專利名稱：非侵入式測量受檢者的血液特性的校準(zhǔn)方法和設(shè)置及傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于旨在非侵入式監(jiān)測受檢者的血液特性的設(shè)備的校準(zhǔn)方法。本公開還涉及典型地是脈搏血氧計(pulse oximeter)的設(shè)備并且涉及用于該設(shè)備的傳感器。
背景技術(shù)：
體積描記法指通過測量血液容量的變化來測量器官和四肢的大小和體積變化。光體積描記法涉及使用傳輸通過血液或由血液反射的光信號用于監(jiān)測受檢者的生理參數(shù)/變量。常規(guī)的脈搏血氧計使用紅和紅外光體積描記(PPG)波形，即分別在紅和紅外波長測量的波形，來確定受檢者的搏動動脈血的氧飽和度。在常規(guī)的脈搏血氧計中使用的兩個波長典型地是大約660nm(紅光波長)和大約940nm(紅外波長)。脈搏血氧測定法是目前注重連續(xù)監(jiān)測動脈氧飽和度(SpO2)的標(biāo)準(zhǔn)。脈搏血氧計提供動脈氧合作用的瞬時活體內(nèi)測量(in-vivo measurement),并且由此提供例如動脈血氧不足的早期警告。脈搏血氧計還顯示光體積描記波形，其可以與在測量部位(典型地在手指或耳朵中)的組織血液容量和血液流量(即，血液循環(huán))有關(guān)。傳統(tǒng)上，脈搏血氧計使用上文提到的兩個波長(紅和紅外)來確定氧飽和度?？稍陔p波長脈搏血氧計中確定的其他參數(shù)包括例如脈搏率、末梢灌注指數(shù)(PI)。將波長的數(shù)量增加至至少四個允許測量總血紅蛋白(THb，克每升)和例如氧合血紅蛋白(HbO2)、脫氧血紅蛋白(RHb)、碳氧血紅蛋白(HbCO)和高鐵血紅蛋白(MetHb)等不同的血紅蛋白類型。實際上，設(shè)計成測量所有血紅蛋白種類的脈搏血氧計可提供有從大約600nm向上至大約IOOOnm的范圍的4至8個波長(即光源)。光的光子沿著隨機路徑在活體組織中傳播，這些隨機路徑在統(tǒng)計上由介質(zhì)的散射和吸收性能確定。當(dāng)吸收和散射效率是波長依賴型時，平均路徑長度對于所有分光光度裝置(例如脈搏血氧計等)中的每個波長通道是不同的。在設(shè)計用于測量超出兩個血紅蛋白種類的血紅蛋白濃度分?jǐn)?shù)(fractional hemoglobin concentration)的多波長血樣測定法中，必須已知或至少在統(tǒng)計上估計路徑長度以能夠建立對血紅蛋白分?jǐn)?shù)測量的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)通常通過收集大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)并且找出血液血紅蛋白分?jǐn)?shù)(其從受檢者抽取的血液樣本確定)與在測量裝置的波長通道處的實際測量信號之間的關(guān)系而建立。該關(guān)系然后用作校準(zhǔn)并且它形成計算模型，該計算模型限定可如何從在本上下文中稱作活體內(nèi)測量信號的實際測量信號中得到最終結(jié)果，即血紅蛋白分?jǐn)?shù)。從而，校準(zhǔn)牽涉確定代表期望的血液特性和從受檢者獲得的活體內(nèi)測量信號之間的關(guān)系的計算模型。不同類型的回歸模型可用于實現(xiàn)該計算模型并且從而還實現(xiàn)校準(zhǔn)。與校準(zhǔn)有關(guān)的主要缺陷是對錯誤的脆弱性，其由計算模型對于群體平均而獲得這一事實引起，并且因此不牽涉由組織性能偏離規(guī)范而引起的人類個體差異。這導(dǎo)致裝置的準(zhǔn)確性受到損害。不管是否使用所謂的直接或間接方法都是這樣的情況。在直接方法中，可基于測量的信號使用在校準(zhǔn)過程期間存儲的群體均值校準(zhǔn)系數(shù)來直接確定濃度，而在間接方法中，基于方程組求解出濃度，其中每個方程限定兩個調(diào)制比dA的比率Njk =
