CN116507274A - 用于动脉脉搏测量和心肺血液动力学评估的光电机械方法 - Google Patents

Abstract

本文提供了一种光电机械传感系统。该系统可以包括患者佩戴的表面位移系统，其包括被配置为抵靠患者并邻近其浅表动脉定位的可变形表面、设置在该可变形表面上的多个光学标记，以及致动器，该致动器被配置为施加压力以将该表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起可变形表面和多个光学标记的相应移动。该系统还包括光学系统，该光学系统包括成像系统、光源，并且具有或不具有反射镜，其被配置成以倾斜角度使多个光学标记可视化。该系统基于所接收到的多个图像确定浅表动脉的时空移动，并基于此确定与患者相关联的心肺参数。

Description

用于动脉脉搏测量和心肺血液动力学评估的光电机械方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年8月10日提交的题为“用于动脉脉搏测量的光学方法”的美国临时专利申请第63/063,482号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

众所周知，心肺参数(例如心率(HR)、血压(BP)、呼吸频率(RR)和呼吸模式)以及其他血液动力学参数(例如心输出量、每搏输出量和外周血管阻力)的测量对人类健康很重要。特别是识别异常血压模式(例如白大衣高血压、隐匿性高血压，以及睡眠和清晨血压激增期间的非杓型和其他异常模式)的能力可能尤为重要。能够以无创、动态的方式准确测量心肺参数，有利于医院对危重病人的准确评估和治疗。这种准确的测量可以让医生和其他医护人员更好地定制治疗方案和/或识别生活方式以管理高血压和其他有益于严格控制血压的慢性疾病，例如心力衰竭、睡眠呼吸暂停和慢性肾功能衰竭。传统的血压和血液动力学监测设备存在准确性问题，不能提供长时间的动态结果，或者具有相对侵入性，所有这些因素都极大地限制了设备的使用场景。因此，可适用于以无创、动态的方式长时间监测患者血液动力学参数的系统将非常有利。

发明内容

本文总体上描述了用于心肺参数的无创评估和连续监测的系统和方法，特别是通过直接测量皮肤表面位移和浅表动脉(例如手腕处的桡动脉)上的力。

在一个实施例中，本文提供了一种用于患者的光电机械传感系统，其包括：患者佩戴的表面位移系统，所述表面位移系统包括：可变形表面，所述可变形表面被配置为抵靠患者并邻近其浅表动脉定位，多个光学标记，所述多个光学标记设置在所述可变形表面上；致动器，所述致动器被配置为施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起所述可变形表面和所述多个光学标记的相应移动；成像系统，所述成像系统被配置为以倾斜角度使所述多个光学标记可视化；计算机系统，所述计算机系统耦合到所述成像系统，所述计算机系统包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，当所述处理器执行所述指令时，使所述计算机系统：从所述成像系统接收所述多个光学标记的多个图像，基于所接收到的多个图像确定所述光学标记的时空移动，并且基于所确定的光学标记的时空移动确定与患者相关联的心肺参数。

在另一个实施例中，本文提供了一种使用表面位移系统监测患者心肺参数的方法，其中测量装置包括可变形表面、设置在所述可变形表面上的多个光学标记，以及被配置为施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者的致动器，所述方法包括：将表面位移系统固定在患者的浅表动脉附近；使所述致动器施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起所述可变形表面和所述多个光学标记的相应移动；经由以相对于所述光学标记倾斜的角度定向的成像系统捕获所述多个光学标记的多个图像；基于所接收到的多个图像，经由计算机系统确定所述光学标记的时空移动；基于所确定的光学标记的时空移动，经由所述计算机系统确定与患者相关联的心肺参数。

在又一个实施例中，本文提供了一种用于患者和成像系统的光电机械传感系统，其包括：患者佩戴的表面位移系统，所述表面位移系统包括：可变形表面，所述可变形表面被配置为抵靠患者并邻近其浅表动脉定位，多个光学标记，所述多个光学标记设置在所述可变形表面上，其中所述多个光学标记被配置为通过成像系统以倾斜角度可视化；致动器，所述致动器被配置为施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起所述可变形表面和所述多个光学标记的相应移动；计算机系统，所述计算机系统耦合到所述成像系统，所述计算机系统包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，当所述处理器执行所述指令时，使所述计算机系统：从所述成像系统接收所述多个光学标记的多个图像，基于所接收到的多个图像确定所述光学标记的时空移动，并且基于所确定的光学标记的时空移动确定与患者相关联的心肺参数。

