УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ КИСЛОРОДОМ КРОВИ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE BLOOD OXYGEN SATURATION OF A SUBJECT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу определения насыщения кислородом крови объекта исследования. В частности, настоящее изобретение относится к способу оптического измерения, не причиняющего неудобств, который можно использовать для обнаружения насыщения кислородом артериальной крови наблюдаемого объекта исследования, например, человека или животного. В данном контексте, оптическое измерение относится к фотоплетизмографии (PPG) и, в частности, к пульсовой оксиметрии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основные показатели состояния организма человека, например, частота сердечных сокращений (ЧСС), частота дыхательных движений (ЧДД) или насыщение кислородом крови, служат признаками текущего состояния человека и эффективными прогностическими параметрами тяжелых медицинских случаев. По данной причине, основные показатели состояния организма широко контролируются в условиях лечения стационарных и амбулаторных пациентов, на дому или в других условиях организаций здравоохранения, отдыха и занятий физкультурой.
Одним из способов измерения основных показателей состояния организма является плетизмография. В общем, плетизмография относится к измерению изменений объема органа или части тела и, в частности, к обнаружению изменений объема вследствие прохождения сердечно-сосудистой пульсовой волны по телу объекта исследования с каждым сердечным сокращением.
Фотоплетизмография (PPG) является методом оптических измерений, который оценивает переменное во времени изменение светоотражения или светопропускания зоны или объема интереса. Метод PPG основан на принципе, что кровь поглощает свет сильнее, чем окружающая ткань, и поэтому колебания объема крови с каждым сердечным сокращением соответственно влияют на пропускание и отражение. Кроме информации о частоте сердечных сокращений, форма PPG-сигнала может содержать информацию, присущую дополнительным физиологическим явлениям, например, дыханию. Посредством оценки пропускающей способности и/или отражательной способности на разных длинах волн (обычно, красной и инфракрасной) можно определить насыщение кислородом крови.
Обычные пульсовые оксиметры для измерения частоты сердечных сокращений и насыщения кислородом артериальной крови (называемого также SpO2) объекта исследования прикрепляются к коже объекта исследования, например, кончику пальца, мочке уха или лбу. Поэтому упомянутые пульсовые оксиметры называются «контактными» PPG-устройствами. Типичный пульсовый оксиметр содержит красный СД (светодиод) и инфракрасный СД в качестве источников света и фотодиод для детектирования света, который пропущен сквозь ткань пациента. Рыночные пульсовые оксиметры быстро переключаются между измерениями на красной и инфракрасной длинах волн и, вследствие этого, измеряют пропускающую способность одной зоны или одного объема ткани на разных длинах волн. Приведенный метод называется временным мультиплексированием. Пропускающая способность с течением времени на каждой длине волны дает формы PPG-сигналов для красной и инфракрасной длин волн. Хотя контактная PPG считается, в принципе, неинвазивным методом, контактные PPG-измерения часто воспринимаются как неприятные из-за того, что пульсовый оксиметр прикрепляют непосредственно к объекту исследования и любые кабели ограничивают свободу движения.
В данном контексте следует отметить, что «насыщение кислородом крови» часто относят к среднему насыщению кислородом крови или ткани во многих исследовательских и медицинских областях, что, в общем, отличается от насыщения кислородом артериальной крови или SpO2. Пульсовые оксиметры обычно измеряют не насыщение ткани, а измеряют насыщение кислородом артериальной крови, которое обычно немного выше, чем среднее насыщение кислородом крови (которая включает в себя также венозную кровь). Показатель SpO2 является неинвазивным эквивалентом показателя SaO2, где «p» в первом случае означает пульсовый, и «a» во втором случае означает артериальный. Когда в настоящей заявке упоминают «насыщение кислородом крови» или SpO2, обычно подразумевают насыщение кислородом артериальной крови.
В последнее время предложены неконтактные дистанционные PPG-устройства для измерений, не причиняющих неудобств (в дальнейшем, ненавязчивых). Дистанционная PPG использует источники света или, в общем, источники излучения, расположенные дистанционно от представляющего интерес объекта исследования. Аналогично, детектор, например, камера или фотоприемник, также может располагаться на удалении от представляющего интерес объекта исследования. Поэтому, системы и устройства дистанционной фотоплетизмографии считаются не причиняющими неудобства и пригодны для медицинских, а также немедицинских ежедневных применений. Однако, дистанционные PPG-устройства обычно обеспечивают низкое отношение сигнал/шум.
Работа Verkruysse et al., «Remote plethysmography imaging using ambient light», Optics Express, 16(26), 22 December 2008, pp. 21434-21445, показывает, что фотоплетизмографические сигналы можно измерять дистанционно с использованием окружающего освещения и обычной потребительской видеокамеры.
В работе Wieringa, et al., «Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward "SpO2 Camera" Technology» Ann. Biomed. Eng. 33, 1034-1041 (2005), раскрывает систему дистанционной PPG для бесконтактной визуализации насыщения кислородом артериальной крови в ткани на основании измерения фотоплетизмографических сигналов на разных длинах волн. Система содержит монохромную камеру на КМОП-структурах и источник света со светодиодами трех разных длин волн. Камера последовательно снимает три кинофрагмента объекта исследования на трех разных длинах волн. Частоту пульса можно определить из кинофрагмента на одной длине волны, тогда как, по меньшей мере, два кинофрагмента на разных длинах волн требуются для определения насыщения кислородом. Измерения выполняются в темной комнате, с использованием только одной длины волны в каждый момент времени.
