无线手持组织血氧测量装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本专利申请主张于2012年8月10日提出的美国临时专利申请61/682, 146的权 益，并且是于2013年5月3日提出的美国专利申请13/887, 130、13/887, 152、13/887, 220、 13/887, 213和13/887, 178的部分延续，这些美国专利申请主张于2012年5月3日提出的 美国专利申请61/642, 389、61/642, 393、61/642, 395和61/642, 399的权益。这些申请和本 申请中引用的其他所有文献通过引用结合于此。
技术领域
[0003] 本发明一般地涉及监测组织中的氧水平的光学系统。更具体地，本申请涉及包括 在光学探头的传感器头上的源和检测器的光学探头，诸如紧凑、手持血氧计等。
【背景技术】
[0004] 血氧计是用来为了各种目的而测量人体和生物体的组织的氧饱和度的医疗装置。 例如，血氧计用于在医院和其他医疗设施（例如，用于外科手术的手术室、用于病人监护的 康复室，或者救护车或用于例如缺氧的救护其他移动监护）中的医疗和诊断目的；在体育 场的竞技体育目的（例如，专业竞技监护）；私人的或个体的在家监护（例如，一般的健康 监护或者个人马拉松训练）；以及兽医目的（例如，动物监护）。
[0005] 特别地，评估病人在区域水平和局部水平两者的氧饱和度是重要的，因为它是病 人健康状态的指标。因而，血氧计经常用在临床环境中，诸如在外科手术和康复过程中，在 此情况下可以怀疑病人的组织氧合状态是不稳定的。例如，在外科手术过程中，血氧计应该 能在各种非理想条件下快速地传送精确氧饱和测量结果。尽管现有的血氧计对于绝对精度 不太关键并且仅趋势数据就足够的手术后的组织监护已经足够，但是，在现场检查可以用 于确定组织是否保持存活或需要被移除的外科手术期间是要求精度的。
[0006] 脉搏血氧计和组织血氧计是以不同的原理工作的两个类型的血氧计。脉搏血氧计 需要脉搏来发挥功能。脉搏血氧计通常测量由跳动的动脉血引起的光吸收。相反，组织血 氧计不要求脉搏来发挥功能，并能用来对脱离血供应的组织瓣进行氧饱和度测量。
[0007] 作为例子，人体组织包括各种吸收光的分子。这种发色团包括含氧和缺氧血红蛋 白、黑色素、水、油脂和细胞色素。对于可见光和近红外光谱范围内的大部分光来说，含氧和 缺氧血红蛋白是最主要的发色团。在一定的光波长下光吸收对于含氧和缺氧血红蛋白来说 显著不同。组织血氧计能通过采用这些光吸收差异而测量人体组织中的氧水平。
[0008] 尽管现有的血氧计很成功，但是仍持续地期望通过例如改进测量精度，减少测量 时间，降低成本，减小尺寸、重量或者形状因子，降低功耗，以及由于其他原因以及这些任何 组合来改进血氧计。
[0009] 因而，需要改进的组织血氧测量装置和使用这些装置进行测量的方法。
【发明内容】
[0010] 实施例涉及包括光源和光检测器的紧凑手持组织血氧测量装置。装置实施方式是 完全独立的，不需要任何经有线或无线得到分开的系统单元的连接以进行氧饱和度测量。 源和检测器布置为具有各种源-检测器对距离的圆形布局，各种源-检测器对距离允许在 紧凑探头中进行稳健校正、自校准和空间分辨光谱。还可以有其他源-检测器布局。
[0011] 在实施方式中，装置是可以在不需要脉搏或心跳的情况下测量氧饱和度的组织血 氧计。本发明的组织血氧计适用于内科和外科（包括整形手术）的许多领域。组织血氧计 可以进行无脉搏的组织的氧饱和度测量；例如，这种组织可以已经从人体（例如，瓣）分离 并且移植到人体的另一个位置。
