CN105310697B - 测量血氧饱和度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量血氧饱和度的方法及装置，该方法包括：选取第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；第一光源照射和第二光源照射分别两个感兴趣区域得到第一光电体积描记图像和第二光电体积描记图像；分别使用两个传感器检测得到第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号；对第一光电体积描记图像信号进行处理得到第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号；根据两个交流信号和两个直流信号计算血氧饱和度。上述测量血氧饱和度的方法及装置能减小余晖效应，变相提高信号的采样率，同时提高信号的敏感度和信噪比，从而提高测量的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术与信号处理领域，特别涉及一种测量血氧饱和度的方法。
背景技术
血氧饱和度是人体的重要参数，在临床医学上的许多场合都要对血氧饱和度进行检测，其中通过无创的方法对血氧饱和度进行检测能够为医生的临床行为提供快速、直接、有效的操作依据。透射式血氧饱和度检测技术是较为成熟的检测手段，目前所使用的光电体积描记术(photoplethysmographic，PPG)检测设备大多使用夹型和指环型的光电探测头，主要用于在人体的手指指端、耳垂等处进行检测。但这些设备只应用在特定的临床应用中，在生活中使用及携带极不方便、且容易让被测者感到不适。
如今，智能手机已经逐渐进入到每个人的生活中。智能手机一般配置高速处理器，两个背靠背的摄像头，内置的传感器如加速器、定位传感器和光传感器等。智能手机为生物医学信号处理和决策提供了计算能力，利用智能手机摄像头能很好的提取光电体积描记图像(photoplethysmographic imaging，PPGi)信号，这个技术也使得利用便携式移动设备检测血氧成为可能。
然而，目前利用智能手机摄像头作为检测血氧饱和度的方法存在两个问题：1.使用自然光作为光源，测量的准确度相对较低；2.用一个摄像头对两个光源下的光电体积描记图像采样，由于余晖效应，会产生噪声，影响测量结果。
发明内容
基于此，有必要针对传统的血氧饱和度测量方法准确度低且容易产生噪声的问题，提供一种基于双摄像头的测量血氧饱和度的方法及装置，提高测量准确度。
一种测量血氧饱和度的方法，包括：
选取第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；
利用第一光源照射第一感兴趣区域得到第一光电体积描记图像，利用第二光源照射第二感兴趣区域得到第二光电体积描记图像；
分别使用两个传感器检测所述第一光电体积描记图像和第二光电体积描记图像，得到对应的第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号；
对所述第一光电体积描记图像信号进行处理得到所述第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对所述第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号；
根据两个交流信号和两个直流信号计算血氧饱和度。
在其中一个实施例中，所述第一光源发出波长为660mm的光，所述第二光源发出波长为470mm的光。
在其中一个实施例中，所述对所述第一光电体积描记图像信号进行处理得到所述第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对所述第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号包括：
将所述第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号；
计算所述第一光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的方差，得到所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号；
计算所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的平均强度得到所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号；
计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的所述蓝色通道信号的方差，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号；
计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的蓝色通道信号的平均强度，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号。
在其中一个实施例中，计算血氧饱和度的计算式为：
式中，A、B可通过实验定标确定，ACRED1为所述第一光源照射下的所述第一光电体积描记图像信号的交流信号，ACBLUE为所述第二光源照射下的所述第二光电体积描记图像信号的交流信号，DCRED1为所述第一光源照射下的所述第一光电体积描记图像信号的直流信号，DCBLUE为所述第二光源照射下的所述第二光电体积描记图像信号的直流信号。
在其中一个实施例中，所述第一光源发出波长为660mm的光，所述第二光源发出波长为805mm的光。
在其中一个实施例中，所述对所述第一光电体积描记图像信号进行处理得到所述第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对所述第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号包括：
将所述第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号；
计算所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的所述第一红色通道信号的方差，得到第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号；
计算所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的所述红色通道信号的平均强度得到第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号；
计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的所述第二红色通道信号的方差，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号；计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的平均强度，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号。
在其中一个实施例中，计算血氧饱和度的计算式为：
