DE102012216013A1

DE102012216013A1 - Minimal invasive bildbasierte Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in ausgeatmetem Atem

Info

Publication number: DE102012216013A1
Application number: DE102012216013A
Authority: DE
Inventors: George C. Cardoso; Lalit K. Mestha; Beilei Xu
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-03-28
Also published as: JP5919151B2; JP2013070997A; US8715202B2; US20130079658A1

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zur bildbasierten Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in ausgeatmetem Atem offenbart. Bei einer Ausführungsform wird ein Bild des ausgeatmeten Luftstroms eines Individuums von Interesse empfangen. Das Bild wird mithilfe eines Mittelwellen-Infrarotkamerasystems aufgenommen, das einen optischen Filter aufweist, der auf die CO2-Infrarot-Absorptionsbande eingestellt ist. Das Bild wird vorbearbeitet, um eine Region von Pixeln zu isolieren, die den ausgeatmeten Luftstrom enthalten, und Intensitätswerte von Pixeln in der identifizierten Region werden mit einem Wert einer bekannten Strahlendichte, beispielsweise der Nase oder des Gesichts des Individuums, normalisiert. Das Bild wird analysiert, um die CO2-Konzentrationshöhen des ausgeatmeten Luftstroms mithilfe einer Kalibrierungskurve zu bestimmen, die Pixelintensität mit CO2-Konzentrationen in Beziehung setzt. Die Kalibrierungskurve wird unter Verwendung eines auf Physik basierenden parametrisierten Modells abgeleitet. Die CO2-Konzentrationshöhen werden bestimmt und an eine Computer-Workstation übermittelt. Es werden diverse Ausführungsformen offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf Systeme und Verfahren für eine bildbasierte Überwachung der Atemfunktion eines Patienten gerichtet, so dass eine Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in dessen ausgeatmetem Atmen sowie dessen Atmungsrate in einer berührungsfreien minimal invasiven Überwachungsumgebung bestimmt werden können.
Verfahren zum Überwachen der Atemfunktion einer Person finden beispielsweise in der Medizin, bei Schlafstudien, Lügendetektortests vielfach Anwendung. Bei solchen Verfahren werden Drähte und Elektroden oder andere körperlich invasive Vorrichtungen verwendet, die das Individuum berühren und somit in dessen Konvaleszenz eingreifen können. Eine wichtige Atemfunktion, die man überwachen möchte, ist die CO₂-Konzentration. CO₂-Mangel kann Beschwerden auslösen oder verstärken, beispielsweise Kurzatmigkeit, Brustschmerzen, Erstickungsgefühle, Taubheit, unregelmäßiger Herzschlag, einschließlich Müdigkeit, Schwäche, Erschöpfung, Übelkeit und Benommenheit. Eine Bewertung der CO₂-Konzentration und der Atmungsrate erleichtert dem Mediziner die Diagnose, ob die Person an Hyperventilation (zu starkes Atmen oder Hypokapnie) oder Hypoventilation (zu schwaches Atmen oder Hyperkapnie) leidet. Ein Problem bei der Atmungsbeurteilung besteht darin, dass ein Patient, wenn er weiß, dass seine Atmung überwacht wird, dazu neigt, sein normales Atmungsmuster unbewusst zu verändern. Dadurch gestaltet sich das Erhalten von zuverlässigen Beurteilungen der Atmungsfunktion eines Patienten manchmal schwierig. Ein unauffälliges Messsystem, das die Bewertung der Atmungsfunktion eines Patienten ohne dessen Teilnahme oder sogar ohne dessen Kenntnis erleichtern kann, ist äußerst wünschenswert.
Es werden ein neues System und Verfahren zum Bestimmen der Kohlendioxidkonzentration bei einem Bild zu ausgeatmetem Atem und zum Bestimmen der Atmungsrate eines Patienten bereitgestellt. Das vorliegende System und Verfahren verwenden eine Mittelwellen-Infrarotkamera, um Bilder des Ausatmungsluftstroms eines Patienten mithilfe eines schmalbandigen Passfilters, der auf eine IR-Absorptionswellenlänge von CO₂ eingestellt ist, aufzunehmen. Wie hier ausführlicher offenbart, werden ein Algorithmus- und Kalibrierungsverfahren bereitgestellt. Die Lehren hierin ermöglichen eine Bewertung der Atmungsfunktion eines Patienten auf minimal invasive Weise, die keine Berührung erfordert.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das vorliegende Verfahren zur bildbasierten Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in ausgeatmetem Atem Folgendes. Zunächst wird ein Bild des ausgeatmeten Luftstroms eines Individuums von Interesse empfangen. Das Bild wird mithilfe eines Mittelwellen-Infrarotkamerasystems aufgenommen, wobei zumindest ein optischer Filter auf die CO₂-Infrarot-Absorptionsbande eingestellt ist. Dieser optische Filter ist ein schmalbandiger Passfilter, der einen CO₂-Kontrast in Bezug auf die Emissionen von Hintergrundschwarzkörpern erhöht. Jedes der empfangenen Bilder umfasst zumindest teilweise ein Pixel-Array, wobei die jeweiligen Intensitätswerte bei gewünschten CO₂-Absorptionsbanden erhalten werden. Das Bild wird vorverarbeitet, um eine Pixelregion zu isolieren, die den ausgeatmeten Luftstrom enthält, und Intensitätswerte von Pixeln im identifizierten Bereich werden mit einem Wert einer bekannten Strahldichte, wie jener der Nase oder des Gesichts des Individuums, normalisiert. Auf eine hier ausführlicher offenbarte Weise wird das Bild analysiert, um CO₂-Konzentrationshöhen des ausgeatmeten Luftstroms mithilfe einer Kalibrierungskurve zu bestimmen, die Pixelintensitätswerte mit CO₂-Konzentrationen in Beziehung stellt. Die Kalibrierungskurve wird unter Verwendung eines auf Physik basierenden parametrisierten Modells abgeleitet, das Pixelintensität mit CO₂-Konzentration in mmHG-Einheiten in Beziehung stellt. The CO₂-Konzentrationshöhen werden bestimmt und an einen Speicher, eine Speichervorrichtung, eine graphische Anzeige und/oder eine Computer-Workstation übermittelt.
