包括导电和光学透明的emi屏蔽的nirs传感器组件的制作方法

包括导电和光学透明的emi屏蔽的nirs传感器组件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于对主体身体中的血氧水平进行非侵入式监视的近红外分光光度测量传感器组件。该组件包括至少一个光源，至少一个可操作以检测该光源所发射的光线的光检测器，围绕该光检测器的至少一部分进行部署的电磁干扰屏蔽，其中该电磁干扰屏蔽包括光学透明的导电衬底，以及相对于至少一个光检测器和封装材料进行部署的一个或两个阻光片。
【专利说明】包括导电和光学透明的EMI屏蔽的NIRS传感器组件
相关申请的交叉引用
本申请按照35U.S.C § 119(e)要求于2011年2月13日提交的美国临时专利申请号61/442,273和2011年10月13日提交的美国临时专利申请号61/546，821的优先权，其公开通过引用结合于此。
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及用于利用近红外光谱(NIRS)技术对生物组织氧合进行非侵入式测定的方法和装置，尤其涉及用于随这种技术使用的传感器。
【背景技术】
[0002]近红外光谱是一种能够用来连续监视组织氧合的光学分光光度测量方法。NIRS方法基于近红外范围(700nm至1000nm)内的光线能够轻易通过皮肤、骨骼和其它组织的原理，其在那里遇到主要位于例如毛细管、小动脉、小静脉(venuoles)的微循环通路内的血红蛋白。暴露于处于近红外范围中的光线的血红蛋白具有根据其氧化状态而变化的特定吸收光谱；即氧基血红蛋白(Hb02)和去氧血红蛋白(Hb)均作为不同的生色团。通过使用以特定的不同波长传送近红外光的光源，并且测量所传送或反射的光线衰减的变化，能够对氧基血红蛋白(Hb02)和去氧血红蛋白(Hb)的浓度变化进行监视。例如，对大脑氧合水平进行连续监视的能力对于受到脑中氧合水平可能受损而导致脑部损伤或死亡的状态所影响的那些患者而言是特别有价值的。
[0003]NIRS类型的传感器通常包括至少一个光源以及一个或多个用于对所反射或传送的光线进行检测的光检测器。光信号经由与NIRS系统进行协作而得以创建和感应，该NIRS系统包括处理器以及用于对信号`和其中所包含的数据进行处理的算法。与本申请同样属于康耐迪格布兰福德的CAS医药设备(CAS Medical Systems)公司的美国专利号7，047，054和PCT国际申请序列号PCT US0641268公开了这样的传感器的示例。通常使用诸如发光二极管(LED)或激光二极管之类的以700-1000nm的波长范围产生光线发射的光源。使用光电二极管或其它光检测器来检测从被检查组织反射或者从中通过的光线。NIRS系统与(多个)光源和光检测器进行协作以创建信号并且在其强度和波属性方面对其进行检测和分析。同样属于康耐迪格布兰福德，的CAS医药设备公司的美国专利号6，456，862和7，072，701公开了用于对这样的信号进行分析的方法。美国专利号6，456，862和7，072，701以及PCT国际申请序列号PCT US0641268通过引用全文结合于此。
[0004]有意义的大脑氧合信息从询问脑部组织的光线(例如，通过其中、从其反射，被其吸收等)进行收集。然而，为了非侵入式地访问脑部组织，光信号在询问脑部组织之前和之后必须通过额外的脑组织(例如，头皮、头盖骨等)。在任何生物介质(例如，组织、液体等)内行进的光信号都将有所衰减，并且衰减的量是该介质的函数。在非侵入式访问脑部组织的平均光学路径的情况下，由额外大脑组织引起的衰减并不产生关于大脑氧合的有用信息。所以，期望对由额外大脑组织引起的信号衰减进行说明从而能够对由脑部组织引起的衰减加以区分并进行分析。
[0005]已知使用具有特别与光源间隔开来的一对光检测器的NIRS传感器作为对额外大脑组织进行说明的手段。“近端”光检测器可以通过第一分隔距离与光源间隔开来，而“远端”检测器可以通过通常大于第一分隔距离的第二分隔距离与光源间隔开来。美国专利号7，072，701中所公开的用于进行分光光度测量血氧监视的方法是能够利用两个检测器而使用的方法的示例。
[0006]对于所有NIRS传感器而言共同的问题是来自电磁干扰(EMI)源的信号干扰。减轻这样的干扰的影响对可获得信号的质量有所改善，并且因此对可获得的患者信息有所改善。对于所有NIRS传感器而言另一个共同的问题是制造的成本。NIRS传感器通常在使用后被处置，所以传感器的成本是监视成本中的重要因素。
[0007]因此，需要一种用于对生物组织内的氧饱和度水平进行非侵入式测定的有所改进的传感器，能够被配置以一个或多个检测器、缓解干扰并且能够易于制造的传感器。

【发明内容】

[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种用于对主体身体中的血氧水平进行非侵入式监视的NIRS传感器组件。该传感器组件包括至少一个光源，至少一个光检测器，电磁干扰(EMI)屏蔽以及阻光片。该光源可操作以发射包括近红外范围中的那些在内的多个不同波长的光信号。该光检测 器可操作以检测由光源所发出并且通过主体身体组织的光线。围绕该光检测器的至少一部分进行部署的屏蔽令局部EMI有所衰减并且因此降低光检测器信号内的不良噪声。该阻光片相对于至少一个光检测器进行部署，并且包括大小与随之进行部署的光检测器的活动区域相配的开孔。
