本發(fā)明涉及用于確定對(duì)象(諸如人或動(dòng)物)的血液中的物質(zhì)的濃度(諸如氧氣(氧飽和度、spo2)、膽紅素、co2等的濃度)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

人的生命體征(例如心率(hr)、呼吸率(rr)或血氧飽和度)用作人的當(dāng)前狀態(tài)的指示器和嚴(yán)重醫(yī)學(xué)事件的強(qiáng)大的預(yù)測(cè)器。出于該原因，在住院病人和門診病人護(hù)理環(huán)境、在家或在其他健康、休閑和健康環(huán)境中廣泛地監(jiān)測(cè)生命體征。

測(cè)量生命體征的一個(gè)方式是體積描記術(shù)。體積描記術(shù)總體涉及器官和身體部分的體積改變的測(cè)量結(jié)果，并且具體而言，涉及歸因于隨著每次心跳行進(jìn)通過(guò)對(duì)象的身體的心血管脈搏波的體積改變的探測(cè)。

光電體積描記術(shù)(ppg)是評(píng)價(jià)感興趣的區(qū)域或體積的光反射系數(shù)或透射的時(shí)變改變的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。ppg基于以下原理：血液比周圍的組織吸收更多的光，因此隨著每次心跳的血液體積的變化相應(yīng)地影響透射和反射。除關(guān)于心率的信息之外，ppg波形可以包括可歸因于諸如呼吸的其他生理現(xiàn)象的信息的ppg波形。通過(guò)評(píng)價(jià)不同波長(zhǎng)處(通常紅色和紅外線)的透射性和反射性，可以確定血氧飽和度。

用于測(cè)量對(duì)象的心率和(動(dòng)脈)血氧飽和度(還被稱為spo2)的常規(guī)脈搏血氧計(jì)(在本文中還被稱為接觸ppg設(shè)備)被附接到對(duì)象的皮膚，例如，指尖、耳垂或前額。因此，其被稱為“接觸式”ppg設(shè)備。典型的脈搏血氧計(jì)包括紅色led和紅外led作為光源和用于探測(cè)已經(jīng)透射通過(guò)患者組織的光的一個(gè)光電二極管。可商購(gòu)的脈搏血氧計(jì)在紅色和紅外波長(zhǎng)處的測(cè)量之間迅速地切換，并且從而在兩個(gè)不同波長(zhǎng)處測(cè)量相同面積或體積的透射性。這被稱為時(shí)分多路復(fù)用。每個(gè)波長(zhǎng)處的隨時(shí)間的透射性給出針對(duì)紅色和紅外波長(zhǎng)的ppg波形。雖然接觸ppg被認(rèn)為是基本上非侵入式技術(shù)，但是接觸ppg測(cè)量結(jié)果常常被體驗(yàn)為不愉快并且突兀的，因?yàn)樗雒}搏血氧計(jì)直接附接到所述對(duì)象并且任何電纜限制移動(dòng)的自由度并且可能阻礙工作流程。

脈沖信號(hào)和氧飽和水平(spo2)的快速和可靠的探測(cè)和分析是許多健康應(yīng)用中的最重要的活動(dòng)之一，其在患者在危險(xiǎn)狀態(tài)中的情況下變?yōu)橹匾?。在那些情況中，心搏信號(hào)的脈動(dòng)性是非常弱的，并且因此，測(cè)量結(jié)果易受任何類型的偽影影響。

現(xiàn)代光電體積描記術(shù)傳感器不總是提供緊急情況中的快速并且可靠的測(cè)量結(jié)果。例如，接觸指脈搏血氧計(jì)(基于透射性ppg)易受手的運(yùn)動(dòng)影響，并且在歸因于身體外圍的較低的血液體積的患者集中化的情況下失效。接觸式前額脈搏血氧計(jì)傳感器(使用反射性ppg測(cè)量結(jié)果模式)被認(rèn)為對(duì)于聚集效應(yīng)是更魯棒的。然而，前額傳感器的準(zhǔn)確度、魯棒性和響應(yīng)性主要取決于前額的傳感器的正確定位和施加到皮膚的適當(dāng)?shù)膲毫?傳感器的太緊的應(yīng)用可能降低局部血液脈動(dòng)性、太松的應(yīng)用可能導(dǎo)致歸因于運(yùn)動(dòng)偽影和/或靜脈脈動(dòng)性的不可靠的測(cè)量結(jié)果)。