Viele Funktionen und Vorteile des oben beschriebenen Verfahrens sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen leicht ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
3 zeigt die Spezifikationen des CO₂ Bandpassfilters, der zur Aufnahme des IR-Bilds von 2 verwendet wird;
1 zeigt das IR-Spektrum von CO₂ (Gesamtdruck 4,0 kPa).
2 zeigt das Infrarotspektrum einer gasförmigen CO₂-Probe.
Die 3A–E zeigen diverse Schwingungsmodi eines CO₂-Moleküls (3A–D) sowie den Torsionsmodus eines Ethanmoleküls (3E).
4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens zur bildbasierten Bestimmung der CO₂-Konzentration in ausgeatmetem Atem zeigt.
Die 5A–C zeigen einen Gesichtsbereich (5A), einen Bereich, der die Ausatmungsfahne (5B) enthält, und Zeitreihendaten (5C) zu den Digitalzählungen für den CO₂-Bereich von Interesse.
6 zeigt unterschiedliche beobachtbare Strahldichtewege, die von der Kamera detektiert werden.
7 zeigt die Schwarzkörperstrahldichte bedingt durch eine Nase oder ein Gesicht bei 34 °C.
8 zeigt die Übertragungsfunktionen für Individuum 1 und 2 gemäß den Parametern der zugehörigen Tabelle.
9 zeigt die Übertragungsfunktion für Individuum 1 zur Umwandlung von
in mmHg.
Die 10A–C zeigen ein erstes Individuum (10A), einen CO₂-Partialdruck in ausgeatmeter Luft (10B), die für die Messbedingungen des ersten Individuums berechnet wurden, und das Leistungsspektrum (10C) der Zeitreihendaten von 10B.
Die 11A–C zeigen ein zweites Individuum (11A), einen CO₂-Partialdruck in ausgeatmeter Luft (11B14B), die für die Messbedingungen des zweiten Individuums berechnet wurden, und das Leistungsspektrum (11C) der Zeitreihendaten von 11B.
12 zeigt CO₂-Mengen in ausgeatmeter Luft (X-Achse) in Bezug zur Atmungsrate (Y-Achse).
13 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften vernetzten Atmungsüberwachungssystems, das in der Lage ist, diverse Aspekte des vorliegenden Verfahrens umzusetzen, wie unter Bezug auf das Ablaufdiagramm von 4 beschrieben.
Ausführliche Beschreibung
Wie hierin verwendet, bezieht sich ein "Individuum von Interesse" auf einen Menschen, dessen Atmungsfunktion zur Bewertung der Atmungsfunktion gemäß den Lehren hierin überwacht werden soll. Auch wenn in diesem gesamten Text die Ausdrücke "Mensch", "Person" oder "Patient" verwendet werden können, kann das Individuum von Interesse, dessen Atmungsfunktion überwacht werden soll, etwas Anderes als ein Mensch sein, beispielsweise ein Tier, ein Reptil oder sogar ein Insekt und eine Pflanze. Aus diesem Grund ist die erklärende Nutzung der Ausdrücke "Person" oder "Patient" nicht als den Umfang der beiliegenden Ansprüche auf Menschen begrenzend anzusehen.
Der Ausdruck "Atmungssystem" ist der anatomische Teil eines Organismus, der Atmungsgase in das Innere des Organismus einbringt, einen Gasaustausch durchführt und Abgase zurück in die Umgebung auszustößt. Bei Säugetieren umfassen die anatomischen Merkmale des Atmungssystems die Luftwege, die Lunge und die Atmungsmuskulatur. Andere Spezies wie Insekten, Reptilien und Amphibien weisen Atmungssysteme mit einfachen anatomischen Merkmalen auf. Bei einigen spielt die Haut bei der Atmung eine Rolle. Pflanzen weisen darüber hinaus Atmungssysteme auf, die anatomische Merkmale wie Löcher an den Unterseiten von Blättern, als Stomata bekannt, umfassen, aber die Direktionalität des Gasaustauschs ist tendenziell das Gegenteil von jener bei Tieren. Während der Atmung werden Sauerstoffmoleküle und Kohlendioxid durch Diffusion zwischen der gasförmigen äußeren Umgebung und dem Organismus passiv ausgetauscht. Beim Menschen ist Kohlendioxid einer der Mediatoren der Blutzufuhrautoregulation, d. h. bei hohen CO₂-Konzentrationen dehnen sich die Kapillaren um Gewebe herum und ermöglichen einen stärkeren Blutfluss zu diesem Gewebe. Die Atmungszentren zielen darauf ab, einen arteriellen CO₂-Druck von 40 mmHg zu halten. Obwohl der Körper Sauerstoff für den Stoffwechsel benötigt, stimulieren geringe Sauerstoffmengen die Atmung für gewöhnlich nicht. Vielmehr wird das Atmen durch hohe Kohlendioxidkonzentrationen stimuliert. Folglich kann das Einatmen von Niederdruckluft oder eines Gasgemischs gänzlich ohne Sauerstoff (beispielsweise reiner Stickstoff) zu Bewusstseinsverlust führen, ohne dass jemals das Bedürfnis nach Luft verspürt wird, da der Körper hohe Kohlendioxidkonzentrationen nicht detektiert. Bei Hyperventilation kann der CO₂-Gehalt im arteriellen Blut auf 10–20 mmHg gesenkt sein und der Atemantrieb ist verringert. Aus diesem Grund kann man seinen Atem nach dem Hyperventilieren länger als ohne Hyperventilieren anhalten, aber dies birgt das Risiko eines Bewusstseinsverlust, bevor die Person das Bedürfnis verspürt, wieder zu atmen; daher ist Hyperventilieren vor dem Freitauchen besonders gefährlich.
