CN110604582A - 一种氧饱和度分布检测仪及检测方法 - Google Patents

一种氧饱和度分布检测仪及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧饱和度分布的检测仪，包括数据包存储器(10)和随机数发生器(11)，所述检测仪还包括入射光源成像模块、光调制器、反射光点强度探测模块、控制模块(12)和压缩感知模块(13)；所述光调制器用于对所述入射光源成像模块的成像进行调制，再反射到所述反射光点强度探测模块上；所述反射光点强度探测模块用于探测所述光调制器反射的光子点的数目信号，通过对光子点的数目信号进行计数得到光强值；所述控制模块(12)用于生成测量矩阵A，根据测量矩阵A给随机数发生器(11)发出随机数指令，形成随机矩阵；所述压缩感知模块(13)，用于根据光强值以及随机矩阵实现氧饱和度分布信号重建，得到氧饱和度分布图。

Description

一种氧饱和度分布检测仪及检测方法
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种氧饱和度分布检测仪及基于所述检测仪的一种氧饱和度分布的检测方法。
背景技术
氧饱和度以及心率、呼吸率、血压和体温是一个重要的生理参数。它是在给定介质(如血液)中溶解或携带的氧气量的相对量度。它表明一个人是否有足够的氧气供应并反映了心肺系统的健康水平。在许多医疗情况下，包括麻醉，睡眠呼吸暂停和分娩，持续监测氧饱和度对于检测低氧血症非常重要。它被用于重症监护，手术室，紧急护理，新生儿护理，睡眠研究和兽医护理。混合静脉血氧饱和度SvO2，组织血氧饱和度StO2和动脉血氧饱和度SaO2是用于测定人体氧饱和度水平的几种主要方法。SvO2是氧气的测量通过毛细血管后留在血液中，这表明了氧气供需之间的瞬时变化。它可以使用光纤导管进行监测。StO2提供组织灌注的评估，并且可以通过近红外(NIR)光谱来测量。SaO2是动脉血氧饱和度的测量值。估计周围毛细血管的SaO2被称为SpO2。
与传统的血氧饱和度测量不同，血氧饱和度测量通常通过血液分析仪的血液测试进行有创血压测量，SpO2可以通过非侵入性方法进行测量。监测SpO2提供了对用户氧合状态的快速和方便的评估。用于SpO2监测的最广泛的设备是脉搏血氧仪，通常附在手指上进行测量。脉搏血氧仪的硬件实现包括两个主要组件：1)通常由双波长LED组成的照明源，以及2)光电探测器通常为光电二极管。健康人的SpO2值通常在95％至100％之间。持续的低SpO2水平(<90％)可能表明输氧问题。
最近的技术进步使得能够以非接触方式测量一些生理信号。远程SpO2检测为人们提供了一种在正常日常情况下非侵入性测量血氧饱和度的方法。受试者和受试者之间没有身体接触，该设备允许更舒适和更少压力的测量条件。也可以避免手指对接触传感器施加不同压力导致的血氧饱和度读数不准确，另外还可以避免某些个体特别是婴儿在监测时段可能发生的皮肤刺激。非接触式脉搏血氧仪还为手指受伤的个体或者手指外周灌注不良或黑色素沉着的患者提供了一种适合的SpO2测量方法，传统的脉搏血氧仪可能会导致测量结果不准确。
近年来，研究人员尝试了使用非接触方法的不同SpO2测量方法。Humphreys等人使用一个带有发光二极管阵列的CMOS相机，发射两种不同的波长作为非接触式脉搏血氧仪的光源。由于低帧率和对环境光线的敏感度，测得的PPG信号中的噪声太大而无法获得准确的SpO2值。Wieringa等人也使用了CMOS相机，但有三种不同的波长来研究“SpO2相机”的可行性。然而，由于PPG信号的SNR差，没有提出SpO2结果。Kong等人使用两个CCD摄像机，每个摄像机安装一个窄带通滤波器，在环境照明条件下捕获两个不同波长(520和660nm)的PPG信号。该测试仅覆盖较窄的SpO2范围(97％-99％)。对于实际应用，如临床设置，有必要能够在更宽的范围内(至少80％-100％)测量SpO2。Tarassenko和Bal等人根据在环境照明条件下从RGB通道获得的PPG信息，使用相机计算SpO2。其他研究人员发现，从红色和蓝色通道中提取的PPG信号比从绿色通道中提取的信号更嘈杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中非接触测量的氧饱和度检测准确度不高，测试氧饱和度的范围较窄，且无法实现氧饱和度分布的检测的问题，从而提供一种基于压缩感知理论的氧饱和度分布检测仪。
