RU2573053C1 - Laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices - Google Patents
Laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices Download PDFInfo
- Publication number
- RU2573053C1 RU2573053C1 RU2014136805/14A RU2014136805A RU2573053C1 RU 2573053 C1 RU2573053 C1 RU 2573053C1 RU 2014136805/14 A RU2014136805/14 A RU 2014136805/14A RU 2014136805 A RU2014136805 A RU 2014136805A RU 2573053 C1 RU2573053 C1 RU 2573053C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- speckle
- speckle pattern
- recorded
- light intensity
- parameters
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
- G01N21/453—Holographic interferometry
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Предложенное изобретение относится к лазерным спекл-интерферометрическим системам и способам для мобильных устройств, применяемым, в частности для отслеживания параметров биологических объектов посредством мобильного устройства.The proposed invention relates to laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices, used, in particular for tracking the parameters of biological objects using a mobile device.
Уровень техникиState of the art
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.The method of laser speckle interferometry, which is based on the registration and processing of secondary interference ("speckle") patterns formed during the scattering of coherent radiation from a diffuse surface, is currently used to track various parameters of both engineering and biological objects, which include control of such parameters of the human body as blood pressure, pulse, blood flow velocity, skin condition, etc. One of the most significant advantages of laser speckle interferometry is non-contact, non-invasive, high sensitivity and ease of implementation.
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.Nevertheless, the currently existing laser speckle interferometric systems have limited capabilities for studying the parameters of biological objects due to the susceptibility of such systems to vibration. In laboratory conditions, vibration can be overcome by rigidly fixing the test object. Unfortunately, this approach is most often not applicable when it is necessary to monitor the parameters of the human body. Currently, there is evidence of the successful use of laser speckle interferometry to extract information about the pulse and pulse pressure [Yevgeny Beiderman, Israel Horovitz et al., Remote estimation of blood pulse pressure via temporal tracking of reflected secondary speckles pattern / Journal of Biomedical Optics , (2010), 15 (6), 061707], however, the implementation of this method implies rigid fixation of the patient’s hand for the time required for measurements.
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.US 20130144137, “METHOD AND SYSTEM FOR NON-INVASIVELY MONITORING BIOLOGICAL OR BIOCHEMICAL PARAMETERS OF INDIVIDUAL”, Bar Ilan University, Universitat De Valencia (2012) describes a system and method for tracking one or more parameters of a human body. The system includes a control unit consisting of a port for recording and receiving graphic data, a memory unit and a processing unit. The graphic data is information obtained using a detector consisting of an array of individual pixels, and presented as a sequence of speckle patterns formed by the scattering of coherent radiation from any part of the human body, and obtained at specified intervals. The memory unit stores one or more preliminary models, which are the relations between the value of one or more measured parameters and one or more parameters of the human body. The processor is configured to perform the following operations: processing graphic data and calculating a spatial correlation function between adjacent speckle patterns in a sequence, calculating a temporal spatial correlation function in the form of a temporal function of at least one parameter of the correlation function, the temporal spatial correlation function characterizing temporal changes in the speckle pattern ; selecting at least one parameter of the temporal spatial correlation function and applying the said parameter to one or more preliminary models to determine one or more corresponding parameters of the human body, as well as to generate output data corresponding to one or more studied parameters of the human body. The system and method according to US 20130144137 have the disadvantage consisting in the absence of vibration suppression mechanisms, which complicates the application of the known system and method in mobile devices.
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.Publication US 20110013002 “LASER SPECKLE IMAGING SYSTEMS AND METHODS”, Ind Res Ltd, Oliver Bendix Thompson, Michael Kenneth Andrews (2009) describes a system and method for measuring perfusion in biological tissues. The method includes recording images of tissue illuminated by laser radiation, obtaining a plurality of contrasting tissue images, determining a power spectrum of the radiation scattered by the tissue from the plurality of contrasting images, and determining a perfusion amount from a power spectrum. The system consists of a digital video camera, a laser radiation source and a processor designed to control a camera that generates many images with different exposure times, obtain many images from the camera and process image data in order to determine the radiation power spectrum and determine the perfusion value from the specified spectrum. This known method is intended to measure blood perfusion in the tissues of the human body, which is not accurate enough to measure pressure; another drawback is the lack of vibration suppression mechanisms, which makes it difficult to use this method in mobile devices.
