专利名称：用于非侵入式监测受检者的血液特性的传感器、设备和方法
技术领域：
本公开涉及用于非侵入式监测受检者的血液特性的传感器、设备和方法。该设备典型地是脉搏血氧计(pulse oximeter)，而该传感器典型地是能附连到受检者并且适应于从该受检者采集(光)体积描记信号的脉搏血氧计传感器。
背景技术：
体积描记法指通过测量血液容量的变化来测量器官和四肢的大小和体积变化。光体积描记法涉及使用传输通过血液或由血液反射的光信号用于监测受检者的生理参数。常规的脉搏血氧计使用红和红外光体积描记(PPG)波形，即分别在红和红外波长测量的波形，来确定受检者的搏动动脉血的氧饱和度。在常规的脉搏血氧计中使用的两个波长典型地是大约660nm(红光波长)和大约940nm(红外波长)。脉搏血氧计是目前注重连续监测动脉氧饱和度(SpO2)的标准。脉搏血氧计提供动脉氧合作用的瞬时活体内测量，并且由此提供例如动脉血氧不足的早期警告。脉搏血氧计还显示光体积描记波形，其可以与在测量部位(典型地在手指或耳朵中)的组织血液容量和血液流量(即，血液循环)有关。典型地，脉搏血氧计使用上文提到的两个波长(红和红外)来确定氧饱和度。可在双波长脉搏血氧计中确定的其他参数包括例如脉搏率、末梢灌注指数(PI)和pleth变异指数(PVI)。将波长的数量增加至至少四个允许测量总血红蛋白(THb，克每升)和例如氧合血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(RHb)、碳氧血红蛋白(HbCO)和高铁血红蛋白(metHb)等不同的血红蛋白类型。测量总血红蛋白的前提是使用的波长向上扩展到其中吸水性高到由此能够探测血红蛋白和水两者的浓度的范围。实际上，设计成测量总血红蛋白的脉搏血氧计可提供有从大约600nm向上至大约1300nm的范围的8至16个波长(即光源)。测量血液特性典型地以来自不同光源的光束遵循通过中介组织到光电探测器的相同的路径的假设为基础。如果未做出该假设，测量因为需要对于每个波长确定路径长度而变得非常复杂。然而，在能够确定总血红蛋白的多波长血氧计中，因为不存在能够以能接受的接收特性接收这样的宽范围波长的可用光电探测器，使用多个光电探测器变成必需。例如，广泛使用的硅光电探测器的响应度相当急剧地下降大约lOOOnm，而现代的InGaAs (砷化铟镓)光电探测器从近似900nm至近似1700nm是灵敏的。因此，多波长脉搏血氧计的传感器通常设计成使得光束大致上沿着通过要监测的组织的公共路径(即通过小动脉床的光路长度对于所有的波长是大致上相同的)行进。关于光信号的传输端，采用大致上点状的方式设置传感器的多个小尺寸的光源使得光路在传输端对于所有的波长仍然大致上相同，这通常是不困难的。然而，在传感器内设置具有相当大面积的两个光电探测器使得在接收端还满足相同的要求，由此来避免在测量中引入误差(由于传感器不能沿着公共路径在所有波长传输光脉冲)，这是更加困难的。对于上面的问题的一个解决方案是在传感器中使用夹层或层状探测器设计。这牵涉到光电探测器由多层探测器元件组成，该多层探测器元件包括放置在彼此顶部上的两个探测器层。例如，锗光电二极管可放置在硅光电二极管下面。该层状元件操作使得对于在约IOOOnm以下的波长，上部硅光电二极管接收传输的光。在该波长以上，硅光电二极管变成大致上透明的并且下部锗光电二极管接收光脉冲。夹层或层状探测器设计的缺陷在于相当复杂的机械结构，其要求制造工艺的精确性。这些特点趋于转化成对于最终用户的高成本，其进而阻碍多波长测量的引入和扩展。在夹层设计中，顶部探测器还使由底部探测器接收的光衰减，该底部探测器从而典型地具有比暴露于直射光束的探测器更低的灵敏度。
发明内容
