CN107106051B - 无创脱水监测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于无创地测量生物(62)的水合状态的设备(10)和方法。为了在使用方便性、成本效益和递送结果的准确度方面进行改进，所提出的设备包括：第一光源(14)，其用于将第一波长的光发射到所述生物(62)的组织部分(12)中；偏振单元(18)，其用于在所发射的光与所述组织部分(12)的相互作用之前使所发射的光的至少部分偏振；第一光检测器(26)，其用于检测在所述组织部分(12)处反射的第一波长的偏振光；以及处理单元(32)，其被配置为根据检测到的反射的偏振光导出组织水合参数，并且被配置为基于所述组织水合参数来确定身体水合指数。

Description

无创脱水监测

技术领域

本发明涉及一种用于测量生物的水合状态的设备以及一种对应的方法。

背景技术

脱水，尤其是因肠胃炎或引起呕吐、腹泻和发烧的其他疾病(例如，幽门狭窄、甲状腺功能亢进症、尿崩症、囊性纤维化、肠缺血等)引起的脱水，是常见的儿科疾病。根据疾病控制和预防中心，对于小于5岁的儿童，腹泻疾病的年发生率大约为15亿，每年的死亡人数估计为在150万至250万之间。此外，显著的证据表明成长引起身体水分组成的变化，并且平均而言在老年人中肾功能和口渴感觉会下降。这三个因素考虑了老年人群中的脱水的普遍性。在一项研究中，6.7％的年龄在65岁及以上的住院患者被诊断出脱水。此外，1.4％的患者具有作为主要诊断的脱水。长期护理设施(LTC)中的前瞻性研究表明，在50％的发热事件中就诊人员会脱水，并且27％LTC就诊人员群体因为脱水而住院。

脱水在老年人中不仅是常见的，而且是非常严重的病症。如果没有得到足够的处置，患有脱水的老年患者的死亡率是高的，并且在一些研究中超过50％。在发病率方面，许多研究示出了高程度的脱水与差的精神功能之间的关联性。另外，发现脱水是血栓栓塞并发症、感染性疾病、肾结石和顽固性便秘发展的重要风险因素。

尽管脱水几乎总是可以避免的，但是在医院或初级护理环境中常常不会足够快速地识别脱水。尽管能够管理其自身液体摄入的个体也被认为处于风险中，但是老年人和幼儿往往是最脆弱的。对于老年人来说，这常常是由于肾功能降低，口渴感觉下降以及对诸如糖尿病的长期病症的易感性增加。对于儿科群体而言，这是由于婴儿和儿童非常容易受到血容不足的影响，这是因为婴儿和儿童相对于成人而言具有较高的身体水分含量，并且具有针对质量指数的较高的代谢率和增加的身体表面积，这意味着他们比成人成比例地需要更多的水分量以便维持他们的液体平衡。

对脱水的临床评估是困难的且高度主观的。脱水的常见特征是口干、干燥且发暗的舌头、增加的脉搏率、弱的脉搏压和脉搏强度、增加的呼吸率、升高的体温(即，发热)、舌头的侧向开沟和开裂、牙齿凹进牙龈。另外，在婴儿和幼儿中，包括眼睛外观、囟门(软斑)外观、活动水平和皮肤肿胀的其他主观症状也常规地用于脱水的诊断中。

作为由于要求的高度主观性而引起的在可靠地评估脱水的临床相关生理症状的范围中的困难性的结果，显著需要能够可靠且容易地使用的并且在临床上相关的对个体(尤其是来自老年人和儿科人群群体的个体)的脱水状态的客观量度。

测试或监测非常年轻的患者和非常年老的患者的脱水状态对于健康工作者而言是困难且复杂的问题。当没有及时诊断时，脱水会以营养不良、肾衰竭、肝功能衰竭、深部静脉血栓形成的方式对患者的健康具有严重效应。有时这些效应会是致命的。全身水分和血清渗透压测量对于测量脱水水平而言是广泛接受的技术，但是该技术既有创且耗时。

在US 2007/0048224 A1中，公开了一种被配置为测量用户的水合水平的水合传感器或感测元件。所述感测元件能够包括被定位在两种不透水材料之间的透水材料。所述感测元件能够被耦合到液体的瓶或具有定时器的载体。所述感测元件能够被并入到手持式设备中。所述感测元件能够是一次性元件、适用于多于一次使用的元件或可重复使用的元件。所述感测元件或传感器能够针对特定用户或用户的组进行校准。不测量用户的水合水平的一个或多个额外的传感器能够被耦合到水合感测元件，以确定用户在不同状况中的液体消耗量。

