CN116648182A - 用于监测血液灌注的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种装置(和方法)用于监测血液灌注。采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述区域内的多个相应位置处检测到的光。处理所述PPG信号以确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度以及优选地还确定相位，并且基于所述PPG信号的幅度以及优选地还基于相位来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平。

Description

用于监测血液灌注的系统和方法

技术领域

本发明涉及血液灌注的测量。

背景技术

微循环是存在于嵌入器官组织内的脉管系统中的最小血管中的血液循环。微循环的目的是将氧气和营养物运输到组织并移除细胞排泄物。

微脉管系统的结构是极其复杂的，因为在组织中存在很多的毛细血管，其中，个体毛细血管如此错综复杂以至于在任何给定毛细血管中的任何给定点处的血流可能在任何方向上。为此，可以说其整体函数变得平均。也就是说，存在通过每个组织毛细血管床的平均血流速率、毛细血管内的平均毛细血管压力以及毛细血管的血液与周围间质液之间的物质转移的平均速率。这是组织的灌注。

器官灌注是损伤和疾病的关键指标，损伤和疾病可以包括炎症、停滞或停止的血流、以及可导致整体组织缺氧和器官功能障碍的所有病理。灌注监测可以用于评估这些微血管损伤和许多其他损伤，诸如烧伤皮肤或伤口的愈合进展或血管病变下游的灌注恢复、以及糖尿病患者的坏死(例如，足溃疡、败血症)。

在所有这些病理中，还存在外周动脉疾病PAD。外周动脉疾病是常见的循环问题，其中，狭窄的动脉减少流向四肢的血流。当对象发展外周动脉疾病时，四肢(通常是腿部)不再接收足够的血流以跟上需求。这引起症状，最显著的是行走时的腿痛(跛行)。外周动脉疾病也可能是动脉中的脂肪沉积物的更广泛积聚的迹象(动脉粥样硬化)。这种状况可能会减少流向心脏和大脑以及腿部的血液。

外周动脉疾病通常可以通过戒烟、锻炼和食用健康饮食来进行处置。然而，通常也需要介入治疗。PAD病变通常利用经皮腔内血管成形术(PTA)进行处置，其中，动脉内部的球囊在脂肪阻塞部位处膨胀以将其压靠在动脉壁上，这允许血液再次流动。经皮腔内血管成形术、支架置入术和粥样斑块切除术是在动脉由于外周动脉疾病而堵塞时恢复血流的微创(血管内)程序。

为了评估灌注水平并且因此诊断PAD，患者描述的症状可以提供第一指示。医师还可以进行踝臂指数测试(ABI)。该测试将手臂处的收缩压与两个腿部中达到的收缩压进行比较。然后计算指数R，其是脚部处的压力与手臂处的压力之间的比率。然后，该比率指示PAD：

R<0.4＝严重PAD

0.41<R<0.70＝中等严重PAD

0.71<R<0.90＝轻度PAD

0.91<R<0.99＝边界线

1.00<R<1.29＝无阻塞

R指数仅给出PAD严重程度的估计，并且不能被医师完全信任。由于ABI涉及血流的阻塞，因此它不能在程序期间(诸如在PTA期间)连续使用，而是仅在一段时间(数天或数周)之后用于评估患者的改善。

因此，ABI设备不能用于在任何程序期间实时评估处置的有效性。存在可以用于灌注监测的其他技术。例如，可以使用激光散射技术分析局部灌注区域，例如激光多普勒灌注成像或激光散斑对比分析。然而，这些技术是昂贵的，具有有限的运动鲁棒性，并且难以用现成的部件商业化。

另一种已知的监测系统是成像光电体积描记术(iPPG)。这是一种低成本、紧凑、非接触式感测方法，其给出实时结果并且相对于其他技术(诸如激光散斑)更加运动鲁棒得多。然而，它没有证明PPG测量可以如何用于确定灌注水平。

仍然需要一种低成本且非侵入性的方式来测量血液灌注。

WO2020/120543公开了一种用于炎症检测的远程PPG系统。幅度图和相位图用于使用阈值方法来定义是否存在炎症。

WO2016/096591公开了一种用于通过特别是使用PPG脉冲幅度分析对被测试物质的皮肤反应来进行过敏测试的方法和系统。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依据本发明的一方面的示例，提供了一种用于监测血液灌注的装置，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：

从至少一个传感器采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述感兴趣区域内的多个相应位置处检测到的光；

