專(zhuān)利名稱(chēng)：適用于低飽和度的脈沖血氧計(jì)和傳感器的制作方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
脈沖血氧計(jì)用于在手術(shù)室、觀察室、特護(hù)病房連續(xù)監(jiān)測(cè)成人、兒童和新生兒的動(dòng)脈血氧飽和度，在普通病房中的應(yīng)用也在不斷增加。此外還需要產(chǎn)房中用脈沖血氧計(jì)在分娩過(guò)程中監(jiān)測(cè)胎兒的供氧狀態(tài)，以及用于監(jiān)測(cè)心臟病人的血氧狀態(tài)。
脈沖血氧計(jì)通常用于其動(dòng)脈血氧飽和度大于90％，即動(dòng)脈血液中功能血紅蛋白的90％以上是氧合血紅蛋白，不到10％的血紅蛋白是還原血紅蛋白的患者。這類(lèi)患者的氧飽和度很少低于70％。如果氧飽和度降低到這樣低的一個(gè)值，就會(huì)表現(xiàn)出不健康的臨床癥狀，通常需要手術(shù)。在這種情況下，高度準(zhǔn)確地測(cè)定血氧飽和度與臨床的關(guān)系不象確定其隨時(shí)間變化的趨勢(shì)與臨床的關(guān)系密切。
常規(guī)的兩波長(zhǎng)脈沖血氧計(jì)從兩個(gè)發(fā)光二極管(LEDs)向搏動(dòng)組織床發(fā)射光，并用位于相對(duì)表面的(透射型脈沖血氧計(jì))，或位于相鄰表面的(反射型脈沖血氧計(jì))一個(gè)光電二極管收集透射光。發(fā)光二極管和光電探測(cè)器封裝在一個(gè)可重復(fù)使用的或一次性使用的傳感器中，該傳感器與脈沖血氧計(jì)和電路部分和顯示部分相連。脈沖血氧計(jì)中的“脈沖”來(lái)自于在心臟血液循環(huán)過(guò)程中組織中動(dòng)脈血液的時(shí)間變化量，由于循環(huán)重復(fù)的光衰減，光探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后生成所熟知的體積描記圖波形。為了測(cè)量氧飽和度，兩個(gè)發(fā)光二極管中至少有一個(gè)的主要波長(zhǎng)必須選擇在電磁光譜中氧合血紅蛋白(HbO2)的吸收與還原血紅蛋白(Hb)的吸收不同的某個(gè)點(diǎn)處。兩個(gè)發(fā)光二極管中的第二個(gè)的波長(zhǎng)必須選擇在該光譜的一個(gè)不同點(diǎn)上，此外，這一點(diǎn)上Hb與HbO2之間的吸收率差別與第一波長(zhǎng)處是不同的。市售的脈沖血氧計(jì)利用了可見(jiàn)光譜中660nm附近的近紅波段的一個(gè)波長(zhǎng)，和可見(jiàn)光譜中880-940nm范圍內(nèi)的近紅外波段的另一個(gè)波長(zhǎng)(見(jiàn)

圖1)。如在本申請(qǐng)中所使用的含義，“紅”波長(zhǎng)或“紅”波譜是指電磁波譜中600-800nm的部分；“近紅”是指600-700nm的部分；“遠(yuǎn)紅”是指700-800nm的部分；“紅外”或“近紅外”是指800-1000nm的部分。
檢測(cè)和處理光探測(cè)器中產(chǎn)生的光電流以測(cè)量紅光和近紅光信號(hào)的調(diào)制比。如圖2所示，可以看到這個(gè)調(diào)制比與動(dòng)脈氧飽和度的相關(guān)性很好?？梢酝ㄟ^(guò)在一組病人、健康的志愿者或動(dòng)物的活體內(nèi)測(cè)量動(dòng)脈氧飽和度(SaO2)，再測(cè)定與該測(cè)量范圍相應(yīng)的調(diào)制比來(lái)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定脈沖血氧計(jì)和脈沖血氧計(jì)傳感器。所觀測(cè)到的相關(guān)性則反過(guò)采用于在實(shí)時(shí)測(cè)量的調(diào)制比值的基礎(chǔ)上測(cè)算氧飽和度(SpO2)。(如本申請(qǐng)中所用的含義，SaO2表示在活體內(nèi)測(cè)得的官能飽和度，而SpO2表示利用脈沖血氧計(jì)測(cè)量的官能飽和度。)常規(guī)脈沖血氧計(jì)所使用的發(fā)光管波長(zhǎng)的選擇基于以下幾個(gè)因素，但是并不局限于這些，即信號(hào)穿過(guò)充血組織的最佳透射性、對(duì)于動(dòng)脈血氧飽和度變化的敏感度、和市售發(fā)光二極管在所需波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度和有效性。通常，兩個(gè)波長(zhǎng)之一選自HbO2的消光系數(shù)與Hb的消光系數(shù)明顯不同的吸收光譜區(qū)域(圖1)。這個(gè)接近660nm的區(qū)域中還原血紅蛋白對(duì)光的吸收率與氧合血紅蛋白對(duì)光的吸收率之比最大。660nm波段的高強(qiáng)度發(fā)光二極管也容易購(gòu)得。為了數(shù)值上的便利，紅外波長(zhǎng)通常選擇在接近805nm的區(qū)域(等吸光點(diǎn))，或選擇在880-940nm波段內(nèi)，在這一波段由于Hb和HbO2成反比的吸收關(guān)系可以得到增強(qiáng)的靈敏度。不過(guò)，使用波長(zhǎng)在660nm波段和900nm波段的一對(duì)發(fā)光二極管的脈沖血氧計(jì)在低血氧飽和度情況下都表現(xiàn)出準(zhǔn)確度下降。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使第一和第二光源的波長(zhǎng)譜最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了利用脈沖血氧計(jì)對(duì)于低動(dòng)脈氧飽和度的更加準(zhǔn)確的測(cè)量，從而與采用常規(guī)的第一和第二波長(zhǎng)譜相比改善了對(duì)于低飽和度值的飽和度測(cè)量，而同時(shí)卻使對(duì)于高飽和度值的飽和度測(cè)量受到的不利影響減到最小程度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果第一波光譜的預(yù)期的或預(yù)計(jì)的吸收率和散射率比選擇常用的波長(zhǎng)光譜時(shí)，例如采用中心在660nm的第一波長(zhǎng)和中心在880-940nm范圍內(nèi)任何一點(diǎn)的第二波長(zhǎng)時(shí)更加接近，最好是等于第二波長(zhǎng)光譜的吸收率和散射率，則可以明顯提高在低飽和度下的計(jì)算準(zhǔn)確性。
本發(fā)明解決了一個(gè)長(zhǎng)期的需求，即對(duì)可以在低氧飽和度情況，即飽和度等于或小于80％、75％、70％、65％、或60％時(shí)比現(xiàn)有技術(shù)中的脈沖血氧計(jì)能夠更加準(zhǔn)確地測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度的脈沖血氧計(jì)傳感器和系統(tǒng)的需求。這種傳感器和系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量分娩過(guò)程中的活胎兒的動(dòng)脈血氧飽和度是十分有用的，在這種情況下最重要和有意義的飽和度范圍通常是15％到65％；對(duì)于測(cè)量活著的心臟病人的動(dòng)脈血氧飽和度也是特別有用的，這種病人的靜脈血液會(huì)在心臟中明顯地分流到他們的動(dòng)脈中，所以對(duì)于他們十分重要和有意義的飽和度范圍大約是在50％到80％之間。相對(duì)照而言，一個(gè)通常的健康人的飽和度大于90％。當(dāng)一個(gè)活體，人或動(dòng)物的飽和度處于較低范圍時(shí)本發(fā)明是有用的。
