用于確定對(duì)象的血氧飽和度的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于確定對(duì)象的血氧飽和度的設(shè)備和方法。具體而言，本發(fā)明涉 及一種能夠被用于檢測(cè)被觀察的對(duì)象（例如人或動(dòng)物）中的動(dòng)脈血氧飽和度的非強(qiáng)迫性光 學(xué)測(cè)量方法。在該背景中，光學(xué)測(cè)量指的是光學(xué)體積描記法（PPG)，并且更具體地指的是脈 搏血氧測(cè)定法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人的生命體征（例如心率（HR)、呼吸速率（RR)或血氧飽和度）用作對(duì)人的當(dāng)前狀 態(tài)的指標(biāo)并用作對(duì)嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)事件的有力預(yù)測(cè)。因此，生命體征在在住院護(hù)理環(huán)境和門(mén)診 護(hù)理環(huán)境、在家、或者在另外的健康、休閑和健身環(huán)境中被廣泛地監(jiān)測(cè)。
[0003] 測(cè)量生命體征的一種方式是體積描記法。體積描記法總體指對(duì)器官或身體部分的 體積變化的測(cè)量，并且具體指對(duì)源于隨著每一次心跳行進(jìn)通過(guò)對(duì)象的身體的心血管脈搏波 的體積變化的檢測(cè)。
[0004] 光學(xué)體積描記法（PPG)是對(duì)感興趣區(qū)域或體積的光反射或透射的時(shí)變變化進(jìn)行 評(píng)估的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。PPG基于血液比周?chē)M織吸收更多的光的原理，因此血液體積隨著每 一次心跳的變化對(duì)應(yīng)地影響透射和反射。除了關(guān)于心率的信息，PPG波形也能夠包括能歸 于另外的生理現(xiàn)象（例如呼吸）的信息。通過(guò)對(duì)在不同波長(zhǎng)（典型地是紅色和紅外）處的 透射率和/或反射率的評(píng)估，能夠確定血氧飽和度。
[0005] 用于測(cè)量對(duì)象的心率和動(dòng)脈血氧飽和度（也被稱(chēng)為Sp02)的常規(guī)脈搏血氧測(cè)定計(jì) 被附著到對(duì)象的皮膚，例如指尖、耳垂或前額。因此，它們被稱(chēng)為"接觸式"PPG設(shè)備。典型 的脈搏血氧測(cè)定計(jì)包括作為光源的紅色LED和紅外LED以及用于探測(cè)已經(jīng)透射通過(guò)患者組 織的光的一個(gè)光電二極管。商業(yè)可用的脈搏血氧測(cè)定計(jì)在紅色波長(zhǎng)處的測(cè)量與紅外波長(zhǎng) 處的測(cè)量之間快速地切換，并且由此測(cè)量組織的相同區(qū)域或體積在兩種不同波長(zhǎng)處的透射 率。這被稱(chēng)為分時(shí)復(fù)用。在每種波長(zhǎng)處的隨時(shí)間的透射率給出了針對(duì)紅色波長(zhǎng)和紅外波長(zhǎng) 的PPG波形。盡管接觸式PPG被認(rèn)為是基本無(wú)創(chuàng)的技術(shù)，但是接觸式PPG測(cè)量體驗(yàn)起來(lái)常 常令人不愉快，這是因?yàn)槊}搏血氧測(cè)定計(jì)被直接附著到對(duì)象并且任何線纜都限制移動(dòng)的自 由。
[0006] 在該背景中，應(yīng)當(dāng)注意到，"血氧飽和度"在許多研究和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常常指平均血 液或組織氧飽和度，所述平均血液或組織氧飽和度一般不同于動(dòng)脈氧飽和度或Sp02。脈 搏血氧測(cè)定計(jì)一般不測(cè)量組織飽和度，而是測(cè)量典型地比平均血氧飽和度（其也包含靜脈 血）高很多的動(dòng)脈氧飽和度。Sp02是Sa02的無(wú)創(chuàng)等價(jià)方案，其中，在前者中"p"指的是脈 搏，而在后者中"a"指的是動(dòng)脈。當(dāng)在本文中引用"血氧飽和度"或Sp02時(shí)，一般意指動(dòng)脈 血氧飽和度。
[0007] 當(dāng)前，已經(jīng)引入了用于非強(qiáng)迫性測(cè)量的非接觸式、遠(yuǎn)程PPG設(shè)備。遠(yuǎn)程PPG采用被 遠(yuǎn)離感興趣對(duì)象設(shè)置的光源，或一般而言是輻射源。類(lèi)似地，探測(cè)器（例如相機(jī)或光學(xué)探測(cè) 器）也能夠被遠(yuǎn)離感興趣對(duì)象設(shè)置。因此，遠(yuǎn)程光學(xué)體積描記系統(tǒng)和設(shè)備被認(rèn)為是非強(qiáng)迫 性的并且非常適合于醫(yī)學(xué)以及非醫(yī)學(xué)的日常應(yīng)用。然而，遠(yuǎn)程PPG設(shè)備典型地得到較低的 信噪比。