处理所采集的多个PPG信号以至少确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度；并且

至少基于所述PPG信号的幅度来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平。

本发明使得能够从PPG信号导出灌注的测量，并且这些PPG信号可以例如是由相机获得的非接触式PPG信号。

所述处理器例如被配置为处理所采集的多个PPG信号以确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位，并且基于所述PPG信号的幅度和相位来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平。

基于幅度信息并且优选地还基于相位信息(诸如幅度图和相位图)来获得血液灌注水平。已经发现，更高的幅度对应于更高的灌注。关于相位分布的信息也是特别感兴趣的，诸如相位图的标准偏差或四分位范围。良好灌注的区域被发现具有非常相似的相位(因此低变异性)和良好的PPG幅度，因为血流均匀地到达整个区域。未良好灌注的区域被发现具有低PPG幅度和更随机的相位，因为PPG信号在相同的小区域中是低的且不太相干。因此，灌注与PPG幅度相关并且与相位的分布逆相关。

所述处理器例如被配置为：

确定与所述感兴趣区域内的所述位置的所确定的幅度值的平均值相关的第一值；以及

确定与所述感兴趣区域内的所述位置的所述相位值的分布相关的第二值。

对于每个像素，可以从随时间执行的感测获得幅度平均值，并且从随时间执行的感测获得相位的测量。因此，每个位置具有从整个时间段导出的一个幅度值和一个相位值。然后，第一值被定义为例如所有位置(即所有像素)的幅度的中值或平均值，并且第二值是所有位置(即所有像素)的相位的分布。

位置(即像素)的数量将取决于所使用的相机的分辨率以及视场中感兴趣的区域有多大。通常有数千个位置。

为了提供灌注信息，可以显示幅度图和相位图。为了提供灌注水平的实际代表值，组合信息以生成总值(基于第一值(即跨感兴趣区域的幅度的平均值)和第二值(即跨感兴趣区域的相位的分布))。

每个个体PPG信号(即，针对单个位置)基于在整个视频期间单个像素的亮度的变化。根据这些PPG信号(其针对跨感兴趣2D区域的空间扩展位置)，可以导出幅度图和相位图像。通过对幅度图求平均(例如，使用中值或平均值)来获得平均值，而使用分布测量(例如，相位图的标准偏差或方差或四分位范围)来计算相位分布。

视频帧率例如在每秒10和50帧之间，并且视频持续时间例如为5至30秒。然而，可以使用不同的帧率和持续时间。

第一值表征PPG幅度(针对像素的组合)，并且第二值表征PPG相位分布(跨所有像素)，并且这两者与灌注水平相关，如上面所解释的。因此，通过考虑这两个值，可以在特定像素处(即，在特定位置处)导出准确的灌注水平。

所述处理器可以被配置为使用所述第一值和所述第二值之间的比率来确定血液灌注水平。灌注与幅度A成比例，并且与相位P的分布成反比。因此，第一值和第二值的比率表示灌注。

所述第一值例如是所述位置的所述幅度的中值或平均值。所述第二值例如是所述位置的所述相位的四分位范围或标准偏差。

因此，第一值(幅度的中值或平均值)和第二值(相位的分布)从整个感兴趣区域导出，但是也可能从整个成像区域的一部分导出。然而，在这种情况下，“感兴趣区域”可以被认为仅是正在针对其计算第一值和第二值的图像的那部分。在幅度图的每个像素(对应于皮肤位置)中，存在单个幅度值，并且在相位图的每个像素中，存在单个相位值。

所述处理器可以被配置为将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于所述感兴趣区域在先前时间处的所述血液灌注的值。因此，随着时间的变化被认为是感兴趣的。

