使用嵌入式光纤布拉格光栅实时监测呼吸的方法和设备与流程

使用嵌入式光纤布拉格光栅实时监测呼吸的方法和设备
1.相关申请
2.本技术要求2020年7月22日提交的第63/054,874号美国临时申请的权益。前述申请的全部教示内容以引用方式并入本文。


背景技术：

3.在许多情况下，监测一个人的呼吸状态是健康监测的重要方面。监测对象包含术后患者、患有慢性心肺疾病的患者以及患有呼吸道感染的患者(例如，感染covid-19的患者)。个体的呼吸频率可以用一个人在一定时间量内所进行的呼吸次数来测量，例如每分钟的呼吸次数。另外，可能由吸气和呼气的幅度和持续时间组成的呼吸模式包含正常和异常呼吸状态的临床指示。由心搏周期引起的呼吸模式波动，称为心源性振荡，可能是例如心力衰竭等心脏病症的指标。潮气量限定呼吸过程中移动通过肺的空气量，并且潮气量和呼吸频率的乘积限定每分钟通气量，这是呼吸健康的重要衡量标准。在医院环境中，临床医生可以使用呼吸频率、每分钟通气量以及呼吸模式测量值来确定患者是否正经历呼吸窘迫和/或功能障碍。另外，呼吸频率和模式测量值也可用于运动医学中，作为运动员以及普通人群健康/耐力评估的证据。


技术实现要素：

4.符合本发明的原理的实施例包含用于监测个体的呼吸功能以检测基线呼吸频率和呼吸信号中可指示疾病或健康状态的任何异常变化的方法和系统。
5.在一个实施例中，具有嵌入式光纤布拉格光栅(fbg)的可穿戴装置可穿戴在个人身体上，其方式为可通过测量布拉格波长由于人体变形引起的fbg上的应变而产生的时间相关偏移来检测人体在呼吸频率下的扩张和收缩。通过检测fbg的布拉格波长由一段时间内人体变形引起的有效偏移，装置可建立基线呼吸模式。在一些实施例中，可穿戴装置可以是略微缠绕在胸部或腹部周围的可穿戴背带。在其它实施例中，可穿戴装置可以是具有嵌入式fbg的贴片，其用粘合剂附接到胸部或腹部。使用fbg，装置可将基线呼吸模式与轮廓呼吸模式进行比较，以确定基线呼吸模式是否指示潜在疾病状态，并提供潜在疾病状态的警报。在又其它实施例中，所述装置可以是待放置在个体下方的衬垫，或作为待放置在个体身上的毯子，使得嵌入式fbg可检测个体的呼吸移动。这种实施例在医院环境中可能特别有用，其中装置可将fbg数据提供到处理器和界面，以向医疗保健专业人员提供对患者呼吸模式的监测。
6.在其它实施例中，所述装置可进一步继续从多个fbg获取波长数据，以检测呼吸信号中超过可指示疾病状态的设定阈值的任何异常变化中的任何变化；并且提供潜在疾病状态的警报。
7.这种装置可以是基于医院的重症或住院护理系统或家庭医疗保健系统的一部分。在另一种形式因素中，这种装置可以是用于普通人群的可穿戴系统，作为移动健康或远程医疗的一部分的作为用于普通人群的全面“可穿戴持续生命体征监测系统”的一部分。这种
装置还可用于实时持续的婴儿健康监测。
附图说明
8.从下面对如附图中图示的示例性实施例的更具体的描述会明白前述内容，附图中相似的附图标记指不同视图中的相同部件。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在图示实施例。
9.图1是光纤芯中的代表性fbg。
10.图2是根据本发明的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的实施例。
11.图3是根据本发明的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的另一实施例。
12.图4是根据本发明的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的另一实施例。
13.图5是根据本发明的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的另一实施例。
14.图6是说明根据本发明的原理的监测实时呼吸功能的方法的流程图。
15.图7是根据本发明的原理的可用于监测实时呼吸功能的系统的实施例。
具体实施方式
16.以下是对示例性实施例的描述。
17.如图1中所示，光纤布拉格光栅(fbg)100是小长度的光纤120，所述光纤包括产生折射率的周期性变化的多个反射点130a-n。fbg反射以带宽δλb为中心的独特波长(λb)。光栅的周期性λ与布拉格波长λb相关。
18.lb＝2.n
eff.
