阅读说明：本技术 用于感测膀胱充盈度的器件和方法 (Device and method for sensing bladder fullness ) 是由 拉尔夫·沃尔特·彼得森 凯尔·霍伦 斯蒂芬·R·克劳斯 保罗·斯佩尔 埃尔玛·费舍尔 乔治 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明的实施例提出了膀胱充盈度监测系统以及用于进行这种监测的相关方法。一种系统包括控制器和附接到患者膀胱上的有源光学传感器。传感器发光到膀胱上,并且还检测从膀胱反射的光,以便产生用于指示反射回检测器的发射光的量的输出信号。控制器耦接到光学传感器上,以接收和解释输出信号,例如以确定膀胱何时充盈。控制器可操作式耦接到排尿控制设备上,该排尿控制设备使用输出信号来触发丧失自助排尿能力的患者的排尿。一些实施例尤其可用于监测丧失膀胱感知能力和/或主动排尿能力并依赖于排尿控制设备的患者的膀胱充盈度,以便于排尿。(Embodiments of the present invention provide bladder fullness monitoring systems and related methods for performing such monitoring. A system includes a controller and an active optical sensor attached to a bladder of a patient. The sensor emits light onto the bladder and also detects light reflected from the bladder to produce an output signal indicative of the amount of emitted light reflected back to the detector. The controller is coupled to the optical sensor to receive and interpret the output signal, for example, to determine when the bladder is full. The controller is operably coupled to a urination control device that uses the output signal to trigger urination by a patient who has lost the ability to urinate by oneself. Some embodiments are particularly useful for monitoring bladder fullness in a patient who has lost bladder perception and/or active micturition ability and relies on a micturition control device to facilitate micturition.)

用于感测膀胱充盈度的器件和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月21日提交的题为“用于感测膀胱压力的器件和方法”的美国临时专利申请No.62/609,090(代理方卷号No.ICUB.P054P)的优先权，该申请可出于任意目的而通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及医疗设备和方法，更具体地涉及一种用于感测膀胱充盈度的系统和方法。

背景技术

许多疾病会导致患者自主控制膀胱功能的能力丧失。最常见的是，脊髓损伤的患者不仅会丧失自主控制排尿的能力，而且还会丧失感知膀胱何时充满的能力。这类患者通常不得不长期使用导尿管，例如弗利式导尿管，导尿管会延伸穿过患者的尿道，直到导管的端部段到达膀胱，在那里，导管的端部段可以吸入尿液并使膀胱排尿。然而，导尿管具有许多缺点。尤其是，使用导尿管会给患者带来持续的感染风险，因为这种导管会引入污染物，引起损伤或无法充分排空膀胱。另外，导尿管通常排入袋子中，患者离开家或治疗场所时必须将袋子带走。患者经常抵制使用导尿管，因而会增加排尿少和感染的风险。

对于遭受脊髓损伤的患者来说，使用导尿管所引起的问题会加剧。例如，患者需要频繁更换弗利式导尿管。对于遭受脊髓损伤的患者来说，导尿管的更换(如果可能的话)是一项非常困难的敏感的手动任务。

已经进行了各种尝试来解决导尿管的某些缺陷。例如，***神经刺激系统允许患者及其护理者选择性地刺激***神经，以控制膀胱排尿。然而，这种***神经刺激系统不能检测膀胱的充盈度，因此不能警告患者他们的膀胱已经充满了。对于那些失去感知膀胱何时充满的能力的患者来说，常规的***神经刺激系统会增加患者可能要等待太长时间来使膀胱排尿的风险，从而会增加患者感染的风险。传统的***神经刺激系统无法检测到充盈度是非常有问题的，因为患者膀胱充盈之间的频率可能会因患者可能意识不到的许多原因(例如，患者最近的液体摄入、水合程度和/或饮食)而发生明显变化。

发明内容

本发明的各个实施例提出了一种膀胱监测系统，用于提供有关患者膀胱的充盈度和/或状态的实时信息。该系统可包括传感器器件和控制器。传感器器件可附接在膀胱的外壁上，而不需刺穿膀胱的内壁。通过不设置在膀胱内或刺穿膀胱的内壁，传感器器件可以减少与用于测量膀胱压力或充盈度的常规方法相关的感染风险。

在许多实施例中，传感器器件可以包括发光器和检测器。发光器可定位成能在膀胱的外壁处发光，并且检测器可定位成能检测从膀胱的外壁反射的发射光。此外，传感器器件可以产生用于指示所反射的发射光的量的输出信号。控制器可操作式耦接到传感器，并可包括基于传感器器件的输出信号来确定膀胱的充盈度的逻辑电路。这样，膀胱监测系统对于以下这种患者来说特别有用：因脊髓损伤或其他会影响其一根或多根脊髓、***神经或涉及排尿过程的其他神经通路的功能的疾病而丧失感知膀胱充盈度的能力和/或自主排尿的能力的患者。

在一些实施例中，控制器可配置为在确定膀胱的充盈度超过阈值时通知患者(例如，移动电话通知)。另外，控制器可配置为使得相关的排尿控制设备引发排尿。在一些变体中，控制器可以与排尿控制设备集成在一起，或独立于排尿控制设备。

在其他实施例中，传感器器件可以确定患者的膀胱液中的生色团的浓度。在这种实施例中，传感器器件可发射处于多个波长范围内的光到患者的膀胱壁上，并且可针对每个相应的波长范围来检测由膀胱液所散射的光。可以通过控制器来确定和监测每个相应波长范围的生色团浓度的彼此之间的变化，例如以检测由膀胱所收集的尿液的颜色变化。

与其他传感器技术相比，某些实施例所提供的主要优势在于，这类实施例可使用不需通过导管***而定位在膀胱内的光学传感器来确定膀胱体积，也就是说，光学传感器不需要连接到长期留在患者尿路中的弗利式导尿管或类似器件(这是有利的，因为它降低了与弗利式导尿管相关的感染风险)。相反，在各种实施例中，可以将有源光学传感器直接连接到膀胱壁上(例如，使用医学领域中已知的缝线或其他连接手段)。另外，根据一些实施例，光学传感器可植入相关的电刺激设备或系统，该电刺激设备或系统配置为能提供电诱发排尿，由此患者不需要任何其他动作就能实现功能。

