包括導電和光學透明的emi屏蔽的nirs傳感器組件的製作方法

2023-05-27 01:26:26 2

包括導電和光學透明的emi屏蔽的nirs傳感器組件的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種用於對主體身體中的血氧水平進行非侵入式監視的近紅外分光光度測量傳感器組件。該組件包括至少一個光源，至少一個可操作以檢測該光源所發射的光線的光檢測器，圍繞該光檢測器的至少一部分進行部署的電磁幹擾屏蔽，其中該電磁幹擾屏蔽包括光學透明的導電襯底，以及相對於至少一個光檢測器和封裝材料進行部署的一個或兩個阻光片。
【專利說明】包括導電和光學透明的EMI屏蔽的NIRS傳感器組件
相關申請的交叉引用
本申請按照35U.S.C § 119(e)要求於2011年2月13日提交的美國臨時專利申請號61/442,273和2011年10月13日提交的美國臨時專利申請號61/546，821的優先權，其公開通過引用結合於此。
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及用於利用近紅外光譜(NIRS)技術對生物組織氧合進行非侵入式測定的方法和裝置，尤其涉及用於隨這種技術使用的傳感器。
【背景技術】
[0002]近紅外光譜是一種能夠用來連續監視組織氧合的光學分光光度測量方法。NIRS方法基於近紅外範圍(700nm至1000nm)內的光線能夠輕易通過皮膚、骨骼和其它組織的原理，其在那裡遇到主要位於例如毛細管、小動脈、小靜脈(venuoles)的微循環通路內的血紅蛋白。暴露於處於近紅外範圍中的光線的血紅蛋白具有根據其氧化狀態而變化的特定吸收光譜；即氧基血紅蛋白(Hb02)和去氧血紅蛋白(Hb)均作為不同的生色團。通過使用以特定的不同波長傳送近紅外光的光源，並且測量所傳送或反射的光線衰減的變化，能夠對氧基血紅蛋白(Hb02)和去氧血紅蛋白(Hb)的濃度變化進行監視。例如，對大腦氧合水平進行連續監視的能力對於受到腦中氧合水平可能受損而導致腦部損傷或死亡的狀態所影響的那些患者而言是特別有價值的。
[0003]NIRS類型的傳感器通常包括至少一個光源以及一個或多個用於對所反射或傳送的光線進行檢測的光檢測器。光信號經由與NIRS系統進行協作而得以創建和感應，該NIRS系統包括處理器以及用於對信號`和其中所包含的數據進行處理的算法。與本申請同樣屬於康耐迪格布蘭福德的CAS醫藥設備(CAS Medical Systems)公司的美國專利號7，047，054和PCT國際申請序列號PCT US0641268公開了這樣的傳感器的示例。通常使用諸如發光二極體(LED)或雷射二極體之類的以700-1000nm的波長範圍產生光線發射的光源。使用光電二極體或其它光檢測器來檢測從被檢查組織反射或者從中通過的光線。NIRS系統與(多個)光源和光檢測器進行協作以創建信號並且在其強度和波屬性方面對其進行檢測和分析。同樣屬於康耐迪格布蘭福德，的CAS醫藥設備公司的美國專利號6，456，862和7，072，701公開了用於對這樣的信號進行分析的方法。美國專利號6，456，862和7，072，701以及PCT國際申請序列號PCT US0641268通過引用全文結合於此。
[0004]有意義的大腦氧合信息從詢問腦部組織的光線(例如，通過其中、從其反射，被其吸收等)進行收集。然而，為了非侵入式地訪問腦部組織，光信號在詢問腦部組織之前和之後必須通過額外的腦組織(例如，頭皮、頭蓋骨等)。在任何生物介質(例如，組織、液體等)內行進的光信號都將有所衰減，並且衰減的量是該介質的函數。在非侵入式訪問腦部組織的平均光學路徑的情況下，由額外大腦組織引起的衰減並不產生關於大腦氧合的有用信息。所以，期望對由額外大腦組織引起的信號衰減進行說明從而能夠對由腦部組織引起的衰減加以區分並進行分析。
[0005]已知使用具有特別與光源間隔開來的一對光檢測器的NIRS傳感器作為對額外大腦組織進行說明的手段。「近端」光檢測器可以通過第一分隔距離與光源間隔開來，而「遠端」檢測器可以通過通常大於第一分隔距離的第二分隔距離與光源間隔開來。美國專利號7，072，701中所公開的用於進行分光光度測量血氧監視的方法是能夠利用兩個檢測器而使用的方法的示例。
[0006]對於所有NIRS傳感器而言共同的問題是來自電磁幹擾(EMI)源的信號幹擾。減輕這樣的幹擾的影響對可獲得信號的質量有所改善，並且因此對可獲得的患者信息有所改善。對於所有NIRS傳感器而言另一個共同的問題是製造的成本。NIRS傳感器通常在使用後被處置，所以傳感器的成本是監視成本中的重要因素。
[0007]因此，需要一種用於對生物組織內的氧飽和度水平進行非侵入式測定的有所改進的傳感器，能夠被配置以一個或多個檢測器、緩解幹擾並且能夠易於製造的傳感器。

【發明內容】

[0008]根據本發明的一個方面，提供了一種用於對主體身體中的血氧水平進行非侵入式監視的NIRS傳感器組件。該傳感器組件包括至少一個光源，至少一個光檢測器，電磁幹擾(EMI)屏蔽以及阻光片。該光源可操作以發射包括近紅外範圍中的那些在內的多個不同波長的光信號。該光檢測 器可操作以檢測由光源所發出並且通過主體身體組織的光線。圍繞該光檢測器的至少一部分進行部署的屏蔽令局部EMI有所衰減並且因此降低光檢測器信號內的不良噪聲。該阻光片相對於至少一個光檢測器進行部署，並且包括大小與隨之進行部署的光檢測器的活動區域相配的開孔。
