СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ПОКАЗАТЕЛЯХ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫХ ФУНКЦИЙ СУБЪЕКТА
SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING VITAL SIGN INFORMATION OF SUBJECT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе и способу для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта, в частности, к оптическому измерению для удаленного определения показателей жизненно важных функций наблюдаемого субъекта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Показатели жизненно важных функций субъекта, например, частота сердечных сокращений (ЧСС), частота дыхательных движений (ЧДД) или температура тела служат показателями текущего состояния здоровья человека и эффективными прогностическими параметрами тяжелых медицинских случаев. По данной причине, показатели жизненно важных функций всесторонне контролируют в медицинских учреждениях для стационарных пациентов и амбулаторных пациентов, в домашних условиях или в других учреждениях здравоохранения, отдыха и фитнеса.
Заявка US 2009/0204100 A1 раскрывает покрывало для тела, содержащее воспринимающий температуру элемент. Воспринимающий температуру элемент воспринимает температуру ближней кожи и преобразует локально воспринятую температуру в визуальный и/или электрический сигнал. Покрывало для тела может включать в себя локальный дисплей для преобразования электрических сигналов, которые выводятся воспринимающими температуру элементами в визуальный сигнал таким образом, что владелец или камера могут считывать состояние кожи с покрывала для тела.
Патент US 4945919 раскрывает ринологическое диагностическое устройство, содержащее термохромный жидкокристаллический слой для отображения температурного распределения выдыхаемого воздуха в виде термохромной картины для диагностирования аномалии в носовой полости.
Заявка US 2012/0289850 A1 раскрывает контроль дыхания субъекта с помощью тепловизионной системы, настроенной на температурный диапазон лицевой области. Тепловизионная камера, работающая в инфракрасном диапазоне длин волн от 7500 нм до 14000 нм, собирает видеопоследовательность тепловизионных изображений. Температуры краев головы и лица используются для определения местоположения характерных черт лица в собранных тепловизионных изображениях, т.е. носа и рта, которые связаны с дыханием. Поскольку температура выдыхаемого воздуха, обычно, выше, чем температура вдыхаемого воздуха, то изменения во времени области носа и рта можно оценивать для определения частоты дыхательных движений. В альтернативном варианте осуществления, частоту дыхательных движений определяют по движению ноздрей, губ или груди.
Заявка US 2012/0052469 Al раскрывает устройство управления назальным потоком. Воздушный поток во время вдоха носом охлаждает область вокруг носа, и воздушный поток во время выдоха носом согревает область вокруг носа. К носу субъекта можно прикрепить прокладку, которая достаточно быстро реагирует на температурные изменения. Камера вновь измеряет температурные изменения.
Недостаток данных систем состоит в том, что измерение температуры производит желаемый эффект только в случае, если существует значительная разность температур между температурой окружающей среды и температурой выдыхаемого воздуха. Дополнительный недостаток состоит в том, что тепловизионные камеры являются дорогими. Кроме того, требуются дополнительные средства измерений для параллельного измерения дополнительных показателей жизненно важных функций, подобно частоте сердечных сокращений или насыщению кислородом.
В качестве альтернативы тепловидению, документ US 6110123 A раскрывает измерение дыхания на основе движения. Предварительное условие для данного метода состоит в том, что перемещение, соотносимое с дыханием, должно быть видимым для системы камер. В предпочтительном варианте наблюдают за перемещением груди, поскольку дыхательные перемещения на лице обычно не заметны. Однако, например, в больничном учреждении, в котором пациент лежит в постели и укрыт одеялом, можно наблюдать очень ограниченное перемещение. Кроме того, перемещение груди не гарантирует поток газовой смеси в легкие. Кроме того, измерение дыхания на основе движения подвержено артефактам движения.
US 2013/0030257 A1 раскрывает систему, основанную на радиолокации для бесконтактного измерения дыхательного усилия. Постоянные волны электромагнитного излучения могут переноситься по направлению к субъекту и Допплер-сдвинутые принятые сигналы обрабатываются для извлечения информации, относящейся к сердечно-легочному движению. Система может дополнительно содержать назальный или пероральный датчик воздушного потока, который может включать в себя термистор, термоанемометр или датчик давления. Камера может использоваться для наведения устройства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованной системы и способа для малозаметного и экономичного определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта. В частности, представляется полезным обеспечение системы и способа, которые повышают функциональные возможности недорогого устройства для определения информации о показателях жизненно важных функций.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается система для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта, которая содержит:
- маркер для наложения на субъект, при этом маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики вследствие механической манипуляции маркером, вызванной физиологическим процессом субъекта,
- блок обнаружения для обнаружения излучения от маркера, и
- блок анализа для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта из обнаруженного излучения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения предлагается маркер для применения в вышеописанной системе, при этом маркер сконфигурирован для наложения на субъект, и причем маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики вследствие механической манипуляции маркером, вызванной физиологическим процессом субъекта.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения предлагается способ определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта, который содержит следующие этапы:
- обнаруживают излучение от маркера, при этом маркер наложен на субъект, и причем маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики вследствие механической манипуляции маркером, вызванной физиологическим процессом субъекта, и
- определяют информацию о показателях жизненно важных функций субъекта из обнаруженного излучения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленные маркер и способ имеют предпочтительные варианты осуществления, подобные и/или идентичные заявленной системе и определенные в зависимых пунктах формулы изобретения.
