CN112512416A - 用光学听诊器自动识别柯氏音和/或生物声学信号的装置和方法 - Google Patents

用光学听诊器自动识别柯氏音和/或生物声学信号的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了通过光学检测生物源声信号的方法和设备。在一些实施例中，检测柯氏音和/或测量血压。可选地或此外，使用一种光学听诊器(漫射光干涉仪光学听诊器)。

Description

用光学听诊器自动识别柯氏音和/或生物声学信号的装置和 方法
相关申请
本申请获得于2018年9月27日提交的美国临时专利申请62737191的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
以下预授权的美国专利出版物提供了潜在的相关背景材料，并全部以引用方式完整并入：20180279888 20180125377 20150366474 20140342332 2013028942320120283584 20100106030 20100049093 20090227878 20080240345 2008008952720080071179 20080033310 20070223652 20070016087 20060253040 2004014795620030139674 20020143259。
以下已发布的美国专利提供了潜在的相关背景材料，并且全部通过引用并入：9974449 9934701 8483399 7634049 7512211 7485131 6805671 6705998 66051036511435 6231523 5967993 5840036 5651369 5649535 5560365 5447162 54069545406953 5388585 5316005 5218967 5203341 5135003 5103830 5099851 50316304974597 4972841 4971064 4967756 4961429 4938227 4889132 4867171 48401814768519 4677983 4635645 4607641 20 4592366 4592365 4549549 4534361 45012814476876 4473080 4459991 4432373 4429700 4396018 4356827 4337778 43265364320767 4313445 4262674 4252127 4248242 4202347 4181122 4116230 41129294105020 4068654 4058117 4026277 4005701 3930494 4396018US4058117 US4592366。
图1A说明了现有技术听诊器。图1B示出了现有技术的血压测量装置。
发明内容
用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，该装置包括：a)用于通过机械连接的方式与动物生物组织连接的充气袖套；b)漫射光干涉仪光学听诊器，包括：i)柔性漫射膜；ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见或近红外λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；c)柯氏音分析电路，当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，所述柯氏音分析电路用于处理所述光探测器的输出信号，所述柯氏音分析电路从所述光探测器的输出信号中检测出柯氏音。
在一些具体的实施例中，用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置用于通过光学测量的方式，测量人类的血压和/或检测人类的柯氏音。
在一些具体的实施例中，所述柔性漫射膜是多层组件，所述多层组件包括：设置在可选光漫射膜上的光漫射膜
在一些具体的实施例中，所述柔性漫射膜对于垂直入射的λ波长光基本上是不透明的，所述λ波长光的光密度值(OD)大于2；或所述λ波长光的光密度值(OD)大于3
在一些具体的实施例中，所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光中至少有80％；或至少90％；或至少95％的光(按功率计)是由所述柔性漫射膜漫反射的光
在一些具体的实施例中，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面具体为，所述相干光源基本上是垂直地对准所述柔性漫射膜的表面；所述相干光源射入所述柔性漫射膜的入射角小于30°；作为优选，入射角小于20°；作为优选，入射角小于15°；作为优选，入射角小于10°
在一些具体的实施例中，i)所述相干光源在所述柔性漫射膜上产生光斑；ii)所述柔性漫射膜基本保持平坦，以确定承光平面；和iii)光斑中心与光探测器中心的连接线与确定了承光平面的所述柔性漫射膜的夹角满足下列情况之一：i)在45°和65°之间；ii)在40°和70°之间；iii)在35°和75°之间)。
在一些具体的实施例中，所述柯氏音分析电路包括硬件、数字计算机、模拟电路、数字电路、软件、固件和计算机代码中的至少一种。
