用於光學血氧計的傳感器方法和儀表的製作方法

2023-09-19 11:56:10 3

專利名稱：用於光學血氧計的傳感器方法和儀表的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於非侵害光學血氧計，例如對血液灌注組織有效的血液脈動血氧計的新穎傳感器；光學血氧計的方法；和適合進行該方法的儀表。
在現有技術中，有一種使用眾所周知的光學脈動血氧測量技術的測量血氧飽和度的方法。在NELLCOR LTD主辦的「胎兒氧生理學」小冊子中，在美國專利US 4,167,331和US4,938,218中，都載有這種技術，還可參考其他文獻。根據這個方法，照射血液灌注組織，並用適當的光傳感器確定該組織吸收的光。然後，由血液心血管效能引起的吸收值上的脈動變化被用來確定關心的特徵，即血氧飽和度。
用下列已知方程確定動脈血中氧飽和值(SaO2)SaO2=HbO2HbO2+Hb100%----(1)]]>在此，〔HbO2〕是一個單位血液體積中富氧血紅蛋白的濃度，而〔Hb〕是缺氧血紅蛋白的濃度。
在常用脈動血氧計方法中，用至少具有兩個不同波長成分的光照射所研究的組織，並且根據下述兩個物理現象進行測量(a)在兩個波長中每一個波長下，富氧血紅蛋白的光吸收皆不同於缺氧血紅蛋白的光吸收；(b)在每個波長下的血液灌注組織的光吸收皆有一個脈動成分，它是由流過光源與傳感器之間組織的動脈血的數量波動產生的。
因此，假定位於光源與傳感器之間的組織層的脈衝吸收成分，可表示動脈血的氧飽和度。
用於在光學脈動血氧計操作上實現測量的各種類型的傳感器是技術上熟知的，在熟知的光學傳感器中，那些專用於測量胎兒動脈血氧飽和度的傳感器構成上述儀表中的一個特殊類。
現有技術基本上公開兩種光學傳感器，它們涉及和用於兩種模式的光學血氧計使用所謂透射傳感器的透射脈動血氧計，和使用所謂反射或超反射(transflectance)傳感器的反射脈動血氧計。在透射脈動血氧計中，通過在所檢查組織的兩個相對側安放一個光發射器和一個檢測用透射傳感器，對穿過象手指、耳朵或類似組織之類的血液灌注組織的光進行測量，例如如美國專利US 4,389,213所述。另一方面，在反射血氧計中，能夠使用反射或超反射傳感器，它包括相應地放在所檢查組織一側或相同側的光發射器和光檢測器，例如，如在專利US 5,228,440，5,247,932，5,099,842中和在WO 90/01293中所示。例如在美國專利US5,247,932中和在由NELLCOR主編的「胎兒氧飽和度監測」小冊子中，也能找到兩種傳感器的參考資料。
透射和反射工作模式都在可用性上有專門的限制，並且其準確性一般說來是不滿意的，尤其在專門應用中更不滿意。這樣，例如透射技術只能成功地用於下述情況所研究的組織形成一個明顯突出部分，才有可在相對的表面上放置一個光發射器和一個光傳感器。
因此很明顯，尤其在胎兒血氧計方面，人們多求助於反射技術。然而不巧，同透射技術的準確度相比，反射技術的準確度相當低，因為在組織中所發射光的漫射程度是未知的，這意味著在由傳感器接收的光信號與血氧飽和度之間的函數依賴關係的性質也是未知的。已知反射技術的其他缺點是在光源與傳感器之間的組織的表面上，所發射的光被部分地分流，並且由組織的表層建立一個鏡面反射。
美國專利No.5,009,842描述一種傳感器。它帶有用於克服在光源與檢測器之間的組織外表層上發射光被分流的問題的裝置。英國專利申請號2,269,012提議，對皮膚或毛髮之類的血液灌注組織的表層反射的光產生的光信號進行選擇或分離，主要是對在所檢查組織的接觸表面上的發射與檢測光纖位置之間的特定距離進行選擇。
胎兒血氧計通常包括一些敷貼器，敷貼器通常包括一塊板，該板帶有至少一個基本上點狀的光源和至少一個基本上點狀的和光源適當隔開的光檢測器。上述敷貼器有一個缺點如果把敷貼器貼到皮膚的一個非均勻部分，例如一個毛髮段或一個胎痣，則檢測器接收的光信號會畸變。甚至在例如美國專利US5,099,842中所描述的那種較大型的血氧計中，光源和檢測器也依舊是點狀的，從而實際上操作員還會不可避免地把它貼到胎兒皮膚的錯誤部位上。
回顧構成透射和反射血氧計理論基礎的基本假設是重要的，這假設是由不同光源的不同波長光線射入組織的光路是基本上相等的。然而，在真正的事實上，上述光路的長度取決於光散射係數，而它又是波長的函數。因此，當為血氧測量而選擇光傳感器的波長，並且與此有關的光散射係數明顯地彼此不同時，則光路基本相等的基本假設是混亂的。