Термин «показатель жизненно важной функции», применяемый в контексте настоящего изобретения относится к физиологическому параметру субъекта и производным параметрам. В частности, термин «показатель жизненно важной функции» содержит частоту сердечных сокращений (ЧСС) (иногда также называемую частотой пульса), вариабельность частоты сердечных сокращений (вариабельность частоты пульса), наполнение пульса, перфузию, показатель перфузии, вариабельность перфузии, волны Траубе-Геринга-Майера, частоту дыхательных движений (ЧДД), температуру тела, артериальное давление, концентрацию вещества в крови и/или ткани и/или поте, например, насыщение кислородом или уровень глюкозы. В общем, термин «показатель жизненно важной функции» может описывать базовый физиологический процесс, например, сердечные импульсы или дыхательную активность. Физиологический сигнал, описывающий базовый физиологический процесс можно измерять и оценивать.
Термин «информация о показателях жизненно важных функций», применяемый в контексте настоящего изобретения, содержит один или более вышеописанных измеренных показателей жизненно важных функций. Кроме того, термин «информация о показателях жизненно важных функций» содержит данные, относящиеся к физиологическому параметру, соответствующим кривым форм сигналов, или данные, относящиеся к изменению физиологического параметра во времени, которые могут служить для последующего анализа.
Основной недостаток существующих измерительных устройств для определения показателей жизненно важных функций состоит в том, что данные устройства настолько адаптированы под конкретное применение, что для сбора требуемых показателей жизненно важных функций требуется множество разных устройств. Например, тепловизионную камеру в соответствии с заявкой US 2012/0289850 Al применяют для определения частоты дыхательных движений, и дополнительную камеру, работающую в видимой части спектра, применяют для определения частоты сердечных сокращений посредством дистанционной фотоплетизмографии. В работе авторов Verkruysse et al., «Remote plethysmographic imaging using ambient light», Optics Express, 16 (26), 22 December 2008, pp. 21434-21445, показано, что фотоплетизмографические сигналы можно измерять дистанционно с использованием окружающего освещения и обычной потребительской видеокамеры. Требуются разные устройства, так как необходимые базовые физические величины нельзя наблюдать с одним единственным устройством.
В качестве решения, настоящее изобретение основано на идее, что маркер накладывают на субъект, при этом маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на физиологический процесс субъекта. Другими словами, маркер используют для преобразования информации о показателях жизненно важных функций, которая, как таковая, неразличима для средства измерения, чтобы ее могло определить средство измерения.
Например, маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики, например, цвета или яркости, в ответ на объемный поток газовой смеси при дыхании. Блок обнаружения, например, недорогая камера на ПЗС (приборах с зарядовой связью) обнаруживает излучение, принимаемое от маркера. На следующем этапе блок анализа анализирует излучение и определяет частоту дыхательных движений посредством оценки изменения оптической характеристики маркера во времени.
В контексте настоящего описания, термин «блок обнаружения» относится к устройству для обнаружения электромагнитного излучения. Блок обнаружения сконфигурирован с возможностью обнаружения излучения, принимаемого от маркера. В предпочтительном варианте осуществления блок обнаружения является камерой с датчиком изображения, например, датчиком изображения на ПЗС или КМОП-структурах, который содержит матрицу светочувствительных пикселей. Выходной сигнал блока обнаружения называется данными излучения. Например, данные излучения представляют собой последовательность изображений во времени, то есть, видеопоток. Камера может быть монохромной или цветной камерой. В варианте осуществления блок обнаружения является дистанционным блоком обнаружения, при этом блок обнаружения пространственно отделен от наблюдаемого объекта. В варианте осуществления блок обнаружения сконфигурирован с возможностью обнаружения света в спектральном диапазоне приблизительно от 420 до 1100 нм.
В варианте осуществления маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики вследствие какой-то одной из механической, физической или химической манипуляции маркером, обусловленной физиологическим процессом субъекта, вызванной физиологическим процессом субъекта. В качестве примеров, относящихся к механической манипуляции, маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на объемный поток газовой смеси в результате дыхания или в ответ на напряжение, вносимое мышечной активностью или расширением кровеносных сосудов. В качестве примера физической манипуляции, маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на изменение температуры, например, вносимое дыханием. В качестве примера химической манипуляции, маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на концентрацию газовой смеси, например, компонентов выдыхаемого воздуха, например, диоксида углерода или другого продукта реакции, химического свойства поверхности кожи, например, уровня pH, влажности и т.п.
