CN106572799A

CN106572799A - 用于导管的光学传感器

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Publication number: CN106572799A
Application number: CN201580033704.1A
Authority: CN
Inventors: M·米勒; C·东格里; M·P·B·范布吕根; R·弗卢特尔斯; F·J·德布吕恩; W·C·J·比尔霍夫; D·彼得斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2017-04-19
Also published as: WO2015162140A1; JP2017517298A; US20170055841A1; EP3133996A1; EP3133997A1; CN106456134A; US20170071473A1; JP2017513677A; WO2015162186A1

Abstract

一种用于沿着导管(103)操作的光学传感器，所述光学传感器包括：光图案产生器，所述光图案产生器被配置成相对于所述光学传感器长度将至少一个光图案以径向投射角投射到所述光学传感器插入到其中的细长体积的内表面上，其中所述光图案产生器包括照明系统和第一光重定向元件(1007)，所述照明系统用于提供具有其方向沿着所述传感器长度的分量的第一光束，所述第一光重定向元件被配置成重定向所述光束以产生与所述光学传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案(1009)；第二光重定向元件(1012)，所述第二光重定向元件用于重定向所述光图案的来自所述细长体积的所述内表面的被反射的样式以提供第二光束；和成像装置(1013)，所述成像装置具有视场(1011)，所述视场带有大体上平行于用于接收所述第二光束的所述光学传感器的长度的中心轴线。

Description

用于导管的光学传感器

发明领域

本发明涉及光学传感器，具体来说涉及(但不限于)用于监测睡眠用户的上气道形状的上气道导管光学传感器。

背景技术

睡眠期间的呼吸障碍被认为是具有显著临床后果的常见问题。阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)导致气流的间歇性停止。当出现这些阻塞情形时，受影响的人将暂时醒来。因为这些醒来的情形每晚上通常出现10到60次，所以睡眠的片段化会产生过多的日间困睡度。已知具有OSA的一些患者每小时经历超过100个瞬时醒来的情形。OSA还会导致心血管和肺部疾病。

已知用于在睡眠期间维持气道通道的各种方案。旨在改变软腭、颌或舌头的位置的口腔用具是可得的，但患者的不适限制了它们的使用。持续气道正压(CPAP)装置通常用作针对OSA的一线治疗。这些装置使用产生稍微提高压力的气流并且维持气道内的正气压的密闭式面罩。

适于用除气道正压(PAP)之外的疗法的阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)患者库正在增加，因为目前有更多的替代方案可用。由于OSA的多层级的病理生理学，不同于PAP，这些替代方案中没有一个是‘万全之策’。患者的选择需要确保最佳的临床结果。

虽然药物诱导睡眠内窥镜检查(DISE)被认为是用于患者和疗法选择的最好方法，但在欧洲以及甚至在美国，许多耳鼻喉(ENT)执业医师因为相关成本(昂贵的临床环境和所需的工作人员)和感知的风险(呼吸暂停患者的镇静)而并不使用DISE。此外，DISE并不被认为代表了自然睡眠，因此，所观察到的塌缩模式可能并不反映特定患者在自然睡眠期间的OSA的真实的病理生理学。目前，关于如何最佳地选择用于患者的OSA治疗的替代方案，并没有一致的意见。压力导管试图克服与DISE相关的限制中的一些，但上气道测压法还具有缺点，因为其仅识别塌缩的位置，但不提供关于上气道阻塞的构造和严重度的任何信息。在发生事件时，上气道测压法也不提供可视化的确认。已经提出光学导管和内窥镜作为量化气道的构思。可以从Muller等人的“用于气管镜检查的非接触式三维激光测量装置(Noncontact three-dimensional laser measuring device for tracheoscopy)”(《耳科年鉴》，第111卷，第9期，第821-827页(2002年9月))和Dorffel等人的“一种新的测量气道尺寸的支气管镜检查方法(A new bronchoscopic method to measure airway size)”(《欧洲呼吸杂志》，第14卷，第783-788页(1999年))找到光学内窥镜的示例，但在其需要使导管平移穿过上气道以便确定上气道的完整画面的意义上，所描述的扫描方法通常繁琐。这意味着上气道的动态信息整体上丢失了。此外，在没有连续的临床监督的情况下对上气道的长期观察是困难的。此外，典型的光学导管具有光学传感器，该光学传感器最好具有这样一种视场，即，该视场显著地限制了监测实质性的(substantial)横截面区域并因此会错过或错过诊治在气道中出现的事件类型的能力，因为光学导管被‘定向’在未能捕捉事件或相当好地捕捉事件的方向上。

发明内容

本发明在权利要求中限定。

根据本发明，提供一种用于沿着导管操作的光学传感器，所述光学传感器具有沿着平行于导管方向的方向的传感器长度，所述光学传感器包括：

-光图案产生器，所述光图案产生器被配置成相对于所述光学传感器长度将至少一个光图案以径向投射角投射到所述光学传感器插入到其中的细长体积的内表面上，其中所述光图案产生器包括照明系统和第一光重定向元件，所述照明系统用于提供具有其方向沿着所述传感器长度的分量的第一光束，所述第一光重定向元件被配置成反射所述光束以产生与所述光学传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案；

-第二光重定向元件，所述第二光重定向元件用于重定向所述光图案的来自所述细长体积的所述内表面的被反射的样式以提供第二光束；和

-成像装置，所述成像装置具有视场，所述视场带有大体上平行于用于接收所述第二光束的所述光学传感器的长度的中心轴线。

举例来说，所述光学传感器是沿着它将与其一起使用的导管的细长结构，以使得细长轴线方向对应于所述导管长度方向。所述成像装置的视场具有大体上平行于所述光学传感器的长度方向的中心轴线，并且所述光图案产生器被配置成相对于所述光学传感器的长度方向径向地投射光。

所述光学传感器可以在所述导管的末端处，或其可以在沿着所述导管长度的其它任意处，以使得所述导管在所述传感器的任一侧上延伸。所述第一光束可以沿着所述传感器的长度大体上对准，使得所述第一光重定向元件将轴向方向转换成径向方向。所述第二光束还可以沿着所述传感器长度大体上对准，举例来说，会聚于所述成像装置处。所述第二光重定向元件因此从径向方向转换成轴向方向。

在一些实施例中，这种布置因此使得在导管内且沿着导管包括这样的传感器的导管，在用于单个以上的实质性的横截面区域或部分横截面的体积(例如，上气道)内是静态的或固定不动时能够进行测量，并且因此允许在无需在所述体积内移动所述导管或内窥镜的情况下进行对所述体积的更为逼真的分析。

所述光图案产生器可以被描述为结构化的光源。举例来说，所述图案沿着所述导管方向在强度上具有至少一个窄峰值。这个峰值围绕整个径向方向可以是连续的(即，圆形环)，或其围绕所述径向方向可以是非连续的(即，一组点)。在所述窄峰值的每一侧，所述强度优选地下降到尽可能接近于零。

所述光图案产生器可以进一步包括：透镜，所述透镜被配置成产生沿着所述传感器长度大体上对准的准直或部分地准直的光束；和反射元件，所述反射元件被配置成反射所述光束以产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案。

在这样的实施例中，所述传感器长度可以被缩短，因为所述反射元件可以将轴向光图案转换成径向光图案。此外，具体而言，这样的传感器能够在导管内和/或沿着导管操作，因为在径向投射处产生所述至少一个光图案能避免所述导管的近侧或远侧部分遮蔽传感器的操作。

所述第一光重定向元件可包括第一反射元件，并且所述第二光重定向元件可包括第二反射元件。

所述第一反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括单个反射表面角，所述反射锥体被配置成产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的呈环的形式的所述至少一个光图案。

在这样的实施例中，所述反射锥体可以将轴向光图案转换成径向光图案，其中所述光束被反射以形成可被反射到所述细长体积的内部表面上的环形图案。

所述第一反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括具有至少两个不同的反射表面角的台阶式反射轮廓并且被配置成产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的呈至少两个环的形式的至少两个光图案。

在这样的实施例中，所述台阶式反射轮廓通过产生呈至少两个环的形式的至少两个光图案可准许更容易地检测和确定所述细长体积的横截面轮廓。

所述第一反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括变化的反射表面角并且被配置成产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的分布式光图案。

类似地，在一些实施例中，通过产生分布式光图案，可以协助检测和确定所述体积的所述横截面轮廓。

所述第一反射元件可包括在所述光束的位于反射锥体之前或之后的光学路径内的衍射光学元件，所述反射锥体被配置成基于所述衍射光学元件而产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案。

