基于光学形状感测的肺体积描记法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于光学形状感测的肺体积描记系统，所述系统优选地可以是能穿戴 的。本发明也涉及用于实现肺体积描记法的对应的服装、对应肺体积描记方法和用于实现 肺体积描记方法的对应的计算机软件。
【背景技术】
[0002] 广义地讲，体积描记器可以被定义为用于测量器官或全身内的体积变化的仪器， 所述变化典型地由于器官或全身含有的血液或空气的量的波动。由此，体积描记器是用于 确定并配准由于存在于或经过器官、肢体或部分的血液或空气的量的变化的器官、肢体或 部分的大小的变化的仪器。
[0003] 在肺科学中，通常借助于肺体积描记器来完成对肺功能的评估。简而言之，肺体积 描记器测量胸内气体体积（TGV)和呼吸期间患者的体积变化。与肺量测定法组合，体积描 记法允许直接测量比气道阻力（specific airway resistance，sRaw)以及TGV和气道阻力 Raw。如在临床实践中使用的身体体积描记器是舱室，如具有几乎是气密的具有大约1000 升的体积的设备。患者坐在舱室中并且通过肺活量计来呼吸。
[0004] 呼吸期间的患者体积变化导致对舱室中空气的压缩和减压。压力传感器测量这些 压力变化，所述压力变化与患者的体积变化成比例。同时，利用肺活量计来测量通过患者的 口腔的气流。因此，如技术人员将理解的，可以创建允许诊断各种肺部疾病的流量/体积图 形。作为基于舱室的系统的替代，已经描述了在使用两个皮带围绕的能穿戴设备。
[0005] 阿斯顿大学的美国专利7, 221，814,是能穿戴设备的范例。其公开了表面仿形 (profiling)装置，所述表面仿形装置包括被装配在渐进的三层（PTL)纤维中的三个长周 期光栅（LPG)，并且被嵌入在可变形的载体元件内，所述可变形的载体元件包括被提供在两 片弹性橡胶皮肤之间的骨骼。LPG由三个波长调制的窄带宽光学信号照亮，每个信号具有不 同的波长和调制频率。连接到三个锁定放大器的光电探测器测量与每个LPG相对应的光电 探测器输出信号的第一和第二谐波频率分量的幅度。相似的表面仿形装置形成呼吸功能监 测装置的基础，在所述呼吸功能监测装置中五个LPG被提供在四个PTL纤维中的每个内并 且被嵌入在附接到将由对象穿戴的服装的四个载体元件中。然而，该设备的空间分辨率对 于实际医学应用被认为是不足的。
[0006] 本发明的发明人已经认识到，经改进的肺体积描记系统是有益的，并且因此已经 设计了本发明。
【发明内容】
[0007] 实现经改进的肺体积描记系统将是有利的。一般地，本发明优选地寻求单个地或 以任何组合来缓解、减轻或消除上述缺点中的一个或多个。具体而言，提供解决现有技术的 上述问题或其他问题，尤其但不唯一地是有限的空间分辨率的问题，的方法可以看作是本 发明的目的。
[0008] 为了更好地解决这些关注中的一个或多个，在第一方面中本发明涉及肺体积描记 系统，
[0009] -能穿戴在哺乳动物身体上的服装，所述服装包括具有多条光纤的形状感测纤维 以促进对沿所述形状感测纤维的长度的应变的光学测量，
[0010]-光学讯问单元，所述单元与所述形状感测纤维中的所述多条光纤光学连接，所述 光学讯问单元被光学地布置用于测量沿所述多条光纤的应变，以及 [0011]-处理单元，其被能操作地连接到所述光学讯问单元以用于将所述应变数据处理 成随时间的三维位置数据，所述处理单元还被布置用于将随时间的位置数据处理成指示关 于穿戴所述服装的所述哺乳动物的肺数据的体积数据。
[0012] 本发明尤其但不唯一地有利于获得针对哺乳动物（例如人类患者）的肺测量的经 改进的系统，使得所述哺乳动物可以在实际测量期间移动或锻炼，并且由此以迄今在合理 成本内不可能或不易得到的方式来提供所述哺乳动物的肺功能的更加真实的测量结果。另 外，因为本发明人已经展示了基于光学的形状感测纤维产生直接适用于临床或医学应用的 结果，所以本发明提供准确和/或成本效益好的解决方案。
[0013] 值得一提的是，到目前为止，身体体积描记器具有若干缺点：
[0014] -迄今，不可以在锻炼、日常生活活动、睡眠或运动期间使用身体体积描记器。
[0015] -常用的舱室解决方案相当昂贵并且耗费空间。
[0016] -尽管基本的物理学相对简单，但对舱室中的细微的压力差进行测量以便计算患 者体积不简单。因此，舱室中由于患者的身体热度的温度变化可能影响测量结果。额外地， 外部压力变化也可能影响舱室压力。
