本發(fā)明涉及用于確定物質(zhì)的濃度的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，所述物質(zhì)的濃度例如諸如人或動(dòng)物的對(duì)象的血液中的氧氣(氧飽和度，SpO2)、膽紅素、CO2等的濃度。

背景技術(shù)：

人的生命體征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者動(dòng)脈血氧飽和度(SpO2)充當(dāng)人的當(dāng)前狀態(tài)的指標(biāo)并且充當(dāng)嚴(yán)重醫(yī)學(xué)事件的有力的預(yù)測(cè)變量。出于該原因，在住院病人護(hù)理環(huán)境和門診病人護(hù)理環(huán)境中、在家里或者在其他保健、休閑和健身設(shè)施中廣泛監(jiān)測(cè)生命體征。

測(cè)量生命體征的一種方式是體積描記術(shù)。體積描記術(shù)通常涉及對(duì)器官或身體部分的體積變化的測(cè)量，并且尤其涉及對(duì)由于隨著每次心跳而行進(jìn)通過(guò)對(duì)象的身體的心臟-脈管脈搏波造成的體積變化的探測(cè)。

光電體積描記術(shù)(PPG)是評(píng)估感興趣皮膚區(qū)域或體積的光反射或透射的時(shí)間變化改變的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。PPG是基于血液比周邊組織吸收更多光的原理，因此，隨著每次心跳的血液體積的變化對(duì)應(yīng)地影響透射或反射。除了關(guān)于心率的信息，PPG波形能夠包括歸因于諸如呼吸的另外的生理現(xiàn)象的信息。通過(guò)評(píng)估在不同波長(zhǎng)(通常為紅光和紅外光)處的透射率和/或反射率，能夠確定血氧飽和度。

用于測(cè)量對(duì)象的心率和(動(dòng)脈)血氧飽和度(也被稱為SpO2)的常規(guī)脈搏血氧計(jì)(在本文中也被稱為接觸式PPG設(shè)備)被附接到對(duì)象的皮膚，例如被附接到指尖、耳垂或前額。因此，它們被稱為“接觸式”PPG設(shè)備。典型的脈搏血氧計(jì)包括作為光源的紅色LED和紅外LED以及用于探測(cè)已經(jīng)透射通過(guò)患者組織的光的一個(gè)光電二極管。市售脈搏血氧計(jì)在以紅波長(zhǎng)和紅外波長(zhǎng)的測(cè)量之間快速切換，并且由此以兩種不同的波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量組織的相同區(qū)域或體積的透射率。這被稱為時(shí)分多路復(fù)用。在每個(gè)波長(zhǎng)處隨時(shí)間的透射率給出了針對(duì)紅波長(zhǎng)和紅外波長(zhǎng)的PPG波形。盡管接觸式PPG被認(rèn)為是基本無(wú)創(chuàng)的技術(shù)，接觸式PPG測(cè)量常常被經(jīng)歷為是不舒適的和突兀的，因?yàn)槊}搏血氧計(jì)被直接附接到對(duì)象并且任何線纜限制移動(dòng)的自由并且可能妨礙工作流。

對(duì)脈搏信號(hào)和氧飽和度水平(SpO2)的快速且可靠的探測(cè)和分析是在許多健康護(hù)理應(yīng)用中最為重要的活動(dòng)之一，如果患者處于危急狀況，其將變得至關(guān)重要。在那些情形中，心跳信號(hào)的脈動(dòng)性非常微弱，并且因此，測(cè)量結(jié)果易于經(jīng)受任意種類的偽影。

現(xiàn)代的光電體積描記傳感器不總是在危急情形中提供快速且可靠的測(cè)量結(jié)果。例如，接觸式手指脈搏血氧計(jì)(基于透射式PPG)易于受手的運(yùn)動(dòng)的影響，并且在患者的集中管理的情況下由于在身體肢端的較低的血液體積而失敗。接觸式前額脈搏血氧計(jì)傳感器(使用反射式PPG測(cè)量模式)被假定對(duì)集中化效應(yīng)更為魯棒。然而，前額傳感器的準(zhǔn)確度、魯棒性和響應(yīng)性重度依賴于對(duì)前額上的傳感器的正確的定位以及被應(yīng)用到皮膚的恰當(dāng)?shù)膲毫?傳感器的過(guò)緊的施加可能降低局部血液脈動(dòng)性，過(guò)松的施加可能導(dǎo)致由于運(yùn)動(dòng)偽影和/或靜脈脈動(dòng)造成的不可靠的測(cè)量結(jié)果)。

最近，已經(jīng)引入了非接觸式的、遠(yuǎn)程PPG(rPPG)設(shè)備(也被稱為相機(jī)rPPG設(shè)備)以用于不突兀的測(cè)量。遠(yuǎn)程PPG利用遠(yuǎn)離感興趣對(duì)象設(shè)置的光源，或者通常為輻射源。類似地，例如相機(jī)或光探測(cè)器的探測(cè)器能夠遠(yuǎn)離感興趣對(duì)象設(shè)置。因此，遠(yuǎn)程光電體積描記系統(tǒng)和設(shè)備被認(rèn)為是不突兀的，并且也適于醫(yī)學(xué)以及非醫(yī)學(xué)日常應(yīng)用。該技術(shù)尤其針對(duì)要求對(duì)諸如具有極端脆弱皮膚或早產(chǎn)嬰兒的NICU患者進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)的、具有極端皮膚靈敏度的患者具有明顯優(yōu)點(diǎn)。