为了实现上述目的，本发明提供了一种氧饱和度分布检测仪，包括数据包存储器10和随机数发生器11，所述检测仪还包括入射光源成像模块、光调制器、反射光点强度探测模块、控制模块12和压缩感知模块13；
所述光调制器，用于对所述入射光源成像模块的成像进行调制，再反射到所述反射光点强度探测模块上；
所述反射光点强度探测模块，用于探测所述光调制器反射的光子点的数目信号，通过对光子点的数目信号进行计数得到光强值；
所述控制模块12，用于生成测量矩阵A，根据测量矩阵A给随机数发生器11发出随机数指令，形成随机矩阵；
所述压缩感知模块13，用于根据光强值以及随机矩阵实现氧饱和度分布信号重建，得到氧饱和度分布图。
作为上述检测仪的一种改进，所述入射光源成像模块包括：光源1、载物台2和成像部件3；
所述光源1，用于发出可见光和近红外光，所述可见光的波长的为611nm，所述近红外光的波长为880nm；
所述载物台2，用于放置待测的生物体；
所述成像部件3，用于将对所述光源1照射到的生物体上的光成像到所述的光调制器上。
作为上述检测仪的一种改进，所述成像部件3包括衰减片。
作为上述检测仪的一种改进，所述反射光点强度探测模块包括可见光探测单元和近红外光探测单元；
所述可见光探测单元用于探测经光调制器调制和反射后的可见光的光子点的数目；所述可见光探测单元包括第一光会聚部件5、第一滤光部件6、可见光点探测器7和第一计数器9；
所述第一光会聚部件5用于将光调制器反射的可见光由高维映射到一维；
所述第一滤光部件6用于将经第一光会聚部件5映射的一维可见光点进行滤光；
所述可见光点探测器7探测到经第一滤光部件6滤光的一维的可见光点后，将采集到的可见光点转换成有效脉冲信号后输出；
所述第一计数器9，用于对所述可见光点探测器7输出的效脉冲信号进行计数，将计数结果作为第一光强值，然后将第一光强值存入所述数据包存储器10中；
所述近红外光探测单元用于探测经光调制器调制和反射的近红外光的光子点的数目；所述近红外光探测单元包括第二光会聚部件14、第二滤光部件15、近红外光点探测器8和第二计数器16，
所述第二光会聚部件14用于将光调制器反射的近红外光由高维向一维映射；
所述第二滤光部件15用于将经第二光会聚部件14映射的一维近红外光点进行滤光；
所述近红外点探测器8探测到经第二滤光部件15滤光的一维的近红外光点，将采集到的近红外光点转换成有效脉冲信号后输出；
所述第二计数器16对所述近红外点探测器8输出的近红外光脉冲信号进行计数，将计数结果作为第二光强值，然后将第二光强值存入所述数据包存储器10中。
作为上述检测仪的一种改进，所述光调制器采用数字微镜器件4，用于对入射光进行调制，包括微镜阵列和集成电路；
所述微镜阵列安装在铰链上，将微镜按照1024×768的阵列排列构成，最大可至2048×1152；每一镜片的尺寸为14μm×14μm或16μm×16μm；
所述集成电路用来通断一个微镜的光，对每一个微镜镜片下的存储单元以二进制信号进行电子化寻址，控制每个镜片的两种状态：1对应“开”和0对应“关”。
作为上述检测仪的一种改进，所述可见光点探测器7可以采用光电倍增管或具有单光子点探测器；所述近红外光点探测器8可以采用光电倍增管或具有单光子点探测器；所述单光子点探测器包括盖革模式雪崩二极管。
基于所述的氧饱和度分布检测仪，本发明还提出了一种氧饱和度检测方法，所述方法包括：
步骤1)所述控制模块12生成测量矩阵A，发送给随机数发生器11，所述随机数发生器11在所述测量矩阵A的指令下生成随机矩阵；
步骤2)光源1发出的可见光和近红外通过载物台2照射生物体，由成像部件3成像到数字微镜器件4；
步骤3)所述数字微镜器件4根据随机数发生器11产生的随机数对所述成像进行随机调制，将光分开两路，所述可见光经过第一光会聚部件5，经第一滤光部件6滤光，反射到可见光点探测器7上；所述近红外光经过第二会聚部件14的降维，经第二滤光部件15滤光，并反射到近红外光点探测器8上；