上文提到的问题在本文解决，其将从下列说明书理解。 为了实现简单的传感器组件，具有部分重叠的光谱响应度范围的光电探测器安装在传感器中而没有使通往这些探测器的光路相同。传感器的波长中的至少一个设置成在重叠范围中发射，由此来使体积描记信号能够关于光路而规范化。该路径规范化是好像信号通过单个光电探测器接收一样转换体积描记信号的操作，即信号适应于单一路径长度规范或参考。因此，传感器的机械结构不需要实现公共光路并且探测器可采用简单的方式(例如并排)安装在传感器内。在实施例中，用于确定受检者的血液特性的传感器包括发射器单元，其配置成在多个测量波长发射通过受检者的组织的辐射。该传感器进一步包括探测器单元，其包括共同适应于接收多个波长处的辐射并且适应于对应于这些多个测量波长产生活体内测量信号的光电探测器，这些活体内测量信号指示由受检者的血液引起的吸收，其中安装这些光电探测器使得从发射器单元到这些光电探测器的光路不同并且其中这些多个波长在这些光电探测器之间划分使得在光谱上邻近的两个光电探测器具有至少一个公共波长。在另一个实施例中，用于确定受检者的血液特性的设备包括接口单元，其配置成从光电探测器接收活体内测量信号，其中这些活体内测量信号指示由受检者的血液引起的吸收并且其中每个光电探测器适应于接收来自对于该探测器特定的光路的光信号。该设备进一步包括路径规范化单元，其配置成使活体内测量信号规范化为对于这些光电探测器中的一个特定的光路。在再另一个实施例中，用于确定受检者的血液特性的方法包括在传感器设置中安装多个光电探测器使得从发射器单元到这些光电探测器的光路不同，以及提供具有多个测量波长的发射器单元。该方法还包括在这些多个测量波长处采集活体内测量信号，这些活体内测量信号指示由受检者的血液引起的吸收，以及基于在对于不同的光电探测器的公共波长处分别从不同的光电探测器获得的不同的活体内测量信号确定路径规范化系数。该方法进一步包括将该路径规范化系数应用于选择的活体内测量信号，由此来获得路径规范化的活体内测量信号，以及采用这些路径规范化的活体内测量信号用于确定受检者的血液特性。将通过下列详细说明和附图使本发明的各种其他特征、目标和优势对于本领域内技术人员明显。
图I是图示多波长脉搏血氧计的一个实施例的框图；图2图示基于脉搏血氧测定法的朗伯-比尔理论的简单模型；图3图示光电探测器的光谱响应度的示例和传感器波长分配到探测器的示例；图4图不传感器的一个实施例的横截面图；
图5是图示体积描记信号的路径规范化的流程图；以及图6图示实施体积描记信号的路径规范化的操作单元。
具体实施例方式脉搏血氧计包括计算机化的测量单元和附连到患者(典型地附连到患者的手指或耳垂)的传感器或探头。该传感器包括光源，用于发送光信号通过组织；和光电探测器，用于接收传输通过组织或从组织反射的信号。在传输和接收的信号的基础上，可确定组织的光吸收。在每个心动周期期间，组织的光吸收周期性地变化。在心脏舒张阶段期间，吸收由组织、骨骼和色素中的细胞、流体、静脉血、以及非搏动动脉血引起，而在心脏收缩阶段期间，存在吸收增加，这是由动脉血流入组织部位(脉搏血氧计的传感器附连在其上)引起。脉搏血氧计通过确定在心脏收缩阶段期间的峰值吸收和在心脏舒张阶段期间的背景吸收之间的差而将测量聚焦在该搏动动脉血部分。脉搏血氧计从而基于吸收的搏动分量只是由于动脉血而引起的假设。为了区分两个种类的血红蛋白(氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(RHb))，吸收必须在两个不同的波长处测量，即传统的脉搏血氧计的传感器包括两个不同的光源，例如LED和激光器。因为所述两个种类的血红蛋白在这些波长处具有大致上不同的吸收，广泛使用的波长值是660nm (红)和940nm (红外)。以典型地是几百Hz的频率依次照亮每个光源。图I是多波长脉搏血氧计的一个实施例的框图。从发射器单元100传输的光传递进入患者组织，例如手指102。该发射器单元包括多个光源101 (例如LED)，每个光源具有专用波长。每个波长形成一个测量通道，在该测量通道上采集光体积描记波形数据。源/波长的数量是至少三个并且典型地在8和16个之间。下面给出其中使用八个波长的示例。传播通过组织或从组织反射的光由探测器单元103接收，该探测器单元103在该示例中包括两个光电探测器104和105。发射器和探测器单元形成脉搏血氧计的传感器113。光电探测器将接收的光信号转换成电脉冲序列并且将它们馈送到输入放大器单元106。