[0009]根據本發明的一個方面，提供了一種用於對主體身體中的血氧水平進行非侵入式監視的NIRS傳感器組件。該傳感器組件包括襯墊、至少一個光源、至少一個光檢測器，以及電磁幹擾(EMI)屏蔽。該光源可操作以發射包括近紅外範圍中的那些在內的多個不同波長的光信號。該光檢測器可操作以檢測由光源所發出並且通過主體身體組織的光線。圍繞該光檢測器的至少一部分進行部署的屏蔽令局部EMI有所衰減並且因此降低光檢測器信號內的不良噪聲。
[0010]根據本發明的另一個方面，提供了一種用於對主體身體組織中的血氧水平進行非侵入式監視的近紅外分光光度測量傳感器組件。該組件包括柔性電路、至少一個光檢測器、至少一個光源、電連接器、EMI屏蔽、阻光片以及襯墊。該至少一個光檢測器與該柔性電路進行電通信。該光檢測器具有用於接收光信號的活動區域。該至少一個光源與該柔性電路進行電通信。該電連接器與該柔性電路進行電通信。該EMI屏蔽相對於至少一個光檢測器進行部署。該阻光片相對於至少一個光檢測器進行部署，並且包括大小與隨之進行部署的光檢測器的活動區域相配的開孔。該襯墊具有檢測器開孔和光源開孔，並且該襯墊位於該組件之內以在該傳感器的操作期間與主體進行接觸。
[0011]本發明的這些和其它特徵及優勢將由於以下所提供的本發明的附圖和詳細描述而變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是安裝於患者上並且連接至NIRS系統的一對NIRS傳感器組件的圖解視圖。
[0013]圖2是NIRS傳感器組件實施例的分解視圖。
[0014]圖3是圖2所示的NIRS傳感器組件實施例的一部分的圖解平面視圖，其圖示了襯墊的患者一側的表面。
[0015]圖4是沿直線4-4截取的圖3所示的NIRS傳感器組件部分的截面圖。
[0016]圖5是包含遠端檢測器的圖4所示的檢測器外殼的截面圖。
[0017]圖6是包含近端檢測器的圖4所示的檢測器外殼的截面圖。
[0018]圖7是圖4所示的光源的截面圖。
[0019]圖8是圖4所示的截面圖的一部分的截面圖。
[0020]圖9是圖4所示的檢測器外殼的截面圖，其圖示了一種可替換屏蔽的實施例。
[0021 ]圖10是NIRS傳感器組件實施例的分解圖。
[0022]圖11是圖10所示的NIRS傳感器組件實施例的截面圖。
【具體實施方式】
[0023]現在參 考附圖，近紅外光譜(NIRS)系統10包括連接至基座單元11的一個或多個NIRS傳感器組件12。基座單元11包括顯示器13、操作員控制器，以及用於向(多個)NIRS傳感器配件12提供信號和/或從其接收信號的處理器14。處理器14適於(例如，被編程為)有選擇地執行操作(多個)傳感器所必需的功能。應當注意的是，處理器14的功能可以使用硬體、軟體、固件或者其組合來實施。本領域技術人員將能夠對處理器14進行編程以在不進行過度實驗的情況下執行這裡所描述的功能。出於提供該NIRS傳感器配件12的詳細描述的目的，傳感器組件12在這裡將被描述為結合美國專利號6，456，862和美國專利號7,072,701中所描述的NIRS系統使用，該NIRS系統是可接受NIRS系統的示例。然而，NIRS傳感器組件12並不局限於隨任何特定的NIRS系統使用。
[0024]圖2-8中示出了 NIRS傳感器組件12的實施例。NIRS傳感器組件12包括襯墊16、至少一個光源18、至少一個光檢測器20、檢測器外殼22、電磁幹擾(EMI)屏蔽24和蓋子26。在該傳感器組件12包括多於一個的光檢測器20的那些實施例中，本發明可以包括多個檢測器外殼22。本發明的傳感器並不局限於該特定的NIRS傳感器組件，其在這裡是出於說明的目的進行描述。特別地，本發明包括可以隨各種不同NIRS傳感器使用的新穎、非顯而易見且有益的EMI屏蔽配置(以下進行描述)。
[0025]現在參考圖2和3所示的實施例，襯墊16具有寬度28、長度30、實質上統一的厚度32、患者側表面34、硬體側表面36、至少一個源開孔38以及至少一個檢測器開孔40。寬度28和長度30優選地在源開孔38和檢測器開孔40之一或二者的周圍形成輪廓。在圖2和3所示的實施例中，襯墊16包括一對檢測器開孔40和一個源開孔38。每個檢測器開孔40均成形為容納檢測器外殼22的一部分，而源開孔38則被成形為容納光源18的一部分。檢測器和源開孔40、38通常沿襯墊16的中線42對準。在一些實施例中，對患者側表面34應用粘合劑17以將襯墊16貼合至患者(見圖8)。可以在被粘合劑覆蓋的患者側表面34上安裝可去除保護層44以在使用之前對粘合劑進行保護。在一些實施例中，粘合劑被應用於硬體側表面36。
[0026]襯墊16優選地由實質性或完全阻擋光能量通過襯墊16進行傳輸的柔性材料(例如，泡沫)所製成。美國康涅狄克州伍德斯託克的羅傑斯(Rogers)公司的產品Poron?多孔尿烷泡沫是可接受的襯墊16的材料示例。
[0027]在圖2所示的實施例中，蓋子26具有與襯墊16的幾何形狀相匹配的幾何形狀。蓋子26具有寬度46、長度48、厚度50、硬體側表面52和外表面53。蓋子26可以由多種不同材料所製成，包括泡沫，諸如Poron?多孔尿燒泡沫。
