声学耳镜
阅读说明：本技术 声学耳镜 (Acoustic otoscope ) 是由 马克·A·默林 杰依·A·车萨伟杰 王魏刚 崔东浩 于 2018-09-19 设计创作，主要内容包括：声学耳镜可以包括窥器尖端,所述窥器尖端用于耦合至耳道；激励源,所述激励源用于生成动态体积或压力,所述激励源动态体积或压力耦合至所述窥器尖端,所述激励源响应于输入控制；压力传感器,所述压力传感器用于估计所述窥器尖端中的压力并返回一系列测量值；以及控制器,所述控制器耦合至所述激励源输入控制并且还耦合以接收压力传感器测量值。(The acoustic otoscope may include a speculum tip for coupling to an ear canal; an excitation source for generating a dynamic volume or pressure coupled to the speculum tip, the excitation source being responsive to an input control; a pressure sensor for estimating the pressure in the speculum tip and returning a series of measurements; and a controller coupled to the excitation source input control and further coupled to receive pressure sensor measurements.)
交叉引用
本申请要求于2018年6月1日提交的美国非临时专利申请系列号15/995,793的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及一种耳镜(otoscope)，用于表征哺乳动物耳中鼓膜近端表面上的流体。具体地，本公开内容涉及通过响应于施加到耳道的声学体积激励而测量与时间和频率有关的鼓膜的位移来对邻近鼓膜的流体进行粘度测量。
发明背景
急性中耳炎(Acute Otitis Media，AOM)是一种常见的内耳疾病，涉及组织炎症和撞击鼓膜的流体压力。急性中耳炎可能由病毒感染引起，由病毒感染引起的中耳炎通常无需治疗即可消退，或者其可能由细菌感染引起，由细菌感染引起的中耳炎可能发展并导致听力损失或其他有害和不可逆的影响。不幸的是，难以使用目前可用的诊断装置来区分病毒感染或细菌感染，并且针对两种潜在感染的治疗方法有很大的不同。对于细菌感染，抗生素是首选的治疗方法，而对于病毒感染，感染往往会自行消退，并且抗生素不仅无效，而且还可能导致抗生素耐药性，这会降低其治疗后续细菌感染的有效性。准确诊断急性中耳炎很重要，因为AOM可能是慢性中耳炎伴积液(chronic otitis media with effusion，COME)的前兆，其是手术引流渗出物并在鼓膜中插入导管的指征。
用于内耳感染的确定性诊断工具是鼓膜切开术，这是一种侵入性手术，涉及切入鼓膜，抽出流体，以及在显微镜下检查渗出物以鉴别渗出物中的感染因子。由于该手术造成的并发症，因此其仅用于严重的情况。这对于医疗从业者来说是一个两难的问题，因为针对病毒感染的抗生素处方被认为会导致细菌中抗生素耐药性的进化，而这可能在以后的余生中导致更严重的后果，并且由于用抗生素治疗病毒感染因子是无效的而并无有效的治疗结果。需要用于诊断急性中耳炎的改进的诊断工具。
发明目的
本发明的第一目的是用于通过将体积位移激励引入密封的耳道中来估计鼓膜移动性的装置，使用鼓膜中的测量压力指标进行鼓膜位移的测量。