除了在低飽和度時(shí)可以更準(zhǔn)確地測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度，當(dāng)存在人為的擾動(dòng)并且發(fā)生在所監(jiān)視的對(duì)象上時(shí)，本發(fā)明的傳感器、監(jiān)視器和系統(tǒng)還可以更好和更加準(zhǔn)確地測(cè)量氧飽和度。
當(dāng)利用該第一和第二波長(zhǎng)譜測(cè)得的組織的吸收率和散射率與具有特殊意義的飽和度值接近時(shí)，就會(huì)改善利用第一和第二波長(zhǎng)實(shí)際測(cè)得的組織飽和度的對(duì)應(yīng)性和一致性，于是有力地減小了由于人為擾動(dòng)導(dǎo)致的誤差。例如，當(dāng)一個(gè)波長(zhǎng)的光被吸收的比率明顯高于其它波長(zhǎng)的光時(shí)，其它波長(zhǎng)的光會(huì)更顯著地穿透到組織中。當(dāng)被檢測(cè)的組織特別不均勻時(shí)，光穿透深度的差別對(duì)于動(dòng)脈血氧飽和度測(cè)量的準(zhǔn)確性具有明顯的相反的影響。
人為擾動(dòng)包括，但是不限于，任何對(duì)于被檢測(cè)的介質(zhì)的相對(duì)的光學(xué)特性的測(cè)量具有影響的人為效應(yīng)。人為擾動(dòng)包括，但是不限于，以下所列(1)利用傳感器檢測(cè)的組織成分隨著測(cè)試對(duì)象的不同而不同，即，其中脂肪、骨質(zhì)、腦髓、皮膚、肌肉、動(dòng)脈、靜脈等等的相對(duì)含量的變化；(2)被檢測(cè)的組織中血紅蛋白濃度的變化，例如由脈管擴(kuò)張或脈管收縮，和任何其它影響血液在被檢測(cè)組織中的灌注的物理原因所引起的變化；(3)施加在傳感器和被檢測(cè)的組織之間的力量的變化，于是影響到附近組織中存在的血量。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種具有適合于胎兒血氧飽和度范圍的光源，并且能夠最大程度地免除人為擾動(dòng)的胎兒脈沖血氧計(jì)傳感器?？扇〉氖鞘褂靡环N遠(yuǎn)紅和紅外光源，其中遠(yuǎn)紅光源的平均波長(zhǎng)為700-790nm。紅外光源可以具有與已有技術(shù)中用于高飽和度患者的裝置相同的平均波長(zhǎng)，即800-1000nm之間。在本申請(qǐng)中所使用的“高飽和度”的意思是指動(dòng)脈血氧飽和度大于70％，最好大于75％，或者大于80％，也可以大于90％。
本發(fā)明的胎兒傳感器還特別適于調(diào)整發(fā)射光進(jìn)入組織的位置與被探測(cè)光從組織中出射的位置之間的間距以使對(duì)人為擾動(dòng)的敏感降到最低。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，光電傳感器(例如，LEDs和光電探測(cè)器)位于光進(jìn)出組織的部位。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，光電傳感器遠(yuǎn)離組織，例如在血氧計(jì)監(jiān)視器中，一些光纖將傳感器與用光纖末端照射的組織相連，被組織散射的光由一根光纖的末端采集。最好是采用多根光纖或光纖束。
本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到胎兒典型的血氧飽和度范圍為5-65％，通常為15-65％，相比之下，一個(gè)典型的具有正常(高)飽和度的病人的飽和度為90％以上。此外，胎兒傳感器受到增加的人為擾動(dòng)的影響。胎兒血氧計(jì)的另一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)是傳感器一般從陰道插入，它停留的準(zhǔn)確位置預(yù)先是不知道的。
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到所有這些對(duì)于胎兒血氧計(jì)或低飽和度病人用的血氧計(jì)獨(dú)有的特征，并提供了一種最適于免除人為擾動(dòng)影響的傳感器。這種適宜性是通過(guò)犧牲對(duì)于飽和度值變化的靈敏度而實(shí)現(xiàn)的。這種折衷的結(jié)果是可以更加可靠地計(jì)算飽和度，而這對(duì)于使用已有技術(shù)方法的人來(lái)說(shuō)不是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)橐延屑夹g(shù)方法的目的是使對(duì)飽和度值的變化的靈敏度最大。為實(shí)現(xiàn)這些適宜性所作的改進(jìn)對(duì)于反射型和透射型脈沖血氧計(jì)傳感器都是可以應(yīng)用的。在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.07/752168中記載了一種可用于本發(fā)明的胎兒透射型脈沖血氧計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)例，該申請(qǐng)已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，其公開(kāi)內(nèi)容在本申請(qǐng)中引用作為參照內(nèi)容。在美國(guó)專(zhuān)利US-4830014中記載了一種可應(yīng)用于本發(fā)明的非胎兒用透射型脈沖血氧計(jì)結(jié)構(gòu)，其公開(kāi)內(nèi)容在本申請(qǐng)中引用作為參照內(nèi)容。
附圖簡(jiǎn)介圖1為氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)相對(duì)于表示現(xiàn)有技術(shù)中近紅和紅外LED波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的吸收特征譜圖；圖2為紅/紅外調(diào)制比相對(duì)于血氧飽和度的關(guān)系圖；圖3為表示光透過(guò)組織的處在不同深度的不同層的示意圖；圖4A表示對(duì)于不同的飽和度值在一定范圍波長(zhǎng)內(nèi)衰減系數(shù)和散射系數(shù)變化的曲線(xiàn)圖；圖4B為圖4A中各種值的列表；圖5為表示一個(gè)傳感器在胎兒上放置的示意圖；圖6為本發(fā)明的LED的光譜圖；圖7-18表示對(duì)于不同的紅光和紅外光波長(zhǎng)組合的調(diào)制比和作為飽和度函數(shù)的飽和度誤差的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?
