CN104736054A - 基于光学形状感测的肺体积描记法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种肺体积描记系统(10)，所述系统具有能穿戴在哺乳动物(例如人)身体上的服装(11)，所述服装包括具有多条光纤(30)的形状感测纤维(12)以促进对沿所述形状感测纤维的长度的应变的光学测量。光学讯问单元(13)被与所述形状感测纤维中的所述光纤光学连接以用于测量沿着多条光纤的应变。处理单元(14)将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。本发明有利于获得针对提供哺乳动物的肺功能的更加真实的测量结果的肺测量的经改进的系统。

Description

基于光学形状感测的肺体积描记法

技术领域

本发明涉及基于光学形状感测的肺体积描记系统，所述系统优选地可以是能穿戴的。本发明也涉及用于实现肺体积描记法的对应的服装、对应肺体积描记方法和用于实现肺体积描记方法的对应的计算机软件。

背景技术

广义地讲，体积描记器可以被定义为用于测量器官或全身内的体积变化的仪器，所述变化典型地由于器官或全身含有的血液或空气的量的波动。由此，体积描记器是用于确定并配准由于存在于或经过器官、肢体或部分的血液或空气的量的变化的器官、肢体或部分的大小的变化的仪器。

在肺科学中，通常借助于肺体积描记器来完成对肺功能的评估。简而言之，肺体积描记器测量胸内气体体积(TGV)和呼吸期间患者的体积变化。与肺量测定法组合，体积描记法允许直接测量比气道阻力(specificairway resistance，sRaw)以及TGV和气道阻力Raw。如在临床实践中使用的身体体积描记器是舱室，如具有几乎是气密的具有大约1000升的体积的设备。患者坐在舱室中并且通过肺活量计来呼吸。

呼吸期间的患者体积变化导致对舱室中空气的压缩和减压。压力传感器测量这些压力变化，所述压力变化与患者的体积变化成比例。同时，利用肺活量计来测量通过患者的口腔的气流。因此，如技术人员将理解的，可以创建允许诊断各种肺部疾病的流量/体积图形。作为基于舱室的系统的替代，已经描述了在使用两个皮带围绕的能穿戴设备。

阿斯顿大学的美国专利7,221,814，是能穿戴设备的范例。其公开了表面仿形(profiling)装置，所述表面仿形装置包括被装配在渐进的三层(PTL)纤维中的三个长周期光栅(LPG)，并且被嵌入在可变形的载体元件内，所述可变形的载体元件包括被提供在两片弹性橡胶皮肤之间的骨骼。LPG由三个波长调制的窄带宽光学信号照亮，每个信号具有不同的波长和调制频率。连接到三个锁定放大器的光电探测器测量与每个LPG相对应的光电探测器输出信号的第一和第二谐波频率分量的幅度。相似的表面仿形装置形成呼吸功能监测装置的基础，在所述呼吸功能监测装置中五个LPG被提供在四个PTL纤维中的每个内并且被嵌入在附接到将由对象穿戴的服装的四个载体元件中。然而，该设备的空间分辨率对于实际医学应用被认为是不足的。

本发明的发明人已经认识到，经改进的肺体积描记系统是有益的，并且因此已经设计了本发明。

发明内容

实现经改进的肺体积描记系统将是有利的。一般地，本发明优选地寻求单个地或以任何组合来缓解、减轻或消除上述缺点中的一个或多个。具体而言，提供解决现有技术的上述问题或其他问题，尤其但不唯一地是有限的空间分辨率的问题，的方法可以看作是本发明的目的。

为了更好地解决这些关注中的一个或多个，在第一方面中本发明涉及肺体积描记系统，

-能穿戴在哺乳动物身体上的服装，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维以促进对沿所述形状感测纤维的长度的应变的光学测量，

-光学讯问单元，所述单元与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的应变，以及

-处理单元，其被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。

本发明尤其但不唯一地有利于获得针对哺乳动物(例如人类患者)的肺测量的经改进的系统，使得所述哺乳动物可以在实际测量期间移动或锻炼，并且由此以迄今在合理成本内不可能或不易得到的方式来提供所述哺乳动物的肺功能的更加真实的测量结果。另外，因为本发明人已经展示了基于光学的形状感测纤维产生直接适用于临床或医学应用的结果，所以本发明提供准确和/或成本效益好的解决方案。

