CN118076877A - 独立于皮肤贡献对心血管变异性参数的光学确定 - Google Patents

Abstract

可以独立于生物组织中的黑色素的相对吸收贡献来检测心血管变异性参数。光源和偏振成形设备可以用具有非均一光学偏振波前的偏振光来照射生物组织。偏振分析仪可以接收所述偏振光与所述生物组织相互作用之后的偏振光并且输出第一偏振状态和第二偏振状态。检测设备可以具有用于检测所述第一偏振状态和第二偏振状态的光检测器以及至少一个处理器，所述处理器用于检测与所述第一偏振状态和第二偏振状态相关的数据，基于所述第一偏振状态和第二偏振状态来确定所述生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献，以及基于所述表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献来确定心血管变异性参数。

Description

独立于皮肤贡献对心血管变异性参数的光学确定

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2021年8月11日提交的名称为“A NOVEL OPTICAL METHOD FORACCURATE BLOOD OXYGENATION MEASUREMENTS INDEPENDENT OF SKIN TONE AND OTHERSKIN CONTRIBUTIONS”的序列号为63/231,973的美国临时申请和2022年6月18日提交的名称为“A NOVEL OPTICAL METHOD FOR ACCURATE BLOOD OXYGENATION MEASUREMENTSINDEPENDENT OF SKIN TONE AND OTHER SKIN CONTRIBUTIONS”序列号为63/353,566的美国临时申请的权益。这些申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

政府资助

本发明是在来自海军研究办公室的多学科大学研究联盟(MURI)拨款(拨款编号N00014-20-1-2789)下的政府支持下作出的。美国政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本公开总体上涉及一个或多个心血管变异性参数(cardiovascular variabilityparameter)的光学测量，并且更具体地，涉及独立于皮肤贡献(例如，皮肤色调)来光学地确定一个或多个心血管变异性参数的系统和方法。

背景技术

光体积描记术(photoplethysmography，PPG)可以作为简单、低成本和非侵入性的方式在各种商业上可获得的医疗设备中使用以监测一个或多个心血管变异性参数，诸如用于测量估计氧饱和度(SpO₂)的脉搏血氧测定(pulse oximetry)。例如，具有PPG的常规脉搏血氧计利用两种波长的光(例如，大约660nm和940nm)来区分氧合血红蛋白(HbO₂)和脱氧血红蛋白(Hb)中的发色团的吸收。

虽然两种波长的光确实提供了HbO₂浓度与Hb的总量的比率测量，该比率测量然后被用来估计SpO₂，但是例如黑色素的发色团也吸收这些波长的光并且可以使计算失真。黑色素——负责身体的部分(包括皮肤、毛发和眼睛)的色素沉着的发色团——吸收遍及光谱的光，并且对于不同波长吸收不同量的光。常规脉搏血氧测定未能考虑黑色素的波长依赖性，黑色素可能人与人显著不同。已经针对有较浅色素沉着的类型校准了许多脉搏血氧计。对于有较深皮肤的患者，这些设备的结果通常是不准确的，这可以导致对缺氧或其他严重医疗状况的晚识别。

发明内容

本公开例示了独立于黑色素的影响的对一个或多个心血管变异性参数(诸如脉搏血氧测定)的光学确定。因此，可以独立于皮肤贡献(诸如皮肤色调)来光学地确定一个或多个心血管变异性参数。

本公开的一方面是一种用于确定独立于黑色素的相对吸收贡献来确定心血管变异性参数的系统。所述系统至少包括光源、偏振成形设备(polarization shaping device)和偏振分析仪。所述光源被配置为生成光以照射患者的生物组织。所述偏振成形设备被配置为使光偏振以具有创建偏振光的非均一(inhomogeneous)光学偏振波前。所述偏振光被配置为以反射和/或透射的形式与所述患者的所述生物组织相互作用。所述偏振分析仪被配置为：接收包括在所述偏振光与所述患者的所述生物组织相互作用之后反射的所述偏振光的相互作用偏振光；以及至少输出所述相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态。所述偏振分析仪的一部分相对于所述相互作用偏振光以第一角度定向以输出所述第一偏振状态，并且所述偏振分析仪的另一部分相对于所述相互作用偏振光以第二角度定向以输出所述第二偏振状态。所述系统还包括检测设备，所述检测设备包括光检测器和至少一个处理器。所述光检测器被配置为检测由所述偏振分析仪输出的所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态和第二偏振状态。所述处理器被配置为执行指令，以：检测与所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态相关的数据和与所述相互作用偏振光的所述第二偏振状态相关的数据；基于与所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态相关的数据和与所述相互作用偏振光的所述第二偏振状态相关的数据来确定所述患者的所述生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献；以及基于所述表层分量的相对吸收贡献和所述深层分量的相对吸收贡献来确定所述患者的心血管变异性参数，其中，所述确定独立于所述生物组织中的黑色素的吸收影响。

本公开的另一方面是一种用于独立于黑色素的相对吸收贡献来确定心血管变异性参数的方法。所述方法包括：由至少包括处理器和光检测器的检测设备接收与相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态相关的数据，其中，所述相互作用偏振光包括在偏振光与患者的生物组织相互作用之后反射的偏振光，其中，所述检测设备是一种系统的一部分，所述系统还包括：光源，所述光源被配置为生成光以照射患者的生物组织；偏振成形设备，所述偏振成形设备被配置为使所述光偏振以具有非均一光学偏振波前，其中，所述偏振光被配置为与所述患者的所述生物组织相互作用，其中，所述相互作用是反射或反射和透射；以及偏振分析仪，所述偏振分析仪被配置为接收所述相互作用偏振光并且至少输出所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态，其中，所述偏振分析仪的一部分相对于所述相互作用偏振光以第一角度定向以输出所述第一偏振状态，并且所述偏振分析仪的另一部分相对于所述相互作用偏振光以第二角度定向以输出所述第二偏振状态，其中，所述检测设备的所述光检测器被配置为检测由所述偏振分析仪输出的所述光的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态；由所述检测设备基于与所述第一偏振状态相关的数据和与所述第二偏振状态相关的数据来确定所述患者的所述生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献；以及由所述检测设备基于所述表层分量的相对吸收贡献和所述深层分量的相对吸收贡献来确定所述患者的心血管变异性参数，其中，所述确定独立于所述生物组织中的黑色素的吸收影响。