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.Publication US 7925056 “OPTICAL SPECKLE PATTERN INVESTIGATION”, Koninklijke Philips Electronics N.V (2011) describes a system, method and medical instrument for non-invasively measuring in vivo at least one parameter or condition of the human body in a specific area of the body that is a scattering medium. The measuring system consists of a lighting system, a recording system and a control system. A lighting system consists of at least one light source configured to form partially or completely coherent radiation to illuminate a portion of the human body to form a response in the form of a light signal from the illuminated area. The recording system consists of at least one radiation detector for recording time-varying fluctuations in the intensity of the light response and generating data on the results of measurements of dynamic light scattering. The control system is designed to receive and analyze the results of measuring dynamic light scattering to determine at least one of the desired parameters, as well as to generate output data. The disadvantage of this method is the lack of vibration suppression mechanisms, which makes it difficult to use this method in mobile devices.
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.In view of the known solutions described above, the proposed invention is dedicated to solving the indicated vibration problem, which makes it possible to realize a laser speckle interferometric system based on a mobile device. The described solution to the vibration problem is achieved by using both software and hardware to stabilize the speckle pattern in the plane of the scattered radiation detector. In this case, stabilization implies constant monitoring of such parameters as the size, shape and position of the speckle pattern in the plane of the detector, as well as monitoring the optimal intensity of the detected radiation. In addition, according to the invention, a method for processing speckle patterns is proposed, which, when implemented in a laser speckle interferometric system for mobile devices, allows the study of various parameters of biological objects. The application demonstrates the possibility of using a laser speckle interferometric system for mobile devices for measuring blood pressure and human heart rate.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
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.An object of the present invention is to provide a laser speckle interferometric system and method that overcomes the drawbacks described above and provide the following advantages. Firstly, the present invention allows you to track various parameters of the studied object, in particular the parameters of the state of the human body, such as pulse and blood pressure, using the laser speckle interferometry using portable and mobile devices, such as, but not limited to, a mobile phone, a smartphone, a wristwatch, a personal digital assistant (PDA), a tablet computer, a portable computer (netbook, laptop) and other devices. Secondly, the present invention allows to solve the vibration problem described above, which is inherent in known solutions of the prior art, in particular by stabilizing the speckle pattern in the plane of the detector, both by hardware, that is, by arranging feedback between the source and the radiation detector, and software - by providing continuous monitoring of the size, shape and location of the recorded speckle pattern in the plane of the detector. In addition, the proposed invention provides a greater signal to noise ratio when implementing the laser speckle interferometry method than existing technical solutions, such as those described above.
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.Those skilled in the art will understand that the embodiments of the system and method described in this application are not limited to the exemplary combinations of material and equipment described below and can be implemented using other combinations of hardware, software, hardware-software, etc. means, as well as storage devices, storage media, firmware, etc. Specialists may provide for various changes, variations and equivalent replacements with respect to the features described in this application, and all such obvious changes, variations and equivalents are considered to be included in the scope of legal protection of the present invention.
Согласно первому аспекту изобретения предложена лазерная спекл-интерферометрическая система для мобильных устройств, предназначенная для отслеживания одного или более параметров исследуемого объекта, причем система содержит:According to a first aspect of the invention, there is provided a laser speckle interferometric system for mobile devices for tracking one or more parameters of an object under investigation, the system comprising:
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;a) a data input unit, which includes a laser radiation source and a detector for registering speckle patterns formed during the scattering of laser radiation from the object under study;
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;b) a memory unit for storing measurement results, calibration parameters, as well as one or more predetermined models linking the results of speckle processing with the parameters of the object under study;
c) блок обработки, выполненный с возможностью:c) a processing unit configured to:
- стабилизации регистрируемых спекловых картин посредством контроля в режиме реального времени следующих оптимальных условий регистрации спекловых картин:- stabilization of recorded speckle patterns through real-time monitoring of the following optimal conditions for the registration of speckle patterns:
- 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;- statistical parameter of the light intensity distribution in the recorded speckle pattern Iav / Imax> 0.15, where Imax is the maximum value of the registered light intensity and Iav is the average value of the registered light intensity, and the light intensity distribution is controlled by feedback between the laser radiation source and the detector with subsequent adjustment of the output power of the radiation source;
- радиуса зарегистрированной спекловой картины R0/3 < R < R0, где R0 - радиус зарегистрированной спекловой картины, в пределах которой находится 80% всей зарегистрированной световой интенсивности;- the radius of the registered speckle pattern R0 / 3 <R <R0, where R0 is the radius of the registered speckle pattern, within which lies 80% of the total recorded light intensity;
- оптимального размера регистрируемой спекловой картины контролируется путем отслеживания «центра» регистрируемой спекловой картины, координаты которого xc и yc вычисляются как
- обработки спекловой картины и определения временной функции, которая характеризует временные изменения в спекловой картине, обусловленные изменением параметров исследуемого объекта;- processing the speckle pattern and determining the time function, which characterizes the temporal changes in the speckle pattern, due to changes in the parameters of the studied object;
- формирования массива данных, описывающих один или более исследуемых параметров.- forming an array of data describing one or more of the investigated parameters.
