用于CO₂评估的方法和装置的制作方法

专利名称：用于CO₂评估的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对患者的血液中的(X)2水平的评估。本发明的一些实施方案涉及基于 对与血液动力参数相关的一个或多个信号的无创检测导出(X)2水平的评估。
背景技术：
人类和其他生物的血液中的CO2(二氧化碳)的水平具有一些重要的生物功能，例 如呼吸速率和深度控制、肌肉收缩或小动脉的扩张，其中通常较高的阻力是由于血管收缩 并且较低的阻力由于血管扩张。明显地，测量和监测CO2水平的能力具有重要的临床价值。实际上，已经开发出用 于测量该参数的不同的方法和设备。已知的设备包括测量血液样本中的CO2水平的实验室 测试装置、直接从动脉导管测试CO2水平的设备、测量呼出的空气中的(X)2水平(通常与血 液(X)2水平有良好的相关性)的二氧化碳监测仪或二氧化碳监测计或使用连接于皮肤的受 热电极的测量组织的局部二氧化碳气体张力的经皮(X)2监测器。虽然这些设备可以提供有 价值的信息，但是它们通常昂贵并且需要一次性元件，且这些设备中的一些(例如动脉内 传感器)是有创的。虽然CO2监测是用于呼吸的评价的主要参数，但是在某些临床情况(例如紧急状 况)下，CO2监测可能是繁重的。例如，连接于患者的鼻子的二氧化碳监测仪套管可能脱落 并且不能提供可靠的值。在现有的公布中公开了用于患者体内的(X)2的测量的方法和装置，其中的一些方 法和装置在下文作为例子被引用。美国专利6，741，876涉及通过光谱对血液成分包括(X)2的测量；美国申请 2007/0129645涉及有创地测量呼吸波形并且从呼吸波形参数推导CO2水平；美国专利 6，819，950涉及对两个位置处的血液吸收的无创测量以及从pH参数推导CO2水平；美 国专利7，405，055涉及使用单个设备通过特定的公式测定血液成分，包括CO2 ；美国申请 2007/0027375涉及对两个位置处的血液流动的无创测量以及从测量的平均值推导CO2水 平；美国专利5，766，127涉及在大约相同的位置处的同时光谱测量以推导血液灌流；美国 专利7，341，560涉及通过位于单个身体部位上的多个光源和检测器来监测血液参数；美 国专利6，942，622涉及监测包括(X)2的血液/血液动力参数对自主神经紧张度的影响；美 国专利6，501，975涉及将用于导出血液气体浓度的来自一个位置的两个血液信号相关联； 美国专利6，826，419涉及将用于导出血液气体浓度的来自一个位置的两个血液信号相关 联；美国申请2004/0204638涉及将用于导出血液成分浓度的来自一个位置的两个血液信 号相关联；美国专利7，351，203涉及在单个位置处的协变量监测，包括监测(X)2 ；美国申请 2005/0076909涉及协变量监测，包括CO2，但是没有(X)2的衍生；美国申请2004/0236240涉 及基于血液参数(包括CO2，但是没有(X)2的衍生)监测呼吸状况；美国专利7，225，013涉 及使用用于预测患者体内的变化的CO2信号；美国专利7，195，013涉及使用CO2信号来调制 自主功能；以及美国专利6，896，660涉及协变量监测，包括作为估计组织灌注的单个参数 的 CO2。
发明概述大体上，本发明涉及通过处理与患者的一个或多个血液动力参数相关的一个或多 个检测到的信号来导出患者的血液中的(X)2水平的评估。优选地，信号被无创地检测。为了简洁和清楚起见，没有限制地，并且除非另有说明，与血液动力参数相关的信 号或其部分或血液动力参数的信号或其部分在本文中被可互换地表示为“血液动力信号” 或“血液动力波形”。因此，本发明的一般方面涉及用于通过以下操作来评估患者的(X)2水平的方法和 装置在患者的身体处检测来自至少一个组织(例如器官或其部分)的至少一个血液动力 信号，处理(采用)至少一个血液动力信号以导出与患者的CO2水平相关的值，并且基于导 出值与(X)2的关系确定对患者的(X)2水平的评估，其中在一些实施方案中，导出值构成对(X)2 水平的评估。