ЛАЗЕРНЫЕ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2016 года по МПК A61B5/02 G02B27/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Предложенное изобретение относится к лазерным спекл-интерферометрическим системам и способам для мобильных устройств, применяемым, в частности для отслеживания параметров биологических объектов посредством мобильного устройства.

Уровень техники

Метод лазерной спекл-интерферометрии, который основан на регистрации и обработке вторичных интерференционных («спекловых») картин, формирующихся при рассеянии когерентного излучения от диффузной поверхности, в настоящий момент используется для отслеживания различных параметров как инженерных, так и биологических объектов, к числу которых принадлежит контроль таких параметров человеческого организма как артериальное давление, пульс, скорость кровотока, состояние кожи и т.д. Одними из наиболее существенных преимуществ метода лазерной спекл-интерферометрии являются бесконтактность, неинвазивность, высокая чувствительность и простота реализации.

Тем не менее, существующие в настоящий момент лазерные спекл-интерферометрические системы обладают ограниченными возможностями для исследования параметров биологических объектов вследствие подверженности таких систем влиянию вибраций. В лабораторных условиях вибрации можно преодолеть за счет жесткой фиксации исследуемого объекта. К сожалению, такой подход является чаще всего неприменимым в случае, когда необходимо отслеживать параметры человеческого организма. В настоящий момент имеются сведения об успешном применении метода лазерной спекл-интерферометрии для извлечения информации о пульсе и пульсовом давлении [Yevgeny Beiderman, Israel Horovitz и др., Remote estimation of blood pulse pressure via temporal tracking of reflected secondary speckles pattern/Journal of Biomedical Optics, (2010), 15(6), 061707], однако реализация данного метода подразумевает жесткую фиксацию руки пациента в течение времени, необходимого для проведения измерений.

В публикации US 20130144137 “METHOD AND SYSTEM FOR NON-INVASIVELY MONITORING BIOLOGICAL OR BIOCHEMICAL PARAMETERS OF INDIVIDUAL”, Bar Ilan University, Universitat De Valencia (2012 г.) описаны система и способ отслеживания одного или более параметров человеческого организма. Система включает в себя блок управления, состоящий из порта регистрации и приема графических данных, блока памяти и блока обработки. Графические данные представляют собой информацию, полученную при помощи детектора, состоящего из массива отдельных пикселей, и представленную в виде последовательности спекловых картин, формируемых при рассеянии когерентного излучения от какого-либо участка человеческого тела, и получаемую через заданные промежутки времени. Блок памяти хранит одну или более предварительных моделей, которые представляют собой соотношения между величиной одного или более измеряемых параметров и одним или более параметрами человеческого тела. Процессор выполнен с возможностью выполнения следующих операций: обработки графических данных и вычисления пространственной корреляционной функции между соседними спекловыми картинами в последовательности, вычисления временной пространственной корреляционной функции в форме временной функции по меньшей мере одного параметра корреляционной функции, причем временная пространственная корреляционная функция характеризует временные изменения спекловой картины; выбора как минимум одного параметра временной пространственной корреляционной функции и применения упомянутого параметра к одной или более предварительным моделям для определения одного или более соответствующих параметров человеческого тела, а также для формирования выходных данных, соответствующих одному или более исследуемым параметрам человеческого организма. Система и способ по US 20130144137 имеют недостаток, состоящий в отсутствии механизмов подавления вибраций, что затрудняет применение известных системы и способа в мобильных устройствах.

Публикация US 20110013002 “LASER SPECKLE IMAGING SYSTEMS AND METHODS”, Ind Res Ltd, Oliver Bendix Thompson, Michael Kenneth Andrews (2009 г.) описывает систему и способ измерения перфузии в биологических тканях. Способ включает в себя запись изображений ткани, освещаемой лазерным излучением, получение множества контрастных изображений ткани, определение спектра мощности излучения, рассеиваемого тканью, из множества контрастных изображений, и определение величины перфузии из спектра мощности. Система состоит из цифровой видеокамеры, источника лазерного излучения и процессора, предназначенного для управления камерой, формирующей множество изображений с различными значениями времени экспозиции, получения множества изображений с камеры и обработки данных изображений в целях определения спектра мощности излучения и определения значения перфузии из указанного спектра. Данный известный способ предназначен для измерения перфузии крови в тканях человеческого организма, что является недостаточно точным для измерения давления; другим недостатком является отсутствие механизмов подавления вибраций, что затрудняет применение данного метода в мобильных устройствах.