放大的测量通道信号进一步供应给控制和处理单元107，其将信号转换成对于每个波长通道的数字化格式。这些测量通道在这些光电探测器之间划分使得每个测量通道具有作为光接收器操作的专用光电探测器。此外，这两个光电探测器都适应于接收测量通道中的至少一个(即至少一个波长对于光电探测器是公共的)的信号。控制和处理单元进一步控制发射器驱动单元108来交替激活光源。如上文提到的，典型地每秒几百次地照亮每个光源。在以与患者的脉搏率相比如此高的速率照亮每个光源的情况下，控制和处理单元在每个波长处获得对于患者的每个心动周期的大量的样本。这些样本的值根据患者的心动周期而变化,该变化由动脉血引起。
在每个波长处的数字化光体积描记(PPG)信号数据在由控制和处理单元的算法进一步处理之前可存储在控制和处理单元的存储器109中。这些算法利用关于传感器光路而规范化的体积描记信号数据。控制和处理单元通过执行路径规范化算法110得到路径规范化的信号数据。为了确定氧饱和度和血红蛋白参数，控制和处理单元适应于执行SpO2算法111和血红蛋白算法112，这些算法还可存储在控制和处理单元的存储器中。两个算法都可利用相同的数字化信号数据或血红蛋白算法可利用在SpO2算法中得到的结果。路径规范化算法110还可并入SpO2和/或血红蛋白算法。获得的血液参数和波形在显示单元114的屏幕上示出。
图2图示朗伯-比尔组织模型以及传输通过例如手指的光的强度如何根据血液搏动而变化。朗伯-比尔理论基于多层模型，其中光吸收由堆叠在彼此之上的不同的组织间隔或层引起。如在图中图示的，组织间隔包括实际组织层20、静脉和动脉血的层21和22以及搏动动脉血的层23。模型假设这些层不互相作用并且每个层遵守理想的朗伯-比尔模型，其中省略光散射。由脉搏血氧计在朗伯-比尔模型中测量的理想信号从而是在从输入光信号中扣除由每个层引起的吸收时留下的信号。总吸收从而可视为由实际组织、静脉血、动脉血和搏动动脉血引起的总吸收。为了使例如光源亮度、探测器灵敏度或手指厚度等外在因素的变化对测量不产生影响，通过提取以患者的心律振荡的AC分量并且然后将AC分量除以光传输或反射的DC分量，使每个接收的信号规范化。从而获得的信号独立于上文提到的外在因素。从而，控制和
ACi
处理单元107利用N个规范化信号，其在该上下文中用I;表示，其中i是考虑之
DCt
中的波长(i = l，...N)，ACi是波长i处的AC分量并且DCi是波长i处的DC分量。AC和DC分量在图2中图示。尽管信号dAi是强度规范化的信号，它们在该上下文中不称作规范化信号而称作调制信号，以便将它们与从调制信号得到的路径规范化的信号区分开。图3图示光电探测器104、105的响应度曲线和关于响应度曲线的波长设置(即测量通道)的示例。光电探测器104，其可以是例如Si(硅)光电二极管，具有响应度曲线
31,而光电探测器105，其可以是例如InGaAs (砷化铟镓)光电二极管，具有响应度曲线32。这些响应度曲线一起覆盖某个能接受的光谱灵敏度范围33，其包括公共灵敏度范围34，在公共灵敏度范围34中，这两个光电探测器都可接收光信号。在Si和InGaAs探测器的情况下，总灵敏度范围33可覆盖从约400nm至约1700nm的波长并且共享波长区34可在从例如约800nm至约IOOOnm之间范围。光电二极管可以是PIN或PN型光电二极管。传感器光源101中的至少一个设置成在公共波长范围34中发射。该波长用图3中的Wk指示。从而，在图3的实施例中，光电探测器104适应于接收k个波长(W1，W2，. . .Wk，其中k彡2)，而光电探测器105适应于接收N-(k-Ι)个波长(Wk，ff(k+l), . . .，WN)，其中N^3对应于传感器波长的总数。图4通过示出传感器113的一个实施例的横截面图而图示光电探测器配置。传感器的框架40包括腔41，手指102可插入该腔41中。光源101和光电探测器104、105安装在该腔的相反侧，使得由光源发射的光脉冲穿过手指到光电探测器。在该实施例中，光电探测器简单地并排安装在腔的一侧上。这两个光电探测器的这种横向并列定位牵涉到从光源到第一光电探测器104的光路OPl与从光源到第二光电探测器105的光路0P2不相同。