λ
……………………
(1)
19.n
eff
是单模光敏光纤的有效折射率。随着光纤拉伸，光栅参数λ增加δλ，而有效折射率n
eff
减小δn
eff
。布拉格波长λb偏移
20.δlb＝2{n
eff.
δλ+λ.δn
eff
}。
…………………
(1a)
21.通过将具有一个或多个fbg的一个或多个光纤嵌入可包裹在人体解剖相关部分的各部分上的可穿戴材料中，可穿戴装置可用于感测由生理过程(例如，呼吸)引起的所述部分的变形。在符合本发明的原理的某些实施例中，变形数据可用于测量和建立体内的呼吸和心脏模式。
22.在人们可以将嵌入式fbg用作应变计之前，fbg的响应函数和线性应表征为负载的函数。为了表征fbg的响应函数和线性，可以使用电应变计来校准fbg，使得所施加的拉伸负载接近人体移位在三维对象的笛卡尔坐标系内的读数。为了使fbg用作可靠的应变计，fbg在拉伸负载下拉伸时，其反射波长的变化必须线性地跟踪电应变计数据。一旦经校准，fbg的响应就可以可靠地用作用于检测对象表面变形的嵌入式应变计。在对应变计弹性的合理限制内，所述响应还可以用于检测对象表面已移位的程度。基于将压力与应变或波长进行比较的校准曲线，以及来自传感器的应变数据，可以检测移位程度。在其它情况下，校准曲线可以从将所反射的布拉格波长与可能包含基于物理或图像的测量值的辅助呼吸测量值进行比较而导出。
23.图2是根据本发明的原理的患者穿着并用于监测呼吸活动的服装200的实施例。在服装200中，多个fbg光纤210a-n沿服装横向地嵌入，在平行于扫描平面a的方向上延行。服装200可具有针对透射穿过fbg光纤210a-n的激光或光源的输入220。每个fbg 210a-n连接
到接收来自光源的经脉冲光波的光传感器(未示出)。另外，服装200还可包含输出230，其中光传感器可将关于穿过fbg 210a-n中的每一者的光透射的数据提供到外部处理器，所述外部处理器可标识fbg 210a-n的折射率的偏移，从而表明服装内的对象的表面变形。在其它实施例中，处理器可位于服装内部，并经由无线传输(例如，wifi或蓝牙)来传输数据。多个fbg 210a-n可有助于标识横截面扫描平面中可能存在特定移动的位置，因为每个fbg沿笛卡尔坐标系提供不同的纵向标记。fbg可使得系统能够测量一段时间内的移位，以建立由吸气和呼气的幅度和持续时间以及呼吸频率组成的呼吸模式。鉴于这种服装的低衰减特性以及光纤传感器不会对包含成像系统的其它传感器系统产生电磁干扰，因此其可与其它生理监测系统结合使用。
24.穿着这种服装的自由呼吸患者随时间测得的波长变化表示患者特定的呼吸信号。呼吸信号可以与指示疾病状态的已知呼吸模式进行比较，或被监测以检测可指示潜在疾病状态或这种状态的发作的呼吸模式变化。
25.图3是根据本发明的原理的可用于监测呼吸活动的可穿戴背带300的另一实施例。在这种服装中，至少一个fbg光纤310沿背带纵向地嵌入。另外，服装300还可包含处理器320，其控制通过fbg的光发射器(未示出)和传感器(未示出)，以接收可提供关于穿过fbg 310的光透射的数据的内容。处理器320可将传感器数据发送到远程处理器。在一些实施例中，处理器320可通过有线连接发送数据。在其它实施例中，处理器可经由无线传输(例如，wifi或蓝牙)传输数据。
26.图4是根据本发明的原理用以监测呼吸活动的又一实施例。可使用粘合剂将贴片400附接到患者。在这种贴片中，至少一个fbg光纤410沿贴片纵向地嵌入。另外，服装300还可包含处理器420，其控制通过fbg的光发射器425和传感器415，以接收可提供关于穿过fbg 410的光透射的数据的内容。处理器420可将传感器数据发送到远程处理器。在一些实施例中，处理器420可通过有线连接发送数据。在其它实施例中，处理器可经由无线传输(例如，wifi或蓝牙)传输数据。