Verkruysse等人在Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445頁(yè)的“Remote plethysmographic imaging using ambient light”一文表明，能夠使用環(huán)境光和常規(guī)消費(fèi)級(jí)的視頻相機(jī)，使用紅、綠和藍(lán)色通道來(lái)遠(yuǎn)程地測(cè)量光電體積描記信號(hào)。

Wieringa等人在Ann.Biomed.Eng.33，1034-1041(2005)上的“Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging:A First Step Toward"SpO2Camera"Technology”一文公開了一種遠(yuǎn)程PPG系統(tǒng)，其用于基于在不同波長(zhǎng)處對(duì)光電體積信號(hào)的測(cè)量結(jié)果來(lái)對(duì)組織中的動(dòng)脈血氧飽和度進(jìn)行無(wú)接觸式成像。該系統(tǒng)包括單色CMOS相機(jī)以及具有三種不同波長(zhǎng)的LED的光源。相機(jī)順序地以三種不同的波長(zhǎng)來(lái)采集對(duì)象的三種影像。脈搏率能夠根據(jù)在單個(gè)波長(zhǎng)處的影像來(lái)確定，而要求在不同波長(zhǎng)處的至少兩種影像來(lái)確定氧飽和度。一次僅使用一個(gè)波長(zhǎng)在暗室中執(zhí)行測(cè)量。

光從皮膚表面的鏡面反射引起校準(zhǔn)誤差，導(dǎo)致對(duì)對(duì)象血液中的、諸如SpO2、CO2、膽紅素等的各種物質(zhì)的濃度的不正確的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)前的想法需要在測(cè)量裝置中使用偏光器，其難以對(duì)齊并且證明是在實(shí)踐中困難的裝置。

此外，如常規(guī)地確定的，對(duì)象運(yùn)動(dòng)造成對(duì)諸如SpO2的這樣的物質(zhì)的不正確的測(cè)量結(jié)果。因此，最近提出的遠(yuǎn)程SpO2測(cè)量要求非常靜止的對(duì)象，而接觸式SpO2傳感器通常使用加速度計(jì)來(lái)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)偽影。

WO 01/15597 A1公開了一種用于表示在目標(biāo)的感興趣區(qū)域中的第一物質(zhì)與第二物質(zhì)之間的濃度比率的圖像的成像裝置，其中，不同的測(cè)量值利用不同的顏色和/或灰階來(lái)表示。所述裝置包括光源，所述光源能夠利用光來(lái)輻照目標(biāo)，所述光包括至少三種波長(zhǎng)λ₁、λ₂和λ₃，λ₃是等吸收波長(zhǎng)，在λ₁波長(zhǎng)處，第一物質(zhì)比第二物質(zhì)具有更低吸收度，并且在λ₂波長(zhǎng)處，第一物質(zhì)比第二物質(zhì)具有更高吸收度。所述裝置還包括探測(cè)單元，所述探測(cè)單元包括像素探測(cè)器的矩陣，用于表示感興趣區(qū)域的幾乎即時(shí)的圖像。

US 7738935 B1公開了用于在測(cè)量血氧飽和度時(shí)降低在脈搏血氧計(jì)中的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的噪聲的方法和設(shè)備。接收具有第一波長(zhǎng)的光的一部分、具有第二波長(zhǎng)的光的一部分以及具有第三波長(zhǎng)的光的一部分。基于所接收的具有第一波長(zhǎng)的光的部分產(chǎn)生第一信號(hào)。類似地，基于所接收的具有第二波長(zhǎng)的光的部分產(chǎn)生第二信號(hào)，并且基于所接收的具有第三波長(zhǎng)的光的部分產(chǎn)生第三信號(hào)。確定在第二信號(hào)與第一信號(hào)之間的差異，其中，差異信號(hào)是第一體積描記信號(hào)。類似地，確定在第三信號(hào)與第一信號(hào)之間的差異，以產(chǎn)生第二體積描記信號(hào)。然后，使用第一體積描記信號(hào)和第二體積描記信號(hào)來(lái)估計(jì)血氧飽和度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于確定對(duì)象的血液中的物質(zhì)的濃度的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，其移除或至少降低鏡面反射和/或運(yùn)動(dòng)偽影的影響。

在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種用于確定對(duì)象的血液中的物質(zhì)的濃度的設(shè)備，包括：

-輸入單元，其用于響應(yīng)于由輻射信號(hào)對(duì)所述對(duì)象的皮膚區(qū)域的照射而接收從所述皮膚區(qū)域反射返回或透射通過(guò)所述皮膚區(qū)域的探測(cè)信號(hào)，

-信號(hào)提取單元，其用于從所述探測(cè)信號(hào)提取不同波長(zhǎng)處的至少三個(gè)光電體積描記PPG信號(hào)，

-處理單元，其用于將所述至少三個(gè)PPG信號(hào)進(jìn)行歸一化并且形成第一歸一化的PPG信號(hào)與第二歸一化的PPG信號(hào)之間的第一差異信號(hào)以及第三歸一化的PPG信號(hào)與歸一化的所述至少三個(gè)PPG信號(hào)的另一個(gè)之間的第二差異信號(hào)，并且用于形成所述第一差異信號(hào)與所述第二差異信號(hào)之間的比率，以及

-濃度檢測(cè)單元，其用于基于所述比率來(lái)計(jì)算在所述對(duì)象的血液中的物質(zhì)的所述濃度。

在本發(fā)明的另一方面中，提供一種對(duì)應(yīng)的方法。

在本發(fā)明的又一方面中，提出了一種用于確定對(duì)象的血液中的物質(zhì)的濃度的系統(tǒng)，包括：

-輻射探測(cè)單元，其用于響應(yīng)于由輻射信號(hào)對(duì)所述對(duì)象的皮膚區(qū)域的照射而接收從所述皮膚區(qū)域反射返回或透射通過(guò)所述皮膚區(qū)域的探測(cè)信號(hào)，以及