附图说明

附图包含在说明书中并构成说明书一部分，用于阐明本发明的实施例，并与本文一起用于解释本发明的原理、特点和特征。在附图中：

图1A是根据本文公开的实施例的无创血液动力学参数监测系统的框图。

图1B是根据本文公开的实施例的无创血液动力学参数监测系统的另一个框图。

图2是根据本文公开的实施例的使用可变形凝胶弹性体的无创血液动力学参数监测系统的第一实施例。

图3是根据本文公开的实施例的使用可变形凝胶弹性体的无创血液动力学参数监测系统的第二实施例。

图4是根据本文公开的实施例的使用可变形表面的无创血液动力学参数监测系统的第一实施例。

图5是根据本文公开的实施例的使用可变形表面的无创血液动力学参数监测系统的第二实施例。

图6A是根据本文公开的实施例的使用活塞的无创血液动力学参数监测系统的第二实施例。

图6B是根据本文公开的实施例的使用辅助可充气囊袋的无创血液动力学参数监测系统的第二实施例。

图7A是根据本文公开的实施例的测量装置的透视图。

图7B是图7A中根据本文公开的实施例的测量装置的反向透视图。

图8A是根据本文公开的实施例的个人佩戴的测量装置的透视图。

图8B是图8A中根据本文公开的实施例的个人佩戴的测量装置的反向透视图。

图9是根据本文公开的实施例的相对于可变形表面定义的坐标系。

图10A是根据本文公开的实施例图2和图3中所示的测量实施例的时间图。

图10B是根据本文公开的实施例图4和图5中所示的测量实施例的时间图。

图11A是根据本文公开的实施例图2和图3所示的测量装置的实施例的多个位置的示意性位移信号。

图11B是根据本文公开的实施例图4和图5所示的测量装置的实施例的多个位置的示意性位移信号。

图12A是根据本文公开的实施例图2和图3所示的测量装置的实施例在多个位置处的最大光学标记位移的表面图。

图12B是根据本文公开的实施例图4和图5所示的测量装置的实施例在多个位置处的最大光学标记位移的表面图。

详细说明

本文描述了通过放置光电机械传感器阵列并在大的浅表动脉(例如手腕处的桡动脉)上的皮肤上施加反压来光学测量皮肤表面移动的系统和方法，以无创地评估动脉脉搏及其特点。该信息可用于生成连续的动脉脉搏波形并测量BP、HR、RR和其他血液动力学参数。动脉内压力波与动脉壁内表面上的力及其位移有直接关系，进而影响上方皮肤表面上(特别是在特定位置，例如浅表动脉上方的区域，例如桡动脉)的光电机械传感器阵列的变形和受力。

光学方法可以准确地测量大血管动脉脉搏及其特点。与常用于心率监测目的的光学测量方法——光学体积描记法(PPG)相比，使用这种光学方法测量HR更可靠。PPG使用光源和光电探测器在皮肤表面测量毛细血管血液循环的体积变化。与本文描述的光学方法相比，PPG信号强度较弱，并且受移动伪影、环境温度等因素的影响。

在这种光学方法中，由于在动脉搏动期间在桡动脉上方观察到皮肤移动，因此可以通过改变施加到动脉上方皮肤的外部反压来改变时空图案的特征。时空图案的形状、大小和位移等特征将根据所施加的反压和血管内压力而变化。通过分析时空图案，可以连续测量BP，这已在我们先前于2019年3月29日提交的标题为“触觉血压成像仪”的PCT专利申请公开文件WO 2019/195120A1中描述，该文件全部内容通过引用并入本文。

在动脉搏动期间，桡动脉上方皮肤的移动主要在垂直于皮肤表面的方向上，也可称为z轴。本文描述的系统和方法的目的是测量桡动脉上方的皮肤表面的移动。

无创血液动力学参数监测

本文描述的系统和方法旨在通过以无创方式邻接软组织以在与动脉相连的一块皮肤的表面上放置光学标记图案并施加受控量的压力，以确保其上设置有光学标记的可变形表面与患者皮肤之间的紧密连接。光学标记可以是点、线、条纹、网格或任何其他图案。一旦固定到位，就可以根据动脉的机械脉动引起的光学标记的扰动或移动，在心跳周期期间检测动脉几何形状和力的变化。这些变化对应于来自动脉或相邻的软组织的时空信号。这些时空信号可以通过计算机系统或控制器测量和处理，以确定血液动力学参数。

图1A示出根据本文公开的实施例的光电机械传感系统100的实施例。光电机械传感系统100可以包括光学系统102，其被配置成使患者设备可视化或以其他方式监测患者设备。在一些实施例中，光学系统102可以被配置成围绕患者的手腕分离，使得只有患者装置或其一部分(例如，表面位移系统108)靠在患者桡动脉尤其是在手腕处附近的皮肤上。例如，表面位移系统108可以通过完全脱离患者身体的移动电话光学系统或附接到固定表面(例如，物理墙壁)或身体的某个其他部分(例如，肩膀)的光学系统进行成像。表面位移系统108可以包括一个或多个光学标记106，其定位在可变形表面109上或以其他方式与可变形表面109相关联。可变形表面109可由多种材料构成，例如热塑性聚氨酯或尼龙。可变形表面109的厚度可为例如10μm至300μm。