一些实施例还可通过各种替代配置来将光学传感器连接到膀胱。在特定的实施例中，光学传感器可缝合到膀胱壁的外表面上，从而不需刺破或穿透膀胱壁。这种实施例能避免因需要刺穿膀胱壁的电极或其他传感器会发生的感染或矿化(例如，矿物质的沉积导致在膀胱中形成结石)的风险。光学传感器还可以配置为在植入期间缝合到膀胱的表面上的单个或多个点上，以便减小对膀胱的创伤或伤害。

一些实施例针对以下患者的患者膀胱充盈度的监测和提供信息来说特别有用：因脊髓损伤或其他会影响其一根或多根脊髓、***神经或涉及排尿过程的其他神经通路的功能的疾病而丧失感知膀胱充盈度的能力和/或自主排尿的能力的患者。由于光学传感器不需要高电压或磁场来起作用(基于散射光的发射和收集)，因此可以由低电压持久电池来供电，该电池可配置为能通过与放置在腹部的表面上或附近的充电装置电感耦合来进行再充电。

为了更全面地理解本发明的本质和优点，可以结合附图来参考下文中的详细描述。附图通过图示的方式显示了本发明的实施例。因此，这些实施例的附图和描述本质上是说明性的，而不是限制性的。

附图说明

图1A显示了根据本发明的一个或多个实施例的膀胱监测系统的一个示例。

图1B显示了图1A中的示例性膀胱监测系统的光散射的示意性模式。

图2显示了根据图1A中的一种示例性的膀胱监测系统的电信号相对于膀胱填充时间的变化图。

图3A显示了用于监测患者膀胱的充盈度的传感器的一个示例。

图3B显示了用于例如如图3A所示的传感器的缝合边缘的一个示例。

图4A至图4H显示了用于检测患者膀胱的充盈度的传感器的各个示例。

图5A显示了根据一个或多个实施例的用于监测膀胱充盈度的实验设备。

图5B显示了用于确定实验传感器中的不同通道之间的间隔差异的实验。

图6显示了所测量的光电二极管电压相对于膀胱填充时间的曲线图，其中示出了使用图5B中的传感器的膀胱监测系统的响应。

图7显示了图5B的传感器的各个通道的增量(Δ)的平均值和标准差的曲线图。

图8A和图8B显示了用于猪膀胱的如上文的各个实施例所示的示例性传感器的猪的体内测试设置。

图9显示了图8A和图8B的示例所示的所测量的光电二极管电压相对于膀胱填充时间的曲线图。

图10显示了一种用于监测患者膀胱的充盈度的示例性方法。

图11显示了一种用于确定存在于患者的膀胱液中的生色团(例如，细菌或血液)的相对浓度的示例性方法。

具体实施方式

本文所述的实施例包括用于检测患者的膀胱充盈度并提供其信息的器件、系统和方法。一些实施例包括基于光学的传感器系统，用于例如基于由尿量引起的膀胱扩张来测量和提供与患者膀胱的充盈度有关的实时信息。

本文中所用的用语“约”指的是在所描述的性质、尺寸或其他值的±10％以内，更优选在所描述的值的±5％内。另外，本文中所用的用语“基本上”指的是在所描述的性质或质量的±10％以内，更优选在所描述的值的±5％以内。

一些实施例包括用于连续监测患者膀胱的充盈程度和/或体征的传感器，以便使丧失自主膀胱控制和/或感知膀胱充盈度的能力的患者开始排尿(又称泌尿)，例如遭受脊髓损伤的患者。在一些实施例中，膀胱监测系统耦接至排尿控制设备或者与排尿控制设备集成为一体，以使得膀胱监测系统能产生用于排尿控制设备的排尿触发物。

本文所述的实施例提供了一种膀胱监测系统，其可以响应于膀胱的充盈度，而不是响应于某些常规方法所提供的定时间隔。除其他益处之外，所描述的实施例更好地适应了可能会影响患者膀胱的充盈度的因素(例如水合作用)，从而能避免过度延长患者排尿之间的时间间隔的风险，同时能提供更多的便利和效率。

本文所述的实施例提供了一种膀胱监测系统，用于监测患者膀胱的充盈度，并向患者提供反馈来指示应何时使患者的膀胱排尿。如实施例所述的膀胱监测装置可有益于患有各种类型疾病的患者的泌尿功能。例如，对于使用导尿管(例如，弗利式导尿管)来使膀胱排尿但又缺乏检测膀胱充盈度的能力的患者(例如，脊髓损伤的患者)来说，示例性的膀胱监测系统可以检测出应当何时使他们的膀胱排尿，并且在至少某些方面中，可以优化患者膀胱排尿之间的频率，以减少感染的可能性。对于使用***神经刺激系统的患者来说，上述膀胱监测系统可以向患者和护理人员提供通知。更进一步，示例性的膀胱监测装置可用于触发***神经刺激系统，以引起患者膀胱排尿。

图1A和图1B示出了根据一个或多个实施例的一种示例性的膀胱监测系统。示例性的膀胱监测系统100包括光学膀胱体积感测器(“BVSD”)110、控制器130和通信接口140。BVSD 110可以定位在患者体内，以便附接到患者的膀胱101上或在其附近。BVSD 110在定位好时可产生输出信号111，该输出信号111可由控制器130解释为膀胱体积的测量值。为了产生输出信号111，BVSD 110包括能发光和检测反射的有源光学传感器。在一些实施例中，输出信号111可以是电压信号的形式，其中电压信号的值指示了膀胱体积水平或测量值。作为附加或变体，输出信号111可以表达为能解释为膀胱体积测量值的样式或其他特征。