dA/dAk，其中i是要考慮的波長，ACi是波長i處的體積描記信號的AC分量并且DCi是波長i處的體積描記信號的DC分量。一般，傳統(tǒng)的脈搏血氧計試圖消除例如手指厚度等所有外在因素對測量的影響。因此，接收的每個信號通過提取以患者的心律振蕩的AC分量并且然后將AC分量除以光傳輸或反射的DC分量(如上文指示的)而規(guī)范化。如上文提到的，大多數(shù)的當(dāng)前校準(zhǔn)方法假定組織性能在受檢者之間以及受檢者內(nèi)保持相對不變下而操作，這導(dǎo)致裝置的準(zhǔn)確性受到損害。為了提高脈搏血氧計的準(zhǔn)確性，存在可以補償校準(zhǔn)過程中人類差異性的方法。在這些脈搏血氧計中，存儲參考數(shù)據(jù)，其指示其中發(fā)生初始校準(zhǔn)的校準(zhǔn)條件。通過增加補償人類差異的補償過程并且從而形成對群體均值校準(zhǔn)的特定受檢者調(diào)節(jié)而考慮特定受檢者對測量的影響。獨立的補償過程一方面對于補償光源的高效波長的組織引起的變化是需要的并且另一方面對于補償光束的路徑長度的組織引起的變化是需要的。
因為對人類差異性的補償是相當(dāng)復(fù)雜的，整個校準(zhǔn)過程也變得更復(fù)雜。帶來盡可能簡單但仍能夠通過降低由人類差異性引起的對錯誤的脆弱性而提高測量準(zhǔn)確性的校準(zhǔn)機制，這因此是可取的。

發(fā)明內(nèi)容
上文提到的問題在本文解決，其將從下列說明書理解。為了實現(xiàn)結(jié)合簡單的校準(zhǔn)和提高的測量準(zhǔn)確性的技術(shù)方案，由計算模型實施校準(zhǔn)，該計算模型除采用常規(guī)變量(像比率Njk = dAj/dAk)外還采用能夠提供關(guān)于組織的真實吸收和散射特性如何偏離產(chǎn)生群體平均校準(zhǔn)系數(shù)的默認(rèn)特性的信息這樣的解釋變量。所述的變量在這里稱作組織性能變量。如下文論述的，可對不同類型的脈搏血氧計采用不同的方式引入模型。在實施例中，用于校準(zhǔn)旨在非侵入式測量受檢者的血液特性的設(shè)備的方法包括為設(shè)備提供計算模型，其代表從該受檢者獲得的活體內(nèi)測量信號與血液特性之間的關(guān)系，其中該提供包括在該計算模型中采用至少一個組織性能變量，其中該至少一個組織性能變量指示該受檢者的組織的吸收和散射特性。在另一個實施例中，用于確定受檢者的血液特性的設(shè)置包括控制和處理單元，其配置成從受檢者采集活體內(nèi)測量信號，其中該控制和處理單元提供有代表受檢者的活體內(nèi)測量信號與期望的血液特性之間的關(guān)系的計算模型其并且其中該計算模型適應(yīng)于采用指示該受檢者的組織的吸收和散射特性的至少一個組織性能變量。在再另一個實施例中，用于旨在確定受檢者的血液特性的設(shè)置的傳感器包括發(fā)射器單元，其配置成在多個測量波長發(fā)射通過受檢者的組織的輻射；和探測器單元，其包括適應(yīng)于接收多個波長處的輻射并且適應(yīng)于對應(yīng)于這些多個測量波長產(chǎn)生活體內(nèi)測量信號的至少一個光電探測器，其中該傳感器包括存儲標(biāo)識符的存儲器，該標(biāo)識符識別用于確定血液特性的計算模型，并且其中該計算模型適應(yīng)于采用指示受檢者的組織的吸收和散射特性的至少一個組織性能變量。將通過下列詳細說明和附圖使本發(fā)明的各種其他性能、目標(biāo)和優(yōu)勢對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員明顯。


圖I是圖示多波長脈搏血氧計的一個實施例的框圖；圖2是圖示在基于變換的脈搏血氧計中實施來獲得受檢者血液特性的步驟的示例的流程圖；圖3圖示脈搏血氧計的處理單元的操作實體的示例；圖4圖示脈搏血氧計系統(tǒng)的示例；以及
