CN109561843A - 用于监测对象的外围动脉灌注的设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于监测对象的外围动脉灌注的设备、系统和方法。为了能够区分由中心化或低心输出量引起的低搏动，所提出的设备包括：输入部(30)，其用于接收对象的组织区域的第一探测数据并且用于接收对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第一探测数据是通过探测从所述对象的组织反射和/或透射通过所述对象的组织的辐射而随时间采集的，所述第二探测数据是通过响应于朝向所述皮肤区域发射的相干光来探测从所述组织区域接收的辐射而随时间采集的，PPG单元(32)，其用于从所述第一探测数据导出光电体积描记PPG信号；流动单元(34)，其用于从所述第二探测数据导出流动信号，所述流动信号指示所述皮肤区域内散射光的颗粒的流动；以及评估单元(36)，其用于评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于所述外围动脉灌注的信息，其中，所述评估单元适于基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定低血管顺应性的状态和/或低心输出量的状态。
Description
技术领域
本发明涉及用于监测对象的外围动脉灌注的处理设备、系统和方法。
背景技术
外围灌注是一种针对重症患者需要测量的常见的血液动力学方面。光电体积描记描记术(PPG)是一种可以用于监测灌注的已知技术。PPG是评估感兴趣区域或感兴趣体积的光反射率或者透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液(比周围组织)吸收更多光，因此血容量中的随着每个心跳的变化对应地影响透射或者反射。除了关于心率的信息之外，PPG波形能够包括可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(通常是红色或者红外的)处的透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度。
已经证明使用摄像机或远程PPG进行不突兀的生命体征监测，并且己经展示和发现其对患者监测是有重大作用的。例如，在Wim Verkruysse，Lars O.Svaasand和J.StuartNelson的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”Optics Express，第16卷，第26号(2008年12月)中描述了远程PPG成像。它基于这样的原理：皮肤中血容量的时间变化导致由皮肤进行的光吸收的变化。这样的变化可以通过拍摄皮肤区域(例如脸部)的图像的摄像机进行记录，同时处理计算所选区域(在该系统中通常为脸颊的一部分)上的像素平均值。通过查看该平均信号的周期性变化，可以提取心搏率和呼吸率。同时还有许多其他出版物和专利申请描述了使用远程PPG来采集患者生命体征的设备、系统和方法的细节。
因此，动脉血的脉动引起光吸收的变化。用光电探测器(或光电探测器阵列)观察到的这些变化形成PPG(光电体积描记)信号(也称为pleth波)。血液的脉动是由搏动的心脏引起的，即PPG信号中的峰值对应于心脏的个体搏动。因此，PPG信号本身就是心搏信号。该信号的归一化幅度对于不同波长是不同的，并且对于某些波长，其也是血液氧合度的函数。
US 2015/0105638A1和US 2011/0082355A1公开了一种用于测量哺乳动物对象的一种或多种光吸收相关的血液分析物浓度参数的系统和方法。所述系统包括：a)光电体积描记(PPG)设备，其被配置为通过利用至少两种不同波长的光照射对象的皮肤并确定每种波长的相对吸收率来实现PPG测量；b)动态光散射测量(DLS)设备，其被配置为实现对象的DLS测量以流变地测量对象的脉搏参数；以及c)电子电路，其被配置为：i)在时间上将PPG和DLS测量的结果进行关联；ii)根据PPG和DLS测量之间的时间相关性，评估一个或多个光吸收相关的血液分析物浓度参数的(一个或多个)值。
Farley等人的："Optical determination of cardiovascular health at adistance",proceedings of the International Society for Optical Engineering(SPIE),vol.7703,77030R,2010，涉及使用激光散斑探测器来远距离地光学确定心血管健康。传统的PPG设备被用作可信参考，以计量使用激光散斑来探测器采集的信号。
