Система и способ для определения информации об основных физиологических показателях субъекта - RU2688445C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к системе и способу для определения информации об основных физиологических показателях субъекта. В частности, настоящее изобретение относится к способам оптических измерений, которые могут использоваться для удаленного определения основных физиологических показателей обследуемого субъекта. В данном контексте оптическое измерение может относиться к фотоплетизмографии(PPG), конкретнее к пульсовой оксиметрии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Основные физиологические показатели человека, например частота сердечных сокращений (HR), частота дыхания (RR) или насыщение крови кислородом, служат индикаторами текущего состояния человека и эффективными показателями для прогнозирования наступления серьезных событий медицинского характера. В этой связи основные физиологические показатели тщательно контролируются при больничном и внебольничном лечении, в домашних условиях или при дополнительной проверке здоровья, на отдыхе и при занятиях фитнесом.

Одним из способов измерения основных физиологических показателей является плетизмография. Плетизмография, в общем, касается измерения изменений объема органа или части тела и, в частности, детектирования изменений объема, вызванных кардиоваскулярной пульсовой волной, проходящей через организм субъекта при каждом сердечном сокращении.

Фотоплетизмография (PPG) – технология оптических измерений, оценивающая переменное по времени изменение отражения или пропускания света в исследуемой области или исследуемом объеме. Технология PPG основана на принципе, согласно которому кровь поглощает свет больше, чем окружающая ткань, так что изменения объема крови при каждом сердечном сокращении соответственно влияют на пропускную и отражательную способность. Помимо информации о частоте сердечных сокращений Форма волны PPG может содержать информацию, связанную с дополнительным физиологическим явлением, таким как дыхание. Оценив коэффициент пропускания и/или коэффициент отражения для разных длин волн (обычно красной и инфракрасной областей спектра), можно определить насыщение крови кислородом.

Традиционные пульсовые оксиметры для измерения частоты сердечных сокращений и насыщения кислородом субъекта крепятся к коже субъекта, например к кончику пальца, мочке уха или лбу. Поэтому они называются «контактными» PPG устройствами. Обычный пульсовой оксиметр содержит красный LED и инфракрасный LED в качестве источников света, а также один фотодиод для детектирования света, прошедшего через ткань пациента. Коммерчески доступные пульсовые оксиметры быстро переключаются между измерениями на длинах волн красной и инфракрасной областей спектра, а потому измеряют коэффициент пропускания одной и той же области или объема ткани на двух различных длинах волн. Это называют мультиплексированием с временным разделением. Коэффициент пропускания в динамике по времени на каждой длине волны позволяет получить Формы волн PPG для длин волн красной и инфракрасной областей спектра. Хотя контактная PPG рассматривается как по существу неинвазивная технология, контактное PPG измерение часто вызывает неприятные ощущения, поскольку пульсовой оксиметр непосредственно крепится к субъекту, при этом любые провода ограничивают свободу движения.

В последнее время представлены бесконтактные удаленные PPG устройства для проведения ненавязчивых измерений. В удаленной PPG применяются источники света или вообще источники излучения, расположенные удаленно от обследуемого субъекта. Точно так же детектор, например камера или фотодетектор, могут быть расположены удаленно от обследуемого субъекта. Таким образом, удаленные фотоплетизмографические системы и устройства считаются незаметными и подходящими для каждодневного применения в медицинских и не в медицинских целях.

В публикации Wieringa и др., "Contactless Multiple Wavelenghth Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward "Sp02 Camera" Technology," Ann. Biomed. Eng. 33, 1034- 1041 (2005), раскрыта удаленная PPG система для бесконтактной визуализации насыщения артериальной крови кислородом в ткани на основе измерения плетизмографических сигналов на различных длинах волн. Система содержит монохромную CMOS-камеру, а также источник света с LED трех разных длин волн. Камера последовательно получает три кинофрагмента субъекта. В течение каждого кинофрагмента субъект освещается источником света на иной длине волны. Частота пульса может определяться из кинофрагмента на одной длине волны, в то время как для определения насыщения кислородом требуются, по меньшей мере, два кинофрагмента на различных длинах волн. Измерения проводятся в темной комнате, используя в каждый момент времени только одну длину волны. Пациенту не позволено двигаться между последовательными измерениями на различных длинах волн. Еще одна проблема заключается в том, что измерение в темноте не является конструктивным в областях ненавязчивого медицинского и немедицинского применения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованной системы и усовершенствованного способа для ненавязчивого и экономного определения информации об основных физиологических показателях субъекта. Предпочтительно создать систему и способ для работы в условиях естественного освещения. Кроме того, предпочтительно система и способ позволяют параллельно и возможно в режиме реального времени измерять частоту сердечных сокращений и насыщение кислородом.

