备中，C表示固定的常数值或固定的常数的集合。
根据本发明的用于确定对象的氧饱和度的设备30包括(输入)接口 32，所述接口32用于接收从探测到的电磁辐射16导出的(来自成像单元 28或来自存储单元或缓存的)数据流26，所述电磁辐射16是从对象12的一个或多个皮肤部分((一个或多个)感兴趣区域14)发射或反射的。所述数据流26包括针对所述一个或多个皮肤部分14的多个皮肤像素(优选地针对所有皮肤像素)的每皮肤像素的数据信号，其中，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射16。
分析器34被提供用于基于由所述接口32接收并被转发到分析器34的所述多个皮肤像素的数据信号26’来确定所述多个皮肤像素(优选地针对所有皮肤像素)的血氧饱和度的变化。因此，从分析器34输出指示所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化的对应的变化信息35。
优选地，所述分析器根据由多个皮肤像素的数据信号表示的暂时的皮肤反射来计算红色频谱带和红外频谱带中的相对幅度。
设备30还包括选择器36，所述选择器36用于基于来自分析器的变化信息35来选择皮肤像素37的组，所述皮肤像素37的组(仅)包括示出血氧饱和度的变化最快的皮肤像素，或者(仅)包括除了示出血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素(的全部)。因此，至少在特定的状况下，不是所有的皮肤像素的数据信号都被选择，而是只有较小的皮肤像素37的组的数据信号被选择。
处理器38被提供用于基于选定的皮肤像素37的组的数据信号来确定对象12的血氧饱和度39。
最终，能够提供(输出)接口40，所确定的血氧饱和度39能够被递送到所述接口40，以例如提供输出数据41用于进一步的分析和/或用于显示量度。接口32、40都能够通过相同的(硬件)连接器来体现。
在实施例中，控制器42被提供用于选择性地控制成像单元28和辐射源22中的至少一个。
分析器34、选择器36和处理器38(以及控制器42，如果提供了的话) 能够由公共的处理单元50来实现，所述公共的处理单元50能够被认为是计算设备，或者至少是由各自的逻辑命令(程序代码)驱动的计算设备的部分，从而提供期望的数据处理。处理单元50可以包括下文中陈述的若干部件或单元。应当理解，处理单元50的每个部件或单元都能够被虚拟地或离散地实现。例如，处理单元50可以包括若干处理器，例如多核处理器或单核处理器。至少一个处理器能够由处理单元50采用。处理器中的每个能够被配置作为标准处理器(例如中央处理单元)或作为专用处理器(例如图形处理器)。因此，处理单元50能够被适合地操作，从而将数据处理的若干任务分布到适当的处理器。
处理单元50以及接口32、40能够被体现在公共的处理装置或外壳中，总体表示所提出的设备30。成像单元28和辐射源22一般是外部元件，但是也可以被集成到设备30中，例如利用具有设备30的其他元件的公共外壳。
因此，根据本发明的优选实施例，一般针对成像单元28(例如相机) 所“看见”的多个皮肤像素或所有皮肤像素来评估血氧饱和度。在选择器 36中(例如通过聚类方法)选择具有在血氧饱和度改变(例如缺氧事件) 之后/期间血氧饱和度最快恢复的皮肤像素。仅根据这些皮肤像素来计算报告的血氧饱和度，而不理会针对具有较慢动态的氧饱和度变化的皮肤区域的像素。
优选地，针对所有可见的皮肤像素的血氧饱和度值来对它们进行评估。针对所有这些像素的血氧饱和度值被分析以用于在每个时刻处进行聚类。例如，在缺氧事件期间，所有皮肤像素都将具有低血氧饱和度。所有皮肤像素将因此处于相同的类群中，并且所报告的(总的)血氧饱和度是这些皮肤像素中的全部的平均值。只要介入是成功的，则可以开始形成两个类群：一个类群(A)，其表示仍然具有“旧的”动脉血的皮肤像素，所述“旧的”动脉血具有仍然低的血氧饱和度；以及另一类群(B)，其具有“新鲜的、新的”血液，所述“新鲜的、新的”血液具有(更加准确的)较高的血氧饱和度。在这种情况下，所报告的(总的)血氧饱和度被给定为类群 B的血氧饱和度，即仅(一个或多个)类群被用于计算(总的)血氧饱和度值，所述(一个或多个)类群包括主要来自相对较早地被灌注动脉血并且因此表示被泵出心脏的动脉血的氧饱和度的那些皮肤区域的皮肤像素。这提供了较快且较准确的反馈，尤其是在缺氧事件之后。
为了在这样的状况下选择皮肤像素，可以使用针对血氧饱和度值的上限阈值，即仅仅具有高于所述上限阈值的血氧饱和度值的皮肤像素的数据信号(或血氧饱和度信号)被用于确定(总的)血氧饱和度值。
在备选实施例中，针对来自可用皮肤像素的总数的皮肤像素的百分比的阈值可以被应用于该选择。例如，具有最高的血氧饱和度值的皮肤像素的X％(例如X在从20到80的范围中)的百分比可以被选择以用于确定 (总的)血氧饱和度值。
在另外的备选实施例中，监测系统输出从像素的两个子集测得的血氧饱和度的两个值，因此提供关于血氧饱和度变化的动态的信息
然而，本发明不仅可以应用在缺氧事件的情况下，而且一般还可以应用于其他预定事件的情况下。例如，其也可以被用于检测血氧饱和度的急剧的或快速的下降。在这样的状况下，一些皮肤区域可以快速地反映这样的急剧下降，而其他皮肤区域慢得多地反映该下降。然而，可能有必要快速辨认出患者的这样的状况，使得有利地仅使用快速反映血氧饱和度的下降的皮肤部分用于确定(总的)血氧饱和度值。
在这样的状况下，为了选择皮肤像素，可以使用针对血氧饱和度值的下限阈值，即只有具有低于所述下限阈值的血氧饱和度值的皮肤像素的数据信号(或血氧饱和度信号)被用于确定(总的)血氧饱和度值。在实践中，下限阈值可以与上限阈值相同或不同。另外，针对皮肤像素的百分比的阈值也可以类似于以上所解释地被用在这样的状况中。
