CN106456071A - 用于确定对象的血液中的物质的浓度的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定物质的浓度的设备、系统和方法，所述物质的浓度例如在对象的血液中的氧饱和度，所述设备、系统和方法降低或移除镜面反射和/或对象运动的影响。所提出的设备包括：输入单元(11)，其用于响应于由辐射信号对所述对象的皮肤区域的照射来接收从所述皮肤区域反射返回或透射通过所述皮肤区域的探测信号；信号提取单元(12)，其用于从所述探测信号提取在不同波长处的至少三个光电体积描记PPG信号；处理单元(13)，其用于将所述至少三个PPG信号进行归一化并且形成第一归一化的PPG信号与第二归一化的PPG信号之间的第一差异信号以及第三归一化的PPG信号与归一化的所述至少三个PPG信号的另一个之间的第二差异信号，并且用于形成所述第一差异信号与所述第二差异信号之间的比率；以及浓度检测单元(14)，其用于基于所述比率来计算所述对象的血液中的物质的所述浓度。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定物质的浓度的设备、系统和方法，所述物质的浓度例如诸如人或动物的对象的血液中的氧气(氧饱和度，SpO2)、胆红素、CO2等的浓度。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者动脉血氧饱和度(SpO2)充当人的当前状态的指标并且充当严重医学事件的有力的预测变量。出于该原因，在住院病人护理环境和门诊病人护理环境中、在家里或者在其他保健、休闲和健身设施中广泛监测生命体征。
测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常涉及对器官或身体部分的体积变化的测量，并且尤其涉及对由于随着每次心跳而行进通过对象的身体的心脏-脉管脉搏波造成的体积变化的探测。
光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣皮肤区域或体积的光反射或透射的时间变化改变的光学测量技术。PPG是基于血液比周边组织吸收更多光的原理，因此，随着每次心跳的血液体积的变化对应地影响透射或反射。除了关于心率的信息，PPG波形能够包括归因于诸如呼吸的另外的生理现象的信息。通过评估在不同波长(通常为红光和红外光)处的透射率和/或反射率，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)的常规脉搏血氧计(在本文中也被称为接触式PPG设备)被附接到对象的皮肤，例如被附接到指尖、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。市售脉搏血氧计在以红波长和红外波长的测量之间快速切换，并且由此以两种不同的波长来测量组织的相同区域或体积的透射率。这被称为时分多路复用。在每个波长处随时间的透射率给出了针对红波长和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被认为是基本无创的技术，接触式PPG测量常常被经历为是不舒适的和突兀的，因为脉搏血氧计被直接附接到对象并且任何线缆限制移动的自由并且可能妨碍工作流。
对脉搏信号和氧饱和度水平(SpO2)的快速且可靠的探测和分析是在许多健康护理应用中最为重要的活动之一，如果患者处于危急状况，其将变得至关重要。在那些情形中，心跳信号的脉动性非常微弱，并且因此，测量结果易于经受任意种类的伪影。
现代的光电体积描记传感器不总是在危急情形中提供快速且可靠的测量结果。例如，接触式手指脉搏血氧计(基于透射式PPG)易于受手的运动的影响，并且在患者的集中管理的情况下由于在身体肢端的较低的血液体积而失败。接触式前额脉搏血氧计传感器(使用反射式PPG测量模式)被假定对集中化效应更为鲁棒。然而，前额传感器的准确度、鲁棒性和响应性重度依赖于对前额上的传感器的正确的定位以及被应用到皮肤的恰当的压力(传感器的过紧的施加可能降低局部血液脉动性，过松的施加可能导致由于运动伪影和/或静脉脉动造成的不可靠的测量结果)。
最近，已经引入了非接触式的、远程PPG(rPPG)设备(也被称为相机rPPG设备)以用于不突兀的测量。远程PPG利用远离感兴趣对象设置的光源，或者通常为辐射源。类似地，例如相机或光探测器的探测器能够远离感兴趣对象设置。因此，远程光电体积描记系统和设备被认为是不突兀的，并且也适于医学以及非医学日常应用。该技术尤其针对要求对诸如具有极端脆弱皮肤或早产婴儿的NICU患者进行生命体征监测的、具有极端皮肤灵敏度的患者具有明显优点。
