CN113974617A - 基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供人体皮肤组织光学与生理参数提取方法，通过对人体皮肤组织采集宽场成像，通过朗伯比尔定律的最小二乘法结合最小误差准则计算生理参数，提高了反演血氧饱和度的准确性。检测人员进行血氧饱和度检测和健康建议反馈，对疾病进行早期发现和预防。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体来说是一种基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法及系统。
背景技术
随着人口老龄化以及生活方式的变化，糖尿病足的患病率急剧增长，糖尿病具有治疗难度大、治疗费用高、高复发率、高致残率、高死亡率等特点。因此，有效的早期诊断和干预是非常重要的。
微血管血氧饱和度包含皮肤和皮下组织的氧气输送和消耗速率的信息，血氧饱和度监测在微循环和代谢的临床诊断、慢性病的基础研究中具有重要的意义。传统的血氧饱和度测量方法是使用经皮氧分压仪测出血氧分压PO2，再计算出血氧饱和度。这种方法灵敏度低，测量时间久，并且只能单点接触式测量。
空间频域成像技术可以以中等分辨率(<1mm)快速(几秒到几分钟)测量大面积(>cm)，在临床具有很大价值。
公开号为CN 106821332公开了一种多功能糖尿病足检测仪，通过经皮氧分压电极片测量经皮氧分压、足部温度等评估糖尿病患者病变程度。这种方法需要接触测量，并且测量时间比较长，而且测量血氧饱和度灵敏度比较低。
公开号为210204742公开了一种蓝牙无线血氧饱和度检测探头，通过指套式光电传感器测量血氧饱和度。这种方法无法用于大面积测量，只能测量特定指头的血氧饱和度。
针对血氧饱和度等生理参数提取，如：功能性近红外光谱法、扩散光学断层扫描等，都是基于点源和探测器成像。随着光学技术和光学器件的发展，空间频域成像技术使用结构光和特定的光学模型，实现组织血氧定量、快速、宽场成像。
血氧饱和度由氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白组成，一般需要两个波长进行提取，然而提取人体皮肤组织氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白时存在皮肤黑色素的干扰，空间频域成像技术一般通过增加波长或结构光频率来解决皮肤黑色素的干扰，但与此同时，也增加了系统的成本与采集时间，
公开号为CN 102883658公开了一种用于使用结构化照明经由单元件检测来分析浑浊介质的方法和设备，通过多个光源(>2)和两个或多个频率实现对皮肤氧饱和度的提取，增加了系统成本和采集时间。
公开号为110573064公开了一种用于评价糖尿病循环并发症的系统和方法，同样是通过多个光源(>2)和两个或多个频率实现对皮肤氧饱和度的提取，增加了系统成本和采集时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于空间频域成像技术两个可见光光源反演生理参数不准确。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法，包括以下步骤：
步骤1、采集人体皮肤组织的漫反射图像，得到原始图像；
步骤2、对所述原始图像进行图像算法处理，得到光学、生理参数，具体为：
假设同一频率同一波长下拍摄的图片光强为I1，I2，I3...In，运用多相位移法计算不同位置xi光子密度振幅MAC(xi,fx)：
引入参考白板计算不同频率的漫反射率Rd(xi,fx)：
其中，Rd,ref,pred(fx)为参考白板的漫反射率；
由漫反射率Rd(fx)通过扩散理论使用最小二乘拟合得到光学参数ua和us′；
其中，传递系数μtr＝μa+μs′，有效衰减系数μe′ff＝(3μaμtr+K2)1/2，频率K＝2πfx，常数
有效反射系数
n为折射率；
步骤3、光学参数通过朗伯比尔定律最小二乘拟合反演生理参数：
其中，εi是给定波长λj下发生色团的消光系数，ci为发色团浓度；
拟合的氧合
还原CHb血红蛋白通过朗伯比尔定律计算光学参数，
和εHb分别为氧合血红蛋白消光系数和还原血红蛋白消光系数：
真实光学参数ua,measure与计算光学参数ua,reverse计算相对误差：
最后通过误差最小确定生理参数。