[0012] 根据一个实施例，组织血氧测量装置包括外壳，外壳包括容纳在外壳内的第一印 刷电路板。所述第一印刷电路板包括处理器和存储器，存储器耦合到处理器。外壳包括耦 合到处理器的显示器，其中，显示器从外壳的外侧可见。外壳包括容纳在外壳内的电池，电 池耦合到处理器和显示器。外壳包括耦合到外壳的外侧的探头前端，其中探头前端包括至 少第一传感器开口、第二传感器开口和第三传感器开口。第一距离在第一传感器开口和第 二传感器开口之间，第二距离在第一传感器开口和第三传感器开口之间。第一距离和第二 距离不相同。外壳包括存储在存储器中的可执行代码。可执行代码由处理器可执行，并且 包括第一代码、第二代码和第三代码，第一代码用以接收与第一距离的第一传感器开口和 第二传感器开口相关联的第一数据，第二代码用以接收与第二距离的第一传感器开口和第 三传感器开口相关联的第二数据，并且第三代码用以利用第一数据和第二数据进行空间分 辨光谱技术。
[0013] 根据具体实施例，第一传感器开口包括光源，第二传感器开口和第三传感器开口 包括光检测器。在替换实施例中，第一传感器开口包括光检测器，第二传感器开口和第三传 感器开口包括光源。
[0014] 根据另一个具体实施例，探头前端包括第一层，第一层包括第二印刷电路板，第二 印刷电路板包括第一光源；并且包括第二层，第二层在第一层的下方。探头前端还包括含 第一光检测器和第二光检测器的第三印刷电路板。探头前端的第三层在第一层和第二层之 间，并且包括放置在第一光源下的第一透镜。探头前端的第四层在第三层下方，并且包括放 置在第一透镜下的波导件。第三印刷电路板可以包括定位在第一透镜下方的第一孔。波导 件可以包括光纤。
[0015] 根据另一个具体实施例，所述可执行代码包括第四代码，用以基于第一数据和第 二数据计算估计氧饱和度值；和第五代码，用以使显示器显示估计氧饱和度值。
[0016] 根据另一个具体实施例，空间分辨光谱技术依赖于第一距离和第二距离是不相同 的。
[0017] 根据另一个具体实施例，第一传感器开口、第二传感器开口和第三传感器开口中 的至少一个包括光源；并且探头前端包括放置成与所述光源相邻的温度感测单元。温度感 测单元构造来生成代表光源的温度的温度信息。所述处理器被构造成接收温度信息并且如 果光源的温度改变，则基于温度信息调节供应到光源的振荡控制信号的工作周期，以调节 光源产生的亮度。。
[0018] 根据另一个具体实施例，探头前端刚性耦合到外壳，包括用于感测探头前端在组 织上的压力的压力传感器。外壳的长度是10英寸或更小，外壳的横轴为5英寸或更小。
[0019] 根据另一个具体实施例，一种方法包括将包括处理器和存储器的第一印刷电路板 装入外壳中，其中存储器耦合到处理器。该方法包括提供被耦合到处理器和外壳的显示器， 其中显示器从外壳的外侧可见。该方法包括将电池装入外壳中，其中电池耦合到处理器和 显示器。该方法包括形成外壳的结构以保持探头前端。探头前端耦合到外壳的外侧，并且探 头前端包括至少第一传感器开口、第二传感器开口和第三传感器开口。第一距离在第一传 感器开口和第二传感器开口之间，第二距离在第一传感器开口和第三传感器开口之间。第 一距离和第二距离不相同。该方法包括将探头前端构造成接收与第一传感器开口和第二传 感器开口相关联的第一数据；以及将探头前端构造成接收与第一传感器开口和第三传感器 开口相关联的第二数据。该方法包括将处理器构造成利用第一数据和第二数据进行空间分 辨光谱技术以确定氧饱和度值。
[0020] 根据具体实施例，该方法包括为第一传感器开口设置光源；和为包括光检测器的 第二传感器开口和第三传感器开口设置光检测器。根据一个替换实施例，该方法包括为第 一传感器开口设置光检测器；和为第二传感器开口和第三传感器开口设置光源。
[0021] 根据另一个具体实施例，该方法包括在探头前端中设置：第一层，第一层包括含第 一光源的第二印刷电路板；第二层，在第一层下方，第二层包括含第一光检测器和第二光检 测器的第三印刷电路板；第三层，在第一层和第二层之间，第三层包括放置在第一光源下方 的第一透镜；和第四层，在第三层下方，第四层包括放置在第一透镜下的波导件。该方法包 括在第三印刷电路板中形成定位在第一透镜下的第一孔。波导件可以包括光纤。
[0022] 根据另一个具体实施例，该方法还包括将处理器构造成基于第一数据和第二数据 来计算估计光饱和度值；和将处理器构造成使显示器显示估计氧饱和度值。空间分辨光谱 技术依赖于第一距离和第二距离是不相同的。