步骤4)当所述可见光点探测器7探测到可见光点，将采集到的光点信号转换成有效脉冲信号后输出；所述第一计数器9对所述可见光点探测器7探测到的可见光光子点的数目进行计数，得到第一光强值；
步骤5)当所述近红外光子探测器8探测近红外光点，将采集到的近红外光点信号转换成有效脉冲信号后输出；所述第二计数器16对所述近红外光点探测器8探测到的红外光光子点的数目进行计数，得到第二光强值；
步骤6)所述压缩感知模块1)根据第一光强值、第二光强值以及随机矩阵进行氧饱和度分布信号重建，计算氧饱和度分布值，绘制氧饱和度分布图。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：所述数字微镜器件4中的微镜阵列翻转一次完成后，第一计数器9和第二计数器16分别清零。
作为上述方法的一种改进，所述步骤6)具体包括：
步骤6-1)所述压缩感知模块13读取所述数据包存储器10的M次可见光光强值得到观测数据y1，y1是长度为M的一维测量向量；
步骤6-2)对所述观测数据y1进行稀疏变换，计算稀疏表达式x1'：
y1＝Ax′1+e (1)
其中，e是噪声；
步骤6-3)选取稀疏变化因子Ψ，由稀疏表达式x1'反演x1：
x1＝Ψx1' (2)
其中，x1是长度为N的一维可见光信号，N为采集到的像素总数
步骤6-4)所述压缩感知模块13读取所述数据包存储器10的M次近红外光光强值得到观测数据y2，y2是长度为M的一维测量向量；
步骤6-5)所述观测数据y2进行稀疏变换，计算稀疏表达式x2'：
y2＝Ax′2+e (3)
步骤6-6)选取稀疏变化因子Ψ，由稀疏表达式x2'反演x2：
x2＝Ψx2' (4)
其中，x2是长度为N的一维近红外光信号；
步骤6-7)根据x1和x2计算氧饱和度SpO2：
SpO2＝x2/(x1+x2) (5)。
其中，x1反应了非含氧成分Hb的分布值，x2反应了含氧成分HbO2的测量值，由此绘制氧饱和度分布图。
本发明的优势在于：
1、本发明利用了最新的数学研究成果——压缩感知理论，只需要一维点探测器即可得到二维图像信息，实现高分辨率的氧饱和度分布图像观测，解决了现阶段氧饱和度分布成像中同时需要可见光及红外光面阵探测器问题；
2、在本发明中，可见光和近红外光的双波长图像空间分辨率由DMD器件提供，因此双波长图像具有天然对准关系，且尺度一致，便于用于重建氧饱和度分布图像，解决了现阶段氧饱和度分布成像中可见光及近红外光面阵探测器需要像素大小一致且严格对准问题；
3.本发明的氧饱和度分布检测仪，每次测量探测器可以随机获取DMD上一半像素的总光强，因此每次测量光强可达到整个图像总光强的一半，是一种高通量、高信噪比的测量方式，可实现高灵敏度的氧饱和度分布探测；
4.压缩感知理论允许亚采样的采样数，本发明的测量次数小于探测器扫描模式的测量次数，可以利用更短的时间获取氧饱和度分布图像；
5、本发明中的基于压缩感知的氧饱和度分布检测仪可以广泛应用于医疗、生物监测、科研分析等领域。
附图说明
图1是本发明的氧饱和度分布检测仪的结构示意图；
图2是本发明的数字微镜器件4中单个微镜的反射机制描述图。
附图标识
1、光源 2、载物台 3、成像部件
4、数字微镜器件DMD 5、第一光会聚部件 6、第一滤光部件
7、可见光点探测器 8、近红外光点探测器 9、第一计数器
10、数据包存储器 11、随机数发生器 12、控制模块
14、第二光会聚部件 15、第二滤光部件 16、第二计数器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
本发明的氧饱和度分布检测仪利用了压缩感知(Compressive Sensing，简称CS)原理，所述的压缩感知原理是由Donoho、Tao和Candès等人提出的一个全新数学理论，按照该理论能够以随机采样的方式、通过更少的数据采样数(远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限)来完美地恢复原始信号，且具有更高的鲁棒性。压缩感知主要分为三步骤：压缩采样、稀疏变换与算法重建；其中，压缩采样，是指被测信号由高维向低维映射与采集的过程；所述的稀疏变换是选取合适的因子Ψ，使得x经Ψ变化所得值x'是稀疏的，即x在Ψ框架下可稀疏表达；所述的算法重建是在已知观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ的条件下求解y＝AΨx'+e的过程，最后再由反演出x。
