基于根据多个面部扫描生成的时间模型提供针对患者的面罩的制作方法

相关申请的交叉引用

本专利申请根据35u.s.c.§119(e)要求2017年9月29日提交的美国临时申请us62/565304的优先权，其内容通过引用并入本文。

本发明涉及用于识别用于患者的定制面罩的方法，以用于在将处置气体流接收到患者的气道中使用。本发明还涉及用于执行这样的方法的系统。

背景技术：

许多人在睡眠期间遭受呼吸障碍。睡眠呼吸暂停是遍及世界数百万人遭受的这样的睡眠呼吸障碍的常见例子。一种类型的睡眠呼吸暂停是阻塞性睡眠呼吸暂停(osa)，其是由于气道阻塞而不能呼吸而睡眠被反复中断的情况；通常是上气道或咽部区域。一般认为气道阻塞至少部分是由于稳定上气道段的肌肉的总体松弛，从而允许组织塌陷气道。另一种类型的睡眠呼吸暂停综合征是中枢性呼吸暂停，其是由于没有来自大脑呼吸中枢的呼吸信号的呼吸停止。呼吸暂停状况，无论是阻塞性的，中枢性的还是混合性的(其是阻塞性和中枢性的组合)，都被定义为呼吸完全或接近停止，例如呼吸气流峰值降低90％或更多。

患有睡眠呼吸暂停的患者在睡眠期间经历睡眠碎片化和间歇性的通气的完全或几乎完全停止，具有潜在的严重程度的氧合血红蛋白去饱和。这些症状可临床转化为极度白天嗜睡，心律不齐，肺动脉高压，充血性心力衰竭和/或认知功能障碍。睡眠呼吸暂停的其他后果包括右心室功能障碍，觉醒期间以及睡眠期间的二氧化碳潴留以及持续减少的动脉氧张力。睡眠呼吸暂停患者可能因这些因素而导致死亡率过高，以及在驾驶和/或操作具有潜在危险的设备时增加的事故风险。

即使患者没有完全或几乎完全遭受阻塞气道，但也知只有气道的部分阻塞时发可以发生的不利影响，例如从睡眠的唤醒。气道的部分阻塞通常导致浅呼吸，称为呼吸不足。呼吸不足通常被定义为峰值呼吸气流减少50％或更多。其他类型的睡眠呼吸障碍包括但不限于上气道阻力综合征(uars)和气道振动，诸如咽壁的振动，通常称为打鼾。

众所周知，通过对患者气道施加持续正气道压力(cpap)来处置睡眠呼吸障碍。这种正压有效地“撑开”气道，从而保持了通向肺部的开放通道。提供正压治疗也是已知的，其中，递送给患者的气体的压力随着患者的呼吸周期而变化，或者随着患者的呼吸努力而变化，以增加患者的舒适度。这种压力支持技术被称为双水平压力支持，其中递送给患者的吸气正气道压力(ipap)高于呼气正气道压力(epap)。还已知提供正压治疗，其中，基于检测到的患者状况(例如患者是否正在经历呼吸暂停和/或呼吸不足)来自动调节压力。该压力支持技术被称为自动滴定类型的压力支持，因为压力支持设备试图向患者提供仅必要高的压力以处置呼吸障碍。

刚刚描述的压力支持治疗涉及将患者接口设备放置在患者的面部上，所述患者接口设备包括具有柔软的柔性密封垫的面罩部件。所述面罩部件可以是，但不限于，覆盖患者鼻子的鼻罩，覆盖患者鼻子和嘴的鼻/口面罩，或者覆盖所述患者的面部的全脸面罩。这样的患者接口设备也可以使用其他患者接触部件，例如前额支架，脸颊衬垫和下巴衬垫。患者接口设备通常通过头带部件紧固到患者的头部。患者接口设备被连接到气体递送管或导管并且将压力支持设备与患者的气道进行接口连接，使得呼吸气体流可以从压力/流量生成设备递送到患者的气道。