[0008] Verkruysse 等人的"Remote plethysmographic imaging using ambient light"(0ptics Express，16 (26)，2008 年 12 月 22 日，21434-21445 頁(yè)）展示了能夠使用環(huán) 境光和常規(guī)的消費(fèi)者水平的視頻相機(jī)來(lái)遠(yuǎn)程地測(cè)量光學(xué)體積描記信號(hào)。
[0009] Wieringa 等人的 "Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging ：A First Step Toward "Sp02Camera"Technology"（Ann.Biomed. Eng. 33， 1034-1041頁(yè)，2005年）公開(kāi)了一種用于基于對(duì)不同波長(zhǎng)處的體積描記信號(hào)的測(cè)量結(jié)果來(lái) 對(duì)組織中的動(dòng)脈血氧飽和度進(jìn)行非接觸式成像的遠(yuǎn)程PPG系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括單色CMOS 相機(jī)和具有三個(gè)不同波長(zhǎng)的LED的光源。相機(jī)按次序地在三個(gè)不同波長(zhǎng)處采集對(duì)象的三段 影片。能夠根據(jù)在單個(gè)波長(zhǎng)處的影片來(lái)確定脈搏率，而要求在不同波長(zhǎng)處的至少兩段影片 來(lái)確定氧飽和度。一次只使用一個(gè)波長(zhǎng)在暗室中執(zhí)行該測(cè)量。
[0010] 期望在新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房（NI⑶）應(yīng)用中使用非接觸式的基于相機(jī)的PPG設(shè)備。 早產(chǎn)嬰兒（NICU中的典型患者）具有頻繁的缺氧時(shí)段（即低Sp02)，這要求立即的護(hù)理。醫(yī) 生然后查看Sp02值來(lái)看他們的介入是否成功。因此，敏感且準(zhǔn)確的Sp02測(cè)量是關(guān)鍵的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于敏感且準(zhǔn)確地確定對(duì)象（例如躺在恒溫箱中的 NICU中的早產(chǎn)嬰兒）的血氧飽和度的設(shè)備和方法。
[0012] 在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種用于確定對(duì)象的血氧飽和度的設(shè)備，所述設(shè) 備包括：
[0013]-接口，其用于接收從探測(cè)到的電磁輻射導(dǎo)出的數(shù)據(jù)流，所述電磁輻射是從所述對(duì) 象的一個(gè)或多個(gè)皮膚部分發(fā)射或反射的，所述數(shù)據(jù)流包括針對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)皮膚部分的 多個(gè)皮膚像素的每皮膚像素的數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)表示隨時(shí)間探測(cè)到的從各自的皮膚像素 發(fā)射或反射的電磁輻射，
[0014]-分析器，其用于基于所述多個(gè)皮膚像素的所述數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)確定所述多個(gè)皮膚像 素的血氧飽和度的變化，
[0015] _選擇器，其用于選擇皮膚像素的組，所述皮膚像素的組包括示出最快的血氧飽和 度的變化的皮膚像素或者除了示出最慢的血氧飽和度的變化的皮膚像素以外的所述多個(gè) 皮膚像素，以及
[0016] _處理器，其用于基于選定的皮膚像素的組的所述數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)確定所述對(duì)象的所 述血氧飽和度。
[0017] 在本發(fā)明的另外的方面中，提出了一種用于確定對(duì)象的血氧飽和度的對(duì)應(yīng)方法， 所述方法包括：
[0018]-接收從探測(cè)到的電磁輻射導(dǎo)出的數(shù)據(jù)流，所述電磁輻射是從所述對(duì)象的一個(gè)或 多個(gè)皮膚部分發(fā)射或反射的，所述數(shù)據(jù)流包括針對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)皮膚部分的多個(gè)皮膚像 素的每皮膚像素的數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)表示隨時(shí)間探測(cè)到的從各自的皮膚像素發(fā)射或反射 的電磁輻射，