[0028]參考圖8，可以將一個或多個支撐層54接合至襯墊16和蓋子26之一或其二者。支撐層54是柔性的，並且可以被描述為具有以與襯墊16和蓋子26的寬度和長度相類似的方向進行定向的寬度和長度。支撐層54在寬度和/或長度方向抵禦拉伸。一旦支撐層54被接合至襯墊16或蓋子26，支撐層54就因此而抵禦單獨的襯墊16或蓋子26的拉伸，並且總體上抵禦整個傳感器組件12的拉伸。可接受的支撐層54的材料示例是美國南卡羅萊納州查爾斯頓的Reemay公司所提供的型號為2006的Reemay?品牌的紡粘聚酯媒介。然而，本發明並不局限於由Reemay?品牌的紡粘聚酯媒介所構成的支撐層54。在圖8所示的實施例中，第一支撐層54被粘貼至蓋子26的硬體側表面52，而第二支撐層54被粘貼至襯墊16的硬體側表面36。
[0029]光源18有選擇地可操作以引導或發出紅外光(B卩，波長範圍為大約700nm至1000nm的光)。如以上所提到的，紅外光在測定組織氧合時提供了特別的效用，原因在於暴露於近紅外範圍內的光線的血紅蛋白具有根據其氧化狀態而變化的特定吸收光譜；即氧基血紅蛋白(Hb02)和去氧血紅蛋白(Hb)均作為不同的生色團。然而，在可替換實施例中，可以存在利用紅外範圍之外的光線進行最佳檢驗的血液代謝物進行檢驗時的效用；該光線例如處於400nm和700nm之間的可見光範圍之中，諸如650nm的紅色光或510nm的綠色光，或者是可見光和紅外光二者的組合，等等。在那些應用中，可以採用在紅外範圍之外發射或引導光線的光源。在一些實施例中，光源18是包括光纖光導58和光重定向稜鏡60的組件。光纖光導58的一端光學連接至稜鏡60。光纖光導58的另一端通常部署在連接器62 (見圖1)內，其允許光纖光導58`光學耦合至連接到NIRS系統10的光纖光導。其它實施例可以具有被彎曲以創建適當排列形式的光纖(例如，彎曲九十度(900))。以下公開了可接受連接器62的實施例的示例。光纖光導58在圖4和7中作為單個光纖光導被圖解式地示出。光纖光導58並不局限於單光纖的實施例，並且在可替換實施例中可以包括多個光纖。在可替換實施例中，光源18包括替換光纖光導58和稜鏡60或者與之相結合地安裝在傳感器組件12內的一個或多個發光二極體(LED)。一個或多個LED電連接至部署在基座單元11中的部件(例如，處理器14)並且由其進行操作控制。
[0030]在以上所描述的光纖光源的實施例中，光源18自身並不產生光信號。更確切地說，一個或多個光信號(此後共同被稱作光信號)在NIRS傳感器組件12之外的位置被引入光纖光導58，並且經由光纖光導58被引導至傳感器組件12之中。本發明的NIRS傳感器組件12並不局限於隨用於向光纖光導58中引入光信號的任何特定方法和/或裝置使用。以上通過引用而結合的美國專利號7，047，054公開了用於向光纖光導58中引入光能量的裝置的可接受示例，其包括使用雷射二極體。
[0031]光信號離開光纖光導58並通過進入面64進入稜鏡60,並且通過離開面66被重定向至稜鏡60之外。光纖光導58可以以各種不同方式連接至稜鏡60的進入面64。例如,光纖光導58能夠相對稜鏡60的進入面64進行對接並且由部署在稜鏡60和光纖光導58之間的一層透明環氧樹脂固定在那裡。在一些實施例中，稜鏡60可以部署在NIRS傳感器組件12以內以使得其在NIRS傳感器組件12使用期間與患者的皮膚進行接觸。稜鏡60是硬質的從而其在監視血氧期間相對患者的皮膚進行按壓時，皮膚表面變得平整，並且光纖光導58輸出和經由稜鏡60的皮膚表面之間的距離在皮膚的整個照亮區域上是恆定的。該配置控制了皮膚上輸入光的強度以及光照明斑塊的大小，這對於進行準確測量而言是很重要的。在光源18包括安裝在傳感器組件12內的一個或多個LED的實施例中，從(多個)LED所發出的光信號撞擊在主體皮膚之上。
[0032]在圖7所示的實施例中，可操作以至少部分阻止光從進入面64和離開面66以外的表面進出稜鏡60的光學屏蔽67被部署在稜鏡60的至少一部分的周圍。可接受的光學屏蔽67的示例是金屬(例如，銅)箔帶。
[0033](多個)光檢測器20包括光響應換能器，諸如可操作以對通過主體身體的一部分之後的光源18所發出的光做出感應所得出的光強度的光電二極體。光檢測器20電連接至NIRS系統以使得光檢測器的輸出能夠被傳輸至NIRS系統10。在優選實施例中，一個或多個EMI屏蔽線纜68將光檢測器20連接至NIRS系統10。在具有兩個光檢測器20的傳感器實施例中，最接近於光源18進行部署的光檢測器可以被稱作「近端檢測器20a」，而距離光源18較遠部署的另一檢測器20則被稱作「遠端檢測器20b」。
[0034]在圖2-6所示的傳感器實施例中，遠端檢測器20b包括安裝在包括印刷電路板71的襯底70上的一對光電二極體69。遠端檢測器20b中的光電二極體69電連接至印刷電路板71，並且該印刷電路板進而電連接至屏蔽線纜68。近端檢測器20a包括連接至屏蔽線纜68的單個光電二極體69。近端和遠端檢測器20a、20b之一或二者中的光電二極體的數量可以有所變化以適應特定應 用。在可替換實施例中，襯底70可以包括柔性電路。