附图说明

在参考附图阅读下面的描述后，本公开的前述和其他特征对于本公开涉及的领域的技术人员将变得明显，在附图中：

图1是置于氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、黑色素和水的吸收光谱上的常规脉搏血氧计方法的一个示例；

图2是置于氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、黑色素和水的吸收光谱上的基于偏振的脉搏血氧计方法的一个示例；

图3是示出了可以使用基于偏振的方法独立于皮肤贡献来光学地确定一个或多个心血管变异性参数的系统的一个示例的图；

图4是示出了与皮肤相互作用的光的反射模型的图1的一个放大部分的图；

图5是示出了图1的系统的一部分的图，该系统生成光并且使光偏振，该光然后与生物组织相互作用；

图6是示出了检测并且分析已经从生物组织反射的光的图1的系统的一部分的图；

图7是示出了可以与外部设备交互的图1的检测设备的一个示例的图；

图8是用于使用基于偏振的方法独立于皮肤贡献来光学地确定一个或多个心血管变异性参数的方法的过程流程图；

图9是示出了实验和校准设置的示意图；

图10示出了光的偏振状态的径向矢量束(要素A)、光的斯托克斯参数(要素B)以及在光束已经经过平行于(要素C)和垂直于(要素D)光的方向定向的偏振分析仪之后所生成的强度矢量分布的照片表示；

图11示出了在正常呼吸状况、深呼吸状况、保持呼吸状况和浅呼吸状况下针对5个参与者的箱线图；以及

图12示出了在各种呼吸状况下将本文所描述的设备与传统设备进行比较的平均SpO₂值。

具体实施方式

I.定义

除非另有定义，否则本文所使用的所有技术术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。

如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另有明确指示。

如本文所使用的，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”可以指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或群组的存在或添加。

如本文所使用的，术语“和/或”可以包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

如本文所使用的，术语“第一”、“第二”等不应限制由这些术语所描述的元件。这些术语仅被用来区分一个元件与另一个元件。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件。操作(或动作/步骤)的次序不限于权利要求或附图中所呈现的顺序，除非另有特别指示。

如本文所使用的，术语“生物组织”是指在患者体内执行一个或多个功能的互连细胞的一个或多个集合。互连细胞的这些集合可以包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和/或毛发。生物组织的非限制性示例可以包括但不限于整个身体、整个身体的一部分、身体的一个或多个器官等。

如本文所使用的，术语“发色团(chromophore)”是指其存在负责颜色的原子或原子团。患者的身体内的一个示例发色团是黑色素。

如本文所使用的，术语“黑色素”是指患者的身体内的产生毛发、眼睛和皮肤色素沉着的发色团。黑色素产生越多，毛发、眼睛和皮肤的着色越深。毛发、皮肤和/或眼睛的着色越深，患者产生的黑色素越多。

如本文所使用的，术语“心血管变异性参数”是指与血液流动和/或在血液中物质的运输相关的参数。心血管变异性参数的示例包括心率、呼吸速率、估计氧饱和度(SpO₂)、组织氧合(StO₂)、动脉血压、血管僵硬度(stiffness)、微血管血流、组织活力、血管舒缩功能、温度调节(thermoregulation)等。心血管变异性参数也可以被用于心血管评估、评估心脏病学、血管评估、评估静态平衡位、评估神经学等。

如本文所使用的，也被称为“PPG”的“光体积描记术”是指在用于光学生理监测一个或多个心血管变异性参数的各种各样的商业上可获得的医疗设备中使用的简单、低成本和非侵入性的技术。通常，PPG可以包括用于照射患者的皮肤的至少一个光源和用于测量从患者的皮肤透射和/或反射的光信号的检测器。

如本文所使用的，“光源”是指其主要功能是产生用于一般照明或专业应用的可见或接近可见辐射能(例如，光)的设备。光源可以包括一个或多个发光二极管、一个或多个超辐射二极管(super luminescent diode，超发光二极管)、一个或多个非相干灯(例如，氙、钨、卤素等)、一个或多个连续波激光器、一个或多个飞秒激光器等。

如本文中所使用，“光检测器”是指可以检测入射于其上的光的设备或电路。光检测器的示例可以包括一个或多个CCD摄像机、一个或多个CMOS摄像机、一个或多个光电二极管、一个或多个光电导体、一个或多个偏振计、一个或多个光电检测器和/或热检测器、一个或多个PMT平衡检测器等。

如本文所使用的，术语“偏振”是指将光波的振动完全地或部分地限制到一个方向。

如本文所使用的，术语“偏振器”是指可以将未偏振光的束转换成被偏振成偏振状态的束的光学设备。偏振成形设备和偏振分析仪可以各自包括一个或多个偏振器。

如本文所使用的，术语“偏振状态”是指已经被偏振的光波的状态。存在光的各种偏振状态，包括但不限于线性的、圆形的、椭圆形的、径向的和方位角的。光可以一次包括一个或不止一个偏振状态。例如，光可以被偏振以具有非均一光学偏振波前。