Публикация US 7925056 “OPTICAL SPECKLE PATTERN INVESTIGATION”, Koninklijke Philips Electronics N.V (2011 г.) описывает систему, способ и медицинский инструмент для неинвазивного измерения in vivo по меньшей мере одного параметра или состояния человеческого тела в определенной области тела, которая является рассеивающей средой. Измерительная система состоит из освещающей системы, регистрирующей системы и системы управления. Освещающая система состоит из по меньшей мере одного источника света, выполненного с возможностью формирования частично или полностью когерентного излучения для освещения участка человеческого тела для формирования отклика в виде светового сигнала от освещаемой области. Регистрирующая система состоит из как минимум одного детектора излучения для регистрации изменяющихся во времени флуктуаций интенсивности светового отклика и формирования данных о результатах измерения динамического рассеяния света. Система управления предназначена для приема и анализа результатов измерения динамического рассеяния света для определения по меньшей мере одного из желаемых параметров, а также для формирования выходных данных. Недостатком данного метода является отсутствие механизмов подавления вибраций, что затрудняет применение данного метода в мобильных устройствах.

С учетом описанных выше известных решений, предложенное изобретение посвящено решению указанной проблемы вибраций, что позволяет реализовать лазерную спекл-интерферометрическую систему на базе мобильного устройства. Описываемое решение проблемы вибраций достигается за счет использования как программных, так и аппаратных средств для стабилизации спекловой картины в плоскости детектора рассеиваемого излучения. В данном случае стабилизация подразумевает постоянный контроль таких параметров, как размер, форма и положение спекловой картины в плоскости детектора, а также контроль оптимальный интенсивности регистрируемого излучения. Кроме того, согласно изобретению предложен способ обработки спекловых картин, который при реализации в лазерной спекл-интерферометрической системе для мобильных устройств позволяет исследовать различные параметры биологических объектов. В заявке демонстрируется возможность применения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств для измерения артериального давления и пульса человека.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании лазерной спекл-интерферометрической системы и способа, которые позволяют преодолеть охарактеризованные выше недостатки уровня техники и обеспечивают следующие преимущества. Во-первых, предлагаемое изобретение позволяет отслеживать различные параметры исследуемого объекта, в частности параметры состояния организма человека, такие как пульс и артериальное давление, при помощи способа лазерной спекл-интерферометрии с использованием портативных и мобильных устройств, таких как, не ограничиваясь, мобильный телефон, смартфон, наручные часы, карманный персональный компьютер (КПК), планшетный компьютер, портативный компьютер (нетбук, ноутбук) и прочие устройства. Во-вторых, предлагаемое изобретение позволяет решить охарактеризованную выше проблему вибраций, присущую известным решениям из уровня техники, в частности за счет стабилизации спекловой картины в плоскости детектора, как при помощи аппаратных средств, то есть посредством организации обратной связи между источником и детектором излучения, так и программных средств - посредством обеспечения постоянного контроля размеров, формы и расположения регистрируемой спекловой картины в плоскости детектора. Кроме того, предложенное изобретение обеспечивает большее соотношение сигнал/шум при реализации метода лазерной спекл-интерферометрии, чем существующие технические решения, такие как охарактеризованные выше.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что описываемые в настоящей заявке варианты выполнения системы и способа не ограничены охарактеризованными ниже примерными сочетаниями материально-технических средств и могут быть реализованы с применением других сочетаний аппаратных, программных, аппаратно-программных и т.п. средств, а также запоминающих устройств, носителей информации, микропрограммного обеспечения и т.п. Специалистами могут быть предусмотрены различные изменения, вариации и эквивалентные замены по отношению к признакам, охарактеризованным в настоящей заявке, и все подобные очевидные изменения, вариации и эквиваленты считаются включенными в объем правовой охраны настоящего изобретения.

Согласно первому аспекту изобретения предложена лазерная спекл-интерферометрическая система для мобильных устройств, предназначенная для отслеживания одного или более параметров исследуемого объекта, причем система содержит:

a) блок ввода данных, который включает в себя источник лазерного излучения и детектор для регистрации спекловых картин, формирующихся при рассеянии лазерного излучения от исследуемого объекта;

b) блок памяти для хранения результатов измерения, параметров калибровки, а также одной или более заданных моделей, связывающих результаты обработки спекловых картин с параметрами исследуемого объекта;

c) блок обработки, выполненный с возможностью:

- стабилизации регистрируемых спекловых картин посредством контроля в режиме реального времени следующих оптимальных условий регистрации спекловых картин:

- статистического параметра распределения световой интенсивности в регистрируемой спекловой картине Iav/Imax > 0,15, где Imax - максимальная величина зарегистрированной световой интенсивности и Iav - среднее значение зарегистрированной световой интенсивности, причем распределение световой интенсивности контролируется путем осуществления обратной связи между источником лазерного излучения и детектором с последующей корректировкой выходной мощности источника излучения;

- радиуса зарегистрированной спекловой картины R0/3 < R < R0, где R0 - радиус зарегистрированной спекловой картины, в пределах которой находится 80% всей зарегистрированной световой интенсивности;

- оптимального размера регистрируемой спекловой картины контролируется путем отслеживания «центра» регистрируемой спекловой картины, координаты которого x_c и y_c вычисляются как , , где x и y координаты в плоскости регистрации излучения, n - общее число пикселей в плоскости регистрации детектора, I - значение световой интенсивности;

- обработки спекловой картины и определения временной функции, которая характеризует временные изменения в спекловой картине, обусловленные изменением параметров исследуемого объекта;

- формирования массива данных, описывающих один или более исследуемых параметров.

Система может дополнительно содержать блок вывода данных, выполненный с возможностью отображения выходных данных, формируемых процессором, и/или передачи упомянутых данных на другое устройство для отображения и/или последующей обработки.

В системе согласно изобретению временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в каждых двух соседних спекловых картинах. Кроме того, в варианте выполнения временная функция может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представлять собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в опорной и текущей спекловой картинах. В другом варианте выполнения временная функция может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представлять собой последовательность значений сумм разложения каждой спекловой картины в ряд Фурье. Временная функция также может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представлять собой последовательность значений коэффициентов вейвлет-преобразования, примененного к каждой спекловой картине. Мобильное устройство, в котором реализована предлагаемая система, может представлять собой мобильной телефон или смартфон, либо планшетный компьютер, карманный персональный компьютер (КПК) или портативный компьютер. В варианте выполнения мобильное устройство может представлять собой наручные часы или наголовный дисплей, а также портативный медиа-плеер. Источник лазерного излучения и детектор могут быть объединены в едином корпусе мобильного устройства либо детектор может быть установлен в корпусе мобильного устройства, а источник лазерного излучения может быть расположен в съемном корпусе, соединяемом с мобильным устройством. Блок вывода данных в заявленной системе может выводить выходные данные на дисплей мобильного устройства. Блок вывода данных выводит выходные данные акустически с применением звукового устройства мобильного устройства.

В другом аспекте заявляемое изобретение относится к способу отслеживания одного или более параметров исследуемого объекта, содержащему этапы, на которых:

a) облучают исследуемый объект лазерным излучением и регистрируют в форме видеоданных спекловые картины, формируемые при рассеянии лазерного излучения исследуемым объектом;

b) осуществляют обработку спекловых картин, причем обработка содержит этапы, на которых:

- стабилизируют регистрируемые спекловые картины посредством контроля в режиме реального времени следующих оптимальных условий регистрации спекловых картин:

- статистического параметра распределения световой интенсивности в регистрируемой спекловой картине Iav/Imax > 0,15, где Imax - максимальная величина зарегистрированной световой интенсивности и Iav - среднее значение зарегистрированной световой интенсивности, причем распределение световой интенсивности контролируется путем осуществления обратной связи между источником лазерного излучения и детектором с последующей корректировкой выходной мощности источника излучения;

- радиуса регистрируемой спекловой картины R0/3 < R < R0, где R0 - радиус регистрируемой спекловой картины, в пределах которой находится 80% всей регистрируемой световой интенсивности;

- оптимального размера регистрируемой спекловой картины контролируется путем отслеживания «центра» регистрируемой спекловой картины, координаты которого x_c и y_c вычисляются как , , где x и y - координаты в плоскости регистрации излучения, n - общее число пикселей в плоскости регистрации детектора, I - значение световой интенсивности;

- обрабатывают стабилизированные спекловые картины и определяют временную функцию, которая характеризует временные изменения в спекловых картинах, обусловленные изменением параметров исследуемого объекта;

- формируют массив данных, описывающих один или более исследуемых параметров.