27.在又其它实施例中，如图5中所示，患者监测系统500可包含衬垫580，所述衬垫与图2、3和4中所示的服装类似，具有包含嵌入式fbg的光纤。如图5中所示，多个fbg光纤510a-n沿衬垫580纵向地嵌入，并且其它多个fbg光纤550a-n沿衬垫横向地嵌入。在符合本文中的教示的替代实施例中，衬垫580可具有以其它配置嵌入的fbg，以提供与人体b在衬垫上的移动或移位相关的数据。此类光纤也可直接嵌入医学成像和放射疗法装置的患者处理系统(患者床)中。与图2、3和4所示的服装一样，衬垫可包含输出(未示出)，其中光传感器可将数据提供到外部处理器和界面590。在一些实施例中，界面可以是移动装置或平板计算机。fbg可用于监测与衬垫580接触的人体p的呼吸模式。界面590可提供患者生命体征的易于获取的视图和其它生理信息。在一些实施例中，衬垫580可以是放在患者身上的毯子。
28.在用于实时测量患者身体在呼吸下的变形的具有嵌入式fbg的服装的实施例中，可以使用预定坐标系，例如笛卡尔坐标系或极坐标系，来嵌入数个fbg。另外，预定坐标系的确定方式可以是，平衡竞争使测得变形图的保真度最大化的利益与同时还使用最少数目的嵌入式fbg。这可能意味着嵌入式fbg沿坐标系相对于患者身体对齐，或在其它情况下，它们可定位成对患者身体进行伪随机取样。在一些实施例中，这可能意味着fbg可以这样分布，使得某一集中度的嵌入式fbg在一个区域中以更密集的分布对齐，而在其它区域中松散地
分布。取决于服装的性质，fbg在服装内的分布可能会不同，因为束带或恤衫可能相较于毯子有所不同、更贴合人体。另外，多个fbg可刻在单模光纤内部，只要这些fbg彼此分开预定理想距离并且这些fbg中的每一者具有独特且不同的布拉格波长，单个这种光纤就可用于使用单个宽带光源和单个波长多路分检测系统来测量沿其长度的应变。这种系统与基于电应变计的系统相比具有明显的优势，因为在后一种情况下，每个应变计都需要自己的电连接。
29.收集到的数据可用于创建设计成发现穿戴者发生的生理变化并指示即将出现不适的算法。这些变化涉及呼吸模式的某些变化或可能指示特定病症的某些阈值内的变化。当搜集到关于用户的额外数据时，所述系统可采用机器学习和预测模型来标识患者或用户中这些病症的发作。然后，所述系统可警告穿戴者他们可能正患上疾患或需要治疗的特定症状。在另一用例中，这些观察到的变化可用于调适和优化职业运动员的训练以及使用所连接锻炼设备的普通群体的锻炼方案。例如，所述系统可用于在训练课程期间监测呼吸活动，以确保穿戴者不会超过某些可能不安全的呼吸阈值。这些阈值可基于个体的个人健康史或基于集体呼吸状况来设定。在健康/耐力监测案例中，检测到的呼吸模式还可用于基于基线数据和阈值来优化/个性化训练/锻炼方案。
30.通过将一个或多个光纤与一个或多个fbg一起嵌入可包裹在人体解剖相关部分的各部分上的可穿戴材料中，一个或多个fbg可被配置成感测由例如呼吸、心跳、血压和血流等生理过程引起的运动。在一些实施例中，呼吸数据可与其它监测到的生理数据(无论是来自fbg还是其它监测手段)一起使用，以提供被监测个体的更全面视图，并采用更好的预测模型来标识患者或用户中病症的发作。
31.图6是说明根据本发明的原理的监测实时呼吸功能的方法的流程图。在步骤610，具有与患者身体接触的嵌入式fbg的装置可获取fbg峰值波长数据。在步骤620，可在一段时间内测量所获取数据，并将所述数据用于检测布拉格波长由于呼吸活动引起的人体变形而产生的有效偏移。此数据可用于建立基线呼吸模式。在步骤630，可将基线呼吸模式与存储在数据库中的轮廓呼吸模式进行比较，以便检测潜在疾病状态的任何指示。这些疾病可包含与冠状病毒、严重急性呼吸综合征(sars)或急性哮喘的症状一致的呼吸模式。如果基线呼吸模式与潜在疾病状态一致，在步骤640，系统可向患者、护理人员或医疗保健人员提供所述潜在疾病状态的警报。此警报可在例如专用监测器的界面、对手持型装置的警报中提供，或在一些实施例中，在具有嵌入式fbg的可穿戴装置上的界面上提供。