用于为患者创建“定制”面罩以用于在向患者递送处置气体流中使用的最新技术系统使用单个3维(3-d)扫描作为输入来创建空间模型，所述模型被设置为创建定制面罩的参考。在图1中示出了所述患者的面部的这种3-d扫描10的示例。在这样的系统中，在图像采集期间使用户经受中性的面部表情，通过确定用于面罩设计的多个面部界标或点(标记为a-w)的位置，来从其提取出可能的面部几何结构。但是，这种方法是失败的，因为在这种中性扫描采集过程中，没有考虑用户面部几何结构在不受约束的姿态中的变化。因此，所生成的面罩不适应由患者的面部运动引起的面部几何结构的变化，这随后成为舒适性和稳定性的问题。更特别地，在这种3-d扫描中没有评估在睡眠期间通常发生的面部变化，这使得定制面罩的创建更加难以适应用户的实际不受约束的面部几何结构。

技术实现要素：

作为本发明的一个方面，提供了一种用于识别患者的面罩的方法。所述方法包括：接收所述患者的面部的多幅图像；分析所述多幅图像以生成所述患者的面部的时间模型；使用所述患者的面部的时间模型来确定针对所述患者的面罩；并且识别针对所述患者的面罩。

识别针对所述患者的所述面罩可以包括向所述患者提供所述面罩的规格，或者可以包括向所述患者提供所述面罩。

接收多幅图像可以包括接收所述患者的面部的多幅3-d的图像并分析所述多幅图像可以包括根据所述多幅3-d图像来生成时间模型。所述多幅3-d图像可以包括随时间捕获的3-d图像的序列。分析所述多幅图像可以包括：确定所述患者的面部所表达的面部几何结构的预期范围；配准所述面部几何结构的所述范围以创建所述时间模型；并且确定所述患者的面部尺寸的操作范围，其中，基于对所述多幅3-d图像的所述分析来确定针对所述患者的合适的布置包括基于面部尺寸的操作范围来确定针对所述患者的合适的面罩。确定由所述患者的面部表达的面部几何结构的预期范围可以包括确定所述3-d图像中的多个面部界标的位置。

接收所述患者的面部的多幅3-d图像包括利用3-d扫描设备捕获多幅3-d图像。

所述多幅3-d图像可以包括以下中的一个或多个：处于多个预定姿态的所述患者的面部，处于多个自然姿态的所述患者的面部，以及处于多个不同表情的所述患者的面部。

所述时间模型可以包括所述患者的面部的面部尺寸和几何结构的范围，并且确定针对所述患者的面罩可以包括比较面部尺寸和几何结构的范围以建立面罩的操作范围。

接收多幅图像可以包括接收所述患者的面部的一幅或多幅3-d图像和所述患者的面部的多幅2-d图像。分析所述多幅图像可以包括：通过分析所述一幅或多幅3-d图像来生成所述患者的面部的3-d空间模型；并且通过将所述多幅2-d图像配准到所述3-d空间模型来生成所述患者的面部的所述时间模型。多幅2-d图像可以包括处于以下状态中的一种或多种状态的所述患者的面部：多个预定姿态、多个自然姿态以及多个不同的表情。所述方法可以还包括：从所述多幅2-d图像中提取信息，所述信息包括以下中的至少一项：界标、方向和特征；并且使用提取的信息来细化所生成的3-d空间模型。

接收多幅图像可以包括接收所述患者的面部的多幅2-d图像；并且分析所述多幅图像包括：通过使用标准摄影测量技术或视差图来根据所述多幅2-d图像生成多个3-d模型；并且通过配准所述3-d模型来生成所述患者的面部的所述时间模型。所述多幅二维图像包括处于以下状态中的一种或多种状态的所述患者的面部：多个预定姿态、多个自然姿态以及多个不同的表情。

接收多幅图像包括接收所述患者的面部的多幅2-d图像，所述多幅2-d图像中的每幅图像都包含已知尺寸的参考对象，并且分析所述多幅图像可以包括使用所述多幅2-d图像生成所述患者的面部的时间模型。

接收多幅图像包括接收所述患者的面部的多幅2-d图像，其中，每幅2-d图像是利用用于捕获所述2-d图像的设备与所述患者的面部之间的已知距离来捕获的。并且其中，分析所述多幅图像可以包括使用所述多幅2-d图像来生成所述患者的面部的所述空间和时间模型。