控制器130可以通信式耦接到BVSD 110，以接收输出信号111。在一些实施方式中，控制器130以可操作地邻近于BVSD 110的方式植入到患者体内(例如，在患者的皮肤下)。在这样的实施例中，控制器130可以直接连接到BVSD 110，以接收输出信号111(例如，经由通信电缆109)。在其他变体中，控制器130可以无线式耦接到BVSD 110，以接收输出信号111。控制器130可以解释输出信号111，并生成相应的输出(如控制器输出131所示)，可对该输出作出反应，例如以触发或引起患者、护理人员或相关的排尿控制设备来使膀胱101排尿。在多个实施例中，可将输出131传输至通信接口140，通信接口140例如又将该输出发送或传输至相关联的输出装置152(例如，带有灯或扬声器的通知装置)、移动装置154(例如，通知患者或护理人员)或相关的排尿控制设备156。在后一种情况下，输出131可作为相关的排尿控制设备156的触发器。另外，尽管描述了将控制器130定位在体内的特定实施例，然而在一些变体中，控制器130可定位在患者的体外。在编号为No.15/410,692、题为“患者启用的膀胱控制系统和方法”的美国专利申请中描述了排尿控制设备156的一个示例，上述申请出于任意目的通过引用整体并入本文。

在其他变体中，控制器130可以间接地耦接到BVSD 110，以接收输出信号111。例如，BVSD 110可以将输出信号111直接传输至通信接口140，该通信接口又将输出111传输至控制器130。在这样的实施例中，在BVSD 110和通信接口140之间可延伸有电连接件(例如，电缆)，并且在通信接口140和控制器130之间可延伸有另外的连接件(例如，电缆，无线连接件)。在这样的实施例中，控制器130可位于患者的体外，而通信接口140位于患者的体内(例如，在皮肤下)。

另外，尽管一些实施例将控制器130描述为单独的器件，然而在一些变体中，控制器130的某些或全部功能可以与BVSD 110集成在一起。例如，在一些实施方式中，BVSD 110可包括用于解释BVSD 110的传感器原始输出的微电路和/或集成逻辑电路。作为附加或变体，BVSD 110还可包括收发器，以与连接到通信接口140的控制器130进行无线通信，或者与定位在患者的体外的控制器130进行无线通信。

在接收到输出信号111(或来自于中间装置的相应信号)时，控制器130可产生用于指示膀胱体积的定量的输出131。在一些实施例中，控制器130的输出是二进制的，以指示“满”或“不满”中之一。在其他变体中，控制器130的输出131可指示患者的膀胱101的充盈度(例如，“空”、“部分充满”、“充满”和“非常充满”)。另外，在其他实施例中，控制器130的输出可以是用于指示膀胱的充盈度的分数的形式，诸如从1到10。

根据一些实施例，BVSD 110构造为连接或附接至膀胱101的外壁102。在附接时，BVSD 110相对于膀胱101的位置可以是恒定的(例如，BVSD 110可随膀胱的体积而移动，但是相对于膀胱101保持在基本上相同的位置)。

在一些变体中，BVSD 110可定位成与膀胱的外壁102相距一定距离。此外，在其他变体中，BVSD 110可定位在膀胱101内，定位在膀胱的内壁104上，或定位在膀胱的内壁104附近。

在BVSD 110附接到膀胱101的外壁102上的实施例中，BVSD 110至少可包括缝合开口。缝合开口可以接收用于将BVSD 110固定至膀胱101的外壁102上的缝线。在一些实施例中，缝合开口的尺寸设置为能接收尺寸(例如，跨直径)足以防止穿透或刺穿膀胱的外壁102的缝线。在一些变体中，缝合开口作为替代地可以接收用于将BVSD 110附接到膀胱101的内壁104上的缝线。此外，在一些实施例中，BVSD 110可包括基底结构、厚度或表面105，其成形为能附接到膀胱的外壁104上。基底表面105例如可以是光滑的和/或有涂层的，以避免刺激。另外，基底表面105可构造为能促进或允许能够从BVSD 110内进行感测。例如，基底表面105的一部分可以是半透明的，以利于来自发光器114的光传播以及检测器112的光检测。通过将BVSD 110连接到外壁102上，BVSD 110可以具有膀胱101的相对畅通无阻的感测视图，其中没有会导致测量的不准确性的组织、流体或动态微粒。

在如图1A所示的实施例中，控制器130被植入为能经由电缆109(例如，绝缘电缆)的线或线束而连接到BVSD 110。控制器130可包括用于解释BVSD 110的输出信号111的微处理器、集成电路或其他逻辑电路。在一些变体中，控制器130还可包括单独的或集成的功率控制器，以用于通过BVSD 110来控制光的传播。

在一些实施例中，当患者的膀胱101处于空状态和满状态时，控制器130从BVSD110处接收电输出。对于相应的空状态和满状态以及中间状态来说，可以通过输出信号111的电特性的变化来反映膀胱101的体积的变化。在一些实施例中，可通过输出信号111的电压电平的变化来反映膀胱状态的变化。电压值的变化还可与膀胱101的体积的变化相关。例如，当来自BVSD 110的电输出的百分比变化超过预定阈值时，控制器130可确定膀胱101充满。在其他实施方式中，可使用附加阈值来标记附加阈值。在某些实施例中，来自BVSD 110的针对患者膀胱101处于空状态和满状态的电输出还可用于校准通过BVSD 110所得到的读数。

根据一些实施例，通过由BVSD 110的光电二极管(例如，光检测器112)所产生的光电流而导出电输出。光电二极管可以通过产生光电流来响应检测到的光，该光电流又可以发展为感测电势，该感测电势又与膀胱101的充盈度相关。预定阈值可基于BVSD 110的电输出在显示“空”的膀胱体积与满的程度(例如，半满、满等)之间的百分比变化。

