用于捕捉和分析瞳孔图像以测定毒理学和神经生理学的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了用于捕捉瞳孔对光反射(PLR)的系统和方法，该系统和方法通过捕捉受试者瞳孔(12)的图像(例如使用智能手机)，提取(34、36)图像数据以测定PLR并将PLR分类以提供分析输出，例如神经学或精神病学大脑状态的诊断或预后。

Systems and methods for capturing and analyzing pupil images to determine toxicology and neurophysiology

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于捕捉和分析瞳孔图像以测定毒理学和神经生理学的系统和方法本专利技术公开了用于捕捉瞳孔对光反射(PLR)和使用PLR用于分析方法的系统、方法和装置，包括诊断受试者中的化学物质水平和治疗疾病。对瞳孔大小的观测和测量可追溯到阿基米德(公元前287-212年)和伽利略(1564-1642年)。几百年来，医生和科学家一直在研究瞳孔对光收缩的简单反射弧。视网膜神经节细胞通过视神经、视交叉和视束将传入神经投射至突触与中脑顶盖前区(pretectum)的插入神经元。这些顶盖前区神经元将传入信息传导到动眼神经复合体中作用于虹膜括约肌的细胞核。该细胞核的节前传出纤维与第三脑神经一起到达睫状神经节，最后，节后短睫状纤维到达虹膜括约肌的肌肉细胞，导致瞳孔收缩。瞳孔对光收缩的过程可以容易地总结出来，但隐藏在大脑中大量的相互联系对瞳孔对光反射(PLR)产生微妙但可识别的影响。本领域已知能够捕捉PLR的瞳孔计。示例性美国专利为：US6,116,736——具有瞳孔不规则检测功能的瞳孔计；US6,820,979——具有瞳孔不规则检测、瞳孔跟踪和瞳孔反应检测功能、青光眼筛查功能、颅内压检测功能和眼像差测量功能的瞳孔计；US7,967,442——用于监测斜视和瞳孔不对称对刺激反应的方法、系统和设备；和US8,393,734——瞳孔筛查方法和系统。传统的瞳孔计是适用于捕捉PLR的指定设备，并且通常与眼睛接触以捕捉瞳孔的图像。此外，商用或消费者版本的瞳孔计通常不提供任何PLR的解释。一种目前用于检测测试受试者中化学物质的方法是基于流体的测试。市售化验测试使用抗体来检测血液中某些物质的存在。化验测试的三个缺点：1)测试难以检测纯合成毒物，例如芬太尼或美沙酮；2)测试揭示了血脑屏障外血液中药物的含量，而非血脑屏障内的神经状态或血液含量；和3)测试需要时间并且是侵入性的。基于流体的测试需要采集流体，然后进行测试。通常需要超过15分钟来运行测试并获得结果。相比之下，下文所公开的方法提供了对实际神经毒性的即时查阅，并通过非侵入性程序提供目前的神经状态与血液、唾液或尿液毒物水平的更相关的结果。下文所公开的方法在几乎任何环境(例如在临床环境之外)中都能简单地用于无意识患者。目前用于检测测试受试者中化学物质的第二种方法是质谱测试，目前被视为检测和鉴定化学物质的“黄金标准”。流体样品通常必须送到实验室进行质谱分析。结果的等待时间通常至少为12小时，并且当流体样品分批发送时，等待时间可能超过一周。除了反应时间慢以外，质谱测试还有一个类似于化验测试的缺点。这些测试测量了体液中的毒物水平，而不是越过血脑屏障的毒物水平，或者更重要地，不是那些毒物水平诱导的神经状态。在许多情况下，这些并不相同。总之，是从体液中的毒物水平推断患者的神经状态。以下本专利技术目的是提供方法、系统和装置以有效：■测定用于触发PLR以观察瞳孔行为的方法。该方法包括但不限于变化的照明次序。■获取足够清晰的图像，以便在高频下精确测量瞳孔。■识别与各种中枢神经系统(CNS)状况相关的PLR要素。■分析样品中不同的PLR模式(元素)以鉴定个体状况。优于现有实验室处理方法和现有PLR设备的益处包括：■相比实验室的结果返回速度。■相比两者的便携性。■相比实验室的非侵入性。■相比两者，无需与受试者接触。■相比两者，测定影响CNS因素的可能的范围。■相比两者，每台设备更低的初始购买和安装成本。■相比两者，容易将改进并入系统。■相比实验室的准确性(现有设备并不递送任何结果或诊断)。以下本专利技术的特征是，PLR的精细细节分析是通过使用机器学习的计算机分析来完成的。为了揭示在各种疾病状态下以及在改变情绪、心理过程或意识水平的化学物质的影响下大脑功能的潜在信息，本文公开的方法使用可供领域内的医生、护士和急救医学技术人员(EMT)使用的智能电话(或类似的个人电子设备(PED))将PLR信息上传到人工智能网络，提供足够详细的新级别的分析以揭示相关的大脑功能和/或状态。本方法和系统以毫秒为单位分析PLR并将结果返回给用户，在临床环境和该领域(例如通过EMT)中提供非常及时的结果。因此，本文描述的方法对先前捕捉和/或分析PLR的方法提供了新的和实质性的改进。