Lindberg等人的："Photoplethysmography,Part 1:Comparison with laserDoppler flowmetry",Medical and Biological Engineering and Computing，第29卷，第1期，第40-47页，1991，涉及光电体积描记描记(PPG)和激光多普勒血流计(LDF)的比较。
WO 2013/030744A1公开了一种可穿戴脉搏血氧计设备，其被安装在腕带上并且利用圆顶形结构固定在尺骨远端上方的区域。该区域被用作测量区域。通过位于固定区域上方的探测器执行测量，所述探测器探测由具有不同波长的光源发射的光，所述光源被定位于固定区域的周边。因此，反射既不在反射模式也不在透射模式下测量，而是在与发射光成20°和160°之间的角度。这种称为透照的模式将允许实现出色的信噪比，并将使得能够连续可靠地测量手腕上的血氧测定数据。进一步描述了相干光散射(CLS)可用于处理运动伪迹。
如果PPG信号较低，则可能出现两种情况：
i)患者中心化或患有血管僵硬。血管相对僵硬(高的小动脉和小静脉张力导致高血管阻力)并且心动周期中对血容量变化的响应也很低。这与血管壁不能响应心跳引起的脉动压力/流量变化有关。因此，血管顺应性，即在血压脉冲到达时扩张的能力，是低的。
ii)存在低的心输出量。在这种情况下，PPG信号的微弱是由心跳中较低的血容量引起的。
因此，针对外围灌注的PPG监测不能区分由低血管顺应性(由于集中化和/或血管硬度)或由低心输出量引起的低搏动性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于监测对象的外围动脉灌注的处理设备、系统和方法，其能够区分由低的血管顺应性或低的心输出量引起的低搏动性。特别地，提供这样一种处理设备，提供用于在监测对象的外围动脉灌注中使用的处理设备、系统和方法将是有利的，所述设备、系统和方法支持在良好补偿和不良补偿的血容量减少之间进行区分。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于在监测对象的外围动脉灌注中使用的处理设备，所述处理设备包括：
-输入部，其用于接收对象的组织区域的第一探测数据并且用于接收对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第一探测数据是通过探测从对象的组织反射和/或透射通过对象的组织的辐射而随时间采集的，所述第二探测数据是通过响应于朝向所述皮肤区域发射的相干光而探测从所述皮肤区域接收的辐射而随时间采集的，
-PPG单元，其用于从所述第一探测数据导出光电体积描记PPG信号，
-流动单元，其用于从所述第二探测数据导出流动信号，所述流动信号指示所述皮肤区域内散射光的颗粒的流动，以及
-评估单元，其用于评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于所述外围动脉灌注的信息，其中，所述评估单元适于基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定低血管顺应性的状态(例如，中心化血管状况)和/或低心输出量的状态。
额外地或者替代地，所述评估单元可以被配置用于评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于所述外围动脉灌注的信息，其中，所述评估单元适于基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定中心化血管状况或低心输出量的状态。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于监测对象的外围动脉灌注的系统，所述系统包括：
-探测器，其用于采集对象的皮肤区域的第一探测数据并且用于采集对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第一探测数据是通过探测从对象的组织反射和/或透射通过对象的组织的辐射而随时间采集的，所述第二探测数据包括随时间采集的所述皮肤区域的图像的序列，
-如本文中所公开的处理设备，其用于基于所采集的第一探测数据和第二探测数据来监测外围动脉灌注。
