CN103249362A - 用于血液参数的光学测量的系统、方法和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

光学测量血液参数的系统，包括光源和向血液发射光的发射器、获取出射光的光出射器、将出射光分解成其光谱分量的光谱仪和比较出射光形态上不同部分与已知形态的数据库的处理器。每一种已知形态对应于至少一个参数如分析物的测量值。有利地，确定的形态可特定地对应于两个或更多个血液参数，如O₂Hb和tHb，允许同时确定两个参数。

Description

用于血液参数的光学测量的系统、方法和计算机程序产品

发明领域

本发明涉及用于确定血液参数的方法和系统实施（implementation）。具体地，本发明涉及利用光谱学同时测量血液分析物。

发明背景

测量患者血液参数如SO₂（氧饱和度）、O₂Hb（氧合血红蛋白百分比）或tHb（总血红蛋白浓度）的标准方法是将光引导进入或穿过血液，从而测量离散波长或跨越基本上连续的光谱范围的光在透射穿过血液或被血液反射后的强度，然后将参数计算为测量强度值的函数。

多种因素降低依赖光学测量作为询问方法的已知血液参数监测器的准确度。从光源本身开始，其必须能够产生足够的跨越宽波长范围的给定波长的光，并且其应在仪器寿命中稳定地如此进行。

对穿过血液的透射光的观察受血液或组织光学性质的不一致性影响。当利用例如非侵入性装置如指套或耳垂套（cuff）将光引入血液时，皮肤/装置界面的表面差异和包含血液的血管床的组织差异可影响光透射，其最终干扰测量。这些差异通常与组织或血液的光吸收和散射性质有关。

多数非侵入性光学监测器准确度下降的一个误差来源是患者运动。人为运动导致光穿过生物组织的路径长度改变，因此导致检测到的透射或反射光强度改变。测量噪声的数量级可以大到其可使这些装置长期不能工作。该问题在重症医疗应用中尤其严重，此时连续的监测至关重要，并且测量相对于门诊监测是处于生命攸关的应用。

另一降低非侵入性光学监测器准确度的因素是皮肤色素沉着。多种现有的光学装置不考虑随着黑色素浓度增加在浅棕色至深棕色范围内的不同皮肤颜色造成的透射光差异。黑色素吸收光谱的峰值在约500nm，随波长增加几乎直线减少。黑色素存在于表皮中。因此，在深棕色皮肤中处于极高浓度时，黑色素可遮蔽真皮中血红蛋白的吸收。即使在棕色减少的皮肤，黑色素吸收叠合于血红蛋白吸收之上，使得任何利用吸收光谱形状产生估测值的算法需要对皮肤色素沉着影响进行补偿。

国际专利申请号WO00/09004描述了适于测量SO₂的光学装置。该装置通过使光穿过生物组织和利用光电探测器连续监测透射或反射输出信号而运转。但是，现有技术装置的一个难点是如下事实：如WO00/09004采用有限波长数导致检测信号中的不良信噪比。这降低了SO₂测定的准确度。进一步，这种有限波长技术还较易受环境干扰，如周围荧光照明。

减少上述因素影响的一个方法是侵入性地测量SO₂或其他血液参数。在这些应用中，光通常通过导管安装或封装的光纤被引入血液。然后，为确定血液吸收光谱而测量的光强度通常是漫反射而非透射的光的光强度。留置方法（indwelling approach）的优势是利用身体本身隔离测量与外部光源。这些基于导管的测量的缺陷是需要相对于可信赖的标准进行校准，并且明显需要穿透身体，因此导致医院感染的风险增加。必须采用利用CO-血氧仪或特殊装置如校准装置进行的患者血液实验室测试以确保准确度。但是，额外的床边化学仪器价格昂贵并众所周知地难以维护。

无论用于监测血液参数的安排是侵入性或非侵入性，仍存在如下问题：将测量光谱——包括在多个波长下测量的强度值——转换成单个准确值，同时如此进行快到足以可用于实时、连续的患者监测环境。因此仍需要提高采用光学测量技术的血液参数监测器的准确度和可靠性。

发明概述

本发明通过提供用于光谱学测量血液参数的留置系统克服了现有技术的问题。该系统包括光源和使光透射至血液的波导、获取出射（remitted）光的波导、将出射光分解为其光谱分量的光谱仪、和将出射光形态上不同的部分与已知形态的数据库进行比较的处理器。每一种已知形态对应于至少一个参数如氧饱和度的测量值。有利地，确定的形态可独特地对应于两个或更多个血液参数，允许同时确定两个参数，如氧合血红蛋白百分比（O₂Hb）和总血红蛋白（tHb）。