-如在本文中所公開的設(shè)備，其用于根據(jù)所述探測(cè)信號(hào)來(lái)確定所述對(duì)象的血液中的物質(zhì)的濃度。

在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括程序代碼模塊以及非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，所述程序代碼模塊用于令計(jì)算機(jī)執(zhí)行本文公開的方法的步驟，所述非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)在其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品由處理器運(yùn)行時(shí)，令本文公開的方法被執(zhí)行。

在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，要求保護(hù)的方法、處理器、計(jì)算機(jī)程序和介質(zhì)與要求保護(hù)的設(shè)備和在從屬權(quán)利要求中所限定的具有相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。

本發(fā)明這樣的想法：使用與已知設(shè)備和方法相比額外的波長(zhǎng)通道，以確定像SpO2的物質(zhì)的濃度，已知設(shè)備和方法使用兩個(gè)波長(zhǎng)通道。從這些至少三個(gè)波長(zhǎng)通道，計(jì)算差異信號(hào)，根據(jù)所述差異信號(hào)計(jì)算比率的比率(ratio-of ratio)。這能夠完全移除鏡面反射的效果，并且導(dǎo)致如常規(guī)用于正確的校準(zhǔn)的偏光器的使用不再是必要的。備選地或另外地，使用第三波長(zhǎng)通道，能夠根據(jù)所述比率的比率消除運(yùn)動(dòng)的影響。獲得了大幅增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)魯棒性，同時(shí)該技術(shù)能夠被用于接觸式和遠(yuǎn)程SpO2測(cè)量系統(tǒng)兩者。

為了降低運(yùn)動(dòng)的影響，所述處理單元被配置為，在形成所述差異信號(hào)之前，尤其通過(guò)將PPG信號(hào)(個(gè)體地)除以其各自的時(shí)間均值(DC)來(lái)將所述PPG信號(hào)進(jìn)行歸一化。

在實(shí)施例中，所述信號(hào)提取單元被配置為，從所述探測(cè)信號(hào)提取紅外光的兩個(gè)波長(zhǎng)處的兩個(gè)PPG信號(hào)，第一PPG信號(hào)和第三PPG信號(hào)，并且從所述探測(cè)信號(hào)提取可見或紅外光的一個(gè)波長(zhǎng)處的PPG信號(hào)。

具體針對(duì)SpO2探測(cè)，所述信號(hào)提取單元優(yōu)選被配置為提取在從780nm到850nm的范圍中的第一波長(zhǎng)處的第一PPG信號(hào)、在從550nm到780nm的范圍中的第二波長(zhǎng)處的第二PPG信號(hào)、以及在從840nm到1000nm的范圍中的第三波長(zhǎng)處的第三PPG信號(hào)?，F(xiàn)實(shí)的范例是針對(duì)第一波長(zhǎng)的810nm，在840nm與1000nm之間的波長(zhǎng)作為第三波長(zhǎng)，以及650nm(或者，如果其也應(yīng)當(dāng)是不可見的，在700nm與780nm之間)作為第二波長(zhǎng)。針對(duì)其他物質(zhì)，相同或其他波長(zhǎng)可能是合適的，其中，優(yōu)選至少一個(gè)波長(zhǎng)在400nm與500nm之間，用于膽紅素探測(cè)。

優(yōu)選地，在紅外光的兩個(gè)波長(zhǎng)處的兩個(gè)PPG信號(hào)表示第一和第三信號(hào)，并且在可見和紅外光的波長(zhǎng)處的PPG信號(hào)表示第二PPG信號(hào)，其中，所述處理單元優(yōu)選被配置為：通過(guò)從第一歸一化的PPG信號(hào)減去第二歸一化的PPG信號(hào)來(lái)形成第一差異信號(hào)，通過(guò)從第三歸一化的PPG信號(hào)減去第一歸一化的PPG信號(hào)來(lái)形成第二差異信號(hào)，并且通過(guò)將所述第一差異信號(hào)除以所述第二差異信號(hào)來(lái)形成所述比率(即，比率的比率)。通過(guò)這種方式，能夠降低或者甚至完全移除鏡面反射和/或運(yùn)動(dòng)的負(fù)面效應(yīng)。

利用三個(gè)波長(zhǎng)，優(yōu)選在分?jǐn)?shù)的分子中具有對(duì)所述物質(zhì)(例如，SpO2)最高的靈敏度，即，取650nm(近可見波長(zhǎng))與最長(zhǎng)波長(zhǎng)(在840nm與1000nm之間)之間的差異。在分母中，優(yōu)選具有對(duì)所述物質(zhì)低的靈敏度以及永遠(yuǎn)不會(huì)變?yōu)榱愕牟町?。然而，?yīng)當(dāng)注意到，相反的情況是同樣適用的，即，在分?jǐn)?shù)的分子中的低的靈敏度以及在分母中的高的靈敏度。在分?jǐn)?shù)的分子和分母兩者中的靈敏度也可以得到可接受的結(jié)果，尤其是在它們趨向相反的意義的情況下(在一個(gè)中增加，而在另一個(gè)中減小)?？赡懿还ぷ鞯膬H有的情況是在它們對(duì)物質(zhì)具有相等的靈敏度時(shí)。