[0035]圖5和6圖示了相對近端和遠端光檢測器20a、20b進行部署的EMI屏蔽24。用於圖5所示的遠端檢測器20b的屏蔽24的實施例包括光學透明部分72和非透明部分74。在該實施例中，EMI屏蔽的非透明部分74實質上部署在整個遠端檢測器20b的周圍，並且透明部分72則對準傳感器20b的光檢測表面進行部署。出於此描述的目的，術語「光學透明」可以被定義如下:光學透明介質是一定數量的光能夠從中通過的介質，該數量足以用於NIRS評估的用途。相反，「光學非透明」介質是實質上防止所有光從中通過的介質，否則該光線將可被用於NIRS評估。在其它實施例中，EMI屏蔽24的實施例可以完全由光學透明部分72構成，或者其可以包括比光學非透明較透明的；例如部署在與傳感器20b的光檢測表面對準之外的區域中。EMI屏蔽24優選地直接或間接連接至接地端，但並非必要如此。
[0036]如以上所指出的，一定百分比的由光源18所產生的光信號通過患者生物組織隨後通過EMI屏蔽24的光學透明部分72，隨後被遠端光檢測器20b所感應。與此同時，光學透明部分72使得可能存在的局部EMI有所衰減。
[0037]在一些實施例中，光學透明部分72包括可操作以各向同性地分布EMI的結構。例如，光學透明部分72可以包括導電線路網格(例如，銅線網格)。作為另一個示例，光學透明部分72可以包括纖薄導電襯底，其是如以上所描述的光學透明的。這樣的導電襯底的一個示例是纖維填充的傳導性膠帶，諸如美國明尼蘇達州聖保羅市的3M公司所提供的XYZ-軸導電帶9713。導電襯底(例如，9713帶)可以包含允許EMI的各項同性分布的導電纖維。該導電襯底可以為在其兩側都具有粘合劑的雙面形式。導電襯底(例如，9713帶)提供了若干優勢，包括:(I)其相對廉價；(2 )其並不需要焊接連接至接地端；(3 )其可以以卷的形式獲得；(4)其具有低剖面；以及(5)其是柔性的。在傳感器包括柔性電路的實施例中，在柔性電路之上、之中或周圍使用如9713帶的導電襯底是特別有利的，這是因為與柔性電路相結合的導電襯底能夠改善傳感器的靈活性同時仍然為傳感器提供充分的EMI屏蔽。在柔性電路之上、之中或周圍使用導電襯底的能力提供了相當的效用。本發明並不局限於使用9713帶作為光學透明的導電襯底，並且可替換地可以使用其它類似產品。
[0038]在利用光學非透明部分74的EMI屏蔽24的那些實施例中，該部分74可以包括導電金屬箔，諸如銅質金屬箔。在光學透明部分72包括如9713帶的導電襯底的那些實施例中，非透明部分74可以在並未採用感應光線的檢測器20a、20b的那些區域中粘合至透明部分72。諸如矽質貼片、粘合劑、泡沫或其它類似材料的導電墊圈可以被用來在屏蔽24的光學透明和光學非透明部分72、74之間產生電氣接口，特別是在利用線路網格作為光學透明部分72的那些實施例中。
[0039]用於近端檢測器20a的EMI屏蔽24包括與以上針對遠端檢測器20b所描述的那些相類似的配置。在近端檢測器20a上所使用的EMI屏蔽實施例可以與在遠端檢測器20b上所使用的有所不同。例如，在圖6所示的實施例中，光學透明的屏蔽24被部署在實質上整個近端光檢測器20a的周圍。
[0040]以上所描述的屏蔽24減少了不良EMI所生成的噪聲，並且提高了光檢測器20(例如，光電二極體)的信噪比。例如，光學透明屏蔽24在光檢測器20周圍產生了法拉第籠(Faraday Cage)，而允許光線到達光檢測器20的光敏表面。實際上，本發明的EMI屏蔽能夠被實施為產生可操作以提供必備EMI屏蔽的儘可能少的一個法拉第籠，或者可替換地，能夠被實施為相對於傳感器產生多於一個的法拉第籠以提供必備EMI屏蔽。例如，在一個實施例中，可以通過產生兩個法拉第籠而保護檢測器20免於幹擾；例如包圍傳感器的電路的第一法拉第籠以及處於光檢測器20自身周圍的第二法拉第籠。本發明並不局限於任何特定的法拉第籠的實施例。在本發明的屏蔽24在這裡所描述的示例性傳感器實施例中使用的那些情況下，檢測器外殼22也通過增加檢測器至生物組織的間隔距離而產生進一步的EMI衰減。檢測器外殼22所產生的光學透明間隔器減小了光檢測器20的光敏表面和例如人類皮膚之類的生物組織之間的電容，與並不包括這樣的光學間隔器的傳感器應用相比，這使得電磁耦合和所生成的噪聲電流進一步減少。
[0041]在利用了檢測器外殼22的那些傳感器實施例中，檢測器外殼22包括基座76和帽78，它們共同定義了內部空腔80，該空腔80的大小被設置為封閉至少部分由屏蔽24 (以及可應用的其它材料)覆蓋的的光檢測器20。基座76和帽78可以絞接在一起或者它們可以是可分離的。帽78包括用於容納屏蔽線纜68的埠(見圖2)。可替換地，埠 88可以部分部署在基座76和帽78中，或者僅處於基座76中。基座76包括其大小被設置為容納光檢測器20的至少一部分的井82，並且帽78的大小被設置為容納並未被基座井82所容納的光檢測器20的其餘部分。圖2-6所示的檢測器外殼實施例，例如，包括具有井82的基座76以及具有井84的帽78，該井82、84的大小被設置為共同容納光檢測器20。在其它實施例中，基座井82的大小可以被設置為容納整個光檢測器20和屏蔽24，並且帽78可以平坦地跨越基座井82，或者被成形為延伸至基座井82之中。
`[0042]在一些實施例中，內部空腔80的尺寸(即，高度、寬度、深度)為使得光檢測器20、屏蔽24等與外殼22之間存在輕壓配合。因此，光檢測器20按位置被定位並保持在外殼22之內。在可替換實施例中，光檢測器20和屏蔽24在位置上可以通過與基座76或帽78整體形成的特徵(例如，柱體、擋邊等)或部署在內部空腔80內的部件(例如，間隔器或偏移部件)或者通過其它手段被定位並保持在內部空腔80之內。