最近，已經(jīng)引入了用于不引人注目的測(cè)量的非接觸式遠(yuǎn)程ppg(rppg)設(shè)備(也稱為相機(jī)rppg設(shè)備)。遠(yuǎn)程ppg利用與所述感興趣對(duì)象遠(yuǎn)程地布置的光源或一般地輻射源。類似地，探測(cè)器(例如，相機(jī)或光探測(cè)器)也可以遠(yuǎn)離所述感興趣對(duì)象布置。因此，遠(yuǎn)程光電體積描記系統(tǒng)和設(shè)備被認(rèn)為是不突兀的并且很適于醫(yī)學(xué)以及非醫(yī)學(xué)日常應(yīng)用。該技術(shù)特別地對(duì)要求生命體征監(jiān)測(cè)的具有極度皮膚敏感性的患者(諸如具有極其脆弱的皮膚的nicu患者或早產(chǎn)兒)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

verkruysse等人“remoteplethysmographicimagingusingambientlight”opticsexpress，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445頁(yè)展示了可以使用環(huán)境光和使用紅、綠和藍(lán)顏色通道的常規(guī)消費(fèi)水平視頻相機(jī)來(lái)遠(yuǎn)程地測(cè)量光電體積描記信號(hào)。

wieringa等人"contactlessmultiplewavelengthphotoplethysmographicimaging:afirststeptoward"spo2camera"technology,"ann.biomed.eng.33,1034-1041(2005)公開了一種用于基于不同的波長(zhǎng)處的體積描記信號(hào)的測(cè)量結(jié)果來(lái)對(duì)動(dòng)脈氧飽和度進(jìn)行無(wú)接觸成像的遠(yuǎn)程ppg系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括單色cmos相機(jī)和具有三個(gè)不同的波長(zhǎng)的led的光源。所述相機(jī)在所述三個(gè)不同的波長(zhǎng)處順序地采集所述對(duì)象的三個(gè)影片?？梢栽趩蝹€(gè)波長(zhǎng)處根據(jù)影片確定所述脈搏率，然而為確定所述氧飽和度，需要不同的波長(zhǎng)處的至少兩個(gè)影片。所述測(cè)量在暗室中執(zhí)行，一次僅使用一個(gè)波長(zhǎng)。

來(lái)自皮膚的表面的光的鏡面反射引起導(dǎo)致對(duì)象的血液中的各種物質(zhì)(諸如spo2、co2、膽紅素等)的濃度的不正確的測(cè)量結(jié)果的校準(zhǔn)誤差。當(dāng)前思想需要在測(cè)量設(shè)置中使用偏振鏡，其難以對(duì)齊并且在實(shí)踐中證明導(dǎo)致困難的設(shè)置。

wo2013/030739a1公開了一種用于從所探測(cè)的特征信號(hào)來(lái)提取信息的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括用于接收從由對(duì)象反映的電磁輻射可導(dǎo)出的數(shù)據(jù)流的接口，所述數(shù)據(jù)流包括連續(xù)或分立的特征信號(hào)，所述特征信號(hào)包括生理信息和干擾信號(hào)部分，所述生理信息表示至少一個(gè)至少部分周期性生命信號(hào)，干擾信號(hào)部分表示對(duì)象運(yùn)動(dòng)部分和/或非指示性反射部分中的至少一個(gè)，特征信號(hào)與相加信號(hào)空間地相關(guān)聯(lián)，信號(hào)空間包括用于表示特征信號(hào)的相加通道。系統(tǒng)還包括用于通過(guò)將與相應(yīng)的相加通道有關(guān)的特征信號(hào)的至少三個(gè)絕對(duì)分量轉(zhuǎn)換為特征信號(hào)的至少兩個(gè)差值分量來(lái)對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器單元，其中，可以通過(guò)考慮至少三個(gè)絕對(duì)分量中的至少兩個(gè)的相應(yīng)的算術(shù)變換來(lái)導(dǎo)出至少兩個(gè)差分量中的每個(gè)，其中，算術(shù)變換包括相加和相減系數(shù)，干擾信號(hào)部分在經(jīng)轉(zhuǎn)換的信號(hào)中至少部分地被抑制。系統(tǒng)額外地包括用于從經(jīng)轉(zhuǎn)換的信號(hào)提取生命信號(hào)的提取器單元，并且優(yōu)選地，生命信號(hào)通過(guò)考慮至少兩個(gè)差異分量的相加或相減表達(dá)或比率的情況下被提取。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于確定對(duì)象的血液的濃度的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，其去除或至少降低鏡面反射的影響。