在一些实施例中，控制器130能够将BVSD 110的输出信号111解释为针对膀胱101的各种成分(例如，包括膀胱101的内腔、粘膜、粘膜下层、肌层、浆膜、外膜及细胞之间的间质区域等的细胞)的一个或多个光散射值之和的测量值。膀胱101的光散射值的测量结果可因膀胱101的充盈度而变化。例如，一个或多个光散射值可与膀胱101的充盈度相关，并且更具体地，与膀胱壁的厚度相关。具体来说，随着膀胱变满，膀胱壁伸展开，从而会使细胞层以及细胞之间的间质区域变薄。随着膀胱壁伸展开，膀胱壁的变化会影响散射的光相对于反射的光的量，散射更多意味着反射光更少以及输出信号111减小。然而，本发明的实施例进一步提出，测量为在满和空的膀胱状态之间的反射光的量可包括归因于不同生理变化的贡献，该贡献可以是冲突的贡献，也可以是组合的贡献。例如，尽管膨胀的膀胱101可引起更多的发射光散射，但是体积膨胀的性质、发射光被反射的区域和/或其他生理变化可能会导致会造成发射光间接反射回检测器112的散射(例如，光在膀胱的内壁102中的多个位置逸散)。这样，满膀胱和空膀胱之间的输出测量值的差异建立了一个范围或增量(在此为“Δ”)，在实时监测膀胱充盈度的期间，可从该范围或增量中估测所采集的测量值。在一些实施方式中，所检测的光量的值的范围可被认为是膀胱体积的比例指标。例如，更大的膀胱体积会导致更少的光被检测到(并因此，由检测器112产生的光伏电压较小)。在其他变体中，可以对所检测的光量的值的范围进行模式匹配，例如来解决如下情况：膀胱体积增加而导致发射光到达局部最小拐点，随后为因间接反射回检测器112的光散射的量而增加的光检测值的过程。这种情况可能是由于以下这种生理情况而产生的：该生理情况会造成间接反射回检测器112的光散射量等于或大于导致光偏离于检测器112的光散射量的情况。如此类实施例所示，由反射光产生的感测光学特性可以与膀胱的体积相关地变化，并由此与膀胱的充盈度相关地变化。此外，所感测的光学特性可以与其他情况相关，例如膀胱壁的弹性变化(例如，弹性降低)的情况。

在许多实施例中，系统100可在以下假设下操作：由反射光所产生的感测光学特性可以与膀胱壁的相对厚度相关的方式变化，这又指示了膀胱101的体积。在一些情况下，由控制器130所接收的电输出(例如，来自BVSD 110的输出信号111的大小)的大约30％的变化可转化为膀胱液体积的大约400mL的变化。如上文所述，已经观察到电输出的其他变化及其相应的体积变化，并且实施例提出了可采用替代性的相关技术来将电输出的变化与膀胱充盈度和/或其他生理变化进行匹配。

在确定由控制器130处接收到的电输出的百分比变化超过预定阈值时，控制器130可以生成输出132，例如以向通信接口140发信号来向患者或护理人员通知膀胱的充盈程度(例如，经由通知装置152或移动装置154)。另外，控制器130可以继续监测膀胱101，以检测输出信号131何时指示膀胱排空(例如，输出信号131达到最小阈值)。响应于检测到膀胱排空，控制器130还可向通知装置152和/或移动装置154提供通知，以通知患者或护理人员何时膀胱排空至可接受的残余体积(例如，空、接近空等)，以便可以停止手动排尿。

作为附加或替代，控制器130可产生输出132以触发排尿控制设备156来刺激排尿(例如，使用用于向患者的相关神经发送信号的替代植入物)。另外，控制器130可以继续监测膀胱101，以检测输出信号131何时指示膀胱101排空。例如，当输出信号131达到与膀胱101排空相关的阈值时，系统100可以触发排尿控制设备156来停止对膀胱101的刺激。通过这种方式，基于来自BVSD 110的用于启动和停止膀胱101排尿的反馈，系统100能创建用于调节膀胱101的充盈程度的闭环系统。此外，在一些实施例中，在确定由控制器130所接收的输出中的百分比变化超过预定阈值时，控制器130可使相关的植入物140诱发排尿。

在一些变体中，系统100可用作诊断工具，以确定患者尿液中细菌、血液或蛋白质的异常水平的存在(例如，诸如可能由于***感染、肾脏疾病等引起)。根据一些实施例，系统100可以配置为表征在膀胱101和/或膀胱101内的尿液中存在的细菌、蛋白质、血液或其他生色团的相对浓度。例如，系统100可配置为执行光谱分析，用于通过调谐BVSD 110例如以在细菌和蛋白质具有最高光吸收的紫外线范围(例如，<400nm的波长)中操作来检测其中一个或两个都进行检测。在其他实施例中，例如，系统100可配置为将BVSD 110调谐到包括了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的公认的吸收峰的波长范围(例如，在532nm和585nm之间)，以检测膀胱101的流体中的血液的存在。通过这种方式，BVSD 110可以检测膀胱101内所含的流体中的任意颜色变化，或者膀胱壁的组织中的相对生色团内容物的任意颜色变化。

图1B示出了根据一个或多个实施例的在患者的膀胱101上工作的作为膀胱监测系统100的一部分的BSVD 110的实施例。BVSD 110包括光源或发光器114和光检测器112，其中发光器114将光发射到膀胱的外壁102上，检测器112定位成能检测从膀胱101处反射的发射光。在一些实施例中，BVSD 110可工作为使得在大部分光散射或反射回检测器112之前，从发光器114处发射的光可穿透而达到膀胱101的各种深度和/或内部特征(例如，内壁)。在一些实施例中，从膀胱101的内部反射、然后由检测器112检测到的发射光的量可以形成由BVSD 110所产生的输出信号111的基础。本发明的实施例提出，在某些情况下，反射光可以包括来自散射但间接反射回检测器112的光的贡献，例如最初在膀胱101内散射、但随后经过一系列的偏转而回到检测器112的发射光。相反，发射光量相对于检测光量的差异可以包括穿过膀胱101的光和/或散射或相对于检测器112偏转开的光。此外，在一些实施例中，控制器130可以在如下配置下工作，其中：膀胱101的充盈度与反射回检测器112的发射光的量成正比和成反比。因此，BVSD 110的可基于由检测器112所检测到的光量的输出信号111也可以与膀胱101的充盈度成反比。