Eine "Atmungsfunktion" besteht aus Einatmung, Gasaustauch und Ausatmung. Eine Einatmung wird durch die Bewegung eines Zwerchfellmuskels initiiert und durch interkostale Muskeln unterstützt. Unter normalen Bedingungen ist das Zwerchfell der primäre Einatmungsantrieb. Wenn sich das Zwerchfell zusammenzieht, erweitert sich der Brustkorb und die Inhalte des Bauchs werden nach unten bewegt. Dies führt zu einem größeren thorakalen Volumen und Unterdruck (in Bezug auf Atmosphärendruck) innerhalb des Thorax. Sinkt der Druck in der Brust, bewegt sich Luft in die Leitzone, in der einströmende Luft erwärmt und befeuchtet wird. Der Gasaustausch ist eine primäre Funktion des Atmungssystems. Gasmoleküle werden zwischen der äußeren Umgebung und dem System eines Organismus ausgetauscht. Dieser Austausch erleichtert die Oxygenierung des Bluts sowie das Entfernen von Kohlendioxid und anderen metabolischen Abfällen aus dem Blut. Beim Gasaustausch wird das Säure-Basen-Gleichgewicht des Körpers gehalten. Der zelluläre Mechanismus des Gasaustausches wird durch das einfache Phänomen des Druckunterschieds bewirkt. Ist der Atmosphärendruck außen gering, dann strömt Luft von der Lunge in die Umgebung. Ist der Luftdruck in der Lunge gering, ist das Gegenteil der Fall. Die Ausatmung ist im Allgemeinen ein passiver Prozess, der auf die natürliche Elastizität des Lungengewebes zurückzuführen ist, die bewirkt, dass sich die Lunge von der Einatmungsdehnung zurückzieht, wodurch Luft nach außen forciert wird, bis die Drücke in der Brust und der Druck der Außenatmosphäre ein Gleichgewicht erreichen. Während der forcierten Ausatmung erzeugen exspiratorische Muskeln wie Bauch- und interne interkostale Muskeln, wie beim Ausblasen einer Kerze, einen Druck im Bauch- und Brustbereich, der Luft aus der Lunge hinaus forciert. Während der forcierten Einatmung, beispielsweise beim tiefen Einatmen, unterstützen äußere interkostale Muskeln und Hilfsmuskeln das Ausdehnen der Brusthöhle. Während der starken Einatmung (bei Raten von mehr als 35 Atemzügen pro Minute) oder bei einem sich nähernden Atemversagen werden Hilfsmuskel wie Musculus sternocleidomastoideus, Platysma, Musculus scalenus des Halses sowie Brustmuskeln und Musculus latissimus dorsi der Atmung als Unterstützung beansprucht.
Eine "Atmungsrate" ist die Anzahl von Atemzügen, die ein Individuum während eines gewissen Zeitraums macht (für gewöhnlich Atemzüge pro Minute). Bei einer normalen Ausatmung werden ungefähr 2,3 Pfund (1 kg) Kohlendioxid pro Tag pro Person produziert. Bei körperlicher Belastung, wenn der Körper einer erhöhten Oxygenierung bedarf, steigt die Atmungsrate. Atmungsraten können sich ohne körperliche Tätigkeit erhöhen, beispielsweise durch Fieber oder andere medizinische Zustände.
Ein "IR-Bild" ist ein Infrarotbild eines Individuums von Interesse, das mithilfe einer IR-Kamera aufgenommen wurde. Ein vollständiges gefülltes IR-Bild besteht aus Pixeln, die jeweils einen Intensitätswert bei einer gewünschten Spektralbande aufweisen. IR-Bilder werden im Mittelwellenbereich des Infrarotspektrums (ungefähr 3 bis 8 μm), auch als Zwischeninfrarot-(IIR-)Bereich bekannt, aufgenommen, wobei eine Mittelwellen-Infrarotkamera verwendet wird, die auf eine Extremität des Kopfs und Gesichts des Individuums gerichtet ist, so dass dessen Ausatmungsluftstrom im Bild gemäß den Lehren hierin erfasst und verarbeitet werden kann.
Eine "Mittelwellen-Infrarot-(MWIR-)Kamera" ist ein Bildgebungssystem, das ein IR-Bild aufnehmen kann. Solche Kameras sind in diversen Handelsbereichen käuflich erhältlich. Anbieter sind z. B. Xenics und FLIR. Viele MWIR-Videokameras bieten eine hohe Wärmeempfindlichkeit, kurze Integrationszeiten und eine hohe räumliche Auflösung. Einige Kameras enthalten einen hochempfindlichen HgCdTe-Infrarotdetektor (Format 640 × 512), der in ein versiegeltes Gehäuse integriert ist, wodurch diverse Anwendungen möglich werden, beispielsweise Hochauflösungs-Tracking, radiometrische Datensammlung und Hochgeschwindigkeitsbildgebung. Das hier verwendete Infrarotkamerasystem und die hier verwendeten Filter sind konzipiert, um das Licht zu sammeln, das von der Rotationsschwingungsstrahlung von CO₂-Molekülen abgegeben wird. Da Kohlendioxid zwischen 4,1 und 4,4 μm stark absorbiert, ist dies eine Bande von Interesse. Die IR-Kamera enthält einen Spektralbandpassfilter, um den Kontrast der CO₂-Emissionen in Bezug auf die Emissionen der Hintergrundschwarzkörper zu erhöhen. Da wir die CO₂-Strahldichte von der Rotationsschwingungsemission nachweisen, ist eine Beleuchtungsquelle nicht erforderlich. An sich kann das Bild in einem vollständig dunklen und kalten Raum erhalten werden.
"Vorbearbeiten der Bilder" bedeutet das Isolieren der Position des ausgeatmeten Luftstroms im Bild. Ein Verfahren, das die mit einer Atmungsfunktion assoziierten Gesichtsmerkmale identifiziert, ist in der oben erwähnten Referenzschrift "Monitoring Respiration With A Thermal Imaging System" von Xu et al. offenbart.
Ein "mit der Atmung assoziiertes Gesichtsmerkmal" bezieht sich auf einen Luftkanal, über den das Atmungssystem des Individuums oxygenierte Luft während des Einatmens in der Lunge aufnimmt und CO₂-reiche Luft während des Ausatmens aus der Lunge ausstößt. Beim Menschen sind die mit der Atmung assoziierten Gesichtsmerkmale die Nase und der Mund.
