用于确定对象的血氧饱和度的设备和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于确定对象的血氧饱和度的设备和方法。具体而言，本发明涉 及一种能够被用于检测被观察的对象（例如人或动物）中的动脉血氧饱和度的非强迫性光 学测量方法。在该背景中，光学测量指的是光学体积描记法（PPG)，并且更具体地指的是脉 搏血氧测定法。
【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）用作对人的当前状 态的指标并用作对严重的医学事件的有力预测。因此，生命体征在在住院护理环境和门诊 护理环境、在家、或者在另外的健康、休闲和健身环境中被广泛地监测。
[0003] 测量生命体征的一种方式是体积描记法。体积描记法总体指对器官或身体部分的 体积变化的测量，并且具体指对源于随着每一次心跳行进通过对象的身体的心血管脉搏波 的体积变化的检测。
[0004] 光学体积描记法（PPG)是对感兴趣区域或体积的光反射或透射的时变变化进行 评估的光学测量技术。PPG基于血液比周围组织吸收更多的光的原理，因此血液体积随着每 一次心跳的变化对应地影响透射和反射。除了关于心率的信息，PPG波形也能够包括能归 于另外的生理现象（例如呼吸）的信息。通过对在不同波长（典型地是红色和红外）处的 透射率和/或反射率的评估，能够确定血氧饱和度。
[0005] 用于测量对象的心率和动脉血氧饱和度（也被称为Sp02)的常规脉搏血氧测定计 被附着到对象的皮肤，例如指尖、耳垂或前额。因此，它们被称为"接触式"PPG设备。典型 的脉搏血氧测定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。商业可用的脉搏血氧测定计在红色波长处的测量与红外波长 处的测量之间快速地切换，并且由此测量组织的相同区域或体积在两种不同波长处的透射 率。这被称为分时复用。在每种波长处的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。尽管接触式PPG被认为是基本无创的技术，但是接触式PPG测量体验起来常 常令人不愉快，这是因为脉搏血氧测定计被直接附着到对象并且任何线缆都限制移动的自 由。
[0006] 在该背景中，应当注意到，"血氧饱和度"在许多研究和医学领域中常常指平均血 液或组织氧饱和度，所述平均血液或组织氧饱和度一般不同于动脉氧饱和度或Sp02。脉 搏血氧测定计一般不测量组织饱和度，而是测量典型地比平均血氧饱和度（其也包含静脉 血）高很多的动脉氧饱和度。Sp02是Sa02的无创等价方案，其中，在前者中"p"指的是脉 搏，而在后者中"a"指的是动脉。当在本文中引用"血氧饱和度"或Sp02时，一般意指动脉 血氧饱和度。
[0007] 当前，已经引入了用于非强迫性测量的非接触式、远程PPG设备。远程PPG采用被 远离感兴趣对象设置的光源，或一般而言是辐射源。类似地，探测器（例如相机或光学探测 器）也能够被远离感兴趣对象设置。因此，远程光学体积描记系统和设备被认为是非强迫 性的并且非常适合于医学以及非医学的日常应用。然而，远程PPG设备典型地得到较低的 信噪比。
[0008] Verkruysse 等人的"Remote plethysmographic imaging using ambient light"(0ptics Express，16 (26)，2008 年 12 月 22 日，21434-21445 页）展示了能够使用环 境光和常规的消费者水平的视频相机来远程地测量光学体积描记信号。
[0009] Wieringa 等人的 "Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging ：A First Step Toward "Sp02Camera"Technology"（Ann.Biomed. Eng. 33， 1034-1041页，2005年）公开了一种用于基于对不同波长处的体积描记信号的测量结果来 对组织中的动脉血氧饱和度进行非接触式成像的远程PPG系统。所述系统包括单色CMOS 相机和具有三个不同波长的LED的光源。相机按次序地在三个不同波长处采集对象的三段 影片。能够根据在单个波长处的影片来确定脉搏率，而要求在不同波长处的至少两段影片 来确定氧饱和度。一次只使用一个波长在暗室中执行该测量。
[0010] 期望在新生儿重症监护病房（NI⑶）应用中使用非接触式的基于相机的PPG设备。 早产婴儿（NICU中的典型患者）具有频繁的缺氧时段（即低Sp02)，这要求立即的护理。医 生然后查看Sp02值来看他们的介入是否成功。因此，敏感且准确的Sp02测量是关键的。
【发明内容】