图1B示出根据本文公开的实施例的光电机械传感系统100。光电机械传感系统100可以包括光学系统102，其包括成像系统104和光源112。在下面进一步描述的一些实施例中，光学系统102可以包括一个或多个反射镜131和透明或清晰的层(例如，透明板122，如下所述)，成像系统104被配置为使表面位移系统108透过其可视化。在一些实施例中，光学系统102可以被配置为安装到患者的手腕或附接在患者的手腕周围，使得光学系统102的一部分靠在患者邻近桡动脉(特别是在手腕处)的皮肤上的表面位移系统108上。表面位移系统108可以包括具有光学标记106的可变形表面109。光学标记可以是点、线、条纹、网格或任何其他图案。在各种实施例中，可变形表面109可包括膜、弹性体、空气填充或流体填充的囊袋或这些选项的任何组合。如上所述，可变形表面108可由多种材料构成，例如热塑性聚氨酯或尼龙。可变形表面108的厚度可为例如10μm至300μm。

表面位移系统108可以被配置为响应于通过患者桡动脉的机械脉动而变形、移动或以其他方式变化，从而引起光学标记106相应地移动。光学标记106的移动可以通过成像系统104可视化。光电机械传感系统100还可包括耦合到光学系统104的计算机系统114。计算机系统114可以被编程或以其他方式配置成基于所检测到的经由光学系统104可视化的光学标记106的移动来计算与患者相关联的一个或多个心肺参数。在一些实施例中，光学系统102还可以包括光源112，其可以被配置成用可见光或光谱的不可见部分(例如，红外或紫外)中的电磁辐射(EMR)来照明光学标记106。在一些实施例中，光源112也可用于在可变形表面109上投射光学标记。

光电机械传感系统100还可以包括致动器110，该致动器被配置为使表面位移系统108向大动脉(例如，手腕处的桡动脉)上方的皮肤施加力，以帮助动脉搏动的可视化。特别是，如果表面位移系统108和皮肤之间的界面没有紧密耦合，那么它可能会对患者动脉搏动使表面位移系统108变形的能力产生负面影响，进而影响光电机械系统100检测和计算患者的心肺参数的能力。致动器110可包括有界空间，例如气球或腔室，其可通过气泵或机动活塞充气。在一些实施例中，致动器110可以包括手动调节的组件，例如手动带。在另一个实施例中，致动器110可以包括机电调节的组件，例如被配置为收紧带子、气球、袖带、囊袋，或被配置为对患者施加压力的其他组件的电机。

计算机系统114可包括硬件、软件、固件或其组合，其被编程或以其他方式配置成使计算机系统114执行本文描述的动作。在图示的实施例中，计算机系统114还可以包括处理器116和与其耦合的存储器118。存储器118可以存储指令，当处理器116执行这些指令时，使计算机系统114从成像系统104接收光学标记106的图像；基于所接收到的多个图像确定浅表动脉(例如，桡动脉)的时空移动；并据此确定心肺参数。例如，计算机系统114可以重建动脉脉搏并基于BP的呼吸变化测量BP。作为另一个示例，计算机系统114可以测量RR和呼吸模式，并且基于对BP波形的分析，测量心输出量、每搏输出量和其他心肺参数。在一个实施例中，计算机系统114可以并入或以其他方式集成到患者佩戴的设备、成像系统104或光电机械传感系统100的其他组件中。在另一个实施例中，计算机系统114可以可通信地耦合到患者佩戴的设备、成像系统104或光电机械传感系统100的其他组件。例如，计算机系统114可以体现为云计算架构。

在各种实施例中，光学系统104可以包括可以被配置为提供光学标记106的立体可视化的单个相机(或图像传感器)或多个相机(或图像传感器)。在一些实施例中，光学系统102可以定位在致动器110上方(如图2至图4所示的实施例)或致动器110下方(如图6B所示的实施例)。在其他实施例中，光学系统10可以位于致动器110内部或以其他方式集成到致动器110中，例如图5中所示的实施例。在这些实施例中的任何一个中，成像系统104可以相对于表面位移系统108以倾斜角度定位，从而增加表面位移检测(Z移动)的灵敏度并改善光学标记106的可视化，以下将更详细地描述。

在各种实施例中，光学标记106可以包括成像系统104在视觉上可识别的各种不同颜色或图案。此外，在各种实施例中，光学标记106可以被配置为反射或发射EMR光谱的可见部分中的EMR；然而，光学标记106还可以或另外被配置为反射或发射EMR光谱的其他部分的EMR，例如红外(IR)或紫外(UV)光。因此，成像系统104可以被配置为利用各种不同的成像模态并且包括相应的组件。例如，光学标记106可以包括IR标记并且成像系统104可以包括IR相机或图像传感器。作为另一个示例，可变形表面109上的光学标记106的图案可以包括在白色背景上的一系列黑色标记、在黑色背景上的白色标记或提供可区分图案的任何其他颜色组。

