CN105120751B - 用于确定在感兴趣对象中的二氧化碳分压的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定在感兴趣对象(12)的循环系统中的血液中的血液气体分压的设备(30)和相关的方法。还公开了用于对患者进行通气的系统。检测指示给定血液温度水平的温度相关的测量值。考虑所述温度相关的测量值而导出所述对象(12)的所述血液的氧饱和度测量结果。考虑所述对象(12)的目前血液温度水平而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定被监测对象(12)的血液气体分压。优选地，确定能归因于所述对象(12)的目前血液pH值的表示pH的值。更优选地，考虑能归因于检测到的所述对象的血液的温度相关的测量值的血液的所述导出氧饱和度测量结果的变化而根据氧解离曲线来导出所述表示pH的值。

Description

用于确定在感兴趣对象中的二氧化碳分压的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于确定在诸如患者的感兴趣对象的循环系统中的血液中的二氧化碳分压的设备和方法。本发明还涉及用于在确定在感兴趣对象的循环系统的血液中的二氧化碳分压中利用新方法来对患者进行通气的系统。更一般地，本发明涉及利用非干扰监测对生命参数的检测，或者，甚至更一般地，生命体征信息，所述非干扰监测甚至可以包括所谓的远程监测方法。更具体地，本发明可以涉及在能够被应用在远程监测领域中的医学成像领域中的图像处理系统和方法，所述远程监测例如远程光学体积描记监测、远程氧饱和度检测和相关的应用。
本发明还涉及对应的计算机程序。
背景技术
GB 2 485 558 A涉及有创血液分析装置和方法的设备和方法，其中，血液从患者被提供到氧合器，被探查并且然后被提供返回给患者。从被提供到氧合器或从氧合器被提供的血液直接测量血液性质。因此，探查患者的血液是特别干扰的。
WO 98/03847 A2公开了用于无创地确定血液参数的方法和设备。所述设备可以包括用于诱导在患者血液中的温度变化的温度诱导发生器和用于测量血液的温度的温度测量装置。另外，提供用于基于血液的诱导的温度水平来计算各种血液参数的控制器。
WO 2012/077065 A1公开了用于确定在对象的动脉血液中的二氧化碳分压的方法和装置，所述方法包括以下步骤：
-引起对在对象中的动脉血液的至少一个参数的调制；
-在对所述至少一个参数的调制期间导出所述对象的所述动脉血液的氧饱和度；以及
-根据所导出的氧饱和度来确定所述对象的所述二氧化碳分压。
所述文献还公开了对方法和装置的若干改良。所述文献特别提出了通过测量动脉氧饱和度(SaO2)并且然后使用氧解离曲线(ODC)以根据所测量的动脉血氧饱和度(SaO2)来导出动脉血氧分压(PaO2)从而监测患者的血液的动脉血氧分压(PaO2)。关于对二氧化碳的分压(PaCO2)的检测，所述文献提出了所谓的二氧化碳图。二氧化碳图是用于监测CO2的分压的吸入浓度和呼出浓度并且因此间接监测在动脉血液中的CO2分压的已知技术。
用于监测PaCO2的另一已知技术是经皮CO2监测。通常，经皮CO2监测利用附接到患者的皮肤的电化学或光化学传感器。另外，皮肤组织被加热以促进动脉血化，需要动脉血化以将所测量的经皮CO2压力(PtcCO2)与动脉CO2压力(PaCO2)关联。如本领域中已知的，组织的CO2压力可能不同于实际动脉CO2压力，这基本降低了该方法的准确度。经皮CO2传感器通常要求特定加热来增加温度，这提高PaCO2确定的准确度的水平。因此，要求温度校正。
由于由活性温度管理引起的对患者的皮肤的诸如皮肤烧伤的热影响，经皮传感器通常要求重新校准和重新定位。因此，经皮监测常常被认为是不令人愉快的。尤其地，经皮监测不太适合于长时间监测。
对于许多健康护理应用，血液测量和监测对于评估患者的(或，更一般地，对象的)呼吸状态是关键的。这基本上可以应用到重症护理医学、住院处置和还可以应用到门诊处置。尤其对于患有各种肺部疾病的被通气患者，动脉血液测量结果可以被认为是抽查测量的广泛应用的标准。
如上所述，无创监测方法允许通过将传感器物理地附接到患者的身体来监测血液中的诸如分压(PaO2、PaCO2)和氧饱和度(SpO2)的参数。然而，由于传感器元件必须被固定到患者的身体，所以这些已知技术能够仍然被认为是干扰的。
尽管能够针对住院处置在医院中提供并确保要求的准备、安装和监控，但是尤其是待在家中的患者的门诊处置可能不能够提供在准备和安装工作以及在任何情况下的监测准确度方面的要求的监测性能。
家庭呼吸护理是患有诸如通常通过在家中借助于无创通气(NIV)进行通气的慢性阻塞性肺部疾病(COPD)或神经肌肉疾病的疾病的患者的合适措施。通常，这些患者最初待在医院，从而评估并优化通气设置，并且用于监测动脉血液气波。取决于疾病的进程、严重性和患者的稳定性，患者可能必须及时返回到医院以进行额外的核查和设置。在备选中，的诸如呼吸科护士的有资格的医务人员可以访问在家中的患者从而控制通气布置和参数。此外，在这些访问期间，血液气体监测布置能够被布置并被应用到患者。例如，能够在整个晚上执行血液气体监测，其可以与关于通气和呼吸数据的数据采集耦合在一起，然而累积的数据能够被提供以供由有资格的医务人员进行后续分析。
如本领域中已知的，部分二氧化碳监测能够由二氧化碳图无创地执行。二氧化碳图能够被认为是对于具有相当健康的肺的插管患者的合适方法。在这一点上，二氧化碳图旨在确定潮气末二氧化碳(EtCO2)值，其可以用作动脉二氧化碳值的恰当指示。然而，在一些应用中，例如在患者患有严重呼吸疾病的情况下和/或当在空气可以通过在通气口罩和患者的面部之间的间隙泄漏的情况下应用无创通气时，二氧化碳图可能不提供充分的可靠性。通常，对于医院中的固定处置，二氧化碳图与干扰的有创动脉血液采样组合，从而在能够用于永久地监测和分析不如基于血液采样的值准确但仍然可以是具有诊断价值的结论的趋势值的同时在一个方面定时获得准确值。
