CN101319993A - 血氧计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于体外分光光度测定样品中、优选地在溶血的血液样品中，测定血红蛋白衍生物的血氧计，它具有发射测量光线的唯一的测量光源(1)，样品室(5)，例如用于接受样品的测量皿，用于接收与样品相互作用后测量光线的光谱的检测装置(9、10)，和下游连接在检测装置上的评价装置，其根据检测装置接收的光谱确定血红蛋白衍生物和至少一种其它的被分析物，测量光源(1)根据本发明是多色光的LED，其发射至少位于光谱范围B中的测量光线用于检测血红蛋白衍生物，在光谱范围B中血红蛋白衍生物具有显著的吸收，并发射至少位于另外的光谱范围A的测量光线以用于检测至少一种其它的被分析物，在光谱范围A中至少一种其它的被分析物具有显著的吸收。

Description

血氧计
技术领域
本发明涉及一种血氧计，用于体外分光光度样品中，优选溶血血液样品中，测定血红蛋白衍生物和和至少一种其它的被分析物，该血氧计具有发射测量光线的唯一的测量光源，样品室，例如接受样品的测量皿，用于接收与样品相互作用后测量光线的光谱的检测装置，下游连接在光谱检测装置上的评价装置，其根据由检测装置接收的光谱测定血红蛋白衍生物和至少一种其它的被分析物。
背景技术
目前市场上存在的大多数血氧计提供白炽灯作为测量光源，HALLEMANN等在Point of Care(使用须知要点)第四卷，2005年3月第1号“TechnicalAspects of Bilirubin Determination in Whole Blood(在全血中测定胆红素的技术方面)”中描述了一种血气分析仪(OMNI血气分析仪)的血氧计模型，用血气分析仪除了光谱检测血红蛋白衍生物之外还光谱检测作为其它被分析物的胆红素。作为测量光源使用具有宽光谱范围的卤素灯。
由JP2004-108781已知一种分光光度计，其中从白光LED发射的光线在入射到样品之前已经通过两个衍射光栅被分成两个光谱组分，然后穿过投影裂隙入射到样品之中，以测定例如在样品中的被分析物。它既描述了具有透射几何学的变量，也描述了具有反射几何学的变量，在这里先后测量各波长的各透射光和反射光的强度，这种已知的分光光度计的不利之处在于，借助两个将测量光线分成光谱组分的衍射光栅检测光谱是耗费时间的。
由US2005/0154277A1已知一种微型化的“体内”分光光度计，其通过体内实际存在的血红蛋白衍生物的光谱分析可以获知体内的例如胃肠道出血。可以使用其它的LED作为光源。
此外，由US2005/0267346A1已知一种非侵入性的血氧计可供使用，其中将光线入射到指尖或者耳垂的供血良好的组织，这里基于吸收通过光线在血液中透射和反射的方法推断血液的组成(氧饱和度)。可以使用白光LED作为光源，然而光线在入射组织之前必须使用滤光片和衍射光栅以使只有确定的波长入射到组织中。
由US6,262,798B1已知一种在非溶血的血液中实施血氧测量的方法。由此种测量方法将众多的确定波长的单色光先后入射到样品，这里使用不同色光的LED的列阵或者传统的白光灯，通过单色仪从它们过滤出确定波长范围，该波长范围随后入射到样品之中。
Boalth等在Clinica Chimica Acta(临床实用化学)307(2001)225-233“Bloodgases and oximetry：calibration-free new dry-chemistry and opticaltechnology for near-patient testing(血气和血氧测定：无校准新干式-化学和接近-患者的检验的光学技术)”中描述了用于体外血氧测定的一种分光光度系统，其以白光LED作为光源工作。在这种情况下通过128通道线性CCD阵列检测470纳米-670纳米的波长范围，并在评价时考虑，从而测定血红蛋白衍生物。这个波长范围超过正常用于测定血红蛋白衍生物使用的波长范围，由此提供了一种相对于作为可能的干扰物质的胆红素校正血红蛋白衍生物的校准方法，胆红素与血红蛋白在部分范围内吸收重叠。该加宽了的波长范围仅仅用于待测定的血红蛋白衍生物的校正，并不用于测定作为其它被分析物的胆红素。