本发明人体皮肤组织光学与生理参数提取方法利用现有的工具和空间频域成像技术可以实现对人体皮肤组织的无创、快速、宽场成像，通过朗伯比尔定律的最小二乘法结合最小误差准则，提高了反演血氧饱和度的准确性。检测人员进行血氧饱和度检测和健康建议反馈，对疾病进行早期发现和预防。
进一步的，所述步骤1中原始图像的拍摄设备包括两路LD激光测距仪、LED发光芯片、准直耦合透镜、二向色镜、数字微镜晶片、CMOS相机；两路所述LD激光测距仪发射的激光聚集在人体皮肤的待测点，所述LED发光芯片发射的光依次经过准直耦合透镜和二向色镜到达数字微镜晶片，并调制成不同频率、不同相位、不同波长的投射光依次投射到人体皮肤的待测点；所述CMOS相机对人体皮肤待测点拍照。
进一步的，，所述原始图片拍摄的方法为：
步骤1.1调整LD激光测距设备和多波长LED发光芯片的高度和角度，使两条LD激光聚焦在人体皮肤的待测点，确保镜头与待测人体皮肤组织平行，且距离为30cm；
步骤1.2多波长LED发光芯片经准直耦合透镜和二向色镜后抵达数字微镜晶片；
步骤1.3数字微镜晶片调制成的结构光依次投射到待测人体皮肤组织；
步骤1.4CMOS相机依次抓拍不同频率不同相位不同波长透射光下的待测皮肤组织原始图像。
进一步的，所述步骤3中生理参数包括氧合、还原血红蛋白、黑色素浓度；然后根据和色素浓度与阈值的比较，若小于阈值，则输出生理参数，由氧合、还原血红蛋白计算氧饱和度，用以评估检测人员的微循环状况
与上述方法对应的，本发明还提供一种组织血氧宽场成像系统，包括：
图像采集模块，用以采集人体皮肤组织的漫反射图像，得到原始图像；
图像处理模块；用以对所述原始图像进行图像算法处理，得到光学、生理参数，具体为：
假设同一频率同一波长下拍摄的图片光强为I1，I2，I3...In，运用多相位移法计算不同位置xi光子密度振幅MAC(xi,fx)：
引入参考白板计算不同频率的漫反射率Rd(xi,fx)：
其中，Rd,ref,pred(fx)为参考白板的漫反射率；
由漫反射率Rd(fx)通过扩散理论使用最小二乘拟合得到光学参数ua和us′；
其中，传递系数μtr＝μa+μs′，有效衰减系数μe′ff＝(3μaμtr+K2)1/2，频率K＝2πfx，常数
有效反射系数
n为折射率；
生理参数计算模块，用以将光学参数通过朗伯比尔定律最小二乘拟合反演生理参数：
其中，εi是给定波长λj下发生色团的消光系数，ci为发色团浓度；
拟合的氧合
还原CHb血红蛋白通过朗伯比尔定律计算光学参数，
和εHb分别为氧合血红蛋白消光系数和还原血红蛋白消光系数：
真实光学参数ua,measure与计算光学参数ua,reverse计算相对误差：
最后通过误差最小确定生理参数。
进一步的，所述图像采集模块中原始图像的拍摄设备包括两路LD激光测距仪、LED发光芯片、准直耦合透镜、二向色镜、数字微镜晶片、CMOS相机；两路所述LD激光测距仪发射的激光聚集在人体皮肤的待测点，所述LED发光芯片发射的光依次经过准直耦合透镜和二向色镜到达数字微镜晶片，并调制成不同频率、不同相位、不同波长的投射光依次投射到人体皮肤的待测点；所述CMOS相机对人体皮肤待测点拍照。
进一步的，所述原始图片拍摄的方法为：
步骤1.1调整LD激光测距设备和多波长LED发光芯片的高度和角度，使两条LD激光聚焦在人体皮肤的待测点，确保镜头与待测人体皮肤组织平行，且距离为30cm；
步骤1.2多波长LED发光芯片经准直耦合透镜和二向色镜后抵达数字微镜晶片；
步骤1.3数字微镜晶片调制成的结构光依次投射到待测人体皮肤组织；
步骤1.4CMOS相机依次抓拍不同频率不同相位不同波长透射光下的待测皮肤组织原始图像。
进一步的，所述生理参数计算模块中生理参数包括氧合、还原血红蛋白、黑色素浓度；然后根据和色素浓度与阈值的比较，若小于阈值，则输出生理参数，由氧合、还原血红蛋白计算氧饱和度，用以评估检测人员的微循环状况
与上述方法对应的，本发明还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。
与上述方法对应的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的方法。
本发明的优点在于：
本发明人体皮肤组织光学与生理参数提取方法利用现有的工具和空间频域成像技术可以实现对人体皮肤组织的无创、快速、宽场成像，通过朗伯比尔定律的最小二乘法结合最小误差准则，提高了反演血氧饱和度的准确性。检测人员进行血氧饱和度检测和健康建议反馈，对疾病进行早期发现和预防。具体的，本发明采用两个波长和两个频率解决提取血氧饱和度时皮肤黑色素干扰的方法，既节约成本降低系统复杂度，又可节约采集时间。