本发明的第二目的是用于通过施加体积位移激励来确定邻近于鼓膜的流体粘度的方法，并且将压力的时域和频域特性的测量开发作为鼓膜位移的指标。
本发明的第三目的是用于表征邻近于鼓膜的流体的设备，该设备具有用于密封耳道的窥器尖端、用于改变耳道体积的体积位移源以及用于确定位移变化对所测量的外耳道耳压的影响的压力测量，此后基于压力响应于时间或等效地响应于频率的幅度和相位生成渗出物度量(metric)。
发明内容
在一个示例中，控制器是可操作的，以改变密封至并耦合至耳道的腔室的空气体积。耦合至耳道的空气体积变化称为AV(t)，是时间的函数。在发生空气体积变化的时间间隔内，进行一系列连续或离散的压力测量，并将空气体积变化与时域响应或频域响应中的至少一个中的压力测量值进行比较。以这种方式，可以确定响应于空气体积变化的鼓膜的位移程度，并且可以形成粘度度量。在备选的实施方案中，可以使用压力调节器，该压力调节器引入或去除固定体积的空气以增加或减小鼓膜压力。
在另一示例中，用于确定急性中耳炎的存在或程度的方法具有循环的体积位移步骤，由此将具有动态可调节内部体积的腔室例如通过窥器尖端耦合至密封的耳道，窥器尖端包括压力测量传感器，该方法将体积变化(作为耦合至耳道的激励源)与耳道中测得的压力变化(作为响应)进行比较，表征时域静态和动态响应以确定鼓膜的频率响应或时间响应中的至少一项，频率或时间响应映射移动性度量，从移动性度量中可以确定邻近于鼓膜的流体的存在、不存在或组成。
本公开内容的方面提供了一种声学耳镜。声学耳镜可以包括窥器尖端，所述窥器尖端用于耦合至耳道；激励源，所述激励源用于生成动态体积或压力，所述激励源动态体积或压力耦合至所述窥器尖端，所述激励源响应于输入控制；压力传感器，所述压力传感器用于估计所述窥器尖端中的压力并返回一系列测量值；控制器，所述控制器耦合至所述激励源输入控制并且还耦合以接收压力传感器测量值；所述控制器由此生成所述激励源输入控制，并相应于此获取一系列相关联的压力测量值；所述控制器通过从激励输入中减去缩放的(scaled)压力测量值输出来形成一系列差值；根据所述一系列差值得出渗出物度量，并且所述渗出物度量在以下中的至少一种情况下具有增加的渗出物度量值：与随后的差值相比，随着压力或体积的阶跃变化，所述一系列差值具有升高的差值幅度；与高频压力或体积激励的差值幅度相比，所述一系列差值具有升高的低频压力或体积激励的差值幅度。
在一些实施方案中，所述缩放的压力测量值可以使用比例因子，所述比例因子使得所述压力测量值的中点值实质上等于所述激励源中点输入值。在一些实施方案中，所述激励源输入波形可以是正弦的。在一些实施方案中，所述激励源输入波形可以是梯形的。在一些实施方案中，可以在至少4次采集周期中对所述一系列差值取平均值。在一些实施方案中，可以在若干频率下采集所述正弦激励源输入波形和压力传感器测量值波形以确定拐角频率(corner frequency)。在一些实施方案中，可以通过将所述拐角频率与正常鼓膜、邻近于鼓膜的病毒流体以及邻近于鼓膜的粘液状流体的阈值频率进行比较，以生成渗出物度量。
在一些实施方案中，所述激励源可以包括可移动膜片、可移动活塞或者通过软管耦合至窥器尖端的差压源。在一些实施方案中，所述激励源可以包括封闭在所述窥器尖端或窥器尖端支架中的膜片或活塞。在一些实施方案中，所述激励源可以通过由所述激励输入控制一个或多个阀耦合至更高或更低的气压源。
本公开内容的方面提供了一种声学耳镜。所述声学耳镜可以包括窥器尖端，所述窥器尖端具有用于封闭耳道的密封件；激励源，所述激励源改变压力或体积并且耦合至所述窥器尖端，所述激励源具有输入；压力传感器，所述压力传感器耦合至所述窥器尖端并提供压力测量值输出；控制器，所述控制器生成激励源输入波形，所述控制器还耦合至所述压力传感器并接收压力测量值输出波形；所述控制器生成所述激励输入源波形，并同时将所述压力测量值与所述激励波形进行比较以形成渗出物度量。