所述处理器还可以被配置为：

从至少一个另外的传感器采集指示在参考区域中检测到的光的多个光电体积描记PPG信号，并且确定所述参考区域的血液灌注水平；并且

将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于所述参考区域的所述血液灌注的值。

因此，相对于身体的其他部分的灌注水平可以被认为是感兴趣的。

所述至少一个传感器例如是非接触式PPG传感器。

本发明还提供了一种用于监测血液灌注的方法，包括：

从至少一个传感器采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述区域内的多个相应位置处检测到的光；

处理所采集的多个PPG信号以至少确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度；并且

至少基于所述PPG信号的幅度来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平。

所述方法可以包括：

处理所采集的多个PPG信号以确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位：

确定与所述位置的所确定的幅度值的平均值相关的第一值；以及

确定与所述位置的所述相位值的分布相关的第二值。

所述方法然后可以包括使用所述第一值和所述第二值之间的比率来确定所述位置处的血液灌注水平。

所述第一值可以是所述位置的所述幅度的中值或平均值，并且所述第二值可以是所述位置的所述相位的四分位范围或标准偏差。

所述方法可以包括：

将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于所述感兴趣区域在先前时间处的所述血液灌注的值；或

将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于参考区域的血液灌注的值。

本发明还提供了一种包括计算机程序代码模块的计算机程序，当所述程序在计算机上运行时，所述计算机程序代码模块适于实施上述方法。

本发明的这些和其他方面将参考下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并将参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐述。

附图说明

为了更好地理解本发明并且为了更清楚地示出它可以如何被实施，现在将会仅以示例的方式参考附图，其中：

图1示出了用于监测灌注的系统的示例；

图2示出了相机图像被处理；

图3示出了左侧的幅度图和右侧的相位图；

图4示出了具有两个监测位置的手部的表示、以及根据手部图像处理的幅度图和相位图；

图5示出了从图4的两个编号区域提取的局部PPG信号以及从整个感兴趣区域提取的参考信号；

图6示出了用于证明本发明的可行性的实验系统的设置；

图7示出了表示针对基线(无袖带)、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带在手部和脚部上记录的PPG信号的幅度的不同分布的箱形图；

图8示出了针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带的PPG信号的幅度和相位的中值的方差分析(ANOVA)，其中，示出了95％置信区间；

图9是针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带的PPG信号的幅度和相位的IQR的方差分析(ANOVA)，其中，示出了95％置信区间；

图10示出了相位图的四分位范围对比脚部幅度的中值的散点图；

图11示出了相位图的四分位范围对比手部幅度的中值的散点图；

图12示出了针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力和放气袖带的幅度水平的箱形图，并且在ABI高于和低于0.9的患者之间划分；

图13示出了针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带的幅度的中值除以相位的四分位范围的ANOVA分析，其中，示出了95％置信区间；

图14示出了针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带的脚部处的幅度的中值除以手部处的幅度的中值的ANOVA分析，其中，示出了95％置信区间；

图15示出了使用第一等式的使用手部的灌注作为参考的脚部的灌注的测量，其中，示出了95％置信区间；并且

图16示出了测量血液灌注的方法。

具体实施方式

本发明将会参考附图来进行描述。

应当理解，详细描述和具体示例在指示装置、系统和方法的示例性实施例的同时，仅旨在用于图示的目的，而不旨在限制本发明的范围。根据以下描述、权利要求和附图将更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅仅是示意性的，并未按比例绘制。还应当理解，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

本发明提供了一种用于监测血液灌注的装置(和方法)。采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述感兴趣区域内的多个相应位置处检测到的光。处理所述PPG信号以确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度以及优选地还确定相位，并且基于所述PPG信号的幅度以及优选地还基于相位来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平。

该系统包括用于优选地在一定距离处将皮肤区域的图像记录为视频序列的相机或一系列相机(在一个或多个波长下)。从视频序列导出的测量结果是远程光电体积描记(PPG)信号，其通过分析皮肤颜色在光的某些波长下的细微变化来提供脉搏信号的非接触式测量。

图1示出了用于监测灌注的系统10的示例。该装置包括处理器12、传感器14、存储器16、用户接口18和通信电路110。

处理器12被配置为采集多个光电体积描记(PPG)信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述区域内的多个相应位置处检测到的光。本文提及的组织区域也可以被称为组织的感兴趣区域(ROI)。处理器12被配置为从至少一个传感器14采集多个PPG信号。处理器102还被配置为处理所采集的多个PPG信号以确定多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位。

处理器12被配置为基于所确定的多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位来确定灌注水平，如下面进一步解释的。

至少一个传感器14被配置为在区域内的多个相应位置处从组织的感兴趣区域获得多个PPG信号。传感器可以是系统的内部部分，或它可以远离其他部件。传感器可以被配置为在光的单个(例如，某个)波长下获得多个PPG信号，或它可以在多个波长下执行测量。传感器14可以是单个传感器或多个(例如一系列)传感器。传感器例如是被配置为照射组织区域并测量组织区域内的光吸收的变化以采集多个PPG信号的脉搏血氧计。传感器可以替代地是可以被配置为测量组织颜色的变化以采集多个PPG信号的相机、或适合于获得PPG信号的任何其他传感器或传感器的组合。传感器可以定位在距组织的一定距离处(例如，远离组织)。因此，至少一个传感器14优选地是捕获非接触式PPG信号的非接触式PPG传感器。