如本文所使用的，术语“患者”是指可以从其取得组织样本的任何温血(warm-blooded)生物，包括但不限于人类、猪、大鼠、小鼠、狗、猫、山羊、绵羊、马、猴、猿、兔、牛等。属于患者和受试者可以被可互换地使用。

II.概述

许多商业上可获得的医疗设备可以使用光体积描记术(PPG)来监测一个或多个心血管变异性参数。例如，脉搏血氧计可以包括用于估计血氧饱和度(SpO₂)的PPG。这样的传统脉搏血氧计可以利用不同波长的两种光来区分氧合血红蛋白(HbO₂)和脱氧血红蛋白(Hb)中的发色团的吸收。传统上，在红色波段中选择一种波长的光，并且在红外波段中选择另一种波长的光，因为在这些波长下HbO₂和Hb发色团的光吸收存在最大差异(在图1中以图形示出)。在这些波长下记录的数据可以被用来提供HbO₂和Hb的辐射测量，该辐射测量然后可以被用来估计SpO₂。然而，所选择的波长未考虑在不同波长下黑色素的影响，该影响基于肤色而显著变化。传统脉搏血氧计和使用PPG的其他设备必须针对一个特定的黑色素浓度被校准，并且此校准传统上用浅皮肤色调(其包括极小的黑色素影响)来完成。然而，因为这样的设备在许多患者中使用并且仅被校准一次，所以这些设备在一系列皮肤色调中并不准确，尤其是具有较大黑色素影响的较深皮肤色调。因此，对于有较深皮肤的患者，这些设备的结果通常是不准确的，这可以导致对缺氧或其他严重医疗状况的晚识别。有较深皮肤的患者的这样的不准确的结果引起严重问题。事实上，已经发现，传统脉搏血氧计对于非裔美国患者不准确的情况是对于白人患者不准确的情况的三倍。不准确的诊断可能导致患者接收不恰当的医疗护理，或在需要医疗护理时没有医疗护理，并且可能导致对整个医学界的不信任。

最近，已经使用其他或附加波长来试图考虑不同肤色的黑色素含量的差异。然而，不管用来确定HbO₂的相对贡献和Hb的相对贡献的附加波长的数目如何，事实是，在探测波长下由于黑色素引起的吸收差异在各种波长下将总是保持非零。吸收差异为非零阻止黑色素的贡献被去除。为了更准确地确定所有皮肤色调的患者体内的心血管变异性参数，本公开例示了用于使用偏振技术进行光学确定的方法和系统，所述光学确定独立于皮肤贡献，尤其是黑色素。改进的方法采取两个关键步骤。第一是使用光的偏振而不是不同的波长来区分HbO₂的相对吸收贡献和Hb的相对吸收贡献。第二是使用照明光的非均一偏振状态来同时获得对于相同波长HbO₂和Hb的相对吸收(参见图2中的图形表示)。这具有抵消来自黑色素的吸收影响的效果。此外，此方法准许黑色素贡献对于任何带宽(例如，在整个可见光谱和近红外光谱上)的输入波长(诸如白光)抵消，只要在相同带宽上同时获得关于HbO₂和Hb的信息即可。

III.理论

提供理论框架来解释实时量化SpO₂值的单次(single-shot)技术。如下文所描述的，基于偏振的脉搏血氧测定方法使用单一波长的光，并且因此考虑了黑色素的波长依赖性。尽管下面描述了使用单一频率的偏振脉搏血氧测定，但是应注意，对于使用包括但不限于白光的光谱的光谱内的频带执行的偏振脉搏血氧测定，可以采用类似的方法。此外，偏振程度被描述为在反射中，附加地或替代地，如果组织系统足够薄，使得光在穿透皮肤之后的偏振程度为非零，则此偏振脉搏血氧测定模型也将以透射模式工作。

SpO₂被定义为HbO₂(氧合血红蛋白)与HbO₂和Hb(脱氧血红蛋白)之和的比率，并且可以被表示为：

从光源(诸如非相干LED或灯)发射的入射光通常是随机偏振的，并且偏振跨越波前被编码。在与组织相互作用之后，反射或透射响应修改偏振的分布。然后，偏振分析设备选择正交偏振状态(例如，线性水平和竖直，线性-45°和+45°，或左旋圆偏振光和右旋)。由此，空间分离的偏振通道然后由光敏设备检测，并且电信号被用于SpO₂提取。每个检测到的信号，例如平行(I_par)和垂直(I_per)分量可以分别与表层和深层隔离。I_par被给出为：

其中，偏振分析仪平行于入射照明I_O定向，R_s表示光的表层分量，并且R_d是指深层反射光分量。T_mel用作表示由于皮肤的表层上的黑色素引起的吸收的吸收滤光器。在I_per中，表层反射光被拒绝，并且因此I_per被表示为：

与偏振强度和SpO₂之间的(1)类似的关系可以由下式确定：

由于T_mel在两个偏振状态下具有相同的时间和波长依赖性，因此它抵消。因此：

IV.系统

本公开的一方面可以包括系统10(图3)，该系统可以独立于生物组织中的黑色素色素沉着来光学地确定一个或多个心血管变异性参数，诸如估计氧饱和度(SpO₂)。心血管变异性参数的示例包括氧饱和度值、心率值、呼吸速率值、组织氧合值、动脉血压值、血管僵硬度值、血管评估值、微血管血流量值、组织活力值、血管舒缩功能值、温度调节值、静态平衡位值、神经学值等。人与人之间的黑色素色素沉着的差异可以在仅针对较浅皮肤色调校准的传统设备中产生不准确性。系统10可以使用单一波长或一波长带(例如，白光)的光的单次以抵消黑色素的影响的方式来确定一个或多个心血管变异性参数。如所例示的，系统10可以包括光递送部分100和光接收部分200。