假如使用兩個或多個點狀光源，則由於下述事實而可能出現問題皮膚表面、血管和生物機體的其他部分不是均勻地構成和分布的。因此，如果把一個以給定波長發射的點狀光源貼到不均勻皮膚的任一位置，同時把以其他波長發射的其他光源貼到一個在局部解剖上接近而光學上不同的位置，則由於從一開始就在兩個不同的波長下發生不同的光散射和吸收，使兩個光源所發射光的光路不能相等。檢測器所獲得的光學能量的總數量能夠接近於由到達檢測器的傳播光線所攜帶的能量部分的數量總和。由於這些光線的光路都與波長相關，且各部分的這種能量都通過不同的光路而傳播到檢測器，有不同波長的光成分的總衰減就能互相明顯不同，從而在氧血飽和度的評價中會發生隨機誤差。
已知的血氧計傳感器的另一缺點是它們用LED作照射組織的光源，這光具有兩個波長成分。LED光源或者本身裝在探頭內，例如在專利US4,938,218中所示；或者通過光纖連接於探頭，例如在專利US5,099,842，GB-A-2,269,012，WO91/18549和WO90/01293中所示。舉例來說，上述光源可以提供適用於血氧計的一對波長700nm和800nm。然而，雖然眾所周知，兩個波長越彼此靠近，則血氧測量準確度越高，但在血氧計LED所需波長範圍內還不能夠提供比100nm更加彼此靠近的兩個波長。
對照上述背景，本發明之一個目的在於提供一種沒有已知技術缺點的，用於光學血氧計的新穎傳感器。
本發明之一個進一步目的在於提供一種光學血氧計的新穎方法。
本發明之又一目的在於提供一種體現新穎傳感器及其使用方法的，實現光學血氧計的儀表。
本發明的這些目的可通過保證下述事項而基本上實現由至少兩個不同光發射器發射的具有不同波長的光成分的光路總是大體上彼此相等，而與皮膚的性質和下面組織的性質無關，也與生理狀態的改變無關。
根據本發明的一個方面，提供一種用於非侵害性光學血氧計的傳感器，它包括一個帶有敷貼塊的載體；敷貼塊具有一個在操作中面對所研究受試驗者的血液灌注體組織的接觸面，敷貼塊至少裝有兩個點狀光發射器；發射器彼此緊靠著定位，每個發射器都以不同於另一個的波長的波長來發射光；並且至少一個基本上環形的第一光檢測器終端同軸地位於所述至少兩個光發射器周圍，耦合於光檢測儀表，且具有一個自由的光獲取端，用於獲取從所述身體組織到達的光。
業已發現。即使根據本發明的傳感器被放到皮膚上而不細調，也會使至少一部分環形檢測器接觸皮膚而不遇到任何有幹擾的不透明障礙物，從而檢測終端會獲取穿過組織以後的發射光信號。換句話說，根據本發明的傳感器的信號噪聲比由於檢測終端的新穎結構和傳感器的幾何形狀而得以明顯改善。
應當指出，由於在根據本發明的傳感器中的第一檢測器具有基本上為環形的，即軸對稱的結構，所以組織結構中任何局部幹擾在現有技術情況下，點狀檢測器會產生光路明顯偏離，而在本發明情況下就不會影響給定波長的光的固有平均光路。換句話說，檢測器的環形和傳感器的幾何形狀可保證各個給定波長的光路的穩定性。
在本發明的一個優選實施例中，敷貼塊具有一個大體環形的第二光檢測終端，它與所述的第一光檢測終端隔開且同心。在傳感器具有上述結構時，就有可能實現一種評價血氧飽和度的改進的新方法，如下面進一步描述。
所述的光發射器中每一個發射器都可以是置於敷貼塊內的一個光源；換句話說，光發射終端具有一個自由的光發射端，並且通過另一端而耦合於光源。一般說來，光發射終端都具有光纖束的形式。
光檢測終端最好由多根光纖組成，每根光纖都具有一個自由的光獲取端，並且通過另一端而耦合於光檢測儀表。
認為光發射終端的光發射端部應當是點狀裝置，每個端部都有小的面積。一般說來，兩個終端是互相補充的，以共同形成一個直徑為1mm量級的圓板。
舉例來說，根據本發明的傳感器的光檢測器包括多個光電二極體。根據本發明的傳感器中的光源的實例有雷射二極體，它們能夠以很接近的波長產生至少兩個不同的高效單色光輻射，其波長範圍是從670至940nm，最好是750至800nm，互相間差別比如說為10-20nm。這樣，在一個優選實施例中，一個第一雷射二極體以750-760nm波長發射光，且一個第二雷射二極體以780-800nm波長發射光。在普通光源中，例如在常規血氧儀表中使用的LED中，不能利用上述特徵。雷射二極體還有一個優點使細胞組織能夠在固有輻射範圍內對任何波長的單色光進行更多的線性吸收。
鑑於上述情況，根據本發明把雷射二極體用於光學傳感器，能夠實現血氧計的基本要求，即，在不同的輻射波長下光路相等。
最好是，根據本發明的傳感器的載體是不透明的。
在一個實施例中，根據本發明的傳感器的載體中的所述敷貼塊包括一個軸向的通孔，它垂直於所述的接觸面，並且容納所述的光發射終端；和至少一個大體上環形的空間，它同軸地置於所述孔的周圍，並且容納各個光檢測終端。