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)域反射回的探測(cè)信號(hào)，

-信號(hào)提取單元，其用于從所述探測(cè)信號(hào)提取兩個(gè)不同的波長(zhǎng)處的至少兩個(gè)光電體積描記ppg信號(hào)，以及

-處理單元，其用于基于所述ppg信號(hào)來(lái)計(jì)算所述對(duì)象的所述血液中的期望的物質(zhì)的所述濃度，其中，所述計(jì)算針對(duì)所述對(duì)象的膚色被調(diào)整。

在本發(fā)明的另一方面中，提出了一種對(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)的所述濃度的系統(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)域的照射而探測(cè)從所述皮膚區(qū)域反射回的探測(cè)信號(hào)，以及

-如本文所公開的設(shè)備，其用于根據(jù)所述探測(cè)信號(hào)來(lái)確定所述對(duì)象的所述血液中的物質(zhì)的所述濃度。

在本發(fā)明的又一方面中，提供了一種包括程序代碼單元的計(jì)算機(jī)程序，，所述程序代碼單元用于當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行本文所公開的方法的步驟，以及一種在其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在由處理器運(yùn)行時(shí)使得執(zhí)行本文所公開的方法。

在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，所主張的方法、處理器、計(jì)算機(jī)程序和介質(zhì)與所主張的設(shè)備并且如在從屬權(quán)利要求中所限定的具有相似和/或相同的優(yōu)選的實(shí)施例。

本發(fā)明基于以下發(fā)現(xiàn)：(總反射光的)鏡面反射的一部分可以在波長(zhǎng)之間是非常不同的，特別是針對(duì)具有深膚色的對(duì)象(其中，更短的波長(zhǎng)的漫反射部分可以被強(qiáng)烈地吸收(或者更準(zhǔn)確地，強(qiáng)烈地降低)，而對(duì)于總反射光的更長(zhǎng)的波長(zhǎng)鏡面反射保持同樣強(qiáng))。因此，即使跨越不同的波長(zhǎng)的恒定鏡面反射將導(dǎo)致取決于所述對(duì)象的膚色的校準(zhǔn)誤差。特別地，具有特別深色皮膚的對(duì)象可以具有與紅外光相比對(duì)紅光的顯著地更強(qiáng)的吸收，同時(shí)對(duì)象通常具有紅外光中的非常類似的皮膚反射率。

因此，由于所述鏡面反射使得所述校準(zhǔn)針對(duì)具有不同的膚色的對(duì)象是不同的，因而提出對(duì)對(duì)象的血液中的物質(zhì)的濃度的計(jì)算進(jìn)行調(diào)整，特別地通過(guò)針對(duì)所記錄的膚色對(duì)所述校準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述計(jì)算包含確定所述脈動(dòng)性的比率(即，歸一化ppg信號(hào)的幅度)。因此，為了調(diào)整對(duì)所述濃度的所述計(jì)算，使用并且修改所述信號(hào)的性質(zhì)(例如，幅度)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述處理單元被配置為將針對(duì)在所述兩個(gè)不同的波長(zhǎng)處的來(lái)自所述皮膚區(qū)域的輻射的相對(duì)平均反射來(lái)調(diào)整所述計(jì)算。例如，可以對(duì)(歸一化的)ppg信號(hào)的估計(jì)脈動(dòng)性或估計(jì)幅度進(jìn)行調(diào)整。在又一實(shí)現(xiàn)方案中，所述歸一化在測(cè)量所述脈動(dòng)性之前被調(diào)整。