然而，在一些示例中，至少一个传感器14可以被定位为使得它接触组织以获得多个PPG信号。

作为示例，给定在PPG传感器(即，在优选示例中，相机)的每个像素处给出375个PPG样本，捕获图像的帧率是每秒25帧，并且可以使用15秒的视频持续时间。

运动稳定(诸如Kanade-Lucas-Tomasi(KLT)算法)可以用于补偿人类运动，使得感兴趣区域(ROI)被稳定并且每个像素总是对应于相同的皮肤位置。PPG信号的后续提取可以利用通过具有5×5像素的平方内核的卷积对每个视频帧进行低通滤波来实现，以增加信噪比(SNR)。PPG信号的脉动分量(AC)可以相对于其基线分量(DC)被归一化，因此将PPG信号的幅度表示为百分比，如由以下等式表示的：

这补偿了影响AC和DC信号分量两者的参数，诸如入射光的强度或对象的肤色。基线DC分量包括高达0.5Hz的频率，而脉动AC分量包括范围0.5-10Hz内的频率。

存储器16可以在系统内部，或它可以例如是医院数据库的一部分，或它可以是云计算资源等的一部分。存储器16可以包括任何类型的非瞬态机器可读介质，诸如高速缓存或系统存储器，包括易失性和非易失性计算机存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)和电可擦除PROM(EEPROM)。存储器16例如还存储可以由处理器12执行的程序代码。存储器16还可以被配置为存储监测方法所需的或由监测方法产生的信息。

存储器16例如被配置为存储所采集的多个PPG信号、所确定的多个PPG信号中的一个或多个的幅度、所确定的多个PPG信号中的一个或多个的相位和所确定的组织灌注水平中的任何一项或多项。

用户接口18能够被配置为绘制(或输出或显示)处理方法所需的或由处理方法产生的信息。例如，用户接口18可以被配置为绘制所采集的多个PPG信号、所确定的多个PPG信号中的一个或多个的幅度、所确定的多个PPG信号中的一个或多个的相位、所确定的灌注水平或任何其他信息中的一项或多项。用户接口18还可以接收用户输入。它例如包括按钮、小键盘、键盘、鼠标、触摸屏或应用(例如，在智能设备(诸如平板电脑、智能手机或任何其他智能设备)上)、显示器或显示屏、图形用户接口(GUI)、一个或多个扬声器、一个或多个麦克风或任何其他音频部件、一个或多个灯(诸如发光二极管LED灯)、用于提供触感或触觉反馈的部件(诸如振动功能或任何其他触感反馈部件)、增强现实设备(诸如增强现实眼镜或任何其他增强现实设备)、智能设备(诸如智能镜、平板电脑、智能手机、智能手表或任何其他智能设备)、或任何其他用户接口、或用户接口的组合中的一项或多项。

通信接口120用于使得装置或装置的部件能够与一个或多个其他部件(例如，一个或多个传感器、接口、设备、处理器或存储器)通信和/或连接。通信接口20可以使得装置10或装置10的部件能够无线地、经由有线连接或经由任何其他通信(或数据传输)机制进行通信和/或连接。

图2示出了如何处理相机图像。它涉及PPG幅度图和PPG相位图的生成。WO2020/120543公开了一种用于炎症检测的远程PPG系统，并且在WO2020/120543中讨论了图2的处理系统。在WO2020/120543中，幅度图和相位图用于使用阈值方法来定义是否存在炎症。相位可以被认为是血流到达区域的时间延迟。该延迟取决于血管的性质(阻力和顺应性)。发炎组织不同于非发炎组织，因为其在PPG图中的幅度更高，而且还因为存在血流到达的不同延迟(阻力和顺应性的差异)。

与之相比，本发明涉及灌注水平的确定，并且基于以下认识：通过图2的处理(下面解释)获得的信息也可以用于导出灌注水平。特别地，已经发现更高的幅度对应于更高的灌注。使用关于相位分布的信息，诸如相位图的标准偏差。已经发现，良好灌注的区域具有非常相似的相位(低标准偏差)和良好的PPG幅度，因为血流均匀地到达整个区域。未良好灌注的区域具有低PPG幅度和更随机的相位，因为PPG信号在相同的小区域中是低的且不太相干。因此，灌注与PPG幅度相关并且与相位的分布逆相关。