在这样的实施例中，所述衍射光学元件能够产生更复杂的图案，例如，多个环，这能够允许进行更准确的横截面确定。

所述第一反射元件可包括位于所述光束的所述光学路径内的体积全息图，所述体积全息图被配置成基于所述衍射光学元件而产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案。

沿着所述光学传感器的长度大体上对准的所述成像装置可包括位于所述光学传感器的侧部和外部并且沿着所述光束的方向定向的摄像机。

在这些布置中，所述摄像机可以捕捉在前向(或轴向)视场中投射于所述体积(气道)壁上的所述光图案的图像。

沿着所述光学传感器的长度大体上对准的所述成像装置可包括位于所述光学传感器内并且沿着所述光束的方向以及与其大体上相反地定向的摄像机。

在这些布置中，所述摄像机可以捕捉在前向(或轴向)视场中投射于所述体积(气道)壁上的所述光图案的图像，但允许所述导管传感器的直径减小，因为所述部件在径向方向上不‘堆叠’。

沿着所述光学传感器的长度大体上对准的所述成像装置可包括摄像机和第二反射元件，所述第二反射元件位于所述光学传感器内并且沿着所述光束方向以及与其大体上相反地定向，所述反射元件被配置成将所述摄像机的所述视场的至少一部分从轴向视场方向反射到径向视场方向。

所述第二反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括单个反射表面角，所述反射锥体被配置成将所述摄像机(1013)的所述视场的至少一部分从轴向视场方向反射到径向视场方向。

在这些布置中，所述摄像机可以捕捉在侧向(或径向)视场中投射于所述体积(气道)壁上的所述光图案的图像，这有助于减小所述传感器的长度。

所述第二反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括具有至少两个不同的反射表面角的台阶式反射轮廓并且被配置成将所述摄像机的所述视场的第一部分从轴向视场方向反射到第一范围的径向视场方向，并且将所述摄像机的所述视场的第二范围从轴向视场方向反射到与所述第一范围的径向视场方向不连续的第二范围的径向视场方向。

在这些布置中，所述摄像机可以捕捉侧向(或径向)视场中投射于所述体积(气道)壁上的所述光图案的图像，这有助于减小所述传感器的长度但允许所述摄像机的视场重叠以有助于确定任何错误图像。

所述第二反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括变化的反射表面角并且被配置成产生大于所述摄像机的所述视场的传感器视场范围。

在这些布置中，所述摄像机可以捕捉投射于所述体积(气道)壁上的所述光图案的图像，所述光图案具有将由最初摄像机提供的较大覆盖度。

所述第二反射元件可包括反射锥体，所述反射锥体包括变化的反射表面角并且被配置成产生小于所述摄像机的所述视场的传感器视场范围。

在这些布置中，所述摄像机可以捕捉投射于所述体积(气道)的内壁上的所述光图案的图像，所述光图案具有将由所述原始摄像机提供的较小覆盖度，但被覆盖区域具有较大的成像密度。

所述光学传感器可还包括透明毛细管，所述透明毛细管被配置成支撑所述光图案产生器和所述成像装置并且还准许来自光学传感器的所述至少一个光图案传输到所述体积的所述内部表面。

在这样的实施例中，所述透明毛细管可支撑并且保护所述图案产生器和成像装置免受机械损坏，并且能够容易清洁所述传感器。

所述第一反射元件可包括具有限定锥体的内部腔室的固体主体，所述内部腔室具有低于所述固体主体的材料的折射率。这样能够使制造工艺简单，并且其利用从固体主体的较高折射率的材料到所述腔室(例如，空气)的较低折射率的全内反射。

所述内部腔室可限定面向相反方向的所述第一反射元件和所述第二反射元件。因此这两个反射元件由单个模块形成，借此降低成本。

无论是否形成为一模块，第一反射元件和第二反射元件都可以背对背，且其反射表面面向外。这使得直径能够减小，因为反射器和成像装置和照明源位于不同的轴向位置处。

在替代性设计中，所述第一反射元件相对于所述光学传感器的中心轴线偏移，并且所述第一光束相对于所述中心轴线偏移，并且所述第二反射元件与所述中心轴线对中，其中所述第一反射元件和所述第二反射元件面向相同的方向。这提供了轴向上更为紧凑的布置，同时保持用于光图案产生和用于收集所反射的光的分离的反射体(例如，锥体)。

所述光学传感器可进一步包括至少一个透明杆，其中所述至少一个透明杆可包括以下各项中的至少一个：透镜孔或中空部，所述透镜孔或中空部被配置成容纳光导并且被配置成作为透镜来操作，所述透镜被配置成产生沿着所述传感器长度大体上对准的光束；光图案产生器孔或中空部，所述光图案产生器孔或中空部被配置成反射所述光束以产生所述至少一个光图案；视场孔或中空部，所述视场孔或中空部被配置成将所述成像装置的所述视场的至少一部分从轴向视场方向反射到径向视场；成像装置孔或中空部，所述成像装置孔或中空部被配置成容纳所述成像装置。

因此，在这样的实施例中，所述透明杆可以支撑并且保护所述图案产生器和成像装置免受机械损坏，并且能够容易清洁所述传感器，此外提供一种结构，该结构减少了光学界面的数目并且因此减少了被所述成像装置捕捉的寄生反射的数目。

所述至少一个透明杆可包括：第一透明杆，所述第一透明杆包括所述透镜孔或中空部和所述光图案产生器孔或中空部；第二透明杆，所述第二透明杆包括所述视场孔或中空部和所述成像装置孔或中空部，其中所述第一透明杆和所述第二透明杆固定在一起。所述第一透明杆和所述第二透明杆可以通过胶固定在一起。

在一些实施例中，这种布置通过在将所述两个透明杆粘合在一起之前在端部中形成所述光图案产生器孔或中空部和所述视场孔或中空部而允许容易地构建它们。

所述光学传感器可以是刚性构件，以使得所述光图案产生器与所述成像装置之间的光学距离是限定的长度。

以这种方式，所述光图案产生器与所述成像装置之间的固定的光学距离能够使用简单的几何确定方式来执行横截面距离的确定。

所述光学传感器可进一步包括至少一个管道，所述管道可以进一步被配置成在所述传感器内定位用于至少一个其它光学传感器的至少一个光导。

以这种方式，所述传感器可布置有其它传感器并且为位于导管布置结构的远端处的传感器提供光源。

所述光学传感器可以进一步包括至少一个光源，所述至少一个光源可以光学耦合到所述透镜。

所述至少一个光源可包括以下各项中的至少一个：至少一个发光二极管；至少一个激光二极管；至少一个竖直外腔面发射激光器。

所述光学传感器可以进一步包括至少一个管道，所述管道可以进一步被配置成在所述传感器内定位从至少一个其它导管传感器输出的至少一个成像装置。

以这种方式，所述传感器可布置有其它传感器并且提供来自位于导管布置结构的远端处的传感器的数据路径。

一种导管可包括如本文中所描述的至少两个光学传感器，所述至少两个光学传感器沿着所述导管间隔地分布，并且所述至少两个光学传感器被配置成观察所述导管位于其内的体积的不同的实质性的横截面。

根据第二方面，提供一种用于从沿着导管设置的光学传感器获得图像的成像方法，其中所述传感器被配置成观察所述导管(103)位于其内的细长体积的横截面，所述光学传感器具有沿着平行于导管方向的方向的传感器长度，所述方法包括：

-相对于所述光学传感器长度将至少一个光图案以径向投射角投射到所述光学传感器插入到其中的所述细长体积的所述内表面上，投射步骤包括提供具有其方向沿着所述传感器长度的分量的第一光束和使用第一光重定向元件来重定向所述光束以产生与所述光学传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案；

-使用第二光重定向元件重定向所述光图案的来自所述细长体积的所述内表面的被反射的样式以提供第二光束；和

-使用具有视场的成像装置接收所述第二光束，所述视场带有大体上平行于所述光学传感器的长度的中心轴线。

将至少一个光图案在所述细长体积的所述内表面上以径向投射角投射给导管，可以进一步包括：产生沿着所述传感器长度大体上对准的光束；和反射所述光束以产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案。

被用于产生照亮图案的所述光源可包括以下各项中的至少一个：发光二极管；激光二极管；竖直外腔面发射激光器。可在所述光学传感器内或上设置管道，所述管道定位以下各项中的至少一个：用于至少一个其它光学传感器的至少一个光导；和从至少一个其它导管传感器输出的至少一个成像装置。