本发明的一个方面涉及用于在患者的身体的部位处检测来自组织的血液动力信 号、处理波形并且导出与患者的CO2水平函数地相关的值的方法和装置。在本发明的一些 实施方案中，患者的CO2水平从导出值被线性地确定。本发明的另一个相关的方面涉及用于同时从多个组织检测血液动力信号、处理信 号并且基于信号之间的相互关系导出与患者的CO2水平函数地相关的值的方法和装置。在本发明的一些实施方案中，使用患者的一个部位来检测多个下层组织。可选地 并且可替换地，使用多个部位来检测下层组织。在本发明的一些实施方案中，信号之间的相互关系是由于不同的身体器官或组织 中的血管床的响应的生理差异。虽然大部分血管中的CO2水平的变化影响血液动力参数 在某个方向上的变化，但是交感神经系统活动的变化影响不同的器官(例如肌肉相对于皮 肤)中在相反的方向上的变化以及其他器官(例如脑)中的不同幅度的变化。在本发明的一些实施方案中，基于血液动力参数之间的同时的相关性的对CO2水 平的评估可以在例如精确性和/或重复性和/或患者之间的一致性和/或对相对于基于单 个参数的评估的校准的可靠性方面提供更好的性能，而被同时检测的信号之间的相互关系 可以用于评价自主神经系统的活动。在本发明的一些实施方案中，(X)2水平被周期性地评估，可选地提供对患者的CO2 水平的连续监测。在一些实施方案中，检测器连接于其它部件或与其它部件集成，这些部件提供用 于评估和/或监测患者的(X)2水平以及可选地用于执行其他活动例如患者的其他参数的导 出和计算、存档、趋势分析、关联以及与其他系统的连接的系统(装置)。在本发明的一些实施方案中，系统包括处理器或与处理器连接，并且包括介质或 与介质连接，该介质包括或存储实现用于处理所获得的信号并且执行计算以获得患者的 CO2水平的值的算法的程序。典型地并且可选地，系统包括介质或与介质连接，该介质包括 或存储控制信号检测和/或操作接口或任何被设计的活动的程序。可以使用适合于检测和获得血液动力信号的任何足够新的或定制的其他的设备。 用于获得血液动力信号的一些检测器是本领域已知的，包括标准(现货供应的)设备并且 包括无创设备。例如，无创检测器，例如用于检测脑血管中的流动的经颅多普勒超声探针 (TCD)或IR/可见光指夹式无创血流参数检测仪(PPG)探针或血氧计，其中标准设备被可选地修改或调整。 在一些实施方案中，检测到的信号可选地用于除(X)2评估之外并且作为对(X)2评估 的互补的值还获得其他值，无论是通过本领域已知的方法和/或设备或其修改还是通过新 的方法和/或设备。例如，其他血液动力测量、心律、血氧饱和度(SpO2)、呼吸深度、呼吸速 率和变化性、血压以及其变化、或心率以及其变化性。这些其他值也可以用于评价患者状况 和/或调整或修正(X)2评估。在说明书和权利要求中，以下术语以及其派生词和词尾变化形式表示下面的相应 的非限制性的特征化。患者——人类和其他非人类哺乳动物。(患者的)血液中的(X)2水平——足够接近来表示临床状态或生理状态的血液中 的(X)2部分压力或其近似值。例如，作为与二氧化碳监测计的K(X)2的相关性或与例如通过 动脉内(X)2分析器对血液样本的直接测量的相关性。血液动力(信号、参数)——与器官或组织或其部分的一个或多个血管中的血液 流动相关。例如，对血液流动的阻力或与阻力相关联的数学指数(例如脉动指数(PI)、阻力 指数(RI)、S/D心脏收缩与心脏舒张的比率(S/D)、血液流动速度)、或与流动或阻力相关联 的其他数学指数或其推导和/或组合。组织——患者的身体的组织或其部分或某个器官或其部分。(患者的)部位——患者的身体内或上的位置，例如皮肤的一片或区域，或肌肉的 一部分。波形/曲线——信号或数据或其部分的变化的表示(不排除具有恒定的信号或数 据的间隔)。信号——代表某种物理的或生理的现象的值，通常以数字形式作为一系列数值。(信号的)获得/检测——通过检测器(传感器)获得以适合于处理的形式的、通 常作为可被处理器访问的一系列数字读数的信号。例如，来自传感器的随后被转换为数字 形式(ADC)的模拟信号。检测器/传感器——用于获得一个或多个生物信号的设备或其他设备。除非另有 说明，或从上下文中很明显，术语“检测器”和“传感器”可以互换地使用，并且不论是否涉 及系统的基本部件或子单元。