根据另一方法，经皮二氧化碳监测不受气体泄漏和患者的严重呼吸缺陷的干扰或影响。然而，经皮CO2监测仍然要求有资格的医务人员来安装测量装备并且启动和观察准确和精确的测量。频繁地，经皮二氧化碳监测已经被报告为易受皮肤性质变化的影响。因此，当执行这样的测量时，应当采取护理。否则，可能有不准确值。当前，二氧化碳血液气体监测通常不被应用到待在家中的出院患者，因此承认接收无创通气的患者的高相关性。
通过举例的方式，公知的经皮二氧化碳传感器可以包括：恒温控制的加热器元件，其被配置用于增加患者的皮肤的血液灌注和气体渗透性；流体层，其被提供在皮肤和传感器膜之间；可透气性膜，其覆盖传感器，传感器包括电化学pH传感器和参考电极；以及处理单元，其被配置用于应用用于补偿温度效应和皮肤代谢的补偿算法。
温度效应可以上升，因为存在于传感器处的温度和(假定的)动脉血液温度之间的差异通常不同并且当根据所测量的“皮肤”二氧化碳分压来导出期望的“经皮”二氧化碳值时必须被考虑。
另外在经皮测量的情况下，温度效应可以通过轻微的加热处理演变，所述轻微的加热处理被应用到邻近接触式传感器的传感器表面的皮肤组织。对于增强皮肤动脉血化可以要求传感器加热，对于经皮血液气体测量所述传感器加热被认为是重要的，从而能够导出反映动脉血液气体水平的经皮的值。例如，在一些当前可用的经皮的测量系统中，动脉血化的合适的最小传感器温度可以为大约42℃(摄氏度)，其可以暗示最大约500mW(毫瓦特)的加热功率输入，从而补偿由血流引起的冷却效果。
用于二氧化碳分压测量的另一方法能够基于光学体积描记测量方法，诸如脉搏血氧计。体积描记法一般是指对器官或身体部分的体积变化的测量，并且尤其指对由于随每次心跳通过对象的身体的心血管脉冲波的体积变化的检测。
光学体积描记法(PPG)是评价感兴趣区域或体积的光反射或透射的时变变化的光学测量技术。PPG基于血液比周围组织吸收更多光的原理，因此随每次心跳的血液体积的变化对应地影响透射或反射。除了与心率有关的信息之外，PPG波形能够包括可归因于诸如呼吸的另一生理现象的信息。通过评价在不同波长(通常红和红外)的透射率和/或反射率，能够确定血氧饱和度。
用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度的常规脉搏血氧计被附接到对象的皮肤，例如指尖、耳垂或前额。因此，它们被称为‘接触式’PPG设备。通常的脉搏血氧计包括红LED和红外LED作为光源和用于检测已经被透射通过患者组织的光的一个光电二极管。商业上可获得的脉搏血氧计在红波长和红外波长的测量之间快速切换，并且由此测量在两个不同波长的组织的相同区域或体积的透射率。这被称为时分多路复用。在每个波长的在一段时间内的透射率给出了针对红波长和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被看作是基本无创技术，但是接触式PPG测量常常被体验为不愉快的，因为脉搏血氧计被直接附接到对象并且任何线缆限制自由移动。
最近，已经引入了用于无干扰测量的非接触式远程PPG设备。远程PPG利用远离感兴趣对象设置的光源或一般辐射源。类似地，检测器，例如相机或光电检测器也能够远离感兴趣对象设置。因此，远程光学体积描记系统和设备被认为是无干扰的并且非常适合于医学以及非医学日常应用。
例如，在对象(例如，人类患者)的动脉血液中的CO2分压能够在例如调节经由无创通气机供应到患者的气体成分的浓度时通过间隔地测量和/或导出对象的动脉血液的氧饱和度来确定。这可以通过使对氧饱和度的导出与对对象中的动脉血液的参数调节的调节(例如，温度调节)周期同步。然后可以根据所导出的氧饱和度来确定二氧化碳分压。这可以通过根据由于调节的动脉血液的氧饱和度的变化导出患者的动脉血液的pH并且使用氧解离曲线(ODC)根据这些变化导出pH值来实现。
血液的氧饱和度是关于血红蛋白的总量的分数氧合血红蛋白，即氧合血红蛋白加上根据氧气分压的脱氧血红蛋白。OHDC描述了在氧气分压(pO2)和氧饱和度之间的关系(氧血红蛋白解离曲线)。
如在WO 2012/077065 A1中基本上示出的，可以使用诸如脉搏血氧计的简单且鲁棒的探头通过测量对象的动脉血液的氧饱和度来导出所述对象的动脉血液的氧饱和度。该测量可以与供应的气体浓度的(主动)调节周期同步，例如与主动温度调制同步。因此，分压的结果调制可以是小的(+/-1kPa)。这能够通过与调节周期同步地测量SpO2调节来实现。该测量方案的额外优点是由于生理过程的实际SpO2值的变化不损害调节测量，因为它们基本上被解耦。
可以以这样的速率来调节对象的动脉血液，使得PaO2也被调节。可以在不同的PaO2水平获取氧饱和度读取，并且使用氧解离曲线，能够确定pH，并且最后，基于pH，能够确定二氧化碳分压。这已经证明提供在约0.2kPa准确度的二氧化碳分压的度量。可以使用如由临床和实验室标准协会(CLSI)在Guidelines for Blood Gas and pH Analysis andRelated Measurements中的公开的简化且标准化的形式的Henderson-Hasselbalch方程来确定二氧化碳分压。
备选地，能够获得对氧解离曲线中的特定工作点的近似值，例如：
pH≈pKa–βPaCO2， (1)
其中，pH是所述对象的动脉血液的pH值，pKa是对象的动脉血液的电离常数，pKa优选在7.5至8.0的范围内，β是对象的个人系数，β优选在0.04至0.08的范围内，并且PaCO2是动脉二氧化碳分压。在通常的患者中，pKa为约7.7，并且β为约0.06。
