專利名稱：用于血液參數(shù)的光學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定血液參數(shù)的方法和系統(tǒng)實(shí)施(implementation)。具體地,本發(fā)明涉及利用光譜學(xué)同時(shí)測(cè)量血液分析物。
背景技術(shù)：
測(cè)量患者血液參數(shù)如SO2 (氧飽和度)、O2Hb (氧合血紅蛋白百分比)或tHb (總血紅蛋白濃度)的標(biāo)準(zhǔn)方法是將光引導(dǎo)進(jìn)入或穿過(guò)血液，從而測(cè)量離散波長(zhǎng)或跨越基本上連續(xù)的光譜范圍的光在透射穿過(guò)血液或被血液反射后的強(qiáng)度，然后將參數(shù)計(jì)算為測(cè)量強(qiáng)度值的函數(shù)。多種因素降低依賴光學(xué)測(cè)量作為詢問(wèn)方法的已知血液參數(shù)監(jiān)測(cè)器的準(zhǔn)確度。從光源本身開(kāi)始，其必須能夠產(chǎn)生足夠的跨越寬波長(zhǎng)范圍的給定波長(zhǎng)的光，并且其應(yīng)在儀器壽命中穩(wěn)定地如此進(jìn)行。對(duì)穿過(guò)血液的透射光的觀察受血液或組織光學(xué)性質(zhì)的不一致性影響。當(dāng)利用例如非侵入性裝置如指套或耳垂套(cuff)將光引入血液時(shí)，皮膚/裝置界面的表面差異和包含血液的血管床的組織差異可影響光透射，其最終干擾測(cè)量。這些差異通常與組織或血液的光吸收和散射性質(zhì)有關(guān)。多數(shù)非侵入性光學(xué)監(jiān)測(cè)器準(zhǔn)確度下降的一個(gè)誤差來(lái)源是患者運(yùn)動(dòng)。人為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光穿過(guò)生物組織的路徑 長(zhǎng)度改變，因此導(dǎo)致檢測(cè)到的透射或反射光強(qiáng)度改變。測(cè)量噪聲的數(shù)量級(jí)可以大到其可使這些裝置長(zhǎng)期不能工作。該問(wèn)題在重癥醫(yī)療應(yīng)用中尤其嚴(yán)重，此時(shí)連續(xù)的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，并且測(cè)量相對(duì)于門(mén)診監(jiān)測(cè)是處于生命攸關(guān)的應(yīng)用。另一降低非侵入性光學(xué)監(jiān)測(cè)器準(zhǔn)確度的因素是皮膚色素沉著。多種現(xiàn)有的光學(xué)裝置不考慮隨著黑色素濃度增加在淺棕色至深棕色范圍內(nèi)的不同皮膚顏色造成的透射光差異。黑色素吸收光譜的峰值在約500nm，隨波長(zhǎng)增加幾乎直線減少。黑色素存在于表皮中。因此，在深棕色皮膚中處于極高濃度時(shí)，黑色素可遮蔽真皮中血紅蛋白的吸收。即使在棕色減少的皮膚，黑色素吸收疊合于血紅蛋白吸收之上，使得任何利用吸收光譜形狀產(chǎn)生估測(cè)值的算法需要對(duì)皮膚色素沉著影響進(jìn)行補(bǔ)償。國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)朩000/09004描述了適于測(cè)量SO2的光學(xué)裝置。該裝置通過(guò)使光穿過(guò)生物組織和利用光電探測(cè)器連續(xù)監(jiān)測(cè)透射或反射輸出信號(hào)而運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，現(xiàn)有技術(shù)裝置的一個(gè)難點(diǎn)是如下事實(shí):如W000/09004采用有限波長(zhǎng)數(shù)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)中的不良信噪比。這降低了 SO2測(cè)定的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步，這種有限波長(zhǎng)技術(shù)還較易受環(huán)境干擾，如周圍熒光照明。減少上述因素影響的一個(gè)方法是侵入性地測(cè)量SO2或其他血液參數(shù)。在這些應(yīng)用中，光通常通過(guò)導(dǎo)管安裝或封裝的光纖被引入血液。然后，為確定血液吸收光譜而測(cè)量的光強(qiáng)度通常是漫反射 而非透射的光的光強(qiáng)度。留置方法(indwelling approach)的優(yōu)勢(shì)是利用身體本身隔離測(cè)量與 外部光源。這些基于導(dǎo)管的測(cè)量的缺陷是需要相對(duì)于可信賴的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且明顯需要穿透身體，因此導(dǎo)致醫(yī)院感染的風(fēng)險(xiǎn)增加。必須采用利用CO-血氧儀或特殊裝置如校準(zhǔn)裝置進(jìn)行的患者血液實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以確保準(zhǔn)確度。但是，額外的床邊化學(xué)儀器價(jià)格昂貴并眾所周知地難以維護(hù)。無(wú)論用于監(jiān)測(cè)血液參數(shù)的安排是侵入性或非侵入性，仍存在如下問(wèn)題:將測(cè)量光譜一包括在多個(gè)波長(zhǎng)下測(cè)量的強(qiáng)度值一轉(zhuǎn)換成單個(gè)準(zhǔn)確值，同時(shí)如此進(jìn)行快到足以可用于實(shí)時(shí)、連續(xù)的患者監(jiān)測(cè)環(huán)境。因此仍需要提高采用光學(xué)測(cè)量技術(shù)的血液參數(shù)監(jiān)測(cè)器的準(zhǔn)確度和可靠性。發(fā)明概述本發(fā)明通過(guò)提供用于光譜學(xué)測(cè)量血液參數(shù)的留置系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。該系統(tǒng)包括光源和使光透射至血液的波導(dǎo)、獲取出射(remitted)光的波導(dǎo)、將出射光分解為其光譜分量的光譜儀、和將出射光形態(tài)上不同的部分與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較的處理器。