根据上下文并且没有限制地，被获得的信号或其部分(例如对于某个时间跨度) 被表示为“信号”。根据上下文并且除非另有说明，心动周期或心动周期的信号或其表示被表示为 “周期”。除非特别地说明，术语“阻力”和“顺应性”在本文中可互换地使用，表示血液流动参数。根据本发明的一些实施方案的一个方面，提供了用于评估患者的(X)2水平的方法， 其包括(a)在患者的身体上检测来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号；(b)处理至少一个血液动力信号，以导出与患者的CO2水平相关的值；并且(c)基于所导出的值与患者的CO2水平的关系来确定对患者的CO2水平的评估。
在一些实施方案中，检测无创地被执行。在一些实施方案中，来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号构成来 自一个组织或其部分的一个信号。在一些实施方案中，来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号构成来 自多个相似的组织或其部分的多个信号。在一些实施方案中，多个信号被实质上同时检测。在一些实施方案中，相似的组织是不连接的皮肤区域。在一些实施方案中，来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号构成来 自一个组织或其部分的多个信号。在一些实施方案中，多个信号被实质上同时检测。在一些实施方案中，一个组织或其部分是皮肤区域。在一些实施方案中，来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号构成来 自多个不同的组织或其部分的多个信号。在一些实施方案中，多个信号被同时检测。在一些实施方案中，多个不同的组织包括选自皮肤、肌肉或脑的至少一个组织。在一些实施方案中，多个不同的组织包括选自皮肤、肌肉或脑的至少两个组织。在一些实施方案中，处理包括识别在至少一个信号或其导数上的区域，由此导出 与患者的(X)2水平函数地相关的值。在一些实施方案中，识别区域包括分析至少一个信号或其导数的时间导数或其组
I=I O在一些实施方案中，与患者的CO2水平函数地相关的值通过在该区域周围对时间 导数或其组合求积分而被导出。在一些实施方案中，与患者的CO2水平函数地相关的值与患者的(X)2水平线性相关。在一些实施方案中，其中处理包括(a)基于来自多个不同的组织或其部分的多个信号定义血液动力参数的模型；以 及(b)将至少一个单独获得的血液动力参数代入模型，从而导出与患者的CO2水平相 关的值。在一些实施方案中，与患者的(X)2水平相关的值构成对患者的(X)2水平的评估。根据本发明的一些实施方案的一个方面，提供了用于评估患者的CO2水平的装置， 其包括(a)在患者的身体处的至少一个检测器，其用于检测来自至少一个组织或其部分 的至少一个血液动力信号；以及(b)处理器和程序，其用于基于至少一个血液动力信号导出对患者的0)2水平的评 估。在一些实施方案中，装置还包括用于提供至少对患者的(X)2水平的评估的装置。在一些实施方案中，对(X)2水平的评估被连续实时地提供。在一些实施方案中，至少一个检测器对于患者是无创的。
在一些实施方案中，装置足够小且重量轻以被患者佩带。在一些实施方案中，装置 是充分可移动的以被非卧床的患者佩带。在一些实施方案中，装置被配置为实现上文描述的方法。附图的简要说明在以下的附图中示出了本发明的一些非限制性的示例性的实施方案。在一个或多个附图中出现的相同的或重复的或等效的或相似的结构、元件或部分 通常以相同的参考数字、可选地以另外的一个或多个字母来标记以区别开相似的物体或物 体的变化形式，并且可以不被重复地标记和/或描述。图中所示的部件以及特征的维度为了表示的方便或清楚而选择并且不一定按比 例或以真实的透视图示出。为了方便或清楚起见，一些元件或结构未示出或仅仅部分地示 出和/或以不同的观点或从不同的角度示出。