在一些具体的实施例中，所述柯氏音分析电路基于对所述光探测器输出的时间不规则性的分析来检测所述柯氏音。
在一些具体的实施例中，该装置还包括：用于测量心脏收缩压或舒张压的血压检测电路，所述血压检测电路是在进行根据柯氏音与腕带内压力之间的时间修正后，测量心脏收缩压或舒张压。
在一些具体的实施例中，该装置该包括：用于测量所述充气袖套内部压力获取振荡信号的压力传感器；所述柯氏音分析电路根据i)振荡信号的脉动分量与ii)光探测器的输出量之间的时间修正获取柯氏音。
在一些具体的实施例中，所述柯氏音分析电路在柯氏音和其他生物声学信号之间进行区分。
在一些具体的实施例中，所述柯氏音分析电路通过以下分析技术中的至少一种分析光信号来检测柯氏音：熵分析、多尺度熵分析、分形维数、多重分形分析、小波分析、赫斯特指数常数、点态霍尔德指数、和自相关分析。
用于光学检测动物的生物声学信号的装置，该装置包括：a)用于通过机械连接的方式与动物生物组织连接的充气袖套；b)漫射光干涉仪光学听诊器，包括：i)柔性漫射膜；ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见的或近红外的λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；c)生物声学信号分析电路，当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，所述生物声学信号分析电路用于处理所述光探测器输出信号，所述生物声学信号分析电路从所述光探测器输出信号中检测出的生物声学信号。
在一些具体的实施例中，该装置包括：生物条件电路；所述生物条件电路用于根据生物声学信号分析电路的输出检测下列至少一种(即任意组合)生物状况：呼吸暂停事件；异常心脏杂音皮肤呈现蓝色，特别是在指尖和嘴唇上；肿胀或体重突然增加；呼吸急促；慢性咳嗽；肝脏肿大；颈部静脉肿大；食欲差和不能正常生长(婴儿)；极少或没有用力时大量出汗；胸痛；头晕；晕厥；呼吸和肺部声音；肺部发出小的咔嗒声、气泡声或响声。肺炎、心力衰竭和胸腔积液；胸壁厚度增加；肺部某部位过度膨胀(如因肺气肿)；肺部某部位气流减少；肠道运动发出的腹音；气体；恶心；出现或不出现肠蠕动；呕吐；大动脉湍流引起的听得到的血管音，称为杂音；动脉瘤。
在一些具体的实施例中，所述检测到的生物声学信号选自以下组别：i)柯氏音；ii)脉冲声信号；iii)呼吸或肺声信号；iv)消化或肠道声信号；v)动物体内胎儿产生的声信号；vi)心脏、肺、肠道、血管振动和/或血液流动所发出的声音。
在一些具体的实施例中，所述柔性漫射膜是多层组件，所述多层组件包括：设置在可选光漫射膜上的光漫射膜。
在一些具体的实施例中，所述柔性漫射膜对于垂直入射的λ波长光基本上是不透明的，所述λ波长光的光密度值(OD)大于2；或所述λ波长光的光密度值(OD)大于3。
在一些具体的实施例中，所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光中至少有80％；或至少90％；或至少95％的光(按功率计)是由所述柔性漫射膜漫反射的光。
在一些具体的实施例中，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面具体为，所述相干光源基本上是垂直地对准所述柔性漫射膜的表面；所述相干光源射入所述柔性漫射膜的入射角小于30°；作为优选，入射角小于20°；作为优选，入射角小于15°；作为优选，入射角小于10°。
在一些具体的实施例中，i)所述相干光源在所述柔性漫射膜上产生光斑；ii)所述柔性漫射膜基本保持平坦，以确定承光平面；和iii)光斑中心与光探测器中心的连接线与确定了承光平面的所述柔性漫射膜的夹角满足下列情况之一：i)在45°和65°之间；ii)在40°和70°之间；iii)在35°和75°之间)。
在一些具体的实施例中，所述生物声学信号分析电路包括硬件、数字计算机、模拟电路、数字电路、软件、固件和计算机代码中的至少一种。
在一些具体的实施例中，所述生物声学信号分析电路基于对所述光探测器输出的时间不规则性的分析来检测所述生物声学信号。
在一些具体的实施例中，所述生物声学信号分析电路通过以下分析技术中的至少一种分析光信号来检测柯氏音：熵分析、多尺度熵分析、分形维数、多重分形分析、小波分析、赫斯特指数常数、点态霍尔德指数、和自相关分析。
用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的方法，该方法包括：a)将充气袖套带套在该动物的生物组织上；b)提供一种漫射光干涉仪光学听诊器，包括：i)柔性漫射膜；ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见或近红外λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；c)将所述光学听诊器的所述柔性漫射膜机械地连接到动物的生物组织上，以使得生物声学信号的机械振动从生物组织传递到所述柔性漫射膜；d)当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，电子处理光探测器的输出，以便从光探测器的输出信号中检测到柯氏音。