每一種已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)參數(shù)如氧飽和度的測(cè)量值。有利地，確定的形態(tài)可獨(dú)特地對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或更多個(gè)血液參數(shù)，允許同時(shí)確定兩個(gè)參數(shù)，如氧合血紅蛋白百分比(O2Hb)和總血紅蛋白(tHb)。本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施方式中包括用于光學(xué)測(cè)量血液參數(shù)的系統(tǒng)，并包括光源、波導(dǎo)、光譜儀和處理器。光源被配置以生成跨越寬光譜的光。光源生成的光通過(guò)光纖波導(dǎo)被引入血液。出射 光被相鄰光纖波導(dǎo)獲取，并引至光譜儀。出射光的光譜組成由光譜儀確定。處理器將光譜組成與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較。每一種已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)血液參數(shù)的已知值。在另一實(shí)施方式中，每一種已知形態(tài)由至少三維的參考矩陣限定。并且，每一種已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少兩個(gè)參數(shù)如O2Hb和tHb的已知值。一方面，矩陣具有至少61 X 467 X 101要素的3個(gè)維度。第一矩陣維度表示空間波長(zhǎng)區(qū)域(一個(gè)或多個(gè))。另一方面，第二矩陣維度表示O2Hb,而第三維度可表示tHb。因此，矩陣包括6161個(gè)與每種相關(guān)02Hb和tHb組合有關(guān)的獨(dú)特曲線要素。在另一實(shí)施方式中，光源是可見(jiàn)光范圍內(nèi)的寬光譜光源，如白色LED光源。并且，光發(fā)射器和接收器是光波導(dǎo)，如光纖。光纖可通過(guò)導(dǎo)管被遞送至患者血管系統(tǒng)中，從而進(jìn)入血液。在又一實(shí)施方式中，已知形態(tài)得自600nm或更小的出射光譜，更優(yōu)選來(lái)自440nm至540nm的出射光譜?？蛇x地或另外地，已知形態(tài)可得自715nm至800nm的出射光譜。在另一實(shí)施方式中，已知形態(tài)由對(duì)于O2Hb而言1%或更小和對(duì)于tHb而言lg/dL或更小的增量片(incremental slice)的已知曲線插值而來(lái)。在另一實(shí)施方式中，返回(return)光譜經(jīng)過(guò)濾和修勻(smooth)以抑制嵌入信號(hào)的假信息。在又一實(shí)施方式中，處理器被配置以施加最小二乘方擬合，以將光譜組成形態(tài)上不同的部分與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較。并且，處理器可利用加權(quán)平均值修勻多個(gè)已知值。有利地，本發(fā)明在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中不需要間歇性校準(zhǔn)，減少常規(guī)校準(zhǔn)確認(rèn)中的血液抽取次數(shù)和勞動(dòng)密集度。并且，在生產(chǎn)時(shí)無(wú)需安裝校準(zhǔn)杯。而且，多個(gè)參數(shù)或分析物，如02Hb和tHb,可通過(guò)查詢形態(tài)上不同的曲線而同時(shí)測(cè)定。在考慮下文描述本發(fā)明優(yōu)選和可選實(shí)施方式的詳細(xì)描述和附圖時(shí)，本發(fā)明的這些以及其他特征和優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將更加顯而易見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是不同氧合水平的血液在可見(jiàn)光譜跨度內(nèi)的不同光吸收光譜的線圖；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的系統(tǒng)的主要硬件和軟件組件的框圖；圖3是標(biāo)準(zhǔn)化本發(fā)明另一實(shí)施方式的吸收光譜的方法框圖；圖4是在可見(jiàn)和NIR光譜內(nèi)光被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收的線圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施方式的可見(jiàn)光被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白狀態(tài)反向散射透射的線圖；圖6是圖5曲線的獨(dú)立的、形態(tài)上不同的部分；圖7是圖6所示曲線之間插值的線圖；圖8是本發(fā)明另一實(shí)施方式的可見(jiàn)光在形態(tài)上不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)通過(guò)不同Hb濃度水平透射的線圖；圖9是圖8曲線之間的插值的線圖；圖10是示例本發(fā)明另一實(shí)施方式的參考曲線矩陣的三維本質(zhì)的示意圖；圖11是本發(fā)明另一實(shí)施方式的被不同氧合水平的Hb吸收的較長(zhǎng)光波長(zhǎng)的形態(tài)上不同關(guān)系的線