В первом аспекте настоящего изобретения представлена система для определения информации об основных физиологических показателях субъекта, содержащая

- маркер для наложения на кожу субъекта, при этом упомянутый маркер дополнительно содержит первую маркерную область, выполненную с возможностью пропускания света на первой длине волны, а также вторую маркерную область, выполненную с возможностью пропускания света на второй длине волны,

- блок обнаружения для детектирования излучения, принятого от первой маркерной области и от второй маркерной области маркера, а также

- блок анализа для определения информации об основных физиологических показателях субъекта из обнаруженного излучения от первой маркерной области и от второй маркерной области.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен маркер для использования в вышеупомянутой системе, содержащий первую маркерную область, выполненную с возможностью пропускания света на первой длине волны, вторую маркерная область, выполненную с возможностью пропускания света на второй длине волны, при этом маркер приспособлен для наложения на кожу субъекта.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлено устройство для использования в вышеупомянутой системе, содержащее блок обнаружения для детектирования излучения, принятого от первой маркерной области, выполненной с возможностью пропускания света на первой длине волны, а также от второй маркерной области, выполненной с возможностью пропускания света на второй длине волны, маркера, наложенного на кожу субъекта, а также блок анализа для определения информации об основных физиологических показателях субъекта из обнаруженного излучения от первой маркерной области и от второй маркерной области.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения предложен способ для определения информации об основных физиологических показателях субъекта, содержащий этапы

- детектирования излучения, принятого от первой маркерной области, выполненной с возможностью пропускания света на первой длине волны, а также от второй маркерной области, выполненной с возможностью пропускания света на второй длине волны, маркера, наложенного на кожу субъекта, а также

- определения информации об основных физиологических показателях субъекта из обнаруженного излучения от первой маркерной области и от второй маркерной области. В одном варианте осуществления способ дополнительно содержит этап наложения маркера на кожу субъекта.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложена компьютерная программа, содержащая средство программного кода для выполнения компьютером этапов предложенного способа, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере. Кроме того, представлен энергонезависимый носитель, на котором хранится такая компьютерная программа, которая, будучи выполняемой процессором, приводит к осуществлению этапов способа, раскрытого в настоящем описании. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленные маркер, устройство, способ, компьютерная программа и носитель имеют предпочтительные варианты осуществления, аналогичные и/или идентичные предпочтительным вариантам осуществления заявленной системы, определенным в зависимых пунктах формулы изобретения.

Термин «основные физиологические параметры» в контексте настоящего изобретения относится к физиологическому параметру субъекта и производным параметрам. В частности, термин «основные физиологические параметры» содержит частоту сердечных сокращений (HR) (которую иногда называют частотой пульса), вариабельность частоты сердечных сокращений (вариабельность частоты пульса), пульсовое давление, перфузию, индекс перфузии, вариабильность перфузии, волны Траубе-Геринга-Майера, частоту дыхания (RR), температуру тела, кровяное давление, концентрацию некоторого вещества в крови и/или ткани, например насыщение кислородом или содержание глюкозы.

Термин «информация об основных физиологических показателях» в контексте настоящего изобретения содержит измеренные один или более приведенных выше основных физиологических показателей. Кроме того, термин "информация об основных физиологических показателях" содержит данные, относящиеся к физиологическому параметру, соответствующие записи формы волны или данные, относящиеся к физиологическому параметру в динамике по времени, которые могут использоваться для последующего анализа.

Настоящее изобретение основано на идеи, согласно которой вместо последовательного проведения измерений в отношении одной и той же области или объема ткани на различных длинах волн, информация об основных физиологических показателях может быть получена из пространственно разнесенных областей или объемов ткани, в отношении которых измерения проводятся одновременно. Другими словами, авторы изобретения обнаружили, что существует возможность определения информации об основных физиологических показателях из фотоплетизмографического измерения на различных длинах волн, выполняемого на разных пространственно разнесенных областях или объемах. Это можно рассматривать как мультиплексирование с пространственным разделением. Преимущества заключаются в том, что измерение можно проводить в условиях естественного освещения, при этом не требуется последовательное узкополосное облучение на различных длинах волн, как предложено на предшествующем уровне техники.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен маркер, содержащий первую маркерную область, выполненную с возможностью пропускания света на первой длине волны, а также вторую маркерную область, выполненную с возможностью пропускания света на второй длине волны. Первая маркерная область и вторая маркерная область, таким образом, образуют пространственно раздельные области для определения информации об основных физиологических показателях. Каждая маркерная область выполнена с возможностью пропускания света на отличной длине волны, так что концентрация вещества может определяться на основе сравнения светового излучения на двух разных длинах волн. Использование маркера имеет преимущество в том, что никакой специальной дополнительной фильтрации на блоке обнаружения не требуется. Единственный блок обнаружения может осуществлять сбор всей необходимой информация, что способствует снижению стоимости системы.

В качестве опции маркер содержит дополнительные маркерные области, выполненные с возможностью пропускания света на дополнительных длинах волн. В число представляющих интерес длин волн также входят длины волн невидимого электромагнитного излучения, включая длины волны инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

В контексте настоящего описания термин "длина волны" также относится к полосе длин волн или диапазону длин волн. Его следует понимать как спектральный диапазон с ограниченной шириной спектра. Например, в отношении оптического фильтра термин «длина волны» относится к полосе пропускания фильтра. Следовательно, термин «длина волны» не ограничивается одной единственной длиной волны, но также используется для диапазона длин волны, например от нескольких нанометров или нескольких десятков нанометров, относительно средней длины волны. Кроме того, термин «длина волны» применительно к фильтру может также относиться к множеству дискретных спектральных диапазонов одного и того же фильтрующего элемента.