借助LED产生多色光已知所谓的发光转换LED，其具有一个或者多个发射波长，所述发射波长通过发光转换层如此改变：使得最终发射宽带多色光。这种光源例如在US2005/0127385A1中给予描述。在这种情况下，发射的多色光由初级发射波长的短波光谱范围和较长波长的光谱范围组成，所述短波光谱范围从作为初级发射极的LED芯片发射出，所述较长波长的光谱范围通过LED的初级发射激发作为次级发射极的染料层发射出。
此外，US6,809,347B2描述了一种白光LED，其由发射蓝光以及紫外线的LED和涂在其上的荧光层构成，该荧光层部分地吸收由LED模拟的蓝光和紫外线，然后发射长波光谱范围的光线，以此通过叠加形成白光，该白光的光谱组成可通过荧光层的修饰确定。
最后，EP1473771A1描述了白光LED的一种替换结构形式，其由多个不同发射波长的至少部分透明的LED-层构成，所述LED层叠置，以使各发射波长的范围在发射方向上迭加并且在总体上发射白光。
发明内容
本发明的任务在于这样进一步开发用于体外分光光度测定优选医学用品中的血红蛋白衍生物的血氧计：使之形成紧凑测量模块，藉此可以快速地检测测量光谱，其中除了检测血红蛋白衍生物之外还应该检测其它的被分析物。此外，还应该保证充分的稳定型(微小的漂移)和光源的长使用寿命。该血氧计应该具有更高程度的用户友好性、由于光源更长待机时间引起的更少维修花费，以及测量结果的高精度。
根据本发明，这一任务是这样完成的，测量光源是多色光LED，其发射一种至少位于光谱范围B中的测量光线以检测血红蛋白衍生物，在光谱范围B中血红蛋白衍生物具有显著的吸收，并发射另一种至少位于另外的光谱范围A中的测量光线以检测至少一种的其它的被分析物，在光谱范围A中至少一种的其它的被分析物具有显著的吸收。测量光线必须以这样的显著程度被吸收：以使例如对多组分的分析方法存在足以区分的血红蛋白衍生物吸收值和其它被分析物的吸收值。这种合适的光谱范围例如对于测定血红蛋白衍生物为520-670纳米的光谱范围，对于测定胆红素为450-500纳米的光谱范围。
术语多色光的LED例如基本上意指白光LED，例如根据前文引用的US2005/0127385A1、US6809347B2或EP1473771A1所述，它的发射波长范围和强度分布与待测定血红蛋白衍生物的吸收特性适配，并且视需要予以扩大以测定另外的被分析物。
根据本发明的第一个变型方案，测量光源可以是发光转换LED，其包含至少一个初级发射极和至少一个次级发射极，初级发射极发射的测量光线在光谱范围A内，次级发射极发射的测量光线在光谱范围B内。
在一个特别优选的解决方案中，在发光转换-LED的基础上，通过所用的荧光体的种类、数目和用量以及通过激发波长(初级发射极的种类和数目)的合适选择调节光谱分布(不依赖于波长的光强度)，并且与样品的待测被分析物最佳匹配。相对于传统的光源，这种测量光源的构造形式有另外的优点，即发射的光横贯为测量而使用的测量光源的出射面上和横贯为测量而使用的测量光源的出射角区域具有基本均匀的光谱。这样的发光特性对于降低血氧计测量系统光学部件定位方面的容忍敏感度特别重要。与传统的卤素灯的相比，LED光线出射面的大小特别有利，其使校准血氧计光学系统可的尽可能容许误差的校准成为可能。
根据本发明的第二个变型方案，测量光源含有不同发光光谱的多个发光层，这里至少一个发光层发射在光谱范围A内的测量光线，至少一个另外的发光层发射在光谱范围B内的测量光线，其中在测量光源内的发光层这样互相设置：使测量光线横贯为测量而使用的测量光源的出射面上或横贯为测量而使用的测量光源的出射角区域具有基本均匀的光谱。
