本發(fā)明一般涉及無創(chuàng)醫(yī)療感測裝置，尤其涉及對于醫(yī)療傳感器的誤差校正。

背景技術：

單色光源被廣泛應用于許多不同的技術領域，包括消費者、工業(yè)、醫(yī)療、國防和科學領域。在醫(yī)療領域，經(jīng)常在醫(yī)療感測裝置中使用發(fā)光二極管(led)或類似裝置形式的成對的發(fā)射器-接收器單色光源，以獲得準確的無創(chuàng)檢測。這種醫(yī)療感測裝置的示例性應用可以包括可用于監(jiān)測動脈血氧飽和度的血液成分監(jiān)測系統(tǒng)和/或無創(chuàng)血氧計。

在無創(chuàng)血氧測定法中，具有已知特定波長的單色光通常從發(fā)射器led通過目標(例如攜帶血液的生物組織)傳輸?shù)焦怆姍z測器。光電檢測器接收和檢測部分透射的相干光，其既不被生物組織中的血液吸收也不被反射，從而確定血液中的氧飽和度(spo2)。類似地，工業(yè)應用的實例可包括具有從相干光源(例如led發(fā)射器)通過目標(例如流體或材料)傳輸?shù)焦怆姍z測器的已知特定波長的單色光的無創(chuàng)傳感器系統(tǒng)。

不幸的是，利用單色光源的此類無創(chuàng)傳感系統(tǒng)需要有關單色光源波長的精確的先驗知識，以確定通過目標吸收或反射的單色光的量。一種獲得波長的先驗知識的方式是選擇具有在一定公差范圍內的波長的單色光源發(fā)射器。因此，確定波長的嘗試包括下列組合過程：在所需的標稱波長規(guī)格內選擇led，且/或借助于作為傳感器的一部分的電阻器、存儲設備或類似組件，對相應于傳感器中使用的波長的數(shù)據(jù)進行編碼。

然而，本領域熟悉發(fā)光二極管傳感器件的生產(chǎn)過程的技術人員應當理解，人們有對能夠從發(fā)射器輸出波長的更廣闊的變化中進行選擇，以降低感測裝置的生產(chǎn)成本和缺陷率的需求。作為示例，典型的生產(chǎn)技術需要選擇目標波長在2nm內的發(fā)射器，這可能導致40-60％的組件發(fā)射器廢品率。此外，還存在的問題是在生產(chǎn)時，在目標波長內的所選擇的發(fā)射器通常會隨著時間而降級，隨著溫度和驅動電流而變化，并且驅動電路也可能變得不穩(wěn)定并導致波長偏移。解決波長偏移問題的嘗試包括將波長偏移與驅動電路電流變化相關聯(lián)的系統(tǒng)。在驅動電路中電流的變化以特定的波長驅動led。通常，這些系統(tǒng)包括用于通過一系列濾波器、漫射器和多個光電檢測器確定發(fā)光二極管的波長偏移的方案。不幸的是，這種方法對于實際制造技術來說太過復雜和昂貴，并且不能用于與監(jiān)視裝置一起使用的每個傳感器。

還有一個重要的需求是能夠減少或消除由患者運動引起的變化(其通常也被稱為“運動偽跡”)與皮膚色素沉積的差異所導致的檢測故障情況，例如當傳感器從患者脫離且無法提供準確的信息時。使用電流傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)，這種情況通常難以檢測，并可能導致錯誤的讀數(shù)和患者的風險。

因此，需要能夠在無需光源波長的先驗知識的情況下檢測光源波長的無創(chuàng)傳感器系統(tǒng)，并且制造過程不復雜或不昂貴。此外，這種傳感器系統(tǒng)有減少誤差的需求。

還需要一種無創(chuàng)傳感器系統(tǒng)，其能夠在運動事件期間或當主體從事運動或其他身體活動時提供可靠的數(shù)據(jù)，或由于無創(chuàng)傳感器從患者脫離而提供及時的通知或警告。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種無創(chuàng)醫(yī)療感測裝置和系統(tǒng)，其能夠響應患者的運動而提供正確的數(shù)據(jù)，且在所述裝置從患者脫離時提供警報。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，傳感器具有一個或多個光源和一個或多個光檢測器。至少一個檢測器響應所接收的光并產(chǎn)生輸出。此外，響應輸出的電路產(chǎn)生與人體的動脈和靜脈脈搏成比例的脈沖波形，其中脈沖波形用于使一個或多個單色或非單色光源的脈沖波形的吸收率或反射率的動脈脈搏檢測同步。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種方法。

所述方法包括在無創(chuàng)光學傳感器中提供第一檢測器和第二檢測器，并周期性地從無創(chuàng)光學傳感器中的非單色光源中發(fā)射光。來自第一檢測器的第一信號與來自第二檢測器的第二信號，由第一檢測器和第二檢測器采樣的非單色光源中周期性地發(fā)射的光產(chǎn)生，兩個檢測器均具有良好限定和區(qū)分的光譜響應。使用第一信號和第二信號的比率產(chǎn)生第三信號，以確定平均光譜吸收與由位于無創(chuàng)光學傳感器內的組織的動脈脈搏和基線光譜吸收所產(chǎn)生的光譜吸收的任何變化。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在無創(chuàng)光學傳感器中提供至少一個發(fā)射紅光的發(fā)光體和至少一個發(fā)射紅外光的發(fā)光體?？梢援a(chǎn)生由第一檢測器和第二檢測器接收的所發(fā)射紅光的紅光信號電平，且可以產(chǎn)生由第一檢測器和第二檢測器接收的所發(fā)射紅外光的紅外信號電平。紅光信號電平與紅外線信號電平的比率可與在動脈峰值處采樣的對應值相關，而非單色光源發(fā)射光，以在組織中產(chǎn)生氧飽和度數(shù)據(jù)。