В отделениях интенсивной терапии неонатальных пациентов (NICU) желательно применять неконтактные PPG-устройства на основе камер. Недоношенные дети, являющиеся типичными пациентами отделений NICU, характеризуются частыми периодами гипоксии (т.е. низкого значения SpO2), которые требуют немедленного внимания. В таких случаях врачи проверяют значение SpO2, чтобы видеть, успешно ли их вмешательство. Поэтому критически важны чувствительные и точные измерения SpO2.
Документ WO 02/39873 A2 раскрывает способ функционального картирования головного мозга объекта исследования. Способ выполняют посредством (a) освещения вскрытой коры головного мозга или участка вскрытой коры головного мозга объекта исследования падающим светом; (b) сбора спектра отражения каждого элемента изображения, по меньшей мере, участка вскрытой коры головного мозга объекта исследования; (c) стимуляции головного мозга объекта исследования; (d) во время или после этапа (c), сбора, по меньшей мере, одного дополнительного спектра отражения каждого элемента изображения, по меньшей мере, участка вскрытой коры головного мозга объекта исследования; и (e) формирования разностей выделения изображения между спектрами вскрытой коры, собранными на этапах (b) и (d), для выделения функциональных областей головного мозга. Раскрыты также алгоритмы для вычисления карт насыщения кислородом и объемов крови, которые можно использовать для практического применения способа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание устройства и способа для чувствительного и точного определения насыщения кислородом крови объекта исследования, например, недоношенного ребенка в отделении NICU, например, лежащего в инкубаторе.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается устройство для определения насыщения кислородом крови объекта исследования, при этом устройство содержит:
- интерфейс для приема потока данных, получаемого из детектируемого электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного от одного или более участков кожи объекта исследования, причем упомянутый поток данных содержит информационный сигнал на каждый пиксель кожи для множества пикселей кожи упомянутого одного или более участков кожи, причем информационный сигнал представляет детектированное электромагнитное излучение, испускаемое или отраженное от соответствующего пикселя кожи с течением времени,
- анализатор для определения изменения насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи на основании информационных сигналов от упомянутого множества пикселей кожи с помощью фотоплетизмографии,
- селектор для выбора группы пикселей кожи, содержащей либо пиксели кожи, показывающие быстрейшее изменение насыщения кислородом крови, либо упомянутое множество пикселей кожи, за исключением пикселей кожи, показывающих самое медленное изменение насыщения кислородом крови, и
- процессор для определения насыщения кислородом крови объекта исследования на основании информационных сигналов от выбранной группы пикселей кожи с помощью фотоплетизмографии.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения предлагается соответствующий способ определения насыщения кислородом крови объекта исследования, при этом способ содержит следующие этапы:
- принимают поток данных, получаемый из детектируемого электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного от одного или более участков кожи объекта исследования, причем упомянутый поток данных содержит информационный сигнал на каждый пиксель кожи для множества пикселей кожи упомянутого одного или более участков кожи, причем информационный сигнал представляет детектированное электромагнитное излучение, испускаемое или отраженное от соответствующего пикселя кожи с течением времени,
- определяют изменение насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи на основании информационных сигналов от упомянутого множества пикселей кожи с помощью фотоплетизмографии,
- выбирают группу пикселей кожи, содержащую либо пиксели кожи, показывающие быстрейшее изменение насыщения кислородом крови, либо упомянутое множество пикселей кожи, за исключением пикселей кожи, показывающих самое медленное изменение насыщения кислородом крови, и
- определяют насыщение кислородом крови объекта исследования на основании информационных сигналов от выбранной группы пикселей кожи с помощью фотоплетизмографии.
В еще одних дополнительных аспектах настоящего изобретения предлагается компьютерная программа, которая содержит средство программного кода для назначения компьютеру задания выполнять этапы способа, когда упомянутая компьютерная программа выполняется в компьютере, а также долговременный машиночитаемый носитель записи, который хранит компьютерный программный продукт, который, при выполнении компьютерным процессором, задает выполнение способа, раскрытого в настоящей заявке.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ, компьютерная программа и носитель имеют предпочтительные варианты осуществления, подобные и/или идентичные заявленному устройству и описанные в зависимых пунктах формулы изобретения.
С учетом того, что насыщение кислородом крови является системным значением (насыщение кислородом артериальной крови, прокачиваемой из сердца в артериальную систему), а не значением, которое может изменяться по всему телу, сделан вывод, что во время изменений насыщения кислородом артериальной крови, некоторые части тела обеспечивают значение насыщения кислородом крови, которое может отличаться от значений в других частях тела. Например, во время резких снижений насыщения кислородом крови из-за ухудшения состояния здоровья, пульсоксиметрические датчики на периферическом участке тела (например, пальцевой оксиметр) и налобный датчик будут показывать разные значения насыщения кислородом крови. Приведенная проблема решается в настоящем изобретении посредством идентификации зон, которые характеризуются замедленной перфузией (в частности, артериальной) крови, и отбрасыванием упомянутых зон, тем самым, с более чувствительным и точным приближением к системному насыщению кислородом крови.