按照这种实施方式也可以使用单一发光层或者单一发射极(SMD或者传统的LED)以产生测量光线，只要它们在空间上足够紧密相邻地排列，使得为测量而使用的测量光线横贯测量光源的出射面上就具有基本均匀的光谱。光谱分布可以通过单一发光层的种类、数目以及工作参数调节。术语空间上足够紧密相邻地意指当测量光源穿过样品入射到检测单元时，光学组件的定位相对于几何学的容差是不敏感的。即使相关光学组件偏离理想位置(例如光学组件沿着光轴应处的位置)时，被检测光的强度和光谱随之的变化仅仅无关紧要的。它的有利效果是产生了对失调显著更具稳健性和较少失效的光学系统。
因此，根据本发明的解决方案在于将多色光LED用于分光光度测定所有血红蛋白衍生物和至少一种其它物质。其中，这些其它的物质具有在血红蛋白衍生物的吸收光谱范围之外的光吸收，这可以用来进行分光光度测定。
这种被分析物的一个例子是胆红素，其例如可以根据它在450-500纳米的波长范围(相当于测量光线的光谱范围A)的吸收测定。
一个用于测定血红蛋白衍生物的适当的光谱范围特别是520-670纳米的波长范围(相当于测量光线的光谱范围B)。
按照一个变型方案，测量光源包含具有不同发光光谱的多个发光层，这些层至少部分透明并且以上下堆叠形式排列，使得通过各发光层的发射光线在发射方向上的叠加形成总光线，该总光线横贯测量光源的出射面上具有基本均匀的光谱分布。
按照另一个变型方案，测量光源可以包含具有不同发射光谱的多个发光区域或者单个发射极，其这样近的间距彼此排列以使各发光区域或者单个发射极的发射光线在发射方向迭加上形成总光线，该总光线横贯测量光源的出射面上具有基本均匀的光谱分布。
这样的测量光源的发光光谱是加合光谱，并由各自发光层的各发光光谱相加组成，这里依据各发光层的定位和/或在测量光源内存在的光削弱层在从测量光源发出之前还可以对各发光层的各发光光谱进行改变。
从测量光源发射的光应该横贯为测量而使用的测量光源的出射面上或横贯为测量而使用的测量光源的出射角区域具有基本均匀的光谱。术语为测量而使用的测量光源的出射面或为测量而使用的测量光源的出射角区域特别理解为测量光源的出射面区域，其光线通过血氧计的光学系统入射到样品中，最后在检测装置上成像。发射的测量光线在该区域特别应该具有尽可能均匀的光谱组成。在面上均匀的光谱组成在此理解为光在该面积内的所有位置发射，所述光不依赖于精确的发射位点始终具有相同的光谱组成(相同的发射波长范围和每次发射光线的相同强度)。
从测量光源发射的光入射到装载有待测样品的样品室中。在那里入射光线与样品中含有的物质以某一方式相互发生作用，依据所含物质的种类和浓度(特别是待分析的物质)，从测量光源发射的光的光谱组成发生了变化。这主要是发生了在特定的波长范围对测量光源发射的光的物质特异性吸收。借助相应的检测装置实现通过与样品相互作用而变化了的测量光线的光谱检测。这既可以借助反射光学的装置也可以借助根据透射光学的装置实现。在这两种装置中有利的是，通过检测装置(可能与下游连接的评价装置相结合)在测量步骤中接收通过与样品相互作用而发生特异性变化的测量光源的光线的光谱，通过该评价，既可以测定各血红蛋白衍生物又可以测定至少一种其它的被分析物。借助检测器列阵优选地实现该光谱的同时接收。然而，顺序地实现光谱的接收的实施方案也是可行的。在两种实施方案中，检测结果是唯一的可用于评价的光谱。
由检测装置接收的光谱由下游连接的评价装置以某一方式评价，由此可以测定血红蛋白衍生物和至少一种其它的被分析物。本领域技术人员对此已知诸如多组分方法等不同的方法。
有利的是还可以另行通过光散射的扩散层对于对测量光源的几何学的发光特征进行改变，以使得发射出的测量光线均匀化。这样的扩散元件既可以在测量光源之内作为其整合组件也可以在测量光源之外作为分离的光学元件设置在光学路径之中。