一种用于光学检测动物生物声学信号的方法，该方法包括：a)提供一种漫射光干涉仪光学听诊器，包括：i)柔性漫射膜；ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见或近红外λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；b)将所述光学听诊器的所述柔性漫射膜机械地连接到动物的生物组织上，从而将生物声学信号的机械振动从生物组织传递到所述柔性漫射膜；c)当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，电子处理光探测器的输出，以便从光探测器的输出信号中检测到生物声学信号。
附图说明
本文参照了附图描述了前述系统的一些实施例。通过非限制性示例，向本领域具有普通技能的人清楚地表明本发明的是如何操作的。附图用于说明性讨论，并且没有尝试比基本理解本发明所需的更详细地显示实施例的结构细节。为了清晰和简单，图中描述的一些对象没有按比例缩放。
图1A-1B描述现有技术。
图2-23描述本发明的实施例。
实施例的详细描述
这里仅通过示例的方式参考附图描述本发明。现在具体地具体参考附图，要强调的是，所示出的细节仅是示例性的，并且仅是为了说明性地讨论本发明的优选实施例，并且出于提供所认为的目的而呈现。这里是对本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的描述。在这方面，没有试图比对本发明的基本理解更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述对于本领域技术人员来说是显而易见的。可以在实践中体现。在整个附图中，相同参考字符通常用于表示相同元件。
图2是用于光学检测柯氏音装置的框图。例如：用于光学测量血压和/或动脉壁弹性。
该装置包括：i)用于向生物组织400(例如：手腕或前臂或手指)施加压力340的充气袖套410；ii)用于对充气袖套410充气的充气泵420；iii)用于光学检测生物组织400的声学信号490的光学听诊器200；v)柯氏音信号(KSFLS)检测器，用于通过分析光学听诊器200的元件(光探测器230)的输出来检测柯氏音。
柯氏音的“检测”可包括以下任一项：i)识别柯氏音存在；(ii)确定柯氏音开始时间(测量收缩压)或结束时间(测量舒张压)；(iii)表征或分类检测到的柯氏音的类型(区分个体较适合的柯氏音和较不适合的柯氏音)；iv)计算柯氏音的一个或多个特征。
光学听诊器200或其元件如图4A-4B，5和6A-6B所示。如图4A中所示：i)相干光源(例如激光)210被设置在柔性漫射膜220的上表面上方(保持一定高度)，高度标记为H1；ii)将光探测器230设置在柔性漫射膜220的上表面上方(保持一定高度)，高度标记为H2。虽然图4A显示HI＝H2，但这不是必需条件。在图4A的示例中，从相干光源210到光探测器230的最短光路的长度是H1+H2，其中总光路包括两个部分：i)从相干光源210到柔性漫射膜220的第一部分和ii)从柔性漫射膜220到光探测器230的第二部分。
如上所述，相干光源210发射相干光，即λ波长的光。波长λ值的范围是可见光的波长范围或红外光(NIR)波长范围。例如波长λ值与柔性漫射膜220的机械振动330的振幅在相同的数量级上。
虽然图4A只展示出了一个相干光源210和一个光探测器230，但并没有限制使用相干光源210和光探测器230的数量。在一个示例中，多个光探测器接收由单个信号相干光源210发出的膜反射光320。
在本发明的实施例中，光学听诊器200进行如下工作步骤：将柔性膜220机械连接至生物组织400，(机械连接的方式包括铺设和/或放置，例如：与皮肤直接接触)。由受测者产生的声音信号(例如：血流或脉搏的噪声，柯氏音，呼吸，心音，动脉瘤音，腹部声音，肠鸣音，胎儿声音)在生物组织内传播。
由于i)光学听诊器200的柔性漫射膜220和ii)生物组织400之间是机械连接，来自生物组织的声信号驱动柔性膜的机械振动330。例如，振动方向垂直于振动膜和/或垂直于生物组织表面。例如，这些振动的幅度在0.1mM-1M数量级内。由于这些振动，从相干光源210到光探测器230的光路的长度随时间波动，例如，光干扰的程度和光干扰的类型(即相长与相消)都会随时间的波动而发生变化。
因此，可以将光学听诊器称为“干涉仪”。沿着从相干光源210到光探测器230的光路的光随时间变化的干扰程度驱动光探测器230所接收到的膜反射光320随时间波动。
图3示出了i)生物组织引起的膜的机械振动330(即，生物组织内的声信号引起的振动)和ii)将这些振动“转换”为光探测器230接收到的光的强度随时间的波动。可以相信的是柔性漫射膜220的振动描述了生物组织400内的实际声信号，该实际声信号受柔性漫射膜220的机械性能调节。
已知的光漫射性质具有两种反射类型：(i)镜面反射和(ii)漫反射。在本发明的实施例中，柔性漫射膜220是一种光漫射器，或者说柔性漫射膜220与光漫射膜或光漫射涂层相关联，或者可以说柔性漫射膜220具有光漫射特性。不希望受到理论的束缚，可以确信的是，上述提及的光漫射特性允许在较大水平区域发的柔性漫射膜220上实现“采样”和“平均”的反射，这样可以提供一种更稳定的测量方法，该测量方法不依赖于柔性漫射膜220上非常“局部”的点的反射。此外，上述提到的漫反射的方式也可用应用于多个光探测器230中。