本发明在一个实施方式中包括用于光学测量血液参数的系统，并包括光源、波导、光谱仪和处理器。光源被配置以生成跨越宽光谱的光。光源生成的光通过光纤波导被引入血液。出射光被相邻光纤波导获取，并引至光谱仪。出射光的光谱组成由光谱仪确定。处理器将光谱组成与已知形态的数据库进行比较。每一种已知形态对应于至少一个血液参数的已知值。

在另一实施方式中，每一种已知形态由至少三维的参考矩阵限定。并且，每一种已知形态对应于至少两个参数如O₂Hb和tHb的已知值。一方面，矩阵具有至少61×467×101要素的3个维度。第一矩阵维度表示空间波长区域（一个或多个）。另一方面，第二矩阵维度表示O₂Hb，而第三维度可表示tHb。因此，矩阵包括6161个与每种相关O2Hb和tHb组合有关的独特曲线要素。

在另一实施方式中，光源是可见光范围内的宽光谱光源，如白色LED光源。并且，光发射器和接收器是光波导，如光纤。光纤可通过导管被递送至患者血管系统中，从而进入血液。

在又一实施方式中，已知形态得自600nm或更小的出射光谱，更优选来自440nm至540nm的出射光谱。可选地或另外地，已知形态可得自715nm至800nm的出射光谱。

在另一实施方式中，已知形态由对于O₂Hb而言1%或更小和对于tHb而言1g/dL或更小的增量片（incremental slice）的已知曲线插值而来。

在另一实施方式中，返回（return）光谱经过滤和修匀（smooth）以抑制嵌入信号的假信息。

在又一实施方式中，处理器被配置以施加最小二乘方拟合，以将光谱组成形态上不同的部分与已知形态的数据库进行比较。并且，处理器可利用加权平均值修匀多个已知值。

有利地，本发明在现场使用过程中不需要间歇性校准，减少常规校准确认中的血液抽取次数和劳动密集度。并且，在生产时无需安装校准杯。而且，多个参数或分析物，如O2Hb和tHb，可通过查询形态上不同的曲线而同时测定。

在考虑下文描述本发明优选和可选实施方式的详细描述和附图时，本发明的这些以及其他特征和优势对于本领域技术人员将更加显而易见。

附图简述

图1是不同氧合水平的血液在可见光谱跨度内的不同光吸收光谱的线图；

图2是本发明一个实施方式的系统的主要硬件和软件组件的框图；

图3是标准化本发明另一实施方式的吸收光谱的方法框图；

图4是在可见和NIR光谱内光被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收的线图；

图5是本发明实施方式的可见光被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白状态反向散射透射的线图；

图6是图5曲线的独立的、形态上不同的部分；

图7是图6所示曲线之间插值的线图；

图8是本发明另一实施方式的可见光在形态上不同的波长范围内通过不同Hb浓度水平透射的线图；

图9是图8曲线之间的插值的线图；

图10是示例本发明另一实施方式的参考曲线矩阵的三维本质的示意图；

图11是本发明另一实施方式的被不同氧合水平的Hb吸收的较长光波长的形态上不同关系的线图；

图12-19是示例本发明实施方式相对于O₂Hb和tHb基准测量的性能的实验数据线图；和

图20是本发明其他实施方式采用不同整合时间的约460nm至530nm波长的出射光谱的线图。

发明详述

下文现将参考本发明的具体实施方式对本发明进行更充分的描述。事实上，本发明可以多种不同的形式实施，不应被解释为限于本文提出的实施方式；相反，这些实施方式被提供以使本公开满足适用的法律规定。如说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“a”、“an”、“the”包括复数指代，除非上下文明确另外指定。本文所用术语“包含（comprising）”及其变型与“包括（including）”及其变型同义使用，并且是开放性、非限制性的用语。

本发明用于测量血液分析物的系统、方法和/或计算机程序产品总体上包括在波长范围内用于照射血液的光源、透射和接收来自该源的光的光学路径、和用于分离和测量光的光谱分量的光谱仪（在本文中宽泛地用于表示任何用于测量光谱分量的装置）、以及用于确定所得吸收、透射或反射光谱的形态上不同部分和用其确定血液分析物的存在或其他血液参数的处理系统。

有利地，利用相同的测量吸收或透射光谱，几种血液分析物读数，如氧合血红蛋白（O₂Hb）或总血红蛋白（tHb），可同时被系统返回，而无需校准。例如，三维参考体积可由参考平面组建立，该参考平面在对于那两种分析物组合呈现不同的曲线形状变化的光谱区域中表征O₂Hb和tHb。然后将该参考平面与实际测量值进行比较，从而同时确定O₂Hb和tHb。该思想可延伸至较高维度和/或较多或不同分析物组合，只要吸收和/或透射光谱形态上的不同部分对应于这些分析物。