如果位于無創(chuàng)光學傳感器內的組織發(fā)生運動事件，則可以使用第一信號和第二信號產(chǎn)生氧飽和度數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以檢測由第一檢測器和第二檢測器接收的非單色光的比率。如果接收的非單色光的比率高于或低于閾值，則可發(fā)出通知。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以檢測所發(fā)射紅光的質心波長。如果測得的質心波長確定在可接受的質心范圍之外，可能會產(chǎn)生警報。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一檢測器和第二檢測器可以具有不同的光譜響應曲線，可使用不同的光譜響應曲線來得到與所發(fā)射紅光的質心波長成比例的第四信號。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在無創(chuàng)光學傳感器中提供第一檢測器和第二檢測器?？稍跓o創(chuàng)光學傳感器中從非單色光源周期性地發(fā)射光，并可檢測由第一檢測器和第二檢測器所接收的非單色光的振幅。如果所接收的非單色光的振幅高于或低于閾值，則可發(fā)出通知。

通過研究下列附圖和詳細描述，本發(fā)明的其它實施方案、系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點將對本領域普通技術人員而言或將變得顯而易見。本說明書旨在包括本發(fā)明的范圍內所有這樣的附加系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點，并由所附權利要求書所保護。

附圖說明

參考以下附圖可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的組件并非按比率繪制，而是將重點放在清楚地說明本發(fā)明的原理上。此外，在附圖中，幾個視圖中的相同的附圖標記表示相同的部分：

圖1表示自校準傳感器系統(tǒng)(scss)的示例性實施例的框圖；

圖2表示圖1所示的scss的探針框圖的示例性實施例的框圖；

圖3表示圖2中所示的探針的示例性實施例的橫截面圖；

圖4a表示圖2中所示探針的另一示例性實施例的橫截面圖；

圖4b表示圖2中所示探針的示例性對照實施例的橫截面圖；

圖5是圖4中所示的探針的示例性實施例的俯視圖；

圖6是圖5中探針實施例的橫截面圖；

圖7表示使用發(fā)光二極管的圖2中所示的探針框圖的示例性實施例；

圖8表示圖7中所示使用雙擴散發(fā)光二極管的波長傳感器框圖的示例性實施例的橫截面圖；

圖9是圖8中所示的波長傳感器的響應曲線的曲線圖。

圖10是描述圖1中所示的校準電路框圖的示例性實施例的示意圖；

圖11是描述圖1中所示的校準電路框圖的另一示例性實施例的示意圖；

圖12是圖1中所示的由scss執(zhí)行的處理過程的流程圖；

圖13是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的簡化的橫截面圖；

圖14是描述動脈和靜脈脈搏的典型光譜吸收特征的圖表；

圖15是描述波長傳感器對動脈和靜脈脈搏的響應的圖表；

圖16是與圖13的傳感器一同使用的處理系統(tǒng)的簡化框圖。

圖17是描述在處理來自波長傳感器的信號之后產(chǎn)生的與人體的動脈和靜脈脈搏成比例的脈沖波形的圖表；

圖18是描述本發(fā)明所構想的雙檢測模塊檢測器的響應曲線的圖表；

圖19是描述由本發(fā)明所構想的由質心波長檢測器檢測的具有寬發(fā)射照明發(fā)射器的動脈脈搏血流所產(chǎn)生的光譜吸收變化的圖表；

圖20是描述時域中光譜吸收的峰值和谷值的圖表；

圖21是描述與血氧飽和度水平成正比的信號的圖表；

圖22a是表示系統(tǒng)通過運動事件讀取和提供脈沖檢測過程的流程圖；

圖22b表示由圖22a所示的過程中使用的示例性查找表；

圖23是描述患者在平靜狀態(tài)下的飽和度水平的圖表；

圖24是描述在運動事件期間檢測到的飽和度水平的圖表；

圖25是描述由非灌注(non-perfused)信號導致的來自波長檢測器的原始數(shù)據(jù)的圖表；以及

圖26是描述由灌注信號導致的來自波長檢測器的原始數(shù)據(jù)的圖表。

具體實施方式

具體實施方式的以下描述用于舉例說明本文所要求保護的發(fā)明的原理和優(yōu)點。它們不以任何方式被視為對發(fā)明范圍的限制。

圖1描述了自校準傳感器系統(tǒng)(scss)100的框圖。scss100可包括探針102、校準電路104、控制器106、位于存儲器(未示出)中的軟件108和可選的查找表(“l(fā)ut”)110。探針102通過信道112與校準電路104進行信號通信。校準電路106可以是分頻器和/或比較器電路。

校準電路104分別通過信道114和116與控制器106和外部輸出設備(未示出)進行信號通信?？刂破?06分別通過信道118和120與軟件108和可選的lut110進行信號通信。

控制器106可以是任意的通用處理器，例如intelxxx86，motorola68xxx或powerpc，decalpha或其他等效處理器?；蛘?，可以選擇性地將特定電路或定向裝置用作控制器106。此外，控制器106還可以集成在信號半導體芯片中，例如專用集成芯片(asic)或精簡指令集計算機(risc)，或者可以通過數(shù)字信號處理器(dsp)芯片來實現(xiàn)。用于控制器106的特定電路或定向裝置的示例也可以是混合sionacasic。

