CN102811663A - 监测患者生命参数时的干扰减小 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过利用至少一个光源（1、2）将光发射到患者的组织上，并且收集透过组织和/或从组织反射的光，来监测患者的生命参数的方法和设备。根据具有多个复用通道的预定义的复用方案，复用所发射的光，并且根据预定义的复用方案，检测所收集的光，导致多个检测通道（16、17、18、19）。将至少一个复用通道布置为暗复用通道，针对该暗复用通道，至少一个光源（1、2）不发射光，导致暗检测通道（19）；并且使用该暗检测通道（19）的信号产生参考信号，该参考信号用于减小至少一个其它检测通道（16、17、18）的信号中的干扰。以该方式，提供了以高信号干扰比监测患者生命参数的通用和可靠的可能性。

Description

监测患者生命参数时的干扰减小

技术领域

本发明涉及光衰减测量的领域，并且尤其涉及通过测量被发射到患者的组织上的光的衰减来监测患者生命参数的方法和设备。

背景技术

对当经由特定介质传播或从特定介质反射时光的吸收和/或散射的测量形成了许多光学光谱法的基础，这些光学光谱法被广泛应用于诸如患者监测之类的各种医学领域。一个例示性的示例是传输脉搏血氧测定法。

脉搏血氧测定法是一种用于无创监测患者的动脉氧饱和度的光学方法，并且已经变成临床实践中最常用的技术之一。在红血球中血红蛋白（Hb）结合氧以用于通过身体传输，并且具有当被充氧后颜色从暗红变为鲜红的属性。通过发射和检测两种或多种波长的光，脉搏血氧计确定周围血管床中的光吸收以达成对氧饱和度的间接估计，即氧合血红蛋白（HbO2）的浓度分数。脉搏血氧计依赖于由心脏收缩和舒张引起的动脉血容量的变化，来确定仅由脉动的动脉血吸收的光的量，从而很大程度上不将组织和静脉血的贡献作为因素计入。

在包括血氧测定法的许多应用中，需要不同波长（即不同颜色）的光路的同步或准同步衰减测量。为了达到该目的，典型地使用通常与单个光电检测器结合使用的多个光源。一般而言，为了在光电检测器处能够区分来自每个发射器的信号，通常使用电子复用方法，例如时分复用（TDM）、频分复用（FDM）或码分复用（CDM）。

在医学实践中，应用在例如患者监测中的光衰减测量遭受电磁干扰。典型地，这样的干扰包括各种光学波长处的并且具有不同调制频率的环境光。常见的示例包括通常不被调制的自然光以及来自白炽灯和来自荧光灯的人造光，该来自白炽灯的人造光被调制在双市电频率（100Hz或120Hz）和50Hz或60Hz谐波，该荧光灯具有取决于特定电子镇流器的从数十到数百千赫的闪烁率范围。

通常，在光谱测定设备中，采取措施减轻外部干扰对测量的影响。例如在脉搏血氧计中，对光源进行调制使得在光电检测器处能够通过滤波或解调从环境光中区分出所发射的光。不管应用什么调制技术，常规方法依赖于环境光的光谱调制知识，并且假设所使用的光源调制频率或频带能够在设备寿命期间保持固定。

然而，如果环境光调制光谱是仅部分已知或不是先验已知的，例如当光谱测定设备工作在光通信系统附近的情况下，那么干扰可能出现在处于设备工作频率的被检测光的调制光谱中。类似地，高强度放电（HID）灯的新工作方案可能导致具有宽频率范围的干扰信号。如果干扰污染了工作频带，则信号干扰比（SIR）可能大程度地降低，由此降低测量质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过测量发射到患者的组织上的光的衰减来监测患者的生命参数的方法，以及相应的设备，该方法和该设备以通用和可靠的方式来允许高信号干扰比。

由独立权利要求的主题来实现该目的。在从属权利要求中描述了优选实施例。

这意味着根据本发明，提供了一种通过利用至少一个光源将光发射到患者的组织上，并且收集穿过该组织传输和/或从该组织反射的光来监测患者的生命参数的方法，该方法包括下列步骤：

根据预定义的复用方案，复用所发射的光，该预定义的复用方案具有多个复用通道；

根据该预定义的复用方案，检测所收集的光，导致多个检测通道；

将至少一个复用通道布置为暗复用通道，对于该暗复用通道，该至少一个光源不发射光，导致暗检测通道；并且

使用暗检测通道的信号来产生参考信号，该参考信号用于减小至少一个其它检测通道中的信号中的干扰。应该强调的是，词语“患者”不仅指的是生病的人，还指的是所有人类和动物，不论健康与否。

根据本发明，收集穿过身体组织传输和/或从身体组织反射的光，这对于衰减测量以便监测患者的生命参数是必要的。然而，当收集这一光时，无法完全避免也收集到至少一些环境光。所收集的环境光线能够引起干扰。