基于经由光学体积描记法确定的氧饱和度值，能够经由所谓的氧解离曲线(OHDC)来导出氧气分压。另外，如在WO 2012/077065 A1中示出的，经由光学体积描记法的氧饱和度检测(SpO2)能够以有利的方式被扩展，从而最后根据其来导出二氧化碳分压值(pCO2)。为了这个目的，文献提出以在氧饱和度的测量结果方面主动调节被观察患者的血液。
经由血液采样的血液气体监测被认为是特别干扰的，并且因此被发现不受被监测对象的欢迎。另外对于利用必须被附接到对象皮肤的传感器的经皮血液气体测量，许多准备、附接和校准工作仍然是必要的，其也被发现是干扰的并且不受欢迎。具体地，关于在要被监测对象中的血流的温度管理和/或温度调节要求昂贵的设备和相当多的准备和监控操作。因此，限制了血液气体测量和监测的应用。这尤其适用于待在家中的对象的门诊处置。然而，从医学角度来看，允许也对待在家中的患者的血液气体测量和监测将是有利的。
发明内容
本发明的目的是提供用于无干扰地且经济地确定在感兴趣对象的循环系统中的血液中的血液气体分压的改进的设备和方法。提供用于利用这样的设备和方法对患者进行通气的系统也将是有利的。有利地，本公开的设备和方法提供在处理检测到的信号中的进一步改良，从而允许改进自动监测和检测血液气体分数和/或压力值。另外，提出允许无干扰监测和特别非常适合于长期监测的设备和相关方法将是有利的。
在本发明的第一方面，提出了一种用于无干扰地确定在感兴趣对象的循环系统中的血液中的血液气体分压的设备，所述设备包括：
-非干扰温度检测器，其用于检测指示目前固有的自然血液温度水平差异的温度相关的测量值；
-非干扰氧饱和度传感器，其用于考虑所述温度相关的测量值而导出所述对象的所述血液的氧饱和度测量结果；以及
-血液气压处理器，其用于考虑所述温度相关的测量值而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定被监测对象的血液气体分压，所述温度相关的测量值指示所述对象的目前血液温度水平差异。
本发明基于这样的洞悉：存在于被监测对象(或：患者)的固有的自然血液温度差异和/或变化可以被用于确定氧饱和度(SpO2)和其对血液温度的实际依赖性。因此，仅仅SpO2-检测能够被扩展到血液气体分压测量，因为例如在SpO2值和对应温度值之间的关系能够被认为与基于其能够导出期望的血液气体分压的诸如血红蛋白氧解离曲线的形式相关性有关。例如，能够解决对在对象的动脉血液中的二氧化碳分压的确定。另外，氧气分压也能够是测量的对象。不言而喻，还能够导出根据其推断的测量结果。换言之，当处理对在对象的血液中的二氧化碳分压的确定时，在基本上相同的时间能够检测包括表示氧饱和度的值和表示温度的值的值对，这允许考虑另一形式关系而根据氧血红蛋白解离曲线(OHDC)来推断二氧化碳分压(PaCO2)。在这一点上，参考WO 2012/077065 A1，其呈现了利用简化的且标准化的形式Henderson-Hasselbalch的范例，其由临床和实验室标准协会(CLSI)在Guidelines for blood gas and pH analysis and related measurements中公开。另外，在这点上也参考WO 98/03847A2。该文献公开了用于对血液参数的无创确定的设备。该文献还解决了对在患者血液中的二氧化碳参数的计算。另外，在该文献中描述了对Henderson-Hasselbalch方程的使用。
然而，与先前技术对比，本公开的设备还被配置用于确定并检测温度变化，而非用于对它们进行推断。因此，主动温度管理由允许简化的测量和处理装备的“被动”温度测量代替。以这种方式，实现了相当无干扰的血液气压测量。这在温度检测器和氧饱和度传感器被布置在无干扰传感器处时尤其适用。优选地，温度检测器和氧饱和度传感器中的至少一个被配置为光学传感器。更优选地，温度检测器和氧饱和度传感器中的至少一个被布置在允许非接触式测量的远程光学传感器处。
如上指示的，最近已经引入了用于氧饱和度检测的非接触式光学体积描记方法。在这一点上，参考Verkruysse等人的“Remote plethysmographic imaging using ambientlight”(Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第21434至21445页)，其证实了能够使用周围环境光和常规的消费者水平相机来远程测量光学体积描记信号。
基于相机的非接触式生理测量要求足够的合适波长的光来提取期望的生命体征信息。这能够通过确保相应地设置周围环境照明来实现。在睡眠时间期间，然而，当在测量期间必须打开光的情况下，这能够是使患者或其他被监测对象感到极大不适。另外，重要的是照明的光谱满足要求。例如，对于测量血液的血氧饱和度重要的是具有定义波长的光，定义波长通常为红和红外。
Wieringa等人的“Contactless Multiple Wavelength PhotoplethysmographicImaging:A First Step Toward"SpO2Camera"Technology”(Ann.Biomed.Eng.33，第1034至1041页(2005))公开了一种用于基于在不同波长的体积描记信号的测量结果来对组织中的动脉氧饱和度进行非接触式成像的系统。所述系统包括单色CMOS相机和具有三个不同波长的LED的光源。相机顺序地采集在三个不同波长的对象的三个影片。能够根据在单一波长的序列来确定脉冲速率，然而要求在不同波长的至少两个影片用于确定氧饱和度。根据Wieringa等人的文章，在暗室中一次仅仅使用一个波长来执行该测量。