值得一提的是，到目前为止，身体体积描记器具有若干缺点：

-迄今，不可以在锻炼、日常生活活动、睡眠或运动期间使用身体体积描记器。

-常用的舱室解决方案相当昂贵并且耗费空间。

-尽管基本的物理学相对简单，但对舱室中的细微的压力差进行测量以便计算患者体积不简单。因此，舱室中由于患者的身体热度的温度变化可能影响测量结果。额外地，外部压力变化也可能影响舱室压力。

在本申请中公开的根据本发明的肺体积描记系统至少部分地旨在解决、缓解或克服这些问题。

因此，设想本发明可以促进以下更广谱的使用：

在肺脏学家办公室：

-用于替代常规的身体体积描记器来诊断肺功能；

-用于在锻炼期间诊断肺功能。

在患者家里，用于在日常生活活动期间诊断肺功能。

在运动医学中；监测肺活量和运动员的训练进展。

在睡眠医学中；在睡眠期间监测呼吸行为。

身体体积描记法的适应征可以是：

-用于诊断限制性肺部疾病；

-用于测量肺体积以区分限制性过程和阻塞性过程；

-用于对阻塞性肺部疾病的评估，例如大泡性肺气肿和囊性纤维化，如果通过氦稀释或N2排放量(washout)进行测量，则所述评估可能人为地产生低结果。可以利用同时确定的体积来建立截留气体的指数(即，FRC体积描记器/FRC氦稀释)；

-用于在要求多次重复试验时或在对象不能够执行多次呼吸测试时测量肺体积；

-用于评估气流阻力；

-用于确定如由Raw、sGaw和VTG的变化所反映的对支气管扩张药的响应；

-用于确定如由VTG、Raw和sGaw的变化所反映的响应于乙酰甲胆硷、组织胺或同位素过度通气的支气管高反应性；

-用于跟随疾病过程并且对处置做出响应，

以及肺科学中的技术人员容易可用的其他应用。

在本申请的上下文中，应当理解，所述服装是一种适合于由哺乳动物(例如，人、猴子、马、狗等)穿戴的衣服，以便促进肺测量或监测。还应当理解，所述服装至少部分地覆盖哺乳动物的身体对肺功能的测量相关的部分，即，在哺乳动物呼吸期间发生物理移动的身体的(一个或多个)表面部分。

在本申请的上下文中，应当理解，随时间的三维位置数据可以被理解为根据在哺乳动物呼吸期间所述形状感测纤维的位移的相对测量结果。通过三维位置数据足够的数据被理解以独立于对坐标系(例如拉普拉斯(XYZ)、球面、柱面等)的选择来建立三维空间中的位置。

出于本申请的目的，肺科学领域可以被定义为与肺的解剖学、生理学和/或病理学有关但不限于此的医学的子分支。

在一个实施例中，所述光学讯问单元可以被光学地布置用于能够通过对所述形状感测纤维中的应变的光学测量来执行光学形状感测的光频域反射计(OFDR)。这可以有益地由一条或多条光纤来执行，所述一条或多条光纤包括沿所述(一条或多条)光纤的长度分布的多个纤维布拉格光栅(FBG)。备选地或额外地，这可以由一条或多条光纤来完成，所述一条或多条光纤包括沿所述(一条或多条)光纤的长度分布的多个瑞利散射特征段。

在一些实施例中，多条光纤被布置有中心光纤和围绕所述中心光纤缠绕的其他光纤。一般地，在空间位置中的N自由度要求N+1条光纤或核，以便提供温度补偿。因此，对于3维位置确定，4条光纤或核可以被提供有中心核，所述中心核由围绕该中心核缠绕的3个核包围。一个备选是一个中心核和围绕所述一个中心核的6个核。

由此，根据本发明的肺体积描记系统可以将多条光纤与对应的多个光纤核组合成公共光纤。

有利地，来自所述形状感测纤维的所述位置数据的空间分辨率在2.5mm以下，优选地在1mm以下，更优选地在0.5mm以下。如果所述形状感测纤维如此具有促进作用，则甚至也可能比这更低。在一些实施例中，如果从测量的观点看是可能的，则所述空间分辨率也可以更高，例如，3、4或5mm以下。

