CN113143264B - 一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法，利用光学检测方式简单、便捷的实现血糖检测区域的选择，在利用有创血糖仪进行血糖检测时，本发明实现了血糖检测区域的选择，减轻病人多次无效采血带来的痛苦，降低感染风险；避免采集含血量少的区域，挤压出血而使得血糖值检测精度不准确，贻误病情；减少测试试纸、采血针等血糖测试材料的浪费。本发明通过使用可见光源对人体不同部位的皮肤组织区域进行光照，同时利用CCD相机采集相应区域的视频。使用脉搏波分析模块以及功率计算模块对采集的采集的视频进行处理，通过血液灌注成像模块得到人体不同部位皮肤组织血液灌注分布图。根据血液灌注分布图，利用血糖检测区域选择模块拓展周围血液信息丰富区域作为血糖检测的最佳区域。
Description
技术领域
本发明涉及人体健康检测技术领域，光学技术等领域，具体涉及一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法。
背景技术
糖尿病是一种以高血糖为特征的常见内分泌疾病，已成为严重危害人类生理健康的慢性病之一。与非糖尿病患者相比，糖尿病患者更容易受到流感、肺炎等并发症的影响，严重威胁人类健康。目前糖尿病无法治愈，保持患者血糖浓度的稳定是治疗糖尿病的主要手段，对糖尿病患者的血糖进行实时精准检测，对糖尿病的诊断和治疗具有重大意义。目前最常采用的血糖检测方法是从静脉抽取血液进行生化分析或者利用有创血糖仪扎破指尖采血，通过试纸进行血糖检测。由于有创血糖仪携带方便，易于操作成为广大糖尿病患者居家常备的医疗器械。以有创血糖仪进行指尖采血测试血糖值为例，在利用有创血糖仪进行指尖采血时，优先采用毛细血管相对丰富的手指更容易采血成功，如无名指。另外无名指的使用几率相对较小，在一定程度上可以降低感染风险。然而由于糖尿病患者每天需要定期采血3-4次，更有患者达到一天7次采血量，长期使用同一手指采血，会造成手指皮肤脱水、干燥、粗糙，而形成老茧，造成采血不出血的无效采血。另外由于手指皮肤的硬化，采血出血量少，患者经常强行挤压手指使得组织液渗出稀释血液，导致血糖检测精度下降。
发明内容
针对目前有创血糖仪手指采血遇到手指皮肤茧化无效采血以及强行挤血造成血糖精度检测不准确的情况，本发明提出了一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法。本发明可以在利用有创血糖仪采血测血糖值时，预先进行血糖检测区域的选择。本发明适用于人体不同部位皮肤组织血糖检测区域的选择，不局限于手指部分。本发明实现了血糖检测区域的选择，减轻病人多次无效采血带来的痛苦，降低感染风险；避免采集含血量少的区域，挤压出血而使得血糖值检测精度不准确，贻误病情；减少测试试纸、采血针等血糖测试材料的浪费。
本发明的具体技术解决方案是：
本发明提供了一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法，包括以下模块：
视频采集模块：用于获得人体不同部位皮肤组织的成像视频，包括CCD相机以及产生可见光的光源装置；
脉搏波分析模块：针对采集到的视频选取视频第一帧图像含有皮肤组织的区域，以区间[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)截取任意位置的矩形感兴趣区域Q1提取脉搏波信号；利用CHROM算法从感兴趣区域Q1处理过的脉搏波信号时间序列中估计脉搏率Pulse Rate(PR)；
功率谱计算模块：在频域范围内，计算脉搏率PR小范围内的感兴趣区域Q2的功率谱F(Q2)以及计算感兴趣区域Q1的脉搏波信号功率谱F(Q1)，由于感兴趣区域Q1位置选取的任意性，则第i位置对应的功率谱为F(Q1(i))；
血液灌注成像模块：脉搏率PR附近区域范围的功率谱F(Q2)与感兴趣区域Q1的功率谱F(Q1(i))减掉F(Q2)功率谱的比值为G。由于感兴趣区域Q1位置的选取是任意的，随着选取矩阵的位置发生变化，会产生像素点的移动，使得F(Q1)值不断变化，则相应的第i个位置变化下有G(i)值，因此可以利用G(i)的变化使得手指血液灌注在二维成像。通过血液灌注图中的颜色变化可以显示相应部位的血液信息的分布情况，浅色区域血液信息相对丰富，深色区域血液信息相对较弱；