[0019]-基于所述多個(gè)皮膚像素的所述數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)確定所述多個(gè)皮膚像素的血氧飽和度 的變化，
[0020] -選擇皮膚像素的組，所述皮膚像素的組包括示出最快的血氧飽和度的變化的皮 膚像素或者除了示出最慢的血氧飽和度的變化的皮膚像素以外的所述多個(gè)皮膚像素，并且
[0021] -基于選定的皮膚像素的組的所述數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)確定所述對(duì)象的所述血氧飽和度。
[0022] 在本發(fā)明的又另外的方面中，提供了一種包括程序代碼單元的計(jì)算機(jī)程序，所述 程序代碼單元用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)以及在其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的非瞬 態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)上執(zhí)行時(shí)令計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述方法的步驟，當(dāng)由計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行 時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品令本文中公開(kāi)的所述方法被執(zhí)行。
[0023] 在從屬權(quán)利要求中定義了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，所要求保護(hù)的方法具 有與所要求保護(hù)的方法、計(jì)算機(jī)程序和介質(zhì)具有與在從屬權(quán)利要求中所定義的相似和/或 相同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0024] 理解血氧飽和度是系統(tǒng)性值（從心臟栗送到動(dòng)脈系統(tǒng)中的動(dòng)脈血的氧飽和度） 而不是在身體上變化的值，已經(jīng)總結(jié)出在血氧飽和度在動(dòng)脈血氧合的變化期間，一些身體 部分提供可能與其他身體部分處的值不同的血氧飽和度值。例如，在源于呼吸狀況惡化的 血氧飽和度的急劇下降期間，在身體外圍上的脈搏血氧測(cè)定計(jì)傳感器（例如手指血氧測(cè)定 計(jì)）和前額傳感器將示出不同的血氧飽和度值。這在本公開(kāi)中通過(guò)識(shí)別具有延遲的血液 (尤其是動(dòng)脈的）灌注的區(qū)域且忽略這些區(qū)域而被解決，因此更加敏感且準(zhǔn)確地逼近系統(tǒng) 性血氧飽和度。
[0025] Sp02被認(rèn)為是動(dòng)脈血的氧飽和度的量度。Sp02是從由動(dòng)脈灌注引起的PPG信號(hào) 測(cè)得的。然而，動(dòng)脈血到達(dá)一些身體部分比到達(dá)其他身體部分更快。類(lèi)似地，即使在一個(gè)身 體部分（例如手）上，一些皮膚區(qū)域比其他皮膚區(qū)域被更早地供應(yīng)有動(dòng)脈血。
[0026] 根據(jù)以上引用的Wieringa的公開(kāi)已知的遠(yuǎn)程PPG系統(tǒng)的目的在于對(duì)這些差異進(jìn) 行成像而不是將這些差異求平均而得到一個(gè)值。）迄今為止的其他已知的非接觸式PPG設(shè) 備（例如基于相機(jī)的PPG設(shè)備在大的皮膚區(qū)域上對(duì)獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)（也被稱(chēng)為PPG信號(hào)） 求平均，并且因此找到針對(duì)具有"舊"血液的皮膚的血氧飽和度值，所述具有"舊"血液的皮 膚仍然可以具有不表示在該時(shí)刻處由心臟栗出的血液的動(dòng)脈血。平均血氧飽和度因此是 "舊"血液（"舊"血氧飽和度）和"新血液"的平均值。利用本發(fā)明，選擇只表示"新血液" 的那些皮膚像素或甚至皮膚區(qū)域，并且因此所確定的血氧飽和度是更有代表性的血氧飽和 度。
[0027] 在實(shí)施例中，所述分析器被配置為確定針對(duì)所述多個(gè)皮膚像素的每皮膚像素的血 氧飽和度信號(hào)，并且被配置為基于所述血氧飽和度信號(hào)來(lái)確定所述多個(gè)皮膚像素的血氧飽 和度的變化。因此，根據(jù)皮膚像素的所述數(shù)據(jù)信