Verkruysse等人在Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445页的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”一文表明，能够使用环境光和常规消费级的视频相机，使用红、绿和蓝色通道来远程地测量光电体积描记信号。
Wieringa等人在Ann.Biomed.Eng.33，1034-1041(2005)上的“ContactlessMultiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging:A First Step Toward"SpO2Camera"Technology”一文公开了一种远程PPG系统，其用于基于在不同波长处对光电体积信号的测量结果来对组织中的动脉血氧饱和度进行无接触式成像。该系统包括单色CMOS相机以及具有三种不同波长的LED的光源。相机顺序地以三种不同的波长来采集对象的三种影像。脉搏率能够根据在单个波长处的影像来确定，而要求在不同波长处的至少两种影像来确定氧饱和度。一次仅使用一个波长在暗室中执行测量。
光从皮肤表面的镜面反射引起校准误差，导致对对象血液中的、诸如SpO2、CO2、胆红素等的各种物质的浓度的不正确的测量结果。当前的想法需要在测量装置中使用偏光器，其难以对齐并且证明是在实践中困难的装置。
此外，如常规地确定的，对象运动造成对诸如SpO2的这样的物质的不正确的测量结果。因此，最近提出的远程SpO2测量要求非常静止的对象，而接触式SpO2传感器通常使用加速度计来补偿运动伪影。
WO 01/15597 A1公开了一种用于表示在目标的感兴趣区域中的第一物质与第二物质之间的浓度比率的图像的成像装置，其中，不同的测量值利用不同的颜色和/或灰阶来表示。所述装置包括光源，所述光源能够利用光来辐照目标，所述光包括至少三种波长λ1、λ2和λ3，λ3是等吸收波长，在λ1波长处，第一物质比第二物质具有更低吸收度，并且在λ2波长处，第一物质比第二物质具有更高吸收度。所述装置还包括探测单元，所述探测单元包括像素探测器的矩阵，用于表示感兴趣区域的几乎即时的图像。
US 7738935 B1公开了用于在测量血氧饱和度时降低在脉搏血氧计中的运动诱发的噪声的方法和设备。接收具有第一波长的光的一部分、具有第二波长的光的一部分以及具有第三波长的光的一部分。基于所接收的具有第一波长的光的部分产生第一信号。类似地，基于所接收的具有第二波长的光的部分产生第二信号，并且基于所接收的具有第三波长的光的部分产生第三信号。确定在第二信号与第一信号之间的差异，其中，差异信号是第一体积描记信号。类似地，确定在第三信号与第一信号之间的差异，以产生第二体积描记信号。然后，使用第一体积描记信号和第二体积描记信号来估计血氧饱和度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定对象的血液中的物质的浓度的设备、系统和方法，其移除或至少降低镜面反射和/或运动伪影的影响。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的血液中的物质的浓度的设备，包括：
-输入单元，其用于响应于由辐射信号对所述对象的皮肤区域的照射而接收从所述皮肤区域反射返回或透射通过所述皮肤区域的探测信号，
-信号提取单元，其用于从所述探测信号提取不同波长处的至少三个光电体积描记PPG信号，
-处理单元，其用于将所述至少三个PPG信号进行归一化并且形成第一归一化的PPG信号与第二归一化的PPG信号之间的第一差异信号以及第三归一化的PPG信号与归一化的所述至少三个PPG信号的另一个之间的第二差异信号，并且用于形成所述第一差异信号与所述第二差异信号之间的比率，以及
-浓度检测单元，其用于基于所述比率来计算在所述对象的血液中的物质的所述浓度。
在本发明的另一方面中，提供一种对应的方法。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于确定对象的血液中的物质的浓度的系统，包括：