[0009]根据本发明的一个方面，提供了一种用于对主体身体中的血氧水平进行非侵入式监视的NIRS传感器组件。该传感器组件包括衬垫、至少一个光源、至少一个光检测器，以及电磁干扰(EMI)屏蔽。该光源可操作以发射包括近红外范围中的那些在内的多个不同波长的光信号。该光检测器可操作以检测由光源所发出并且通过主体身体组织的光线。围绕该光检测器的至少一部分进行部署的屏蔽令局部EMI有所衰减并且因此降低光检测器信号内的不良噪声。
[0010]根据本发明的另一个方面，提供了一种用于对主体身体组织中的血氧水平进行非侵入式监视的近红外分光光度测量传感器组件。该组件包括柔性电路、至少一个光检测器、至少一个光源、电连接器、EMI屏蔽、阻光片以及衬垫。该至少一个光检测器与该柔性电路进行电通信。该光检测器具有用于接收光信号的活动区域。该至少一个光源与该柔性电路进行电通信。该电连接器与该柔性电路进行电通信。该EMI屏蔽相对于至少一个光检测器进行部署。该阻光片相对于至少一个光检测器进行部署，并且包括大小与随之进行部署的光检测器的活动区域相配的开孔。该衬垫具有检测器开孔和光源开孔，并且该衬垫位于该组件之内以在该传感器的操作期间与主体进行接触。
[0011]本发明的这些和其它特征及优势将由于以下所提供的本发明的附图和详细描述而变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】[0012]图1是安装于患者上并且连接至NIRS系统的一对NIRS传感器组件的图解视图。
[0013]图2是NIRS传感器组件实施例的分解视图。
[0014]图3是图2所示的NIRS传感器组件实施例的一部分的图解平面视图，其图示了衬垫的患者一侧的表面。
[0015]图4是沿直线4-4截取的图3所示的NIRS传感器组件部分的截面图。
[0016]图5是包含远端检测器的图4所示的检测器外壳的截面图。
[0017]图6是包含近端检测器的图4所示的检测器外壳的截面图。
[0018]图7是图4所示的光源的截面图。
[0019]图8是图4所示的截面图的一部分的截面图。
[0020]图9是图4所示的检测器外壳的截面图，其图示了一种可替换屏蔽的实施例。
[0021 ]图10是NIRS传感器组件实施例的分解图。
[0022]图11是图10所示的NIRS传感器组件实施例的截面图。
【具体实施方式】
[0023]现在参 考附图，近红外光谱(NIRS)系统10包括连接至基座单元11的一个或多个NIRS传感器组件12。基座单元11包括显示器13、操作员控制器，以及用于向(多个)NIRS传感器配件12提供信号和/或从其接收信号的处理器14。处理器14适于(例如，被编程为)有选择地执行操作(多个)传感器所必需的功能。应当注意的是，处理器14的功能可以使用硬件、软件、固件或者其组合来实施。本领域技术人员将能够对处理器14进行编程以在不进行过度实验的情况下执行这里所描述的功能。出于提供该NIRS传感器配件12的详细描述的目的，传感器组件12在这里将被描述为结合美国专利号6，456，862和美国专利号7,072,701中所描述的NIRS系统使用，该NIRS系统是可接受NIRS系统的示例。然而，NIRS传感器组件12并不局限于随任何特定的NIRS系统使用。
[0024]图2-8中示出了 NIRS传感器组件12的实施例。NIRS传感器组件12包括衬垫16、至少一个光源18、至少一个光检测器20、检测器外壳22、电磁干扰(EMI)屏蔽24和盖子26。在该传感器组件12包括多于一个的光检测器20的那些实施例中，本发明可以包括多个检测器外壳22。本发明的传感器并不局限于该特定的NIRS传感器组件，其在这里是出于说明的目的进行描述。特别地，本发明包括可以随各种不同NIRS传感器使用的新颖、非显而易见且有益的EMI屏蔽配置(以下进行描述)。
[0025]现在参考图2和3所示的实施例，衬垫16具有宽度28、长度30、实质上统一的厚度32、患者侧表面34、硬件侧表面36、至少一个源开孔38以及至少一个检测器开孔40。宽度28和长度30优选地在源开孔38和检测器开孔40之一或二者的周围形成轮廓。在图2和3所示的实施例中，衬垫16包括一对检测器开孔40和一个源开孔38。每个检测器开孔40均成形为容纳检测器外壳22的一部分，而源开孔38则被成形为容纳光源18的一部分。检测器和源开孔40、38通常沿衬垫16的中线42对准。在一些实施例中，对患者侧表面34应用粘合剂17以将衬垫16贴合至患者(见图8)。可以在被粘合剂覆盖的患者侧表面34上安装可去除保护层44以在使用之前对粘合剂进行保护。在一些实施例中，粘合剂被应用于硬件侧表面36。
[0026]衬垫16优选地由实质性或完全阻挡光能量通过衬垫16进行传输的柔性材料(例如，泡沫)所制成。美国康涅狄克州伍德斯托克的罗杰斯(Rogers)公司的产品Poron?多孔尿烷泡沫是可接受的衬垫16的材料示例。