在各种实施例中，BVSD 110可工作为使得发光器114向膀胱101内的目标区域发射光。BVSD 110的工作可以是模态的，因而发射光的深度和方向会导致至少一些发射光在目标区域处反射。如实施例所示，通过选择用于引导发射光的目标区域(例如，使用发射光的方向、强度和/或波长特性)，可以确定关于患者膀胱101的不同类型的信息，包括与膀胱101的充盈度有关的信息。

在第一模式中，发光器114将发射光对准膀胱的外壁102与内壁104之间的区域①。当发光器114向该目标区域发射光时，在反射回检测器112的光量与膀胱101的充盈度之间存在正相关和负相关(例如，由膀胱101的伸展和/或由其体积增大所引起的变薄而导致)。

在第二模式中，发光器114将发射光对准与膀胱101的远端内壁相重合的区域②。在该模式中，由BVSD 110发射的光至少在最初可以不通过保留在膀胱101内的任何流体。这样，控制器130可基于从远端壁反射回来的光来确定飞行时间的测量值。例如，飞行时间的测量值可以用于计算膀胱101的相对于BVSD 110的近端壁(例如，102)与远端壁(例如，106)之间的距离。作为附加或变体，飞行时间的测量值可以提供基线，该基线可以用作膀胱101因流体而膨胀时的比较基础。因此，在一些实施例中，可以将计算出的距离输入为用于确定膀胱体积的计算的一部分。举例来说，在初始填充期间(例如，填充四分之一)，通过对准膀胱101的远端壁的光可导致BVSD 110的输出信号111的急剧下降，这是因为光检测器112的值例如可以反应因光的传播距离的增加而导致的强度降低(例如，随着膀胱101的填充，近端壁102与远端壁106之间的距离增加，从而导致反射光进行反射而传播得更远，强度损失更大)。当膀胱101继续填充并且膀胱101的液位上升到光检测器的位置之上时，反射光可能会相对于检测器112散射开，从而不能被检测到，因而会进一步降低BVSD 110的电输出。另外，流体介质的存在可以减少间接反射回检测器112的光散射的量。

在第三或替代模式中，发射光可以被引导至被淹没的区域③。检测器112可指示光散射(例如，通过反射回检测器的光的损失)，检测可以与在近端壁(例如，102)或远端壁106与膀胱101的液体内容物之间的光学失配相关。在该模式下感测到的光可以与膀胱壁组织与膀胱101的液体内容物之间的折射率的差异成比例。控制器130可与指示患者膀胱101的状态(包括膀胱101的充盈度)的折射率的差异的信息相关联。

在第四模式中，光被引导至区域④，在该区域中，光可以被存在于膀胱的液体中的固体散射。在该模式下，由BVSD 110检测的光可以表示存在于膀胱的液体中的蛋白质、细菌、血红蛋白和任意其他生色团的浓度。尽管该模式不能直接应用于确定膀胱体积，但是该模式可以提供下文中将会更详细说明的其他诊断特征(例如，***、肾脏疾病等)。

在一些变体中，可以在植入位置(例如，处于BVSD 110之下的区域)处将染色对比剂引入膀胱101的壁中。通过引入染色对比剂，膀胱101中的细胞和细胞间质区域的光散射系数可以增加，并导致针对膀胱101的“空”和“满”的表达而测得的变化相应增加。例如可以通过用印度墨水(例如，Spot、Endomark等)、吲哚菁绿(例如，Cardiogreen)等对植入区域进行刺青而引入染色对比剂。

图2为当膀胱变满时BVSD 110的电信号随时间变化的曲线图。如图1A、图1B和图2所示，BVSD 110产生作为电压输出的电输出111，其中电压值反映从膀胱的目标区域(例如，外壁)反射回来的发射光的量。在一些实施例中，控制器130实现使膀胱充满的状态与被反射回检测器112的反射光的量相关联的逻辑，该关系是相反关系。作为附加或变体，控制器130实现使光散射与膀胱充盈度相关的逻辑，其中，例如，光散射的量由来自BVSD 110的信号发射的强度来指示，使得信号强度与散射量负相关。在一些实施例中，BVSD 110的输出信号111可以是电压输出的形式，使得输出信号111的电压电平与膀胱的充盈度负相关。如图2中的曲线图所示，在膀胱体积随着时间在空膀胱状态和满膀胱状态之间变化时，BVSD 110的输出信号111减小。例如，在图2中，BVSD 110的输出信号111从约0.011V减小到约0.008V，表示膀胱的体积增加了约33％。

图3A示出了用于监测膀胱充盈度的BVSD的一个实施例。BVSD 300包括光源310(在本文中也称为发光器310)、光检测器320、背衬330、光学窗口340、挡光件350和缝合边缘360。BVSD 300的侧壁302可以由任何有助于为光源310和光检测器320提供气密密封的生物相容性材料(例如，钛)形成。

光源310可以对应于能在被激活时发光的任何光源(例如，发光二极管)。作为附加或变体，光源310可以被调谐到任意波长(例如，紫外线、可见光、近红外线、红外线等)。在一些实施方式中，BVSD 300利用红外光波长发射来确定空膀胱的和满膀胱之间的变化。另外，光源310可以包括不相干光源和相干光源(例如，LED、激光等)中的一种或两种。例如，在一些变体中，可使用相干光源来提供更大的组织穿透性，例如膀胱的远端壁(例如，图1B中的106)的穿透。

光检测器320可以对应于用来检测光并将光转换成电输出(例如，光电二极管电压)的任意器件。例如，由光源310发射的光可以被膀胱组织散射，并被光检测器320检测，然后光检测器320可以产生与膀胱的体积增加成比例的光电流。

如图3A或图4A至图4H所示，在一些变体中，光源310和/或光检测器320可安装和定位在光学窗口340/440上，或者在BVSD 300的不与组织接触的表面(例如由背衬330所示)上(例如，与光学窗口340/440相对地定位)。在一些变体中，光源310可以安装在背衬330上，而光检测器320可以安装在光学窗口340上，反之亦然。

背衬330可以由适于成对地安装光源310和检测器320的任何材料形成。背衬还可由当BVSD 300附接到膀胱上时可以形成用于BVSD 300的各个部件的气密密封的材料(例如，陶瓷材料等)形成。背衬330还可包括用于将导线312/322从BVSD 300内的内部或封装空间引导到BVSD 300外的区域的导孔332，以便于直接或间接连接至控制器或其他器件。