在一些实施例中，预期所述形状感测纤维可以包括用于形状感测的另外的器件，所述另外的器件是从由以下组成的组中选择的：电气器件(例如电气仪表)、机械器件(例如微机械仪表)、气动器件、声学器件及其任意组合，以及技术人员容易可用的其他器件。

有利地，所述处理单元可以被布置用于通过执行插值过程来将随时间的位置数据变换成随时间的表面数据，随后所述表面数据通过额外的插值过程而被变换成随时间的体积数据。

在一些实施例中，所述光学讯问单元和所述处理单元可以与服装集成、在服装上集成或靠近服装集成，以便使所述系统能由哺乳动物穿戴。预期这将使肺测量在迄今不可能或不实际的条件或状况下成为可能。另外，所述服装可以适合于提供对穿戴所述服装的哺乳动物的皮肤的紧密贴合，所述形状感测纤维被相对于所述服装布置以监测皮肤位移。因此，可以以各种方式来提供所述紧密贴合，例如，通过优选地具有比待测的人的实际尺寸稍小的尺寸的可伸缩或弹性纺织品来提供所述紧密贴合。优选地，在所述服装和哺乳动物之间应当没有褶皱和/或没有自由空间，以促进准确的肺测量。

在实施例中，所述服装可以包括多条形状感测纤维，所述多条形状纤维被光学地连接到所述光学讯问单元，并且所述处理单元对应地适于处理来自多条形状感测纤维的数据。优选地，一条或多条形状感测纤维可以被并入到所述服装中，以便覆盖所述人的胸部和/或腹部的至少部分，优选地是下至骨盆区的至少部分。

在一些实施例中，所述肺体积描记系统可以具有一条或多条形状感测纤维的至少部分，所述一条或多条形状感测纤维的至少部分在所述服装中或上形成环形形状。因此，如果纤维沿其纵向或长向方向是刚性的，则其可以形成所述服装或纺织品中或上的弯曲样式，以提供纤维沿其横向方向的位移。因此，对于一条或多条形状感测纤维设想各种样式，例如，环形形状、部分地圆形、整圆形、U形形式等，以及形状的各种组合。

在一个实施例中，任选地包括能由穿戴所述服装的哺乳动物使用的肺活量计，所述肺活量计优选地被集成到面罩中，其中，所述肺数据可以包括：胸内气体体积(TGV)、比气道阻力(sRaw)、气道阻力(Raw)、弥散容量(DLCO)、单次呼吸氮(N₂)、多次呼吸N₂排放量、肺顺应性和闭塞压力以及它们的任意组合或等价项。

在第二方面中，本发明涉及一种用于肺体积描记法的服装，所述服装能穿戴在哺乳动物的身体上，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维以促进对沿所述长度的应变的光学测量，

所述服装适于与相关联的光学讯问单元协作以将所述光学讯问单元与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的所述应变，并且

所述服装还适于与相关联的处理单元协作，所述处理单元被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的哺乳动物的肺数据的体积数据。

在第三方面中，本发明涉及肺体积描记方法，所述方法包括

-提供能穿戴在哺乳动物的身体上的服装，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维以促进对沿所述长度的应变的光学测量，

-提供光学讯问单元，所述单元被与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学地连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的所述应变，并且

-提供处理单元，其被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。

在第四方面中，本发明涉及一种肺体积描记计算机程序产品，所述肺体积描记计算机程序产品适于使得包括具有与其连接的数据存储模块的至少一个计算机的计算机系统能够实现根据本发明的第三方面所述的方法。

一般地，可以以在本发明的范围内可能的任何方式来对本发明的各方面进行组合和耦合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。

附图说明

将仅以范例的方式参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的肺体积描记系统的示意性实施例，

图2示出了根据本发明的肺体积描记系统的更详细的实施例，

图3示出了根据本发明的具有光纤核的形状感测纤维的示意性透视图示，

图4示出了根据本发明的肺体积描记系统的另一实施例，所述肺体积描记系统能由人穿戴，

图5示出了根据本发明的用于实现肺体积描记系统的服装的照片，

图6示出了将根据本发明的肺体积描记系统与基于数字成像的备选系统进行比较的图形，

图7示出了将根据本发明的肺体积描记系统(OSS)与基于磁共振成像(MR)的备选系统进行比较的另一图形，并且

图8示出了根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了肺体积描记系统10的示意性实施例，所述系统包括能穿戴在哺乳动物的身体(未示出)上的服装11(例如T恤衫类服装)，所述服装包括如示出的那样以外围样式被布置在服装上的形状感测纤维12，形状感测纤维12具有多条光纤(也未示出，但在图3中示出)以促进在呼吸期间对在纤维与身体密切接触的身体部分上沿形状感测纤维12的长度的应变进行光学测量。