-辐射探测单元，其用于响应于由辐射信号对所述对象的皮肤区域的照射而接收从所述皮肤区域反射返回或透射通过所述皮肤区域的探测信号，以及
-如在本文中所公开的设备，其用于根据所述探测信号来确定所述对象的血液中的物质的浓度。
在本发明的另一方面中，提供了一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块以及非暂态计算机可读记录介质，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述程序代码模块用于令计算机执行本文公开的方法的步骤，所述非暂态计算机可读记录介质在其中存储有计算机程序产品，当所述计算机程序产品由处理器运行时，令本文公开的方法被执行。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的方法、处理器、计算机程序和介质与要求保护的设备和在从属权利要求中所限定的具有相似和/或相同的优选实施例。
本发明这样的想法：使用与已知设备和方法相比额外的波长通道，以确定像SpO2的物质的浓度，已知设备和方法使用两个波长通道。从这些至少三个波长通道，计算差异信号，根据所述差异信号计算比率的比率(ratio-of ratio)。这能够完全移除镜面反射的效果，并且导致如常规用于正确的校准的偏光器的使用不再是必要的。备选地或另外地，使用第三波长通道，能够根据所述比率的比率消除运动的影响。获得了大幅增强的运动鲁棒性，同时该技术能够被用于接触式和远程SpO2测量系统两者。
为了降低运动的影响，所述处理单元被配置为，在形成所述差异信号之前，尤其通过将PPG信号(个体地)除以其各自的时间均值(DC)来将所述PPG信号进行归一化。
在实施例中，所述信号提取单元被配置为，从所述探测信号提取红外光的两个波长处的两个PPG信号，第一PPG信号和第三PPG信号，并且从所述探测信号提取可见或红外光的一个波长处的PPG信号。
具体针对SpO2探测，所述信号提取单元优选被配置为提取在从780nm到850nm的范围中的第一波长处的第一PPG信号、在从550nm到780nm的范围中的第二波长处的第二PPG信号、以及在从840nm到1000nm的范围中的第三波长处的第三PPG信号。现实的范例是针对第一波长的810nm，在840nm与1000nm之间的波长作为第三波长，以及650nm(或者，如果其也应当是不可见的，在700nm与780nm之间)作为第二波长。针对其他物质，相同或其他波长可能是合适的，其中，优选至少一个波长在400nm与500nm之间，用于胆红素探测。
优选地，在红外光的两个波长处的两个PPG信号表示第一和第三信号，并且在可见和红外光的波长处的PPG信号表示第二PPG信号，其中，所述处理单元优选被配置为：通过从第一归一化的PPG信号减去第二归一化的PPG信号来形成第一差异信号，通过从第三归一化的PPG信号减去第一归一化的PPG信号来形成第二差异信号，并且通过将所述第一差异信号除以所述第二差异信号来形成所述比率(即，比率的比率)。通过这种方式，能够降低或者甚至完全移除镜面反射和/或运动的负面效应。
利用三个波长，优选在分数的分子中具有对所述物质(例如，SpO2)最高的灵敏度，即，取650nm(近可见波长)与最长波长(在840nm与1000nm之间)之间的差异。在分母中，优选具有对所述物质低的灵敏度以及永远不会变为零的差异。然而，应当注意到，相反的情况是同样适用的，即，在分数的分子中的低的灵敏度以及在分母中的高的灵敏度。在分数的分子和分母两者中的灵敏度也可以得到可接受的结果，尤其是在它们趋向相反的意义的情况下(在一个中增加，而在另一个中减小)。可能不工作的仅有的情况是在它们对物质具有相等的灵敏度时。
良好的选择(具有三个波长)是在800nm与840nm到1000nm之间的差异。针对分母的有些吸引力的选择是利用加和为零的系数构建所有三个波长的加权和，选择为使得不存在对物质的灵敏度。例如，如下等式可以被用于确定SpO2：(IR870-660)/(0.17*660+0.83*IR870-IR810)，其中，“IR”意指“红外”，并且“IR”之后的数字意指波长。优点在于，SpO2现在与比率线性地相关。一般而言，不需要线性相关，因为其一般能够校正非线性。
在具体实施中，所述浓度检测单元被配置为：通过将所述比率乘以第二校准参数并且从第一校准参数减去所述乘积的结果来计算血液中的物质的所述浓度。所述校准参数一般是常数，其优选是经验性地获得的。备选是使用查找表来将比率转换为物质的浓度。如果关系是非线性的，这是尤其推荐的。