軟件108可以存儲在位于控制器106的內部或外部的存儲器(未示出)中。軟件108包括啟用控制器106操作的邏輯，并且還包括用于自校準scss100的邏輯。

外部輸出裝置的示例可以是血壓計，例如由加利福尼亞州pleasanton的nellcor公司制造的npb40，由明尼蘇達州plymouth的nonin醫(yī)藥公司制造的9840系列脈搏血氧計，或等效裝置。

圖2表示探針102的示例性實施例。探針102可包括探針光源200和波長傳感器202。探針光源200可包括第一光源204和第二光源206。第一光源204和第二光源206可使用發(fā)光二極管(led)來實現(xiàn)。作為血氧計應用中的示例實施例，第一光源204可以是發(fā)射波長為約660nm的發(fā)射光輻射led，第二光源206可以是發(fā)射波長為約880nm的發(fā)射光輻射led。波長傳感器202可以使用雙擴散發(fā)光二極管實現(xiàn)。本領域技術人員應當理解，探針光源200還可包括三個或更多個數(shù)量級的多個光源。

在圖3中表示了探針300的示例性實施例的橫截面圖。在該示例中，探針300可以是醫(yī)療裝置，例如透射性血氧飽和度和脈率傳感器。然而，本領域技術人員將理解，探針300也可以是反射性傳感器。此外，探針300還可用于檢測其它血液成分，包括但不限于氧合血紅蛋白、膽紅素、羧基血紅蛋白和葡萄糖。探針300可包括具有腔304和對接套管306的剛性套管302，、第一光源204、第二光源206和波長傳感器202。探針300通過信道112連接到圖1中的校準電路104。圖3中的材料308(例如手指)可插入腔304中。

作為示例，第一光源204和第二光源206可以是分別產(chǎn)生波長約660nm和880nm的光輻射的兩個led發(fā)射器。波長傳感器202支撐在與第一光源204和第二光源206相對的剛性套管302內。第一光源204和第二光源206和波長傳感器202可以與控制電纜(未示出)進行信號通信?？刂齐娎|通過信道112與血氧計(未示出)進行信號通信。血氧計通過檢測和處理來自第一光源204的光輻射脈沖到達波長傳感器202的入射光輻射的量來確定材料308(在該示例中為手指)中的血氧飽和度。

在實際操作中，圖1中的scss100在檢測圖3中的材料308的任何特性之前和之后執(zhí)行自校準程序。所述自校準程序包括在將材料308插入腔304之前，從第一光源發(fā)射的光輻射脈沖204被波長傳感器202作為入射光輻射接收。血氧計利用由波長傳感器202所接收的已檢測的入射光輻射來確定第一光源204的操作波長。一旦得知第一光源203的操作波長，圖1中的scss100就可與血氧計結合使用以精確地確定材料308的血氧飽和度。

連續(xù)自校準程序是有益的，因為本領域技術人員應當理解，在該示例性實施例中，由660nm的第一光源204輸出的光輻射在紅色光譜區(qū)域中，血氧計正是通過吸收這種紅色光輻射來確定血氧飽和度。因此，操作波長的相對較小的變化可能導致血氧計的讀數(shù)不準確。作為示例，沒有自校準程序的情況下，如果由第一光源204輸出的光輻射與血氧計所需的操作波長相差超過±2nm，結果將不準確。

圖4a表示探針400的另一示例性實施例的橫截面圖。在該示例中，探針400可包括具有腔404的剛性或柔性套管402、第一光源204、第二光源206和波長傳感器202。類似于之前的示例性實施例，探針400通過信道112連接到圖1中的校準電路104，然而，圖4a中的探針400沒有對接腔。材料406可插入腔404中。

類似于之前的示例，第一光源204和第二光源206可以是產(chǎn)生不同波長光輻射的兩個led發(fā)射器。波長傳感器202被支撐在與第一光源204和第二光源206相對的剛性套管402內。第一光源204和第二光源206以及波長傳感器202可與控制電纜(未示出)進行信號通信?？刂齐娎|通過信道112與測量裝置(未示出)信號通信。測量裝置通過測量和處理來自從第一光源204的光輻射的入射光輻射的脈沖到達波長傳感器202的量來確定材料406的特性。

作為工業(yè)實例，材料406可以是顯現(xiàn)出具有能檢測并用于確定物質特性的光學透射特征的流體、液體或固體物質。示例性實施例將包括為了過程或質量控制的目的而檢測物質的特性。

此外，在實際操作中，圖1中的scss100在檢測圖4a中的材料406的任何特性之前執(zhí)行自校準程序。所述自校準程序包括在將材料406插入腔404之前，從第一光源204作為入射光輻射向波長傳感器202發(fā)射光輻射的脈沖。測量裝置利用由波長傳感器202接收的被測入射光輻射來確定第一光源204的操作波長。一旦已知第一光源204的操作波長，則圖1中的scss100可與測量裝置結合使用以精確地確定材料406的特性。

圖4b表示探針408的示例性對照實施例的橫截面圖。在該示例中，探針408可包括具有腔412的剛性或柔性套管410、第一光源204、第二光源206和波長傳感器202。類似于之前的示例性實施例，探針408通過信道112連接到圖1中的校準電路104，然而，圖4b中的探針408沒有對接腔。材料412可插入腔412中。

類似于之前的示例，第一光源204和第二光源206可以是產(chǎn)生不同波長的光輻射的兩個led發(fā)射器。然而，在該示例中，波長傳感器202被支撐在與第一光源204和第二光源206相鄰的剛性套管410內。第一光源204和第二光源206以及波長傳感器202可以與控制電纜(未示出)進行信號通信?？刂齐娎|通過信道112與測量裝置(未示出)進行信號通信。測量裝置通過檢測和處理來自第一光源204的光輻射的入射光輻射的脈沖被物質412反射并到達波長傳感器202的量來確定材料412的特性。