在一些实施方案中，所述激励源可以引起体积变化或压力变化中的至少一种。在一些实施方案中，所述激励源可以是移动的膜片。在一些实施方案中，在建立第一阈值、第二阈值和第三阈值的单调序列之后，所述渗出物度量可以是以下至少一项非诊断性窥器尖端泄漏检测：压力测量值到激励波形的传递函数(transfer function)低于所述第一阈值；压力测量值到激励波形的高频传递函数低于所述第三阈值；当激励源是返回到原始位置的体积调节活塞或膜片时，检测到负压响应；响应于激励波形未检测到压力测量值变化。
在一些实施方案中，所述体积激励波形可以是正弦曲线，并且所述渗出物度量基于频率响应函数中的拐角频率，其中：ΔP(f)是多个离散频率的压力幅度；ΔV(f)是多个离散频率的体积激励幅度；并且所述拐角频率是当所述响应函数小于在较高频率下的数值的时的频率f。在一些实施方案中，所述体积激励波形可以是梯形波形，并且所述渗出物量度基于所述体积激励波形和压力测量值波形之间的差异，其中所述压力测量值波形被缩放到波形的中点。在一些实施方案中，所述中点可以是压力测量值波形的斜率变化为其初始值的1/4或更小的时间点中的最早时间点，或者所述中点可以半个间隔点，以所述最早时间点和所述半个间隔点这二者中先出现的为准)。在一些实施方案中，所述渗出物度量可以基于所述中点之前的差异波形的最大幅度。
本公开内容的方面提供了一种用于形成渗出物度量的方法。所述方法可以在窥器尖端上操作，所述窥器尖端具有用于耦合至待表征的耳道和鼓膜的检查孔。所述窥器尖端可以耦合至压力测量传感器和压力激励发生器，所述压力测量传感器用于测量所述窥器尖端中的压力，所述压力激励发生器用于调节所述窥器尖端中的压力。所述方法可以包括形成耦合至所述窥器尖端的压力激励；测量压力响应；基于压力响应对压力激励的传递函数，确定以下至少一项：压力密封泄漏；健康的鼓膜；与水样液体耦合的鼓膜；与相对粘稠的细菌流体耦合的鼓膜。
在一些实施方案中，所述确定可以是基于将健康耳朵与另一耳朵的第一测量值进行比较而做出的。在一些实施方案中，所述确定可以基于以下至少一项的表征：频率响应拐角频率、阶跃响应的时间延迟，或系数与衰减方程的参数拟合。在一些实施方案中，所述衰减方程是或 援引并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同特别地且单独地指出每个单独的出版物、专利或专利申请通过引用而并入。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述本发明的新颖特征。通过参考以下对其中利用到本发明的原理的说明性实施方案加以阐述的详细描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好理解，在这些附图中：
图1示出了耦合至人耳道的压力响应控制器的示意图。
图2示出了各种渗出物条件下的振幅传递绘图和相位传递绘图。
图3A示出了第一体积激励和示例性响应的绘图。
图3B示出了第二体积激励和示例性响应的绘图。
图4示出了第三体积激励和示例性响应的绘图。
图5示出了第四体积激励和示例性响应的绘图。
图6示出了响应于位移源测量鼓膜位移的耳镜的框图。
具体实施方式
图1示出了耳镜130，其包括用于插入待表征的受试者的耳道中的窥器尖端116。透镜126耦合至光学单元114，该光学单元114提供对外耳的检查，如现有技术耳镜诸如WelchAllyn 25070-M所提供的。压力激励发生器106将来自激励发生器的体积变化通过软管112耦合到窥器尖端116，并且耦合到压力传感器108的压力测量软管提供了根据激励发生器的体积变化对窥器尖端116中的压力变化的测量。最好将窥器尖端116密封在其附接到光学单元114的位置，以使被激励的体积最小化以仅包括耳道和窥器尖端116的体积，或者可以将窥器尖端116在其他位置密封到耳道，所述位置包括在耳道入口处的耳甲和耳屏或在对耳道完成密封的任何位置。
