專利名稱：借助于紅外探測器測量生理狀態(tài)用的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括來說本發(fā)明涉及監(jiān)測身體用的方法和設(shè)備，更準(zhǔn)確地說，涉及使用紅外探測器監(jiān)測并分析組織和器官的血流，以及大腦和身體其他部分生理狀態(tài)(physiology)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
動態(tài)區(qū)域遙測溫度術(shù)(DAT-Dynamic AreaTelethermometry)是一種已知概念，并且在Michael Anbar博士1991年出版的Thermology 3(4)234-241，1991中對其進(jìn)行了全面描述。它是對自主神經(jīng)系統(tǒng)的一種非侵入性功能測試，監(jiān)測人體皮膚不同區(qū)域上溫度調(diào)節(jié)頻率(TRF)的光譜結(jié)構(gòu)和空間分布的變化。以通過紅外成像進(jìn)行測量的黑體紅外輻射學(xué)為基礎(chǔ)，DAT根據(jù)感興趣區(qū)域上溫度分布變化得出有關(guān)熱產(chǎn)生、傳輸和消散的動態(tài)信息?？梢詸z測區(qū)段平均溫度或者這些平均溫度方差的變化；方差測量溫度分布的均勻性，從而測量皮膚灌注(perfusion)的均勻性。如Anbar博士在European J Thermology 7105-118，1997中指出，在超灌注條件下，均勻度達(dá)到最大，且其時間調(diào)制幅值最小。根據(jù)不同皮膚區(qū)域上溫度分布的周期性變化，可得出對該給定區(qū)域中溫度進(jìn)行控制的方法的溫度調(diào)節(jié)頻率。
DAT在影響神經(jīng)學(xué)或血管功能的多種異常的診斷和處理中很有用。利用DAT測量大皮膚區(qū)域上血液灌注的周期性改變，以便確定局部損傷的神經(jīng)元控制，從而提供一種對皮膚癌和相對較淺腫瘤疾患，如乳癌的快速、廉價篩選試驗。Michael Anbar博士1994年在題為“醫(yī)學(xué)診斷和處理中的定量和動態(tài)遙測溫度術(shù)”(Quantitativeand Dynamic Telethermometry in Medical Diagnosis andManagement，CRC Press Inc.1994年9月)的專論中詳細(xì)描述了DAT的不同臨床應(yīng)用。
授予Michael Anbar的美國專利No.5,810,010，N0.5,961,466和No.5,999,843，其中第一專利被許可使用，其余專利被轉(zhuǎn)讓給本專利申請的受讓人，涉及用于癌癥檢測的方法和設(shè)備，包括測量與發(fā)生在腫瘤損害和其周圍組織中的免疫應(yīng)答有關(guān)的血液灌注性的時間周期性改變。具體而言，該癌癥檢測方法包括檢測血液灌注的非神經(jīng)元溫度調(diào)節(jié)，皮膚溫度的空間均勻性的周期性改變，皮膚溫度的空間均勻性的異常波動，以及與皮膚溫度的空間均勻性周期性改變有關(guān)的異常體溫調(diào)節(jié)頻率。這三篇專利的全部內(nèi)容在此引作參考。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例，一紅外攝像機(jī)提供人體一部分的一系列紅外圖像(幀)。優(yōu)選的攝像機(jī)配備一砷化鎵量子阱紅外光電探測器(QWIP)的焦平面陣列。這種攝像機(jī)能記錄皮膚溫度調(diào)節(jié)及其均勻性，精度高于±15毫度C。該紅外圖像被發(fā)送給一處理器，其將該圖像處理成多個小的子區(qū)域。在每個子區(qū)域中，測量溫度隨時間的改變，并且將子區(qū)域中的溫度改變表示成溫度代碼。然后將此溫度代碼顯示成顏色，顯示在紅外圖像影像中的每個子區(qū)域中。從而觀察者可以監(jiān)測并分析人體的生理狀態(tài)。在最佳實施例中，于觀察大腦功能不同部分的同時，觀察大腦的生理變化。不過可知，與DAT裝置相比，本發(fā)明提供一種用于癌癥檢測的有用裝置。
附圖簡要說明通過下面參照附圖對本發(fā)明的詳細(xì)說明，可更充分理解上述簡要說明，以及本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點，其中

圖1為說明本發(fā)明方法和設(shè)備操作的方塊圖；圖2為一計算機(jī)屏幕的拷貝，說明人腦的紅外圖像，以及根據(jù)本發(fā)明使用計算機(jī)程序選擇一部分圖像進(jìn)行處理；圖3為在10秒(2000幀)間隔內(nèi)該紅外圖像子區(qū)域中以時間為函數(shù)的溫度曲線，用最佳擬合線估計該溫度；