В варианте осуществления изменяющаяся оптическая характеристика маркера является отражающей способностью и/или цветом. Термин «отражающая способность» в контексте настоящего описания относится также к отражению, в частности, зеркальному отражению, а также характеристикам яркости или поглощения. Изменяющаяся оптическая характеристика включает в себя также различимое изменение оптической характеристики. Например, может изменяться ориентация структурного элемента маркера в ответ на физиологический процесс субъекта. При этом, цвет структурного элемента маркера, фактически, не изменяется. Однако, отличающаяся ориентация структурного элемента маркера представляет в блок обнаружения отличающийся оптический эффект.
В дополнительном варианте осуществления маркер является пластырем, в частности, пластырем для наложения на кожу субъекта. Преимущество данного варианта осуществления состоит в том, что медицинский персонал осуществляет манипуляцию пластырями, например, лейкопластырями, во время повседневной практики. В альтернативном варианте маркер может быть сконфигурирован для наложения непосредственно на субъект, в частности, на кожу субъекта. Например, маркер может быть обеспечен в форме губной помады или мази, крема или лосьона. В дополнительном альтернативном варианте маркер может быть сконфигурирован для наложения на тубус или другое медицинское оборудование вблизи пациента, которое подвергаются влиянию физиологического процесса субъекта, например, потока воздуха при дыхании.
В варианте осуществления маркер сконфигурирован для наложения на область носа и/или рта субъекта. Область рта является особенно подходящей для наложения, поскольку данная область подвергается влиянию потока воздуха при дыхании и редко закрыта одеялом. Дополнительное преимущество состоит в том, что пластырь для закрепления трубки для снабжения пациента кислородом может содержать маркер в верхнегубной области или вблизи подносового желобка.
В варианте осуществления поверхность маркера содержит элементарные волокна, выступающие из упомянутой поверхности. В предпочтительном варианте элементарное волокно является структурным элементом, который сконфигурирован с возможностью перемещения под действием потока воздуха, что вызывает изменение его оптического проявления. Например, поверхность маркера содержит гибкие элементарные волокна, в частности, текстильные волокна, которые сконфигурированы с возможностью перемещения в ответ на механическую манипуляцию, объемный поток газовой смеси. Например, маркер, содержащий упомянутые элементарные волокна на поверхности прикрепляют к верхнегубной области под носом, над верхней губой субъекта. Во время вдоха, элементарные волокна подвергаются влиянию объемного потока газовой смеси и ориентируются в верхнем направлении, т.е. в направлении дыхательного пути, а во время выдоха элементарные волокна имеют возможность перемещаться вниз, т.е. в направлении от дыхательного пути. Маркер может быть сконфигурирован с возможностью обеспечения различного оптического эффекта, который зависит от ориентации элементарных волокон.
В дополнительной модификации элементарные волокна содержат первую поверхность, имеющую первую оптическую характеристику, и вторую поверхность, имеющую вторую оптическую характеристику. Например, первая поверхность и вторая поверхность могут иметь разные цвета, быть черной и белой, иметь разные отражательные или рассеивающие свойства. В предпочтительном варианте первая и вторая поверхности обеспечивают высокий контраст. В альтернативном варианте осуществления элементарные волокна имеют первую оптическую характеристику, и поверхность маркера, из которой выступают элементарные волокна, имеет вторую оптическую характеристику. Таким образом, в зависимости от того, насколько заметна поверхность блоку обнаружения, можно делать выводы по информации относительно ориентации волокон. Следует отметить, что точную ориентацию элементарных волокон знать не обязательно, поскольку может быть достаточно анализировать относительное изменение обнаруженного излучения от маркера. Однако, в предпочтительном варианте, первая оптическая характеристика и вторая оптическая характеристика обеспечивают высокий контраст.
В варианте осуществления блок обнаружения содержит датчик изображения или камеру. Датчик изображения предпочтительно является стандартным датчиком изображения на ПЗС или КМОП-структурах, который имеется в продаже по невысокой цене. Последнее является значительным преимуществом по сравнению с решением, предложенным в заявке США US 2012/0289850 A1, в которой применена дорогая тепловизионная камера, работающая в диапазоне средних инфракрасных (ИК) длинных ИК длин волн от 7500 нм до 14000 нм.