[0017] 在本申请中公开的根据本发明的肺体积描记系统至少部分地旨在解决、缓解或克 服这些问题。
[0018] 因此，设想本发明可以促进以下更广谱的使用：
[0019] 在肺脏学家办公室：
[0020]-用于替代常规的身体体积描记器来诊断肺功能；
[0021] -用于在锻炼期间诊断肺功能。
[0022] 在患者家里，用于在日常生活活动期间诊断肺功能。
[0023] 在运动医学中；监测肺活量和运动员的训练进展。
[0024] 在睡眠医学中；在睡眠期间监测呼吸行为。
[0025] 身体体积描记法的适应征可以是：
[0026] -用于诊断限制性肺部疾病；
[0027] -用于测量肺体积以区分限制性过程和阻塞性过程；
[0028] -用于对阻塞性肺部疾病的评估，例如大泡性肺气肿和囊性纤维化，如果通过氦稀 释或N2排放量（washout)进行测量，则所述评估可能人为地产生低结果。可以利用同时确 定的体积来建立截留气体的指数（即，FRC体积描记器/FRC氦稀释）；
[0029] -用于在要求多次重复试验时或在对象不能够执行多次呼吸测试时测量肺体积；
[0030] -用于评估气流阻力；
[0031] -用于确定如由Raw、sGaw和VTG的变化所反映的对支气管扩张药的响应；
[0032] -用于确定如由VTG、Raw和sGaw的变化所反映的响应于乙酰甲胆礆、组织胺或同 位素过度通气的支气管高反应性；
[0033] -用于跟随疾病过程并且对处置做出响应，
[0034] 以及肺科学中的技术人员容易可用的其他应用。
[0035] 在本申请的上下文中，应当理解，所述服装是一种适合于由哺乳动物（例如，人、 猴子、马、狗等）穿戴的衣服，以便促进肺测量或监测。还应当理解，所述服装至少部分地覆 盖哺乳动物的身体对肺功能的测量相关的部分，即，在哺乳动物呼吸期间发生物理移动的 身体的（一个或多个）表面部分。
[0036] 在本申请的上下文中，应当理解，随时间的三维位置数据可以被理解为根据在哺 乳动物呼吸期间所述形状感测纤维的位移的相对测量结果。通过三维位置数据足够的数据 被理解以独立于对坐标系（例如拉普拉斯（XYZ)、球面、柱面等）的选择来建立三维空间中 的位置。
[0037] 出于本申请的目的，肺科学领域可以被定义为与肺的解剖学、生理学和/或病理 学有关但不限于此的医学的子分支。
[0038] 在一个实施例中，所述光学讯问单元可以被光学地布置用于能够通过对所述形状 感测纤维中的应变的光学测量来执行光学形状感测的光频域反射计（OFDR)。这可以有益地 由一条或多条光纤来执行，所述一条或多条光纤包括沿所述（一条或多条）光纤的长度分 布的多个纤维布拉格光栅（FBG)。备选地或额外地，这可以由一条或多条光纤来完成，所述 一条或多条光纤包括沿所述（一条或多条）光纤的长度分布的多个瑞利散射特征段。
[0039] 在一些实施例中，多条光纤被布置有中心光纤和围绕所述中心光纤缠绕的其他光 纤。一般地，在空间位置中的N自由度要求N+1条光纤或核，以便提供温度补偿。因此，对 于3维位置确定，4条光纤或核可以被提供有中心核，所述中心核由围绕该中心核缠绕的3 个核包围。一个备选是一个中心核和围绕所述一个中心核的6个核。
[0040] 由此，根据本发明的肺体积描记系统可以将多条光纤与对应的多个光纤核组合成 公共光纤。
[0041] 有利地，来自所述形状感测纤维的所述位置数据的空间分辨率在2. 5mm以下，优 选地在Imm以下，更优选地在0· 5mm以下。如果所述形状感测纤维如此具有促进作用，则甚 至也可能比这更低。在一些实施例中，如果从测量的观点看是可能的，则所述空间分辨率也 可以更高，例如，3、4或5mm以下。
[0042] 在一些实施例中，预期所述形状感测纤维可以包括用于形状感测的另外的器件， 所述另外的器件是从由以下组成的组中选择的：电气器件（例如电气仪表）、机械器件（例 如微机械仪表）、气动器件、声学器件及其任意组合，以及技术人员容易可用的其他器件。
[0043] 有利地，所述处理单元可以被布置用于通过执行插值过程来将随时间的位置数据 变换成随时间的表面数据，随后所述表面数据通过额外的插值过程而被变换成随时间的体 积数据。
[0044] 在一些实施例中，所述光学讯问单元和所述处理单元可以与服装集成、在服装上 集成或靠近服装集成，以便使所述系统能由哺乳动物穿戴。预期这将使肺测量在迄今不可 能或不实际的条件或状况下成为可能。另外，所述服装可