Предполагается, что значение SpO2 является показателем насыщения кислородом артериальной крови. Данное значение измеряют по PPG-сигналам, вызываемым артериальными пульсациями. Однако, артериальная кровь поступает в некоторые части быстрее, чем в другие части. Аналогично, даже на одной части тела, например, руке, некоторые зоны кожи питаются артериальной кровью раньше, чем другие.
Дистанционная PPG-система, известная из упомянутой работы Виринги (Wieringa), предназначена для визуализации упомянутых различий, а не для получения из них одного среднего значения. Другие известные неконтактные PPG-устройства (например, PPG-устройство на основе камеры) до сих пор усредняют полученные информационные сигналы (называемые также PPG-сигналами) по большой зоне кожи и, следовательно, находят значения насыщения кислородом крови для кожи со «старой» кровью, которая еще может содержать артериальную кровь, которая не представляет собой кровь, которая выкачивается сердцем в данный момент. Таким образом, среднее насыщение кислородом крови является средним значением «старой» крови («старого» насыщения кислородом крови) и «новой крови». При применении настоящего изобретения, выбираются такие пиксели кожи или даже области кожи, которые представляют только «новую кровь», и, следовательно, найденное насыщение кислородом крови точнее представляет «новую кровь».
В варианте осуществления упомянутый анализатор сконфигурирован с возможностью определения сигнала насыщения кислородом крови на каждый пиксель кожи для упомянутого множества пикселей кожи и определения изменения насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи на основании упомянутых сигналов насыщения кислородом крови. Таким образом, по информационному сигналу пикселя кожи определяется сигнал насыщения кислородом крови для упомянутого пикселя кожи, который затем предпочтительно используется в последующем процессе выбора оптимальных пикселей кожи и/или определения общего насыщения кислородом крови, как предлагается в дополнительном варианте осуществления, в соответствии с которым процессор сконфигурирован с возможностью определения насыщения кислородом крови объекта исследования по сигналам насыщения кислородом крови пикселей кожи от выбранной группы пикселей кожи.
Упомянутый процессор дополнительно предпочтительно сконфигурирован с возможностью определения насыщения кислородом крови объекта исследования посредством усреднения сигналов насыщения кислородом крови пикселей кожи от выбранной группы пикселей кожи. В альтернативных вариантах осуществления возможно также применение некоторого рода взвешивания сигналов насыщения кислородом крови, например, учета их надежности и/или точности, например, определяемых по индексу качества.
В альтернативном варианте осуществления упомянутый процессор сконфигурирован с возможностью усреднения информационных сигналов пикселей кожи от выбранной группы пикселей кожи, чтобы получать усредненный информационный сигнал и определять насыщение кислородом крови объекта исследования по усредненному информационному сигналу. Данное решение позволяет снизить уровень шумов измерения насыщения кислородом крови, при сохранении дифференциации зон с различной динамикой изменений насыщения кислородом крови.
Существуют различные варианты осуществления, применимые для выбора группы пикселей кожи. В общем, как определяется выше, либо выбранная группа пикселей кожи содержит пиксели кожи, показывающие быстрейшее изменение насыщения кислородом крови (т.е. выполняется позитивный выбор пикселей кожи для использования), либо выбранная группа пикселей кожи содержит все упомянутое множество пикселей кожи, за исключением пикселей кожи, показывающих самое медленное изменение насыщения кислородом крови (т.е. выполняется негативный выбор пикселей кожи для исключения).
В варианте осуществления упомянутый селектор сконфигурирован с возможностью выбора упомянутой группы пикселей кожи путем использования верхнего и/или нижнего порога для насыщения кислородом крови или путем использования порога для процентного содержания пикселей кожи, подлежащих выбору из упомянутого множества пикселей кожи в качестве упомянутой группы. Упомянутые пороги можно задавать предварительно на основании экспериментальных данных, но могут быть также адаптируемыми, например, пользователем, если замечено, что точность и/или время реакции определения насыщения кислородом крови являются неудовлетворительными. Например, нижние пороги можно устанавливать на значение в диапазоне 80-95%.
В другом варианте осуществления упомянутый селектор сконфигурирован с возможностью выбора всех пикселей кожи из упомянутого множества пикселей кожи в качестве упомянутой группы, если изменение насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи ниже предварительно заданного минимального порога. Это особенно приемлемо в случае незначительных изменений насыщения кислородом крови.
В еще одном варианте осуществления упомянутый селектор сконфигурирован с возможностью выбора всех пикселей кожи из упомянутого множества пикселей кожи в качестве упомянутой группы в отсутствие предварительно заданного события, в частности, в отсутствие события гипоксии.
Для определения, имеет ли место упомянутое предварительно заданное событие, упомянутый интерфейс сконфигурирован в варианте осуществления с возможностью приема индикаторного сигнала события, указывающего на наличие и/или отсутствие упомянутого предварительно заданного события. Упомянутый сигнал события может формироваться одним или более внешними датчиками, например, датчиком для распознавания события гипоксии. Один или более из упомянутых датчиков события для обнаружения индикаторного сигнала события, указывающего на наличие и/или отсутствие упомянутого предварительно заданного события, могут также содержаться в самом предлагаемом устройстве.