光递送部分100可以包括可以将具有非均一光学偏振波前的偏振光递送到生物组织14的递送设备12和可以接收已经从生物组织14反射和/或透射的相互作用偏振光的接收设备16。偏振光可以与区域30中的生物组织14相交并且相互作用(更详细地示出在图4中)。生物组织14可以是患者的皮肤。例如，皮肤可以位于手、脚、手腕、手指、脚趾、胸部、耳朵等处。

递送设备12可以包括光源18和偏振成形设备20。光源18可以生成定向的或非相干的光，以照射生物组织14。光源可以包括发光二极管、超辐射二极管、非相干灯(例如，氙、钨、卤素等)、连续波激光器或飞秒激光器中的至少一个。偏振成形设备20可以将由光源18生成的光成形为与生物组织14相互作用的非均一光学偏振波前(被示出为偏振光)。偏振成形设备20可以包括线性偏振器(例如，膜、线栅、晶体等)、涡旋波片、矢量束生成超表面、偏振分束器、圆偏振器、空间光调制器或干涉仪中的至少一个。

一旦偏振光已经与生物组织14相互作用，例如被生物组织反射和/或透射，则相互作用偏振光可以由光接收部分200的接收设备16接收。接收设备16可以包括偏振分析仪22和检测设备24。检测设备24可以至少包括处理器26和光检测器28。偏振分析仪22可以接收相互作用偏振光并且输出包括至少两个偏振状态的光。偏振分析仪22可以包括用于分析相互作用偏振光的线性偏振器或偏振分束器中的至少一个。输出光可以由检测设备24的光检测器28接收。光检测器28可以包括电荷耦合设备(CCD)摄像机、CMOS摄像机、光电二极管、光电导体、偏振计、光电检测器、热检测器、光电倍增管(PMT)或平衡检测器中的至少一个。光检测器28可以接收从偏振分析仪22输出的光，并且基于该光来输出数据，例如，与由偏振分析仪输出的光的至少两个偏振状态相关的数据。处理器26可以与光检测器28通信(有线或无线)，并且可以从光检测器接收数据。处理器26可以是包括非暂时性存储器的功能的微处理器，或处理器可以与非暂时性存储器(未示出在图1中)通信，该非暂时性存储器存储用于处理器执行的指令。

图4更详细地示出了区域30以及生物组织14的部分与偏振光之间的相互作用。应理解，在图4中示出了反射，但是透射可以附加地或替代地发生。在图4中，生物组织14是患者的身体的一部分(例如，手指)的人类皮肤，该皮肤可以包括三个主要层：表皮、真皮和皮下组织。光的穿透深度可以取决于波长，其中与较长的波长相比，较短的波长穿透到更短的深度。在皮肤的不同区域中可以发现不同的量的血红蛋白(Hb)和脱氧血红蛋白(HbO₂)。通常，在位于皮肤的表层(例如，真皮或表皮)中的血管(例如，静脉)中发现更多Hb，并且在位于皮肤的深层(例如，表皮)中的血管(例如，动脉)中可以发现更多HbO₂。行进通过散射介质(诸如生物组织)的光屈从(succumb)偏振状态的改变，其中，去偏振随着穿透深度的增加而增加。

当图3的偏振成形设备20朝向生物组织14输出具有非均一光学偏振波前的偏振光时，其首先与表皮相互作用，并且光的镜面分量可以从表皮反射。光的镜面分量具有与入射光(例如，偏振光)类似或相同的偏振，并且对于确定一个或多个心血管变异性参数(诸如SpO₂)可能不是重要的。然后，偏振光与真皮相互作用，真皮可以含有可以主要包括Hb的一个或多个静脉，并且光的表层分量可以从真皮和/或至少一个静脉反射。光的表层分量可以比镜面分量更多地去偏振并且比深层分量更少地去偏振。剩余的偏振光然后可以与皮下组织相互作用，该皮下组织可以含有可以主要包括HbO₂的一个或多个动脉，并且光的深层分量可以从皮下组织和/或至少一个动脉反射。光的深层分量可以比镜面分量和表层分量两者更多地去偏振。偏振光的一部分也可以通过皮肤透射到患者的其他生物组织中或从皮肤透射出去，这取决于皮肤的厚度和皮肤在患者的身体上的位置。偏振分析仪(例如图3的偏振分析仪22)可以被定位成接收由皮肤反射和/或从皮肤透射的光(例如，镜面、表层、深层和/或透射)的一部分或全部。

图5-图7更详细地示出了系统10的部件。图5示出了与图3中的递送设备相关联的系统10的光递送部分100。光源18可以生成定向的或非相干的光，以照射患者的生物组织14。光源18可以包括发光二极管、超辐射二极管、非相干灯(例如，氙、钨、卤素等)、连续波激光器或飞秒激光器中的至少一个。偏振成形设备20可以使来自光源18的光偏振以具有创建偏振光的非均一光学偏振波前。偏振光可以被配置为与患者的生物组织相互作用。相互作用可以是反射和/或透射，如图4中所详细描述的。偏振成形设备20可以包括线性偏振器(例如，膜、线栅、晶体等)、涡旋波片、矢量束生成超表面、偏振分束器、圆偏振器、空间光调制器或干涉仪中的至少一个。应理解，入射到生物组织14的偏振光的角度必须使得可以在偏振分析仪22处接收反射光和/或透射光。

