非侵入式測(cè)量受檢者的血液特性的校準(zhǔn)方法和設(shè)置及傳感器技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及非侵入式測(cè)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(kāi)了用于旨在非侵入式測(cè)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(jì)算模型(112)，其代表從該受檢者獲得的活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)與血液特性之間的關(guān)系。該提供包括在該計(jì)算模型中采用至少一個(gè)組織性能變量，其中該至少一個(gè)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(kāi)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)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
非侵入式測(cè)量受檢者的血液特性的校準(zhǔn)方法和設(shè)置及傳感器
本公開(kāi)涉及用于旨在非侵入式監(jiān)測(cè)受檢者的血液特性的設(shè)備的校準(zhǔn)方法。本公開(kāi)還涉及典型地是脈搏血氧計(jì)(pulseoximeter)的設(shè)備并且涉及用于該設(shè)備的傳感器。
技術(shù)介紹
體積描記法指通過(guò)測(cè)量血液容量的變化來(lái)測(cè)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(guò)血液或由血液反射的光信號(hào)用于監(jiān)測(cè)受檢者的生理參數(shù)/變量。常規(guī)的脈搏血氧計(jì)使用紅和紅外光體積描記(PPG)波形，即分別在紅和紅外波長(zhǎng)測(cè)量的波形，來(lái)確定受檢者的搏動(dòng)動(dòng)脈血的氧飽和度。在常規(guī)的脈搏血氧計(jì)中使用的兩個(gè)波長(zhǎng)典型地是大約660nm(紅光波長(zhǎng))和大約940nm(紅外波長(zhǎng))。脈搏血氧測(cè)定法是目前注重連續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)脈氧飽和度(SpO2)的標(biāo)準(zhǔn)。脈搏血氧計(jì)提供動(dòng)脈氧合作用的瞬時(shí)活體內(nèi)測(cè)量(in-vivomeasurement)，并且由此提供例如動(dòng)脈血氧不足的早期警告。脈搏血氧計(jì)還顯示光體積描記波形，其可以與在測(cè)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(jì)使用上文提到的兩個(gè)波長(zhǎng)(紅和紅外)來(lái)確定氧飽和度。可在雙波長(zhǎng)脈搏血氧計(jì)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(zhǎng)的數(shù)量增加至至少四個(gè)允許測(cè)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(shí)際上，設(shè)計(jì)成測(cè)量所有血紅蛋白種類的脈搏血氧計(jì)可提供有從大約600nm向上至大約1000nm的范圍的4至8個(gè)波長(zhǎng)(即光源)。光的光子沿著隨機(jī)路徑在活體組織中傳播，這些隨機(jī)路徑在統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)依賴型時(shí)，平均路徑長(zhǎng)度對(duì)于所有分光光度裝置(例如脈搏血氧計(jì)等)中的每個(gè)波長(zhǎng)通道是不同的。在設(shè)計(jì)用于測(cè)量超出兩個(gè)血紅蛋白種類的血紅蛋白濃度分?jǐn)?shù)(fractionalhemoglobinconcentration)的多波長(zhǎng)血樣測(cè)定法中，必須已知或至少在統(tǒng)計(jì)上估計(jì)路徑長(zhǎng)度以能夠建立對(duì)血紅蛋白分?jǐn)?shù)測(cè)量的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)通常通過(guò)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(cè)量裝置的波長(zhǎng)通道處的實(shí)際測(cè)量信號(hào)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(jì)算模型，該計(jì)算模型限定可如何從在本上下文中稱作活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)的實(shí)際測(cè)量信號(hào)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(cè)量信號(hào)之間的關(guān)系的計(jì)算模型。不同類型的回歸模型可用于實(shí)現(xiàn)該計(jì)算模型并且從而還實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。與校準(zhǔn)有關(guān)的主要缺陷是對(duì)錯(cuò)誤的脆弱性，其由計(jì)算模型對(duì)于群體平均而獲得這一事實(shí)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(gè)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(cè)量的信號(hào)使用在校準(zhǔn)過(guò)程期間存儲(chǔ)的群體均值校準(zhǔn)系數(shù)來(lái)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(gè)方程限定兩個(gè)調(diào)制比的比率Njk＝dAj/dAk，其中i是要考慮的波長(zhǎng)，ACi是波長(zhǎng)i處的體積描記信號(hào)的AC分量并且DCi是波長(zhǎng)i處的體積描記信號(hào)的DC分量。一般，傳統(tǒng)的脈搏血氧計(jì)試圖消除例如手指厚度等所有外在因素對(duì)測(cè)量的影響。因此，接收的每個(gè)信號(hào)通過(guò)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(duì)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(jì)的準(zhǔn)確性，存在可以補(bǔ)償校準(zhǔn)過(guò)程中人類差異性的方法。在這些脈搏血氧計(jì)中，存儲(chǔ)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(guò)增加補(bǔ)償人類差異的補(bǔ)償過(guò)程并且從而形成對(duì)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(duì)測(cè)量的影響。獨(dú)立的補(bǔ)償過(guò)程一方面對(duì)于補(bǔ)償光源的高效波長(zhǎng)的組織引起的變化是需要的并且另一方面對(duì)于補(bǔ)償光束的路徑長(zhǎng)度的組織引起的變化是需要的。因?yàn)閷?duì)人類差異性的補(bǔ)償是相當(dāng)復(fù)雜的，整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程也變得更復(fù)雜。帶來(lái)盡可能簡(jiǎn)單但仍能夠通過(guò)降低由人類差異性引起的對(duì)錯(cuò)誤的脆弱性而提高測(cè)量準(zhǔn)確性的校準(zhǔn)機(jī)制，這因此是可取的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