在本发明的又一个方面中，提供了一种对应的方法，一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于，当所述计算机程序在计算机上执行时，令所述计算机执行本文中所公开的方法的步骤，并且提供了一种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，所述计算机程序产品当由计算机处理器运行时，使得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，请求保护的方法、处理器、计算机程序和介质与请求保护的并且如特别是在从属权利要求中定义并且在本文中公开的系统具有相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于减轻上述关于低脉搏的不明确性的想法。已经发现，从指示皮肤区域(其优选地与组织区域相同)内的散射光的颗粒的流动信号(例如，散斑信号或激光多普勒信号)，特别是基于干涉测量技术，例如作为除了PPG信号之外获得的激光散斑成像或激光多普勒，可以获得关于外围动脉灌注的信息。特别地，当流动信号指示高流速并且PPG信号测量到相对低的血容量变化时，则血管顺应性是低的。换句话说，血管不能对血流量的增加充分响应。可以得出类似的结论，正常或高血管顺应性应该通过增加血容量(通过PPG信号测量)来防止血流速度(可通过散斑信号或激光多普勒信号测量)变高。
通常，分别获得(即，从探测器或数据库接收或检索)第一探测数据和第二探测数据。例如，可以使用探测器(例如PPG传感器)来采集第一探测数据，并且可以使用成像单元(例如，相机)来采集第二探测数据。然而，在一个实施例中，第二探测数据用作第一探测数据，即第一探测数据与第二探测数据相同，并且探测器是用于采集表示第二探测数据的图像数据的成像单元。
如本文中所使用的，灌注是指流过给定组织区域的血液流量，即每组织体积每时间的血容量的单位。因此，即使在没有脉动血容量或脉动血流的情况下，灌注也可以很高，即，甚至对于完全非脉动的血流也是高的。反之亦然，在低灌注情况下可以发现强PPG信号，例如，如果存在流动阻塞但是脉动输入高。因此，如本文所用的，(脉动的)PPG信号源自脉动的血容量，即，是指示组织区域内的光吸收的吸收主导的信号。另一方面，(脉动)流动信号源自组织区域内的颗粒(脉动)移动。例如，由于移动的颗粒散斑图案可能受到干，或者可能发生频移。可以使用激光多普勒或激光散斑成像(LSI)的原理来确定流动信号。因此，PPG信号和流动信号可以分别被描述为基于颜色的血液吸收探测和血液运动的无颜色探测。
如本文中所用的PPG信号可被视为指示在给定波长下组织区域内的光吸收的常规PPG信号。
如本文中使用的流动信号可以通过诸如激光散斑成像(LSI)或激光多普勒的技术获得。从运动物体或颗粒散射的相干(激光)光产生强度波动，其可以用于测量散射体的速度。以下文章给出了激光多普勒和散斑的概述，Briers在美国光学学会期刊，第13卷，第1期(1996年)上的“Laser Doppler and time-varying speckle:a reconciliation”以及Briers的专题评论文章，“Laser Doppler,speckle and related techniques for bloodperfusion mapping and imaging”,physiol.Meas.22,R35-R66,2001。流动信号可以指示从对象的皮肤区域接收的光被移动的诸如血细胞的颗粒扰动的程度。简而言之，激光多普勒测速仪使用多普勒效应产生的频移来测量速度。它可以用于监测体内的血液流量。激光散斑是指随机干涉效应，其给出针对激光照射的物体的颗粒状外观。如果对象包括个体移动的散射体(例如，血细胞)，则散斑图案会波动。
低的血管顺应性可以细分或归因于两种不同的情况：(i)血管僵硬以及(ii)中心化(centralized)状况。血管僵硬可以指血管壁的硬度/弹性，其可以例如随着年龄和心血管疾病而改变。中心化状态可以指患者的代偿性心血管状态，其中身体增加周围组织(手臂和腿)中动脉的血管张力(减小直径)，以减少流向这些组织的血液，引导更多血液流向中心器官。血管硬度随时间变化非常缓慢，通常为数年，而中心化可在数秒/分钟内发生。增加的僵硬度和血管张力都会导致血管顺应性降低(血压脉搏到达时扩张的能力)。通过PPG信号和流动信号的组合评估，本文提出的解决方案使得能够探测研究的组织中动脉的血管顺应性。血管顺应性的变化的解读，无论是由于血管僵硬度或血管张力的变化，在很大程度上取决于变化发生的时间尺度。如本文中所使用的术语血管顺应性因此可以涵盖(年龄相关的)血管僵硬和中心化。
在进一步的改进中，评估单元适于基于PPG信号和流动信号的组合评估来确定良好补偿和不良补偿的血容量不足的状态。