В качестве альтернативы или дополнительно, упомянутый анализатор сконфигурирован в варианте осуществления с возможностью определения, отсутствует ли или имеется ли в наличии упомянутое предварительно заданное событие, по одному или более из упомянутых информационных сигналов, предпочтительно полученных упомянутым ненавязчивым устройством по настоящему изобретению. Таким образом, анализатор может распознавать в результате анализа упомянутых информационных сигналов и, предпочтительно, по сигналам насыщения кислородом крови, полученным из упомянутых информационных сигналов, что возникает предварительно заданное событие, например, резкое снижение и/или повышение насыщения кислородом крови для, по меньшей мере, некоторых из пикселей.
В предпочтительном варианте, упомянутые информационные сигналы содержат, по меньшей мере, две составляющие информационного сигнала, при этом первая составляющая информационного сигнала представляет первый спектральный участок, в частности, участок видимого света, и причем вторая составляющая информационного сигнала представляет второй характерный спектральный участок, в частности, инфракрасный участок. Данная идея использует тот факт, что глубина распространения излучения, которая зависит от поглощения кровью и поглощения тканью, по существу, зависит также от длины волны падающего излучения. Обычно, инфракрасный (или ближний инфракрасный) и красный свет распространяется в ткань объекта исследования глубже, чем свет, имеющий более короткие длины волн. Например, первый спектральный участок может быть сформирован полосой или подполосой на зеленом участке видимого излучения.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемое устройство дополнительно содержит блок визуализации, в частности, камеру, для дистанционного детектирования электромагнитного излучения, испускаемого или отраженного от объекта исследования, в частности, в, по меньшей мере, двух разных спектральных диапазонах. Блок визуализации особенно пригоден для применений в области дистанционного мониторинга. Блок визуализации может содержать один или более визуализирующих элементов. Например, блок визуализации может содержать матрицу фотодиодов или устройств с зарядовой связью. В соответствии с одним вариантом осуществления, блок визуализации содержит, по меньшей мере, две группы визуализирующих элементов, каждая из которых сконфигурирована для детектирования единственной из составляющих информационного сигнала. В соответствии с другим вариантом осуществления, блок визуализации может использовать единственную группу визуализирующих элементов, имеющих частотную характеристику, допускающую детектирование составляющих информационного сигнала. Блок визуализации может быть дополнительно сконфигурирован для съемки последовательности кадров изображений, попеременно представляющих составляющие информационного сигнала.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемое устройство дополнительно содержит источник излучения, в частности, источник света, для направления электромагнитного излучения на объект исследования, в двух или более разных спектральных диапазонах. Источник излучения может быть осуществлен посредством широкополосного источника освещения и/или может использовать единственную группу или две или даже более групп излучающих элементов. Однако, предлагаемое устройство не обязательно должно содержать источник излучения, но может также использовать источники окружающего освещения, которые не связаны с устройством.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные и другие аспекты изобретения будут очевидны из последующего пояснения со ссылкой на нижеописанные варианты осуществления. На нижеприведенных чертежах:
Фиг. 1 - схематическое представление системы, в которой применено устройство в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2 - диаграмма, представляющая измеренное насыщение кислородом крови с применением и без применения предлагаемого изобретения,
Фиг. 3 - диаграммы, представляющие пространственное распределение значений насыщения кислородом крови,
Фиг. 4 - диаграммы, представляющие распределение значений сигнала насыщения кислородом крови для множества пикселей в различном состоянии насыщения кислородом крови, и
Фиг. 5 - блок-схема последовательности операций способа в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 схематически представляет систему 10, в которой применено устройство 30 в соответствии с настоящим изобретением. Систему 10 можно использовать для записи кадров изображения, представляющих дистанционный объект 12 исследования или, по меньшей мере, участок 14 (область интереса) объекта 12 исследования, для дистанционного PPG-мониторинга. Область 14 интереса содержит, например, участок лба, участок лица или, в общем, один или более участков кожи объекта 12 исследования. Записанные данные, например, серия кадров изображения, могут быть получены из электромагнитного излучения 16, отраженного объектом 12 исследования. Возможно, в некоторых условиях, по меньшей мере, часть электромагнитного излучения может испускаться или пропускаться самим объектом 12 исследования. Пропускание излучения может иметь место, когда объект 12 исследования освещается мощными источниками освещения, насквозь просвечивающими объект 12 исследования. Испускание излучения может наблюдаться, когда исследуют и записывают инфракрасное излучение, вызываемое теплом тела. Однако, при применении для дистанционной PPG, очень большую часть электромагнитного излучения 16, подлежащего записи, можно считать излучением, отраженным объектом 12 исследования. Объект 12 исследования может быть человеком или животным, или, в общем, живым существом. Кроме того, объект 12 исследования можно считать частью человека, очень эффективно указывающей на искомый сигнал.