所述体积可以是上气道体积。

所述体积内诊断关注的实质性的横截面可以是缘膜(velum)、口咽部、舌根和会厌。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出典型的上气道和示例的横截面；

图2示出根据一些实施例的上气道导管的第一示例；

图3示出根据一些实施例的上气道导管的第一示例的细节；

图4示出根据一些实施例的如图2和图3中所示的第一示例上气道导管的传感器构造；

图5示出根据一些实施例的包括如图2到图4中所示的上气道导管和数据处理单元的上气道监测系统；

图6示出如由图5中所示的上气道监测系统监测到的塌缩事件的示例；

图7示出如实施在根据一些实施例的如图2到图4中所示的上气道导管上的示例超声传感器；

图8示出如实施在根据一些实施例的如图2到图4中所示的上气道导管上的第一示例光学传感器；

图9示出如实施在根据一些实施例的如图2到图4中所示的上气道导管上的第二示例光学传感器；

图10示出将轴向照亮图案转换成径向照亮图案的替代方式；

图11示出基于图9中所示的第二示例光学传感器确定示例横截面的尺寸；

图12示出如实施在根据一些实施例的如图2到图4中所示的上气道导管上的第三示例光学传感器；

图13示出适合于在如图11中所示的第三示例光学传感器中实施的视场反射的两个示例；

图14示出如实施在根据一些实施例的如图2到图4中所示的上气道导管上的第四示例光学传感器；

图15示出适合于在根据一些实施例的如图8到图14中所示的示例光学传感器中实施的光图案的示例；

图16示出适合于在根据一些实施例的如图8到图14中所示的示例光学传感器中实施的弯曲轮廓的反射元件的示例；

图17示出适合于在根据一些实施例的如图8到图14中所示的示例光学传感器中实施的台阶式轮廓的反射元件的示例；

图18示出如实施在根据本发明的一些实施例的上气道导管上的光学传感器的第五示例；

图19示出根据一些实施例的上气道导管传感器构造的第二示例；并且

图20示出根据一些实施例的上气道导管传感器构造的第三示例。

具体实施方式

如本文中所体现的构思是一种光学传感器，所述光学传感器可以应用于柔性或半柔性导管中，所述导管可以放置到患者的上气道中以在自然睡眠期间测量气道几何形状的改变。这种导管可包括沿着导管间隔地分布的至少两个传感器，其中所述传感器被配置成测量或观察所述导管插入于其内的体积的不同的实质性的横截面，在一些实施例中，所述横截面是气道的局部横截面。在一些实施例中，这些传感器的位置可以与关键的解剖位置或关注的诊断位置对准(举例来说，当导管插入时，传感器与缘膜(V)、口咽部(O)、舌根(T)和会厌(E)对准)。在一些实施例中，传感器的数目和间隔使得可以直接测量或确定这些关键的解剖位置中的每一个处的气道横截面测量值。在一些实施例中，传感器的数目和间隔使得可以在传感器之间出现关键位置的这些关键的解剖位置处对气道横截面进行插值计算。依据横截面的变化，数据处理单元可被配置成计算关键的生理参数，诸如，窄化的百分比和/或窄化的构造(举例来说，窄化是前-后窄化、侧向窄化还是圆形或径向窄化)。在一些实施例中，数据处理单元包括被配置成以可用格式向ENT专家呈现整晚测量的数据的用户界面(UI)。举例来说，在一些实施例中，UI可以被配置成产生诸如VOTE的公认的上气道分类方法，或者被配置成重放记录的关键事件。在一些实施例中，所述系统可以与其它传感器(举例来说，身体位置、氧饱和度、睡眠阶段)集成或在一些实施例中在整个多导睡眠监测(PSG)研究期间使用。以这种方式，所述系统可以提供气道几何形状和睡眠参数之间的相关性，举例来说，阻塞模式对睡眠阶段/位置的依赖性或者塌缩模式导致最强的氧饱和度下降事件。在一些实施例中，单个的传感器是用以测量气道横截面的光学(图案化的光)传感器或超声传感器，如下文将描述。实质性的横截面(substantial cross section)是其中观察到被插入的体积的横截面的大部分的横截面。举例来说，在一些实施例中，实质性的横截面是其中观察到横截面的180度以上(或π弧度)的横截面。因此，举例来说，观察到360度(或2π弧度)的整个横截面或270到360度(或3/2π到2π弧度)之间的接近整个的横截面是本文所描述的实施例的目标。应当理解，实质性的横截面应被理解为并不仅限于提供对横截面的实质性的覆盖区域进行观察的意义，而且还包含提供横截面观察的实质性的范围的意义。所述横截面可以沿着体积延伸，以使其不仅仅是细线。

换句话说，在一些实施例中，观察可以是对在所述体积的内壁上的(光的)大体上连续的环形图案的观察中的一个。在这样的实施例中，实质性的横截面覆盖区域和范围通过观察直接提供。然而，在一些实施例中，可以通过由大体上连续的传感器观察到的(光的)断开的环形图案、或由非连续的传感器或传感器阵列观察到的(光的)大体上连续的环形图案、或由非连续的传感器或传感器阵列观察到的但提供实质性的横截面范围的(光的)断开的环形图案来获得实质性的横截面范围。在这样的实施例中，可以通过插值产生或确定实质性的覆盖区域。举例来说，在一些实施例中，在所观察的覆盖区域中间隙小和/或规则地分布的情况下，这些值可以容易地“填充”或插值计算。

此外，应当理解，光学和/或其它传感器可被配置成观察或可视化不仅仅是这个投射的环。举例来说，传感器可以被配置成观察所述实质性的横截面以提供关于内气道壁的表面的更多信息。举例来说，虽然观察单个环的光学传感器可以提供一维‘视图’，换句话说，只提供环形图像，但是在一些实施例中，所述传感器可以被配置成提供具有实质性的横截面的二维或区域‘视图’。举例来说，这可以由邻近的环形成的阵列并且对它们之间的空间进行插值来提供，或者通过光学传感器或对实质性的横截面范围的二维区域进行观察和成像的另一传感器(例如，超声传感器)来提供。

此外，在本文中所描述的实施例中，传感器(尤其是，如本文中所描述的光学传感器)被配置成位于导管内并且沿着导管。这样，所述光学传感器被配置成(通过光图案产生器)产生或投射与所述(局部)导管的长度方向成径向投射角的至少一个光图案到细长体积(光学传感器插入到其中)的内部表面上。应当理解，径向投射角可能是与所述局部导管的长度方向成直角，但也可以是相对于所述局部导管的长度方向的任何适合的斜角，并且优选地是在导管的长度方向以及传感器的长度方向的法线处居中的直角扇形内的角。

关于图1，示出在上气道内的标示位置处具有典型横截面的示例患者上气道。患者1被示出具有例如食道3、下咽部(或喉咽部或会厌)5、口咽部(或舌根)7、腭咽部9、近侧鼻咽11和鼻腔13的横截面位置。在示例性横截面中，前-后方向是竖直的，而侧向方向是水平的。

此外，关于图2，示出了在根据一些实施例(换句话说，导管103在插入到患者体内之后)的位置中的上气道导管103的第一示例。在一些实施例中，导管103可以插入穿过患者1的鼻子直到尾侧处于食道中为止。可以由训练有素的护士或ENT专家在晚上或白天午睡之前插入。

图2进一步示出了如利用导管103在缘膜(或软腭)9、口咽部7、舌头6的根部和会厌5的限定位置处测量的横截面的示例。在示例横截面中，前-后方向是竖直的，并且侧向方向是水平的。

导管103可包括被配置成测量在上气道内的限定结构或位置处(或附近)的上气道的横截面的多个传感器104。在一些实施例中，待观察和监测的这些结构或位置可包括缘膜(或软腭)5、口咽部7、舌根9和会厌11。

导管103可以是柔性的，其中导管103的整个长度可以移动或弯曲。然而，应当理解，在一些实施例中，导管103被配置成半柔性的，其中导管103的若干部件或部分是柔性的，而导管103的其它部件或部分是刚性或非柔性的，或半柔性的，其中导管103的若干部分的一些维度是柔性的，而一些维度是固定的或刚性的。

举例来说，图3示出了包括位于刚性传感器104的部件之间的柔性非感测部件105的示例导管103。然后，导管的刚性传感器104的部件可以被配置成测定由上气道壁100限定的横截面轮廓107。