在另一實(shí)施例中，提出了利用作為所提出的所述系統(tǒng)的一部分的另一設(shè)備/傳感器來(lái)估計(jì)所述膚色，其中，該設(shè)備/傳感器的輸出被用于對(duì)所述計(jì)算進(jìn)行調(diào)整。

優(yōu)選地，特別地在用于確定動(dòng)脈血氧飽和度(spo2)的實(shí)施例中，所述處理單元被配置為為計(jì)算所述濃度形成第一波長(zhǎng)處的第一歸一化脈動(dòng)與第二波長(zhǎng)處的第二歸一化脈動(dòng)的比率，其中，所述第一歸一化脈動(dòng)和/或所述第二歸一化脈動(dòng)的分母通過(guò)校正因子而被校正。

所述處理單元可以被配置為使用所述第二波長(zhǎng)處的所述ppg信號(hào)的dc水平的分?jǐn)?shù)作為用于校正所述第一歸一化脈動(dòng)的所述分母的校正因子和/或使用所述第一波長(zhǎng)處的所述ppg信號(hào)的dc水平的分?jǐn)?shù)作為用于校正所述第二歸一化脈動(dòng)的所述分母的校正因子。在另一實(shí)施例中，所述處理單元可以被配置為使用紅外光譜中的波長(zhǎng)處的所述ppg信號(hào)的dc水平的分?jǐn)?shù)作為用于校正紅光譜中的波長(zhǎng)處的所述第一歸一化脈動(dòng)的所述分母的校正因子。

在又一實(shí)施例中，所述處理單元被配置為使用紅外光譜中的波長(zhǎng)處的所述ppg信號(hào)的dc水平的5％到15％的范圍內(nèi)(特別是10％)的分?jǐn)?shù)作為校正因子。所述百分比已經(jīng)在實(shí)際的測(cè)量結(jié)果中找到并且反映關(guān)于總反射率的典型數(shù)量的鏡面反射。

在針對(duì)spo2估計(jì)的實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方案中，所述處理單元被配置為根據(jù)所述ppg信號(hào)來(lái)計(jì)算所述動(dòng)脈血氧氣濃度，通過(guò)：

其中，

acr/dcr是紅光譜內(nèi)的波長(zhǎng)處的歸一化的脈動(dòng)性，

acir/dcir是紅外光譜內(nèi)的波長(zhǎng)處的歸一化的脈動(dòng)性，

dcr是紅光譜內(nèi)的波長(zhǎng)處的ppg信號(hào)的dc水平，

dcir是紅外光譜內(nèi)的波長(zhǎng)處的ppg信號(hào)的dc水平，

c1和c2是預(yù)定校準(zhǔn)常量并且

s是被對(duì)在所述ppg信號(hào)的所述dc水平中所包含的相對(duì)鏡面反射的估計(jì)。因此，將常規(guī)使用的校準(zhǔn)系數(shù)c2被乘以校正因子這提供所述spo2估計(jì)的準(zhǔn)確度的顯著的改進(jìn)。

在該實(shí)施例中，優(yōu)選的是，針對(duì)s的5％到15％(特別地10％)的范圍內(nèi)的值，已經(jīng)在實(shí)際的測(cè)量中找到并且反映總反射率上的典型量的鏡面反射。

優(yōu)選地，所述信號(hào)提取單元被配置為提取所述紅光譜內(nèi)的波長(zhǎng)處的第一ppg信號(hào)和所述紅外光譜中的波長(zhǎng)處的第二ppg信號(hào)。這樣的波長(zhǎng)的使用已經(jīng)示出為對(duì)象的血液中的物質(zhì)的所確定的濃度提供良好的結(jié)果。例如，在從550nm到780nm的范圍內(nèi)的第一波長(zhǎng)處確定第一ppg信號(hào)，并且在從780nm到1000nm的范圍內(nèi)的第二波長(zhǎng)處確定第二ppg信號(hào)。