Способ может дополнительно содержать этап, на котором отображают выходные данные, полученные посредством упомянутой обработки спекловых картин, и/или передают упомянутые данные на другое устройство для отображения и/или последующей обработки. Регистрируемые данные могут быть сохранены в виде файла видеоданных. Стабилизация регистрируемых спекловых картин предпочтительно содержит этапы, на которых:

- получают данные с гироскопа мобильного устройства; и

- исключают из процесса обработки спекловые картины, полученные при неоптимальном положении мобильного устройства по отношению к исследуемому объекту. Временная функция может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представлять собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в каждых двух соседних спекловых картинах. Кроме того, временная функция может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представлять собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в опорной и текущей спекловой картинах. Также временная функция может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представлять собой последовательность значений сумм разложения каждой спекловой картины в ряд Фурье. Временная функция также может характеризовать временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициентов вейвлет-преобразования, примененного к каждой спекловой картине.

Краткое описание чертежей

Ниже будут более подробно описаны примерные варианты выполнения заявляемого изобретения, проиллюстрированные чертежами, на которых:

Фиг. 1 - первый примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;

Фиг. 2 - блок-схема способа лазерного спекл-интерферометрического способа для мобильных устройств;

Фиг. 3 - схематичная иллюстрация лазерной спекл-интерферометрической системы, выполненной с возможностью измерения артериального давления и пульса человека;

Фиг. 4 - примерная спекловая картина, регистрируемая лазерной спекл-интерферометрической системой для мобильных устройств;

Фиг. 5 - примерная пульсовая волна, регистрируемая лазерной спекл-интерферометрической системой для мобильных устройств в соответствии со способом согласно изобретению;

Фиг. 6 - пульсовая волна, зарегистрированная лазерной спекл-интерферометрической системой для мобильных устройств с использованием метода анализа контраста спекловой картины (LASCA);

Фиг. 7 - пульсовая волна, зарегистрированная лазерной спекл-интерферометрической системой с использованием предлагаемого способа и с применением преобразования Фурье;

Фиг. 8 - второй примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;

Фиг. 9 - третий примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;

Фиг. 10 - четвертый примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;

Фиг. 11 - другой вид четвертого варианта выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;

Фиг. 12 - пятый вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств.

Осуществление изобретения

Предложенная система лазерной спекл-интерферометрии состоит в общем случае из блока ввода информации, включающего в себя источник лазерного излучения и детектор, блока памяти, содержащего предварительно сформированные модели изучаемых данных, калибровочные данные и результаты измерений, и блока обработки, который осуществляет процедуры стабилизации спекловой картины и обработку спекловых картин. Также в вариантах выполнения может быть предусмотрен блок вывода, который отображает для пользователя результаты измерений и/или передает полученные данные на другое устройство. Измерения пульса и артериального давления человека с помощью метода лазерной спекл-интерферометрии осуществляются следующим образом.

Лазерный пучок, формируемый источником, рассеивается на поверхности кожи в области запястья человека, и формирующаяся в результате рассеяния когерентного излучения спекловая картина регистрируется детектором. Пульсации крови в артерии вызывают движения кожи, которые, в свою очередь, оказывают влияние на регистрируемую спекловую картину. Для регистрации упомянутых пульсаций с отношением сигнал/шум, достаточным для осуществления точных измерений, требуется устранить влияние вибрацией, вызванных взаимными перемещениями мобильного устройства и исследуемого объекта. Это достигается путем контроля в режиме реального времени ряда параметров, что сводится к соблюдению так называемых оптимальных условий регистрации [Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Lantsov A.D., Correlation method for processing speckles of signals from single-fibre multimode interferometers by using charge-coupled devices/Quantum Electron, (2006), 36(4), 339-342]. Упомянутые параметры представляют собой, в частности: статистический параметр распределения световой интенсивности в регистрируемой спекловой картине Iav/Imax > 0,15 (где Iav - среднее значение регистрируемой световой интенсивности и Imax - максимальное значение регистрируемой световой интенсивности), радиус регистрируемой спекловой картины R должен находиться в пределах R0/3 < R < R0 (где R0 - радиус области регистрируемой спекловой картины, в пределах которой заключено 80% всей регистрируемой детектором световой энергии); распределение световой интенсивности обеспечивается за счет обратной связи между источником лазерного излучения и детектором с последующей подстройкой выходной мощности источника лазерного излучения; оптимальный размер регистрируемой спекловой картины контролируется путем слежения за центром регистрируемой спекловой картины, координаты которого x_c и y_c вычисляются согласно следующему выражению , , где x и y координаты в плоскости регистрации детектора, n - общее количество пикселей в плоскости регистрации спекловой картины, I - величина световой интенсивности.