圖5是圖示在提供有計算模型(其不包括變換)的脈搏血氧計中實施的步驟的示例的流程圖。
具體實施例方式脈搏血氧計包括計算機化的測量單元和附連到患者(典型地附連到受檢者的手指或耳垂)的傳感器或探頭。該傳感器包括至少一個光源，用于發(fā)送光信號通過組織；和至少一個光電探測器，用于接收傳輸通過組織或從組織反射的信號。在傳輸和接收的信號的基礎(chǔ)上，可確定組織的光吸收。在每個心動周期期間，組織的光吸收周期性地變化。在心臟舒張階段期間，吸收由組織、骨骼和色素中的靜脈血、非搏動動脈血、細胞和流體引起，而在心臟收縮階段期間，存在吸收增加，這是由動脈血流入組織部位(脈搏血氧計的傳感器附連在其上)引起。脈搏血氧計通過確定在心臟收縮階段期間的峰值吸收和在心臟舒張階段期間的背景吸收之間的差而將測量聚焦在該搏動動脈血部分。脈搏血氧計從而基于吸收的搏動分量只是由于動脈血而引起的假設(shè)。為了區(qū)分兩個種類的血紅蛋白(氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(RHb))，吸收必須在兩個不同的波長處測量，即傳統(tǒng)的脈搏血氧計的傳感器包括兩個不同的光源，例如LED或激光器。因為所述兩個種類的血紅蛋白在這些波長處具有大致上不同的吸收，廣泛使用的波長值是660nm (紅)和940nm (紅外)。以典型地是幾百Hz的頻率依次照亮每個光源。圖I是多波長脈搏血氧計的一個實施例的框圖。從發(fā)射器單元100傳輸?shù)墓鈧鬟f進入患者組織，例如手指102。該發(fā)射器單元包括多個光源101 (例如LED)，每個光源具有專用波長。每個波長形成一個測量通道，在該測量通道上采集光體積描記波形數(shù)據(jù)。源/波長的數(shù)量是至少兩個并且典型地在4和8個之間。下面給出其中使用四個波長的示例。傳播通過組織或從組織反射的光由探測器單元103接收，該探測器單元103在該示例中包括一個光電探測器104。發(fā)射器和探測器單元形成脈搏血氧計的傳感器113。光電探測器將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖序列并且將它們饋送到輸入放大器單元106。放大的測量通道信號進一步供應(yīng)給控制和處理單元107，其將信號轉(zhuǎn)換成對于每個波長通道的數(shù)字化格式?？刂坪吞幚韱卧M一步控制發(fā)射器驅(qū)動單元108來交替激活光源。如上文提到的，典型地每秒幾百次地照亮每個光源。在以與患者的脈搏率相比如此高的速率照亮每個光源的情況下，控制和處理單元在每個波長處獲得對于患者的每個心動周期的大量的樣本。這些樣本的值根據(jù)患者的心動周期而變化,該變化由動脈血引起。
在每個波長處的數(shù)字化光體積描記(PPG)信號數(shù)據(jù)在由控制和處理單元的算法進一步處理之前可存儲在控制和處理單元的存儲器109中。為了確定例如氧飽和度和血紅蛋白濃度等血液特性，控制和處理單元適應(yīng)于執(zhí)行算法111，其可存儲在控制和處理單元的存儲器中。獲得的血液特性和波形在用戶界面116的顯示單元114的屏幕上示出，用戶界面116還包括用戶輸入裝置115。算法形成計算模型112，其代表從受檢者獲得的活體內(nèi)測量信號與期望的血液特性(例如不同的血紅蛋白種類的濃度分?jǐn)?shù)等)之間的(數(shù)學(xué))關(guān)系。該計算模型數(shù)據(jù)可在由脈搏血氧計投入使用之前存儲在存儲器中。在實際使用脈搏血氧計之前實施的操作在本上下文中稱為離線操作，而實際的活體內(nèi)測量稱為在線操作。如已知的，所謂的朗伯-比爾定律表達光如何被物質(zhì)吸收。在一個實施例中，脈搏血氧計基于適應(yīng)于根據(jù)朗伯-比爾模型將從受檢者獲得的活體內(nèi)測量信號變換成對應(yīng)的非散射信號的變換。在典型的基于變換的脈搏血氧計中，測量的活體內(nèi)信號首先變換成能適用于朗伯-比爾模型的信號并且然后對在朗伯-比爾模型中能適用的線性方程組求解來 獲得期望的血液特性，例如不同的血紅蛋白種類的濃度分?jǐn)?shù)。