圖12-19是示例本發(fā)明實(shí)施方式相對(duì)于O2Hb和tHb基準(zhǔn)測(cè)量的性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線圖；和圖20是本發(fā)明其他實(shí)施方式采用不同整合時(shí)間的約460nm至530nm波長(zhǎng)的出射光譜的線圖。發(fā)明詳述下文現(xiàn)將參考本發(fā)明的具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更充分的描述。事實(shí)上，本發(fā)明可以多種不同的形式實(shí)施，不應(yīng)被解釋為限于本文提出的實(shí)施方式；相反，這些實(shí)施方式被提供以使本公開(kāi)滿足適用的法律規(guī)定。如說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求書(shū)中所用，單數(shù)形式“a”、“an”、“the”包括復(fù)數(shù)指代，除非上下文明確另外指定。本文所用術(shù)語(yǔ)“包含(comprising)”及其變型與“包括(including)”及其變型同義使用，并且是開(kāi)放性、非限制性的用語(yǔ)。本發(fā)明用于測(cè)量血液分析物的系統(tǒng)、方法和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品總體上包括在波長(zhǎng)范圍內(nèi)用于照射血液的光源、透射和接收來(lái)自該源的光的光學(xué)路徑、和用于分離和測(cè)量光的光譜分量的光譜儀(在本文中寬泛地用于表示任何用于測(cè)量光譜分量的裝置)、以及用于確定所得吸收、透射或反射光譜的形態(tài)上不同部分和用其確定血液分析物的存在或其他血液參數(shù)的處理系統(tǒng)。有利地，利用相同的測(cè)量吸收或透射光譜，幾種血液分析物讀數(shù)，如氧合血紅蛋白(O2Hb)或總血紅蛋白(tHb),可同時(shí)被系統(tǒng)返回，而無(wú)需校準(zhǔn)。例如,三維參考體積可由參考平面組建立，該參考平面在對(duì)于那兩種分析物組合呈現(xiàn)不同的曲線形狀變化的光譜區(qū)域中表征O2Hb和tHb。然后將該參考平面與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，從而同時(shí)確定O2Hb和tHb。該思想可延伸至較高維度和/或較多或不同分析物組合，只要吸收和/或透射光譜形態(tài)上的不同部分對(duì)應(yīng)于這些分析物。圖1示例在綠色至紅色波長(zhǎng)范圍內(nèi)血液光吸收的若干特征。在此討論中，Αχ( λ )表示具有X%氧合的血液(作為一種分析物的實(shí)例)的吸收光譜，而Ay表示波長(zhǎng)y下的吸收值。在圖1中，示例三個(gè)光譜:AtlC λ )和Α.(λ)，分別表示完全脫氧和完全氧合血液，而Affleas (λ),表示利用任何侵入性或非侵入性技術(shù)在實(shí)際個(gè)體中測(cè)量的吸收光譜。對(duì)于所有患者，meas在O和100之間。換句話說(shuō)，患者的實(shí)際分析物(如Sa02、tHb或O2Hb)值將總是在0%和100%之間。給出實(shí)際測(cè)量吸收光譜Ameas ( λ )，則問(wèn)題變成光譜表示什么分析物值。并且，本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施方式中包括利用此原理確定不僅一種而是多種分析物。在實(shí)施方式中，本發(fā)明總體上包括監(jiān)測(cè)器300，該監(jiān)測(cè)器300連接于導(dǎo)管110或指套200，該導(dǎo)管110或指套200將光遞送至患者動(dòng)脈、靜脈或其他組織中的血液，并使出射光返回監(jiān)測(cè)器用于處理，以確定血液中不同分析物的組成，并將其顯示在顯示監(jiān)測(cè)器500上，如圖2所示。明顯地，本發(fā)明還可用于確定桌面環(huán)境以外的組成，其中血液樣本取自患者，并且其光譜性質(zhì)通過(guò)監(jiān)測(cè)器300確定，用于處理。雖然用 于檢測(cè)血液光透射或反射的不同方法和裝置可在靈敏度或準(zhǔn)確度方面具有一些優(yōu)勢(shì)，但本發(fā)明的實(shí)施方式可包括侵入性和/或非侵入性測(cè)量。光被直接且侵入性地引入血液，例如，通過(guò)安置在通向耦合器或透鏡100 (其可簡(jiǎn)單地為透射纖維末端)的導(dǎo)管110上或其中的一種或多種光纖111，如圖2所示。在此實(shí)例中，導(dǎo)管110位于患者附件130中具有血流的血管或其他腔120中?；蛘?，在可選的實(shí)例中，測(cè)量可通過(guò)如下間接和非侵入性地進(jìn)行:利用接近皮膚的指套200或其他裝置，通過(guò)一種或多種光纖211如分叉熔凝石英光纖傳送，然后指向患者手指230或身體其他部分的皮膚。在此實(shí)例中，通過(guò)干預(yù)皮膚而不直接以導(dǎo)管110測(cè)量血管220中的血液。這些非侵入性裝置可被置于緊靠不同身體部位的皮膚，但優(yōu)選位于皮膚下具有顯著血流的部位，如手指或耳垂。專用光纖112、212可用于獲取出射光和將出射光傳回監(jiān)測(cè)器300，或透射纖維
111、211可與另外的光學(xué)組件一起以雙工模式(duplex mode)攜載出射光。不論光測(cè)量來(lái)源，出射光被分解和處理，以利用硬件和軟件組合確定所需的分析物組成。例如，圖2示例本發(fā)明實(shí)施方式的監(jiān)測(cè)器300的硬件和軟件組件，包括光源301、檢測(cè)器302、調(diào)節(jié)器304、計(jì)算模塊310、處理器340、存儲(chǔ)器345和系統(tǒng)軟件350。系統(tǒng)硬件可包括一個(gè)或多個(gè)處理器340、系統(tǒng)存儲(chǔ)器345和系統(tǒng)軟件(如操作系統(tǒng))，該系統(tǒng)軟件用于協(xié)調(diào)和控制監(jiān)測(cè)器300中的不同硬件裝置，以及執(zhí)行處理器可處理的代碼，該代碼實(shí)施下述不同軟件模塊。如需，常規(guī)計(jì)算機(jī)的其他硬件和軟件組件也可被包括在監(jiān)測(cè)器300中。光源301優(yōu)選是可見(jiàn)光譜內(nèi)的寬波段，并具有足夠的光譜能量，從而允許足夠的
鑒別和測(cè)量分辨率-至少跨越包括處于400-600nm范圍內(nèi)的等吸收度波長(zhǎng)(isosbestic