式中，A、B可通过实验定标确定，ACRED1为所述第一光源照射下的所述第一光电体积描记图像信号的交流信号，ACRED2为所述第二光源照射下的所述第二光电体积描记图像信号的交流信号，DCRED1为所述第一光源照射下的所述第一光电体积描记图像信号的直流信号，DCRED2为所述第二光源照射下的所述第二光电体积描记图像信号的直流信号。
在其中一个实施例中，所述传感器采用反射式测量技术进行检测。
一种测量血氧饱和度的装置，所述装置包括：
第一光源，用于照射第一感兴趣区域，得到第一光电体积描记图像；
第二光源，用于照射第二感兴趣区域，得到第二光电体积描记图像；
第一传感器，用于检测所述第一光电体积描记图像，得到第一光电体积描记图像信号；
第二传感器，用于检测所述第二光电体积描记图像，得到第二光电体积描记图像信号；
处理器，连接所述第一传感器和所述第二传感器，用于处理所述第一光电体积描记图像信号得到第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，处理所述第二光电体积描记图像信号得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号；
计算器，连接所述处理器，用于根据所述两个交流信号和所述两个直流信号计算血氧饱和度。
在其中一个实施例中，所述装置为便携式移动设备。
在其中一个实施例中，所述处理器将所述第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号。
在其中一个实施例中，所述第一光源发出波长为660mm的光，所述第二光源发出波长为470mm的光。
在其中一个实施例中，所述第一光电体积描述图像信号的交流信号为所述第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；所述第一光电体积描述图像信号的直流信号为所述第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度；所述第二光电体积描述图像信号的交流信号为所述第二光电体积描述图像信号分离的蓝色通道信号的方差；所述第二光电体积描述图像信号的直流信号为所述第二光电体积描述图像信号分离的蓝色通道信号的平均强度。
在其中一个实施例中，所述第一光源发出波长为660mm的光，所述第二光源发出波长为805mm的光。
在其中一个实施例中，所述第一光电体积描述图像信号的交流信号为所述第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；所述第一光电体积描述图像信号的直流信号为所述第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度；所述第二光电体积描述图像信号的交流信号为所述第二光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；所述第二光电体积描述图像信号的直流信号为所述第二光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度
上述测量血氧饱和度的方法及装置，能利用在手机等便携式移动设备上的两个摄像头(即传感器)进行测量，具有较高的准确度，使被测者能在任意时间，任何环境下方便地检测并及时了解自己血氧状况。
附图说明
图1为一实施例的测量血氧饱和度的方法的流程图；
图2为一实施例的测量血氧饱和度的方法的信号处理流程图；
图3为一实施例的测量血氧饱和度的方法的光源波长选取的示意图；
图4为一实施例的测量血氧饱和度的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为测量血氧饱和度的方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S100，选取第一感兴趣区域和第二感兴趣区域。由于人的手指，尤其是食指指尖具有较高的PPG信号，因此本实施例中可以选择两个食指的指尖作为感兴趣区域，也可选择一个食指指尖作为第一感兴趣区域，而选择人体的其它部分作为第二感兴趣区域。
S200，利用第一光源照射第一感兴趣区域得到第一光电体积描记图像，利用第二光源照射第二感兴趣区域得到第二光电体积描记图像。在本实施例中，第一光源发出波长为660mm的光，照射第一感兴趣区域，得到第一光电体积描记图像；第二光源发出波长为470mm的光，照射第二感兴趣区域，得到第二光电体积描记图像。
S300，分别使用两个传感器检测第一光电体积描记图像和第二光电体积描记图像，得到对应的第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号。在本实施例中，两个传感器均为摄像头，采用反射式测量技术进行检测，一个传感器检测第一光电体积描记图像得到第一光电体积描记图像信号，另一个传感器检测第二光电体积描记图像得到第二光电体积描记图像信号。本发明采用接触式检测，即利用摄像头采集图像信号时，需将摄像头贴在人体上。
透射式血氧饱和度检测中，传感器和光源分别置于被测部位的两侧，通过光源发出的光透过人体组织然后被传感器接收，通过接收到的光强度来计算血氧饱和度的值。反射式血氧饱和度检测的传感器和光源在被测部位的同一侧，光波在通过人体组织时除了一部分被人体组织吸收外，还会有另外一部分散射出来。根据光的传播理论，光子的传播可以用组织光学特性参数来描述，这些特性参数定量地描述了组织光学效应，反射式血氧饱和度检测装置就是通过这部分散射光对血氧饱和度进行计算的。
S400，对该第一光电体积描记图像信号进行处理得到该第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对该第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号。
具体的，如图2所示，步骤S400包括：
S401，将第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成第一红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号。由于第一光源发出的光的波长为660mm，故第一光电体积描记图像信号的第一红色通道信号最强；由于第二光源发出的光的波长为470mm，故第二光电体积描记图像信号的蓝色通道信号最强。
图3为测量血氧饱和度的方法的光源波长选取的示意图。如图3所示，摄像头在蓝色通道和红色通道对470nm和660nm波长的光分别都有较高的敏感度。
S402，计算该第一光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的方差，得到第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号，计算该第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的蓝色通道信号的方差，得到第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号。其中，第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号为ACRED1，第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号为ACBLUE。计算第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的第一红色通道信号的方差，得到交流信号ACRED1的值，计算第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的蓝色通道信号的方差，得到交流信号ACBLUE的值。