良好的選擇(具有三個(gè)波長(zhǎng))是在800nm與840nm到1000nm之間的差異。針對(duì)分母的有些吸引力的選擇是利用加和為零的系數(shù)構(gòu)建所有三個(gè)波長(zhǎng)的加權(quán)和，選擇為使得不存在對(duì)物質(zhì)的靈敏度。例如，如下等式可以被用于確定SpO2：(IR870-660)/(0.17*660+0.83*IR870-IR810)，其中，“IR”意指“紅外”，并且“IR”之后的數(shù)字意指波長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)在于，SpO2現(xiàn)在與比率線性地相關(guān)。一般而言，不需要線性相關(guān)，因?yàn)槠湟话隳軌蛐Ｕ蔷€性。

在具體實(shí)施中，所述濃度檢測(cè)單元被配置為：通過(guò)將所述比率乘以第二校準(zhǔn)參數(shù)并且從第一校準(zhǔn)參數(shù)減去所述乘積的結(jié)果來(lái)計(jì)算血液中的物質(zhì)的所述濃度。所述校準(zhǔn)參數(shù)一般是常數(shù)，其優(yōu)選是經(jīng)驗(yàn)性地獲得的。備選是使用查找表來(lái)將比率轉(zhuǎn)換為物質(zhì)的濃度。如果關(guān)系是非線性的，這是尤其推薦的。

如以上提到的，所述探測(cè)信號(hào)或者是接觸對(duì)象的皮膚區(qū)域的接觸式PPG傳感器的傳感器信號(hào)，或者是由成像單元(尤其是白平衡的成像單元)獲得的對(duì)象的至少所述皮膚區(qū)域的圖像。白平衡的成像單元，例如白平衡的相機(jī)的使用假定能夠移除或降低鏡面反射的影響。一般而言，僅在形成差異信號(hào)之前在PPG信號(hào)為被歸一化的情況下要求白平衡，如在另一實(shí)施例中所提出的。

相應(yīng)地，在所提出的系統(tǒng)中，所述輻射探測(cè)單元優(yōu)選或者包括被配置為接觸所述對(duì)象的皮膚區(qū)域以探測(cè)傳感器信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)的PPG傳感器，或者包括成像單元、具體為白平衡的成像單元以獲得所述對(duì)象的至少所述皮膚區(qū)域的圖像作為探測(cè)信號(hào)。

優(yōu)選地，所述處理單元被配置為形成在所述第一差異信號(hào)和所述第二差異信號(hào)的估計(jì)的AC幅度、尤其是標(biāo)準(zhǔn)偏差或者更為魯棒的幅度估計(jì)之間的比率。如上文所解釋的，并且如從根據(jù)本發(fā)明評(píng)估PPG信號(hào)的事實(shí)，評(píng)估隨隨時(shí)間的所獲得的PPG信號(hào)的AC變化(其在皮膚中的血液的體積由于心臟的調(diào)低而改變是發(fā)生)，因?yàn)楸景l(fā)明旨在僅估計(jì)在動(dòng)脈血(其是脈動(dòng)和)中的氧。具體地，使用在兩個(gè)差異信號(hào)中的估計(jì)的AC幅度的比率，例如差異信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(或者更為魯棒的幅度估計(jì)，如峰值減谷值的中值，或者又一估計(jì))的比率。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考下文描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將顯而易見并得以闡述。在如下附圖中：

圖1示出了用于確定對(duì)象的血液中的物質(zhì)的濃度的系統(tǒng)和設(shè)備的第一實(shí)施例的示意圖，

圖2示出了圖示鏡面反射的效果的曲線圖，

圖3示出了SpO2在波長(zhǎng)上的各種值的PPG幅度的曲線圖，

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的示意圖，

圖5示出了利用兩個(gè)和三個(gè)波長(zhǎng)的在靜止對(duì)象中的在第一模擬中的SpO2測(cè)量的模擬結(jié)果，

圖6示出了具有模擬的運(yùn)動(dòng)的變化量的利用兩個(gè)和三個(gè)波長(zhǎng)的第一模擬中的SpO2測(cè)量的模擬結(jié)果，

圖7示出了利用不同系統(tǒng)的在靜止對(duì)象中的在第二模擬中的SpO2測(cè)量的模擬結(jié)果，

圖8示出了具有對(duì)象的運(yùn)動(dòng)的在第二模擬中的SpO2測(cè)量的模擬結(jié)果，并且

圖9示出了用于確定對(duì)象的氧飽和度的系統(tǒng)和設(shè)備的第二實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了用于確定對(duì)象2的血液中的物質(zhì)的濃度的系統(tǒng)1和設(shè)備10的第一實(shí)施例的示意圖。在下文中，本發(fā)明將通過(guò)確定對(duì)象血液中的氧飽和度(SpO2)來(lái)解釋。然而，所有解釋相互適用于確定對(duì)象血液中的諸如CO2、膽紅素等的其他物質(zhì)的濃度。但是其他物質(zhì)可能要求使用不同的波長(zhǎng)。在該范例中，對(duì)象2是例如在醫(yī)院或其他健康護(hù)理設(shè)施中躺在床3上的患者，但也可以是例如躺在保育箱中的嬰兒或早產(chǎn)兒，或者在家或者在不同環(huán)境中的人。除了設(shè)備10，系統(tǒng)1通常包括輻射探測(cè)單元，其用于接收響應(yīng)于由輻射信號(hào)對(duì)所述對(duì)象2的皮膚區(qū)域4的照射而反射返回或透射通過(guò)所述皮膚區(qū)域4的探測(cè)信號(hào)。