例如，低心输出量的病症可导致中心化，其导致外围组织中的血管收缩。血管收缩会降低血管的直径和顺应性。虽然它们通过此变得更硬，但这是由动脉周围的平滑肌而不是动脉壁(即，不是由于动脉硬化引起的与年龄有关的僵硬)引起的，使得血管顺应性降低。当患者变得血容量过低(即他失去血容量)时，PPG信号首先预期会减少，而流量将保持不变，因为即使流量较低，身体也会中心化以将流量重定向到心脏以维持心输出量。作为第二阶段，当身体不能进一步补偿/中心化时，心输出量和流动信号也可能下降。因此，组合评估能够区分良好补偿和不良补偿的血容量不足。有利地，评估单元可以被配置为随时间评估所述PPG信号和所述流动信号，以基于PPG信号和流动信号的瞬态行为来区分良好补偿和不良补偿的血容量不足，特别是通过评估血管顺应性(PPG vs.LSI)和流动(LSI)中的变化。
根据一个实施例，所述评估单元被配置为评估由所述流动信号表示的散斑图案(在这种情况下表示散斑信号)。当漫射介质被照射时，干涉创建散斑图案。如果介质中存在运动，则这会在散斑图案中引起运动模糊，这可以用于提取关于运动的信息。根据该实施例对此进行评估。
因此，评估单元优选地被配置为通过探测散斑对比度变化来评估运动模糊。
根据另一实施例，所述评估单元被配置为评估PPG信号的AC分量与DC分量的PPG比率以及流动信号的AC分量与DC分量的散斑比率。PPG信号包括由每次心跳的血容量变化引起的脉动波形(AC分量)，所述脉动波形叠加在呼吸和运动引起的较低频率下缓慢变化的DC分量上。与PPG信号类似，流动信号可以分解成反映血流速度的调制的AC分量，以及反映血流的DC分量。组合这两个信号使得能够区分不良的外围灌注和低心输出量。
评估单元有利地被配置为在散斑比率超过第一散斑阈值并且在PPG比率低于第一PPG阈值的情况下确定对象的良好补偿的血容量不足的状态，并且在散斑比率低于第二散斑阈值并且PPG比率低于所述第一PPG阈值的情况下确定对象的不良补偿的血容量不足的状态。
在另一个实施例中，评估单元被配置为在散斑比率超过第二散斑阈值并且PPG比率超过第二PPG阈值的情况下确定非顺应性血管的状态(和高外围灌注)，并且在散斑比率低于第二散斑阈值并且PPG比率超过所述第二PPG阈值的情况下确定顺应性血管的状态。如上所述，血管顺应性指示在血压脉冲的到达时的扩张的能力。(太)高的流动结合PPG比率超过第二PPG阈值可以指血管不能充分适应血压脉冲的到达，并且因此可以指示非顺应性(或不充分顺应)的血管。相应的阈值可以例如是预先确定的并且从较早的测量获得，例如作为对多个对象的测量的平均值或者来自对于相同对象的先前测量。阈值也可以是自适应的，并且可以例如基于对相同对象的测量而不时地调整，例如作为一种学习系统。
选地，评估单元可以被配置为评估灌注测量，更准确地说，是指示散斑比对PPG比率的比率的顺应性量度P，其由下式给出：其中，散斑比率是流动信号的AC分量与DC分量的比率；并且其中，PPG比率是PPG信号的AC分量与DC分量的比率。P的增加可以指示血管顺应性增加。伴随DC流动减少的P减少可以指示心输出量减少。
输入部被配置为获得响应于通过预定辐射(特别是可见光或红外光)对组织区域的人工照射而采集的第一探测数据。为此目的，所述系统可以包括照明单元，所述照明单元用于通过预定的辐射(特别是可见光或红外光)对组织区域进行人工照射。例如，一个或多个LED可以用作照明单元，像例如通常在PPG成像中所使用的。为了获得从其导出流动信号的第二探测数据，可以替代地或另外地使用用于发射激光束的激光设备以用于照射皮肤区域。
优选地，在一个实施例中，单个照明单元被用于照射皮肤区域，其因此对应于导出PPG数据的组织区域(其通常是优选但非强制性的)，并且仅采集一组第二探测数据，从其导出流动信号和PPG信号。
在一个实施例中，流动单元可以被配置为基于激光多普勒和/或激光散斑技术来导出流动信号。根据多普勒原理，击中诸如血细胞的移动颗粒的光经历波长/频率的变化(也称为多普勒频移)，而遇到静态结构的光粒子不变地返回。一些光可以通过诸如光电二极管的探测器记录。可以基于探测数据来计算流动信号，因为多普勒频移的光的幅度和频率分布与血细胞的数量和速度直接相关。因此，输出信号可以提供关于第一波长和第二波长的微循环血流的信息。关于进一步的细节，关于激光多普勒和激光散斑技术的基本原理，参考Briers的上述出版物。
附图说明
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变得显而易见并得以阐述。在附图中：
图1示出了根据本发明的系统的第一实施例的示意图，
图2示出了根据本发明的设备的第一实施例的示意图，
图3示出了根据本发明的系统的第二实施例的示意图，
图4示出了图示PPG信号的AC和DC分量的图，
图5A示出了图示具有低调制的PPG信号和具有低调制的散斑信号的图，
图5B示出了图示具有低调制的PPG信号和具有高调制的散斑信号的图，并且