wavelength)的波長(zhǎng)范圍。通過(guò)限定，白色光在400_600nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光譜中具有均衡的光譜能量。白熾燈泡、熒光燈泡、氙燈泡，氘燈泡和鎢-鹵素?zé)襞菀部捎糜诮瓢坠狻５?，通過(guò)利用白光LED，通?？稍谳^低成本下獲得較大熱穩(wěn)定性和較長(zhǎng)壽命，并且由于該原因，優(yōu)選這些固態(tài)裝置。LED還具有其他用于本發(fā)明實(shí)施方式的優(yōu)勢(shì)。作為半導(dǎo)體，其在高體積生產(chǎn)中是可擴(kuò)展的。其不生成紫外(UV)光一長(zhǎng)時(shí)間暴露于高強(qiáng)度UV可產(chǎn)生組織問(wèn)題(B卩，曬斑)。紅外(IR)光透射最小，有助于提高熱穩(wěn)定性。并且，由于上述無(wú)UV光，LED發(fā)射的所有光強(qiáng)度在目標(biāo)波長(zhǎng)范圍內(nèi)是可用的，此外，無(wú)需光過(guò)濾以去除不需要的光譜內(nèi)容。LED可快速開(kāi)啟和關(guān)閉，因此其可交插以允許參考測(cè)量。但是，多種常規(guī)LED的一個(gè)問(wèn)題是其包封劑隨時(shí)間變黃，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)移至較長(zhǎng)波長(zhǎng)。但是，一些較新LED使用硅氧烷凝膠作為包封劑。這些LED —般在其特別長(zhǎng)的正常壽命——其一般超過(guò)80000小時(shí)——中遠(yuǎn)遠(yuǎn)更好地保持其原始透射光譜。多種類型的光檢測(cè)器302可用于測(cè)量血液吸收光譜。例如，光檢測(cè)器可應(yīng)用光電探測(cè)器(CMOS)陣列，每一個(gè)光電探測(cè)器被布置在光譜儀中，并轉(zhuǎn)向由光源301中的LED發(fā)射的各個(gè)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)。另一種是變化耦合裝置(CCD)陣列，其以與上述CMOS裝置相同的方式布置。如上所述，但是優(yōu)選的光源是寬波段白(或近白)光源。這避免了需要單獨(dú)的光學(xué)透射纖維(一個(gè)波長(zhǎng)一種)用于單獨(dú)的LED顏色，并且提供了在目標(biāo)波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)足夠的光譜能量。其還避免了與多LED安排相關(guān)的高部件數(shù)、幾種來(lái)源的老化變色的控制和支持多個(gè)來(lái)源的負(fù)荷平衡電子學(xué)。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，檢測(cè)器302是利用多種光學(xué)和光電組件生成測(cè)量光譜的光譜儀。光檢測(cè)器302獲取的出射光譜的信號(hào)質(zhì)量可通過(guò)改變強(qiáng)度水平或曝光時(shí)間而得到提高。在另一實(shí)施方式中，如圖20所示，整合時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度較低的基于CMOS的光譜儀可用于獲得出射光譜。較長(zhǎng)整合時(shí)間可提供提高的信號(hào)幅度，從而分辨光譜形狀。在某些實(shí)例中，形狀還可利用較低整合時(shí)間得到增強(qiáng)。但是，噪聲處于固定強(qiáng)度，使得低強(qiáng)度下的小形狀具有在分?jǐn)?shù)上較高的噪聲量。長(zhǎng)整合時(shí)間信號(hào)具有相同噪聲強(qiáng)度，但分?jǐn)?shù)量相對(duì)于信號(hào)較小。來(lái)自檢測(cè)器302的信號(hào)可在被數(shù)字化處理前利用已知的電路304進(jìn)行設(shè)定。這種設(shè)定將通常包括不同形式的過(guò)濾、縮放、模擬-至-數(shù)字轉(zhuǎn)換等。設(shè)定結(jié)果將是設(shè)定后的吸收光譜A_d( λ )或設(shè)定后的反向散射透射光譜T_d( λ )。如上所述，光源301的光譜將不會(huì)是完全白色，可具有色調(diào)。這將影響分析物計(jì)算的準(zhǔn)確度。例如，測(cè)量光譜中的"傾斜(dip)"可能與血液吸收無(wú)關(guān)，而與透射光中較低強(qiáng)度光譜區(qū)有關(guān)。不同方法可用于補(bǔ)償光源的這種純〃白度〃偏差，從而確定測(cè)量吸收光譜A (λ)。
meas \ / υ根據(jù)用于白色平衡的一個(gè)方法，白色平衡軟件模塊312按照下式計(jì)算AnreasU ):
Γ,.^cond W - Οχ(A) = 1g10 ~Ra_Dx~其中D是每個(gè)波長(zhǎng)λ下的基準(zhǔn)暗(dark reference)強(qiáng)度,和R是每個(gè)波長(zhǎng)λ下的基準(zhǔn)白(white reference)強(qiáng)度。Tffleas(A)還可以是通過(guò)下列方程式平衡的白色:Tmeas ( λ ) =f (R ( λ ) -Rt ( λ )) *Tcond (λ),其中R( λ )是LED工廠安裝時(shí)確定的LED的基準(zhǔn)白光譜。Rt ( λ )是常規(guī)光學(xué)模塊維護(hù)間隔時(shí)確定的LED基準(zhǔn)白光譜?；鶞?zhǔn)白光譜和基準(zhǔn) 暗光譜可利用多種技術(shù)確定。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，在進(jìn)行測(cè)量前，將光學(xué)傳感器(100，200)暴露于標(biāo)準(zhǔn)白色反射表面，從而給出基準(zhǔn)白光譜。然后還通過(guò)排除光學(xué)傳感器的所有激發(fā)光獲得基準(zhǔn)暗光譜。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式可選的白色平衡方法利用現(xiàn)代長(zhǎng)壽命LED的已知光譜穩(wěn)定性。給定一種或多種這種LED作為光源，特別是具有硅氧烷包封的LED，光源的光譜可之前在初始表征步驟中測(cè)量。此表征參數(shù)(在標(biāo)準(zhǔn)化后，如下述)可被存儲(chǔ)在非揮發(fā)性介質(zhì)320如EPROM芯片中。該芯片或至少參數(shù)可之前通過(guò)例如LED制造商生成或確定，作為工廠表征，使得參數(shù)可被存儲(chǔ)于LED，并可在后續(xù)使用中被提取。然后將根本無(wú)需進(jìn)一步的白色測(cè)量。