附图说明
图1为本发明实施例中基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法的流程图；
图2为本发明实施例中基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法拍摄设备的原理图；
图3为本发明实施例中基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法中所采用的反演算法的流程图；
图4为本发明实施例中基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法中所采用的最小误差准在算法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法，如图2所示，本实施例中所采用的拍摄设备包括两路LD激光测距仪、LED发光芯片、准直耦合透镜、二向色镜、数字微镜晶片、CMOS相机；两路所述LD激光测距仪发射的激光聚集在人体皮肤的待测点，所述LED发光芯片发射的光依次经过准直耦合透镜和二向色镜到达数字微镜晶片，并调制成不同频率、不同相位、不同波长的投射光依次投射到人体皮肤的待测点；所述CMOS相机对人体皮肤待测点拍照。本实施例中照明设备采用中心波长分别为529nm和617nm的LED。如图1所示，具体方法包括以下步骤：
步骤1、采集人体皮肤组织的漫反射图像，得到原始图像；在使用本实施例方法的人体皮肤组织光学、生理参数提取系统时，首先建立个人档案，度检测人员首先录入个人信息，如：姓名、性别、年龄、身高、体重。以便本专利系统提供精准的健康建议信息并对个人健康信息进行保存。同时可以满足血氧饱和度检测人员对过去自身健康情况进行查询，有利于血氧饱和度检测人员对自身身体状况的综合了解。然后开始采集图像，采集方法如下：
步骤1.1调整LD激光测距设备和多波长LED发光芯片的高度和角度，使两条LD激光聚焦在人体皮肤的待测点，确保镜头与待测人体皮肤组织平行，且距离为30cm；
步骤1.2多波长LED发光芯片经准直耦合透镜和二向色镜后抵达数字微镜晶片；
步骤1.3数字微镜晶片调制成的结构光依次投射到待测人体皮肤组织；
步骤1.4CMOS相机依次抓拍不同频率不同相位不同波长透射光下的待测皮肤组织原始图像。
步骤2、如图3所示，对步骤1获取的漫反射图进行图像算法处理，进而反演光学、生理参数，进一步对检测人员健康状况进行反馈。具体为：
步骤2.1假设同一频率同一波长下拍摄的图片光强为I1，I2，I3...In，运用多相位移法计算不同位置xi光子密度振幅MAC(xi,fx)：
步骤2.2引入参考白板计算不同频率的漫反射率Rd(xi,fx)：
其中，Rd,ref,pred(fx)为参考白板的漫反射率，一般为0.99，MAC,ref(xi,fx)可通过步骤2.1的公式得到；
步骤2.3由漫反射率Rd(fx)通过扩散理论使用最小二乘拟合得到光学参数ua和us′；
其中，传递系数μtr＝μa+μs′，有效衰减系数μe′ff＝(3μaμtr+K2)1/2，频率K＝2πfx，常数
有效反射系数
n为折射率；
步骤3、如图4所示，光学参数通过朗伯比尔定律最小二乘拟合反演生理参数：
其中，εi是给定波长λj下发生色团的消光系数，ci为发色团浓度；
拟合的氧合
还原CHb血红蛋白通过朗伯比尔定律计算光学参数，
和εHb分别为氧合血红蛋白消光系数和还原血红蛋白消光系数：
真实光学参数ua,measure与计算光学参数ua,reverse计算相对误差：
最后通过误差最小确定生理参数。
步骤3中生理参数包括氧合、还原血红蛋白、黑色素浓度；初始化黑色素浓度，梯度为：0-5mM，间隔0.1mM。确定的黑色素浓度，缩小浓度范围(反演值加减间隔单位，并更新间隔缩小十倍)，对比两次误差的误差，若小于阈值(0.0001)，输出生理参数(氧合、还原血红蛋白和黑色素)，由氧合、还原血红蛋白计算氧饱和度，用以评估检测人员的微循环状况
步骤4、血氧饱和度检测人员信息和检测结果显示到显示器并进行存储，方便对检测人员的健康查询，有利于对血氧饱和度检测人员进行微循环评估。
本实施例针对反演生理参数不确定的特点，通过朗伯比尔定律的最小二乘法结合最小误差准则，解决不确定度问题，提高了反演血氧饱和度的准确性。