图6示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于监测对象14的外围动脉灌注的系统10和处理设备12的第一实施例的示意图。在下文中，处理设备12可以简称为设备12。对象14，在本范例中为患者，躲在床16上，例如在医院或其他医学机构中，但是也可以是新生儿或早产儿，如躺在保育箱中，或者是在家里或在不同环境的人。
除了设备12之外，系统10包括探测器18、19，用于采集对象14的组织区域13(例如，前额、脸颊、手等)的第一探测数据并且用于采集对象14的皮肤区域15的第二探测数据(例如，前额、脸颊、手等，即与组织区域相同的区域)，所述第一探测数据是通过随时间探测从对象14的组织反射和/或透过对象14的组织的辐射而采集的，所述第二探测数据包括随时间采集的所述皮肤区域的图像的序列。基于所采集的第一探测数据和第二探测数据，设备12确定对象14的外围动脉灌注。
存在针对探测器(也称为信号采集单元)的不同实施例，所述探测器用于探测透射通过对象或从对象反射的电磁辐射并用于采集第二探测数据。在图1所示的系统10的实施例中，一起使用不同的实施例。
为了从皮肤区域15采集对象14的第二探测数据，探测器包括相机18(也称为成像单元)，相机18包括合适的光电传感器，用于(远程地且不突兀地)捕获对象14的图像帧，特别是用于随时间采集对象14的图像帧的序列。由相机18拍摄的图像帧可以特别地对应于由模拟或数字光电传感器，例如，在(数字)相机中的，捕获的视频序列。这样的相机18通常包括光传感器，如CMOS或CCD传感器，其还可以在特定光谱范围(可见光，IR)内操作或提供针对不同的光谱范围的信息。相机18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。特别地，所述图像帧包括表示利用光传感器的不同的光敏元件所捕获的光强度值的像素。这些光敏元件可以是在特定光谱范围内敏感的(即，表示特定的颜色)。图像帧包括至少两组一些图像像素，每幅图像像素代表对象的不同皮肤区域，例如前额、脸颊、喉咙、手等。因此，图像像素可以对应于光电探测器的光敏元件和其(模拟或数字)输出或者可以基于多个光敏元件的组合(例如，通过分箱)来确定。
为了采集对象14的组织区域13的第一探测数据，探测器包括光学光电体积描记传感器19(也称为接触PPG传感器)，其被配置为安装到对象14的组织区域13，以用于从组织区域13采集光电体积描记信号。PPG传感器19可以例如以手指夹(如常规用于测量血氧饱和度)或贴纸(例如用于测量心率)的形式设计，仅举所有可能的实施例中的几个。PPG传感器19还可以以其他形式设计并且被布置在对象身体的其他皮肤区域。
系统10还可以任选地包括光源22(也称为照明源)，例如灯或激光器，用于用光照射组织区域13，例如在一个或多个预定波长范围内(例如，红色，绿色和/或一个或多个红外波长范围)。光源22特别包括用于发射相干光的相干光源，特别是在预定波长或波长范围内。响应于所述照射，从所述组织区域13反射光被相机探测。在另一个实施例中，不提供专用光源，而是使用环境光用于照射对象14。从反射光中，可以仅探测和/或评估期望波长范围内的光(例如，绿光、红光和/或红外光，或覆盖至少两个波长信道的足够大的波长范围内的光)。
设备12还优选地连接到接口20，用于显示所确定的信息和/或用于这医务人员提供接口来改变设备12、相机18、PPG传感器10、光源22的设置和/或系统10的任何其他参数。这样的接口20可以包括不同的显示器，按钮，触摸屏，键盘或其他人机接口单元。
如图1所示的系统10可以，例如，定位于医院，医学设施，老年人护理设施等。除了患者的监测，本发明还可以应用于其他领域，如新生儿监控，一般监控应用，安防监控或所谓的休闲环境中，如健身器材、可穿戴、手持设备如智能手机等等。设备12、相机18、PPG传感器19和接口20之间的单向或双向通信可以经由无线或有线通信接口工作。本发明的其它实施例可以包括一个设备12，其不被提供为分立的，但被集成到相机18或接口20中。
图2示出了根据本发明的设备12a的第一实施例的示意图，所述设备可以用作图1所示的系统10中的设备12。设备12a包括输入部(或输入接口)30，其用于获得(即检索或接收)对象的组织区域的第一探测数据，并且用于获得对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第一探测数据是通过探测从对象的组织反射和/或透射通过对象的组织的辐射而随时间采集的，所述第二探测数据包括随时间采集的所述皮肤区域的图像的序列。
