CN103250044A - 总血红蛋白的连续测量 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及连续测量全血中的总血红蛋白(tHb)。在一个实施方式中，使用不同的波长归一化光谱强度和计算总血红蛋白。具体而言，为了归一化，使用第一波长，其中所述波长对血红蛋白和氧饱和水平的变化基本上不敏感。为了计算总血红蛋白，使用第二波长。第二波长对血红蛋白水平的变化敏感，但对氧饱和水平的变化基本上不敏感。在另一个实施方式中，可以用都对氧饱和敏感但是同等敏感的两个波长进行连续测量。换言之，伴随氧饱和水平同等变化，与两个波长相关的归一化强度变化相等量。

Description

总血红蛋白的连续测量
技术领域
本申请涉及血液性质的测量，并且更具体地涉及总血红蛋白的测量。
背景技术
精确测量全血中的总血红蛋白(tHB)是期望的，特别是在重症监护室和手术室中。当tHb浓度在正常范围内时，血液有效地将充足的氧从肺输送至身体组织并且将二氧化碳从组织返回肺。tHb水平反常的患者可患有贫血、血液损失、营养缺乏和骨髓障碍。tHb的精确和有效测量在检测和控制这些疾病方面可以是有用的诊断过程，并且对于照管重症患者是极其重要的。
tHb通常用各种诊断系统和方法直接或间接地进行测量。通常使用昂贵的医院或实验室设备。首先从患者抽取血液，溶解红细胞，并且在溶液中分离出血红蛋白。游离的血红蛋白随后暴露于含有氰化物的化学品，其与血红蛋白分子紧密结合形成氰化高铁血红蛋白。在结合之后，将光传输经过溶液，并且在多个波长处测量被溶液吸收的光的总量。基于被溶液吸收的光的总量，用朗伯-比尔定律测定tHb。虽然发展完善，但tHb测量过程缓慢且昂贵。并且所述过程对于每个之后的tHb测量需要再次重复。
在2007年3月公布的WO2007/033318中公开了连续的tHb测量。该出版物代表了相对于现有方法的改进。虽然有效，但总有改进的空间。具体而言，该连续的tHb测量中所用的方法需要对氧饱和度修正。这些修正导致了一些总体不精确性。
采用了各种其它非侵入性和侵入性tHb测量过程。它们很少，如果有的话，给患者和卫生保健专业人员提供最大的精度、效率和便利。因此，对于增加患者的tHb测量精度、效率和便利的系统和方法存在需求。
发明内容
本申请涉及连续的总血红蛋白(tHb)测量。
在一个实施方式中，将光投射到患者体内的血液中并且获得产生的光谱强度。使用不同的波长归一化光谱强度和计算总血红蛋白。具体而言，为了归一化，使用第一波长，其中所述波长对血红蛋白和氧饱和水平的变化基本上不敏感。为了计算总血红蛋白，使用第二波长。第二波长对血红蛋白水平的变化敏感，但对氧饱和水平的变化基本上不敏感。实例波长包括：800nm的第一波长和505nm的第二波长，但也可使用其它波长。可在任何期望的波长重复该方法以连续测量总tHb。
在另一个实施方式中，可从光谱强度中减去增量以便抵消血管壁伪影。为了计算减去的量，可基于受血管壁伪影影响的区域的测定，选择光谱强度中的波长区域。对于光谱中预定的第一波长之外的每个波长，可测定该区域中的最小强度并将其从光谱强度中减去。典型的区域包括400nm波长和600nm波长之间的光谱。在该区域中，测定最小光谱强度，并且将此值用于去除在出现血管壁伪影的光谱上的增量。
在另一个实施方式中，连续地测定总血红蛋白包括连续地测定红细胞压积，因为二者之间有简单的线性关系。例如，在正常条件下，血红蛋白大约是红细胞压积的33%。可使用其它估计量。
在另一个实施方式中，可以用都对氧饱和敏感但是同等敏感的两个波长进行连续测量。换言之，伴随氧饱和水平同等变化，与两个波长相关的归一化强度变化相等的量。
从参考附图进行的下列详述，本发明的上述及其他目的、特点和优势将变得更加清楚。
附图说明
图1是可用于连续测量总血红蛋白的实例装置。