血糖检测区域选择模块：以第i个位置的G(i)值作为测量点(i＝1,2,3…,n)，对n个位置下的每个G(n)值求和取均值作为参考点G'，ω表示G(i)与G’的比值。当ω值大于0.5时，表明第i次所选择的感兴趣区域Q1血液灌注大于整个皮肤组织区域功率谱的均值，此时血液信息相对饱满，血管相对丰富。由于感兴趣区域Q1指定选取大小为[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)，该区域远小于含有皮肤组织图像的区域，因此以该Q1区域中心点值(a1/2，b1/2)为圆心，以x个像素为半径做圆形区域Q’(a1/2<x,b1/2<x)，当感兴趣区域Q1遍历Q’内所有像素点位置，在所有像素位置时感兴趣区域Q1的ω值均大于0.5，则表明该拓展区域的血液量均丰富，因此以拓展后的感兴趣区域Q’作为血糖检测的最佳区域。
本发明一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法，是基于血液灌注成像的方式对血糖检测区域进行选择，适用于人体不同部位的血糖检测区域的选择，本发明实施例以手指作为血糖检测区域的选择进行具体说明。
1.视频采集模块的视频采集过程包括：所述手指视频采集过程为将患者手指放入只有可见光作为唯一光源的暗室装置内，开启可见光光源照射手指的指腹区域，同时开启CCD彩色相机，通过设置相机帧率以及采集图像尺寸、采集视频时长以此获得在可见光源下的不同手指图像的视频。
2.脉搏波分析模块包括手指成像视频的感兴趣区域Q1的选取，感兴趣区域Q1脉搏波的提取以及感兴趣区域Q1脉搏率PR的提取。主要包括以下步骤：
第一步，针对手指视频的第一帧图像，选择含有手指图像的区域，以矩形矩阵选取[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)的任意像素点位置作为脉搏波提取的感兴趣区域Q1，由于任意位置的选取，使得感兴趣区域发生变化，则变化第i个位置后的感兴趣区域记为Q1(i)。
第二步，针对第一步选择的区域Q1(i)进行信号采样处理，对信号进行快速Fourier变换，求出快速Fourier变换后的频谱信号pi(t)。由于脉搏信号的频率大约在0.7hz-2.5hz之间，因此采用带通滤波器以[B1,B2]对其滤波，从而提取出脉搏波信号。
第三步，针对第二步求得的脉搏波信号，利用CHROM算法从脉搏波峰值时间序列估计脉搏率PR。
3.功率谱计算模块，其特征在于，所述脉搏率PR小范围的功率谱F(Q2)是指：[PR-k,PR+k]代表在频域内脉搏率的附近区域，则功率谱F(Q2)是指频域信号pi(t)在[PR-k,PR+k]区间上的积分，则有
第i个位置变化的感兴趣区域Q1的功率谱F(Q1(i))为[B1,B2]上的积分，则
4.脉搏率PP附近范围的功率谱F(Q2)与每一帧图像感兴趣区域的功率谱F(Q1(i))减掉F(Q2)功率谱的比值为G，则可以表示为
由于感兴趣区域Q1位置的选取是任意的，随着选取矩阵的位置发生变化，会产生像素点的移动，使得F(Q1)值不断变化，会产生多个不同的G值，即第i个位置的功率谱计算比值为G(i)，因此可以利用G(i)的变化成像手指血液灌注变化。通过灌注图中的颜色变化可以显示血液信息的分布情况，浅色区域血液信息相对丰富，深色区域血液信息相对较弱。
5.血糖检测区域选择模块：由于不同G(i)变化形成血液灌注变化图，以第i个位置的G(i)值作为测量点；以n个位置下的G(n)值求和取均值的G'作为参考点，则
通过比较变化量G(i)与G’的比值大小ω来选择是否作为血糖的检测区域，即
当ω值大于0.5时，表明第i次所选择的感兴趣区域Q1血液灌注大于整个手指区域功率谱的均值，此时血液信息相对饱满，血管相对丰富。
由于感兴趣区域Q1指定选取大小为[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)，该区域远小于手指图像，因此以该Q1区域中心点值(a1/2,b1/2)，以x个像素为半径做圆形区域Q’(a1/2<x,b1/2<x)，当感兴趣区域Q1遍历Q’内所有像素点位置，在所有像素位置时感兴趣区域Q1的ω值均大于0.5，则表明该拓展区域的血液量均丰富，因此以拓展后的感兴趣区域Q’作为血糖检测的最佳区域。