因為變換只取決于總吸收和散射效應(yīng)，基于變換的脈搏血氧計的優(yōu)勢是該變換沒有假定預(yù)先知道血紅蛋白濃度分?jǐn)?shù)。因此，包括獨立變換和線性方程組的計算模型比直接確定血液特性而沒有將活體內(nèi)測量變換成朗伯-比爾形式的信號的計算模型更線性并且從而也更準(zhǔn)確?；谧儞Q的脈搏血氧計的操作在數(shù)學(xué)上可表達如下=ClAiLB = g(dAkin__，Pk)，其中ClAiLB是在波長i處的虛構(gòu)的朗伯-比爾模型信號，dAkin_viv°是在波長k處的測量的活體內(nèi)信號(k= I... M，其中Mshi波長的數(shù)量)，g是在統(tǒng)計上描述組織中的光子路徑長度的變換函數(shù)，并且Pk指一個或多個組織性能變量，其指示受檢者的組織的吸收和散射特性。在現(xiàn)有技術(shù)的變換血氧計中，已經(jīng)獲得計算模型而沒有在變換函數(shù)中使用組織性能變量Pk并且只在回歸分析中搜索k = i的變換。圖2圖示在脈搏血氧計的一個實施例中實施來獲得受檢者的血液特性的步驟。這里，脈搏血氧計是基于變換的血氧計。首先，在步驟21和22中實施離線操作。離線操作包括在步驟21確定變換并且在步驟22存儲從轉(zhuǎn)換成朗伯-比爾形式的信號的活體內(nèi)測量信號中得到期望的血液特性所需要的變換和計算模型數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)連同變換一起形成計算模型，其描述測量的活體內(nèi)信號與期望的血液特性之間的關(guān)系。當(dāng)脈搏血氧計投入使用時，進行在線操作來從受檢者獲得活體內(nèi)測量信號dAkin_viv° (步驟23)。如在下文論述的，該步驟牽涉確定模型的變量，例如組織性能變量等。獲得的活體內(nèi)測量信號然后首先使用存儲在脈搏血氧計中的變換變換成朗伯-比爾形式的信號(步驟24)。這些變換取決于例如組織性能變量。然后根據(jù)存儲的計算模型數(shù)據(jù)使用變換的信號ClAiLB獲得受檢者的血液特性(步
驟25)。在不同的血紅蛋白種類的情況下，這牽涉對線性方程組求解，其中HbXj是血紅蛋白分?jǐn)?shù)，總和是在指數(shù)j范圍上并且e u是在波長i處對于分析物j的消光系數(shù)。在例如四波長系統(tǒng)中
權(quán)利要求
1.一種用于校準(zhǔn)旨在非侵入式測量受檢者的血液特性的設(shè)備的方法，所述方法包括 為所述設(shè)備提供(21，22 ;51，52)計算模型(112)，其代表從所述受檢者獲得的活體內(nèi)測量信號與所述血液特性之間的關(guān)系，其中所述提供包括在所述計算模型中采用(21 ；51)至少一個組織性能變量，其中所述至少一個組織性能變量指示所述受檢者的組織的吸收和散射特性。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述提供包括確定變換規(guī)則，其指示所述受檢者的組織中的實際光子路徑長度如何影響所述活體內(nèi)測量信號。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述確定變換規(guī)則包括限定變換系數(shù)組，每個變換系數(shù)組基于回歸模型而限定，其中所述至少一個組織性能變量充當(dāng)自變量。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述提供進一步包括存儲(22)計算模型數(shù)據(jù)，其指示理論朗伯-比爾測量信號與所述血液特性之間的關(guān)系。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述提供包括在所述計算模型(112)中采用所述至少一個組織性能變量，其中所述至少一個組織性能變量包括來自一組變量的至少一個變量，所述一組變量包括指示相對光傳輸?shù)淖兞?、指示灌注指?shù)的變量和指示呼吸調(diào)制深度的變量。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述提供包括為所述設(shè)備提供(51，52)所述計算模型，其中所述計算模型形成回歸模型，其中所述至少一個組織性能變量充當(dāng)自變量。