S403，计算所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的平均强度得到所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号，计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的蓝色通道信号的平均强度，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号。其中，第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号为DCRED1，第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号为DCBLUE。计算第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的红色通道信号的平均强度，得到直流信号DCRED1的值，计算第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的蓝色通道信号的平均强度，得到直流信号DCBLUE的值。
S500，根据两个交流信号和两个直流信号计算血氧饱和度。
具体的，根据第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，以及第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号计算血氧饱和度。
计算血氧饱和度的算法设计如下：
式(1)中A、B可通过实验定标确定。
本发明测量血氧饱和度的方法能利用两个传感器在波长分别为660mm和470mm的光源下进行测量，能减小余晖效应，变相提高信号的采样率，同时提高信号的敏感度和信噪比，从而提高测量的准确度。
在其他实施例中，第一光源也可以发出波长为660mm的光，而第二光源则发出波长为805mm的光，此时均需要选择红色通道信号。如图3所示，摄像头在红色通道对660nm和805nm波长的光分别都有较高的敏感度。在本实施例中，对光电体积描记图像信号进行处理，得到交流信号和直流信号的步骤具体包括：
S401’，将第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号。由于第一光源发出的光的波长为660mm，故第一光电体积描记图像信号的红色通道信号最强；由于第二光源发出的光的波长为805mm，故第二光电体积描记图像信号的红色通道信号最强。
S402’，计算该第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的该第一红色通道信号的方差，得到第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号，计算该第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的该第二红色通道信号的方差，得到该第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号。其中，第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号为ACRED1，第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号为ACRED2。
S403’，计算该第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的该红色通道信号的平均强度得到第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号，计算该第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的平均强度，得到该第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号。其中，第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号为DCRED1，第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号为DCRED2。
再根据交流信号和直流信号计算血氧饱和度。计算血氧饱和度的算法设计如下：
式(2)中A、B可通过实验定标确定。
本实施例的测量血氧饱和度的方法利用两个传感器在波长分别为660mm和805mm的光源下进行测量，同样能减小余晖效应，变相提高信号的采样率，同时提高信号的敏感度和信噪比，从而提高测量的准确度。
如图4所示，本发明还提供了一种测量血氧饱和度的装置，该装置包括：
第一光源10，用于照射第一感兴趣区域，得到第一光电体积描记图像。在本实施例中，该第一光源10为可发出波长为660mm的光的LED灯。
第二光源20，用于照射第二感兴趣区域，得到第二光电体积描记图像。在本实施例中，该第二光源20为可发出波长为470mm的光的LED灯。
第一传感器30，位于第一光源10的一侧，用于检测第一光电体积描记图像，得到第一光电体积描记图像信号。
第二传感器40，位于第二光源20的一侧，用于检测第二光电体积描记图像，得到第二光电体积描记图像信号。
在本实施例中，第一传感器30和第二传感器40均为摄像头。
处理器50，连接第一传感器30和第二传感器40，用于处理第一光电体积描记图像信号得到第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，处理第二光电体积描记图像信号得到第二光电体积描记图像信号的交流信号和直流信号。
该处理器50将第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号均分离为第一红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号，从而得到两组交流信号和直流信号。其中，第一光电体积描述图像信号的交流信号为该第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；该第一光电体积描述图像信号的直流信号为该第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度；该第二光电体积描述图像信号的交流信号为该第二光电体积描述图像信号分离的蓝色通道信号的方差；该第二光电体积描述图像信号的直流信号为该第二光电体积描述图像信号分离的蓝色通道信号的平均强度。
计算器60，连接处理器50，用于根据两个交流信号和两个直流信号计算血氧饱和度。具体的，根据第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，以及第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号计算血氧饱和度。该第一光源10发出波长为660mm的光，该第二光源20发出波长为470mm的光时，计算公式如式(1)所示。