图2的处理系统特别是针对捕获感兴趣区域的图像的相机图像的每个像素(即，针对每个皮肤位置)确定多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相移。相位表示脉搏到达时间，并且相移指示到相应位置的相对脉搏到达时间(相对于与整个感兴趣区域共同的参考PPG信号)。所示的特定示例使用锁定放大，但是可以采用用于计算幅度和相位的任何其他已知方法。

获得多个PPG信号，每个PPG信号指示在感兴趣区域内的相应位置处在组织区域中检测到的光。多个PPG信号可以被称为多个“局部”PPG信号。如图2所示，该方法的输入是参考信号R(t)和局部PPG信号S(t)。参考信号R(t)可以被表示为：

R(t)＝cos(w_HRt)

值wHR是心率频率，并且t是时间。因此，参考信号R(t)是以心率频率调制的余弦，其被定义为通过对来自所记录的感兴趣区域(ROI)的所有像素的数据求平均来确定的PPG信号的调制频率。

局部PPG信号S(t)(即，对于相机的单个像素并且因此单个皮肤位置)可以被表示为：

A是调制心率频率wHR的幅度，是局部PPG信号S(t)相对于参考信号R(t)的相移，Sn(t)包含所有其他频率分量，并且t是时间。

信号S(t)是从单个像素提取的局部PPG信号，具有调制心率频率的幅度A，并且是信号S(t)相对于R(t)的相移。

将R(t)和S(t)馈送到锁定放大块，并且将S(t)乘以R(t)，即乘以cos(wHRt)，并且将R(t)相移90度，即sin(wHRt)。信号S(t)由此乘以R(t)和正弦形式的R(t)。

然后对这些操作的两个输出信号进行低通滤波。例如，可以通过在时间上对两个输出信号求平均来执行低通滤波，但是应当理解，可以替代地使用任何其他形式的低通滤波。

因此，对于每个像素，从随时间执行的感测获得幅度平均值，并且从随时间执行的感测获得相位的测量。因此，每个位置具有从总感测时间段导出的一个幅度值和一个相位值。这涉及第一平均过程。

作为低通滤波的结果，获得两个值x和y如下：

这些是在时间上平均的为R(t)和S(t)的乘积的稳定复数信号的实部和虚部。

因此，通过在时间上对R(t)和S(t)求平均，获得x和y，其与局部PPG信号的幅度A和局部PPG信号相对于R(t)的相移相关。通过组合值x和y，局部PPG信号的幅度A和局部PPG的相移/>可以被表示如下：

因此，对于多个PPG信号中的每个PPG信号，可以确定表示针对总感测时间的PPG信号的幅度的单个值和表示针对总感测时间的PPG信号的相移的单个值。

以这种方式，通过提取皮肤区域的每个个体位置处的脉搏信号，可以导出脉搏信号的空间图，例如幅度和相位。

然后可以对由所获得的幅度图表示的灌注进行颜色编码，例如，其中，蓝色指示低灌注，并且红色指示高灌注。

通过从视频序列的每个像素的PPG信号中提取φ，还获得PPG相位图。所获得的PPG相位图的灌注也可以被颜色编码，其中，值在从-180度到+180度的范围。相位表示PPG信号波在该位置处相对于整个感兴趣区域共同的参考PPG信号的在时间上的延迟。

图3在左侧示出了幅度图，并且在右侧示出了相位图。实际上，所示的灰度水平表示不同的颜色。

图4在左侧示出了具有标记为1和2的两个监测位置的手部的表示。中间顶部图像示出了幅度图，并且右上图像示出了根据手部处理的相位图。

图5示出了从手部图像上的两个编号区域提取的局部PPG信号。图5的顶部图像示出了来自位置1的局部PPG信号，并且图5的中间图像示出了来自位置2的局部PPG信号。

图5的底部示出了在示出整个感兴趣区域的平均PPG强度时获得的参考PPG信号。该参考信号用于获得心率并且用于提取灌注图。该参考信号被滤波，并且提取心率频率。在这种情况下，对象具有52bpm的心率(年轻志愿者，25岁)。