接触式脉搏血氧计通常将红(R)和红外(IR)(或，更精确地，在一些情况下近红外)光透射通过感兴趣对象的血管组织。能够以备选(快速切换)的方式透射并检测各自的光部分(R/IR)。在各自的光谱部分由氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)不同地吸收的情况下，最后能够处理血氧饱和度。氧饱和度(SO2)估计算法能够利用与红和红外部分有关的信号的比率。另外，算法能够考虑非脉动信号分量。通常，PPG信号包括DC分量和相对小的脉动AC分量。另外，SO2估计一般包含被应用到处理过的值的经验上导出的校准因子。
通常，根据包含有创血氧饱和度测量的参考测量来确定校准因子(或，校准曲线)。由于PPG设备基本上检测必须被传递到血氧饱和度值的(光谱)信号部分的比率，所以需要校准因子，所述(光谱)信号部分的比率通常包含HbO2和Hb的比率。例如，但不旨在限制本公开，血氧饱和度估计能够基于以下通用方程：
然而，PPG设备仅仅根据在至少两个波长的光谱响应以间接方式检测HbO2和Hb。
一般地，作为特性信号的测得的强度曲线28、29被认为包含相当恒定(DC)的部分和与DC部分叠加的备选(AC)部分。应用信号处理措施，AC部分能够被提取并且另外补偿干扰。例如，特性信号的AC部分能够包括能够高度地指示对象的血管活性，尤其是心跳的主频率。而且，特性信号，尤其是AC部分能够指示另外的生命参数。在这一点上，对动脉血氧饱和度的检测是应用的重要领域。
如上指示的，基本上，能够在考虑了特性信号在其不同光谱部分的AC部分的行为的情况下计算表示动脉血氧饱和度的值。换言之，能够以在血管处的不同辐射吸收率来反映动脉血氧饱和度的程度。另外，能够利用由于氧化作用级别的吸收率的差异还在不同光谱部分之间显著变化的事实。此外，对于血氧饱和度检测也能够利用信号的DC部分。通常，DC分量表示组织、静脉血和非脉动动脉血的总体光吸收。与之相比，AC分量可以表示脉动动脉血的吸收。因此，对动脉血氧饱和度(SaO2)的确定能够被表达为：
其中，C是校准参数。C可以代表适用于AC/DC关系的各种校准参数，并且因此不应当在方程(3)的严格代数意义上被解读。例如，C可以表示固定常数值、固定常数和可调节校准参数的集合。通过举例的方式，另一范例性SaO2导出模型能够被表达为：
其中，C1和C2能够被认为是线性近似的校准参数。在范例性实施例中，信号校准参数确定能够涉及调节或调整参数C1。而且，在备选中，SaO2导出也可以基于存放在分析单元(或可由分析单元访问)的值表。值表(或：数据库)可以提供在检测到的PPG信号与期望的校准参数之间的关系的离散表示。同样在这种情况下，自适应校准参数可以被应用以改进生命参数确定的准确性。
应当理解，方程(3)和(4)主要出于说明性目的而被呈现。它们不应当被解释为对本公开的范围的限制。实际上，技术人员可以确定并建立另外的合适的SaO2导出模型。取决于要被检测的物质，能够使用备选波长组合，例如绿和红。尽管已经详细描述了对SaO2的测量，但是这应被理解为测量血液和/或组织中的物质的浓度的一般概念的范例。
用于确定血液气体分压，尤其是用于确定在血液中的二氧化碳分压的设备能够利用用于SpO2检测的这样的原理。另外，备选地或另外，诸如热相机的远程温度检测器能够被用于远程地感测在或接近用于氧饱和度测量的测量侧的温度。不言而喻，温度检测器能够被配置用于检测温度相关的测量值，因为基本上能够通过温度检测器来检测皮肤温度(表面温度)而非血液温度(在皮肤表面下面)。然而，基于温度相关的测量，能够计算并导出血液温度水平。
以这种方式，能够建立用于确定诸如二氧化碳分压的血液气体分压的合适的基础，因为能够获得氧饱和度值和相关的温度相关值的合适的对。
根据本公开的另一方面，所述血液气体分压是二氧化碳分压，其中，所述血液气压处理器被布置为二氧化碳分压处理器，并且其中，所述血液气体压力处理器还被配置用于确定能归因于呈现对象的血液pH值的表示pH的值。
以这种方式，所述设备被布置为通过导出对象的动脉血液的pH值考虑氧解离曲线而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定二氧化碳分压。另外，当导出二氧化碳分压时，能够考虑Henderson-Hasselbalch方程。
由于能够与温度检测一起执行氧饱和度检测，可以假设在所导出的氧饱和度测量结果的变化基本上由通过温度检测器检测的温度变化引起。给定该关系，能够根据氧解离曲线(ODC)来导出pH值。因此，考虑Henderson-Hasselbalch方程，能够计算出血液气体分压，即二氧化碳分压。
根据另一方面，所述温度检测器还被配置用于监测在所述对象的皮肤上的至少两个测量区，其中，所述至少两个测量区呈现出不同的血液温度水平。
因此，氧饱和度传感器还应当相应地被配置为，即，优选地在基本上相同的测量位点处或至少基本上相邻的测量位点处执行温度检测和氧饱和度检测。以这种方式，能够确保在氧饱和度值和相应温度值之间的紧密联系。在这一点上，强调最细微的温度差异能够被利用于检测并导出期望的信号。因此，没有用于通过在对象皮肤的测量位点处主动加热或冷却并且执行主动温度测量来调节血液温度水平的另外的需要。
在这一点上，还优选的是，所述温度检测器被配置用于检测在多个测量点的温度值。例如，如果温度检测器被布置为光学检测器，则能够监测感兴趣对象的相当大的表面部分的温度。以这种方式，血液气压处理器还能够被配置用于执行温度插值，所述温度插值用于基于氧饱和度测量位点周围的多个温度测量位点对在目前氧饱和度测量位点处的实际温度进行插值。以这种方式，在特殊的氧饱和度测量点的温度效应不能够影响整体血液气体分压确定精确度。
血液气压处理器还可以被配置用于基于各种优化要求来选择测量点和/或测量位置。例如，能够选择确保在目前测量中的最小二氧化碳分压的测量位点。换言之，当基于优化算法仅仅那些点或位点被选择用于可以实现高准确度的进一步处理时能够监测多个测量点或位点。
根据设备的另一方面，温度检测器能够被布置为光学检测器，所述光学检测器包括至少一个感测元件，其用于感测指示实际温度值的电磁辐射。