在本发明实施例中，采用橙色和近红外两种波长的光照射到生物体，记录光电容积脉搏波(PPG)信号并且从这两种波长处的PPG信号的脉动到非脉动成分的测量比率确定SpO2：
SpO2＝HbO2/(Hb+HbO2)；
Hb为脱氧血红蛋白成分，主要吸收波长611nm的橙色可见光，HbO2为含氧血红成分，主要吸收波长880nm近红外光。
如图1所示，本发明的基于压缩感知原理的氧饱和度分布检测仪包括：入射光源成像模块、数据包存储器10和随机数发生器11，还包括光调制器、反射光点强度探测模块、控制模块12和压缩感知模块13；
所述入射光源成像模块包括光源1、载物台2、成像部件3；所述光源1发出可见光和近红外光，所述可见光最优选采用橙色；
所述光调制器包括数字微镜器件DMD 4；
所述反射光点强度探测模块包括第一光会聚部件5、第一滤光部件6、可见光点探测器7、近红外光点探测器8、第一计数器9、第二光会聚部件14，第二滤光部件15，第二计数器16；
橙色和近红外两种波长的光经过准直后照射到生物体，经过成像部件3成像到数字微镜器件DMD4上，数字微镜器件DMD4对反射光进行随机调制，分别再反射到两个方向；
其中一个方向上设置第一光会聚部件5、第一滤光部件6、可见光点探测器7和第一计数器9；另一个方向上设置第二光会聚部件14，第二滤光部件15、近红外点探测器8和第二计数器16；
所述控制模块12对整个氧饱和度监测仪进行控制协调，包括对各部件的使能和触发脉冲控制，给随机数发生器11发送测量矩阵A，所述随机数发生器11在所述测量矩阵A的指令下生成随机矩阵，所述随机矩阵的行数与所述微镜阵列的行数相同，述随机矩阵的列数与所述微镜阵列的列数相同；并按照随机矩阵的随机基的排列发出随机数指令，使得所述第一计数器9及第二计数器16与DMD4之间步调在测量矩阵A的模式下一致；
所述随机数发生器11按照随机矩阵的排列发出随机数并提供给所述数字微镜器件DMD4，所述数字微镜器件DMD4根据该随机矩阵实现对每个微镜随机调制；
所述第一光会聚部件5用于将数字微镜器件4反射的的可见光由高维向一维映射；
所述第一滤光部件6用于将经第一光会聚部件5映射的一维可见光点进行滤光；
所述可见光点探测器7探测到经第一滤光部件6滤光的一维的可见光，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；
所述第一计数器9记录所述可见光点探测器7输出的脉冲信号，对探测到的可见光强值计数；
所述计数器9所记录的光强值和随机数发生器11生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器10中，
所述第二光会聚部件14用于将数字微镜器件4反射的的近红外光由高维向一维映射；
所述第二滤光部件15用于将经第二光会聚部件14映射的一维近红外光点进行滤光；
所述近红外点探测器8分别探测到经第二滤光部件15滤光的一维近红外光强值，分别将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；
所述第二计数器16记录所述近红外点探测器8输出的脉冲信号，对探测到的探测到的近红外光强值计数；
所述第二计数器16所记录的光强值和随机数发生器11生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器10中，
所述压缩感知模块13根据所述数据包存储器10的记录的可见光强值和近红外光强值以及随机基，实现氧饱和度分布信号重建，得到氧饱和度分布图。
以上是对本发明的氧饱和度分布检测仪的总体结构的描述，下面对氧饱和度分布检测仪中各个部件的具体实现做进一步的描述。
光源为两种波长的光分别为橙色λ＝611nm和近红外λ＝880nm的组合为检测信号提供了最佳信噪比。
所述数字微镜器件DMD4是空间光调制器(SLM)的一种，空间光调制器能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，是实时光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。其种类有很多种，主要有数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，简称DMD)、毛玻璃、液晶光阀等。在本实施例中，主要使用数字微镜器件，包括微镜阵列和集成电路部分。