圖19-23表示在羊身上所作的實(shí)驗(yàn)中對(duì)于發(fā)光管波長(zhǎng)和發(fā)光管探測(cè)器間隔的不同組合，飽和度和由于施加力產(chǎn)生的誤差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；圖24和圖25為表示本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖26A-B為用于本發(fā)明的單封裝、雙發(fā)光管封裝的示意圖；圖27為本發(fā)明的脈沖血氧計(jì)的方框圖。
對(duì)于優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述對(duì)于本發(fā)明的胎兒傳感器設(shè)計(jì)的理解需要對(duì)傳感器工作環(huán)境有所了解。圖3表示可以放置一個(gè)傳感器的典型的胎兒位置處的組織層面。一般來(lái)說(shuō)，有第一層皮膚12，其下也許是一層脂肪14、一層肌肉16和一層骨骼18。這僅僅是為了說(shuō)明目的畫(huà)出的一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖。不同位置處的輪廓和層次可以有所變化。例如，在前額處骨頭更接近表面，相反，在頸部肌肉更接近表面。這種隨位置不同而產(chǎn)生的變化可以產(chǎn)生在由于組織成分變化產(chǎn)生的效應(yīng)概述中所說(shuō)的第一種類(lèi)型的人為擾動(dòng)。
從發(fā)光管20到光探測(cè)器22的基本光路用箭頭24和26表示。箭頭24表示幾乎直接從發(fā)光管20進(jìn)入探測(cè)器22的光，基本上是經(jīng)過(guò)含有很少血液的組織，從一個(gè)分流到另一個(gè)之中。另一方面，箭頭26表示另一條光路中光的較深穿透。穿透的深度受到光波長(zhǎng)和飽和度的影響。例如，在低飽和度情況下，紅外光比近紅光穿透得更深。由于紅外光信號(hào)穿過(guò)更多不同的層次，較深的穿透會(huì)產(chǎn)生紅外光和紅光信號(hào)之間的不希望產(chǎn)生的變化。
圖3中還表示使用發(fā)光管28的效果，發(fā)光管28在組織上與探測(cè)器30的距離比上述的第一對(duì)20、22之間的距離更大。如所看到的，這種更大的間距導(dǎo)致在組織中的穿透深度更大，如箭頭32和34所示。因此，雖然由于有更多的光被組織吸收和更長(zhǎng)的光傳播距離而使光更大地衰減，從而降低了在探測(cè)器中接收到的信號(hào)的強(qiáng)度，但是較大的間距也增加了穿透的深度。
在概要中所述的第二種擾動(dòng)是在不同病人的組織之間或者隨著時(shí)間變化血液濃度的變化。較低的濃度會(huì)導(dǎo)致較低的吸收率，使穿透深度增加。本發(fā)明人計(jì)算出光子在組織中的平均穿透深度與吸收率和散射系數(shù)的乘積相關(guān)，這個(gè)計(jì)算結(jié)果與Weiss等人的發(fā)現(xiàn)是一致的，參見(jiàn)“從被照射的組織中再發(fā)射的光子穿透深度的統(tǒng)計(jì)”一文，該文章發(fā)表在現(xiàn)代光學(xué)雜志1989年第36卷第3期349-359，354頁(yè)，該篇文獻(xiàn)在本申請(qǐng)中作為參考文獻(xiàn)。
電磁波譜中可見(jiàn)光和近紅外光在組織中的吸收是由血紅蛋白的吸收特征所決定的。血紅蛋白的吸收系數(shù)在一些文獻(xiàn)中可以找到，例如Zijistra等人在臨床化學(xué)37/9，1633-1638，1991中發(fā)表的“胎兒和成人的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、碳氧血紅蛋白和正鐵血紅蛋白的吸收光譜”一文(此文在本申請(qǐng)中作為參考文獻(xiàn))。雖然普遍認(rèn)為對(duì)于波長(zhǎng)的相對(duì)靈敏度與所用測(cè)量方法無(wú)關(guān)，但是所測(cè)量的組織的散射系數(shù)受到測(cè)量方法和處理數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型的影響。本發(fā)明人所采用的組織散射系數(shù)是根據(jù)漫散射理論得出的，取自Schmitt的“脈沖血氧計(jì)中多種散射效應(yīng)的簡(jiǎn)單光子漫散射分析”，生物醫(yī)學(xué)工程IEEE學(xué)報(bào)，Vol.38，No.12，1991年12月，此文在本申請(qǐng)中作為參考文獻(xiàn)。
圖4A為表示0％、40％、85％和100％血氧飽和度情況下對(duì)于600nm-1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光波的吸收和散射系數(shù)乘積的曲線(xiàn)圖。對(duì)于85-100％組織血氧飽和度，如曲線(xiàn)101上A點(diǎn)和B點(diǎn)所示對(duì)于通常所選擇的一對(duì)波長(zhǎng)(即660nm和892nm)，吸收系數(shù)散射系數(shù)的乘積具有良好的平衡或相關(guān)性。
對(duì)于較低的組織血氧飽和度，曲線(xiàn)102上的C點(diǎn)和D點(diǎn)表明660nm的近紅光和892nm的紅外光的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的乘積之間存在明顯的不協(xié)調(diào)，對(duì)于近紅光的吸收和散射更強(qiáng)。這種吸收和散射的明顯不匹配導(dǎo)致用近紅光和紅外光檢測(cè)組織的結(jié)果差別極大，因而明顯地降低了動(dòng)脈氧飽和度計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，當(dāng)需要準(zhǔn)確計(jì)算較大范圍的低動(dòng)脈血氧飽和度時(shí)，例如在監(jiān)測(cè)一個(gè)處于分娩過(guò)程中的胎兒時(shí)，其動(dòng)脈血氧飽和度可以從15％擴(kuò)展到65％，從圖4A中可以明顯地看出不僅近紅光和紅外光的吸收率和散射率之間存在明顯的不匹配，而且不匹配量隨著動(dòng)脈血氧飽和度的變化而非常顯著地改變，因此造成對(duì)動(dòng)脈血氧飽和度計(jì)算隨著動(dòng)脈血氧飽和度的變化而具有不同的準(zhǔn)確性。
另一方面，圖4A中曲線(xiàn)102上的D點(diǎn)和E點(diǎn)表明了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所選擇的第一和第二波長(zhǎng)，即732nm和892nm的優(yōu)點(diǎn)，這兩個(gè)波長(zhǎng)在40％的組織氧飽和度情況下比現(xiàn)有技術(shù)中的一對(duì)波長(zhǎng)660nm和892nm具有更接近平衡的吸收和散射特性?？梢岳斫?，由于該732nm波長(zhǎng)光的消光和散射系數(shù)與該892nm波長(zhǎng)光的消光和散射系數(shù)更加接近地一致，所以用這兩個(gè)波長(zhǎng)的光對(duì)組織的檢測(cè)結(jié)果的重合會(huì)得到改善。此外，732nm波長(zhǎng)光與660nm相比，其作為氧飽和度函數(shù)的消光和散射系數(shù)的變化較小，因此能夠在較寬的飽和度范圍內(nèi)更好和更準(zhǔn)確地計(jì)算氧飽和度。圖4A中所示的氧飽和度值與動(dòng)脈血氧飽和度值更加相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)給定的組織氧飽和度對(duì)應(yīng)于一個(gè)較高的動(dòng)脈氧飽和度值。例如，發(fā)明人計(jì)算出85％的組織氧飽和度對(duì)應(yīng)于大約100％的動(dòng)脈氧飽和度。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是使用于測(cè)算分娩過(guò)程中的胎兒動(dòng)脈氧飽和度的傳感器的波長(zhǎng)最優(yōu)化，在所說(shuō)分娩過(guò)程中所檢測(cè)的飽和度通常低于70％，典型的監(jiān)測(cè)范圍在15％-65％之間。由于人為擾動(dòng)在數(shù)量和幅度上都很強(qiáng)，所以努力使胎兒傳感器所使用的兩個(gè)波長(zhǎng)的吸收率和散射率一致或平衡是十分有用的。例如，對(duì)于一個(gè)表面反射型傳感器，采用已有技術(shù)很難知道傳感器會(huì)放置到胎兒的什么部位。例如，有時(shí)它會(huì)放置在頭部，而有時(shí)則會(huì)放置在面頰部。因而，組織成分會(huì)隨著每次的使用而不同。此外，由于在分娩過(guò)程中作用在傳感器上的力是變化的，所以又會(huì)產(chǎn)生其它的人為擾動(dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是將本發(fā)明的傳感器用于飽和度在50％-80％之間的心臟病患者，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)計(jì)算的準(zhǔn)確性是十分重要的。
