基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置与流程

1.本发明涉及图像识别及处理技术领域，尤其涉及一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置。


背景技术：

2.无创血氧饱和度的测量原理是动脉搏动引起血液对光的吸收的变化，并将光的变化转换为电信号，并对电信号进行处理，进而可计算出血氧饱和度。血氧饱和度一般用血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比来表示，一般通过监测动脉的功能血氧饱和度(spo2)来反应人体的血液氧含量状况，其表达式为：
[0003][0004]
其中，spo2为血氧饱和度；为动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；c
hb
为动脉血管中还原血红蛋白的浓度。
[0005]
目前医用的透射式无创血氧饱和度的测量方案是采用双波长异步打光方案，如图1所示，手指上壁固定了两个并排放置的发光二极管，波长分别为660nm的红光和904nm的红外光，下壁是一个光电转换器件，将透射光的光强转换为电流信号。通过控制两个led轮换发光，并对各自发光时输出的电流信号进行i/v变换，放大然后采集，对采集后的信号做处理，得到对应的脉搏波数据，最后计算得到spo2的值。该方案获得血氧饱和度的方法如中国专利cn112903609a公开的无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，包括以下步骤：通过dac控制红光与红外光二极管发光，使用光频传感器接收透射光，将透光信号转换为对应的频率信号f，然后将得到的频率数据f和f
′
通过mcu上传到计算机中，再经过推导得到的公式计算即可得出血氧饱和度。
[0006]
然而，现有的血氧饱和度测量技术需要采用双波长异步打光方案，同时需要复杂的光电转换装置和信号处理单元，计算过程比较繁琐，计算精度不高。采集模块需要复杂的光电转换装置，设备难以做到小型化，设备成本较高。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是提供一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置，以解决光信号处理时计算过程繁琐、精度不高、采集模块成本较高等问题。
[0008]
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
[0009]
本发明涉及的一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其包括以下步骤：
[0010]
1)用波长为λ1、λ2的光束分别照射目标部位，采集两组不同波长下光透射后的光信号，并将光信号转化为图像数字信号；
[0011]
2)对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理；
[0012]
3)根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号分别计算λ1、λ2波长下由动脉
血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程；
[0013]
4)根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况。
[0014]
优选地，所述的步骤2)中对图像数字信号进行图像增强处理和二值化处理的具体步骤包括：
[0015]
2.1)计算图像序列中的每一像素的曲率值；
[0016]
2.2)计算图像序列中的全部像素的曲率均值；
[0017]
2.3)根据图像序列中的每一像素的曲率值及全部像素的曲率均值，对动脉血管的二值化处理。
[0018]
优选地，所述的步骤2.1)中，图像序列中的每一像素的曲率值的计算公式如下：
[0019][0020]
其中，
[0021][0022][0023][0024][0025][0026]
公式中，c
ij
为图像序列的第i行第j列像素的曲率值；img
ij
为图像序列的第i行第j列像素的灰度值；p
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的一阶偏导；q
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的一阶偏导；r
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的二阶偏导；t
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的二阶偏导；s
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向和y轴方向上的二阶混合偏导；
[0027]
所述的步骤2.2)中图像序列中的全部像素的曲率均值的计算公式如下：
[0028][0029]
其中，c
avg
为图像序列中的全部像素的曲率均值；r为图像序列的图像行数；c为图像序列的图像列数。
[0030]
优选地，所述的步骤2.3)中，二值化处理的计算方式为：
[0031][0032]
其中，f
ij
为图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；α为曲率均值二值化系数，取值范围为[0，1]。
[0033]
优选地，所述的曲率均值二值化系数α的取值为0.5。
[0034]
优选地，所述的步骤3)中是根据两组增强处理和二值化处理后图像数字信号的二值化有效面积来计算当前波长下扩张光程和收缩光程的。
[0035]
优选地，所述的根据两组增强处理和二值化处理后图像数字信号的二值化有效面积来计算当前波长下扩张光程和收缩光程的具体计算公式为：
[0036][0037]smax