必须克服的一个问题是照明光会产生可见的伪影，例如不需要的反射和散射光，这会降低成像系统104捕获并用于测量患者动脉搏动的光学标记106的图像质量。为了降低这种伪影的可见性，在光电机械传感系统100的一个实施例中，光学标记106可以包括荧光颜料并且用短波EMR例如蓝光、紫光或紫外光照射。例如，表面位移系统108可以包括覆盖有作为光学标记106的荧光黄点的黑色可变形表面109，其被配置为由短波光照明。黄色图案信息将在彩色相机的红色和绿色通道中可见，而蓝色或紫色光将在蓝色通道中可见。如果使用UV光，并且成像系统104对UV光不敏感，那么UV光对于成像系统104将是不可见的。

在另一个实施例中，成像系统104可以包括单色相机并且光学标记106可以包括荧光图案。举例来说，如果激发光源是蓝光并且光学标记106的荧光是黄色，则可以通过在单色相机的镜头上放置黄色滤光片来阻挡蓝光，从而确保只有光学标记106的黄色图案可视化。相同的原理将适用于激发光/荧光光学标记106对，其中激发波长和发射波长可以通过使用滤色器来分离。

紫外LED可以特别方便地激发荧光。然而，必须克服的一个问题是大多数紫外线LED都存在“光谱溢出”现象，这意味着有一小部分可见光与不可见的紫外线一起发射。为了消除这种光谱溢出，在一个实施例中，光源112可以包括LED上的滤光片(例如，ZWB1、ZWB2或ZWB3玻璃滤光片)，该滤光片被配置为减少或去除不需要的可见光，从而减轻LED的光谱溢出。

在一个实施例中，可变形表面109可包括可变形弹性体凝胶120和具有光学标记106的膜130，如图2所示。如上所述，患者的手腕200包含桡动脉202，其在心跳期间搏动。在本文所描述的实施例中，这种搏动导致软组织以及桡动脉202上方的皮肤移动，进而引起可变形表面109变形，该可变形表面109包括可变形弹性体凝胶120和膜130光学标记106。在一个实施例中，可变形弹性体凝胶120可以是透明的(即，半透明或全透明)。光学系统102还可包括透明板122。该板可以由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他此类透明材料制成。在一个实施例中，表面位移系统108可以安装在透明板122下方，如图2和图4所示，它被配置为在佩戴时与患者的皮肤接触。

如上所述，表面位移系统108可以包括图案阵列，例如各种形状的点、网格、条纹和/或具有线条或其他光学标记106的各种图案。在使用中，光学系统102安装在患者手腕处的桡动脉202上，带子126附接到框架124。可以通过拉紧带子126将测量装置102手动压在患者的皮肤上，从而使表面位移系统108符合手腕的形状，包括桡动脉202上方的皮肤和组织。此外，表面位移系统108与皮肤之间的接触力可以通过改变带子126的松紧度来调节。

如上所述，光学系统102还包括成像系统104。在该实施例中，成像系统104可以定位在板122上方，使得成像系统104被定向以使光学标记106透过板122和弹性体凝胶120可视化并且形成光学标记106的图像。因为弹性体凝胶120和板122由透明材料构成，成像系统104因此可以使沿膜130布置的光学标记106可视化。此外，光源112可以提供照明以帮助成像系统104使膜130和对应的光学标记106可视化。

因此，当患者的心脏跳动时，桡动脉202扩张和收缩，从而引起与皮肤接触的光学标记106主要沿z轴移动，如图2所示。如上所述，成像系统104可以相对于光学标记106以一定角度(例如，斜角)定向。因此，光学标记106的z轴移动对于成像系统104表现为y轴移动，即光学标记106表现为在照相机传感器的平面中竖直移动。根据对捕获图像中光学标记106的y轴移动的测量，计算机系统114可以计算出光学标记106的相应z轴移动。因此，可以由此确定桡动脉202上方的皮肤的时空移动。通过确定与桡动脉202相关联的时空移动，可以从中导出各种不同的心肺参数。放置成像系统104使得它倾斜地观察表面位移系统108具有两个主要目的。一是允许测量z轴移动，如上所述。二是让设备拥有相对紧凑的外形，不会太笨重，方便戴在手腕上。

参照图3，图中示出了使用弹性体凝胶120的光电机械传感系统100的另一个实施例。然而，该实施例与图2所示的实施例的区别在于，致动器110是位于弹性体凝胶120和板122之间的透明可充气组件128(例如，气球或囊袋)。在该实施例中，表面位移系统108与皮肤之间的接触力可以通过改变板122和弹性体凝胶120之间的可充气组件128(即致动器110)的充气程度或气压来调节。与图2所示的实施例一样，表面位移表面108符合手腕的形状，包括桡动脉202上方的皮肤和组织。