作为本发明的另一方面，提供了一种用于识别针对患者的面罩的系统。所述系统包括：处理单元；以及与所述处理单元通信的输出设备，其中，所述处理单元被编程为：接收所述患者的面部的多幅图像；分析所述多幅图像以生成所述患者的面部的时间模型；使用所述患者的面部的时间模型来确定针对所述患者的面罩；并且经由所述输出设备来识别针对所述患者的面罩。所述输出设备可以包括3-d打印机。

所述系统可以还包括与所述处理单元通信的图像捕获设备，所述图像捕获设备被构造为捕获所述所述患者的面部的所述多幅图像。所述图像捕获设备可以包括3-d扫描器。

本发明的这些和其他目的、特征和特性，以及相关结构元件的操作方法和功能以及部件组合和制造经济性将在参考附图理解本发明和权利要求后变得更加明显，所有附图均形成说明书的一部分，其中，在各个附图中，相同的附图标记指代对应的部件。然而，要明确理解，附图仅出于图示和说明的目的并且不旨在作为对本发明的限度的限制。

附图说明

图1是根据用于面罩选择的现有技术方法获得的3-d面部扫描的示例；

图2是根据本发明示例性实施例的用于提供针对患者的面罩的系统的示意图；

图3是示出根据本发明示例性实施例的用于提供针对患者的面罩的方法的流程图；并且

图4是根据本发明的示例性实施例获得的患者的多个3-d扫描。

具体实施方式

根据需要，在本文中公开了本发明的详细实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，其可以以各种形式实施。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细结构来不同地应用本发明的代表性基础。

本文中使用的单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括多个指代物，除非上下文中明确地另行规定。本文中所用的两个或多个零件或部件被“耦合”的表述将意味着所述零件直接或间接地(即，通过一个或多个中间零件或部件，只要发生连接)被结合到一起或一起工作。本文中所用的“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。本文中所用的“固定耦合”或“固定”意指两个部件被耦合以作为一体移动，同时维持相对于彼此的固定取向。

本文中所用的词语“一体的”意指部件被创建为单件或单个单元。亦即，包括单独创建并然后被耦合到一起成为单元的多件的部件不是“一体的”部件或体。本文中采用的两个或多个零件或部件相互“接合”的表述将意味着所述零件直接地或通过一个或多个中间零件或部件而相互施加力。本文中使用的术语“若干”将意味着一或大于一的整数(即，多个)。

本文中使用的方向短语，例如但不限于，顶部、底部、左、右、上、下、前、后以及它们的派生词涉及附图中所示的元件的取向，并且不对权利要求构成限制，除非在权利要求中明确记载。如本文中所使用的，术语“面部界标(faciallandmark)”将指代人的面部上的与面部元素相关联的特定点。面部界标的示例可以包括但不限于鼻尖上的点；眼睛或嘴的边缘上的点，等等。

如本文所使用的，术语“时间模型”将指代对象的数字表示，其包括三维信息及其基于时间的变化。例如，面部的时间模型包括关于面部界标的位置、面部的表面几何结构和纹理的信息，两者均是关于固定点的以及相对于其他面部界标、几何结构或者两者。如本文所使用的，术语“图像”将指代对人或事物的形式的表示。这种表示可以是复制品的形式，也可以是描述所述形式的电子信息的形式。

如本文所使用的，术语“2-d图像”将指人或事物的形式的二维表示，无论是电子形式(例如，诸如存储在数字存储器中)还是可见形式(例如，经由电子显示屏显示)。可以通过使用数码相机或二维扫描设备来捕获物理对象的二维图像。如本文所使用的，术语“3-d图像”将指人或事物的形式的三维表示，无论是电子形式(例如，诸如存储在数字存储器中)还是可见形式(例如，经由全息投影仪显示)。可以通过使用3-d扫描设备捕获物理对象的3-d图像。

如本文中所使用的，术语“图像配准”，也称为“配准”，是将同一场景的两幅或更多幅图像对齐的过程。此过程涉及将一幅图像指定为参考图像(也称为固定图像)，并且对其他图像应用几何变换或局部位移，以使它们与参考对齐。通过将图像配准应用于3-d图像的序列，可以容易地获得对3-d图像的基于时间的改变以在时间模型中使用(即，3-d模型也具有关于随时间发生的变化的信息)。