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.The system may further comprise a data output unit configured to display the output data generated by the processor and / or transfer said data to another device for display and / or subsequent processing.
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.In the system according to the invention, the time function characterizes the temporal changes in the speckle pattern and is a sequence of correlation coefficient values between the light intensity distributions in every two adjacent speckle patterns. In addition, in an embodiment, the temporal function can characterize temporal changes in the speckle pattern and is a sequence of correlation coefficient values between the light intensity distributions in the reference and current speckle patterns. In another embodiment, the temporal function can characterize temporary changes in the speckle pattern and represent a sequence of values of the sums of the expansion of each speckle pattern in a Fourier series. The time function can also characterize temporal changes in the speckle pattern and can be a sequence of values of the wavelet transform coefficients applied to each speckle pattern. A mobile device in which the proposed system is implemented may be a mobile phone or smartphone, or a tablet computer, a personal digital assistant (PDA), or a laptop computer. In an embodiment, the mobile device may be a wristwatch or a head-mounted display, as well as a portable media player. The laser source and the detector can be combined in a single housing of the mobile device, or the detector can be installed in the housing of the mobile device, and the laser source can be located in a removable housing connected to the mobile device. The data output unit in the claimed system can output the data to a display of a mobile device. The data output unit outputs the acoustic data using the sound device of the mobile device.
В другом аспекте заявляемое изобретение относится к способу отслеживания одного или более параметров исследуемого объекта, содержащему этапы, на которых:In another aspect, the claimed invention relates to a method for tracking one or more parameters of an object under investigation, comprising the steps of:
a) облучают исследуемый объект лазерным излучением и регистрируют в форме видеоданных спекловые картины, формируемые при рассеянии лазерного излучения исследуемым объектом;a) irradiate the investigated object with laser radiation and record in the form of video data speckle patterns formed during the scattering of laser radiation by the studied object;
b) осуществляют обработку спекловых картин, причем обработка содержит этапы, на которых:b) carry out the processing of speckle patterns, moreover, the processing contains the stages in which:
- стабилизируют регистрируемые спекловые картины посредством контроля в режиме реального времени следующих оптимальных условий регистрации спекловых картин:- stabilize the recorded speckle patterns by real-time monitoring of the following optimal conditions for the registration of speckle patterns:
- 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;- statistical parameter of the light intensity distribution in the recorded speckle pattern Iav / Imax> 0.15, where Imax is the maximum value of the registered light intensity and Iav is the average value of the registered light intensity, and the light intensity distribution is controlled by feedback between the laser radiation source and the detector with subsequent adjustment of the output power of the radiation source;
- радиуса регистрируемой спекловой картины R0/3 < R < R0, где R0 - радиус регистрируемой спекловой картины, в пределах которой находится 80% всей регистрируемой световой интенсивности;- the radius of the recorded speckle pattern R0 / 3 <R <R0, where R0 is the radius of the recorded speckle pattern, within which lies 80% of the total recorded light intensity;
- оптимального размера регистрируемой спекловой картины контролируется путем отслеживания «центра» регистрируемой спекловой картины, координаты которого xc и yc вычисляются как
- обрабатывают стабилизированные спекловые картины и определяют временную функцию, которая характеризует временные изменения в спекловых картинах, обусловленные изменением параметров исследуемого объекта;- process stabilized speckle patterns and determine the temporal function, which characterizes the temporal changes in speckle patterns due to changes in the parameters of the studied object;
- формируют массив данных, описывающих один или более исследуемых параметров.- form an array of data describing one or more of the investigated parameters.