＝max{s1，s2，s3，...，sa}
ꢀꢀꢀ
(10)
[0038]smin
＝min(s1，s2，s3，...，sa}
ꢀꢀꢀ
(11)
[0039]
l
max
＝s
max
ꢀꢀꢀ
(13)
[0040]
l
min
＝s
min
ꢀꢀꢀ
(16)
[0041]
公式中，sm为第m个图像序列的动脉血管二值化有效面积；为第m个图像序列的第i行第j列像素的二值化数值；s
max
为动脉血管扩张时的二值化有效面积；s
min
为动脉血管收缩时的二值化有效面积；a为当前波长下获取的图像数字信号的数量；l
max
为动脉血管扩张时的光程；l
min
为动脉血管收缩时的光程。
[0042]
优选地，所述的步骤4)根据动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度的具体步骤包括：
[0043]
4.1)计算动脉血管扩张时的透射光的强度，计算公式如下：
[0044][0045][0046]
公式中，ia为动脉血管扩张时的透射光的强度；i0为动脉血管扩张时的入射光的强度；γ为组织内的非脉动成分及静脉血的吸光系数；ε
hbo2
为表示动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；c
hbo2
为表示动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；ε
hb
为表示动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；c
hb
为表示动脉血管中还原血红蛋白的浓度；为动脉扩张图像序列的第i行第j列像素的灰度值；为动脉扩张图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；r1为动脉扩张图像序列的图像行数；c1为动脉扩张图像序列的图像列数；
[0047]
4.2)计算动脉血管收缩时的透射光的强度，计算公式如下：
[0048][0049][0050]
公式中，ib为动脉血管收缩时的透射光的强度；i0’
为动脉血管收缩时的入射光的强度；为动脉收缩图像序列的第i行第j列像素的灰度值；为动脉收缩图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；r2为动脉收缩图像序列的图像行数；c2为动脉收缩图像序列的图像列数；
[0051]
4.3)对公式(12)～(14)进行整合和取对数，得到公式(18)：
[0052][0053]
4.4)对公式(15)～(17)进行整合和取对数，得到公式(19)：
[0054][0055]
4.5)对公式(18)～(19)进行整合，得到公式(20)和公式(21)，用于计算动脉血管的搏动信息的量化参数：
[0056]chbo2
ε
hbo2
+c
hb
ε
hb
＝r
ꢀꢀꢀ
(20)
[0057][0058]
公式中，r为动脉血管的搏动信息的量化参数，
[0059]
将波长为λ1、λ2时获取的两组图像数字信号分别代入公式(21)中，分别计算出入射光波长为λ1时的动脉血管的搏动信息的量化参数和入射光波长为λ2时的动脉血管的搏动信息的量化参数
[0060]
4.6)根据公式(20)获得两个波长λ1、λ2照射下的动脉血管的搏动信息的量化参数的计算公式：
[0061][0062][0063]
公式中，为入射光波长为λ1时的动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；为入射光波长为λ1时的动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；为入射光波长为λ2时的动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；为入射光波长为λ2时的动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；
[0064]
4.7)对公式(22)～(23)进行整合，得到公式(24)：
[0065][0066]
4.8)根据公式(24)获得动脉血氧饱和度的计算公式，并计算动脉血氧饱和度，动脉血氧饱和度计算公式为：
[0067][0068]
公式中，spo2为动脉血氧饱和度；为动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；c
hb
为动脉血管中还原血红蛋白的浓度。
[0069]
优选地，所述的步骤1)中采用摄像装置采集两组不同波长下光透射后的光信号，摄像装置的帧率为60帧/s，每种波长的光束照射下，目标部位放置时间为至少1s，获得的当前波长的图像数字信号至少为60张。
[0070]
本发明还涉及一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量装置，其包括：
[0071]
采集模块，用波长为λ1、λ2的光束分别照射目标部位，采集两组不同波长下光透射后的光信号，并将光信号转化为图像数字信号；
[0072]
图像处理模块，用于对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理；
[0073]
光程计算模块，用于根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号分别计算λ1、λ2波长下由动脉血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程；
[0074]
动脉血氧饱和度计算模块，用于根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况。
[0075]
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0076]
1、本发明采用一种基于双色光的动脉血管图像的动脉血氧饱和度的测量方法可直接获取到动脉血管的搏动信息，并可进行准确的量化计算，不需要复杂的光电转换装置，为血氧检测设备的小型化和低成本化提供了一种可能。