当插入受试者的耳道(细节见122)时，可以使用舒适的密封件120，其舒适地密封窥器尖端116，从而提供由体积激励发生器106产生的体积变化到内耳和鼓膜124的有效耦合。体积(或压力)激励发生器106可以是以下任何一种：整合有可移动膜片的音圈、耦合至活塞致动器的膜片或者调节体积或引入外部压力源的任何机构，该机构耦合至窥器尖端116以引起压力变化(例如通过改变封闭体积或从固定体积中引入和去除气体，诸如空气)，其将压力改变耦合至窥器尖端116和鼓膜。在本说明书中，虽然描述了诸如膜片或活塞的体积调节装置，但是应当理解，压力激励发生器105产生的压力变化可以通过任何体积位移方法来形成。体积变化旨在导致鼓膜124的位置发生非常微小的变化。如果在鼓膜124后面没有流体存在，则鼓膜能够自由移动并适应缓慢变化(低频)的体积变化，而压力变化可忽略不计。如果在鼓膜124后面存在流体，则鼓膜对于高频压力变化将表现出减小的位移。此外，对于与水样病毒流体或粘液状感染性流体耦合的鼓膜，鼓膜可能对于高频的体积变化响应较差，其导致当存在邻近于移动性较小的鼓膜的流体时，对于给定的增量体积变化，压力变化较大，并且存在的流体质量越大，鼓膜在较低频率下的运动收缩就越大，从而在较高频率下导致更大的诱发压力。
当流体邻近于鼓膜时，鼓膜的移动性会降低，这导致对于高频率下的给定体积变化产生更大的压力。这在图2的频率响应绘图中示出，该绘图示出了压力变化差值(AP)除以体积变化差值(AV)随频率的变化，缩放至固定TM的AP/AV的单位。曲线208示出了健康耳朵的压力变化与体积变化响应曲线，该曲线在低频时对于增量体积变化产生最小的压力变化，由于没有邻近流体耦合的活动鼓膜跟踪激励发生器的位移变化，因此系统的体积保持相对固定，并且压力变化最小。邻近于TM的流体增加了质量并限制TM在较高频率下的运动，导致在曲线206的较低频率212处产生增大的窥器116压力，并且TM固定的“胶耳”产生具有相关拐角频率210的响应曲线204，其中体积变化导致更大的增量压力。
图2的绘图示出了压力/体积对频率的传递函数，例如作为压力对频率的传递函数而测量的正弦体积调节。每条曲线都有一个传递函数随着频率的增加而变平的拐角频率。不会在耳中产生压力变化的低频体积变化指示鼓膜以该频率自由移动，并且由于相邻流体耦合的增加惯性使得鼓膜无法自由移动，因此压力增加，鼓膜的各种状态如图2的绘图所示。例如，可以自由在很宽的频率范围内移动而没有阻力的健康鼓膜示为波形208，拐角频率为214。在鼓膜后面存在来自病毒感染的水样流体的情况下，鼓膜124的移动性降低，因此不再能够响应中等频率(212)，并在这些频率上产生窥器压力调制，如压力/体积响应曲线206所示。耳部感染的最后阶段，在该阶段密度大于病毒水样流体的细菌物质聚集在鼓膜上并变成“胶耳”，进一步减小了幅度响应和频率范围，如曲线204所示，指示鼓膜不响应体积/压力激励而移动，除了在最低压力激励频率210处。每个拐角频率210、212和214由限制TM运动的流体的质量和体积确定。