在一些实施例中，导管103可以是可操纵的，其中柔性部件105或柔性导管103可在插入期间被主动地定向。在一些实施例中，导管103可在插入期间被动地定向，其中导管响应于与上气道壁100接触而挠曲或弯曲。

为了减轻患者的不适，导管103的直径可以小于5mm，并且直径可以小于或等于3mm。

在一些实施例中，为了更好地监测具有不同气道长度的不同患者的这些结构，传感器104的位置可以是可调整的。在这样的实施例中，ENT专家可以基于先前的测量而为每一患者配置导管103。换句话说，在一些实施例中，导管103的传感器104的间隔可以相对于彼此调整。举例来说，在一些实施例中，导管103可包括在传感器之间的伸缩的或可调整长度的部件或部分，以调整传感器104的相对位置。在一些实施例中，传感器104本身能够在导管103的主体上移动。在一些实施例中，可以存在能根据患者的上气道长度而选择的各种长度(举例来说，短、中和长)的导管103。

关于图4，进一步示出了根据一些实施例的第一示例导管103的构造。如本文所描述的导管103包括被配置成位于患者的上气道的缘膜9区域内的第一或缘膜传感器104₉、被配置成位于患者的上气道的口咽部7区域内的第二或口咽部传感器104₇、被配置成位于患者的上气道的舌根6区域内的第三或舌根传感器104₆和被配置成位于患者的上气道的会厌5区域内的第四或会厌传感器104₅。

关于图5，示出了适合于操作导管103的导管或监测系统400的示例。在一些实施例中，导管系统400可包括例如图2到图4所示的导管103，在一些实施例中，该导管103可以连接到数据处理单元(DataPU)401，并且在一些实施例中，该导管103可以经由接口联接件421连接到数据处理单元401内的接口或收发器(Tx/Rx)413。数据处理单元401可包括被配置成接收传感器104的数据并且确定或产生适合的横截面信息的处理器403。此外，数据处理单元401可包括至少一个存储器405，在一些实施例中，该存储器405可以被细分为程序存储器407，该程序存储器407被配置成存储用于由处理器403操作或执行的指令，举例来说，用于处理传感器的数据以确定横截面信息或结果的程序或指令。此外，在一些实施例中，至少一个存储器405可包括被配置成存储数据(例如，举例来说，未处理的传感器数据)的数据存储器409。此外，在一些实施例中，数据存储器409可以被配置成存储被处理的数据，例如，在患者睡眠的持续时间期间由处理器403确定的横截面信息。

在一些实施例中，数据处理单元401可包括用户界面(UI)411。用户界面411可以是任何适合的用户界面，举例来说，被配置成使得能够向系统的用户显示数据并且能够显示从用户输入的数据的触摸屏显示器。在一些实施例中，用户界面411可包括单独的数据显示器和数据输入装置。因此，举例来说，数据处理单元401可包括用于录入数据输入的键盘/小键盘和用于向ENT显示数据的显示器屏幕。

在一些实施例中，用户界面411可以被配置成以可用格式向ENT专家呈现存储在数据处理单元401内的整晚测量的数据。举例来说，在一些实施例中，UI 411可以被配置成产生诸如VOTE的公认的上气道分类方法，或者被配置成重放任何确定的(记录的)关键事件。

在一些实施例中，数据处理单元401可以进一步被配置成从其它传感器接收数据。举例来说，在一些实施例中，数据处理单元可以被配置成从例如身体位置、氧饱和度、睡眠阶段的传感器接收数据。这个其它传感器的数据可以进一步进行时间编码或与基于导管103的传感器104的数据同步，使得在一些实施例中数据处理单元401可被配置成确定和/或显示气道几何形状与睡眠参数之间的任何相关性，举例来说，阻塞模式对睡眠阶段/位置的依赖性或者塌缩模式导致最强的氧饱和度下降事件。

在一些实施例中，可以在整个多导睡眠监测(PSG)研究期间采用包括数据处理单元401和导管的导管系统400。

在一些实施例中，数据处理单元401可以被配置成从来自传感器104的横截面信息确定多个临床相关的参数。举例来说，在一些实施例中，数据处理单元401可以被配置成确定横截面积，并且数据处理单元401可以依据所述横截面积进一步确定窄化的百分比。此外，在一些实施例中，数据处理单元401可以被配置成确定上气道塌缩事件的构造。举例来说，上气道塌缩事件主要是前-后(AP)、侧向还是圆形塌缩。

应当理解，为了使任何测量值反映可能在自然睡眠期间发生的事件，重要的是导管不从外部移动，因为这会损害患者的睡眠。然而，在一些实施例中，数据处理单元401可以被配置成在插入期间以‘扫描’或‘插入’模式操作，其中当插入导管时获取气道的3D图像。在这样的实施例中，3D图像可以用于提供关于在随后的整晚测量期间传感器位于气道中何处的精确信息。此外，由于导管位置可能随时间(举例来说，因为患者的移动)而稍微改变，所以在一些实施例中数据处理单元401可被配置成检测传感器的这种位移，并且在一些实施例中补偿这些移动。

在一些实施例中，为了确定整个气道图像，可能需要最初将导管103插入得比整晚测量所需的更深，然后将其回缩以用于测量。此外，在一些实施例中，导管103在插入和测量操作期间确定或产生插入深度的测量值。

图6中示出了如由数据处理单元401确定和显示的前-后塌缩事件的示例，其中在左手侧上示出了导管103处于原位的塌缩前的口咽部7的图像，在右手侧上示出了在导管处于原位的前-后塌缩的口咽部507的图像。

在一些实施例中，数据处理单元401可以以有利于由ENT接收的形式准备数据。举例来说，这可以是包括示出发生多少塌缩事件、塌缩事件的类型或构造、何时发生塌缩事件以及塌缩事件与任何其它传感器数据之间是否存在任何相关性的信息的摘要形式。因此，在一些实施例中，数据处理单元401可以访问来自(若干)附加传感器的数据以提供‘更丰富’的事件数据，例如，基于睡眠阶段或针对塌缩类型的典型的氧饱和度下降测量值来确定塌缩的类型。

在一些实施例中，数据处理单元401可以产生或确定表示在任何确定的塌缩事件期间气道形状改变的‘3D’模型。此外，数据处理单元401可以使系统的用户(例如，ENT)能够重放某些事件。

因此，在一些实施例中，数据处理单元401可被配置成构建体积的模型。可以基于由位于导管103上的传感器提供的数据而产生体积的模型。此外，数据处理单元401可以被配置(基于体积的模型或者由位于导管103上的传感器提供的数据)成产生适合于由ENT分析的临床信息。在一些实施例中，临床信息包括确定至少一个体积收缩或塌缩。此外，在一些实施例中，数据处理单元401可以基于确定至少一个体积收缩或塌缩而被配置成产生其它的临床信息，例如，确定以下各项中的至少一个：所述至少一个收缩或塌缩的位置；所述至少一个体积收缩或塌缩的程度(严重度)；和所述至少一个体积收缩或塌缩的构造。

所述至少一个体积收缩或塌缩的构造是已知的术语，其描述了收缩或塌缩的主方向。举例来说，如本文中所描述，收缩或塌缩的主方向可以是前-后(AP)收缩或塌缩、侧向收缩或塌缩、或圆形收缩或塌缩。

应当理解，在一些实施例中，数据处理单元401可以被配置成在一段时间内产生这样的临床信息。举例来说，数据处理单元401可以被配置成在夜晚或‘整个’夜晚监视或确定所述临床信息。

此外，应当理解，在一些实施例中，数据处理单元可以被配置成对临床信息按子时间周期进行分类。举例来说，适合的子时间周期可以是睡眠状态周期和/或睡眠位置周期。

如本文中所描述，此外，数据处理单元401可以被配置成存储所述临床信息、所述至少一个体积塌缩(以及与所述至少一个体积塌缩或收缩相关的特征或描述，例如，所述至少一个体积塌缩或收缩的位置、程度(严重度)和构造)。

类似地，数据处理单元可以被配置成重放所存储的临床信息。

如本文中所描述，举例来说，用户界面可以显示所确定/存储/重放的临床信息。举例来说，用户界面可以被配置成以所述至少一个体积塌缩(以及与所述至少一个体积塌缩或收缩相关的特征或描述，例如，所述至少一个体积塌缩或收缩的位置、程度(严重度)和构造)的形式显示所述临床信息。