在WO 2009/027898 Al中公开了一种用于测量皮肤性质的方法和装置。为了改进脱水水平的检测的准确度，提出了一种装置，包括：定位单元，其被配置为将所述装置定位在皮肤片块上；激光传感器，其被配置为通过利用自混合技术来测量所述激光传感器与所述皮肤片块之间的距离；其中，所述定位单元还被配置为在所述皮肤片块上生成负压力从而增加所述皮肤片块的表面，并且将所述激光传感器定位在预定位置处。

然而，仍然需要对脱水的切合实际的、用户友好的且可靠的检测以及早期报警。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于无创地测量生物的水合状态的设备以及一种对应的方法。尤其地，需要在使用方便性、成本效益和递送结果的准确度方面的改进。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于测量生物的水合状态的设备。所述设备包括：i)第一光源，其用于将第一波长的光发射到所述生物的组织部分中；ii)偏振单元，其用于在所发射的光与所述组织部分的相互作用之前使所发射的光的至少部分偏振；iii)第一光检测器，其用于检测在所述组织部分处反射的所述第一波长的偏振光，所述偏振光在所述反射中保持其偏振；iv)第二光检测器，其用于在所述第一波长的所述光与所述组织部分的相互作用之后检测所述第一波长的光；v)处理单元，其被配置为根据检测到的反射的偏振光的强度导出组织水合参数并基于所述组织水合参数来确定身体水合指数；其中，所述处理单元还被配置为根据检测到的光导出组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，尤其是心率和/或呼吸率，并且所述处理单元还被配置为基于所述组织颜色参数和/或基于所述生命体征参数来确定所述身体水合指数。除了在所述组织部分的所述表面处直接反射的光(即，由第一光检测器检测到的偏振光)之外，还检测到已经不同地与所述组织部分相互作用(例如，反向散射)的光。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于测量生物的水合状态的方法。所述方法包括以下步骤：i)将第一波长的光发射到所述生物的组织部分中；ii)在所发射的光与所述组织部分的相互作用之前使所发射的光的至少部分偏振；iii)检测在所述组织部分处反射的所述第一波长的偏振光，所述偏振光在所述反射中保持其偏振；iv)在所述第一波长的所述光与所述组织部分的相互作用之后检测所述第一波长的非偏振光；并且v)根据检测到的反射的偏振光导出组织水合参数，并且基于所述组织水合参数来确定身体水合指数，其中，所述方法还包括以下步骤：根据探测到的非偏振光导出组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，尤其是心率和/或呼吸率；并且基于i)所述组织水合来确定所述身体水合指数。

在本发明的又另外的方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上执行所述计算机程序时令计算机执行在本文中公开的方法的步骤；还提供了一种在其中存储有计算机程序产品的非瞬态计算机可读记录介质，所述计算机程序产品当由处理器运行时令在本文中公开的方法被执行。

在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，请求保护的方法、计算机程序和介质具有与请求保护和在从属权利要求中所限定的设备相似和/或相同的优选实施例。

本发明描述了一种无创、实时、用户友好且可靠的脱水诊断方法，其用于在脱水的早期阶段识别处于风险中的老年人/年轻人，以例如使得能够以适当的处置及时进行护理提供者的介入。

本发明基于通过评价其表面处的组织部分的反射率而对组织部分的干燥度进行的光学评估。良好水合的组织部分是湿润且有光泽的，并且比脱水的组织部分反射更多的光。为了利用这一点，提出了将光发射到组织部分中并确定反射光的量。直接反射光的强度(与所发射的光的强度有关)与组织部分的反射率成比例。这再次与组织部分的湿润度(换言之，组织水合)成比例。

不是所有的光都在组织部分的表面处被反射。一些光也进入组织部分并且被反向散射。期望获得针对在组织部分的表面处反射且没有反向散射的光的量的量度。在组织表面处直接反射的光将不改变其偏振。与之相反，进入组织且反向散射的光将会去偏振。

因此，为了获得可靠的测量结果，提出使用由光源发射的变化偏振的光(非偏振光)。在光与组织部分的相互作用之前，即，在光到达组织部分之前，所发射的光的至少部分被偏振。为此，偏振单元被包括在根据本发明的设备中。因此，已知偏振的光被发射到组织部分中(即，被照射到组织部分上)。在被偏振之后，所发射的光与组织部分相互作用。尤其地，光中的至少一些在表面组织部分处被反射并保持其偏振。另一部分将从组织内部被反向散射并由此被偏振。保持其偏振的光要由第一光检测器检测到。借助于用于检测偏振光的第一光检测器来确定光的直接反射的部分。

第一光检测器可以包括偏振单元或偏振滤波器。然而，也可能包括与第一光检测器分离的偏振单元。第一光检测器被配置为对这样的光进行检测：所述光以与在由偏振单元偏振之后的所发射的光的至少部分相同的方式被偏振。