还提供了光学讯问单元13，所述单元被与形状感测纤维中的所述多条光纤光学地连接，如下将更详细地解释光学讯问单元被光学地布置用于测量沿多条光纤的应变。

处理单元14被能操作地连接到光学讯问单元13以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的哺乳动物的肺数据(如在方框15中示出的PUL数据)的体积数据。方框15可以是适当种类的显示设备，或者备选地或额外地，肺数据可以被存储在电子存储设备(例如硬盘)中。

图2示出了根据本发明的肺体积描记系统的更详细的实施例。以示意性的方式图示了实施例以提供总览。在实际应用中，各元件被有益地集成为一个或多个单元。因此，表面插值、体积计算、流数据的处理、数据的存储、与其他设备的通信等可以被实现为在单个处理器上运行的软件模块。

能穿戴体积描记器包括如以上解释的三个单元13、14和15，所述单元任选地可以被集成到设备中(见图3)：

1、具有光学讯问单元13的光学形状感测单元，其用于确定患者的身体的体积

2、肺活量计单元20，其用于在呼吸期间测量气流

3、记录和分析单元的处理单元14，所述记录和分析单元用于存储测量结果并显示结果PUL数据。

利用这些单元，可以实现以下数据处理：

1、原始数据生成：

光学形状感测(OSS)系统是可用的，参阅标题为“Optical position and/orshape sensing”的专利申请US 2011/0109898中描述的方法，在此通过引用将其全部并入。这些系统允许测量和重建沿光纤长度的光纤的精确位置和形状。如果与纺织品组合，创建形状感测服装12(例如背心或衬衫)可能的。该背心应当紧紧贴合身体，确保光纤与身体表面接触。因此OSS系统测量在患者身体的表面上的点。

2、表面计算：

由于在相邻的纤维或同一纤维的环之间将总是存在一定的距离，因此仅稀疏地对这些表面点进行采样。因此，在方框14a中可以对患者的表面进行插值。

3、体积计算14b：

经插值的表面可以被用于计算患者身体的体积。然后该结果被传递到记录单元。

可以利用几(直到40)Hz的更新频率重复以上的步骤1-3。同时肺活量计单元20测量通过口腔的气流并且将其发送到记录单元。

作为对图2中描述的处理流的备选，也可能立即记录OSS数据(位置数据)。这将以以下备选的方式即根据流程图方框来引导数据：从位置测量13和肺活量计20到方框14c中的记录，并且随后(也可能以后)到在方框14a中的身体表面计算和方框14b中的体积计算，最后在方框14d中显示或呈现结果。也可以提到，可能具有单独的两个记录单元，一个用于位置数据(或表面或体积数据)并且一个用于来自肺活量计单元20的气流数据。

不具有肺活量计20的身体体积测量对特定的应用可以是足够的。对于这些应用，可以省略肺活量计。

接着同时采集到的体积和流数据被发送到显示和分析单元14d以由肺脏学家或其他医学人员进行分析。例如，得到的流/体积图可以被用于诊断。记录单元也可以将数据无线地发送到数据存储单元，或到在另一位置中的分析单元。

服装或背心11可以额外地被装配有ECG电极(未示出)，以便与肺功能同时记录心脏状态。

利用当前系统在体外可实现的准确度被估计约为体积测量结果的2.5％(婴儿中)。当本发明人针对大(瘦)的人将人体建模为具有60cm高度和40cm(30cm)直径的圆柱体时，需要以2.4mm(1.8mm)准确度来确定人体的平均半径。当要求1％的准确度时，对于瘦的人需要0.7mm的准确度。这是对测量的系统误差的粗略估计。半径的统计误差可能更高，这是因为在计算身体体积时它们将在积分期间达到平均数。

