用于確定對象的血氧飽和度的設備和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于確定對象的血氧飽和度的設備和方法。具體而言，本發明涉 及一種能夠被用于檢測被觀察的對象（例如人或動物）中的動脈血氧飽和度的非強迫性光 學測量方法。在該背景中，光學測量指的是光學體積描記法（PPG)，并且更具體地指的是脈 搏血氧測定法。
【背景技術】
[0002] 人的生命體征（例如心率（HR)、呼吸速率（RR)或血氧飽和度）用作對人的當前狀 態的指標并用作對嚴重的醫學事件的有力預測。因此，生命體征在在住院護理環境和門診 護理環境、在家、或者在另外的健康、休閑和健身環境中被廣泛地監測。
[0003] 測量生命體征的一種方式是體積描記法。體積描記法總體指對器官或身體部分的 體積變化的測量，并且具體指對源于隨著每一次心跳行進通過對象的身體的心血管脈搏波 的體積變化的檢測。
[0004] 光學體積描記法（PPG)是對感興趣區域或體積的光反射或透射的時變變化進行 評估的光學測量技術。PPG基于血液比周圍組織吸收更多的光的原理，因此血液體積隨著每 一次心跳的變化對應地影響透射和反射。除了關于心率的信息，PPG波形也能夠包括能歸 于另外的生理現象（例如呼吸）的信息。通過對在不同波長（典型地是紅色和紅外）處的 透射率和/或反射率的評估，能夠確定血氧飽和度。
[0005] 用于測量對象的心率和動脈血氧飽和度（也被稱為Sp02)的常規脈搏血氧測定計 被附著到對象的皮膚，例如指尖、耳垂或前額。因此，它們被稱為"接觸式"PPG設備。典型 的脈搏血氧測定計包括作為光源的紅色LED和紅外LED以及用于探測已經透射通過患者組 織的光的一個光電二極管。商業可用的脈搏血氧測定計在紅色波長處的測量與紅外波長 處的測量之間快速地切換，并且由此測量組織的相同區域或體積在兩種不同波長處的透射 率。這被稱為分時復用。在每種波長處的隨時間的透射率給出了針對紅色波長和紅外波長 的PPG波形。盡管接觸式PPG被認為是基本無創的技術，但是接觸式PPG測量體驗起來常 常令人不愉快，這是因為脈搏血氧測定計被直接附著到對象并且任何線纜都限制移動的自 由。
[0006] 在該背景中，應當注意到，"血氧飽和度"在許多研究和醫學領域中常常指平均血 液或組織氧飽和度，所述平均血液或組織氧飽和度一般不同于動脈氧飽和度或Sp02。脈 搏血氧測定計一般不測量組織飽和度，而是測量典型地比平均血氧飽和度（其也包含靜脈 血）高很多的動脈氧飽和度。Sp02是Sa02的無創等價方案，其中，在前者中"p"指的是脈 搏，而在后者中"a"指的是動脈。當在本文中引用"血氧飽和度"或Sp02時，一般意指動脈 血氧飽和度。
[0007] 當前，已經引入了用于非強迫性測量的非接觸式、遠程PPG設備。遠程PPG采用被 遠離感興趣對象設置的光源，或一般而言是輻射源。類似地，探測器（例如相機或光學探測 器）也能夠被遠離感興趣對象設置。因此，遠程光學體積描記系統和設備被認為是非強迫 性的并且非常適合于醫學以及非醫學的日常應用。然而，遠程PPG設備典型地得到較低的 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 頁）展示了能夠使用環 境光和常規的消費者水平的視頻相機來遠程地測量光學體積描記信號。
[0009] Wieringa 等人的 "Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging ：A First Step Toward "Sp02Camera"Technology"（Ann.Biomed. Eng. 33， 1034-1041頁，2005年）公開了一種用于基于對不同波長處的體積描記信號的測量結果來 對組織中的動脈血氧飽和度進行非接觸式成像的遠程PPG系統。所述系統包括單色CMOS 相機和具有三個不同波長的LED的光源。相機按次序地在三個不同波長處采集對象的三段 影片。能夠根據在單個波長處的影片來確定脈搏率，而要求在不同波長處的至少兩段影片 來確定氧飽和度。一次只使用一個波長在暗室中執行該測量。
[0010] 期望在新生兒重癥監護病房（NI⑶）應用中使用非接觸式的基于相機的PPG設備。 早產嬰兒（NICU中的典型患者）具有頻繁的缺氧時段（即低Sp02)，這要求立即的護理。醫 生然后查看Sp02值來看他們的介入是否成功。因此，敏感且準確的Sp02測量是關鍵的。