图3A示出了使用频域激励曲线302(正弦体积变化)和相应压力(用作鼓膜位置的指标)306来表征TM的另一观点和方法。通过检查特定周期304下测得压力曲线306的幅度和相位延迟310，并在其他频率下重复测量，可以从响应波形306得出相位延迟310和幅度的绘图。在另一示例性实施方案中，可以通过使用啁啾频率激励来收集相位和幅度响应，该啁啾频率在连续重复循环的周期中变化，从而在单次频率扫描中测量鼓膜对于体积激励(啁啾频率位移)的位移响应(通过压力)。可以将鼓膜的传递函数确定为将306的振幅归一化为波形302的振幅的熟悉曲线，其中相位延迟310以角度表示，两者均作为频率的函数进行测量。传递函数幅度和相位可在临床上使用，其中为振幅传递函数下降3dB或6dB或者相位滞后45度的频率建立阈值以确定频率断点，其中该频率断点可用作移动性度量，其中高的频率断点指示正常的耳朵，低的频率断点指示渗出物，而更低的频率断点指示胶耳。
图3B示出了备选的时域响应，其中瞬时施加体积的阶跃变化320，并观察到压力响应曲线326，类似地具有时域延迟324，以及与由于鼓膜和邻近流体的机械惯性而导致的高频分量损失相关的一些舍入响应，其中时间延迟324和舍入的程度与鼓膜的移动性相关，其也可以是是否存在渗出物、水样渗出物还是密集的细菌粘液状渗出物的指标。使用图3B的响应326的测量度量可以使用时间响应阈值来确定鼓膜的健康状况，其中相对较长的时间响应324指示胶耳，较短的响应指示渗出物，而更短的响应指示正常的耳朵。
在另一测量方法中，通过控制器104施加梯形压力激励402，并检查在窥器尖端406中测得的压力406以确定一稳定时间(settling time)t1 404，所述稳定时间t1 404是当压力的瞬时变化率减小至其初始变化率值的例如1/4时的时间，或者将该稳定时间t1 404选择为特定的固定时间404，以这两者中先出现的为准。对测得的压力波形406应用缩放因子k，使得在时间t1 404时，k*ΔP(t1)＝ΔV(t1)。当通过该测量值确定k时，计算差波形(difference waveform)dP(t)408，使得dP(t)＝ΔV(t)-k*ΔP(t)。检查波形408，并根据以下标准确定并测试峰值dP(max)(其中将第一阈值、第二阈值和第三阈值建立为单调递增的阈值序列)：
如果dP<T1(第一阈值)，则可能不存在流体；
如果T1<＝dP<＝T2(第二阈值)，则可能存在水样流体；
如果T2<＝dP<＝T3(第三阈值)，则可能存在粘液状流体或胶耳。
在另一示例中，差异dP(t)是通过平均若干情况下的AΔ(t)和ΔP(t)形成的。
在另一示例中，体积激励AΔ(t)上升时间Tr 401在组中的若干连续循环上变化，每组压力激励是相同的，对每次循环的压力响应取平均值以提供复合的ΔP(t)，从而为每组循环提供可靠的压力响应，以及在不同组的测量循环中改变上升时间Tr 401，以针对各种压力激励上升时间来表征鼓膜。
在另一示例中，将ΔV上升时间401减小到最小，并检查从0到tr的压力响应上升时间405和从tr到t2的下降时间406，并将其拟合为曲线。例如，可以将压力上升时间响应405(或t差异上升时间409)拟合为并将下降t时间408拟合为
其中：
Pr(t)是从0至tr的405或409的上升时间；
Pf(t)是在t2处向0偏离的406或408的下降时间；
t是时间(曲线的x轴)；
kl是振幅缩放常数；
T1是通过曲线拟合匹配确定的上升时间系数，具有时间单位；
T2是通过曲线拟合匹配确定的下降时间系数，具有时间单位；
在根据响应波形408、409、405或406中的至少一个确定k1和T1或k2和T2之后，随后可以形成渗出物度量，其中相对较长的T1或T2以及相对较大的k1和k2指示渗出物或胶耳的可能性较小，并且相对较短的T1或T2指示渗出物的可能性较大，而在k1和k2的值较大的情况下较短的T1或T2指示胶耳，并且其中相对较小的kl和k2值(特别是伴随相对短的T1或T2时)可用于指示不良的密封(或穿孔的TM)。