这种粗略估计示出，本发明在测量系统可实现的范围中。

图3示出了根据本发明的具有光纤核的形状感测纤维的示意性透视图示。图3示出了根据本发明的具有四个光纤核9a、9b、9c和9d的光纤10的示意性透视图示。核9沿长度具有一个或多个FBG(如由虚线指示的未示出的左侧端部)。光学核9被示为与光纤30的中心轴平行，但在一些实施例中，可以以其他方式布置光学核。在一个优选实施例中，光学核9的数量是四个，并且它们被布置有平行于光纤30的中心光学核9d和围绕所述中心核螺旋缠绕的其他三个核9(未示出)。

通过写入光纤核中的布拉格光栅来使用外在散射信号，可能获得光学形状感测纤维。散射效率可以为大约1％的幅值。干涉仪的信号将以该比率的平方根(即10³或60dB)增加。形状感测纤维的终止仅仅需要少量的端反射抑制，使得例如8度角度的抛光切割将是足够的。关于纤维核之间串扰、循环器的有限衰减率、源于多核连接器的反射的所有问题被缓解。另外，导线将具有相对于形状感测纤维的可忽略的信号。可以通过在干涉仪的参考臂中添加相等的纤维长度来容易地补偿增加的导线长度，而不存在相位测量的完整性的恶化。

美国专利7,781,724是使用纤维布拉格光栅的形状/位置感测设备的范例，在此通过引用其全部而也将其全文并入本文。所述设备包括光纤器件。所述光纤器件包括至少两条单核光纤或者具有至少两个纤维核的多核光纤。在任一种情况下，纤维核都被隔开使得纤维核之间的模式耦合最小化。纤维布拉格光栅(FBG)的阵列被设置在每个纤维核内，并且频域反射计被以对光纤器件的可操作的关系定位。在使用中，将设备贴合对象。光纤上的应变被测量，并且应变测量结果与局部弯曲测量结果相关。对局部弯曲测量结果进行积分以确定对象的位置和/或形状。固有的缺点是，对于典型的FBG配置，反射计的探测器必须具有相对大的动态范围来包括在光谱带的‘翼’中的信息。

备选地或额外地，在本发明的上下文中，对于纤维布拉格光栅(FBG)可以应用瑞利散射来测量3维位置数据。

针对OSS利用的一个原理是在具有特征瑞利散射样式的光纤中的分布式应变测量。

瑞利散射作为纤维核中的折射率随机波动的结果而出现，对于纤维制造过程是固有的。这些随机波动也可以被建模为具有沿光栅长度的幅度和相位的随机变化的布拉格光栅。如果将应变或温度变化施加到光纤，则特征瑞利散射样式改变。可以首先在不将应变/温度激励施加到光纤的情况下执行光学测量来产生参考散射样式，并且接着在对应变/温度的感应之后再次执行光学测量。在已应变/无应变状态下纤维的瑞利散射光谱的互相关性确定了由施加的应变造成的光谱移位。由于温度变化ΔT或沿着纤维轴ε的应变的反向散射样式的这种波长Δλ或频移Δν非常类似于纤维布拉格光栅的响应：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=-\frac{\mathrm{\Δv}}{v}=K_T\mathrm{\ΔT}+K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

其中，温度系数K_T是热膨胀和热光系数的和。应变系数K_ε是群指数n、应变光张量p_i,j的分量和泊松比v的函数：因此，温度或应变的移位仅是光谱波长移位Δλ的线性伸缩。

光频域反射计(OFDR)本质上执行沿纤维的空间位置的频率编码，所述频率编码实现对局部瑞利反射样式的分布式感测。

在OFDR中，随着时间线性地调制激光波长或光学频率。对于相干探测，反向散射波被与在探测器处的相干参考波混合。当对波长进行扫描时，探测器接收归因于相长到相消干涉的变化以及反之亦然的调制信号。其频率Ω标记在纤维上的位置s，并且其振幅与局部反向散射因子和通过距离s的向前加向后传播的总幅度衰减因子成比例。通过例如使用光谱分析仪来执行对探测器信号的傅里叶变换，该方法允许同时根据沿着纤维的所有点s来恢复反向散射波。因此，可以通过与OFDR组合使用任意数量的移位检测或样式匹配方法(例如利用互相关性或其他相似度度量的块匹配、信号相位变化的计算等)测量特征瑞利散射样式的光谱移位来确定在纤维的不同部分上的应变。