在顶部图像和中间图像中，左图是来自感兴趣位置的原始PPG信号。右图示出了原始PPG信号的经滤波的版本以及参考信号的经滤波的版本。信号都在心率频率周围被滤波，结果是它们是更干净的正弦波。

局部PPG信号的幅度在整个手部上不具有相同的强度。实际上，灌注图可以如上所述的那样通过对每个区域中的PPG信号的幅度进行颜色编码来构建。

此外，右侧图像示出了局部PPG信号的峰值和参考的峰值不总是匹配。这可以被认为是延迟。平均延迟在右侧图像中示出。如果延迟是正的，则参考信号稍微在局部信号之前到达。如果延迟是负的，则参考信号比信号更晚地到达。通过在手部上对延迟进行颜色编码，还获得了颜色编码的相位图。相位图以度为单位进行编码，其中，延迟(以秒为单位)被编码为心率周期时段的分数。相位图值可以容易地转换为时间延迟值：

通过在若干志愿者的皮肤灌注中诱导扰动，已经在检测灌注变化方面测试了系统的灵敏度。

图6示出了系统的设置。

为了监测手部处的灌注，提供拍摄手部的图像的相机系统60，并且为了提供灌注水平的控制，在肘部上方提供压力袖带62。

为了监测脚部处的灌注，提供拍摄脚部的图像的相机系统64，并且为了提供灌注水平的控制，在踝部上方提供压力袖带66。

压力袖带68被提供在另一个踝部上方。这使得能够执行ABI测试。ABI测试将在两个踝部水平下的收缩压与在手臂水平下的灌注水平进行比较。在该特定测试中，使用由三个袖带形成的ABI系统，一个袖带62在手臂处，并且两个袖带66、68在腿部处。通过使用相机60和64将手部处的灌注与左腿处的灌注进行比较。

在实际实施方式中，不需要压力袖带，而不是图6的测试配置。

已经观察到，皮肤的灌注与幅度图直接相关，并且与相位图的分布逆相关。

使用图6中所示的设置，对不同对象进行了五次实验，记录手部和脚部上的灌注，其中：

(i)没有压力施加在手臂(用于手部监测)或腿部(用于脚部监测)上以提供基线。

(ii)在手臂(或腿部)上施加40％的收缩压的情况下，然后在80％的情况下，然后在120％的情况下，并且最终在放气袖带条件的情况下，以表示流动恢复后的灌注。

120％测量可以被认为是压力完全阻塞。针对五种测量条件获得幅度图和相位图。通过观察图像，发现幅度图中显示的灌注水平随着更多的压力施加在手臂上而降低。相反，在相位图中，随着灌注减少，观察到相位的更嘈杂分布。

下面呈现了通过在对象的手臂和腿部周围施加外部压力而获得的在志愿者身上采集的灌注的若干示例。

图7示出了在分别施加到手臂和腿部的不同压力水平下在手部(左图)和脚部(右图)上记录的PPG信号的幅度的不同分布。曲线图是显示不同志愿者的平均值以及不同志愿者的值的四分位范围的箱形图。因此，箱的下条表示第一四分位数，并且箱的上条表示第三四分位数。四分位数范围是第一四分位数和第三四分位数之间的范围。

该测试中的箱形图填充有对21名志愿者进行的测量。箱形图的每个点是对志愿者获取的幅度图的中值。对于每个志愿者，进行两次测量。

可以看出，随着肢体处施加的压力增加，测量到的灌注下降。在放气测量期间，灌注不会完全恢复正常。在所进行的实验中，在120％测量之后，在进行放气测量之前，使用3分钟的延迟。更长的时间延迟将导致灌注更接近初始值。

图8和9示出了从25个志愿者获得的脚部的PPG信号的主要分量的方差分析(ANOVA)。每个点代表平均值，并且到条的距离是95％置信区间。

图8的顶部图像示出了在不同袖带压力(基线、40％充气、80％充气、120％充气和放气)下的幅度图的中值和方差的曲线图。

图8的底部图像示出了在不同袖带压力下的相位图的中值和方差。

图9的顶部图像示出了在不同袖带压力下的幅度图的四分位范围(IQR)的图。图9的底部图像示出了在不同袖带压力下的相位图的IQR。该区间再次基于个体标准偏差。

图8和9示出了可以在幅度分量和相位分量方面区分(大部分)袖带压力水平。尽管具有良好的相关性，但是相位图的IQR作为灌注水平的主要预测因素不是优选的，因为它对总PPG信号的损失不敏感。