在另一示例中，将一段突发(burst)的5次循环或更多次循环的正弦体积激励提供为ΔV(t)，该突发的每次循环用于对频率f下的单次循环的测量压力波形进行平均ΔP(t)，以提供特定频率f1的压力响应点，此后，针对每个频率f计算频率传递函数此后，可以类似地将图2的所得的传递函数响应拐角频率214、212、210用作阈值频率，以分别确定正常的鼓膜响应、鼓膜后面的水样流体以及粘液状或胶耳鼓膜响应。
在临床上怀疑仅一只耳朵感染的情况下，通过比较左耳和右耳的结果，可以将图2、图3A、图3B、图4和图5中所述的每种上述方法用于差异方法中。与从普通人群开发的模型相比，健康表现的耳朵与怀疑感染的耳朵的差异比较方法可以提供诊断阈值的标准化。例如，在假定健康的耳朵和疑似感染的耳朵之间，图2或图3A的频率断点差为2的因子或者图3B或图4的时间响应差为2的因子可用于确定渗出物，并且4或更大的因子可用于确定胶耳。
在另一示例中，检查压力响应的特征以作为密封件120泄漏的证据。在耳道存在压力泄漏的情况下，高频传输受到不利影响，如果密封件泄漏足够大，则不会测量到响应于压力激励的压力。图4的压力曲线420和422示出了窥器尖端泄漏的示例，其中当活塞/膜片沿相反方向移动时，活塞/膜片体积402的变化会产生瞬态正压420以及随之而来的瞬态负压422。可以检查测得的压力波形420和422的持续时间，以确定可识别出不良的窥器尖端密封件120的若干情况中的任何一种，其不限于：
1)缩短的压力时间响应，其小于体积变化激励的持续时间；
2)在体积变化激励期间没有压力响应；
3)响应于体积调节活塞/膜片返回到其原始位置的负压响应422。
图6示出了备选的鼓膜位移测量系统，该鼓膜位移测量系统包括活塞(或膜片)606，其被密封604以形成封闭的腔室608，其中位移体积通过软管112耦合至具有光学观察器126的窥器尖端116。活塞致动器602(可以是音圈致动器或其他电磁致动器)使活塞606沿着腔室608的轴线移动，其中由传感器614测量的位移耦合至位移测量618。中央控制器601向活塞致动器602发出命令，以使活塞606调节位置，其中测量位移618并报告给控制器601。控制器601还读取通过软管112从腔室608传递到窥器尖端116的在窥器尖端116中产生的压力的压力测量616。
在示例性的实施方案中，活塞直径606被选择为具有与儿科(或成人)鼓膜相同的近似直径。调节活塞606的位移并测量压力110。对于微小的压力变化和密封的系统，可以将位移测量618的输出值视为鼓膜运动的指标。因此，对于在测量压力616中产生微小变化的活塞608的运动，可以将活塞606的位移视为鼓膜运动的指标。在一个示例中，活塞606的位移是扫频，并记录测得的压力测量616频率响应中的断点，该频率断点代表了鼓膜124的移动性受到相邻流体质量的不利影响的激励频率，该相邻流体质量阻止鼓膜124的高频调制。视图650示出了备选的膜片压力致动器603，其中当产生引起永磁体656吸引或排斥的电流时，致动带有导线658的音圈660，从而使膜片652相对于挠性支撑件654移位，挠性支撑654为封闭空间608中的膜片652提供高频响应，和之前一样与窥器尖端610耦合，或者激励发生器可以被封闭在图1的窥器尖端116中，或者被封闭在相邻的外壳114中。
说明性示例用于理解本发明，其范围在以下权利要求中进行阐述。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的优选实施方案，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些实施方案仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应当理解，本文所述的本发明的实施方案的各种替代方案可以用于实施本发明。旨在通过以下权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。