[0023] -旦考虑以下详细说明和附图，本发明的其他目的、特征和优点将变得清楚，其中 贯穿附图始终，相似的参考标记代表相似的特征。
【附图说明】
[0024] 图1是根据一个实施例的组织血氧测量装置的简化框图，并且示出了可以被包含 在组织血氧测量装置中的若干处理模块。
[0025] 图2是根据一个实施例的组织血氧测量装置传感器子系统的简化框图。
[0026] 图3是根据一个实施例的组织血氧测量装置采集模块的简化框图。
[0027] 图4是根据一个实施例的组织血氧测量装置测量模块的简化框图。
[0028] 图5是根据一个实施例的组织血氧测量装置电源的简化框图。
[0029] 图6是传感器子系统、采集模块、测量模块和电源的简化框图，并且示出了经过这 些元件或这些元件之间的信息流和功率流。
[0030] 图7A和图7B是根据一个实施例的组织血氧测量装置的两个整体立体图。
[0031] 图7C是组织血氧测量装置的侧视图。
[0032] 图7D是组织血氧测量装置的视图，在该视图中外壳显示为基本透明并且示出了 放置在外壳中的各个元件。
[0033] 图7E、图7F和图7G是外壳的前端部和传感器头的进一步放大图。
[0034] 图7H是传感器头的替换视图。
[0035] 图71是外壳的前端部的端视图。
[0036] 图7J是外壳的盘状端的简化俯视图。
[0037] 图7K是保持架的简化图。
[0038] 图8A和图8B是由用户的手握住使用的组织血氧测量装置的图像。
[0039] 图9A是根据一个实施例的探头前端底部的简化端视图。
[0040] 图9B是根据替换实施例的探头前端底部的简化端视图。
[0041] 图IOA和图IOB分别是构成传感器子系统至少一部分的源-传感器组件的简化立 体图和分解图。
[0042] 图IOC是源印刷电路板的简化主视图。
[0043] 图IOD是检测器印刷电路板的简化主视图。
[0044] 图IIA是源-传感器组件的截面图，并且示出了从发光元件的一者射出且经过透 镜的一者以及光纤电缆的一者地光。
[0045] 图IlB是根据一个替换实施例的源-传感器组件的截面图，在该图中隔板和光纤 电缆是细长的。
[0046] 图12是根据一个实施例的用于校准每个光-检测器对的方法的高级别流程图。
[0047] 图13是根据一个实施例的用于校准光检测器的方法的高级别流程图。
[0048] 图14是根据一个实施例的在使用组织血氧测量装置期间用于检测异常现象的方 法的高级别流程图。
[0049] 图15根据一个实施例的用于校准由光源发射的光量的方法的高级别流程图。
[0050] 图16是由光源的一者中的发光元件（例如，8个LED)产生的光的简化示意图。
[0051] 图17是反射率曲线的示例性图，该图可以用于光源和光检测器的特定结构。
[0052] 图18A是用于确定组织光学性质的方法的高级别流程图。
[0053] 图18B是根据一个实施方式的用于在精细网格中寻找最能匹配反射率数据点的 特定模拟反射率曲线的方法的高级别流程图。
[0054] 图19是用于通过组织血氧测量装置确定组织光学性质的另一种方法的高级别流 程图。
[0055] 图20是用于对由选定光检测器产生的反射率数据进行加权的方法的高级别流程 图。
[0056] 图21示出了力感测电阻的后视图和主视图。
[0057] 图22A和图22B是显示器的简化图。
[0058] 图23是用于测量探头前端对被探测组织的压力的方法的高级别流程图。
[0059] 图24示出了探头前端的实施例，在该实施例中探头前端300包括组织标记器的至 少分配器部分。
[0060] 图25是用于标记组织以指明组织氧饱和度范围的方法的高级别流程图。
【具体实施方式】
[0061] 光谱学已经用于动物和人类主体中各种生理特性的无创测量。经常利用可见光 (例如，红光）和近红外光谱，这是因为生理组织在这些光谱范围中具有相对低的散射。例 如，人体组织包括许多吸光发色团，诸如含氧血红蛋白、缺氧血红蛋白、黑色素、水、油脂和 细胞色素等。对于可见光和近红外光谱范围中的大部分来说血红蛋白是组织中主要的发色 团，并且血红蛋白通过光吸收促成人体组织的颜色。在可见光和近红外光谱范围中，含氧和 缺氧血红蛋白具有非常不同的吸收特征。因而，已经应用可见光和近红外光谱以利用这些 不同的吸收特征来测量生理介质中的氧水平，诸如组织血红蛋白氧饱和度（有时称为氧饱 和度）和总血红蛋白浓度等。
