CN114343625A - 基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于彩色图像并行分析指尖毛细血管中血氧饱和度(SpO2)、一氧化碳结合量、气体交换速率等血气参数变化及空间分布情况的方法，方法包括：采集指尖毛细血管显微录像；对采集得到的彩色图像进行预处理，分割得到毛细血管和单个红细胞等区域；通过对区域内图像的各颜色特征通道进行分离，得到各通道强度值；结合彩色图像各通道特征值与血气生理参数的变换关系，能够得出图像上每个区域的生理参数，如：血氧饱和度、一氧化碳结合量等。图像特征和生理参数的变换关系可以通过校准或者光吸收模型获得。此外，根据录像中红细胞的移动，可以获得红细胞流速，以及氧气交换速率等。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像处理、机器视觉分析领域，具体涉及一种基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法及应用。
背景技术
血氧饱和度，常用于表征人体血液中氧气的含量，通常表示为氧合血红蛋白(HbO2)容量与血红蛋白(Hb)容量的百分比，是评价人体血液带氧能力的重要生理参数。在人体微循环过程中，携带氧气的红细胞在毛细血管将氧气传递给组织。在临床治疗和日常生活中，血氧饱和度的实时、准确监测有利于对疾病的正确诊断和采取有效的治疗方案。
由于身体组织中的氧气是由红细胞在毛细血管中输送得到的，红细胞与组织间气体交换速率的变化情况能反映出身体代谢能力的强弱。并且通过彩色图像分析氧气的交换速率是一种无创、便捷的方法。
在一氧化碳被人体吸入时，它会穿过肺泡-毛细血管膜并与循环红细胞中的血红蛋白结合。而且，一氧化碳的结合亲和力是氧气的200-250倍，与一氧化碳结合的血红蛋白称为碳氧血红蛋白。在碳氧血红蛋白水平高于3％的时候可以确诊为一氧化碳中毒(吸烟者为10％)。由于碳氧血红蛋白的吸收光谱与氧合血红蛋白不同，呈现的颜色变化也不同。通过彩色图像可以分析人体一氧化碳浓度的连续变化情况，无需再通过采集血液进行血气成分分析，可以更及时地对紧急情况做出回应。
传统的接触式脉搏血氧仪是使用红光和近红外光作为射入光源，测定通过组织的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度(SpO2)，并已广泛应用于常规和危重的临床应用。但是，在需要应急或者在隔离的情况下它不能使用，例如急诊室的烧伤病人和由于各种原因手脚颤抖的病人，或是在疫情传播、病毒传染时期，病人通过接触式的方法来测量血氧饱和度将会提高病毒传染的可能性。另一方面，由于传感器与测量部件之间的接触力，传统手指血氧仪中的弹簧夹会影响光体积描记(PPG)信号的波形。未来通过非接触式测量方法不但可以避免上述问题，而且可以更方便、更快速地测量人体的血氧饱和度。
而且，传统血气分析仪仅限于分析动脉血液，不能分析毛细血管处的血氧饱和度的变化、一氧化碳的含量以及气体交换速率等血气参数。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的提供一种基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，包括以下步骤：
S1、采集获取手指的指尖毛细血管的彩色可视化信息，并可以在初始标定时同时通过标准仪器采集血液的血气参数作为参考信号
S2、对采集得到的彩色可视化信息进行预处理，输出处理后的图像
S3、分析处理后的图像，测定血气参数。
作为优选，上述方法中所述彩色可视化信息为视频或图像。
作为优选，上述方法中所述预处理包括如下步骤：
S21、将所述彩色可视化信息逐帧转换为图像
S22、从图像中分割出单个毛细血管区域
S23、对单个毛细血管区域，通过空间滤波算法，对毛细血管边界进行精确分割
S24、对滤波后的单个毛细血管区域图像进行二值化
S25、从二值化后的单个毛细血管区域图像中提取出血管图像
S26、输出血管图像。
作为优选，上述方法中所述S3中，所述分析处理后的图像，测定血气参数包括如下步骤：
S31对血管图像的各颜色特征通道进行分离，求得各通道的强度值
S32通过与参考信号进行对比，拟合出血气成分与各个通道强度值的函数关系并确定函数关系中参数的数值，得出血气成分与各个通道强度值之间的数量关系
S33输入待测定样品的彩色可视化数据，依据S32中的函数关系，得出血气参数
作为优选，上述方法中所述S32中，所述血气参数为血氧饱和度，血氧饱和度与所述各个通道强度值的函数关系式为：
作为优选，上述方法中所述S32中，所述函数关系中参数的计算方式为：将每组红、蓝信号通道的平均值Rmean和Bmean和对应的通过标准仪器采集的血气参数SpO2代入，拟合得到多项式系数Ci。
作为优选，上述方法中所述S3还包括步骤S34：选择若干组不同的指尖血管图像，以动脉出口处的位置作为血氧饱和度的计算区域，代入函数关系式，得到估计的血氧饱和度，并将估计的血氧饱和度与对应的通过标准仪器采集的血气参数，通过Bland-Altman图进行一致性评价。