发明人意识到光漫射的特性可能使光信号失真；即由于光扩散特性，光探测器230接收到的光信号290在反射机械振动330的信号时发生失真。从这个意义上讲，在某些实施例中对于某些特定的声音，光学听诊器200可以说不是一个“好”麦克风；这些特定的声音是K声音或频率低于数百赫兹的其他声音)。
关于图4A的非限定性实施方式中，柔性漫射膜220具有多层结构；例如：该多层结构包括：主层和在主层上方的漫射膜。而另一种柔性漫射膜220是单层结构。即使漫射膜是“独立层结构”，也可以说光被柔性漫射膜220漫反射。
如上所述，对于λ波长光来说，具有光漫射属性和/或实质不透光特性的光漫射膜220有利于光探测器230接收的λ波长光主要为光漫射膜220反射的光。这与从整个厚度的光漫射膜220穿过，并从光漫射膜220出射，然后被生物组织400(皮肤)反射的光形成对比。
在本发明的实施例中，柔性漫射膜220的厚度为至少0.05微米，或至少0.1微米。可选地或另外地，柔性漫射膜220的厚度至多为0.5微米，或至多为0.4微米，或至多为0.3微米。
在一些实施例中，柔性漫射膜220的厚度在0.3微米至0.5微米之间。
在本发明的不同实施例中，柔性漫射膜220或其后的膜由金属(钢或铝)或塑料制成。λ波长光具有充分反射的光学特性，以使得光探测器230接收到的λ波长光的主要是由柔性漫射膜220漫反射的光。
在图4A-4B和图5(一种特定展示方式)中展示了所述光学听诊器200的另一元件是听诊器壳体240。听诊器壳体240的一种潜在功能是保持相干光源210和光探测器230的位置不变，例如，保持相干光源210和光探测器230之间相对位置恒定，和/或保持相干光源210和光探测器230相对于柔性漫射膜220(不振动)的相对位置恒定。
在一些实施例中，H1的值是至少1mm，或至少1.5mm，或至少2mm。可选地或另外地，H1的值是至多5mm或至多4mm或至多3mm。
在一些实施例中，H 2的值是至少1mm，或至少1.5mm，或至少2mm。可选地或另外地，H 2的值为至多5mm，或至多4mm，或至多3mm。
在图4B中，示出了非常具体的几何结构，请注意该示例中θ为35°。不能因此约束本方案的实施方式。
在一些实施例中，i)通过听诊器壳体240保持柔性漫射膜220实质上的平坦状态，以确定承光平面；ii)相干光源210的光束照射在柔性漫射膜220上，该光束在柔性漫射膜220上产生光斑；iii)光斑中心与光探测器中心的连接线与确定了承光平面的所述柔性漫射膜的夹角为55°；或该夹角为55°；(优选地该夹角在45°至65°之间；优选地该夹角在40°至70°之间；优选地该夹角在35°至75°之间)。
进一步地，入射光束基本上垂直于承光平面或柔性漫射膜220所在的平面。进一步的，入射光束与法线的夹角为0°-35°；或为0°-25°；或为0°-20°；或为0°-15°；或为0°-10°；或为0°-5°。例如，实验证据表明确认的是，最佳信噪比中，“信号”是光探测器接收到的反应柯氏音的光。
听诊器壳体240的另一潜在功能是保持柔性漫射膜220的平坦。进一步地，即使听诊器壳体240没有对柔性漫射膜220施加主动的张紧/拉伸力，听诊器壳体240的存在也可以使柔性漫射膜220保持平坦，如果人们试图使柔性漫射膜220变形或弯曲，则听诊器壳体240将向柔性漫射膜220施加反作用力以保持柔性漫射膜220平坦；参见例如图5。
在一些实施例中，由相干光源210产生的光斑的大小至多为100μm；或至多为75μm；或至多为50μm；或至多为30μm。
在图6A-6B中记载了包括充气袖套410的柯氏音音检测装置，该柯氏音音检测装置用于对生物组织400(手臂或前臂或手掌或手指)施加压力340的实施例。如图2所示，充气泵420可以将承压流体350压入充气袖套中。根据由泵控制器430产生的控制信号360控制充气泵420。压力传感器440可以测量充气袖套410内的压力以产生振荡信号370。
分析光探测器230产生光信号290的内容，进一步的，通过光信号柯氏音(KSFLS)检测器500进行分析。KSFLS检测器500的目的是“检测”来自光探测器230输出的柯氏音。
柯氏音的检测本身可能很有用。在一些实施例中，采用柯氏音检测方法(通过血压模块)来测量收缩压和/或舒张压。通过将柯氏音的时间与充气袖套410内的压力数据进行关联得到时间函数。进一步的，通过振荡信号370和/或控制信号360可以提供反应充气袖套410内的压力随时间变化的数据。
可选地或另外地，可以分析柯氏音的形状要素，以计算受试者(生物组织400)的动脉壁弹性。
对于本公开，“模块”；和/或“电路”或“电子电路”(或任何其他“电路”，例如“血压电路”或“控制电路”或“泵控制电路”)；和/或元件；和/或单元；和/或控制器；和/或模块；和/或传感器(例如500或550或440或430或230)，传感器可以是包括模拟和/或数字电路的组合；和/或软件/计算机可读代码模块；和/或固件；和/或硬件元件包括但不限于：数字计算机，CPU，易失性或非易失性存储器，现场可编程逻辑阵列(FPLA)元素，硬连线逻辑元素，现场可编程门阵列(FPGA)元件和专用集成电路(ASIC)元件。可能用到的任何指令集架构包括但不限于精简指令集计算机(RISC)架构和/或复杂指令集计算机(CISC)架构。