一般地，选择器36被配置为在所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化低于预定的最小阈值、指示不具有血氧饱和度的主要变化的状况的情况下将所述多个皮肤像素的所有皮肤像素选择为所述皮肤像素的组，以用于确定总的血氧饱和度值。
优选地，选择器36被配置为在不存在预定事件的情况下，尤其是在不存在缺氧事件的情况下将所述多个皮肤像素的所有皮肤像素选择为所述组。接口32优选地被配置为例如从用于感测指示所述预定事件存在和/或不存在的事件指示信号的(任选的)外部事件传感器44接收指示所述预定事件存在和/或不存在的事件指示信号45。在实施例中，所述事件传感器 44也可以是设备30的部分。备选地，分析器34被配置为基于所述数据信号中的一个或多个来确定所述预定事件存在还是不存在。针对血氧饱和度的可能的变化的事件能够借助于其他生命身体体征传感器(例如呼吸率传感器或心率传感器，例如ECG或PPG)而被检测到。
图2示出了图示出随时间的血氧饱和度值的两个图形的图。第一图形 S1示出了通过使用常规方法(即总体上考虑所有皮肤像素)获得的随时间的血氧饱和度值。第二图形S2示出了通过使用所提出的方法(即总体上不理会特定的皮肤像素)获得的随时间的血氧饱和度值。能够看出，在一些时间期间，图形S1和S2是基本上相同的，但是在第二图形S2期间更早且更准确地指示了血氧饱和度值的上升。
图3示出了图示出血氧饱和度值的空间分布的图。具体而言，图3A 示出了在感兴趣区域14内针对每个皮肤像素图示如公式(2)所指示的红色数据信号幅度与IR数据信号幅度的比率的图。图3B示出了可视地图示红色信号幅度和IR信号幅度的图(这里，具有78％和98％的直线表示血氧饱和度值；例如，针对IR/红色比率的较大值指示高的血氧饱和度值，并且反之亦然)。三个具体区域A、B、C被指示在图3A和图3B中，其中，区域A具有最低的血氧饱和度值，而区域3具有最高的血氧饱和度值。
执行了实验。个体正常呼吸一些时间，然后屏住其呼吸大约一分钟以诱发动脉血氧饱和度的下降，甚至去饱和，然后再次正常呼吸，引起血氧饱和度的恢复。使用一个装备有红色滤波器而另一个装备有IR滤波器的两个相机来记录在这些事件期间的皮肤反射。针对图像中的皮肤像素中的每个来计算数据信号幅度(使用约为10秒的时间窗)。红色数据信号幅度与 IR数据信号幅度的比率是针对血氧饱和度的量度。随时间获得的结果被图示在图4中示出的图中，图4图示了与图3B所示的相同类型的图。
图4中描绘的图从左上图到右下图示出了按时间顺序的变化。图4A 是在实验之前获得的。图4B至图4D是在屏住呼吸(导致去饱和)时获得的。图4E至图4H是在再次呼吸(导致恢复)时获得的。图4I再次示出了正常状态。
图5示出了根据本发明的方法的流程图。在第一步骤S10中，接收从探测到的电磁辐射16导出的数据流26，所述电磁辐射16是从对象12的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流26包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射16。在第二步骤S12中，基于所述多个皮肤像素的数据信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱和度的变化。在第三步骤S14中，选择皮肤像素的组，所述的皮肤像素的组包括示出血氧饱和度的变化最快的皮肤像素或者除了示出血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素。在第四步骤S16中，基于选定的皮肤像素的组的数据信号来确定对象的血氧饱和度。
例如，本发明能够被应用于以下的领域中：健康护理(例如非强迫式远程患者监测)、通用监视、安全监测、以及所谓的生活方式环境(例如健身装备)等。应用可以包括：对氧饱和度(脉搏血氧测定法)、心率、血压、心脏输出和血液灌注变化的监测；对自主功能的评估；以及对外围血管疾病的检测。
尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。
如本文中所使用的，术语“计算机”代表许多种类的处理设备。换言之，具有相当的计算能力的移动设备也能够被称为计算设备，即使它们提供比标准台式计算机更少的处理能力资源。此外，术语“计算机”也可以指分布式计算设备，所述分布式计算设备可以涉及或利用云环境中所提供的计算能力。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种用于确定对象的动脉血氧饱和度的设备，包括：
接口(32)，其用于接收从探测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述电磁辐射是从所述对象(12)的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流(26)包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射(16)，并且具有恒定部分和交变部分，
分析器(34)，其用于确定所述多个皮肤像素的所述数据信号的所述交变部分，并且根据所述数据信号的所述交变部分确定所述多个皮肤像素的动脉血氧饱和度的变化，