而且，在實(shí)施例中，所述探測(cè)信號(hào)是由成像單元(特別是白平衡成像單元)所獲得的所述對(duì)象的至少所述皮膚區(qū)域的圖像，其中，所述成像單元形成根據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)的一部分。白平衡成像單元(例如，白平衡相機(jī))的使用提供可以去除或降低鏡面反射的影響。具體而言，白平衡成像單元提供相對(duì)鏡面反射在所有波長(zhǎng)通道中同樣強(qiáng)的知識(shí)，并且因此可以降低/去除所述影響。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的這些和其他方面將根據(jù)下文所描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例而顯而易見(jiàn)并且參考下文所描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例得以闡述。在以下附圖中，

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示出了在波長(zhǎng)上的針對(duì)spo2的各種值的ppg幅度的示圖；

圖3示出了圖示鏡面反射的效應(yīng)的示圖；

圖4示出了示出針對(duì)不同的對(duì)象的反射測(cè)量結(jié)果的示圖；并且

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的示意圖。

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的實(shí)施例的示意圖。在下文中，將通過(guò)確定對(duì)象的血液中的氧飽和度spo2來(lái)解釋本發(fā)明。然而，所有解釋相互適用于確定對(duì)象的血液中的其他物質(zhì)(諸如co2、co、膽紅素或潛在地其他氣體等)的濃度。但是其他物質(zhì)可以要求使用不同的波長(zhǎng)。對(duì)象2在該范例中是躺在床3(例如，在醫(yī)院或其他健康設(shè)施中)上的患者，而且可以是例如躺在保育箱中的新生兒或早產(chǎn)兒，或在家或在不同的環(huán)境中的人。除設(shè)備10之外，系統(tǒng)1通常包括輻射探測(cè)單元20，輻射探測(cè)單元20用于響應(yīng)于由輻射信號(hào)對(duì)皮膚區(qū)域4的照射而探測(cè)從對(duì)象2的皮膚區(qū)域4反射回的探測(cè)信號(hào)。

在該范例中，輻射探測(cè)單元20是成像單元，特別是相機(jī)(還被稱為探測(cè)單元或基于相機(jī)的或遠(yuǎn)程ppg傳感器)，其用于獲得對(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)選地是臉的區(qū)域，例如面頰或前額，而且可以是身體的另一區(qū)域，例如手或臂。該范例中的輻射信號(hào)是環(huán)境光，例如如由太陽(yáng)和/或室內(nèi)照明所提供的。在其他實(shí)施例中，(一個(gè)或多個(gè))特殊光源被提供用于利用(一個(gè)或多個(gè))特定波長(zhǎng)的輻射和/或(僅)在測(cè)量的時(shí)間處(例如，在夜間期間)照射對(duì)象2或至少對(duì)象2的至少皮膚區(qū)域4。

由相機(jī)采集的圖像幀可以特別地對(duì)應(yīng)于借助于例如(數(shù)字)相機(jī)中的模擬或數(shù)字光電傳感器采集的視頻序列。這樣的相機(jī)通常包括光電傳感器(諸如cmos或ccd傳感器)，其還可以在特定光譜范圍(可見(jiàn)光，ir)內(nèi)操作或者提供針對(duì)不同的光譜范圍的信息。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。特別地，圖像幀包括表示利用光電傳感器的不同的光敏元件采集的光強(qiáng)度值的像素。這些光敏元件可以在特定光譜范圍內(nèi)是靈敏的(即，表示特定顏色)。圖像幀包括表示對(duì)象的皮膚部分的至少一些圖像像素。從而，圖像像素可以對(duì)應(yīng)于光電探測(cè)器一個(gè)光敏元件和其(模擬或數(shù)字)輸出或可以基于多個(gè)光敏元件的組合(例如，通過(guò)像素組合)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)被提供給設(shè)備10用于進(jìn)一步處理，其將在下文中更詳細(xì)地解釋。

雖然這樣的系統(tǒng)可以通常被用于通過(guò)使用已知遠(yuǎn)程ppg技術(shù)獲得各種生命體征，但是其根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例被使用以確定對(duì)象2內(nèi)的動(dòng)脈血(還被稱為spo2)的氧飽和度。從對(duì)象的皮膚反射回的光由搏動(dòng)的動(dòng)脈調(diào)制，并且調(diào)制幅度包含血液飽和水平的信息。在已知的遠(yuǎn)程ppg系統(tǒng)中，spo2是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的波長(zhǎng)處的該ppg幅度(由動(dòng)脈中的動(dòng)脈血引起的)來(lái)計(jì)算。兩個(gè)波長(zhǎng)的ppg幅度(dc歸一化的)的比率給出用于計(jì)算spo2的公式1：