圖4為與圖3相似的曲線，表示10秒間隔內(nèi)不同子部分的最佳擬合線；圖5為與圖3相似的曲線，說明以分段方式用不同最佳擬合線擬合曲線不同部分；圖6為經(jīng)過處理的圖像，說明在全部幀集上紅外圖像的平均溫度；圖7，8和9為經(jīng)過處理的同一對象的大腦的圖像，分別表示趾運動、舌頭運動和手腕運動期間的大腦活動；圖10為病發(fā)作時患者的經(jīng)過處理的圖像；圖11為溫度波形曲線，說明實時估計溫度變化的方法；以及圖12為用于說明圖11中所用方法的流程圖。
最佳實施例的詳細(xì)說明現(xiàn)在將轉(zhuǎn)而描述最佳實施例的細(xì)節(jié)，將描述一種系統(tǒng)和方法，用于在手術(shù)期間采集的大腦圖像的基礎(chǔ)上產(chǎn)生經(jīng)過處理的圖像。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行處理時，圖像清楚地揭示出血流以及大腦不同部分起作用時產(chǎn)生的生理變化。后者為血液灌注改變、大腦作用期間或作為大腦作用結(jié)果產(chǎn)生的作為新陳代謝活動改變的結(jié)果和/或腦化學(xué)或電化學(xué)改變的結(jié)果的紅外發(fā)射變化的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知該方法和設(shè)備可以應(yīng)用于大腦以外的任何器官或組織。該最佳實施例的一個重要性在于，它描繪出正?；顒悠陂g組織或器官中受到激勵的區(qū)域，并且以后可使用該信息區(qū)分健康和有病組織和器官。可將該數(shù)據(jù)表示成靜態(tài)圖像或者說明隨時間變化的動畫。
圖1為功能方塊圖，表示本發(fā)明的設(shè)備和方法。在一紅外攝像機(jī)中，利用QWIP紅外傳感器陣列10形成操作期間大腦的紅外圖像。該陣列最好包括256×256個傳感器，并以每秒200幀的幀速抓取圖像。最好，對大腦成像10秒。在最佳實施例中，將所產(chǎn)生的紅外圖像數(shù)據(jù)保存到硬驅(qū)計算機(jī)(hard drive a computer)中。
在方塊12，在整個圖像區(qū)域上將每個紅外幀分成數(shù)以千計的單個子區(qū)域(最好每個子區(qū)域為2×2個象素)。在方塊14，確定某個時間周期上每個子區(qū)域的溫度變化，并保存為該區(qū)的代碼。在方塊16，在這些子區(qū)域中將各個子區(qū)域的代碼顯示成顏色。在最佳實施例中，該代碼表示代表一定時間周期上溫度變化的最佳擬合線的斜率。
圖2為用于處理大腦的紅外圖像的計算機(jī)程序屏幕的屏幕打印。此大腦的紅外圖像20通過從黑，到綠，到紅，最后到白的顏色譜，表示大腦的溫度。作為初始步驟，在一幀影像中選擇一待分析圖像的區(qū)域22(用紅色表示)。在該過程中，操作員還可以選擇被顯示的溫度范圍，在該情形下為31～36℃。然后將所選擇的區(qū)域分成單個子區(qū)域。
圖3說明在一特定子區(qū)域中，在10秒幀間隔(2000幀)期間的溫度變化。圖3還表示出作為圖3所示整個波形最佳擬合線的直線24。在最佳實施例中，針對每個子區(qū)域產(chǎn)生該最佳擬合線，并針對每個子區(qū)域產(chǎn)生代表該子區(qū)域最佳擬合線斜率的代碼。然后將每個代碼轉(zhuǎn)換成顏色，并將該顏色添加到整個圖像影像中的該子區(qū)域上。產(chǎn)生如圖6-10所示的彩色圖像。
圖6以灰度透視圖方式說明一圖像，表示整個幀集合上的平均溫度。該圖像揭示出與血管結(jié)構(gòu)有關(guān)的某些信息。
圖7，8和9為分別進(jìn)行趾、舌頭和腕部運動時對同一對象拍攝的灰度透視圖像。在每種情況下，均圍繞各個運動中所涉及到的大腦部分繪出圓圈。通過拍攝諸如此類的圖像，有可能將患者的各種活動映射到大腦不同區(qū)域。當(dāng)發(fā)生異常時，醫(yī)生知道在分析患者時應(yīng)觀察大腦哪個部分。
圖10表示發(fā)病時患者的大腦。應(yīng)該注意，細(xì)胞代謝活動增大的區(qū)域?qū)嶋H上可以為一點點。
圖4說明與圖3相同的波形，不僅表示出與全部10秒相應(yīng)的最佳擬合線24，而且表示出與逐漸減小的波形間隔相應(yīng)的逐漸縮短的最佳擬合線。可知，并非如圖6-10所示具有“靜止畫面”，應(yīng)該有可能獲得具有連續(xù)圖像的一系列靜止或“視頻”，表示與圖4中逐漸更長直線的代碼相應(yīng)的顏色。從而該圖像序列相應(yīng)于不同動作或情形期間隨大腦活動性改變的大腦視頻。
圖5也表示圖3和4的波形，不過這次是由一系列直線26a，26b，26c，26d，26e，26f等以分段方式進(jìn)行估計。在這種情況下，在每0.5秒間隔內(nèi)，用不同最佳擬合線段估計該波形，并且這些線段的斜率將提供在圖像相應(yīng)子區(qū)域中顯示成顏色的代碼序列，產(chǎn)生一視頻圖像。