本文公开了在个人电子设备上实施的用于测定受试者瞳孔对光反射的非侵入性方法，包括以下步骤：(a)提供光源并使受试者一个或两个瞳孔暴露在光源的闪光下；(b)通过视频捕捉构件捕捉包括一个或多个瞳孔的一个或多个视频；(c)处理来自一个或多个视频的图像数据，以便从图像数据中提取作为时间函数的瞳孔测量值；以及(d)基于瞳孔测量值测定一个或多个PLR。在一个实施例中，用于闪光灯的参数在PED中预设或手动调整或自动调整。在一个实施例中，参数选自由波长、模式、持续时间、频率和与眼睛的距离组成的组。在一个实施例中，闪光的波长光谱在可见光光谱中(标称地从400纳米至700纳米)。在另一实施例中，闪光的波长光谱在红外光谱中(标称地从700纳米至1毫米)。在一个实施例中，闪光的波长光谱约为450纳米。在一个实施例中，闪光的模式包括与任何发光二极管(LED)相关联的光谱、复合闪光或在替代方案中不闪光(仅室内环境的光)。在一个实施例中，复合闪光为连续的、随机的或以闪光持续时间和介于闪光照明之间的持续时间进行重复。在一个实施例中，闪光的持续时间为约100毫秒至约2000毫秒。在一个实施例中，闪光的频率为约0.2Hz至约4Hz。在一个实施例中，光源与瞳孔间隔约(50.8毫米至约203.2毫米(2英寸至约8英寸)。在一个实施例中，对两个瞳孔同时进行一个或多个视频的捕捉。在一个实施例中，捕捉以约每秒15帧至约每秒60帧的频率进行。在一个实施例中，捕捉进行约4.5秒的时间段，或500毫秒至6000毫秒之间的任何时间段。在一个实施例中，捕捉包括为每个视频采集大约30帧至270帧。在一个实施例中，使用特征提取软件进行处理。在一个实施例中，使用在PED上预设的参数或使用手动或自动调整的参数来进行提供光源和捕捉一个或多个视频的步骤。在一个实施例中，基于实时视频捕捉结果进行调整。在一个实施例中，PED与瞳孔间隔约50.8mm至约203.2mm(约2英寸至约8英寸)，标称地与瞳孔间隔约76.2mm)约3英寸。在一个实施例中，PED选自由以下组成的组：智能手机、平板电脑、数码相机或计算机。在一个实施例中，PED是智能手机。在一个实施例中，PLR用于诊断神经性或精神性大脑状况。在一个实施例中，PLR用于测定受试者中一种或多种化学物质的水平。本专利技术公开了用于测定受试者中一种或多种化学物质水平的系统和方法，包括以下步骤：(a)通过能够在几秒钟内捕捉多个图像的设备捕捉受试者一个或两个瞳孔的多个图像；(b)从多个图像中提取作为时间函数的瞳孔测量值，以测定一个或多个PLR；和(c)分析PLR以提供鉴定受试者中是否存在一种或多种化学物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种记录和评估哺乳动物眼球10对刺激58的反应并由此诊断医学状况的系统，该系统的特征在于：/n手持设备60包括：/n视频记录器62，该视频记录器62有效捕捉一个或两个眼球10的多个图像82；/n第一非瞬时数码存储器64和手持处理器66，该第一非瞬时数码存储器64和手持处理器66配置为提供实时引导26以最大化视频记录器62的分辨率；/n通信端口68，该通信端口68有效地将多个图像82传送70到远程服务器72并从远程服务器72接收74数据；和/n远程服务器70具有：/n远程通信端口76，该远程通信端口76有效地接收70多个图像并向手持设备60传送74数据；和/n第二非瞬时数码存储器78和远程处理器80，该远程处理器80配置为从多个图像中提取数据并处理该数据以诊断医学状况。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170728 US 62/538,306;20180725 US 16/045,4361.一种记录和评估哺乳动物眼球10对刺激58的反应并由此诊断医学状况的系统，该系统的特征在于：
手持设备60包括：
视频记录器62，该视频记录器62有效捕捉一个或两个眼球10的多个图像82；
第一非瞬时数码存储器64和手持处理器66，该第一非瞬时数码存储器64和手持处理器66配置为提供实时引导26以最大化视频记录器62的分辨率；
通信端口68，该通信端口68有效地将多个图像82传送70到远程服务器72并从远程服务器72接收74数据；和
远程服务器70具有：
远程通信端口76，该远程通信端口76有效地接收70多个图像并向手持设备60传送74数据；和
第二非瞬时数码存储器78和远程处理器80，该远程处理器80配置为从多个图像中提取数据并处理该数据以诊断医学状况。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个图像82是按时间排序的。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述视频记录器62以每秒10至100帧的速率捕捉图像82。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述视频记录器62以每秒15至60帧的速率捕捉图像82。