[0043]基座井82包括由光學透明材料所構成的窗口面板86，其允許光線從中通過並被光線檢測器20所感應。窗口面板86可以是光學平坦表面或者其可以被改造以對所檢測光線進行聚焦或散焦。窗口面板86還可以被視為用作關於色品、波長等的濾波器。
[0044]基座76和帽78可以由相同材料或不同材料所製成。在優選實施例中，基座76和帽78由具有有利電介質特性(例如，電絕緣)的材料形成。能夠選擇特定材料以及因此的電介質特性以適應手頭的應用。此外，能夠選擇電介質強度的數值以對諸如窗口面板86之類的固定幾何形狀的電容器的電容有所影響。如以上所指出的，檢測器外殼22的窗口面板86部分增加了光檢測器至生物組織的間隔距離，由此減小了光檢測器的光敏表面和生物組織之間的電容。
[0045]基座76和帽78銜接並且可以使用粘合劑、機械特徵(例如，相配的公/母配對)、焊接等彼此接合。在圖2-6所示的實施例中，基座76和帽78包括相配的凸緣90、92，它們通過部署在凸緣90、92之一或二者上的粘合劑而彼此接合。每個檢測器外殼22被定位而使得基座井82的至少一部分被容納在襯墊16的相應檢測器開孔40之內。在圖2-6所示的實施例中，近端光檢測器20a和遠端光檢測器20b被部署在獨立的檢測器外殼22之內。在可替換實施例中，檢測器外殼22的基座76可以相互連接，和/或檢測器外殼22的帽78可以相互連接。
[0046]傳感器組件12內的近端光檢測器20a和遠端光檢測器20b之間的間距和相對定位優選地被選擇而使得:1)光 源18、近端光檢測器20a和遠端光檢測器20b實質上彼此線性排列；以及2)遠端光檢測器20b和近端光檢測器20a之間的間隔距離大於光源18和近端光檢測器20a之間的間隔距離。近端光檢測器20a和遠端光檢測器20b之間較大的距離(與光源18和近端光檢測器20a之間的間隔距離相比)在光源18和近端光檢測器20a之間延伸的平均光學路徑所定義的區域與在光源18和遠端光檢測器20b之間延伸的平均光學路徑所定義的區域之間產生明顯差異。因此，表示兩個信號的對比的信息與兩個平均光學路徑彼此更為接近的情況下相比更大。
[0047]以下示例圖示了針對該傳感器組件12的嬰兒、幼兒/小兒科和成年實施例的光源18/光檢測器20間隔。在成年NIRS傳感器組件12中，光源18可以位於距遠端光檢測器20b大約四十七至五十毫米(47mm至50mm)的範圍內並且距近端光檢測器20a大約十五毫米(15mm)。在NIRS傳感器組件的12幼兒/小兒科實施例中，光源18可以位於距遠端光檢測器20b大約四十至四十三毫米(40mm至43mm)的範圍內並且距近端光檢測器20a大約十二毫米(12_)。在NIRS傳感器組件的12的嬰兒實施例中，光源18可以位於距遠端光檢測器20b大約二十五至三十毫米(25mm至30mm)的範圍內並且距近端光檢測器20a大約十毫米(10_)。在NIRS傳感器組件的12的可替換嬰兒實施例中，光源18可以位於距單個光檢測器20大約二十五至三十毫米(25mm至30mm)的範圍內。以上所描述的光源18/檢測器20的間隔表示了示例並且本發明並不應當被理解為局限於這些示例。
[0048]在一些實施例中，除了被部署在光檢測器20周圍的BO屏蔽之外或者作為其替代，EMI屏蔽材料可以直接應用於檢測器外殼壁的內部和/或外部表面(例如，井等)。EMI屏蔽可以僅被應用於一些檢測器壁部表面，或者充分數量的檢測器壁部表面，以便在部署於外殼之內的光檢測器20周圍產生法拉第籠。應用於檢測器外殼的屏蔽可以包括以上關於部署在光檢測器20周圍的HMI屏蔽24所討論的任意材料(例如，導電線路網格、導電襯底等)。該屏蔽可以通過諸如印刷、粘貼、噴塗等的處理被加以應用。
[0049]蓋子26被成形並定位在NIRS傳感器組件12上以使得光源18、包含近端和遠端光檢測器20a、20b的檢測器外殼22以及屏蔽線纜68被部署在蓋子26和襯墊16之間。蓋子26優選地由能夠在患者環境中使用的軟質柔韌材料所構成。可接受的蓋子材料的示例包括乙烯基材料、塑料材料和泡沫材料(例如，Poron?)，但是並不局限於此。蓋子26可以以各種不同方式接合至NIRS傳感器組件12 ;例如通過粘合劑、機械特徵等。蓋子26的材料優選地阻止光線進入NIRS傳感器組件12。蓋子26可以在傳感器部件上適當塑造、澆鑄或成形以產生定製配合。
[0050]在優選實施例中，NIRS傳感器組件12包括允許傳感器組件12與NIRS系統10進行接合併從其去除的連接器62。連接器62包括光纖耦合器和屏蔽線纜耦合器。該光纖耦合器提供了用於將NIRS傳感器組件12的光纖光學連接至NIRS系統10的接口。類似地，該屏蔽線纜耦合器提供了用於將NIRS傳感器組件12的光電二極體輸出連接至NIRS系統10的接口。在一些實施例中，連接器62是將光纖耦合器和屏蔽線纜耦合器整合為單個單元的混合連接器。在其它實施例中，連接器62包括彼此獨立的光纖耦合器和屏蔽線纜耦合器。在光纖耦合器和屏蔽線纜耦合器彼此獨立的那些實施例中，兩個耦合器可以彼此分開定位，例如光纖耦合器處於傳感器處而屏蔽線纜耦合器則處於中點處。