图6示出了与图3中的接收设备相关联的系统10的光接收部分200。偏振分析仪22可以接收相互作用偏振光，该相互作用偏振光可以包括在偏振光已经与患者的生物组织14相互作用之后反射和/或透射的不同偏振阶段的光。相互作用光可以至少包括表层分量和深层分量，并且可以包括镜面分量(如所示出的)。行进通过散射介质(比如生物组织14)的光屈从偏振状态的改变，其中，去偏振随着穿透深度(穿透深度取决于波长)而增加。偏振分析仪22可以包括线性偏振器或偏振分束器中的至少一个，并且可以分析相互作用偏振光并且至少输出相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态。因为相互作用偏振光可以包括基于不同穿透深度的多个偏振状态，所以偏振分析仪22可以基于偏振分析仪内的偏振器的类型和角度来使相互作用偏振光偏振成多个偏振状态。在图6中，相互作用偏振光的第一偏振状态由具有矢量箭头的虚线正弦波表示，并且相互作用偏振光的第二偏振状态由具有矢量箭头的实线正弦波表示。

偏振分析仪22的一部分可以相对于相互作用偏振光以第一角度定向，以输出相互作用偏振光的第一偏振状态。偏振分析仪22的另一部分可以相对于相互作用偏振光以第二角度定向，以输出相互作用偏振光的第二偏振状态。可以同时获得相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态。第一偏振状态和第二偏振状态可以彼此正交。在一些情况下，第一偏振状态和第二偏振状态可以几乎正交(例如，在正交性的1°、5°、10°、15°、20°、30°等内)。例如，正交性可以是以下之一：线性水平偏振状态和竖直偏振状态、线性-45°偏振状态和+45°偏振状态、或左旋圆偏振光和右旋偏振状态。正交性的类型可以取决于偏振分析仪222的类型。贯穿全文的示例数学运算涉及垂直和平行线性偏振状态，但是可以被理解为适用于任何第一偏振状态和第二偏振状态。在一些情况下，第一偏振状态和第二偏振状态不必正交。

偏振分析仪22与可以包括光检测器28和至少一个处理器26的检测设备24通信。光检测器28可以检测由偏振分析仪22输出的相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态。光检测器28可以包括电荷耦合设备(CCD)摄像机、CMOS摄像机、光电二极管、光电导体、偏振计、光电检测器、热检测器、光电倍增管(PMT)或平衡检测器中的至少一个。光检测器28可以与至少处理器26通信(有线或无线)。处理器26可以执行至少用于使用由偏振分析仪22输出的相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态来确定一个或多个心血管变异性参数的指令。

如图7中所示出的，例示了检测设备24的一个示例300。检测设备24可以包括光检测器28(如关于图6所描述的)和处理器26。检测设备24可以包括用于存储可以由处理器26执行的指令的非暂时性存储器(存储器330)。在一些情况下，处理器26可以是微处理器或其他类型的处理器设备，其本身可以包括类似于用于存储指令的存储器特征/部件的功能。处理器26可以执行用于检测332、确定334以及发送和/或显示336的指令。处理器26还可以执行未示出但本文所描述的其他指令。处理器可以检测332与来自光检测器28的相互作用偏振光的第一偏振状态相关的数据和与来自光检测器28的相互作用偏振光的第二偏振状态相关的数据。处理器26可以基于与相互作用偏振光的第一偏振状态相关的数据和与相互作用偏振光的第二偏振状态相关的数据来确定334患者的生物组织的表层分量和深层分量(例如，来自图4和图6的光的表层分量和深层分量)的相对吸收贡献。表层分量的吸收贡献可以类似于脱氧血红蛋白的吸收贡献，并且深层分量的吸收贡献可以类似于氧合血红蛋白的吸收贡献。处理器26还可以基于表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献来确定334患者的心血管变异性参数。这样的确定可以独立于生物组织中的黑色素的吸收影响，因为通过分析来自一个波长或一组波长的光的单次的偏振状态数据而不是来自具有至少两个不同波长的光的多次的波长和/或频率数据抵消了黑色素的吸收影响。处理器26还可以包括用以发送和/或显示336确定的心血管变异性参数的指令。处理器26可以在与系统10相关联并且与系统10通信的显示器(未示出)上显示确定的心血管变异性参数。处理器26还可以将确定的心血管变异性参数发送到与患者和/或医疗专业人员相关联的外部设备340。

V.方法

本公开的另一方面可以包括用于独立于黑色素的影响光学地确定患者的一个或多个心血管变异性参数的方法400(图8)。心血管变异性参数可以包括例如氧饱和度值、心率值、呼吸速率值、组织氧合值、动脉血压值、血管僵硬度值、血管评估值、微血管血流量值、组织活力值、血管舒缩功能值、温度调节值、静态平衡位值或神经学值。可以使用图3-图7中所示出的系统10来执行方法400。为了简单起见，方法400被示出和描述为被串行执行；然而，应理解和领会，本公开不受所例示的顺序限制，因为一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与本文所示出和描述的其他步骤同时发生。此外，实施方法400可以不需要所有例示的方面，方法400也不限于所例示的方面。

在步骤402处，与相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态相关的数据可以由检测设备接收，该检测设备可以至少包括处理器和光检测器。相互作用偏振光可以包括在偏振光与患者的生物组织(例如，皮肤)相互作用之后反射的偏振光。检测设备也可以是诸如系统10的系统的一部分，该系统还包括光源、偏振成形设备和偏振分析仪。光源可以生成光，以照射生物组织。可以经由控制器(例如，PID控制器)手动地和/或半自动地或全自动地控制光源。偏振整形设备可以使光偏振以具有非均一光学偏振波前。偏振光可以与患者的生物组织相互作用。相互作用可以是反射和/或透射。偏振分析仪可以接收相互作用偏振光并且至少输出相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态。偏振分析仪的一部分可以相对于相互作用偏振光以第一角度定向以输出第一偏振状态。偏振分析仪的另一部分可以相对于相互作用偏振光以第二角度定向以输出第二偏振状态。相互作用光的第一偏振状态和第二偏振状态可以被同时输出。检测设备的光检测器可以检测由偏振分析仪输出的光的第一偏振状态和第二偏振状态，并且然后将与光的第一偏振状态和第二偏振状态相关的数据发送到处理器。