Acond(A)的值然后可按照任何已知的平衡算法進(jìn)行調(diào)整，從而解決白光LED光譜的差異并因此形成A_SU)。本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括在儀器現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)詢問(wèn)白色LED發(fā)射光譜的白色平衡方法。如前述實(shí)施方式所述，白色LED光譜在最終組裝光學(xué)模塊過(guò)程中被獲取和存儲(chǔ)，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。但是，由于不可避免的生產(chǎn)不一致性，老化過(guò)程和隨后的顏色色調(diào)改變可能是不可預(yù)知的。因此，隨時(shí)間調(diào)節(jié)白色平衡的最可靠方法是進(jìn)行測(cè)量和適當(dāng)?shù)鼗诠S安裝時(shí)的LED光譜和使用指定時(shí)間后的LED光譜之間的變化調(diào)整反向散射透射光譜。在另一實(shí)施方式中，利用纖維111和112，將光源301和檢測(cè)器302與位于纖維111和112之間的光學(xué)衰減器直接連接。存在幾個(gè)波長(zhǎng)——等吸收波長(zhǎng)——在此波長(zhǎng)下血紅蛋白光吸收與氧合程度無(wú)關(guān)。五個(gè)這種等吸收波長(zhǎng)可見(jiàn)于圖1,其中兩個(gè)在波長(zhǎng)522.7nm和586.0nm,分別被標(biāo)記為A523和A586。其他等吸收波長(zhǎng)為505.9,522,548.6和569.7nm。這些標(biāo)準(zhǔn)值通常四舍五入，并且在一些文獻(xiàn)中取決于所用測(cè)試方法而報(bào)告略有不同。 最后，將標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量透射或吸收光譜在擬合軟件模塊315中與多個(gè)參考吸收光譜330 (以數(shù)字形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器區(qū)域中或非揮發(fā)性存儲(chǔ)裝置中)進(jìn)行比較——如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述，然后可將其顯示在顯示裝置500上。本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的擬合軟件模塊315被配置以將信號(hào)處理算法運(yùn)用于返回光譜多色光組件和通過(guò)比較返回光譜與參考光譜模塊330將返回光譜同時(shí)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)或更多個(gè)參數(shù)，如O2Hb和tHb。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，參考光譜模塊330具有對(duì)于每種O2Hb和tHb參數(shù)組合獨(dú)特的多個(gè)形態(tài)上不同的曲線。類似于上述血液氧合，功能血紅蛋白相應(yīng)于氧合和脫氧狀態(tài)對(duì)于可見(jiàn)和近紅外(NIR)光具有兩種不同的吸收光譜,如圖4所不。吸收是多少能量從光源301投射到血液上的寬光譜光“損失”的指示。實(shí)線對(duì)應(yīng)于接近100%的完全飽和Hb，虛線對(duì)應(yīng)于接近0%的完全不飽和Hb。因此接近650nm至700nm的紅光幾乎不被完全飽和Hb吸收，而600nm和更短波長(zhǎng)的大部分能量被大量吸收。這被具有完全飽和Hb的完全氧合血液總體上較明亮的紅色所證實(shí)。同時(shí)，脫氧靜脈血的不飽和Hb貫穿較長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收更平均光譜，并具有更暗的紅色。反向散射透射光譜提供類似的信息——雖然是以不同形式，因?yàn)閳D表顯示采用白色LED的透射穿過(guò)血液——并且未被血液吸收——的光量，如圖5所示。圖5中來(lái)自遞送的白色LED光的透射光譜對(duì)應(yīng)于30%和90%之間的氧合值，其間隔為20%。測(cè)量利用具有高強(qiáng)度白色LED源的USB4000光譜儀(Ocean Optics,Dunedin,FL)進(jìn)行。正如圖4的預(yù)期反相，600nm至700nm的紅光大多具有透射性，證明血液總體上的紅色。在90%氧合時(shí)，紅光相對(duì)于鄰近波長(zhǎng)具有高度透射性，證明動(dòng)脈血的亮紅色。30%的靜脈血相對(duì)于鄰近顏色具有更較平均的透射，證明暗紅色。雖然曲線紅色區(qū)段的光譜返回信號(hào)強(qiáng)度非常高，但600nm以上的波長(zhǎng)對(duì)于一些血液參數(shù)測(cè)量類型沒(méi)有形態(tài)上不同。也就是說(shuō)，其形狀除其垂直幅度和波長(zhǎng)外是相似的。此特征的優(yōu)勢(shì)是這些范圍的幅度可易于測(cè)量和關(guān)聯(lián)于氧合測(cè)量。但是，與本發(fā)明的實(shí)施方式不同，需要建立氧合的一些基線校準(zhǔn)，從而將幅度關(guān)聯(lián)于取樣血液的氧合。相反，光譜透射曲線的600nm或更小的較短波長(zhǎng)在形態(tài)上更加不同，如圖6所示。為量化差別并隨后將此關(guān)聯(lián)于分析物具體濃度，可應(yīng)用最小二乘方法。對(duì)于每一個(gè)出射光譜，在文庫(kù)/數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)期光譜與當(dāng)前出射光譜之間進(jìn)行比較。源于最小二乘方法的誤差或余量可被計(jì)算，其表征曲線之間的幾何差異量?？蛇x地，替代量化兩種狀態(tài)之間的幾何差異性，可以通過(guò)在三個(gè)單獨(dú)光譜線性組合時(shí)估測(cè)三種或更多種分析物的存在，將誤差函數(shù)擴(kuò)展至三種或更多種分析物，其中: S(A) =A1X1 ( λ ) +A2X2 ( λ ) +A3X3 ( λ ) +…+AnXn ( λ )并且S是出射光譜，Xn是分析物的光譜特征，An是分析物濃度。圖6示例圖5所示作圖的亞600nm范圍的縮放版?？s放、過(guò)濾和其他信號(hào)處理技