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:The method may further comprise the step of displaying output data obtained by said speckle processing and / or transferring said data to another device for display and / or subsequent processing. Logged data can be saved as a video data file. The stabilization of recorded speckle patterns preferably comprises the steps of:
- получают данные с гироскопа мобильного устройства; и- receive data from a gyroscope of a mobile device; and
- 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.- exclude speckle patterns obtained from the non-optimal position of the mobile device with respect to the object under study from the processing process. The temporal function can characterize temporal changes in the speckle pattern and represent a sequence of correlation coefficient values between the light intensity distributions in each two adjacent speckle patterns. In addition, the temporal function can characterize temporal changes in the speckle pattern and represent a sequence of correlation coefficient values between the light intensity distributions in the reference and current speckle patterns. Also, the temporal function can characterize temporary changes in the speckle pattern and represent a sequence of values of the sums of the expansion of each speckle pattern in a Fourier series. The time function can also characterize temporary changes in the speckle pattern and is a sequence of values of the wavelet transform coefficients applied to each speckle pattern.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Ниже будут более подробно описаны примерные варианты выполнения заявляемого изобретения, проиллюстрированные чертежами, на которых:Below will be described in more detail exemplary embodiments of the claimed invention, illustrated by drawings, in which:
Фиг. 1 - первый примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;FIG. 1 is a first exemplary embodiment of a laser speckle interferometric system for mobile devices;
Фиг. 2 - блок-схема способа лазерного спекл-интерферометрического способа для мобильных устройств;FIG. 2 is a flowchart of a laser speckle interferometric method for mobile devices;
Фиг. 3 - схематичная иллюстрация лазерной спекл-интерферометрической системы, выполненной с возможностью измерения артериального давления и пульса человека;FIG. 3 is a schematic illustration of a laser speckle interferometric system configured to measure a person’s blood pressure and pulse;
Фиг. 4 - примерная спекловая картина, регистрируемая лазерной спекл-интерферометрической системой для мобильных устройств;FIG. 4 is an exemplary speckle pattern recorded by a laser speckle interferometric system for mobile devices;
Фиг. 5 - примерная пульсовая волна, регистрируемая лазерной спекл-интерферометрической системой для мобильных устройств в соответствии со способом согласно изобретению;FIG. 5 is an exemplary pulse wave recorded by a speckle laser interferometric system for mobile devices in accordance with the method according to the invention;
Фиг. 6 - пульсовая волна, зарегистрированная лазерной спекл-интерферометрической системой для мобильных устройств с использованием метода анализа контраста спекловой картины (LASCA);FIG. 6 - pulse wave recorded by a speckle laser interferometric system for mobile devices using the speckle pattern contrast analysis method (LASCA);
Фиг. 7 - пульсовая волна, зарегистрированная лазерной спекл-интерферометрической системой с использованием предлагаемого способа и с применением преобразования Фурье;FIG. 7 - pulse wave detected by a laser speckle interferometric system using the proposed method and using the Fourier transform;
Фиг. 8 - второй примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;FIG. 8 is a second exemplary embodiment of a laser speckle interferometric system for mobile devices;
Фиг. 9 - третий примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;FIG. 9 is a third exemplary embodiment of a laser speckle interferometric system for mobile devices;
Фиг. 10 - четвертый примерный вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;FIG. 10 is a fourth exemplary embodiment of a laser speckle interferometric system for mobile devices;
Фиг. 11 - другой вид четвертого варианта выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств;FIG. 11 is another view of a fourth embodiment of a laser speckle interferometric system for mobile devices;
Фиг. 12 - пятый вариант выполнения лазерной спекл-интерферометрической системы для мобильных устройств.FIG. 12 is a fifth embodiment of a laser speckle interferometric system for mobile devices.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
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.The proposed laser speckle interferometry system generally consists of an information input unit including a laser radiation source and a detector, a memory unit containing pre-formed models of the studied data, calibration data and measurement results, and a processing unit that implements speckle stabilization procedures and speckle processing. Also, in embodiments, an output unit may be provided that displays the measurement results to the user and / or transmits the received data to another device. Measurement of the pulse and blood pressure of a person using the method of laser speckle interferometry is carried out as follows.