在该实施例中，光学系统102还包括反射镜系统131，其被配置为允许成像系统104使光学标记106通过其间接地可视化。在另一个实施例中，成像系统104可以与光电机械传感系统100的患者佩戴组件分离或直接集成到患者佩戴组件中。反射镜系统131可以包括一个或多个反射镜，其被配置为向成像系统104提供光学标记106的视图(例如，以倾斜角度)。光学系统102还可包括一个或多个透镜144，如图5中的实施例所示。

在一个实施例中，光电机械传感系统100可以包括致动器110和表面位移系统108，致动器110是可充气组件128(例如，气球或囊)，表面位移系统108是具有光学标记106的膜130，如图4中所示。该实施例与图2和图3所示的实施例的不同之处在于，带有光学标记106的膜130沿着可充气组件128而不是弹性体凝胶120设置。可充气组件128可以通过可操作地连接到可充气组件128的泵142用流体(即空气)充气或放气。可充气组件128例如可以由透明的弹性体材料构成。在一个实施例中，光电机械传感系统100还可以包括压力传感器，该压力传感器被配置为监测可充气组件128内的压力，从而维持期望的压力或压力范围。透明板122和框架124与带子126相结合确保可充气组件128保持在抵靠患者皮肤的位置，并且它通过面向患者的表面位移系统108进行充气。在该设置中，表面位移系统108和患者皮肤之间的接触力可以通过改变带子126的松紧度和/或改变可充气组件128中的压力来改变。在该实施例中，成像系统104可以被定位成使光学标记106透过透明板122和透明可充气组件128可视化，以观察可变形表面108上的光学标记106。与前述实施例一样，光电机械传感系统100还可包括光源112以提供照明从而帮助光学标记106的可视化。与上述实施例一样，当患者的心脏跳动时，桡动脉202搏动，引起其上方的组织移动。成像系统104可以检测光学标记106的移动并且光电机械传感系统100可以相应地确定与桡动脉202相关联的时空移动，进而导出与患者相关联的各种不同的心肺参数。

参考图5，图中示出了使用致动器110的光电机械传感系统100的另一个实施例，其中致动器110是刚性盒125，除皮肤一侧之外的所有侧面都被表面位移系统108所覆盖，因此可以接触患者。在该实施例中，光学系统102定位在刚性盒125内。此外，与图5所示的实施例类似，光学系统102还包括反射镜系统131，允许成像系统104(例如，以倾斜角度)使光学标记106间接地可视化。在该实施例中，刚性盒125连接到泵142。可以通过将空气泵入和泵出刚性盒125来将表面位移系统108压靠在患者的皮肤上，从而使表面位移系统108符合手腕的形状，包括桡动脉202上方的皮肤和组织。此外，表面位移系统108与皮肤之间的接触力可以通过改变带子126的松紧度来调节。

参照图6A，图中示出了使用活塞160的光电机械传感系统100的另一个实施例。在该实施例中，表面位移系统108包括可变形表面，其是定位在具有光学标记106的膜130上方的填充空气或流体的囊袋128。除了透明板之外，该实施例还包括由透明材料(例如PMMA)构成的活塞160，其被配置为相对于框架124移动(例如竖直地)。活塞可以由刚性透明材料或柔软囊袋制成，可以充气/放气使其像活塞一样工作。因此，可以通过改变带子126的松紧度以及通过移动活塞160来改变表面位移系统108与患者皮肤的接触力。在该实施例中，成像系统104可以使光学标记106透过透明活塞160可视化。光源114可以提供照明。同样地，当心脏跳动时，浅表动脉搏动，引起其上方的组织移动，这可以由成像系统104基于光学标记106的移动检测到。

在图6B所示的一个实施例中，光电机械传感系统100可以包括致动器110，其是位于成像系统114和带子126之间的可充气组件128(例如，气球或囊袋)。成像系统114又与表面位移系统108接触，表面位移系统108是凝胶弹性体120和具有光学标记106的膜130，如图6B中所示。可充气组件128可以通过可操作地连接到可充气组件128的泵142用流体(即空气)充气或放气。在该实施例中，可充气组件128可以由耐用的弹性体材料构成，并且不需要像先前描述的配置中的可充气组件那样是光学透明的。耐用材料的一些示例可包括聚氯乙烯、热塑性聚氨酯和氯丁橡胶。在一个实施例中，光电机械传感系统100还可以包括压力传感器，该压力传感器被配置为监测可充气组件128内的压力，从而维持期望的压力或压力范围。在该设置中，表面位移系统108和患者皮肤之间的接触力可以通过改变带子126的松紧度和/或改变可充气组件128中的压力来改变。在该实施例中，成像系统104可以被定位成使光学标记106透过透明板122和透明凝胶弹性体120可视化，以观察可变形表面108上的光学标记106。与前述实施例一样，光电机械传感系统100还可包括光源112以提供照明从而帮助光学标记106的可视化。与上述实施例一样，当患者的心脏跳动时，桡动脉202搏动，引起其上方的组织移动。成像系统104可以检测光学标记106的移动并且光电机械传感系统100可以相应地确定与桡动脉202相关联的时空移动，进而导出与患者相关联的各种不同的心肺参数。