[0077]
2、本发明采用一种基于双色光的动脉血管图像的动脉血氧饱和度的测量方法可直接计算出动脉血氧饱和度的值，无需采用经验公式进行动脉血氧饱和度的数值模拟计算，计算过程简单，同时计算精度高。
附图说明
[0078]
图1是现有的透射式双波长动脉血氧饱和度测量方法的原理图；
[0079]
图2是基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法的流程图；
[0080]
图3是采集图像数字信号的示意图；
[0081]
图4是基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量装置的框架图。
具体实施方式
[0082]
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0083]
实施例一
[0084]
参照附图2所示，本实施例涉及的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其包括以下步骤：
[0085]
1)参照附图3所示，将手指放入采集模块中，该采集模块的上方设有双色光二极管，该双色光二极管可以发出两种不同波长的光，下方设有摄像装置，手指放在双色光二极管和摄像头之间；摄像装置可以获取两组不同波长下光透射后的光信号，并将获得的两组光信号转化为图像数字信号；摄像装置的帧率为n帧/s，每种波长的光照射下手指放置时间至少ts，获得的每组当前波长的图像数字信号为nt张；
[0086]
本实施例中，双色光二极管可以分别发出660nm的红光和904nm的红外光，即λ1＝660nm，λ2＝904nm；n为60帧/s，t为1s，分别获得波长为660nm的红光和904nm的红外光下的60张图像数字信号，获得的两组手指的图像数字信号集合{fvimg}为：
[0087]
{fvimg}
660nm
＝{fvimg1，fvimg2，fvimg3，...，fvimg
60
}
660nm
ꢀꢀ
(26)
[0088]
{fvimg}
904nm
＝{fvimg1，fvimg2，fvimg3，...，fvimg
60
}
904nm
ꢀꢀ
(27)
[0089]
需要说明的是，在该实施例中，双色光二极管放在待采集部位的上方，摄像装置设置于待采集部位的下方；在其他实施方案中，也可将双色光二极管和摄像装置分别置于目标部位的左右两侧，或将双色光二极管和摄像装置放置于目标部位的同一侧。
[0090]
需要说明的是，在该实施例中，采集部位是手指，在其他实施方案中，采集部位也可以是手掌或面部等其它包含动脉血管的其它部位。
[0091]
2)对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理，其具体步骤包括：
[0092]
2.1)计算图像序列中的每一像素的曲率值，曲率计算公式如下：
[0093][0094]
其中，
[0095][0096][0097][0098][0099][0100]
公式中，c
ij
为图像序列的第i行第j列像素的曲率值；img
ij
为图像序列的第i行第j列像素的灰度值；p
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的一阶偏导；q
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的一阶偏导；r
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的二阶偏导；t
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的二阶偏导；s
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向和y轴方向上的二阶混合偏导；
[0101]
2.2)计算图像序列中的全部像素的曲率均值，曲率均值的计算公式如下：
[0102][0103]
其中，c
avg
为某一图像序列中的全部像素的曲率均值；r为某一图像序列的图像行数；c为某一图像序列的图像列数；
[0104]
2.3)根据图像序列中的每一像素的曲率值及全部像素的曲率均值，对动脉血管的二值化处理，二值化计算方式为：
[0105][0106]
其中，f
ij
为图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；α为曲率均值二值化系数，取值范围为[0，1]，本实施例中，α的取值为0.5；
[0107]
3)根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号计算由动脉血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程，其计算公式为：
[0108][0109]smax
＝max{s1，s2，s3，...，sa}
ꢀꢀꢀ
(10)
[0110]smin
＝min{s1，s2，s3，...，sa}
ꢀꢀꢀ
(11)
[0111]
l
max
＝s
max
ꢀꢀꢀ
(13)
[0112]
l
min
＝s
min
ꢀꢀꢀ
(16)
[0113]
公式中，sm为第m个图像序列的动脉血管二值化有效面积；为第m个图像序列的第i行第j列像素的二值化数值；s
max
为动脉血管扩张时的二值化有效面积；s
min
为动脉血管收缩时的二值化有效面积，a为当前波长下获取的图像数字信号的数量；l
max
为动脉血管扩张时的光程；l
min
为动脉血管收缩时的光程；本实施例a为60张。此步骤有利于降低动脉血氧饱和度的计算误差。
[0114]
4)根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况，其具体步骤包括：
[0115]
4.1)计算动脉血管扩张时的透射光的强度，计算公式如下：
[0116][0117][0118]