"Kohlendioxid" (chemische Formel CO₂, auch einfach CO2 geschrieben) ist eine Verbindung, die aus zwei Sauerstoffatomen besteht, die kovalent an ein Kohlenstoffatom gebunden sind. Kohlendioxid ist ein natürlich auftretendes Gas, das in der Atmosphäre der Erde bei Standardtemperatur und -druck in einer Konzentration von ungefähr 0,039 % pro m² vorkommt. CO₂ ist in hohen Konzentrationen toxisch. Bei einer Konzentration von 1 % (10.000 ppm) werden Menschen schläfrig, müde und krank. Konzentrationen von 7 bis 10 % bewirken Schwindel, Kopfschmerzen, Seh- und Hörstörungen sowie Verlust des Bewusstseins innerhalb von Minuten, je nach Grad der Exposition. CO₂ absorbiert im IR stark. Das IR-Spektrum von CO₂ (4,0 kPa Gesamtdruck) ist in 1 gezeigt. Absorptionslinien für Kohlendioxid (CO₂) (obere Graphik bei 401) und Strahldichtespektrum (untere Graphik bei 402) für Druck = 1 Atm, Temperatur = 400 °C, Distanz L = 10 cm und VMR = 0,1. VMR ist das Volumenmischungsverhältnis. Ein VMR von 0,1 entspricht 10 % Molekülen des Gases von Interesse und den restlichen Molekülen eines Gases, das aus Berechnungsgründen optisch inert ist. Da das IR-Spektrum jedes Moleküls einzigartig ist, kann es als Signatur oder Fingerabdruck für die Identifizierung des Moleküls dienen. 2 zeigt ein weiteres Infrarotspektrum einer Kohlendioxidprobe. Man bemerke, dass die Intensität des übertragenen Lichts immer nahe 100 % liegt, außer wenn die Probe bei 2349 cm^–1 (4,26 μm) und bei 667 cm^–1 (15,00 μm) absorbiert.
Da mehr als zwei Atome aufweist, kann es auf unterschiedliche Weise schwingen. Diese unterschiedlichen Bewegungstypen treten bei unterschiedlichen Frequenzen auf. Die Frequenzen dieser Rotationsschwingungsbewegungen können auf Basis der Masse der beteiligten Atome und der Stärke deren Bindungen berechnet werden. CO₂ ist ein lineares Molekül und weist somit (3 × 3) – 5 = 4 Schwingungen auf. In 3 sind diese Schwingungsmodi gezeigt, wobei die Pfeile eine Bewegungsrichtung angeben. Schwingungen (3A) und (3B) repräsentieren die Dehnung der Bindungen, eine auf symmetrische Weise (3A), wobei sich beide C=O-Bindungen verlängern und zusammenziehen (phasengleich), und die andere auf asymmetrische Weise (3B), wobei sich eine Bindung verkürzt, während sich die andere verlängert. Die asymmetrische Dehnung ist infrarotaktiv, da während der Schwingung eine Veränderung im molekularen Dipolmoment erfolgt. "Aktiv" sein bedeutet, dass die Regeln der Quantenmechanik eine Absorption eines Photons zur Anregung der Schwingung zulassen. Die Infrarot-Auswahlregel besagt, dass der Modus bei einem bestimmten Schwingungsmodus, den es im Infrarotspektrum zu beobachten (aktiv) gilt, eine Veränderung des Dipolmoments des Moleküls umfassen muss. Eine Infrarotstrahlung bei 2349 cm^–1 (4,26 μm) regt diese bestimmte Schwingung an. Die symmetrische Dehnung ist nicht infrarotaktiv und somit wird diese Schwingung im Infrarotspektrum von CO₂ nicht beobachtet. Die beiden energiegleichen Biegeschwingungen bei CO₂ (3C) und (3D) sind identisch, mit der Ausnahme, dass ein Biegemodus in der Ebene des Zeichnungsblattes liegt und sich einer über die Ebene des Blattes hinaus erstreckt. Eine Infrarotstrahlung bei 667 cm^–1 (15,00 μm) regt diese Schwingungen an.
Neben der Bindungsdehnung und Bindungsbiegung treten zwischen benachbarten Abschnitten des Moleküls Rotationsschwingungen wie Schaukeln und Verdrehen auf. Torsionen umfassen Veränderungen des Niederwinkels. Es werden keine Bindungen gedehnt und keine Bindungswinkel verändert, aber das räumliche Verhältnis zwischen den Atomen, die an jedes der beiden benachbarten Atome angehaftet sind, unterliegt Veränderungen. Der Torsionsmodus für das Ethanmolekül ist in 3E beispielhaft dargestellt. Im Wesentlichen gilt, je stärker die Bindung, desto mehr Energie ist erforderlich, um die Dehnschwingung anzuregen. Dies wird bei organischen Verbindungen beobachtet, bei denen Dehnungen für Dreifachbindungen bei höheren Frequenzen als Dehnungen für Doppelbindungen (C=C, C=N, C=O) auftreten, die wiederum bei höheren Frequenzen als Einfachbindungen (C-C, C-N, C-H, O-H oder N-H) auftreten. Im Allgemeinen gilt, je schwerer das Atom, desto niedriger die Frequenzen für Schwingungen, die das Atom umfassen.
Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
Es wird nun auf das Ablaufdiagramm von 4 Bezug genommen, das eine beispielhafte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens zur bildbasierten Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in ausgeatmetem Atem zeigt. Die Prozessführung beginnt bei Schritt 400 und geht sofort zu Schritt 402 über.
Bei Schritt 402 wird ein IR-Bild des ausgeatmeten Luftstroms eines Individuums von Interesse empfangen, das unter Verwendung eines Mittelwellen-Infrarotkamerasystems aufgenommen wurde, wobei zumindest ein optischer Filter auf die Infrarot-Absorptionsbande von CO₂ eingestellt war. Wie zuvor besprochen, ist das Kamerasystem konzipiert, um den Emissionsgrad der Strahlung zu erfassen, die von den Schwingungen der Atome im CO₂-Molekül verursacht wird. Jedes der empfangenen Bilder umfasst zumindest teilweise ein Pixel-Array mit jeweiligen Intensitätswerten, die bei der CO₂-Absorptionsbande erhalten wurden. Die IR-Bilder werden vorbearbeitet, um einen Bereich zu isolieren, der den Ausatmungsluftstrom enthält, und die Intensitätswerte der Pixel in diesem Bereich werden mit einem Wert einer bekannten Strahldichte, beispielsweise jener eines identifizierten Bereichs der Nase oder des Gesichts des Individuums von Interesse, normalisiert (bei 502 von 5 beispielhaft gezeigt). Die aufgenommen Bilder werden auf Frame-für-Frame-Basis verarbeitet, so dass Zeitreihendaten erhalten werden. Bei einer Ausführungsform der Vorverarbeitung werden Pixel identifiziert, die ein mit der Atmung assoziiertes Gesichtsmerkmal lokalisieren. Von der Position der identifizierten Gesichtsmerkmale können Pixel in dem Bereich, der den Ausatmungsluftstrom (503 von 5) des Individuums definiert, isoliert und verarbeitet werden. Histogramme zu Pixelidentitäten im identifizierten Bereich des Ausatmungsluftstroms werden analysiert, um jenen Bereich auszuwählen, in dem die abgegebene CO₂-Strahldichte am höchsten ist. Diese maximale Pixelintensität entspricht dem Zentrum oder dem Kern des ausgeatmeten Luftstroms, in dem die Konzentrationen auf ausgeatmeten Gasen am höchsten sind. Bei Frames, in denen der Einatmungsvorgang erfolgt, ist die Strahldichte des CO₂ gleich der Strahldichte des Hintergrunds, da während der Einatmung kein Ausatmungsluftstrom vorhanden ist. Dies ist durch eine Analyse von Pixelintensitätshistogrammen auf Frame-für-Frame-Basis, wenn das Individuum ein- und ausatmet, leicht zu bestätigen. Die Größe und Form der Gesichtsmerkmale eines Individuums, die mit der Atmung assoziiert sind, und der Bereich der Ausatmungsfahne kann nach durchgeführter Sensibilitätsanalyse fixiert werden, so dass diese Bereiche in der aufgezeichneten Videosequenz leicht isoliert, durch Hintergrund- und Gesichtsmerkmalerkennung automatisch extrahiert und die Pixel entsprechend verarbeitet werden können. 5C zeigt Zeitreihendaten der Digitalzählungen für die CO₂-Ausatmung (in diesem Beispiel ist der Mittelwert der Nase 193,42), wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben.