圖5表示一個(gè)傳感器410在一個(gè)胎兒412上的放置狀態(tài)。該傳感器通過(guò)一根纜線(xiàn)414與一個(gè)位于外部的脈沖血氧計(jì)監(jiān)視器相連。如從圖中所見(jiàn)，傳感器410嵌入陰道壁416與胎兒412之間。在這個(gè)實(shí)施例中，傳感器位于胎兒頭部的側(cè)面。傳感器的嵌入在直接位于傳感器下面的皮膚上施加了一個(gè)力，這減少了光信號(hào)從中通過(guò)部分的血液量，從而增加了得到準(zhǔn)確的血氧飽和度讀數(shù)的難度。
在選擇一個(gè)最佳的LED波長(zhǎng)時(shí)，必須牢記LED有一定頻寬，并不象激光器那樣是一個(gè)單一窄波段波長(zhǎng)的器件。圖6表示本發(fā)明的傳感器所用的一個(gè)優(yōu)選波長(zhǎng)的頻譜分布，如圖所示遠(yuǎn)紅波長(zhǎng)735nm為峰值波長(zhǎng)。但是，箭頭510表示在強(qiáng)度近似為峰值波長(zhǎng)的50％時(shí)的波長(zhǎng)分布大約為25nm寬。此外，在制造LED的過(guò)程中，很難嚴(yán)密地控制平均波長(zhǎng)。例如訂貨商指定了一個(gè)特定的波長(zhǎng)，諸如在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中為735nm，而應(yīng)當(dāng)預(yù)料到所接收的LED的實(shí)際的平均波長(zhǎng)可能偏離指定波長(zhǎng)10、20或更多納米。通過(guò)檢測(cè)和挑選一般可以達(dá)到較窄的離散范圍。
圖27是實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)脈沖血氧計(jì)的方框圖。從光源210發(fā)出的光進(jìn)入病人組織212，發(fā)生散射并被光探測(cè)器214所探測(cè)。一個(gè)包含光源和光探測(cè)器的傳感器200還可以包含一個(gè)編碼器216，該編碼器提供光源210的指示信號(hào)以使血氧計(jì)可以選擇用于計(jì)算氧飽和度的適宜的標(biāo)定系數(shù)。編碼器216可以，例如，是一個(gè)電阻器。
傳感器200與一個(gè)脈沖血氧計(jì)220相連。血氧計(jì)包括一個(gè)與一條內(nèi)部總線(xiàn)224相連的微處理器222。與該總線(xiàn)相連的還包括一個(gè)RAM存儲(chǔ)器226和一個(gè)顯示器228。一個(gè)時(shí)間處理單元(TPU)230向光驅(qū)動(dòng)電路232提供定時(shí)控制信號(hào)，該光驅(qū)動(dòng)電路控制什么時(shí)間光源210照明，如果使用了多個(gè)光源，則對(duì)于不同的光源使用復(fù)路定時(shí)信號(hào)控制。TPU230還控制信號(hào)從光電探測(cè)器214通過(guò)一個(gè)放大器233和一個(gè)開(kāi)關(guān)電路234的選通。如果使用了多個(gè)光源，則根據(jù)多個(gè)光源中哪一個(gè)處于照明狀態(tài)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采樣。接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)放大器236、一個(gè)低通濾波器238、和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器240。然后將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)串行模塊(QSM)242中，以便在以后當(dāng)QSM242充滿(mǎn)后卸載到RAM26中。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于所接收的多個(gè)光波長(zhǎng)或波譜可以有獨(dú)立的濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器的多個(gè)平行電路。
一個(gè)探測(cè)器和解碼器模塊242確定編碼器216中光源的波長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的電路的一個(gè)實(shí)施例記載在一同轉(zhuǎn)讓的US-4770179中，該專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)在本申請(qǐng)中引用作為參考文獻(xiàn)。
在與光電探測(cè)器214所接收的光相應(yīng)的所接收信號(hào)值基礎(chǔ)上，微處理器222采用已知的算法計(jì)算氧飽和度。這些算法需要一些與例如所使用的光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，這些系數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。它們存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)器ROM246中。對(duì)于任何一對(duì)波長(zhǎng)所選擇的一組特定的系數(shù)是根據(jù)由對(duì)應(yīng)于在某一傳感器200中的某一光源的編碼器216所指示的值確定的。在一個(gè)實(shí)施例中，可以設(shè)計(jì)多個(gè)電阻器值以選擇不同組的系數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，同樣的電阻器被用于從適合于與一個(gè)近紅光源或遠(yuǎn)紅光源配對(duì)的一個(gè)紅外光源的系數(shù)中進(jìn)行選擇。可以利用控制輸入裝置254的控制輸入信號(hào)來(lái)確定是選擇近紅組還是遠(yuǎn)紅組。控制輸入裝置254可以是，例如脈沖血氧計(jì)上的一個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)鍵盤(pán)，或是一個(gè)輸入來(lái)自遠(yuǎn)處的主計(jì)算機(jī)的指令的端口。
本發(fā)明的發(fā)明人采用數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)兩種方式來(lái)使所提出的傳感器實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。存在許多用于描述組織中的光散射的數(shù)學(xué)模型。發(fā)明人所采用的數(shù)學(xué)模型假定在均勻的組織床中的散射是各向同性的。盡管這是組織中光散射的真實(shí)性質(zhì)的一種簡(jiǎn)化(組織是不均勻的，光是基本向前方散射的)，但是這些模型對(duì)于描述脈沖血氧計(jì)的操作，和對(duì)于許多設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度是有用的。
利用這樣一個(gè)模型，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的LED選擇組合。將組織特性數(shù)字化定義，對(duì)于所考慮的每對(duì)波長(zhǎng)計(jì)算出SaO2和調(diào)制率之間的基本(標(biāo)定)相關(guān)性。生理?xiàng)l件的變化可以通過(guò)修正一個(gè)或多個(gè)數(shù)字化定義的物理參數(shù)來(lái)模擬。再利用所得到的調(diào)制比計(jì)算出SpO2，將其中誤差最小的飽和度范圍標(biāo)記出來(lái)。對(duì)于80％以上的動(dòng)脈飽和度，已有技術(shù)選擇的660nm和890nm這一對(duì)波長(zhǎng)具有最佳性能，而對(duì)于低于70％的動(dòng)脈飽和度，735nm配以890nm波段的發(fā)光器件則具有更高的可靠性。
圖7至圖18表示相對(duì)于各種紅光和紅外光LED波長(zhǎng)對(duì)，將組織血液體積量改變到基本值的四分之一時(shí)的預(yù)期誤差。A圖(如圖7A)表示調(diào)制比與SaO2的關(guān)系圖。B圖(如圖7B)表示飽和度誤差與SaO2的關(guān)系圖。這種擾動(dòng)模擬在病人群體內(nèi)血量變化、組織中貧血、局部缺血、或局部放血的效果。