能够进一步发展该实施例，其中温度检测器被布置为热成像传感器，尤其被布置为热成像相机。
基本地，热成像传感器能够被布置为远程传感器，例如被布置为包括能够感测红外辐射的至少一个光电二极管的传感器。这样的热成像传感器能够被配置用于被附接到对象的皮肤。然而，在备选中，包括用于感测在红外波长范围的电磁辐射的至少一个二极管的热成像传感器能够被布置为远程非接触式传感器。如果温度检测器被布置为热成像相机，能够提供多个传感器元件，例如感测元件的阵列。这样的阵列能够被布置例如为CMOS-传感器(互补型金属氧化物半导体传感器)、被布置为CCD-传感器(电荷耦合设备传感器)等。优选地，传感器阵列被配置为传感器面板。还优选的是，这些面板是可操作的从而检测在红外光谱中的入射辐射。
根据设备的另一实施例，所述温度检测器还包括能附接到对象的皮肤的至少一个光学温度指示器，其中，所述至少一个光学温度指示器能够响应于温度的变化而呈现出性质变化。通过范例的方式，所述至少一个光学温度指示器能够利用所谓的热色性物质和材料。以这种方式，不需要能够“直接”测量在感兴趣对象处的温度的温度检测器。例如，利用图像处理，至少一个光学温度指示器的检测到的性质变化(例如颜色变化)能够被检测并被分析从而导出潜在的温度变化。假定也能够使用诸如视频摄像机的成像设备来执行氧饱和度测量，基本上相同的成像设备能够被用于检测指示氧饱和度的值和指示温度的值。视频数据能够被捕获并被分析从而提取温度相关的信息和包括在皮肤性质的微小变化的表示的皮肤表示，其允许检测氧饱和度值。
甚至能够进一步发展该实施例，其中，所述至少一个光学温度指示器被布置为至少部分透明的温度指示器。以这种方式，能够在基本上相同的测量位点，或在彼此相邻的相应测量位点执行温度检测和氧饱和度检测。
根据设备的另一方面，所述氧饱和度传感器被布置为光学传感器，其能够感测指示对象的组织的血液灌注在至少两个不同波长部分的电磁辐射。为了这个目的，氧饱和度传感器可以被提供具有至少一个光电二极管，其与能够选择性地发射在至少两个波长部分的电磁辐射的光源耦合。不断地切换或交替光源并且对应地使至少一个光电二极管同步可以允许交替检测在至少两个不同波长部分的电磁辐射，其能够被处理并被分析从而最后导出氧饱和度值。在备选中，可以利用至少两个光电二极管，其中的每个被分配给不同的波长部分。
根据设备的又一方面，所述氧饱和度传感器被布置为图像传感器，尤其被布置为成像相机，其能够感测在至少一个特定波长范围中的电磁辐射。通过举例的方式，成像相机能够感测可见辐射。如果成像相机具有允许感测也在红外波长范围中的电磁辐射的扩展的响应性，这能够是进一步有利的。以这种方式，能够捕获可见辐射，例如皮肤表示，连同红外辐射，例如指示温度的皮肤表示。如以上指示的，在一些实施例中，诸如成像相机的单个成像传感器能够被利用于温度检测并被利用于氧饱和度测量检测。
特别优选的是，在非干扰远程基础上执行温度检测和氧饱和度测量。这可以暗示没有检测器、传感器或感测元件被附接到对象的皮肤。以这种方式，能够实现相当无干扰的测量。不言而喻，利用远程成像相机的这样的实施例还能够与被附接到对象的皮肤的至少一个光学温度指示器组合。
然而，在一些实施例中，温度检测器能够被布置为能附接到对象的皮肤的接触式传感器。为了检测不同的温度水平，温度检测器可以包括可以被附接到对象的皮肤的多个温度检测器元件。因此，能够检测在对象的不同温度水平，其可以被利用于确定期望的血液气体分压。
根据设备的又一方面，温度检测器和氧饱和度传感器还能够以允许检测血液温度和血氧饱和度的循环间变化的采样速率进行操作。已经观察到，由于循环间冷却效应，血管中的脉动血液的局部温度在心跳周期期间可以变化。因此，使温度测量和氧饱和度测量同步将是有利的。还已经观察到，循环间血液温度变化通常具有可以随血液体积流量的增加并且随在诸如动脉的相应血管和应用所述测量的皮肤部分之间的距离的增加而减小的幅度。
检测循环间变化和使温度测量和饱和度测量同步能够贡献于显著减少要求测量位置和/或测量位点的数量。换言之，在不同位置处的血液的温度和氧饱和度的测量能够至少部分地由测量在心跳周期内的不同时间阶段和/或时刻的温度和氧饱和度来代替。观察到的效应还能够被利用于测量皮肤灌注和类似的循环参数。因此，本公开的设备甚至可以更宽泛地应用于患者监测。
已经进一步观察到，由于心跳，在患者中的循环间热波动也可以是测量灌注(动脉)血液的指示器。因此，检测这些波动可以被认为是检测动脉血液气体参数的指示，其确保实际测量是诊断上相关的和结论性的。
例如，可以在大约10Hz至30Hz或甚至更高的范围中选择采样速率。如本文中使用的，循环间变化可以代表在心率周期和/或呼吸率周期内的温度变化和氧饱和度。假定相当高的采样速率是可能的，设备能够有利地被配置用于也在循环周期内的时间相关的检测。以这种方式，能够实现高分辨率的测量。这可以是进一步有利的，因为以这种方式能够检测在心率和呼吸率周期内的温度变化连同对应氧饱和度测量值。因此，根据前述主要方面，针对温度检测的单个测量位点和针对氧饱和度测量的单个测量位点能够足以用于导出期望的血液气体分压。
不言而喻，还优选的是，使温度检测和氧饱和度测量同步。例如，血液气压处理器可以包括能够以期望的采样速率启动测量的时钟发生器和/或时间追踪器。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于对患者进行通气的系统，所述系统包括根据前述方面中的任一项所述的设备和患者通气接口，其中，所述温度检测器被附接到所述患者通气接口。假定使用本公开的前述设备，允许对血液气体分压的准确确定，通气参数可以被调整从而使得能够进行改进的患者处置。这对于患有若干肺部疾病的患者尤其有利。
