用于筛查对象的氧合状态的系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于筛查对象的，尤其是幼儿或新生婴儿的氧合状态的系统。另 外，本发明涉及一种用于处理随时间从对象获得的图像帧的处理器和处理方法。本发明尤 其涉及以非接触的方式对新生婴儿的针对危重先天性心脏病（CCHD)的筛查。
【背景技术】
[0002] 人的生命体征，例如心率（HR)、呼吸速率（RR)或血氧饱和度，充当人的当前状态 的指标以及对严重医学事件的有力预测因子。出于该原因，生命体征在住院护理环境和门 诊护理环境中、在家或在另外的健康、休闲和健身环境中得到广泛地监测。
[0003] 测量生命体征的一种方式是体积描记法。体积描记法一般指对器官或身体部分的 体积变化的测量，并且尤其指对因随着每一次心跳行进通过对象的身体的心血管脉搏波引 起的体积变化的检测。
[0004] 光体积描记法（PPG)是评价感兴趣区或体积的光反射或光透射的时变变化的光 学测量技术。PPG基于以下原理，S卩，血液比周围组织吸收更多的光，因此血液体积随着每一 次心跳的变化相应地影响透射或反射。除了关于心率的信息以外，PPG波形能够包括可归 因于诸如呼吸的另外的生理现象的信息。通过评价在不同波长（通常为红色和红外）处的 透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度。
[0005] 用于测量对象的心率和氧饱和度的常规脉搏血氧计被附着到对象的皮肤，例如， 指端、耳垂或前额。因此，它们被称作"接触式"PPG设备。典型的脉搏血氧计包括作为光源 的红色LED和红外LED，以及用于探测已经透射通过患者组织的光的一个光电二极管。可在 商业上获得的脉搏血氧计在红色波长处的测量与在红外波长处的测量之间快速切换，并且 从而测量组织的相同区或体积在两个不同波长处的透射率。这被称作时分复用。在每个波 长处随时间的透射率给出了针对红色波长和红外波长的PPG波形（也被称作PPG信号）。 尽管接触式PPG被认为是基本上无创的技术，但是接触式PPG测量常常是令人不愉快的经 历，这是因为脉搏血氧计被直接附接到对象并且任何线缆都限制了移动的自由。
[0006] 最近，已经推出了用于非干扰性测量的非接触式远程PPG设备。远程PPG利用被 远离感兴趣对象设置的光源，或者一般为辐射源。类似地，诸如相机或光探测器的探测器也 能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远程光体积描记系统和设备被认为是非干扰性的，并 且非常适合于医学日常应用以及非医学日常应用。
[0007] Wieringa等人的"ContactlessMultipleWavelengthPhotoplethysmographic Imaging:AFirstStepToward"Sp02Camera"Technology"（Ann.Biomed.Eng.，第 33 卷， 第1034-1041页，2005年））公开了一种远程PPG系统，所述远程PPG系统用于基于对不同 波长处的体积描记信号的测量来对组织中的动脉血氧饱和度的非接触式成像。该系统包括 单色CMOS相机和具有三种不同波长的LED的光源。该相机按次序地采集对象的三个影片。 在每个影片期间，对象被不同波长处的光源照亮。能够从单个波长处的影片确定脉搏率，而 要求在不同波长处的至少两个影片以用于确定氧饱和度。测量是在暗室中执行的，一次仅 使用一个波长。在不同波长处的后续测量之间不允许患者移动。另外的问题在于，黑暗中 的测量对于非干扰性医学应用和非医学应用而言是不实际的。
[0008] TothB.等人的"Oxygensaturationinhealthynewborninfantsimmediately afterbirthmeasuredbypulseoximetry''(ArchivesofGynecologyandObstetrics, SpringerVerlag，Berlin，DE，第 266 卷，第 2 号，2002 年 4 月 1 日，第 105 - 107 页）公开了 对在50名健康新生婴儿中测量的对导管前和导管后的动脉氧饱和度的测量结果的研究。 使用两个脉搏血氧计以利用被放置在右手腕的尺骨侧周围的传感器和右中足周围的传感 器连续地测量Sp02，分别表示导管前Sp02值和导管后SpO2值。发现新生儿需要大致15分 钟以达到成年人的Sp02值。
[0009] DE10 2010 056 615A1公开了一种基于相机的透照测量设备，所述透照测量设 备用于根据相机图像对新生儿进行非接触式空间分辨的体征参数确定。
[0010] US2011/0311143A1公开了一种控制用于检测生物体的存在的设备和系统的功 能的方法。
【发明内容】
[0011] 本发明的目标是提供一种改进的系统、处理器和方法，所述系统、处理器和方法使 得能够以非接触的方式，针对危重先天性心脏病对对象，尤其是幼儿或新生婴儿的氧合状 态进行筛查，所述系统、处理器和方法可以例如广泛地用于筛查全部新生婴儿。
[0012] 在本发明的第一方面中，一种在用于对对象的氧合状态进行筛查的系统中使用的 处理器，所述系统包括用于随时间获得所述对象的多个图像帧的成像单元，所述处理器被 配置为通过以下来处理所述图像帧：