在下面的圖表中表示了相對(duì)于幾對(duì)紅光和紅外光波長(zhǎng)，對(duì)組織中血液濃度變化標(biāo)定的靈敏度。在每種情況中，LED沒(méi)有次級(jí)輻射，擾動(dòng)范圍為組織中標(biāo)稱(chēng)血液濃度2％到0.5％。

圖7-9表示在常規(guī)脈沖血氧計(jì)中存在的特性的類(lèi)型。圖10-18表示當(dāng)LED波長(zhǎng)選擇在700-900nm頻譜范圍時(shí)最佳特性區(qū)域從飽和度在80％以上變化到較低飽和度時(shí)的偏移。光散射受到氧合作用變化的影響最小，但是當(dāng)組織中的還原血紅蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)檠鹾涎t蛋白時(shí)或者當(dāng)相反過(guò)程發(fā)生時(shí)光吸收受到明顯的影響。當(dāng)兩個(gè)頻道在充血組織中的散射和吸收特性達(dá)到平衡時(shí)就會(huì)形成脈沖血氧計(jì)的最佳特性區(qū)域。當(dāng)由兩個(gè)頻道所測(cè)得的組織量具有很好的重疊性時(shí)平衡就達(dá)到了，這要求兩個(gè)波長(zhǎng)的光的穿透深度一致。在較高飽和度的情況下，當(dāng)一對(duì)波長(zhǎng)中紅光發(fā)光管波長(zhǎng)在660nm波段時(shí)達(dá)到最佳平衡，而在較低飽和度情況下，由于使用了730nm波段的紅光發(fā)光管而改善了平衡。紅外光LED波長(zhǎng)從805nm變化到940nm對(duì)于特性沒(méi)有明顯的影響。
當(dāng)脈沖血氧計(jì)采用接近730nm和890nm的一對(duì)LED時(shí)，調(diào)制比相對(duì)于氧飽和度變化的靈敏度(即，例如圖1中曲線(xiàn)的斜率)與使用660nm和890nm波長(zhǎng)的LED時(shí)相比降低了，但是對(duì)于除氧飽和度以外的組織特性的測(cè)量值變得更加確定了。調(diào)制比測(cè)量值中由于諸如儀器電子噪聲、數(shù)字化、或環(huán)境光影響等因素產(chǎn)生的噪聲變得更加重要，但是通常可以通過(guò)很好地設(shè)計(jì)儀器和適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理而加以克服。但是當(dāng)發(fā)光管波長(zhǎng)是在主要關(guān)注的飽和度范圍基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇時(shí)，由于組織光學(xué)特性產(chǎn)生的偏移和偏差對(duì)于這些波長(zhǎng)的選擇的意義不大了。
本發(fā)明人利用樣機(jī)在羊身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)支持在脈沖血氧計(jì)設(shè)計(jì)中采用735nm波段的紅光LED，它在較低飽和度范圍內(nèi)對(duì)于人為擾動(dòng)具有更好的適應(yīng)能力。反射型脈沖血氧計(jì)傳感器是采用常規(guī)的660nm-890nmLED對(duì)，和735nm-890nmLED對(duì)制造的。
圖19-23表示沿X軸表示的氧飽和度從大約100％到小于10％范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果。這些曲線(xiàn)圖表示相對(duì)于每個(gè)實(shí)際的飽和度值(SaO2)計(jì)算出來(lái)的飽和度值(SpO2)。同時(shí)還從放置在左股骨動(dòng)脈中的動(dòng)脈導(dǎo)管中抽取血樣測(cè)定實(shí)際的飽和度。SaO2利用實(shí)驗(yàn)室等價(jià)血氧計(jì)(儀器標(biāo)號(hào)IL282或輻射計(jì)OSM-3)測(cè)得。這些值就是在這些圖中的X軸上采用的值。
如所看到的，圖19、20和22中的對(duì)角線(xiàn)表示當(dāng)計(jì)算值等于從動(dòng)脈血管中測(cè)得的實(shí)際值時(shí)所需要的結(jié)果。圖19、20和22中所示的檢測(cè)是將傳感器抵住皮膚并施加大約50克的標(biāo)稱(chēng)力而進(jìn)行的。
采用660nm的傳感器，使發(fā)光管/探測(cè)器在組織上中心與中心之間相隔14mm，如19表示傳感器標(biāo)定對(duì)于所探測(cè)組織類(lèi)型是非常敏感的。在頭部和在頸部上標(biāo)定結(jié)果是非常不同的。
采用735nm的傳感器，使發(fā)光管/探測(cè)器在組織上中心與中心之間相隔5.8mm，如圖20所示頭部與頸部之間的偏差大大減小了。但是對(duì)于表面貧血實(shí)質(zhì)上仍然是敏感的。這在圖21中表現(xiàn)得很清楚，該圖表示了人為擾動(dòng)(在傳感器上施加力)的影響。
圖22表示當(dāng)發(fā)光管/探測(cè)器中心與中心之間相隔14mm采用735nm傳感器時(shí)對(duì)位置的不敏感性。圖23表示這個(gè)傳感器對(duì)于施加到該傳感器上的力(人為的擾動(dòng))也是不敏感的。
實(shí)驗(yàn)證明對(duì)于735nm/890nm的LED波長(zhǎng)，將發(fā)光管/探測(cè)器中心與中心之間間隔從5.8mm增大會(huì)使對(duì)人為擾動(dòng)的敏感程度降低，當(dāng)發(fā)光管/探測(cè)器間隔等于或大于10mm時(shí)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的特性。
模擬計(jì)算和實(shí)際實(shí)驗(yàn)都表明通過(guò)使紅光波長(zhǎng)在700-790nm的最佳范圍內(nèi)可以改善飽和度測(cè)量的可靠性。此外，通過(guò)增加發(fā)光管與探測(cè)器之間的間隔可以使當(dāng)有力作用時(shí)飽和度測(cè)量誤差減小。
作用在傳感器上的力引起表面組織的貧血，進(jìn)一步增大了由于組織的不均勻性造成的差異，或造成發(fā)光管與探測(cè)器之間光的分流，從而造成飽和度計(jì)算的誤差。通過(guò)加寬發(fā)光管/探測(cè)器之間的間隔可以對(duì)此加以補(bǔ)償，這使得從紅光和紅外光LED中發(fā)出的光在組織中穿透得更深，從而一般來(lái)說(shuō)增加了它們穿透具有相同組成的組織結(jié)構(gòu)的可能性，如圖3所示。
圖24為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的一個(gè)傳感器的俯視圖。傳感器表面110上安裝有一個(gè)遠(yuǎn)紅光LED112和一個(gè)紅外光LED114。它們與一個(gè)探測(cè)器116的中心距為14mm?？扇〉氖牵h(yuǎn)紅光和紅外光LED的中心之間間距不超過(guò)0.5mm。傳感器表面通過(guò)一根電纜118與一個(gè)用于連接到脈沖血氧計(jì)的連接器120相連。圖25為圖24中傳感器的側(cè)視圖，表示傳感器的可轉(zhuǎn)動(dòng)部分122和傳感器背面132。當(dāng)將傳感器放進(jìn)子宮時(shí)，子宮將會(huì)在傳感器背面132施加一個(gè)力，并使轉(zhuǎn)軸122變形。如所看到的，這個(gè)技術(shù)導(dǎo)致有一個(gè)力作用在該傳感器上，從而使得傳感器-胎兒之間有良好的接觸，但是有可能造成組織中局部貧血。應(yīng)當(dāng)記住任何傳感器實(shí)施例都有可能造成局部貧血。
模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明脈沖血氧計(jì)中調(diào)制比與飽和度的相關(guān)性與組織的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通過(guò)選擇發(fā)光管波長(zhǎng)可以對(duì)變化的人為擾動(dòng)的靈敏度產(chǎn)生影響。對(duì)于高氧飽和度，選擇660nm和890nm波段發(fā)光管適合于穩(wěn)定的脈沖血氧計(jì)計(jì)算，而在低飽和度情況下，700-790nm和890nm波段的發(fā)光管性能更好。利用與上述相同的分析，其它波長(zhǎng)組合可以從光譜中可見(jiàn)光及近紅外光部分中選擇。但是，目前，從儀器的總體設(shè)計(jì)考慮(例如電子信噪比和在反射型探頭中采用窄間距部件時(shí)可能造成的光的分流)，更愿意采用所討論的波長(zhǎng)。利用所述分析，還可能實(shí)現(xiàn)脈沖血氧計(jì)的其它改進(jìn)。圖19-23表示利用一些傳感器樣機(jī)所作檢測(cè)的結(jié)果。