图2是图1中所用的实例控制器。
图3是根据一个实施方式测量总血红蛋白的方法的流程图。
图4是根据另一个实施方式测量总血红蛋白的方法的流程图。
图5是显示过滤光谱数据的实例。
图6是显示去除增量以最小化光谱数据中的伪影的实例。
图7是归一化强度数据对于波长的实例曲线。
图8是针对多个血红蛋白水平，归一化强度对于波长的实例曲线。
图9是用于获得预定系数的实例曲线。
图10是测定用于计算总血红蛋白的系数的方法的流程图。
图11是用于测定总血红蛋白的可选方法的流程图。
图12和13显示用于光源的可选实施方式。
具体实施方式
图1显示用于连续计算总血红蛋白的装置。光源110被连接到插入血管114中的导管112。光源110可以是各种类型中的任一种，比如LED，并且通常产生波长范围在大约400nm至大约800nm之间的光。可使用其它光源。一般而言，光源在离散的时间段上连续打开并且产生多个传播到血液115中的波长。导管112也可以是各种类型中的任一种，比如中央静脉导管或肺动脉导管，并且可包含两个平行的光导纤维116、118。第一光导纤维116是设计用于从光源接收光并且将光投射到血流中照亮血液的传输纤维。第二光导纤维118是能够从血液接收光并且将光输送至光电探测器122的接收纤维，其可包含在分光计或其它测量光性质的仪器中。虽然可使用任何光电探测器，但光电探测器122应当优选地能够测量范围在大约400nm至大约1000nm之间或更高的强度。接收的光一般是反射光、散射光和/或经过血液传输的光的组合。在任何情况下，接收的光携带用于获取血液动力学监控所需参数的信息，比如总血红蛋白和氧饱和度。理想地，光仅与血液相互作用。但是，实际上，光不仅与血液相互作用，也与位于放置了导管的环境中的其它物体相互作用，例如血管壁伪影。
控制器130可被连接到光电探测器122以及相关的用于测量光强度的仪器。控制器还可连接到光源110以便在测量期间控制光源。如下面进一步的描述，控制器可使用在光电探测器122中捕获的测量的光强度，以确定血液中血红蛋白的水平。下面进一步描述使用光强度确定血红蛋白水平的各种技术。
图2图解了合适的控制器130的一般性实例，其中可实施所述的技术。因为所述技术可以在不同的一般性用途或特殊用途的计算环境中实施，控制器并不打算提出关于使用范围或功能的任何限制。
参考图2，控制器130可包括至少一个连接到存储器220的处理单元210(例如，信号处理器、微处理器、ASIC或者其它控制和处理逻辑电路)。处理单元210执行计算机可执行指令并且可以是真实的或虚拟的处理器。存储器220可以是易失性存储器(例如，寄存器、高速缓存、RAM)、非易失性存储器(例如，ROM、EEPROM、快擦写存储器等)或者二者的一些组合。存储器220可存储执行本文所述任何技术的软件280。
控制器可具有另外特征。例如，控制器可包括存储器240、一个或多个输入装置250、一个或多个输出装置260以及一个或多个通信连接270。互联机构(未显示)比如总线或网络将组件互联起来。典型地，操作系统软件(未显示)为在控制器中执行的其它软件提供操作环境并且协调控制器组件的活动。
存储器240可以是可拆卸的或不可拆卸的，并且可以包括磁盘、磁带或盒式磁带、CD-ROM、CD-RW、DVD或者任何其它可用于存储信息并且可在控制器内存取的计算机可读介质。存储器240可存储软件280，其含有探测与血管壁中导管位置相关的血管壁伪影。
输入装置(一个或多个)250可以是接触式输入装置比如键盘、鼠标、笔或跟踪球、声音输入装置、扫描装置或其他装置。输出装置(一个或多个)260可以是显示器、打印机、扬声器、CD或DVD刻录机或者其他从控制器提供输出的装置。一些输入/输出装置比如触摸屏可包括输入和输出功能。