[0013] -在图像帧内辨识所述对象，
[0014] -对所述对象的感兴趣身体部分进行定位，所述对象的所述感兴趣身体部分至少 包括所述对象的右上肢和至少一个下肢，
[0015] -确定每个感兴趣身体部分的灌注指数，
[0016] -通过对所述灌注指数的使用来选择每个感兴趣身体部分的多个像素和/或像素 组，
[0017] -根据所述图像帧中包含的针对至少两个不同波长的脉搏血氧波形来确定所述对 象的针对所述多个像素和/或像素组的血氧饱和度水平，
[0018] -确定针对所述右上肢所确定的血氧饱和度水平与针对所述至少一个下肢所确定 的血氧饱和度水平之间的差异血氧饱和度水平，并且
[0019] -将所确定的差异血氧饱和度水平、针对所述右上肢所确定的血氧饱和度水平以 及针对所述至少一个下肢所确定的血氧饱和度水平与各自的血氧饱和度水平阈值进行比 较，以获得针对所述对象的指示所述对象的氧合的质量的筛查指标。
[0020] 在本发明的另外的方面中，提出了一种用于筛查对象的氧合状态的系统，所述系 统包括用于随时间获得所述对象的多个图像帧的成像单元，以及如在本文中所提出的用于 处理所述图像帧的处理器。
[0021] 在本发明的另外的方面中，提供了一种用于处理随时间从对象获得的图像帧的处 理方法。
[0022] 在本发明的又一方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序 代码单元用于当所述计算机程序在计算机上被执行时令计算机执行所提出的处理方法的 步骤。另外，提出了一种非瞬态计算机可读存储介质，在所述非瞬态计算机可读存储介质中 存储有这样的计算机程序产品，所述计算机程序产品在被处理器运行时令在本文中所公开 的处理方法的所述步骤被执行。
[0023] 在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的处理器、处 理方法、计算机程序以及计算机介质具有与要求保护的系统的以及在从属权利要求中定义 的相似和/或相同的优选实施例。
[0024] 本发明基于以下想法：S卩，将成像单元，例如在使用远程PPG的以上提及的原理的 生命体征监测中使用的常规视频相机，用作非接触式脉搏血氧计，通过对所述成像单元的 使用，创建至少血氧饱和度（有时也被称为Sp02,意指由脉搏血氧计测量的血氧饱和度，准 动脉）的（针对至少一些感兴趣身体部分的）身体地图。挑选某些身体区，例如右上肢对 左上肢和/或下肢，并且组合它们或比较它们，能够起到检测心脏功能和/或循环功能的异 常的目的。
[0025] 现今在新生儿重症监护室（NI⑶）中使用的并且现在越来越多地用于全部新生婴 儿的筛查所建立的标准方法使用两个普通的脉搏血氧计或按次序仅使用一个脉搏血氧计 来比较右臂/手（导管前）与左臂/手或任一条腿（导管后）。根据本发明的实施例，该方 法可以利用成像单元而扩大应用，以同时包括更多的导管前位点（如头部）和更多的导管 后位点（如一个或两个足/腿以及左臂/手以及核心身体）。灌注指数额外地用于选择仅 对确定各自的血氧饱和度水平有用的像素或像素区。与脉搏率和质量指标数字的任选组合 允许鲁棒得多的检测。
[0026] 所提出的非接触式方法极为适合于筛查目的，这是因为其避免了交叉污染以及在 应用传感器时的任何努力。同时对多个位点的跟踪也指示对象的总体心血管稳定性。
[0027] 如在本文中所使用的，术语"波长"也指波长的带或波长部分。术语"波长"要被理 解为具有有限的谱宽度的谱范围。例如，针对光学滤波器，术语波长指滤波器的通带。因此， 术语波长不限于一个单个波长，而是也用于例如在中心波长周围几纳米或几十纳米的波长 范围。此外，术语波长在滤波器的语境中也能够指同一个滤波器元件的多个不连续的谱范 围。
[0028] 如在本文中所使用的，术语"成像单元"指用于探测电磁辐射的设备。在优选实施 例中，成像单元为具有诸如CCD或CMOS图像传感器的图像传感器的相机，所述图像传感器 包括光敏像素的阵列。探测单元的输出被称作辐射数据。例如，辐射数据为随时间的一系列 图像，因此为视频流。相机优选为彩色相机，所述彩色相机能够创建为了准确测量而在良好 控制的波长范围中的两种颜色的图像，通常为红色和红外的图像。用于彩色相机的RGB图 像传感器包括具有针对红色、绿色和蓝色通道的滤波器的彩色滤波器阵列。当使用RGB彩 色相机时，系统的总体滤波器特性包括对标记物区的透射特性以及对相机的颜色通道的滤 波器特性两者。
[0029] 另外，在本发明的语境中，"右上肢"应当被理解为右手、右臂以及右肩中的一个或 多个，或者所述身体部分中的一个或多个的部分。类似地，"至少一个下肢"应当被理解为左 足和/或右足、左腿和/或右腿以及左肢和/或右肢中的一个或多个，或者所述身体部分中 的一个或多个的部分。
[0030] 根据本发明的实施例，所述系统还包括用于显示对象的氧合图像的显示器，在所 述对象的所述氧合图像中，显示针对选择的像素和/或像素组的各自的血氧饱和度水平。 优选地，所述显示器被配置为将所述对象的所述氧合图像显示为假彩色图像，在所述假彩 色图像中，针对选择的像素和/或像素组，各自的血氧饱和度水平被显示为假彩色。为了呈 现地图，一种良好的方法是使用颜色编码。这样的图像可以揭示比仅筛查指标更多的信息。 例如，如果用户能够看到从右上肢