在不同的实施例中，可以使用模拟和/或数字电路和/或软件/计算机可读代码模块和/或固件和/或硬件元件的任何组合来执行任何计算或分析过程；模拟和/或数字电路和/或软件/计算机可读代码模块和/或固件和/或硬件元件的任何组合包括但不限于数字计算机，CPU，易失性或非易失性存储器，现场可编程逻辑阵列(FPLA)元素，硬连线逻辑元素，现场可编程门阵列(PPGA)元素和专用集成电路(ASIC)元素。可以使用任何指令集架构，包括但不限于精简指令集计算机(RISC)架构和/或复杂指令集计算机(CISC)架构。
检测柯氏音(K音)
在一些实施例中，(通过光信号290或其派生信号)对柯氏音的检测至少部分基于光信号模式识别以及对测量得到的光信号290的时间不规则性的分析；进一步地，在充气袖套410充气或放气期间执行上述操作。
可选地或附加地，对柯氏音的检测或识别至少部分地基于光信号的频谱分析。
可选地或附加地，对柯氏音的检测或识别至少部分地基于对光信号(例如290)波动的不规则性的分析。
可选地或附加地，对柯氏音的检测或识别基于对光信号290的波动的不规律性与示波脉冲波(例如振荡信号370或其分量-例如脉动和/或直流分量)的相关性的分析。
在一些实施例中，可以使用滑动窗口技术(算法)来计算不规则度。在不同的实施例中，通过计算(滑动窗口上的)下一项或多项参数以检测K音和/或不规则度：熵；熵多尺度熵、分形维数、多重分形分析、小波分析、赫斯特指数常数、点态霍尔德指数、自相关分析。
图7A为由光探测器230产生的光信号290波形的示意图；图7B为振荡信号370的交变或脉动分量的波形的示意图；图7C为振荡信号370的直流分量(压力缓降)波形的示意图。
图8A-8B为在出现柯氏音时的光信号290和振荡信号370的交变或脉动分量的波形示意图。通过光信号290和振荡信号370的交变或脉动分量之间的对比，可以更准确地检测柯氏音。
图9A-9C为柯氏音首次出现之前的波形示意图。
图10和11为柯氏音首次出现的示意图；首次出现的柯氏音对应于约105m Hg的收缩压。
如图12所示，下一个/紧接着的柯氏音看起来与上一个柯氏音相似。
图13为最后一个柯氏音消失之前对应的舒张压的波形示意图；如图13所示，舒张点为71mm Hg。
图14为用于检测柯氏音的算法的流程示意图；
图15为使用本申请公开的技术方案测量获得的血压结果与使用手动测量血压的结果(黄金标准BP结果)具有良好相关性的示意图。
本申请提供了一种用于检测柯氏音的算法的实施例。
该算法利用振荡压力p(t)370和光信号290y(t)。光信号感测到类似心脏搏动的柯氏音时，振荡压力p(t)也检测到心脏的搏动。
在充气袖套压力释放期间，柯氏音先出现，然后在一定时间后消失。当柯氏音出现时，此时的压力定义为心脏收缩压力，而当K音消失时的压力被认为是心脏舒张。当柯氏音消失时，此时的压力定义为心脏舒张压力。
该算法的目的是通过处理采样信号yn和信号pn来确定收缩期和舒张期。
算法1包括以下基本步骤。
1、通过0.5-5Hz带通滤波器对p(t)进行去趋势和预滤波处理，以提取心脏脉搏波形。
2、检测p(t)的局部最大值并设置每个心脏脉冲的时间范围。
3、用70-400Hz带通滤波器对y(t)进行预滤波处理，以提取柯氏音。
4、计算功率包络线y(t)。
5、检测每个心脏搏动周期中的局部最大值。
6、检测每个心脏搏动周期中的标准偏差(局部最大值保持不变)。
7、将信噪比(SNR)计算为每个心动脉冲周期中相应的局部最大值和标准偏差之间的比值。
8、检测超出可接受的收缩压界限的第一个SNR(信噪比)。可以使用k-sigma标准凭经验定义这个收缩压界限，其中k是2-3之间的数字，而在压力收缩的初期阶段“sigma”是3-5个信噪比(SNR)的标准偏差。与该信噪比(SNR)相关的压力将理解为心脏收缩时压力。
9、检测超出可接受的舒张压界限的第一个SNR(信噪比)。可以使用k-sigma标准凭经验定义这个舒张压界限，其中k是2-3之间的数字，而在压力收缩的最后阶段“sigma”是3-5个信噪比(SNR)的标准偏差。与该信噪比(SNR)相关的压力将理解为心脏舒张时压力。
该算法有一些其他实施例
算法2是算法1的修改版本，其中功率包络线由功率谱密度(PSD)替换，如下所示：
1、为每一段与对应的心搏周期相关的去趋势声信号yn计算N个功率谱密度(PSD)的样本。在这种情况下，较低的频带功率(从0到70Hz)作为噪声功率，而较高的频带功率(从70到200Hz)作为信号功率。可以用于之前算法的步骤8和9中。
算法3是算法2的修改版本，其中，在时频域中对柯氏音进行跟踪，在某种程度上考虑了频移。柯氏音是通过总功率的增加和在向更高频带的明显频移来表示的。
理论讨论
激光多普勒频移是膜移动部分的速度函数。
当柔性漫射膜220振动时，反射光的频率移动。这种移动取决于运动的速度和方向。
柔性漫射膜220上的每个点反射的光的频率乘以众所周知的表达式给出的系数：
Figure BDA0002752855960000111
其中，通过Shift＝(l-Factor)进行频率偏移；
对于小值v的V＝v/c，我们可以通过以下公式近似得出多普勒频移：
Figure BDA0002752855960000112
其中，中心频率f_0。
例如，对于840nm波长，f_0约为3.5*10^14Hz
θ表示光传播方向与在接收点观察到的光方向之间的角度。
我们可以根据薄膜表面的光斑位置与探测器之间的夹角，将探测器上任意点的光强振幅表示为不同频率的反射波的叠加。这些波从光扩散器的照明点发出(图16)。