本发明还提供一种非接触毛细血管血气参数测定方法在测定氧气交换速率上的应用，通过连续追踪单个红细胞在毛细血管中运动的多段连续时间范围，测定血氧饱和度在红细胞每段运动轨迹下的变化情况，分析出毛细血管中氧气交换速率的变化情况。
本发明的主要原理如下：
1.采集获取指尖毛细血管的图像
通过视频或图像的指尖血管显微成像系统，将手指指尖放置在仪器的采集区域进行彩色录像的采集。
作为实际数据校准，再可以同时用血气分析仪、血氧仪等标准仪器测量血液的血气参数，将其结果作为彩色录像标定和对比的参考信号。
2.对采集得到的彩色图像进行预处理
如果之前采集得到的是视频信号，需将视频信号先逐帧转换为图像。在彩色图像中选择一个或多个感兴趣的毛细血管区域，对该区域进行图像预处理，将该毛细血管从图像中分割出来。基于视频，也可以追踪相邻帧幅中的同个红细胞在毛细血管中的流动行径过程。
3.通过毛细血管图像分析血气成分
首先对指尖毛细血管彩色图像的各颜色特征通道进行分离，求得各通道的强度值。结合彩色图像颜色特征值与血气生理参数的变换关系，能够得出图像上每个区域的生理参数。如：血氧饱和度、一氧化碳结合量等。
图像特征和生理参数的变换关系可以通过光吸收模型或者实际数据校准获得。实际数据校准通过将图像数据与采集的参考信号进行对比，拟合出血气成分与各个通道强度值的数学多项式，得到血气成分与彩色图像之间的关系。
通过连续追踪同个红细胞的流动以及结合氧气的变化，可以对毛细血管中氧气交换速率的变化情况进行分析。如，单个红细胞在毛细血管中运动的多段连续时间范围内，计算血氧饱和度在红细胞每段运动轨迹下的变化情况，即可分析出毛细血管中氧气交换速率的变化情况。并且，通过彩色图像分析氧气在毛细血管中的交换速率是一种无创、连续、便捷的方法。
由于碳氧血红蛋白的吸收光谱与氧合血红蛋白不同，呈现的颜色变化也不同。通常人体碳氧血红蛋白过高时，也就是一氧化碳中毒时，血管图像将呈现鲜红色。通过对指尖血管成像的分析，可推测人体是否一氧化碳中毒。
本发明实施例提供的分析方法，其有益效果为：
通过采集指尖毛细血管的彩色图像，通过图像处理的方法估算出毛细血管中各区域的血气参数，这一方法使得在非接触式的条件下也能够得到指尖毛细血管中血气参数的变化情况，为在应急或隔离等无法接触病人的情况下提供帮助。
本技术基于特定血管区域的信号分析，相较于传统血气分析仪对于整块组织的分析，灵敏度和特异性更高。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明实施例提供的指尖毛细血管信号的采集过程；
图2为本发明实施例提供的指尖毛细血管信号的预处理流程图；
图3为本发明实施例提供的指尖毛细血管中动脉出口处的位置的示意图；
图4为本发明实施例提供的对血氧饱和度预测公式的拟合结果进行验证的Bland-Altman分析图；
图5为本发明实施例提供的对单张指尖毛细血管图像选取的17个测量区域；
图6为本发明实施例提供的对图5中选取的17个测量区域进行计算得到的三通道强度值；
图7为本发明实施例提供的指尖毛细血管中17个区域血氧饱和度的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明测量血氧的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的实施例具体包括以下步骤：
1.采集获取指尖毛细血管的图像
设计本步骤的目的为：
通过视频或图像的指尖血管显微成像系统，将手指指尖放置在仪器的采集区域进行彩色录像的采集。作为实际数据校准，可以同时用血气分析仪、血氧仪等标准仪器测量血液的血气参数，将其结果作为彩色录像标定和对比的参考信号。
具体操作步骤如下：
将手指指尖平放在微循环显微成像系统的采集区域上，调节显微镜得到清晰的指尖毛细血管视频画面并开始记录。将另一手指紧贴在反射式接触测量脉搏波血氧仪生物传感器模块上，能直接记录实时的血氧饱和度。两个仪器同时进行采集数据，生物传感器模块的显示结果作为视频信号标定和对比的参考信号。采集过程如图1所示。
2.对采集得到的彩色图像进行预处理
对微循环显微仪采集的指尖毛细血管视频信号进行预处理，进而提取出视频图像中的毛细血管，具体过程如图2所示。首先将采集的视频读入程序中，使其逐帧转换为图像。接下来在图像中选择视野中单个毛细血管区域，从原图像中分割出来，为了实现对毛细血管边界的精确分割，需要使用空间滤波算法进行处理，本例中对该区域图像采用基于Hessian矩阵的Frangi2D算法进行滤波。Hessian矩阵实际是一个二阶偏导矩阵，矩阵的特征向量在图像边缘检测方面有着重要的作用，能够很好地描述图像中的血管信息。再利用Otsu算法对滤波后的区域图像进行阈值分割，Otsu分割法是最小二乘意义下的最优分割。然后将得到的二值化图像进行归一化，再与该区域彩色图像的RGB三个通道分别进行点乘处理，提取出该区域的血管图像。
基于视频格式的数据，使用本方法进行预处理，产生的有益效果为：可以追踪相邻帧幅中的同个红细胞在毛细血管中的流动行径过程。
3.通过毛细血管图像分析血气成分