这些不同的光路通常在测量中引入误差，但现在，通过使电调制信号适应于相同的光路(即适应于路径OPl和0P2中的一个)而消除或最小化该误差。在该上下文中，该转换称为路径规范化。对照算法110，在控制和处理单元中实施路径规范化。在图的示例中，光电探测器在传感器的纵向方向大致上并排，但还可在任何其他方向上也是并排的。从而，光电探测器安装在传感器中，使得从发射器单元到光电探测器的光路不同。这牵涉到光路长度中的差异如此明显使得它将通常对于至少一些受检者在测量中引入误差。对通过组织的光路长度引起显著差异的这些探测器之间的距离本质上是统计的并且取决于例如传感器的配合、组织厚度和在测量部位的组织结构的不均一性。探测器之间的某个(小的)距离可因此对于一些受检者而不对其他受检者造成显著的误差。根据朗伯-比尔模型，调制信号dAi可描述为dAi =C x(s『b02 X HbOl +Sflib xRHb +sfbC0 xHbCO+ x HbMet)，其中 C 是取决于路径 长度的常数，是在波长i处的氧合血红蛋白的消光系数，是在波长i处的脱氧血
红蛋白的消光系数，⑵是在波长i处的碳氧血红蛋白的消光系数，S是在波长i处的高铁血红蛋白的消光系数，并且HbO2、RHb、HbCO和HbMet分别是氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、碳氧血红蛋白和闻铁血红蛋白的浓度。图5图示在控制和处理单元中实施的路径规范化的一个实施例。如上文论述的，路径规范化可视为调制信号对单一光路的适应。首先使用这两个光电探测器在步骤51测量dAk的值，由此来获得dAkl和dAk2，其中dAkl是通过光电探测器104在波长Wk处测量的调制信号，dAk2是通过光电探测器105在波长Wk处测量的调制信号，并且Wk是在公共灵敏度范围34中的波长。这两个dAk值的比率然后用于这样转换调制信号，好像所有调制信号从相同的光路接收(即通过相同的光电探测器接收)一样。因为信号可规范化为两个光路中的任一个，在实际规范化之前可在步骤52选择参考路径。这里假设波长总数是N =
8。这样的双光路长度传感器的一个示例是提供有主要对于HbCO和HbMet测量的612、632、660,690,760和900nm波长(Si探测器信号)和提供有主要对于总血红蛋白测量的900、1050和1250nm波长(InGaAs探测器信号)的传感器。从而，900nm波长对于探测器是公共的(即这里k = 6)。如果第一光路OPl选为公共光参考路径，通过第二光路0P2接收的信号需要被转换成好像它们是从第一光路接收一样。对此，从光电探测器105获得的调制信号dAi乘以比率(dAkl/dAk2)。如果第二光路0P2选为公共光参考路径，通过第一光路OPl接收的信号需要转换成好像它们是在第二光路上接收一样。对此，从光电探测器104获得的调制信号dAi乘以比率(dAk2/dAkl)。在步骤53确定比率(这里称为路径规范化系数)并且调制信号值的实际规范化在步骤54实施。从而，如果第一光路OPl选为公共光参考路径，路径规范化可呈现如下
权利要求
1.一种用于确定受检者的血液特性的传感器，所述传感器(113)能附连到所述受检者并且包括 -发射器单元(100)，其配置成在多个测量波长发射通过所述受检者的组织的辐射；以及 -探测器单元(103)，其包括共同适应于接收所述多个波长处的辐射并且适应于对应于所述多个测量波长产生活体内测量信号的光电探测器(104，105)，所述活体内测量信号指示由所述受检者的血液引起的吸收，其中安装所述光电探测器使得从所述发射器单元到所述光电探测器的光路不同并且其中所述多个波长在所述光电探测器之间划分使得在光谱上邻近的两个光电探测器(104，105)具有至少一个公共波长。
2.如权利要求I所述的传感器，其中所述光电探测器并排安装在所述传感器(113)中。
3.如权利要求2所述的传感器，其中所述光电探测器采用阵列配置设置。
4.如权利要求2所述的传感器，其中所述光电探测器采用矩阵配置设置。