In Schritt 404 werden die CO₂-Konzentrationshöhen im ausgeatmeten Luftstrom mithilfe einer Kalibrierungskurve bestimmt, die Pixelintensitätswerte mit CO₂-Konzentrationen in Beziehung setzt. Die Kalibrierungskurve wird unter Verwendung eines auf Physik basierenden parametrisierten Modells abgeleitet, das Pixelintensität zu CO₂-Konzentration in mmHG-Einheiten in Beziehung stellt. Alternativ wird die Kalibrierung anhand experimenteller Verfahren abgeleitet. Wenn ein Videostream zu zeitsequentiellen Bildern erhalten wurde, wird darüber hinaus eine Atmungsrate für das Individuum von Interesse ermittelt.
In Schritt 406 werden die CO₂-Konzentrationshöhen an ein Rechnersystem übermittelt. Bei anderen Ausführungsformen werden die CO₂-Konzentrationshöhen zur Speicherung oder weiteren Verarbeitung über ein Netzwerk an einen Speicher, eine Speichervorrichtung, eine Graphikanzeige, ein Messaging-System, ein Mobilfunkgerät oder ein Remote-Gerät übermittelt. Danach wird die weitere Verarbeitung bei der Ausführungsform von 4 beendet.
Es sei verstanden, dass die hier gezeigten Ablaufdiagramme veranschaulichend sind. Ein oder mehrere der im Ablaufdiagramm gezeigten Prozessschritte können in einer unterschiedlichen Reihenfolge durchgeführt werden. Andere Prozesse können beispielsweise hinzugefügt, modifiziert, verbessert, verkürzt, integriert oder mit den Schritten davon zusammengelegt werden. Solche Variationen sollen in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen. Alle Ablaufdiagramme oder Teile davon können teilweise oder gänzlich in Verbindung mit maschinell ausführbaren Anweisungen in Hardware implementiert sein.
Bestimmung der CO₂-Konzentration
Die Strahldichte von CO₂ im spektralen Beobachtungsfenster hängt von mehreren Faktoren ab: Atmosphärendruck (P), Temperatur (T in Grad Kelvin), Volumenmischungsverhältnis (vmr) und Tiefe der Probe (L). Der Atmosphärendruck muss berücksichtigt werden, da die molekularen Resonanzen durch Kollisionen mit Hintergrundmolekülen druckbedingt verbreitet werden. Der Atmosphärendruck beläuft sich auf 1 bar (1013,25 mbar) auf Meereshöhe. Die Temperatur bestimmt die Amplitude der molekularen Schwingungen. Die Wärmeenergie treibt die diversen molekularen Rotationsschwingungsmodi an (beispielhaft in 3 gezeigt) und ermöglicht, dass diese fluoreszieren und eine Strahldichte abgeben, die mit einer Kamera beobachtet werden kann. Das Volumenmischungsverhältnis (vmr) ist die Bruchzahl von Molekülen einer Spezies in einem Volumen. In der Praxis ist das vmr der prozentuale Anteil des Gases von Interesse, der auf einfache Weise durch Multiplizieren mit einem entsprechenden Faktor in eine andere Teilvolumeneinheit umgewandelt werden kann, beispielsweise ppm oder mmHG. Die einzelnen vmrs und ihre Summe müssen zwischen 0 und 1 liegen. Wenn die Summe des vmr weniger als 1 ist, geht man davon aus, dass das restliche Gas in der Zelle optisch transparent ist. Linienformen für Moleküle mit einem vmr von weniger als 1 sind durch die Luft verbreitert. Eine beispielhafte Tiefe der Probe ist bei L₂ (614 in 6) gezeigt. Je tiefer die ermittelte Ausatmungsfahne, desto mehr Strahldichte wird davon abgegeben, bis sie durch Selbstabsorption gesättigt ist. Bei absoluten Messungen der CO₂-Konzentration muss die Tiefe mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, die unterschiedliche beobachtbare Strahldichtewege zeigt, die mit einer IR-Kamera 601 bei einem μm Bandpassfilter von 4,2 μm bis 4,4 μm ermittelt wurden. Setzt das Individuum seinen Atmungszyklus fort, können unterschiedliche Intensitätshöhen beobachtet werden.