在脉搏波血氧仪生物传感器上得到的参考信号中，找出多组不同血氧饱和度对应时间段的血管图像。以指尖毛细血管图像的动脉出口处区域作为计算区域，因为在动脉出口处血氧还未输送给组织，其血氧饱和度可对标对应时间段的动脉参考信号值，其位置如图3所示。接下来在每组中对每帧图像的计算区域分别求RGB三个通道的强度值，该强度值即可分别作为该区域图像RGB三个通道的脉搏波信号值(IPPG)。
血氧饱和度与图像中各通道强度值之间的数学多项式为如公式(1)所示：
将每组图像的红、蓝信号通道强度平均值Rmean和Bmean和对应的血氧饱和度参考值SpO2代入，拟合得到多项式系数Ci。
接下来对上述拟合得到的多项式进行验证。选取8组不同指尖血管图像，仍以动脉出口处的位置作为血氧饱和度的计算区域，代入上述拟合得到的血氧饱和度提取公式，得到估计的血氧饱和度。如图4，将该区域的参考信号与图像采集计算得到的血氧饱和度值通过Bland-Altman图进行一致性评价。
通过一致性评价的方式，可以确认上述多项式的可靠性，保证探测数据的准备性。
在确定血氧饱和度与图像中各通道强度之间的数学多项式之后，将通过彩色图像来分析指尖毛细血管中血氧饱和度的变化情况。选取某帧血管图像，以血管图像从动脉出口处的区域为始端，如图5选取17个测量区域。计算每个区域RGB三通道的强度值，计算结果如图6所示。最后代入血氧饱和度提取公式中，得到每个测量区域的血氧饱和度，如图7所示，可看出血氧饱和度在动脉出口处位置经过毛细血管顶端至右侧静脉血管一直呈下降的趋势，这一过程也符合血氧在经过毛细血管中输送给组织导致血液中血氧饱和度降低的客观事实。所以，通过对指尖毛细血管图像的分析能够得到毛细血管的血氧饱和度变化情况。
应用本发明提供的非接触毛细血管血气参数测定方法，可以非接触地测定氧气交换速率，具体方法为是通过连续追踪单个红细胞在毛细血管中运动的多段连续时间范围，测定血氧饱和度在红细胞每段运动轨迹下的变化情况，分析出毛细血管中氧气交换速率的变化情况。
Claims (8)
1.基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集获取手指的指尖毛细血管的彩色可视化信息，并可以在初始标定时同时通过标准仪器采集血液的血气参数作为参考信号，
S2、对采集得到的彩色可视化信息进行预处理，输出处理后的图像，
S3、分析处理后的图像，测定血气参数。
2.如权利要求1所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，所述S1中，所述彩色可视化信息为视频或图像。
3.如权利要求2所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，所述S2中，所述预处理包括如下步骤：
S21、将所述彩色可视化信息逐帧转换为图像，
S22、从图像中分割出单个毛细血管区域，
S23、对单个毛细血管区域，通过空间滤波算法，对毛细血管边界进行精确分割，
S24、对滤波后的单个毛细血管区域图像进行二值化，
S25、从二值化后的单个毛细血管区域图像中提取出血管图像，
S26、输出血管图像。
4.如权利要求3所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，所述S3中，所述分析处理后的图像，测定血气参数包括如下步骤：
S31对血管图像的各颜色特征通道进行分离，求得各通道的强度值，
S32通过与参考信号进行对比，拟合出血气成分与各个通道强度值的函数关系并确定函数关系中参数的数值，得出血气成分与各个通道强度值之间的数量关系，
S33输入待测定样品的彩色可视化数据，依据S32中的函数关系，得出血气参数。
5.如权利要求4所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，所述S32中，所述血气参数为血氧饱和度，血氧饱和度与所述各个通道强度值的函数关系式为：
6.如权利要求5所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，所述S32中，所述函数关系式(1)中参数的计算方式为：将每组红、蓝信号通道的平均值Rmean和Bmean和对应的通过标准仪器采集的血气参数SpO2代入，拟合得到多项式系数Ci。
7.如权利要求6所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法，其特征在于，所述S3还包括步骤S34：选择若干组不同的指尖血管图像，以动脉出口处的位置作为血氧饱和度的计算区域，代入函数关系式，得到估计的血氧饱和度，并将估计的血氧饱和度与对应的通过标准仪器采集的血气参数，通过Bland-Altman图进行一致性评价。
8.一种如权利要求6所述的基于彩图分析的非接触毛细血管血气参数测定方法在测定氧气交换速率上的应用，其特征在于，连续追踪单个红细胞在毛细血管中运动的多段连续时间范围，测定血氧饱和度在红细胞每段运动轨迹下的变化情况，分析出毛细血管中氧气交换速率的变化情况。
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| CN114343625B (zh) | 2024-04-26 |
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