[0027]在图2所示的实施例中，盖子26具有与衬垫16的几何形状相匹配的几何形状。盖子26具有宽度46、长度48、厚度50、硬件侧表面52和外表面53。盖子26可以由多种不同材料所制成，包括泡沫，诸如Poron?多孔尿烧泡沫。
[0028]参考图8，可以将一个或多个支撑层54接合至衬垫16和盖子26之一或其二者。支撑层54是柔性的，并且可以被描述为具有以与衬垫16和盖子26的宽度和长度相类似的方向进行定向的宽度和长度。支撑层54在宽度和/或长度方向抵御拉伸。一旦支撑层54被接合至衬垫16或盖子26，支撑层54就因此而抵御单独的衬垫16或盖子26的拉伸，并且总体上抵御整个传感器组件12的拉伸。可接受的支撑层54的材料示例是美国南卡罗莱纳州查尔斯顿的Reemay公司所提供的型号为2006的Reemay?品牌的纺粘聚酯媒介。然而，本发明并不局限于由Reemay?品牌的纺粘聚酯媒介所构成的支撑层54。在图8所示的实施例中，第一支撑层54被粘贴至盖子26的硬件侧表面52，而第二支撑层54被粘贴至衬垫16的硬件侧表面36。
[0029]光源18有选择地可操作以引导或发出红外光(B卩，波长范围为大约700nm至1000nm的光)。如以上所提到的，红外光在测定组织氧合时提供了特别的效用，原因在于暴露于近红外范围内的光线的血红蛋白具有根据其氧化状态而变化的特定吸收光谱；即氧基血红蛋白(Hb02)和去氧血红蛋白(Hb)均作为不同的生色团。然而，在可替换实施例中，可以存在利用红外范围之外的光线进行最佳检验的血液代谢物进行检验时的效用；该光线例如处于400nm和700nm之间的可见光范围之中，诸如650nm的红色光或510nm的绿色光，或者是可见光和红外光二者的组合，等等。在那些应用中，可以采用在红外范围之外发射或引导光线的光源。在一些实施例中，光源18是包括光纤光导58和光重定向棱镜60的组件。光纤光导58的一端光学连接至棱镜60。光纤光导58的另一端通常部署在连接器62 (见图1)内，其允许光纤光导58`光学耦合至连接到NIRS系统10的光纤光导。其它实施例可以具有被弯曲以创建适当排列形式的光纤(例如，弯曲九十度(900))。以下公开了可接受连接器62的实施例的示例。光纤光导58在图4和7中作为单个光纤光导被图解式地示出。光纤光导58并不局限于单光纤的实施例，并且在可替换实施例中可以包括多个光纤。在可替换实施例中，光源18包括替换光纤光导58和棱镜60或者与之相结合地安装在传感器组件12内的一个或多个发光二极管(LED)。一个或多个LED电连接至部署在基座单元11中的部件(例如，处理器14)并且由其进行操作控制。
[0030]在以上所描述的光纤光源的实施例中，光源18自身并不产生光信号。更确切地说，一个或多个光信号(此后共同被称作光信号)在NIRS传感器组件12之外的位置被引入光纤光导58，并且经由光纤光导58被引导至传感器组件12之中。本发明的NIRS传感器组件12并不局限于随用于向光纤光导58中引入光信号的任何特定方法和/或装置使用。以上通过引用而结合的美国专利号7，047，054公开了用于向光纤光导58中引入光能量的装置的可接受示例，其包括使用激光二极管。
[0031]光信号离开光纤光导58并通过进入面64进入棱镜60,并且通过离开面66被重定向至棱镜60之外。光纤光导58可以以各种不同方式连接至棱镜60的进入面64。例如,光纤光导58能够相对棱镜60的进入面64进行对接并且由部署在棱镜60和光纤光导58之间的一层透明环氧树脂固定在那里。在一些实施例中，棱镜60可以部署在NIRS传感器组件12以内以使得其在NIRS传感器组件12使用期间与患者的皮肤进行接触。棱镜60是硬质的从而其在监视血氧期间相对患者的皮肤进行按压时，皮肤表面变得平整，并且光纤光导58输出和经由棱镜60的皮肤表面之间的距离在皮肤的整个照亮区域上是恒定的。该配置控制了皮肤上输入光的强度以及光照明斑块的大小，这对于进行准确测量而言是很重要的。在光源18包括安装在传感器组件12内的一个或多个LED的实施例中，从(多个)LED所发出的光信号撞击在主体皮肤之上。
[0032]在图7所示的实施例中，可操作以至少部分阻止光从进入面64和离开面66以外的表面进出棱镜60的光学屏蔽67被部署在棱镜60的至少一部分的周围。可接受的光学屏蔽67的示例是金属(例如，铜)箔带。
[0033](多个)光检测器20包括光响应换能器，诸如可操作以对通过主体身体的一部分之后的光源18所发出的光做出感应所得出的光强度的光电二极管。光检测器20电连接至NIRS系统以使得光检测器的输出能够被传输至NIRS系统10。在优选实施例中，一个或多个EMI屏蔽线缆68将光检测器20连接至NIRS系统10。在具有两个光检测器20的传感器实施例中，最接近于光源18进行部署的光检测器可以被称作“近端检测器20a”，而距离光源18较远部署的另一检测器20则被称作“远端检测器20b”。
[0034]在图2-6所示的传感器实施例中，远端检测器20b包括安装在包括印刷电路板71的衬底70上的一对光电二极管69。远端检测器20b中的光电二极管69电连接至印刷电路板71，并且该印刷电路板进而电连接至屏蔽线缆68。近端检测器20a包括连接至屏蔽线缆68的单个光电二极管69。近端和远端检测器20a、20b之一或二者中的光电二极管的数量可以有所变化以适应特定应 用。在可替换实施例中，衬底70可以包括柔性电路。