假定膜上的所有点以相同的速度V移动，则唯一的光程差由光反射的角度预先确定。在一维情况下，将所有测得的信号幅度计算为所有波的总和。每个波都有不同的频移。
所有波的叠加得到：
Figure BDA0002752855960000121
对于余弦值接近于1的情况，我们可以采用如下的近似方法：
Figure BDA0002752855960000122
执行运算得到：
I＝Z1-Z2
其中，
Figure BDA0002752855960000123
其中，C和S是菲涅耳(Fresnel's)积分
Figure BDA0002752855960000124
在图17中体现。
I的积分为v＝lmic/sec，并且Q＝0.05/2.5揭示了信号的两个分量：
高频分量和低频分量(见图18)。
由于高频分量是由检测系统的低通滤波器平均的，因此测量了“解调信号”。其调制频率取决于速度和θ。图19举例说明了这种依赖性。
对于图20-23的说明
图20示出了根据当前公开的资料构建的帕斯沃装置(在前臂上使用)与BP测量基准(金标准)的关系。
图21示出了根据当前公开的资料构建的光学听诊器装置(在手腕上使用)与BP测量基准(金标准)的关系。
图22A-22B和23涉及对不同类型的柯氏音进行分类以识别动脉壁弹性。
附加的说明
概念(实施例)1：一种采用无创实时方法识别柯氏音的系统，包括：
血压袖套；
至少一个激光源和至少一个紧邻激光源的光探测器，激光源的激光束指向柔性膜。
设置在皮肤表面的柔性膜，柔性膜能够响应皮肤振动，皮肤振动与血液动脉的振动相关。
用于测量(可充气)血压袖套内部压力的传感器；
用于对(可充气)血压袖套进行充气或放气的可控充气泵；
用于控制对(可充气)血压袖套进行充气操作或和放气操作的处理器。
一种基于计算机用于检测柯氏音的方法，该方法基于对与时间相关的激光光源光信号的分析；光源光信号该信号由柔性漫射膜反射并由柔性漫射膜振动产生。
概念(实施例)2：在概念(实施例)1所述的系统中，计算机通过执行上述方法在袖套放气期间测量第一个和最后一个的柯氏音。
概念(实施例)3：在概念(实施例)2所述的系统中，计算机通过执行上述方法在袖套充气期间测量第一个柯氏音。
概念(实施例)4：在概念(实施例)1所述的系统中，计算机执行上述用于识别柯氏音的方法，该方法是基于光信号模式识别和对袖套充气或放气期间随时间变化的测量光信号的不规则性进行分析。
概念(实施例)5：在概念(实施例)1所述的系统中，计算机执行上述用于识别柯氏音的方法，该方法是基于光学信号的频谱分析。
概念(实施例)6：在概念(实施例)1和2所述的系统中，计算机通过执行上述方法法根据在第一柯氏音和最后一个柯氏音时的袖套压的读数来提供收缩压和舒张压。
概念(实施例)7：在概念(实施例)1所述的系统中，光学漫射层设置在柔性膜上。
概念(实施例)8：在概念(实施例)1所述的系统中，充气袖套，探测器和膜位于受试者的上臂。
概念(实施例)9：在概念(实施例)1所述的系统中，充气袖套，探测器和膜位于受试者的手腕。
概念(实施例)10：一种无创的实时测量患者动脉收缩压和舒张压的方法，该方法包括以下步骤：
a)血压袖套，并将其套在患者的四肢周围；
b)传感器探头，该传感器探头包括至少一个相干光源和至少一个位于相干光源附近的光探测器；
c)位于柔性膜附近的传感器探头，使得从相干光源发射的光从该柔性漫射膜反射，则该柔性漫射膜的另一侧被紧紧压在受试者的一个身体部位；
d)在将测量到的光信号传输到处理器中，其中，处理器分析身体发出的光学信号的光学响应；所述光学信号与血管对袖套压力变化的反应有关。
e)使袖套膨胀超过收缩压；
f)逐渐降低袖套气压，同时特殊设计的算法连续处理识别光信号的时间相关特征图，直到识别到柯氏音的外观特征出现；并将这个时刻的空气袖套的测得压力定义为收缩压。
g)进一步地逐渐降低袖套气压，同时特殊设计的算法连续处理识别光信号的时间相关特征图，直到识别到柯氏音的外观特征消失；并将这个时刻的空气袖套的测得压力定义为舒张压。
概念(实施例)11：在概念(实施例)10所述的系统中，所述特殊设计的算法是基于对光信号波动的不规则性的分析。
概念(实施例)12：在概念(实施例)10所述的系统中，所述特殊设计的算法是基于对光信号波动的不规则性与振荡脉冲波的关联性的分析。

Claims (27)

1.用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，该装置包括：
a)用于通过机械连接的方式与动物生物组织连接的充气袖套；
b)漫射光干涉仪光学听诊器，包括：
i)柔性漫射膜；
ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见的或近红外的λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；
iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；
所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；
c)柯氏音分析电路，当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，所述柯氏音分析电路用于处理所述光探测器的输出信号，所述柯氏音分析电路从所述光探测器的输出信号中检测出柯氏音。