5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一非瞬时数码存储器64和手持处理器66配置为从多个图像82中提取一个或多个特征34、36。


6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，从多个图像82中提取的特征是哺乳动物眼球10的瞳孔12和虹膜14之间的边界18。


7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通过区分瞳孔12与虹膜14来确定边界18。


8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，基于颜色密度将瞳孔12与虹膜14区分。


9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，基于神经网络38图像处理将瞳孔12与虹膜14区分。


10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一非瞬时数码存储器64和手持处理器66配置为测量瞳孔特征，该瞳孔特征选自由以下组成的组：瞳孔12直径、瞳孔12直径与虹膜14直径的比率、瞳孔12面积与虹膜14面积的比率、瞳孔面积、眼球10运动和它们的组合。


11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，与特定帧86相关的元数据84包括帧86的时间位置88和从存储在该帧86内的图像82中提取瞳孔特征的值90。


12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，实时引导26将手持设备60定位以最小化覆盖边界18的阴影和反射20。


13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，实时引导26非侵入性地将手持设备60与眼球10间隔50.8毫米至203.2毫米英寸。


14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，实时引导26非侵入性地将手持设备60与眼球10间隔标称76.2毫米。


15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述刺激58为可见光的闪光44。


16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，可见光的闪光44的持续时间为0.1秒至1.5秒。


17.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，特征提取34、36应用于少于所有图像82。


18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，特征提取34、36应用于每个第n帧86，其中“n”是大于1的整数。


19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，“n”为4。


20.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，远程服务器70配置为处理瞳孔特征以识别神经状况。


21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，在血脑屏障的侧脑识别所述神经状况。


22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述神经状况是由于摄入化学物质或由于疾病所致。


23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，将瞳孔特征输入到神经网络38，该神经网络38具有对应于瞳孔对化学物质或疾病的反应的节点。


24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，每个节点对应于基于至少一种化学物质的浓度和特性的瞳孔反应。


25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，神经网络38的输出42鉴定一种或多种化学物质。


26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述远程服务器70配置为向手持设备传送74所述一种或多种化学物质的鉴定。


27.一种手持设备60，该手持设备60配置为记录哺乳动物眼球10对刺激58的反应，其特征在于：
视频记录器62，该视频记录器62有效捕捉一个或两个眼球10的多个图像82；
非瞬时数码存储器64和处理器66，该非瞬时数码存储器64和处理器66配置为提供实时引导26以最大化视频记录器62的分辨率；和
通信端口68，该通信端口68有效地将多个图像82传送70到远程服务器72并从远程服务器72接收74数据。


28.根据权利要求27所述的手持设备60，其特征在于，所述多个图像82是按时间排序的。


29.根据权利要求28所述的手持设备60，其特征在于，所述视频记录器62以每秒10到100帧的速率捕捉图像82。


30.根据权利要求29所述的手持设备60，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·J·焦维纳佐，D·F·霍齐亚，W·F·沃恩，
申请(专利权)人：瞳孔扫描公司，
类型：发明
国别省市：美国;US