在步骤404处，检测设备可以基于与第一偏振状态相关的数据和与第二偏振状态相关的数据来确定患者的生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献。作为一个示例，相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态可以彼此正交。正交性可以是以下之一：线性水平偏振状态和竖直偏振状态、线性-45°偏振状态和+45°偏振状态、或左旋圆偏振光和右旋偏振状态。在一个示例中，相互作用偏振光的第一偏振状态可以是相互作用偏振光的平行偏振状态，并且相互作用偏振光的第二偏振状态可以是相互作用偏振光的垂直偏振状态。偏振分析仪可以相对于相互作用偏振光平行定向以输出平行偏振状态，并且相对于相互作用偏振光垂直定向以输出垂直偏振状态。

与第一偏振状态相关的数据可以包括患者的生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献，并且与第二偏振状态相关的数据可以包括患者的生物组织的表层分量的相对吸收贡献。例如，可以通过对表层分量(R_s)的相对吸收贡献和深层分量(R_d)的相对吸收贡献的方程组求解来确定患者的生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献。

(1)和

(2)

与第一偏振状态相关的数据是I_par，与第二偏振状态相关的数据是I_per，相互作用偏振光是I_O，并且黑色素的吸收贡献是T_mel。

在步骤406处，检测设备可以基于表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献来确定患者的心血管变异性参数。该确定可以独立于生物组织中的黑色素的吸收影响。例如，如果正被确定的心血管变异性参数是估计氧饱和度(SpO₂)，则该确定可以包括对方程求解：

(3)可以用在步骤404中确定的表层分量(R_s)的相对吸收贡献和深层分量(R_d)的相对吸收贡献来对方程(3)求解。则这些关系可以被表示为：

(3)和

(4)

可以对其他数学关系求解以用于确定其他心血管变异性参数。

虽然未示出在图8中，但是检测设备还可以经由检测设备的收发器将心血管变异性参数输出到与患者和/或医疗专业人员相关联的外部设备(例如，智能电话、计算机、平板计算机、临床基站等)。在一些情况下，包括检测设备的系统还可以基于确定的心血管参数在一段时间内的趋势来确定患者的健康状态，并且向与患者和/或医疗专业人员相关联的外部设备输出患者的健康状态的通知。

VI.实验

以下实验示出了在单一波长下使用单次数据获取使用径向偏振矢量束进行的估计氧饱和度(SpO₂)的脉搏血氧测定的首次演示。值得注意的是，可以进行脉搏血氧测定以独立于皮肤色调(黑色素)和其他光吸收分量来估计SpO₂。

方法

非相干矢量场生成和表征

图9中示出了用于本文所描述的系统的一个示例的组合实验和校准设置系统，被称为RPOX。光谱中心在780nm波长(在此处组织吸收是低的)——的LED光源(ThorlabsM780L3-C1)首先由透镜(L1)准直，并且然后撞击在中性密度(ND)滤光器上，该滤光器将功率衰减到431μW。接下来，包括布置在2f系统中的非球面透镜(L2)、光圈(I1)和准直透镜(L3)的空间滤波系统生成无像差、圆形对称束。随后使用线性偏振器(LP1)来确保竖直偏振光传播通过零级涡旋波片(Thorlabs WPV10L-780)以用于径向偏振矢量场生成。为了校准，镀银反射镜(未示出)被用来将矢量场引导到位于位置1处的CMOS摄像机(EO2122M)，如图9中所指示的。相反，当进行SpO₂测量时，该摄像机被移动到位置2，并且该反射镜被个体的手指取代。

首先校准来自非相干源的径向偏振矢量束。通过将偏振分析仪LP2和四分之一波片(QWP)插入到紧接在摄像机之前的光束路径中来测量矢量场的斯托克斯(Stokes)参数，如图9中所示出的。然后通过被定义为下式的斯托克斯参数来确定各种偏振分量对矢量场的SoP的相对强度贡献：

S₀＝I_H+I_V,S₁＝I_H-I_V,S₂＝I_D+-I_D-,S₃

＝I_RCP-I_LCP (15)

其中，I_H、I_V、I_D+/-、I_LCP和I_RCP分别是水平和竖直、两个对角线、和左/右圆偏振状态的强度。在图10中，要素A黑色箭头指示局部电场的方向，而图10中，要素B显示实验获得的对应的斯托克斯参数。观察到在中心具有偏振奇点(singularity)的典型环形强度分布和对应于径向偏振矢量场的斯托克斯参数。

数据收集过程

在进行测量之前，由志愿者给出知情同意。此时，要求志愿者填写调查，该调查收集关于他们的身体活动水平、咖啡因消耗量、吸烟习惯以及他们是否涂指甲油的信息。此数据集由五个不同皮肤色调的健康志愿者组成(Fitzpatrick量表上的I-VI)。在年龄在23与34岁之间的这5名志愿者中，3名为男性，并且2名为女性。在65°F环境温度下在暗室内对每个个体进行两次试验，每次试验相隔2小时以考虑内心变化。在研究时，需要志愿者在他们的鼻子和嘴上佩戴面罩，以遵守布朗大学COVID政策。在适应实验室环境10分钟之后，要求志愿者在正常呼吸、深呼吸、保持呼吸和浅呼吸状况下呼吸，这些状况通过可听节拍器被同步160秒。正常呼吸状况需要志愿者以每分钟17次呼吸的速率呼吸，而深呼吸需要以每分钟6次的速率。这之后是以每分钟17次呼吸的速率呼吸，这发生在志愿者保持其呼吸30秒之后。最后，要求志愿者以每分钟30次呼吸执行浅呼吸。注意，对于此研究，接收到IRB批准的豁免，因为该工作重点是校准设备，并且因此不符合联邦对可推广性的定义。