Стабилизированная таким образом спекловая картина используется для определения временной функции, которая представляет собой сумму всех элементов, полученных в результате разложения в ряд Фурье текущего изображения спекловой картины. Данная функция характеризует временные изменения в спекловой картине, которые являются полезной информацией о параметрах исследуемого объекта.

Измеряемая временная функция соответствует временной зависимости артериального давления, оказываемого на стенки артерии, причем частота следования максимальных значений данной функции соответствует частоте сердечных сокращений человека, и форма огибающей данной функции определяется, в числе прочих физиологических параметров, текущими значениями артериального давления. Для определения величины пульса необходимо сосчитать количество регистрируемых пиков вышеуказанной функции в минуту. Для определения значений артериального давления необходимо выполнить следующую процедуру: перед началом использования лазерной спекл-интерферометрической системы и метода для мобильных устройств необходимо провести калибровку всей системы путем записи нескольких периодов пульсовой волны и сохранения этой информации в блоке памяти. Сразу после этого необходимо провести измерения артериального давления при помощи обычного сфигмоманометра и занести полученные результаты в блок памяти. Таким образом, в блоке памяти будут сохранены формы пульсовых волн и соответствующие им значения артериального давления. После процедуры калибровки исчезает необходимость в использовании традиционных сфигмоманометров, и давление может быть измерено в любой момент с помощью лазерной спекл-интерферометрической системы и метода для мобильных устройств.

В этом случае текущие значения артериального давления вычисляется следующим образом: процессор вычисляет коэффициенты пропорциональности, которые определяют разницу между текущей формой пульсовой волны и пульсовой волной, сохраненной в блоке памяти. Следующий шаг представляет перемножение полученных коэффициентов и калибровочных значений артериального давления, хранящихся в блоке памяти. Полученные значения артериального давления демонстрируются пользователю и могут по желанию быть переданы по беспроводному каналу связи на другое устройство.

Лазерная спекл-интерферометрическая система для мобильных устройств в первом примерном варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, включает в себя источник 1 лазерного излучения, детектор 2, процессор и блок памяти (не показаны на чертеже) которые в одном из вариантов выполнения системы объединены в корпусе 3 мобильного устройства. Такое расположение позволяет избавиться от вибраций, вызванных взаимным перемещением между источником и детектором излучения.

Лазерная спекл-интерферометрическая система имеет конфигурацию, которая позволяет осуществлять управление при выполнении способа с использованием лазерной спекл-интерферометрии, как проиллюстрировано блок-схемой по Фиг. 2. На Фиг. 3 показано возможное начальное положение лазерной спекл-интерферометрической системы, предназначенной для измерения параметров человеческого тела, а именно артериального давления и пульса. Для минимизации вибрационных воздействий в процессе измерений мобильное устройство размещается на поверхности исследуемого объекта, как показано на Фиг. 3. В данном случае исследуемым объектом является запястье человека. После инициализации лазерной спекл-интерферометрической системы источник лазерного излучения начинает освещать исследуемую область объекта. Лазерное излучение рассеивается на данной области и регистрируется детектором. Пример спекловой картины, регистрируемой детектором, в качестве которого выступает камера мобильного устройства, показан на Фиг. 4. Процессор анализирует величину освещенности на детекторе и обеспечивает обратную связь с источником излучения, производя подстройку выходной мощности источника таким образом, чтобы выполнялись оптимальные условия регистрации излучения. Оптимальные условия регистрации характеризуются следующим образом: статистический параметр распределения световой интенсивности в регистрируемой спекловой картине Iav/Imax > 0,15 (где Iav - среднее значение зарегистрированной световой интенсивности и Imax - среднее значение зарегистрированной световой интенсивности), радиус регистрируемой спекловой картины R0/3 < R < R0 (где R0 - такой радиус регистрируемой спекловой картины, что область картины, ограниченная окружностью данного радиуса, включает в себя 80% всей регистрируемой световой интенсивности). Выполнение указанных условий гарантирует соблюдение линейного режима регистрации картины спеклового поля.

После начальной настройки начинаются измерения, которые выполняются одновременно с процедурами стабилизации спекловой картины. Стабилизация спекловой картины достигается при помощи одновременного контроля в режиме реального времени вышеуказанных оптимальных условий регистрации и расположения «центра» регистрируемой спекловой картины, координаты которого x_c и y_c вычисляются как , , где x и y - координаты в плоскости регистрации детектора, n - общее число пикселей в плоскости регистрации детектора, I - значение световой интенсивности.

