血氧计的制作方法

专利名称：血氧计的制作方法
技术领域：
本发明涉及血氧计和活组织中流动血液的氧合测量领域。
背景技术：
血氧计，尤其是脉搏血氧计被广泛用于测量患者血液的氧合情况，因为它们提供了监测氧饱和血红蛋白比例的非侵入性简单方法。通过脉搏血氧定量法连续监测氧饱和度 是一种护理标准，用于手术室、麻醉后护理室、危急护理室、急诊部等中。脉搏血氧计通常包括两个小的发光二极管，分别发射通常在频谱的红色和红外部 分中的不同波长的光。利用光电二极管收集发射光中由患者身体一部分，通常为指尖或耳 垂，的组织透射或反射的部分。由于这些不同波长在氧合血红蛋白及其脱氧形式之间的吸 收不同，因此可以分别从所收集的红色和红外光的比例确定氧饱和的血红蛋白比例。从US 5595176可知这种脉搏血氧计。常规脉搏血氧计的本质特征是它们依赖于所收集信号的脉搏部分，以便将脉动的 血流与静态组织区分开。因此，脉搏血氧定量法在低血液灌注下性能较差。此外，对于这种 测量而言患者的不自主运动可能会带来麻烦，导致测量精度不佳或测量结果有缺陷。

发明内容
本发明的目的是提供这样一种血氧计，其在低灌注下性能良好且还能够进行可靠 的测量。通过一种用于测量活组织中流动血液的氧合和至少一个其他参数的血氧计实现 这一目的，包括向组织中发射不同波长光的两个光源，其中所述光源中的至少一个是具有发射激光束的激光腔的激光器，所述激光器适于让 激光束中被所述组织散射的部分再次进入所述激光腔中，并且其中提供用于测量从所述激光器发射的光的激光束传感器，因此，所述激光束传感器 获得根据原始激光束和散射激光束之间的自混合干涉效应而变化的信号。因此，本发明的重要特征在于，将血氧计的至少一个光探测器设计为适于自混合 干涉测量(SMI)的激光器。这意味着允许从激光器发射且被组织散射的光再次进入激光 腔。反射回激光腔中的光和激光腔中已经存在的光之间的干涉导致激光器中的功率波动。 可以利用激光束传感器测量这些功率波动，由于再次进入激光腔的光是被从运动物体，例 如运动的血细胞反射回来的，从而其频率是被多普勒频移的。结果，激光腔中的功率波动由 多普勒频率确定。因此，可以利用已知的将频移与速度关联在一起的多普勒公式测量运动 血细胞的速度。于是，本发明提供了在具有下文所述多项优点的单个装置中进行血氧定量 和激光速度测量的可能。通常，可以直接将激光束辐照到组织上而无需任何额外的光学部件。然而，根据本 发明的优选实施例，提供透镜以通过该透镜向组织中照射激光束。对于该透镜而言，可以使用不同的焦距。然而，根据本发明的另一优选实施例，用于向组织中照射激光束的透镜的焦 距等于或小于2mm。通过这种方式，收集到光的反射部分，从而更多光可以再次进入激光腔 中。因此，来自激光束传感器的信号表现了更好的S/N比。通常，在操作血氧计期间，可以将被照射组织保持距激光器和/或透镜一定距离。 这意味着会在激光源和组织之间提供空气间隙。然而，根据本发明的优选实施例，透镜适于 直接接触被照射组织。这样的优点在于可以避免组织相对于激光器的运动或至少使其最小 化。因此，可以减轻由于组织运动导致的多普勒频移效应。可以连续地操作血氧计。然而，根据本发明的优选实施例，提供脉冲控制器以实现 激光器的脉冲操作。尤其是，该脉冲控制器可以适于在20ms或更少的测量时间期间以大约 IHz的操作频率操作激光器。这允许在低功率状态下操作，对于所用种类的电源而言，尤其 是在血氧计作为便携式装置的情况下，这是有利的。通常，血氧计无需必须包括任何额外设施。然而，根据本发明的优选实施例，提供 力致动器以通过预定义压力向被照射组织挤压激光器。如下文进一步更详细所述，这样提 供了额外测量血压的可能。通常，力致动器的压力可以是预定义的恒定压力。然而，根据本发明的优选实施 例，提供压力控制器以施加随时间变化的预定义压力。这能够进行精确的血压测量。此外，根据本发明的优选实施例，提供光探测器，以探测发射到所述组织中的光的 透射和/或反射部分。该光探测器能够进行常规脉搏血氧定量法。根据本发明的另一优选实施例，提供了运动探测器以基于激光束传感器的信号和 光探测器的信号探测被辐照组织的运动。