已經(jīng)作為系統(tǒng)說明了最佳實施例，其中通過使用溫度變化代碼影響影像部分的顏色，產(chǎn)生身體該部分的影像。不過可以制造出沒有可視影像的有用的診斷裝置。例如，紅外傳感器可以觀察非常小的區(qū)域，諸如皮膚上的斑點或瑕疵，并且可以產(chǎn)生一溫度變化代碼，表示被掃描點的狀態(tài)(例如存在或不存在癌)。代碼本身的數(shù)值可以為該裝置的輸出?；蛘撸蓪⒃摯a與一閾值進(jìn)行比較，并基于比較結(jié)果產(chǎn)生一指示。
已經(jīng)作為系統(tǒng)說明了最佳實施例，其中將視頻信息保存在硬驅(qū)上，然后進(jìn)行處理，以顯示出經(jīng)過處理的圖像。此處經(jīng)過處理的圖像為視頻圖像，并且這類處理中包含的延遲是不合乎需要的，因為該視頻圖像不是實時的。不過，當(dāng)前所能得到的最高質(zhì)量圖形卡可產(chǎn)生基本上為實時的視頻圖像。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知很容易得到的處理技術(shù)，如使用多重處理器計算機(jī)(multi-processor computers)和并行處理能產(chǎn)生與實時視頻毫無區(qū)別的結(jié)果。
圖11說明計算溫度斜率代碼用的另一種方法，實際上可在任何計算機(jī)上產(chǎn)生實時視頻圖像； 圖12為流程圖，用于描述以函數(shù)SLOPE形式由計算機(jī)執(zhí)行的方法。
圖11表示從時刻T0開始，在一特定子區(qū)域內(nèi)溫度隨時間的變化。最初，操作員選擇三個值D，T和L。D為新斜率代碼產(chǎn)生的速度，可以通過選擇實現(xiàn)特定的視頻幀速，如每秒15-30幀。T和L為處理時間間隔，最好在10秒范圍內(nèi)，下面對其進(jìn)行進(jìn)一步討論。在方塊200開始函數(shù)SLOPE，在時刻T0設(shè)置計時器(方塊202)，并且計算平均溫度(方塊204)。如果計時器測量一時間間隔D，則中斷溫度平均(方塊208)，并啟動函數(shù)SLOPE的第二版本(方塊206)，重新開始溫度平均。如果計時器測量一時間間隔T，則中斷溫度平均(方塊208)，并且用變量F保存溫度平均值(方塊210和點F1)然后啟動計時器(方塊212)，并開始計算新的溫度平均(方塊214)。當(dāng)計時器測量一時間間隔L時，中斷溫度平均(方塊216)，并且用變量G保存溫度平均值(方塊218和點G1)。在方塊220，然后將溫度斜率確定為兩個平均值F和G之間直線的斜率，連接點F1和G1的該直線的斜率，并且結(jié)束函數(shù)SLOPE(方塊222)。
這時，被啟動函數(shù)SLOPE的其它例證繼續(xù)其處理直至完成。例如，在產(chǎn)生第一斜率值之后經(jīng)過時間間隔D，針對點F2和G2產(chǎn)生第二斜率值?？偟男Ч窃谧畛醯腡+L延遲之后，在每個時間間隔D結(jié)束時針對每個子區(qū)域產(chǎn)生一新的斜率值。
雖然為了說明目的描述了本發(fā)明的最佳實施例，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍和精神的條件下，可進(jìn)行多種補(bǔ)充、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種測量活體生理狀態(tài)用的方法，包括以下步驟形成身體一部分的紅外圖像；將該紅外圖像區(qū)域細(xì)分成多個子區(qū)域；測量子區(qū)域中溫度隨時間的變化，并產(chǎn)生與該子區(qū)域相應(yīng)的溫度代碼，該溫度代碼代表該子區(qū)域中的溫度變化；以及產(chǎn)生身體該部分的圖像，其中用對相應(yīng)該子區(qū)域的溫度代碼所獨有的視覺特征表示子區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該視覺特征為該子區(qū)域的顏色。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中由估計預(yù)定時間間隔內(nèi)溫度變化的直線的斜率估計溫度隨時間的變化。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中該時間間隔為10秒。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中利用砷化鎵量子阱紅外光電探測器的焦平面陣列形成該紅外圖像。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該陣列包括256×256個光電探測器，并以每秒20幀的速度抓取紅外圖像。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所產(chǎn)生的圖像是靜態(tài)的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所產(chǎn)生的圖像是運動圖像。