选择器(36)，其用于选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出动脉血氧饱和度的变化最快的皮肤像素或者除了示出动脉血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素，以及
处理器(38)，其用于使用光学体积描记法基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号通过如下方式来确定所述对象的动脉血氧饱和度的总的血氧饱和度值：
i)对所述选定的皮肤像素的组的皮肤像素中的每皮肤像素所确定的血氧饱和度值求平均，或者
ii)对所述选定的皮肤像素的组的皮肤像素的所述数据信号求平均以获得平均数据信号，并且根据所述平均数据信号确定所述对象的所述总的血氧饱和度值。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述选择器(36)被配置为通过使用针对所述动脉血氧饱和度的上限阈值和/或下限阈值或者通过使用针对所述多个皮肤像素的要被选择为所述组的皮肤像素的百分比的阈值来选择所述皮肤像素的组。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述选择器(36)被配置为在所述多个皮肤像素的动脉血氧饱和度的变化低于预定的最小阈值的情况下将所述多个皮肤像素的所有皮肤像素选择为所述组。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述选择器(36)被配置为在不存在预定事件的情况下将所述多个皮肤像素的所有皮肤像素选择为所述组。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述预定事件是缺氧事件。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述接口(32)被配置为接收指示所述预定事件的存在和/或不存在的事件指示信号(45)。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述分析器(34)被配置为基于所述数据信号中的一个或多个来确定所述预定事件存在还是不存在。
8.根据权利要求4所述的设备，还包括事件传感器(44)，所述事件传感器用于感测指示所述预定事件的存在和/或不存在的事件指示信号(45)。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述接口(32)被配置为接收包括至少两个数据信号分量的数据信号，其中，第一数据信号分量表示第一谱部分，并且其中，第二数据信号分量表示第二指示性谱部分。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一谱部分是可见光部分，并且所述第二指示性谱部分是红外部分。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括：成像单元(28)，所述成像单元用于远程探测从所述对象发射或反射的电磁辐射；和/或辐射源(22)，所述辐射源用于将电磁辐射引导到所述对象(12)。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述成像单元是相机，并且被配置用于在两个不同的谱范围中远程探测从所述对象发射或反射的电磁辐射。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述辐射源是光源，并且被配置用于在两个不同的谱范围中将电磁辐射引导到所述对象(12)。
14.一种用于确定对象的动脉血氧饱和度的方法，包括：
接收从探测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述电磁辐射是从所述对象(12)的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流(26)包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射的电磁辐射(16)，并且具有恒定部分和交变部分，
确定所述多个皮肤像素的所述数据信号的所述交变部分，
根据所述数据信号的所述交变部分确定所述多个皮肤像素的动脉血氧饱和度的变化，
选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出动脉血氧饱和度的变化最快的皮肤像素或者除了示出动脉血氧饱和度的变化最慢的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素，并且
使用光学体积描记法基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号通过如下方式来确定所述对象的动脉血氧饱和度的总的血氧饱和度值：
i)对所述选定的皮肤像素的组的皮肤像素中的每皮肤像素所确定的血氧饱和度值求平均，或者
ii)对所述选定的皮肤像素的组的皮肤像素的所述数据信号求平均以获得平均数据信号，并且根据所述平均数据信号确定所述对象的所述总的血氧饱和度值。
15.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码用于当所述计算机程序在计算机上执行时令所述计算机执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
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