当2条或更多条光纤处于已知的空间关系时(例如当被集成在多核形状感测纤维中时)，可以使用以上的分布式应变测量方法来建造形状感测设备。基于参考瑞利散射样式(或参考应变)的参考形状或位置，可以使用在已知/给定/固定的空间关系中的纤维之间的相对应变来重建新的形状。

图4示出了根据本发明的肺体积描记系统的另一实施例，所述肺体积描记系统能由人穿戴。

本发明的主要元件是背心类服装，所述服装由弹性织物制造并且与患者紧紧贴合(见图4)。交织成背心的是光纤形状感测系统的纤维。这样的系统允许以高空间和时间分辨率来识别细光纤的位置和形状。

背心覆盖患者的胸部和腹部，下至骨盆区。因此，可能测量患者身体的形状并且计算其体积。光纤被连接到测量电子设备，所述测量电子设备可以被附接到背心11或集成到背心11中。

此外，患者可以穿戴具有集成肺活量计(如果临床有关，则以及口腔压力传感器或遮板)的面罩21。与患者身体的形状和体积一起记录如由肺活量计21测得的气流(和压力)。肺活量计也可以任选地被装备有传感器以对哺乳动物的呼气气体进行分析。

肺活量计单元还可以被装备有遮板以测量在对着关闭的遮板的呼吸努力期间的口腔压力。与测得的体积变化一起，这种类型的测量允许计算胸内气体体积(TGV)，这是根据比气道阻力sRaw来计算气道阻力Raw的必须的数字。

重要的是认识到集成到背心中的形状感测技术不遭受其他技术的弊端，其使用皮带类设备来估计胸部或腹部周长。这些皮带在移动期间可以移位，并且由此不可以被用于可靠地测量既不在锻炼期间也不在睡眠期间的身体体积。由于所谓的“光纤呼吸体积描记法”仅利用皮带类设备来测量腹部或胸部的周长，其属于这一类。形状感测背心设备允许利用小得多的设备来替代基于舱室的身体体积描记器。此外，其是便携式的，并且由此允许测量在锻炼或日常生活活动期间的肺功能，与动态心电描记法设备相似。

图5示出了根据本发明用于实现肺体积描记系统的服装11的照片。

肺体积描记系统可以具有交织成服装11的形状感测纤维的至少部分。

备选地，通过在服装11中或上的一个或多个隔间对形状感测纤维的至少部分进行约束。其也能够以逐层的方式与服装集成。可能地，形状感测纤维可以被约束在服装11中的管中。

图6示出了将根据本发明的肺体积描记系统与基于数字成像的备选系统进行比较的图形。通过本发明生成的腹部和胸部曲线示出了与数字成像数据的良好相关性，从而验证了根据本发明的肺体积描记系统。

图7示出了将根据本发明的肺体积描记系统(OSS)与基于磁共振成像(MR)的备选系统进行比较的图形。再者，由本发明生成的OSS曲线示出了与通过MR获得的胸部曲线的良好相关性，从而进一步验证了根据本发明的肺体积描记系统。

图8示出了根据本发明的方法的流程图，所述方法包括：

S1提供能穿戴在哺乳动物身体上的服装12，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维以促进对沿所述长度的应变的光学测量，

S2提供光学讯问单元，所述单元与形状感测纤维中的所述多条光纤光学连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿多条光纤的应变，并且

S3提供处理单元，所述处理单元被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的哺乳动物的肺数据的体积数据。

简而言之，本发明涉及肺体积描记系统10，所述系统具有能穿戴在哺乳动物(例如人)身体上的服装11，所述服装包括具有多条光纤30的形状感测纤维12以促进对沿形状感测纤维的长度的应变的光学测量。光学讯问单元13与形状感测纤维中的光纤光学连接，以用于测量沿多条光纤的应变。处理单元14将应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的哺乳动物的肺数据的体积数据。本发明有利于获得针对提供哺乳动物的肺功能的更加真实的测量结果的肺测量的经改进的系统。

尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

在权利要求书或说明书中，提到的“第一实体、第二实体和第三实体中的至少一个”不必意味着存在第一实体、第二实体和第三实体中的每个，因而可能仅存在第二实体，或者备选地，可能仅存在第一实体和第三实体，以及具有更多实体等。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。权利要求中的任何参考标记都不应被解释为对范围做出限制。