图2至图6示出了利用成像系统104光学测量z轴移动的光电机械传感系统100的各种不同实施例。在其中一些实施例中，成像系统104可以包括单个照相机。在其他实施例中，可以使用其他光学方法(包括使用一个或多个相机的方法)用于测量光学标记106的z轴位置和移动。例如，可以使用立体视觉、结构光、飞行时间和其他光度测量技术和/或立体光学技术用于测量光学标记106的z轴位置和移动。其中许多方法涉及使用多个相机或特殊光学设备。然而，在一些实施例中，光电机械传感系统100可以有益地采用仅使用单个照相机的光学测量技术并且无需专用设备或仅需极少专用设备，从而减小光电机械传感系统100的尺寸、成本和/或复杂性。

参考图7A至图8B，图中示出了光电机械传感系统100的实施例，其中上述各种组件，例如光学系统102、致动器110、表面位移系统108和计算机系统114包括在示例性患者佩戴设备中。在一个实施例中，该装置可以具体化为具有铰链180的半手镯(图7A)，其可以用于通过使用解剖学结构参考(例如桡骨茎突)来定位光电机械传感器100。铰链180还可以具有可调节的导向件以适应各种手腕尺寸。通过将设备滑动到手腕上来完成定位，其中铰链180或一些其他机构(例如，连杆、铰接接头或其他可调节连接)参考桡骨茎突来一致地定位设备。然后可以根据手腕尺寸调整铰链180并将其锁定到位。在该实施例中，由表面位移系统108施加的接触压力可以通过以下方式调节：(i)使用机动系统压缩手镯的两个臂，(ii)调节可充气组件128的压力(如上所述，对可充气组件128进行充气可以增加带子126的张力，从而增加接触压力)，和/或(iii)调节带子126(例如，通过手动系统，如棘轮刻度盘，或自动系统，如可用于收紧带子从而通过拉紧带子施加接触力的电机)。在各种实施例中，致动器110和/或表面位移系统108可被配置为使得由表面位移系统108施加到皮肤上的接触压力可在0至350mmHg之间调节。

在一些实施例中，测量装置102可以是流体密封的。这可以允许例如测量装置102由个体全天自由佩戴，在进行特定活动(例如，淋浴)时无需移除测量装置102。因此，测量装置102可以不间断地监测患者的血液动力学参数。

虽然以上描述涉及手腕的桡动脉202，但该描述仅用于说明目的。应当理解，血液动力学参数监测系统100也可用于患者身体的其他位置和/或用于其他浅表动脉，例如颈动脉、颞动脉、胫前动脉、胫后动脉或肱动脉。因此，本公开不应被理解为具体限于结合患者的手腕和/或桡动脉202使用。

光学标记位移分析

光学标记106的各种布置的实验分析已经确认多个不同的候选图案和/或成像系统配置以用于光电机械传感系统100。此外，实验分析已经确定光学标记106的移动可以以跟踪浅表动脉的时空移动所必需的特异性和准确性来识别。可以以多种不同方式执行光学标记106的移动分析。例如，可以使用积分法用于移动分析。在该技术中，可以连续计算从一帧到下一帧(即，由成像系统104捕获的图像)的累积位移。作为另一个例子，可以使用参照法用于移动分析。在该技术中，位移是相对于单个参照系计算的。积分法可以提供更精细的分辨率，但随着时间的推移也容易出现累积误差。相反，参照法可能会受到亮度恒定条件的影响，这会迫使它在突然的扰动下变得不稳定。无论使用何种移动分析技术，移动分析的结果都可用于获得目标区域的时间方差。

实验上，可以相对于表面位移系统108定义坐标系，如图9所示。此外，表面位移系统108的远侧190和近侧192可以通过它们与成像系统104的接近度来定义。实际上，由于成像系统104以一定的角度朝向表面位移系统108，因此光学标记106也将在靠近成像系统104的地方更加突出。表面位移系统108的中心可以定义为原点。使用定义的坐标系，图10A中所示的时间掩模是为图2和图3中所示的实施例构建的，图10B中所示的时间掩模是为图4和图5中所示的实施例构建的。时间图是通过使用预定值对方差进行阈值化而生成的。通过改变阈值，可以构建不同的掩模。可以从上面构建的图中确定目标区域，并且可以过滤从初始移动分析获得的高度图以仅从目标区域中获取数据。然后可以在整个目标区域上对光学标记106的位移进行平均以获得随时间变化的一维信号，该信号描述了针对给定物理位移在每个图像帧上的平均等效光学标记位移。