根据本发明的测量光源的布置，在优化考虑到的被分析物吸收总光谱范围上的信/噪-比方面，以及在优化检测单元中依赖于波长的杂散光方面，通过有目的地选择初级发射极和次级发射极的种类、数目和用量，为测量光线的光谱匹配提供了有利的前提。
此外，为了测量光线从测量光源到样品室和/或从样品室到检测装置的传导和转向，血氧计可以具有其它的光学组件，如滤光片、光导体、透镜、分光器、散射元件等等。
特别地设想：检测装置由多色仪和与其下游连接的多通道检测单元组成，所述多通道检测单元例如是同时检测所有测量波长的检测器列阵。与顺序的测量相比，例如前文引用的JP2004-108781，由此产生巨大的优势，这里非常突出的显著更短的测量时间和避免构件(衍射光栅等)的机械运动。
此外，可以使用滤光片或者别的光学吸收媒介以实施测量光源与样品室之间和/或样品室与检测装置之间的光谱的进一步光谱匹配。例如由此可以避免在检测单元中的杂散光和最小化在样品中产生的热量和/或至少部分滤掉从测量光源发射的对血氧计的光学系统分析不那么重要的波长范围的光线。这样的元件既可以作为测量光源的整合组件，也可以分开的作为下游连接到光源的光学构件。
特别是当光线在这个中间区域所含的与分析相关信息很少的时候，通过较小强度的区域将应用于测定血红蛋白衍生物和至少一种其它被分析物的测量光线的光谱范围分开是有利的。
血氧计在本申请的范畴内一般地理解为分光光度计，用它可以根据下述物质的不同的吸收特性测定不同的血红蛋白衍生物，特别是氧合血红蛋白(O2Hb)、去氧血红蛋白(HHb)、碳氧血红蛋白(COHb)、正铁血红蛋白(MetHb)。
相对于传统的白炽灯，根据本发明的多色LED具有的优点一览：
-更好的稳定性(更小的漂移)；
-更小的构造形式；
-更少的余热；
-无红外线强度(因此无需红外线滤光片)；
-可能的使用寿命在100,000小时范围(典型的卤素灯5,000小时)
-相对于白炽灯，更高的效率
-提高的光输出率
-由于长时间的使用寿命而具有的长时间工作可能性
-可通过电流在大范围调节强度
-光源无需机械调节
-通过温度芯片(Chiptemperatur)控制强度(温度传感器或者非接触红外传感器)
-通过工作电流和光线出射角匹配光谱的可能性
-使得专用光谱称为可能。
相对于使用传统的LED(或激光二极管)，本发明的多色光LED的优点一览：
-像白炽灯一样，可以被认为是横跨总的出射面具有均匀光谱分布的光源。以此可以使成像光学简单易行，成本低廉；
-低的误差敏感性；
-可行的更好的匹配光谱的可能性；
-更严密、更简单的温度管理；
-可以与血红蛋白参数一起同时检测其它的被分析物，例如胆红素。
根据本发明的血氧计尤其适用于含有血液成分的医学样品，视需要适用于其它的被分析物，例如胆红素。这些医学样品尤其是血液样品，特别是已溶血的全血。
根据本发明的测量光源构造的变型方案还可以任意地互相组合。这样例如单一发光层的发光光谱可以是单独地被覆盖，或者和合适的发光层的发光光谱一起被覆盖，这可以将单一发光层的初级发光光谱延伸到长波范围。此外，也可以添加另外的发光层例如发光转换-LED或者也可以添加单一发射极，以拓宽发光光谱范围从而可以例如测定其它的被分析物。
附图说明
下面本发明借助附图和图表作详细说明。其中
图1以示意性图解形式示出了根据本发明的血氧计，
图2示出了O2Hb、HHb、COHb和MetHb以及胆红素的不依赖于以纳米为单位的波长的消光系数。
图3-图6示出了不同的多色LED的发光光谱。
具体实施方式
图1以示意性图解形式显示根据本发明的血氧计的示例性构造。在该血氧计中，作为测量光源的多色LED1与另外的光源2经分光器(Strahlteiler)3和透镜系统4直接与样品室5相连，所述样品室5例如是装有待分析的血液样品的测量皿。在这个例子中，另外的光源2是用于血氧计的波长校准的。
