使用粘附激光散斑对比分析的血流量测量系统技术方案

本公开涉及使用粘附激光散斑对比分析的血流量测量系统。本文公开了用于样品(诸如血管化组织)的改良激光散斑成像的设备、系统和方法，所述激光散斑成像用于确定样品内光散射颗粒的移动速率。该系统包括邻接光源和光敏检测器的结构。该结构可以定位于邻近样品(如，耦接至样品)并且被配置为相对于样品朝向光源和检测器，使得不阻止包括镜面反射和漫反射的表面反射进入检测器的检测场。在光源和检测器之间沿着结构的分离距离可以进一步使得能够选择性地深度穿透至样品中并且能够对多次散射的光子进行偏置采样。该系统包括可操作地耦接的处理器，该处理器被编程为从检测器得出对比度度量并将所述对比度度量与光散射颗粒的移动速率相关联。动速率相关联。动速率相关联。

【技术实现步骤摘要】
使用粘附激光散斑对比分析的血流量测量系统
[0001]本申请是国际申请日为2017年4月4日、专利技术名称为“使用粘附激光散斑对比分析的血流量测量系统”的进入中国国家阶段的PCT申请No.201780029605.5的分案申请。
[0002]通过引用并入本文
[0003]本申请要求2016年4月6日提交的美国临时专利申请No.62/318,884的优先权权益，其出于所有目的通过引用整体并入本文。通过该临时专利申请或来自该临时专利申请以优先权方式与其相关的任何的和所有的申请通过引用整体并入本文。


[0004]本公开的实施方案涉及用于对目标样品内的光散射颗粒的移动速率进行光学的、非侵入性的测量的新型方法、设备和系统。特别地，本公开涉及用于通过量化当移动的颗粒散射光时产生的干涉图案的变化来测量光散射颗粒的体积流量和/或移动(如扩散)的设备、方法和系统。

技术介绍

[0005]可以以多种方式进行用于测定溶液中的粒度和流速的动态光散射(DLS)技术。一种被称为激光散斑成像(LSI)的DLS方法使用相干激光源照亮光散射颗粒的样品，并使用多像素检测器(例如，基于硅的相机传感器)对散射光成像。当散射的相干光重新组合到检测元件上时，传感器记录由光干涉产生的所谓的“散斑”图案。如果散射颗粒在运动，则干涉图案将随时间波动。检测元件具有有限的曝光时间，并且如果干涉图案在曝光期间波动，则散斑将在检测元件内“模糊”或者其光强度将被平均。研究人员之前已经开发出一种方法以通过计算像素强度的局部邻域的标准偏差(其通常归一化至平均值)来量化曝光期间的“模糊”量。该参数通常被称为“散斑对比度”。散斑对比度的减少表示运动(例如，流动或扩散)的增加，反之亦然。LSI是生物医学研究中用于研究血管化组织内血流量的有用技术。血液中的细胞和其它结构在它们流过脉管系统时散射相干光，并且LSI可以量化该流动。
[0006]常规LSI的一个缺点是其对运动伪影的高度易感性。每个成像组件和样品都独立固定以确保同轴度。样品通常是生物性的，并且独立于相机和/或光源进行移动。当样品独立于成像系统移动时，来自移动的运动与样品内的散射体的运动相混淆，导致散斑图像中的错误结果。
[0007]常规LSI的另一个缺点是对表面反射的易感性、浅深度穿透(通常小于1mm)以及样品内动态颗粒相对于总检测信号的低采样。理想情况下，所有检测到的光子都会从动态颗粒(通常位于样品内)散射出来。然而，在常规的LSI中，许多光子从样品表面经历镜面反射，或散射在样品表面处的静态物体(例如表皮)，其被称为漫反射。例如，镜面反射是镜像面反射光线的过程，而漫反射则是无光泽物体如一张活页纸反射光线的过程。浅穿透和非动态散射事件在很大程度上由于LSI系统几何结构而产生，其中被成像的样品表面也被光源直接照亮。在这种反射几何结构中，来自光源的光照亮了样品表面区域，在本文中称为“照亮区域”。如果表面是光滑的，光可以在照亮区域内的样品表面处镜样反射掉，并且在不探询
目标样品性质的情况下进入检测器(移动光散射物如红血细胞)。如果表面是无光泽的或粗糙的(即，如白纸)，光可以在照亮区域内的样品表面上经历漫反射。经历镜面反射或漫反射的光通常不会被位于表面下方的流动颗粒动态散射，并因此很可能不包含任何流动信息。因此，镜面反射和漫反射导致了不希望的信号内容被包括在LSI测量中。本文公开的实施方案旨在改善这些缺点并为医疗和工业应用提供更稳健的动态散射物体测量。

