基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置，其包括以下步骤：1)用波长为λ1、λ2的光束分别照射目标部位，采集两组不同波长下光透射后的光信号，并将光信号转化为图像数字信号；2)对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理；3)根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号分别计算λ1、λ2波长下由动脉血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程；4)根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况。本发明专利技术为血氧检测设备的小型化和低成本化提供了可能，为无创氧合血红蛋白的浓度的检测提供了新的检测方案。的检测提供了新的检测方案。的检测提供了新的检测方案。

【技术实现步骤摘要】
基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置


[0001]本专利技术涉及图像识别及处理
，尤其涉及一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置。

技术介绍

[0002]无创血氧饱和度的测量原理是动脉搏动引起血液对光的吸收的变化，并将光的变化转换为电信号，并对电信号进行处理，进而可计算出血氧饱和度。血氧饱和度一般用血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比来表示，一般通过监测动脉的功能血氧饱和度(SpO2)来反应人体的血液氧含量状况，其表达式为：
[0003][0004]其中，SpO2为血氧饱和度；为动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；C
Hb
为动脉血管中还原血红蛋白的浓度。
[0005]目前医用的透射式无创血氧饱和度的测量方案是采用双波长异步打光方案，如图1所示，手指上壁固定了两个并排放置的发光二极管，波长分别为660nm的红光和904nm的红外光，下壁是一个光电转换器件，将透射光的光强转换为电流信号。通过控制两个LED轮换发光，并对各自发光时输出的电流信号进行I/V变换，放大然后采集，对采集后的信号做处理，得到对应的脉搏波数据，最后计算得到SpO2的值。该方案获得血氧饱和度的方法如中国专利CN112903609A公开的无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，包括以下步骤：通过DAC控制红光与红外光二极管发光，使用光频传感器接收透射光，将透光信号转换为对应的频率信号f，然后将得到的频率数据f和f
′
通过MCU上传到计算机中，再经过推导得到的公式计算即可得出血氧饱和度。
[0006]然而，现有的血氧饱和度测量技术需要采用双波长异步打光方案，同时需要复杂的光电转换装置和信号处理单元，计算过程比较繁琐，计算精度不高。采集模块需要复杂的光电转换装置，设备难以做到小型化，设备成本较高。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法及装置，以解决光信号处理时计算过程繁琐、精度不高、采集模块成本较高等问题。
[0008]为了达到目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0009]本专利技术涉及的一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其包括以下步骤：
[0010]1)用波长为λ1、λ2的光束分别照射目标部位，采集两组不同波长下光透射后的光信号，并将光信号转化为图像数字信号；
[0011]2)对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理；
[0012]3)根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号分别计算λ1、λ2波长下由动脉
血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程；
[0013]4)根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况。
[0014]优选地，所述的步骤2)中对图像数字信号进行图像增强处理和二值化处理的具体步骤包括：
[0015]2.1)计算图像序列中的每一像素的曲率值；
[0016]2.2)计算图像序列中的全部像素的曲率均值；
[0017]2.3)根据图像序列中的每一像素的曲率值及全部像素的曲率均值，对动脉血管的二值化处理。
[0018]优选地，所述的步骤2.1)中，图像序列中的每一像素的曲率值的计算公式如下：
[0019][0020]其中，
[0021][0022][0023][0024][0025][0026]公式中，C
ij
为图像序列的第i行第j列像素的曲率值；Img
ij
为图像序列的第i行第j列像素的灰度值；p
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的一阶偏导；q
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的一阶偏导；r
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的二阶偏导；t
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的二阶偏导；s
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向和y轴方向上的二阶混合偏导；
[0027]所述的步骤2.2)中图像序列中的全部像素的曲率均值的计算公式如下：
[0028][0029]其中，C
avg
为图像序列中的全部像素的曲率均值；r为图像序列的图像行数；c为图像序列的图像列数。
[0030]优选地，所述的步骤2.3)中，二值化处理的计算方式为：
[0031][0032]其中，f
ij
为图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；α为曲率均值二值化系数，取值范围为[0，1]。