图1示例在绿色至红色波长范围内血液光吸收的若干特征。在此讨论中，A_x(λ)表示具有x%氧合的血液（作为一种分析物的实例）的吸收光谱，而A_y表示波长y下的吸收值。在图1中，示例三个光谱：A₀(λ)和A₁₀₀(λ)，分别表示完全脱氧和完全氧合血液，而A_meas(λ)，表示利用任何侵入性或非侵入性技术在实际个体中测量的吸收光谱。对于所有患者，meas在0和100之间。换句话说，患者的实际分析物（如SaO2、tHb或O₂Hb）值将总是在0%和100%之间。给出实际测量吸收光谱A_meas(λ)，则问题变成光谱表示什么分析物值。并且，本发明在一个实施方式中包括利用此原理确定不仅一种而是多种分析物。

在实施方式中，本发明总体上包括监测器300，该监测器300连接于导管110或指套200，该导管110或指套200将光递送至患者动脉、静脉或其他组织中的血液，并使出射光返回监测器用于处理，以确定血液中不同分析物的组成，并将其显示在显示监测器500上，如图2所示。明显地，本发明还可用于确定桌面环境以外的组成，其中血液样本取自患者，并且其光谱性质通过监测器300确定，用于处理。

虽然用于检测血液光透射或反射的不同方法和装置可在灵敏度或准确度方面具有一些优势，但本发明的实施方式可包括侵入性和/或非侵入性测量。光被直接且侵入性地引入血液，例如，通过安置在通向耦合器或透镜100（其可简单地为透射纤维末端）的导管110上或其中的一种或多种光纤111，如图2所示。在此实例中，导管110位于患者附件130中具有血流的血管或其他腔120中。

或者，在可选的实例中，测量可通过如下间接和非侵入性地进行：利用接近皮肤的指套200或其他装置，通过一种或多种光纤211如分叉熔凝石英光纤传送，然后指向患者手指230或身体其他部分的皮肤。在此实例中，通过干预皮肤而不直接以导管110测量血管220中的血液。这些非侵入性装置可被置于紧靠不同身体部位的皮肤，但优选位于皮肤下具有显著血流的部位，如手指或耳垂。

专用光纤112、212可用于获取出射光和将出射光传回监测器300，或透射纤维111、211可与另外的光学组件一起以双工模式（duplexmode）携载出射光。

不论光测量来源，出射光被分解和处理，以利用硬件和软件组合确定所需的分析物组成。例如，图2示例本发明实施方式的监测器300的硬件和软件组件，包括光源301、检测器302、调节器304、计算模块310、处理器340、存储器345和系统软件350。

系统硬件可包括一个或多个处理器340、系统存储器345和系统软件（如操作系统），该系统软件用于协调和控制监测器300中的不同硬件装置，以及执行处理器可处理的代码，该代码实施下述不同软件模块。如需，常规计算机的其他硬件和软件组件也可被包括在监测器300中。

光源301优选是可见光谱内的宽波段，并具有足够的光谱能量，从而允许足够的鉴别和测量分辨率——至少跨越包括处于400-600nm范围内的等吸收度波长（isosbestic wavelength）的波长范围。通过限定，白色光在400-600nm范围内的可见光谱中具有均衡的光谱能量。白炽灯泡、荧光灯泡、氙灯泡，氘灯泡和钨-卤素灯泡也可用于近似白光。但是，通过利用白光LED，通常可在较低成本下获得较大热稳定性和较长寿命，并且由于该原因，优选这些固态装置。

LED还具有其他用于本发明实施方式的优势。作为半导体，其在高体积生产中是可扩展的。其不生成紫外（UV）光——长时间暴露于高强度UV可产生组织问题（即，晒斑）。红外（IR）光透射最小，有助于提高热稳定性。并且，由于上述无UV光，LED发射的所有光强度在目标波长范围内是可用的，此外，无需光过滤以去除不需要的光谱内容。LED可快速开启和关闭，因此其可交插以允许参考测量。

但是，多种常规LED的一个问题是其包封剂随时间变黄，这导致转移至较长波长。但是，一些较新LED使用硅氧烷凝胶作为包封剂。这些LED一般在其特别长的正常寿命——其一般超过80000小时——中远远更好地保持其原始透射光谱。

