一种无接触血氧饱和度检测方法

1.本发明涉及生理信号检测领域，尤其涉及一种无接触血氧饱和度检测方法。


背景技术：

2.心血管疾病由于其高发病率和多种并发症，一直是导致人类死亡的主要因素。血氧饱和度这一生理参数是指含氧血红蛋白体积与所有血红蛋白体积的百分比，它反映了心血管健康状态的一个重要指标，与人体组织细胞代谢的心血管情况相关。
3.现有的血氧饱和度的检测通常分为侵入式和非侵入式两种技术：1、传统的侵入式技术通常采用血氧分析仪完成，血氧分析仪通过电化学的原理，对血液中氧饱和度进行检测，通过采集病人血液的方式来获得血氧饱和度的检测，该方法测量快速、结果准确；2、非侵入式检测技术可根据光电接收装置和光源的位置分为反射式和投射式，区分两种方式主要通过判断出射光和光电接收设备是否位于同侧。目前非侵入式设备中较为常见的是采用投射式的指套式光电采集装置，指套内部上端装有发射光源，下端装有接收装置，通过手指部位血红蛋白对发射光源的吸收情况，即可计算得到血氧饱和度。
4.现有的检测方法存在以下问题：
5.使用传统的侵入式血氧分析仪需使用人体采血的方式进行血氧饱和度检测，每次采样都需要抽血，给病人带来痛苦，并且采集血液的保存也需要较为严格的条件，操作过程复杂，对医疗条件要求较高，且不能持续检测，无法在家庭中进行日常的疾病预警。非侵入式技术中目前占据主流地位的指套式检测方式具有局限性，此类设备为了能够得到较好的测量结果，必须要紧贴在皮肤上并做好遮光处理，以得到信噪比较好的生理信号。对于手指有损伤等不允许皮肤直接接触、手指敏感度过大导致不适、手指受环境影响血液微循环过少或过于充盈导致不准确等情况，均无法使用。且指套式等需要贴合皮肤的设备容易受到运动伪影的影响，其单点测量的方式使得从算法角度去除运动伪影变得更加困难。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对现有非侵入式设备采集环境严格，需长时间贴合皮肤增加不适，且其单点检测生理信号使运动伪影难以减轻，适用性具有局限等问题。本发明提供了一种无接触血氧饱和度检测方法，使用面诊仪设备，可有效解决检测环境不稳定的问题，面诊仪设备采取包围式的稳定环境，便于获得客观且干扰小的ippg(成像式光电容积描记法)信号；ippg技术可满足对人体组织多点式的血容量变化检测，降低伪影对生理信号提取的影响，无接触的方式可避免采血或长时间贴合皮肤带来的不适；本发明的实验通过对提取的ippg信号进行rb通道(红色波长与蓝色波长)的滤波，获得计算血氧饱和度所需的经验参数，最终可获得实时的血氧饱和度的数值。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种无接触血氧饱和度检测方法，包括以下步骤：
8.通过面诊仪采集得到初始的面中部ippg信号；
9.对初始的面中部ippg信号进行处理，获得计算血氧饱和度所需的经验参数，并且
得到双波长光源在血液组织中光强投射变化之比；
10.根据经验参数，获得血氧饱和度数值。
11.进一步地，通过面诊仪采集得到初始的面中部ippg信号，具体包括：
12.设置面诊仪使用白光光谱作为照射光源；
13.采集人脸面中部区域的连续图像，获得血液灌注信号。
14.进一步地，对初始的面中部ippg信号进行处理，具体包括：
15.根据面诊仪获得血液灌注信号，获得ippg信号，对ippg信号进行rgb三通道提取，并且保留红光、蓝光通道的ippg信号。
16.进一步地，对保留的红光、蓝光通道的ippg信号进行0.7～4hz范围的滤波；使用重复窗口为10s的移动窗口对ippg信号进行处理，获得实验参数。
17.进一步地，根据经验参数，获得双波长光源在血液组织中光强投射变化之比，从而获得双波长光源在血液组织中光强投射变化之比与血氧含量的线性关系，最终获得血氧饱和度。