Claims (17)

1.一种肺体积描记系统(10)，所述系统包括：

-能穿戴在哺乳动物身体上的服装(11)，所述服装包括具有多条光纤(30)的形状感测纤维(12)以促进对沿所述形状感测纤维的长度的应变的光学测量，

-光学讯问单元(13)，所述单元与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的所述应变，以及

-处理单元(14)，其被能操作地连接到所述光学讯问单元(13)以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。

2.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，其中，所述光学讯问单元(13)被光学地布置用于能够通过对所述形状感测纤维中的应变的光学测量来执行光学形状感测的光频域反射计(OFDR)。

3.根据权利要求1或2所述的肺体积描记系统，其中，一条或多条光纤(30)包括沿所述一条或多条光纤的所述长度分布的多个纤维布拉格光栅(FBG)。

4.根据权利要求1、2或3所述的肺体积描记系统，其中，一条或多条光纤包括沿所述一条或多条光纤的所述长度分布的多个瑞利散射特征段。

5.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，其中，所述多条光纤(30)被布置有中心光纤和围绕所述中心光纤缠绕的其他光纤。

6.根据权利要求1或5所述的肺体积描记系统，其中，所述多条光纤被组合成具有对应的多个光纤核(9)的公共光纤。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的肺体积描记系统，其中，来自所述形状感测纤维(12)的所述位置数据的空间分辨率在2.5mm以下，优选地在1mm以下，更优选地在0.5mm以下。

8.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，其中，所述形状感测纤维(12)包括用于形状感测的另外的器件，所述另外的器件是从由以下组成的组中选择的：电气器件、机械器件、气动器件、声学器件以及它们的任意组合。

9.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，其中，所述处理单元(14)被布置用于通过执行插值过程来将随时间的位置数据变换成随时间的表面数据，随后所述表面数据通过额外的插值过程而被变换成随时间的体积数据。

10.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，其中，所述光学讯问单元(13)和所述处理单元(14)与所述服装(11)集成、在所述服装(11)上集成或靠近所述服装(11)集成，以便使所述系统能由哺乳动物穿戴。

11.根据权利要求1或权利要求10所述的肺体积描记系统，其中，所述服装(11)适合于提供紧密贴合穿戴所述服装的所述哺乳动物的皮肤，所述形状感测纤维被相对于所述服装布置以用于监测皮肤位移。

12.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，其中，所述服装包括多条形状感测纤维，所述多条形状感测纤维被光学地连接到所述光学讯问单元(13)，并且所述处理单元(14)适于处理来自多条形状感测纤维的数据。

13.根据权利要求1或12所述的肺体积描记系统，其中，所述一条或多条形状感测纤维被并入到所述服装中，以便覆盖所述人的胸部和/或腹部的至少部分，优选地是下至骨盆区的至少部分。

14.根据权利要求1所述的肺体积描记系统，任选地包括能由穿戴所述服装的所述哺乳动物使用的肺活量计(20)，所述肺活量计优选地被集成到面罩中，其中，所述肺数据包括：胸内气体体积(TGV)、比气道阻力(sRaw)、气道阻力(Raw)、弥散容量(DLCO)、单次呼吸氮(N₂)、多次呼吸N₂排放量、肺顺应性和闭塞压力以及它们的任意组合或等价项。

15.一种用于肺体积描记法的服装(11)，所述服装能穿戴在哺乳动物的身体上，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维以促进对沿所述长度的应变的光学测量，

所述服装适于与相关联的光学讯问单元协作以将所述光学讯问单元与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学地连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的所述应变，并且

所述服装还适于与相关联的处理单元协作，所述处理单元被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。

16.一种肺体积描记方法，所述方法包括：

-提供能穿戴在哺乳动物的身体上的服装，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维以促进对沿所述长度的应变的光学测量，

-提供光学讯问单元，所述单元被与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学地连接，所述光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的所述应变，并且

-提供处理单元，所述处理单元被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。

17.一种肺体积描记计算机程序产品，其适于使得包括具有与至少一个计算机连接的数据存储模块的所述至少一个计算机的计算机系统能够实现根据权利要求16所述的方法。