Процессор выполнен с возможностью осуществления обработки изображений в режиме реального времени, что позволяет избежать необходимости сохранения каждого кадра в блоке памяти, что очень важно для повышений производительности всей системы. Процессор осуществляет преобразование Фурье каждого кадра и получает набор пространственных частот в изображении. Каждое преобразованное изображение характеризуется своим набором пространственных частот, и сумма всех таких компонент в каждый момент времени является временной функцией. Примерная временная зависимость, полученная для спекловой картины, сформированной при рассеянии света от поверхности кожи в области запястья, показана на Фиг. 6. Для сравнения предложенного алгоритма, основанного на преобразовании Фурье, с одним из наиболее широко использующихся в уровне техники, на Фиг. 7 приведена аналогичная временная зависимость, полученная с применением метода анализа контраста спекловых картин (LASCA). Как можно видеть из представленных результатов, предложенный способ позволяет получить последовательность пиков, соответствующих частоте пульса человека, с большим соотношением сигнал/шум, что выражается в большей контрастности пиков по отношению к фоновому сигналу.

Следующий этап подразумевает использование одной или более заданных моделей, описывающих соотношения между единичной пульсовой волной, полученной во время одного сердечного цикла и хранящейся в блоке памяти, и значением артериального давления, соответствующем данной пульсовой волне для данного человека. Фиг. 5 демонстрирует примерную пульсовую волну, полученную за время одного сердечного цикла и сохраненную в блоке памяти мобильного устройства. Сравнение измеренной пульсовой волны с пульсовой волной, сохраненной в блоке памяти, позволяет восстановить текущее значение артериального давления. Полученные значения артериального давления выводятся на дисплей мобильного устройства, сохраняются в блоке памяти мобильного устройства, и могут быть переданы на другое устройство, например по беспроводному каналу связи или другими средствами, известными в данной области техники.

Другой вариант выполнения предложенной системы показан на Фиг. 8. В этом варианте выполнения источник лазерного излучения находится в съемном корпусе, соединяемом с мобильным устройством. Этот вариант позволяет реализовать лазерную спекл-интерферометрическую систему на основе любого мобильного устройства, к которому может быть подключен указанный съемный корпус. Система по Фиг. 8 содержит, в частности, источник 1 лазерного излучения, детектор 2, корпус 3 мобильного устройства, съемный корпус 4, отверстие 5.

На Фиг. 9 представлен вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы с применением съемного корпуса и призменного зеркала 6, направляющего лазерное излучение от источника 1 лазерного излучения, размещенного в съемном корпусе 4. Кроме того, как и в предыдущих вариантах выполнения, система по данному варианту выполнения также содержит источник 1 лазерного излучения, детектор 2, корпус 3 мобильного устройства, съемный корпус 4, отверстие 5, элемент 7 питания и орган управления в виде кнопки 8 включения системы.

На Фиг. 10 показан вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы, который обеспечивает возможность ношения системы пользователем, причем данный вариант выполнения реализован на основе мобильного устройства, надеваемого на руку. Данный вариант выполнения особенно полезен для осуществления круглосуточного отслеживания параметров человеческого организма, таких как охарактеризованные выше пульс и артериальное давление. На Фиг. 11 показан другой вид упомянутого варианта выполнения заявляемой системы, а именно вид сбоку мобильного устройства, в котором реализована система согласно изобретению, выполненного в виде наручных часов. Показанная на Фиг. 10-11 система содержит такие элементы, как источника 1 лазерного излучения, детектор 2, и фиксируется на руке пользователя с помощью ремня 11 крепления.

На Фиг. 12 показан другой возможный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы, в котором мобильное устройство выполнено в виде закрепляющей манжеты на руке. В данном варианте выполнения система содержит источник 1 лазерного излучения, детектор 2, ремень 12 крепления системы, процессор 13 и блок 14 памяти. Данный вариант выполнения может быть использован в случае, когда для калибровки и выполнения измерений заявляемым способом требуется плечевая артерия.