现在参照图3A，光学窗口340可由能提供透明介质以向/从BVSD 300传播光的任何光学材料(例如，蓝宝石)形成。光学窗口340可配置为允许由BVSD 300所使用的一定范围的波长(例如，紫外线、可见光、近红外光等)进行传播。例如，在一个变体中，BVSD 300可利用紫外线范围(例如，<400nm)的光，在这个范围中，细菌和蛋白质具有最高的光吸收率，以便对膀胱中的液体内容物进行光谱分析(例如，确定膀胱中存在的发色团的相对浓度)。

根据许多实施例，光学窗口340可配置为刚性结构，例如包括平坦结构。在一些变体中，光学窗口340可以是弯曲或柔性的结构，其配置为能使得光学窗口340的布置和/或质量基本上与膀胱的外壁相齐平(或完全压紧在膀胱的外壁上)。光学窗口340与膀胱的外壁相齐平的布置能防止或至少减少BVSD 300的组织接触表面与膀胱的外壁之间的流体引入。BVSD 300的组织接触表面与膀胱壁之间引入液体会导致测量结果不准确，这是因为液体的光学特性可能不会随着膀胱扩张的变化而改变，这可能会导致膀胱弹性的变化不能被检测到。

挡光件350可以包括设置为用来减少或防止光在光源310与光检测器320之间直接传播的任何材料(例如，不透明材料、光致变色材料等)。在图3A的实施例中，挡光件350与光学窗口340相接触，但不接触背衬330。在一些构型中，挡光件350可构造为接触光学窗口340和背衬330。在BVSD 300的其他构型中，挡光件350可延伸到光学窗口340内，至BVSD 300的组织接触表面处(如图4C和图4H所示)，或者可以接触光学窗口340而不延伸到光学窗口340内(如图3A、图4D和图4G所示)。在其他变体中，挡光件350可以仅部分地延伸到光学窗口340内。另外，在其他变体中，挡光件350不接触BVSD 300的光学窗口340。

图3B示出了BVSD 300的缝合边缘360的一个实施例。缝合边缘360包括缝合开口362，其配置为能在植入区域(例如，在BVSD 110/300之下的膀胱组织)中提供膀胱组织的最大数量的自由度，以免阻碍或阻止正常填充膀胱时会发生的膀胱组织的双轴伸展。在一个变体中，BVSD 300包括四对缝合开口362，其中可以沿着缝合路径364分别系结4个缝合结，以便将BVSD 300固定到膀胱的外壁(例如，102)上。缝合开口362设置为一些对(例如，2、3、4、5等)的这种实施例能提供以下优势：当缝线将BVSD 300附接到膀胱上时使膀胱的伸展最小，或至少不会妨碍或阻碍膀胱的伸展。在膀胱可继续伸展时，缝合开口362的成对布置允许膀胱自然地扩张(例如，就好像不存在BVSD 300一样)，从而不会出现不自然的尺寸限制或令患者感到疼痛。在其他变体中，BVSD 300涂覆或浸渍有本领域已知的生长因子，以助于BVSD 300与膀胱的外壁之间的包封，例如细胞和/或蛋白质包封。

在一些变体中，BVSD 300可通过暴露于患者的组织而自然地被包封。举例来说，在将BVSD 300连接或附接在患者膀胱附近或患者膀胱上的位置至足以允许疤痕组织和/或蛋白质沉积物在患者的膀胱周围的区域中自然发育的时间、导致BVSD 300附接到膀胱壁上时，可以实现自然包封。这种自然过程的使用可以为BVSD 300提供相对于患者的膀胱壁的附加或替代的连接机构。另外，在一些实施例中，随着时间的流逝，自然过程的使用可以代替初始的连接机构。例如，最初可使用缝合工具将BVSD 300连接到膀胱壁上，然后允许或开始在患者体内进行自然过程，以使BVSD 300基本上附接到患者膀胱的外壁上和/或与之接触。

图4A至图4H示出了根据一个或多个实施例的BVSD的替代示例。在所描述的实施例中，BVSD 400包括发光器410和光检测器420，在替代构型中，它们彼此安装在一起。在图4A至图4D的实施例中，光源410和光检测器420安装在背衬430上。在图4E至图4H的实施例中，光源410和光检测器420安装在光学窗口440上。

在图4A中，光源410和光检测器420的对(“410/420对”)以“无端口”构造安装在背衬430上，其中410/420对露出来。与图4A相反，图4B至图4D示出了将410/420对气密密封的BVSD 400的替代构型。在图4B中，该器件配置为“单端口”构型，其中410/420对被气密密封在背衬430、光学窗口440和壁板402之间。图4C包括“双端口”构型，其中挡光件450配置为防止光在410/420对之间直接传播。

挡光件450可以包括替代性构造，例如以挡光件450的长度为特征。在图4C的实施例中，挡光件450配置为从背衬430延伸到/穿过光学窗口440。在图4D的实施例中，挡光件450从背衬430延伸到光学窗口440，但是不延伸到光学窗口440内。在其他变体中(这里未示出)，挡光件450可部分地延伸到光学窗口440内。在如图3A所示的其他实施例中，挡光件350可以从光学窗口延伸，但是可以不完全延伸到背衬330。

在图4E至图4H的实施例中，可以将410/420对安装在光学窗口440上。在图4E的实施例中，将410/420对配置为“无端口-窗口耦接”构型，其中410/420对暴露于周围环境中。在图4F至图4H的实施例中，将410/420对包封在聚合物、环氧树脂或任意其他生物相容性模制包封的保护层中。在图4F的实施例中，BVSD 400配置为“无端口-窗口耦接/包封”构型。在图4G的实施例中，BVSD 400包括“双端口”构型，其中挡光件450配置为能防止光在410/420对之间直接传播。如上文所述，挡光件450可配置为具有各种长度，以延伸到光学窗口440(如图4G的实施例所示)，或者延伸穿过光学窗口(如图4H的实施例所示)，以及其他各种长度。