在該范例中，所述輻射探測(cè)單元是成像單元20，尤其是相機(jī)(也被稱為探測(cè)單元或者基于相機(jī)的或遠(yuǎn)程PPG傳感器)，用于獲得對(duì)象2的至少所述皮膚區(qū)域4的圖像，作為探測(cè)信號(hào)。皮膚區(qū)域4優(yōu)選是面部的區(qū)域，諸如面頰或前額，但也可以是身體的另一區(qū)域，諸如手或臂。在該范例中，輻射信號(hào)是環(huán)境光，例如，如由陽(yáng)光和/或來(lái)自室內(nèi)照明所提供的。在其他實(shí)施例中，提供了(一個(gè)或多個(gè))專用光源，用于利用(一個(gè)或多個(gè))特定波長(zhǎng)和/或(僅)在測(cè)量的時(shí)間(例如，在夜間)照射對(duì)象2或?qū)ο?的至少皮膚區(qū)域4。

由相機(jī)捕獲的圖像幀可以具體對(duì)應(yīng)于借助模擬或數(shù)字光傳感器、例如具體為(數(shù)字)相機(jī)捕獲的視頻序列。這樣的相機(jī)通常包括光傳感器，諸如CMOS或CCD傳感，其也可以在特定譜范圍(可見、IR)中操作或者提供針對(duì)不同譜范圍的信息。所述相機(jī)可以提供模擬或數(shù)字信號(hào)。圖像幀包括具有相關(guān)聯(lián)的像素值的多個(gè)圖像像素。具體地，所述圖像幀包括表示利用光傳感器的不同光敏元件捕獲的光強(qiáng)度值的像素。這些光敏元件可以在特定的譜范圍(即，表示特定的顏色)中敏感。所述圖像幀包括表示對(duì)象的皮膚部分的至少一些圖像像素。因此，圖像像素可以對(duì)應(yīng)于光探測(cè)器的一個(gè)光敏元件以及其(模擬或數(shù)字)輸出，或者可以基于多個(gè)光敏元件的組合來(lái)確定。

所獲得的探測(cè)信號(hào)，即，在該實(shí)施例中，圖像的序列，被提供至設(shè)備10，以供進(jìn)一步處理，其將在下文更為詳細(xì)地解釋。

盡管這樣的系統(tǒng)一般能夠被用于通過(guò)使用已知的遠(yuǎn)程PPG技術(shù)來(lái)獲得各種生命體征，其根據(jù)本發(fā)明被用于確定在對(duì)象2內(nèi)的動(dòng)脈血的氧飽和度(也被稱為SpO2)。從對(duì)象的皮膚反射返回的光是通過(guò)脈動(dòng)性的動(dòng)脈來(lái)調(diào)制的，并且調(diào)制幅度包含血氧水平的信息。在已知的遠(yuǎn)程PPG系統(tǒng)中，SpO2是通過(guò)測(cè)量在兩種不同的波長(zhǎng)處的該P(yáng)PG幅度(由動(dòng)脈中的脈動(dòng)血引起的)來(lái)計(jì)算的。在兩個(gè)波長(zhǎng)的PPG幅度(DC歸一化的)之間的比率給出用于SpO2的計(jì)算的等式1：

其中，并且因此，AC_Red也可以被表達(dá)為σ(R)并且表示對(duì)信號(hào)R的幅度的估計(jì)。在以上等式中的常量C1和C2被稱為校準(zhǔn)參數(shù)(或校準(zhǔn)常量)。校準(zhǔn)涉及人之間的校準(zhǔn)以及個(gè)人內(nèi)部的校準(zhǔn)，導(dǎo)致由于多個(gè)因素能夠引起不正確的SpO2測(cè)量結(jié)果和誤差。這些起因中的一個(gè)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是對(duì)象運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)致除由于PPG的強(qiáng)度變化之外還有運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)度變化。這些起因中的另一個(gè)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是鏡面反射，鏡面反射，如皮膚表面的光的反射，使得相機(jī)SpO2測(cè)量結(jié)果不同于基于接觸式傳感器的測(cè)量結(jié)果。

脈動(dòng)僅在一定分?jǐn)?shù)的光已經(jīng)穿透到皮膚中并且被彌散反射時(shí)發(fā)生。到達(dá)相機(jī)20的鏡面反射的光不包含由于動(dòng)脈血脈動(dòng)性而造成的任何光調(diào)制，并且因此引起總反射光的相對(duì)脈動(dòng)性的下降。因此，取決于鏡面反射的光在來(lái)自皮膚的總反射光中的分?jǐn)?shù)，在SpO2中將存在誤差。鏡面反射取決于在相機(jī)、對(duì)象與照射源之間的角度，并且是附加屬性，跨所有波長(zhǎng)相等地添加相等但未知量的DC反射率，如在圖2中描繪彌散和鏡面反射的曲線K1以及僅描繪彌散反射的曲線K2所示的，其中，兩者曲線都在光的波長(zhǎng)之上。

鏡面反射的效果能夠利用如在如下表格中所示的簡(jiǎn)單計(jì)算來(lái)示出。

由于由相機(jī)看到的額外的鏡面反射不包含任何調(diào)制的光，因此針對(duì)波長(zhǎng)的AC分量保持恒定。這引起雙倍比率的總體變化，導(dǎo)致輕微不同的SpO2，以及因此不同的校準(zhǔn)常量。這種效應(yīng)基于在針對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的反射率之間的相對(duì)差異而得到放大。較高的反射率，即，分子(即，針對(duì)紅光的波長(zhǎng))相對(duì)于分母(即，針對(duì)IR光的波長(zhǎng))的較高的值，導(dǎo)致較低的SpO2(并且因此，較高的C1去補(bǔ)償)，并且反之亦然。

降低或移除該效應(yīng)的一種解決方案是使用交叉偏振。偏振器被附接在照射源和相機(jī)處并且以使得所有的鏡面反射的光被阻擋開的方式進(jìn)行取向。即使這是一般性解決方案，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題在于該解決方案的低的實(shí)用性。