如以上提到的，所述探测信号或者是接触对象的皮肤区域的接触式PPG传感器的传感器信号，或者是由成像单元(尤其是白平衡的成像单元)获得的对象的至少所述皮肤区域的图像。白平衡的成像单元，例如白平衡的相机的使用假定能够移除或降低镜面反射的影响。一般而言，仅在形成差异信号之前在PPG信号为被归一化的情况下要求白平衡，如在另一实施例中所提出的。
相应地，在所提出的系统中，所述辐射探测单元优选或者包括被配置为接触所述对象的皮肤区域以探测传感器信号作为探测信号的PPG传感器，或者包括成像单元、具体为白平衡的成像单元以获得所述对象的至少所述皮肤区域的图像作为探测信号。
优选地，所述处理单元被配置为形成在所述第一差异信号和所述第二差异信号的估计的AC幅度、尤其是标准偏差或者更为鲁棒的幅度估计之间的比率。如上文所解释的，并且如从根据本发明评估PPG信号的事实，评估随随时间的所获得的PPG信号的AC变化(其在皮肤中的血液的体积由于心脏的调低而改变是发生)，因为本发明旨在仅估计在动脉血(其是脉动和)中的氧。具体地，使用在两个差异信号中的估计的AC幅度的比率，例如差异信号的标准偏差(或者更为鲁棒的幅度估计，如峰值减谷值的中值，或者又一估计)的比率。
附图说明
通过参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得以阐述。在如下附图中：
图1示出了用于确定对象的血液中的物质的浓度的系统和设备的第一实施例的示意图，
图2示出了图示镜面反射的效果的曲线图，
图3示出了SpO2在波长上的各种值的PPG幅度的曲线图，
图4示出了根据本发明的设备的示意图，
图5示出了利用两个和三个波长的在静止对象中的在第一模拟中的SpO2测量的模拟结果，
图6示出了具有模拟的运动的变化量的利用两个和三个波长的第一模拟中的SpO2测量的模拟结果，
图7示出了利用不同系统的在静止对象中的在第二模拟中的SpO2测量的模拟结果，
图8示出了具有对象的运动的在第二模拟中的SpO2测量的模拟结果，并且
图9示出了用于确定对象的氧饱和度的系统和设备的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于确定对象2的血液中的物质的浓度的系统1和设备10的第一实施例的示意图。在下文中，本发明将通过确定对象血液中的氧饱和度(SpO2)来解释。然而，所有解释相互适用于确定对象血液中的诸如CO2、胆红素等的其他物质的浓度。但是其他物质可能要求使用不同的波长。在该范例中，对象2是例如在医院或其他健康护理设施中躺在床3上的患者，但也可以是例如躺在保育箱中的婴儿或早产儿，或者在家或者在不同环境中的人。除了设备10，系统1通常包括辐射探测单元，其用于接收响应于由辐射信号对所述对象2的皮肤区域4的照射而反射返回或透射通过所述皮肤区域4的探测信号。
在该范例中，所述辐射探测单元是成像单元20，尤其是相机(也被称为探测单元或者基于相机的或远程PPG传感器)，用于获得对象2的至少所述皮肤区域4的图像，作为探测信号。皮肤区域4优选是面部的区域，诸如面颊或前额，但也可以是身体的另一区域，诸如手或臂。在该范例中，辐射信号是环境光，例如，如由阳光和/或来自室内照明所提供的。在其他实施例中，提供了(一个或多个)专用光源，用于利用(一个或多个)特定波长和/或(仅)在测量的时间(例如，在夜间)照射对象2或对象2的至少皮肤区域4。
由相机捕获的图像帧可以具体对应于借助模拟或数字光传感器、例如具体为(数字)相机捕获的视频序列。这样的相机通常包括光传感器，诸如CMOS或CCD传感，其也可以在特定谱范围(可见、IR)中操作或者提供针对不同谱范围的信息。所述相机可以提供模拟或数字信号。图像帧包括具有相关联的像素值的多个图像像素。具体地，所述图像帧包括表示利用光传感器的不同光敏元件捕获的光强度值的像素。这些光敏元件可以在特定的谱范围(即，表示特定的颜色)中敏感。所述图像帧包括表示对象的皮肤部分的至少一些图像像素。因此，图像像素可以对应于光探测器的一个光敏元件以及其(模拟或数字)输出，或者可以基于多个光敏元件的组合来确定。
所获得的探测信号，即，在该实施例中，图像的序列，被提供至设备10，以供进一步处理，其将在下文更为详细地解释。