2.根据权利要求1所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置用于通过光学测量的方式，测量人类的血压和/或检测人类的柯氏音。
3.根据权利要求1或2所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述柔性漫射膜是多层组件，所述多层组件包括：设置在可选光漫射膜上的光漫射膜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述柔性漫射膜对于垂直入射的λ波长光基本上是不透明的，所述λ波长光的光密度值(OD)大于2；或所述λ波长光的光密度值(OD)大于3。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光中至少有80％；或至少90％；或至少95％的光(按功率计)是由所述柔性漫射膜漫反射的光。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面具体为，所述相干光源基本上是垂直地对准所述柔性漫射膜的表面；所述相干光源射入所述柔性漫射膜的入射角小于30°；作为优选，入射角小于20°；作为优选，入射角小于15°；作为优选，入射角小于10°。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，
i)所述相干光源在所述柔性漫射膜上产生光斑；
ii)所述柔性漫射膜基本保持平坦，以确定承光平面；
iii)光斑中心与光探测器中心的连接线与确定了承光平面的所述柔性漫射膜的夹角满足下列情况之一：i)在45°和65°之间；ii)在40°和70°之间；iii)在35°和75°之间)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述柯氏音分析电路包括硬件、数字计算机、模拟电路、数字电路、软件、固件和计算机代码中的至少一种。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述柯氏音分析电路基于对所述光探测器输出的时间不规则性的分析来检测所述柯氏音。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，该装置还包括：用于测量心脏收缩压或舒张压的血压检测电路，
所述血压检测电路是在进行根据柯氏音与腕带内压力之间的时间修正后，测量心脏收缩压或舒张压。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，该装置该包括：
用于测量所述充气袖套内部压力获取振荡信号的压力传感器；
所述柯氏音分析电路根据i)振荡信号的脉动分量与ii)光探测器的输出量之间的时间修正获取柯氏音。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述柯氏音分析电路能够在柯氏音和其他生物声学信号之间进行区分。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的装置，其特征在于，所述柯氏音分析电路通过以下分析技术中的至少一种分析光信号来检测柯氏音：熵分析、多尺度熵分析、分形维数、多重分形分析、小波分析、赫斯特指数常数、点态霍尔德指数、和自相关分析。
14.用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，该装置包括：
a)用于通过机械连接的方式与动物生物组织连接的充气袖套；
b)漫射光干涉仪光学听诊器，包括：
i)柔性漫射膜；
ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见的或近红外的λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；
iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；
所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；
c)生物声学信号分析电路，当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，所述生物声学信号分析电路用于处理所述光探测器输出信号，所述生物声学信号分析电路从所述光探测器输出信号中检测出的生物声学信号。
15.根据权利要求14所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，该装置包括：生物条件电路；所述生物条件电路用于根据生物声学信号分析电路的输出检测下列至少一种(即任意组合)生物状况：呼吸暂停事件；异常心脏杂音皮肤呈现蓝色，特别是在指尖和嘴唇上；肿胀或体重突然增加；呼吸急促；慢性咳嗽；肝脏肿大；颈部静脉肿大；食欲差和不能正常生长(婴儿)；极少或没有用力时大量出汗；胸痛；头晕；晕厥；呼吸和肺部声音；肺部发出小的咔嗒声、气泡声或响声；肺炎、心力衰竭和胸腔积液；胸壁厚度增加；肺部某部位过度膨胀(如因肺气肿)；肺部某部位气流减少；肠道运动发出的腹音；气体；恶心；出现或不出现肠蠕动；呕吐；大动脉湍流引起的听得到的血管音，称为杂音；动脉瘤。