[0033]优选地，所述的曲率均值二值化系数α的取值为0.5。
[0034]优选地，所述的步骤3)中是根据两组增强处理和二值化处理后图像数字信号的二值化有效面积来计算当前波长下扩张光程和收缩光程的。
[0035]优选地，所述的根据两组增强处理和二值化处理后图像数字信号的二值化有效面积来计算当前波长下扩张光程和收缩光程的具体计算公式为：
[0036][0037]S
max
＝max{S1，S2，S3，...，S
A
}
ꢀꢀꢀ
(10)
[0038]S
min
＝min(S1，S2，S3，...，S
A
}
ꢀꢀꢀ
(11)
[0039]L
max
＝S
max
ꢀꢀꢀ
(13)
[0040]L
min
＝S
min
ꢀꢀꢀ
(16)
[0041]公式中，S
m
为第m个图像序列的动脉血管二值化有效面积；为第m个图像序列的第i行第j列像素的二值化数值；S
max
为动脉血管扩张时的二值化有效面积；S
min
为动脉血管收缩时的二值化有效面积；A为当前波长下获取的图像数字信号的数量；L
max
为动脉血管扩张时的光程；L
min
为动脉血管收缩时的光程。
[0042]优选地，所述的步骤4)根据动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度的具体步骤包括：
[0043]4.1)计算动脉血管扩张时的透射光的强度，计算公式如下：
[0044][0045][0046]公式中，I
A
为动脉血管扩张时的透射光的强度；I0为动脉血管扩张时的入射光的强度；γ为组织内的非脉动成分及静脉血的吸光系数；ε
HbO2
为表示动脉血管中氧合血红蛋白的吸光系数；C
HbO2
为表示动脉血管中氧合血红蛋白的浓度；ε
Hb
为表示动脉血管中还原血红蛋白的吸光系数；C
Hb
为表示动脉血管中还原血红蛋白的浓度；为动脉扩张图像序列的第i行第j列像素的灰度值；为动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：1)用波长为λ1、λ2的光束分别照射目标部位，采集两组不同波长下光透射后的光信号，并将光信号转化为图像数字信号；2)对获得的两组图像数字信号分别进行图像增强处理和二值化处理；3)根据两组增强处理和二值化处理的图像数字信号分别计算λ1、λ2波长下由动脉血管搏动而产生的动脉血管的扩张光程和收缩光程；4)根据两种波长下动脉血管的扩张光程和收缩光程计算动脉血氧饱和度，用于反应人体的血液氧含量状况。2.根据权利要求1所述的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中对图像数字信号进行图像增强处理和二值化处理的具体步骤包括：2.1)计算图像序列中的每一像素的曲率值；2.2)计算图像序列中的全部像素的曲率均值；2.3)根据图像序列中的每一像素的曲率值及全部像素的曲率均值，对动脉血管的二值化处理。3.根据权利要求2所述的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的步骤2.1)中，图像序列中的每一像素的曲率值的计算公式如下：其中，其中，其中，其中，其中，公式中，C
ij
为图像序列的第i行第j列像素的曲率值；Img
ij
为图像序列的第i行第j列像素的灰度值；p
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的一阶偏导；q
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的一阶偏导；r
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向上的二阶偏导；t
ij
为图像序列的第i行第j列像素在y轴方向上的二阶偏导；s
ij
为图像序列的第i行第j列像素在x轴方向和y轴方向上的二阶混合偏导；所述的步骤2.2)中图像序列中的全部像素的曲率均值的计算公式如下：
其中，C
avg
为图像序列中的全部像素的曲率均值；r为图像序列的图像行数；c为图像序列的图像列数。4.根据权利要求3所述的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的步骤2.3)中，二值化处理的计算方式为：其中，f
ij
为图像序列的第i行第j列像素的二值化的数值；α为曲率均值二值化系数，取值范围为[0，1]。5.根据权利要求4所述的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的曲率均值二值化系数α的取值为0.5。6.根据权利要求4所述的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的步骤3)中是根据两组增强处理和二值化处理后图像数字信号的二值化有效面积来计算当前波长下扩张光程和收缩光程的。7.根据权利要求6所述的基于双色光动脉血管图像的动脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的根据两组增强处理和二值化处理后图像数字信号的二值化有效面积来计算当前波长下扩张光程和收缩光程的具体计算公式为：S
max
＝max{S1，S2，S3，...，S
A
}
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)S
min
＝min{S1，S2，S3，...，S
A
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)L
max
＝S
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)L
min
＝S
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)公式中，S
m
为第m个图像序列的动脉血管二值化有效面积；为第m个图像序列的第i行第j列像素的二值化数值；S
max
为动脉血管扩张时的二值化有效面积；S
min
为动脉血管收缩时的二值化有效面积；A为当前波长下获取的图像数字信号的数量；L
max
为动脉血管扩张时的光程；L

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国栋，辛传贤，李学双，张烜，
申请(专利权)人：圣点世纪科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：