此外，作為工業(yè)實例，材料412可以是顯現(xiàn)出具有能檢測并用于確定物質特性的光學透射特征的流體、液體或固體材料。示例性實施例將包括為了過程或質量控制的目的檢測材料的特性。

此外，在實際操作中，圖1中的scss100在檢測材料412(圖4b)的任何特性之前執(zhí)行自校準程序。所述自校準程序包括發(fā)射來自第一光源204的光輻射脈沖，其被柔性套管410反射，且稍后在將材料412插入腔410之前被波長傳感器202作為入射光輻射接收。測量裝置利用由波長傳感器202接收的被測入射光輻射來確定第一光源204的操作波長。一旦已知第一光源204的操作波長，則圖1中的scss100可與測量裝置結合使用以精確地確定材料412的特性。

本領域技術人員應當理解，在光源204和206通過介質(即圖3中的材料308，圖4a中的材料406，和/或圖4b中的材料414)的操作期間可以產(chǎn)生來自圖2中的波長傳感器202的信號。使用從介質反射的光也可以產(chǎn)生相同的信號。因此，只要介質傳輸或反射的光足夠從波長傳感器202產(chǎn)生可處理信號即可，無需將圖2中光源204和206直接結合至波長傳感器202。

在圖5中表示了具有柔性套502(即，柔性條)的探針500的示例醫(yī)療實施例的俯視圖。探針500可包括第一光源204、第二光源206和波長傳感器202。在該示例實施例中，探針500是血氧飽和度和脈搏率的傳感器，其利用柔性條502附著到材料上，例如人體部位(未示出)。探針500通過信道112連接到血氧計(未示出)。柔性條502可纏繞在人體部位上并且通過附著條(例如粘合帶)504固定到其自身。示例的人體部位主要包括手指、腳趾、耳垂、手臂、腿部或其他類似部位。

作為示例，第一光源204和第二光源206可以是分別產(chǎn)生波長約660nm和880nm的光輻射的兩個led發(fā)射器。波長傳感器202被支撐在柔性條502內，并且當柔性條502纏繞在人體部位周圍時，波長傳感器202與第一光源204和第二光源206相對放置。第一光源204和第二光源206與波長傳感器202可以與控制電纜(未示出)進行信號通信?？刂齐娎|通過信道112與血氧計(未示出)進行信號通信。血氧計通過測量和處理來自從第一光源204的光輻射的入射光輻射的脈沖到達波長傳感器202的量來確定人體部位中的血氧飽和度。

如前所述，在操作中，圖1中的scss100在檢測人體部位的任何特性之前執(zhí)行自校準程序。所述自校準程序包括在將柔性條帶502纏繞在人體部位周圍之前，將柔性條502彎曲，使得第一光源204和第二光源206關于波長傳感器202的特定取向相對設置，然后發(fā)射來自第一光源204的光輻射脈沖，該光輻射脈沖由波長傳感器202作為入射光輻射所接收。血氧計利用由波長傳感器202接收的被測入射光輻射來確定第一光源204的操作波長。一旦得知第一光源204操作波長，圍繞人體部位放置的波長傳感器202檢測由第一光源204發(fā)射并穿過在人體部位內的血流的入射光輻射。然后，圖1中的scss100可與血氧計結合使用以精確地測定人體部位的血氧飽和度。在圖6中表示了處于被包裹狀態(tài)的探針500的橫截面圖。

在圖7中表示了使用發(fā)光二極管的探針700的示例性實施例。類似于圖2，圖7中的探針700包括探針光源702和波長傳感器704。探針光源702包括第一光源706和第二光源708。第一光源706可包括led710，第二光源可包括led712。波長傳感器704是雙擴散發(fā)光二極管。

作為操作的示例，led710和led712可使其陰極在信道714處共同接地，且當在陽極718和720處分別施加電壓時，可分別發(fā)射波長為660nm和880nm的光輻射716。發(fā)射光輻射716入射到材料722上。發(fā)射光輻射716的一部分通過材料722傳輸，并由波長傳感器704作為入射光輻射724所接收。如前所述，圖1中的scss100執(zhí)行自校準程序，以正確地檢測來自于所接收的入射光輻射724的材料722的特性。

圖1中的scss100在檢測材料722的任何特性之前執(zhí)行自校準程序。所述自校準程序包括在向探針光源702和波長傳感器704之間插入材料722之前，從led710發(fā)射的光輻射716的脈沖被波長傳感器704作為入射光輻射724接收。血氧計利用由波長傳感器704接收的被測入射光輻射724來確定led710的操作波長。一旦led710的操作波長已知，圖1中的scss100可與血氧計結合使用以精確地確定材料722的血氧飽和度。

圖8示出了使用雙擴散發(fā)光二極管(也稱為雙結發(fā)光二極管)接收入射光輻射724的波長傳感器704的橫截面圖。具有雙擴散性質的發(fā)光二極管通常用于精確檢測光源的質心波長，例如led710和712。雙擴散發(fā)光二極管用兩個接頭處理，一個位于上表面，一個位于半導體發(fā)光二極管(例如硅發(fā)光二極管)的背面，每個結通常表現(xiàn)出不同且明確界定的光譜響應。因此，通過檢測由兩個結產(chǎn)生的信號的商(quotient)，可以確定任何給定單色光源的質心波長。