本实施例中所采用的数字微镜器件DMD4是包含有成千上万个安装在铰链上的微镜的阵列(主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152)，每一镜片的尺寸为14μm×14μm(或16μm×16μm)并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜10～12°左右(本实施例中取+12°和-12°)，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。
如图2所示，对数字微镜器件DMD4中的单个微镜的反射机制做了描述。图中的细实线表示单个微镜初始位置时的基线和法线，取顺时针旋转为正，逆时针为负。当入射光线与该初始法线成24°时，反射光线也与初始法线成24°，但当微镜翻转+12°时，该图例中微镜的法线随之顺时针旋转+12°，根据反射定律，反射光线则需顺时针旋转+24°，即与初始法线在同一直线上，可设置该初始法线方向为可见光点探测器7和近红外光点探测器8的接收方向。同理，当微镜翻转-12°时，这时的反射光线与初始法线成-48°，几乎不能被可见光子点探测器7和近红外光点探测器8接收，可忽略不计。当然接收方向也可设置为微镜-12°翻转时的出射方向。
成像部件3包括衰减片，当待检测光比较强时，需采用多组衰减片组合进行光衰减，以防止可见光点探测器7和近红外光点探测器8饱和。
本实施例中，所述可见光点探测器7和近红外光点探测器8都采用光电倍增管Photomultiplier tube(PMT)，在其他实施例中，该点探测器也可替换成其它具有单光子探测能力的点探测器，如盖革模式雪崩二极管(avalanche photodiode，简称APD)。
所述控制模块12所实现的控制是指对所述数据包存储器10和随机数发生器11部件的使能和触发脉冲控制，该模块所实现的协调主要实现对计数器和数字微镜器件DMD4之间的步调协调，数字微镜器件DMD4中的微镜阵列每翻转一次，所述计数器9和计数器16累积计数在该翻转时间间隔内检测到的光强值，翻转完成后，所述计数器9和计数器16计数清零，所有的计数与随机数产生模块11产生的随机矩阵(随机基)打包被传至数据包存储器10中。
所述的压缩感知模块13根据数据包存储器10中记录的所述计数器9和计数器16的计数值、随机测量矩阵A(由若干随机基组成，而单个随机基是由某个随机矩阵拉伸得到)进行压缩感知稀疏变换和光信号重建，得到氧饱和度分布图。该模块仅需可压缩光信号的少量线性随机投影便可重建出氧饱和度分布图，并利用矩阵填充理论弥补光信号中的信号缺失；
其中，所述的稀疏变换是选取合适的Ψ，使得光信号x可在Ψ框架下可稀疏表达。
压缩感知时所采用的算法有多种，包括贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法、l2重建算法等，采用上述算法中的任意一种都可实现本发明。
基于以上所述的一种氧饱和度分布检测仪，本发明还提出了一种氧饱和度分布检测的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)光源1发射出的可见光和近红外光通过载物台2照射生物体，由成像部件(3)成像到数字微镜器件4；
步骤2)所述数字微镜器件4根据随机数发生器11产生的随机数对所述成像进行随机调制，将光分开两路，所述可见光经过第一光会聚部件5，经第一滤光部件6滤光，投射到可见光点探测器7上；所述近红外光经过第二会聚部件14的降维，经第二滤光部件15滤光，投射到近红外光点探测器8上；
步骤3)当所述可见光点探测器7探测到可见光点，将采集到的光点信号转换成有效脉冲信号后输出；所述第一计数器9对所述可见光点探测器7探测到的可见光光子点的数目进行计数，得到第一光强值；
步骤4)所述近红外光子探测器8探测近红外光点，将采集到的近红外光点信号转换成有效脉冲信号后输出；所述第二计数器16对所述近红外光点探测器8探测到的红外光光子点的数目进行计数，得到第二光强值；