В контексте настоящего описания термин "блок обнаружения" относится к устройству для детектирования электромагнитного излучения. Он выполнен с возможностью детектирования излучения, принятого от первой маркерной области и от второй маркерной области. В предпочтительном варианте осуществления блок обнаружения представляет собой камеру, имеющую датчик изображения, такой как CCD или CMOS датчик изображения, содержащий матрицу светочувствительных пикселей. Выходные данные блока обнаружения относятся к данным излучения. Например, данные об излучении представляют собой ряд изображений в динамике по времени, т.е. поток видеоданных. Камера может быть монохромной или цветной камерой. RGB-датчик изображения для цветной камеры содержит матрицу фильтров канала цветности, имеющую фильтры для красного, зеленого и синего каналов цветности. При использовании RGB-цветной камеры общая характеристика фильтра системы включает в себя как характеристику пропускания маркерных областей, так и характеристику фильтра каналов цветности камеры. В одном варианте осуществления длина волны пропускания первой маркерной области лежит в пределах первого из RGB-каналов, а длина волны пропускания второй маркерной области лежит в пределах второго RG-канала. Путем соответствующего выбора характеристик пропускания маркерных областей пространственное разделение первой и второй маркерных областей может дополнительно поддерживаться с помощью частотно-избирательного детектирования RGB-камеры. Таким образом, требования к характеристике пропускания первой и второй маркерных областей могут стать менее жесткими, при этом стоимость системы снижается.

Излучение, принимаемое от первой или второй маркерных областей, обычно содержит две компоненты. Во-первых, принятое излучение содержит световое излучение, отраженное на маркере и/или на поверхности кожи, т.е. световое излучение, не проникшее в ткань и не несущее информации о поглощении света в ткани. Во-вторых, принятое излучение содержит световое излучение, проникшее в кожу и отраженное изнутри ткани. Эта вторая часть принятого излучения имеет переменную во времени интенсивность вследствие переменного во времени поглощения и/или пропускания света в ткани. Взаимодействие света с биологической тканью является сложным и включает в себя оптические процессы (множественного) рассеяния, обратного рассеяния, поглощения, пропускания и (диффузного) отражения. Термин "отражать" в данном контексте подразумевает не только зеркальное отражение, но содержит вышеупомянутые типы взаимодействия света с тканью, а также все виды их сочетания.

В качестве опции система дополнительно содержит источник света для излучения света на упомянутой первой длине волны и/или на упомянутой второй длине волны, чтобы убедиться в доступности достаточного светового излучения на соответствующей длине волны. В качестве дополнительной опции система содержит блок управления для регулировки силы света так, чтобы блок обнаружения мог работать в своем оптимальном рабочем режиме, в частности так, чтобы, например, шумы или же эффекты насыщения не препятствовали проведению измерения. В предпочтительном варианте осуществления, однако, система использует только естественное освещение.

Блок анализа выполнен с возможностью определения информации об основных физиологических показателях субъекта из обнаруженного излучения от первой маркерной области и от второй маркерной области. Блок анализа принимает данные об излучении от блока обнаружения. Для определения частоты сердечных сокращений субъекта достаточно оценить переменное во времени излучение, принимаемое от единственной маркерной области или даже от обнаженной кожи за пределами маркерной области. Однако для определения концентрации вещества, например для определения насыщения крови кислородом или содержания глюкозы, требуется анализ излучения на различных длинах волн, как описано выше. Блок анализа оценивает переменные во времени сигналы, получаемые из двух пространственно раздельных маркерных областей, и тем самым оценивает две разные длины волны одновременно. Например, световое излучение, принятое от первой маркерной области, попадает на первую группу пикселей датчика изображения, составляющего часть блока обнаружения, а световое излучение от второй маркерной области попадает на вторую группу пикселей датчика изображения. Для повышения отношения сигнал-шум сигналы пикселей группы могут объединяться.

Согласно предпочтительному варианту осуществления система дополнительно содержит блок обработки изображений для распознавания первой маркерной области и второй маркерной области в обнаруженном излучении. Блок обработки изображений является дополнительным элементом, расположенным между блоком обнаружения и блоком анализа. Блок обработки изображений принимает данные об излучении, например поток видеоданных, от блока обнаружения. Блок обработки изображений содержит средство для обработки изображений, предназначенное для распознавания маркера в принятых данных об излучении. Например, маркер имеет характерные признаки, которые могут распознаваться в изображении потока видеоданных. Могут применяться способы анализа, известные из области обработки изображений и анализа видеоданных. В маркере первая маркерная область и вторая маркерная область отнесены к определенному месту. Следовательно, блок обработки изображений предоставляет в блок анализа обработанные данные об излучении, содержащие информацию о местоположении первой маркерной области и второй маркерной области в данных об излучении. Например, блок обработки изображений идентифицирует пиксел или группу пикселей, представляющих участки датчика изображения, принявшие излучение от первой маркерной области, а также пикселы или группу пикселей, соответственно принявших излучение от второй маркерной области. Блок обработки изображений может быть встроен в блок анализа.

В дополнительном варианте осуществления система согласно настоящему изобретению дополнительно содержит несущий элемент, несущий на себе маркер. Несущий элемент задает, по меньшей мере, первый участок для размещения на нем первой маркерной области, а также второй участок для размещения на нем второй маркерной области. В общем, несущий элемент может рассматриваться как элемент, создающий механическую опору для маркера, например, пластырь, метка или схожая структура, которая может крепиться к коже субъекта. Несущий элемент может быть выполнен из материала, принадлежащего группе материалов, содержащей бумагу, ткань, резину или другие материалы, используемые для пластырей, в частности пластырей медицинского применения.

В другом варианте осуществления несущий элемент дополнительно содержит адгезив для закрепления несущего элемента на коже субъекта. Поскольку в предпочтительном варианте осуществления несущий элемент непосредственно закрепляется на коже субъекта, используется биосовместимый адгезив.