圖26A和圖26B為包含圖24和25中所示發(fā)光管112和114的一體化封裝結(jié)構(gòu)的前視圖和側(cè)視圖。兩個(gè)發(fā)光管都封裝在一個(gè)半導(dǎo)體管中，以使封裝更加緊湊，從而實(shí)現(xiàn)最小化，這對(duì)于胎兒傳感器應(yīng)用是十分有利的。在圖26A所示的實(shí)施例中，發(fā)光管模112利用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂膠130粘結(jié)到基板132上。基板132采用金屬板，其外面部分134構(gòu)成該封裝的外部導(dǎo)線(xiàn)。發(fā)光管114安裝在金屬板136的頂部，其外面部分138形成第二導(dǎo)線(xiàn)。
發(fā)光管114的電子連接是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)138向上穿過(guò)導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂膠的一端和在導(dǎo)線(xiàn)焊點(diǎn)140上的另一端構(gòu)成的，所說(shuō)焊點(diǎn)與另一導(dǎo)線(xiàn)134相連。同樣，導(dǎo)線(xiàn)134通過(guò)導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂膠130與第二發(fā)光管112相連，發(fā)光管112的另一端通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)焊點(diǎn)142與導(dǎo)線(xiàn)138相連。所以，如所看到的，在兩根導(dǎo)線(xiàn)134和138上施加具有第一極性的電壓將使其中一個(gè)發(fā)光管發(fā)光，而關(guān)閉另一個(gè)，而翻轉(zhuǎn)極性則使發(fā)光和關(guān)閉的發(fā)光管顛倒過(guò)來(lái)。這些發(fā)光管和它們相應(yīng)的基板都封裝在一個(gè)外殼144中，該外殼可能是例如塑料制成的。
圖26B為側(cè)視圖，從側(cè)面表示封裝外殼144，表示從發(fā)光管112、114中發(fā)出的光146。圖26A-26B中所示結(jié)構(gòu)是緊湊的，適用于胎兒傳感器的用途。可取的是，兩個(gè)發(fā)光管112中心之間的距離小于2mm。這種外殼布線(xiàn)的方式使得該外殼具有兩根導(dǎo)線(xiàn)，與四根導(dǎo)線(xiàn)不同，后者需要使用兩個(gè)分開(kāi)的發(fā)光管外殼。
另一種方案是采用一個(gè)遠(yuǎn)紅光和一個(gè)紅外LED，選擇兩個(gè)不同波長(zhǎng)光譜的其它方法也是可以采用的。例如，可以使用激光元件而不是LED。或者，可以使用白光或其它光源同時(shí)使其波長(zhǎng)對(duì)探測(cè)器而言是最優(yōu)化的。這可以通過(guò)在光源或者探測(cè)器的前面使用適合的濾色器，或者通過(guò)使用一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)敏感的探測(cè)器而實(shí)現(xiàn)。如果使用了幾個(gè)濾色片，可以將它們放置在探測(cè)器或者發(fā)光管前面，或者可以使濾光片在一個(gè)發(fā)光管或探測(cè)器前面交替地活化。
在寬飽和度范圍內(nèi)使用的脈沖血氧計(jì)可以利用多個(gè)波長(zhǎng)對(duì)(例如與一個(gè)900nm發(fā)光管配對(duì)的660nm和730nm波段的發(fā)光管兩種組合)，選擇用于在所測(cè)算的氧飽和度值的基礎(chǔ)上計(jì)算SpO2的適合的發(fā)光管對(duì)。
這樣一種脈沖血氧計(jì)可以用兩個(gè)或多個(gè)紅光LED來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者采用一個(gè)光源和多個(gè)濾光片，或多個(gè)波長(zhǎng)敏感的探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)病人的飽和度范圍，可以使用不同的紅光波譜。
如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，在不脫離本發(fā)明的基本特征的前提下可以采用其它具體方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明波長(zhǎng)是可以變化的而仍然保持最優(yōu)化。而且，根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思還可以使用光波導(dǎo)管、光纖、多個(gè)濾光片、或多個(gè)探測(cè)器?？梢允褂门c圖25所示的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)不同的傳感器，例如球膽結(jié)構(gòu)以使傳感器可以浮起和保持在胎兒身上。所以，本發(fā)明的范圍取決于所附的權(quán)利要求書(shū)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量血氧飽和度的方法，包括以下步驟提供一個(gè)傳感器和一個(gè)脈沖血氧計(jì)；選擇一個(gè)光源和一個(gè)光探測(cè)器；使由所說(shuō)光探測(cè)器接收的從所說(shuō)光源發(fā)出的光的波長(zhǎng)譜對(duì)于小于80％的氧飽和度值最優(yōu)化；將所說(shuō)傳感器放置在病人身上；和利用所說(shuō)傳感器和所說(shuō)脈沖血氧計(jì)測(cè)定所說(shuō)的血氧飽和度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)的最優(yōu)化步驟是針對(duì)一個(gè)胎兒的氧飽和度進(jìn)行的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于包括對(duì)于小于65％的氧飽和度值使所說(shuō)波長(zhǎng)譜最優(yōu)化的步驟。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于包括對(duì)于大于15％的氧飽和度值使所說(shuō)波長(zhǎng)譜最優(yōu)化的步驟。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括以下步驟將一個(gè)探測(cè)器放置在所說(shuō)傳感器上；使所說(shuō)光源與所說(shuō)探測(cè)器的間距最優(yōu)化以減小所說(shuō)傳感器對(duì)于人為擾動(dòng)的敏感程度；由所說(shuō)的探測(cè)器利用通過(guò)所說(shuō)胎兒散射出來(lái)的光測(cè)量從所說(shuō)光源發(fā)出的光強(qiáng)度。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所說(shuō)光入射到所說(shuō)組織中的位置與從所說(shuō)組織中收集所說(shuō)光的位置之間的間距至少為10mm。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的接收到的光包括紅光光譜和紅外光光譜，所說(shuō)紅光光譜和紅外光光譜都具有與充血組織相關(guān)的消光和吸收系數(shù)，所說(shuō)最優(yōu)化步驟包括在所說(shuō)紅光譜和紅外光譜中選擇波長(zhǎng)譜的步驟，所說(shuō)紅光譜和紅外光譜各自的消光和散射系數(shù)的乘積形成第一值和第二值，所說(shuō)第一值與第二值之間的比值對(duì)于0-65％的氧飽和度值范圍的大部分為0.5-2。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所接收的光包括紅光譜和紅外光譜，所說(shuō)最優(yōu)化步驟包括使用在適用于具有高飽和度的病人的所說(shuō)紅外光譜范圍中的第一光譜，并使該紅光譜與適于胎兒的第二光譜適配。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所說(shuō)第二光譜的平均波長(zhǎng)在700-900nm之間。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所說(shuō)第二光譜包括強(qiáng)度至少為所說(shuō)第二光譜中其它任何波長(zhǎng)光強(qiáng)度的50％的735nm波長(zhǎng)的光。