其中，并且

圖2示出了隨著波長(zhǎng)的針對(duì)spo2的各種值的ppg幅度的對(duì)應(yīng)的示圖。

以上公式中的常量c1和c2被稱為校準(zhǔn)參數(shù)(或校準(zhǔn)常量)，其當(dāng)前構(gòu)成spo2測(cè)量中關(guān)于校準(zhǔn)面對(duì)的最大問(wèn)題之一。校準(zhǔn)是指代個(gè)人內(nèi)和人之間校準(zhǔn)，造成不正確的spo2測(cè)量結(jié)果并且誤差可能由于許多因素而引起。這些原因之一已經(jīng)被查明是鏡面反射，皮膚表面對(duì)光的類似鏡面的反射，其使得相機(jī)spo2測(cè)量結(jié)果與基于接觸傳感器的測(cè)量結(jié)果不同。

脈動(dòng)性僅發(fā)生在已經(jīng)穿透到皮膚中并且漫反射的光的該部分中。到達(dá)相機(jī)20的鏡面反射光不包含歸因于動(dòng)脈血脈動(dòng)性的任何光調(diào)制并且因此引起總反射光的相對(duì)脈動(dòng)性中的減小。因此，spo2測(cè)量結(jié)果中將存在誤差，其取決于來(lái)自皮膚的總反射光的鏡面反射光的分?jǐn)?shù)。鏡面反射取決于相機(jī)、對(duì)象與照明源之間的角度并且是相加的屬性，其跨越所有波長(zhǎng)相等地添加的相等但是未知數(shù)量的dc反射的，如在圖3中所示，圖3描繪漫射和鏡面反射的曲線k1和僅漫反射的曲線k2，這兩個(gè)曲線都對(duì)光的波長(zhǎng)繪制。

鏡面反射的效應(yīng)可以用簡(jiǎn)單計(jì)算示出，如在下表中所示。

由于由相機(jī)看到的相加的鏡面反射不包含任何調(diào)制光，因而針對(duì)波長(zhǎng)的ac分量保持恒定。這使得雙比率中的總體改變導(dǎo)致稍微不同的spo2和因此不同的校準(zhǔn)常量。該效應(yīng)基于針對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的反射率之間的相對(duì)差得到放大。分子(即，針對(duì)紅光的波長(zhǎng))關(guān)于分母(即，針對(duì)ir光的波長(zhǎng))的更高的反射率導(dǎo)致更低的spo2(并且因此更高的c1補(bǔ)償)并且反之亦然。

假設(shè)皮膚的漫反射在紅和紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)是相同的，則鏡面反射對(duì)分子和分母的影響變?yōu)橄嗤牟⑶覜](méi)有鏡面反射的影響。然而，如在圖4中所示，其描繪示出針對(duì)四個(gè)不同的對(duì)象的反射率測(cè)量結(jié)果，反射可以在波長(zhǎng)之間是非常不同的(特別地對(duì)于具有深膚色的對(duì)象而言)。因此，即使恒定鏡面反射將導(dǎo)致強(qiáng)烈地依賴于對(duì)象的膚色的校準(zhǔn)。特別地，具有非常深膚色的對(duì)象可以相比于紅外線對(duì)紅色具有顯著地更強(qiáng)的吸收。

降低或去除該影響的一個(gè)方案是交叉偏振的使用。偏振鏡被附接在照明源和相機(jī)處并且以如下的方式被取向，所有鏡面反射光都被阻擋。即使這是通用的解決方案，但是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于該方案的低的實(shí)用性。首先，非偏振的環(huán)境光必須從場(chǎng)景消除。而且，如當(dāng)前使用的大照明源要求高質(zhì)量的大偏振片。進(jìn)一步地，這樣的大照明源不允許偏振平面關(guān)于相機(jī)對(duì)象源幾何配置是垂直的，針對(duì)鏡面反射的完全去除必要的條件。這然后需要使用不同的照明源，其可能不是非?，F(xiàn)實(shí)的。