尽管这样的系统一般能够被用于通过使用已知的远程PPG技术来获得各种生命体征，其根据本发明被用于确定在对象2内的动脉血的氧饱和度(也被称为SpO2)。从对象的皮肤反射返回的光是通过脉动性的动脉来调制的，并且调制幅度包含血氧水平的信息。在已知的远程PPG系统中，SpO2是通过测量在两种不同的波长处的该PPG幅度(由动脉中的脉动血引起的)来计算的。在两个波长的PPG幅度(DC归一化的)之间的比率给出用于SpO2的计算的等式1：
其中，并且因此，ACRed也可以被表达为σ(R)并且表示对信号R的幅度的估计。在以上等式中的常量C1和C2被称为校准参数(或校准常量)。校准涉及人之间的校准以及个人内部的校准，导致由于多个因素能够引起不正确的SpO2测量结果和误差。这些起因中的一个已经被发现是对象运动，其导致除由于PPG的强度变化之外还有运动引起的强度变化。这些起因中的另一个已经被发现是镜面反射，镜面反射，如皮肤表面的光的反射，使得相机SpO2测量结果不同于基于接触式传感器的测量结果。
脉动仅在一定分数的光已经穿透到皮肤中并且被弥散反射时发生。到达相机20的镜面反射的光不包含由于动脉血脉动性而造成的任何光调制，并且因此引起总反射光的相对脉动性的下降。因此，取决于镜面反射的光在来自皮肤的总反射光中的分数，在SpO2中将存在误差。镜面反射取决于在相机、对象与照射源之间的角度，并且是附加属性，跨所有波长相等地添加相等但未知量的DC反射率，如在图2中描绘弥散和镜面反射的曲线K1以及仅描绘弥散反射的曲线K2所示的，其中，两者曲线都在光的波长之上。
镜面反射的效果能够利用如在如下表格中所示的简单计算来示出。
由于由相机看到的额外的镜面反射不包含任何调制的光，因此针对波长的AC分量保持恒定。这引起双倍比率的总体变化，导致轻微不同的SpO2，以及因此不同的校准常量。这种效应基于在针对两个波长的反射率之间的相对差异而得到放大。较高的反射率，即，分子(即，针对红光的波长)相对于分母(即，针对IR光的波长)的较高的值，导致较低的SpO2(并且因此，较高的C1去补偿)，并且反之亦然。
降低或移除该效应的一种解决方案是使用交叉偏振。偏振器被附接在照射源和相机处并且以使得所有的镜面反射的光被阻挡开的方式进行取向。即使这是一般性解决方案，一个关键的问题在于该解决方案的低的实用性。
为了开始，必须从场景中消除未偏振的环境光。此外，大的照射源，如当前正在被使用的，要求高质量的大的偏振片。此外，诸如大的照射源不允许偏振平面相对于相机-对象源几何结构正交，针对镜面反射的移除的必要条件。然后，这使得使用不同的照射源(其可能不是非常实际的)成为必要。
因此，本发明使用额外的波长，利用所述额外的波长，能够从SpO2的测量结果中移除镜面反射的效果。镜面反射在从两个波长构建的差分通道中消失，具体地，如果相机20已经被白平衡，即，光源在对应于所述波长的两个通道中给出相等的信号。此外，常规使用的“红”和“红外”通道被消除了镜面反射的影响的两个“差分”通带替代，同时SpO2灵敏度保留，假设这些差分通道中的至少一个展现随氧气水平而变化的脉动。
作为使用两个差分信号的结果，现在将三个波长用于该SpO2测量。使用额外的波长通道消除了对用于移除镜面反射的偏振滤波器的需求并且极大地简化了装置。经白平衡的相机装置确保了镜面反射在所有波长中强度相等。一旦已经满足该条件，在波长之间的差分信号移除镜面反射的任何效应(因为镜面反射现在跨白平衡的相机中的波长是相等的)。差分信号任何能够被用于使用如下等式来计算准确的SpO2：
然后，该计算免于如在图3中所示的镜面反射的校准错误效应。一般而言，校准常量与在使用两个波长的常规系统中所使用的校准常量不同。所述校准常量例如是经验性或通过模拟来确立的。
用于计算SpO2的以上方程也可以被表达为：
其中，R、IR、IR2表示在对应的波长范围中的PPG信号的平均像素强度，其中，PPG信号优选是从图像序列中的感兴趣区域获得的，并且σ(x)表示对x的AC分量的幅度的估计，其能够以不同的方式来计算(在实施例中，σ(x)表示时间变化的信号x的标准偏差)。
(一个或多个)相机优选被白平衡，以确保镜面反射在差分心率中被完全移除。这可以通过首先对相机装置进行白平衡来获得。由于波长可能不一定处在可见范围中，优选使用能够反射所有波长的校准表面。利用该设置和给定的照射，相机能够根据标准流程而被白平衡，并且是所有波长的DC水平相等。
只要照射具有恒定的谱响应，所述白平衡保持。在照射谱响应中的变化仍将是可忍受的，只要其跨所有波长是恒定的。然而，如果在任意时间照射的谱响应跨各波长不均匀地改变，优选为了完全消除镜面反射而应用重新校准。在没有这样的重新校准的情况下，仍将导致镜面反射的不完全补偿。