此外，根据本发明的优选实施例，提供运动处理 单元，以在探测到组织运动时拒绝测量结果或基于探测到的组织运动校正测量结果。这意 味着，根据本发明的这一优选实施例，分别利用光探测器和激光束传感器接收的两个不同 信号，以便消除或至少探测源于被辐照组织相对于激光器的相对运动而非来自血流本身的 伪迹。如果探测到组织相对于激光器的运动太大，拒绝测量结果，并可以指出必须要重复测 量。此外，还可以校正这样的测量，这意味着尽管组织相对于激光器运动，也获得了可靠的 结果。如上所述，如果仅将血氧计光源之一设计为激光器，就足够了。然而，根据本发明 的优选实施例，两个光源都被设计成分别具有对应激光束传感器的激光器。这实现了下文 所述的更多可能性。通常，血氧计适于基于被光探测器接收的光强度与分别从第一光源和第二光源透射和/或反射的光强度的比例提供Sp02值。然而，根据本发明的优选实施例，提供S02以基 于两个激光束传感器的信号确定和指示S02值。这意味着，根据本发明的这一优选实施例， 不仅能够在灌注足够的正常情况下测量和指示血液氧合，而且能够在由于心跳最小而导致 血流脉动时在低灌注下进行测量和指示。此外，本发明的这一优选实施例还能够快速启动 血氧计，因为可以在第一测量周期中进行S02测量，第一测量周期可以短到20ms或更少。


参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明了并得到阐述。在附图中
图1是根据本发明第一优选实施例的血氧计示意图；图2a是在两个时刻，即在动脉脉动期间和非脉动动脉，红外激光的多普勒频移谱 曲线图；图2b是随时间变化的频谱的脉动部分的曲线图；图3示出了利用脉搏血氧定量光电二极管和红色激光器的监测光电二极管取得 的光谱；图4是根据本发明第二优选实施例的血氧计示意图；图5示出了监测光电二极管频谱随着心动周期的变化；图6a示出了在使劲按压指尖时测到的心脏搏动；图6b示出了在轻柔按压指尖时测到的心脏搏动；以及图7分别示出了心舒期和心缩期的过渡。
具体实施例方式从图1可以看到根据本发明第一优选实施例的血氧计示意图。这种血氧计用于患 者的指尖1上，包括在光谱红色部分中发光的红光激光器2、在光谱红外部分中发光的红外 激光器3和脉搏血氧定量光电二极管4。红光激光器2和红外激光器3均分别拥有透镜5、 6和监测光电二极管7、8。两个透镜5、6都具有1. 5mm的焦距，并分别在指尖1、红光激光器 2和红外激光器3之间提供。由于指尖1直接接触透镜5、6，因此指尖1相对于激光器2、3 的相对运动得到最小化。此外，分别提供用于红光激光器2和红外激光器3的监测光电二 极管7、8以测量从每个激光器2、3发射的光。如下操作图1所示的根据第一优选实施例的血氧计由于红光激光器2在660mm 的波长操作，红外激光器3在950mm的波长操作，因此可以通过常规公知方式使用脉搏血氧 定量光电二极管4接收的信号来通过脉搏血氧定量法确定血液的氧合情况。此外，由于红 光激光器2和红外激光器3都适于使分别由这些激光器2、3发射的激光束的一部分再次进 入相应激光腔，所以在激光器2、3中实现了自混合干涉效应。这意味着，由于再次进入相应 激光器2、3腔中的激光束一部分，因此发生激光器2、3的功率波动。在监测光电二极管7、 8的帮助下观察这些功率波动，监测光电二极管7、8测量从相应激光器2、3发射的光。如上文已经所述，激光器2、3的功率波动是由于再次进入相应激光器2、3的激光 束部分因为光在运动的红细胞处被反射而发生多普勒频移。根据多普勒公式，多普勒频移 与红细胞的速度相关<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，Δ f是多普勒频移，ν是红细胞的速度，λ是照射的波长。从图2a可以看出在两个时刻，即在动脉脉动期间和非脉动动脉，红外激光器3的 多普勒频移谱。这意味着多普勒频移谱包括两部分脉动部分(P)和非脉动部分(np)。脉 动部分涉及在动脉中运动的血液的一部分。在这里，流动血液的量随着脉搏以及速度分布 而变化。如所周知，静脉中血液速度是恒定的，不会“感知”到脉搏。于是，静脉在频谱的非 脉动部分中反映出来。从图2b，示出了频谱的脉动部分及其随时间的变化。这反映出心脏 搏动。