步骤5)所述控制模块12生成测量矩阵A，发送给随机数发生器11，所述随机数发生器11在所述测量矩阵A的指令下生成随机矩阵；
步骤6)所述压缩感知模块13根据第一光强值、第二光强值以及随机矩阵进行氧饱和度分布信号重建，得到氧饱和度分布值。
所述步骤6)具体包括：
步骤6-1)所述压缩感知模块13读取所述数据包存储器10的M次可见光光强值得到观测数据y1，y1是长度为M的一维测量向量；
步骤6-2)对所述观测数据y1进行稀疏变换，计算稀疏表达式x1'：
y1＝Ax′1+e (1)
其中，e是噪声；
步骤6-3)选取稀疏变化因子Ψ，由稀疏表达式x1'反演x1：
x1＝Ψx1' (2)
其中，x1是长度为N的一维可见光信号，N为采集到的像素总数
步骤6-4)所述压缩感知模块13读取所述数据包存储器10的M次近红外光光强值得到观测数据y2，y2是长度为M的一维测量向量；
步骤6-5)所述观测数据y2进行稀疏变换，计算稀疏表达式x2'：
y2＝Ax′2+e (3)
步骤6-6)选取稀疏变化因子Ψ，由稀疏表达式x2'反演x2：
x2＝Ψx2' (4)
其中，x2是长度为N的一维近红外光信号；
步骤6-7)根据x1和x2计算氧饱和度SpO2：
SpO2＝HbO2/(Hb+HbO2)＝x2/(x1+x2) (5)。
其中x1是非含氧成分Hb的测量值，x2是含氧成分HbO2的测量值，由此绘制氧饱和度分布图。
作为一种优选实现方式，在又一个实施例中，在步骤1)之前还包括有提高仪器信噪比(signal to noise ratio，简称SNR)的操作。SNR为信号与仪器噪声的方差之比，其中仪器噪声包含环境噪声、光学噪声、电学噪声(含暗计数)等，而方差可理解为信号的波动情况。若仪器噪声的波动淹没了信号的波动，则压缩感知算法失效；若仪器噪声的波动小于或远小于信号的波动，则能几乎完美重建图像。提高仪器信噪比有助于提高成像质量。提高仪器信噪比的方式有多种，如对仪器进行密闭封装，提高点光点探测器7和近红外光点探测器8的相应参数和仪器稳定性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种氧饱和度分布的检测仪，包括数据包存储器(10)和随机数发生器(11)，其特征在于，所述检测仪还包括控制模块(12)、入射光源成像模块、光调制器、反射光点强度探测模块和压缩感知模块(13)；
所述控制模块(12)，用于生成测量矩阵A，根据测量矩阵A给随机数发生器(11)发出随机数指令，形成随机矩阵；
所述光调制器，根据随机矩阵对所述入射光源成像模块的成像进行调制，再反射到所述反射光点强度探测模块上；
所述反射光点强度探测模块，用于探测所述光调制器反射的光子点的信号，通过对光子点的数目进行计数得到光强值；
所述压缩感知模块(13)，用于根据光强值以及随机矩阵实现氧饱和度分布信号重建，得到氧饱和度分布图。
2.根据权利要求1所述的氧饱和度分布的检测仪，其特征在于，所述入射光源成像模块包括：光源(1)、载物台(2)和成像部件(3)；
所述光源(1)，用于发出可见光和近红外光，所述可见光的波长的为611nm，所述近红外光的波长为880nm；
所述载物台(2)，用于放置待测的生物体；
所述成像部件(3)，用于将对所述光源(1)照射到的生物体上的光成像到所述的光调制器上。
3.根据权利要求2所述的氧饱和度分布监测仪，其特征在于，所述成像部件(3)包括衰减片。
4.根据权利要求3所述的氧饱和度分布监测仪，其特征在于，所述光调制器采用数字微镜器件(4)，用于对入射光进行调制，包括微镜阵列和集成电路；
所述微镜阵列安装在铰链上，将微镜按照1024×768的阵列排列构成，最大可至2048×1152；每一镜片的尺寸为14μm×14μm或16μm×16μm；
所述每一个微镜镜片可以翻转，每一个微镜镜片翻转的角度是随机矩阵的相应元素的值；
所述集成电路用来通断一个微镜的光，对每一个微镜镜片下的存储单元以二进制信号进行电子化寻址，控制每个镜片的两种状态：微镜法线顺时针旋转12o的区间内反射的光线能够被接收，此状态为1对应“开”；微镜法线逆时针旋转12o的区间反射的光线不能够被接收，此状态为1为0，对应“关”。