由于SpO2测量结果现在是差分(归一化的)PPG信号而非常规使用的但波长归一化的PPG信号的比率的量度，因而校准常量C1和C2改变。针对这些常量的计算将跟随白平衡校准，并且对于利用相机进行的常规的SpO2测量是相同的。
在完成所有校准的情况下，通过正确地估计差分信号，SpO2现在能够被正确地测量，而没有镜面反射的影响。
PPG诱发的脉动针对健康SpO2水平在归一化的红色通道中比在归一化的红外通道中小得多，但是所述水平能够针对非常低的SpO2值而变得接近彼此。然而，运动诱发的强度变化通常在这两个通道中具有相等强度，并且因此，导致实际SpO2估计的低估。
在常规接触式PPG传感器中，可能发生相似的问题，并且有时，加速度计被包括在设备中以补偿运动伪迹。明显地，在基于相机的PPG系统中，这样的解决方案是不可行的。
在上文中，已经示出，镜面反射在从两个非归一化的波长信号构建的差分通道中消失，假设使用针对整个光谱的单光源以及具有多波长灵敏度的单个相机。通过两个通道(每个通道得到在表示特定波长(区间)的两个归一化通道之间的差异)替换常规使用的“归一化的红”和“归一化的红外”通道消除了运动的影响，因为这在个体归一化的通道中是相同的。在这种情况下，SpO2灵敏度保留，假如这些差分通道中的至少一个展现随着氧气水平而变化的脉动性。差分信号任何能够被用于使用如下等式来计算准确的SpO2。
在此，指数“n”指示各自PPG信号的DC归一化。作为使用两个差分信号的结果，将三个波长用于该SpO2测量系统。校准常量与在常规系统和上文所描述的本发明的实施例中的那些不同，并且例如是经验性或者通过模拟来确立的。
用于计算SpO2的以上方程也可以被表达为：
其中，Rn＝R/DCR、IRn＝IR/DCIR，IR2n＝IR2/DCIR2表示针对对应波长范围的个体归一化的信号。
在优选的实施例中，在从780nm到850nm的范围中的第一波长处提取第一PPG信号(IR)，在从550nm到780nm的范围中的第二波长提取第二PPG信号(R)，并且在从850nm到1000nm的范围中的第三波长提取第三PPG信号(IR2)。针对SpO2有效的范例选择使用660nm、810nm和870nm。
在图4中描绘了用于确定对象2的氧饱和度的设备10的示意图。设备10包括输入单元11，输入单元11用于接收响应于由辐射信号对所述皮肤区域的照射而反射返回或透射通过所述对象的皮肤区域的探测信号。所述探测信号例如可以通过如在下文在所述系统的另一实施例中所解释的成像单元20或接触式传感器来获得。信号提取单元12从所述探测信号提取不同波长的至少三个光电体积描记PPG信号。处理单元13形成在第一PPG信号与第二PPG信号之间的第一差分信号以及在第三PPG信号与第一PPG信号之间的第二差分信号。此外，处理单元13形成在所述第一差分信号与所述第二差分信号之间的比率。基于所述比率，氧饱和度检测单元14计算对象的氧饱和度。
已经根据对象的视频序列执行模拟和实际测量结果。随着时间，在红色通道中的脉冲信号幅度增加，而在IR和IR2中的脉冲信号保持相同，模拟下降的SpO2。所有的信号还经受模拟的运动(在所有通道中相同)以及在所有通道中相似但独立的噪声。
基于该模拟模型，已经计算的比率的比率，即，针对无校准的SpO2估计、针对利用两个波长的SpO2测量以及所提出的利用三个波长的运动鲁棒的SpO2测量的基础。图5示出了模拟结构连同在存在噪声和运动的情况下获得的理想曲线，其中，图5A示出了当使用两个波长时的结果，并且图5B示出了当使用三个波长的结果。这些曲线是不同的，由不同角度的线反映，指示不同的校准。三波长系统不受运动的影响。在这两幅图中的直线给出了理想的比率的比率，即，没有噪声和运动。
在理想和包含噪声的曲线之间的偏差示出了能够在最终的SpO2计算中预期的误差的量。该偏差取决于所存在的运动的量，并且随着运动相对于脉动信号的幅度的增加而变得更差，如在图6中所示的。图6示出了利用两波长(图6A)和三波长(图6B)的SpO2测量随着模拟的运动的量的变化的模拟结果。每条曲线指示运动相对于添加的红色通道中的最大信号的幅度。
在第二组实验中，在利用三个波长的实际SpO2相机系统中测量的强度变化。由于现实的限制，红、红外和绿被用在该设施中，并且各通道与分立的相机配准。