用于这样的气道导管103的传感器104面临许多限制，这些限制需要重大的设计技能以便实现成功的结果。

如本文中所讨论，导管103和传感器104的直径必须≤5mm，并且优选≤3mm以确保患者接受。此外，在一些实施例中，传感器是刚性的而非柔性的，传感器的长度必须被限制以确保传感器通过鼻子。因此，在一些实施例中，刚性传感器的长度应该不超过2cm，并且优选地，刚性传感器的长度应当≤1cm。

如关于图2到图5中的导管103所示，所述导管必须以使得多个传感器集成到柔性导管(的中间)中的方式配置。举例来说，这避免了对所有传感器104实施的典型的光纤内窥镜设计，因为在沿着导管103的长度定位的传感器中向前的方向上的视场将被导管阻挡。

在一些实施例中，连接到外部的任何传感器104被配置成足够小以不与其它传感器104冲突或干扰。

在一些实施例中，传感器104被配置成被封装起来，因此易于清洁。类似地，在一些实施例中，传感器104被配置成使得唾液或粘液的薄层不应阻止传感器工作或产生不准确的数据。在一些实施例中，传感器104被配置成以足够快的速率操作以检测塌缩。类似地，在一些实施例中，传感器104被配置成以足够快的速率操作，以检测(并且使得数据处理单元401在一些实施例中能够滤除)气道的其它运动，例如，举例来说，呼吸运动。

在一些实施例中，传感器104被配置成在不需要机械扫描或移动的情况下操作。这是因为导管103(或内部)的任何移动可能使患者不会入睡或唤醒患者，并且因为机械布置倾向于使传感器易碎。

关于图7，示出了第一示例传感器。在一些实施例中，被配置成测量气道的横截面尺寸的传感器是围绕导管103布置的超声换能器604中的至少一个或阵列。为了保持导管的直径尽可能小，在一些实施例中，超声换能器604可以是‘小型’超声换能器，举例来说，CMUT(电容式微加工超声换能器)。在一些实施例中，CMUT 604可以在柔性基底上制造，并且因此在一些实施例中，传感器104包括围绕导管103的超声换能器604的环，所述环被配置成测定多个方向上的上气道的横截面。应当理解，(若干)超声换能器604将与介质(通常是上气道中的空气)阻抗匹配，以实现声波的最佳出耦合。

在一些实施例中，传感器104可由满足上述要求的光学传感器来实施。

如本文中所描述的光学传感器可以被配置成包括产生光图案(举例来说，光环)的光学元件、用以将光图案和/或成像装置(举例来说，摄像机)的视场(FOV)引导到导管侧部的一个或多个反射元件(举例来说，反射锥体)(应当理解，在一些实施例中，反射元件可以集成到光图案产生元件中)、成像装置(举例来说，具有大视场的微型摄像机)。

在一些实施例中，为了能够确定横截面测量值，光学元件、(若干)反射元件和成像装置具有固定的几何关系。

此外，在一些实施例中，被配置成产生光图案的光学元件经由光纤连接到激光二极管。在其它实施例中，激光二极管可以包含在所述传感器内。

在如本文中所描述的一些实施例中，光纤、光学元件、(若干)反射元件和成像装置都被集成到塑料或玻璃元件中，所述塑料或玻璃元件是(部分地)透明的以允许光图案照亮上气道并且成像装置(摄像机)看到气道壁上的光图案，并且所述塑料或玻璃元件保护传感器。

此外，在一些实施例中，处理成像装置的输出以便获得气道横截面的信息。

关于图8，示出了示例光学传感器的横截面视图。在一些实施例中，示例光学传感器被配置成通过在气道内产生光图案(例如，环)来测量气道的横截面尺寸，该光图案由成像装置(举例来说，由小型摄像机)从不同位置捕捉。以这种方式，在一些实施例中，光图案在气道壁上投射的图像可以通过使用所产生的光图案与成像装置之间的固定的几何学来实现气道形状的重建。

如图8中所示的光学传感器位于导管103内的透明毛细管704内。此外，光学传感器包括光纤，所述光纤被配置成将光束传输到位于光纤端部处的梯度折射率(GRIN)透镜703。GRIN透镜703(或任何其它适合的透镜构造)被配置成产生在透明毛细管704内投射到也在所述透明毛细管内的反射锥体707的表面上的光束(激光光束)705。反射锥体707被配置成反射光，以使其穿过透明毛细管704并且产生投射到气道壁100上的环形图案709。在图8中示为位于毛细管704外部的成像装置或设备(例如，小型摄像机713)在与光束705相同的方向上大体上对准。其被配置成具有视场711，视场711大致沿着与光束相同的方向(即，平行于导管轴线并因此平行于光学传感器的总体上细长的轴线)定向。因此，摄像机具有大体沿着这个方向定向的视场，即，其具有大体上平行于导管细长方向的中心轴线。凭借摄像机视场的角宽度，能够捕捉包括环形图案709在气道壁100上的投影的图像。此外，由成像装置或摄像机713产生的图像可被配置成将图像数据传递到数据处理单元401。

已经接收到图像数据并且在光学元件(透镜703)、反射元件(反射锥体707)与成像装置(摄像机713与摄像机视场711)之间确定几何关系的情况下，数据处理单元401可以被配置成分析所捕捉的图像数据和环形图案以确定(或重建或产生)气道横截面的尺寸。

关于图9，示出了第二示例光学传感器的横截面视图。第二示例光学传感器与第一示例光学传感器的不同之处在于，成像装置或摄像机813位于透明毛细管或玻璃管804内，使得传感器的直径能够减小并且产生没有在导管103的另一侧上到成像装置的位置的‘盲区’的图像(换句话说，不需要导管103在限定或特定的方向上定向，以防止导管遮蔽成像装置)。

如图9中所示的光学传感器位于导管103内的透明毛细管或玻璃管804内。此外，光学传感器包括光纤802，光纤802被配置成将光束传输到位于在光纤端部处的梯度折射率(GRIN)透镜803。GRIN透镜803(或任何其它适合的透镜构造)被配置成产生在玻璃管804内(并且通常在沿着玻璃管804的方向上)投射到也在玻璃管804内的反射锥体807的表面上的光束(激光光束)。反射锥体807被配置成反射光，以使其通过玻璃管804的壁并且产生投射到气道壁100上的环形图案809。成像装置或设备(例如，在图9中示出的位于玻璃管804内的小型摄像机813)在与光束的路径相反的方向上大体上对准。其再次配置成具有视场811并且能够捕捉包括环形图案809在气道壁100上的投影的图像。此外，由成像装置或摄像机813产生的图像可以被配置成将图像数据传递到数据处理单元401。

如本文中关于图8和图9所示的光学传感器的第一示例和第二示例可以被认为是“前视传感器”，因为成像装置与导管103大体上对准并且因此与透明毛细管或玻璃管布置结构对准。它们都使用反射锥体将来自轴向方向的产生图案的光重定向到径向方向。

图10中所示出的替代方案利用全内反射。因此，在本申请中使用的术语“反射元件”应当被理解为不限于镜面反射，而是包含全内反射。

虽然再次提供光学锥体817，但其包括具有比周围更高的折射率的透明材料。沿着导管轴线方向定向的入射光821被提供到锥体的基部(垂直于导管轴线方向)。光不经历折射，因为空气与锥体的界面是垂直的。

然后，光在由锥形圆锥面限定的内部锥体与空气的边界处经历全内反射。这是因为锥体材料的锥角和折射率被选择成在锥形内表面处引起全内反射。在反射之后，光传播到内锥面的径向相反部分，其中入射角更接近于法线。然后，光在与最初入射方向成90度的方向上(在使光弯折远离法线的界面处的折射之后)从锥体射出。这个90度角不是必要的，并且出射方向可以不是完全径向的。

举例来说，入射光821再次从光纤的直切面端部处的梯度折射率透镜接收。这个透镜可以具有大约0.25mm的宽度。

锥体817由折射率为n的主体形成，并且具有满足以下两个要求的顶锥半角α：

-sinα～ncos(3α)

cosα>1/n

现在将基于图10中所示的角度关系导出这些。到全内反射面的入射角是(90-α)度。假定锥体在空气中的临界角是：

sinθ_c＝1/n

因此，对于全内反射：

(90-α)>θ_c

sin(90-α)>1/n，以使得cosα>1/n

被反射的光在第二面(相对于法线)上具有3α-90度的入射角。这在图10中示意性地示出。对于垂直于入射角的出射光，出射角需是角度α。

使用斯涅耳定律且在对于锥体周围的空气来说n＝1的情况下，这给出：

sin(3α-90)/sinα＝1/n

-cos3α/sinα＝1/n

这给出：

-sinα＝ncos(3α)。

由具有n＝1.49的塑料制成的锥体的一个示例是α＝38.2度。举例来说，PMMA具有1.49的折射率。可以使用具有在1.3至1.6的范围的典型折射率的其它透明聚合物或玻璃。