在根據上述實施例的傳感器的一個特殊設計中，每個光檢測終端都被放在所述敷貼塊的所述大體上環形空間內，使它的自由光獲取端沉入容納環形空間內，並從所述接觸表面移出，從而使所述環形空間的自由部分構成一個抑制鏡面反射的平行光管。對用來從接觸表面移出自由端的距離進行選擇，以便只獲取那種從血液灌注組織的較深層到達的並且大體平行地引向敷貼塊軸的光，而從軸明顯地發散的來自組織表層的鏡面反射則被抑制。
業已發現，增加點狀光發射終端與檢測終端之間的距離，不但有助於克服分路效應，而且有助於改進傳感器的靈敏度。然而另一方面，隨著光發射器終端與檢測器終端之間距離的增加，所檢測信號的強度會下降，這就使發射器終端與檢測器終端之間的距離有一個實際的限制。從臨床醫生的需要來看，還有一個把傳感器尺寸減至最小的附加限制，尤其在新生兒和胎兒監測應用中更是如此。
在本發明的一個優選實施例中，每個光檢測終端都包括一些具有斜切光獲取端的光纖。用這種方法可改進傳感器的靈敏度，從而能夠覺察從所研究的組織的更深層和更遠層反射的工作光信號。
根據上述的實施例，最好是，至少一個容納所述第一和第二環形檢測終端的環形空間，用其張開的側壁向接觸表面傾斜，使組成光纖的檢測終端的所述斜切光獲取端與接觸表面齊平，並且平行於接觸表面。
從現有技術可知，帶有斜切光獲取端的光纖通常會拒收那些到達接近較短側壁的端部的光線，而獲取那些到達較接近較長側壁的端部的光線。然而，在現有技術中沒有說明，上述光纖已經用於光學血氧計的傳感器。
在上述傳感器中，光纖的幾何形狀能夠增加組織的面積，在此面積下，光檢測終端還可獲取工作光學信號。只要按照本發明便那些構成一個環形光檢測終端的光纖具有斜切的光獲取端，該終端就能夠從組織的一個環形檢測區獲取工作信號，該區具有的內徑大於檢測終端環的內徑。
由於其結構特殊，此前描述的光檢測終端就拒收那些呈現於光發射器終端與光檢測器終端之間的傾斜光線，而同時加強獲取那些來自較深組織血液灌注層的光線。因此，上述的傳感器具有改進的靈敏度，而不需要增加光發射器終端與光檢測器終端之間的距離，從而也不需要增加傳感體的所述受限制的尺寸。
在上述傳感器的一個優選實施例中，檢測器構成光纖中每個光纖都具有一個斜切的光獲取端，光獲取端向著一個垂直於縱向纖維軸的平面按照某一銳角傾斜。在塑料光纖情況下，這個銳角不超過約42°，最好在約20°-22°範圍之內。
傳感器的載體可以是任何適宜的形狀，例如圓柱體形狀，並可固定於所述敷貼塊的一端，使敷貼塊的接觸表面形成載體的一個端面。
如上所述，在透射脈動血氧計中，所發射的光通過所研究的血液灌注組織的諸相對表面之間；而在反射脈動血氧計中，則在組織的同一表面進行光的發射和檢測。在透射和反射方法中，都用血液灌注組織引起的光吸收值的脈動變化，確定關心的特徵，一般根據在所發射光的強度與由單獨檢測器檢測的光的強度之間的關係確定這種脈動變化。
按照本發明，已想出一種新穎的方法，用於根據在由至少一對檢測器終端獲取的光的強度之間的測量關係，確定脈動變化；該檢測終端到光發射終端的距離是不同的。在這種方法中，最靠近發射器終端的檢測器終端，相對於第二個較大距離的檢測器終端來說，可以被看成是一個準光發射器終端。
這個方法以下述物理模型為基礎。一個光子在樣品中移動某一段距離以後是隨機散射的。這個過程被重複下去，直至該光子離開樣品邊界為止。把在初始方向上移動的光子看成是「被透射」的光子；而把在相反方向上移動的光子看成是「被反射」的光子。在30至40個步驟以後，入射輻射方向的「記憶」喪失，且不存在優先的傳播方向，光的強度在所有方向上各向同性地下降。這種光傳播行為的解釋使眾所周知的Lambert-Beer定律能夠用於反射血氧計；該定律可用於透射血氧計，但徑向除外。
在上述新穎方法和新穎傳感器實施例方面，其中光檢測器終端被安排在兩個圍繞光發射器終端的同軸環內，檢測器終端在其間確定一個由發射器所發射光準透射地照射的組織的管狀段。因此，根據本發明的上述傳感器可以被描述成一個模擬透射傳感器的反射傳感器。
應當指出，在根據本發明的具有兩個同軸檢測器終端的傳感器中，由兩個真實發射器終端提供的照射的光路是同樣地受到環形檢測區中任何一種光學幹擾的影響的，而與發射光的波長無關，也與發射器終端離開第一環形檢測器終端的距離無關。因此，對皮膚上傳感器的任何位置，和對基礎組織中生理條件的變化情況，都會自動地實現光軌跡的基本相等。
因此，按照本發明的另一方面，提供一種在血液灌注組織中進行非侵害光學血氧測量的方法，該方法包括給光學傳感器提供一個敷貼塊，這個敷貼塊擁有至少兩個彼此緊靠著的光發射器和至少兩個同軸地圍繞所述至少兩個光發射器的光檢測器終端，和擁有一個接觸表面；