【發明內容】

[0011] 本發明的目標是提供一種用于敏感且準確地確定對象（例如躺在恒溫箱中的 NICU中的早產嬰兒）的血氧飽和度的設備和方法。
[0012] 在本發明的第一方面中，提出了一種用于確定對象的血氧飽和度的設備，所述設 備包括：
[0013]-接口，其用于接收從探測到的電磁輻射導出的數據流，所述電磁輻射是從所述對 象的一個或多個皮膚部分發射或反射的，所述數據流包括針對所述一個或多個皮膚部分的 多個皮膚像素的每皮膚像素的數據信號，數據信號表示隨時間探測到的從各自的皮膚像素 發射或反射的電磁輻射，
[0014]-分析器，其用于基于所述多個皮膚像素的所述數據信號來確定所述多個皮膚像 素的血氧飽和度的變化，
[0015] _選擇器，其用于選擇皮膚像素的組，所述皮膚像素的組包括示出最快的血氧飽和 度的變化的皮膚像素或者除了示出最慢的血氧飽和度的變化的皮膚像素以外的所述多個 皮膚像素，以及
[0016] _處理器，其用于基于選定的皮膚像素的組的所述數據信號來確定所述對象的所 述血氧飽和度。
[0017] 在本發明的另外的方面中，提出了一種用于確定對象的血氧飽和度的對應方法， 所述方法包括：
[0018]-接收從探測到的電磁輻射導出的數據流，所述電磁輻射是從所述對象的一個或 多個皮膚部分發射或反射的，所述數據流包括針對所述一個或多個皮膚部分的多個皮膚像 素的每皮膚像素的數據信號，數據信號表示隨時間探測到的從各自的皮膚像素發射或反射 的電磁輻射，
[0019]-基于所述多個皮膚像素的所述數據信號來確定所述多個皮膚像素的血氧飽和度 的變化，
[0020] -選擇皮膚像素的組，所述皮膚像素的組包括示出最快的血氧飽和度的變化的皮 膚像素或者除了示出最慢的血氧飽和度的變化的皮膚像素以外的所述多個皮膚像素，并且
[0021] -基于選定的皮膚像素的組的所述數據信號來確定所述對象的所述血氧飽和度。
[0022] 在本發明的又另外的方面中，提供了一種包括程序代碼單元的計算機程序，所述 程序代碼單元用于當所述計算機程序在計算機以及在其中存儲有計算機程序產品的非瞬 態計算機可讀記錄介質上執行時令計算機執行所述方法的步驟，當由計算機處理器運行 時，所述計算機程序產品令本文中公開的所述方法被執行。
[0023] 在從屬權利要求中定義了本發明的優選實施例。應當理解，所要求保護的方法具 有與所要求保護的方法、計算機程序和介質具有與在從屬權利要求中所定義的相似和/或 相同的優選實施例。
[0024] 理解血氧飽和度是系統性值（從心臟栗送到動脈系統中的動脈血的氧飽和度） 而不是在身體上變化的值，已經總結出在血氧飽和度在動脈血氧合的變化期間，一些身體 部分提供可能與其他身體部分處的值不同的血氧飽和度值。例如，在源于呼吸狀況惡化的 血氧飽和度的急劇下降期間，在身體外圍上的脈搏血氧測定計傳感器（例如手指血氧測定 計）和前額傳感器將示出不同的血氧飽和度值。這在本公開中通過識別具有延遲的血液 (尤其是動脈的）灌注的區域且忽略這些區域而被解決，因此更加敏感且準確地逼近系統 性血氧飽和度。
[0025] Sp02被認為是動脈血的氧飽和度的量度。Sp02是從由動脈灌注引起的PPG信號 測得的。然而，動脈血到達一些身體部分比到達其他身體部分更快。類似地，即使在一個身 體部分（例如手）上，一些皮膚區域比其他皮膚區域被更早地供應有動脈血。
[0026] 根據以上引用的Wieringa的公開已知的遠程PPG系統的目的在于對這些差異進 行成像而不是將這些差異求平均而得到一個值。）迄今為止的其他已知的非接觸式PPG設 備（例如基于相機的PPG設備在大的皮膚區域上對獲得的數據信號（也被稱為PPG信號） 求平均，并且因此找到針對具有"舊"血液的皮膚的血氧飽和度值，所述具有"舊"血液的皮 膚仍然可以具有不表示在該時刻處由心臟栗出的血液的動脈血。平均血氧飽和度因此是 "舊"血液（"舊"血氧飽和度）和"新血液"的平均值。利用本發明，選擇只表示"新血液" 的那些皮膚像素或甚至皮膚區域，并且因此所確定的血氧飽和度是更有代表性的血氧飽和 度。
[0027] 在實施例中，所述分析器被配置為確定針對所述多個皮膚像素的每皮膚像素的血 氧飽和度信號，并且被配置為基于所述血氧飽和度信號來確定所述多個皮膚像素的血氧飽 和度的變化。因此，根據皮膚像素的所述數據信