将450-670纳米的宽带光谱范围的测量光线入射到样品室5的多色LED1借助Peltier元件和NTC-温感器进行热的恒温调节。多色LED还通过具有光二极管6的控制电路进行光强度的调节。光学系统是这样布置的：由于测量光源的大的出射面以及贯穿该出射面上基本均匀的发射光谱不再强制性需要调试多色LED1相对于光轴的位置。可以在测量光源1或分光器3与样品室5之间任选使用滤光片7，从而在选择的光谱范围内匹配测量光线。通过光导体8与测量皿5连接的检测装置由多色仪9(例如光栅分光光度计)和下游连接的多通道检测单元10组成，所述多通道检测单元10是例如同时检测所有测量波长的检测器列阵。在图1中未明确示出的是后接到检测装置的评价装置，其根据检测装置接收的光谱测定血红蛋白衍生物和至少一种其它的被分析物。
对测量光源1的光谱要求由分光光度计的使用以及在待检测被分析物(血红蛋白衍生物和至少一种其它被分析物)的使用中导出。血红蛋白衍生物和作为示例性的其它被分析物的胆红素的检测以图2描绘的消光系数为基础。因此，在该波长范围内具有相应的强度值的测量光源1对于被分析物的分光光度测定是必需的。应用的测量光源1在光谱方面应该具有相应的下列特征：
-在长波范围的下降侧面(Abfallend Flanke)以减少检测器的干扰性杂散光
-血红蛋白衍生物的吸收的最大值光谱范围B(520-670纳米)内的强度最大值
-用于检测胆红素的短波光谱范围A(450-500纳米)内的强度最大值或对于测量足够(显著)的强度
-在两个光谱范围A和光谱范围B之间的强度降低
实施例：
下面所述的实施例基于根据图1的血氧计。为此使用具有1.5纳米波长分辨率和具有512像素的像素数的线传感器(Zeilensensor)10的光栅分光光度计9。测量皿5形成宽1毫米、层厚100微米的液体沟槽。多色LED1的光谱测量在周围充满空气的测量皿上实施。LED的测量光线被结合到测量皿5中，接着经透镜7(放大因子大约1.6)被结合到光导体8中。光导体8被构造为纤维束，以可产生在测量皿5与分光光度计之间的光导体的低曲率半径。有源光导体直径在光线入射处为大约0.7毫米。各纤维在光线出射处构造为线型纤维(Faserzeile)，并且以此形成分光光度计的入射裂隙。使用光二极管6调节LED1的光强度。在这个实施例中，LED1借助分光器3与另一个测量光源2(氖白炽灯)组合在一起，使这两种不同种类的照明(测量光线和校准光线)之间可以变换。正如已经提到的，结构上可以任选加入滤光元件7以用于进一步光谱匹配测量光源1。
实施例1：
在上述测量结构的基础上已经使用Firma Seoul semiconductor(首尔半导体公司)的市售白光LED(型号：N32180，400毫安，3.5伏)。宽带的光谱(请见图3)在测量技术上允许检测血红蛋白衍生物和胆红素。激发强度与发光强度的比值，以及超过600nm处的光强度衰减相应地适用于该用途。
实施例2：
在此实施例中，使用了Luxeon公司的白光LED(型号：LXHL，1瓦)(请见按照图4中的光谱)。该LED同样在测量技术上允许检测血红蛋白衍生物和胆红素，然而需要另外使用长波光谱范围的滤光片用于减少分光光度计中的杂散光。在图4中描述了未经滤光的光谱和使用滤光片(Schott BG38，2毫米)的光谱。因此，该光源与此类的滤光片的特殊组合相应地适合于该用途。
实施例3：
作为优选的变型方案，使用具有两种荧光体(Phosphor)和色温度为4000°K的多色LED。通过主导波长为460-462.5纳米的LED芯片与两种发光体(Luminophor)组合(荧光体1：绿色，CIE坐标：x＝0.195±0.004，y＝0.651±0.004，荧光体2：橙色，CIE坐标：x＝0.450±0.002，y＝0.537±0.002)实现需要的光谱。该LED的工作电流设计设置为350毫安。在本实施例中工作电流为100毫安。所得光谱和被分析物的消光系数一起显示在图5中。该光源满足对测量光源(1)提出的所有要求。这里不需要借助滤光片另外匹配光谱。