32.在其它实施例中，如果系统未检测到潜在疾病状态的任何指示，则其可继续监测患者的呼吸模式。如果呼吸模式改变到高于某些阈值(基于呼吸频率、幅度或持续时间)，阈值要么由患者或护理人员手动设定，要么由系统通过训练算法习得，则可将警报提供到界面。在符合本发明的原理的一些实施例中，基线呼吸模式可收集在数据库处并通过训练算法进行处理，以帮助系统标识轮廓呼吸模式或呼吸阈值。
33.在又其它实施例中，如果系统的确检测到潜在疾病状态的指示，则其可继续监测患者的呼吸模式以检测患者呼吸状态的改善。如果发生这种变化，则系统接着可提供指示所述改善的警报。
34.虽然现有技术教示了测量呼吸频率的不同手段，但在测量装置中使用嵌入式fbg提供了那些现有技术系统中无法实现的监测灵敏度和精度水平。以下实例说明了嵌入式
fbg的监测能力的各种应用。
35.无创每分钟通气量监测
36.作为一个实例，尽管呼吸频率是人类健康的关键指标，但由于呼吸频率不包含关于呼吸量变化的任何信息，因此并不能提供关于患者的肺状态的足够信息，呼吸量变化是称为定义为呼吸频率与潮气量的乘积的“每分钟通气量”的关键组成部分。与脉搏血氧仪测量相比，每分钟通气量已被证明是肺部不适的早期指标。目前可用的无创每分钟通气量方法包含由于需要大量患者训练和依从性而容易出错的肺活量测量法，以及仅用于插管患者的潮气量末co2测量。最近，人们对经由测量经胸阻抗作为用于无创测量潮气量并继而测量每分钟通气量的工具而进行的阻抗呼吸描记法感兴趣。这种方法需要测量呼吸下阻抗的微小变化，并且取决于电极的放置。
37.另一方面，具有嵌入式fbg的可穿戴装置可测量比呼吸下引起的应变小两个数量级以上的微小应变变化，因此，此类装置可在从医院和家庭医疗保健到运动和健身训练等多种环境中对潮气量和每分钟通气量进行非常精确的无创连续测量。
38.监测心源性振荡以监测心力衰竭
39.肺血容量与患者的心搏循环相对应的变化所引起的呼吸波形中的心源性振荡已被证明是心力衰竭(hf)的指标。心力衰竭，特别是由于许多潜在病症引起的急性失代偿性心力衰竭(adhf)是一种严重的病症，通常会导致呼吸窘迫和住院。hf患者的持续心脏功能和呼吸监测是高度期望的，但目前用于此类监测的所有可用解决方案(例如，肺动脉导管插入术(pac))是有创手术，并且只能在医生监督下在临床环境中执行。
40.已知测量呼吸波形的心源性振荡(叠加在压力和流量信号上的小波形)是用于监测呼吸系统力学、心脏功能和心力衰竭的一种有前景方法。基于嵌入式fbg应变感测的可穿戴呼吸监测系统具有用于测量这些振荡的灵敏度，并且可以是用于无创心脏监测和hf的一种有前景装置。
41.婴儿生理监测系统
42.婴儿在睡眠或以其它方式无监督状态下的生理监测以及基于不良事件发作的警报是健康监测的一个重要领域，随着无创和远程监测新技术的出现，这一领域得到了发展。用于婴儿生理监测的一种特定方法是使用脉搏血氧仪。然而，如上所述，已知脉搏血氧仪的变化是呼吸窘迫的晚期指标。作为替代方案，基于嵌入式fbg应变测量系统的可穿戴无创呼吸监测系统可以是目前市面上不可获得的真实的实时婴儿生理监测系统。
43.嵌入式生理监测系统
44.一般来说，睡眠监测，尤其是在睡眠时对人类进行生理监测，是健康监测的重要组成部分，可以为人类健康提供见解，并可以成为管理例如哮喘和呼吸暂停等慢性疾病的重要工具。然而，还没有可供普通人群使用的市售无创生理监测系统。一旦可用，这些系统以及其可获取的数据及其可启用的机器学习将为迄今为止尚不可用的健康状况提供新的见解。基于动态应变感测的生理监测系统使用可穿戴背带或床上用品中的嵌入式fbg，可提供一种易于使用的无创生理监测系统，所述系统即使在睡眠期间也可提供此类数据，并有助于开创主动保健的新时代。
45.图7是符合本发明的原理的可用于监测实时呼吸功能的系统700的实施例。个体可穿戴呼吸监测装置710。这种装置710可以是图2的服装200、图3的背带、图4的贴片、图5的衬