在要研究其基礎組織的受研究者的一個皮膚段上安置所述的敷貼塊，其接觸表面面向皮膚；從所述的發射器順序地發射至少兩個不同波長的光；通過所述的至少兩個光檢測器終端用積分獲取法，檢測從所研究的組織到達的光信號的強度；在所述的至少兩個不同波長中的每一個波長情況下，確定在由所述至少兩個環形光檢測器終端檢測的光強度之間的比率；和根據上述比率，確定血氧飽和值。
在用於實現上述方法的敷貼塊中，所述光發射器中的每一個都可以是一個置於敷貼塊中的光源，換句話說，光發射器終端具有一個自由的光發射端，並且通過另一端耦合於光源。一般說來，光發射器終端都是光纖束形式的。
上述的方法可用於確定動脈血中氧飽和度。在這種應用中，假設在每個波長下的光吸收率的脈動成分是由在第一光檢測器與第二光檢測器之間的組織段中動脈血的體積波動引起的，從而這個脈動吸收率成分可指示氧飽和度。
在上述方法的實施中，以兩個時間點完成兩組測量，第一點是脈動動脈血壓成分的零(最小)點，而第二點是其頂(最大)點。若假設由兩個不同波長的光照射組成，並且傳感器只有兩個檢測終端，則兩組測量中每組測量都包括下列兩個步驟步驟1-用第一波長的光照射組織，而斷開第二波長的光，並且用第一和第二檢測器同時記錄光信號；步驟2-用第二波長的光照射組織，而斷開第一波長的光，並且用第一和第二檢測器同時記錄光信號。
依照這些測量的程序包括確定用於所述兩個點中每個點的兩個強度比率，第一強度比率是在以第一波長由第一與第二光檢測器記錄的光信號強度之間的比率，而第二強度比率是在以第二波長由第一與第二光檢測器記錄的光信號強度之間的比率；計算用於所述第一與第二波長中每個波長的光信號的第一與第二脈動成分AC1與AC2，每個脈動成分都是用於各個波長的在頂點與零點計算的強度比率之間的差值；計算用於所述第一與第二波長中每個波長的光信號的第一與第二恆定成分DC1與DC2，每個恆定成分都是用於兩個波長的在零點與頂點計算的兩個強度比率的平均值；和按照下列方程計算動脈血液的氧飽和度SaO2SaO2=K1AC1DC2DC1AC2+K2---(2)]]>其中K1和K2是校準常數。
本專業的技術人員在互相比較此中方程(1)與(2)時，容易看成本發明與現有技術的不同。
根據本發明的另一個方面，提供一種用於非侵害光學血液測量的儀表，該儀表包括一個傳感器，它具有一個載體，載體帶有一個敷貼塊，敷貼塊具有一個接觸表面，接觸表面在操作時面向所研究受研究者的血液灌注體組織，敷貼塊裝有至少兩個互相緊靠著安裝的點狀光發射體，且每個發射體發射其波長不同於另一個的光；和具有至少兩個基本環形的光檢測終端，這些終端同軸地圍繞所述的至少兩個光發射終端，它們都具有一個自由的光獲取端，用於獲取從所研究組織到達的光；至少兩個光源，它們耦合於所述的光發射終端，並且能夠以至少兩個不同的波長發射光；至少兩個光檢測器，它們耦合於至少兩個基本上環形的檢測終端；控制裝置，適合使至少兩個光源通過所述發射終端相繼地照射所述的組織，並使通過至少兩個檢測終端由至少兩個檢測器獲取的光強度得到同步的測量；和處理裝置，用於根據所述同步測量的結果確定所關心的特徵。
根據一個實施例，所述的光發射器是裝於敷貼塊內的光源。
根據另一個實施例，光發射器由多個光導纖維組成，其中，每個纖維都具有一個自由的光獲取端，並且通過其另一端而耦合於一個光檢測儀表。
為了更好地了解本發明，下面參照附圖，只用一些非限制性實例進一步描述和說明，在附圖中

圖1是根據本發明的傳感器的載體中敷貼塊的一個實施例的放大示意平面圖；圖2是敷貼塊的另一個實施例的放大示意平面圖；圖3是取自圖2III-III線的截面圖；圖4根據本發明的傳感器中帶有敷貼塊的載體的又一實施例的放大軸向截面圖；圖5根據本發明解釋在傳感器的光檢測終端中光纖的一個實施例的光獲取端的光學特徵；圖6是關於光纖的光獲取端的另一實施例的類似圖；和圖7是根據本發明的血氧計的方塊圖。
圖1根據本發明示出傳感器中載體的敷貼塊的接觸表面。如圖所示，敷貼塊1假設由象金屬之類的不透明材料製作，它具有一個接觸表面2和一個中央孔3，孔3裝有兩束光纖4和5，用作光發射終端。束4和5中每一束都耦合於一個雷射二極體(未示出)，從而都能夠以兩個不同的波長發射光。在敷貼塊1內提供一個基本上環形的空間6，它由一些帶有斷續支撐8的弓形段7構成；它同軸地圍繞中央孔3，其中裝有多個共同形成一個環形光檢測終端的光纖9。在傳感器的載體內，假設諸光纖皆以某一方式共同成束(未表示)，且皆耦合於一個檢測儀表，例如一個光電二極體(也未表示)。
敷貼塊1的支撐8使其中央段10與周圍段11互相連接。