В дополнительном варианте осуществления блок обнаружения сконфигурирован с возможностью обнаружения невидимого излучения, в частности, ближнего инфракрасного (ИК) и/или ближнего ультрафиолетового (УФ) диапазона. Преимущество данного варианта осуществления состоит в том, что измерения показателей жизненно важных функций могут выполняться в темноте, то есть, без причинения беспокойства пациенту в ночное время. Кроме того, можно применить маркер, цвет которого соответствует цвету кожи субъекта в видимом диапазоне. Следовательно, маркер сконфигурирован с возможность изменения оптической характеристики в невидимой части спектра. Тем самым улучшается эстетический вид. Ближний инфракрасный диапазон можно определить как диапазон длин волн от 750 нм до 1400 нм. Ближний ультрафиолетовый диапазон можно определить как диапазон длин волн от 300 нм до 400 нм. Видимый свет можно определить как диапазон длин волн от 400 нм до 750 нм. Блок обнаружения может быть сконфигурирован с возможностью обнаружения ближнего инфракрасного и/или ближнего ультрафиолетового света дополнительно к видимому свету или в качестве альтернативы видимому свету.
В варианте осуществления блок обнаружения сконфигурирован с возможностью обнаружения излучения в некотором спектральном диапазоне, при этом спектральный диапазон находится в диапазоне длин волн от 300 нм до 1400 нм, предпочтительно, от 400 нм до 1100 нм. Спектральный диапазон может быть частью данного диапазона длин волн. Спектральный диапазон, типичный для датчика на ПЗС, в случае примерного блока обнаружения, находится в пределах от 420 нм до 1100 нм. В альтернативном варианте спектральный диапазон включает в себя один или более отдельных или перекрывающихся субдиапазонов, например, в красной, зеленой и синей части видимого спектра.
При желании, система для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта дополнительно содержит источник света, например, источник видимого света, источник ближнего ИК или ближнего УФ света.
В варианте осуществления блок анализа сконфигурирован с возможностью оценки обнаруженного излучения с течением времени. Следовательно, абсолютное значение знать не обязательно. Например, частоту дыхательных движений можно определить оценкой временной последовательности измеренных данных излучения. Долговременный контроль субъекта допускает эффективное сравнение измеренных значений для субъекта в разные моменты времени, то есть, автореферентную систему. Тем самым можно определить улучшение или ухудшение состояния. Кроме того, возможен учет механического старения маркера. Например, маркер, который изменяет свою оптическую характеристику в зависимости от механической манипуляции или химической манипуляции, может изнашиваться с течением времени таким образом, что его способность изменять свою оптическую характеристику ослабевает. При желании, данное механическое старение маркера также можно учитывать, например, посредством применения корреляционной функции в блоке анализа.
В дополнительной модификации маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на дыхание субъекта, и, при этом, блок анализа сконфигурирован с возможностью получения информации о дыхательном объеме. В дополнение к оценке абсолютных значений, возможна оценка относительного изменения, например, для указания уменьшения дыхательного объема.
В другом варианте осуществления маркер дополнительно сконфигурирован с возможностью визуализации физиологической особенности субъекта посредством оптической характеристики. Например, абсолютное значение, например, температуры или концентрация химического вещества, может отображаться оптической характеристикой маркера, при этом оптическая характеристика изменяется в ответ на физиологический процесс субъекта. При желании, маркер дополнительно содержит реперную зону на маркере в качестве опоры для определения абсолютного значения. Последнее особенно полезно, так как представление оптической характеристики для блока обнаружения может зависеть от разных условий освещенности и их изменения.
В дополнительном варианте осуществления маркер содержит один или более дополнительных оптических признаков для обнаружения посредством блока обнаружения группы признаков, содержащих оптический признак для отслеживания маркера, например, для измерения в ночное время и для кодирования информации. Например, маркер может содержать штрих-код или двумерный (QR) штрих-код, который содержит информацию о пациенте, который подлежит измерению, и/или информацию об измерительной процедуре. Кроме того, маркер может содержать четкие оптические признаки, которые допускают отслеживание маркера в обнаруженном излучении. При желании, система дополнительно содержит блок обработки изображений для идентификации маркера в обнаруженном излучении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные и другие аспекты изобретения будут очевидны из последующего пояснения со ссылкой на нижеописанный(ые) вариант(ы) осуществления. На нижеследующих чертежах
Фиг.1 - примерный вариант осуществления системы для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 - изображение маркера в соответствии с аспектом настоящего изобретения, наложенного на субъект;
Фиг.3A и 3И - примерный вариант осуществления маркера, сконфигурированного с возможностью изменения оптической характеристики вследствие механической манипуляции маркером;
Фиг.4 - изображение альтернативного варианта осуществления маркера;
Фиг.5 - изображение дополнительного варианта осуществления маркера; и
Фиг.6 - изображения двух маркеров, наложенных на лицо субъекта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 представляет примерный вариант осуществления системы 1 для определения информации 7 о показателях жизненно важных функций субъекта 100 в соответствии с аспектом настоящего изобретения. Система 1 содержит маркер 10 для наложения на субъект 100, блок 2 обнаружения и блок 6 анализа в качестве базовых компонентов. В данном примере система 1 для определения информации 7 о показателях жизненно важных функций субъекта 100 применяется в клиническом учреждении, где субъект 100 лежит в постели 200.