多种类型的光检测器302可用于测量血液吸收光谱。例如，光检测器可应用光电探测器（CMOS）阵列，每一个光电探测器被布置在光谱仪中，并转向由光源301中的LED发射的各个波长的波长。另一种是变化耦合装置（CCD）阵列，其以与上述CMOS装置相同的方式布置。如上所述，但是优选的光源是宽波段白（或近白）光源。这避免了需要单独的光学透射纤维（一个波长一种）用于单独的LED颜色，并且提供了在目标波长区段内足够的光谱能量。其还避免了与多LED安排相关的高部件数、几种来源的老化变色的控制和支持多个来源的负荷平衡电子学。在本发明优选的实施方式中，检测器302是利用多种光学和光电组件生成测量光谱的光谱仪。光检测器302获取的出射光谱的信号质量可通过改变强度水平或曝光时间而得到提高。

在另一实施方式中，如图20所示，整合时间长、灵敏度较低的基于CMOS的光谱仪可用于获得出射光谱。较长整合时间可提供提高的信号幅度，从而分辨光谱形状。在某些实例中，形状还可利用较低整合时间得到增强。但是，噪声处于固定强度，使得低强度下的小形状具有在分数上较高的噪声量。长整合时间信号具有相同噪声强度，但分数量相对于信号较小。

来自检测器302的信号可在被数字化处理前利用已知的电路304进行设定。这种设定将通常包括不同形式的过滤、缩放、模拟-至-数字转换等。设定结果将是设定后的吸收光谱A_cond(λ)或设定后的反向散射透射光谱T_cond(λ)。

如上所述，光源301的光谱将不会是完全白色，可具有色调。这将影响分析物计算的准确度。例如，测量光谱中的"倾斜（dip）"可能与血液吸收无关，而与透射光中较低强度光谱区有关。不同方法可用于补偿光源的这种纯"白度"偏差，从而确定测量吸收光谱A_meas(λ)。

根据用于白色平衡的一个方法，白色平衡软件模块312按照下式计算A_meas(λ)：

$A_{\mathrm{meas}}\left(\mathrm{\λ}\right)={\log }_{10}\frac{A_{\mathrm{cond}}\left(\mathrm{\λ}\right)-D_{\mathrm{\λ}}}{R_{\mathrm{\λ}}-D_{\mathrm{\λ}}}$

其中D是每个波长λ下的基准暗（dark reference）强度，和R是每个波长λ下的基准白（white reference）强度。

T_meas(λ)还可以是通过下列方程式平衡的白色：

T_meas(λ)=f(R(λ)-R_t(λ))*T_cond(λ),

其中R(λ)是LED工厂安装时确定的LED的基准白光谱。R_t(λ)是常规光学模块维护间隔时确定的LED基准白光谱。

基准白光谱和基准暗光谱可利用多种技术确定。例如，在一个实施方式中，在进行测量前，将光学传感器（100，200）暴露于标准白色反射表面，从而给出基准白光谱。然后还通过排除光学传感器的所有激发光获得基准暗光谱。

根据本发明另一实施方式可选的白色平衡方法利用现代长寿命LED的已知光谱稳定性。给定一种或多种这种LED作为光源，特别是具有硅氧烷包封的LED，光源的光谱可之前在初始表征步骤中测量。此表征参数（在标准化后，如下述）可被存储在非挥发性介质320如EPROM芯片中。该芯片或至少参数可之前通过例如LED制造商生成或确定，作为工厂表征，使得参数可被存储于LED，并可在后续使用中被提取。然后将根本无需进一步的白色测量。A_cond(λ)的值然后可按照任何已知的平衡算法进行调整，从而解决白光LED光谱的差异并因此形成A_meas(λ)。

本发明的另一实施方式包括在仪器现场维护时询问白色LED发射光谱的白色平衡方法。如前述实施方式所述，白色LED光谱在最终组装光学模块过程中被获取和存储，并存储在存储器中。但是，由于不可避免的生产不一致性，老化过程和随后的颜色色调改变可能是不可预知的。因此，随时间调节白色平衡的最可靠方法是进行测量和适当地基于工厂安装时的LED光谱和使用指定时间后的LED光谱之间的变化调整反向散射透射光谱。在另一实施方式中，利用纤维111和112，将光源301和检测器302与位于纤维111和112之间的光学衰减器直接连接。

存在几个波长——等吸收波长——在此波长下血红蛋白光吸收与氧合程度无关。五个这种等吸收波长可见于图1，其中两个在波长522.7nm和586.0nm，分别被标记为A₅₂₃和A₅₈₆。其他等吸收波长为505.9、522、548.6和569.7nm。这些标准值通常四舍五入，并且在一些文献中取决于所用测试方法而报告略有不同。