5.根据权利要求4所述的氧饱和度分布监测仪，其特征在于，所述随机矩阵的行数与所述微镜阵列的行数相同，述随机矩阵的列数与所述微镜阵列的列数相同。
6.根据权利要求2所述的氧饱和度分布监测仪，其特征在于，所述反射光点强度探测模块包括可见光探测单元和近红外光探测单元；
所述可见光探测单元用于探测经光调制器调制和反射后的可见光的光子点的数目；所述可见光探测单元包括第一光会聚部件(5)、第一滤光部件(6)、可见光点探测器(7)和第一计数器(9)；
所述第一光会聚部件(5)用于将光调制器反射的可见光由高维映射到一维；
所述第一滤光部件(6)用于将经第一光会聚部件(5)映射的一维可见光点进行滤光；
所述可见光点探测器(7)探测到经第一滤光部件(6)滤光的一维的可见光点后，将采集到的可见光点转换成有效脉冲信号后输出；
所述第一计数器(9)，用于对所述可见光点探测器(7)输出的效脉冲信号进行计数，将计数结果作为第一光强值，然后将第一光强值存入所述数据包存储器(10)中；
所述近红外光探测单元用于探测经光调制器调制和反射的近红外光的光子点的数目；所述近红外光探测单元包括第二光会聚部件(14)、第二滤光部件(15)、近红外光点探测器(8)和第二计数器(16)；
所述第二光会聚部件(14)用于将光调制器反射的近红外光由高维向一维映射；
所述第二滤光部件(15)用于将经第二光会聚部件(14)映射的一维近红外光点进行滤光；
所述近红外点探测器(8)探测到经第二滤光部件(15)滤光的一维的近红外光点，将采集到的近红外光点转换成有效脉冲信号后输出；
所述第二计数器(16)对所述近红外点探测器(8)输出的近红外光脉冲信号进行计数，将计数结果作为第二光强值，然后将第二光强值存入所述数据包存储器(10)中。
7.根据权利要求6所述的氧饱和度分布监测仪，其特征在于，所述可见光点探测器(7)可以采用光电倍增管或具有单光子点探测器；所述近红外光点探测器(8)可以采用光电倍增管或具有单光子点探测器；所述单光子点探测器包括盖革模式雪崩二极管。
8.一种基于权利要求1-7之一所述的氧饱和度分布的检测仪实现的氧饱和度检测方法，所述方法包括：
步骤1)所述控制模块(12)生成测量矩阵A，发送给随机数发生器(11)，所述随机数发生器(11)在所述测量矩阵A的指令下生成随机矩阵；
步骤2)光源(1)发射的可见光和近红外光通过载物台(2)照射生物体，由成像部件(3)成像到数字微镜器件(4)；
步骤3)所述数字微镜器件(4)根据随机数发生器(11)产生的随机数对所述成像进行随机调制，将光分开两路反射，所述可见光经过第一光会聚部件(5)，经第一滤光部件(6)滤光，投射到可见光点探测器(7)上；所述近红外光经过第二会聚部件(14)的降维，经第二滤光部件(15)滤光，并投射到近红外光点探测器(8)上；
步骤4)当所述可见光点探测器(7)探测到可见光点，将采集到的光点信号转换成有效脉冲信号后输出；所述第一计数器(9)对所述可见光点探测器(7)探测到的可见光光子点的数目进行计数，得到可见光光强值；
步骤5)所述近红外光子探测器(8)探测近红外光点，将采集到的近红外光点信号转换成有效脉冲信号后输出；所述第二计数器(16)对所述近红外光点探测器(8)探测到的红外光光子点的数目进行计数，得到近红外光强值；
步骤6)所述压缩感知模块(13)根据可见光光强值、近红外光强值以及随机矩阵进行氧饱和度分布信号重建，计算氧饱和度分布值，绘制氧饱和度分布图。
9.根据权利要求8所述的氧饱和度分布检测方法，其特征在于，所述方法还包括：所述数字微镜器件(4)中的微镜阵列翻转一次完成后，所述第一计数器(9)和第二计数器(16)分别清零。
10.根据权利要求8或9所述的氧饱和度分布检测方法，其特征在于，所述步骤6)具体包括：
步骤6-1)所述压缩感知模块(13)读取所述数据包存储器(10)的M次可见光光强值得到观测数据y1，y1是长度为M的一维测量向量；
步骤6-2)对所述观测数据y1进行稀疏变换，计算稀疏表达式x1'：
y1＝Ax′1+e (1)
其中，e是噪声；
步骤6-3)选取稀疏变化因子Ψ，由稀疏表达式x1'反演x1：
x1＝Ψx1' (2)
其中，x1是长度为N的一维可见光信号，N为采集到的像素总数