上文提到的問(wèn)題在本文解決，其將從下列說(shuō)明書(shū)理解。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)合簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)和提高的測(cè)量準(zhǔn)確性的技術(shù)方案，由計(jì)算模型實(shí)施校準(zhǔn)，該計(jì)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(shí)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(duì)不同類型的脈搏血氧計(jì)采用不同的方式引入模型。在實(shí)施例中，用于校準(zhǔn)旨在非侵入式測(cè)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(jì)算模型，其代表從該受檢者獲得的活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)與血液特性之間的關(guān)系，其中該提供包括在該計(jì)算模型中采用至少一個(gè)組織性能變量，其中該至少一個(gè)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(gè)實(shí)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(cè)量信號(hào)，其中該控制和處理單元提供有代表受檢者的活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)與期望的血液特性之間的關(guān)系的計(jì)算模型其并且其中該計(jì)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(gè)組織性能變量。在再另一個(gè)實(shí)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(gè)測(cè)量波長(zhǎng)發(fā)射通過(guò)受檢者的組織的輻射；和探測(cè)器單元，其包括適應(yīng)于接收多個(gè)波長(zhǎng)處的輻射并且適應(yīng)于對(duì)應(yīng)于這些多個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)產(chǎn)生活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)的至少一個(gè)光電探測(cè)器，其中該傳感器包括存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符的存儲(chǔ)器，該標(biāo)識(shí)符識(shí)別用于確定血液特性的計(jì)算模型，并且其中該計(jì)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(gè)組織性能變量。將通過(guò)下列詳細(xì)說(shuō)明和附圖使本專利技術(shù)的各種其他性能、目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員明顯。附圖說(shuō)明圖1是圖示多波長(zhǎng)脈搏血氧計(jì)的一個(gè)實(shí)施例的框圖；圖2是圖示在基于變換的脈搏血氧計(jì)中實(shí)施來(lái)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(jì)的處理單元的操作實(shí)體的示例；圖4圖示脈搏血氧計(jì)系統(tǒng)的示例；以及圖5是圖示在提供有計(jì)算模型(其不包括變換)的脈搏血氧計(jì)中實(shí)施的步驟的示例的流程圖。具體實(shí)施方式脈搏血氧計(jì)包括計(jì)算機(jī)化的測(cè)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(gè)光源，用于發(fā)送光信號(hào)通過(guò)組織；和至少一個(gè)光電探測(cè)器，用于接收傳輸通過(guò)組織或從組織反射的信號(hào)。在傳輸和接收的信號(hào)的基礎(chǔ)上，可確定組織的光吸收。在每個(gè)心動(dòng)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(dòng)動(dòng)脈血、細(xì)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(dòng)脈血流入組織部位(脈搏血氧計(jì)的傳感器附連在其上)引起。脈搏血氧計(jì)通過(guò)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(cè)量聚焦在該搏動(dòng)動(dòng)脈血部分。脈搏血氧計(jì)從而基于吸收的搏動(dòng)分量只是由于動(dòng)脈血而引起的假設(shè)。為了區(qū)分兩個(gè)種類的血紅蛋白(氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于校準(zhǔn)旨在非侵入式測(cè)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(jì)算模型(112)，其代表從所述受檢者獲得的活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)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(jì)算模型中采用(21；51)至少一個(gè)組織性能變量，其中所述至少一個(gè)組織性能變量指示所述受檢者的組織的吸收和散射特性。

【技術(shù)特征摘要】
2011.03.31 US 13/0766221.一種用于校準(zhǔn)旨在非侵入式測(cè)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(jì)算模型(112)，其代表從所述受檢者獲得的活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)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(jì)算模型中采用(21；51)至少一個(gè)組織性能變量，其中所述至少一個(gè)組織性能變量指示所述受檢者的組織的吸收和散射特性；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(shí)際光子路徑長(zhǎng)度如何影響所述活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)；其中所述確定變換規(guī)則包括限定變換系數(shù)組，每個(gè)變換系數(shù)組基于回歸模型而限定，其中所述至少一個(gè)組織性能變量充當(dāng)自變量。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提供進(jìn)一步包括存儲(chǔ)(22)計(jì)算模型數(shù)據(jù)，其指示理論朗伯-比爾測(cè)量信號(hào)與所述血液特性之間的關(guān)系。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提供包括在所述計(jì)算模型(112)中采用所述至少一個(gè)組織性能變量，其中所述至少一個(gè)組織性能變量包括來(lái)自一組變量的至少一個(gè)變量，所述一組變量包括指示相對(duì)光傳輸?shù)淖兞俊⒅甘竟嘧⒅笖?shù)的變量和指示呼吸調(diào)制深度的變量。4.如權(quán)利要求1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(jì)算模型，其中所述計(jì)算模型形成回歸模型，其中所述至少一個(gè)組織性能變量充當(dāng)自變量。5.一種用于確定受檢者的血液特性的裝置，所述裝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(cè)量信號(hào)，其中所述控制和處理單元提供有代表活體內(nèi)測(cè)量信號(hào)與所述受檢者的期望的血液特性之間的關(guān)系的計(jì)算模型(112)，并且其中所述計(jì)算模型適應(yīng)于采用指示所述受檢...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：M·赫伊庫(kù)，A·托洛寧，V·P·奧斯特羅弗霍夫，K·烏爾帕萊寧，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通用電氣公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：