在克服利用单个2-d或3-d图像来创建“定制面罩”的现有技术方法的缺点时，本发明的实施例利用一系列表达(即，多个2-d或3-d图像)来生成所述患者的面部的时间模型，其不仅包括3-d空间信息，还包括与其相关的基于时间的信息。利用这样的时间信息，确定了面部几何结构的宽的操作范围，然后可以将其用于设计定制面罩或从多个面罩中选择预制的面罩，从而为患者提供最大的舒适度和稳定性。另外，基于时间的分析(例如，面部界标的速度/加速度)可以指示面部运动的性质(即，它是有意识的还是无意识的运动，或者其是面部表情)，其可以用作预测睡眠期间面部几何结构的正常操作范围的准则。

图2是系统20的示意图，所述系统可用于执行以下所描述的方法。系统20包括用于捕获患者的面部图像的图像捕获设备22。从本文进一步讨论的示例中将意识到，图像捕获设备22可以是以下中的一个或多个：被构造为捕获对象的2-d图像的数字相机，被构造为捕获对象的3-d扫描的扫描器，或者用于捕获对象(在当前情况下其将是患者的面部)的二维或三维图像的任何其他合适设备。系统20还包括与图像扫描设备22通信的处理单元24和与处理设备24通信的输出设备26。系统20还可以包括与处理设备24通信以用于将信息输入到处理单元24的输入设备28。替代地，输出设备26可以是组合输入/输出设备(例如，但不限于，触摸屏)的形式，用于向处理单元24输入信息和从处理单元24接收信息两者。

处理单元24包括处理部分，所述处理部分可以是例如微处理器、微控制器或某种其他合适的处理设备，以及存储器部分，其可以在处理部分内部或可操作地耦合到处理部分并提供用于由处理部分执行以控制系统20的操作的数据和软件的存储介质。

处理单元24包括处理器30、存储器32和通信单元34。处理器30可以形成处理部分的全部或一部分，所述处理部分可以是例如微处理器、微控制器或一些其他合适的处理设备。存储器32可以形成存储器部分的全部或一部分，所述存储器部分可以在处理部分内部或可操作地耦合到处理部分，并且提供用于数据和可由处理部分运行以实现处理单元24的功能的软件的存储介质。存储器32可以是多种类型的内部和/或外部存储介质中的一种或多种，例如但不限于ram，rom，(一个或多个)eprom，(一个或多个)eeprom，闪存等，以提供存储寄存器，即机器可读介质，用于诸如以计算机内部存储区域的方式进行数据存储，并且可以是易失性存储器或非易失性存储器。

通信单元34可以经由互联网、蜂窝、wifi、有线电话线或任何其他合适的方式提供处理单元24与系统20的其他部件或其他外部设备之间的通信。例如，但不限于，通信单元34可以促进与诸如电话、平板电脑、计算机的电子设备或其他本地或远程的其他设备的通信，直接地或者经由网络。由通信单元34促进的通信可以允许处理单元24从与之通信的组件或设备发送和/或接收数据。

图3是示出根据本发明的示例实施例的方法40的基本步骤的流程图，所述方法40用于识别和/或提供给定患者的特定面罩，所述特定面罩可以例如但不限于由系统20的部件中的全部或部分来实施。方法40从42开始，其中，所述患者的面部的多幅图像是以下之一或两者：由诸如图2的图像捕获设备22的图像捕获设备捕获的图像，或者由处理单元24从外部源接收的图像，所述外部源先前已经捕获了所述患者的面部的这样的图像。所述多幅图像可以包括2-d图像、3-d图像或其组合。

如先前所讨论的，本发明的实施例试图利用表示所述患者的面部的面部几何结构范围的图像。图4示出了根据本发明的示例的多个这样的图像的示例，标记为a-j。因此，无论将它们捕获为2-d图像还是3-d图像，多幅图像可以包括处于多个预定姿态的患者的面部。这样的预定姿态的一些示例可以包括，例如但不限于，让患者张开嘴巴，闭上嘴巴，睁开眼睛，闭上眼睛，朝各个方向看，面向不同方向(例如，左，右，上，下等)等。作为另一个示例，所述多幅图像可以包括处于多个自然姿态的所述患者的面部。可以例如但不限于通过在捕获图像的序列时让患者做他通常的自己而不作出任何固定的姿态来捕捉这样的自然姿态。在又一个示例中，所述多幅图像可以包括处于多种不同的表情患者的面部，例如但不限于，微笑，皱眉，做鬼脸，撅嘴等。