[0051]在一些實施例中，可以使用多光纖組合器，其允許不同波長的多個雷射光源18耦合到引向NIRS傳感器組件12的小直徑內核的光纖輸出之中。本發明的傳感器組件12並不要求使用多光纖耦合器，並且如果其被使用，該NIRS傳感器組件12並不局限於使用任何特定類型或構造的多光纖耦合器。前述的通過引用而結合到本申請之中美國專利號7，047，054公開了可接受的多光纖耦合器的示例。
[0052]連接器62還可以包括傳感器識別編碼器件，以使得NIRS系統10能夠識別出所連接的NIRS傳感器組件12的類型；即成年、小兒科、嬰兒以及其它配置的傳感器。一旦識別了傳感器12的類型，NIRS系統10就能夠隨後選擇要隨該傳感器12使用的適當信息；例如，針對具體傳感器配置的校準信息。編碼的方法包括但並不局限於:1)為每個不同配置的傳感器12設置不同電阻器數值，其中儘管具有分壓器電路，NIRS系統10能夠測量電阻數值；2)結合以諸如串行PROM的小型存儲器設備，其具有所存儲以便由NIRS系統10進行讀取的傳感器識別信息；以及3)包括RF識別設備。
[0053]根據本發明的另一個方面，可以隨NIRS系統10使用如圖10和11所示的NIRS傳感器組件112。NIRS傳感器組件112可以包括以下部件中的一些或全部:柔性電路114、至少一個光檢測器116、至少一個光源118、連接器120、EMI屏蔽122、阻光片124、襯墊126、底部外殼128和頂部外殼130。
[0054]每個光檢測器116包括光響應換能器(例如，光電二極體)，其可操作以對通過主體身體的一部分之後的光源118所發射的光線的光線強度進行感應。每個光檢測器116包括撞擊光線能夠通過其而被感應到的活動區域。光檢測器116電連接至NIRS基座單元11以使得能夠對光檢測器116的輸出進行處理。在優選實施例中，光檢測器116被安裝在柔性電路114 (如以下將進行描述的)上，該電路在檢測器116和基座單元11之間提供電連接。在具有彼此間隔開來的兩個或更多光檢測器116以及光源18的傳感器實施例中，如以上所描述的，光檢測器可以(相對於光源18)被稱作「近端檢測器116a」和「遠端檢測器116b」。
[0055]光源118有選擇地可操作以產生紅外光(B卩，處于波長範圍約700nm至約1000nm內的光線)，並且在一些實施例中，還可以產生可見光範圍內的光線。在優選實施例中，光源118是包括均被選擇在預定波長產生光線的多個發光二極體(LED)的組件。然而，本發明的NIRS傳感器組件112並不局限於隨LED使用。如以下將要描述的，光源118優選地安裝在用於與NIRS基座單元11進行電通信的柔性電路114上。
[0056](多個)檢測器116和光源118優選地安裝在柔性電路114(即，「屈伸電路」)上。屈伸電路114可以被描述為相對於柔性基質材料進行安裝的印刷線路(即，例如可以通過印刷或蝕刻導電材料而形成的導電路徑)的帶圖案部署形式。屈伸電路114的線路將檢測器116和光源118電連接至連接器120。連接器120進而提供允許傳感器組件112被電連接至基座單元11的結構；例如與基座單元11進行信號通信。在圖10和11所示的實施例中，屈伸電路114被配置為使得遠端檢測器116b接近於屈伸電路114的一端進行定位，而近端檢測器116a與遠端檢測器116b間隔開來並且部署在遠端檢測器116b和光源118之間。相鄰於光源118，屈伸電路114的引線部分132向外延伸，在連接器120處終止。檢測器116和光源118的相對定位的可接受配置的示例在以上進行了描述；例如，光源118可以距遠端光檢測器116b大約四十至四十三毫米(40mm至43mm)並且距近端光檢測器116a大約十二毫米(12mm)進行定位。然而，傳感器組件112並不局限於任何特定的檢測器/光源118間隔配置。
[0057]在圖10和11所示的實施例中，為每個檢測器116部署了一個與其相接觸的封裝材料134。封裝材料134對檢測器116以及檢測器116和屈伸電路114之間的連接進行封裝和保護。封裝材料還在 患者和傳感器的電路之間提供了電介質阻擋。在優選實施例中，該封裝材料還對接近相應檢測器116的EMI屏蔽122和阻光片124之一或二者進行封裝。封裝材料134還用作檢測器116和主體之間(當安裝在主體上時)的光學接口，並且根據所使用的封裝材料134的類型，還能夠進行操作以使得主體與檢測器116和屈伸電路114電絕緣。封裝材料134的示例是紫外線固化環氧樹脂；例如由樂泰(Loctite)所製造的3525環氧樹脂或者諸如杜邦(Dupont)製造的FEP帶的電介質薄膜。在一些傳感器應用中，可能期望僅相對於一個檢測器116使用封裝材料134或者根本不使用封裝材料134。
[0058]傳感器組件112包括相對於光檢測器116進行部署的EMI屏蔽122。EMI屏蔽122的光學透明部分與光檢測器116的活動區域對準而進行部署。EMI屏蔽122還可以包括部署在一個或多個檢測器116外圍周圍的部分，並且該部分可以是或不是光學透明的。出於此描述的目的，術語「光學透明」可以被定義如下:光學透明介質是一定數量的光能夠從中通過的介質，該數量在傳感器組件的正常操作環境下足以用於NIRS評估的用途。EMI屏蔽122優選地直接或間接連接至接地端，但並非必然如此。