In einem Raum 600 ist eine Kamera 601 derart positioniert, dass ein IR-Bild des Profils des Gesichts oder der Nase eines Individuums 602 von Interesse aufgezeichnet wird. Das Individuum steht vor einer Wand 603 im Sichtfeld 604 der Kamera. Die Strahldichten entlang der Strahldichtewege 605, 606 und 607 gehören zu der Nase/dem Gesicht des Individuums 602, dem Ausatmungsluftstrom 608 bzw. der Wand 603. Es sei verstanden, dass die Strahldichtewege veranschaulichend sind. Einige unterschiedliche Bereiche 609, 610 und 611 im Raum 600 können allgemein identifiziert werden. Der Bereich 612 ist vom Individuum 602 blockiert. Strahldichten R_o entlang des Strahldichtewegs 605 sind von der Seite der Nase/des Gesichts 602 des Individuums. Die Nase des Individuums hat einen Emissionsgrad (e_skin). Der Emissionsgrad der Haut ist für Personen jeden Hauttyps ungefähr gleich (≈ 0.97). Die Nase des Individuums weist eine Temperatur (T_nose) auf, die eine Schwarzkörperstrahldichte R_BB liefert, wenn in Bezug auf die Distanz zur Kamera 615, die CO₂-Umgebungskonzentration, den Umgebungsatmosphärendruck und die Umgebungstemperatur korrigiert. Strahldichten
entlang des Strahldichtewegs 606 stammen aus der Fahne 608 des Ausatmungsluftstroms. Während des Einatmens, wenn keine Fahne 608 des Ausatmungsluftstroms vorhanden ist, da Luft in die Lunge gezogen und nicht aus dieser ausgestoßen wird, werden Strahlendichten R_o entlang des Strahldichtewegs 607 von der Wand 603 und anderen vorhandenen Hintergrundobjekten abgegeben. R_o ist ein Wert, der bereits in Bezug auf die Distanz 613, 615, 615 zur Kamera, die CO₂-Umgebungskonzentration, den Umgebungsatmosphärendruck und die Umgebungstemperatur korrigiert wurde. Die Wand weist einen Emissionsgrad (e_wall) und eine Temperatur (T_wall) auf. Die digitalen Intensitäten, I_o, I_BB und
sind auf ihre jeweilige Strahlendichte (R_o, R_BB und
) zurückzuführen, die von den Objekten abgegeben wird, die sie repräsentieren (plus Bildrauschen, das durch Streulicht und andere Quellen des Kamerarauschens bedingt ist). Die Temperatur der Wand (T_wall) sowie die Temperatur der Nase (T_nose) können mithilfe einer Temperaturmessungsfunktion der gleichen Kamera gemessen werden, die für CO₂-Messungen herangezogen wird. Da die digitalen Intensitäten auf den Bildern nicht auf Strahldichte kalibriert sind, wird eine bekannte Strahldichte als Referenz verwendet, um die digitalen Kameraintensitäten auf lokalisierte Strahldichten zu kalibrieren. Eine Referenz für die Kalibrierung ist die Temperatur der Nase des Individuums, da die Temperatur der Nase eine ungefähr konstante Temperatur (34 °C +/– 3 °C) mit einem engen Temperaturbereich, wenn in Kelvin (307 °K +/– 3 °K) ausgedrückt, ist.
Strahldichten können unter Verwendung von molekularen Spektralinformationen aus der High-Resolution Transmission Molecular Absorption Database (HITRAN) leicht berechnet werden, die von der Atomic and Molecular Physics Division des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics verwaltet wird. HITRAN ist eine Sammlung spektroskopischer Parameter, die diverse Computercodes verwenden, um die Übertragung und Emission von Licht in die Atmosphäre zu prognostizieren und simulieren. Die Datenbank steht auf der Harvard-Seite zum Download zur Verfügung [http://www.cfa.harvard.edu/hitran/].
7 zeigt die Schwarzkörperstrahldichte 701, die von der Haut der Nase oder des Gesichts bei 34 °C abgegeben wird. Der Bereich 702 definiert einen Spektralbereich, der vom Bandpassfilter an die Kamera übertragen wird. Die Wand hinter dem Individuum zeigt ein ähnliches Schwarzkörperstrahlungsmuster. Geht man davon aus, dass ein Rauschpegel N allen Bereichen 609, 610 und 611 von 6 gemein ist, dann kann das Verhältnis zwischen den Intensitäten und den berechneten/tatsächlichen Strahldichten wie folgt dargestellt werden: I_o = α(R_o + N) (1) I_BB = α(R_BB + N) (2)
wobei α der Kamera-Gain ist. Die Unbekannten sind α, N und
Berechnung der CO₂-Konzentrationen
Da wir wissen, dass die Intensität in Bezug auf die Kamera
dem ausgeatmeten CO₂-Bereich entspricht, können wir die CO₂-Atemkonzentration
berechnen.
kann durch Auflösen der Gleichungen (1) bis (3) für
bestimmt werden, woraus sich Folgendes ergibt:
R_o und R_BB werden mithilfe bekannter Parameter unter Verwendung der HITRAN-Datenbank berechnet
wobei die obigen Parameter bekannt sind, ohne dass die Konzentrationen der CO₂-Mengen im Atem bekannt sind, und
verwendet wird, um die CO₂-Atemkonzentration
über die folgende Übertragungsfunktion) zu bestimmen:
wobei
unbekannt ist und
eine Funktion der in der Klammer der Gleichung (7) angeführten bekannten Parameter und von
ist.
Gleichung (7) bietet eine Übertragungsfunktion, die
mit
in Beziehung setzt, das in mmHG (oder prozentual) ausgedrückt werden kann.
8 zeigt die Übertragungsfunktionen für Individuum 1 und 2 gemäß den Parametern der zugehörigen Tabelle. Die Übertragungsfunktionen für Individuum 1 und 2 unterscheiden sich, da die Distanzen, Temperaturen und diversen Dimensionen der Messungen unterschiedlich waren. Beispielsweise atmete das Individuum 2 durch den Mund (4 cm), das Individuum 1 hingegen atmete durch die Nase (3 cm). Die Distanzen zur Kamera und zur Wand unterschieden sich ebenfalls. Die Daten aus 8 können in mmHG umgewandelt werden, um eine Übertragungsfunktion zu bilden.
9 zeigt die Übertragungsfunktion für Individuum 1 zur Umwandlung von
in mmHg.
ist die Strahldichte des ausgeatmeten CO₂-Gases, die mithilfe der Informationen aus dem Digitalbild und bekannter Parameter berechnet wird. In Bezug auf das Individuum 1 wurden vorverarbeitete Digitalzählungen aus 8C extrahiert, wobei für einen Punkt die folgende Darstellung gilt:
und aus dem identifizierten Bereich 802 von 8A die folgende Intensität erhalten wird: I_BB = 193.42. (9)
Die Parameter in diesem Beispiel entsprechen der Tabelle von 8. Es sei verstanden, dass diese Werte unter Verwendung anderer Mittel genau gemessen werden können.