本发明的有益效果是，本发明利用可见光波段的光学检测方式简单、便捷的实现血糖检测区域的选择，减轻病人多次采集无效区域血糖值的痛苦，降低多次采血带来的感染风险；避免采集一些不合适区域而使得血糖值检测精度不准确，贻误病情；减少测试试纸、采血针等血糖测试材料的浪费。
附图说明
图1为装置流程图。
图2为手指视频暗室采集装置。
图3为手指血液灌注分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法作进一步详细说明。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，附图所展示的结构是实际结构的一部分；其次，本发明以手指血糖的检测区域的选择作为实施例进行说明，人体不同部位的皮肤组织血糖检测区域的选择同样适用。
一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法，其流程图如图1所示。
视频采集模块：用于获得人体不同部位皮肤组织的成像视频，包括CCD相机以及产生可见光的光源装置；
脉搏波分析模块：针对采集到的视频选取视频第一帧图像含有皮肤组织的区域，以区间[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)截取任意位置的矩形感兴趣区域Q1提取脉搏波信号；利用CHROM算法从感兴趣区域Q1处理过的脉搏波信号时间序列中估计脉搏率Pulse Rate(PR)；
功率谱计算模块：在频域范围内，计算脉搏率PR附近范围内的感兴趣区域Q2的功率谱F(Q2)以及计算感兴趣区域Q1的脉搏波信号功率谱F(Q1)，由于感兴趣区域Q1位置选取的任意性，则第i位置对应的功率谱为F(Q1(i))；
血液灌注成像模块：脉搏率PR附近区域范围的功率谱F(Q2)与感兴趣区域Q1的功率谱F(Q1(i))减掉F(Q2)功率谱的比值为G。由于感兴趣区域Q1位置的选取是任意的，随着选取矩阵的位置发生变化，会产生像素点的移动，使得F(Q1)值不断变化，则相应的第i个位置变化下有G(i)值，因此可以利用G(i)的变化使得手指血液灌注在二维成像。通过血液灌注图中的颜色变化可以显示相应部位的血液信息的分布情况，浅色区域血液信息相对丰富，深色区域血液信息相对较弱；
血糖检测区域选择模块：以第i个位置的G(i)值作为测量点(i＝1,2,3...,n)，对n个位置下的每个G(n)值求和取均值作为参考点G'，ω表示G(i)与G’的比值。当ω值大于0.5时，表明第i次所选择的感兴趣区域Q1血液灌注大于整个皮肤组织区域功率谱的均值，此时血液信息相对饱满，血管相对丰富。由于感兴趣区域Q1指定选取大小为[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)，该区域远小于含有皮肤组织图像的区域，因此以该Q1区域中心点值(a1/2，b1/2)为圆心，以x个像素为半径做圆形区域Q’(a1/2<x,b1/2<x)，当感兴趣区域Q1遍历Q’内所有像素点位置，在所有像素位置时感兴趣区域Q1的ω值均大于0.5，则表明该拓展区域的血液量均丰富，因此以拓展后的感兴趣区域Q’作为血糖检测的最佳区域。
一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法，以手指作为血糖检测区域的选择作为实施例，其具体的操作过程下：
步骤1：启动光源与相机：
将患者手指放入只有可见光作为唯一光源的暗室装置内，暗室装置如图2所示。开启白光灯照射手指的指腹区域，同时开启CCD相机。
步骤2：视频采集模块：
利用CCD相机获取手指的后向散射光成像视频。CCD相机对手指拍摄时长在t＝30秒(或30秒以上)，设置相机帧率为30fps，拍摄期间手指保持不动。设置CCD相机采集视频的时间，获得N＝900帧(900帧以上)的视频数据。
步骤3：脉搏波分析模块：
步骤3-1，针对手指视频的第一张图像，选择含有手指图像的区域，以矩形矩阵选取[a1,b1]的任意区域作为脉搏波提取的感兴趣区域Q1，由于任意区域的选取，使得感兴趣区域发生变化，则变化第i个位置后的感兴趣区域记为Q1(i)。
步骤3-2，针对步骤3-1选择的区域Q1(i)进行信号采样处理，对信号进行快速Fourier变换，求出快速Fourier变换后的频谱信号pi(t)。由于脉搏信号的频率大约在0.7hz-2.5hz之间，因此采用带通滤波器对其滤波提取出脉搏波信号。