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 xc и yc вычисляются согласно следующему выражению
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.The speckle pattern stabilized in this way is used to determine the time function, which is the sum of all the elements obtained by expanding the current image of the speckle pattern in the Fourier series. This function characterizes temporary changes in the speckle pattern, which are useful information about the parameters of the object under study.
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.The measured time function corresponds to the time dependence of the blood pressure exerted on the artery walls, and the repetition rate of the maximum values of this function corresponds to the human heart rate, and the shape of the envelope of this function is determined, among other physiological parameters, by the current values of blood pressure. To determine the value of the pulse, it is necessary to count the number of recorded peaks of the above function per minute. To determine the values of blood pressure, you must perform the following procedure: before using the laser speckle interferometric system and the method for mobile devices, it is necessary to calibrate the entire system by recording several periods of the pulse wave and storing this information in the memory unit. Immediately after this, it is necessary to measure blood pressure using a conventional sphygmomanometer and enter the results into a memory unit. Thus, the pulse wave forms and the corresponding blood pressure values will be stored in the memory unit. After the calibration procedure, the need to use traditional sphygmomanometers disappears, and the pressure can be measured at any time using the laser speckle interferometric system and the method for mobile devices.
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.In this case, the current blood pressure values are calculated as follows: the processor calculates the proportionality coefficients, which determine the difference between the current pulse wave shape and the pulse wave stored in the memory unit. The next step is the multiplication of the obtained coefficients and calibration values of blood pressure stored in the memory unit. The obtained blood pressure values are shown to the user and can optionally be transmitted wirelessly to another device.
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.The laser speckle interferometric system for mobile devices in the first exemplary embodiment shown in FIG. 1 includes a
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.The laser speckle interferometric system has a configuration that allows control when performing the method using laser speckle interferometry, as illustrated by the flowchart of FIG. 2. In FIG. Figure 3 shows the possible initial position of the laser speckle interferometric system designed to measure the parameters of the human body, namely blood pressure and pulse. To minimize vibration effects during the measurement process, the mobile device is placed on the surface of the investigated object, as shown in FIG. 3. In this case, the studied object is a person’s wrist. After initialization of the laser speckle interferometric system, the laser radiation source begins to illuminate the studied area of the object. Laser radiation is scattered in this region and detected by the detector. An example of a speckle pattern recorded by a detector, which is the camera of a mobile device, is shown in FIG. 4. The processor analyzes the amount of illumination at the detector and provides feedback to the radiation source, adjusting the output power of the source so that the optimal conditions for detecting radiation are satisfied. The optimal registration conditions are characterized as follows: the statistical parameter of the light intensity distribution in the recorded speckle pattern Iav / Imax> 0.15 (where Iav is the average value of the registered light intensity and Imax is the average value of the registered light intensity), the radius of the recorded speckle pattern is R0 / 3 < R <R0 (where R0 is the radius of the recorded speckle pattern such that the region of the picture bounded by a circle of a given radius includes 80% of the total recorded light intensity ) The fulfillment of these conditions ensures compliance with the linear mode of registration of the speckle field pattern.
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 xc и yc вычисляются как
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.The processor is configured to process images in real time, which avoids the need to save each frame in a memory block, which is very important for improving the performance of the entire system. The processor performs the Fourier transform of each frame and receives a set of spatial frequencies in the image. Each transformed image is characterized by its own set of spatial frequencies, and the sum of all such components at each moment of time is a time function. An exemplary time dependence obtained for a speckle pattern formed by scattering of light from the skin surface in the wrist region is shown in FIG. 6. To compare the proposed algorithm based on the Fourier transform with one of the most widely used in the prior art, in FIG. Figure 7 shows a similar time dependence obtained using the speckle pattern contrast analysis method (LASCA). As can be seen from the presented results, the proposed method allows to obtain a sequence of peaks corresponding to the human heart rate with a large signal to noise ratio, which is expressed in greater contrast of the peaks relative to the background signal.