9.一種用于測量活體生理狀態(tài)的設(shè)備，包括一紅外攝像機(jī)，由其形成身體一部分的紅外圖像；一分割器，其將該紅外圖像區(qū)域細(xì)分成多個子區(qū)域；一溫度處理器，其測量子區(qū)域內(nèi)溫度隨時間的變化，并產(chǎn)生與該子區(qū)域相應(yīng)的溫度代碼，該溫度代碼表示該子區(qū)域中的溫度變化；以及一顯示處理器，其產(chǎn)生一能在顯示裝置上形成身體該部分圖像的圖像信號，其中用對相應(yīng)該子區(qū)域的溫度代碼所獨有的視覺特征表示子區(qū)域。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中該視覺特征為顯示器上該子區(qū)域的顏色。
11.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中溫度處理器通過估計預(yù)定時間間隔內(nèi)溫度改變的直線的斜率，估計溫度隨時間的變化。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中該時間間隔為10秒。
13.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中該攝像機(jī)包括一砷化鎵量子阱紅外光電探測器的焦平面陣列，在其上形成該紅外圖像。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中該陣列包括256×256個光電探測器，并且該攝像機(jī)以每秒20幀的速度抓取紅外圖像。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該攝像機(jī)圖像是靜止的。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該攝像機(jī)圖像是運動圖像。
17.一種測量活體生理狀態(tài)用的方法，包括以下步驟形成身體一部分的紅外圖像；測量該圖像的子區(qū)域中溫度隨時間的變化，并產(chǎn)生與該子區(qū)域相應(yīng)的溫度代碼，該溫度代碼代表該子區(qū)域中的溫度變化；以及利用該代碼作為生理狀態(tài)指示。
18.一種用于測量活體生理狀態(tài)的設(shè)備，包括一紅外攝像機(jī)，由其形成身體一部分的紅外圖像；一溫度處理器，其測量子區(qū)域內(nèi)溫度隨時間的變化，并產(chǎn)生與該子區(qū)域相應(yīng)的溫度代碼，該溫度代碼表示該子區(qū)域中的溫度變化；以及一顯示處理器，其產(chǎn)生一能形成代碼的可視表示的信號，作為生理狀態(tài)指示。
19.如權(quán)利要求1或17中任何一個所述的方法，其中該測量步驟通過以下進(jìn)行(a)對時間間隔T確定該子區(qū)域中的平均溫度，并將該平均值以變量F保存；(b)對時間間隔L確定該子區(qū)域中的平均溫度，并將該平均值以變量G保存；(c)將溫度代碼確定為連接兩個平均值F和G的直線的斜率；并且(d)重復(fù)步驟(a)到(c)，直到時間間隔D結(jié)束。
20.如權(quán)利要求9或18中任何一個所述的設(shè)備，其中該溫度處理器(a)對時間間隔T確定該子區(qū)域中的平均溫度，并將該平均值以變量F保存；(b)對時間間隔L確定該子區(qū)域中的平均溫度，并將該平均值以變量G保存；(c)將溫度代碼確定為連接兩個平均值F和G的直線的斜率；并且(d)重復(fù)步驟(a)到(c)，直到時間間隔D結(jié)束。
全文摘要
一種紅外攝像機(jī)，由其提供人體一部分的一系列紅外圖像幀。優(yōu)選的攝像機(jī)配備一砷化鎵量子阱紅外光電探測器(QWIP)的焦平面陣列(10)。該紅外圖像發(fā)送給一處理器，其將每個圖像處理成多個小的子區(qū)域(12)。在每個子區(qū)域中，測量溫度隨時間的變化，并將該子區(qū)域中的變化表示成溫度代碼(14)。然后在該紅外圖像的每個子區(qū)域中將該溫度代碼顯示成顏色(16)。在最佳實施例中，大腦的生理變化被作為大腦功能的不同部分進(jìn)行觀察。
文檔編號G01J5/48GK1527987SQ01822606
公開日2004年9月8日 申請日期2001年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者馬克·A·福奇, 馬克 A 福奇 申請人:全向磁帶回線自動記錄器技術(shù)公司