步骤3-3，针对步骤3-2求得的脉搏波信号，利用CHROM算法从脉搏波周期图中的峰值时间序列估计脉搏率PR。
步骤4：功率谱计算模块：
步骤4-1，利用步骤3-3计算出的脉搏率，求得脉搏率附近范围的功率谱F(Q2)：所述脉搏率PR附近范围的功率谱F(Q2)是指：[PR-k,PR+k]代表在频域内脉搏率的附近区域，则功率谱F(Q2)是指频域信号pi(t)在[PR-k,PR+k]区间上的积分，则有
第i个位置变化的感兴趣区域Q1的功率谱F(Q1(i))为[B1,B2]上的积分，则
步骤5：手指血液灌注成像模块：
步骤5-1，脉搏率PR附近区域范围的功率谱F(Q2)与图像感兴趣区域的功率谱F(Q1(i))减掉F(Q2)功率谱的比值为G，则表达式为公式(3)
由于感兴趣区域Q1选取是任意的，随着选取矩阵的位置发生变化，会产生像素点的移动，使得F(Q1)值不断变化，会产生多个不同的G值，即G(i)，因此可以利用G(i)的变化成像手指血液灌注变化。通过灌注图中的颜色变化可以显示血液信息的分布情况，浅色区域血液信息相对丰富，深色区域血液信息相对较弱。
步骤6：血糖检测区域的选择
步骤6-1，对步骤5-1手指血液灌注变化图分析后，结果如图3所示。图3中可以显示出不同的感兴趣区域Q1下的血液灌注不同，图中浅色区域代表血液信号丰富，深色区域代表血液信号较差，颜色越深，血液信息越微弱。
步骤6-2，由于不同G(i)变化形成血液灌注变化图，由于不同G(i)变化形成血液灌注变化图，以第i个位置的G(i)值作为测量点；以n个位置下的G(n)值求和取均值的G'作为参考点，则
通过比较变化量G(i)与G’的比值大小ω来选择是否作为血糖的检测区域，即
当ω值大于0.5时，表明第i次所选择的感兴趣区域Q1血液灌注大于整个手指区域功率谱的均值，此时血液信息相对饱满，血管相对丰富，该区域因此被选择作为血糖检测的最佳区域。
6.步骤6-3，由于感兴趣区域Q1指定选取大小为[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)，该区域远小于手指图像，因此以该Q1区域中心点值(a1/2,b1/2)，以x个像素为半径做圆形区域Q’(a1/2<x,b1/2<x)，当感兴趣区域Q1遍历Q’内所有像素点位置，在所有像素位置时感兴趣区域Q1的ω值均大于0.5，则表明该拓展区域的血液量均丰富，因此以拓展后的感兴趣区域Q’作为血糖检测的最佳区域。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于血液灌注成像的血糖检测区域选择的方法，其特征在于，包括：
视频采集模块：用于获得人体不同部位皮肤组织的成像视频，包括CCD相机以及产生可见光的光源装置；
脉搏波分析模块：针对采集到的视频选取视频第一帧图像含有皮肤组织的区域，以区间[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)截取任意位置的矩形感兴趣区域Q1提取脉搏波信号；利用CHROM算法从感兴趣区域Q1处理过的脉搏波信号时间序列中估计脉搏率PulseRate(PR)；
功率谱计算模块：在频域范围内，计算脉搏率PR附近范围内的感兴趣区域Q2的功率谱F(Q2)以及计算感兴趣区域Q1的脉搏波信号功率谱F(Q1)，由于感兴趣区域Q1位置选取的任意性，则第i位置对应的功率谱为F(Q1(i))；
血液灌注成像模块：脉搏率PR附近区域范围的功率谱F(Q2)与感兴趣区域Q1的功率谱F(Q1(i))减掉F(Q2)功率谱的比值为G；由于感兴趣区域Q1位置的选取是任意的，随着选取矩阵的位置发生变化，会产生像素点的移动，使得F(Q1)值不断变化，则相应的第i个位置变化下有G(i)值，因此可以利用G(i)的变化使得手指血液灌注在二维成像；通过血液灌注图中的颜色变化可以显示相应部位的血液信息的分布情况，浅色区域血液信息相对丰富，深色区域血液信息相对较弱；