11.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所說(shuō)最優(yōu)化步驟，與在具有高飽和度的病人情況下的最佳穿透深度相比，增加了所說(shuō)光在一個(gè)胎兒中的穿透深度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)最優(yōu)化步驟減小了所說(shuō)測(cè)定步驟對(duì)于人為擾動(dòng)的敏感性。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)最優(yōu)化步驟包括選擇所說(shuō)的光源使之具有所需要的波長(zhǎng)譜的步驟。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)最優(yōu)化步驟包括選擇探測(cè)有限光譜的所說(shuō)光探測(cè)器的步驟。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)最優(yōu)化步驟包括將所說(shuō)光源濾光以通過(guò)所需波長(zhǎng)光譜的步驟。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于它還包括對(duì)于大于80％的氧飽和度值交替地使由所說(shuō)光探測(cè)器接收到的、從所說(shuō)光源中發(fā)出的所說(shuō)波長(zhǎng)譜最優(yōu)化的步驟。
17.一種測(cè)量胎兒血氧飽和度的方法，它包括以下步驟提供一個(gè)傳感器和一個(gè)脈沖血氧計(jì)；選擇一個(gè)光源和一個(gè)光探測(cè)器；用所說(shuō)探測(cè)器探測(cè)包括紅光譜和紅外光譜的光；從紅外光譜中選擇適用于測(cè)量具有高飽和度的病人的氧飽和度的波長(zhǎng)譜；將所說(shuō)紅光譜的一個(gè)波長(zhǎng)譜對(duì)于15-65％的氧飽和度最優(yōu)化到平均波長(zhǎng)在700-790nm，所說(shuō)最優(yōu)化增加了血氧飽和度測(cè)量不受人為擾動(dòng)影響的可能；將所說(shuō)傳感器放置在所說(shuō)胎兒身上；在光從所說(shuō)胎兒身體的某一部分散射之后由所說(shuō)光探測(cè)器測(cè)量從所說(shuō)光源中發(fā)出的至少兩個(gè)光信號(hào)的強(qiáng)度；和利用所說(shuō)強(qiáng)度和所說(shuō)脈沖血氧計(jì)測(cè)定所說(shuō)血氧飽和度。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于它還包括從所探測(cè)的通過(guò)所說(shuō)胎兒的身體的一個(gè)部位散射的光中測(cè)定第三光信號(hào)的步驟，該第三光信號(hào)具有小于700nm的平均波長(zhǎng)，并且對(duì)于大于65％氧飽和度值被最優(yōu)化。
19.一種使用脈沖血氧計(jì)測(cè)量病人的血氧飽和度的方法，它包括以下步驟針對(duì)一個(gè)傳感器選擇一個(gè)光源和一個(gè)光探測(cè)器；由所說(shuō)探測(cè)器探測(cè)的光包括第一和第二光譜，每個(gè)光譜具有與充血組織相關(guān)的消光和吸收系數(shù)；通過(guò)選擇波長(zhǎng)譜使所說(shuō)光譜最優(yōu)化，所說(shuō)波長(zhǎng)譜各自的消光和散射系數(shù)的乘積構(gòu)成第一值和第二值，所說(shuō)第一值和第二值之間的比值對(duì)于0-65％的飽和度值的大部分范圍在0.5-2之間；將所說(shuō)傳感器放置到所說(shuō)病人身上；和利用所說(shuō)傳感器和所說(shuō)脈沖血氧計(jì)測(cè)定所說(shuō)血氧飽和度。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于還包括交替地使所說(shuō)光譜對(duì)于大于65％的氧飽和度值范圍最優(yōu)化的步驟。
21.一種測(cè)量胎兒中血氧飽和度的方法，它包括以下步驟提供一個(gè)傳感器和一個(gè)脈沖血氧計(jì)；選擇一個(gè)遠(yuǎn)紅光和紅外光源以及一個(gè)光探測(cè)器；由所說(shuō)探測(cè)器探測(cè)包括用于測(cè)量具有高飽和度病人的氧飽和度的紅外波長(zhǎng)譜的光，所探測(cè)光包括平均波長(zhǎng)為700-790nm之間的遠(yuǎn)紅波長(zhǎng)譜；將所說(shuō)光源放置在一體化封裝的外殼中，并將所說(shuō)外殼安裝在所說(shuō)傳感器上；將所說(shuō)傳感器放置在所說(shuō)胎兒身上；在光通過(guò)所說(shuō)胎兒身體的一個(gè)部位散射之后由所說(shuō)光探測(cè)器測(cè)量從所說(shuō)光源發(fā)出的光的強(qiáng)度；和利用所說(shuō)強(qiáng)度和所說(shuō)脈沖血氧計(jì)測(cè)定所說(shuō)血氧飽和度。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于還包括以下步驟選擇一個(gè)第二紅光光源；選擇具有小于700nm的平均波長(zhǎng)的所說(shuō)第二紅光光源的波長(zhǎng)譜；和選擇性激活所說(shuō)第一和第二紅光光源中的一個(gè)或兩者。
23.一種胎兒脈沖血氧計(jì)，它包括一個(gè)外殼；安裝在所說(shuō)外殼中的至少一個(gè)光源；安裝在所說(shuō)外殼中的至少一個(gè)探測(cè)器；用于探測(cè)被胎兒組織散射的光的裝置，所說(shuō)光包括紅外光譜，所說(shuō)紅外光譜的范圍適用于測(cè)量高氧飽和度病人的氧飽和度，所探測(cè)的光還包括紅光譜，所說(shuō)紅光譜的平均波長(zhǎng)在700-790nm之間；和安裝在所說(shuō)外殼中的所說(shuō)探測(cè)器與所說(shuō)光源隔開(kāi)，并設(shè)置在探測(cè)從所說(shuō)光源發(fā)出的光的位置。
24.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)的光源包括至少一個(gè)LED。
25.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)的光源包括紅光和紅外光源，它們與所說(shuō)探測(cè)器分開(kāi)至少10mm。
26.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)光源包括紅光和紅外光源，所說(shuō)光源與所說(shuō)探測(cè)器分開(kāi)至少14mm。
27.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)裝置包括可發(fā)射有限光譜的光源。
28.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)裝置包括設(shè)置在所說(shuō)光源和所說(shuō)探測(cè)器之間的濾光片，用于通過(guò)限定的光譜。
29.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)裝置包括對(duì)波長(zhǎng)敏感的探測(cè)器，該探測(cè)器探測(cè)限定的光譜。
30.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于它還包括用于提供具有平均波長(zhǎng)小于700nm的紅光光譜的裝置。
31.如權(quán)利要求30所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)用于提供平均波長(zhǎng)在700-790nm之間的紅光光譜的裝置是一個(gè)第一發(fā)光二極管；和所說(shuō)用于提供平均波長(zhǎng)小于700nm的紅光光譜的裝置是一個(gè)第二發(fā)光二極管。
32.用于測(cè)量血氧飽和度的一種脈沖血氧計(jì)傳感器，它包括一個(gè)光源；一個(gè)光探測(cè)器；所說(shuō)光源和所說(shuō)光探測(cè)器中的一個(gè)包括產(chǎn)生具有第一和第二光譜的光的裝置，對(duì)于每個(gè)光譜在充血組織中的消光和吸收系數(shù)的乘積最優(yōu)化，這些乘積構(gòu)成第一值和第二值，在小于80％的氧飽和度的大部分范圍內(nèi)所說(shuō)第一值與第二值之間的比值在0.5-2之間。
33.如權(quán)利要求32所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)的光源和所說(shuō)的探測(cè)器間隔至少14mm。
34.如權(quán)利要求32所述的傳感器，其特征在于它還包括用于產(chǎn)生具有平均波長(zhǎng)小于700nm的紅光光譜的裝置。
35.一種用于測(cè)量胎兒血氧飽和度的脈沖血氧計(jì)傳感器，包括一個(gè)輻射源；一個(gè)輻射探測(cè)器；所說(shuō)源和所說(shuō)探測(cè)器中至少一個(gè)被最優(yōu)化以減小在飽和度低于65％的情況下血氧飽和度測(cè)量對(duì)于人為擾動(dòng)的敏感性。