[0035]图5和6图示了相对近端和远端光检测器20a、20b进行部署的EMI屏蔽24。用于图5所示的远端检测器20b的屏蔽24的实施例包括光学透明部分72和非透明部分74。在该实施例中，EMI屏蔽的非透明部分74实质上部署在整个远端检测器20b的周围，并且透明部分72则对准传感器20b的光检测表面进行部署。出于此描述的目的，术语“光学透明”可以被定义如下:光学透明介质是一定数量的光能够从中通过的介质，该数量足以用于NIRS评估的用途。相反，“光学非透明”介质是实质上防止所有光从中通过的介质，否则该光线将可被用于NIRS评估。在其它实施例中，EMI屏蔽24的实施例可以完全由光学透明部分72构成，或者其可以包括比光学非透明较透明的；例如部署在与传感器20b的光检测表面对准之外的区域中。EMI屏蔽24优选地直接或间接连接至接地端，但并非必要如此。
[0036]如以上所指出的，一定百分比的由光源18所产生的光信号通过患者生物组织随后通过EMI屏蔽24的光学透明部分72，随后被远端光检测器20b所感应。与此同时，光学透明部分72使得可能存在的局部EMI有所衰减。
[0037]在一些实施例中，光学透明部分72包括可操作以各向同性地分布EMI的结构。例如，光学透明部分72可以包括导电线路网格(例如，铜线网格)。作为另一个示例，光学透明部分72可以包括纤薄导电衬底，其是如以上所描述的光学透明的。这样的导电衬底的一个示例是纤维填充的传导性胶带，诸如美国明尼苏达州圣保罗市的3M公司所提供的XYZ-轴导电带9713。导电衬底(例如，9713带)可以包含允许EMI的各项同性分布的导电纤维。该导电衬底可以为在其两侧都具有粘合剂的双面形式。导电衬底(例如，9713带)提供了若干优势，包括:(I)其相对廉价；(2 )其并不需要焊接连接至接地端；(3 )其可以以卷的形式获得；(4)其具有低剖面；以及(5)其是柔性的。在传感器包括柔性电路的实施例中，在柔性电路之上、之中或周围使用如9713带的导电衬底是特别有利的，这是因为与柔性电路相结合的导电衬底能够改善传感器的灵活性同时仍然为传感器提供充分的EMI屏蔽。在柔性电路之上、之中或周围使用导电衬底的能力提供了相当的效用。本发明并不局限于使用9713带作为光学透明的导电衬底，并且可替换地可以使用其它类似产品。
[0038]在利用光学非透明部分74的EMI屏蔽24的那些实施例中，该部分74可以包括导电金属箔，诸如铜质金属箔。在光学透明部分72包括如9713带的导电衬底的那些实施例中，非透明部分74可以在并未采用感应光线的检测器20a、20b的那些区域中粘合至透明部分72。诸如硅质贴片、粘合剂、泡沫或其它类似材料的导电垫圈可以被用来在屏蔽24的光学透明和光学非透明部分72、74之间产生电气接口，特别是在利用线路网格作为光学透明部分72的那些实施例中。
[0039]用于近端检测器20a的EMI屏蔽24包括与以上针对远端检测器20b所描述的那些相类似的配置。在近端检测器20a上所使用的EMI屏蔽实施例可以与在远端检测器20b上所使用的有所不同。例如，在图6所示的实施例中，光学透明的屏蔽24被部署在实质上整个近端光检测器20a的周围。
[0040]以上所描述的屏蔽24减少了不良EMI所生成的噪声，并且提高了光检测器20(例如，光电二极管)的信噪比。例如，光学透明屏蔽24在光检测器20周围产生了法拉第笼(Faraday Cage)，而允许光线到达光检测器20的光敏表面。实际上，本发明的EMI屏蔽能够被实施为产生可操作以提供必备EMI屏蔽的尽可能少的一个法拉第笼，或者可替换地，能够被实施为相对于传感器产生多于一个的法拉第笼以提供必备EMI屏蔽。例如，在一个实施例中，可以通过产生两个法拉第笼而保护检测器20免于干扰；例如包围传感器的电路的第一法拉第笼以及处于光检测器20自身周围的第二法拉第笼。本发明并不局限于任何特定的法拉第笼的实施例。在本发明的屏蔽24在这里所描述的示例性传感器实施例中使用的那些情况下，检测器外壳22也通过增加检测器至生物组织的间隔距离而产生进一步的EMI衰减。检测器外壳22所产生的光学透明间隔器减小了光检测器20的光敏表面和例如人类皮肤之类的生物组织之间的电容，与并不包括这样的光学间隔器的传感器应用相比，这使得电磁耦合和所生成的噪声电流进一步减少。
[0041]在利用了检测器外壳22的那些传感器实施例中，检测器外壳22包括基座76和帽78，它们共同定义了内部空腔80，该空腔80的大小被设置为封闭至少部分由屏蔽24 (以及可应用的其它材料)覆盖的的光检测器20。基座76和帽78可以绞接在一起或者它们可以是可分离的。帽78包括用于容纳屏蔽线缆68的端口(见图2)。可替换地，端口 88可以部分部署在基座76和帽78中，或者仅处于基座76中。基座76包括其大小被设置为容纳光检测器20的至少一部分的井82，并且帽78的大小被设置为容纳并未被基座井82所容纳的光检测器20的其余部分。图2-6所示的检测器外壳实施例，例如，包括具有井82的基座76以及具有井84的帽78，该井82、84的大小被设置为共同容纳光检测器20。在其它实施例中，基座井82的大小可以被设置为容纳整个光检测器20和屏蔽24，并且帽78可以平坦地跨越基座井82，或者被成形为延伸至基座井82之中。