В еще одном вариант осуществления первая маркерная область и/или вторая маркерная область содержат пластину оптического фильтра, прикрепленную к несущему элементу. Пластина оптического фильтра обеспечивает пропускание светового излучения только требуемой длины волны или полосы длин волн. В число типов пластин фильтра входят абсорбционные фильтры, а также диэлектрические фильтры. Предпочтительно несущий элемент содержит отверстие, при этом пластина оптического фильтра расположена в упомянутом отверстии. Отверстие также называют окном или оптическим окном.

Согласно альтернативному варианту осуществления маркер содержит первый краситель, наносимый на кожу субъекта в первой маркерной области, и/или второй краситель, наносимый на кожу субъекта во второй маркерной области. Вместо использования пластины оптического фильтра в данном варианте осуществления применяются цветные красители, при этом первый краситель пропускает световое излучение на первой длине волны, а второй краситель пропускает световое излучение на второй длине волны. В то время как пластины оптических фильтров обычно крепятся к несущему элементу, красители могут наноситься прямо на кожу субъекта, не прибегая к необходимости использовать несущий элемент.

В дополнительном варианте осуществления маркер дополнительно содержит референсную область с заданной характеристикой отражения. Эта референсная область может использоваться для калибровки блока обнаружения, поскольку характеристика отражения для заданного диапазона длин волн известна. В частности, когда система оборудована оптическим источником света и блоком управления, референсная область в обнаруженном излучении может служить для регулировки чувствительности блока обнаружения и/или для регулировки мощности, и/или спектра источника света. Маркер также может содержать более одной референсной области, при этом каждая референсная область имеет отличную характеристику отражения. Например, красная референсная область используется для определения мощности оптического излучения в красной области спектра, в то время как референсная область, в которой происходит отражение инфракрасного света, используется для определения мощность оптического излучения в инфракрасной области спектра. На основе этих измерений может регулироваться чувствительность блока обнаружения. В качестве альтернативы регулируется время для достижения достаточно высокого отношения сигнала к шуму.

Согласно дополнительному аспекту данного варианта осуществления референсная область является светонепроницаемой. Другими словами, референсная область блокирует любое световое излучение, проходящее сквозь маркер, и лишь отражает свет, падающий на референсную область. Это гарантирует, что излучение, принимаемое от референсной области, по существу не содержит помех, в частности не содержит отраженного или обратно-рассеянного излучения от подлежащей ткани. Таким образом, световое излучение от первой и/или второй маркерной области предоставляет плетизмографическую информацию, в то время как световое излучение от референсной области не несет плетизмографической информации и носит справочный характер.

Кроме того, референсная область может использоваться для определения любых временных или спектральных помех естественного освещения или источника искусственного освещения, например медленных изменений в течения дня или систематических воздействий, таких как 50/60Гц мерцание или широтно-импульсная модуляция источника света. В измеренную интенсивность излучения от первой и/или второй маркерной области могут вводиться поправки на такие помехи.

В еще одном вариант осуществления маркер дополнительно содержит графический паттерн. Графический паттерн выполнен с возможностью обнаружения в данных об излучении блоком анализа или дополнительным блоком обработки изображений. Предпочтительно графический паттерн имеет высокую контрастность изображения, например черно-белый паттерн. В качестве альтернативы графический паттерн содержит различные цвета, которые можно легко отличить друг от друга. Предпочтительно графический паттерн выполнен в машиночитаемом виде, например, в виде штрихового кода, матричного штрихового кода, буквенно-цифровых обозначений, QR-кода и т.п. Для блока обработки изображений легче распознать оговоренный графический паттерн в наблюдаемом изображении, чем анализировать неопределенные признаки изображения. В качестве опции графический паттерн представляет собой машиночитаемый код, хранящий информацию, например идентификатор пациента для приписывания полученной информации об основных физиологических показателях пациенту или части тела пациента. Закодированная информация может содержать данные о конфигурации для создания конфигурации системы для определения информации об основных физиологических показателях, например необходимую чувствительность или данные, касающиеся информации об основных физиологических показателях, которые требуется измерить. Схема расположения первой маркерной области и второй маркерной области, а также размер и/или форма несущего элемента также могут рассматриваться в качестве графического паттерна.

В качестве опции маркеры могут изготавливаться или настраиваться путем нанесения различных слоев чернил или красителей на несущий элемент. Цвет и непрозрачность чернил могут регулироваться так, чтобы обеспечить прохождение или блокирование соответствующей интенсивности и спектральных составляющих. В качестве альтернативы или дополнительно графический паттерн может быть отпечатан в качестве части маркера.

В дополнительном варианте осуществления первая маркерная область и/или вторая маркерная область содержат подобласти. Другими словами, маркерная область может состоять из множества меньших секций. Например, подобласти первой маркерной области и/или второй маркерной области расположены в шахматном порядке. Это гарантирует, что первые маркерные области и вторые маркерные области не разнесены слишком далеко друг от друга, при этом общая маркерная область по-прежнему покрывает требуемую область кожи.