图10和11示出了相位图的IQR对比幅度的中值的散点图。

在该测试中，有21个对象和5个压力水平，并且每个对象进行两次测量。这给出了220个散射点，每个散射点表示整个感兴趣区域的IQR的一个测量。

图10的顶部图像示出了散点图，其中，对于脚部实验，每个对象和每个袖带压力水平具有两个点。底部图像示出了到散点图的拟合线(其中，函数y＝1/(ax+b))。

图11的顶部图像示出了散点图，再次其中，对于手部实验，每个对象和每个袖带压力水平具有两个点。底部图像示出了到散点图的拟合线(再次其中，函数y＝1/(ax+b))。

图10和11示出了相位图的IQR与幅度图的中值之间的相关性。分布遵循1/x回归线。基线组的点在曲线的底部(因此具有高相位相干性和高幅度)，并且120％压力水平结果位于曲线的顶部(因此具有低相位相干性和低幅度)。

图12在顶部图像中示出了幅度水平的箱形图，其分别针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带并且在具有ABI>0.9(每对箱形图的左侧曲线图)和ABI<0.9(每对箱形图的右侧曲线图)的患者之间划分。注意，只有2个志愿者示出了低于0.9的ABI，因此更小的分布。

底部图像示出了针对无袖带、40％、80％和120％的收缩袖带压力以及放气袖带的从具有ABI<0.9的单个志愿者采集的幅度数据的箱形图。左侧组曲线图针对左脚，右侧组曲线图针对右脚，并且对象在左脚中具有低ABI。

顶部图像示出了平均而言低ABI(右侧的曲线图)指示更低的信号(特别是在放气袖带情况下)。底部图像示出了与正常区域相比，幅度信号在低ABI区域中也减小。在底部图中，可以看出左脚具有减少的灌注(没有袖带的测量低于右脚的测量)。

上述信息可以用于监测对象的灌注水平，用于疾病评估或监测(例如在PTA程序期间)。这通过分析由对来自整个视频的帧求平均而提取的PPG信号是可能的，还可以如上面所示的那样找到单维PPG信号的幅度与灌注水平之间的相关性。PPG信号可以是单维的。

现在将讨论可以使用上面解释的不同测量来导出灌注水平的方式，特别是通过组合来自幅度图和相位图的信息。可选地，除了来自感兴趣区域(例如脚部)的信号之外，还可以使用参考位置(例如手部)的信号。

在第一示例中，根据幅度和相位创建灌注指数：

这是无量纲指数而不是灌注的实际测量。

中值是与针对感兴趣区域内的位置的所确定的幅度值的平均值相关的第一值的示例。

四分位范围是与感兴趣区域内的位置的相位值的分布相关的第二值的示例。

第一值和第二值是针对整个感兴趣区域的单个值，并且它们可以被认为涉及第二平均过程(第一平均过程是随时间的，并且第二平均过程是空间的)。

图13示出了针对五种不同袖带压力的幅度中值除以相位的IQR的ANOVA分析。

还可以使用与中值和IQR相当的统计值来计算灌注。例如，特别是在分布是正态分布的情况下，可以使用平均值代替中值，并且可以使用标准偏差代替四分位范围。

如果需要长时间段监测对象，则可以使用皮肤的另一部分作为参考。这在PTA或其他程序期间可以是有用的，因为还可以检测由于一个或多个血管的重新打开而引起的灌注的变化。

在该示例中，感兴趣区域例如是脚底，并且在手部上取得参考(参见图6)。然后可以计算脚部上的灌注与手部上的灌注之间的比率：

图14示出了针对五种不同的袖带压力的脚部处的幅度的中值除以手部处的幅度的中值的ANOVA分析。

灌注可以以若干方式来监测，例如作为上述变量的组合。其中，灌注被定义为取决于中值与IQR的比率：

图15示出了使用上面的等式(3)的使用手部的灌注作为参考的脚部的灌注的测量。

另一选项是使用从原始视频提取的单维PPG信号的幅度。归一化灌注可以被表示为：

该一维PPG信号(1DPPG)是通过对所有像素值求平均而从视频计算的单个PPG信号。

在这种情况下，没有相位信息。因此，本发明的该简化实施方式仅基于PPG信号的幅度并且特别是根据PPG信号的单个平均值来确定血液灌注水平。在这种情况下用于表示灌注的指数可以例如是感兴趣区域(例如脚部)处的PPG信号的幅度与另一区域(例如手部)处的PPG信号的幅度之间的比率。