这些实验中的第一实验是使用几乎完全静止的对象来完成的，利用旨在引入SpO2变化的实验。该实验还将帮助确定针对三个通道差异测量结果的C1、C2常量。在该实施例中，所述对象在经受正常氧气(～21％)水平(900秒+)之前经受低的氧(～15％)饱和的环境。如在图7中能够看到的，即使在这样的非常静止的情形中，常规的两通道测量方法受到显著影响。这是由于这样的事实，即，在较高的SpO2水平处，针对红通道的PPG幅度变得非常小，并且因此更易于受由于(轻微幅度的)运动造成的噪声的影响。曲线K3示出了利用三通道差分信号的SpO2测量结果，曲线K4示出了利用两通道测量的SpO2测量结果，并且曲线K5示出了联系参考在静止对象中的SpO2变化的SpO2测量结果。针对两通道测量即使利用静止对象也能够观察到显著的信号质量劣化。C1(＝61)和C2(＝300)常量是通过将SpO2相机轨线与参考匹配来获得的。
在第二相机实验中，在连续和周期性运动中的对象被用于评估算法的性能。为了确保公平的比较，所使用的校准常量(C1、C2)是从先前的实验获取的。整个记录被分成指示所添加的运动的量的多个段(随着时间增加从没有运动到非常高的运动)。图8示出了测量结果。具体地，曲线K6示出了利用三通道差分信号的SpO2测量结果，曲线K7示出了常规两通道测量结果，并且曲线K8示出了具有对象的运动的接触参考。即使利用静止的对象也能够观测到显著的信号质量劣化。C1(＝61)和C2(＝300)常量是通过将SpO2相机轨线与参考匹配来获得的。
如从结果中能够看到的，实验在本发明中所提出的差分测量技术获得的结果比常规方法提供了SpO2信号的更为稳定的版本。仍观察到的变化假定是由于针对被用在该技术中的不同波长的不同光学路径的次优的装置。这些实验证明，能够利用所提出的本发明显著地降低运动伪影。
图9示出了用于确定对象2的氧饱和度的系统1’和设备10’的第二实施例的示意图。在该实施例中，替代成像单元(图1中的20)，提供接触式PPG传感器21。这样的接触式PPG传感器21一般是已知的，并且包括光单元和光传感器。所述接触式PPG传感器21被安装到对象2的身体，例如，被安装到手臂、手指、鼻子、耳垂等，即，被配置为与对象的皮肤区域相接触，用于探测传感器信号，作为探测信号。
本发明的主要应用是对镜面反射和/或运动鲁棒的无接触SpO2的测量，用于在NICU和一般场合中的患者监测应用。本发明同样适用于接触式生命体征传感器和远程(基于相机的)PPG系统，并且也能够被用于确定对象的血液中的其他物质(诸如CO2或胆红素)的浓度。
尽管在附图和上述说明中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被理解为是说明性的或示范性的，而非限制性的，本发明并不限于所描述的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，在实践所主张的发明时能够理解并实现所公开的实施例的各种变型。
在权利要求书中，“包括”一词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完成在权利要求中所引用的若干项的功能。尽管在相互不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够组合这些措施以获益。
计算机程序可以被存储/分布在合适的非暂态介质上，诸如光学存储介质或固态介质，其与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的部分来提供，但也能够以其他形式进行分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电通信系统。
在权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种用于确定对象的血液中的物质的浓度的设备，包括：
-输入单元(11)，其用于响应于由辐射信号对所述对象的皮肤区域的照射而接收从所述皮肤区域反射返回或者透射通过所述皮肤区域的探测信号，
-信号提取单元(12)，其用于从所述探测信号提取在不同波长处的至少三个光电体积描记PPG信号，
-处理单元(13)，其用于将所述至少三个PPG信号进行归一化并且形成第一归一化的PPG信号与第二归一化的PPG信号之间的第一差异信号以及第三归一化的PPG信号与归一化的所述至少三个PPG信号中的另一个之间的第二差异信号，并且用于形成所述第一差异信号与所述第二差异信号之间的比率，以及