光檢測器構成光纖9的諸光獲取端可以或者與接觸表面2齊平，或者從該表面向內移動一段所要求的距離。
在操作中，兩個光發射終端4和5把光發射到所研究的組織，並且檢測器(未示出)把由光纖9光獲取端所獲取的光變換和調製成一種適合進一步處理的電信號。
圖2和3根據本發明示意地說明光學傳感器的載體中敷貼塊的另一實施例。如圖所示，敷貼塊20具有一個接觸表面21和一個中央孔22；在孔中裝有兩個光纖束23和24，它們構成兩個光發射終端，並且連接於一對光源(未示出)。如圖所示，光發射終端23和24的光發射端25和26在孔22內被移出，從而移出接觸表面21。
敷貼塊20還包括一個第一環形空間，它與孔22同軸，且由4個帶有斷續支撐件29的弓形體28構成，它們把敷貼塊20的芯段30和中間段31彼此連接。第一環形空間放置多個共同構成一個光檢測終端的光纖32，每個光纖都具有一個光獲取端33。
一個第二環形空間35同軸地圍繞第一環形空間27；它類似於後者，由4個帶有斷續支撐件37的弓形體組成，它們把中間塊段31和周圍段38連接起來。第二環形段35放置多個共同組成一個第二光檢測終端的光纖39，每個光纖都具有一個光獲取端40。如圖3所示，光獲取端40移出接觸表面21。環形空間27的空閒段41和環形空間35的空閒段42用作從所檢查組織返回的光的平行光管。
如圖2中所示，兩個光發射終端23和24中的每一個都是半圓形的；兩個終端是互補的，並且共同形成一個比如說1mm直徑的圓形板。第一和第二環形空間的直徑可以分別為5和7mm。
兩個光發射終端被連接到產生不同波長光的兩個不同光源(未示出)；而兩個光檢測終端則由分別位於環形空間27和35的光纖32和39組成，它們被連接到光學檢測儀表(未示出)。
在操作中，把傳感器20貼到組織44上的皮膚段，通過光發射終端由兩個光源(未示出)順序地照射皮膚段；舉例來說，光源可以是以約750和780nm兩個波長發射光的雷射二極體。光被組織吸收和部分反射；通過比較由光纖32構成的第一光檢測終端所接收的積分光信號和由光纖39構成的第二光檢測終端所接收的積分光信號，可以估計在組織44的環形段A中光吸收的脈動變化。這些積分信號的強度的比率表示在某一特定波長下的組織環形段A中的光衰弱程度的特徵。然後，把為每個所用波長而得出的所述比率用於確定所期望的特徵，例如組織44中血液的氧飽和度。
圖4示意地說明一個經改進的傳感器50的軸向截面圖，傳感器50包括一個具有敷貼塊52(帶有一個接觸表面53)的不透明的常為柱形的塊體51。敷貼塊52具有一個中央軸向孔54，在孔54中安放一個進入水平段56的管55的下端段，並且安裝一個用57標記的光纖束，光纖束57把至少兩個光源(未示出)引導到光發射終端。
敷貼塊52還包括與孔54同軸的第一和第二環形槽58和59，其相鄰的塊和體段以某一方式適當地互相連接(未示出)。槽58和59是傾斜的，在接觸面53的方向上向外張開，使相鄰的塊段60和61具有如圖所示的平截頭圓錐體形狀。槽58和59安放第一和第二光纖束63和64的自由光獲取端，它們構成第一和第二檢測終端，並且通過柱形體51的內空間而到達光電檢測器65，該檢測器是通過線67而電連接於電纜68的。束63和64的光纖的每個光獲取端的末端都是斜切口，與纖維軸形成一個銳角，使每個纖維的光獲取端或者與接觸表面53齊平，或者與它平行。
在操作時，管56的外端部耦合於兩個光源(未示出)。
圖5示意地說明光纖70的觀測範圍，光纖70以其斜切面72面向組織的表面71。假設光纖70形成圖4中光纖束63的部分。光纖70之特徵在於在切端面72與一個垂直於纖維軸的平面73之間形成一個銳角α。纖維70的實際觀測範圍介於左邊光線74和右邊光線75之間，可從銳角α和纖維光學參數算出來。本專業技術人員容易了解，主要從光線74的左邊進入端面72的鏡面反射和分路光，不會被檢測器檢測。另一方面，檢測器會在一個限定於光線74與75之間的相當寬的範圍內，在大體上垂直於表面71的方向上，檢測從組織的反射深層到達的光。能夠看出來，切端光纖70的觀測範圍是在其較長側壁段的方向上漂移的。本發明者已發現，纖維70在銳角α不大於約42°時是適當的，而在從約20°至約22°的範圍內時是最有效的。更詳細地說，一個帶有約20°至約22°的角度α的斜切口還可急劇增加觀察距離。
圖6示意地說明與圖5中光纖70不同的一個切端光纖80，其光軸垂直於組織的表面81。然而，光纖80的斜切口82雖然面向表面81，但不平行於它；在切口的表面82與一個平行於表面81從而垂直於光纖軸的平面83之間形成一個銳角α。象圖5中實施例一樣，銳角α決定光纖80的檢測範圍，這是由一個左邊光束84和一個右邊光束85確定的。與圖5的光纖類似，切端光纖80的檢測範圍是從較短的側壁向較長的側壁漂移的。象圖5一樣，銳角α的數值也有相同的限制。