5.如权利要求I所述的传感器，其中所述探测器单元(103)包括两个具有从近似SOOnm至近似IOOOnm的重叠的光谱响应度范围(34)的光电探测器，并且其中所述至少一个公共波长包括一个位于所述重叠的光谱响应度范围(34)内的波长。
6.如权利要求I所述的传感器，其中所述传感器包括硅光电二极管和InGaAs光电二极管。
7.如权利要求I所述的传感器，其进一步包括路径规范化单元(61-63)，其配置成将所述活体内测量信号规范化为对于所述光电探测器中的一个所特定的光路。
8.一种用于确定受检者的血液特性的设备，所述设备包括 -接口单元(60)，其配置成从光电探测器(104，105)接收活体内测量信号，其中所述活体内测量信号指示由所述受检者的血液引起的吸收并且其中每个光电探测器适应于接收来自对于所述探测器所特定的光路的光信号；以及 -路径规范化单元(61-63)，其配置成使所述活体内测量信号规范化为对于所述光电探测器中的一个所特定的光路。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述路径规范化单元配置成 -从所述活体内测量信号得到调制信号，其中每个调制信号代表在特定波长处的AC和DC信号分量的比率； -确定分别通过两个光电探测器在公共波长处获得的两个调制信号的比率； -选择一组调制信号；以及 -将选择的调制信号乘以所述比率。
10.如权利要求8所述的设备，其进一步包括能附连到所述受检者的传感器单元(113)，所述传感器单元包括 -发射器单元(100)，其配置成在多个测量波长发射通过所述受检者的组织的辐射；以及 -探测器单元(103)，其包括所述光电探测器，其中所述光电探测器共同适应于接收所述多个波长处的所述辐射并且适应于产生活体内测量信号，其中安装所述光电探测器使得从所述发射器单元到所述光电探测器的光路不同并且其中所述多个波长在所述光电探测器之间划分使得在光谱上邻近的两个光电探测器具有至少一个公共波长。
11.一种用于监测受检者的血液特性的方法，所述方法包括 -在传感器设置中安装多个光电探测器(104，105)使得从发射器单元(100)到所述光电探测器的光路不同； -提供具有多个测量波长的所述发射器单元(100)； -在所述多个测量波长处采集活体内测量信号，所述活体内测量信号指示由受检者的血液引起的吸收； -基于在对于不同的光电探测器的公共波长处分别从不同的光电探测器获得的不同的活体内测量信号来确定路径规范化系数； -将所述路径规范化系数应用于选择的活体内测量信号，由此来获得路径规范化的活体内测量信号；以及 -采用所述路径规范化的活体内测量信号用于确定所述受检者的血液特性。
12.如权利要求11所述的方法，其中 -所述确定包括从所述活体内测量信号得到活体内调制信号，其中每个活体内调制信号代表在特定波长处的AC和DC信号分量的比率； -所述应用包括将所述路径规范化系数应用于选择的活体内调制信号，由此来获得路径规范化的活体内调制信号；以及 -所述采用包括采用所述路径规范化的活体内调制信号用于确定所述血液特性。
全文摘要
公开用于非侵入式监测受检者的血液特性的传感器、设备和方法。该传感器包括发射器单元，配置成在多个测量波长发射通过该受检者的组织的辐射；和探测器单元，包括光电探测器。为了实现简单的传感器组件，这些光电探测器共同适应于接收这些多个波长处的辐射并且适应于对应于这些多个测量波长产生活体内测量信号，这些活体内测量信号指示由该受检者的血液引起的吸收。此外，这些光电探测器被安装使得从该发射器单元到这些光电探测器的光路不同，并且这些多个波长在这些光电探测器之间划分使得在光谱上邻近的两个光电探测器具有至少一个公共波长。该设备包括路径规范化单元，配置成将这些活体内测量信号规范化为对于这些光电探测器中的一个所特定的光路。
文档编号A61B5/0295GK102641126SQ20121004449
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月15日 优先权日2011年2月15日
发明者M·惠库 申请人:通用电气公司