图11A示出了图2和图3所示的实施方案中，当表面位移系统108在10-100微米的范围内随时间(x轴)推移而发生位移时，使用简单的千分尺以像素单位(y轴)表示的说明性位移信号。当图11B示出了图4和图5所示的实施方案中，当表面位移系统108在10-100微米的范围内随时间(x轴)推移而发生位移时，使用简单的千分尺以像素单位(y轴)表示的说明性位移信号。这些图说明了如何在光电机械系统100中测量表面位移。

如图11A和图11B所示，可以随时间跟踪光学标记106的位移。通过跟踪图像区域(例如40mm×30mm)上的光学标记106的时间位移，能够映射给定图像中每个像素的时间位移。图12A与图12B中分别通过测量图2和图3与图4和图5中所示实施例的给定像素处的光学标记106的最大位移描绘了表面位移图。可以为每个时间点(例如30毫秒)的每个像素生成表面位移图，提供相应的高时间分辨率位移信息。这种时空位移信息可用于定位和监测动脉脉动，进而监测患者的血液动力学状态。基于光学标记106的位移，高时间分辨率甚至允许光学系统102识别亚像素移动，这对于识别生理上重要的参数(例如血压信号中的重搏切迹)可能是至关重要的。

虽然本文已经公开了包含本教导的原理的各种说明性实施例，但是本教导不限于所公开的实施例。相反，本申请旨在涵盖本教导的任何变化、使用或改编，并使用其一般原则。此外，本申请旨在涵盖与本文公开的内容有关的、所属领域中已知或习惯实践的偏离。

在上面的详细描述中，参考了附图，这些附图构成其一部分。在附图中，相似的符号通常标识相似的部件，除非上下文另有规定。本公开中描述的说明性实施例不意味着限制。在不背离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可以使用其他实施例，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文一般描述和附图中所示的各种特征可以以多种不同的配置进行布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在本文中都被明确地预期。

本公开不限于本申请中描述的旨在说明各种特征的特定实施例。在不脱离其精神和范围的情况下可以进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说是显而易见的。除了本文列举的那些之外，根据上面的描述，本公开范围内的功能等同的方法和装置对于本领域技术人员而言是显而易见的。应当理解，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，它们当然可以变化。还应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在进行限制。

关于本文中使用的任何复数和/或单数术语，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为了清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数排列。

本领域内的技术人员将理解，一般而言，本文使用的术语通常意在作为“开放”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包含”应解释为“包含但不限于”等)。虽然各种组合物、方法和装置被描述为“包括”各种组件或步骤(解释为“包括但不限于”)，但组合物、方法和装置也可以“基本上由各种组件和步骤组成”或“由各种组件和步骤组成”，此类术语应解释为本质上定义封闭成员组。

此外，即使明确陈述了特定的数字，本领域技术人员应认识到，这种陈述应被解释为表示至少该陈述的数字(例如，仅陈述“两个”，而没有其他修饰语，意味着至少两个，或两个或更多个)。此外，在使用类似于“A、B和C中的至少一个，等等”的约定的情况下，一般来说，这种结构是本领域技术人员可以理解的约定的意义(例如，“至少具有A、B和C之一的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、A和B一起、A和C一起、B和C一起的系统和/或A、B和C一起，等等)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的约定的情况下，一般来说，这种结构是本领域技术人员可以理解的约定的意义(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，和/或A、B和C一起，等等)。本领域技术人员将进一步理解，无论是在说明书、示例实施例还是附图中，实际上呈现两个或更多替代术语的任何分离词和/或短语都应当被理解为考虑包括术语之一、任一项或两项的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

此外，在根据马库什组描述本文公开的特征的情况下，本领域技术人员将认识到本公开也因此根据马库什组的任何个体成员或成员的子组来描述。

如本领域技术人员将理解的，出于任何目的和所有目的，例如在提供书面描述方面，本文公开的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围都可以很容易地被识别为充分描述并使相同的范围能够被分解成至少相等的一半、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为一个非限制性示例，本文讨论的每个范围都可以很容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如本领域技术人员还将理解的，所有语言例如“至多”、“至少”等包括所列举的数字并且指的是可以随后分解成如上所述的子范围的范围。最后，如本领域技术人员所理解的，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1至3个单元的组是指具有1个、2个或3个单元的组。类似地，具有1至5个单元的组是指具有1个、2个、3个、4个或5个单元的组，等等。

本文使用的术语“约”是指可能发生的数值变化，例如由于现实世界中的测量或处理过程；这些过程中的无意错误；由于成分或试剂的制造、来源或纯度的差异；等等。通常，本文使用的术语“约”是指大于或小于规定值的1/10的值或值范围，例如±10％。术语“约”还指本领域技术人员认为等同的变化，只要这种变化不包括现有技术实践的已知值。以术语“约”开头的每个值或值范围也意在涵盖所述绝对值或值范围的实施方案。无论是否被术语“约”所修饰，本公开内容中列举的数量值包括与所列举数值相当的数值，例如此类数值可能发生变化，但其会被本领域的技术人员认定为等值。