18.技术效果
19.本发明中使用的面诊仪具备有多光谱光源、无干扰环境、高分辨率成像系统以及人机交互界面，设备能够使用脸部自动分割算法，可克服一定干扰并智能识别人脸部所需定位区域，结合光组织效应和血液动力学原理，在高分辨率相机拍摄下获得面中部的连续图像，对连续图像中的选中部位进行图像处理，获取选中部位的图像像素变化，并从拍摄时长内的像素变化曲线提取rgb三通道的信号变化曲线，即获得初始的面部ippg(成像式光电容积描记法)信号。
20.其中光源系统设计为5500k的白光环境，光源在面诊仪设备内经过涂有高反光率内壁材料的反射，经测试在面部照射区域保持有95％以上的照度均匀率，保证了光源环境的稳定，形成无干扰的图像采集环境，确保舌面部图像采集的灵敏度高、噪声小；设备设计了不同波长的光源，调整成像系统达到最优参数，完成基于多步频域约束的ippg面部空间血液容积的波动信号提取算法，获取了面部皮肤下不同深度的血液动态、层析分布信息。
21.本发明中所需的双光源波长、稳定的信号采集环境均可由面诊仪满足，通过面诊仪采集的完整脸部ippg信号，可选取所需面中部ippg信号作为血氧饱和度计算依据。
22.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
23.图1是本发明的一个较佳实施例的一种无接触血氧饱和度检测方法的流程示意图；
24.图2是本发明的一个较佳实施例的一种无接触血氧饱和度检测方法的采集的面中部rgb三通道ippg信号示意图；
25.图3是本发明的一个较佳实施例的一种无接触血氧饱和度检测方法的matlab拟合确定经验参数示意图；
26.图4是本发明的一个较佳实施例的一种无接触血氧饱和度检测方法的比较实验中无接触血氧估计与传统血氧估计的比较曲线示意图；
27.图5是本发明的一个较佳实施例的一种无接触血氧饱和度检测方法的bland
‑
altman方法衡量两个设备之间的测量差异示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定内部程序、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
30.本发明主要内容为无接触检测血氧饱和度的方法。通过使用面诊仪设备，获得稳定的ippg(成像式光电容积描记法)信号，对提取的面部ippg信号进行rb通道(红色波长与蓝色波长)的滤波后，可由血氧含量的计算公式获得计算血氧饱和度所需的经验参数，最终实现无接触方式检测血氧含量的方法。
31.1)计算血氧含量的原理
32.血氧含量是含氧血红蛋白与含氧血红蛋白加血红蛋白的容积之比，通过面诊仪采集到的面部血流灌注信号，首先可以获得白光环境下的ippg波形信号，通过对波形信号进行rgb三通道的提取，保留红光、蓝光通道(即rb通道)的ippg信号，作为测量血氧含量所需的数据。
33.经过rgb通道提取后的rb通道ippg信号，反映出人体面部微小血管的血流灌注情况，可得到红光、蓝光在人体面部组织中的光强透射变化，因此可得血氧含量与不同波长光源在血液组织中光强投射变化之间的关系：
[0034][0035]
其中，spo2表示血氧饱和度，表示红光和蓝光双光源在血液组织中的光强投射变化之比，中的表示红光在血液组织中变化的交流分量，表示红光在血液组织中变化的直流分量，其中交流分量ac是指心脏搏动引起的血液容积(主要是血液量及其成分血红蛋白)变化导致吸光量的变化部分，直流分量dc是指人体皮下组织、骨骼等吸光量不变的物质吸光量形成的直流部分；同理，中的表示蓝光在血液组织中变化的交流分量，表示红光在血液组织中变化的直流分量。最后，a和b为经验参数，其表示只能通过实验或统计得到具体数值，在本发明中，经验参数a和b通过标定实验获得。
[0036]