换言之，在组织部分处的相互作用(反射)之后被反向散射，并且因此去偏振的光的部分并没有被检测到或被阻挡且将不会达到第一光检测器。直接反射光(例如在660nm处和在940nm处)的量与组织部分的光泽度/湿润度成比例。这直接涉及生物的水合(脱水)。

所发射的光优选地可以具有660nm或940nm的波长(第一波长)，但是也可以是其他波长的。光尤其可能是由一个或多个LED所发射的。波长被约束到第一波长(第一波长的偏振光被检测到)以允许导出生命体征参数和/或提供定义的特性。

常常地，例如当在闭嘴时在舌头上执行测量时，环境光的影响不是非常显著的。也可以能够以特定频率(例如，100-300Hz)照射组织并针对对抗环境光影响的鲁棒性而相应地过滤检测到的光。

根据通过测量反射的偏振光的强度而获得的所确定的反射率，导出了针对组织水合的量度。该组织水合参数然后能够再一次用于确定指示生物的水合状态的指数(身体水合指数)。该指数可以在绝对标度或相对标度上指示水合状态。尤其地，该指数可以指示来自正常状态的导出物，即，提供关于身体水合是否能够被认为处于正常边界内的信息。两者单个测量结果以及随时间段进行监测也是可能的。

为了获得有意义的结果，可以需要当前测量结果能够与之比较的组织水合的参考测量结果。身体水合指数可以表示该比较结果，即，包括相应的参考值，或者可以仅表示必须在另一步骤中与参考测量结果进行比较的当前测量结果。

在尤其是可以连接到第一光源和第一光检测器两者以控制它们的功能的处理单元中执行该处理。所述处理单元执行所需要的处理操作以用于评价传感器读数，从其导出参数并确定期望的身体水合指数。

优选地，可以评价生物的口腔中的组织部分，例如，舌头或面颊中的组织部分。本发明尤其适于由人类应用。具体地，身体水合指数能够用于确定人类是否具是充分水合的。然而，也可能是针对其他身体部分或其他生物(动物)的应用。

本发明的设备和方法是可容易且舒服地应用的。所述设备可以以简单的手持式设备的形式来实现以用于给出对脱水的早期报警。由此，脱水筛查技术甚至对于未经训练的个人而言也可以变得更为可靠且易于使用。例如，人类可以应用口棒形式的设备来测量他自己的水合状态，或者护理提供者可以应用口棒形式的设备来测量或监测例如在医院或在老年护理设施等中的看管者的水合状态。与用于确定生物的水合状态的先前方法相比，本发明的设备的应用需要较少的训练。因此，其能够在初级护理设置中被容易地使用。这也有利地用在人力、教育和金钱方面资源有限的发展中国家中。

本发明的设备和方法允许对人类的水合状态的快速且成本有效的测量或监测。提供了针对包括发达国家和发展中国家中的婴儿、儿童、老年人、孕妇以及糖尿病患者、登山运动员和军人(但是尤其是老年人)的不同的家庭护理患者群体之中的脱水的早期警报。以人体工程学的方式获得脱水评估变得可能，其与需要诸如测试条的交换部分或需要收集诸如唾液或尿液的生物样本的先前方法或甚至依赖于有创技术的方法相比允许容易且快速的应用。

在本文中描述的设备允许克服先前方法的缺点和问题，并且可以提供可靠的、易于使用的测量结果，而不需要范围广的、高花费的且可能不舒服的测量流程。

在优选实施例中，所述设备还包括第二光检测器，所述第二光检测器用于在所述第一波长的所述光与所述组织部分的相互作用之后检测所述第一波长的所述光；其中，所述处理单元还被配置为根据检测到的光导出组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，尤其是心率和/或呼吸率，并且被配置为还基于所述组织颜色参数和/或基于所述生命体征参数来确定所述身体水合指数。除了在组织部分的表面处直接反射的光(即，由第一光检测器检测到的偏振光)之外，已经与组织部分以不同的方式(例如，反向散射)相互作用的光也被检测到。第二光检测器捕获去偏振光。具体地，第二光检测器因此捕获反向散射的光和在表面处反射的光两者。第二光检测器也可以被配置为捕获透射光，即，被定位为使得组织部分处于第一光源与第二光检测器之间。基于第二光检测器的检测到的光，处理单元可以执行光体积描计(PPG)处理。组织部分中的血容量的时间变化导致通过皮肤的光吸收的变化。这些被观察到并且PPG信号(除其他之外也被称为体积描计波)被获得。基于此，诸如心率或呼吸率的生命体征能够被导出。为此，周期性波动(PPG信号的AC分量)可以被评价。不足地水合的人会具有较高的心率和/或较高的呼吸率。

此外，还能够借助于第二光检测器并且基于PPG信号来导出组织颜色参数。该参数也可以被称为组织暗参数。为此，PPG信号(PPG信号的DC分量)的水平可以被评价。组织的颜色越暗，其可能水合得越少。