上面公开的各种特征和功能和其他特征和功能或其替代方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域的技术人员随后可对其作出各种目前无法预见或未预料到的替代、修改、变化或改进，其中的每一个也旨在包含在本文所公开的实施例中。

本文中的功能和处理步骤可以响应于用户命令自动地或全部地或部分地执行。自动执行的活动(包括步骤)是响应一个或多个可执行指令或设备操作而执行的，无需用户直接启动该活动。

Claims (20)

1.一种用于患者的光电机械传感系统，其包括：

患者佩戴的表面位移系统，所述表面位移系统包括：

可变形表面，所述可变形表面被配置为抵靠患者并邻近其浅表动脉定位，

多个光学标记，所述多个光学标记设置在所述可变形表面上；

致动器，所述致动器被配置为施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起所述可变形表面和所述多个光学标记的相应移动；

成像系统，所述成像系统被配置为以倾斜角度使所述多个光学标记可视化；

计算机系统，所述计算机系统耦合到所述成像系统，所述计算机系统包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，当所述处理器执行所述指令时，使所述计算机系统：

从所述成像系统接收所述多个光学标记的多个图像，

基于所接收到的多个图像确定所述光学标记的时空移动，并且

基于所确定的光学标记的时空移动确定与患者相关联的心肺参数。

2.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述可变形表面选自弹性体凝胶、流体填充的气球、膜及其组合。

3.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述致动器选自被配置为移动以调节所述可变形表面上的压力的活塞、可充气囊袋、可调节带、连接到气泵的腔室，以及它们的组合。

4.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述浅表动脉包括桡动脉。

5.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述心肺参数选自心率、血压、呼吸率及其组合。

6.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述光学系统还包括：反射镜系统，所述反射镜系统被配置为使所述成像系统以所述倾斜角度使所述多个光学标记可视化。

7.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，还包括：包含所述患者佩戴的表面位移系统和所述成像系统的壳体。

8.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述成像系统与所述患者佩戴的表面位移系统分开。

9.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述多个光学标记包括光学可见标记。

10.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，其中所述多个光学标记包括荧光标记。

11.根据权利要求1所述的光电机械传感系统，还包括：位于所述成像系统和所述多个光学标记之间的透明层，其中所述成像系统被配置为使所述多个光学标记透过所述透明层可视化。

12.根据权利要求11所述的光电机械传感系统，其中所述透明层选自透明板和透明气球。

13.一种使用表面位移系统监测患者心肺参数的方法，其中测量装置包括可变形表面、设置在所述可变形表面上的多个光学标记，以及被配置为施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者的致动器，所述方法包括：

将表面位移系统固定在患者的浅表动脉附近；

使所述致动器施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起所述可变形表面和所述多个光学标记的相应移动；

经由以相对于所述光学标记倾斜的角度定向的成像系统捕获所述多个光学标记的多个图像；

基于所接收到的多个图像，经由计算机系统确定所述光学标记的时空移动；

基于所确定的光学标记的时空移动，经由所述计算机系统确定与患者相关联的心肺参数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述可变形表面选自弹性体凝胶、流体填充的气球、膜及其组合。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述致动器选自被配置为移动以调节所述可变形表面上的压力的活塞、可充气囊袋、可调节带、连接到气泵的腔室，以及它们的组合。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述浅表动脉包括桡动脉。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述心肺参数选自心率、血压、呼吸率或其组合。

18.一种用于患者和成像系统的光电机械传感系统，其包括：

患者佩戴的表面位移系统，所述表面位移系统包括：

可变形表面，所述可变形表面被配置为抵靠患者并邻近其浅表动脉定位，

多个光学标记，所述多个光学标记设置在所述可变形表面上，其中所述多个光学标记被配置为通过成像系统以倾斜角度可视化；

致动器，所述致动器被配置为施加压力以将所述表面位移系统抵靠患者，使得浅表动脉的时空移动引起所述可变形表面和所述多个光学标记的相应移动；

计算机系统，所述计算机系统耦合到所述成像系统，所述计算机系统包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，当所述处理器执行所述指令时，使所述计算机系统：

从所述成像系统接收所述多个光学标记的多个图像，

基于所接收到的多个图像确定所述光学标记的时空移动，并且

基于所确定的光学标记的时空移动确定与患者相关联的心肺参数。

19.根据权利要求18所述的光电机械传感系统，其中所述可变形表面选自弹性体凝胶、流体填充的气球、膜及其组合。

20.根据权利要求18所述的光电机械传感系统，其中所述致动器选自被配置为移动以调节所述可变形表面上的压力的活塞、可充气囊袋、可调节带、连接到气泵的腔室，以及它们的组合。