Следует отметить, что варианты выполнения, подробно описанные выше и проиллюстрированные на сопровождающих чертежах, являются лишь примерными вариантами выполнения настоящего изобретения, и специалистам в данной области техники очевидно, что мобильное или портативное устройство, в котором могут быть реализованы заявляемые способ и система, может принимать и другие формы в зависимости от конкретных применений заявляемых способа и системы. Охарактеризованные выше система и способ могут быть реализованы с применением различных сочетаний аппаратных и программных средств, а также микропрограммного обеспечения, интегральных схем, микропроцессоров, запоминающих устройств, машиночитаемых носителей и т.п. Для осуществления способа лазерной спекл-интерферометрии согласно изобретению может быть предусмотрена специализированная компьютерная программа, которая при выполнении средством обработки, таким как процессор вычислительного устройства, побуждает упомянутое средство обработки осуществлять способ согласно изобретению. Упомянутая программа может быть сохранена на машиночитаемом носителе, таком как оптический диск, магнитный диск, твердотельная память и т.п. Кроме того, заявляемая система может содержать различные средства ввода/вывода, такие как по меньшей мере один экран, средства выдачи звуковых сигналов, а также средства передачи информации по проводным и беспроводным каналам. В одном из вариантов выполнения возможна выдача результатов измерений, выполняемых системой с использованием заявляемого способа, акустическими средствами, в частности с применением звукового устройства, такого как динамик или громкоговоритель, входящего в состав большинства известных мобильных устройств. В других вариантах выполнения регистрируемые спекловые картины могут сохраняться в виде файлов видеоданных для последующей передачи и/или обработки.

Вышеприведенное описание служит лишь для пояснения примерных вариантов выполнения заявленных изобретений и иллюстрации материально-технических средств, которыми могут быть реализованы система и способ согласно изобретению. При этом вышеприведенное описание не должно использоваться для определения или какого-либо ограничения объема заявляемого изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения.

Предложенные система и способ проиллюстрированы в отношении мобильного устройства, которое может использоваться для отслеживания параметров биологических объектов, таких как организм человека или животного. Специалистам в данной области техники очевидно, что заявляемые система и способ могут в общем найти применение в области медицины и систем безопасности, основанных, в частности, на отслеживании и анализе параметров человеческого организма. Основным преимуществом предложенной системы является ее высокая мобильность, что позволяет обеспечивать отслеживание различных параметров человеческого организма без специально сконструированного оборудования.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системе и способу лазерной спекл-интерферометрии для мобильных устройств. Система содержит блок ввода данных, который включает в себя источник лазерного излучения и детектор для регистрации спекловых картин, формирующихся при рассеянии лазерного излучения от исследуемого объекта, блок памяти для хранения результатов измерения, параметров калибровки, а также одной или более заданных моделей, связывающих результаты обработки спекловых картин с параметрами исследуемого объекта, блок обработки, выполненный с возможностью стабилизации регистрируемых спекловых картин посредством контроля в режиме реального времени, обработки спекловой картины и определения временной функции и формирования массива данных, описывающих один или более исследуемых параметров. Способ содержит этапы, на которых облучают исследуемый объект лазерным излучением и регистрируют в форме видеоданных спекловые картины, осуществляют обработку спекловых картин, причем обработка содержит этапы, на которых стабилизируют регистрируемые спекловые картины, обрабатывают стабилизированные спекловые картины и определяют временную функцию и формируют массив данных, описывающих один или более исследуемых параметров. Использование заявленной группы изобретений позволяет подавить вибрации. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Лазерная спекл-интерферометрическая система для мобильных устройств, предназначенная для отслеживания одного или более параметров исследуемого объекта, причем система содержит:
a) блок ввода данных, который включает в себя источник лазерного излучения и детектор для регистрации спекловых картин, формирующихся при рассеянии лазерного излучения от исследуемого объекта;
b) блок памяти для хранения результатов измерения, параметров калибровки, а также одной или более заданных моделей, связывающих результаты обработки спекловых картин с параметрами исследуемого объекта;
c) блок обработки, выполненный с возможностью:
• стабилизации регистрируемых спекловых картин посредством контроля в режиме реального времени следующих оптимальных условий регистрации спекловых картин:
- статистического параметра распределения световой интенсивности в регистрируемой спекловой картине Iav/Imax > 0,15, где Imax - максимальная величина зарегистрированной световой интенсивности и Iav - среднее значение зарегистрированной световой интенсивности, причем распределение световой интенсивности контролируется путем осуществления обратной связи между источником лазерного излучения и детектором с последующей корректировкой выходной мощности источника излучения;
- радиуса зарегистрированной спекловой картины R0/3 < R < R0, где R0 - радиус зарегистрированной спекловой картины, в пределах которой находится 80% всей зарегистрированной световой интенсивности;
- оптимальный размер регистрируемой спекловой картины контролируется путем отслеживания "центра" регистрируемой спекловой картины, координаты которого x_c и y_c вычисляются как , , где x и y координаты в плоскости регистрации излучения, n - общее число пикселей в плоскости регистрации детектора, I - значение световой интенсивности;
• обработки спекловой картины и определения временной функции, которая характеризует временные изменения в спекловой картине, обусловленные изменением параметров исследуемого объекта;
• формирования массива данных, описывающих один или более исследуемых параметров.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая блок вывода данных, выполненный с возможностью отображения выходных данных, формируемых процессором, и/или передачи упомянутых данных на другое устройство для отображения и/или последующей обработки.