因此，所导出的生命体征和/或组织颜色参数两者还承载关于生物的水合状态的信息。所述处理单元还被配置为当确定所述身体水合参数时包括这些参数。这还允许增加所确定的身体水合指数的效度并且增加其关于生物的水合状态的显著性。

在优选实施例中，所述设备还包括：第二光源，其用于将第二波长的光发射到所述生物的所述组织部分中；第二光检测器，其用于在所述第一波长的光和所述第二波长的光与所述组织部分的相互作用之后检测所述第一波长的所述光和所述第二波长的所述光；其中，所述处理单元还被配置为根据检测到的光导出组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，尤其是心率、呼吸率和/或血氧饱和度，并且被配置为还基于所述组织颜色参数和/或基于所述至少一个生命体征参数来确定所述身体水合指数。额外地，如果提供了第二光源，则还变得能够获得针对血氧饱和度(SpO2)的读数。优选地，由两个光源发射红光和红外光。与由第一光源发射的光相比，第二光源发射相应的其他波长的光。第二光检测器捕获两个波长的和所有偏振的光。因此，反射的、反向散射的和/或透射的光(取决于布置)能够被检测到。

组织颜色参数和生命体征可以如以上概述而被确定，但是具有较高的准确度，这是由于两个波长的冗余性。此外，对两个波长的光的PPG处理能够被用于导出针对血氧饱和度的读数。由此，血液对不同波长的光的吸收特性(其对于不同水平的血液氧合而言是不同的)被利用。血氧饱和度的该读数可以用于分辨其中生物由于由其他原因引起的脱水而具有异常生命体征值(例如，升高的心率和呼吸率)的状态。通过包括第二光源和第二光检测器，因此还能够增加关于生物的水合状态的所确定的身体水合指数的效度。

在另一实施例中，所述设备还包括接触式阻抗传感器，所述接触式阻抗传感器用于确定所述组织部分的阻抗参数；其中，所述处理单元被配置为还基于所述阻抗参数来导出组织水合参数。所述接触式阻抗传感器通常将包括至少两个电极。电流能够被用于评估组织部分的生物阻抗。例如，在单个频率或多个频率(Hz-MHz)处的低水平正弦电流能够被用于测量。在组织部分干燥的情况下，总阻抗将升高。这可以是对脱水的指示。所述处理单元能够在确定所述身体水合参数时包括所述阻抗传感器的读数。此外，包括所概述的接触式阻抗传感器还可以允许增加所确定的指数的可靠性和效度。

在又一实施例中，所述设备还包括温度传感器，所述温度传感器用于确定指示所述生物的体温的温度参数；其中，所述处理单元被配置为还基于所述温度参数来确定所述身体水合指数。这样的温度传感器可以由简单的电热调节器并入。所述温度传感器允许测量所述组织部分的温度。为此，所述温度传感器通常将需要与所述组织部分接触。所述组织部分的温度是对生物的体温的指示。脱水通常会导致升高的核心体温。此外，升高的体温增加身体水分通过皮肤和肺的排出。因此，在确定身体水合指数时，温度可以被用作额外的输入参数，以进一步增加所确定的身体水合指数的效度和可靠性。

在另外的实施例中，所述设备还包括呼吸传感器，所述呼吸传感器用于确定呼吸信号；其中，所述处理单元还被配置为根据所确定的呼吸信号来导出呼吸参数，尤其是呼吸率，并且所述处理单元被配置为还基于所述呼吸参数来确定所述身体水合指数。在使用在生物的口(组织部分尤其是生物的舌头的部分)中的实施例中，呼吸参数可以通过分析呼吸信号来确定。

具体地，可以捕获对应于空气压力信号的呼吸信号并且可以通过分析口中的压力的发展来确定对应于呼吸参数的呼吸率。通常，压力随时间的发展将具有周期性特性。据此，能够导出呼吸率。如以上所概述的，增加的呼吸率可以指示脱水。所述呼吸传感器能够提供呼吸率的读数或除了借助于PPG获得的呼吸率之外或备选地可以使用的另一呼吸参数的读数。再次，所确定的身体水合指数的效度能够增加，这是因为考虑了另外的信息。

在如以上所概述的设备的又一实施例中，所述处理单元还被配置为基于所述至少一个生命体征参数和所述温度参数来确定指示所述生物的肺部问题的肺部参数。本发明的设备的应用能够从仅脱水扩展到一般性的流体状态，覆盖脱水和流体潴留两者。如果针对血液氧合的读数是可用的，则低值结合高呼吸率能够指示肺部流体潴留(例如，水肿)。也可以能够获得关于潜在肺炎的信息。这可以通过处理单元以肺部参数的形式来确定。这样的参数可以是指示问题的二元参数，或者也可以是指示问题的类型及其严重性的多维参数。因此，该实施例允许提供关于生物的健康的监测功能。