因此，本发明的理念是调整由暗检测通道（即至少暂时不用于光谱测定目的的检测通道）提供的信号，以减小由环境光线或影响检测信号的其它源头引起的干扰。

根据本发明的实施例，该方法被用于脉搏血氧测定。然而，本发明不仅应用于脉搏血氧测定，也可以被用于监测患者生命参数的其它光谱方法，其中可以指定暗通道，并且出现在暗通道输出中的干扰组分在某种程度上与其它输出中的干扰组分有关。因此，暗通道输出可以被用作减小另一通道中的干扰组分的参考。

通常，暗检测通道的信号可以被直接用作参考信号。然而，根据本发明的实施例，为了产生参考信号，暗检测通道的信号被自适应滤波，并且优选地从至少一个其它检测通道中的信号中减去该参考信号。

对于自适应滤波，通常可以使用各种各样的不同方法。然而，根据本发明的实施例，使用最小均方（LMS）算法来产生参考信号。LMS算法及其衍生物对于本领域技术人员来说是公知的。

根据本发明的实施例，LMS算法根据下式来更新N抽头权向量w=[w₀w₁...w_N-1]^t：

w(k+1)=w(k)+2μ_x(k)d(k)

其中μ表示自适应常数，x(k)=[x(k)x₄(k-1)...x(k-N+1)]^t是取自暗检测通道的参考信号向量，并且d(k)=x(k)-w ^t(k)x(k)是通道/检测器信号与滤波后的参考之间的差。减法的输出是d(k)，给出了针对该光源的消光测量的结果，但从中去除了干扰。自适应常数确定了该算法的收敛速度和最终失调量（final misadjustment），并且自适应常数可以被动态设置以确定该算法的属性。通过这一操作，可以显著减小输出信号中的干扰。

在不具有任意预处理的情况下可以处理检测通道的信号。然而，根据本发明的实施例，各个检测通道的信号被低通滤波。以该方式，能够实现减小带外信号。

遵循各种策略来操作参考减小构造。根据一种策略，连续指定一个暗通道并且连续激活干扰减小。根据本发明的实施例，基于暗检测通道信号和/或参考信号来估计干扰水平，并且仅当干扰水平超过预定义的阈值时，将暗检测通道的信号用于产生参考信号，该参考信号用于减小至少一个其它检测通道的干扰。

根据本发明的优选实施例，提供多个光源用于发射不同波长的光。另外，根据本发明的优选实施例，分别地将多个（优选所有的）复用通道连续地布置为暗通道，对于该暗通道，至少一个光源不发射光，导致了交替地改变的暗检测通道。在包括发射不同波长的光的多个光源和对应的多个检测通道的系统中，该光源中的一个可以被周期性地关闭，从而周期性地建立暗通道。因此，可以通过关闭相应的光源使任何通道变成暗通道。如果在通道之中循环暗通道，则在减小干扰的同时仍然能够获得所有波长的光谱测定信息。另外，可以扩展该构造以获得多个参考输入。

一种用于监测患者的生命参数的设备进一步致力于上述目的，该设备包括：

至少一个光源，其用于将光发射到患者的组织上；

至少一个光检测器，其用于收集穿过该组织传输和/或从该组织反射的光；

复用器，其被配置为根据具有多个复用通道的预定义的复用方案，复用所发射的光，其中该复用通道中的至少一个是暗复用通道，对于该暗复用通道，该至少一个光源不发射光；

多个检测通道，其被连接到该至少一个光检测器并且被配置为根据该预定义的复用方案来检测所收集的光，其中，与该至少一个暗复用通道有关的至少一个该检测通道是暗检测通道；以及

参考信号发生器，其被配置为使用该暗检测通道的信号作为参考信号，该参考信号用于减小至少一个其它检测通道的信号中的干扰。

根据本发明的优选实施例，该设备被配置为发射具有至少两种不同波长的光，例如通过包括两种不同光源的方式。另外，尤其优选的是，该设备包括脉搏血氧计。

可以以不同的方式来设计参考信号发生器。根据本发明的实施例，参考信号发生器包括自适应滤波器，该自适应滤波器被配置为自适应滤波暗通道的信号以产生参考信号。另外，根据本发明的实施例，提供减法器，该减法器被配置为从该至少一个其它检测通道中减去该参考信号。

此外，根据本发明的优选实施例，该设备包括低通滤波器，该低通滤波器被配置为滤波各自检测通道的信号。以该方式，可以减小带外信号，并且因此，在一定程度上将该带外信号排除以不进一步处理。优选的是，该设备包括分别发射不同波长的光的多个光源。而且，优选的是，提供用于所有检测通道的公共光检测器。