圖7是根據本發明的血氧計90的一個實施例的方塊圖。如圖所示，血氧計90包含一個探頭91，探頭91包括兩個光源92和93，例如兩個雷射二極體，它們生成具有兩個不同波長的光，用於相繼地照射所研究的組織。探頭還包括兩個光電檢測器94和95。從兩個光檢測器94和95接收的光信號被變換和調製成電信號；電信號被一個模擬處理單元96放大，被一個模擬數字轉換器97數位化，並被傳送到一個微處理機98，以計算在顯示器100上顯示的所關心的特徵值。由微處理機98通過一定時控制單元101來控制探頭91的光源92和93。
血氧計90測量所關心特徵值的程序如下。
在一個代表脈動動脈血液分量的脈動光強度圖上以兩個時間點進行計算，第一個時間點是其零(最小)點，而第二個時間點是其頂(最大)點，其測量和計算包括下列六個步驟(a)第一光源92接通和第二光源93斷開-由第一和第二檢測器94和95中的每個檢測器記錄第一波長的第一信號；(b)第二光源93接通和第一光源92斷開-由第一和第二檢測器94和95中的每個檢測器記錄第二波長的第二信號；(c)兩個光源都斷開-由第一和第二檢測器94和95記錄環境光；(d)由模擬處理單元96相繼地過濾和放大所檢測的信號，以減小噪聲和環境光成分；(e)模數轉換器97從模擬處理單元接收序列信號，以便數位化，並且把所產生的數位訊號傳送到微處理機98；和(f)微處理機98進行DC和AC信號分量的數字析取，並且根據下述算法來計算SaO2對兩個計算中的每個計算，以兩個不同的時間點確定兩個強度比率N和M，即，用於脈動動脈血液分量的零點的N1和N2，和用於其頂點的M1和M2。用於兩個時間點的第一強度比率N1和M1是基於第一和第二光檢測器以第一波長記錄的光信號的強度，而用於兩個時間點的第二強度比率N2和M2是基於第一和第二光檢測器以第二波長記錄的光信號的強度。
對兩個波長中的每個波長，確定信號的脈動分量的特徵值AC，即用於第一波長的AC1和用於第二波長的AC2；AC1和AC2中每一個都是以其特定波長分別對頂點與零點計算的強度比率之間的差值。
對兩個波長中的每個波長，計算信號的恆定分量的特徵值DC，即用於第一波長的DC1和用於第二波長的DC2；DC1和DC2中每一個都是在某一給定波長下從兩個分別以零點和頂點計算的強度比率平均的。
然後，微處理機計算(i)用於每個波長的比率R1和R2R1=AC1DC1;R2=AC2DC2]]>(ii)比率=R1R2]]>(iii)動脈血液的氧飽和度SaO2＝K1×γ+K2式中K1，K2是校準常數。實例第一光源92是一個以755nm發射的雷射二極體，且第二光源93是一個以785nm發射的雷射二極體。校準常數K1和K2取決於檢測器的幾何形狀和尺寸以及血紅蛋白和氧合血紅蛋白吸收係數，並且假設具有下列值K1＝2；K2＝0.5；a)在零點進行第一組測量1)第一光源92接通，且第二光源93斷開-一個第一信號I11(1)由第一檢測器94檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I11(1)＝1000。
2)第一光源92接通，且第二光源93斷開-一個第一信號I12(1)由第二檢測器95檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I12(1)＝2500。
3)在零點的用於第一波長的強度比率N1被計算如下DC1(1)＝I11(1)/I12(1)＝1000/2500＝0.4。
4)第二光源93接通，且第一光源92斷開-一個第二信號I21(1)由第一檢測器94檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I21(1)＝800。
5)第二光源93接通，且第一光源92斷開-一個第二信號I22(1)由第二檢測器95檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I22(1)＝2300。
6)在零點的用於第二波長的強度比率N2被計算如下DC2(1)＝I21(1)/I22(1)＝800/2300＝0.348b)在頂點進行第二組測量7)第一光源92接通，且第二光源93斷開-一個第一信號I11(2)由第一檢測器94檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I11(2)＝990。