技术实现思路

[0008]本公开描述了用于收集和评价由相干光或部分相干光的散射产生的干涉图案或散斑图案以测定散射颗粒的移动速率的新型方法、设备和系统。在特定的非限制性情况下，所公开的方法、设备和系统可用于临床环境中以确定血管化组织内血细胞的流速。在第二个非限制性情况下，所公开的方法、设备和系统可用于确定光散射颗粒溶液中的粒度。在第三种情况下，所公开的方法、设备和系统可以用于通过评价心动周期期间血流量的周期性来确定心率。
[0009]本文公开的实施方案依赖于一种创新概念，其用粘附至结构(如壳体结构)的传感器和激光源以及用基本上减少来自表面的背反射光波(即镜面反射光或漫反射光)进入检测场的已知分离，来替换LSI的照亮并记录远处的图像的常规相机和激光源。一些实施方案还公开了将结构粘附至目标样品，使得样品不能独立于光源和检测器移动。一些实施方案还公开了将数据传输到处理算法，其中在空间和/或时间上计算图像对比度的度量。在非限制性情况下，光源可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，传感器可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，并且结构可以是可佩戴的带状件，其贴在人的手腕或其它肢体上。
[0010]所公开的实施方案可包括邻接光源和检测器的任何结构，其被设计为用于排除离开样品的表面上的照亮区域的光子进入到检测器。照亮区域可以定义为由发射光的半峰全宽强度描绘的光锥与样品的表面的交点。在常规的成像设置中，光源将故意用于照亮由相机成像的表面。所公开的实施方案尤其避免对由光源照亮的任何区域进行成像。阻挡检测从照亮区域发射的光子的目的是，这些光子更可能是在样品的表面处镜面反射或漫反射的。本技术优选在样品内深度穿透和多次散射的光子，以增加光散射与流动/移动的颗粒相互作用的概率。
[0011]在一些实施方案中，公开了用于测定样品内多个光散射颗粒的移动速率的系统。该系统包括光源、光敏检测器、用于可操作地定位光源和邻近样品的检测器的邻接光源和检测器的结构、以及处理器。光源被配置为朝向多个光散射颗粒发射至少部分相干光。检测器具有一个或多个像素并且被配置为检测多个光散射颗粒中的至少一些所散射的光。结构被配置为使光源和检测器相对于彼此以及样品来定位，使得来自样品的表面反射不被检测器检测到并且使得多个光散射颗粒中的至少一些光散射颗粒所散射的发射光中的至少一些发射光由检测器检测到。处理器可操作地耦接至检测器，并且编程为通过在时间和/或空间上比较由一个或多个像素检测到的光来得出对比度度量。处理器进一步编程为将对比度度量与样品内光散射颗粒的移动速率相关联。处理器可以物理邻接至结构，或可以不物理邻接至结构。处理器可以被配置为从检测器无线地接收数据。
[0012]光源和检测器可以定位成距样品表面大致相同的法向距离(h)，其中至少部分相干光沿着基本上垂直于样品表面的光发射轴线以已知投射角(θ)从光源发射。光源和检测
器可以沿着同一表面由大于2htan(θ/2)的距离间隔开。结构可以被配置为维持光源、检测器和样品在检测期间处于恒定的空间关系。
[0013]对比度度量可以是来自平均值的标准偏差、中值、差值百分比、势阱充填时间差、像素之间的梯度及像素或像素子区域之间的差。多个光散射颗粒可包括血细胞。系统可以被配置为测量血流量。处理器可以进一步编程为基于测量的血流量来确定血液循环充足性。
[0014]结构可包括含有光源和检测器的壳体。壳体可以含有处理器。结构可以呈被配置为施用至使用者的皮肤表面的贴片形式。结构可包含用于将结构粘附至样品表面的粘合材料。结构可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于确定样品内多个光散射颗粒的移动速率的系统，所述系统包括：光源，其被配置为向所述多个光散射颗粒发射至少部分相干光；光敏检测器，其包括一个或多个像素并且被配置为检测所述多个光散射颗粒中的至少一些光散射颗粒所散射掉的光；结构，其邻接所述光源和所述检测器以用于可操作地邻近所述样品定位所述光源和所述检测器，其中所述结构被配置为使所述光源和所述检测器相对于彼此和所述样品定位，使得来自所述样品的表面反射不被所述检测器检测到并且使得所述多个光散射颗粒中的至少一些光散射颗粒所散射掉的发射光中的至少一些被所述检测器检测到，其中所述表面反射包括来自于被所述光源照亮的样品区域的镜面反射和漫反射二者；和处理器，其可操作地耦接至所述检测器，所述处理器被编程为：通过在时间和/或空间上比较由所述一个或多个像素所检测到的光，得出对比度度量，和将所述对比度度量与所述样品内的所述光散射颗粒的移动速率相关联，其中所述结构呈被配置为施用至使用者的皮肤表面的贴片的形式；其中所述至少部分相干光在距所述样品的表面法向距离h处、沿着基本上垂直于所述样品的表面的光发射轴线以已知投射角θ从所述光源发射，其中h大于0；和其中所述光源和检测器沿着同一表面由大于2htan(θ/2)的分离距离间隔开。2.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器物理邻接至所述结构。3.如权利要求1所述的系统，其中所述处理器不物理邻接至所述结构。4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述处理器被配置为无线接收来自所述检测器的数据。5.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构被配置为维持所述光源、所述检测器和所述样品在检测期间处于恒定的空间关系。6.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述对比度度量选自：来自平均值的标准偏差、中值、差值百分比、势阱充填时间差、像素之间的梯度以及像素或像素子区域之间的差。7.