[0059]如以上所描述的，EMI屏蔽122的光學透明部分可以包括導電線路網格(例如，銅線網格)或者其可以包括纖薄的導電襯底，諸如纖維填充的傳導性膠帶；例如美國明尼蘇達州聖保羅的3M公司所提供的XYZ-軸導電帶9713 (9713帶)。本發明並不局限於將9713帶用作光學透明的導電襯底，並且可以可替換地使用其它類似產品。對於利用EMI屏蔽122的非透明部分的那些實施例而言，那些部分可以包括導電金屬箔，諸如銅質金屬箔。EMI屏蔽122可以被整合到封裝材料134中，或者接合至封裝材料134的暴露表面。纖維填充的傳導性膠帶的顯著優勢在於其能夠在組裝期間適當粘合，這大幅促進了組裝。
[0060]傳感器組件112可以進一步包括位於封裝材料134和EMI屏蔽122下方或者其頂部的阻光片124。阻光片124包括其大小被設置為與其與之定位的檢測器116的活動區域相配的開孔136。在圖10和11所示的實施例中，阻光片124相對於近端檢測器116進行定位。在可替換實施例中，阻光片124可以相對於近端或遠端檢測器或者其二者進行部署。阻光片124的優選實施例是纖薄的柔性黑色材料，其具有促成定位並且相對於檢測器116固定板124的黏性背面。一種特別有用的阻光片124也是導電的阻光片。可接受的阻光片124的示例是美國賓夕法尼亞州格倫羅克的粘合劑研發(Adhesives Research)公司所製造的型號為Arcare? 90366的導電傳輸帶。然而，阻光片124並不局限於該具體產品。對於利用導電阻光片124的那些實施例而言，阻光片124的導電屬性促進了 EMI屏蔽122的有效性。黏性背面的阻光片124的顯著優勢在於其能夠在組裝期間適當粘貼，這大幅促進了組裝。
[0061]以上所描述的結構(例如，屈伸電路114和檢測器116、封裝材料、EMI屏蔽122和阻光片124的疊加)提供了允許光信號得以被感應的結構，並且同時減少了不良EMI所生成的噪聲並提高了光檢測器116的信噪比。光學透明的屏蔽122可以被描述為在光檢測器116周圍提供法拉第籠，同時允許光線到達光檢測器116的光敏表面。通過減小用於光電檢測器的開孔，通過組織而從發射器分流的光線被減少並且所傳送光線的路徑長度有所改
善
[0062]襯墊126具有患者側表面138、構件側表面140、至少一個源開孔142以及至少一個檢測器開孔144。每個檢測器開孔144被成形為包圍相應檢測器116，並且光源開孔142被成形為包圍光源118。在一些實施例中，粘合劑被應用於患者側表面138以便將襯墊126接合至主體。襯墊126優選地包括諸如以上所描述的材料(例如，Poroni象分子尿烷泡沫)、
[0063]底部外殼128被部署在傳感器組件122與主體相接觸的一側。頂部外殼130位於傳感器組件122的相反一側。兩個外殼128、130優選地為柔性的並且可操作以對部署在外殼128、130之間的屈伸電路114進行保護。外殼128、130彼此接合以對屈伸電路114的一部分進行封閉。頂部外殼130的一部分接合至襯墊126以封閉傳感器組件112包含檢測器116和光源118的部分。外殼128、130可以由多種不同材料製成，包括諸如Poron?:分子尿燒泡沫的泡沫。在優選實施例中，該外殼包括由抗撕裂但透氣(例如，可滲透水蒸氣)的高密度聚乙烯纖維所構成的合成材料。由杜邦公司所生產的Tyvek?品牌的材料是由能夠被用於外殼128、130的高密度聚乙烯纖維所構成的合成材料的示例。底部外殼128並不粘合至襯墊126的構件側表面140，這產生了標籤卡(tab)，該標籤卡將傳感器組件112更好地貼合至患者的皮膚。
[0064]連接器120被配置為在傳感器組件112和基座單元11之間直接或間接地提供電/信號通信。在一些NIRS系統10中，基座單元線纜從基座單元11延伸出來以便與傳感器組件112進行連接。基座單元線纜可以包括光電二極體前置放大器，其可操作以對來自傳感器組件112的信號進行放大。在圖10和11所示的實施例中，連接器120包括與基座單元線纜相配以形成屏蔽連接的印刷電路板卡(「PCB卡」)；例如廣瀨模型(Hirosemodel)LX40-16P、顯示埠或迷你顯示埠。然而，連接器120並不局限於PCB卡。可替換類型的連接器120的示例是I/O連接器。傳感器的可替換實施例將接合在屈伸電路尾部和PCB卡或I/O連接器之間的線纜延伸進行整合。該構造允許傳感器連接器遠離患者進行定位。圖10和11所示的傳感器組件實施例示出了沿檢測器/發射器區域和連接器120之間的大體上的直線進行延伸的傳感器112。該傳感器並不局限於筆直配置。在可替換實施例中，被示為筆直的區域可以包括促成傳感器組件的該部分的屈伸的一個或多個偏離(例如，彎曲或點動一以虛位示出)。附加的柔性有助於防止傳感器在其操作期間從主體無意脫落。
[0065]在本發明的操作中，由於NIRS傳感器組件12、112相對於主體皮膚進行定位，所以傳感器可以被激勵並且近紅外光線信號被引入主體的身體組織。隨後使用近端和遠端光檢測器對引入主體的身體組織的光進行檢測，產生表示這樣的被檢測光的信號。該信號被傳送回到NIRS基座單元11，它們在那裡被處理以獲得與主體身體組織的血氧水平相關的數據。如以上所提到的，以上所描述的本發明的NIRS傳感器組件並不局限於隨任何特定的NIRS系統10使用。
[0066]由於可以在不背離發明概念的情況下對本發明的所公開的實施例進行許多改變和變化，所以除所附權利要求所要求的之外，並非意在對本發明進行限制。例如，本發明在大腦應用的環境中得以被公開。本發明並不局限於大腦血氧定量法應用並且可以被用於其它身體組織和液體中的血 氧水平的非侵入式監視。