16.根据权利要求14或15所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述检测到的生物声学信号选自以下组别：i)柯氏音；ii)脉冲声信号；iii)呼吸或肺声信号；iv)消化或肠道声信号；v)动物体内胎儿产生的声信号；vi)心脏、肺、肠道、血管振动和/或血液流动所发出的声音。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述柔性漫射膜是多层组件，所述多层组件包括：设置在可选光漫射膜上的光漫射膜。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述柔性漫射膜对于垂直入射的λ波长光基本上是不透明的，所述λ波长光的光密度值(OD)大于2；或所述λ波长光的光密度值(OD)大于3。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光中至少有80％；或至少90％；或至少95％的光(按功率计)是由所述柔性漫射膜漫反射的光。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面具体为，所述相干光源基本上是垂直地对准所述柔性漫射膜的表面；所述相干光源射入所述柔性漫射膜的入射角小于30°；作为优选，入射角小于20°；作为优选，入射角小于15°；作为优选，入射角小于10°。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，
i)所述相干光源在所述柔性漫射膜上产生光斑；
ii)所述柔性漫射膜基本保持平坦，以确定承光平面；
和iii)光斑中心与光探测器中心的连接线与确定了承光平面的所述柔性漫射膜的夹角满足下列情况之一：i)在45°和65°之间；ii)在40°和70°之间；iii)在35°和75°之间)。
22.根据权利要求14-21中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述生物声学信号分析电路包括硬件、数字计算机、模拟电路、数字电路、软件、固件和计算机代码中的至少一种。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述生物声学信号分析电路基于对所述光探测器输出的时间不规则性的分析来检测所述生物声学信号。
24.根据权利要求14-23中任一项所述的用于光学检测动物的生物声学信号的装置，其特征在于，所述生物声学信号分析电路通过以下分析技术中的至少一种分析光信号来检测柯氏音：熵分析、多尺度熵分析、分形维数、多重分形分析、小波分析、赫斯特指数常数、点态霍尔德指数、和自相关分析。
25.一种用于光学测量动物血压和/或检测动物柯氏音的方法，其特征在于，该方法包括：
a)将充气袖套带套在该动物的生物组织上；
b)提供一种漫射光干涉仪光学听诊器，包括：
i)柔性漫射膜；
ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见或近红外λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；
iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；
所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；
c)将所述光学听诊器的所述柔性漫射膜机械地连接到动物的生物组织上，以使得生物声学信号的机械振动从生物组织传递到所述柔性漫射膜；
d)当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，电子处理光探测器的输出，以便从光探测器的输出信号中检测到柯氏音。
26.一种用于光学检测动物生物声学信号的方法，其特征在于，该方法包括：
a)提供一种漫射光干涉仪光学听诊器，包括：
i)柔性漫射膜；
ii)相干光源，所述相干光源用于发射可见或近红外λ波长光，所述相干光源对准所述柔性漫射膜的表面；
iii)光探测器，所述光探测器用于接收由所述相干光源发射出并经所述柔性漫射膜反射的λ波长光；
所述漫射光干涉仪光学听诊器中所述光探测器接收的λ波长光主要是由所述柔性漫射膜漫反射的光；
b)将所述光学听诊器的所述柔性漫射膜机械地连接到动物的生物组织上，从而将生物声学信号的机械振动从生物组织传递到所述柔性漫射膜；
c)当所述柔性漫射膜设置在和/或机械结合至和/或接触位于所述充气袖套处的动物生物组织时，电子处理光探测器的输出，以便从光探测器的输出信号中检测到生物声学信号。
27.根据权利要求26所述的用于光学检测动物生物声学信号的方法，其特征在于，该方法还包括：处理所述生物声学信号的检测结果，以便检测以下至少一种生物状况：呼吸暂停事件；异常心脏杂音皮肤呈现蓝色，特别是在指尖和嘴唇上；肿胀或体重突然增加；呼吸急促；慢性咳嗽；肝脏肿大；颈部静脉肿大；食欲差和不能正常生长(婴儿)；极少或没有用力时大量出汗；胸痛；头晕；晕厥；呼吸和肺部声音；肺部发出小的咔嗒声、气泡声或响声；肺炎、心力衰竭和胸腔积液；胸壁厚度增加；肺部某部位过度膨胀(如因肺气肿)；肺部某部位气流减少；肠道运动发出的腹音；气体；恶心；出现或不出现肠蠕动；呕吐；大动脉湍流引起的听得到的血管音，称为杂音；动脉瘤。
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