矢量-射束脉搏血氧测定

如图9中所示出的，志愿者在生成矢量束之后将他们的手指插入到光学设置中，其中，使用光圈(I2)来调节束的孔径尺寸。从手指的深层和漫射层反射的非镜面光由包括透镜L4(焦距＝30mm)和L5(焦距＝30mm)的4f系统收集，并且随后被成像到在位置2处的摄像机上。线性偏振分析仪LP3被放置在手指之后并且被设置为平行于由LP1产生的照明偏振。以每秒50帧来收集一系列8000帧，其中，图10要素C和图10要素D分别描绘当LP3平行和垂直于LP1定向时的典型强度分布图。然后在MATLAB中处理这些帧，以生成感兴趣的区域，如图10要素C和图10要素D中的水平框和竖直框所描绘的。此实验利用图10要素C。竖直框表示I_par，并且水平框表示I_per。然后应用方程(1-4)来计算RPOX的SpO₂，其中，跨越8000帧对SpO₂值求平均。同时，两个商业脉搏血氧计(Metene JPD500D和Masimo MightySat)分别附接到志愿者的右手的中指和食指上，其中，记录参考SpO₂测量结果。每个商业脉搏血氧计具有2％的报告准确度。

统计方法

通过描述性统计来总结参与者级别特性。主要目的是评估与Metene和Masimo脉搏血氧计相比的RPOX的性能。使用线性回归模型，该模型根据设备类型回归SpO₂(被效应编码(effect-coded)，以允许RPOX与Metene以及RPOX与Masimo之间的成对比较)，从而控制先验识别的混杂因子(confounder)。感兴趣的是估计效应大小和置信区间，而不是严格的统计假设测试。使用R统计软件来分析数据。

结果

如表1中所示出的，t结果表明在Masimo血氧计和RPOX(p＝0.2078)之间以及在Metene血氧计和RPOX(p＝0.0918)之间的平均SpO₂没有显著差异，如由表1中所示出的多个线性回归分析总结的。

表1

在表2中总结了跨越多个呼吸状况和参与者的未调整的结果。参与者结果跨越多个状况在个体内瓦解。从表2注意到，RPOX具有每个志愿者的最低标准偏差(SD)(对于参与者1，是1.21×10^-4，对于参与者2，是4.15×10^-6，对于参与者3，是3.23×10^-6，对于参与者4，是5.26×10^-6以及对于参与者5，是3.0×10^-6)，这表明当单独考虑每个参与者时，由RPOX取得的测量结果是最一致的。

表2

图11示出了对于每个设备在四种不同的呼吸状况(由四种不同颜色示出)下获得的每个参与者的结果的箱线图。据观察，对于正常呼吸、深呼吸、保持呼吸和浅呼吸情况，RPOX提供接近于由商业设备限定的基线的氧饱和度水平。在浅呼吸状况下记录人2、3和4的、RPOX和Masimo所记录的最高平均SpO₂值。根据图11，Masimo和Metene现有技术标准设备更可能记录在160秒内所收集的SpO₂测量结果的大变化，如由箱线图中的值范围所示出的。对于正常呼吸、深呼吸和浅呼吸状况，参与者1的值在健康患者的预期范围(95％-100％)以下。

图12描绘了对于每个设备跨越多个参与者的组合数据箱线图，同时此数据的平均值和标准偏差值被总结在表3中。组合参与者数据的目的是评估当与Masimo和Metene相比时RPOX的整体性能。从表3中可以明显看出，RPOX示出了对于除保持呼吸状况之外的所有呼吸状况的最大变化，其中，RPOX示出了最小变化。RPOX示出了在浅呼吸状况下的最大变化(2.26％)。从图12和表3，注意到，由RPOX记录的SpO₂读数比由Masimo和Metene记录的读数低(0.4％-0.9％)。此外，RPOX示出了在人4中在深呼吸状况、保持呼吸状况和浅呼吸状况下在测量的SpO₂值中的最大四分位数范围。

表3

为了跨越多个参与者研究针对参与者1所获得的数据对组合参与者数据的影响，从在表4中总结的数据集中省略参与者1。因此，RPOX示出了在正常呼吸状况和保持呼吸状况下的最小变化。

表4

根据以上描述，本领域技术人员将意识到改进、改变和修改。这样的改进、改变和修改在本领域技术人员的技术内，并且意在由所附权利要求覆盖。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

光源，所述光源被配置为生成光以照射患者的生物组织；

偏振成形设备，所述偏振成形设备被配置为使所述光偏振以具有创建偏振光的非均一光学偏振波前，其中，所述偏振光被配置为与所述患者的所述生物组织相互作用，其中，所述相互作用是反射和/或透射；

偏振分析仪，所述偏振分析仪被配置为：

接收包括在所述偏振光与所述患者的所述生物组织相互作用之后反射的所述偏振光的相互作用偏振光；以及

至少输出所述相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态，

其中，所述偏振分析仪的一部分相对于所述相互作用偏振光以第一角度定向以输出所述第一偏振状态，并且所述偏振分析仪的另一部分相对于所述相互作用偏振光以第二角度定向以输出所述第二偏振状态；以及

检测设备，所述检测设备包括：

光检测器，所述光检测器被配置为检测由所述偏振分析仪输出的所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态，以及