根据本发明的优选实施例，自适应滤波器被配置为基于最小均方算法来提供参考信号。已经显示这对于本发明的很多应用是有利的，因为最小均方算法尤其有助于显著减小来自光检测器的信号中的干扰，而不减少关于监测患者生命参数的信息内容。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得清楚并且被阐明。

在附图中：

图1示出了传输脉搏血氧测定的典型设置；

图2示出了根据本发明实施例的传输脉搏血氧测定的广义框图；

图3示出了具有周期性方波参考信号的解调器；

图4示出了用于监测患者生命参数的四通道设备的框图；

图5示出了原始信号与被去除干扰的信号的比较；以及

图6示出了原始信号与被去除干扰的信号的进一步比较。

具体实施方式

图1示出了传输脉搏血氧测定的典型设置：红光源1和红外（IR）光源2被分别用于将660nm的红光和940nm的红外光照射到患者的组织上，即手指3上。然后，利用常见的光检测器4收集该光中穿过手指3传输的部分。

图2描绘了传输脉搏血氧计的大体框图。该系统包括处理单元5，处理单元5调节光调制器6的参数，光调制器6用作复用器和脉冲控制器并且对光源1、2进行调制。光调制器6的配置取决于所应用的特定复用方案，例如在TDM的情况下光源1、2被交替激活，而对于FDM，光源1、2同时发射光，但调制频率不同。应用这样的复用方案的原因在于，以这一方式能够使用单个光检测器4来估计来自光源1、2二者的光的衰减。

光检测器4检测已经传播穿过手指3的光，并将其转换成电信号。然后由信号调节模块8预处理该信号，信号调节模块8包括模拟放大器和带通滤波器，该模拟放大器和带通滤波器使该信号适合被模数转换器（ADC）9转换到数字域。相关器10中的每一个包括解调器11和解复用器12，该相关器10被用于同时对所检测的光进行解调和解复用，并且结果被呈现给处理单元5，处理单元5通过评估所发射的信号和所解调的信号来确定感兴趣的参数。

图3示出了具有周期性方波参考信号的解调器11。在此，通过将接收的信号与相同基频（fm=1/Tm）的本地参考相乘，关于光衰减的信息变得出现在基带中。随后，通过将信号传递穿过低通滤波器13来仅保留基带信号，由此无视带外干扰。

图3描绘了一般的操作方案；可以针对所应用的特定调制方案，来优化功能的准确实施。应该注意的是，图3中的方波仅是例示性的，因为只要基频和/或谐波一致，任何周期性信号都能够被用于调制该光源和解调所接收的信号。

图4示出了根据本发明实施例用于监测患者的生命参数的四通道设备的框图。图4示出了一个示例，其中四个检测通道16、17、18、19是可用的，但只有三个检测通道16、17、18是用于光谱测量，并且第四个检测通道19被用作用于干扰减小的参考。在被指定给第四检测通道19的时隙期间，没有光源是有效的。

为了解调不同的检测通道16、17、18、19，在偏移设备20中将基频偏移90°。暗检测通道19的输出供给到自适应滤波器14，以提供参考信号，使得当从其它检测通道16、17、18之一的信号中减去该参考信号时，这些信号的干扰被减小。

在该实施例中，自适应滤波器14是基于最小均方算法，但是根据本发明的方法绝不限于这种适应。

在减法器15中，从来自检测通道16、17、18的信号中减去该参考信号。低通滤波器13的使用是可选特征。应该注意的是，也可以利用直接在解调器11之后的信号来供给减法器15。

遵循各种策略来操作减法器15。根据一种策略，连续指定一个暗检测通道，并且减法器15被连续地激活，或者当在暗通道输出中检测到一定的干扰水平时，减法器15变得有效。可替代地，光源1、2中的一个被周期性地关闭，从而周期性地建立暗通道，并且只有当显著的干扰出现在该暗通道中时，输出才被用作自适应滤波器14的输入。当然，通过关闭相应的光源，任何通道都能够变成暗通道。如果在这些通道之中切换暗通道，则当在减小干扰的同时，仍然能够获得对应所有波长的光谱测定信息。另外，可以扩展该构造以获得多个参考输入。

图5示出了从脉搏血氧计前端获得的示例性测量结果。在此，大的100Hz干扰脉冲图形被有意地施加到该仪器。该干扰的一些谐波与用作解调参考的275Hz脉冲波的谐波一致，并且作为结果，通道输出包含源自100Hz谐波的干扰。在图5中，原始通道输出中的一个被描绘为细线。指定了一个暗通道，并且其输出作为用于具有64抽头权向量的LMS算法的参考，并且减小的结果被示为粗线。在其初始收敛行为之后，该算法能够将通道中的干扰组分抑制20dB，从而其接近背景噪声水平。应该注意的是，在该情况下由于施加到通道输出的高通滤波器，信号是无直流（DC free）的。