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述多个光散射颗粒包括血细胞。8.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为测量血流量。9.如权利要求8所述的系统，其中所述处理器被进一步编程为基于所测量的血流量来确定血液循环充足性。10.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构包括壳体，所述壳体包含所述光源和所述检测器。11.如权利要求10所述的系统，其中所述壳体包含所述处理器。12.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中：所述光源和所述检测器定位成距所述样品的表面大致相同的法向距离h，其中h大于0。13.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构还包含用于将所述结构粘附至所述样品的表面的粘合材料。14.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构被配置为借由摩擦力耦接至所述样品。
15.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构还包括在检测期间将所述结构固定于邻近所述样品的表面的固定机构。16.如权利要求15所述的系统，其中所述固定机构选自：弹簧负载夹、带状件和绳状件。17.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构被配置为粘附至使用者的皮肤区域。18.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构被配置为由使用者佩戴。19.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构呈腕带的形式。20.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为在所述样品中1mm至1cm的深度处测量移动速率。21.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述检测器以分离距离与所述光源选择性地间隔开，所述分离距离允许所述检测器靶向从所述样品中的选定深度散射的光以用于探询。22.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述光源与所述检测器之间的分离距离是可调整的。23.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述检测器是CMOS或CCD传感器。24.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述光源是激光器。25.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中由所述光源发射的光在近红外光谱内。26.如权利要求25所述的系统，其中由所述光源发射的光为700nm至900nm。27.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为将所述结构放置成与所述样品的表面基本上直接接触。28.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其还包括显示器，所述显示器用于显示检测到的散斑图案的图像，或用于显示散斑对比度、移动速率、穿透深度或从散斑对比度、移动速率或穿透深度得出的另外度量的数字或图形表示。29.如权利要求28所述的系统，其中所述显示器与所述结构邻接。30.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述检测器被配置为接收未聚焦的光线。31.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述检测器被配置为接收未被光学元件改变的光路，所述光学元件改变入射光的路径或方向。32.如权利要求31所述的系统，其中所述检测器被配置为接收没有被透镜改变的光路。33.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构还包括不透明分隔器，所述不透明分隔器被配置为限制所述光源和/或所述检测器的数值孔径，使得所述光源和所述检测器的数值孔径不在所述样品的表面上重叠。34.如权利要求33所述的系统，其中所述不透明分隔器是定位于光源和检测器之间的不透明片或块。35.如权利要求33所述的系统，其中所述不透明分隔器是可操作地定位于所述检测器前面的不透明壳体，所述不透明壳体包括用于限制所述检测器的检测角度的孔。36.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述结构沿着所述光源和所述检测器之间的部分是刚性的。37.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述检测器的所述一个或多个像素包
括具有中心的检测区域，并且其中所述结构被配置为使得所述光源的峰值发射轴线不与所述检测区域的中心基本上对准或基本上对齐。38.如权利要求37所述的系统，其中所述结构被配置为使得所述峰值发射轴线不与所述检测区域的任何部分基本上对准或基本上对齐。39.一种用于确定样品内的多个光散射颗粒的移动速率的方法，所述方法包括：将结构定位于邻近所述样品的表面，所述结构邻接被配置为发射至少部分相干光的光源和包含一个或多个光敏像素的光敏检测器，其中所述定位将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：泰勒，
申请(专利权)人：柯惠股份公司，
类型：发明
国别省市：