垫或符合本发明的原理的某一其它装置。装置710从光传感器获得数据，并通过网络720将数据发送到处理器730，所述处理器使用数据检测至少一个fbg的布拉格波长由一段时间内人体变形而引起的有效偏移，以建立基线呼吸模式735。处理器730被配置成将基线呼吸模式735与存储在数据库750中的轮廓呼吸模式进行比较，以确定基线呼吸模式是否指示潜在疾病状态。如果检测到潜在疾病状态，则处理器730可提供潜在疾病状态的警报。
46.在一些实施例中，处理器730可被配置成监测基线呼吸模式，以监测呼吸模式的任何显著变化，包含如上文所论述的个人每分钟通气量的变化。通过检测任何阈值变化或模式变化，系统可提供病症变化发作的警报，或者使用预测算法来警告病症的潜在变化，从而允许用户或医务人员在发作之前采取行动。
47.在一些实施例中，处理器730可以本地方式位于装置710上。在其它实施例中，处理器730可位于远程通用计算机或基于云的处理器上。界面可包含计算机上的显示器、手持型装置上的显示器、可穿戴装置710上的显示器，或可采用移动电话上的音频警报或文本消息的形式。符合其它实施例，类似系统可用于监测实时呼吸模式以基于基线数据和阈值而优化并个性化训练/锻炼方案。此类实施例可通过界面740将呼吸模式呈现给用户，并且提供与这些模式的变化相关的警报。
48.虽然已具体示出并描述了示例实施例，但所属领域的技术人员应理解，可在不脱离所附权利要求书涵盖的范围的情况下进行形式和细节上的各种改变。
49.应理解，上文所描述的示例实施例可以用许多不同方式实施。在一些情况下，本文中所描述的各种方法和机器可各自由具有中央处理器、存储器、磁盘或其它大容量存储装置、通信接口、输入/输出(i/o)装置和其它外围装置的物理、虚拟或混合通用计算机实施。通用计算机转换成执行上述方法的机器，例如通过将软件指令加载到数据处理器中，然后引起指令的执行以执行本文中所描述的功能。
50.如所属领域中已知的，这种计算机可包含系统总线，其中总线是用于计算机或处理系统的组件当中的数据传送的一组硬件线路。一个或多个总线基本上是连接计算机系统的不同元件的共享通道，所述元件例如处理器、磁盘存储装置、存储器、输入/输出端口、网络端口等，使得能够在元件之间传送信息。一个或多个中央处理器单元附接到系统总线且实现计算机指令的执行。用于将例如键盘、鼠标、显示器、打印机、扬声器等各种输入和输出装置连接到计算机的i/o装置接口通常也附接到系统总线。网络接口允许计算机连接到附接到网络的各种其它装置。存储器提供用于计算机软件指令和用于实施实施例的数据的易失性存储装置。磁盘或其它大容量存储装置提供用于计算机软件指令和用于实施例如本文中所描述的各种程序的数据的非易失性存储装置。
51.因此，实施例可以通常在硬件、固件、软件或其任何组合中实施。
52.在某些实施例中，本文中所描述的程序、装置和过程构成计算机程序产品，包含非暂时性计算机可读介质，例如，提供用于系统的软件指令的至少一部分的可移除存储介质，例如一个或多个dvd-rom、cd-rom、磁盘、磁带等等。这种计算机程序产品可通过任何适合的软件安装程序安装，这在本领域是众所周知的。在另一实施例中，软件指令的至少一部分还可通过电缆、通信和/或无线连接下载。
53.此外，固件、软件、例程或指令在本文中可被描述为执行数据处理器的某些动作和/或功能。然而，应了解，本文中包含的此类描述仅出于方便起见并且此类动作实际上由
计算装置、处理器、控制器或执行固件、软件、例程、指令等等的其它装置引起。
54.还应理解，流程图、框图以及网络图可包含不同地布置或不同地表示的更多或更少元件。但是还应该理解，某些实施方案可以规定框图和网络图，并且说明实施例的执行的若干框图和网络图以特定方式实施。
55.因此，另外的实施例还可以多种计算机架构、物理虚拟的云计算机和/或其一些组合来实施，并且因此本文所描述的数据处理器仅旨在用于说明的目的并且不作为实施例的限制。
56.尽管已经参照其示例实施例具体显示和描述了本发明，但本领域技术人员会理解在不偏离由所附权利要求包括的本发明的范围的情况下可对其做出形式和细节的各种变化。