因此，本發(fā)明基本上針對(duì)對(duì)象的記錄的膚色來(lái)對(duì)校準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。該調(diào)整基于上文解釋的認(rèn)知：鏡面反射使得校準(zhǔn)針對(duì)具有不同的膚色的對(duì)象而言是不同的。

在圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的對(duì)應(yīng)的設(shè)備10的實(shí)施例。設(shè)備10包括：輸入單元11，其用于響應(yīng)于由輻射信號(hào)造成的對(duì)皮膚區(qū)域的照射而接收從對(duì)象的皮膚區(qū)域反射回的探測(cè)信號(hào)；信號(hào)提取單元12，其用于從所述探測(cè)信號(hào)提取兩個(gè)不同的波長(zhǎng)處的至少兩個(gè)光電體積描記(ppg)信號(hào)；以及處理單元13，其用于基于所述ppg信號(hào)來(lái)計(jì)算所述對(duì)象的血液中的期望的物質(zhì)的濃度，其中，所述計(jì)算針對(duì)所述對(duì)象的膚色被調(diào)整。

在輸入單元11處所接收的探測(cè)信號(hào)優(yōu)選地由成像單元(諸如用于根據(jù)探測(cè)信號(hào)獲得對(duì)象的至少所述皮膚區(qū)域的圖像的相機(jī)(未進(jìn)一步示出))獲得。

用于從諸如由一組圖像幀所提供的探測(cè)信號(hào)來(lái)提取ppg信號(hào)的“信號(hào)提取單元”可以特別地對(duì)應(yīng)于模擬或數(shù)字信號(hào)處理器。ppg信號(hào)可以特別地對(duì)應(yīng)于表示基于圖像幀的時(shí)間序列所確定的光強(qiáng)度中的波動(dòng)的信號(hào)。這樣的ppg信號(hào)可以表示對(duì)象的生命體征(諸如心率、呼吸率或血氧飽和度)。信號(hào)提取單元可以特別地基于多個(gè)圖像像素和/或基于一系列時(shí)間連續(xù)的圖像幀來(lái)提取包括在探測(cè)信號(hào)中的ppg信號(hào)。從成像單元提取ppg信號(hào)在生命體征監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程ppg的領(lǐng)域中是廣泛已知的。

如本文所使用的“處理單元”或“處理器”涵蓋用于處理的部件，例如響應(yīng)于信號(hào)或數(shù)據(jù)處理的那些和/或自動(dòng)處理的那些部件。處理單元應(yīng)當(dāng)被理解為涵蓋微處理器、微控制器、可編程數(shù)字信號(hào)處理器、集成電路、計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)硬件、電路、專用集成電路、可編程邏輯設(shè)備、可編程門陣列、可編程陣列邏輯、個(gè)人計(jì)算機(jī)、芯片以及分立的模擬、數(shù)字或可編程部件的任何其他組合、或者能夠提供處理功能的其他設(shè)備。

優(yōu)選地，對(duì)于圖像采集而言，使用白平衡相機(jī)，使得兩個(gè)波長(zhǎng)處的相對(duì)反射可以備選地已知并且對(duì)象的皮膚反射率的分別的測(cè)量結(jié)果也是可能的。利用這樣的設(shè)置，嘗試從被用于計(jì)算如上文所示的spo2的比率的比率中的dc項(xiàng)消除鏡面反射是可能的。鏡面反射的確切值不能是已知的，但是如果(在測(cè)量之前執(zhí)行相機(jī)的白平衡之后)假定紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射不非常取決于膚色，則非常合理的猜測(cè)證明是可能的。

參考圖3，做出紅外線波長(zhǎng)處的皮膚反射率是大約50％而不管對(duì)象的膚色的(平均合理)假定。而且，假定(例如，基于在有和沒(méi)有偏振鏡的情況下的測(cè)量結(jié)果)相對(duì)鏡面反射s的合理估計(jì)是大約5％或者因此總紅外線皮膚反射的10％。知道被用于圖像采集的相機(jī)已經(jīng)被白平衡，紅和紅外線波長(zhǎng)范圍的dc水平可以因此通過(guò)從這兩個(gè)通道的dc水平減去相等數(shù)量的鏡面反射(例如，s＝10；一般地s在從5到15的范圍內(nèi))來(lái)校正。