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.The next step involves the use of one or more preset models that describe the relationship between a single pulse wave obtained during one heart cycle and stored in a memory unit, and the blood pressure value corresponding to a given pulse wave for a given person. FIG. 5 shows an exemplary pulse wave obtained during one cardiac cycle and stored in a memory unit of a mobile device. Comparison of the measured pulse wave with the pulse wave stored in the memory unit allows you to restore the current value of blood pressure. The obtained blood pressure values are displayed on the display of the mobile device, stored in the memory unit of the mobile device, and can be transferred to another device, for example via a wireless communication channel or other means known in the art.
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.Another embodiment of the proposed system is shown in FIG. 8. In this embodiment, the laser source is located in a removable housing connected to the mobile device. This option allows you to implement a laser speckle interferometric system based on any mobile device to which the specified removable housing can be connected. The system of FIG. 8 contains, in particular, a
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.In FIG. 9 shows an embodiment of a laser speckle interferometric system using a removable housing and a
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.In FIG. 10 shows an embodiment of a laser speckle interferometric system that allows the user to carry the system, and this embodiment is based on a hand-held mobile device. This embodiment is particularly useful for monitoring around the clock parameters of the human body, such as the pulse and blood pressure described above. In FIG. 11 shows another view of the aforementioned embodiment of the inventive system, namely a side view of a mobile device that implements the system according to the invention, made in the form of a watch. Shown in FIG. 10-11, the system contains elements such as a
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.In FIG. 12 shows another possible embodiment of a laser speckle interferometric system in which the mobile device is made in the form of a cuff on the arm. In this embodiment, the system comprises a
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.It should be noted that the embodiments described in detail above and illustrated in the accompanying drawings are only exemplary embodiments of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that a mobile or portable device in which the inventive method and system can be implemented can receive and other forms depending on the specific applications of the inventive method and system. The system and method described above can be implemented using various combinations of hardware and software, as well as microprogramming software, integrated circuits, microprocessors, storage devices, computer-readable media, etc. To implement the laser speckle interferometry method according to the invention, a specialized computer program can be provided which, when executed by a processing means such as a processor of a computing device, causes said processing means to carry out the method according to the invention. The program may be stored on a computer-readable medium, such as an optical disk, magnetic disk, solid state memory, etc. In addition, the inventive system may contain various input / output means, such as at least one screen, means for issuing audio signals, as well as means for transmitting information via wired and wireless channels. In one embodiment, it is possible to output measurement results performed by the system using the inventive method, acoustic means, in particular using an audio device, such as a speaker or loudspeaker, which is part of most known mobile devices. In other embodiments, recorded speckle patterns may be stored as video data files for subsequent transmission and / or processing.
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.The above description serves only to explain exemplary embodiments of the claimed inventions and to illustrate the material and technical means by which the system and method according to the invention can be implemented. However, the above description should not be used to determine or limit the scope of the claimed invention, which is defined only by the following claims.
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.The proposed system and method is illustrated in relation to a mobile device that can be used to track the parameters of biological objects, such as a human or animal organism. It will be apparent to those skilled in the art that the inventive system and method can generally find application in the field of medicine and safety systems, based in particular on tracking and analyzing parameters of the human body. The main advantage of the proposed system is its high mobility, which allows tracking various parameters of the human body without specially designed equipment.
Claims (23)
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 xc и yc вычисляются как
• 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.1. Laser speckle interferometric system for mobile devices, designed to track one or more parameters of the investigated object, and the system contains:
a) a data input unit, which includes a laser radiation source and a detector for registering speckle patterns formed during the scattering of laser radiation from the object under study;
b) a memory unit for storing measurement results, calibration parameters, as well as one or more predetermined models linking the results of speckle processing with the parameters of the object under study;
c) a processing unit configured to:
• stabilization of recorded speckle patterns through real-time monitoring of the following optimal conditions for the registration of speckle patterns:
- statistical parameter of the light intensity distribution in the recorded speckle pattern Iav / Imax> 0.15, where Imax is the maximum value of the registered light intensity and Iav is the average value of the registered light intensity, and the light intensity distribution is controlled by feedback between the laser radiation source and the detector with subsequent adjustment of the output power of the radiation source;
- the radius of the registered speckle pattern R0 / 3 <R <R0, where R0 is the radius of the registered speckle pattern, within which lies 80% of the total recorded light intensity;
- the optimal size of the recorded speckle pattern is controlled by tracking the "center" of the recorded speckle pattern, the coordinates of which x c and y c are calculated as
• processing the speckle pattern and determining the temporal function that characterizes the temporal changes in the speckle pattern due to changes in the parameters of the studied object;
• formation of an array of data describing one or more of the investigated parameters.