Источник излучения, например, солнечный свет 18a или искусственный источник 18b излучения, или сочетание нескольких источников излучения воздействует или влияет на объект 12 исследования. Источники 18a, 18b излучения, по существу, испускают падающее излучение 20a, 20b, освещающее объект 12 исследования. Дополнительно или в качестве альтернативы, система 10 может также содержать или использовать внутренний источник 22 электромагнитного излучения 24, который испускает и направляет падающее излучение 24 на объект 12 исследования, и который может также входить в состав устройства 30 в альтернативном варианте осуществления. Внутренний источник 22 излучения 24 может быть сконфигурирован для направления излучения, имеющего заданные характеристики, на объект 12 исследования, в частности, излучения, принадлежащего к заданному спектральному участку. Поскольку, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, записываются и обрабатываются, по меньшей мере, два отдельных спектральных участка, то, в соответствии с другим аспектом данного варианта осуществления, предпочтительно, чтобы внутренний источник 22 электромагнитного излучения «соответствовал» упомянутым спектральным участкам.
Для извлечения физиологической информации из записанных данных, например, последовательности кадров изображений, излучение 16 от заданной части или заданного участка объекта 12 исследования, например, области 14 интереса, детектируют блоком 28 визуализации. Блок 28 визуализации можно осуществить, например, посредством оптического сенсорного средства, сконфигурированного с возможностью сбора информации, относящейся к, по меньшей мере, одной спектральной составляющей электромагнитного излучения 16. В варианте осуществления блок 28 визуализации осуществлен с помощью камеры или набора камер, например, видеокамеры (например, RGB-камеры). Блок 28 визуализации может также входить в состав устройства 30 в альтернативном варианте осуществления.
Разумеется, устройство 30 может быть также выполнено с возможностью обработки входных сигналов, а именно, входного потока 26 данных, уже записанных заранее и, вместе с тем, сохраненных в памяти или буферизованных. Как указано выше, электромагнитное излучение 16 может содержать непрерывный или дискретный характеристический сигнал, который может очень эффективно указывать на, по меньшей мере, один параметр 26 жизнедеятельности, в контексте настоящего изобретения, в частности, насыщения кислородом крови.
2
2
2
2
2
Важной областью PPG-измерений является определение насыщения кислородом крови (в частности, насыщения кислородом артериальной крови). Контактные пульсовые оксиметры обычно пропускают красный и инфракрасный (или, точнее, в некоторых случаях, ближний инфракрасный) свет сквозь сосудистую ткань представляющего интерес объекта исследования. Соответствующие участки (красный/инфракрасный) света могут пропускаться и детектироваться поочередно (со скоростным переключением). При условии, что соответствующие спектральные участки по-разному поглощаются оксигемоглобином (HbO) и дезоксигемоглобином (Hb), в конечном случае можно обрабатывать данные насыщения кислородом крови. Алгоритм оценки насыщения кислородом (SpO) может использовать отношение сигналов, относящихся к красному и инфракрасному участкам. Кроме того, алгоритм может учитывать непульсирующую составляющую сигнала. Обычно, PPG-сигнал содержит постоянную (DC) составляющую и относительно небольшую пульсирующую переменную (AC) составляющую. Кроме того, оценка SpO обычно включает в себя эмпирически полученный калибровочный коэффициент, применяемый к обработанным значениям. Обычно, калибровочный коэффициент (или калибровочная кривая) определяются по результатам эталонных измерений, включающих в себя инвазивные измерения насыщения кислородом артериальной крови (SaO). Один или более калибровочных коэффициентов требуются потому, что PPG-устройство, по существу, обнаруживает отношение (спектральных) участков сигнала, которое следует преобразовывать в значение насыщения кислородом крови, которое обычно включает в себя отношение HbO и Hb. Например, но без намерения ограничить настоящее раскрытие, оценка насыщения кислородом крови может быть основана на следующем общем уравнении:
p
2
В общем, считается, что характеристический сигнал содержит достаточно постоянную (DC) часть и переменную (AC) часть, налагающуюся на постоянную часть. С помощью средств обработки сигналов, переменную часть можно выделить и, кроме того, компенсировать для учета помех. Например, переменная часть характеристического сигнала может содержать доминирующую частоту, которая может эффективно указывать на сердечно-сосудистую деятельность, в частности сердечное сокращение, объекта 12 исследования. Характеристический сигнал, в частности, переменная часть, может еще указывать на дополнительные параметры жизнедеятельности. В связи с этим, важной областью применения является обнаружение насыщения кислородом крови. Как указано выше, по существу, значения насыщения кислородом крови, можно вычислять с учетом поведения переменной части характеристического сигнала на его отдельных спектральных участках. Другими словами, степень насыщения кислородом крови может отображаться разным поглощением излучения на кровеносных сосудах. Кроме того, можно воспользоваться тем, что разность поглощения вследствие уровня оксигенации также значительно изменяется на разных спектральных участках. Обычно, постоянная составляющая представляет общее поглощение света тканью, венозной кровью и артериальной кровью. Напротив, переменная составляющая может представлять поглощение пульсирующей артериальной кровью. Следовательно, определение насыщения кислородом крови (SO) можно выразить в виде:
где C является калибровочным параметром. Обозначение C может означать очень большое множество калибровочных параметров, применимых к отношению AC/DC (переменная часть/постоянная часть), и, поэтому, не подлежит интерпретации в строгом алгебраическом смысле уравнения (2). Обычно, в измерительных устройствах предшествующего уровня техники, C представляет фиксированное постоянное значение или набор фиксированных постоянных значений.