8)第一光源92接通，且第二光源93斷開-一個第一信號I12(2)由第二檢測器95檢測，且被放大和輸入微處理機98的存儲器。I12(2)＝2460。
9)在頂點的用於第一波長的強度比率M1被計算如下DC1(2)＝I11(2)/I12(2)＝980/2490＝0.394。
10)第二光源93接通，且第一光源92斷開-第一檢測器的第二信號I21(2)由第一檢測器94檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I21(2)＝780。
11)第二光源93接通，且第一光源92斷開-一個第二信號I22(2)由第二檢測器95檢測，並被放大和輸入微處理機98的存儲器。I22(2)＝2400。
12)在頂點的用於第二波長的強度比率M2被計算如下DC2(2)＝I21(2)/I22(2)＝780/2400＝0.325c)計算13)值AC1表示用於第一波長的脈動分量的特徵，它被計算成M1-N1＝0.394-0.4＝-0.006。
14)值AC2表示用於第二波長的脈動分量的特徵，它被計算成M2-N2＝0.325-0.348＝-0.023。
15)值DC1表示用於第一波長的恆定分量的特徵，它被計算成(N1+M1)/2＝(0.4+0.394)/2＝0.397。
16)值AC2表示用於第二波長的恆定分量的特徵，它被計算成(N2+M2)/2＝(0.348+0.325)/2＝0.337。
計算用於兩個波長的兩個下述比率17)R1＝AC1/DC1＝(-0.006/0.397)＝-0.01518)R2＝AC2/DC2＝(-0.023/0.337)＝-0.068；且最後19)SaO2＝K1(R1/R2)+K2＝2×0.221+0.5＝0.942。
權利要求
1.一種用於非侵害光學血液氧測量的傳感器，包括一個帶有一個敷貼塊的載體；該敷貼塊具有一個在操作時面向所研究受研究者的血液灌注身體組織的接觸表面，裝有至少兩個彼此緊靠著定位且每個都以不同於另一個的波長來發射光的點狀光發射器，和裝有至少一個同軸地圍繞所述至少兩個光發射器的基本上環形的光檢測終端；該終端耦合於一個光檢測儀表，並且具有一個自由的光獲取端，用於獲取從所述身體組織到達的光。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述的光發射器是置於所述敷貼塊內的光源。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述的光發射器每一個都是一個光發射終端，該終端具有一個自由的光發射器，並且用另一端耦合於一個光源。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其中所述的光發射終端每一個都由一束光纖組成。
5.根據權利要求1至4中任何一項所述的傳感器，其中所述的光檢測終端由多個光纖組成，每個光纖都有一個自由的光獲取端，且用另一端耦合於一個光檢測儀表。
6.根據權利要求1至5中任何一項所述的傳感器，其中敷貼塊具有一個基本上環形的第二檢測終端，它與所述的第一光檢測終端隔開，且與之同軸。
7.根據權利要求3至6中任何一項所述的傳感器，其中所述的光源都是雷射二極體，每個二極體都發射670-940nm範圍內的單色光。
8.根據權利要求7所述的傳感器，其中一個第一光源以750-760nm發射，且一個第二光源以780-800nm發射。
9.根據權利要求1至8中任何一項所述的傳感器，其中所述的光檢測儀表都是光電二極體。
10.根據權利要求1至9中任何一項所述的傳感器，其中所述的敷貼塊包括一個軸向通孔，它垂直於所述的接觸表面，且安置所述的光發射器；和包括至少一個基本上環形的空間，它同軸地圍繞所述的孔，且安放各個光檢測終端。
11.根據權利要求10所述的傳感器，其中每個光檢測終端都被置於所述敷貼塊的所述基本上環形的空間內，使其自由光獲取端以一種返回的方式定位於安放環形空間內，以便移出所述的接觸表面，從而所述環形空間的一個自由段構成一個抑制鏡面反射的平行光管。
12.根據權利要求1至11中任何一項所述的傳感器，其中檢測終端構成光纖中每個光纖都具有一個斜切的光獲取端，該端向著一個垂直於縱向光纖軸的平面按照某一銳角傾斜。
13.根據權利要求12所述的傳感器，其中至少一個安置所述第一和第二環形檢測終端的環形空間是傾斜的，它的側壁向接觸表面張開，使檢測終端構成光纖的所述斜切光獲取端與接觸表面齊平，或與之平行。