在又一实施例中，所述设备还包括射束分裂器，所述射束分裂器被布置在所述第一光源与所述组织部分之间，以用于将所发射的光引导到所述组织部分中并用于将在所述组织部分处反射的光引导到所述第一光检测器。所述射束分裂器可能被附接到所述第一光源和/或所述第二光源。所述射束分裂器将所发射的光引导到所述组织部分并从所述组织部分到所述第一检测器和/或所述第二检测器。与所述组织部分的耦合然后仍然是基于玻璃的或基于塑料的，使得确保光到组织部分中的足够的输入耦合。射束分裂器的包括尤其可以导致更准确的读数，这是因为将观察到来自环境光的较少干扰。

优选地，所述射束分裂器是偏振敏感的；和/或所述偏振单元与所述射束分裂器被集成。所述射束分裂器因此额外地提供偏振滤波功能。由此，能够确保即使规则的光检测器被用作第二光检测器，仅正确偏振的偏振光被检测到。一方面，射束分裂器可以与第一偏振单元集成，即，使由第一光源发射(到射束分裂器中)的光的至少部分偏振。另一方面，射束分裂器还能够在与组织部分的相互作用之后且在被第一光检测器捕获之前使反射光偏振(即，应用偏振敏感滤波器)。由此，能够确保第一光检测器仅检测第一波长的偏振光。

此外，在实施例中，第一光检测器包括第二偏振单元，所述第二偏振单元用于使入射光偏振。备选地，也能够是，第一光检测器还包括用于对入射光偏振的偏振单元。如果在相互作用之后且在被第一光检测器检测到之前未借助于射束分裂器或另一光学部件使光偏振，则第一光检测器也可以能够包括相当的偏振单元。第二偏振单元以与第一偏振单元相同的偏振使光偏振。有利地，这也可以允许使用标准光检测器作为第一光检测器。

在又一实施例中，所述处理单元被配置为基于将参数与预定参考参数进行比较来确定身体水合指数。优选地，将所导出的传感器参数中的一个或多个与一个或多个预定参考参数进行比较，以评估参数是否处于正常范围之内和/或根据该正常状态导出的参数延伸到哪个范围。这样的预定参考参数可以在临床评估中被确定，其中，在确保生物充分水合时建立参考参数集。预定参考参数也可以是从包括其他生物(尤其是关于诸如年龄、性别、生理机能等的参数相当的其他生物)的参数的数据库获得的。然后，可以获得正常范围的统计学定义。

在又一实施例中，所述设备还包括接口单元，所述接口单元用于向用户提供反馈信息，所述反馈信息尤其包括所述身体水合指数。用户尤其可以指生物本身(在人类的情况下)，指他的家属或指医师或护理提供者。所述接口单元允许提供反馈信息。该反馈信息尤其可以包括身体水合参数。然而，也可以提供一个或多个传感器的读数或基于这些读数的预处理信息。此外，也可以能够提供动作的可能过程的推荐作为反馈。接口单元可以以显示器的形式或任何其他视觉、听觉或触觉反馈单元的形式被并入。

在优选实施例中，所述设备包括壳体，所述壳体被配置为与包括所述组织部分的所述生物的舌头接触。这样的壳体尤其可以具有棒的形式等以被握住在人类手中以被应用在口内。感兴趣的组织部分被包括在生物的舌头中。人类的舌头和口的性质有利于应用以上概述的传感器和处理原则，使得变得能够获得具有关于水合状态的高效度的身体水合指数。因此，对生物的水合状态的移动、快速且可靠的评估变为可能。

附图说明

参考后文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将显而易见并得到阐述。在以下附图中：

图1示意性地图示了根据本发明的设备的优选实施例的功能；

图2示意性地图示了根据本发明的设备的不同受托和任选部件；

图3示出了取决于波长的氧合血红蛋白、血红蛋白和水的吸收(消光)系数的变化；

图4图示了对指示生物的来自PPG信号的生命体征的不同参数的提取；

图5图示了根据空气压力信号对呼吸样式的提取；

图6示意性地图示了本发明的处理信息；

图7给出了根据本发明的对身体水合参数的确定的范例；

图8示意性地图示了由根据本发明的设备获得的信息能够被如何进一步处理；

图9图示了根据本发明的设备的实施例的应用；

图10示出了在图9中图示的设备的顶视图和底视图；并且

图11示意性地图示了根据本发明的方法。

具体实施方式

在图1中图示了根据本发明的实施例的用于测量生物的水合状态的设备10。为了导出指示生物的水合状态的身体水合指数，评估了组织部分12的反射率。第一光源14(优选由LED并入)将第一波长的光发射到组织部分12中。在进入组织部分12之前，光的至少部分借助于偏振单元18而被偏振。在图1的实施例中，所发射的光穿过射束分裂器20。之后，所发射的光与组织部分12相互作用。所述相互作用尤其对应于光的部分在组织部分12的表面处的反射。光的另一部分可以被反向散射。图1中的箭头图示了所发射的光16、在表面处直接反射光部分22和反向散射的光部分24的可能的路径。