在图4A至图4H的实施例中，光源410与光检测器420之间的距离可以是固定的。在一些变体中，由于光源410和光检测器420之间的距离增加，监测膀胱充盈度的效果可得到一些改进：(i)膀胱的“空”和“满”的测量值之间的变化可以增加；(ii)由BVSD 400产生的信号中的信噪比可以增加。在一些情况下，光源410与光检测器420之间的距离约为10mm，然而其他距离也是可以考虑的。

示例

为了进行说明，在下文中示出了本发明的各种实施例，本发明的任意实施例或方面不欲限制到特定的示例。

示例1(体外)

该实施例涉及使用外植的猪膀胱的BVSD的实施例的体外测试。

实验设置：图5A示出了用于确定光源(例如，光源或发光器310、410、510)和光检测器(例如，检测器320、420、520)之间的不同间隔的影响的特定实验性体外设置。如图5A所示，对膀胱监测系统进行了测试，其中该系统包括缝合到外植的猪膀胱上并在膀胱水箱中浸没在水下的BVSD(例如，BVSD 300、400、500)。当输液泵和压力传感器组合在一起以提供360mL/hr的膀胱充盈速率时，电源配置为提供功率以操作BVSD的光源，电压表配置为能测量由BVSD的光检测器(例如，光电二极管)所产生的相应的电信号。

图5B示出了BVSD 500的实验配置，其用于确定光源与光检测器的对的间隔是否与空膀胱与满膀胱之间的所产生的变化有关。光源510和多个光检测器520安装在光学窗口540上，并且被挡光件550分隔开。在图5B的实施方式中，光源510包括LED(特别是APT2012SF4C-PRV LED)，以及多个光检测器520，每个光检测器均包括光电二极管(“PD”)，特别是VEMD1060X01光电二极管，这些光检测器与LED的距离逐渐增大。例如，在一种实验设置中，从LED 510的中心到位于通道1(“Channel 1”)中的PD 520的中心的距离测得为2.9mm；从LED 510的中心到位于通道2(“Channel 2”)中的PD 520的中心的距离测得为5.5mm；从LED 510的中心到位于通道3(“Channel 3”)中的PD 520的中心的距离测得为8.2mm；从LED 510的中心到位于通道4(“Channel 4”)中的PD 520的中心的距离测得为10.4mm。

图5A和图5B中所示的实验设置提供了各个LED/PD对的独立评价，其通过在借由输液泵将盐水填充到膀胱中时循序地对每对间隔进行通电并针对每对间隔进行PD电压采样来实现。此外，循序地打开每个通道1秒，并针对每个单独的LED发光通道进行相应的PD电压采样。通过360mL/hr的填充速度，使用每个通道记录的电信号的前100个和最后100个样本来计算膀胱体积的平均变化。

结果：图6为在填充膀胱过程中测量的PD电压的曲线图。该曲线图示出了使用示例性的BVSD的系统的LED和PD的不同间隔配置(对应于图5B所示的通道1-4)对膀胱填充/伸展的响应。如图6所示，从通道1到通道4，膀胱体积变化会变大，这是在膀胱填充时随时间变化测量的PD电压的差异。换句话说，随着LED 510与PD 520之间的距离变大，膀胱体积的变化也会变大。另外，图7通过每个通道的变化的平均值和标准差来显示了这种现象。可以观察到，在通道4(相对于其他通道而言，通道4中PD 520配置为距离LED 510最远)中的平均值和标准差最大。在下述至少两个方面中，该结果是出乎意料的。

第一，本领域的技术人员本会预期，与其他通道相比，最靠近的LED/PD对(例如，通道1)会在填充膀胱时随时间产生最大的平均值和标准偏差。该预期结果基于：当LED和PD靠得更近时，光散射的损失更小，并且在LED和PD靠得更近时，LED与PD相对于来自皮肤的反射光的角度更加对准。

第二，先前的研究表明，所测量的来自伸展的皮肤表面的反射光的强度相对于皮肤表面伸展的增大而以线性方式增加。参见Federici,J.等.用于测量软组织伸展的无创光反射技术.应用光学.1999年11月1日；38(31):6653-60。相反，在上述情况的示例中，所测量的光的强度随着膀胱壁的伸展的增加(例如，通过膀胱的填充)而减小，并且是以看上去非线性的方式减小。因此，实验结果与本领域技术人员所预期的使用BVSD的实施例进行实验的结果相反，因为它们与现有技术相反。

示例2(体内研究)

该示例涉及在猪的模型中进行BVSD的实施例的体内测试。

实验设置：在另一项研究(独立于BVSD研究)的人道终点之后，根据善意的动物再利用政策，获得处于优秀状态的35kg的猪。对猪膀胱进行导管***，并将其连接至DRE输液泵，该输液泵设定为420mL/hr。如图8A和图8B所示，进行切口，并将BVSD传感器缝合到膀胱表面。闭合切口，并开始以恒定速率输注盐水。在填充膀胱的过程中(约1小时)，记录在10k负载电阻两端的BVSD光电二极管的电压输出。采样率为每秒1次采样，因此在实验持续的1小时内，可以针对填充420mL的膀胱体积得到3600个样本。使用台式测试中使用的KeithleyDMM记录数据。

结果：如图9所示，结果显示出平均变化为48％，标准差为0.2％。

图10示出了监测患者膀胱的充盈度的示例性方法。如图10的示例所示的一个实施例例如可使用针对其他实施例所述的器件和传感器(包括针对图1A至图9所述的那些)来实现。因此，可以参考针对图1A至图9所描述的元件来描述用于实现所述步骤或子步骤的适当部件。