術(shù)-如上述通過(guò)利用等吸收點(diǎn)(isosbestic point),能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)和區(qū)別相應(yīng)于所
需分析物參數(shù)如O2Hb和tHb的曲線形態(tài)。這克服了一些遠(yuǎn)離大于600nm范圍或長(zhǎng)于750nm移動(dòng)時(shí)的強(qiáng)信號(hào)損失的缺陷。改進(jìn)形態(tài)特征提取的其他方法是利用一般建立于諧波分析或相關(guān)分析的方法轉(zhuǎn)換光譜。這些方法不增加信息量，而是以其他更容易解釋的形式重新安排信息。轉(zhuǎn)換包括但不限于:傅立葉轉(zhuǎn)換、小波轉(zhuǎn)換、非線性分析、高階統(tǒng)計(jì)矩(skewness,kurtosis,等)。在本發(fā)明的實(shí)施方式中中，曲線族通過(guò)在已知的實(shí)驗(yàn)確定的和形態(tài)上不同曲線之間的線性和二次插值法或其他近似方法生成。例如，圖7示例在圖6曲線30%、50%、70%和90%02Hb水平處四個(gè)實(shí)驗(yàn)確定曲線之·間以l%02Hb增量的線性插值法。這導(dǎo)致圖7中61條曲線生成。這些曲線通過(guò)如下確定:使血液流過(guò)測(cè)試室，并用采取離散樣本的IL682C0-血氧計(jì)(Instrumentation Laboratory, Bedford, MA)評(píng)估流動(dòng)血液的狀態(tài)。該族曲線的分辨率還可通過(guò)減少插值法增量而提高。本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括將上述過(guò)程延伸到其他分析物的另外的維度中。有利地，當(dāng)出射光譜的形態(tài)上不同區(qū)充分重疊時(shí)，可同時(shí)測(cè)量?jī)煞N或更多種分析物(或其他血液參數(shù))。例如，上文示例的O2Hb曲線的亞600nm范圍也呈現(xiàn)總血紅蛋白濃度(tHb)差異的形態(tài)區(qū)別。這可能歸因于溶液中磷脂散射體的體積量增加，該磷脂散射體是各個(gè)單獨(dú)血紅細(xì)胞的封裝體。血液濃度的這些變化改變體吸收和散射性質(zhì)，然后改變出射光譜。其他可通過(guò)本發(fā)明的選定實(shí)施方式測(cè)量的目標(biāo)分析物包括碳氧血紅蛋白(COHb)和高鐵血紅蛋白(MetHb)0圖8顯示50%02Hb曲線形態(tài)在5g/dL、7g/dL、10g/dL和15g/dL之間的變化。類似于FIG.7，該曲線可在那些實(shí)驗(yàn)確定的濃度之間以lg/dL的增量被插值，以產(chǎn)生圖9所示曲線。圖9只是一個(gè)三維曲線“片”，其映射了兩種分析物一O2Hb和tHb—的亞600nm區(qū)內(nèi)出射光譜范圍的形態(tài)。換句話說(shuō)，整組曲線可通過(guò)在血氧法(oximetry-wise)方向和血紅蛋白(hemoglobin-wise)方向的插值法生成，以產(chǎn)生三維矩陣，表征對(duì)于在30%至90%的O2Hb水平、在5g/dL至15g/dL tHb之間的每一個(gè)組合02Hb/tHb測(cè)量獨(dú)特的形態(tài)上不同曲線(在示例實(shí)施方式中)。對(duì)于O2Hb以1%并且對(duì)于tHb以.lg/dL的逐步插值產(chǎn)生6161條獨(dú)特的曲線。在優(yōu)選實(shí)施方式中，各曲線的特征在于440nm和540nm之間的467個(gè)點(diǎn)，從而生成維度為61X467X101的參考矩陣S，其由圖10在概念上示例。此矩陣用于植入?yún)⒖脊庾V模塊330，例如，本發(fā)明實(shí)施方式的圖2所示參考光譜模塊330。另外應(yīng)注意,不同的形態(tài)不限于上述實(shí)施方式的亞600nm或藍(lán)-綠440nm至540nm出射光譜范圍。例如，如圖11所示，另一實(shí)施方式包括較長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍，如730nm和796nm，其中脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白也在形態(tài)上不同。這些區(qū)可延伸至2、3或更多個(gè)參數(shù)，每個(gè)均增加至少一個(gè)維度至參考光譜矩陣，只要出射光譜在形態(tài)上的不同足以關(guān)聯(lián)于已知的參數(shù)測(cè)量組合。同樣，其他波長(zhǎng)范圍可進(jìn)行平行評(píng)價(jià)，以增強(qiáng)相同參數(shù)的誤差檢測(cè)，如壁偽影(wall artifact)引起的誤差。誤差將通過(guò)將矩陣“立方”引入η維誤差空間的較高維度而減少?！安顒e”的一些其他特征一其還可被稱為“特征”或“優(yōu)良指數(shù)(figures ofmerit)”——可用于構(gòu)建以及隨后關(guān)聯(lián)于已知血液參數(shù)的文庫(kù)或數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)實(shí)例是可由曲線下方面積確定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的強(qiáng)度。另一實(shí)例是波長(zhǎng)范圍內(nèi)的線性。參見(jiàn)，例如，圖7的90%曲線——其可與直線進(jìn)行比較——及其量化偏差。波長(zhǎng)范圍之間的相對(duì)強(qiáng)度也可被應(yīng)用，如通過(guò)確定光譜部分之間的面積比。進(jìn)一步，這些特征中的每一個(gè)可與上述誤差擬合法組合，用于改進(jìn)結(jié)果。.
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，擬合模塊315被配置以處理在給定時(shí)間段如4毫秒至數(shù)百毫秒內(nèi)獲得的通過(guò)調(diào)節(jié)器304來(lái)自檢測(cè)器302的傳入光譜。無(wú)論長(zhǎng)度如何，此返回光譜可被表征為矢量r:r=[rlr2r3…;τη],其中，在該實(shí)施方式中，η - 1,2,3,...467參考光譜矩陣行是i，欄是j，同時(shí)層是k。因此，對(duì)于每一個(gè)獲得的出射光譜，二維誤差函數(shù)通過(guò)如下定義:
權(quán)利要求
1.光學(xué)測(cè)量血液參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 光源，其被配置以生成具有一定光譜范圍的光； 光發(fā)射器，其被配置以將所生成的光從所述光源引入所述血液； 光出射器，其被配置以接收和引導(dǎo)從所述血液出射的光； 檢測(cè)器，其被配置以接收來(lái)自所述光出射器的出射光和確定所述出射光的光譜組成；和 處理器，其被配置以確定所述光譜組成的至少一個(gè)不同部分的形態(tài)， 其中所述形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)血液參數(shù)的已知值。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器進(jìn)一步被配置以比較所述形態(tài)與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而確定至少一個(gè)血液參數(shù)值。
3.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)由至少三維的參考矩陣限定，并且其中每一種已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少兩個(gè)參數(shù)的已知值。
4.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述三維矩陣具有至少61X467X101的維度。
5.權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述矩陣的467片表示440nm和540nm之間的點(diǎn)。
6.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述矩陣的61片表示O2Hb或tHb中的一個(gè)。
7.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述矩陣包括至少6161條獨(dú)特的曲線。
8.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)參數(shù)是tHb和02Hb。
9.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光源是寬光譜光源，并且所述光譜范圍是可見(jiàn)光范圍。
10.權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述光源是白色LED光源。
11.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射器是第一光波導(dǎo)。
12.權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述光出射器是第二光波導(dǎo)。
13.權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二光波導(dǎo)是延伸穿過(guò)導(dǎo)管的光纖，并且其中所述導(dǎo)管包括端部，所述端部被配置以位于所述血液中。
14.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)得自600nm或更小的出射光譜。
15.權(quán)利要求14所述的系統(tǒng),其中所述已知形態(tài)得自440nm至540nm的出射光譜。
16.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)得自730nm至796nm的出射光譜。
17.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于獨(dú)特的O2Hb和tHb測(cè)量。
18.權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)的增量片對(duì)于O2Hb為1%或更小，并且對(duì)于tHb為.lg/dL或更小。
19.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置以應(yīng)用最小二乘方擬合，從而比較所述形態(tài)與所述已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
20.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述處理器進(jìn)一步被配置以報(bào)告多個(gè)所述已知值用以顯示。
21.權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述處理器進(jìn)一步被配置以修勻所述多個(gè)已知值。
22.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置以利用加權(quán)平均修勻所述已知值。
23.光學(xué)測(cè)量血液參數(shù)的方法，所述方法包括: 生成光，所述光具有一定的光譜范圍；將所述光引入血液； 從所述血液接收出射光； 確定所述出射光的光譜組成； 確定所述出射光至少一個(gè)不同部分的形態(tài)；和 基于所述形態(tài)確定參數(shù)測(cè)量。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中確定所述參數(shù)測(cè)量包括比較所述形態(tài)與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
25.權(quán)利要求24所述的方法，其中比較包括與三維矩陣進(jìn)行比較，并且確定包括同時(shí)確定至少兩個(gè)參數(shù)測(cè)量。
26.權(quán)利要求25所述的方法，其中比較包括與維度為至少61X467X 101的三維矩陣進(jìn)行比較。
27.權(quán)利要求26所述的方法，其中比較包括比較在440nm和540nm之間的所述矩陣的467 片。