根据本发明，光的在表面处反向散射的部分22被用作表面反射率的指示符，所述表面反射率与表面的湿度直接相关，即，与组织水合直接相关。为了获得针对该光部分的量度并将该光部分与反向散射的光24进行区分，利用表面反射不影响光的偏振而反向散射使光偏振这一事实。

因此，能够借助于用于检测偏振光的第一检测器26仅检测光的反射部分22。检测器26尤其可以以光电二极管的形式被并入。在所图示的实施例中，包括用于在光被检测到之前使光偏振的第二偏振单元28。然而，也可以能够利用偏振敏感光电检测器。如在本文中所使用的，偏振对应于偏振敏感滤波。

基于检测到的偏振光，导出指示组织部分12的水合的参数。通常，其将足以以查找表操作形式比较所捕获的反射的偏振光的强度与预定参考值。而且，也可以能够应用线性或非线性变换函数。这样的函数或这样的查找表可以例如在参考测量活动中以实验方式来建立。

可以在相对标度或绝对标度上给出身体水合指数。例如，可以确定百分比值，其允许医师立即获得关于人是否被足够水合的信息。而且，可以确定采取简单的颜色代码(例如，红色和绿色)的形式的身体水合指数来向设备的用户提供关于是否有必要喝更多水的反馈。

所导出的组织水合参数然后被用作用于确定身体水合参数的基础。该身体水合参数指示生物的水合状态。尤其地，获得关于生物是否脱水和/或生物脱水的程度的信息是非常让人感兴趣的。这不仅在老年护理应用中而且对于儿童或对于患有多种健康病症的人而言都会是具有相关性的。

在优选实施例中，根据本发明的设备将脱水的若干生理指数组合在单个工具中，以提供对人类水合状态的快速、自动且可靠的指示。为此，优选地，人类舌头的组织部分被分析(然而，本发明不限于舌头中的组织部分，而是也可以应用于其他组织部分，例如，应用在人类的面颊中等。)。干燥的舌头是医师视觉检查的常见症状，以便识别脱水的早期体征。然而，仅仅干燥的舌头有时可能不足以预测脱水，这是因为从腮腺的唾液流率可以由于共病、药物或甚至在睡眠期间张开口而减小。因此，可以添加另外的传感器。

如图1所图示的，任选地(由虚线指示)，也能够借助于第二光检测器30检测反向散射的光。这可以允许获得PPG信号。基于该信号，能够导出生物的生命体征。这样的生命体征(例如，心率或呼吸率)能够被用作额外的输入以用于导出身体水合参数。

因此，也可以能够通过确定反射光的量(具有维持的偏振，借助于第一光检测器检测)除以反向散射的光的量(被偏振，由第二光检测器检测)来确定组织水合参数。在反向散射的光中，脉搏率(其在脱水中增加)也能够由光体积描计(PPG)导出。反射光指示组织的闪烁度，但是在反向散射的光中PPG信号也被捕获。当添加第二光源时，能够更准确地确定组织的反射率，并且能够通过例如确定第一波长处的反射率除以第二波长处的反射率来看出颜色的偏移。此外，在两者波长处的反向散射的PPG信号能够用于导出SpO2值(尽管SpO2与脱水没有明确的关系)。

图2示意性地图示了可以被包括在根据本发明的设备10的实施例中的不同部件。虚线指示任选的部件。实线指示部件是受托的。

处理单元32可以尤其可以由微处理器(IC、ASIC、FPGA等)来表示。处理单元32借助于有线或无线连接被连接到另外的部件。通常，可以包括针对不同部件的多个不同的连接。然而，也可以使用一种总线系统。处理单元32处理由不同的传感器获得的不同参数以至少从其导出身体水合指数。将参考图6和图7进一步详细描述处理单元的处理。

除了以上解释的第一光源14、偏振单元18和第一光检测器26之外，还可以包括第二光源34、第二偏振单元28以及第二光检测器30。应当指出，图2中的图示仅用于说明。图2中的部件的位置并不指示部件如何相互作用。