Устройство 30 для определения насыщения кислородом крови объекта исследования в соответствии с настоящим изобретением содержит (входной) интерфейс 32 для приема потока 26 данных (из блока 28 визуализации или из запоминающего устройства или буфера), получаемого из детектируемого электромагнитного излучения 16, испускаемого или отраженного от одного или более участков (области(тей) 14 интереса) кожи объекта 12 исследования. Упомянутый поток 26 данных содержит информационный сигнал на каждый пиксель кожи для множества пикселей кожи (предпочтительно, всех пикселей кожи) упомянутого одного или более участков 14 кожи, при этом информационный сигнал представляет детектированное электромагнитное излучение 16, испускаемое или отраженное от соответствующего пикселя кожи с течением времени.
Анализатор 34 обеспечен для определения изменения насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи (предпочтительно, для всех пикселей кожи) на основании информационных сигналов 26’ от упомянутого множества пикселей кожи, принимаемых упомянутым интерфейсом 32 и передаваемых в анализатор 34. Таким образом, из анализатора 34 выдается соответствующая информация 35 об изменении, указывающая на изменение насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи.
В предпочтительном варианте, анализатор вычисляет относительные амплитуды в красной и инфракрасной спектральных полосах на основании временной отражательной способности кожи, представляемой информационными сигналами множества пикселей кожи.
Устройство 30 дополнительно содержит селектор 36 для выбора, на основании информации 35 об изменении из анализатора, группы пикселей 37 кожи, либо содержащей (только) пиксели кожи, показывающие быстрейшее изменение насыщения кислородом крови, либо (только) содержащей (все) упомянутое множество пикселей кожи, за исключением пикселей кожи, показывающих самое медленное изменение насыщения кислородом крови. Таким образом, по меньшей мере, при некоторых обстоятельствах, выбираются информационные сигналы не от всех пикселей кожи, а выбираются информационные сигналы только от меньшей группы пикселей 37 кожи.
Процессор 38 обеспечен для определения насыщения 39 кислородом крови объекта 12 исследования на основании информационных сигналов от выбранной группы пикселей 37 кожи.
И, наконец, может быть обеспечен (выходной) интерфейс 40, в который может подаваться найденное насыщение 39 кислородом крови, например, для обеспечения выходных данных 41 для дальнейших действий по анализу и/или отображению. Оба интерфейса 32, 40 могут быть реализованы одинаковыми (аппаратными) соединителями.
В варианте осуществления обеспечен контроллер 42 для селективного управления, по меньшей мере, каким-то одним из блока 28 визуализации и источником 22 излучения.
Анализатор 34, селектор 36 и процессор 38 (и, в случае обеспечения, контроллер 42) могут быть реализованы общим блоком 50 обработки данных, который можно считать компьютерным устройством или, по меньшей мере, частью компьютерного устройства, приводимого в действие соответствующими логическими командами (программным кодом), чтобы обеспечивать искомую обработку данных. Блок 50 обработки данных может содержать несколько компонентов или блоков, которые описаны в последующем. Следует понимать, что каждый компонент или блок блока 50 обработки данных можно реализовать виртуально или дискретно. Например, блок 50 обработки данных может содержать несколько процессоров, например, многоядерные процессоры или одноядерные процессоры. В блоке 50 обработки данных может применяться, по меньшей мере, один процессор. Каждый из процессоров может иметь конфигурацию стандартного процессора (например, центрального процессора) или специализированного процессора (например, графического процессора). Следовательно, блок 50 обработки данных может работать подходящим образом для распределения нескольких задач обработки данных соответствующим процессорам.
Блок 50 обработки данных, а также интерфейсы 32, 40 могут быть реализованы в общем устройстве обработки данных или корпусе, представляющем в целом предлагаемое устройство 30. Блок 28 визуализации и источник 22 излучения являются обычно внешними элементами, но могут быть также встроены в устройство 30, например, в общий корпус с другими элементами устройства 30.
Следовательно, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, насыщение кислородом крови обычно оценивают для множества или всех пикселей кожи, которые «видит» блок 28 визуализации (например, камера). Пиксели кожи, которые характеризуются быстрейшим восстановлением насыщения кислородом крови после/во время периодов, в течение которых насыщение кислородом крови изменяется (например, происходит событие гипоксии), выбираются (например, с использованием способов кластеризации) в селекторе 36. Сообщаемое насыщение кислородом крови вычисляется только по данным пикселям кожи, без учета пикселей для зоны кожи, которая характеризуется замедленной динамикой изменений насыщения кислородом.