设备12a还包括用于从所述第一探测数据导出PPG信号的PPG单元32和用于从所述第二探测数据导出流动信号的流动单元34，所述流动信号指示皮肤区域内的散射光的颗粒的流动。流信号可以例如是表示散斑的散斑信号或表示多普勒频移的多普勒信号。评估单元36评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于对象14的外围动脉灌注的信息。有利地，评估单元36适于基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定(或区分)低血管顺应性状态和/或低心输出量状态。换句话说，评估单元可以适于基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来将对象的状态分类为低血管顺应性状态和/或低心输出量状态。PPG单元14、流动单元34和评估单元36可以例如通过一个或多个编程的处理器或计算机硬件和/或软件来实现。
图3示出了根据本发明的系统10a的第二实施例的示意图。与图1所示的系统10的第一实施例不同，系统10a仅包括单个探测器18，即相机(或成像单元)。因此，由相机18采集的第二探测数据也用作使用上述远程PPG技术导出PPG信号的第一探测数据。因此不需要额外的PPG传感器(图1中的19)，因此组织区域对应于皮肤区域。
在下文中，将解释本发明和其他实施例的更多细节。
针对外围灌注的PPG监测不能区分由低血管顺应性(中心化和/或血管硬度)引起的低搏动性或由低心输出量引起的低搏动性。考虑血管，心跳引起脉动压力/流量变化。对于以下分析，考虑正弦压力变化用于说明：
Δp＝Δp0cosωt (1)
其中，Δp0是压力常数并且ω是心跳的频率。
作为对这种外部刺激的反应，血管壁将扩张或收缩以允许更多或更少的血容量循环通过。
可以从PPG信号测量血液脉动。PPG是一种测量其由血压变化引起的组织微血管床中血容量变化的技术。它是一种光学技术，可以测量随时间的光吸收。PPG信号包括由每次心跳的血容量变化引起的脉动的(AC)波形，所述脉动波形叠加在呼吸和运动引起的较低频率下缓慢变化的(DC)分量上。如图1和图3中所示，所述技术既可以使用接触源/探测器几何结构(cPPG)进行接触，也可以使用相机(rPPG)进行远程应用。
流体的流速q根据定义是在给定时间段内通过相同位置的流体的体积，并且可以表示为：
q＝vA (2)
其中，A是管状形状的横截面积，并且v是该区域上的流体的平均速度，两者都是在测量流速的位置处获得的。根据流体动力学，当给定流动通过管状形状时，可以在外部压力Δp、流体流量q、流体体积∫qdt、和流量变化以及管状形状的内在机械性能之间建立以下关系：
∫qdt＝CΔp (3)
其中，L是电感，R是血管阻力，C是与管壁的弹性有关的血管顺应性。
因此，由脉动引起的通量变化可以表示为微分方程的解：
其中，外力是根据公式(1)的在心动周期期间血压的变化。
PPG信号与组织中的血容量相关。因此，如果这是低的，则根据顺应关系(等式3)可以得出结论，当PPG信号的脉动分量低时，对应于小深度PPG信号调制AC/DC，这可以用两种方式解读：
i)C是低的：顺应性是低的，例如，血管僵硬度；
ii)Δp是低的：低心输出量，血液通量量稳定；这意味着Rq是低的，因此要么血流量q要么血流速度v是低的。
因此，在这种情况下，PPG方法在区分不良外围灌注(例如由于血管僵硬或中心化导致的低顺应性)和低心输出量方面存在不明确性。
所提出的设备、系统和方法减轻了这种不明确性。低外围灌注与低心输出量或低血管顺应性C相关联。如果心输出量低，则根据血流量与血压变化之间的血管阻力关系ΔpΔ＝Rq，并且继而血流量q低。换句话说，如果观察到高的血管流量q为PPG信号低，那么这不可能由低心输出量引起。相反，血管壁不能通过改变体积(因此血管顺应性低)而是改变血液速度来响应血压。
在下文中，来自流体动力学的方程将用于建立测量信号、血容量与血流之间的关系。结合针对层流的血管阻力R表达式(Hagen-Poiseuille方程)：
其中，流量依赖于阻力(公式4)和顺应性(公式3)，其中，R是血流阻力，L是血管的长度，η是血液的粘度，r是血管的半径，q中的血液流量，并且C是血管顺应性，可以导出以下关系：
其中，A＝πr2并且使用公式(2)。
因此，当血管顺应性非常低时，即C→0，则：
或者，等效地：
其与PPG信号调制深度(PPG信号的AC/DC分量)相关，如图4中所示。
然而，测量到低的根据顺应关系，也可能意味着低Δp。使用关系(4)，可以进一步得出低的Δp等价于低的：
显然，测量可以减轻不明确性，如下：如果低，则低，意味着心输出量低；否则，如果针对低的是高的，并且因此是高的，意味着Δp不低，但是血管顺应性C低。
因此，测量和组合和允许区分低心输出量(和低外围灌注)或低血管顺应性。可以检测血管顺应性的变化，并且可以评估这是否是由于降低的心输出量。
在下文中，将描述如何估计血管机械参数并因此将低心输出量与低外围灌注或血管顺应性区分开的方法。为此，除了来自PPG信号的之外，需要估计