如果假定是合理的，則可以幾乎消除鏡面反射對(duì)歸一化的影響，并且如果其略有偏離，則鏡面反射對(duì)sp02測(cè)量結(jié)果的影響可以仍然大量地降低。

根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例建議的經(jīng)修改的sp02公式如下：

并且dc是來(lái)自圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際地測(cè)量的dc值，并且dc'是沒(méi)有鏡面反射的dc值。利用鏡面反射的假定，

dc′ir->(1-s).dcir并且dc′r->dcr-s.dcir其保持:

乘以和除以dcir/dcr以得到公式(2)的形式

其中，公式(1)的校準(zhǔn)常量c2適于：

然而，應(yīng)當(dāng)指出，存在用于將公式針對(duì)對(duì)象的膚色進(jìn)行調(diào)整到的備選方案。一個(gè)備選方案將是利用另一設(shè)備/傳感器(例如，提供黑色素指數(shù)的膚色分析器)來(lái)測(cè)量對(duì)象的膚色。該黑色素指數(shù)可以然后被用于使用查找表或另一函數(shù)來(lái)對(duì)spo2值進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)一步地，通過(guò)使用本發(fā)明，可以以類似的方式校正其他濃度，使用如從相機(jī)可用的皮膚的dc反射或者使用單獨(dú)的傳感器。在這種情況下，基本公式(1)可以是不同的，并且使用其他波長(zhǎng)可以是有利的。例如，為了確定膽紅素，使用具有475nm(藍(lán)光)左右的波長(zhǎng)的可見(jiàn)光將是有用的。

已經(jīng)通過(guò)對(duì)應(yīng)的測(cè)試測(cè)量證明以上假定。這些測(cè)量也示出，如果光源(被用于照射從其導(dǎo)出ppg信號(hào)的皮膚區(qū)域)的照明利用一組兩個(gè)光電二極管(分別為紅色和紅外靈敏性)或者如分光光度計(jì)的測(cè)量設(shè)備分別地測(cè)量，則相機(jī)的白平衡原則上可以被消除。進(jìn)一步地，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，補(bǔ)償在不使相機(jī)白平衡的情況下是可能的，只要紅和紅外通道的相對(duì)增益未改變，并且光源的光譜保持相同。

本發(fā)明的主要應(yīng)用是針對(duì)對(duì)nicu和普通病房中的患者監(jiān)測(cè)應(yīng)用的對(duì)存在鏡面反射和/或運(yùn)動(dòng)的魯棒的無(wú)接觸spo2的測(cè)量。本發(fā)明同樣適用于接觸生命體征傳感器和遠(yuǎn)程(基于相機(jī)的)ppg系統(tǒng)，并且還可以被用于確定對(duì)象的血液中的其他物質(zhì)(諸如co2、co或膽紅素)的濃度。

盡管在附圖和前面的描述中詳細(xì)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但是這樣的說(shuō)明和描述將理解為是說(shuō)明性或者示例性的而非限制性的；本發(fā)明并不局限于所公開的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)研究附圖、公開內(nèi)容以及權(quán)利要求書，在實(shí)踐請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)能夠理解并且實(shí)現(xiàn)對(duì)所公開的實(shí)施例的其他變型。

在權(quán)利要求書中，詞語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且詞語(yǔ)“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。單個(gè)處理器或其他單元可以履行權(quán)利要求書中所記載的若干個(gè)項(xiàng)目的功能。盡管在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。

計(jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)/分布在與其它硬件一起或作為其它硬件的部分來(lái)提供的合適(非瞬態(tài))介質(zhì)中，例如光存儲(chǔ)介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但也可以用其它形式來(lái)發(fā)布，例如經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)或者其它有線或無(wú)線電信系統(tǒng)。

權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記均不應(yīng)被解釋為對(duì)范圍的限制。