Согласно еще одному аспекту системы по настоящему изобретению маркер дополнительно содержит стимулятор для усиления перфузии крови в ткани субъекта, соприкасающейся с маркером. Как пояснялось выше, фотоплетизмография основана на изменении объема кровеносных сосудов в ткани. Следовательно, для увеличения мощности сигнала желательно обеспечить достаточный кровоток в сосудах под маркером, когда маркер нанесен на субъект, основные физиологические показатели которого требуется определить.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из вариантов осуществления, описанных ниже. На следующих чертежах

на Фиг. 1 показан пример осуществления системы для определения информации об основных физиологических показателях субъекта согласно настоящему изобретению;

на Фиг. 2 показано определение информации об основных физиологических показателях с помощью системы согласно настоящему изобретению;

на Фиг. 3 показан первый пример маркера;

на Фиг. 4 показан второй пример маркера;

на Фиг. 5 показан третий пример маркера;

на Фиг. 6 показан пример маркера, имеющего подобласти;

на Фиг. 7 показан альтернативный пример маркера, имеющего подобласти.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 показан пример осуществления системы 1 для определения информации 7 об основных физиологических показателях субъекта 100 согласно настоящему изобретению. Система 1 содержит маркер 10 для наложения на кожу субъекта 100, блок 2 обнаружения, а также блок 6 анализа в качестве основных составляющих. В этом примере система для определения информации об основных физиологических показателях субъекта используется в больничных условиях, где субъект 100 лежит в кровати 103.

Маркер 10 дополнительно содержит первую маркерную область 11, выполненную с возможностью пропускания света на первой длине волны, а также вторую маркерную область 12, выполненную с возможностью пропускания света на второй длине волны. Блок 2 обнаружения выполнен с возможностью детектирования излучения, принятого от первой маркерной области 11, а также от второй маркерной области 12 маркера 10. В этом примере блок 2 обнаружения соединен с дополнительным блоком 4 обработки изображений. Блок 2 обнаружения предоставляет данные 3 об излучении, представляющие обнаруженное излучение, в блок 4 обработки изображений в виде потока видеоданных. Блок 4 обработки изображений идентифицирует первую маркерную область 11 и вторую маркерную область 12 в данных 3 об излучении. Блок 4 обработки изображений, в свою очередь, соединен с блоком 6 анализа. Блок 4 обработки изображений предоставляет предварительно обработанные данные 5 об излучении в блок 6 анализа. Предварительно обработанные данные 5 об излучении в этом примере содержат информацию о том, какая область изображений видеопотока данных 3 об излучении отображает первую маркерную область 11 и вторую маркерную область 12. Блок 6 анализа, в свою очередь, определяет информацию 7 об основных физиологических показателях субъекта из переменной во времени интенсивности в первой маркерной области 11 и во второй маркерной области 12. В этом примере информация об основных физиологических показателях содержит частоту сердечных сокращений и насыщение крови кислородом.

Блок 4 обработки изображений для распознавания первой маркерной области 11 и второй маркерной области также может входить в состав блока 6 анализа. В качестве альтернативы данные 3 об излучении непосредственно предоставляются в блок 6 анализа. В этом случае как первая маркерная область 11, так и вторая маркерная область 12 могут определяться выбором вручную маркерных областей в изображениях потока видеоданных. В качестве альтернативы субъект 100 с маркером 10 должен располагаться в заданном положении в поле обзора блока 2 обнаружения, так чтобы первая маркерная область 11 и вторая маркерная область 12 находились в заданном положении. Однако автоматическая идентификация маркера 10 в данных 3 об излучении блоком 4 обработки изображений является предпочтительной.

В показанном примере маркер 10 непосредственно нанесен на открытую кожу лба 101 субъекта 100. Альтернативный маркер 10', имеющий первую маркерную область 11' и вторую маркерную область 12', расположен на левом предплечье 102 субъекта 100. Размер и форма маркера 10, 10' могут выбираться в зависимости от анатомического местонахождения.

Место действия освещается источником излучения, например солнечным светом 7a или источником 7b искусственного освещения. Источник 7a, 7b излучения напрямую или опосредованно испускает излучение 8a, 8b в направлении субъекта 100. Вдобавок или в качестве альтернативы система 1 также может содержать дополнительный источник 7c света системы, излучающий свет 8c в направлении субъекта 100. Использование источника 7c света системы в особенности полезно, если источники 7a, 7b света окружающей среды не обеспечивают достаточно света или если спектр источников 7a, 7b света окружающей среды не обладает достаточной мощностью на первой длине волны и на второй длине волны.

Дополнительный блок 9 управления выполнен с возможностью регулировки чувствительности блока 2 обнаружения и/или регулировки мощности источника 7c света системы. Поскольку динамический диапазон детектора или датчика изображения, используемого в качестве блока 2 обнаружения, ограничен, затворы и электронные компенсации может потребоваться отрегулировать в соответствии с состоянием освещения в наблюдаемом изображении. Источник 7c света системы может являться частью контура управления, задающего оптимальный рабочий режим датчика изображения блока 2 обнаружения. Понятие «оптимальный» в данном контексте относится к выходному сигналу, не имеющему искажений, отсутствию насыщения отдельных детекторов или датчиков изображения, а также высокому показателю соотношения сигнал-шум, по меньшей мере, для площади чувствительной поверхности детектора, соответствующей первой и/или второй маркерной области.

На Фиг. 2 проиллюстрировано определение информации об основных физиологических показателях субъекта с помощью системы 1 согласно настоящему изобретению. На Фиг. 2 показан источник 21 света, блок 22 обнаружения, а также маркер, имеющий первую маркерную область 23 и вторую маркерную область 24. Маркер нанесен на кожную ткань 104 субъекта. Ткань содержит кровеносные сосуды 105.