为了测量血流速度，在一个实施例中使用散斑成像，例如激光散斑成像(LSI)。当光(例如激光)照射漫射介质时，干涉产生随机图案，这被称为散斑。如果介质中存在运动，则这会在散斑图案中引起运动模糊，这可以用于提取关于运动的信息。这例如通过对散斑图案成像来完成。通过分析散斑对比度变化来获得速度分布。
与PPG信号类似，散斑信号也可以分解为反映血流速度的调制AC分量，以及反映血流量的DC分量。因此，将两种信号组合，可以将差的外围灌注或低血管顺应性与低心输出量进行区分。低血容量变化，可通过PPG信号中小的AC/DC分量或小的观察到，将对应于：
i)在心输出量低的情况下，血流速度调制深度的小的响应(与散斑(LSI)AC/DC信号相关)，或者
ii)在血管不顺应(僵硬，指示中心化)的情况下，血流速度的大的响应(与LSI信号中的调制深度相关)。血流速度的大的响应指示高心输出量。
图5中示出了针对不同情况的PPG信号和散斑信号(作为流动信号的一个实施例)的图示。图5A示出了PPG信号中的调制和散斑信号(LSI信号)中的调制低(小)指示低心输出量的情况。除了低心输出量外，血管顺应性也可以是低的。这种情况可被视为指示不良补偿的血容量不足。图5B示出了PPG信号中的调制低并且散斑信号(LSI信号)中的调制高(大)指示低血管顺应性的情况。换句话说，图5B中所示的情况可以指示(仅)低血管顺应性但是足够的心输出量。这种情况可被视为良好补偿的血容量不足的指示。
考虑到上面讨论的关于血管反应的考虑因素，可以应用以下推理，其也在下表中进行了总结：
当散斑信号指示高流速并且PPG信号测量到相对低的血容量变化时，则血管顺应性是低的。换句话说，血管不能对血流量的增加充分响应。相应地，可以得出类似的结论。正常或高血管顺应性应通过增加血容量(PPG信号)来防止血流速度(可通过散斑信号测量)变高。
基于上表中的推理，可以定义以下顺应性度量：
P的增加指示血管收缩增加，P的减少指示心输出量减少。
总之，所提出的想法结合了两种测量方法，PPG成像和流动信号评估(例如散斑成像(例如LSI)或激光多普勒成像)。这可以基于单相机测量(非接触式)或相机测量和接触测量的组合。它通常不需要可见光。根据测量结果，导出PPG信号和流动信号，从其获得关于外围动脉灌注的期望信息，例如基于函数关系(例如，基于算法或函数)或表格关系(例如，基于查找表，LUT)之间的顺应性量度P和PPG信号幅度和流动信号幅度。
除了区分低心输出量和低血管顺应性之外，可以确定和监测活动、姿势、生物测定和/或生命体征，特别是从获得的第二探测数据。此信息可以在关于动脉灌注的决定中额外地使用。
所提出的解决方案的另一个优点在于，由于它基于局部区域测量，因此可以方便地测量易于接近的区域(例如面部，、臂等)的顺应性。如上所述，尽管该方法优选地设计用于远程测量，但是它也可以接触地应用。
此外，由于提出了基于光的解决方案，所以测量可以在光谱的不可见部分中进行，使得能够在黑暗中和/或在可见范围内进行测量。
图6中示出了根据本发明的方法100的实施例的流程图。在第一步骤S10中，获得对象的组织区域的第一探测数据。在第二步骤S12中，获得对象的皮肤区域的第二探测数据。在第三步骤S14中，从所述第一探测数据导出PPG信号。在第四步骤S16中(其也可以在第三步骤S14之前或同时执行)，从所述第二探测数据导出流动信号。在第五步骤S18中，评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于外围动脉灌注的信息。可以基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定低血管顺应性状态和/或低心输出量状态。
尽管已经在附图和前面的描述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认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。
计算机程序可以存储/分布在与其它硬件一起或作为其它硬件的部分来提供的合适(非瞬态)介质中，例如光存储介质或固态介质，但也可以用其它形式来发布，例如经由互联网或者其它有线或无线电信系统。
权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种用于在监测对象的外围动脉灌注中使用的处理设备，所述处理设备包括：
-输入部(30)，其用于接收对象的组织区域的第一探测数据并且用于接收对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第一探测数据是通过探测从所述对象的组织反射和/或透射通过所述对象的组织的辐射而随时间采集的，所述第二探测数据是通过响应于朝向所述皮肤区域发射的相干光来探测从所述皮肤区域接收的辐射而随时间采集的，