7.一種用于確定受檢者的血液特性的設(shè)置，所述設(shè)置包括控制和處理單元(107)，其配置成從受檢者采集活體內(nèi)測量信號，其中所述控制和處理單元提供有代表活體內(nèi)測量信號與所述受檢者的期望的血液特性之間的關(guān)系的計算模型(112)，并且其中所述計算模型適應(yīng)于采用指示所述受檢者的組織的吸收和散射特性的至少一個組織性能變量。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述計算模型(112)包括預(yù)定變換規(guī)則，其指示所述受檢者的組織中的實際光子路徑長度如何影響所述活體內(nèi)測量信號。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)置，其中所述變換規(guī)則包括變換系數(shù)組，每個變換系數(shù)組屬于回歸模型，其中所述至少一個組織性能變量充當(dāng)自變量。
10.如權(quán)利要求8所述的設(shè)置，其中所述計算模型進一步包括計算模型數(shù)據(jù)，其指示理論朗伯-比爾測量信號與所述血液特性之間的關(guān)系。
11.如權(quán)利要求7所述的設(shè)置，其中所述至少一個組織性能變量包括來自一組變量的至少一個變量，所述一組變量包括指示相對光傳輸?shù)淖兞?、指示灌注指?shù)的變量和指示呼吸調(diào)制深度的變量。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)置，其中指示相對光傳輸?shù)淖兞看韮蓚€波長處的DC信號水平的比。
13.如權(quán)利要求7所述的設(shè)置，其中所述計算模型(112)由回歸模型形成，其中所述至少一個組織性能變量充當(dāng)自變量。
14.一種用于旨在確定受檢者的血液特性的設(shè)置的傳感器，所述傳感器能附連到所述受檢者并且包括 -發(fā)射器單元(100)，其配置成在多個測量波長發(fā)射通過所述受檢者的組織的輻射； -探測器單元(103)，其包括適應(yīng)于接收所述多個波長處的輻射并且適應(yīng)于對應(yīng)于所述多個測量波長產(chǎn)生活體內(nèi)測量信號的至少一個光電探測器(104)，其中所述傳感器包括存儲標(biāo)識符的存儲器，所述標(biāo)識符識別用于確定所述血液特性的計算模型，其中所述計算模型適應(yīng)于采用指示所述受檢者的組織的吸收和散射特性的至少一個組織性能變量。
全文摘要
本發(fā)明涉及非侵入式測量受檢者的血液特性的校準(zhǔn)方法和設(shè)置及傳感器。公開了用于旨在非侵入式測量受檢者的血液特性的設(shè)備的校準(zhǔn)方法。該設(shè)備提供(21，22)有計算模型(112)，其代表從該受檢者獲得的活體內(nèi)測量信號與血液特性之間的關(guān)系。該提供包括在該計算模型中采用至少一個組織性能變量，其中該至少一個組織性能變量指示該受檢者的組織的吸收和散射特性。還公開了用于確定受檢者的血液特性的設(shè)置以及用于該設(shè)置的傳感器(圖1)。
文檔編號A61B5/1455GK102727219SQ20121011005
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者A·托洛寧, K·烏爾帕萊寧, M·赫伊庫, V·P·奧斯特羅弗霍夫 申請人:通用電氣公司