根据一些实施例，可使用设置在患者膀胱的外壁上的有源光学传感器来监测患者膀胱的充盈度，其中该传感器可用于发射光到膀胱的壁上和/或内(步骤1010)。传感器可包括位于传感器的组织接触表面上的至少一对缝合开口，以允许传感器固定到膀胱的外壁(例如，102)上，而不需刺穿膀胱的内壁(例如，104)。这种方式能减少在一些将留置导管或其他器件留在膀胱内的常规方法中所存在的感染风险。传感器还可包括光学窗口。由于当光学窗口未直接耦接至膀胱壁的表面上时光学窗口的功效会降低，因此在一些变体中，光学传感器可包括多达四对缝合开口(例如，在缝合边缘的四个角处)，以在器件的组织接触表面与膀胱的外壁之间进行直接耦接，但还允许植入位置的膀胱组织伸展。其他构型和其他数量的缝合开口也是可以考虑的。

此外，传感器检测由膀胱的外壁所散射的光(步骤1020)。在一些变体中，传感器可以在允许一定范围的组织穿透深度的一定波长范围内工作。例如，参考图1B，一个波长范围可仅导致光在膀胱的近端壁的膀胱组织中散射(例如，在102和104之间)，如在第一模式中所示。然而，另一波长可导致光在膀胱的远端壁(例如，106)的膀胱组织中散射，如在第二模式中所示。

在图10的方法中，当传感器的电输出超过预定阈值时，控制器使得相关的植入物执行功能(步骤1030)。由传感器产生的电输出可以与由膀胱散射的光的量成比例，并且可以与代表“空”膀胱和“满”膀胱的输出的预定范围进行比较(例如，Δ)。为了减少或消除光源与光检测器之间的光的直接传播(这可能会不利地影响光散射测量的准确性)，可以在光源与光检测器之间设置挡光件。在诸如图3A所示的实施例中，挡光件350可延伸到光学窗口340内，以形成BVSD300的组织接触表面的一部分。在图4D和图4G所示的变体中，挡光件450可延伸至接触光学窗口440，但可以不在光学窗口440内延伸而形成组织接触表面的一部分。

在各个实施例中，控制器还可配置为用于确定(例如，通过软件或硬件)由传感器接收的输出的百分比变化是否超过预定阈值。在一种变体中，当控制器确定电输出的百分比变化超过预定阈值时，控制器可使得相关的植入物向患者通知膀胱的充盈程度，或者可使得相关的植入物引发排尿。

图11示出了用于确定患者的膀胱液中所存在的生色团的相对浓度的示例性方法。这种生色团包括细菌(或其他单细胞微生物)、蛋白质和血液中的一种或多种。例如图11所示的实施例可通过如图1A至图9的实施例所述的器件和传感器的示例来实现。因此，可以参考图1A至图9所述的元件来说明用于实现所述步骤或子步骤的适当部件。

参见图11的实施例，位于膀胱的外壁上的传感器可以发射第一波长范围的光，还能检测第一波长范围内的由膀胱液所散射的光(步骤1110)。例如，传感器可以发出紫外光，其中细菌和蛋白质具有最高的光吸收率。

此外，传感器可以发射第二波长范围的光，并检测由膀胱液所散射的光(步骤1120)。例如，传感器可以发射在532-585nm的范围内的光，其中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有公认的吸收峰。

连接到传感器的控制器可以确定与第一波长范围有关的第一生色团浓度和与第二波长范围有关的第二生色团浓度的比例(步骤1130)。例如，控制器可以利用算法或方程(例如，比尔-朗伯定律)来求解膀胱中存在的蛋白质和细菌的浓度。例如，控制器可以利用以下方程：

其中，I_λuv表示由传感器测量的电流，ε_{protein+bacteria}表示蛋白质加细菌的摩尔消光系数(已知量)，λ_uv表示发射光的波长(已知量)，而c_{bacteria+protein}表示蛋白质加细菌的相对浓度比例。

控制器可以通过类似的方式确定膀胱中存在的生色团的第二浓度。例如，控制器可以利用算法或方程(例如，比尔-朗伯定律)来求解膀胱中存在的血红蛋白的浓度。例如，控制器可以利用以下方程：

其中，I_λ532-585表示由光传感器测量的电流，ε_hemoglobin表示血红蛋白的摩尔消光系数(已知量)，λ_532-585表示发射光的波长(已知量)，而c_hemoglobin表示血红蛋白的相对浓度比例。

控制器可以监测第一浓度相对于第二浓度的变化的比例(步骤1140)。另外，可以发射第三波长，并将其感测为对照或基准浓度。这可以在与先前算法中使用的吸收峰相距甚远的近红外区域中。因此，可以获得3个方程的系统，并且可以相对于第三对照相对浓度来测量蛋白质/细菌和血红蛋白的相对浓度。

结论

本文所描述的实施例可以扩展至独立于其他概念、思想或系统的本文所述的单个元件和概念，并且实施例可包括在本申请中任何地方所列举的元件的组合。尽管在本文中仅参考附图详细描述了实施例，然而应当理解的是，概念不限于那些具体的实施例。因此，概念的范围意欲由随附的权利要求书及其等同物来限定。此外，可以理解的是，单独描述或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或作为其他实施例的一部分的特征相结合，即使这些其他特征和实施例没有提及该特定特征。因此，没有描述的组合不应当排除对这种组合的权利。

本发明的各个实施例的上述说明是为了显示和描述。无意将本发明限制到所公开的具体形式。对于本领域技术人员而言，许多修改、变体和改进是显而易见的。例如，该装置的实施例的尺寸设计和其他方面可适应于各种儿科和新生儿应用以及各种兽医应用。它们也可适应于男性和女性的泌尿道。此外，本领域技术人员能仅通过常规实验来认识或能够确定本文所述的特定装置和方法的许多等同物。这种等同物被认为是在本发明的范围之内，并且由随附的权利要求书覆盖。

来自于一个实施例的元素、特征或行为可以容易地与一个或多个实施例或来自于其他实施例的特征或行为重新组合或进行替换，以形成在本发明的范围内的许多另外的实施例。此外，在各种实施例中，所显示或描述为与其他元素组合的元素也可作为独立的元素存在。另外，对于元素、特性、组成、特征或步骤的任何正面陈述来说，本发明的实施例特别地也可以考虑排除该元素、值、特性、组成、特征或步骤。因此，本发明的范围不受到所描述的实施例的细节的限制，而是仅由随附的权利要求书的限制。