Mithilfe eines Spektroskopiemodells (beispielsweise Spectra Calc) kann Folgendes unter Verwendung der Eingaben aus Tabelle 8 leicht ermittelt werden:
Werden die Werte der Gleichungen (8), (9), (10) und (11) in Gleichung (4) übertragen, erhält man:
Der Wert von
(abgeleitet in Gleichung (12)) wird bei der Übertragungsfunktion (erstellt in 8) verwendet, um den prozentualen Anteil von CO₂ im ausgeatmeten Atem in mmHG zu bestimmen, d. h. 32,56 mmHG mit diesen Werten.
Bestimmung der Atmungsrate
Ein Verfahren, das auf schneller Fourier-Transformation (FFT) basiert, kann verwendet werden, um die menschliche Atmungsrate unter Verwendung von AR-Zeitreihendaten zu schätzen. Das Leistungsspektrum der Zeitreihendaten zeigt eine dominante Frequenz. In 10 weist ein erstes Individuum (10A) einen CO₂-Partialdruck in ausgeatmeter Luft auf, der unter Berücksichtigung der Messbedingungen des ersten Individuums unter Verwendung der gleichen Daten wie in 5 berechnet wurde (10B). 10C zeigt das Leistungsspektrum der Zeitreihendaten von 10B (dominante Frequenz: 12,3 cpm).
In 11 weist ein zweites Individuum (11A) einen CO₂ CO₂-Partialdruck in ausgeatmeter Luft auf, der unter Berücksichtigung der Messbedingungen des zweiten Individuums berechnet wurde (11B). 11C zeigt das Leistungsspektrum der Zeitreihendaten von (11B) (dominante Frequenz: 15,5 cpm). In TABELLE A sind die Ergebnisse gezeigt.

Atmungsrate (Atemzüge pro Minute) Endtidales CO₂ (Partialdruck in ausgeatmeter Luft)*

Individuum 1 (Nase) 12,3 BPM (34 ± 5) mmHg

Individuum 2 (Mund) 15,5 BPM (40 ± 5) mmHg

TABELLE A (*Atmosphärendruck in 760 mmHg)
Die Ergebnisse von TABELLE A können mit Daten in der Literatur verglichen werden. 12 zeigt CO₂-Mengen in ausgeatmeter Luft (X-Achse) in Bezug zur Atmungsrate (Y-Achse). Eine Untersuchung von 12 zeigt, dass die erhaltenen Werte (d. h. 32,56 mmHG) mit einem normalen Bereich kompatibel sind.
Beispielhaftes Bildverarbeitungssystem
Es wird nun auf 13 Bezug genommen, das ein Blockschaltbild eines beispielhaften Atmungsüberwachungssystem zum Implementieren diverser Aspekte des vorliegenden Verfahrens ist, wie unter Bezug auf das Ablaufdiagramm von 4 beschrieben.
In 13 zeichnet die Mittelwellen-Infrarotkamera 1302 eine oder mehrere IR-Bilder eines Individuums von Interesse auf, dessen Kopf und Gesicht im Sichtfeld 1303 der Kamera sind. Die aufgezeichneten Bilder werden an ein gezeigtes Bildverarbeitungssystem 1304 übermittelt, das einen Puffer 1306 umfasst, um die empfangenen Bilder zur Verarbeitung in die Warteschlange zu stellen. Der Puffer 1306 kann darüber hinaus Daten und mathematische Formeln sowie Repräsentationen nach Bedarf speichern, um die Bilder gemäß den diversen Ausführungsformen hierin zu verarbeiten. Ein Signalprozessor 1308 empfängt die Bildsignale von der Kamera 1302 und verarbeitet die Pixelintensitätswerte, um sicherzustellen, dass diese Werte innerhalb eines vorab definierten Bereichs liegen, und um Pixelintensitäten mit Bildbereichen innerhalb eines bestimmten Bildframes zu verknüpfen. Ein Bildstabilisator 1310 ist für jene Systeme bereitgestellt, bei denen das Rauschen in der Videosequenz, das von der Bewegung der Kamera oder der Bewegung des Individuums stammt, mithilfe von beispielsweise Bildsegmentierung und Punktmerkmalverfolgung kompensiert werden muss. Solche Verfahren sind auf dem Gebiet der Bildverarbeitung hinlänglich bekannt. Die verarbeiteten Bilddaten werden einem Extremitäten-Locator 1312 übermittelt, der die Extremitäten des Kopfs und Gesichts des Individuums identifiziert. Ein Gesichtsmerkmal-Lokalisierungsmodul 1316 empfängt die identifizierten Kopf- und Gesichtsextremitäten vom Extremitäten-Locator-Modul 1312, und die positionsbezogenen Verhältnisse werden von einer Datenbank 1314 abgerufen und verwendet, um eine Position der Gesichtsmerkmale des Individuums, die mit der Atmung assoziiert sind, beispielsweise Nase und Mund des Individuums, zu bestimmen. Ein CO2-Konzentrationsmodul 1318 bestimmt die CO₂-Konzentration im ausgeatmeten Atem des Individuums gemäß den Lehren hierin. Ein Atmungsratenprozessor 1322 bestimmt die Atmungsrate des Individuums gemäß den Lehren hierin. Die generierten Werte werden in einem Speicher 1320 gespeichert. Ein Warnsignalgenerator 1324 gibt ein Signal 1326 aus, wenn entweder die Atmungsrate oder die bestimmte CO₂-Konzentration außerhalb vorab definierter Schwellenwerte fallen.
