一种多光谱血压图成像装置和方法

技术领域

本申请涉及医学检测技术领域，具体而言，本申请涉及一种多光谱血压图成像装置和方法。

背景技术

权威报告指出在过去的20年里，心血管疾病是大多数死亡的主要原因。因此，心血管疾病(CVDs)患者人数的迅速增加已经成为国际上较为关注的公共卫生危机。2020年全球约有1910万人死于心血管疾病，比2010年增加20.5％,预计到2030年这一数字将上升到2300万以上。其中在CVDs的多种危险因子中，高血压是高危因素。大多数时候，高血压是一个“无声的杀手”，如CVDs患者多在夜间无人看管的时候突然处于高血压状态，又由于未得到进一步的治疗。因此如何在24小时内实施无创、无袖带和无扰式连续血压监测，成为了临床治疗的关键。

另外，常用的光学测血压图技术包括传统的光电容积测脉搏(photoplythysmography，PPG)技术、具备单点血压测量估计前景的(MultiwavelengthPPG,MWPPG)技术，以及基于相机的血压信号测量技术，都只是提供简单的1维的血压图信息，如单点血压值、逐拍血压、动脉血压图，无法提供更多反映血管状态的信息。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种多光谱血压图成像装置和方法，以解决上述技术问题之一。为了实现该目的，本申请实施例提供了如下几个方案。

一方面，本申请实施例提供了一种多光谱血压图成像装置，该装置包括：

功能层，用于向预设皮肤部位发射白光，并从预设皮肤部位的各第一采样点采集MWPPG信号。

控制层，用于根据每一第一采样点采集的MWPPG信号分别获取相应的像素值，每一像素值表征由相应的MWPPG信号确定的血压值，或者表征相应的MWPPG信号；以及根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像，目标图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。

可选的，功能层包括：

多个预设光源；每一预设光源用于发射白光。

多个光学传感器；每一光学传感器用于从预设皮肤部位处接收反射的至少两种波长的光信号，并将每种波长的光信号转换为各自相应的PPG信号，以得到与每一光学传感器相应的MWPPG信号。

其中，光学传感器分布于预设光源的周围。

可选的，每一第一采样点存在对应的光学传感器；控制层在根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像中，具体用于：

创建初始图像；根据每一光学传感器在所有光学传感器中的相对位置确定初始图像中与相应光学传感器对应的像素点；将与每一光学传感器相应的像素值设置于对应的像素点，并将经过设置的初始图像确定为目标图像。

可选的，功能层中与预设皮肤部位接触的物质包括水凝胶；水凝胶用于粘合功能层于预设皮肤部位。

可选的，装置还包括隔绝层，隔绝层处于功能层和控制层之间，隔绝层用于隔绝各种环境数据对功能层的采样过程的干扰，环境数据包括环境光线和功能层产生的电流信号。

可选的，功能层还用于：

接收从预设皮肤部位的各第二采样点采集的ECG信号；基于各ECG信号和各MWPPG信号计算脉搏传导时间，并根据每一脉搏传导时间获取预设皮肤部位下多个深度分别对应的血压值；根据多个深度分别对应的血压值确定与多个深度分别对应的像素值，根据多个深度分别对应的像素值确定目标3D图像；目标3D图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。

另一方面，本申请实施例提供了一种多光谱血压图成像方法，该方法包括：

向预设皮肤部位发射白光，并从预设皮肤部位的各第一采样点采集MWPPG信号；

根据每一第一采样点采集的MWPPG信号分别获取相应的像素值，每一像素值表征由相应的MWPPG信号确定的血压值，或者表征相应的MWPPG信号；以及根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像，目标图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本申请实施例提供了一种多光谱血压图成像装置，包括功能层和控制层。其中，在功能层向预设皮肤部位发射白光之后，基于反射的光线采集MWPPG信号。然后，由控制层从预设皮肤部位的各第一采样点采集MWPPG信号，并分别获取相应的像素值，每一像素值既可以表征由相应的MWPPG信号确定的血压值，也可以表征相应的MWPPG信号。在得到像素值之后，由控制层根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像，该目标图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。最后，可根据目标图像进行显示操作。本申请实施例提供的装置的关键在于：获取白光穿透皮肤后反射回的光学信息，并根据光学信息创建图像，该图像可以表征皮肤下分布的组织和血管信息，如局部血管管壁压力空间分布图、血管直径变化图和血管边界分布动态可视图。与传统用于血压测量的光学技术相比，本方案提供的基于光学成像技术的无创动态血压测量实现了从一维信号到二维成像的维度跨越，为血管状态的分析提供了多层次的参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请实施例提供的一种测量光电容积脉搏信号的装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的测量光电容积脉搏信号的装置中功能层的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的TCS34725颜色传感器的应用场景示意图；

图4为本申请实施例提供的基于MWPPG-PTT估计血压的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种多光谱血压图成像装置的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的多光谱血压图成像装置中功能层的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的多光谱血压图成像装置的应用场景示意图；

图8为本申请实施例提供的多光谱血压图成像装置的成像的流程示意图；

图9为本申请实施例提供的多光谱血压图成像装置所创建的3种图像；

图10为本申请实施例提供的一种图像重建算法的流程示意图；

图11为本申请实施例提供的调节屏幕中像素亮度的原理示意图；

图12为本申请实施例提供针对背部血管的3D成像的流程示意图。

具体实施方式

下面结合本申请中的附图描述本申请的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本申请实施例的技术方案的示例性描述，对本申请实施例的技术方案不构成限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请实施例所使用的术语“包括”以及“包含”是指相应特征可以实现为所呈现的特征、信息、数据、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除实现为本技术领域所支持其他特征、信息、数据、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合等。应该理解，当我们称一个元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，该一个元件可以直接连接或耦接到另一元件，也可以指该一个元件和另一元件通过中间元件建立连接关系。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的术语“和/或”指示该术语所限定的项目中的至少一个，例如“A和/或B”可以实现为“A”，或者实现为“B”，或者实现为“A和B”。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

首先对本申请涉及的几个名词进行介绍和解释：

血压图(Tonoarteriogram/TAG，简称血压图信号)表示为连续动脉血压信号的图形记录。其中TAG可以由无扰式、可穿戴式或者无袖带连续动脉血压测量仪器获取。

光学传感器：采集光信号，并转化为电流信号输出。

光电容积脉搏波描记法PPG：光线透过皮肤组织再反射到光学传感器时，光线有一定的衰减，这是由于皮肤组织对光线进行了吸收。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等对光线的吸收是基本不变的(前提是测量部位没有大幅度的运动)，但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光线的吸收自然也有所变化。当我们把光线转换成电信号时，正是由于动脉对光线的吸收有变化而其他组织对光线的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法，也即PPG。其中，该直流DC信号和交流AC信号可以理解为PPG信号。

其中，在采集完不同波长的光对应的PPG信号之后，可将所有的PPG信号进行组合，从而得到MWPPG信号。

下面通过对几个示例性实施方式的描述，对本申请实施例的技术方案以及本申请的技术方案产生的技术效果进行说明。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。

图1示出了本申请实施例提供的一种测量光电容积脉搏信号的装置10。如图1所示，该装置10包括保护外壳(包括保护外壳1和保护外壳2)、功能层110和控制层120。

功能层110包括白光LED和RGB光电探测器。具体地，白光LED用于发射白光；RGB光电探测器即一种光学传感器，可以采集红光信号、绿光信号和蓝光信号。其中，功能层中白光LED和RGB光电探测器的数量和排布形式存在多种布局结构，包括但不限于图2所示的4种布局结构。

控制层120包括多种元器件，以及元器件之间的布线信息。

在通过白光LED向皮肤组织发射白光之后，RGB光电探测器的各光探测单元采集经过皮肤组织反射后的光线信号，并将每种波长的光信号转化为相应的PPG信号，进一步将各PPG信号组合在一起便得到了MWPPG信号。将MWPPG信号发送至控制层之后，通过MWPPG信号进行多参数生理信息估计，如估计血压、血氧和呼吸率等。

由于白光可抵达离表层皮肤约2毫米深度，该深度处包括血管等组织。因此，MWPPG信号可以反映距离表层约2毫米深度处血管的信息。

为了更清楚地了解该RGB光电探测器生成MWPPG信号的过程，本申请实施例还提供了带有TCS34725颜色传感器(也即RGB光电探测器)的设备20作为示例，以通过TCS34725颜色传感器观察血压等信息。其中，该设备可具体参考图3。

本示例中，该设备20包括Arduino Uno开发板，TCS34725颜色传感器和杜邦线。其中，TCS34725颜色传感器包括白光LED和RGB光电探测器；Arduino Uno开发板通过多条杜邦线与TCS34725颜色传感器相连接；另外，Arduino Uno开发板通过USB或者无线模块与PC端相连接，以便将PC端编写的代码输入至Arduino Uno开发板。

本示例中，Arduino Uno开发板中配置有如下代码。

其中，在“Adafruit_TCS34725.h”中针对tcs.getRawData(&r,&g,&b,&c)的编写逻辑为：先通过RGB光电探测器采集红光、绿光和蓝光各自对应的原始数据，如数值R、数值G和数值B之后，然后基于RGB-HIS转换公式处理数值R、数值G和数值B，得到颜色信息。如下表1提供了RGB-HIS转换公式，如通过数值R、数值G和数值B得到色调、饱和度和亮度。

表1

其中，红光、绿光和蓝光对应的波形也可以通过平滑处理，得到良好的MWPPGs信号(包括红光对应的PPG信号，绿光对应的PPG信号和蓝光对应的PPG信号)。

本示例还提供了一种基于MWPPG估计血压的方法，如图4所示。其中，MWPPG_PTT可以为一个红色PPG信号和一个绿色PPG信号的顶点乘以速率除以RGB光电探测器中红光探测单元和绿光探测单元的距离(D)。其中，图4所示的流程中，涉及了如下4项公式。

MBP＝HR*(k

其中，HR(heart rate)即为心率；k

其中，SBP为收缩压，DBP为舒张压。

基于上述实施例中采集MWPPG信号的装置所示的原理，本申请实施例进一步提出利用多个RGB光电探测器的多光谱血压图成像的装置的实施例。具体而言，可利用一个或者一个以上的白光LED作为光发射器，以及利用一个以上RGB光电探测器组成光接收器，将白光穿透皮肤后反射回的光信号转化为电信号，再通过图像重建处理，可得到各种以二维图像的形式展示的血压图。

如图5所示，该多光谱血压图成像装置50包括：

功能层510，用于向预设皮肤部位发射白光，并从预设皮肤部位的各第一采样点采集MWPPG信号。

控制层530，用于根据每一第一采样点采集的MWPPG信号分别获取相应的像素值，每一像素值表征由相应的MWPPG信号确定的血压值，或者表征相应的MWPPG信号；以及根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像，目标图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。

在该实施例的一种可能的实现方式中，该装置50还可以包括隔绝层520和显示层540。其中，隔绝层520在控制层530两侧中的一侧且紧挨着功能层510，显示层540则处于控制层530两侧中的另一侧。

具体地，隔绝层处于功能层510和控制层530之间，隔绝层520用于隔绝各种环境数据对功能层510的采样过程的干扰，环境数据包括环境光线和功能层510产生的电流信号。

在该实施例的一种可能的实现方式中，功能层510可以包括如下多个单元。

多个预设光源；每一预设光源用于发射白光。如，该预设光源为白光LED。

多个光学传感器；每一光学传感器用于从预设皮肤部位处接收反射的至少两种波长的光信号，并将每种波长的光信号转换为各自相应的PPG信号，以得到与每一光学传感器相应的MWPPG信号。如，该光学传感器可以为接收红光、绿光和蓝光的RGB光电探测器，也即至少两种波长包括红光、绿光和蓝光各自对应的波长。其中，红光的波长625nm～740nm，绿光的波长为577nm～492nm，蓝光的波长为400nm～450nm。另外，该至少两种波长还可以包括NIR(Near Infrared，近红外光)对应波长。关于至少两种波长的光信号可以为上述列举的几种，还可以为其他波长，本申请对此并不限制。

其中，光学传感器分布于预设光源的周围。

示例性地参见图6所示的功能层510，预设光源和光学传感器的排布方式存在多种，包括但不限于图6所示的几种布局方式。

在该实施例的一种可能的实现方式中，功能层510中与预设皮肤部位接触的物质包括水凝胶；水凝胶用于粘合功能层510于预设皮肤部位。

具体而言，功能层510由于需要和皮肤良好贴合，因此可使用具有良好贴合效果的柔性材料，如水凝胶。水凝胶是一种弹性杂交体，可包括生物粘合剂。水凝胶可粘附在全身各个部位，包括但不限于耳部、颈部、手腕、手指和指甲部位，如图7所示的各个应用场景。在各个应用场景中，可以实现长时间连续检测和血压图成像。

在该实施例的一种可能的实现方式中，每一第一采样点存在对应的光学传感器；控制层530在根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像中，具体用于执行如下步骤Sa1～Sa3。

Sa1，创建初始图像。具体地，根据功能层510中所有光学传感器的布局确定初始图像的尺寸，也即确定该初始图像包括的像素个数和排布，以便于在初始图像确定出与每一光学传感器相匹配的像素。

Sa2，根据每一光学传感器在所有光学传感器中的相对位置确定初始图像中与相应光学传感器对应的像素点。

Sa3，将与每一光学传感器相应的像素值设置于对应的像素点，并将经过设置的初始图像确定为目标图像。

其中，该像素点可以理解为图像的最小组成单位像素。

为了更清楚地理解该可能的确定目标图像的具体过程，本申请实施例还提供了一种示例。本示例中，目标图像为血管直径变化图。

如图8所示的流程中，先使单片机驱动LEDs阵列发射白光，然后RGBs光电探测器阵列(RGB光电探测器即为光学传感器)接收反射的光，并依次进行跨膜放大器的处理，实现光到光电流的转换；将转换所得的光电流传递给控制层530的滤波器、模数转换器和微控制器的处理，得到RGBs阵列单元，该阵列中每个RGB为一个像素值。根据RGBs阵列单元创建初始图像，将每个RGB填入初始图像相应的像素中，最终可得到目标图像。

通过该描述过程可知，目标图像中的像素点与RGB光电探测器存在对应关系，在一定程度上能够反正预设皮肤部位下的血管的状态信息。如，当像素值为血压值时，则目标图像具体为局部血管管壁压力空间分布图。如当像素值为MWPPG信号时，像素值的色度信息反映血管的某种形态特征，如血管边界，则目标图像可以为血管边界分布图。如当像素值为MWPPG信号中的某个PPG信号时，目标图像为血管直径变化图。

由于RGB光电探测器与目标图像上的像素点相对应，但RGB光电探测器毕竟数量有限，所形成的图像还是存在图像模糊、质量低下和感兴趣不显著等问题。

为了解决该问题，本示例还包括通过图像重建算法对低分辨率的目标图像进行图像处理，得到高分辨率的图像。其中，图像重建算法的过程具体可以为：首先通过特征提取对输入的低分辨率的图像进行去噪、上采样等预处理，包括亮度和色度等空间分量特征，随后进行插值运算进行图像缩放，然后将处理后的图像送入神经网络，拟合图像中的非线性特征，进入卷积层、池化层、全连接层提取代表图像细节的高频信息，重建图像，得到高分辨率的图像。如图8所示，最后将高分辨率的图像显示在手机终端的屏幕上。

在手机终端的显示界面上显示效果可以参考图9。其中，图9中(1)示出了局部血管管壁压力空间分布图，图9中(2)示出了血管边界分布图，以及图9中(3)示出了血管直径变化图。

另外本示例还以图像重建算法处理血管直径变化图为例，阐述了该算法具体的实施过程，该过程具体可以参考图10所示。

一般而言，图像上每个像素的颜色由3个原色通道对应的色块混合而成，在显示图像中的一个像素时，将3个原色通道对应的色块进行混合从而得到该像素。如，一般的彩色图像包括R通道(红色色块)、G通道(绿色色块)和B通道(蓝色色块)。本申请实施例中，通过RGB光电探测器采集红光、绿光和蓝光并转化为各自相应的PPG信号，然后将红光相应的PPG信号转化为R通道的数值、绿光相应的PPG信号转化为G通道的数值以及蓝光相应的PPG信号转化为B通道的数值，从而进行组合从而得到一个像素值。最后，在根据像素值进行显示时，可通过各通道的具体数值来调节屏幕上的显示亮度。如图11所示，从一个RGB光电探测器采集红光、绿光和蓝光到屏幕上显示的一个像素的转化过程。其中，V

在该实施例的一种可能的实现方式中，该功能层510还可以用于执行如下步骤Sb1～Sb3。

Sb1，接收从预设皮肤部位的各第二采样点采集的ECG信号。

其中，每一第二采样点对应一个ECG电极，用于测量预设皮肤部位处的ECG信号。

Sb2，基于各ECG信号和各MWPPG信号计算脉搏传导时间，并根据每一脉搏传导时间获取预设皮肤部位下多个深度分别对应的血压值。

Sb3，根据多个深度分别对应的血压值确定与多个深度分别对应的像素值，根据多个深度分别对应的像素值确定目标3D图像；目标3D图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。

Sb1～Sb3所示的步骤其实是由第一采样点和第二采样点组成的采样组，对预设皮肤部位进行采样，从而获取表征预设皮肤部位下各深度处血管中血压详情。

如图12所示的一个示例场景，在人体的背部可设置多个采样组，基于多个采样组可以获取背部部位下各深度层次相应的血压分布。具体地，设置与第二采样点相应的ECG采样阵列，以及设置与第一采样点相应的RGB光电探测器阵列，分别从第一采样点处采集MWPPG信号，以及从第二采样点处采集ECG信号。基于MWPPG信号和ECG信号做PTT计算脉搏传导时间PTT，并根据所有的PTT进行3D成像；根据每一PTT获取相应的血压值，并根据所有的血压值进行3D成像。

基于上述多光谱血压图成像装置本申请实施例还提供了一种多光谱血压图成像方法，该方法包括如下步骤Sc1～Sc2。

Sc1，向预设皮肤部位发射白光，并从预设皮肤部位的各第一采样点采集MWPPG信号。

Sc2，根据每一第一采样点采集的MWPPG信号分别获取相应的像素值，每一像素值表征由相应的MWPPG信号确定的血压值，或者表征相应的MWPPG信号；以及根据每一第一采样点的相对位置和相应的像素值确定目标图像，目标图像中每一像素点的位置与相应的第一采样点的相对位置相对应。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“1”、“2”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除图示或文字描述以外的顺序实施。

应该理解的是，虽然本申请实施例的流程图中通过箭头指示各个操作步骤，但是这些步骤的实施顺序并不受限于箭头所指示的顺序。除非本文中有明确的说明，否则在本申请实施例的一些实施场景中，各流程图中的实施步骤可以按照需求以其他的顺序执行。此外，各流程图中的部分或全部步骤基于实际的实施场景，可以包括多个子步骤或者多个阶段。这些子步骤或者阶段中的部分或全部可以在同一时刻被执行，这些子步骤或者阶段中的每个子步骤或者阶段也可以分别在不同的时刻被执行。在执行时刻不同的场景下，这些子步骤或者阶段的执行顺序可以根据需求灵活配置，本申请实施例对此不限制。

以上所述仅是本申请部分实施场景的可选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的方案技术构思的前提下，采用基于本申请技术思想的其他类似实施手段，同样属于本申请实施例的保护范畴。