波長傳感器704具有在公共硅基底上垂直構造的兩個p-n結。波長傳感器704包括第一陽極800、公共陰極802、第一二極管804(也稱為上二極管)、第二二極管806(也稱為下二極管)、第二陽極808和薄的活性區(qū)810。第一陽極800位于形成第一二極管804的公共陰極802上表面的上方。應選擇第一二極管804的厚度，其使得從入射光輻射724檢測的最短波長的能量被完全吸收。第二二極管806在公共陰極802和放置于下表面的第二陽極808之間形成，薄的活性區(qū)810在公共陰極802和第二陽極808之間。薄的活性區(qū)810的厚度被選擇為使得吸收幾乎所有的入射光輻射724的最長檢測波長。

圖9描繪了圖8中波長傳感器704的光譜響應的典型曲線圖900。圖9的曲線圖900具有垂直軸902，其表示圖8中波長傳感器704的相對響應百分比，且圖9的水平軸904表示圖8中入射光輻射724的波長。圖9的曲線圖900描述了兩個響應曲線906和908，其分別表示圖8中第一二極管804和第二二極管806的相對響應與波長之比。

作為波長傳感器704的示例操作，第一二極管804可具有增強藍色響應，且第二二極管806可以具有增強紅色響應。在該示例中，入射光輻射724在紅色和藍色響應之間(例如波長在450至900nm之間)的吸收輻射產(chǎn)生與入射光輻射724的波長成比例的兩個光電流信號。這些光電流信號的商獨立于高至波長傳感器704的飽和點的亮度級。利用該示例，可以確定任一單色入射光輻射724的波長或多色入射光輻射724的光譜密度峰值。波長傳感器704的示例可以是由加利福尼亞州westlakevillage的pacificsiliconsensor公司生產(chǎn)的pssws-7.56波長傳感器。

在圖10中表示了描述校準電路1000的示例性實施例的示意圖。校準電路1000通過信道112和114分別與圖1中的探針1002和控制器106進行信號通信。校準電路1000可包括一對放大器1004和1006(例如對數(shù)放大器)，其通過信道1010與圖8中的第一陽極800，通過信道1012與圖10中的波長傳感器1008的第二陽極808，且通過信道1014與差分放大器1010進行信號通信。差分放大器1008通過信道112與圖1中控制器106進行信號通信。

在實際操作中，波長傳感器1004在雙擴散發(fā)光二極管中從兩個結(即發(fā)光二極管804和806)產(chǎn)生兩個光電流信號。波長傳感器1004中的每個結顯現(xiàn)出不同且明確定義的且被圖1中控制器106所知的光譜響應，且得到的這兩個光電流信號的振幅與被測入射光輻射724的波長成比例，被測入射光輻射724對應于圖10中的探針1002中的光源中的一個(圖2中的204或206)。光電流信號分別通過信道1010和1012被放大器1004和1006放大，并被輸入到差分放大器1008。如果放大的光電流信號1018和1020近似相等，差分放大器1008的相應差分輸出信號1022約等于零。一旦差分輸出信號1022約等于零，則確定入射光輻射的波長，并校準圖1中的scss100。

當放大的光電流信號1018和1020不近似相等時，相應的差分輸出信號1022將根據(jù)放大的光電流信號1018和1020之間振幅值的差異而變化。差分輸出信號1022被用作圖1中控制器106的參照?？刂破?06通過了解圖8中發(fā)光二極管804和806的光譜響應來確定入射光輻射724的波長。控制器106使用軟件108或其他位于scss100中的硬件(未示出)來確定入射光輻射724的波長。軟件108可包括允許控制器106根據(jù)從波長傳感器1004接收的檢測值實時計算波長值的邏輯。

或者，控制器106可以使用查找表(“l(fā)ut”)110來確定入射光輻射724的波長。lut110可以駐留在控制器106內部或外部的存儲器(未示出)中。lut110包括圖8中每個發(fā)光二極管804和806的電壓對波長的已知光譜響應的列表。一旦控制器106檢測圖10中的差分輸出信號1022，圖1中的軟件108將圖10中的差分輸出信號1022的值與圖1中的lut110中存儲的值相對比，然后檢索對應的波長值。然后，控制器106使用檢索到的波長波動來自校準scss100。

除了自校準之外，scss100還能夠對由于溫度變化引起的入射光輻射724波長的變化進行溫度補償。scss100可借助于與自校準相同的過程來補償溫度變化。

圖11是圖1中的scss100的另一個示例性實施例，其在血氧計裝置1102之內帶有圖1的校準電路1100。血氧計裝置1102通過信道112與探針1104進行信號通信，并且包括校準電路1100、控制器1106、第一驅動器1108和第二驅動器1101。探針1104包括波長傳感器1112和具有第一光源1116和第二光源1118的探針光源1114。

在實際操作中，第一驅動器1108驅動第一光源1116，第二驅動器1110驅動第二光源1118。第一光源1116和第二光源1118可以各自獨立產(chǎn)生入射到波長傳感器1112的光輻射。波長傳感器1112從雙擴散發(fā)光二極管中的兩個結(即發(fā)光二極管804和806)產(chǎn)生兩個光電流信號。同樣，波長傳感器1112中的每個結表現(xiàn)出不同且明確定義的光譜響應，這對于控制器1106是已知的，并且產(chǎn)生這兩個的光電流信號的振幅與被測的入射光輻射的波長成比例，其對應于探針1104中的一個光源(1116或1118)。光電流信號1120和1122被處理并輸入到差分放大器1224。如果光電流信號1120和1122近似相等，則對應的差分放大器1124的差分輸出信號1126約等于零。一旦差分輸出信號1126約等于零，則確定入射光輻射的波長，并且校準圖1中的scss100。