為了開始，必須從場(chǎng)景中消除未偏振的環(huán)境光。此外，大的照射源，如當(dāng)前正在被使用的，要求高質(zhì)量的大的偏振片。此外，諸如大的照射源不允許偏振平面相對(duì)于相機(jī)-對(duì)象源幾何結(jié)構(gòu)正交，針對(duì)鏡面反射的移除的必要條件。然后，這使得使用不同的照射源(其可能不是非常實(shí)際的)成為必要。

因此，本發(fā)明使用額外的波長(zhǎng)，利用所述額外的波長(zhǎng)，能夠從SpO2的測(cè)量結(jié)果中移除鏡面反射的效果。鏡面反射在從兩個(gè)波長(zhǎng)構(gòu)建的差分通道中消失，具體地，如果相機(jī)20已經(jīng)被白平衡，即，光源在對(duì)應(yīng)于所述波長(zhǎng)的兩個(gè)通道中給出相等的信號(hào)。此外，常規(guī)使用的“紅”和“紅外”通道被消除了鏡面反射的影響的兩個(gè)“差分”通帶替代，同時(shí)SpO2靈敏度保留，假設(shè)這些差分通道中的至少一個(gè)展現(xiàn)隨氧氣水平而變化的脈動(dòng)。

作為使用兩個(gè)差分信號(hào)的結(jié)果，現(xiàn)在將三個(gè)波長(zhǎng)用于該SpO2測(cè)量。使用額外的波長(zhǎng)通道消除了對(duì)用于移除鏡面反射的偏振濾波器的需求并且極大地簡(jiǎn)化了裝置。經(jīng)白平衡的相機(jī)裝置確保了鏡面反射在所有波長(zhǎng)中強(qiáng)度相等。一旦已經(jīng)滿足該條件，在波長(zhǎng)之間的差分信號(hào)移除鏡面反射的任何效應(yīng)(因?yàn)殓R面反射現(xiàn)在跨白平衡的相機(jī)中的波長(zhǎng)是相等的)。差分信號(hào)任何能夠被用于使用如下等式來(lái)計(jì)算準(zhǔn)確的SpO2：

然后，該計(jì)算免于如在圖3中所示的鏡面反射的校準(zhǔn)錯(cuò)誤效應(yīng)。一般而言，校準(zhǔn)常量與在使用兩個(gè)波長(zhǎng)的常規(guī)系統(tǒng)中所使用的校準(zhǔn)常量不同。所述校準(zhǔn)常量例如是經(jīng)驗(yàn)性或通過(guò)模擬來(lái)確立的。

用于計(jì)算SpO2的以上方程也可以被表達(dá)為：

其中，R、IR、IR2表示在對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍中的PPG信號(hào)的平均像素強(qiáng)度，其中，PPG信號(hào)優(yōu)選是從圖像序列中的感興趣區(qū)域獲得的，并且σ(x)表示對(duì)x的AC分量的幅度的估計(jì)，其能夠以不同的方式來(lái)計(jì)算(在實(shí)施例中，σ(x)表示時(shí)間變化的信號(hào)x的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

(一個(gè)或多個(gè))相機(jī)優(yōu)選被白平衡，以確保鏡面反射在差分心率中被完全移除。這可以通過(guò)首先對(duì)相機(jī)裝置進(jìn)行白平衡來(lái)獲得。由于波長(zhǎng)可能不一定處在可見范圍中，優(yōu)選使用能夠反射所有波長(zhǎng)的校準(zhǔn)表面。利用該設(shè)置和給定的照射，相機(jī)能夠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流程而被白平衡，并且是所有波長(zhǎng)的DC水平相等。

只要照射具有恒定的譜響應(yīng)，所述白平衡保持。在照射譜響應(yīng)中的變化仍將是可忍受的，只要其跨所有波長(zhǎng)是恒定的。然而，如果在任意時(shí)間照射的譜響應(yīng)跨各波長(zhǎng)不均勻地改變，優(yōu)選為了完全消除鏡面反射而應(yīng)用重新校準(zhǔn)。在沒(méi)有這樣的重新校準(zhǔn)的情況下，仍將導(dǎo)致鏡面反射的不完全補(bǔ)償。

由于SpO2測(cè)量結(jié)果現(xiàn)在是差分(歸一化的)PPG信號(hào)而非常規(guī)使用的但波長(zhǎng)歸一化的PPG信號(hào)的比率的量度，因而校準(zhǔn)常量C1和C2改變。針對(duì)這些常量的計(jì)算將跟隨白平衡校準(zhǔn)，并且對(duì)于利用相機(jī)進(jìn)行的常規(guī)的SpO2測(cè)量是相同的。

在完成所有校準(zhǔn)的情況下，通過(guò)正確地估計(jì)差分信號(hào)，SpO2現(xiàn)在能夠被正確地測(cè)量，而沒(méi)有鏡面反射的影響。

PPG誘發(fā)的脈動(dòng)針對(duì)健康SpO2水平在歸一化的紅色通道中比在歸一化的紅外通道中小得多，但是所述水平能夠針對(duì)非常低的SpO2值而變得接近彼此。然而，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的強(qiáng)度變化通常在這兩個(gè)通道中具有相等強(qiáng)度，并且因此，導(dǎo)致實(shí)際SpO2估計(jì)的低估。

在常規(guī)接觸式PPG傳感器中，可能發(fā)生相似的問(wèn)題，并且有時(shí)，加速度計(jì)被包括在設(shè)備中以補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)偽跡。明顯地，在基于相機(jī)的PPG系統(tǒng)中，這樣的解決方案是不可行的。