在这一点上，温度检测器和氧饱和度传感器中的至少一个能够被附接到在通气处置期间被应用到患者的诸如通气面罩的患者接口，这是进一步有利的。因此，能够实现接触式监测或几乎接触式监测，其可以允许简化的检测器和/或传感器。例如，能够感测红外辐射和/或近红外辐射的至少一个二极管能够被附接到患者通气接口以用于温度检测。另外，诸如相机或光电二极管的阵列的相当简单的图像传感器能够被耦合到患者通气接口以用于检测和监测氧饱和度。温度检测器和氧饱和度传感器中的每个可以被配置用于监测在患者通气接口内的患者的皮肤部分或位于患者通气接口外部的患者的皮肤部分。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于无干扰地确定在感兴趣对象的循环系统中的血液中的血液气体分压的方法，所述方法包括以下步骤：
-非干扰地检测指示对象的血液的目前固有的自然温度水平差异的温度相关的测量值；
-考虑所述温度相关的测量值而非干扰地导出所述对象的所述血液的氧饱和度测量结果；并且
-考虑所述对象的目前血液温度水平差异而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定被监测对象的血液气体分压。
确定所述血液气体分压的步骤还可以包括以下步骤：确定能归因于呈现所述对象的血液pH值的表示pH的值，优选地包括考虑能归因于检测对象的血液的温度相关的测量值的血液的所导出的氧饱和度测量结果的变化而根据氧解离曲线来导出所述表示pH的值。
在本发明的又一方面中，提供了一种包括程序代码模块的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于使为医学设备或系统的部分的计算机执行所述方法的步骤。如本文中使用的，术语“计算机”可以代表各种处理设备。换言之，具有相当大的计算能力的移动设备也能够被称为计算设备，即使它们比标准“计算机”提供更少的处理功率资源。不言而喻，这样的“计算机”能够是医学设备和/或系统的部分。另外，术语“计算机”也可以是指分布式计算设备，所述分布式计算设备可以包含或利用在云环境中提供的计算能力。术语“计算机”也可以是指医学技术设备、健身器材设备和总体上能够处理数据的监测设备。在从属权利要求中限定了本公开的优选实施例。应当理解，要求保护的方法和要求保护的计算机程序能够具有与要求保护的设备以及与在从属权利要求中限定的类似优选实施例。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的方法具有与要求保护的设备以及与在从属权利要求中限定的类似和/或相同的优选实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面将参考下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并将参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在以下附图中：
图1示出了根据氧气分压pO2的针对对象的动脉血液的不同pH值的氧血红蛋白解离曲线(OHDC)的范例；
图2示出了根据温度的针对对象的动脉血液的不同pH值的氧血红蛋白解离曲线的范例；
图3示出了根据氧气分压pO2的针对对象的动脉血液的不同温度的氧血红蛋白解离曲线的范例；
图4示出了根据图3中示出的曲线导出的根据氧气分压pO2的针对对象的动脉血液的不同温度值推断的氧血红蛋白解离曲线(delta OHDC)的范例；
图5示出了根据本公开的实施例的系统的简单示意性图示；
图6示出了表示感兴趣对象呈现出指示不同血液温度水平的不同皮肤温度水平的样本框架，其可以被利用于检测氧气分压；
图7示出了根据本公开的实施例的备选系统的简化示意性图示；
图8示出了用于确定可以在图5和图7中图示的系统中的任何中实施的血液气体分压的设备的简化示意性图示；以及
图9示出了表示根据本公开的方法的实施例的若干步骤的说明性方框图。
具体实施方式
在图1中示出了氧解离曲线的范例。图1示出了在37℃的温度T和25mmol/L的碳酸氢根(HCO3 -)浓度在具有不同pH值7.3、7.4和7.5的曲线(在氧气分压pO2和氧饱和度sO2之间的关系)的变化。这能够根据以下的玻尔效应针对患者的温度TP[℃]和[mmol/L]的浓度HCO3(碳酸氢根离子)而被校正：
然而以mmHg为单位，
(然而，在该范例中，标定条件是：pH＝7.4，T＝37℃，并且浓度HCO3 -＝25mmol/L)。
参考图1，观察到，对于没有任何呼吸状况的成年人(55以下)，氧饱和度应当为约97-100％(动脉氧气分压，PaO2>12kPa)，然而，对于患有慢性阻塞性肺部疾病(COPD)的患者，氧饱和度一般在88-92％(7.3<Pa02<8.5kPa)之间的范围，因为由于其状况，他们不能够从他们的肺中排除二氧化碳并且二氧化碳被保留。另外，可以由睡眠呼吸暂停引起在87-89％的范围中的低氧饱和度，其使气道收缩，并且减少肺部可以吸收的氧气的量。
根据本公开的方面，提出了利用患者的(动脉)血液的固有的温度差异，而非仅仅对其进行补偿和/或调节。当例如在应用(接触式)血氧计的测试位点处对患者血液的温度进行调节时，提前已知温度水平。背离该原理，本发明提出在不影响温度的情况下通过定义的主动加热和/或冷却来检测温度水平。
进一步参考图2，其中，示出了表示不同pH值的若干氧饱和度曲线，图示了根据指示患有慢性阻塞性肺部疾病(COPD)的患者在恒定8kPa氧气分压的局部血液温度的氧饱和度。图3和图4图示了另一氧饱和度和指示温度依赖性的delta氧饱和度表示曲线。通过(例如，以经由皮肤温度的间接方式)检测血液温度，能够识别基本上未知的参数，并且因此，能够从氧解离曲线导出期望的二氧化碳分压(通常也被称为氧血红蛋白解离曲线)。