當光電流信號1120和1122不近似相等時，對應的差分輸出信號1126將根據(jù)光電流信號1120和1122之間的振幅值的差異而變化。差分輸出信號1126被用作控制器1106的參照?？刂破?106通過了解發(fā)光二極管804和806的光譜響應來確定入射光輻射的波長。

控制器1106利用圖1中位于scss100中的軟件108，或其他硬件(未示出)來確定入射光輻射的波長。軟件108可包括邏輯,該邏輯允許圖11中的控制器1106通過從波長傳感器1112接收到的測量值來實時地計算波長值。

或者，控制器1106可以使用查找表lut110來確定入射光輻射的波長，lut110可以駐留在圖11中控制器1106內部或外部的存儲器(未示出)中。圖1中的lut110包括每個發(fā)光二極管804的電壓對波長的已知光譜響應的列表。一旦控制器1106檢測圖11中的差分輸出信號1126，圖1中的軟件108將圖11中的差分輸出信號1126的值與存儲在圖1中的lut110中的值進行比較，然后檢索相應的波長值。然后，圖11中的控制器1106使用檢索到的波長的波對圖1中的scss100自校準。

圖12表示由圖1的scss100執(zhí)行的處理過程。所述過程始于圖12的步驟1200。在步驟1202中，圖2的波長傳感器202從探針光源200接收入射光輻射200。在圖8的步驟1204中，第一二極管804接收來自入射光輻射200的短波長，在圖8的步驟1206中，第二二極管806接收來自入射光輻射200的長波長。在步驟1208中，第一二極管804響應于從入射光輻射200接收的短波長而產(chǎn)生圖10中第一光電流信號1010，第二二極管806響應于圖12中的步驟1210中的入射光輻射200接收的短波長而產(chǎn)生圖10中的第二光電流信號1012。最后，在步驟1212中，圖1中的校準電路104和/或控制器106通過將第一光電流信號1010與第二光電流信號1012進行比較來確定入射光的波長，所述過程終止于步驟1214。

scss100可以選擇性地以軟件、硬件或硬件與軟件的組合來實現(xiàn)。例如，scss100的元件可以通過存儲于控制器106中的存儲器(未示出)中的軟件108來實現(xiàn)?？刂破?06可以通過信道112與dsp或asic芯片進行信號通信(其可以是系統(tǒng)總線)。軟件108配置與驅動dsp或asic芯片并執(zhí)行如圖12所示的步驟。

軟件108包括用于實現(xiàn)邏輯功能的可執(zhí)行指令的有序列表。軟件108可以部署在使用或與指令執(zhí)行系統(tǒng)，裝置或設備(例如基于計算機的系統(tǒng)，包含處理器的系統(tǒng)或其他系統(tǒng))相關的任何計算機可讀介質中。指令執(zhí)行系統(tǒng)，裝置或設備可以選擇性地取出來自指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備的指令并執(zhí)行。在本文獻的上下文中，“計算機可讀介質”是可容納、存儲、通信、廣播或傳送程序以供指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備使用或與指令執(zhí)行系統(tǒng)，裝置或設備結合使用的任何手段。計算機可讀介質的非限定性實例可以是：電子、磁性、光學、電磁、紅外或半導體系統(tǒng)、裝置、設備或傳播介質。計算機可讀介質的更具體的示例(非窮舉列表)介質將包括以下內容：具有一根或多根電線的電氣連接(電子)、便攜式計算機磁盤(磁性)、ram(電子)、只讀存儲器(rom)(電子)、可擦除可編程只讀存儲器(eprom或閃存)(電子)、光纖(光學)和便攜式光盤只讀存儲器(cdrom)(光學)。值得注意的是，計算機可讀介質甚至可以是紙或另一種合適的打印程序的介質，所述程序可以通過例如紙張或其他介質的光學掃描被電子捕獲，然后如果需要，則以適當?shù)姆绞竭M行編輯、解釋或以其他方式處理，然后存儲于計算機存儲器中。

轉向圖13，在一個實施方案中，提供了用于檢測任何種類血液成分的無創(chuàng)醫(yī)療傳感器。例如，傳感器1310可以用于檢測血紅蛋白的氧飽和度或其他參數(shù)。

傳感器1310可以但不一定具有一個或多個單色光源1312、1313、一個或多個寬帶的非單色光源1314以及一個或多個光檢測器1316。在一個實施例中，光源和檢測器彼此相對，如圖13所示。

在一個實施方案中，傳感器1310放置于手指1318或人體的其他肢體上，且用來自一個或多個光源的光透過肢體照射。圖14提供了對氧合(動脈)hbo2和脫氧(靜脈)hb血紅蛋白分子(hg)的非典型光譜透射的描述?；蛘撸鈴纳眢w的一部分的皮膚反射出，而不是透過肢體發(fā)光。

如前所述，傳感器1310包括例如雙發(fā)光二極管或任何其它類型的波長檢測器1316，其產(chǎn)生用于指示接收到的光的質心波長的輸出。圖15描述了使用廣譜光源的，用于hbo2(動脈)和hb(靜脈)血流的雙結波長檢測器的響應性。

傳感器1310還可包括發(fā)射寬光譜(例如200nm至2000nm)光的光源或其任何部分，例如白色led或任何其它寬發(fā)射裝置。傳感器1310可連接到驅動包括寬發(fā)射裝置的光源的處理系統(tǒng)1610(圖16)，并且還接收來自發(fā)光二極管和波長檢測器的信號。