`[0042]在一些实施例中，内部空腔80的尺寸(即，高度、宽度、深度)为使得光检测器20、屏蔽24等与外壳22之间存在轻压配合。因此，光检测器20按位置被定位并保持在外壳22之内。在可替换实施例中，光检测器20和屏蔽24在位置上可以通过与基座76或帽78整体形成的特征(例如，柱体、挡边等)或部署在内部空腔80内的部件(例如，间隔器或偏移部件)或者通过其它手段被定位并保持在内部空腔80之内。
[0043]基座井82包括由光学透明材料所构成的窗口面板86，其允许光线从中通过并被光线检测器20所感应。窗口面板86可以是光学平坦表面或者其可以被改造以对所检测光线进行聚焦或散焦。窗口面板86还可以被视为用作关于色品、波长等的滤波器。
[0044]基座76和帽78可以由相同材料或不同材料所制成。在优选实施例中，基座76和帽78由具有有利电介质特性(例如，电绝缘)的材料形成。能够选择特定材料以及因此的电介质特性以适应手头的应用。此外，能够选择电介质强度的数值以对诸如窗口面板86之类的固定几何形状的电容器的电容有所影响。如以上所指出的，检测器外壳22的窗口面板86部分增加了光检测器至生物组织的间隔距离，由此减小了光检测器的光敏表面和生物组织之间的电容。
[0045]基座76和帽78衔接并且可以使用粘合剂、机械特征(例如，相配的公/母配对)、焊接等彼此接合。在图2-6所示的实施例中，基座76和帽78包括相配的凸缘90、92，它们通过部署在凸缘90、92之一或二者上的粘合剂而彼此接合。每个检测器外壳22被定位而使得基座井82的至少一部分被容纳在衬垫16的相应检测器开孔40之内。在图2-6所示的实施例中，近端光检测器20a和远端光检测器20b被部署在独立的检测器外壳22之内。在可替换实施例中，检测器外壳22的基座76可以相互连接，和/或检测器外壳22的帽78可以相互连接。
[0046]传感器组件12内的近端光检测器20a和远端光检测器20b之间的间距和相对定位优选地被选择而使得:1)光 源18、近端光检测器20a和远端光检测器20b实质上彼此线性排列；以及2)远端光检测器20b和近端光检测器20a之间的间隔距离大于光源18和近端光检测器20a之间的间隔距离。近端光检测器20a和远端光检测器20b之间较大的距离(与光源18和近端光检测器20a之间的间隔距离相比)在光源18和近端光检测器20a之间延伸的平均光学路径所定义的区域与在光源18和远端光检测器20b之间延伸的平均光学路径所定义的区域之间产生明显差异。因此，表示两个信号的对比的信息与两个平均光学路径彼此更为接近的情况下相比更大。
[0047]以下示例图示了针对该传感器组件12的婴儿、幼儿/小儿科和成年实施例的光源18/光检测器20间隔。在成年NIRS传感器组件12中，光源18可以位于距远端光检测器20b大约四十七至五十毫米(47mm至50mm)的范围内并且距近端光检测器20a大约十五毫米(15mm)。在NIRS传感器组件的12幼儿/小儿科实施例中，光源18可以位于距远端光检测器20b大约四十至四十三毫米(40mm至43mm)的范围内并且距近端光检测器20a大约十二毫米(12_)。在NIRS传感器组件的12的婴儿实施例中，光源18可以位于距远端光检测器20b大约二十五至三十毫米(25mm至30mm)的范围内并且距近端光检测器20a大约十毫米(10_)。在NIRS传感器组件的12的可替换婴儿实施例中，光源18可以位于距单个光检测器20大约二十五至三十毫米(25mm至30mm)的范围内。以上所描述的光源18/检测器20的间隔表示了示例并且本发明并不应当被理解为局限于这些示例。
[0048]在一些实施例中，除了被部署在光检测器20周围的BO屏蔽之外或者作为其替代，EMI屏蔽材料可以直接应用于检测器外壳壁的内部和/或外部表面(例如，井等)。EMI屏蔽可以仅被应用于一些检测器壁部表面，或者充分数量的检测器壁部表面，以便在部署于外壳之内的光检测器20周围产生法拉第笼。应用于检测器外壳的屏蔽可以包括以上关于部署在光检测器20周围的HMI屏蔽24所讨论的任意材料(例如，导电线路网格、导电衬底等)。该屏蔽可以通过诸如印刷、粘贴、喷涂等的处理被加以应用。
[0049]盖子26被成形并定位在NIRS传感器组件12上以使得光源18、包含近端和远端光检测器20a、20b的检测器外壳22以及屏蔽线缆68被部署在盖子26和衬垫16之间。盖子26优选地由能够在患者环境中使用的软质柔韧材料所构成。可接受的盖子材料的示例包括乙烯基材料、塑料材料和泡沫材料(例如，Poron?)，但是并不局限于此。盖子26可以以各种不同方式接合至NIRS传感器组件12 ;例如通过粘合剂、机械特征等。盖子26的材料优选地阻止光线进入NIRS传感器组件12。盖子26可以在传感器部件上适当塑造、浇铸或成形以产生定制配合。