通信连接(一个或多个)270能够通过通信机构与另一个计算实体通信。通信机构传输信息比如计算机可执行指令、音频/视频或其它信息或者其它数据。举例来说并且没有限制，通信机构包括通过电、光、RF、微波、红外线、声音或其它载体执行的有线或无线技术。
图3是连续测量总血红蛋白的方法的流程图。在工艺框310中，光被传输到血液中以便在多个波长处进行测量。例如，在图1所示的实施方式中，传输纤维116可用于从光源110传输光。在工艺框320中，光在与血液相互作用之后被接收。与血液相互作用的光波可包括反射光、散射光和/或透射光。接收纤维118和光电探测器122是可用于接收光的结构的实例。在任何情况下，基于在与血液相互作用之后接收的光获得光谱强度。在工艺框330中，将光谱强度归一化。归一化是指用参考波长除光谱数据以使所有数据基于共同的标尺。所用的参考波长应当对血红蛋白和氧饱和水平的变化基本上不敏感。关于基本上不敏感，其意思是强度水平在血红蛋白和氧饱和水平变化的情况下可能变化不显著，但这种不显著变化对血红蛋白的总体测量几乎没有影响。在工艺框340，在预定的波长处用归一化强度连读计算总血红蛋白。预定的波长是不同于归一化中所用的波长的波长。具体而言，选取的波长应当对血红蛋白水平的变化敏感，但对氧饱和水平的变化基本上不敏感。用于归一化的实例波长是800nm并且用于计算总血红蛋白的实例波长是505nm。为了计算总血红蛋白，期望使用具有预定系数的公式。实例公式可以是多项式。在一个非常具体的实例中，可用以下二阶多项式：tHb=a·(比例_1)2+b·(比例_2)+c，其中a、b和c是预定系数。比例_1和比例_2可以相等(来源于相同波长处的归一化强度)或者可以是来源于不同波长处的归一化强度的不同数字。在一个实施方式中，用预定波长比如505nm处的归一化强度的以十为底的对数确定比例_1和比例_2。可使用其它波长，但期望使用对血红蛋白敏感但对于氧饱和水平的变化基本上不敏感的波长。
图4显示可用于一个实施方式中的更详细的流程图。在工艺框410中，计算预定系数。通过获得具有不同血红蛋白水平的多个血液样品的光谱数据并且用工艺框420、430、440和450处理光谱数据可计算预定系数，如下面概述的。图10还讨论了计算系数的具体实施方式。在工艺框420中，将通过图1的导管获取的宽带光谱过滤以便减弱噪音(例如，背景和随机噪音)。图5显示过滤之前和之后的数据的具体实例。在工艺框430中，将增量去除。去除增量有益于抵消由血管壁引入的伪影。为了去除增量，选择受血管壁伪影影响的波长的区域。在选择的区域中测定最小强度值，并且基于每个波长从光谱强度中减去最小强度值。也可使用其它用于减弱血管壁伪影的技术。图6显示光谱强度相对波长的曲线，并且显示去除增量之前和之后的视图。在工艺框440中，用第一波长归一化光谱强度。图7显示归一化的实例，其中光谱强度(去除了增量)的所有波长除以800nm波长处的光谱强度。在工艺框450中，可使用第二波长计算总血红蛋白。可使用的实例第二波长是等吸光的并且对血红蛋白水平的变化敏感的波长。例如，图8显示波长505nm是等吸光的。特别地，对于相同的血红蛋白水平和变化的氧饱和水平，曲线汇合在505nm波长处。使用这种波长提供精确的结果。
图10是计算系数的方法的流程图，系数又可用于计算总血红蛋白(例如，图3的工艺框340)。在工艺框1010中，使用众所周知的技术获取具有不同血红蛋白水平的血液的光谱数据。例如，可使用Instrument的金标准方法。之后用已经描述的技术处理获取的光谱数据。例如，可将光谱数据过滤(工艺框1020)并且从中去除增量(工艺框1030)。在工艺框1040中，光谱强度随后用任何已经描述的技术进行归一化。在工艺框1050中，用归一化强度数据的以十为底的对数相对于之前获取的数据(参见图9的910处)生成曲线。在工艺框1060中，生成最佳拟合(例如，最小二乘法拟合)数据的多项式函数，并且从中产生系数。图9显示产生的曲线。