在上文中，已經(jīng)示出，鏡面反射在從兩個(gè)非歸一化的波長(zhǎng)信號(hào)構(gòu)建的差分通道中消失，假設(shè)使用針對(duì)整個(gè)光譜的單光源以及具有多波長(zhǎng)靈敏度的單個(gè)相機(jī)。通過(guò)兩個(gè)通道(每個(gè)通道得到在表示特定波長(zhǎng)(區(qū)間)的兩個(gè)歸一化通道之間的差異)替換常規(guī)使用的“歸一化的紅”和“歸一化的紅外”通道消除了運(yùn)動(dòng)的影響，因?yàn)檫@在個(gè)體歸一化的通道中是相同的。在這種情況下，SpO2靈敏度保留，假如這些差分通道中的至少一個(gè)展現(xiàn)隨著氧氣水平而變化的脈動(dòng)性。差分信號(hào)任何能夠被用于使用如下等式來(lái)計(jì)算準(zhǔn)確的SpO2。

在此，指數(shù)“n”指示各自PPG信號(hào)的DC歸一化。作為使用兩個(gè)差分信號(hào)的結(jié)果，將三個(gè)波長(zhǎng)用于該SpO2測(cè)量系統(tǒng)。校準(zhǔn)常量與在常規(guī)系統(tǒng)和上文所描述的本發(fā)明的實(shí)施例中的那些不同，并且例如是經(jīng)驗(yàn)性或者通過(guò)模擬來(lái)確立的。

用于計(jì)算SpO2的以上方程也可以被表達(dá)為：

其中，R_n＝R/DC_R、IR_n＝IR/DC_IR，IR2_n＝IR2/DC_IR2表示針對(duì)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍的個(gè)體歸一化的信號(hào)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，在從780nm到850nm的范圍中的第一波長(zhǎng)處提取第一PPG信號(hào)(IR)，在從550nm到780nm的范圍中的第二波長(zhǎng)提取第二PPG信號(hào)(R)，并且在從850nm到1000nm的范圍中的第三波長(zhǎng)提取第三PPG信號(hào)(IR2)。針對(duì)SpO2有效的范例選擇使用660nm、810nm和870nm。

在圖4中描繪了用于確定對(duì)象2的氧飽和度的設(shè)備10的示意圖。設(shè)備10包括輸入單元11，輸入單元11用于接收響應(yīng)于由輻射信號(hào)對(duì)所述皮膚區(qū)域的照射而反射返回或透射通過(guò)所述對(duì)象的皮膚區(qū)域的探測(cè)信號(hào)。所述探測(cè)信號(hào)例如可以通過(guò)如在下文在所述系統(tǒng)的另一實(shí)施例中所解釋的成像單元20或接觸式傳感器來(lái)獲得。信號(hào)提取單元12從所述探測(cè)信號(hào)提取不同波長(zhǎng)的至少三個(gè)光電體積描記PPG信號(hào)。處理單元13形成在第一PPG信號(hào)與第二PPG信號(hào)之間的第一差分信號(hào)以及在第三PPG信號(hào)與第一PPG信號(hào)之間的第二差分信號(hào)。此外，處理單元13形成在所述第一差分信號(hào)與所述第二差分信號(hào)之間的比率?；谒霰嚷?，氧飽和度檢測(cè)單元14計(jì)算對(duì)象的氧飽和度。

已經(jīng)根據(jù)對(duì)象的視頻序列執(zhí)行模擬和實(shí)際測(cè)量結(jié)果。隨著時(shí)間，在紅色通道中的脈沖信號(hào)幅度增加，而在IR和IR2中的脈沖信號(hào)保持相同，模擬下降的SpO2。所有的信號(hào)還經(jīng)受模擬的運(yùn)動(dòng)(在所有通道中相同)以及在所有通道中相似但獨(dú)立的噪聲。

基于該模擬模型，已經(jīng)計(jì)算的比率的比率，即，針對(duì)無(wú)校準(zhǔn)的SpO2估計(jì)、針對(duì)利用兩個(gè)波長(zhǎng)的SpO2測(cè)量以及所提出的利用三個(gè)波長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)魯棒的SpO2測(cè)量的基礎(chǔ)。圖5示出了模擬結(jié)構(gòu)連同在存在噪聲和運(yùn)動(dòng)的情況下獲得的理想曲線，其中，圖5A示出了當(dāng)使用兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)的結(jié)果，并且圖5B示出了當(dāng)使用三個(gè)波長(zhǎng)的結(jié)果。這些曲線是不同的，由不同角度的線反映，指示不同的校準(zhǔn)。三波長(zhǎng)系統(tǒng)不受運(yùn)動(dòng)的影響。在這兩幅圖中的直線給出了理想的比率的比率，即，沒(méi)有噪聲和運(yùn)動(dòng)。

在理想和包含噪聲的曲線之間的偏差示出了能夠在最終的SpO2計(jì)算中預(yù)期的誤差的量。該偏差取決于所存在的運(yùn)動(dòng)的量，并且隨著運(yùn)動(dòng)相對(duì)于脈動(dòng)信號(hào)的幅度的增加而變得更差，如在圖6中所示的。圖6示出了利用兩波長(zhǎng)(圖6A)和三波長(zhǎng)(圖6B)的SpO2測(cè)量隨著模擬的運(yùn)動(dòng)的量的變化的模擬結(jié)果。每條曲線指示運(yùn)動(dòng)相對(duì)于添加的紅色通道中的最大信號(hào)的幅度。