最后，将标准化的测量透射或吸收光谱在拟合软件模块315中与多个参考吸收光谱330（以数字形式存储在存储器区域中或非挥发性存储装置中）进行比较——如下文进一步详细描述，然后可将其显示在显示装置500上。

本发明一个实施方式的拟合软件模块315被配置以将信号处理算法运用于返回光谱多色光组件和通过比较返回光谱与参考光谱模块330将返回光谱同时转换为两个或更多个参数，如O₂Hb和tHb。

在本发明的实施方式中，参考光谱模块330具有对于每种O₂Hb和tHb参数组合独特的多个形态上不同的曲线。类似于上述血液氧合，功能血红蛋白相应于氧合和脱氧状态对于可见和近红外（NIR）光具有两种不同的吸收光谱，如图4所示。吸收是多少能量从光源301投射到血液上的宽光谱光“损失”的指示。实线对应于接近100%的完全饱和Hb，虚线对应于接近0%的完全不饱和Hb。因此接近650nm至700nm的红光几乎不被完全饱和Hb吸收，而600nm和更短波长的大部分能量被大量吸收。这被具有完全饱和Hb的完全氧合血液总体上较明亮的红色所证实。同时，脱氧静脉血的不饱和Hb贯穿较长波长吸收更平均光谱，并具有更暗的红色。

反向散射透射光谱提供类似的信息——虽然是以不同形式，因为图表显示采用白色LED的透射穿过血液——并且未被血液吸收——的光量，如图5所示。图5中来自递送的白色LED光的透射光谱对应于30%和90%之间的氧合值，其间隔为20%。测量利用具有高强度白色LED源的USB4000光谱仪（Ocean Optics，Dunedin，FL）进行。正如图4的预期反相，600nm至700nm的红光大多具有透射性，证明血液总体上的红色。在90%氧合时，红光相对于邻近波长具有高度透射性，证明动脉血的亮红色。30%的静脉血相对于邻近颜色具有更较平均的透射，证明暗红色。

虽然曲线红色区段的光谱返回信号强度非常高，但600nm以上的波长对于一些血液参数测量类型没有形态上不同。也就是说，其形状除其垂直幅度和波长外是相似的。此特征的优势是这些范围的幅度可易于测量和关联于氧合测量。但是，与本发明的实施方式不同，需要建立氧合的一些基线校准，从而将幅度关联于取样血液的氧合。

相反，光谱透射曲线的600nm或更小的较短波长在形态上更加不同，如图6所示。为量化差别并随后将此关联于分析物具体浓度，可应用最小二乘方法。对于每一个出射光谱，在文库/数据库中的预期光谱与当前出射光谱之间进行比较。源于最小二乘方法的误差或余量可被计算，其表征曲线之间的几何差异量。

可选地，替代量化两种状态之间的几何差异性，可以通过在三个单独光谱线性组合时估测三种或更多种分析物的存在，将误差函数扩展至三种或更多种分析物，其中：

S(λ)=A₁x₁(λ)+A₂x₂(λ)+A₃x₃(λ)+…+A_nx_n(λ)

并且S是出射光谱，x_n是分析物的光谱特征，A_n是分析物浓度。

图6示例图5所示作图的亚600nm范围的缩放版。缩放、过滤和其他信号处理技术——如上述通过利用等吸收点（isosbestic point），能够更准确地检测和区别相应于所需分析物参数如O₂Hb和tHb的曲线形态。这克服了一些远离大于600nm范围或长于750nm移动时的强信号损失的缺陷。改进形态特征提取的其他方法是利用一般建立于谐波分析或相关分析的方法转换光谱。这些方法不增加信息量，而是以其他更容易解释的形式重新安排信息。转换包括但不限于：傅立叶转换、小波转换、非线性分析、高阶统计矩（skewness，kurtosis，等）。

在本发明的实施方式中中，曲线族通过在已知的实验确定的和形态上不同曲线之间的线性和二次插值法或其他近似方法生成。例如，图7示例在图6曲线30%、50%、70%和90%O₂Hb水平处四个实验确定曲线之间以1%O₂Hb增量的线性插值法。这导致图7中61条曲线生成。这些曲线通过如下确定：使血液流过测试室，并用采取离散样本的IL682CO-血氧计（Instrumentation Laboratory，Bedford，MA）评估流动血液的状态。该族曲线的分辨率还可通过减少插值法增量而提高。

本发明的另一实施方式包括将上述过程延伸到其他分析物的另外的维度中。有利地，当出射光谱的形态上不同区充分重叠时，可同时测量两种或更多种分析物（或其他血液参数）。例如，上文示例的O₂Hb曲线的亚600nm范围也呈现总血红蛋白浓度（tHb）差异的形态区别。这可能归因于溶液中磷脂散射体的体积量增加，该磷脂散射体是各个单独血红细胞的封装体。血液浓度的这些变化改变体吸收和散射性质，然后改变出射光谱。其他可通过本发明的选定实施方式测量的目标分析物包括碳氧血红蛋白（COHb）和高铁血红蛋白（MetHb）。