图1示出了皮肤血管脉动的变化的波形的图。图2示出了根据本发明的示例性的实施方案示意性地概述用于从血液动力波形 导出CO2水平的行为的流程图；图3示出了根据本发明的示例性的实施方案概述用于从血液动力波形导出CO2水 平的行为的流程图；图4示出了根据本发明的示例性的实施方案从例如图1的波形导出的对齐的且叠 加的归一化心搏周期；图5示出了根据本发明的示例性的实施方案的例如图1的波形的归一化心搏周期 的对齐的且叠加的第一时间导数；图6示出了根据本发明的示例性的实施方案的例如图1的波形的归一化心搏周期 的代表性的第一时间导数；图7示出了根据本发明的示例性的实施方案的所评估的(X)2水平、来自二氧化碳 监测仪的K(X)2和来自二氧化碳监测仪的呼吸速率的相关联的波形的图；图8示出了根据本发明的示例性的实施方案的所评估的(X)2水平和来自二氧化碳 监测仪的肚0)2之间的统计相关的图；图9示出了根据本发明的示例性的实施方案的所评估的(X)2水平和来自二氧化碳 监测仪的肚0)2之间的Bland-Altman协定分析的图；图10示意性地示出了根据本发明的示例性的实施方案描述CO2水平如何与皮肤 阻力和肌肉阻力相关联的图；图11示出了根据本发明的示例性的实施方案示意性地概述用于从多个血液动力 信号导出CO2水平的行为的流程图；图12示意性地示出了根据本发明的示例性的实施方案的CO2评价系统的图；以及图13示出了根据本发明的示例性的实施方案概述在评估患者的CO2水平中涉及 的使用者操作的行为的流程图。本发明的实施方案的描述以下的描述涉及本发明的实施方案的一个或多个非限制性的实施例。本发明不被 所描述的实施方案或附图限制，并且可以用各种方式或配置或变化形式实践。本文所使用 的术语不应该被理解为限制性的，除非另有说明。
本文所使用的非限制性的小节标题意在仅仅为了方便的目的并且不应该被理解 为限制本发明的范围。单个信号图1示出了在特定的组织(例如皮肤)处由检测器(例如PPG)获得的血液流动 现象的变化的波形102的图100，图100大体上代表了患者的其他血液动力信号。水平轴112表示时间标度(以秒为单位)并且垂直轴114表示脉动现象(例如在 检测器处的电压或电流)的标度。波形102遵循(可能有某个延迟)心搏周期(搏动)并且由呼吸调节，如由具有 上部部分104(最大值)和下部部分106(最小值)的波形102的极值点的包络例证的。图2示出了根据本发明的示例性的实施方案示意性地概述用于从血液动力波形 (例如102)导出(X)2水平的行为的流程图200。诸如波形102的血液动力信号例如通过在皮肤上的PPG探针来获得(202)。在一 些实施方案中，信号的有限时间跨度被存储在存储器中用于后续的处理。所获得的信号被分析，以分离单独的心动周期004)。多个心动周期可以被组合 (例如通过取平均值)，可能在归一化至共同的标度之后，以表示信号的一个或多个典型的 周期。作为代表性的周期的心动周期或组合周期被处理Q06)以获得CO2水平。在本发 明的一些实施方案中，心动周期形状的特征被确定并且处理，以导出与CO2水平函数地相关 的值，并且(X)2水平通过应用合适的公式来获得。通常，函数是线性公式，其中可选地通过 校准过程来预设或预定义或获得系数。除非另有说明，以下的讨论还参照图3，图3示出了根据本发明的示例性的实施方 案概述用于从血液动力波形导出(X)2水平的行为的流程图300。信号获取信号在包括一系列几个连续的心动周期——通常但是不一定包括呼吸周期(通常 是约6秒)——的时间跨度内被获得(302)。在一些实施方案中，心动周期例如通过对峰和 /或谷的粗略的检测或通过所估计的或所测量的心率或通过其他方法(例如基于先前的获 取的估计)来区别。在一些实施方案中，获取时间跨度是约6秒或更多秒(例如8秒或12 秒)。在本发明的一些实施方案中，信号或其部分例如通过平滑化(例如使用低通滤波 器)被预处理(304)，以除去噪声或其他相对于期望值的高频率(例如尖峰信号)。可选地， 使用例如本领域已知的其他信号调节，例如指数滤波器。周期分离信号被分析以例如通过识别最大值(峰)和最小值(谷)区域或点和/或最小上 升和/或下降率和/或通过使用本领域的信号分析算法来识别和分离周期(306)。