图11显示另一个可用的实施方式。在工艺框1110和1120中，光被传输到血液中并且用导管接收，如已经描述的。在工艺框1130中，从接收的光中获取光谱数据并且用第一波长将其归一化，如已经描述的。在工艺框1140中，可使用第二波长处归一化的光谱强度计算总血红蛋白，其中对于氧饱和水平的同等变化，第二波长处的归一化强度与第一波长处的归一化强度改变相等的量。
图12和13显示可用于执行本文所述方法的其他结构。在图12中，多个光源1210比如多个彩色LED可用于提供离散的波长，其可通过定序器控制逻辑1220进行定时多路传输以便在不同时间分别打开。离散的信号通过位于导管1235内的光学传输纤维1230传输到血液中并且反射到接收纤维1240内。接收光纤1240将离散的反射信号传输到分光计1250的单个光电探测器。可采用多个光电探测器测量信号的特定效果。控制器1260连接到光电探测器并且用于测定血管壁伪影和/或导管尖端位置，如前所述。
在图13中，单个或多个光源1310可通过波长过滤器1312比如滤波轮(filter wheel)进行传输，以便提供可被定时多路传输的离散波长的可选或额外的实施方式。光信号经过滤波器1312并且通过位于导管1325中的光导纤维1320传输到血液1330中并且通过接收纤维1340反射回至少一个光电探测器1350。控制器1360连接到光电探测器并且用于测定血管壁伪影和/或导管尖端位置，如前所述。
可在真实或虚拟目标处理器上的计算环境中执行的计算机可执行指令——比如程序模块中所包含的那些——的一般环境中描述本文的技术。一般而言，程序模块包括执行具体任务或实施具体抽象数据类型的例行工作、程序、程序库、对象、类别、组件、数据结构等。在各实施方式中程序模块的功能可根据需要在程序模块之间组合或分离。程序模块的计算机可执行指令可在局部或分布式计算环境中执行。
虽然以便于陈述的特定相继次序描述了一些公开方法的操作，但应当理解这种描述的方式包含重新排列，除非下面提及的特定语言需要具体的顺序。例如，在一些情况下，顺序描述的操作可重新排列或同时进行。而且，出于简洁，附图可不显示公开方法可与其它方法结合使用的各种方式。
任何公开的方法可作为存储在一个或多个计算机可读存储介质(例如，非暂时的计算机可读介质，比如一张或多张光盘、易失性存储组件(比如DRAM或SRAM)或者非易失性存储组件(比如硬盘驱动器))并且在计算机(例如，任何商业可得的计算机，包括智能手机或其它包含计算硬件的移动设备)上执行的计算机可执行指令实施。任何实施公开技术的计算机可执行指令以及任何在公开实施方式的实施期间产生和使用的数据可存储在一个或多个计算机可读介质(例如，非暂时的计算机可读介质)上。计算机可执行指令可以是例如专用软件应用或者通过网页浏览器访问或下载的软件应用或者其它软件应用(比如远程计算应用)的一部分。这种软件可以在例如单个本地计算机(例如，任何合适的商业可得的计算机)上或者在使用一台或多台网络计算机的网络环境(例如，通过Internet、广域网、局域网、客户-服务器网络(比如云计算网络)或者其它这种网络)中执行。
为了清楚，仅描述了软件型执行方式的某些选择的方面。本领域中众所周知的其它细节被省略。例如，应当理解，公开的技术不限于任何特定的计算机语言或程序。举例来说，公开的技术可通过以C++、Java、Perl、JavaScript、Adobe Flash或任何其它合适的编程语言书写的软件来执行。同样地，公开的技术不限于任何具体的计算机或硬件类型。合适的计算机和硬件的某些细节是众所周知的，并且不需要在本公开内容中具体陈述。