至少一个处理器，所述处理器被配置为执行指令，以：

检测与所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态相关的数据和与所述相互作用偏振光的所述第二偏振状态相关的数据；

基于与所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态相关的数据和与所述相互作用偏振光的所述第二偏振状态相关的数据来确定所述患者的所述生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献；以及

基于所述表层分量的相对吸收贡献和所述深层分量的相对吸收贡献来确定所述患者的心血管变异性参数，其中，所述确定独立于所述生物组织中的黑色素的吸收影响。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置为将所述心血管变异性参数发送到与所述患者和/或医疗专业人员相关联的外部设备。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器包括以下中的至少一个：电荷耦合设备(CCD)摄像机、CMOS摄像机、光电二极管、光电导体、偏振计、光电检测器、热检测器、光电倍增管(PMT)或平衡检测器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏振分析仪还包括线性偏振器或偏振分束器中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏振成形设备包括以下中的至少一个：线性偏振器、涡旋波片、矢量束生成超表面、偏振分束器、圆偏振器、空间光调制器或干涉仪。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括以下中的至少一个：发光二极管、超辐射二极管、非相干灯、连续波激光器或飞秒激光器。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述生物组织是皮肤，其中，所述皮肤位于所述患者的手、脚、手腕、手指、胸部或耳朵处。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表层分量的吸收贡献类似于脱氧血红蛋白的吸收贡献，并且所述深层分量的吸收贡献类似于氧合血红蛋白的吸收贡献。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一偏振状态和所述第二偏振状态彼此正交，其中，正交性是以下之一：线性水平偏振状态和竖直偏振状态、线性-45°偏振状态和+45°偏振状态、或左旋圆偏振光和右旋偏振状态。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述心血管变异性参数包括氧饱和度值、心率值、呼吸速率值、组织氧合值、动脉血压值、血管僵硬度值、血管评估值、微血管血流量值、组织活力值、血管舒缩功能值、温度调节值、静态平衡位值或神经学值。

11.一种方法，包括：

由至少包括处理器和光检测器的检测设备接收与相互作用偏振光的第一偏振状态和第二偏振状态相关的数据，其中，所述相互作用偏振光包括在偏振光与患者的生物组织相互作用之后反射的偏振光，其中，所述检测设备是一种系统的一部分，所述系统还包括：

光源，所述光源被配置为生成光以照射患者的生物组织；

偏振成形设备，所述偏振成形设备被配置为使所述光偏振以具有非均一光学偏振波前，其中，所述偏振光被配置为与所述患者的所述生物组织相互作用，其中，所述相互作用是反射或反射和透射；以及

偏振分析仪，所述偏振分析仪被配置为接收所述相互作用偏振光并且至少输出所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态，其中，所述偏振分析仪的一部分相对于所述相互作用偏振光以第一角度定向以输出所述第一偏振状态，并且所述偏振分析仪的另一部分相对于所述相互作用偏振光以第二角度定向以输出所述第二偏振状态，

其中，所述检测设备的所述光检测器被配置为检测由所述偏振分析仪输出的所述光的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态；

由所述检测设备基于与所述第一偏振状态相关的数据和与所述第二偏振状态相关的数据来确定所述患者的所述生物组织的表层分量的相对吸收贡献和深层分量的相对吸收贡献；以及

由所述检测设备基于所述表层分量的相对吸收贡献和所述深层分量的相对吸收贡献来确定所述患者的心血管变异性参数，其中，所述确定独立于所述生物组织中的黑色素的吸收影响。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括由所述检测设备的收发器将所述心血管变异性参数输出到与所述患者和/或医疗专业人员相关联的外部设备。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述心血管变异性参数包括氧饱和度值、心率值、呼吸速率值、组织氧合值、动脉血压值、血管僵硬度值、血管评估值、微血管血流量值、组织活力值、血管舒缩功能值、温度调节值、静态平衡位值或神经学值。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态彼此正交，其中，正交性是以下之一：线性水平偏振状态和竖直偏振状态、线性-45°偏振状态和+45°偏振状态、或左旋圆偏振光和右旋偏振状态。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述相互作用偏振光的所述第一偏振状态是所述相互作用偏振光的平行偏振状态，并且所述相互作用偏振光的所述第二偏振状态是所述相互作用偏振光的垂直偏振状态，

其中，所述偏振分析仪相对于所述相互作用偏振光平行定向以输出所述平行偏振状态，并且相对于所述相互作用偏振光垂直定向以输出所述垂直偏振状态。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，与所述第一偏振状态相关的数据包括所述患者的所述生物组织的所述表层分量的相对吸收贡献和所述深层分量的相对吸收贡献，并且与所述第二偏振状态相关的数据包括所述患者的所述生物组织的所述表层分量的相对吸收贡献。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，确定所述患者的所述生物组织的所述表层分量的相对吸收贡献和所述深层分量的相对吸收贡献还包括对所述表层分量(R_s)的相对吸收贡献和所述深层分量(R_d)的相对吸收贡献的方程组（1）

其中，与所述第一偏振状态相关的数据是I_par，与所述第二偏振状态相关的数据是I_per，所述相互作用偏振光是I_O，并且黑色素的吸收贡献是T_mel。

18.根据权利要求18所述的方法，其中，确定所述心血管变异性参数还包括基于对

19.根据权利要求11的方法，其中，所述表层分量的吸收贡献类似于脱氧血红蛋白的吸收贡献，并且所述深层分量的吸收贡献类似于氧合血红蛋白的吸收贡献。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：

由所述系统基于确定的心血管参数在一段时间内的趋势来确定所述患者的健康状态；以及

由所述系统将所述患者的所述健康状态的通知输出到与所述患者和/或医疗专业人员相关联的外部设备。