血糖检测区域选择模块：以第i个位置的G(i)值作为测量点(i＝1,2,3…,n)，对n个位置下的每个G(n)值求和取均值作为参考点G'，ω表示G(i)与G’的比值；当ω值大于0.5时，表明第i次所选择的感兴趣区域Q1血液灌注大于整个皮肤组织区域功率谱的均值，此时血液信息相对饱满，血管相对丰富；由于感兴趣区域Q1指定选取大小为[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)，该区域远小于含有皮肤组织图像的区域，因此以该Q1区域中心点值(a1/2，b1/2)为圆心，以x个像素为半径做圆形区域Q’(a1/2<x,b1/2<x)，当感兴趣区域Q1遍历Q’内所有像素点位置，在所有像素位置时感兴趣区域Q1的ω值均大于0.5，则表明该拓展区域的血液量均丰富，因此以拓展后的感兴趣区域Q’作为血糖检测的最佳区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，适用于人体不同部位皮肤组织血糖检测区域的选择。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以手指血糖检测区域的选择为例进行说明。
视频采集模块的视频采集过程包括：采集不同手指的视频，所述视频采集过程为将患者手指放入只有可见光作为唯一光源的暗室装置内，开启可见光光源照射手指的指腹区域，同时开启CCD彩色相机，通过设置相机帧率以及采集视频尺寸、采集视频时长以此获得在可见光源下的手指视频。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，脉搏波分析模块包括手指成像视频的感兴趣区域Q1的选取，感兴趣区域Q1脉搏波的提取以及感兴趣区域Q1脉搏率PR的提取，主要包括以下步骤：
第一步，针对手指视频的第一帧图像，选择含有手指图像的区域，以矩形矩阵选取[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)的任意像素点位置作为脉搏波提取的感兴趣区域Q1，由于任意位置的选取，使得感兴趣区域发生变化，则变化第i个位置后的感兴趣区域记为Q1(i)；
第二步，针对第一步选择的区域Q1(i)进行信号采样处理，对信号进行快速Fourier变换，求出快速Fourier变换后的频谱信号pi(t)；由于脉搏信号的频率大约在0.7hz-2.5hz之间，因此采用带通滤波器以[B1,B2]对其滤波，从而提取出脉搏波信号；
第三步，针对第二步求得的脉搏波信号，利用CHROM算法从脉搏波峰值时间序列估计脉搏率PR。
5.根据权利要求1所述的方法，功率谱计算模块，其特征在于，所述脉搏率PR附近范围的功率谱F(Q2)是指：[PR-k,PR+k]代表在频域内脉搏率的附近区域，则功率谱F(Q2)是指频域信号pi(t)在[PR-k,PR+k]区间上的积分，则有
第i个位置变化的感兴趣区域Q1的功率谱F(Q1(i))为[B1,B2]上的积分，则
6.根据权利要求1所述的方法，手指血液灌注成像模块，其特征在于，脉搏率PR附近区域范围的功率谱F(Q2)与感兴趣区域的功率谱F(Q1(i))减掉F(Q2)功率谱的比值为G，则有
由于感兴趣区域Q1位置的选取是任意的，随着选取矩阵的位置发生变化，会产生像素点的移动，使得F(Q1)值不断变化，会产生多个不同的G值，即第i个位置的功率谱计算比值为G(i)，因此可以利用G(i)的变化成像手指血液灌注变化；通过灌注图中的颜色变化可以显示血液信息的分布情况，浅色区域血液信息相对丰富，深色区域血液信息相对较弱。
7.根据权利要求1所述的方法，血糖检测区域选择模块，其特征在于：由于不同G(i)变化形成血液灌注变化图，以第i个位置的G(i)值作为测量点；以n个位置下的G(n)值求和取均值的G'作为参考点，则
通过比较变化量G(i)与G’的比值大小ω来选择是否作为血糖的检测区域，即
当ω值大于0.5时，表明第i次所选择的感兴趣区域Q1血液灌注大于整个手指区域功率谱的均值，此时血液信息相对饱满，血管相对丰富。
8.根据权利要求1所述的方法，手指血糖检测区域选择模块，其特征在于，由于感兴趣区域Q1指定选取大小为[a1,b1](高度为a1，宽度为b1)，该区域远小于手指图像，因此以该Q1区域中心点值(a1/2,b1/2)，以x个像素为半径做圆形区域Q’(a1/2<x,b1/2<x)，当感兴趣区域Q1遍历Q’内所有像素点位置，在所有像素位置时感兴趣区域Q1的ω值均大于0.5，则表明该拓展区域的血液量均丰富，因此以拓展后的感兴趣区域Q’作为血糖检测的最佳区域。
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