3. Система по п. 1, в которой временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в каждых двух соседних спекловых картинах.

4. Система по п. 1, в которой временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в опорной и текущей спекловой картинах.

5. Система по п. 1, в которой временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений сумм разложения каждой спекловой картины в ряд Фурье.

6. Система по п. 1, в которой временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициентов вейвлет-преобразования, примененного к каждой спекловой картине.

7. Система по п. 1, в которой мобильное устройство представляет собой мобильный телефон или смартфон.

8. Система по п. 1, в которой мобильное устройство представляет собой планшетный компьютер, карманный персональный компьютер (КПК) или портативный компьютер.

9. Система по п. 1, в которой мобильное устройство представляет собой наручные часы.

10. Система по п. 1, в которой мобильное устройство представляет собой наголовный дисплей.

11. Система по п. 1, в которой мобильное устройство представляет собой портативный медиа-плеер.

12. Система по п. 1, в которой источник лазерного излучения и детектор объединены в едином корпусе мобильного устройства.

13. Система по п. 1, в которой детектор установлен в корпусе мобильного устройства, а источник лазерного излучения расположен в съемном корпусе, соединяемом с мобильным устройством.

14. Система по п. 2, в которой блок вывода данных выводит выходные данные на дисплей мобильного устройства.

15. Система по п. 2, в которой блок вывода данных выводит выходные данные акустически с применением звукового устройства мобильного устройства.

16. Способ отслеживания одного или более параметров исследуемого объекта, содержащий этапы, на которых:
a) облучают исследуемый объект лазерным излучением и регистрируют в форме видеоданных спекловые картины, формируемые при рассеянии лазерного излучения исследуемым объектом;
b) осуществляют обработку спекловых картин, причем обработка содержит этапы, на которых:
• стабилизируют регистрируемые спекловые картины посредством контроля в режиме реального времени следующих оптимальных условий регистрации спекловых картин:
- статистического параметра распределения световой интенсивности в регистрируемой спекловой картине Iav/Imax > 0,15, где Imax - максимальная величина зарегистрированной световой интенсивности и Iav - среднее значение зарегистрированной световой интенсивности, причем распределение световой интенсивности контролируется путем осуществления обратной связи между источником лазерного излучения и детектором с последующей корректировкой выходной мощности источника излучения;
- радиуса регистрируемой спекловой картины R0/3 < R < R0, где R0 - радиус регистрируемой спекловой картины, в пределах которой находится 80% всей регистрируемой световой интенсивности;
- оптимального размера регистрируемой спекловой картины контролируется путем отслеживания "центра" регистрируемой спекловой картины, координаты которого x_c и y_c вычисляются как , , где x и y - координаты в плоскости регистрации излучения, n - общее число пикселей в плоскости регистрации детектора, I - значение световой интенсивности;
• обрабатывают стабилизированные спекловые картины и определяют временную функцию, которая характеризует временные изменения в спекловых картинах, обусловленные изменением параметров исследуемого объекта;
• формируют массив данных, описывающих один или более исследуемых параметров.

17. Способ по п. 16, дополнительно содержащий этап, на котором отображают выходные данные, полученные посредством упомянутой обработки спекловых картин, и/или передают упомянутые данные на другое устройство для отображения и/или последующей обработки.

18. Способ по п. 16, в котором регистрируемые данные сохраняют в виде файла видеоданных.

19. Способ по п. 16, в котором стабилизация регистрируемых спекловых картин содержит этапы, на которых:
- получают данные с гироскопа мобильного устройства; и
- исключают из процесса обработки спекловые картины, полученные при неоптимальном положении мобильного устройства по отношению к исследуемому объекту.

20. Способ по п. 16, в котором упомянутая временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в каждых двух соседних спекловых картинах.

21. Способ по п. 16, в котором упомянутая временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициента корреляции между распределениями световой интенсивности в опорной и текущей спекловой картинах.

22. Способ по п. 16, в котором временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений сумм разложения каждой спекловой картины в ряд Фурье.

23. Способ по п. 16, в котором временная функция характеризует временные изменения в спекловой картине и представляет собой последовательность значений коэффициентов вейвлет-преобразования, примененного к каждой спекловой картине.