出射光不必是完全径向的。可以通过偏离-sinα＝ncos(3α)来实现不同的出射角。举例来说，选择满足以下关系的n和α的值可能是适合的：

-0.9sinα/cos(3α)<n<-1.1sinα/cos(3α)

这也假定锥体在空气中。在锥形面上可以存在涂层，所述涂层将改变出射面处的折射率差，并且这还可改变角度与折射率之间的所需关系(其中值n成为边界处的折射率比)。举例来说，涂层可以具有如虚线823所示出的圆柱形外部形状，以使得在出口处不存在折射，但是锥体与涂层之间的界面处的角度变化被改变。

在一些实施例中，成像装置(例如，摄像机)具有≥90°的视场，以便减小传感器的几何长度。如本文中所描述，光图案产生元件(被配置成准直来自光纤的光并将光束引导到反射锥体的末端上的GRIN透镜)产生围绕导管的环形图案。此外，第二示例包括沿着相同的光学轴线固定的成像装置(摄像机)、反射锥体和GRIN透镜(与其中成像装置相对于光图案产生元件的光学轴线偏移的第一示例相反)。

应当理解，成像装置(摄像机)与反射锥体之间的距离被确定，以使得投射到气道壁上的光图案在用于典型气道尺寸的摄像机的视场内。举例来说，摄像机到锥体的距离通常在2cm与1cm之间。

在一些实施例中，玻璃管或透明毛细管在两侧连接到(不透明的)柔性导管部件。在这些柔性导管部件内，可以包含传输由成像装置(摄像机)产生的图像数据的线缆或连接件和光纤。在一些实施例中，光纤联接或连接到被配置成产生可见光的激光二极管，而在一些实施例中‘摄像机线缆’被配置成联接成像装置(摄像机)和数据处理单元401。

在一些实施例中，由数据处理单元401接收的图像首先被处理以确定是否存在干扰或模糊投射到气道壁上的环形图案的任何静态和/或动态的反射图案。然后，在一些实施例中，数据处理单元401可以减去所确定的静态和/或动态反射图案以产生更清楚的环形图案。然后，在一些实施例中，数据处理单元401可以跟踪图像上的光图案，并且确定当环形图案出现在图像上时在环形图案的若干点处与光学轴线的角度。然后，在一些实施例中，数据处理单元401可以依据基本的几何形状确定到气道壁的距离。举例来说，如图11中所示，其中摄像机913在摄像机(成像装置)913与锥体(环形图案产生器)907之间的限定距离901处在光学轴线900上，并且确定的环角度(摄像机角度)903、距光学轴线的气道壁距离905可以根据以下表达式确定：

气道壁距离＝摄像机-锥体的距离*tan(摄像机角度)。

因此气道壁距离通过三角测量获得。

应当理解，在一些实施例中，气道壁距离可以根据任何适合的方式来确定。举例来说，在一些实施例中，对于具有固定的视场和变焦设定的摄像机来说，气道壁距离可以由所述环与摄像机或成像装置的光学中心之间的成像像素的数目来确定。

在一些实施例中，数据处理单元401可以确定环角度(摄像机角度)以及整个图像环的气道壁距离。在一些实施例中，通过按扇区到扇区进行取样并且在基于扇区的气道壁距离计算值之间进行插值计算来确定环角度(摄像机角度)和气道壁距离。在一些实施例中，举例来说，对于向下穿过传感器的更远的传感器来说，气道的一些部分被(举例来说)摄像机线缆或光纤遮蔽或者在其阴影中，那么在一些实施例中数据处理单元可对缺失的部分数据进行插值计算。

关于图12，示出了第三示例光学传感器的横截面视图。第三示例光学传感器与前两个示例光学传感器的不同之处在于，成像装置或摄像机811联接到被配置成将‘前视传感器’转换成‘侧视传感器’的第二反射元件。

因此，这个设计具有背对背的第一反射元件和第二反射元件，其中它们的反射表面面向外。

使用两个反射元件能够用三角测量来测量径向距离。两个反射器之间的轴向间距是三角形的底边。然后，可以将光被接收到摄像机中的角度(由被接收的光在视场内的位置确定)与三角形的底边组合，以上文所解释的方式导出径向距离(即，气道壁距离＝锥体-锥体的距离*tan(入射角)。

‘侧视传感器’使得传感器能够测量更大的最大气道壁距离，而不需要更长的传感器。如从表达式(气道壁距离＝摄像机-锥体的距离*tan(摄像机角度))可示出，最大气道壁距离是基于成像装置的最大视场范围和摄像机与锥体之间的距离而固定的，因此，为了增加可以用于任何单个摄像机测量的最大气道壁距离，那么需要增加摄像机-锥体的距离或摄像机的视场。此外，如在复杂地形成的气道中，通过在一些实施例中采用第二反射元件(其在图12中所示的示例中是锥形的)，环形图案可被更接近于摄像机的气道结构模糊或遮蔽，在前视传感器中附近的‘阴影’效应可以被改进。

如图12中所示的光学传感器位于导管103内的透明毛细管或玻璃管1004内。此外，光学传感器包括光纤，所述光纤被配置成将光束传输到位于光纤端部处的梯度折射率(GRIN)透镜1003。GRIN透镜1003(或任何其它适合的透镜构造)被配置成产生在玻璃管1004内(并且通常在沿着玻璃管1004的方向上)投射到也在玻璃管1004内的反射锥体1007的表面上的光束(激光光束)1105。反射锥体1007被配置成反射光，以使其通过玻璃管1004的壁并且产生投射到气道壁100上的环形图案1009。成像装置或设备(例如，在图12中示为位于玻璃管1004内并且在与光束的路径相反的方向上大体上对准的小型摄像机1013)被配置成具有由第二反射锥体1012限定的视场1111，并且能够捕捉包括环形图案1009在气道壁100上的投影的图像。此外，由成像装置或摄像机1013产生的图像可以被配置成将图像数据传递到数据处理单元401。

关于图13，示出了‘侧视’光学传感器构造的两个样式。左手侧的“侧视”光学传感器构造(例如，在如图12中所示的光学传感器内实施的)使得成像装置或摄像机1013与第二反射元件或反射锥体1012之间的距离被设置成使得摄像机的(大体上)整个视场1011被偏转到侧部。相比之下，在右手侧示出的‘混合’传感器中，第二反射元件或反射锥体1112放置在距成像装置或摄像机1113一定距离处，以使得摄像机视场的一部分偏转到侧部1111b，但是保留了实质性的未偏转部分1111a。

在一些实施例中，‘混合’传感器具有优于‘前向传感器’和‘侧向传感器构造’的某些优点。由反射锥体1107的第一反射元件偏转的光束1105在气道上产生环形图案1109。如本文中所描述的偏转视场可以被用于检测气道壁是否距传感器相对较远，并且未偏转的视场可以被配置成检测何时气道壁非常接近于传感器。

此外，在一些实施例中，成像装置(摄像机1113)和第二反射元件或反射锥体1112的配置可以被布置成使得在反射的FOV区域与直射的FOV区域之间的覆盖区域中存在重叠部分。在覆盖区域中的这个重叠部分可以被配置成用于其中摄像机的FOV最大的摄像机图像的拐角。在其中气道壁落在这个重叠部分内的实施例中，在摄像机上看到两次环的部分，一次相对于被偏转的FOV并且再次在直射的FOV中看到。在一些实施例中，这种‘双’环确定结果可以用作检测何时传感器被分泌物过度覆盖或模糊的错误指示标记以正常工作。

关于图14，示出了第四示例光学传感器的横截面视图。第四示例光学传感器与第三示例光学传感器的不同之处在于，透镜元件和反射元件由模制塑料(或其它机加工的透明材料)杆内的气隙产生，而不是使用插入到玻璃管或透明毛细管中的GRIN透镜和反射元件产生。因此，第四示例光学传感器更便宜并且更容易制造，从而需要更少的部件完全对准。此外，在植入这样的传感器的实施例中，照明或光束通过更少的界面，因此产生更少的寄生反射。举例来说，在关于图8、图9和图12所示出的示例中，光通过两个空气-玻璃(或空气-塑料)界面(毛细管壁)，所述界面产生多个反射并且可能使得难以识别摄像机图像上的真实环形图案(特别是如果分泌物的存在产生具有反射的其它界面)。