根据本文描述的第一优选实施例，将这种多普勒频移信息与常规血氧计组合。单 个红细胞散射的激光量不会显著取决于氧浓度。然而，被吸收的光量强烈取决于氧浓度。这 是常规脉搏血氧定量法的原理动脉中氧越多，就吸收越多的红外光且吸收越少的红光。可以通过类似于通常脉搏血氧定量法的方式分析多普勒频谱。例如，红光激光器 2的脉动区域中的频谱能量可以视为<formula>formula see original document page 6</formula>
这个值根据患者脉搏而随时间变化。于是，这个值的一部分代表动脉中流动的血 液散射的光，考虑对应的频率范围可以更好地研究这部分，然后可以将其与速度相关
<formula>formula see original document page 6</formula>如果仅考虑单散射事件，可以在一定程度上假设被动脉反射的成分与负责散射的 红细胞数量成比例，从而与在动脉中脉动的血液量B(t)成比例
<formula>formula see original document page 6</formula>
第二项f 在时间上是恒定的，并且分别取决于动脉和静脉中的氧浓度cA和Cv以 及其他本地因子，例如血细胞速度的分布。它直接量化了被吸收的该频率范围(ω” ω2)内 光的量。如果测量脉冲中的变化，这会获得<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>如脉搏血氧定量法通常所做，仅可以看到动脉的变化。此外，如果简化到单散射时 间，这仅仅与动脉散射的血液相关。可以针对红外激光器3写出同样的表达式，其中脉动血液的量B(t)相同<formula>formula see original document page 6</formula>
通过两者相除，可以消除给出脉动血液量的项B(t)
<formula>formula see original document page 6</formula>此外，可以对激光器2、3给出且可能随时间波动的光量进行校正
<formula>formula see original document page 6</formula>如果不仅仅考虑单散射事件，则必需要使用函数f (ω ρ ω2，cA, cv)，可以通过校准 确定该函数。因此，在校准之后，可以通过比较红光和红外光谱测量动脉中氧浓度Ca和静 脉中氧浓度Cv之间的关系。在超出单散射事件的情况下，必需要解除分别对应于静脉和动脉的两项。可以使 用更多自由度，例如不同的频率范围。静脉和动脉中的速度分布不同，它们在多普勒频移光 谱不同部分中将是不同的。此外，可以使用不脉动的项。这种项更多地涉及到不脉动的静脉中流动的血液。利用所有这种信息，能够更精确地分别确定动脉和静脉中的氧。以上项仅反映脉搏的变化。然而，可以将该方法扩展到在低灌注下的测量，在低灌 注下几乎没有脉搏。在这种情况下，必须要依赖与时间无关的整个频谱，因为没有脉搏
^m^Alm. = m,a>2,cA,cv)(9)
丛红外(岣，出2) 1 贱如果对整个频谱积分，就接收到血液中的平均浓度。因此，这是S02值。还可以在 有意去除血液中脉动成分时使用这种方法。在这种情况下，当血液体积没有变化时，仍然可 以使用公式(9)给出的多普勒信息获得血液的氧浓度。此外，还可以将这种方法用于低功耗和/或S02血氧计的快速启动。这是可能的， 因为在非常短时间内，即大约10-20ms内进行测量，且不必监测完整的脉搏。为了在低功率 状态下操作，对于S02测量而言，每秒钟仅将激光器2、3打开10-20ms。激光器2、3的典型 功耗在cw模式下大约为lmW。于是，在脉动模式中可以实现微秒的十分之几。这也是可能 进行快速启动的原因，因为不需要等待多个脉搏。从图1可以看出，为根据本发明第一优选实施例的血氧计提供用于在脉冲模式下 操作血氧计的脉冲控制器9和用于如上所述确定和指示S02值的S02单元10。此外，根据 第一优选实施例的血氧计包括如下文所述操作的运动探测器11和运动处理单元12 常规血氧计的主要问题之一是在患者不自主运动期间的运动伪迹。