В данном варианте осуществления источник 21 света испускает свет, по меньшей мере, на первой длине волны (помечено точечными линиями) и второй длине волны (помечено пунктирными линиями). Первая маркерная область 23 выполнена с возможностью пропускания света на первой длине волны, при этом упомянутая первая длина волны соответствует первой длине волны источника 21 света. Вторая маркерная область 24 выполнена с возможностью пропускания света на второй длине волны, при этом упомянутая вторая длина волны соответствует второй длине волны источника 21 света. На Фиг. 2 схематично изображены два световых луча A, B на первой длине волны и два световых луча C, D на второй длине волны. Поскольку первая маркерная область 23 выполнена с возможностью пропускания света на первой длине волны, луч A проходит сквозь маркер и проникает в кожу 104 субъекта 100. Часть светового излучения поглощается кожей 104, а часть светового излучения отражается или рассеивается в ткани и достигает блока 22 обнаружения. Характеристика поглощения и/или отражения изменяется во времени и представляет переменную во времени перфузию ткани 104 через ее кровеносные сосуды 105.

Блок 22 обнаружения содержит приемную оптику, например линзы приемника, а также матрицу 25 фотодетекторов или пикселей, образующих датчик изображения. Световое излучение, принятое от первой маркерной области, визуализируется на первой группе или матрице пикселей 26. Соответственно световое излучение, принятое от второй маркерной области 24, визуализируется на второй группе пикселей 27.

Поскольку поглощение света в ткани 104 изменяется во времени, интенсивность света, падающего на датчик изображения блока 22 обнаружения, также изменяется во времени. Переменная во времени интенсивность в области пикселей 26 изображена кривой 28. Переменная во времени интенсивность света, падающего на группу пикселей 27, изображена кривой 29.

Поскольку первая маркерная область выполнена с возможностью пропускания света только на первой длине волны, свет на второй длине волны не проходит через эту маркерную область и не проникает в ткань, как показано световым лучом C. Тем не менее, часть светового излучения может рассеиваться в обратном направлении на поверхности маркера и достигать блока 22 обнаружения. Это световое излучение не модулировано пульсирующим изменением объема крови и вызывает погрешность. Модуляция интенсивности, изображенная кривой 28, таким образом, вызвана переменным во времени отражением в ткани 104 на первой длине волны.

Соответственно световой луч D на второй длине волны может проходить сквозь вторую маркерную область 24, в то время как световой луч B на первой длине волны не пропускается. Модуляция интенсивности, изображенная кривой 29, таким образом, вызвана переменным во времени отражением в ткани 104 на второй длине волны.

Частота пульса субъекта может быть непосредственно определена из переменной во времени интенсивности по одной из кривых 28 или 29. Однако для определения насыщение крови кислородом с помощью фотоплетизмографии требуется, по меньшей мере, две длины волны, как поясняется ниже на примере.

Контактные пульсовые оксиметры обычно пропускают красный (R) или инфракрасный (IR) свет (или, точнее говоря, в некоторых случаях свет ближней инфракрасной области спектра) через сосудистую ткань исследуемого субъекта. Соответствующие части светового излучения (R/IR) могут пропускаться и детектироваться попеременно (в режиме быстрого переключения). Учитывая, что соответствующие спектральные участки по-разному поглощаются оксигенированным гемоглобином (Hb0₂) и восстановленным гемоглобином (Hb), в итоге можно рассчитать насыщение крови кислородом. В алгоритме оценки насыщения кислородом (S0₂) может использоваться соотношение сигналов, связанных с красной и инфракрасной частью спектра. Кроме того, алгоритм может учитывать непульсирующую составляющую сигнала. Обычно PPG сигнал содержит DC компоненту и относительно малую пульсирующую AC компоненту. Кроме того, оценка S0_2, как правило, предполагает использование эмпирически полученного калибровочного коэффициента, применяемого в отношении рассчитанных значений. Обычно калибровочный коэффициент (или калибровочная кривая) определяется после проведения референсных измерений, включающих инвазивные измерения насыщения крови кислородом. Калибровочный коэффициент необходим, поскольку PPG-устройство по существу определяет соотношение между частями (спектрального) сигнала, которое должно переводиться в значение насыщения крови кислородом, обычно включающее соотношение между Hb0₂ и Hb. Например, но не с целью ограничения настоящего раскрытия, оценка насыщения крови кислородом может основываться на следующем общем уравнении:

SO₂=Hb0₂/(Hb0₂+Hb), (1)

при этом PPG-устройства лишь опосредованно определяют Hb0₂ и Hb из спектральной характеристики, по меньшей мере, на двух длинах волн.

Вообще измеренная кривая интенсивности 28, 29, используемая в качестве характеристического сигнала, рассматривается как содержащая постоянный (DC) участок и переменный (AC) участок, наложенный на DC участок. Применяя способы обработки сигналов, AC участок может быть выделен, а кроме того, могут быть введены поправки на помехи. Например, AC участок характеристического сигнала может содержать доминантную частоту, которая может быть весьма показательной в отношении сосудистой деятельности субъекта 100, в частности биения сердца. В то же время характеристический сигнал, в частности AC участок, может быть показательным в отношении других жизненно важных параметров. В этой связи определение насыщения артериальной крови кислородом – важная область применения. Как указано выше, по существу значения, представляющие насыщение крови кислородом, могут вычисляться с учетом характера изменения AC участка характеристического сигнала на его дискретных участках спектра. Другими словами, степень насыщения артериальной крови кислородом может отражаться в неодинаковом поглощении излучения на кровеносных сосудах. Кроме того, может использоваться тот факт, что различие в поглощении вследствие степени насыщения кислородом также может существенно варьироваться по различным спектральным участкам. Помимо этого, DC участок сигнала также может использоваться для определения насыщения крови кислородом. Обычно DC компонента представляет общее поглощение света тканью, венозной кровью, а также непульсирующей артериальной кровью. Наоборот, AC компонента может представлять поглощение пульсирующей артериальной кровью. Следовательно, определение насыщения артериальной крови кислородом (Sa0₂) можно выразить следующим образом:

SaO₂=C(AC/DC)red/(AC/DC)infrared, (2) где C - калибровочный коэффициент. Коэффициент C может обозначать самые разные калибровочные коэффициенты, применимые к соотношению AC/DC, а значит, не должен восприниматься в строго алгебраическом смысле уравнения (2). Коэффициент C, например, может представлять величину, имеющую постоянное значение, набор констант или регулируемый калибровочный коэффициент. В качестве примера другая типовая модель получения Sa0₂ может быть выражена следующим образом:

SaO₂=C₁+C₂(AC/DC)red/(AC/DC)infrared, (3) где C₁ и C₂ могут рассматриваться в качестве калибровочных коэффициентов линейной аппроксимации. В одном примере осуществления определение коэффициента калибровки сигнала может быть направлено на регулировку или согласование коэффициента C₁. Кроме того, в качестве альтернативы получение Sa0₂может также основываться на таблицах значений, внесенных в устройство 1 (или доступных ему). Таблицы значений (или базы данных) могут обеспечивать дискретное представление соотношения между распознанными PPG сигналами и требуемым калибровочным коэффициентом. В этом случае может также применяться настраиваемый калибровочный коэффициент для повышения точности определения жизненно важных показателей.

Следует понимать, что уравнения (2) и (3) представлены главным образом в иллюстративных целях. Их не следует рассматривать как ограничивающие объем настоящего раскрытия. На практике специалист сможет предложить дополнительные соответствующие модели для определения Sa0₂. Альтернативные сочетания длин волн, например в зеленой и красной области спектра, могут использоваться в зависимости от распознаваемого вещества. Хотя измерение Sa0₂ было описано подробно, его следует понимать как пример общей концепции измерения концентрации вещества в крови и/или ткани.

На Фиг. 3 более подробно показан вариант осуществления маркера для использования в системе 1 с целью определения информации об основных физиологических показателях субъекта согласно настоящему изобретению. Маркер 30 имеет первый графический паттерн 32, второй графический паттерн 33, референсные области 34a, 35a, 36a, 37A, маркерные области 34b, 35b, 36b, выполненные с возможностью пропускания света на трех различных длинах волн, а также прозрачную маркерную область 37b.

Несущий элемент 31 является носителем маркера 30 с его элементами, а также обеспечивает механическую устойчивость. В данном варианте осуществления несущий элемент 31 представляет собой пластырь или лейкопластырь, который может непосредственно крепиться к коже субъекта 100 с помощью адгезива. Несущий элемент выполнен из светонепроницаемого резиноподобного материала, не пропускающего свет. В этой связи, несущий элемент имеет отверстия или окна в местах расположения маркераных областей 34b, 35b, 36b, 37b.

В каждом из окон 34b, 35b, 36b расположена пластина оптического фильтра, при этом пластина 34b фильтра выполнена с возможностью пропускания света на первой длине волны, пластина 35b фильтра выполнена с возможностью пропускания света на второй длине волны, а пластина 36b фильтра выполнена с возможностью пропускания света на третьей длине волны. Маркерная область 37b не имеет частотно-избирательного фильтра и является прозрачной, так что кожа под областью 37b визуально доступна блоку обнаружения в качестве не закрытой фильтром референсной области кожи.

Референсные области 34a, 35a, 36a являются референсными областями для конкретных длин волн. Предпочтительно цвет референсной области соответствует длине волны пропускания соседнего фильтра. Например, маркерная область 34b выполнена с возможностью пропускания красного света, при этом референсная область 34a имеет красный цвет, так что оно может служить в качестве указателя, в частности, того, сколько красного света имеется в излучении, падающем на маркер.

Графический паттерн 32 служит в качестве индикатора выставления. Геометрическая конструкция позволяет блоку 4 обработки изображений определить положение и/или ориентацию маркера 30. Маркер 30, помимо этого, имеет машиночитаемый графический паттерн 33 в виде QR-кода. Данный код содержит информацию о субъекте, так что полученная информация об основных физиологических показателях может приписываться к субъекту, например, заноситься в электронную медицинскую карту (EHR). Код также может содержать информацию об участке, на котором маркер крепится к телу субъекта, так что на одном субъекте могут одновременно проводиться различные измерения, индивидуальные для места измерения (например, лоб и рука).

Хотя на Фиг. 3 представлено множество признаков, не все они являются обязательными. На Фиг. 4 показана основная конфигурация, в которой имеются две маркерные области. В этом примере маркер содержит первый краситель, непосредственно наносимый на кожу субъекта в первой маркерной области, а также второй краситель, непосредственно наносимый на кожу субъекта во второй маркерной области. Краситель может представлять собой, например, эластомер, отштампованный, вычерченный, нанесенный напылением или отпечатанный на коже. Краситель первой маркерной области выполнен с возможностью пропускания света на первой длине волны, в то время как краситель во второй маркерной области выполнен с возможностью пропускания света на второй длине волны. Соответственно может применяться дополнительная референсная область.