在一個實施方案中，處理系統(tǒng)1610包括計算機介質1612、存儲器1614和信號處理電路1616，其用于通過比較由傳感器1310的發(fā)光二極管所接收的信號來計算血流的各種參數(shù)。另外，處理系統(tǒng)1610可用于通過傳感器內的寬發(fā)射光源產(chǎn)生的光來照射組織。

此外，在一個實施方案中，波長檢測器1316在光通過人體部位1318或從人的皮膚反射之后產(chǎn)生與從寬發(fā)射光源1314發(fā)射的光的最強透射波長成比例的信號。轉向圖17，來源于波長檢測器1316的信號可通過處理系統(tǒng)1610借助于電路和計算機處理進一步處理，以獲得與人體的動脈和靜脈脈搏成比例的脈沖波形1710。

通過處理系統(tǒng)1610，可以存儲動脈和靜脈脈搏的時域和振幅特性，并進一步用于將透過人體肢體1318的一個或多個單色光源1312、1313的吸收率或反射率的動脈脈搏同步檢測進行同步。這些信號可以用于計算氧飽和度、一氧化碳濃度、血紅蛋白或血液的任何其他參數(shù)。

在一個實施方案中，與波長檢測器信號相一致的動脈和靜脈脈搏可用于消除或減少通常由人體或肢體運動引起的誤差脈沖(通常被標記為運動偽影)可能導致的錯誤檢測。

利用圖13所示的無創(chuàng)傳感器13可以使得系統(tǒng)進行額外的檢測和計算。

如本文所討論的，傳感器可以包含至少一個單色光源，至少一個非單色寬譜發(fā)射光源，至少一個光檢測器和至少一個波長檢測器。光源和檢測器可彼此相對地安裝，或可彼此相鄰地安裝。傳感器可以放置在組織上，如手指(如圖13所示)或其他肢體，或者為用于檢測的任何其他位置提供足夠的血液灌注。當光源與檢測器相對安裝時，灌注可能是由穿過手指或其他人體部位的發(fā)射光引起的。當光源與檢測器相鄰安裝時，發(fā)射的光可以從皮膚或其他人體部位反射，這可能提供足夠的用于檢測的血液灌注。

如本文已描述的，檢測器模塊可以是雙元件光接收器或雙結點探測器元件。例如，在所述系統(tǒng)中使用的雙檢測器模塊可包括具有不同的和嚴格控制的光譜響應曲線的兩個發(fā)光二極管(檢測器a和檢測器b)。例如，發(fā)光二極管可以被構造在單個芯片上的外延硅片上，所述系統(tǒng)依賴于檢測器模塊的特性，以得到與入射光的質心波長成比例的信號。例如，由典型響應曲線檢測器可以看出，在圖18中，曲線1810表示檢測器a的響應曲線，而曲線1820表示檢測器b的響應曲線。

所述傳感器和系統(tǒng)可包括至少一個或多個光源，其發(fā)出廣譜的非單色光能量，例如白色led。廣譜可以覆蓋200nm至1300nm的范圍區(qū)間或其子區(qū)間。所述傳感器和系統(tǒng)還可包括一個或多個單色光的元件。例如，傳感器和系統(tǒng)可包括紅色led和紅外光譜發(fā)射器，其發(fā)射的光透過或穿過一個肢體或組織由檢測器模塊所接收。

所述傳感器可以連接到以順序脈沖模式驅動光源的處理系統(tǒng)。所述處理系統(tǒng)可以從光接收器元件和質心波長檢測器接收信號。所述處理系統(tǒng)可包括計算機介質、存儲器和信號處理電路，其用于處理從包含于傳感器中的光檢測器得到的信號，并從這些信號中得到各種生理參數(shù)。處理系統(tǒng)還可以向傳感器提供控制信號。信號可以用于照亮光源，光源依次照射與傳感器接觸的組織或肢體。照明可由至少一個單色光源以及任何一個非單色光源所產(chǎn)生。

發(fā)光二極管和質心波長檢測器模塊可經(jīng)過過濾，或透過肢體或組織，或通過皮膚或組織反射，產(chǎn)生與最高光強波長成比例的信號。該信號可被進一步處理以確定與動脈脈搏成比例的信號的調制與動脈脈搏的峰值和谷值之間的光譜吸收的變化。從傳感器接收到的信號可以進一步用于通過脈沖血氧濃度以及其他血液成分將光譜吸收與脈沖變化相關聯(lián)。

圖19表示由質心波長檢測器檢測并由本文所述的系統(tǒng)處理的具有寬發(fā)射照明的發(fā)射器的動脈脈搏血流所產(chǎn)生的光譜吸收的變化。圖20描述了時域中此種信號的峰值和谷值，所述谷值與患者動脈脈搏的峰值相一致。

例如，在圖21中可見使用本系統(tǒng)和方法來測定血氧飽和度的益處。圖21表示由質心波長檢測器的比率(2110)得到和處理的血氧飽和度的信號和由傳統(tǒng)血氧計(2120)中使用單色光源得到的脈沖血氧飽和度的信號。如圖21所示，質心波長檢測器的比率的使用提供了合理準確與動態(tài)更新的氧飽和度檢測結果。

使用來自非單色光元件的脈沖血氧飽和度數(shù)據(jù)，可以獲得并計算在傳感器部位發(fā)生運動事件期間的血氧濃度或其他血液成分參數(shù)的可靠數(shù)據(jù)流。僅從組織的單色照明得到的通常會被掩蓋的事件或無效數(shù)據(jù)可被校正或更換。從傳統(tǒng)脈沖血氧計系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的通常來源于單色光源的數(shù)據(jù)的傳感器所產(chǎn)生的，由非單色照明組織的光譜吸收變化得到的替代數(shù)據(jù)可用于校正或替代傳統(tǒng)脈搏血氧儀系統(tǒng)中的不精確數(shù)據(jù)。