В предпочтительном варианте, все видимые пиксели кожи оцениваются на предмет значения их насыщения кислородом крови. Значения насыщения кислородом крови для всех упомянутых пикселей анализируются на предмет кластеризации в каждый момент времени. Во время события гипоксии, например, все пиксели кожи будут иметь низкое насыщение кислородом крови. Поэтому все пиксели кожи будут находиться в одном кластере, и сообщаемое (общее) насыщение кислородом крови является средним значением по всем упомянутым пикселям кожи. Сразу после того, как вмешательство дало положительный результат, может начаться формирование двух кластеров: одного кластера (A), представляющего пиксели кожи с еще «старой» артериальной кровью, имеющей все еще низкое насыщение кислородом крови, и другого кластера (B) со «свежей, новой» кровью, имеющей (более точное) повышенное насыщение кислородом крови. В данном случае, сообщаемое (общее) насыщение кислородом крови дается как насыщение кислородом крови кластера B, т.е. для вычисления значения (общего) насыщения кислородом крови используется(ются) только кластер(ы), содержащие пиксели кожи из преимущественно таких зон кожи, которые сравнительно рано снабжаются артериальной кровью и, следовательно, являются репрезентативными для насыщения кислородом артериальной крови, выкачиваемой из сердца. Данный подход обеспечивает быстрее действующую и более точную обратную связь, в частности, после события гипоксии.
Для выбора пикселей кожи в подобной ситуации можно применить высокий порог для значения насыщения кислородом крови, т.е. для определения значения (общего) насыщения кислородом крови используются только информационные сигналы (или сигналы насыщения кислородом крови) от пикселей кожи, имеющих значение насыщения кислородом крови выше упомянутого высокого порога.
В альтернативном варианте осуществления, для упомянутого выбора можно применить порог для процентного содержания пикселей кожи от общего числа имеющихся в наличии пикселей кожи. Например, для использования в процессе определения значения (общего) насыщения кислородом крови можно выбрать процентное содержание X% (где X, например, находится в диапазоне от 20 до 80) пикселей кожи, имеющих наибольшее значение насыщения кислородом крови.
В дополнительном альтернативном варианте осуществления система мониторинга выдает два значения насыщения кислородом крови, измеренных по двум поднаборам пикселей, что обеспечивает информацию о динамике изменений насыщения кислородом крови.
Однако, настоящее изобретение можно применять не только в случае события гипоксии, но, в общем, также в случае других предварительно заданных событий. Например, настоящее изобретение можно также применять для обнаружения резких или быстрых снижений насыщения кислородом крови. В подобном состоянии некоторые зоны кожи также могут быстро отражать упомянутое резкое снижение в то время, как другие зоны кожи намного медленнее отражают такое снижение. Однако, это может быть очень важно для быстрого распознавания данного состояния пациента, и поэтому для определения значения (общего) насыщения кислородом крови целесообразно использовать только такие участки кожи, которые быстро отражают снижение насыщения кислородом крови.
В данной ситуации, для выбора пикселей кожи можно применить нижний порог для значения насыщения кислородом крови, т.е. для определения значения (общего) насыщения кислородом крови используются информационные сигналы (или сигналы насыщения кислородом крови) только от пикселей кожи, имеющих значение насыщения кислородом крови ниже упомянутого нижнего порога. На практике, нижний порог может быть идентичным верхнему порогу или отличающимся от него. Кроме того, в данной ситуации можно использовать также порог для процентного содержания пикселей, подобно тому, как поясняется выше.
В общем, селектор 36 сконфигурирован с возможностью выбора всех пикселей кожи из упомянутого множества пикселей кожи в качестве упомянутой группы пикселей кожи, для использования при определении значения общего насыщения кислородом крови, если изменение насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи оказывается ниже предварительно заданного минимального порога, что указывает на ситуации без значительных изменений насыщения кислородом крови.
В предпочтительном варианте, селектор 36 сконфигурирован с возможностью выбора всех пикселей кожи из упомянутого множества пикселей кожи в качестве упомянутой группы в отсутствие предварительно заданного события, в частности, в отсутствие события гипоксии. Интерфейс 32 предпочтительно сконфигурирован с возможностью приема индикаторного сигнала 45 события, указывающего на наличие и/или отсутствие упомянутого предварительно заданного события, например, из (дополнительного) внешнего датчика 44 события для обнаружения индикаторного сигнала события, указывающего на наличие и/или отсутствие упомянутого предварительно заданного события. Упомянутый датчик 44 события также может входить в состав устройства 30 в варианте осуществления. В качестве альтернативы, анализатор 34 сконфигурирован с возможностью определения, отсутствует ли или имеется ли в наличии упомянутое предварительно заданное событие, по одному или более из упомянутых информационных сигналов. Событие для возможных изменений насыщения кислородом крови может обнаруживаться посредством других датчиков основных показателей состояния организма, например, датчиков дыхания или частоты сердечных сокращений (например, ЭКГ или PPG).
Фиг. 2 представляет диаграмму, изображающую два графика, показывающих значение насыщения кислородом крови с течением времени. Первый график S1 показывает значение насыщения кислородом крови с течением времени, полученное с использованием традиционного способа (т.е., в общем, с учетом всех пикселей кожи). Второй график S2 показывает значение насыщения кислородом крови с течением времени, полученное с использованием предложенного способа (т.е., в общем, без учета некоторых пикселей кожи). Можно видеть, что в течение некоторых интервалов времени графики S1 и S2, по существу, идентичны, но что второй график S2 раньше и точнее показывает повышение значения насыщения кислородом крови.