[0050]在优选实施例中，NIRS传感器组件12包括允许传感器组件12与NIRS系统10进行接合并从其去除的连接器62。连接器62包括光纤耦合器和屏蔽线缆耦合器。该光纤耦合器提供了用于将NIRS传感器组件12的光纤光学连接至NIRS系统10的接口。类似地，该屏蔽线缆耦合器提供了用于将NIRS传感器组件12的光电二极管输出连接至NIRS系统10的接口。在一些实施例中，连接器62是将光纤耦合器和屏蔽线缆耦合器整合为单个单元的混合连接器。在其它实施例中，连接器62包括彼此独立的光纤耦合器和屏蔽线缆耦合器。在光纤耦合器和屏蔽线缆耦合器彼此独立的那些实施例中，两个耦合器可以彼此分开定位，例如光纤耦合器处于传感器处而屏蔽线缆耦合器则处于中点处。
[0051]在一些实施例中，可以使用多光纤组合器，其允许不同波长的多个激光光源18耦合到引向NIRS传感器组件12的小直径内核的光纤输出之中。本发明的传感器组件12并不要求使用多光纤耦合器，并且如果其被使用，该NIRS传感器组件12并不局限于使用任何特定类型或构造的多光纤耦合器。前述的通过引用而结合到本申请之中美国专利号7，047，054公开了可接受的多光纤耦合器的示例。
[0052]连接器62还可以包括传感器识别编码器件，以使得NIRS系统10能够识别出所连接的NIRS传感器组件12的类型；即成年、小儿科、婴儿以及其它配置的传感器。一旦识别了传感器12的类型，NIRS系统10就能够随后选择要随该传感器12使用的适当信息；例如，针对具体传感器配置的校准信息。编码的方法包括但并不局限于:1)为每个不同配置的传感器12设置不同电阻器数值，其中尽管具有分压器电路，NIRS系统10能够测量电阻数值；2)结合以诸如串行PROM的小型存储器设备，其具有所存储以便由NIRS系统10进行读取的传感器识别信息；以及3)包括RF识别设备。
[0053]根据本发明的另一个方面，可以随NIRS系统10使用如图10和11所示的NIRS传感器组件112。NIRS传感器组件112可以包括以下部件中的一些或全部:柔性电路114、至少一个光检测器116、至少一个光源118、连接器120、EMI屏蔽122、阻光片124、衬垫126、底部外壳128和顶部外壳130。
[0054]每个光检测器116包括光响应换能器(例如，光电二极管)，其可操作以对通过主体身体的一部分之后的光源118所发射的光线的光线强度进行感应。每个光检测器116包括撞击光线能够通过其而被感应到的活动区域。光检测器116电连接至NIRS基座单元11以使得能够对光检测器116的输出进行处理。在优选实施例中，光检测器116被安装在柔性电路114 (如以下将进行描述的)上，该电路在检测器116和基座单元11之间提供电连接。在具有彼此间隔开来的两个或更多光检测器116以及光源18的传感器实施例中，如以上所描述的，光检测器可以(相对于光源18)被称作“近端检测器116a”和“远端检测器116b”。
[0055]光源118有选择地可操作以产生红外光(B卩，处于波长范围约700nm至约1000nm内的光线)，并且在一些实施例中，还可以产生可见光范围内的光线。在优选实施例中，光源118是包括均被选择在预定波长产生光线的多个发光二极管(LED)的组件。然而，本发明的NIRS传感器组件112并不局限于随LED使用。如以下将要描述的，光源118优选地安装在用于与NIRS基座单元11进行电通信的柔性电路114上。
[0056](多个)检测器116和光源118优选地安装在柔性电路114(即，“屈伸电路”)上。屈伸电路114可以被描述为相对于柔性基质材料进行安装的印刷线路(即，例如可以通过印刷或蚀刻导电材料而形成的导电路径)的带图案部署形式。屈伸电路114的线路将检测器116和光源118电连接至连接器120。连接器120进而提供允许传感器组件112被电连接至基座单元11的结构；例如与基座单元11进行信号通信。在图10和11所示的实施例中，屈伸电路114被配置为使得远端检测器116b接近于屈伸电路114的一端进行定位，而近端检测器116a与远端检测器116b间隔开来并且部署在远端检测器116b和光源118之间。相邻于光源118，屈伸电路114的引线部分132向外延伸，在连接器120处终止。检测器116和光源118的相对定位的可接受配置的示例在以上进行了描述；例如，光源118可以距远端光检测器116b大约四十至四十三毫米(40mm至43mm)并且距近端光检测器116a大约十二毫米(12mm)进行定位。然而，传感器组件112并不局限于任何特定的检测器/光源118间隔配置。
[0057]在图10和11所示的实施例中，为每个检测器116部署了一个与其相接触的封装材料134。封装材料134对检测器116以及检测器116和屈伸电路114之间的连接进行封装和保护。封装材料还在 患者和传感器的电路之间提供了电介质阻挡。在优选实施例中，该封装材料还对接近相应检测器116的EMI屏蔽122和阻光片124之一或二者进行封装。封装材料134还用作检测器116和主体之间(当安装在主体上时)的光学接口，并且根据所使用的封装材料134的类型，还能够进行操作以使得主体与检测器116和屈伸电路114电绝缘。封装材料134的示例是紫外线固化环氧树脂；例如由乐泰(Loctite)所制造的3525环氧树脂或者诸如杜邦(Dupont)制造的FEP带的电介质薄膜。在一些传感器应用中，可能期望仅相对于一个检测器116使用封装材料134或者根本不使用封装材料134。