Маркер 10 сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на физиологический процесс субъекта 100. В приведенном примере блок 2 обнаружения подсоединен к дополнительному блоку 4 обработки изображений. Блок 2 обнаружения обеспечивает данные 3 излучения, которые представляют обнаруженное излучение в блок 4 обработки изображений в форме видеопотока. Блок 4 обработки изображений идентифицирует маркер 10 в данных 3 излучения. Блок 4 обработки изображений, в свою очередь, подсоединен к блоку 6 анализа. Блок 4 обработки изображений представляет предварительно обработанные данные 5 излучения в блок 6 анализа. Предварительно обработанные данные 5 излучения в данном примере содержат информацию о том, какая область изображений видеопотока данных 3 излучения представляет маркер 10. Блок 6 анализа, в свою очередь, определяет информацию 7 о показателях жизненно важных функций субъекта 100 из обнаруженного излучения.
Блок 4 обработки изображений для идентификации маркера может быть также встроен в блок 6 анализа. В альтернативном варианте, данные 3 излучения представляются непосредственно в блок 6 анализа. В данном случае, маркер 10 можно также определять ручным выбором маркера 10 на изображениях видеопотока. В альтернативном варианте субъект 100 с маркером 10 следует располагать в предварительно заданном положении в пределах поля наблюдения блока 2 обнаружения таким образом, чтобы маркер 10 находился в предварительно заданном положении. Однако, предпочтительной является автоматическая идентификация маркера 10 в данных 3 излучения посредством блока 4 обработки изображений. В представленном примере маркер 10 наложен непосредственно на незащищенную кожу области 101 носа/рта субъекта 100. Альтернативный маркер 10' расположен на левом предплечье 102 субъекта 100. Размер и форму маркера 10, 10' можно адаптировать в зависимости от анатомического местоположения.
Система I для определения информации 7 о показателях жизненно важных функций субъекта 100 может быть дополнительно сконфигурирована в виде системы для измерения показателей жизненно важных функций методом дистанционной фотоплетизмографии. Плетизмография исторически относится к измерению объемных изменений органа или части тела и, в частности, обнаружение объемных изменений, обусловленных сердечнососудистой пульсовой волной, распространяющейся по телу субъекта 100 с каждым сердцебиением. Фотоплетизмография (PPG) является методом оптических измерений, который оценивает переменное во времени изменение коэффициента отражения света или коэффициента пропускания света зоны или объема интереса. Например, метод PPG для определения частоты сердечных сокращений основан на принципе, учитывающем, что кровь поглощает свет интенсивнее, чем окружающая ткань, поэтому изменения объема крови с каждым сердечным сокращением влияют на коэффициент пропускания или коэффициент отражения, соответственно. Каждое сердцебиение вызывает небольшие изменения цвета лица субъекта. Данные изменения не заметны для глаза, но блок 2 обнаружения сконфигурирован с возможностью обнаружения данных «микроприливов». Переменное во времени изменение цвета может обеспечиваться в виде формы фотоплетизмографического (PPG) сигнала, которая оценивается блоком 6 анализа, чтобы измерять частоту сердечных сокращений в качестве информации 7 о показателях жизненно важных функций.
Кроме информации о частоте сердечных сокращений, форма PPG-сигнала может содержать информацию, относимую к дополнительному физиологическому явлению, например, дыханию. Посредством оценки пропускающей способности и/или отражающей способности на разных длинах волн (обычно, красных и инфракрасных, как упоминалось ранее) можно определить насыщение кислородом крови.
Однако, измерение частоты дыхательных движений на основании слабовыраженных изменений цвета кожи субъекта 100, например, измеренных на лбу 103 субъекта 100, требует высокого отношения сигнала к шуму. Однако, данное условие не всегда обеспечивается в случае всех условий измерения. В качестве решения, сведения об известном уровне техники раскрывают применение тепловизионного устройства формирования изображений или альтернативной оценки перемещений тела для определения частоты дыхательных движений. В противоположность известному уровню техники, настоящее изобретение предлагает наложение маркера на субъект, при этом маркер 10 сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на физиологический процесс субъекта 100. Таким образом, информация о показателях жизненно важных функций становится обнаружимой блоком 2 обнаружения, в частности, дешевым стандартным датчиком на ПЗС. В данном контексте, блок 2 обнаружения может также называться камерой показателей жизненно важных функций.
Сцена на фиг.1 освещается источником излучения, например, солнечным светом 8a или источником 8b искусственного света. Источник 8a, 8b излучения непосредственно или непрямо испускает излучение 8d, 8e к объекту 100. В качестве дополнения или альтернативы, система 1 может также содержать дополнительный системный источник 8c света, который испускает свет 8f к субъекту 100. Применение системного источника 8c света особенно полезно, если внешние источники 8a, 8b света не обеспечивают достаточно света, или если спектр внешних источников 8a, 8b света не обеспечивает достаточной мощности в требуемой спектральной области.