步骤6-4)所述压缩感知模块(13)读取所述数据包存储器(10)的M次近红外光强值得到观测数据y2，y2是长度为M的一维测量向量；
步骤6-5)所述观测数据y2进行稀疏变换，计算稀疏表达式x2'：
y2＝Ax′2+e (3)
步骤6-6)选取稀疏变化因子Ψ，由稀疏表达式x2'反演x2：
x2＝Ψx2' (4)
其中，x2是长度为N的一维近红外光信号；
步骤6-7)根据x1和x2计算氧饱和度SpO2：
SpO2＝x2/(x1+x2) (5)
由此绘制氧饱和度分布图。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021232375A1 (zh) * 2020-05-21 2021-11-25 深圳市汇顶科技股份有限公司 一种血氧参数检测模组及其电子设备
CN114737949A (zh) * 2022-03-23 2022-07-12 燕山大学 一种用于气液两相流气相分布测量传感器及其终端系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6463310B1 (en) * 1999-03-08 2002-10-08 Mallinckrodt, Inc. Method and circuit for storing and providing historical physiological data
CN101051059A (zh) * 2006-03-20 2007-10-10 特克特朗尼克公司 波形压缩和显示
CN102768070A (zh) * 2012-07-27 2012-11-07 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种互补测量的单光子计数成像系统及方法
CN104019899A (zh) * 2014-05-28 2014-09-03 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种超灵敏天文望远镜及其天文图像获取方法
CN107550474A (zh) * 2016-06-30 2018-01-09 松下知识产权经营株式会社 生物体信息检测装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6463310B1 (en) * 1999-03-08 2002-10-08 Mallinckrodt, Inc. Method and circuit for storing and providing historical physiological data
CN101051059A (zh) * 2006-03-20 2007-10-10 特克特朗尼克公司 波形压缩和显示
CN102768070A (zh) * 2012-07-27 2012-11-07 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种互补测量的单光子计数成像系统及方法
CN104019899A (zh) * 2014-05-28 2014-09-03 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种超灵敏天文望远镜及其天文图像获取方法
CN107550474A (zh) * 2016-06-30 2018-01-09 松下知识产权经营株式会社 生物体信息检测装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021232375A1 (zh) * 2020-05-21 2021-11-25 深圳市汇顶科技股份有限公司 一种血氧参数检测模组及其电子设备
CN114737949A (zh) * 2022-03-23 2022-07-12 燕山大学 一种用于气液两相流气相分布测量传感器及其终端系统
CN114737949B (zh) * 2022-03-23 2024-04-23 燕山大学 一种用于气液两相流气相分布测量传感器及其终端系统

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