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 xc и yc вычисляются как
• 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.16. A method for tracking one or more parameters of an object under investigation, comprising the steps of:
a) irradiate the investigated object with laser radiation and record in the form of video data speckle patterns formed during the scattering of laser radiation by the studied object;
b) carry out the processing of speckle patterns, moreover, the processing contains the stages in which:
• stabilize the recorded speckle patterns by real-time monitoring of the following optimal conditions for the registration of speckle patterns:
- statistical parameter of the light intensity distribution in the recorded speckle pattern Iav / Imax> 0.15, where Imax is the maximum value of the registered light intensity and Iav is the average value of the registered light intensity, and the light intensity distribution is controlled by feedback between the laser radiation source and the detector with subsequent adjustment of the output power of the radiation source;
- the radius of the recorded speckle pattern R0 / 3 <R <R0, where R0 is the radius of the recorded speckle pattern, within which lies 80% of the total recorded light intensity;
- the optimal size of the recorded speckle pattern is controlled by tracking the "center" of the recorded speckle pattern, the coordinates of which x c and y c are calculated as
• process stabilized speckle patterns and determine the temporal function that characterizes the temporal changes in speckle patterns due to changes in the parameters of the object under study;
• form an array of data describing one or more investigated parameters.
- получают данные с гироскопа мобильного устройства; и
- исключают из процесса обработки спекловые картины, полученные при неоптимальном положении мобильного устройства по отношению к исследуемому объекту.19. The method according to p. 16, in which the stabilization of the recorded speckle patterns contains stages in which:
- receive data from a gyroscope of a mobile device; and
- exclude speckle patterns obtained from the non-optimal position of the mobile device with respect to the object under study from the processing process.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014136805/14A RU2573053C1 (en) | 2014-09-10 | 2014-09-10 | Laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices |
| KR1020140180497A KR102276425B1 (en) | 2014-09-10 | 2014-12-15 | Laser speckle interferometric system and method for mobile devices |
| US14/849,915 US10206576B2 (en) | 2014-09-10 | 2015-09-10 | Laser speckle interferometric system and method for mobile devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014136805/14A RU2573053C1 (en) | 2014-09-10 | 2014-09-10 | Laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2573053C1 true RU2573053C1 (en) | 2016-01-20 |
Family
ID=55087097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014136805/14A RU2573053C1 (en) | 2014-09-10 | 2014-09-10 | Laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102276425B1 (en) |
| RU (1) | RU2573053C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3626160A1 (en) | 2018-09-24 | 2020-03-25 | Dianova A/S | A handheld imaging element with a movement sensor |
| EP3836154A1 (en) | 2019-12-13 | 2021-06-16 | Morten Bo Søndergaard Svendsen | A method and an apparatus for imaging curved surfaces |
| EP3839883A1 (en) | 2019-12-18 | 2021-06-23 | Morten Bo Søndergaard Svendsen | A method and a system for obtaining image data of an object |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102009370B1 (en) * | 2017-11-02 | 2019-08-09 | 주식회사 더웨이브톡 | Speckle inspection apparatus and speckle amplification apparatus |
| KR102496066B1 (en) * | 2021-04-08 | 2023-02-07 | 주식회사 더웨이브톡 | Device for water examination |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110022132A (en) * | 2009-08-27 | 2011-03-07 | 한국전기연구원 | Pulse wave measuring device using laser sparkle imaging and pulse wave measuring method using same |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007282057A (en) | 2006-04-10 | 2007-10-25 | Canon Inc | Image processor |
| EP2166934A4 (en) * | 2007-07-06 | 2012-10-17 | Ind Res Ltd | SYSTEMS AND METHOD FOR SHAPING LASER SPECKLES |
| EP2400261A1 (en) * | 2010-06-21 | 2011-12-28 | Leica Geosystems AG | Optical measurement method and system for determining 3D coordination in a measuring object surface |