图8显示50%O₂Hb曲线形态在5g/dL、7g/dL、10g/dL和15g/dL之间的变化。类似于FIG.7，该曲线可在那些实验确定的浓度之间以1g/dL的增量被插值，以产生图9所示曲线。图9只是一个三维曲线“片”，其映射了两种分析物——O₂Hb和tHb——的亚600nm区内出射光谱范围的形态。

换句话说，整组曲线可通过在血氧法（oximetry-wise）方向和血红蛋白（hemoglobin-wise）方向的插值法生成，以产生三维矩阵，表征对于在30%至90%的O₂Hb水平、在5g/dL至15g/dL tHb之间的每一个组合O₂Hb/tHb测量独特的形态上不同曲线（在示例实施方式中）。对于O₂Hb以1%并且对于tHb以.1g/dL的逐步插值产生6161条独特的曲线。在优选实施方式中，各曲线的特征在于440nm和540nm之间的467个点，从而生成维度为61×467×101的参考矩阵S，其由图10在概念上示例。此矩阵用于植入参考光谱模块330，例如，本发明实施方式的图2所示参考光谱模块330。

另外应注意，不同的形态不限于上述实施方式的亚600nm或蓝-绿440nm至540nm出射光谱范围。例如，如图11所示，另一实施方式包括较长波长范围，如730nm和796nm，其中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白也在形态上不同。这些区可延伸至2、3或更多个参数，每个均增加至少一个维度至参考光谱矩阵，只要出射光谱在形态上的不同足以关联于已知的参数测量组合。同样，其他波长范围可进行平行评价，以增强相同参数的误差检测，如壁伪影（wall artifact）引起的误差。误差将通过将矩阵“立方”引入n维误差空间的较高维度而减少。

“差别”的一些其他特征——其还可被称为“特征”或“优良指数（figures of merit）”——可用于构建以及随后关联于已知血液参数的文库或数据库。一个实例是可由曲线下方面积确定的波长范围内的强度。另一实例是波长范围内的线性。参见，例如，图7的90%曲线——其可与直线进行比较——及其量化偏差。波长范围之间的相对强度也可被应用，如通过确定光谱部分之间的面积比。进一步，这些特征中的每一个可与上述误差拟合法组合，用于改进结果。.

在本发明的另一实施方式中，拟合模块315被配置以处理在给定时间段如4毫秒至数百毫秒内获得的通过调节器304来自检测器302的传入光谱。无论长度如何，此返回光谱可被表征为矢量r：

r=[r1r2r3…rn]，其中，在该实施方式中，n–1，2，3，…467

参考光谱矩阵行是i，栏是j，同时层是k。因此，对于每一个获得的出射光谱，二维误差函数通过如下定义：

误差平面坐标i,k的误差矩阵最小值关联于在该具体点的相应的O₂Hb、tHb曲线。因此，最小误差曲线是此坐标对的最佳拟合，并且是最可能的O₂Hb和tHb估计。

对于tHb测量，拟合模块315（或可选地，或组合地，条件设定模块304）被配置以实施运行加权平均，以修匀通过最小二乘方拟合生成的测量，如通过利用下列方程式：

tHb_报告(i)=(.1)tHb_计算(i)+(9)tHb_报告(i-i)

其中i是当前测量，i-1是前次测量。加权平均可用于其他波长范围，使得一个范围的测量失效不一定造成总体参数读数显著误差。

上述拟合模块315的方法是最小二乘法。但是，其他方法也是可以的，并且可基于用作参考光谱模块330的数据的曲线形态应用。同样地，多变量或主要组件分析可用于比较不同波长方案相关的信号保真度和随后的数据输出。

作为进一步细化，本发明的实施方式可致力于减少计算负担。为减少计算需求，算法可搜索出较少数量的波长，以确定血液参数，如分析物浓度。如果数据库或文库足够密集，则算法可用于用较小数量的波长鉴别测量值。

虽然光源301优选生成白光，但相对于参考光谱330通过评价出射吸收光谱的成本函数计算氧合值的方法还可用于如下实施：透射光的离散波长——例如来自单波长LED阵列，只要足够的波长被包括在内以允许汇编出射光谱的合理表示形式。如果至少两个波长具有等吸收性以使其可用于光谱标准化程序，则低信号水平也是有益的。