Дополнительный блок 9 управления выполнен с возможностью управления чувствительностью блока 2 обнаружения и/или управления мощностью системного источника 8c света. Поскольку динамический диапазон детектора или датчика изображения, который применяется в виде блока 2 обнаружения, ограничен, то затворы и напряжения смещения в электронике требуется регулировать в зависимости от условий освещения в наблюдаемой сцене. Системный источник 8c света может быть частью контура управления, который устанавливает оптимальный рабочий режим датчика изображения блока 2 обнаружения. Определение оптимальный в контексте настоящего описания относится к выходному сигналу без ограничения сигнала, без насыщения отдельных детекторов датчика изображения и с высоким отношением сигнала к шуму, по меньшей мере, для зоны обнаружения, соответствующей маркеру 10, 10'.
Блок 2 обнаружения предпочтительно содержит стандартный датчик изображения для обнаружения излучения от сцены с маркерами 10, 10'. В предпочтительном варианте осуществления блок обнаружения является готовой камерой, работающей в диапазоне длин волн от 300 нм до 1400 нм, предпочтительно от 420 нм до 1100 нм, предпочтительно от 420 нм до 750 нм, предпочтительно в видимом диапазоне. Следует отметить, что область длин волн блока обнаружения предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, длины волн некоторой части ближнего ультрафиолетового (УФ) света и/или некоторой части ближнего инфракрасного (ИК) света. Соответствующие характеристики обнаружения обычно присутствуют в дешевых датчиках изображения, в частности, в коммерчески выпускаемых датчиках изображения на ПЗС или КМОП-структурах, в частности, кремниевом датчике изображения. Датчик изображения в контексте настоящего описания, очевидно, не относится к тепловизионному устройству формирования изображений, работающему в диапазоне средних или длинных инфракрасных длин волн от 7500 нм до 14000 нм. Таким образом, систему 1 с блоком 2 обнаружения, блоком 6 анализа и маркером 10 можно обеспечить по значительно сниженной цене.
В варианте осуществления системный источник 8c света сконфигурирован с возможностью испускания невидимого излучения 8f, в частности, ближнего инфракрасного и/или ближнего ультрафиолетового света. Вследствие этого, субъекта 100 можно контролировать в ночное время или в темноте с точки зрения спектра видимых длин волн, без причинения беспокойства субъекту 100. При желании, системный источник 8c света сконфигурирован с возможностью испускания с разными спектральными характеристиками, например, красного и инфракрасного света или красного и зеленого света одновременно и/или в разное время, чтобы допускать измерение насыщение кислородом крови, как раскрывается, например, в работе авторов Wieringa et al. «Contactless Multiple Wavelength Photo-Plethysmographic Imaging: A First Step Towards «SPO2 Camera» Technology», Annals of Biomedical Engineering, vol. 33, No. 8, 2005, pp. 1034-1041.
Примерные варианты осуществления маркеров показаны и поясняются со ссылками на фиг.2-6. Маркер 10 сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на физиологический процесс субъекта 100.
Фиг.2 представляет увеличенное изображение лица субъекта 100, при этом маркер 10 предназначен для наложения на область 101 носа и/или рта субъекта, в частности, на область под носом 104 субъекта в верхнегубной области, например, поперек подносового желобка.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, маркер 10 сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики вследствие механической манипуляции маркером 10, вызванной физиологическим процессом субъекта 100. Примерный вариант осуществления данного маркера 10 описан со ссылкой на фиг.3A и 3B.
Как показано на фиг.3A и 3B, поверхность 11 маркера 10 содержит элементарные волокна 12, выступающие из упомянутой поверхности 11. Например, упомянутые элементарные волокна являются гибкими элементарными волокнами, в частности, текстильными волокнами, которые сконфигурированы с возможностью перемещения под действием протекающего потока воздуха. Элементарные волокна не ограничены элементарными волокнами с круглым поперечным сечением, но также включают в себя такие формы, как, например, пластинчатые структуры. Вставка на фиг.3A изображает ориентацию элементарных волокон 12 во время выдоха, при этом поток выдыхаемого воздуха 20 протекает вдоль поверхности 11 маркера во время выдоха и изгибает элементарные волокна 12 вниз.
В варианте осуществления элементарные волокна 12 содержат первую поверхность 12a, имеющую первую оптическую характеристику, и вторую поверхность 12b, имеющую вторую оптическую характеристику. Например, как показано на фиг.3A, верхняя поверхность 12a элементарного волокна I2 является черной, тогда как нижняя поверхность 12b является белой. В альтернативном варианте первая и вторая поверхности могут иметь разный цвет, разные отражательные или рассеивающие свойства. В предпочтительном варианте первая поверхность 12a и вторая поверхность 12b имеют высокий контраст. Следовательно, во время выдоха блок 2 обнаружения наблюдает более темный цвет.