Фиг. 3 представляет диаграммы, поясняющие пространственное распределение значений насыщения кислородом крови. В частности, фиг. 3A представляет диаграмму, показывающую, в пределах области 14 интереса, для каждого пикселя кожи, такое отношение амплитуд красного и инфракрасного информационных сигналов, которое указано в уравнении (2). Фиг. 3B представляет график, наглядно изображающий амплитуды красного и инфракрасного сигналов (в настоящем случае, прямые линии с 78% и 98% представляют значения насыщения кислородом крови; например, более высокие значения для отношения инфракрасный/красный указывают на высокие значения насыщения кислородом крови и наоборот). На фиг. 3A и 3B указаны три отдельных зоны A, B, C, при этом зона A характеризуется наименьшими значениями насыщения кислородом крови, и зона С характеризуется наиболее высокими значениями насыщения кислородом крови.
Произведен эксперимент. Человек нормально дышал в течение некоторого времени, затем задерживал свое дыхание в течение, приблизительно, минуты, чтобы вызывать снижение насыщения кислородом артериальной крови, событие снижения насыщения, затем снова дышал нормально, вызывая восстановление насыщения кислородом крови. Для записи отражательной способности кожи в течение упомянутых событий использовали две камеры, одну оборудованную красным фильтром, и другую оборудованную инфракрасным фильтром. Амплитуды информационных сигналов вычислялись для каждого из пикселей кожи в изображениях (с использованием, приблизительно, 10-секундного окна времени). Отношение амплитуд красного и инфракрасного информационных сигналов является показателем насыщения кислородом крови. Результаты, полученные с течением времени, показаны на диаграммах, приведенных на фиг. 4, представляющей графики такого же типа, как показанные на фиг. 3B.
Графики, изображенные на фиг. 4, показывают хронологические изменения от верхней левой диаграммы до нижней правой диаграммы. Фиг. 4A получена до эксперимента. Фиг. 4B - 4D получены во время задержки дыхания (приводящей к снижению насыщения). Фиг. 4E - 4H получены опять во время дыхания (приводящего к восстановлению). Фиг. 4I показывает снова нормальное состояние.
Фиг. 5 представляет блок-схему последовательности операций способа в соответствии с настоящим изобретением. На первом этапе S10 принимают поток 26 данных, который получается из детектируемого электромагнитного излучения 16, испускаемого или отраженного от одного или более участков кожи объекта 12 исследования, при этом упомянутый поток 26 данных содержит информационный сигнал на каждый пиксель кожи для множества пикселей кожи упомянутого одного или более участков кожи, причем информационный сигнал представляет детектированное электромагнитное излучение 16, испускаемое или отраженное от соответствующего пикселя кожи с течением времени. На втором этапе S12 определяют изменение насыщения кислородом крови упомянутого множества пикселей кожи на основании информационных сигналов от упомянутого множества пикселей кожи. На третьем этапе S14 выбирают группу пикселей кожи, содержащую либо пиксели кожи, показывающие быстрейшее изменение насыщения кислородом крови, либо упомянутое множество пикселей кожи, за исключением пикселей кожи, показывающих самое медленное изменение насыщения кислородом крови. На четвертом этапе S16 определяют насыщение кислородом крови объекта исследования на основании информационных сигналов от выбранной группы пикселей кожи.
Например, настоящее изобретение можно применить в области здравоохранения, например, для ненавязчивого дистанционного мониторинга пациента, общего надзора, мониторинга с целью обеспечения безопасности и, так называемых, объектов бытовой инфраструктуры типа оборудования для занятий физкультурой, или в подобных областях. Применения могут включать в себя мониторинг насыщения кислородом (пульсовую оксиметрию), частоту сердечных сокращений, артериальное давление, минутный сердечный выброс, изменения перфузии кровью, оценку вегетативных функций и обнаружение заболеваний периферических кровеносных сосудов.
Хотя настоящее изобретение подробно представлено на чертежах и охарактеризовано в вышеприведенном описании, упомянутые чертежи и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области техники, в процессе практического применения заявленного изобретения, на основании изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения, могут быть разработаны и реализованы другие варианты раскрытых вариантов осуществления.
В формуле изобретения, выражение «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и единственное число, обозначенное неопределенным артиклем, не исключает множественного числа. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких компонентов, упомянутых в формуле изобретения. Очевидное обстоятельство, что некоторые средства упомянуты во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает невозможность применения комбинации упомянутых признаков в подходящем случае.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например, оптическом носителе данных или полупроводниковом носителе, поставляемом совместно с другими аппаратным обеспечением или в его составе, но может также распространяться в других формах, например, по сети Интернет или в других проводных или беспроводных телекоммуникационных системах.
В контексте настоящей заявки, термин «компьютер» означает широкое множество различных устройств обработки данных. Другими словами, мобильные устройства, имеющие значительную вычислительную мощность, также можно называть компьютерным устройством, даже несмотря на то, что они обеспечивают меньшие ресурсы для обработки данных, чем стандартные настольные компьютеры. Кроме того, термин «компьютер» может также относиться к распределенному компьютерному устройству, которое может предусматривать или использовать вычислительную мощность, обеспечиваемую в облачной среде.
Никакие позиции в формуле изобретения нельзя считать ограничивающими объем изобретения.