【權利要求】
1.一種用於對主體身體中的血氧水平進行非侵入式監視的NIRS傳感器組件，其特徵在於，該組件包括: 至少一個光源，其可操作以發射多個不同波長的光信號； 至少一個光檢測器，其可操作以檢測由光源所發出並且通過主體身體組織的光線，所述光檢測器具有光信號可以通過其而被檢測的活動區域； 電磁幹擾屏蔽，其圍繞該光檢測器的至少一部分進行部署，其中所述電磁幹擾屏蔽包括光學透明的導電襯底，所述光學透明的襯底與所述光檢測器的活動區域對準；和 阻光片，其相對於至少一個光檢測器進行部署，並且所述片包括大小與隨之進行部署的光檢測器的活動區域相配的開孔。
2.根據權利要求1的NIRS傳感器組件，其特徵在於，進一步包括與至少一個光源和至少一個光檢測器進行電通信的柔性電路。
3.根據權利要求2的NIRS傳感器組件，其特徵在於，進一步包括接合至所述柔性電路的電連接器。
4.根據權利要求3的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述電連接器包括PCB卡。
5.根據權利要求3的NIRS傳感器組件，其特徵在於，進一步包括以對相應檢測器的暴露部分進行封裝的方式與每個檢測器相接觸地進行部署的封裝材料。
6.根據權利要求5的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述封裝材料被配置為對光檢測器和柔性電路之間的連接進行封裝。
7.根據權利要求6的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述封裝材料可操作以在主體和柔性電路之間提供電介質阻擋。
8.根據權利要求7的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述封裝材料是紫外線固化環氧樹脂。
9.根據權利要求7的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述電磁幹擾屏蔽包括導電線路網格和纖薄導電襯底之一或其二者，其中之一是光學透明的。
10.根據權利要求9的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述纖薄導電襯底包括纖維填充的傳導性膠帶。
11.根據權利要求10的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述電磁幹擾屏蔽至少部分整合至所述封裝材料之中，或者接合至所述封裝材料的暴露表面。
12.根據權利要求9的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述阻光片臨近所述封裝材料134和所述電磁幹擾屏蔽進行定位。
13.根據權利要求12的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述阻光片是具有粘性背面的纖薄柔性黑色材料。
14.根據權利要求12的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述阻光片是導電的。
15.根據權利要求1的NIRS傳感器組件，其特徵在於，進一步包括以對相應檢測器的暴露部分進行封裝的方式與每個檢測器相接觸地進行部署的一種封裝材料。
16.根據權利要求15的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述封裝材料可操作以在主體和檢測器之間提供電介質阻擋。
17.根據權利要求16的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述電磁幹擾屏蔽包括導電線路網格和纖薄導電襯底之一或其二者，其中之一是光學透明的。
18.根據權利要求10的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述電磁幹擾屏蔽至少部分整合至該封裝材料之中，或者接合至該封裝材料的暴露表面。
19.根據權利要求1的NIRS傳感器組件，其特徵在於，所述電磁幹擾屏蔽包括纖維填充的導電襯底。
20.一種用於對主體身體組織中的血氧水平進行非侵入式監視的近紅外分光光度測量傳感器組件，其特徵在於，該組件包括: 柔性電路； 與所述柔性電路進行電通信的至少一個光檢測器，所述光檢測器具有用於接收光信號的活動區域； 與所述柔性電路進行電通信的至少一個光源； 與所述柔性電路進行電通信的電連接器； 相對於至少一個光檢測器進行部署的電動勢幹擾(EMI)屏蔽； 相對於至少一個光檢測器進行部署的阻光片，所述阻光片包括大小與隨之進行部署的光檢測器的活動區域相配的開孔； 相對該EMI屏蔽或阻光片進行部署的高透光的電介質阻擋；和具有檢測器開孔和光源開孔的襯墊，所述襯墊位於所述組件之內以在所述傳感器的操作期間與主體進行接觸。`
【文檔編號】A61B5/1455GK103732140SQ201280018146
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年2月13日 優先權日:2011年2月13日
【發明者】馬修·達勒納, 卡倫·達菲 申請人:卡斯醫療系統公司