[0011] 本发明的目标是提供一种用于敏感且准确地确定对象（例如躺在恒温箱中的 NICU中的早产婴儿）的血氧饱和度的设备和方法。
[0012] 在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的血氧饱和度的设备，所述设 备包括：
[0013]-接口，其用于接收从探测到的电磁辐射导出的数据流，所述电磁辐射是从所述对 象的一个或多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流包括针对所述一个或多个皮肤部分的 多个皮肤像素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素 发射或反射的电磁辐射，
[0014]-分析器，其用于基于所述多个皮肤像素的所述数据信号来确定所述多个皮肤像 素的血氧饱和度的变化，
[0015] _选择器，其用于选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出最快的血氧饱和 度的变化的皮肤像素或者除了示出最慢的血氧饱和度的变化的皮肤像素以外的所述多个 皮肤像素，以及
[0016] _处理器，其用于基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号来确定所述对象的所 述血氧饱和度。
[0017] 在本发明的另外的方面中，提出了一种用于确定对象的血氧饱和度的对应方法， 所述方法包括：
[0018]-接收从探测到的电磁辐射导出的数据流，所述电磁辐射是从所述对象的一个或 多个皮肤部分发射或反射的，所述数据流包括针对所述一个或多个皮肤部分的多个皮肤像 素的每皮肤像素的数据信号，数据信号表示随时间探测到的从各自的皮肤像素发射或反射 的电磁辐射，
[0019]-基于所述多个皮肤像素的所述数据信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱和度 的变化，
[0020] -选择皮肤像素的组，所述皮肤像素的组包括示出最快的血氧饱和度的变化的皮 肤像素或者除了示出最慢的血氧饱和度的变化的皮肤像素以外的所述多个皮肤像素，并且
[0021] -基于选定的皮肤像素的组的所述数据信号来确定所述对象的所述血氧饱和度。
[0022] 在本发明的又另外的方面中，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以及在其中存储有计算机程序产品的非瞬 态计算机可读记录介质上执行时令计算机执行所述方法的步骤，当由计算机处理器运行 时，所述计算机程序产品令本文中公开的所述方法被执行。
[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，所要求保护的方法具 有与所要求保护的方法、计算机程序和介质具有与在从属权利要求中所定义的相似和/或 相同的优选实施例。
[0024] 理解血氧饱和度是系统性值（从心脏栗送到动脉系统中的动脉血的氧饱和度） 而不是在身体上变化的值，已经总结出在血氧饱和度在动脉血氧合的变化期间，一些身体 部分提供可能与其他身体部分处的值不同的血氧饱和度值。例如，在源于呼吸状况恶化的 血氧饱和度的急剧下降期间，在身体外围上的脉搏血氧测定计传感器（例如手指血氧测定 计）和前额传感器将示出不同的血氧饱和度值。这在本公开中通过识别具有延迟的血液 (尤其是动脉的）灌注的区域且忽略这些区域而被解决，因此更加敏感且准确地逼近系统 性血氧饱和度。
[0025] Sp02被认为是动脉血的氧饱和度的量度。Sp02是从由动脉灌注引起的PPG信号 测得的。然而，动脉血到达一些身体部分比到达其他身体部分更快。类似地，即使在一个身 体部分（例如手）上，一些皮肤区域比其他皮肤区域被更早地供应有动脉血。
[0026] 根据以上引用的Wieringa的公开已知的远程PPG系统的目的在于对这些差异进 行成像而不是将这些差异求平均而得到一个值。）迄今为止的其他已知的非接触式PPG设 备（例如基于相机的PPG设备在大的皮肤区域上对获得的数据信号（也被称为PPG信号） 求平均，并且因此找到针对具有"旧"血液的皮肤的血氧饱和度值，所述具有"旧"血液的皮 肤仍然可以具有不表示在该时刻处由心脏栗出的血液的动脉血。平均血氧饱和度因此是 "旧"血液（"旧"血氧饱和度）和"新血液"的平均值。利用本发明，选择只表示"新血液" 的那些皮肤像素或甚至皮肤区域，并且因此所确定的血氧饱和度是更有代表性的血氧饱和 度。
[0027] 在实施例中，所述分析器被配置为确定针对所述多个皮肤像素的每皮肤像素的血 氧饱和度信号，并且被配置为基于所述血氧饱和度信号来确定所述多个皮肤像素的血氧饱 和度的变化。因此，根据皮肤像素的所述数据信