在第二組實(shí)驗(yàn)中，在利用三個(gè)波長(zhǎng)的實(shí)際SpO2相機(jī)系統(tǒng)中測(cè)量的強(qiáng)度變化。由于現(xiàn)實(shí)的限制，紅、紅外和綠被用在該設(shè)施中，并且各通道與分立的相機(jī)配準(zhǔn)。

這些實(shí)驗(yàn)中的第一實(shí)驗(yàn)是使用幾乎完全靜止的對(duì)象來(lái)完成的，利用旨在引入SpO2變化的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)還將幫助確定針對(duì)三個(gè)通道差異測(cè)量結(jié)果的C1、C2常量。在該實(shí)施例中，所述對(duì)象在經(jīng)受正常氧氣(～21％)水平(900秒+)之前經(jīng)受低的氧(～15％)飽和的環(huán)境。如在圖7中能夠看到的，即使在這樣的非常靜止的情形中，常規(guī)的兩通道測(cè)量方法受到顯著影響。這是由于這樣的事實(shí)，即，在較高的SpO2水平處，針對(duì)紅通道的PPG幅度變得非常小，并且因此更易于受由于(輕微幅度的)運(yùn)動(dòng)造成的噪聲的影響。曲線K3示出了利用三通道差分信號(hào)的SpO2測(cè)量結(jié)果，曲線K4示出了利用兩通道測(cè)量的SpO2測(cè)量結(jié)果，并且曲線K5示出了聯(lián)系參考在靜止對(duì)象中的SpO2變化的SpO2測(cè)量結(jié)果。針對(duì)兩通道測(cè)量即使利用靜止對(duì)象也能夠觀察到顯著的信號(hào)質(zhì)量劣化。C1(＝61)和C2(＝300)常量是通過(guò)將SpO2相機(jī)軌線與參考匹配來(lái)獲得的。

在第二相機(jī)實(shí)驗(yàn)中，在連續(xù)和周期性運(yùn)動(dòng)中的對(duì)象被用于評(píng)估算法的性能。為了確保公平的比較，所使用的校準(zhǔn)常量(C1、C2)是從先前的實(shí)驗(yàn)獲取的。整個(gè)記錄被分成指示所添加的運(yùn)動(dòng)的量的多個(gè)段(隨著時(shí)間增加從沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到非常高的運(yùn)動(dòng))。圖8示出了測(cè)量結(jié)果。具體地，曲線K6示出了利用三通道差分信號(hào)的SpO2測(cè)量結(jié)果，曲線K7示出了常規(guī)兩通道測(cè)量結(jié)果，并且曲線K8示出了具有對(duì)象的運(yùn)動(dòng)的接觸參考。即使利用靜止的對(duì)象也能夠觀測(cè)到顯著的信號(hào)質(zhì)量劣化。C1(＝61)和C2(＝300)常量是通過(guò)將SpO2相機(jī)軌線與參考匹配來(lái)獲得的。

如從結(jié)果中能夠看到的，實(shí)驗(yàn)在本發(fā)明中所提出的差分測(cè)量技術(shù)獲得的結(jié)果比常規(guī)方法提供了SpO2信號(hào)的更為穩(wěn)定的版本。仍觀察到的變化假定是由于針對(duì)被用在該技術(shù)中的不同波長(zhǎng)的不同光學(xué)路徑的次優(yōu)的裝置。這些實(shí)驗(yàn)證明，能夠利用所提出的本發(fā)明顯著地降低運(yùn)動(dòng)偽影。

圖9示出了用于確定對(duì)象2的氧飽和度的系統(tǒng)1’和設(shè)備10’的第二實(shí)施例的示意圖。在該實(shí)施例中，替代成像單元(圖1中的20)，提供接觸式PPG傳感器21。這樣的接觸式PPG傳感器21一般是已知的，并且包括光單元和光傳感器。所述接觸式PPG傳感器21被安裝到對(duì)象2的身體，例如，被安裝到手臂、手指、鼻子、耳垂等，即，被配置為與對(duì)象的皮膚區(qū)域相接觸，用于探測(cè)傳感器信號(hào)，作為探測(cè)信號(hào)。

本發(fā)明的主要應(yīng)用是對(duì)鏡面反射和/或運(yùn)動(dòng)魯棒的無(wú)接觸SpO2的測(cè)量，用于在NICU和一般場(chǎng)合中的患者監(jiān)測(cè)應(yīng)用。本發(fā)明同樣適用于接觸式生命體征傳感器和遠(yuǎn)程(基于相機(jī)的)PPG系統(tǒng)，并且也能夠被用于確定對(duì)象的血液中的其他物質(zhì)(諸如CO2或膽紅素)的濃度。

盡管在附圖和上述說(shuō)明中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但是這樣的圖示和描述應(yīng)當(dāng)被理解為是說(shuō)明性的或示范性的，而非限制性的，本發(fā)明并不限于所描述的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)研究附圖、公開內(nèi)容和隨附的權(quán)利要求，在實(shí)踐所主張的發(fā)明時(shí)能夠理解并實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施例的各種變型。

在權(quán)利要求書中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。單個(gè)元件或其他單元可以完成在權(quán)利要求中所引用的若干項(xiàng)的功能。盡管在相互不同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能夠組合這些措施以獲益。

計(jì)算機(jī)程序可以被存儲(chǔ)/分布在合適的非暫態(tài)介質(zhì)上，諸如光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，其與其他硬件一起提供或者作為其他硬件的部分來(lái)提供，但也能夠以其他形式進(jìn)行分布，諸如經(jīng)由因特網(wǎng)或其他有線或無(wú)線電通信系統(tǒng)。

在權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)被解釋為對(duì)范圍的限制。