-浓度检测单元(14)，其用于基于所述比率来计算所述对象的血液中的物质的所述浓度。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号提取单元(12)被配置为从所述探测信号提取在红外光的两个波长处的两个PPG信号，第一PPG信号和第三PPG信号，并且从所述探测信号提取在可见光或红外光的一个波长处的PPG信号。
3.根据权利要求2所述的设备，
其中，在红外光的两个波长处的所述两个PPG信号表示所述第一PPG信号和第三PPG信号，并且在可见或红外光的波长处的所述PPG信号表示所述第二PPG信号。
4.根据权利要求3所述设备，
其中，所述处理单元(13)被配置为：通过从所述第一归一化的PPG信号减去所述第二归一化的PPG信号来形成所述第一差异信号，通过从所述第三归一化PPG信号减去所述第一归一化的PPG信号来形成所述第二差异信号，并且通过将所述第一差异信号除以所述第二差异信号来形成所述比率。
5.根据权利要求4所述的设备，
其中，所述浓度检测单元(14)被配置为：通过将所述比率与第二校准参数相乘并且从第一校准参数减去所述相乘的结果来计算所述物质的所述浓度，或者通过使用查找表来确定所述物质的所述浓度。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述信号提取单元(12)被配置为提取在从780nm到850nm的范围中的第一波长处的第一PPG信号、在从550nm到780nm的范围中的第二波长处的第二PPG信号、以及在从840nm到1000nm的范围中的第三波长处的第三PPG信号。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述探测信号是接触所述对象的所述皮肤区域的接触式PPG传感器(20)的传感器信号。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述探测信号是由成像单元(21)，获得的所述对象的至少所述皮肤区域的图像，所述成像单元尤其是白平衡的成像单元(21)。
9.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述处理单元(13)被配置为形成所述第一差异信号与所述第二差异信号的估计的AC幅度之间的比率，尤其是标准偏差之间的比率。
10.一种用于确定对象的血液中的物质的浓度的系统，包括：
-辐射探测单元(20、21)，其用于响应于由辐射信号对所述对象的皮肤区域的照射而探测从所述皮肤区域反射返回或透射通过所述皮肤区域的探测信号，以及
-根据权利要求1所述的设备(10)，其用于根据所述探测信号来确定所述对象的血液中的物质的所述浓度。
11.根据权利要求10所述的系统，
其中，所述辐射探测单元包括接触式PPG传感器(21)，所述接触式PPG传感器被配置为接触所述对象的所述皮肤区域以探测传感器信号作为探测信号。
12.根据权利要求10所述的系统，
其中，所述辐射探测单元包括成像单元(20)，所述成像单元用于获得所述对象的至少所述皮肤区域的图像作为探测信号。
13.根据权利要求10所述的系统，
其中，所述辐射探测单元包括白平衡的成像单元(20)，所述白平衡的成像单元用于获得所述对象的至少所述皮肤区域的图像作为探测信号。
14.一种用于确定对象的血液中的物质的浓度的方法，包括：
-响应于由辐射信号对所述对象的皮肤区域的照射而接收从所述皮肤区域反射返回或透射通过所述皮肤区域的探测信号，
-从所述探测信号提取在不同波长处的至少三个光电体积描记PPG信号，
-将所述至少三个PPG信号进行归一化，
-形成第一归一化的PPG信号与第二归一化的PPG信号之间的第一差异信号以及第三归一化的PPG信号与归一化的所述至少三个PPG信号中的另一个之间的第二差异信号，
-形成所述第一差异信号与所述第二差异信号之间的比率，并且
-基于所述比率来计算所述对象的血液中的物质的所述浓度。
15.一种包括程序代码单元的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述程序代码单元用于令所述处理器执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
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