与上述方法对应的，本实施例还提供一种组织血氧宽场成像系统，包括：
图像采集模块，用以采集人体皮肤组织的漫反射图像，得到原始图像；在使用本实施例方法的人体皮肤组织光学、生理参数提取系统时，首先建立个人档案，度检测人员首先录入个人信息，如：姓名、性别、年龄、身高、体重。以便本专利系统提供精准的健康建议信息并对个人健康信息进行保存。同时可以满足血氧饱和度检测人员对过去自身健康情况进行查询，有利于血氧饱和度检测人员对自身身体状况的综合了解。然后开始采集图像，采集方法如下：
步骤1.1调整LD激光测距设备和多波长LED发光芯片的高度和角度，使两条LD激光聚焦在人体皮肤的待测点，确保镜头与待测人体皮肤组织平行，且距离为30cm；
步骤1.2多波长LED发光芯片经准直耦合透镜和二向色镜后抵达数字微镜晶片；
步骤1.3数字微镜晶片调制成的结构光依次投射到待测人体皮肤组织；
步骤1.4CMOS相机依次抓拍不同频率不同相位不同波长透射光下的待测皮肤组织原始图像。
图像处理模块；用以对步骤1获取的漫反射图进行图像算法处理，进而反演光学、生理参数，进一步对检测人员健康状况进行反馈。具体为：
步骤2.1假设同一频率同一波长下拍摄的图片光强为I1，I2，I3...In，运用多相位移法计算不同位置xi光子密度振幅MAC(xi,fx)：
步骤2.2引入参考白板计算不同频率的漫反射率Rd(xi,fx)：
其中，Rd,ref,pred(fx)为参考白板的漫反射率，一般为0.99，MAC,ref(xi,fx)可通过步骤2.1的公式得到；
步骤2.3由漫反射率Rd(fx)通过扩散理论使用最小二乘拟合得到光学参数ua和us′；
其中，传递系数μtr＝μa+μs′，有效衰减系数μe′ff＝(3μaμtr+K2)1/2，频率K＝2πfx，常数
有效反射系数
n为折射率；
生理参数计算模块，用以将光学参数通过朗伯比尔定律最小二乘拟合反演生理参数：
其中，εi是给定波长λj下发生色团的消光系数，ci为发色团浓度；
拟合的氧合
还原CHb血红蛋白通过朗伯比尔定律计算光学参数，
和εHb分别为氧合血红蛋白消光系数和还原血红蛋白消光系数：
真实光学参数ua,measure与计算光学参数ua,reverse计算相对误差：
最后通过误差最小确定生理参数。
生理参数计算模块中生理参数包括氧合、还原血红蛋白、黑色素浓度；初始化黑色素浓度，梯度为：0-5mM，间隔0.1mM。确定的黑色素浓度，缩小浓度范围(反演值加减间隔单位，并更新间隔缩小十倍)，对比两次误差的误差，若小于阈值(0.0001)，输出生理参数(氧合、还原血红蛋白和黑色素)，由氧合、还原血红蛋白计算氧饱和度，用以评估检测人员的微循环状况
显示模块，用以将血氧饱和度检测人员信息和检测结果显示到显示器并进行存储，方便对检测人员的健康查询，有利于对血氧饱和度检测人员进行微循环评估。
本实施例还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执上述的方法。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采集人体皮肤组织的漫反射图像，得到原始图像；
步骤2、对所述原始图像进行图像算法处理，得到光学、生理参数，具体为：
假设同一频率同一波长下拍摄的图片光强为I1，I2，I3...In，运用多相位移法计算不同位置xi光子密度振幅MAC(xi,fx)：
引入参考白板计算不同频率的漫反射率Rd(xi,fx)：
其中，Rd,ref,pred(fx)为参考白板的漫反射率；
由漫反射率Rd(fx)通过扩散理论使用最小二乘拟合得到光学参数ua和u′s；
其中，传递系数μtr＝μa+μ′s，有效衰减系数μ′eff＝(3μaμtr+K2)1/2，频率K＝2πfx，常数
有效反射系数
n为折射率；
步骤3、光学参数通过朗伯比尔定律最小二乘拟合反演生理参数：
其中，εi是给定波长λj下发生色团的消光系数，ci为发色团浓度；
拟合的氧合
还原CHb血红蛋白通过朗伯比尔定律计算光学参数，
和εHb分别为氧合血红蛋白消光系数和还原血红蛋白消光系数：
真实光学参数ua,measure与计算光学参数ua,reverse计算相对误差：
最后通过误差最小确定生理参数。