圖22-24表示可通過患者產(chǎn)生的運動事件讀取和提供脈沖檢測的過程。非單色廣譜發(fā)光元件可以被照亮，且發(fā)射的光在被雙檢測器元件檢測和接收之前穿過患者的組織。動脈脈搏將改變光譜的吸收使其足以允許系統(tǒng)檢測脈沖發(fā)生。在為檢測器a和b(2210)設置相等的增益后，通過周期性地開啟廣譜元件會產(chǎn)生所需的模擬數(shù)據(jù)，例如在檢測器a與檢測器b處于相同的增益(2220)時進行30次/秒的短暫信號采樣?？捎嬎氵@兩個信號的比率(2230)，并且產(chǎn)生信號，其反映由組織產(chǎn)生的動脈脈搏和基線光譜吸收產(chǎn)生的光譜吸收的平均值與變化。然后，系統(tǒng)將找到對應于動脈脈搏(2240)的最小峰值信號，并確定最小峰值是否發(fā)生(2250)。如果沒有發(fā)生最小峰值，系統(tǒng)將為檢測器a和b重新設置相等的增益，并重新采樣與計算該比率。

如果最小峰值出現(xiàn)，則采樣并保持該比率(2260)。使用采樣并保持的rs，前25次采樣的平均比率將不斷更新，以創(chuàng)建移動平均點。然后，系統(tǒng)將從存儲表(2270)中獲取比率并查找相應的spo2值，如圖22b所示，并確定是否應該設置運動標志(2280)。如果當前檢測的比率在系統(tǒng)可接受范圍內，則該過程將重復下一次采樣。如果檢測的比率不在系統(tǒng)可接受范圍內，則系統(tǒng)會將基于非單色led獲得的spo2值替換為任何單色的紅色/紅外光譜spo2值(2290)。

比率信號用于在發(fā)生運動事件的情況下建立倒數(shù)據(jù)流(fall-backdatastream)，而發(fā)生運動事件使得根據(jù)紅色led和紅外光譜發(fā)射器的ac分量比精確地計算氧飽和度變得不可能。在正常操作期間，來自紅色與紅外光譜的比率的氧飽和度數(shù)據(jù)需要與在廣譜光源開啟時從兩個元件的比率得到的信號電平的對應值(優(yōu)選在動脈峰值處采樣)相關聯(lián)。即使運動發(fā)生，系統(tǒng)也將返回到該廣譜光源的衍生數(shù)據(jù)流，以在運動事件期間通過將該數(shù)據(jù)替換為一般根據(jù)紅色到紅外光譜比率計算出的飽和度數(shù)據(jù)來產(chǎn)生精確的氧飽和度數(shù)據(jù)。因此，每次紅色led和紅外光譜發(fā)射器被激活時，非單色廣譜光源必須按順序開啟。

在圖23中可見根據(jù)非單色或白色led照射的組織或處于平靜與正常飽和水平的患者的數(shù)據(jù)繪制的典型圖。其中曲線2310表示檢測器a的容積波，曲線2320表示檢測器b的容積波。如比率曲線2330所示，也計算了由發(fā)光二極管a和發(fā)光二極管b檢測到的光的“比率”。圖24表示在正常滲透的肢體的快速肢體波或平移運動事件期間獲得的容積波和a/b比。如圖24所示，傳統(tǒng)血氧計所依賴的容積波振幅偏移超過21％，而只表示光譜吸收的a/b比僅改變了1.5％。

該系統(tǒng)還可以被配置為檢測由非單色光源產(chǎn)生的光的質心波長。檢測質心波長允許系統(tǒng)在探針或器件在質心波長范圍內運行時進行檢測以確保精度。當探針施加到患者時且當紅色光源通電時，進行檢測。可以周期性地收集質心波長數(shù)據(jù)，例如每五(5)秒或每150個脈沖(基于每秒發(fā)射30個脈沖的速率)收集一次?？梢酝ㄟ^在紅色led通電期間對雙檢測器元件中的檢測器a和b進行采樣來計算質心數(shù)據(jù)。a與b的比率對應于由紅色led發(fā)出的光的質心波長，可與嵌入系統(tǒng)中的限值進行比較，并與可確保準確性的飽和度檢測值進行比較。無需收集紅外光譜發(fā)射器的數(shù)據(jù)，因為紅外光譜發(fā)射器的質心波長與飽和度計算精度無直接關系。由于檢測針對患者進行，系統(tǒng)將檢測由患者肢體上的物質或皮膚色素沉積、皮膚缺陷等引起的質心波長的變化。如果質心落在系統(tǒng)的限制之外，則可生成系統(tǒng)消息，提醒用戶由于讀數(shù)可能不準確而更換探針。如上所述，這樣的讀數(shù)可由運動事件引起，或者可能是傳感器從患者脫離的結果。

圖25和圖26表示使用非單色寬帶(白色)光源、非灌注對象和灌注對象的波長檢測器所提供的原始數(shù)據(jù)。基于振幅為110或更高的比率表示非灌注對象，而振幅為90或更低則表示灌注主體的存在。通過設置限制并檢測波長檢測器中的原始數(shù)據(jù)，檢測器可以精確地確定肢體或組織是否位于傳感器內，以及光是否穿過組織或直接提供給傳感器。

盡管已描述了應用的各種實施方案，但是對于本領域的一般技術人員顯而易見的是，在本發(fā)明的范圍內可能存在的更多實施方案和實施例。因此，本發(fā)明不受除所附權利要求書及其等同物之外的限制。