| WO2012101644A2 (en) * | 2011-01-28 | 2012-08-02 | Bar Ilan University | Method and system for non-invasively monitoring biological or biochemical parameters of individual |
-
2014
- 2014-09-10 RU RU2014136805/14A patent/RU2573053C1/en active
- 2014-12-15 KR KR1020140180497A patent/KR102276425B1/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110022132A (en) * | 2009-08-27 | 2011-03-07 | 한국전기연구원 | Pulse wave measuring device using laser sparkle imaging and pulse wave measuring method using same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| М.Н.ОСИПОВ и др. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА, ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК N3/2, 2012, сс.87-92. Р.Н.СЕРГЕЕВ и др., Мобильный цифровой спекл-интерферометр с непрерывным лазером для регистрации деформационных полей перемещений и дефектоскопии конструкционных материалов, ИЗВЕСТИЯ САМАРСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, Т.14, N4,2012, сс.216-220. В.П.РЯБУХО, СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ, СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, N5, 2001, сс.1-9. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3626160A1 (en) | 2018-09-24 | 2020-03-25 | Dianova A/S | A handheld imaging element with a movement sensor |
| WO2020064737A1 (en) | 2018-09-24 | 2020-04-02 | Dianova A/S | A handheld imaging element with a movement sensor |
| EP3836154A1 (en) | 2019-12-13 | 2021-06-16 | Morten Bo Søndergaard Svendsen | A method and an apparatus for imaging curved surfaces |
| EP3839883A1 (en) | 2019-12-18 | 2021-06-23 | Morten Bo Søndergaard Svendsen | A method and a system for obtaining image data of an object |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20160030428A (en) | 2016-03-18 |
| KR102276425B1 (en) | 2021-07-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10206576B2 (en) | Laser speckle interferometric system and method for mobile devices | |
| KR102407192B1 (en) | Method for measuring a blood pressure and apparatus thereof | |
| JP7429047B2 (en) | Performing transabdominal fetal oximetry using optical tomography | |
| RU2573053C1 (en) | Laser speckle interferometric systems and methods for mobile devices | |
| KR102491850B1 (en) | Imaging system and mentod of laser speckle contrast and apparatus employing the same | |
| US20130109947A1 (en) | Methods and systems for continuous non-invasive blood pressure measurement using photoacoustics | |
| JP2010088627A (en) | Apparatus and method for processing biological information | |
| US12213811B2 (en) | Systems, devices, and methods for developing a model for use when performing oximetry and/or pulse oximetry and systems, devices, and methods for using a fetal oximetry model to determine a fetal oximetry value | |
| US20230389800A1 (en) | Contactless System and Method for Assessing Tissue Viability and Other Hemodynamic Parameters | |
| Favilla et al. | Validation of the Openwater wearable optical system: cerebral hemodynamic monitoring during a breath-hold maneuver | |
| JP2019165836A (en) | Subject information acquisition device, and control method therefor | |
| US10772513B2 (en) | Blood pressure ratio calculation device, blood pressure ratio calculation method, blood pressure ratio calculation program, and recording medium recording said program | |
| RU2640777C2 (en) | Autonomous wearable optical device and method for continuous noninvasive measurement of physiological parameters | |
| US10492694B2 (en) | Object information acquisition apparatus | |
| US10849537B2 (en) | Processing apparatus and processing method | |
| WO2022012135A1 (en) | Tissue component measurement method and apparatus, electronic device, system, and storage medium | |
| CN118052757A (en) | Method and device for observing myocardial blood flow perfusion law | |
| CN114468992B (en) | Tissue component measuring method and device and wearable equipment | |
| US20230045562A1 (en) | Living body detection device, living body detection method, and program | |
| WO2022170884A1 (en) | Tissue composition measurement method and apparatus, and wearable device | |
| CN114916908A (en) | Tissue component measuring method and device based on Raman spectrum and wearable equipment | |
| CN114468993A (en) | Tissue component measuring method and device and wearable equipment |