接下来，在44处分析所述多幅图像以便生成所述患者的面部的时间模型。可以根据在42处接收/捕获的图像的类型，以各种方式来完成时间模型的这种生成。例如，在一个实施例中，其中，利用在时间上捕获的多幅3-d图像，可以通过使用已知的图像配准方法配准3-d图像来获得时间模型。

作为另一示例，可以将一幅或多幅3-d图像与多个2-d的一起利用以生成时间模型。在这样的示例中，使用一幅或多幅3-d图像生成所述患者的面部的3-d空间模型。然后通过将多幅2-d图像配准到3-d空间模型来生成时间模型。额外地，在这样的示例中，从多个2d图像中提取的信息(包括界标、方向和特征)可以用于细化所生成的3d空间模型。

作为又一个示例，可以利用多幅2-d图像来生成时间模型。这样的2-d图像可以包括具有已知尺寸的参考对象，或者可以以图像捕获设备与所述患者的面部之间以已知距离从设备捕获。具有已知大小的2d图像可以直接被使用(无需创建3d空间模型)来创建2d+时间的时间模型。可以以与3d空间模型几乎相同的方式来分析2d空间模型(例如，通过计算界标间距离的范围)。替代地，例如通过使3-d模板变形以适合2-d图像，可以使用已知尺寸的2-d图像来近似3d空间模型。替代地，可以使用本领域技术人员已知的任何数量的技术，例如通过使用对极平面中的视差图、体积深度神经网络(dnn)或生成的对抗网络的相关性，来使用2d图像创建3d空间模型。在另一种方法中，通过使用标准摄影测量技术从多幅2-d图像生成多个3-d模型。然后通过配准3-d模型来生成时间模型。

一旦生成了时间模型，就将时间模型，尤其是其中包含的关于面部表情的范围的信息用于确定患者的面罩。取决于各种因素，例如但不限于时间、预算、特定应用，这种确定可以导致确定定制面罩的设计或从具有已知尺寸和/或几何结构的多个面罩中确定现有面罩。

最终，在48处，然后从针对患者的多个面罩和/或创建的定制面罩中识别针对患者的面罩，然后将其提供给患者。作为示例，可以通过任何合适的形式(例如，以电子方式或通过硬拷贝)向患者提供信息，特别是指定面罩(即，特别地从其他面罩中识别出所述面罩或如何从头开始构造或从部件构造的规范)。例如但不限于，用于获得特定面罩的处方或包含用于构建定制面罩的指令和/或尺寸信息的cad文件或类似物品。替代地，可以通过向患者提供实际的面罩来识别针对患者的面罩，无论是定制的还是在售的物品。在定制面罩的情况下，诸如图2的输出设备26的输出设备可以被配置为包括：如图2所示，可以使用3-d打印机或其他合适的自动化制造设备的形式来向患者提供面罩。

根据前述内容，应当认识到，通过考虑如多个2-d或3-d图像中所描述的多个面部位置，本发明的实施例为患者提供了一种比常规解决方案更好的全方位贴合面罩。

尽管已经根据目前认为最实用和最优选的实施例以说明性的目的详细描述了本发明，应该理解的是这种细节仅用于说明目的并且本发明不限于所公开的实施例，而是相反旨在涵盖所附权利要求书精神和范围内的更改和等效布置。例如，应该理解，本发明预期，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征相组合。还应理解，本文描述的结构的整体和/或横截面形状仅出于示例性目的而提供，并且这样的形状可以在不脱离本发明范围的情况下变化。

在权利要求中，置于括号中的任何附图标记不应构成对权利要求的限制。词语“包括”或“包含”不排除存在多于权利要求中列出的那些之外的元件或步骤的存在。在枚举了若干器件的装置型权利要求中，这些器件中的若干个可以由相同的硬件项来实现。元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在枚举了若干器件的任何装置型权利要求中，这些器件中的若干个可以由同一硬件项来实现。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定元件，但是这并不指示不能有利地使用这些元件的组合。