在患者的运动 导致血氧计将运动不正确地解译为脉搏信号或在运动伪迹防止精确检测到患者真实脉搏 信号时，出现这种伪迹。这可能导致假警报和错误测量结果增多。利用根据本发明第一实施例的血氧计，将两个光源都设计成适于自混合干涉测量 的激光器2、3。这提供了涉及血氧计相对于被辐照组织，如从患者指尖1处，的运动的额外 信息。可以将这种信息用于校正脉搏血氧定量光电二极管4中存在的伪迹或简单地拒绝数 据，因为检测到运动因此数据是不可靠的。图3示出了分别利用脉搏血氧定量光电二极管4和红光激光器2的监测光电二极 管7取得的光谱。分别针对低频和高频示出了利用监测光电二极管7接收的信号，在两种 情况下都针对其能量和第三动量。从利用脉搏血氧定量光电二极管4取得的频谱看出，在时间20s时，开始运动，于 是在脉搏血氧定量光电二极管4的信号中不能观察到更多心脏搏动。为了避免对来自脉搏 血氧定量光电二极管4的这种信号做出任何误解，为运动探测器10馈送来自监测光电二极 管7的信号。从图3可以看出，尤其是低频下来自监测光电二极管7的光谱在时间20s时 表现出突出的信号变化(圈起的部分)。因此，通过监测来自监测光电二极管7的信号，可 以检测到运动，从而可以由运动处理单元12拒绝测量结果。从图4可以看到根据本发明第二优选实施例的血氧计。与根据本发明第一优选实 施例的血氧计相比，在这里，还提供了用于将激光器2、3压在指尖1的被照明部分上的力致 动器13以及用于施加随时间变化的预定义压力的压力控制器14。如下文所述，这样实现了 同时测量血压的可能。监测光电二极管7、8测量指尖1内部的红细胞速度。为了看到这一信息，将测量 数据分成10ms的时段。计算这些时段的每个的频谱。在图5中示出了这些频谱中的一些连同测量它们的相对时间，所有频谱都针对同样的力。图5示出了频谱在大约10kHz到40kHz频率之间上下“舞动”。这是心动周期的 效果频谱的这种变化的频率是心率。可以利用多普勒频移公式获得测量的速度，且它们对 应于在与透镜5、6焦距对应的深度处的预期血流速度，根据本发明的优选实施例，焦距为 1. 5mm0如果在特定频率范围中积分频谱并根据时间在该频谱中绘制能量，则可以根据时 间绘制信号。所得的信号表示心脏搏动，并取决于所施加的力，如图6所示。在测量血压期间，由压力控制器14增大力致动器13将激光器2、3压在指尖1上 的力，并针对力的每个值测量一定数量的频谱。在施加的压力低于舒张压时，血液在整个心 动周期中都流动。在将指尖1上的压力增大到高于舒张压的值时，毛细血管破裂，血液停止 流动。为了测量血压，可以确定监测光电二极管7、8之一的频谱中的主频率。频谱的“舞 动”示出了大约10kHz到40kHz的频率范围。在增大指尖1上的力时，频谱的活跃(active) 部分偏移到较低频率。这种偏移持续到1kHz和2kHz之间的频率是最活跃频率为止。活跃 频率的这种偏移也是心舒和心缩过渡的指示。用于评估最活跃频率的方法如下1.对于每个心动周期，计算利用监测光电二极管7取得的所有频谱。2.对于每个频率，评估所有这些频谱的最大值和最小值。3.对于每个频率，计算该最大值和最小值的比例。4.该比例最大时所处的频率是最活跃频率。5.针对每个心动周期评估该主频率，并相对于力致动器13施加的力绘制主频率。图7中示出了所得图的范例，连同从高主频率到低主频率的过渡。通过在一分钟 时间内缓慢增大指尖1上的力来测量这种过渡。可以看出，在力增大时，主频率减小。两种 过渡分别指出手指反射器收缩期和舒张期过渡。结果，与常规血氧计相比，本发明实现了如下优点血氧计对环境光更加鲁棒，因为它不像常规脉搏血氧定量法那样依赖于光的绝对 强度。可以依赖不同的多普勒频移频率带和脉动成分测量静脉和动脉中的氧含量。多普勒频移血氧定量法提供了在低灌注下血液中氧的平均浓度，即静脉和动脉中 氧的平均浓度。即使在这种情况下几乎可能没有脉搏，但存在来自运动血液的信号，且被组 织吸收的光量取决于氧浓度。可以在低功率状态下操作血氧计，因为它仅需要十分之几秒的测量，并且还可以 在脉冲模式下操作它。因此，该装置还可以具有更快启动。尽管已经在附图和前述说明中展示和描述了本发明，应当将这种展示和描述视为 例示性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域的技术人员通过 研究附图、公开和所附权利要求实践所主张的发明，可以理解和实施对公开实施例的其他 变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除多个。在 互不相同的从属权利要求中提到某些措施这一简单事实不表示不能出于有利的目的使用 这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被理解为限制范围。