[0062] 对于可见光和近红外光谱，已经研发了各种技术，诸如时间分辨光谱法（TRS)、频 域技术（诸如相位调制光谱（PMS)等）和连续波光谱（CWS)。在生理介质的均匀和半无限 模型中，TRS和PMS两者已经被用来通过光子扩散近似或者蒙特卡洛模型来获得生理介质 的吸收系数和优化散射系数。从多波长处的吸收系数，能确定含氧和缺氧血红蛋白的浓度， 并且从这些浓度能够计算组织氧饱和度。
[0063] CWS通常没有足够的信息将散射和吸收的效果分开。因而，通常不能将含氧和缺氧 血红蛋白的浓度相互分隔开。CWS已经通常用于求解改进的比尔兰伯特方程式，该方程式要 求关于组织散射的假设，并且按比例地（ratiometrically)使用两个或两个以上的波长以 抵消光学路径长度，否则将要求求解该方程式。常用形式的CWS仅仅提供相对氧饱和度，不 能提供绝对氧饱和度或者含氧和缺氧血红蛋白的浓度。
[0064] 尽管TRS和PMS能够提供血红蛋白浓度和绝对氧饱和度，但是TRS和PMS设备的 一个主要缺陷是设备笨重且相对昂贵。另一个主要缺陷是这两个技术难以通过相对小体 积的组织进行测量（即，几毫米内的"局部"测量）。由于与通过小体积组织的短渡越时间 相关联的较小时间变化或相移，这些技术通常用于"区域性"测量（最小1厘米）。相反， CWS设备可以以较低的成本制造，但是通常如上所述在使用上受到限制，除非通过包括宽波 段光谱信息或者通过包括空间信息来进行增强。尽管目前基于CWS的探头已经证明足以用 于其中测量速度不太关键并且相对而非绝对的绝对饱和度测量受关注的术后组织监控。然 而，目前可用的探头已经示出在手术中使用时由于常见的CWS假设给出不准确的饱和度测 量。当前描述的发明的实施例相较于已知装置提供了在组织血氧测量上的改进。
[0065] 空间分辨光谱（SRS)是一种可见和近红外光谱，其允许独立于组织散射而确定组 织吸收，从而允许发色团（例如含氧和缺氧血红蛋白）浓度的绝对测量。更具体地，SRS仪 器可以通过光源将光发射到组织中，并在放置于距光源不同距离处的两个或两个以上检测 器上收集漫反射的光。
[0066] 可替换地，SRS仪器可以发射来自两个或两个以上光源的光，该光源放置在距一个 或多个检测器不同的距离处。光返回到检测器的散射是由组织的折射率的相对变化引起 的，并包括来自诸如线粒体等的较大结构的米氏散射（大部分组织散射是线粒体的结果） 和来自诸如细胞内囊泡等的较小结构的瑞利散射。光的吸收是通过与发色团相互作用而引 起的。
[0067] 根据反射率（即，恢复光强度），SRS仪器能量化在单一波长下组织的吸收系数和 散射系数，其中反射率是距光源的距离（例如，光检测器的多个离散距离）的函数。
[0068] 之后可以与SRS -起使用多个光波长来确定含氧和缺氧血红蛋白浓度，并且因此 确定被探测组织体积内的氧饱和度。此外，光源或多个光源的波长和（多个）光源相对于 检测器的相对位置允许对预定组织深度进行组织血氧测量。
[0069] 使用可见光和近红外光谱（例如SRS)的一个领域是在组织瓣外科手术中，组织 瓣从病人的一个位置移动到另一位置以进行修复外科手术。可见光和近红外光谱技术可 以用来测量组织瓣中的氧饱和度，使得在外科手术中和外科手术之后可以确定组织瓣的存 活性。采用可见和近红外SRS的术中组织瓣血氧探头应当能够在各种非理想条件下快速 地传递精确氧饱和度测量结果。于2013年5月3日提出的描述可以使用空间分辨光谱的 组织血氧测量装置的美国专利申请13/887, 130、13/887, 220、13/887, 213、13/887, 178和 13/887, 152通过引用整体结合于此。
[0070] 组织血氧测量装置
[0071] 本发明的实施例涉及组织血氧测量装置，该装置使用SRS以提供含氧血红蛋白和 缺氧血红蛋白的浓度，组装血氧测量装置可以从这