利用图2所示出射光谱光确定一种或多种血液参数的方法和设备可通过计算机程序产品实施。计算机程序产品包括计算机可读存储介质，如非挥发性存储介质，和在计算机可读存储介质中实施的计算机可读程序代码部分，如计算机指令系列。一般，计算机程序由存储装置如存储器345存储，并由相关处理元件如处理器340执行。

对此，图2是根据本发明示例性实施方式的方法、设备和程序产品流程图。要理解的是，流程图的各步骤以及流程图中的步骤组合可由计算机程序指令实施。这些计算机程序指令可被加载于计算机或其他可编码设备上，从而生成机构，使得在计算机或其他可编码设备上执行的指令生成用于实施流程图步骤（一个或多个）指定的函数的方法。这些计算机程序指令还可存储在这样的计算机可读存储器中：可引导计算机或其他可编码设备以具体方式发生作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生产品，包括实施流程图步骤（一个或多个）指定的函数的指令方法。计算机程序指令还可被加载于计算机或其他可编码设备上，以产生将在计算机或其他可编码设备上执行的操作步骤系列，从而产生计算机实施过程，使得在计算机或其他可编码设备上执行的指令提供实施流程图步骤（一个或多个）指定的函数的步骤。

因此，流程图步骤支持执行指定函数的方法组合和执行指定函数的步骤组合和执行指定函数的程序指令方法。还要理解的是，流程图各步骤以及流程图的步骤组合可通过基于特殊用途硬件的计算机系统实施，该计算机系统执行指定函数或步骤或特殊用途硬件和计算机指令组合。

实验

现具体参考不同实施例描述本发明。下列实施例并非意图限制本发明，而是提供提供作为示例性实施方式。图12-19显示图10公开的用于同时测量O₂Hb和tHb的实施方式的确认研究结果。与获取应用数据所用相同的CO-血氧计（IL682）用于确认。图12-19中的点是CO-血氧计的结果，而线是针对参考曲线追溯评估的O₂Hb或tHb的算法输出。显然，曲线是CO-血氧计测量值的良好近似。

有利地，本发明不需要在现场使用过程中间歇性校准，减少医疗工作人员的劳动和血液抽取。而且，无需在生产时安装校准装置。并且，多个参数或分析物，如O2Hb和tHb，可通过查询形态上不同的曲线同时测量。

本发明所属领域技术人员将想到本文所述的本发明的多种改动和其他实施方式，其具有前文描述所呈现的教导的益处。例如，对于任何具体参数测量，其他波长范围可平行关联，从而减少壁伪影的影响。而且，440nm至540nm范围可延伸至较大范围，从而增大参考曲线的形态差别。

因此，要理解的是，本发明不限于公开的具体实施方式，并且改动和其他实施方式意图被包括在所附权利要求的范围内。虽然本文使用了特定术语，但其仅是在上位和描述性意义下使用，而不意为限制。

Claims (50)