因此，如图14中所示，通过采用固体玻璃或塑料杆，锥体和/或图案产生元件被模制、机加工或切割到其中。可以定义‘固体传感器’。图案产生器和成像系统两者的反射元件由具有内部腔室(其限定两个锥面)的这个固体主体限定，所述内部腔室具有比固体主体的材料低的折射率。

如图14中所示的‘固体’传感器包括对如所示的通过接头1206对接在一起的玻璃或塑料杆1215进行模制、机加工或切割而形成两个元件。第一玻璃或塑料杆包括两个充满空气的腔室或中空部1296，其中的每一个限定一光学部件。第一中空部限定第一透镜形状1203并且被配置成经由光纤尾纤1299接收光纤1202。第二中空部限定被配置成反射光束以产生投射到气道壁上的环形图案1209的第一反射元件或锥形形状1207。第二玻璃或塑料杆包括用于反射成像装置(或摄像机1213)的视场的第二反射元件或锥形中空部1212。在一些实施例中，如果杆的折射率和锥角是适合的，那么在锥体-空气边界处发生全内反射，并且锥形切口的功能类似于反射锥体。替代地，在一些实施例中，施加附加的反射层以产生反射表面。

成像装置或摄像机1213可以通过第二玻璃或塑料杆定位或对准在传感器内，所述第二玻璃或塑料杆具有摄像机装配于其内的成像装置或摄像机洞、中空部或孔。因此，成像装置被配置成具有由第二反射元件或锥形中空部1212限定的视场1211，以捕捉包括环形图案1209在气道壁上的投影的图像。此外，由成像装置或摄像机1213产生的图像可以被配置成将图像数据传递到数据处理单元401。

此外，尽管关于图14所示的示例示出了两件式或两元件的‘固体’传感器部件或部分，但应当理解，在一些实施例中，‘固体’传感器由任何适合数目的零件或元件形成。

在一些实施例中，如本文中所讨论的固体传感器包括在接头1206处使用任何适合的胶粘合在一起的两个透明玻璃或塑料的固体杆。

在一些实施例中，为了将线缆和光纤引导到其它传感器，所述杆被划刻或开槽。

尽管如图14中所示的示例固体传感器是侧视传感器，但是应当理解，前视传感器也可以以固体传感器的构造来实施。

在如本文中所讨论的示例中，投射到气道壁上的光环大体上是整个环。然而，在一些实施例中，所投射的光图案可以比简单的环更复杂。在这样的实施例中，光图案可以提供对气道更好或更稳健的重建。因此，在一些实施例中，通过实施或采用衍射光学元件(DOE)板或箔片来产生光图案。在这样的实施例中，定制的DOE可以在传输的光束中产生几乎任意的衍射图案。在图15中示出了一些示例，如箔图案1301、1303、1305和1307的板所示出。

此外，应当理解，DOE的实施方案可以以任何适合的方式执行。举例来说，如图15的左手侧所示出，传感器可以配置成具有位于GRIN透镜与反射锥体之间的DOE箔或栅格1311。替代地，在一些实施例中，DOE箔或栅格1313可以位于锥形反射锥体周围，例如，图15的右手侧所示。在这个示例中所示出的DOE产生3个同心环。在这样的实施例中，附加的环可以用于改进可测量到的气道壁的距离的精度。尽管图15中所示出的示例示出了在侧视传感器内实施的DOE箔或栅格，但是应当理解，DOE箔或栅格可包含在如本文中所讨论的‘前视传感器’或‘固体传感器’示例内。

在一些实施例中，可以采用全息元件(举例来说，全息晶体或全息聚合物元件)在照亮时产生全息(或复杂)光图案。

在如本文中所讨论的示例中，反射元件(或反射锥体)被描述为直锥体，换句话说，反射表面是线性的。然而，在一些实施例中，反射表面可以是非直的(或者换句话说，是不连续的或非线性的)，以便整合附加功能。

举例来说，关于图16，示出了包括用以反射成像装置或摄像机1413的视场的反射锥体1412的传感器，所述反射锥体被配置成具有弯曲的反射表面。应当理解，传感器的视场1423通常限于摄像机的视场1421，然而，通过采用具有内凹侧的反射锥体，可增加传感器的视场并且产生与添加凹透镜相同的效果，但没有附加成本和对准问题。凹反射锥体形状可以相对于根据‘前视传感器’、‘侧视传感器’的反射锥体或者‘固体传感器’实施例的任一实施方案来实施。在光束反射锥体表面为凹面的‘前视传感器’实施例中的传感器中，实施凹锥体以增加视场是特别有利的，因为在更大视场的情况下，可构建更短的传感器且不损害可测量到的最大气道壁距离。

在一些实施例中，应当理解，可以实施弯曲锥体，以便替换用于产生提供投射的环的光束的GRIN(或其它)透镜。

在一些实施例中，反射元件或反射锥体可包括台阶状的直边但具有不同的角度。举例来说，通过实施具有不同角度的台阶状反射表面作为光束反射元件，可以产生更复杂的光图案，而不是简单的锥形。举例来说，在例如图17中所示出的一些实施例中，来自GRIN透镜1503的光被具有两个角度的台阶式锥体1507反射，以产生两个环的光图案。对应地选择具有适当的几何特性的反射锥体1512以提供足够宽以捕捉所有所产生的环图案的所投射的摄像机1513视场。

尽管示出了产生具有两个反射角的锥体的单个台阶变化，但是应当理解，在一些实施例中，可以实施一个以上的台阶变化。此外，应当理解，在一些实施例中，通过在成像装置的反射元件上实施凸台阶变化，那么可以产生重叠的覆盖区域，从而实现如本文中所讨论的错误检测操作。

根据图18中所示的导管传感器的另一示例实施例，摄像机1513和GRIN透镜1503被彼此偏移地布置在相同的径向平面中。摄像机具有中心轴线与导管中心轴线对准的视场，并且摄像机锥体1512因此也与导管中心轴线对中。光散射锥体1507还接收平行于导管细长轴线但是相对于中心轴线偏移的入射光。摄像机锥体1512和光散射锥体面向相同的纵向方向。如从图18可以看出，这通过采用尺寸远小于相应的摄像机锥体1512的光散射锥体1507并且通过将所述光散射锥体安装在摄像机1513的视场之外的从导管的中心径向地移位的点处来实现。

光从GRIN透镜1503朝向光反射锥体1507的表面传播。光反射锥体具有适于反射所有入射光的表面，以使其以相对于导管纵向轴线的垂直(即，径向)角从导管射出。所反射的径向光束在周围的气道壁处投射环形图案1509。

由于光散射锥体1507垂直地反射光，所以其偏心位置对所产生的环形图案1509的径向对称性没有影响。举例来说，这将与适于在一定角度范围内反射光的锥体形成对比，其中偏心定位将产生环形图案，所述环形图案在围绕气道的圆周的不同点处具有不同的宽度。

如光路径1514所示出，摄像机1513(作为可选特征)具有足够宽以捕捉来自前面更远处的光的视场。这使得能够使用基于环形图案的距离测量以及基于光1514的常规成像来进行轮廓映射。这使得能够进行双向观看。

结合大体上平行于导管纵向轴线的来自GRIN透镜1503的入射传播矢量，光反射锥体1507可适于通过(举例来说)采用相对于所述纵向轴线具有45度的倾斜度的锥形表面来产生径向传播。在这种布置的情况下，从透镜入射的光以法向于导管的表面的角度(即，在径向方向上)从45度的锥体表面反射。

同时，摄像机锥体1512将由传感器的视场1523限定的并且由环形图案1509照亮的气道的环形部分的图像投射到(水平)摄像机1513的视场中。这样的布置大体上与关于图12到图17所示的导管传感器的先前实施例描述的那些相同。

所产生的传感器视场1523理想地足够宽以囊括环形图案1509，同时足够窄以排除捕捉光散射锥体1507。在这个实施例的一些示例中，摄像机锥体1512可以在大约126度的顶点处具有表面倾斜角。在该角度下，举例来说，锥体能够将图像从与导管103的外周边相距0.32与29.7mm之间的径向距离处的表面投射到摄像机1513。这是基于3mm的导管外径，并且是投射视场1523与环形图案1509重叠的径向距离的范围。在这个示例中，导管的刚性传感器部分可以具有大约10mm的长度。当然，通过更改各种尺寸、角度和相对位置，不同的设计是可能的。