На Фиг. 5 показан вид сбоку маркера, схожего с тем, что представлен на Фиг. 3. Он закреплен на коже 104 субъекта. Несущий элемент 51 придает механическую устойчивость маркеру 50. На стороне несущего элемента 51, обращенной к коже 104 субъекта, несущий элемент 51 содержит адгезив 52 для крепления несущего элемента к коже 104 субъекта. Адгезив 52 дополнительно содержит стимулятор для увеличения перфузии крови в ткани 104 субъекта, соприкасающейся с несущим элементом 51, на котором расположен маркер 50.

На противоположной стороне несущего элемента 51 маркер 50 имеет референсные области 54a, 55a, а также первую маркерную область 54b, выполненную с возможностью пропускания света на первой длине волны, и вторую маркерную область 55b, выполненную с возможностью пропускания света на второй длине волны. Это достигается благодаря пластинам 56, 57 оптических фильтров, расположенным на месте первой и второй маркерных областей и заламинированным в несущий элемент 51. В качестве опции адгезив не наносится в маркерных областях 54b, 55b, чтобы не оказывать влияния на характеристику пропускания маркераных областей.

На Фиг. 6 и 7 показаны различные паттерны оптических окон вместе с первой и второй маркерными областями, а также референсными областями. В этом примере первая и вторая маркерные области разделены на подобласти. Паттерны референсных областей и оптические окна, содержащие первую и вторую маркерные области, могут выбираться в соответствии с потребностями в конкретном измерении.

Для проведения некоторых измерений важно получить сигналы для каждой длины волны из близкорасположенных областей ткани. В этом случае предпочтительно иметь несколько меньших по размеру оптических окон, например расположенных в шахматном порядке. На Фиг. 6 показан маркер 60 с шахматной схемой расположения для двух длин волн с чередованием референсных областей 61a и первых маркерных областей 61b для первой длины волны, а также референсных областей 62a и вторых маркерных областей 62b для второй длина волны. Например, для измерения насыщения крови кислородом красная область спектра используется в качестве первой длины волны, а инфракрасная область спектра используется в качестве второй длины волны.

На Фиг. 7 показан альтернативный вариант осуществления маркера 70, при этом распределение референсных областей 71a, 72a и оптических окон для первых и вторых маркерных областей 71b, 72b оптимизируется в зависимости от ожидаемой мощности сигнала. Например, сигнал на первой требуемой длине волны, например зеленой области спектра, мощнее сигнала на второй требуемой длине волны, например красной области спектра. Таким образом, общая вторая маркерная область 72b увеличивается относительно общей первой маркерной области 71b, чтобы достичь той же мощности сигнала на обеих длинах волн.

В качестве примера настоящее изобретение может применяться в области здравоохранения, например для ненавязчивого удаленного мониторинга пациента, общего наблюдения, контроля состояния безопасности и в так называемых средах, определяемых стилем жизни, например в оборудовании для занятий фитнесом, и т.п. Сферы применения могут включать мониторинг насыщения кислородом (пульсовую оксиметрию), частоты сердечных сокращений, кровяного давления, функционального состояния сердца, изменения перфузии крови, оценку автономных функций, а также обнаружение заболеваний периферических кровеносных сосудов.

Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно представлено в вышеприведенном описании, эти иллюстрации и описание следует рассматривать как приведенные в качестве примера, но не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предложить и реализовать другие модификации раскрытых вариантов осуществления, применяя на практике заявленное изобретение, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения.

В формуле изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а неопределенный артикль "a" или "an" не исключает множества. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких объектов, перечисленных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры упоминаются во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой.

Компьютерная программа может храниться/быть распределена на подходящем энергонезависимом носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, поставляемом совместно с другим аппаратным обеспечением или в виде его части, однако может также быть распределена в других формах, например через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.

Ни одну из ссылочных позиций не следует рассматривать, как ограничивающую объем изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к медицине, в частности к удаленной фотоплетизмографии. Способ для определения информации о физиологических показателях субъекта осуществляют с использованием системы для определения информации о физиологических показателях. При этом детектируют излучения, принятые от первой и второй маркерных областей соответственно. Определяют информацию о физиологических показателях субъекта из обнаруженного излучения от первой и второй маркерных областей. Система для определения информации о физиологических показателях субъекта содержит несущий элемент, несущий на себе маркер для наложения на кожу субъекта. Маркер содержит первую и вторую маркерные области, каждая из которых содержит пластину оптического фильтра, прикрепленную к несущему элементу. Первая маркерная область выполнена с возможностью пропускания света на первой длине волны и непропускания света на второй длине волны, причем модуляция интенсивности света определяется переменным во времени отражением от кожи на первой длине волны. Вторая маркерная область выполнена с возможностью пропускания света на второй длине волны и непропускания света на первой длине волны, причем модуляция интенсивности света определяется переменным во времени отражением от кожи на второй длине волны. Референсная область маркера с заданной характеристикой отражения, соответствующей длине волны пропускания маркерной области, сконфигурирована для калибровки блока обнаружения. Референсная область является светонепроницаемой и отражает падающий на нее свет. Блок обнаружения выполнен с возможностью детектирования излучения, принятого от первой и второй маркерных областей. Блок анализа выполнен с возможностью определения информации о физиологических показателях субъекта из обнаруженного излучения. Достигается ненавязчивое определение информации о физиологических показателях субъекта. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула