通过使用相干光源进行生物组织询问的非侵入式血液动力学评估制造技术

公开了用于确定受试者的生理信息的系统和方法。该系统包括：光源，该光源可沿着位于受试者外部的第一位置定位；光电敏感检测器，该光电敏感检测器可沿着位于受试者外部的第二位置定位并且被配置成检测散射光并生成信号；具有程序和存储器的处理器，其中，该处理器可操作地耦接到检测器并且被配置成接收和存储在一时间段内生成的信号；其中，该处理器被编程为：根据所存储的信号得出对比度计量，根据对比度计量计算波形，将波形分解成基函数和相应的幅度，并且比较基函数幅度以确定生理信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过使用相干光源进行生物组织询问的非侵入式血液动力学评估相关申请的交叉引用本申请要求于2017年4月14日提交的美国专利申请No.15/488,263的优先权，其说明书通过引用整体结合在本文中。
本公开内容的实施方式涉及用于获得生理参数的非侵入式测量的非侵入式医疗监测和方法，上述生理参数包括血液动力学参数，诸如血压和动脉顺应性。政府支持本专利技术是在由国立卫生研究院(NationalInstitutesofHealth)授予的No.EB015890拨款的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术介绍
非侵入式血液动力学监测指的是在不对受试者做血管插管或者不引入有害的辐射或物质的情况下，以某种方式测量和表征心血管系统的生理和病理状态的技术。示例包括目的为测量下述的方法：血压、心输出量、脉管紧张度、动脉僵硬度或体液状态。除了开发新的研究方向和革新用于个人健康状况和健美的可穿戴装置，这些方法具有改进住院病人和门诊病人的医疗保健的潜力。非侵入式血液动力学监测中的一种方法是光电容积描记法(PPG)，其是测量由血压的脉动分量引起的微脉管扩张的光学技术。这可以通过利用可见光和近红外光询问组织来实现。PPG仪器由照亮组织的光源和测量光强度中微小波动的光电检测器(photodetector，光电探测器、光检测器)构成。然后将这些动态以数学方式变换成PPG信号，该PPG信号表示归因于脉搏的血液体积扩张。PPG是用于脉搏血氧定量法的基础技术，其中，在多个离散波长处来比较PPG幅度的比率式比较，以便得到动脉氧饱和度。尽管脉搏血氧定量法的临床是成功的，但PPG在血液动力学监测的其他方面还没有成功。一种被称为脉管卸载的技术将PPG与手指大小的箍带一起应用，以非侵害地测量血压。尽管该装置已达到某种程度的临床散播，但除需要校准步骤以对在中央的血压与在周缘的血压的差异做出解释以外，该装置还极易受脉管紧张度变化的影响。总体而言，该装置有限的准确性使其不适合普遍使用。研究人员还将PPG脉搏波分析和表征策略用于多种多样的血液动力学监测应用，仅举几例包括：心输出量、脉管僵硬度、静脉评估和微脉管灌注。这些冒险已经取得了一些成功，但是由于PPG固有的有限的信号质量，它们无法超过临床可行性的阈值。
技术实现思路
激光散斑成像(LSI)是非接触式光学成像方法，其通过将被相干光源照亮的组织成像来得到(recover，恢复、回收)相关的血液流动。移动穿过脉管系统的红血球充当光学散射体，其对询问组织的光子的空间相干性分布进行调整。在LSI中，最常使用CCD或CMOS相机将从组织发出的光成像。由检测器记录的图像包含被称为散斑的图案，该散斑是由于相干光在检测器上的相长和相消干涉引起的。散斑图案以取决于散射物体的运动程度的速率而波动。因此，血液灌注具有对所发出的光的空间和时间方差的直接影响。在有限的积分时间内，可以通过测量在一幅或多幅采集到的图像中的方差的等级来计算组织灌注。如果以足够高的帧速率执行，则LSI能够以与PPG相同的方式取样心跳波形。主要差异是，LSI是探测血液流动速度的脉动分量，而PPG是取样脉管体积扩张的脉动分量。脉动的LSI信号，在这里称为“散斑体积描记法”(SPG)，具有若干特性，这些特性使其对于非侵入式血液动力学监测是很理想的。首先，信号质量优于PPG的信号质量。在脉动的心动周期期间的总体积调整相对较小(例如，小于2％)，并且被许多变量(例如，血管收缩/膨胀、脉管僵硬度、雷诺数等)所混淆，引起PPG信号带有有限的生理信息。信号的较小的大小也使PPG信号特别易受噪声(即相对较小的信噪比)的影响。SPG信号是生理上较大的信号，并且较少受噪声削弱。例如，在PPG倾向于失效的患者组诸如在50岁以上的个体中、在患有周缘脉管疾病的受试者和经历血管收缩的受试者中，可以获得清晰的SPG信号。SPG还在增加的脉管紧张度期间诸如在冷休克或脱水期间保持信号质量。这是很重要的，因为在这些情况下，PPG信号会变得被噪声所淹没。除了是比PPG更为稳健的信号之外，SPG提供了表意更优的信息，因为它在自然规律上询问不同的现象(PPG表示体积扩张，而SPG表示血液流动)。本文所公开的各种实施方式涉及用于生理参数的非侵入式测量和表征的新方法。这些参数可以包括但不限于：血压、脉管僵硬度、微脉管功能、高血压/低血压、氧代谢、心脏功能、体液状态、血红蛋白浓度、氧合作用和血液粘度。这些或其他生理参数的定量测量和/或定性表征包括确定关于对其执行评估的受试者的生理参数(即生理信息)。本文公开的实施方式背后的原理是，上述生理参数可以通过与给定组织中的血液流动和血液体积有关的信息来表征，在该情况下可以使用基于相干光的成像系统来确定该流动和该体积。基于相干光的成像系统在与移动的散射物体(即血细胞)相互作用后测量散斑信号，并将散斑信号与流动和体积相联系。由于心动周期，血液的流动和体积是脉动的，并且因此由波形表示。流动和体积波形包含关于样本血液动力学的有价值的信息。实施方式涉及用于产生和分析所述波形以便表征所述生理参数的系统和方法。在一个实施方式中，来自光源的相干光询问复杂的混浊介质。使用放置在透射或反射几何布局中的光电检测器来测量在传播穿过所述介质之后所发出的光。光源或检测器(或两者)可以与组织接触或处于非接触式配置。使用至少部分地发射相干光的单个光源，可以获得在时间上偏移的至少两个不同的信号。这些信号之一是血液流动的周期性表示，其利用了被称为散斑方差的在时空上变化的动态散射信息。根据方差信息，可以得出对比度的计量(metric，度量、指标)并将其变换为指数，诸如但不限于：散斑对比度和/或散斑流动指数。从对比度的计量得出的信号在本文中将被称为散斑体积描记图(SPG)。可以通过总的光强度的计量获得第二信号，诸如但不限于传感器阵列的平均强度。从平均光电强度(photo-intensity)的计量得出的信号在本文中将被称为光电体积描记图(PPG)，并且表示样本内吸收光的血液的体积。可以从与散斑信号相同的相干光源来得出PPG。在单个仪器内，可以在SPG和PPG信号之间以及每个信号的单独地表征之间进行比较。例如，嵌入在波形内的都是关于彼此的以及本质上在单独的信号的动态内的时序特征。另外，时序特征可以从许多参考信号之一得出，上述许多参考信号包括但不限于PPG和心电图(ECG)信号。除了上述参考信号之一之外，SPG信号还可以用于提取这些时序特征。在没有优质PPG信号或没有PPG信号的替代的情况下，可以使用ECG信号。然后生理参数可以从波形的特征或所述波形之间的比较中得出。例如，通过生成对信号之间的时序偏移进行描述的数据和/或通过分析单独的时变信号的偏移性质以及结构，人们可以得到对下述参数的量化或表征：脉管僵硬度、血压和不限于这些的其他特征的参数。作为非限制性示例，脉管顺应性可以如下量化。可以将发射近红外光的激光二极管引导朝向受试者的手指或者手指或足趾。通过手指或足趾内移动的红血球而将进入组织的激光部分地散射，并且CMOS相机可以用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定受试者的一个或多个生理参数的系统，所述系统包括：/n光源，所述光源能沿着位于所述受试者外部的第一位置定位，并且所述光源被配置成将光从所述第一位置引导朝向在所述受试者内部的血管内以脉动运动流动的多个光散射颗粒；/n光电敏感检测器，所述光电敏感检测器能沿着位于所述受试者外部的第二位置定位，并且所述光电敏感检测器被配置成检测由所述多个光散射颗粒所散射的光并生成与所检测到的光有关的信号；以及/n包括程序和存储器的处理器，其中，所述处理器可操作地耦接到所述光电敏感检测器，并且所述处理器被配置成接收并在存储器中存储在一时间段内生成的所述信号；/n其中，所述处理器被编程为：/n从存储在存储器中的在所述时间段内的信号得出对比度计量，其中，所述对比度计量包括像素间和/或像素内对比度信息；/n根据所述对比度计量计算波形；/n将所述波形分解成一个或多个特性特征；以及/n使用分解出的所述一个或多个特性特征作比较，以确定所述一个或多个生理参数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170414 US 15/488,2631.一种用于确定受试者的一个或多个生理参数的系统，所述系统包括：
光源，所述光源能沿着位于所述受试者外部的第一位置定位，并且所述光源被配置成将光从所述第一位置引导朝向在所述受试者内部的血管内以脉动运动流动的多个光散射颗粒；
光电敏感检测器，所述光电敏感检测器能沿着位于所述受试者外部的第二位置定位，并且所述光电敏感检测器被配置成检测由所述多个光散射颗粒所散射的光并生成与所检测到的光有关的信号；以及
包括程序和存储器的处理器，其中，所述处理器可操作地耦接到所述光电敏感检测器，并且所述处理器被配置成接收并在存储器中存储在一时间段内生成的所述信号；
其中，所述处理器被编程为：
从存储在存储器中的在所述时间段内的信号得出对比度计量，其中，所述对比度计量包括像素间和/或像素内对比度信息；
根据所述对比度计量计算波形；
将所述波形分解成一个或多个特性特征；以及
使用分解出的所述一个或多个特性特征作比较，以确定所述一个或多个生理参数。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被编程为将所述对比度计量转换为体积流量的计量。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是基函数的幅度，并且其中，所述处理器还被编程为基于基函数幅度的比率来生成直方图。


4.根据权利要求1或3所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是周期性基函数的幅度，并且所述分解等效于时间-频率变换。


5.根据权利要求1或3所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是小波基函数的幅度，并且所述分解表示小波变换。


6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是抽象特征。


7.根据权利要求1或6所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征描述波形脉冲的宽度。


8.根据权利要求1或6所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是出现局部极值的时序。


9.根据权利要求1或6所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是局部极值的幅度。


10.根据权利要求1或6所述的系统，其中，所述一个或多个特性特征是所述波形的斜率的大小。


11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个生理参数涉及下述中的一个或多个：动脉粥样硬化阻塞、脉管顺应性、血压、心输出量、静脉状态、水合状态或脉管紧张度。


12.一种用于根据生理系统内的处于脉动运动的光散射颗粒来确定一个或多个生理参数的方法，所述方法包括：
将光源定位在位于所述生理系统外部的第一位置处；
启动所述光源，使得光被引导朝向所述光散射颗粒；
将光电敏感检测器定位在位于所述生理系统外部的第二位置处，其中，所述第二位置沿着由所述光散射颗粒中的至少一些光散射颗粒所散射的光的路径定位；
使用所述光电敏感检测器在一时间段内检测由所述光散射颗粒中的至少一些光散射颗粒所散射的光；
将与所检测到的光有关的信号传送到处理器；
根据被传送的信号得出强度值；
通过比较所述强度来计算对比度计量；
基于所述对比度计量随时间推移的变化，产生与所述光散射颗粒的脉动运动有关的对比度波形；
将所述对比度波形分解成一个或多个特性特征；
使用分解出的所述一个或多个特性特征作比较；并且至少部分地基于所述比较来确定所述一个或多个生理参数。


13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
确定不同于所述对比度计量的生理源的参考信号，其中，作比较包括将所述对比度波形与所述参考信号进行比较。


14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括使所述对比度计量与体积流量的计量相关。


15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考信号是光电强度计量。


16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述光电强度计量转换为吸收的计量。


17.根据权利要求13、15或16所述的方法，其中，比较包括：将在所述对比度波形和所述参考信号两者中发现的特性特征的时间位置作比较。


18.根据权利要求13、15或16所述的方法，其中，所述参考信号包括参考波形，并且比较包括：将所述对比度波形的脉动幅度和参考波形的脉动幅度作比较。


19.根据权利要求13、15或16所述的方法，其中，所述参考信...

【专利技术属性】
技术研发人员：泰勒·拜沃特斯·赖斯，迈克尔·吉森，布鲁斯·J·特龙贝尔格，布鲁斯·伊·扬，肖恩·迈克尔·怀特，
申请(专利权)人：加州大学董事会，雷瑟联合科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US