光反射锥体1507可以是镜面反射锥体(例如，铝)，或者其可以是如上面参考图10所解释的全内反射锥体(其中末端面向相反方向)。

这个示例示出了光源和光源反射器不需要与中心导管轴线对准。类似地，图像传感器和图像传感器反射器不需要沿着中心轴线对准。因此，成像系统可以偏离中心，或者实际上两个单元都可以偏离中心。不同的设计将给出使用可用空间的不同方式。

关于图19，示出了在导管上的传感器布置的第二或其它构造。在这样的实施例中，不是如图4中所示出的，将有限数目个传感器104定位或放置在上气道导管103上，以使得传感器与特别关注的区域(例如，缘膜(V)9、口咽部(O)7、舌根(T)6和会厌(E)5)对准，而是导管1603包括沿着导管1603分布的多个传感器104₁₃，以使得关注的整个长度覆盖有传感器104₁₃。在这样的实施例中，可以以使得间隔足够小以获得气道的代表性表示而不管气道的尺寸的方式来选择传感器104₁₃。此外，在这样的实施例中，数据处理单元401可以被配置成通过对相邻的传感器横截面进行插值来插值计算气道中未被传感器104₁₃直接覆盖的给定位置处的横截面。

关于图20，示出了导管上的传感器布置的第三构造。

在这样的实施例中，导管1703被配置成具有被定位成分别提供在缘膜9、口咽部7和舌根6区域中的气道横截面信息的传感器104₅、104₇、104₉。然而，为了提供关于会厌5区域的更多信息，并且此外，为了防止导管可能与会厌接触的任何咽反射，导管1703包括在导管的末端中特定地监视会厌5的下视传感器104₁₅。在这样的实施例中，导管1703将因此是恰好在会厌5之前结束的较短导管。在一些实施例中，‘会厌’传感器104₁₅可包括具有限定的光图案1701的光图案产生元件和成像装置(例如，用于在光图案下对会厌成像的摄像机)。然而，应当理解，在一些实施例中，‘会厌’传感器104₁₅可以是被配置成从导管1703的末端或端部产生会厌的‘视图’的超声换能器的二维阵列。换句话说，导管传感器构造使得在这样的实施例中存在位于导管的远部端部处的至少一个传感器以及沿着导管间隔分布的至少两个传感器，其中所述至少一个传感器被配置成观察或测量毗邻导管的远端的体积(例如，如本文中所讨论的气道)。

尽管本文中关于图20所示的示例示出了类似于第一示例的传感器布置或构造，例如图4中所示出，但是具有“会厌”传感器，但是，应当理解，所述传感器布置或构造可以类似于第二示例，例如图19中所示出，其中端部传感器被‘会厌’传感器替换。

在本文中所示的示例中，与医疗导管相关地描述了光学传感器。然而，应当理解，在一些实施例中，所述光学传感器可以在用于监测横截面区域或管道、任何适合形状或大小的导管的任何适合的传感器阵列构造内并且沿着其实施。举例来说，在一些实施例中，所述光学传感器可以在用于观察或检查横截面一致性的体积内布放的传感器阵列内实施。因此，在管线或管道经受可能导致管道内的流动收缩的外部压力的情况下，所述光学传感器可以提供对任何塌缩或收缩位置的指示。

应注意，上文所提及的实施例例示性地解释了(而非限制)本发明，并且所属领域的技术人员将能够在不背离所附权利要求范围的情况下设计许多替代性实施例。在权利要求中，置于括号内的任何附图标记不应理解为对权利要求进行限制。词语“包括”并不排除除列于权利要求中的元件或步骤之外的其它元件或步骤的存在。出现在元件前面的词语“一”和“一个”并不排除多个这类元件的存在。所述实施例可以借助于包括几个不同元件的硬件来实施。在列出几种装置的设备权利要求中，这些装置中的几个可以用同一个硬件来实施。事实上在互不相同的从属权利要求中记载某些措施并不表示不能有利地利用这些措施的组合。此外，在所附的权利要求中，包括“以下中的至少一个：A；B；和C”的列举应解释为(A和/或B)和/或C。

Claims

1.一种用于沿着导管操作的光学传感器(104)，所述光学传感器具有沿着平行于导管方向的方向的传感器长度，所述光学传感器包括：

-光图案产生器，所述光图案产生器被配置成相对于所述光学传感器长度将至少一个光图案以径向投射角投射到所述光学传感器插入到其中的细长体积的内表面上，其中所述光图案产生器包括照明系统和第一光重定向元件，所述照明系统用于提供具有其方向沿着所述传感器长度的分量的第一光束，所述第一光重定向元件被配置成重定向所述光束以产生与所述光学传感器长度成斜角和/或直角的所述至少一个光图案；

2.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一光重定向元件包括第一反射元件，并且所述第二光重定向元件包括第二反射元件。

3.根据权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述光图案产生器包括被配置成输出光束(705、1005、1105)到所述第一反射元件的透镜(703、803、1003、1203、1503)。

4.根据权利要求2或3所述的光学传感器(104)，其特征在于，所述第一反射元件包括反射锥体。

5.根据权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，所述反射锥体包括：

-反射表面，所述反射表面具有单个倾斜角，所述反射表面被配置成产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的呈环的形式的所述至少一个光图案；或

-台阶式反射表面，所述台阶式反射表面具有至少两个不同的反射表面倾斜角且被配置成产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的呈至少两个环的形式的至少两个光图案；或

-变角反射表面，所述变角反射表面被配置成产生与所述传感器长度成斜角和/或直角的分布式光图案。

6.根据权利要求5所述的光学传感器(104)，其特征在于，所述锥体被布置成基于全内反射而反射光。

7.根据权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，所述第一反射元件包括具有限定所述锥体的内部腔室的固体主体，所述内部腔室具有比所述固体主体的材料低的折射率。

8.根据权利要求7所述的光学传感器，其特征在于，所述内部腔室限定面向相反方向的所述第一反射元件和所述第二反射元件。

9.根据权利要求1到5中的任一项所述的光学传感器，其特征在于，所述第一光重定向元件和所述第二光重定向元件背对背，其中光重定向表面面向外。

10.根据权利要求1到5中的任一项所述的光学传感器，其特征在于，所述第一光重定向元件相对于所述光学传感器的中心轴线偏移并且在使用期间所述第一光束相对于所述中心轴线偏移，并且所述第二光重定向元件在所述中心轴线上居中，其中所述第一光重定向元件和所述第二光重定向元件面向相同的方向。

11.根据前述任一权利要求所述的光学传感器(104)，其特征在于，所述成像装置包括位于所述光学传感器内的摄像机(813)。

12.根据权利要求2到11中的一项所述的光学传感器(104)，其特征在于，所述第二反射元件(1012)包括以下各项中的至少一个：

-反射锥体，所述反射锥体包括单个反射表面角，所述反射锥体被配置成将所述摄像机(1013)的所述视场的至少一部分从轴向视场方向反射到径向视场方向；

-反射锥体(1507)，所述反射锥体包括具有至少两个不同的反射表面角的台阶式反射轮廓并且被配置成将所述摄像机(1013)的所述视场的第一部分从轴向视场方向反射到第一范围的径向视场方向，并且将所述摄像机(1013)的所述视场的第二范围从轴向视场方向反射到与所述第一范围的径向视场方向不连续的第二范围的径向视场方向；

-反射锥体，所述反射锥体包括变化的反射表面角并且被配置成产生大于所述摄像机的视场的传感器视场范围；或

-反射锥体，所述反射锥体包括变化的反射表面角并且被配置成产生小于所述摄像机的视场的传感器视场范围。

13.根据前述任一权利要求所述的光学传感器(104)，其特征在于，所述光学传感器还包括透明毛细管(704、804、1004)，所述透明毛细管被配置成支撑所述至少一个光图案产生器、所述成像装置和所述第二光重定向元件，并且还准许所述至少一个光图案从光学传感器传输到所述细长体积的所述内表面。

14.一种包括至少两个光学传感器(104)的导管，所述至少两个光学传感器(14)各自是根据前述任一权利要求所述的光学传感器，所述至少两个光学传感器(104)沿着所述导管(103)间隔地分布，并且所述至少两个光学传感器被配置成观察所述导管(103)位于其内的体积的内表面的不同的实质性的横截面。

15.一种用于从沿着导管(103)设置的光学传感器获得图像的成像方法，其中所述传感器被配置成观察所述导管(103)位于其内的细长体积的横截面，所述光学传感器具有沿着平行于导管方向的方向的传感器长度，所述方法包括：