2.根据权利要求1所述的基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法，其特征在于，所述步骤1中原始图像的拍摄设备包括两路LD激光测距仪、LED发光芯片、准直耦合透镜、二向色镜、数字微镜晶片、CMOS相机；两路所述LD激光测距仪发射的激光聚集在人体皮肤的待测点，所述LED发光芯片发射的光依次经过准直耦合透镜和二向色镜到达数字微镜晶片，并调制成不同频率、不同相位、不同波长的投射光依次投射到人体皮肤的待测点；所述CMOS相机对人体皮肤待测点拍照。
3.根据权利要求2所述的基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法，其特征在于，所述原始图片拍摄的方法为：
步骤1.1调整LD激光测距设备和多波长LED发光芯片的高度和角度，使两条LD激光聚焦在人体皮肤的待测点，确保镜头与待测人体皮肤组织平行，且距离为30cm；
步骤1.2多波长LED发光芯片经准直耦合透镜和二向色镜后抵达数字微镜晶片；
步骤1.3数字微镜晶片调制成的结构光依次投射到待测人体皮肤组织；
步骤1.4CMOS相机依次抓拍不同频率不同相位不同波长透射光下的待测皮肤组织原始图像。
4.根据权利要求1至3任一所述的基于组织血氧宽场成像的血氧检测方法，其特征在于，所述步骤3中生理参数包括氧合、还原血红蛋白、黑色素浓度；然后根据和色素浓度与阈值的比较，若小于阈值，则输出生理参数，由氧合、还原血红蛋白计算氧饱和度，用以评估检测人员的微循环状况
5.组织血氧宽场成像系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用以采集人体皮肤组织的漫反射图像，得到原始图像；
图像处理模块；用以对所述原始图像进行图像算法处理，得到光学、生理参数，具体为：
假设同一频率同一波长下拍摄的图片光强为I1，I2，I3...In，运用多相位移法计算不同位置xi光子密度振幅MAC(xi,fx)：
引入参考白板计算不同频率的漫反射率Rd(xi,fx)：
其中，Rd,ref,pred(fx)为参考白板的漫反射率；
由漫反射率Rd(fx)通过扩散理论使用最小二乘拟合得到光学参数ua和us′；
其中，传递系数μtr＝μa+μ′s，有效衰减系数μ′eff＝(3μaμtr+K2)1/2，频率K＝2πfx，常数
有效反射系数
n为折射率；
生理参数计算模块，用以将光学参数通过朗伯比尔定律最小二乘拟合反演生理参数：
其中，εi是给定波长λj下发生色团的消光系数，ci为发色团浓度；
拟合的氧合
还原CHb血红蛋白通过朗伯比尔定律计算光学参数，
和εHb分别为氧合血红蛋白消光系数和还原血红蛋白消光系数：
真实光学参数ua,measure与计算光学参数ua,reverse计算相对误差：
最后通过误差最小确定生理参数。
6.根据权利要求5所述的组织血氧宽场成像系统，其特征在于，所述图像采集模块中原始图像的拍摄设备包括两路LD激光测距仪、LED发光芯片、准直耦合透镜、二向色镜、数字微镜晶片、CMOS相机；两路所述LD激光测距仪发射的激光聚集在人体皮肤的待测点，所述LED发光芯片发射的光依次经过准直耦合透镜和二向色镜到达数字微镜晶片，并调制成不同频率、不同相位、不同波长的投射光依次投射到人体皮肤的待测点；所述CMOS相机对人体皮肤待测点拍照。
7.根据权利要求6所述的组织血氧宽场成像系统，其特征在于，所述原始图片拍摄的方法为：
步骤1.1调整LD激光测距设备和多波长LED发光芯片的高度和角度，使两条LD激光聚焦在人体皮肤的待测点，确保镜头与待测人体皮肤组织平行，且距离为30cm；
步骤1.2多波长LED发光芯片经准直耦合透镜和二向色镜后抵达数字微镜晶片；
步骤1.3数字微镜晶片调制成的结构光依次投射到待测人体皮肤组织；
步骤1.4CMOS相机依次抓拍不同频率不同相位不同波长透射光下的待测皮肤组织原始图像。
8.根据权利要求5至7任一所述的组织血氧宽场成像系统，其特征在于，所述生理参数计算模块中生理参数包括氧合、还原血红蛋白、黑色素浓度；然后根据和色素浓度与阈值的比较，若小于阈值，则输出生理参数，由氧合、还原血红蛋白计算氧饱和度，用以评估检测人员的微循环状况
9.一种处理设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至4任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至4任一所述的方法。
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