具体而言，第二光检测器30通常将捕获已经由第一光源14发射的第一波长的偏振光。第二光检测器20通常将检测(由第一光源30发射的)第一波长的所有偏振的光和由第二光源34发射的第二波长的所有偏振的光。为此，第一光源和第二光源可以优选地以时间复用模式进行操作和/或与第二光检测器30同步。第一光检测器和第二光检测器通常将包括用于检测某个带宽的光的(偏振敏感)光电二极管。第一光源和第二光源通常将包括至少一个LED。尤其地，第一光源14可以包括用于发射红色光(660nm波长)的LED，并且第二光源34可以包括用于发射红外光(960nm波长)的LED，或者反之亦然。通常，光源和光检测器将与组织部分直接接触(直接耦合)。然而，任选的部件也可以能够被布置在其间(例如，射束分裂器)。能够根据利用第一检测器和第二检测器捕获的信号的评价获得的参数将参考图3和图4而被进一步解释。

第二偏振单元28能够与第一光检测器26集成，以确保对偏振光的检测。而且，第二偏振单元28也能够被集成在偏振射束分裂器中。第一偏振单元和第二偏振单元两者可以包括线性偏振器(例如，吸收性偏振器或射束分裂偏振器)和/或圆偏振器。

此外，设备10可以包括用于确定组织部分的阻抗参数的接触式阻抗传感器36。除了根据检测到的反射的偏振光导出组织水合参数之外，可以借助于生物阻抗分析获得对相同参数的另一测量结果。为了这样的生物阻抗分析，可以使用接触式阻抗传感器36。例如，可以使两个或四个小型化(尺寸～mm2)的电极与组织部分相接触。在单个频率或多个频率(Hz-MHz)处的低水平正弦(或任何其他信号)电流能够用于测量。总阻抗在组织干燥的情况下将升高。该测量结果可以与以上概述的反射率分析组合以在确定身体水合指数时进一步增加可靠性和效度。

又另外，温度传感器38可以被包括以用于提供组织部分的温度的读数。该温度可以被认为是指示生物的核心体温。温度传感器38可以包括要与组织部分接触的简单的电热调节器(环氧树脂、合成物等)。脱水通常导致升高的核心体温。额外地，升高的体温使通过皮肤和肺的水分排出增加。

根据本发明的设备的一些实施例也可以包括用于获得呼吸信号的呼吸传感器40。这在本发明的设备被应用在生物的口中时是尤其相关的，这是因为呼吸率(对应于呼吸信号)能够承载关于脱水状态的另外的洞察。例如，能够根据生物的口中的空气压力导出呼吸率。这关于图5进行了进一步的图示。

在一些实施例中，接口单元42可以被包括在设备10中以向用户提供反馈信息。反馈信息尤其可以被提供到使用设备10的人类。然后，人类自己可以获得关于他的水合状态的反馈。而且，医师或护理提供者可以提供关于他的患者的反馈信息。接口单元可以包括用于将参数和所确定的身体水合指数可视化的显示器。然而，接口单元也可以能够包括用于有线或无线通信的单元。然后，参数和/或身体水合指数可以被传递到数据库或被转发到另一接收者(例如，在远程护理或监督设施中)。

图3图示了作为波长的函数的氧合血红蛋白、血红蛋白和水的吸收系数。在包括两个光检测器的本发明的实施例中，能够利用这些特性。例如，用于组织水合的量度可以借助于使用如存在于脉搏血氧计中的LED的两个波长的DC光谱(例如，660nm和940nm)来获得。为了改进该方法的鲁棒性，LED能够从(针对光体积描计和脉搏血氧计的)＞125Hz(＜8ms)的光照切换到几秒的较长光照时间以测量在多次心跳上的两者波长处的平均反射。由于脱水的人的舌头比良好水合的人的舌头略带紫色，因此舌头将反射较少红光(例如，660nm)和大约相同量的近红外光(例如，940nm)，这是因为Hb与HbO2之间的吸收的差异在近红外区域中比在红色区域中小得多(参见图3)。因此，组织暗度/紫色的量度能够由比率R＝DC660nm/DC940nm或R＝DC660nm/(DC660nm+DC940nm)来表达，这两者在组织较为暗/紫色时都减小。例如a*R+b的形式的等式也能够被使用，其中，常量a和b可以在校准实验中凭经验来确定，并且R是比率中的一个。

此外，当在血红蛋白的吸收非常小(或为零)且水的吸收相当强的区域中发射光的另一近红外LED可获得(例如，被包括在第二光源中)时，也可以获得组织水合参数。恰当的波长可以是在图3中图示的在～1000nm和～1200nm处的两个峰。当选取低于1250nm的波长时，用于血氧测定的标准光电检测器仍然可以被用于检测。然而，当使用较长的波长时，需要专用的光电检测器。当组织部分是湿润的或较不干燥时，其包含较多的水分。因此，更多的近红外光将被吸收。因此，组织干燥的量度也可以被表达为，例如DC近红外，R＝DC近红外/DC660nm，或者R＝DC近红外/(DC660nm+DC近红外)，它们在组织部分变得更为干燥时都会减小。备选地，并且与以上所解释的相当地，诸如a*R+b的形式的等式也能够被使用，其中，a和b是在校准实验中凭经验确定的常量，并且R是比率中的一个。