此外，任何软件型实施方式(包括，例如，使计算机执行任何公开的方法的计算机可执行指令)可通过合适的通信手段上传、下载或远程访问。这种合适的通信手段包括，例如，Internet、World Wide Web、内部互联网、软件应用、电缆(包括光纤电缆)、磁通信、电磁通信(包括RF、微波和红外线通信)、电子通信或者其它这样的通信手段。
鉴于可以应用本公开发明原理的许多可能的实施方式，应当认识到图解说明的实施方式只是本发明优选的实例，并且不应该看作限制本发明的范围。相反，本发明的范围由所附权利要求所限定。因此我们要求保护所有在这些权利要求的范围和精神内的我们的发明。

Claims (17)

1.测定血液的总血红蛋白的方法，其包括：
用导管将多个波长的光传输到所述血液中；
在所述光与所述血液相互作用之后将其接收；
用第一预定波长归一化该接收的传输光的波长的光谱强度，其中所述第一预定波长处的强度对血红蛋白和氧饱和水平的变化基本上不敏感；
用第二预定波长处的该归一化的光谱强度计算所述血液的总血红蛋白，其中所述第二预定波长处的归一化的强度对血红蛋白水平的变化敏感，但对氧饱和水平的变化基本上不敏感。
2.权利要求1所述的方法，其中所述导管包括传输光导纤维和接收光导纤维。
3.权利要求1所述的方法，其中测量所述强度包括从接收光导纤维接收至少一个光波长并且用光电探测器捕获与其相关的电磁能量。
4.权利要求1所述的方法，进一步包括过滤所述光谱强度以便减弱噪音。
5.权利要求1所述的方法，进一步包括去除强度的增量以便抵消血管壁伪影。
6.权利要求5所述的方法，其中去除所述增量包括选择受血管壁伪影影响的波长区域，在所选择的区域中测定最小强度值，并且从所述光谱强度减去所述最小强度值。
7.权利要求6所述的方法，其中所述波长区域在400nm至600nm之间。
8.权利要求1所述的方法，其中计算所述总血红蛋白包括使用具有预定系数的多项式。
9.权利要求8所述的方法，其中所述多项式包括式tHb=a·(比例_1)2+b·(比例_2)+c，其中a、b和c是所述预定系数。
10.权利要求9所述的方法，其中用相同的波长计算比例_1和比例_2。
11.权利要求9所述的方法，其中用不同的波长计算比例_1和比例_2。
12.权利要求9所述的方法，其中通过获得具有不同血红蛋白水平的多个血液样品的光谱数据并且用权利要求1所述的方法处理所述光谱数据来计算所述系数。
13.权利要求12所述的方法，其中用对数标尺和线性最小二乘法拟合技术对产生的处理过的光谱数据绘图。
14.权利要求1所述的方法，其中所述第一预定波长是800nm并且所述第二预定波长是505nm。
15.计算机可读存储介质，其具有编码在其上的可操作使计算机执行权利要求1所述方法的指令。
16.用于测定血液的总血红蛋白的装置，其包括：
导管，其包括传输光导纤维和接收光导纤维；
光源，其连接到所述传输光导纤维，用于将光传输到血液中；
一个或多个光电探测器，其连接到所述接收光导纤维，用于在所述光与血液相互作用之后将其接收；以及
控制器，其连接到所述一个或多个光电探测器，用于接收一个或多个波长的光谱强度并且用第一预定波长归一化波长的所述光谱强度，其中所述第一预定波长处的强度对血红蛋白和氧饱和水平的变化基本上不敏感，并且用第二预定波长处的该归一化的光谱强度计算所述血液的总血红蛋白，其中所述第二预定波长处的归一化的强度对血红蛋白水平的变化敏感，但对氧饱和水平的变化基本上不敏感。
17.测定血液的总血红蛋白的方法，其包括：
用导管将多个波长的光输送到所述血液中；
在所述光与所述血液相互作用之后将其接收；
用第一预定波长归一化该接收的传输光的波长的光谱强度；
用不同于所述第一预定波长的第二预定波长处的该归一化的光谱强度计算所述血液的总血红蛋白，其中伴随所述氧饱和水平的同等变化，所述第二预定波长的归一化的强度与所述第一预定波长的归一化的强度改变相同的量。
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