-PPG单元(32)，其用于从所述第一探测数据导出光电体积描记PPG信号，
-流动单元(34)，其用于从所述第二探测数据导出流动信号，所述流动信号指示所述皮肤区域内散射光的颗粒的流动，以及
-评估单元(36)，其用于评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于所述外围动脉灌注的信息，其中，所述评估单元适于基于对所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定低血管顺应性的状态和/或低心输出量的状态。
2.根据权利要求1所述的处理设备，其中，所述流动单元(34)被配置为基于激光多普勒和/或激光散斑技术来导出所述流动信号。
3.根据权利要求1所述的处理设备，
其中，所述评估单元(36)被配置为评估由所述流动信号表示的散斑图案。
4.根据权利要求3所述的处理设备，
其中，所述评估单元(36)被配置为通过探测散斑对比度变化来评估运动模糊。
5.根据权利要求1所述的处理设备，
其中，所述评估单元(36)被配置为评估所述PPG信号的AC分量与DC分量的PPG比率以及所述流动信号的AC分量与DC分量的散斑比率。
6.根据权利要求5所述的处理设备，
其中，所述评估单元(36)被配置为在所述散斑比率超过第一散斑阈值并且所述PPG比率低于第一PPG阈值的情况下确定所述对象的良好补偿的血容量不足的状态，并且在所述散斑比率低于第二散斑阈值并且所述PPG比率低于所述第一PPG阈值的情况下在确定所述对象的不良补偿的血容量不足的状态。
7.根据权利要求5所述的处理设备，
其中，所述评估单元(36)被配置为在所述散斑比率超过第二散斑阈值并且所述PPG比率超过第二PPG阈值的情况下确定非顺应性血管和高外围灌注的状态，并且在所述散斑比率低于第二散斑阈值并且所述PPG比率超过所述第二PPG阈值的情况下确定顺应性血管的状态。
8.根据权利要求5所述的处理设备，
其中，所述评估单元(36)被配置为评估指示所述散斑比率与所述PPG比率的比率的顺应性量度P，其由给出；其中，所述散斑比率是所述流动信号的所述AC分量与所述DC分量的比率；并且其中，所述PPG比率是所述PPG信号的所述AC分量与所述DC分量的比率。
9.根据权利要求1所述的处理设备，
其中，所述输入部(30)被配置为获得响应于通过预定辐射对所述组织的人工照射而采集的第一探测数据，所述预定辐射特别是可见光或红外光。
10.根据权利要求1所述的处理设备，
还被配置为使用所述第二探测数据作为所述第一探测数据。
11.一种用于监测外围动脉灌注的系统，所述系统包括：
-探测器(18、19)，其用于采集对象的组织区域的第一探测数据并且用于采集对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第一探测数据是通过探测从所述对象的组织反射和/或透射通过所述对象的组织的辐射而随时间采集的，所述第二探测数据包括随时间采集的所述皮肤区域的图像的序列，以及
-根据权利要求1所述的处理设备(12、12a)，其用于基于所采集的第一探测数据和第二探测数据来监测外围动脉灌注。
12.根据权利要求11所述的系统，
还包括照明单元(22)，所述照明单元用于通过预定辐射来对所述组织进行人工照射，所述预定辐射特别是可见光或红外光。
13.根据权利要求12所述的系统，
其中，所述照明单元(22)包括用于发射相干光的相干光源以用于照射所述皮肤区域，所述相干光源特别是用于发射激光束的激光设备。
14.一种用于监测外围动脉灌注的方法，所述方法包括：
-接收对象的组织区域的第一探测数据，所述第一探测数据是通过探测从所述对象的组织反射和/或透射通过所述对象的组织的辐射而随时间采集的，
-接收对象的皮肤区域的第二探测数据，所述第二探测数据是通过响应于朝向所述皮肤区域发射的相干光而探测从所述皮肤区域接收的辐射而随时间采集的，
-从所述第一探测数据导出光电体积描记PPG信号，
-从所述第二探测数据导出流动信号，所述流动信号指示所述皮肤区域内散射光的颗粒的流动，并且
-评估所述PPG信号和所述流动信号以获得关于所述外围动脉灌注的信息并基于所述PPG信号和所述流动信号的组合评估来确定低血管顺应性的状态和/或低心输出量的状态。
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使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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