已分离的周期或周期的子集例如通过将它们按比例调节被归一化(308)至共同 的标度，使得峰共享公共值(例如1)并且谷共享公共值(例如0)，并且可选地，所有周期在 共同的虚拟时间例如t = 0开始。可选地，周期的宽度被调整以共享共同的或近似共同的 宽度，以便补偿变化的心率。例如，参照图1的波形102，极值点(104和106)的包络可以通过一个函数或一系列函数(例如一个或多个样条函数)和/或一个或多个多顶式公式(例如三次的或更高次 的)来评估或近似，可选地考虑一个或多个完整呼吸周期以及完整呼吸周期对心脏的脉冲 信号的影响。在一些情况下，充分近似是连接极值点的一系列线。对于每个周期，减去相应的下包络106，并且将结果除以因而得到的最大值，提供 在0-1范围内的周期。在归一化之前或之后，周期被分析以排除(忽略或丢弃)离群值(310)，例如不符 合预期的和/或预定义的或确定的(例如学到的)约束和/或大部分周期的一般形状的周 期，例如由患者疾病或运动导致的假象或扭曲的形状。在一些实施方案中，排除基于中值滤 波或周期的性质，例如面积或高度或宽度或变化率，或排除可以基于本领域的其他方法。由于已经忽略了已排除的周期，在本发明的一些实施方案中，周期用于获得时间 跨度的一个或多个代表性的周期(312)。例如，典型的周期或相似的周期被选择，或周期的 组合被用作代表性的周期(更多的见下文)。图4示出了从波形例如图1的波形102导出的对齐的归一化的心搏周期402。在 垂直标度414，周期的峰被设定为在1的水平，底部被设定为在0的水平，并且周期被对齐并 且彼此地且相对于时间标度412叠加，使得第一导数相对于时间的最大点(时间导数)或 周期的峰被设定在t = 0。可选地或替换地，在一些实施方案中，周期的峰或导数最大值点 在共同的任意虚拟时间处对齐。在本发明的一些实施方案中，具有共同的标度和时间(并且可选地具有大约共同 的宽度)的对齐的周期被合计，并且除以周期的数量，以获得代表性的周期(简单平均值)。 可选地或此外，执行加权平均，其中从大部分周期和/或从简单平均偏离例如面积差异的 量的周期相对于较少偏离的且可选地与该差异函数地相关的周期被给了较低的权重。可选 地或替换地，使用其他方法来获得一个或多个代表性的周期，例如通过选择在周期之间具 有最大的相关性的周期。在本发明的一些实施方案中，归一化的周期或可选地一个或多个代表性的周期的
集合被进一步处理。为了简洁和清楚起见，在下文的讨论中论及周期暗示归一化的周期或其一个或多 个代表性的周期的集合，除非另有说明或从上下文很明显。形状分析在一些实施方案中，周期的形状通过取周期的第一时间导数(“导数”)来进一步 分析(314)。图5示出了波形例如图1的波形102的归一化心搏周期的对齐的且叠加的第一时 间导数502。相对于幅度标度514，导数的最大点(峰)在时间标度512的虚拟时间t = 0 处对齐。通常，在导数形状中辨别一些区，如在以下的表1中列出的(并且关于示出了相应 的数字的图5)
数字标签区近似的典型的时间(ms)1第一最大值点(全局最大值)0
权利要求
1.一种用于评估患者的血液中的(X)2水平的方法，包括(a)从患者的身体检测来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号；(b)处理所述至少一个血液动力信号，以导出与患者的血液中的所述CO2水平相关的 值；以及(c)基于所导出的值与患者的血液中的(X)2水平的关系来确定对患者的(X)2水平的评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其中检测被无创地执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中来自至少一个组织或其部分的所述至少一个血液 动力信号构成来自一个组织或其部分的一个信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中来自至少一个组织或其部分的所述至少一个血液 动力信号构成来自多个相似的组织或其部分的多个信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个信号被同时检测。