通过能够计算得到的双波长光源在血液组织中光强投射变化之比可以获得其与血氧含量的线性关系公式：a
×
r+b，其中在标定实验中可获得经验参数a和b，从而最终计算得到血氧含量的预测值。
[0037]
2)检测过程
[0038]
检测过程主要为标定实验。在检测过程中，操作者首先使用传统血氧计获得受试者的血氧含量作为参考值，在标定实验中，受试者需要屏住呼吸20秒，采集得到双波长光源在血液组织中光强投射变化之比r，根据r与血氧含量参考值的线性关系得到经验参数a与b，具体过程见下方。
[0039]
其中，检测具体步骤和内容为：
[0040]
(a)面部血流灌注情况采集
[0041]
受试者静坐于面诊仪面前，下巴放置在面诊仪的托垫上，采集面部血流灌注信号，即ippg波形。本实施例中的检测需要受试者在屏息状态进行标定实验。在屏息状态的标定实验中，使用传统血氧计进行血氧饱和度的测量，作为后续拟合血氧饱和度的经验参数所用；
[0042]
(b)ippg波形信号处理
[0043]
采集得到的ippg波形通过rgb通道的提取，得到rb通道的ippg初始波形。对波形进行0.7～4hz范围的滤波后，使用重复窗口的为10s的移动窗口对ippg信号进行处理，即可得到计算血氧含量公式test中所需的参数r，即通过得到红光通道的交流分量红光通道的直流分量蓝光通道的交流分量蓝光通道的直流分量进而计算得知
[0044]
(c)计算血氧饱和度所需的经验参数
[0045]
根据操作过程(b)得到的实验数据，可以得到血氧饱和度计算公式中的参数r。每位受试者在标定实验中根据步骤(b)提取不同时间段的12个参数r的值，对应传统血氧计检测到的血氧饱和度数值，可得到二者之间的关系。标定实验中共检测10位受试者，每位受试者12个r值，共可得到120个r值与血氧饱和度参考值的对应关系。通过最小二乘法曲线拟合原理对参数r值和血氧饱和度之间的关系进行一次函数的线性拟合，即可得到如图3所示的线性拟合情况，图中一次函数的直线即为拟合出的线性方程，计算拟合结果可得到经验参数a和b，即为后续进行无接触血氧饱和度的测量所需的参数。
[0046]
3)预测结果评估
[0047]
通过在标定实验中得到的计算血氧饱和度所需的参数，即可使用面诊仪设备进行血氧饱和度的预测，具体预测步骤及情况如下：
[0048]
(a)预测步骤
[0049]
受试者首先进行面部血流灌注数据，即ippg数据的采集，在检测过程中，受试者仅需保持自由呼吸状态，与此同时使用传统血氧计作为与面诊仪检测血氧饱和度的比较，在此阶段，面诊仪操作流程需30秒。
[0050]
对面诊仪采集到的三通道ippg信号进行与标定实验相同的信号处理操作，并对处理好的ippg数据进行参数r的计算，即的计算，此步骤均与标定实验相同。根据标定实验中已经得到的经验参数a与b，通过公式1：spo2＝a
×
r+b，计算得到血氧含量。
[0051]
(b)预测结果比较
[0052]
将面诊仪设备预测的血氧饱和度与传统血氧计检测的血氧饱和度参考值进行比较，可得到例图4的比较结果，两种设备检测的结果差异不大于3％；使用bland
‑
altman方法衡量两种设备的差异，以同一个体的测量结果差异作为纵坐标，以两个测量结果的平均值作为横坐标，则所有的受试者数据均在95％的置信区间内，因此可说明两种设备具有良好的一致性，采用面诊仪设备的无接触血氧估计方法具备应用前景。
[0053]
与现有的传统接触式血氧估计方法相比，本发明的有益效果为：
[0054]
可无接触进行血氧饱和度的检测，为替代传统血氧计提供了可行性；
[0055]
使用的检测环境包含了光谱范围足够宽的rgb相机，检测环境光源稳定、可最大程度消除外界环境的干扰。
[0056]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。