[0058]传感器组件112包括相对于光检测器116进行部署的EMI屏蔽122。EMI屏蔽122的光学透明部分与光检测器116的活动区域对准而进行部署。EMI屏蔽122还可以包括部署在一个或多个检测器116外围周围的部分，并且该部分可以是或不是光学透明的。出于此描述的目的，术语“光学透明”可以被定义如下:光学透明介质是一定数量的光能够从中通过的介质，该数量在传感器组件的正常操作环境下足以用于NIRS评估的用途。EMI屏蔽122优选地直接或间接连接至接地端，但并非必然如此。
[0059]如以上所描述的，EMI屏蔽122的光学透明部分可以包括导电线路网格(例如，铜线网格)或者其可以包括纤薄的导电衬底，诸如纤维填充的传导性胶带；例如美国明尼苏达州圣保罗的3M公司所提供的XYZ-轴导电带9713 (9713带)。本发明并不局限于将9713带用作光学透明的导电衬底，并且可以可替换地使用其它类似产品。对于利用EMI屏蔽122的非透明部分的那些实施例而言，那些部分可以包括导电金属箔，诸如铜质金属箔。EMI屏蔽122可以被整合到封装材料134中，或者接合至封装材料134的暴露表面。纤维填充的传导性胶带的显著优势在于其能够在组装期间适当粘合，这大幅促进了组装。
[0060]传感器组件112可以进一步包括位于封装材料134和EMI屏蔽122下方或者其顶部的阻光片124。阻光片124包括其大小被设置为与其与之定位的检测器116的活动区域相配的开孔136。在图10和11所示的实施例中，阻光片124相对于近端检测器116进行定位。在可替换实施例中，阻光片124可以相对于近端或远端检测器或者其二者进行部署。阻光片124的优选实施例是纤薄的柔性黑色材料，其具有促成定位并且相对于检测器116固定板124的黏性背面。一种特别有用的阻光片124也是导电的阻光片。可接受的阻光片124的示例是美国宾夕法尼亚州格伦罗克的粘合剂研发(Adhesives Research)公司所制造的型号为Arcare? 90366的导电传输带。然而，阻光片124并不局限于该具体产品。对于利用导电阻光片124的那些实施例而言，阻光片124的导电属性促进了 EMI屏蔽122的有效性。黏性背面的阻光片124的显著优势在于其能够在组装期间适当粘贴，这大幅促进了组装。
[0061]以上所描述的结构(例如，屈伸电路114和检测器116、封装材料、EMI屏蔽122和阻光片124的叠加)提供了允许光信号得以被感应的结构，并且同时减少了不良EMI所生成的噪声并提高了光检测器116的信噪比。光学透明的屏蔽122可以被描述为在光检测器116周围提供法拉第笼，同时允许光线到达光检测器116的光敏表面。通过减小用于光电检测器的开孔，通过组织而从发射器分流的光线被减少并且所传送光线的路径长度有所改
善
[0062]衬垫126具有患者侧表面138、构件侧表面140、至少一个源开孔142以及至少一个检测器开孔144。每个检测器开孔144被成形为包围相应检测器116，并且光源开孔142被成形为包围光源118。在一些实施例中，粘合剂被应用于患者侧表面138以便将衬垫126接合至主体。衬垫126优选地包括诸如以上所描述的材料(例如，Poroni象分子尿烷泡沫)、
[0063]底部外壳128被部署在传感器组件122与主体相接触的一侧。顶部外壳130位于传感器组件122的相反一侧。两个外壳128、130优选地为柔性的并且可操作以对部署在外壳128、130之间的屈伸电路114进行保护。外壳128、130彼此接合以对屈伸电路114的一部分进行封闭。顶部外壳130的一部分接合至衬垫126以封闭传感器组件112包含检测器116和光源118的部分。外壳128、130可以由多种不同材料制成，包括诸如Poron?:分子尿烧泡沫的泡沫。在优选实施例中，该外壳包括由抗撕裂但透气(例如，可渗透水蒸气)的高密度聚乙烯纤维所构成的合成材料。由杜邦公司所生产的Tyvek?品牌的材料是由能够被用于外壳128、130的高密度聚乙烯纤维所构成的合成材料的示例。底部外壳128并不粘合至衬垫126的构件侧表面140，这产生了标签卡(tab)，该标签卡将传感器组件112更好地贴合至患者的皮肤。
[0064]连接器120被配置为在传感器组件112和基座单元11之间直接或间接地提供电/信号通信。在一些NIRS系统10中，基座单元线缆从基座单元11延伸出来以便与传感器组件112进行连接。基座单元线缆可以包括光电二极管前置放大器，其可操作以对来自传感器组件112的信号进行放大。在图10和11所示的实施例中，连接器120包括与基座单元线缆相配以形成屏蔽连接的印刷电路板卡(“PCB卡”)；例如广濑模型(Hirosemodel)LX40-16P、显示端口或迷你显示端口。然而，连接器120并不局限于PCB卡。可替换类型的连接器120的示例是I/O连接器。传感器的可替换实施例将接合在屈伸电路尾部和PCB卡或I/O连接器之间的线缆延伸进行整合。该构造允许传感器连接器远离患者进行定位。图10和11所示的传感器组件实施例示出了沿检测器/发射器区域和连接器120之间的大体上的直线进行延伸的传感器112。该传感器并不局限于笔直配置。在可替换实施例中，被示为笔直的区域可以包括促成传感器组件的该部分的屈伸的一个或多个偏离(例如，弯曲或点动一以虚位示出)。附加的柔性有助于防止传感器在其操作期间从主体无意脱落。