该计算器60采用嵌入式开发板进行算法设计。在其他实施例中，处理器50和计算器60可集成在一个开发板上。
在其他实施例中，第二光源20还可以是能发出波长为805mm的光的LED灯。在本实施例中，处理器50将第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号均分离为红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号，从而得到的两组交流信号和直流信号中，第一光电体积描述图像信号的交流信号为该第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；第一光电体积描述图像信号的直流信号为该第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度；该第二光电体积描述图像信号的交流信号为该第二光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；该第二光电体积描述图像信号的直流信号为该第二光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度。
该装置为便携式移动设备，如手机、平板电脑等，其包括LCD触控显示屏70，用于进行测量操作及显示结果。
本发明测量血氧饱和度的装置能利用在手机等便携式移动设备上的两个摄像头及LED灯进行测量，具有较高的准确度，使被测者能在任意时间，任何环境下方便地检测并及时了解自己血氧状况。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种测量血氧饱和度的方法，包括：
选取第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；
利用第一光源照射第一感兴趣区域得到第一光电体积描记图像，利用第二光源照射第二感兴趣区域得到第二光电体积描记图像，所述第一光源发出波长为660mm的光，所述第二光源发出波长为470mm的光；
分别使用两个传感器检测所述第一光电体积描记图像和第二光电体积描记图像，得到对应的第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号，所述两个传感器均为摄像头；
对所述第一光电体积描记图像信号进行处理得到所述第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对所述第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号；
根据两个交流信号和两个直流信号计算血氧饱和度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一光电体积描记图像信号进行处理得到所述第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，对所述第二光电体积描记图像信号进行处理得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号包括：
将所述第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号；
计算所述第一光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的方差，得到所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的交流信号，计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的所述蓝色通道信号的方差，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的交流信号；
计算所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号分离的红色通道信号的平均强度得到所述第一光源照射下的第一光电体积描记图像信号的直流信号，计算所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号分离的蓝色通道信号的平均强度，得到所述第二光源照射下的第二光电体积描记图像信号的直流信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算血氧饱和度的计算式为：
式中，A、B可通过实验定标确定，ACRED1为所述第一光源照射下的所述第一光电体积描记图像信号的交流信号，ACBLUE为所述第二光源照射下的所述第二光电体积描记图像信号的交流信号，DCRED1为所述第一光源照射下的所述第一光电体积描记图像信号的直流信号，DCBLUE为所述第二光源照射下的所述第二光电体积描记图像信号的直流信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器采用反射式测量技术进行检测。
5.一种测量血氧饱和度的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一光源，用于照射第一感兴趣区域，得到第一光电体积描记图像；
第二光源，用于照射第二感兴趣区域，得到第二光电体积描记图像；
所述第一光源发出波长为660mm的光，所述第二光源发出波长为470mm的光；
第一传感器，用于检测所述第一光电体积描记图像，得到第一光电体积描记图像信号；
第二传感器，用于检测所述第二光电体积描记图像，得到第二光电体积描记图像信号；
所述第一传感器和所述第二传感器均为摄像头；
处理器，连接所述第一传感器和所述第二传感器，用于处理所述第一光电体积描记图像信号得到第一光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号，处理所述第二光电体积描记图像信号得到第二光电体积描述图像信号的交流信号和直流信号；
计算器，连接所述处理器，用于根据两个交流信号和两个直流信号计算血氧饱和度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置为便携式移动设备。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器将所述第一光电体积描记图像信号和第二光电体积描记图像信号分别分离成红色通道信号、蓝色通道信号和绿色通道信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一光电体积描述图像信号的交流信号为所述第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的方差；所述第一光电体积描述图像信号的直流信号为所述第一光电体积描述图像信号分离的红色通道信号的平均强度；所述第二光电体积描述图像信号的交流信号为所述第二光电体积描述图像信号分离的蓝色通道信号的方差；所述第二光电体积描述图像信号的直流信号为所述第二光电体积描述图像信号分离的蓝色通道信号的平均强度。
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