权利要求
一种用于测量活组织中流动血液的氧合和至少一个其他参数的血氧计，包括向所述组织中发射不同波长的光的两个光源(2，3)，其中所述光源(2，3)中的至少一个是具有发射激光束的激光腔的激光器，所述激光器适于让所述激光束中被所述组织散射的部分再次进入所述激光腔中，并且其中提供用于测量从所述激光器发射的光的激光束传感器(7，8)，由此，所述激光束传感器(7，8)获得根据原始激光束和散射激光束之间的自混合干涉效应而变化的信号。
2.根据权利要求1所述的血氧计，其中，提供透镜(5，6)，用于将所述激光束通过所述 透镜(5，6)照射到所述组织中，所述透镜(5，6)优选具有等于或小于2mm的焦距。
3.根据权利要求2所述的血氧计，其中，所述透镜(5，6)适于直接接触被照射的所述组织。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的血氧计，其中，提供用于所述激光器的脉冲操 作的脉冲控制器(9)。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的血氧计，其中，提供力致动器(13)，用于以预 定义压力将所述激光器压到被照射的所述组织上。
6.根据权利要求5所述的血氧计，其中，提供压力控制器(14)，用于施加随时间变化的 预定义压力。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的血氧计，其中，提供光探测器(4)，用于探测 发射到所述组织中的光的透射和/或反射部分。
8.根据权利要求7所述的血氧计，其中，提供运动探测器(11)以基于所述激光束传感 器(7，8)的信号和所述光探测器(4)的信号探测被辐照的所述组织的运动。
9.根据权利要求8所述的血氧计，其中，提供运动处理单元(12)，用于在探测到所述组 织的运动时拒绝测量结果或基于探测到的所述组织的运动来校正测量结果。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的血氧计，其中，两个光源(2，3)都分别被设 计为具有激光束传感器(7，8)的激光器。
11.根据权利要求10所述的血氧计，其中，提供S02单元(10)，用于基于两个所述激光 束传感器(7，8)的信号确定和指示S02值。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量活组织中流动血液的氧合和至少一个其他参数的血氧计。根据本发明，血氧计包括向组织中发射不同波长光的两个光源(2，3)，以及用于探测发射到所述组织中的光的透射和/或反射部分的优选的光探测器，其中至少一个所述光源是具有发射激光束的激光腔的激光器，所述激光器适于让激光束中被所述组织散射的部分再次进入所述激光腔中，并且其中提供用于测量从所述激光器发射的光的激光束传感器(7，8)，因此，所述激光束传感器(7，8)获得根据原始激光束和散射激光束之间的自混合干涉效应而变化的信号。因此，提供了这样的血氧计，这种血氧计在低灌注下性能良好且还能够进行可靠的测量。
文档编号A61B5/00GK101808570SQ200880108672
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月27日
发明者C·普雷苏勒, C·海因克斯, G·N·加西亚莫利纳, G·霍夫特, O·祖赫 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司