图6示出了与图5中的条件相同的条件下的测量结果，但与图5所示的情况相反，此时脉搏血氧计的探头被附着到人的手指。由血容量脉搏引发的脉动波形被清晰地呈现在根据本创新方法所处理的输出（粗线）中，而在原始的输出（细线）中，信号被干扰所淹没。在时间点80s附近，干扰不再出现，并且本创新设备停止工作，然后两个信号相等。

尽管已经在附图和前述描述中详细例示和描述了本发明，但是这样的例示和描述应当被视为例示性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解并且做出所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除多个或多种。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并非表示不能使用这些措施的组合来获利。权利要求中的任何附图标记不应该被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种通过利用至少一个光源（1、2）将光发射到患者的组织上并且收集透过所述组织和/或从所述组织反射的光来监测所述患者的生命参数的方法，所述方法包括下列步骤：

根据具有多个复用通道的预定义的复用方案，复用所发射的光；

根据所述预定义的复用方案，检测所收集的光，从而得到多个检测通道（16、17、18、19）；

将所述复用通道中的至少一个布置为暗复用通道，针对所述暗复用通道，所述至少一个光源不发射光，从而得到暗检测通道（19）；以及

使用所述暗检测通道（19）的信号来产生参考信号，所述参考信号用于减小所述其它检测通道（16、17、18）中的至少一个检测通道的信号中的干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：

自适应地对所述暗检测通道（19）的所述信号进行滤波以用于产生所述参考信号，以及

从所述其它检测通道（16、17、18）中的所述至少一个的所述信号中减去所述参考信号。

3.根据权利要求2所述的方法，包括使用最小均方算法以用于产生所述参考信号的步骤。

4.根据权利要求1或2中的任意一项所述的方法，包括对各个检测通道（16、17、18、19）的信号进行低通滤波以便减少带外信号的步骤。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，包括下列步骤：

基于所述暗检测通道信号和/或所述参考信号来估计干扰水平；以及

仅当所述干扰水平超过预定义的阈值时，使用所述暗检测通道（19）的所述信号来用于产生所述参考信号，所述参考信号用于减小所述其它检测通道（16、17、18）中的所述至少一个检测通道中的干扰。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的方法，包括提供分别用于发射不同波长的光的多个光源（1、2）的步骤。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的方法，包括提供用于所有检测通道（16、17、18、19）的公共光检测器（4）的步骤。

8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的方法，包括下列步骤：

分别将多个所述复用通道，优选所有的所述复用通道交替地布置为所述暗复用通道，针对所述暗复用通道，所述至少一个光源（1、2）不发射光，从而得到了交替地改变的暗检测通道（16、17、18、19）。

9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的方法，包括下列步骤：

基于至少两个检测通道（16、17、18）的所述信号，通过脉搏血氧计来估计所述患者的动脉氧饱和度，对于所述至少两个检测通道（16、17、18）的所述信号，所述暗检测通道（19）的所述信号已经被用作参考信号来减少干扰。

10.一种用于监测患者的生命参数的设备，包括：

至少一个光源（1、2），其用于将光发射到所述患者的组织上；

至少一个光检测器（4），其用于收集透过所述组织和/或从所述组织反射的光；

复用器，其被配置为根据具有多个复用通道的预定义的复用方案来复用所发射的光，其中，所述复用通道中的至少一个是暗复用通道，对于所述暗复用通道，所述至少一个光源（1、2）不发射光；

多个检测通道（16、17、18、19），其被连接到所述至少一个光检测器（4）并且被配置为根据所述预定义的复用方案来检测所收集的光，其中，所述检测通道（16、17、18、19）中与所述至少一个暗复用通道相关的至少一个检测通道是暗检测通道（19）；以及

参考信号发生器，其被配置为使用所述暗检测通道的信号作为参考信号，所述参考信号用于减小所述其它检测通道中的至少一个检测通道的信号中的干扰。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述参考信号发生器包括：

自适应滤波器（14），其被配置为自适应地对所述暗检测通道（19）的所述信号进行滤波以产生所述参考信号，以及

减法器（15），其被配置为从所述其它检测通道（16、17、18）的所述信号中的至少一个中减去所述参考信号。

12.根据权利要求10或11中的任意一项所述的设备，其中，设置了低通滤波器（13），所述低通滤波器（13）被配置为对各个检测通道（16、17、18、19）的所述信号进行滤波以便减少带外信号。

13.根据权利要求10至12中的任意一项所述的设备，其中，设置了分别用于发射不同波长的光的多个光源（1、2）。

14.根据权利要求10至13中的任意一项所述的设备，其中，提供用于所有检测通道的公共光检测器（4）。

15.根据权利要求10至14中的任意一项所述的设备，其中，所述设备包括脉搏血氧计。

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