如上所述，远离感兴趣区域的身体部分可以用作参考信号(例如，另一个脚部)。替代地，可以使用在参考时间t₀处采集的灌注值作为参考：

图16示出了一种用于监测血液灌注的方法，包括：

在步骤160中，从至少一个传感器采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述区域内的多个相应位置处检测到的光；

在步骤162中，处理所采集的多个PPG信号以确定多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位；并且

在步骤164中，至少基于PPG信号的幅度来确定感兴趣区域处的血液灌注水平。

可以以上述方式获得每个位置的灌注水平。感兴趣区域可以覆盖许多这样的位置，因此可以获得区域上的灌注图。还可以基于多个位置的灌注水平的组合(例如，平均)来导出整个感兴趣区域的一般灌注水平。

通过研究附图、公开内容和权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。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。

如上所述，系统利用处理器来执行数据处理。处理器可以用软件和/或硬件以多种方式实施，以执行所需的各种功能。处理器通常采用可以使用软件(例如微代码)编程以执行所需的功能的一个或多个微处理器。处理器可以被实施为执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的一个或多个编程的微处理器和相关联的电路的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的电路的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以利用一个或多个程序来编码，所述一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时以所需的功能来执行。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或可以是可运输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器中。

单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。

尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。

如果术语“适合于”用于权利要求书或说明书中，应注意术语“适合于”旨在相当于术语“被配置为”。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于监测血液灌注的装置(10)，所述装置包括处理器(12)，所述处理器(12)被配置为：

从至少一个传感器(14)采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述区域内的多个相应位置处检测到的光；

处理所采集的多个PPG信号以至少确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度；并且

至少基于所述PPG信号的幅度和相位的分布来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平，其中，所述相位指示到所述相应位置的相对脉搏到达时间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器被配置为处理所采集的多个PPG信号以确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位，并且基于所述PPG信号的幅度和相位来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述处理器被配置为：

确定与所述感兴趣区域内的位置的所确定的幅度值的平均值相关的第一值；以及

确定与所述感兴趣区域内的位置的相位值的分布相关的第二值。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述处理器被配置为：

使用所述第一值和所述第二值之间的比率来确定血液灌注水平。

5.根据权利要求3至4中的任一项所述的装置，其中，所述第一值是所述位置的所述幅度的中值或平均值。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述第二值是所述位置的所述相位的四分位范围或标准偏差。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的装置，其中，所述处理器被配置为将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于所述感兴趣区域在先前时间处的所述血液灌注的值。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：

从至少一个另外的传感器采集指示在参考区域中检测到的光的多个光电体积描记PPG信号，并且确定所述参考区域的血液灌注水平；并且

将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于所述参考区域的所述血液灌注的值。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个传感器是非接触式PPG传感器。

10.一种用于监测血液灌注的方法，包括：

(160)从至少一个传感器采集多个光电体积描记PPG信号，所述多个光电体积描记PPG信号指示在组织的感兴趣区域中在所述区域内的多个相应位置处检测到的光；

(162)处理所采集的多个PPG信号以至少确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度；并且

(164)基于所述PPG信号的幅度和相位的分布来确定所述感兴趣区域处的血液灌注水平，其中，所述相位指示到所述相应位置的相对脉搏到达时间。

11.根据权利要求10所述的方法，包括：

处理所采集的多个PPG信号以确定所述多个PPG信号中的每个PPG信号的幅度和相位：

确定与所述感兴趣区域内的位置的所确定的幅度值的平均值相关的第一值；并且

确定与所述感兴趣区域内的位置的相位值的分布相关的第二值。

12.根据权利要求11所述的方法，包括使用所述第一值和所述第二值之间的比率来确定位置处的血液灌注水平。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一值是所述位置的所述幅度的中值或平均值，并且所述第二值是所述位置的所述相位的四分位范围或标准偏差。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，包括：

将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于所述感兴趣区域在先前时间处的所述血液灌注的值；或

将所述感兴趣区域处的所述血液灌注确定为相对于参考区域的所述血液灌注的值。

15.一种包括计算机程序代码模块的计算机程序，当所述程序在包括PPG传感器的用于监测血液灌注的装置的计算机上运行时，所述计算机程序代码模块适于实施根据权利要求11至14中的任一项所述的方法。