36.如權(quán)利要求35所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)的輻射源包括紅光和紅外光LED，它們與所說(shuō)的探測(cè)器間隔至少10mm。
37.如權(quán)利要求35所述的傳感器，其特征在于所說(shuō)的輻射源包括紅光和紅外光LED，它們與所說(shuō)的探測(cè)器間隔14mm。
38.如權(quán)利要求35所述的傳感器，其特征在于它還包括用于在氧飽和度大于65％的情況下交替地使所說(shuō)源和探測(cè)器最優(yōu)化的裝置。
39.如權(quán)利要求38所述的傳感器，其特征在于它還包括一個(gè)平均波長(zhǎng)小于700nm的第二紅光光源。
40.一種用于測(cè)量胎兒血氧飽和度的傳感器，它包括一個(gè)紅外光源，其具有用于測(cè)量具有高飽和度的病人的氧飽和度的波長(zhǎng)譜；一個(gè)平均波長(zhǎng)在700-790nm之間的深紅光光源；和一個(gè)將所說(shuō)紅光源和紅外光源封閉在其中的一體式封裝外殼，所說(shuō)外殼安裝在所說(shuō)傳感器上。
41.一種使用脈沖血氧計(jì)的方法，包括以下步驟從一個(gè)傳感器接收由從組織散射光得到的至少第一和第二信號(hào)，所說(shuō)光具有至少第一和第二波長(zhǎng)譜，所說(shuō)第一和第二譜是對(duì)于小于80％的氧飽和度值最優(yōu)化的；和利用適合于所說(shuō)第一和第二最優(yōu)化光譜的系數(shù)計(jì)算氧飽和度。
42.一種測(cè)量胎兒血氧飽和度的方法，包括以下步驟提供一個(gè)傳感器和一個(gè)脈沖血氧計(jì)；選擇一個(gè)光源和一個(gè)遠(yuǎn)紅和紅外光探測(cè)器；由所說(shuō)探測(cè)器探測(cè)包括用于測(cè)量具有高飽和度病人的氧飽和度的一個(gè)紅外光波長(zhǎng)譜的光，所探測(cè)的光包括平均波長(zhǎng)在700-790nm之間的遠(yuǎn)紅波長(zhǎng)譜；將所說(shuō)光探測(cè)器放入一個(gè)單獨(dú)的封裝外殼并將所說(shuō)的外殼安裝在所說(shuō)的傳感器上；將所說(shuō)傳感器放在所說(shuō)胎兒身上；用所說(shuō)光探測(cè)器測(cè)量從所說(shuō)光源發(fā)出的光在通過(guò)所說(shuō)胎兒身上的一個(gè)部位散射之后的強(qiáng)度；利用所說(shuō)強(qiáng)度和所說(shuō)脈沖血氧計(jì)確定所說(shuō)血氧飽和度。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，它還包括以下步驟選擇所說(shuō)的探測(cè)器以探測(cè)第二紅光光譜；從所說(shuō)平均波長(zhǎng)小于700nm的第二紅光光譜中選擇一個(gè)波長(zhǎng)譜；和有選擇地探測(cè)所說(shuō)第一或第二紅光光譜中的一個(gè)或者兩者。
44.一種脈沖血氧計(jì)，包括一個(gè)輸入連接器，用于從傳感器中接收利用通過(guò)組織上散射的光得到的至少第一和第二信號(hào)，所說(shuō)光具有至少第一和第二波長(zhǎng)譜；一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)適合于所說(shuō)第一和第二光譜的系數(shù)，所說(shuō)光譜是對(duì)于小于80％的氧飽和度值最優(yōu)化的；和一個(gè)處理器，其與所說(shuō)的存儲(chǔ)器和所說(shuō)的輸入連接器相連，用于采用所說(shuō)的系數(shù)計(jì)算氧飽和度。
45.如權(quán)利要求44所述的脈沖血氧計(jì)，其特征在于所說(shuō)的第一波長(zhǎng)譜的平均波長(zhǎng)在700-790nm之間。
46.如權(quán)利要求45所述的脈沖血氧計(jì)，其特征在于它還包括一個(gè)探測(cè)器，其與所說(shuō)連接器相連、用于探測(cè)從一個(gè)傳感器傳送的指示平均波長(zhǎng)在700-790nm之間的所說(shuō)第一波長(zhǎng)譜的編碼信號(hào)。
47.如權(quán)利要求46所述的脈沖血氧計(jì)，其特征在于它還包括一個(gè)解碼器，其與所說(shuō)的探測(cè)器和所說(shuō)的存儲(chǔ)器相連，用于根據(jù)所說(shuō)編碼信號(hào)從所說(shuō)存儲(chǔ)器中選擇適合的系數(shù)。
48.如權(quán)利要求46所述的脈沖血氧計(jì)，其特征在于所說(shuō)的探測(cè)器還包括向在所說(shuō)傳感器中的一個(gè)阻抗元件通以電流的裝置，所說(shuō)的阻抗元件的值標(biāo)示所說(shuō)第一波長(zhǎng)譜平均波長(zhǎng)在700-790nm之間。
49.一個(gè)胎兒脈沖血氧計(jì)，它包括一個(gè)輸入連接器，用于從所說(shuō)傳感器中接收由通過(guò)胎兒組織中散射出來(lái)的光得到的至少第一和第二信號(hào)，所說(shuō)光至少包括紅光和紅外光譜；一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)適合于所說(shuō)紅外光譜和所說(shuō)紅光光譜的系數(shù)，所說(shuō)紅外光譜的波長(zhǎng)范圍適用于測(cè)量高飽和度病人的氧飽和度，所說(shuō)紅光光譜的平均波長(zhǎng)在700-790nm之間；一個(gè)處理器，其與所說(shuō)的存儲(chǔ)器和所說(shuō)的輸入連接器相連，用于采用所說(shuō)的系數(shù)計(jì)算氧飽和度。
50.如權(quán)利要求49所述的脈沖血氧計(jì)，其特征在于所說(shuō)的存儲(chǔ)器還包括適合于平均波長(zhǎng)小于700nm的紅光光譜的系數(shù)。
51.一個(gè)脈沖血氧計(jì)，它包括一個(gè)輸入連接器，用于從一個(gè)傳感器中接收由從組織中散射出來(lái)的光得到的至少第一和第二信號(hào)，所說(shuō)光至少包括紅光和紅外光譜；一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)適合于所說(shuō)光譜的系數(shù)，每個(gè)光譜各自的在充血組織中的消光和散射系數(shù)的乘積都被最優(yōu)化，這些乘積構(gòu)成第一和第二值，對(duì)于小于80％的大部分氧飽和度范圍所說(shuō)第一和第二值之間的比值在0.5-2之間；和一個(gè)處理器，其與所說(shuō)存儲(chǔ)器相連，用于采用所說(shuō)系數(shù)計(jì)算氧飽和度。
52.一種用于測(cè)量胎兒血氧飽和度的脈沖血氧計(jì)，包括一個(gè)輸入連接器，用于從所說(shuō)傳感器中接收由所探測(cè)的至少包括紅光和紅外光譜的光得到的至少第一和第二信號(hào)，所說(shuō)光從組織中散射出來(lái)；一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)適合于所說(shuō)光譜的系數(shù)，所說(shuō)光譜被最優(yōu)化以減小對(duì)于小于65％飽和度病人的血氧飽和度值測(cè)量對(duì)于人為擾動(dòng)的敏感性；和一個(gè)處理器，其與所說(shuō)存儲(chǔ)器相連，用于采用所說(shuō)的系數(shù)計(jì)算氧飽和度。
全文摘要
一種脈沖血氧計(jì)傳感器(410)，其中包括對(duì)于低氧飽和度最優(yōu)化以最大程度地減少人為擾動(dòng)影響的光源。可取的是，采用一個(gè)紅光光源(112)和紅外光源(114)，其中紅光光源(112)的平均波長(zhǎng)在700-790nm之間。紅外光源(114)可以具有與用于具有高飽和度的病人的已有技術(shù)相同的平均波長(zhǎng)。本發(fā)明的傳感器還通過(guò)設(shè)置發(fā)光管(112、114)與光探測(cè)器(116)之間的間隔以使測(cè)量對(duì)于人為擾動(dòng)的敏感性最小而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。本發(fā)明將所選擇的波長(zhǎng)最優(yōu)化以使紅光光源和紅外光源的吸收系數(shù)與散射系數(shù)的乘積更接近一致。這種最優(yōu)化處理使得當(dāng)有擾動(dòng)現(xiàn)象，諸如力的變化、組織成分變化和氧飽和度本身變化存在時(shí)測(cè)量值更加確定。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1148794SQ95193200
公開(kāi)日1997年4月30日 申請(qǐng)日期1995年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月1日
發(fā)明者J·R·卡斯西安尼, P·D·曼海梅, S·L·尼爾利希, S·J·臘斯克威茲 申請(qǐng)人:尼爾科佩里坦本內(nèi)特公司