公式中，ia为动脉血管扩张时的透射光的强度；i0为动脉血管扩张时的入射光的强度；γ为组织内的非脉动成分及静脉血的吸光系数；ε
hbo2
为表示动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；c
hbo2
为表示动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；ε
hb
为表示动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；c
hb
为表示动脉血管中还原血红蛋白的浓度；为动脉扩张图像序列的第i行第j列像素的灰度值；为动脉扩张图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；r1为动脉扩张图像序列的图像行数；c1为动脉扩张图像序列的图像列数；
[0119]
4.2)计算动脉血管收缩时的透射光的强度，计算公式如下：
[0120][0121][0122]
公式中，ib为动脉血管收缩时的透射光的强度；i0’
为动脉血管收缩时的入射光的强度；为动脉收缩图像序列的第i行第j列像素的灰度值；为动脉收缩图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；r2为动脉收缩图像序列的图像行数；c2为动脉收缩图像序列的图像列数；
[0123]
4.3)对公式(12)～(14)进行整合和取对数，得到公式(18)：
[0124][0125]
4.4)对公式(15)～(17)进行整合和取对数，得到公式(19)：
[0126][0127]
4.5)对公式(18)～(19)进行整合，得到公式(20)和公式(21)，用于计算动脉血管的搏动信息的量化参数：
[0128]chbo2
ε
hbo2
+c
hb
ε
hb
＝r
ꢀꢀꢀ
(20)
[0129][0130]
公式中，r为动脉血管的搏动信息的量化参数，
[0131]
将波长为λ1、λ2时获取的两组图像数字信号分别代入公式(21)中，分别计算出入射光波长为λ1时的动脉血管的搏动信息的量化参数和入射光波长为λ2时的动脉血管的搏动信息的量化参数
[0132]
4.6)根据公式(20)获得两个波长照射下的动脉血管的搏动信息的量化参数的计算公式为：
[0133][0134][0135]
公式中，为入射光波长为λ1时的动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；为入射光波长为λ1时的动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；为入射光波长为λ2时的动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；为入射光波长为λ2时的动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；
[0136]
4.7)对公式(22)～(23)进行整合，得到公式(24)：
[0137][0138]
4.8)根据公式(24)获得动脉血氧饱和度的计算公式，即将公式(24)代入背景技术的公式(28)中获得新的动脉血氧饱和度的计算公式，并用新的动脉血氧饱和度的计算公式计算动脉血氧饱和度，用动脉血氧饱和度来反应人体的血液氧含量状况，动脉血氧饱和度计算公式为：
[0139][0140]
公式中，spo2为动脉血氧饱和度；为动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；c
hb
为动脉血管中还原血红蛋白的浓度。
[0141]
效果实施例
[0142]
本实施例随机抽取200名测试者，采用两种测试方法分别对200名测试者的动脉动脉血氧饱和度进行测量。
[0143]
方法一：通过传统的动脉血氧饱和度测量方法进行人体动脉采血，利用血气分析仪进行电化学分析，测出血氧分压po2计算出动脉血氧饱和度。
[0144]
方法二：采用本发明涉及的装置采集图像并计算出动脉血氧饱和度。
[0145]
将方法二中获取的200组动脉血氧饱和度与方法一中获取的对应测试者的动脉血氧饱和度进行比较，当动脉血氧饱和度误差小于1％时，证明方法二中使用的基于单色光动脉血管图像的血液含氧量状况测量装置的测试结果准确，否则说明该装置的测试结果不准确。通过对200位测试的测试，计算出采用本发明涉及的基于双色光动脉血管图像的动脉血
氧饱和度测量装置的准确率高达99.5％，因此，证明本发明涉及的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置是有效的。
[0146]
实施例二
[0147]
参照附图4所述，基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量装置包括：
[0148]
采集模块，用波长为λ1、λ2的光束分别照射目标部位，采集两组不同波长下光透射后的光信号，并将光信号转化为图像数字信号；所述的采集模块用于实现实施例一步骤1)的功能；
[0149]
图像处理模块，对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理；图像处理模块用于实现实施例一步骤2)的功能。
[0150]
光程计算模块，用于根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号分别计算λ1、λ2波长下由动脉血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程，光程计算模块用于实现实施例一步骤3)的功能；
[0151]
4)动脉血氧饱和度计算模块，用于根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况，动脉血氧饱和度计算模块用于实现实施例一步骤4)的功能。
[0152]
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。