Вставка на фиг.3B изображает маркер 10 во время вдоха, при этом поток воздуха 21 протекает вдоль поверхности 11 маркера в верхнем направлении. Следовательно, элементарные волокна 12a ориентированы в верхнем направлении таким образом, что блоку 2 обнаружения видна белая сторона 12b элементарного волокна 12. То есть, во время вдоха блок 2 обнаружения снимает более яркое изображение.
В данном варианте осуществления блок 6 анализа сконфигурирован с возможностью оценки обнаруженного излучения с течением времени и может, тем самым, анализировать изменение между более темным представлением маркера 10, показанным на фиг.3A, во время выдоха и более ярким представлением маркера 10, показанным на фиг.3B, во время вдоха. Тем самым, информация о показателях жизненно важных функций, относящаяся к дыханию субъекта, которая не видна сама по себе в видимой области оптического спектра, становится обнаружимой потенциально недорогим блоком 2 обнаружения.
В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.4, поток воздуха 22 при дыхании не ориентирует все элементарные волокна 12 поверхности 11 маркера в одном и том же направлении, а вызывает только переориентацию, при этом некоторые элементарные волокна изгибаются вправо, и некоторые элементарные волокна изгибаются влево. Следует отметить, что знание абсолютных значений ориентации элементарных волокон не обязательно, поскольку можно также оценивать относительное изменение. При желании, можно сравнивать времена периодов первой оптической характеристики и второй оптической характеристики. Например, вдох по продолжительности обычно короче, чем выдох. Кроме того, за выдохом часто следует пауза дыхания.
При желании, блок 6 анализа сконфигурирован с возможностью получения информации о дыхательном объеме субъекта 100 с маркером, показанным на фиг.3A и 3B. В предположении, что элементарное волокно всегда перемещается обратно в свое нейтральное положение в случае отсутствия воздушного потока, существуют два примерных возможных варианта. В первом возможном варианте число элементарных волокон, которое перемещается воздушным потоком, коррелируется с напряженностью дыхания. Следовательно, изменение цвета содержит информацию о напряженности дыхания во времени. Интеграл соответствующего сигнала по времени коррелируется с дыхательным объемом. Во втором возможном варианте каждое элементарное волокно характеризуется градиентом по шкале цвета/яркости сверху донизу. Чем более напряженным является дыхание, тем большая часть каждого отдельного элементарного волокна видна блоку 2 обнаружения. Таким образом, вновь среднее изменение цвета/яркости будет указывать на напряженность дыхания во времени. Интеграл соответствующего сигнала по времени вновь коррелируется с дыхательным объемом.
Как также показано на фиг.2, в альтернативном варианте осуществления маркер наложен непосредственно на кожу субъекта 100. Например, маркер выполнен в форме колориметрической губной помады, которая нанесена непосредственно губы 13 субъекта. Например, губная помада выполнена с возможностью изменения своего цвета или другой отражательного свойства, в общем, в форме вещества, выполненного с возможностью изменения оптической характеристики, в ответ на физиологический процесс субъекта, который, например, вызывает разную температуру, концентрацию газовой смеси или влажность на маркере. Нанесение маркера непосредственно на губы дает преимущество в том, что возможен также контроль дыхания субъекта 100 ртом.
Дополнительные альтернативные варианты осуществления показаны на фиг.5 и 6. На фиг.5, маркер 10” наложен непосредственно на субъект 100. Маркер 10” исполнен в виде части трубной системы 30 интубированного пациента 100. В данном варианте осуществления маркер 10” сконфигурирован с возможностью изменения своего цвета вследствие химической манипуляции маркером, т.е. в ответ на отличающуюся концентрацию диоксида углерода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Изменение цвета наблюдается блоком 2 обнаружения для обнаружения излучения от маркера, и соответствующие данные 3 излучения представляются в блок 6 анализа для определения информации 7 о показателях жизненно важных функций субъекта 100 из обнаруженного излучения посредством оценки изменения обнаруженного излучения во времени.