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述相似的组织是不连接的皮肤区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其中来自至少一个组织或其部分的所述至少一个血液 动力信号构成来自一个组织或其部分的多个信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个信号被同时检测。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个组织或其部分是皮肤区域。
10.根据权利要求1所述的方法，其中来自至少一个组织或其部分的所述至少一个血 液动力信号构成来自多个不同的组织或其部分的多个信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个信号被同时检测。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个不同的组织包括选自皮肤、肌肉或脑 的至少一个组织。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个不同的组织包括选自皮肤、肌肉或脑 的至少两个组织。
14.根据权利要求1所述的方法，其中处理包括识别所述至少一个信号或其导数的区 域，由此导出与患者的(X)2水平函数地相关的值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中识别区域包括分析所述至少一个信号或其导数 的时间导数或其组合。
16.根据权利要求14所述的方法，其中与患者的(X)2水平函数地相关的值通过关于所 述区域对所述时间导数或其组合积分来导出。
17.根据权利要求14所述的方法，其中与患者的CO2水平函数地相关的所述值与患者 的(X)2水平线性相关。
18.根据权利要求1所述的方法，其中处理包括(a)基于来自多个不同的组织或其部分的多个信号定义血液动力参数的模型；以及(b)将至少一个单独获得的血液动力参数代入所述模型，从而导出与患者的所述0)2水 平相关的值。
19.根据权利要求1所述的方法，其中与患者的所述CO2水平相关的所述值构成对患者 的(X)2水平的评估。
20.一种用于评估患者的血液中的(X)2水平的装置，包括(a)在患者的身体处的至少一个检测器，其用于检测来自至少一个组织或其部分的至 少一个血液动力信号；以及(b)处理器和程序，用于基于所述至少一个血液动力信号来导出对患者的所述CO2水平 的评估。
21.根据权利要求20所述的装置，还包括用于至少提供患者的血液中的所述(X)2水平 的评估的装置。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述(X)2水平的评估被连续实时地提供。
23.根据权利要求20所述的装置，其中所述至少一个检测器是无创的。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述装置足够小且重量轻以被患者佩带。
25.根据权利要求20所述的装置，其中所述装置是充分可移动的以被非卧床的患者佩带。
26.根据权利要求20所述的装置，被配置为实现权利要求1-19中的任一项的方法。
全文摘要
用于评估患者的血液中的CO2水平的方法包括在患者的身体中检测来自至少一个组织或其部分的至少一个血液动力信号，处理至少一个血液动力信号以导出与患者的CO2水平相关的值，以及基于所导出的值与患者的CO2水平的关系来确定对患者的CO2水平的评估，以及实现所述方法的装置。
文档编号A61B5/145GK102065763SQ200980119614
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月28日
发明者奥弗·霍尼克 申请人:尼图尔医疗有限公司