进一步强调，结合本公开，能够实现对在患者的血液中的二氧化碳分压的真实无干扰确定，因为至少在一些实施例中，可以远程地监测和检测氧饱和度和血液温度(例如，指示在对象的皮肤处的温度水平的血液温度)两者。由于不要求主动温度调节和/或温度管理，至少在很大程度上能够避免干扰接触式装备到患者的皮肤的附接。在下文中，更详细地描述了本公开的设备的若干实施例。
图5图示了用于对对象或患者12进行通气的范例性系统10的实施例，其中，能够使用用于确定血液气体分压，尤其是在对象12的血液中的二氧化碳分压的设备。值得提到的是本公开中公开的设备可以使用在各个领域中，并且可以得到广泛应用。因此，本公开不限于利用这样的设备的通气系统10。
接受无创通气处置的对象12将加衬垫的面罩14带在其鼻子和嘴巴上。更一般地，面罩14可以被称为患者接口，尤其被称为用于通气的患者接口。面罩14可以供应经加压的气体以供患者呼吸。例如，气体可以包括至少两个气体成分，例如，氧气和氮气。这些气体成分可以由第一气体容器20和第二气体容器20提供。第一气体容器20和第二气体容器22可以包括经加压的各自的气体罐，或与各自的导管耦合。被递送到对象的气体由阀门18混合，并且经由气体分析器16被馈送到面罩14，以用于监测要被递送的气体的性质。
尽管实施例将气体成分图示为由两个单独的气体容器20、22提供，但是能够认识到气体可以混合并且经由诸如加压罐的单个容器被提供。备选地，第一气体容器20和第二气体容器22可以由压缩器代替，压缩器将周围空气加压以递送到患者或对象12。这可以包括氧浓缩器以增加要被递送到对象12的空气的氧气的浓度。还可以包括二氧化碳洗涤器，其用于去除来自由患者呼出的呼吸的二氧化碳来对空气进行再循环。本领域技术人员可以设想气体来源的许多备选布置。
气体分析器16的输出可以被连接到在设备30上提供的处理单元36，以用于确定血液气体分压。处理单元36可以被耦合到阀门18，从而调整递送到对象12的气体混合。处理器单元36包括血液气体压力处理器38。关于用于确定血液气体压力的相关常规方法和装置，例如二氧化碳分压，参考WO 2012/077065 A1。
设备30还可以包括用于促进确定和导出处理的若干感测元件。例如，可以提供至少一个温度检测器32和至少一个氧饱和度传感器34。如在图5中图示的实施例中示出的，原则上，至少一个温度检测器32和至少一个氧饱和度传感器34可以被布置为远程无接触式无干扰传感器。例如，温度检测器32可以被布置为光学温度检测器，优选被布置为热成像传感器。氧饱和度传感器34也可以被布置为光学传感器。在一些实施例中，传感器32、34可以被组合并且被布置在常见外壳中。在相同的感测元件能够感测在指示热(温度)信息和指示氧饱和度信息的波长范围中的电磁辐射的情况下，能够利用单种类型的传感器。在基本上相同的时间和基本上相同的位置监测指示氧饱和度的值和指示血液温度的值，对象的皮肤允许对部分二氧化碳测量结果的导出和/或推断。
图6示出了要被监测患者或对象12的热图像的表示。具体地，示出了对象12的颈部和面部。由于利用诸如在图5中示出的温度检测器32的热成像器来捕获图像，所述表示包含对象12的热信息。基本上，提供了皮肤温度相关的热信息，然而，其也指示在对象12中的血管的温度。在对象12的面部50，指示出若干点和/或测量区52a、52b、52c。因此，不同水平的温度和氧饱和度能够被测量并且被用于检测期望的值。最后，基于在温度的变化和/或氧饱和度的变化之间的校正，能够计算血液气体压力值。
图7示出了用于确定血液气体分压的设备10b的备选布置，其可以被耦合到通气系统10a。通过举例的方式，设备10b包括单个传感器主体或外壳，其中可以布置(光学)温度检测器32和(光学)氧饱和度传感器34两者。例如，传感器32、34两者能够利用相同的成像设备，例如CCD和/或CMOS设备。通过虚线来指示对象12的(裸露)皮肤的测量区52。两个传感器可以观察和监测在测量区52中的基本上相同的点或位点。为了图示另一备选实施例，温度指示器元件54被附接到对象的测量区中。温度指示器元件54可以被布置为光学温度指示器元件54，其可以在体验到温度变化时呈现出性质变化。以这种方式，温度检测和氧饱和度检测一般可以基于(一个或多个)相同的(图像)数据集。在该实施例中，血液气压处理器38能够利用图像处理算法，从而从由温度检测器(传感器)32检测的指示器元件54的任何性质变化来导出温度变化。由于基本上对于指示器元件54不要求线缆连接，所以患者12体验该途径也是相当无干扰的。
图8图示了，在根据本公开的设备10b的备选实施例中，温度检测器32和氧饱和度传感器34中的至少一个可以被附接到面罩14的患者接口。这样的布置具有可以在很大程度上减小在对象12和任何传感器32、24之间的距离的益处。因此，能够减小信噪比，因为例如能够避免由于在对象12和任何传感器32、24之间的相对运动的运动伪影。在该实施例中，温度检测器32和/或氧饱和度传感器34可以被布置为非远程传感器。因此，能够在不损害测量准确度的情况下减小传感器的复杂性。不言而喻，在一些实施例中，可以在紧贴患者的皮肤的面罩14上仅仅提供温度检测器32和氧饱和度传感器34中的一个。由于通气患者已经必须佩戴相当干扰的面罩14，将至少一个传感器32、34添加到面罩14将最可能不会使患者12体验为甚至更不愉快的。
因此关于在图8中示出的实施例强调，本公开的主要方面可以具有也结合接触式传感器的有益作用。能够利用用于温度检测的各种接触式传感器。(例如，可附接到对象的手指或耳垂)的接触式脉搏血氧计也可以是可应用的。