[0065]在本发明的操作中，由于NIRS传感器组件12、112相对于主体皮肤进行定位，所以传感器可以被激励并且近红外光线信号被引入主体的身体组织。随后使用近端和远端光检测器对引入主体的身体组织的光进行检测，产生表示这样的被检测光的信号。该信号被传送回到NIRS基座单元11，它们在那里被处理以获得与主体身体组织的血氧水平相关的数据。如以上所提到的，以上所描述的本发明的NIRS传感器组件并不局限于随任何特定的NIRS系统10使用。
[0066]由于可以在不背离发明概念的情况下对本发明的所公开的实施例进行许多改变和变化，所以除所附权利要求所要求的之外，并非意在对本发明进行限制。例如，本发明在大脑应用的环境中得以被公开。本发明并不局限于大脑血氧定量法应用并且可以被用于其它身体组织和液体中的血 氧水平的非侵入式监视。
【权利要求】
1.一种用于对主体身体中的血氧水平进行非侵入式监视的NIRS传感器组件，其特征在于，该组件包括: 至少一个光源，其可操作以发射多个不同波长的光信号； 至少一个光检测器，其可操作以检测由光源所发出并且通过主体身体组织的光线，所述光检测器具有光信号可以通过其而被检测的活动区域； 电磁干扰屏蔽，其围绕该光检测器的至少一部分进行部署，其中所述电磁干扰屏蔽包括光学透明的导电衬底，所述光学透明的衬底与所述光检测器的活动区域对准；和 阻光片，其相对于至少一个光检测器进行部署，并且所述片包括大小与随之进行部署的光检测器的活动区域相配的开孔。
2.根据权利要求1的NIRS传感器组件，其特征在于，进一步包括与至少一个光源和至少一个光检测器进行电通信的柔性电路。
3.根据权利要求2的NIRS传感器组件，其特征在于，进一步包括接合至所述柔性电路的电连接器。
4.根据权利要求3的NIRS传感器组件，其特征在于，所述电连接器包括PCB卡。
5.根据权利要求3的NIRS传感器组件，其特征在于，进一步包括以对相应检测器的暴露部分进行封装的方式与每个检测器相接触地进行部署的封装材料。
6.根据权利要求5的NIRS传感器组件，其特征在于，所述封装材料被配置为对光检测器和柔性电路之间的连接进行封装。
7.根据权利要求6的NIRS传感器组件，其特征在于，所述封装材料可操作以在主体和柔性电路之间提供电介质阻挡。
8.根据权利要求7的NIRS传感器组件，其特征在于，所述封装材料是紫外线固化环氧树脂。
9.根据权利要求7的NIRS传感器组件，其特征在于，所述电磁干扰屏蔽包括导电线路网格和纤薄导电衬底之一或其二者，其中之一是光学透明的。
10.根据权利要求9的NIRS传感器组件，其特征在于，所述纤薄导电衬底包括纤维填充的传导性胶带。
11.根据权利要求10的NIRS传感器组件，其特征在于，所述电磁干扰屏蔽至少部分整合至所述封装材料之中，或者接合至所述封装材料的暴露表面。
12.根据权利要求9的NIRS传感器组件，其特征在于，所述阻光片临近所述封装材料134和所述电磁干扰屏蔽进行定位。
13.根据权利要求12的NIRS传感器组件，其特征在于，所述阻光片是具有粘性背面的纤薄柔性黑色材料。
14.根据权利要求12的NIRS传感器组件，其特征在于，所述阻光片是导电的。
15.根据权利要求1的NIRS传感器组件，其特征在于，进一步包括以对相应检测器的暴露部分进行封装的方式与每个检测器相接触地进行部署的一种封装材料。
16.根据权利要求15的NIRS传感器组件，其特征在于，所述封装材料可操作以在主体和检测器之间提供电介质阻挡。
17.根据权利要求16的NIRS传感器组件，其特征在于，所述电磁干扰屏蔽包括导电线路网格和纤薄导电衬底之一或其二者，其中之一是光学透明的。
18.根据权利要求10的NIRS传感器组件，其特征在于，所述电磁干扰屏蔽至少部分整合至该封装材料之中，或者接合至该封装材料的暴露表面。
19.根据权利要求1的NIRS传感器组件，其特征在于，所述电磁干扰屏蔽包括纤维填充的导电衬底。
20.一种用于对主体身体组织中的血氧水平进行非侵入式监视的近红外分光光度测量传感器组件，其特征在于，该组件包括: 柔性电路； 与所述柔性电路进行电通信的至少一个光检测器，所述光检测器具有用于接收光信号的活动区域； 与所述柔性电路进行电通信的至少一个光源； 与所述柔性电路进行电通信的电连接器； 相对于至少一个光检测器进行部署的电动势干扰(EMI)屏蔽； 相对于至少一个光检测器进行部署的阻光片，所述阻光片包括大小与随之进行部署的光检测器的活动区域相配的开孔； 相对该EMI屏蔽或阻光片进行部署的高透光的电介质阻挡；和具有检测器开孔和光源开孔的衬垫，所述衬垫位于所述组件之内以在所述传感器的操作期间与主体进行接触。`
【文档编号】A61B5/1455GK103732140SQ201280018146
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年2月13日 优先权日:2011年2月13日
【发明者】马修·达勒纳, 卡伦·达菲 申请人:卡斯医疗系统公司