Diverse Teile der von der Mittelwellen-Infrarotkamera 1302 aufgezeichneten IR-Bilder können im Speicher 1320 und/oder in einer Speichervorrichtung 1314 gespeichert oder an eine Workstation 1328 zur Speicherung und Verarbeitung übermittelt werden. Es sei verstanden, dass einige oder alle der von einem beliebigen der Module oder Verarbeitungseinheiten des Systems 1304 ausgeführten Funktionen gänzlich oder teilweise von der Workstation 1328 ausgeführt werden können. Die Workstation 1328 steht über eine Kommunikationsschnittstelle (nicht gezeigt) mit einem Netzwerk 1330 in Verbindung. Die Workstation 1328 ist gezeigt und umfasst einen Anzeigebildschirm 1332 zum Anzeigen von Informationen und zum Durchführen einer Benutzereingabe oder -auswahl. Die Anzeige 1332 kann mit einem Bildverarbeitungssystem 1304 und/oder dem Kamerasystem 1302 verbunden werden, so dass damit erhaltene Bilder auf der Bildschirmanzeige angezeigt werden können. Ein Benutzer oder Techniker des Systems von 13 kann die graphische Benutzeroberfläche der Workstation 1328, z. B. Tastatur 1334 und Maus 1336 verwenden, um Bereiche von Interesse zu identifizieren, Parameter einzustellen und Pixel, Frames, Bilder und/oder Bereiche der Bilder zur Verarbeitung auswählen. Diese können im Speichermedium 1338 oder in einem computerlesbaren Medium 1340 gespeichert und/oder von diesem abgerufen werden. Im Medium 1340 gespeicherte Informationen können von einem Medien-Lesegerät, beispielsweise einem CD-ROM-Laufwerkt, innerhalb eines Computergehäuses 1342 abgerufen werden. Jedes der Module und jede der Verarbeitungseinheiten von 13 kann mit einer Datenbank 1338 verbunden werden und Daten, Variablen, Datensätze, Parameter, Funktionen sowie lesbare/ausführbare Programmanweisungen, die für ihre vorgesehenen Funktionen erforderlich sind, speichern bzw. davon abrufen. Darüber hinaus kann jedes der Module des Systems 1304 über das Netzwerk 1330 mit einem oder mehreren Geräten verbunden werden.
Ferner sei verstanden, dass diverse Module eine oder mehrere Komponenten bezeichnen können, die wiederum Software und/oder Hardware umfassen können, die zur Durchführung der vorgesehenen Funktion konzipiert sind. Eine Mehrzahl von Modulen kann eine einzelne Funktion gemeinsam ausführen. Jedes Modul kann einen speziellen Prozessor aufweisen, der in der Lage ist, maschinenlesbare Programmanweisungen auszuführen. Jedes Modul kann ein einzelnes Stück Hardware, beispielsweise eine ASIC, eine elektronische Schaltung oder einen speziellen Prozessor, umfassen. Eine Mehrzahl von Modulen kann entweder von einem einzelnen speziellen Computersystem oder von einer Mehrzahl von parallel arbeitenden speziellen Computersystemen ausgeführt werden. Verbindungen zwischen Modulen umfassen sowohl physische als auch logische Verbindungen. Die Module können darüber hinaus ein oder mehrere Software-/Hardware-Module umfassen, die ferner ein Betriebssystem, Treiber, Gerätesteuerungen und andere Vorrichtungen umfassen können, wobei einige oder alle davon über ein Netzwerk verbunden sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.cfa.harvard.edu/hitran/ [0039]

Claims

Verfahren zur bildbasierten Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in ausgeatmetem Atem in einer berührungsfreien minimal invasiven Atmungsmessumgebung, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen zumindest eines IR-Bildes des ausgeatmeten Luftstroms eines Individuums von Interesse, wobei das Bild mithilfe eines Mittelwellen-Infrarotkamera-Systems aufgezeichnet wurde, wobei zumindest ein optischer Filter auf die Infrarot-Absorptionsbande von CO₂ eingestellt war, wobei jedes der empfangenen Bilder teilweise ein Array von Pixeln mit entsprechenden Intensitätswerten umfasst, die bei der Absorptionsbande von CO₂ erhalten wurden; und Bestimmen einer CO₂-Konzentrationshöhe des ausgeatmeten Luftstroms unter Verwendung einer Kalibrierungskurve, die Pixelintensitätswerte mit CO₂-Konzentrationen in Beziehung setzt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Vorverarbeiten des Bildes, um einen Bereich von Pixeln zu isolieren, der den ausgeatmeten Luftstrom enthält; und Normalisieren der Intensitätswerte der Pixel im identifizierten Bereich, wobei die Pixel mit einem Wert einer bekannten Strahldichte normalisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kamerasystem konzipiert ist, um das von der Rotationsschwingungsstrahlung von CO₂-Molekülen abgegebene Licht zu sammeln, wobei das System eine Infrarotkamera mit einem Empfindlichkeitsbereich, der 4,0 bis 4,5 µm umfasst, und einem Spektralbandpassfilter, der ermöglicht, dass CO₂-Emissionslichts in eine Linse der Kamera eintritt, enthält.
System zur bildbasierten Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in ausgeatmetem Atem, wobei das System umfasst: ein Mittelwellen-Infrarot-(MWIR-)Kamerasystem, wobei zumindest ein optischer Filter auf die Infrarot-Absorptionsbande von CO₂ eingestellt ist; ein Prozessor, der mit dem Kamerasystem in Verbindung steht, wobei der Prozessor maschinenlesbare Anweisungen zum Durchführen des folgenden Verfahrens ausführt: Empfangen zumindest eines IR-Bildes des ausgeatmeten Luftstroms eines Individuums von Interesse, wobei das Bild mithilfe eines Mittelwellen-Infrarotkamera-Systems aufgezeichnet wurde, wobei jedes der empfangenen Bilder teilweise ein Array von Pixeln mit entsprechenden Intensitätswerten umfasst, die bei der Absorptionsbande von CO₂ erhalten wurden; Bestimmen einer CO₂-Konzentrationshöhe des ausgeatmeten Luftstroms unter Verwendung einer Kalibrierungskurve, die Pixelintensitätswerte mit CO₂-Konzentrationen in Beziehung setzt; und Übermitteln der CO₂-Konzentrationshöhe an eines von: einem Speicher, einer Speichervorrichtung, einer graphischen Anzeige, einem telefonischen System und einer Computer-Workstation.
System nach Anspruch 4, ferner umfassend: Vorverarbeiten des Bildes, um einen Bereich von Pixeln zu isolieren, der den ausgeatmeten Luftstrom enthält; und Normalisieren der Intensitätswerte der Pixel im identifizierten Bereich, wobei die Pixel mit einem Wert einer bekannten Strahldichte normalisiert werden.
System nach Anspruch 4, wobei das Kamerasystem konzipiert ist, um das von der Rotationsschwingungsstrahlung von CO₂-Molekülen abgegebene Licht zu sammeln, wobei das System eine Infrarotkamera mit einem Empfindlichkeitsbereich, der 4,0 bis 4,5 µm umfasst, und einem Spektralbandpassfilter, der ermöglicht, dass CO₂-Emissionslicht in eine Linse der Kamera eintritt, enthält.