图9示意性地图示了确定在感兴趣对象的循环系统中的血液中的血液气体分压的方法。在步骤100，可以启动方法和相关过程。步骤102可以包括检测指示对象的血液的目前温度水平的温度相关测量值。另一步骤可以包括考虑所述温度相关的测量值而检测所述对象的血液的氧饱和度测量结果。对于步骤102和104没有指定预定义的顺序。步骤102、104两者可以在基本上相同的时间执行。换言之，能够收集在基本上相同的时刻检测到的值对。在另一步骤106中，考虑所述对象的目前血液温度水平而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定被监测对象的血液气体分压。步骤106还可以包括子步骤108，其中，确定能归因于呈现对象的血液pH值的表示pH的值。优选地，步骤108还包括考虑能归因于检测到的对象的血液的温度相关的测量值的所述血液的所述导出氧饱和度测量结果的变化而根据氧解离曲线来导出表示pH的值。在步骤110，所述方法可以结束。不言而喻，在连续监测过程中可以使用所述方法。当然，也能够进行抽查监测。
通过举例的方式，本发明能够被应用在例如非干扰远程患者监测的健康护理、一般监控、安全监测以及诸如健身器材的所谓的生活方式环境等的领域中。应用可以包括对氧饱和度(脉搏血氧计)、心率、血压、心输出量、血液灌注变化的监测、对自主神经功能的评估和对外周血管疾病的检测。不言而喻，在根据本发明的方法的实施例中，能够以改变的顺序或甚至同时地执行本文中描述的步骤中的若干。另外，也能够在不脱离本发明的范围的情况下跳过所述步骤中的一些。
尽管已经在附图和前述描述中详细图示并描述了本发明，这样的图示和描述被认为是图示性或范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、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够理解并实现对所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载的特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程通信系统。
在权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于无干扰地确定在感兴趣对象(12)的循环系统中的血液中的血液气体分压的设备(30)，所述设备(30)包括：
-非干扰温度检测器(32)，其用于检测指示目前固有的自然血液温度水平差异的温度相关的测量值；
-非干扰氧饱和度传感器(34)，其用于考虑所述温度相关的测量值而导出所述对象(12)的所述血液的氧饱和度测量结果；以及
-血液气压处理器(38)，其用于考虑所述温度相关的测量值而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定被监测对象(12)的血液气体分压，所述温度相关的测量值指示所述对象(12)的目前血液温度水平差异。
2.根据权利要求1所述的设备(30)，其中，所述血液气体分压是二氧化碳分压，其中，所述血液气压处理器(38)被布置为二氧化碳分压处理器，并且其中，所述血液气压处理器(38)还被配置用于确定能归因于所述对象(12)的目前血液pH值的表示pH的值。
3.根据权利要求1所述的设备(30)，其中，所述温度检测器(32)还被配置用于监测在所述对象的皮肤处的至少两个测量区(52a、52b、52c)，其中，所述至少两个测量区(52a、52b、52c)呈现出不同的血液温度水平。
4.根据权利要求1所述的设备(30)，其中，所述温度检测器(32)被布置为光学检测器，所述光学检测器包括用于感测指示实际温度值的电磁辐射的至少一个感测元件。
5.根据权利要求4所述的设备(30)，其中，所述光学检测器为热成像传感器。
6.根据权利要求5所述的设备(30)，其中，所述热成像传感器为热成像相机。
7.根据权利要求4所述的设备(30)，其中，所述温度检测器(32)还包括能附接到所述对象的皮肤的至少一个光学温度指示器(54)，其中，所述至少一个光学温度指示器能够响应于温度(54)的变化而呈现出性质变化。
8.根据权利要求1所述的设备(30)，其中，所述氧饱和度传感器(34)被布置为光学传感器，所述光学传感器能够感测指示对象的组织中的血液灌注的在至少两个不同波长部分处的电磁辐射。
9.根据权利要求8所述的设备(30)，其中，所述光学传感器为图像传感器。
10.根据权利要求9所述的设备(30)，其中，所述图像传感器为能够感测在至少一个特定波长范围中的电磁辐射的成像相机。
11.根据权利要求1所述的设备(30)，其中，所述温度检测器(32)和所述氧饱和度传感器(34)还能够以允许检测血液温度和血氧饱和度的循环间变化的采样速率进行操作。
12.根据权利要求1所述的设备(30)，还包括用于使所述温度检测器(32)与所述氧饱和度传感器(34)同步的时钟发生器。
13.一种用于对患者进行通气的系统，所述系统包括：
-根据前述权利要求中的任一项所述的设备(30)；以及
-患者通气接口(14)；
其中，所述温度检测器(32)被附接到所述患者通气接口(14)。
14.一种用于无干扰地确定在感兴趣对象(12)的循环系统中的血液中的血液气体分压的方法，所述方法包括以下步骤：
-非干扰地检测指示对象的血液的目前固有的自然温度水平差异的温度相关的测量值；
-考虑所述温度相关的测量值而非干扰地导出所述对象(12)的所述血液的氧饱和度测量结果；并且
-考虑所述对象(12)的目前血液温度水平差异而根据所导出的氧饱和度测量结果来确定被监测对象(12)的血液气体分压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定所述血压气体分压的步骤包括：
-确定能归于所述对象(12)的目前血液pH值的表示pH的值，包括考虑能归于检测到的所述对象的血液的温度相关的测量值的所述血液的所述导出的氧饱和度测量结果的变化而根据氧解离曲线来导出所述表示pH的值。
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