При желании, кроме оценки переменной по времени оптической характеристики в отношении информации о скорости, можно использовать фактическое значение в качестве независимой информации. Например, раскрытую выше систему 1 для определения информации о показателях жизненно важных функций можно сочетать с принципами колориметрических и/или флуориметрических оптических измерений, известных применительно к химическим аналитическим датчикам, например, чтобы определять концентрации кислорода и диоксида углерода. Для определения концентрации кислорода существуют известные принципы динамического гашения флуоресценции или датчики, которые используют флуоресценцию химического комплекса в золь-геле, чтобы измерить парциальное давление кислорода, например, описанные в работах Joseph R. Lakowicz, «Principles of Fluorescence Spectroscopy», Third Edition, ISBN: 978-0-387-31278-1; Otto S. Wolfbeis et al., «Fiber-optic fluorosensor for oxygen and carbon dioxide» Anal. Chem., 1988, 60 (19), pp 2028-2030. Для определения концентрации диоксида углерода существуют колориметрический и флуориметрический способы, например, описанные в работах Royce N. et al., «Fluorescent-Dye-Doped Sol-Gel Sensor for Highly Sensitive Carbon Dioxide Gas Detection below Atmospheric Concentrations», Anal. Chem., 2010, 82 (2), pp 593-600; C. Malins and B. D. MacCraith, «Dye-doped organically modified silica glass for ﬂuorescence based carbon dioxide gas detection», Analyst, 1998, 123, 2373-2376; Hiroyo Segawa et al., «Sensitivity of fiber-optic carbon dioxide sensors utilizing indicator dye», Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 94, Issue 3, 1 October 2003, Pages 276-281; Sevinc Zehra Topal et al., «A new absorption based CO2 sensor based on Schiff base doped ethyl cellulose», Turk J Chem., 36 (2012) , 503-514. Применение данных общих понятий для маркеров в контексте настоящего изобретения допускает дистанционное определение концентраций веществ в газовых смесях, ткани или телесных жидкостях. Например, такая оптическая информация, как фактический цвет, может быть достаточно точной для определения концентрации диоксида углерода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе для некоторых случаев применения. В других случаях, можно оценивать разностное значение между фазой вдоха и фазой выдоха или, в качестве альтернативы, тренд данного значения, если абсолютная точность не достаточна.
Примерные параметры, которые можно определять, включают в себя, но без ограничения, уровень диоксида углерода, концентрацию кислорода (вдыхаемую и/или выдыхаемую), потребление кислорода (разность между выдыхаемым и вдыхаемым), усвоение кислорода (эффективный показатель для легких), температуру или разность температуры относительно температуры окружающей среды и влажность. Упомянутые параметры дополнительно включают в себя концентрацию химических веществ, в частности, химических веществ, связанных с некоторыми заболеваниями.
Для повышения точности можно обеспечивать дополнительную эталонную информацию. Например, маркер 10'', показанный на фиг.5, может быть частью трубной системы 30, при этом цвет трубной системы 30 может служить эталонной поверхностью для калибровки системы 1 для определения информации о показателях жизненно важных функций, в частности, для калибровки блока 2 обнаружения до имеющихся интенсивности и спектра света. В качестве дополнения или альтернативы, информацию можно кодировать на маркере, как показано на фиг.6, в форме штрих-кода 41. Дополнительную информацию можно использовать, например, для калибровки системы 1, для конфигурирования измерительной процедуры или для автоматического направления измеренной информации о показателях жизненно важных функций в электронную медицинскую карту субъекта 100.
В альтернативном варианте маркер может быть выполнен в виде налобного пластыря 40, предназначенного для наложения на лоб 103 субъекта 100. В варианте осуществления налобный пластырь 40 выполнен с возможностью изменения своего цвета в ответ на температуру субъекта 100. В варианте осуществления налобный пластырь 40 имеет цвет кожи в видимом спектральном диапазоне и изменяет свой цвет на невидимых длинах волн, в частности, ближнего инфракрасного и/или ближнего ультрафиолетового диапазона. Преимущество данного варианта осуществления состоит в том, что изменение цвета еще может обнаруживаться блоком 2 обнаружения, но не существенно нарушает визуальное представление.
При желании, на субъект 100 можно накладывать множество маркеров 10, 40. Маркеры могут быть предназначены для подлежащих измерению одинаковых или разных показателей жизненно важных функций. Блок 2 обнаружения соответственно сконфигурирован с возможностью обнаружения излучения, принимаемого от обоих маркеров. Кроме того, блок обнаружения может быть сконфигурирован с возможностью определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта посредством непосредственной оценки переменного во времени изменения цвета кожи субъекта 100.
В заключение, система для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта, содержащая маркер для наложения на субъект, при этом маркер сконфигурирован с возможностью изменения оптической характеристики в ответ на физиологический процесс субъекта, блок обнаружения для обнаружения излучения от маркера и блок анализа для определения информации о показателях жизненно важных функций субъекта из обнаруженного излучения, эффективно обеспечивает систему для малозаметного контроля показателей жизненно важных функций, при низкой стоимости системы.
Хотя настоящее изобретение подробно представлено на чертежах и охарактеризовано в вышеприведенном описании, упомянутые чертежи и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области техники, в процессе практического применения заявленного изобретения, на основании изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения, могут быть разработаны и реализованы другие видоизменения предложенных вариантов осуществления.
В формуле изобретения, формулировка «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и признак единственного числа (в виде неопределенного артикля в оригинале) не исключает множественного числа. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Очевидное обстоятельство, что некоторые признаки упомянуты во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает невозможность применения комбинации упомянутых признаков в подходящем случае.
Никакие позиции в формуле изобретения нельзя считать ограничивающими объем изобретения.