图6显示这样一种例如借助两种发光体(510纳米和590纳米)作为次级发射极和在460纳米发射的初级发射极的发光转换-LED的获得光谱。这里，发射蓝光或者紫外线的LED芯片与发光染料结合。该染料被包含在糊状物中，该糊状物被施加到LED芯片上。短波的和因而富能量的蓝光激发一种或多种染料发光。由此激发出长波的、低能量的光。因为并不是全部蓝光被转换，所以所得的光谱颜色加色混合(参见根据平滑线的获得光谱)产生具有第一窄带光谱最大值在大约460纳米的光谱范围A和具有第二宽带光谱最大值在510-590纳米的光谱范围B的多色光。这两个光谱范围通过大约在485纳米的光谱最小值分开。这样特别有利的是，通过初级发射极发射的窄带光线，根据胆红素在大约460纳米的吸收最大值存在用于测定胆红素的短波长的测量波长范围，通过次级发射极发射的宽带光线存在较宽的波长较长的范围，所有待测定的血红蛋白衍生物在该范围具有显著的吸收和吸收最大值。
根据本发明，通过选择初级发射极(LED芯片，其在光谱范围A内发光)和通过选择和组合不同的荧光体(次级发射极，其在光谱范围B内发光)，可以将这种多色光的发光转换-LED的光谱特定地调节到另外的待检测的被分析物。

Claims (10)

1.用于在体外分光光度测定样品中血红蛋白衍生物和至少一种其它的被分析物的血氧计，它具有发射测量光线的唯一的测量光源(1)，样品室(5)，用于接收与样品相互作用后测量光线的光谱的检测装置(9、10)，和连接在光谱检测装置后的评价装置，其根据用检测装置接收的光谱确定血红蛋白衍生物和至少一种的其它的被分析物，其特征在于，测量光源(1)是多色光的LED，其发射至少位于光谱范围B中的测量光线以测定血红蛋白衍生物，在光谱范围B中血红蛋白衍生物具有显著的吸收，并发射至少位于另外的光谱范围A中的测量光线以检测至少一种其它的被分析物，在光谱范围A中所述至少一种其它的被分析物具有显著的吸收。
2.如权利要求1的血氧计，其特征在于，测量光源(1)是发光转换LED，其包含至少一个初级发射极和至少一个次级发射极，其中初级发射极发射的测量光线在光谱范围A内，次级发射极发射的测量光线在光谱范围B内。
3.如权利要求1的血氧计，其特征在于，测量光源(1)包含具有不同发光光谱的多个发光层，其中至少一个发光层发射在光谱范围A内的测量光线，至少一个另外的发光层发射在光谱范围B内的测量光线，其中在测量光源(1)内的发光层这样互相排列：使测量光线横贯为测量而使用的测量光源(1)的出射面上或横贯为测量而使用的测量光源(1)的出射角区域具有基本均匀的光谱。
4.如权利要求3的血氧计，其特征在于，测量光源(1)包含具有不同发光光谱的多个发光层，这些层至少部分透明并且以堆叠形式上下设置。
5.如前述权利要求中的任一项的血氧计，其特征在于，所述其它的被分析物是胆红素，测量光线的光谱范围A为450-500纳米。
6.如前述权利要求中的任一项的血氧计，其特征在于，测量光线的光谱范围B为520-670纳米。
7.如前述权利要求中的任一项的血氧计，其特征在于，测量光线的光谱范围A和光谱范围B通过较小强度的范围分开。
8.如前述权利要求中的任一项的血氧计，其特征在于，为了测量光线从测量光源(1)到样品室(5)和/或者从样品室(5)到检测装置(9、10)的传导，存在有其它的光学组件(3、4、7、8)。
9.如前述权利要求中的任一项的血氧计，其特征在于，在测量光源(1)与样品室(5)之间和/或样品室(5)与检测装置(9、10)之间存在滤光元件(7)，以用于测量光线的进一步光谱匹配。
10.如前述权利要求中的任一项的血氧计，其特征在于，检测装置由多色仪(9)和下游连接的多通道-检测单元(10)组成，所述多通道-检测单元(10)例如是同时检测所有测量波长的检测器列阵。
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