14.一種在血液灌注組織中進行非侵害光學血液氧測量的方法，包括給光學傳感器提供一個敷貼塊，該敷貼塊擁有至少兩個彼此緊靠著的光發射器和至少兩個同軸地圍繞所述至少兩個光發射終端的光檢測終端，和具有一個接觸表面；在要研究其基礎組織的受研究者的一個皮膚段上安放所述的敷貼塊，其接觸表面面向其皮膚；從所述發射器相繼地發射至少兩個不同波長的光；通過所述的至少兩個光檢測終端用積分獲取法，檢測從所研究組織到達的光信號的強度；在所述至少兩個不同波長的每個波長下，對由所述至少兩個環形光檢測終端檢測的光的強度之間的比率進行確定；和根據上述比率，確定血液的氧飽和值。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述的光發射器是置於所述敷貼塊內的光源。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述的光發射器每一個都是一個光發射終端，該終端具有一個自由的光發射端，且用另一端耦合於一個光源。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述的光源是雷射二極體，每個雷射二極體都發射670-940nm範圍內的單色光。
18.根據權利要求17所述的方法，其中一個第一光源以750-760nm發射光，且一個第二光源以780-800nm發射光。
19.根據權利要求14至18中任何一項所述的方法，包括提供一種在權利要求1至13中任何一項規定的傳感器，它具有第一和第二光檢測器；選擇兩個用於進行測量的時間點，一個第一時間點是脈動動脈血液分量的零點，且一個第二時間點是其頂點；在所述第一和第二時間點進行一些測量，這些測量包括用第一波長的光進行照射，並且用所述第一和第二光檢測器同時記錄從組織到達的信號，其後，用第二波長的光進行照射，並且同時用所述第一和第二光檢測器同時記錄從組織到達的信號；對所述兩個時間點中每個點，確定兩個強度比率，第一個強度比率是在由第一和第二光檢測器以第一波長記錄的光信號強度之間的比率，且第二個強度比率是在由第一和第二光檢測器以第二波長記錄的光信號強度之間的比率；對所述第一和第二波長中每個波長，計算光信號的第一和第二脈動分量AC1和AC2，每個分量都是對各個波長在頂點和零點計算的強度比率之間的差值；對所述第一和第二波長中每個波長，計算光信號的第一和第二恆定分量DC1和DC2，每個分量都是對兩個波長在零點和頂點計算的強度比率的平均值；和根據下列方程，計算動脈血液氧飽和度SaO2SaO2=K1AC1DC2DC1AC2+K2]]>式中K1和K2是校準常數。
20.一種用於非侵害光學血液測量的儀表，包括一個具有一個載體的傳感器，載體帶有一個敷貼塊，敷貼塊具有一個接觸表面，接觸表面在操作時面向所研究受研究者的血液灌注體組織；該敷貼塊裝有至少兩個彼此緊靠著地定位的點狀光發射器，每個發射器都以不同於另一個的波長發射光；和裝有至少兩個基本上環形的光檢測終端，它們同軸地圍繞所述的至少兩個光發射終端，具有一個自由的光獲取端，用於獲取從所研究組織到達的光；至少兩個光源，它們耦合於所述的光發射終端，且能以至少兩個不同的波長發射光；至少兩個光學檢測器，它們耦合於所述的至少兩個基本上環形的檢測終端；控制裝置，適合使所述的至少兩個光源通過所述的發射終端相繼地照射所述的組織，和適合通過所述的至少兩個檢測終端對由所述至少兩個檢測器獲取的光的強度得到同步測量；和處理裝置，用於根據所述同步測量的結果，確定所關心的特徵值。
21.根據權利要求20所述的儀表，其中所述的光發射器是置於所述敷貼塊內的光源。
22.根據權利要求20所述的儀表，其中所述的光發射器每一個都是一個光發射終端，它具有一個自由的光發射端，且用另一端耦合於一個光源。
23.根據權利要求22所述的儀表，其中所述的光源是雷射二極體，每一個雷射二極體都發射670-940nm範圍以內的單色光。
24.根據權利要求23所述的儀表，其中一個第一光源以750-760nm發射光，且一個第二光源以780-800nm發射光。
全文摘要
描述一種用於光學血液氧測量的新傳感器和一種在其中使用新傳感器的方法和儀表。新傳感器包括兩個彼此緊靠著的置於儀表中央的點狀光發射器,和同軸地圍繞光發射器的至少一個,最好兩個環形檢測終端。光源可以例如是兩個雷射二極體,每一個都發射670—940nm範圍內的單色光。檢測裝置例如是光電二極體。
文檔編號A61B5/00GK1187112SQ96194669
公開日1998年7月8日 申請日期1996年6月6日 優先權日1996年6月6日
發明者伊亞·法因, 亞歷山大·斯頓伯格, 耶謝胡·卡茲, 利奧尼德·戈爾丁奧文, 鮑瑞斯·拉波波特 申請人:西伯羅醫學公司