1.光学测量血液参数的系统，所述系统包括：

光源，其被配置以生成具有一定光谱范围的光；

光发射器，其被配置以将所生成的光从所述光源引入所述血液；

光出射器，其被配置以接收和引导从所述血液出射的光；

检测器，其被配置以接收来自所述光出射器的出射光和确定所述出射光的光谱组成；和

处理器，其被配置以确定所述光谱组成的至少一个不同部分的形态，

其中所述形态对应于至少一个血液参数的已知值。

2.权利要求1所述的系统，其中所述处理器进一步被配置以比较所述形态与已知形态的数据库，从而确定至少一个血液参数值。

3.权利要求2所述的系统，其中所述已知形态的数据库由至少三维的参考矩阵限定，并且其中每一种已知形态对应于至少两个参数的已知值。

4.权利要求3所述的系统，其中所述三维矩阵具有至少61×467×101的维度。

5.权利要求4所述的系统，其中所述矩阵的467片表示440nm和540nm之间的点。

6.权利要求5所述的系统，其中所述矩阵的61片表示O₂Hb或tHb中的一个。

7.权利要求3所述的系统，其中所述矩阵包括至少6161条独特的曲线。

8.权利要求3所述的系统，其中所述至少两个参数是tHb和O₂Hb。

9.权利要求1所述的系统，其中所述光源是宽光谱光源，并且所述光谱范围是可见光范围。

10.权利要求9所述的系统，其中所述光源是白色LED光源。

11.权利要求1所述的系统，其中所述光发射器是第一光波导。

12.权利要求11所述的系统，其中所述光出射器是第二光波导。

13.权利要求12所述的系统，其中所述第一和第二光波导是延伸穿过导管的光纤，并且其中所述导管包括端部，所述端部被配置以位于所述血液中。

14.权利要求2所述的系统，其中所述已知形态得自600nm或更小的出射光谱。

15.权利要求14所述的系统，其中所述已知形态得自440nm至540nm的出射光谱。

16.权利要求2所述的系统，其中所述已知形态得自730nm至796nm的出射光谱。

17.权利要求2所述的系统，其中所述已知形态对应于独特的O₂Hb和tHb测量。

18.权利要求17所述的系统，其中所述已知形态的增量片对于O₂Hb为1%或更小，并且对于tHb为.1g/dL或更小。

19.权利要求2所述的系统，其中所述处理器被配置以应用最小二乘方拟合，从而比较所述形态与所述已知形态的数据库。

20.权利要求2所述的系统，其中所述处理器进一步被配置以报告多个所述已知值用以显示。

21.权利要求20所述的系统，其中所述处理器进一步被配置以修匀所述多个已知值。

22.权利要求21所述的系统，其中所述处理器被配置以利用加权平均修匀所述已知值。

23.光学测量血液参数的方法，所述方法包括：

生成光，所述光具有一定的光谱范围；

将所述光引入血液；

从所述血液接收出射光；

确定所述出射光的光谱组成；

确定所述出射光至少一个不同部分的形态；和

基于所述形态确定参数测量。

24.权利要求23所述的方法，其中确定所述参数测量包括比较所述形态与已知形态的数据库。

25.权利要求24所述的方法，其中比较包括与三维矩阵进行比较，并且确定包括同时确定至少两个参数测量。

26.权利要求25所述的方法，其中比较包括与维度为至少61×467×101的三维矩阵进行比较。

27.权利要求26所述的方法，其中比较包括比较在440nm和540nm之间的所述矩阵的467片。

28.权利要求27所述的方法，其中比较包括比较表示O2Hb或tHb中的一个的所述矩阵的61片。

29.权利要求25所述的方法，其中比较包括与600nm或更小的出射光谱的已知形态进行比较。

30.权利要求25所述的方法，其中比较包括与440nm至540nm的出射光谱的已知形态进行比较。

31.权利要求25所述的方法，其中比较包括与730nm至796nm的出射光谱的已知形态进行比较。

32.权利要求31所述的方法，其中比较包括与增量片对于O₂Hb为1%或更小并且对于tHb为.1g/dL或更小的已知形态进行比较。

33.权利要求25所述的方法，其中比较包括应用最小二乘方拟合，从而比较所述光谱组成的形态上不同部分与所述已知形态的数据库。

34.利用从血液出射的光信号光学测量血液参数的系统，所述系统包括：

检测器，其被配置以接收来自所述血液的出射光；和

处理器，其被配置以确定所述出射光的光谱组成和所述光谱组成相对于已知形态的数据库至少一个不同部分的形态，

其中各所述形态对应于至少一个血液参数的已知值。

35.权利要求34所述的系统，其中所述处理器进一步被配置以比较所述形态与已知形态的数据库，从而确定所述至少一个血液参数值。

36.权利要求35所述的系统，其中所述已知形态的数据库由至少三维的参考矩阵限定，并且其中每一种已知形态对应于至少两个参数的已知值。

37.权利要求36所述的系统，其中所述三维矩阵具有至少61×467×101的维度。

38.权利要求37所述的系统，其中所述矩阵的467片表示440nm和540nm之间的点。

39.权利要求38所述的系统，其中所述矩阵的61片表示O₂Hb或tHb中的一个。

40.权利要求36所述的系统，其中所述矩阵包括至少6161条独特曲线。

41.权利要求36所述的系统，其中所述至少两个参数是tHb和O₂Hb。

42.权利要求35所述的系统，其中所述已知形态得自600nm或更小的出射光谱。

43.权利要求42所述的系统，其中所述已知形态得自440nm至540nm的出射光谱。

44.权利要求所述的系统35，其中所述已知形态得自730nm至796nm的出射光谱。

45.权利要求35所述的系统，其中所述已知形态对应于O₂Hb和tHb的独特测量。

46.权利要求45所述的系统，其中所述已知形态的增量片对于O₂Hb为1%或更小，并且对于tHb为.1g/dL或更小。

47.权利要求35所述的系统，其中所述处理器被配置以应用最小二乘方拟合，从而比较所述光谱组成的所述形态上不同部分与所述已知形态的数据库。

48.权利要求35所述的系统，其中所述处理器进一步被配置以报告多个已知值用以显示。

49.权利要求48所述的系统，其中所述处理器进一步被配置以修匀所述多个已知值。

50.权利要求49所述的系统，其中所述处理器被配置以利用加权平均进行修匀。

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