28.權(quán)利要求27所述的方法，其中比較包括比較表示02Hb或tHb中的一個(gè)的所述矩陣的61片。
29.權(quán)利要求25所述的方法，其中比較包括與600nm或更小的出射光譜的已知形態(tài)進(jìn)行比較。
30.權(quán)利要求25所述的 方法，其中比較包括與440nm至540nm的出射光譜的已知形態(tài)進(jìn)行比較。
31.權(quán)利要求25所述的方法，其中比較包括與730nm至796nm的出射光譜的已知形態(tài)進(jìn)行比較。
32.權(quán)利要求31所述的方法，其中比較包括與增量片對(duì)于O2Hb為1%或更小并且對(duì)于tHb為.lg/dL或更小的已知形態(tài)進(jìn)行比較。
33.權(quán)利要求25所述的方法，其中比較包括應(yīng)用最小二乘方擬合，從而比較所述光譜組成的形態(tài)上不同部分與所述已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
34.利用從血液出射的光信號(hào)光學(xué)測(cè)量血液參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 檢測(cè)器，其被配置以接收來(lái)自所述血液的出射光；和 處理器，其被配置以確定所述出射光的光譜組成和所述光譜組成相對(duì)于已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)至少一個(gè)不同部分的形態(tài)， 其中各所述形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)血液參數(shù)的已知值。
35.權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述處理器進(jìn)一步被配置以比較所述形態(tài)與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而確定所述至少一個(gè)血液參數(shù)值。
36.權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)由至少三維的參考矩陣限定，并且其中每一種已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少兩個(gè)參數(shù)的已知值。
37.權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述三維矩陣具有至少61X467X101的維度。
38.權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述矩陣的467片表示440nm和540nm之間的點(diǎn)。
39.權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述矩陣的61片表示O2Hb或tHb中的一個(gè)。
40.權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述矩陣包括至少6161條獨(dú)特曲線。
41.權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)參數(shù)是tHb和02Hb。
42.權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)得自600nm或更小的出射光譜。
43.權(quán)利要求42所述的系統(tǒng),其中所述已知形態(tài)得自440nm至540nm的出射光譜。
44.權(quán)利要求所述的系統(tǒng)35，其中所述已知形態(tài)得自730nm至796nm的出射光譜。
45.權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于O2Hb和tHb的獨(dú)特測(cè)量。
46.權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述已知形態(tài)的增量片對(duì)于O2Hb為1%或更小，并且對(duì)于tHb為.lg/dL或更小。
47.權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置以應(yīng)用最小二乘方擬合，從而比較所述光譜組成的所述形態(tài)上不同部分與所述已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
48.權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述處理器進(jìn)一步被配置以報(bào)告多個(gè)已知值用以顯示 ο
49.權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述處理器進(jìn)一步被配置以修勻所述多個(gè)已知值。
50.權(quán)利要求49所述 的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置以利用加權(quán)平均進(jìn)行修勻。
全文摘要
光學(xué)測(cè)量血液參數(shù)的系統(tǒng)，包括光源和向血液發(fā)射光的發(fā)射器、獲取出射光的光出射器、將出射光分解成其光譜分量的光譜儀和比較出射光形態(tài)上不同部分與已知形態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)的處理器。每一種已知形態(tài)對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)參數(shù)如分析物的測(cè)量值。有利地，確定的形態(tài)可特定地對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或更多個(gè)血液參數(shù)，如O2Hb和tHb，允許同時(shí)確定兩個(gè)參數(shù)。
文檔編號(hào)A61B5/1455GK103249362SQ201180059169
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者C·楊, F·哈迪布 申請(qǐng)人:愛(ài)德華茲生命科學(xué)公司