在图4中图示了可以如何处理PPG信号以根据其导出生命体征和/或组织颜色参数。在左侧，图4图示了660nm的波长处的PPG信号。在右侧，图示了针对940nm的波长的对应的信号。应理解，这些波长表示范例而不限制本发明。在本发明的实施例中，通常，第一光源将发射第一波长的光，并且第二光源将发射第二波长的光。在与组织部分相互作用之后，由第二光检测器检测两者波长的光。取决于一个或两个光源是否可用，能够应用不同的可能的信息处理方法。为了获得组织颜色参数，一个波长的光已经是足够的。而且，可以基于一个波长的光来确定诸如心率和呼吸率的一些生命体征参数。为此，可以使用PPG处理。分别地，能够根据得到的PPG信号的AC分量导出心率，并且能够根据DC分量导出组织颜色参数。

在图5中，图示了生物的口中的空气压力在呼吸期间如何改变。在本发明的设备被应用于生物的舌头中的组织部分并且包括呼吸传感器的情况下，因此能够根据该传感器的呼吸信号导出表示呼吸参数的呼吸率或通气速率，并且在确定身体水合参数时包括其。

在图6中，提供了根据本发明的优选实施例的信息处理的概览。取决于实施例，(在左侧的第一列中图示的)传感器可以包括输出反射的偏振光的强度的第一光检测器26、接触式阻抗传感器36、温度传感器38和呼吸传感器40。此外，第二光检测器30可以提供针对根据第一波长的光导出的PPG信号的DC水平30a和AC水平30b的读数，以及针对根据第二波长的光导出的PPG信号的DC水平30c和AC水平30d的读数。

如在图6的第二列中所图示的，不同的传感器允许导出多个不同参数或传感器读数。基于第一光检测器26的信号，指示组织部分的水合或湿润度的组织水合参数44被导出。如果接触式阻抗传感器36也可用，则能够增加该组织水合参数44的准确度或测量的鲁棒性。因此，接触式阻抗传感器36可以用于提供冗余性，例如在具有干扰性环境光等的情况下。备选地，也能够通过利用相等的个体或甚至调整的权重进行平均来组合两个传感器的读数。

温度传感器38提供指示生物的(核心)体温的读数。组织颜色参数48能够根据第一波长的光的DC水平30a导出，或者根据第二波长的光的DC水平30c导出。再次，如果两者读数是可用的，则可以获得较高的准确度或冗余性。心率50也可以通过第一波长和第二波长的光的AC水平30b、30d中的一个或两者来获得。为了导出生物的血氧饱和度(SpO2)52的读数，需要评价两者波长的光的DC水平30a、30c和AC水平30b、30d两者。此外，不仅呼吸参数(尤其是呼吸率)而且如呼吸率的波动、呼吸强度等的参数也能够从呼吸传感器40获得。优选地，呼吸传感器40由空气压力传感器来实现。然而，也能够根据PPG信号的评价或根据(利用已经可用的传感器或利用单独的传感器测量的)温度来获得针对呼吸率的读数。然而，为了清晰起见，这未在图6中图示。

不同的传感器被组合以导出组织特异的(例如，组织水合和颜色)和全身(例如，心率、SpO2和呼吸率)生理参数来评估个体的水合状态(身体水合指数)。

在示范性实施例中，在第一处理步骤56中，将参数与“正常”参考值进行比较并针对参数中的每个确定“正常”的偏差。然后，在第二步骤58中，(基于生理体征的相对重要性、测量的信号的可靠性/质量、体重、年龄、医学史等)对偏差进行加权并将其组合以获得对生物的水合状态(即，他的身体水合指数)的指示。然后，在第三步骤60中反馈可以被提供给生物和/或他的家属、护理提供者、医师等。

在图7中，图示了参数能够被如何加权和组合以评估脱水的程度(即，计算身体水合指数)的范例。在所图示的实施例中，借助于用于检测偏振光的第一光检测器来测量组织反射率。此外，也能够测量组织阻抗并将其与第一光检测器的读数进行组合。此外，根据借助于第二光检测器获得的PPG信号来获得组织颜色和心率。又另外，借助于温度传感器评估体温，并且借助于评价PPG信号或利用压力传感器来获得呼吸率。

针对可用参数中的每个，对关于正常范围的偏差进行评分，并且最后将所有的点相加以得到表示身体水合指数的脱水评分。范例评分系统能够是：良好水合(1-2点)、轻微脱水(2-6点)、中等脱水(6-12点)和严重脱水(＞12点)。

应注意，尽管体温、心率和呼吸率都是具有已知正常范围的生理参数，但是针对组织反射率和颜色的值强烈地取决于所应用的传感器的几何结构和尺度(例如，在LED与光电二极管之间间隔开)。因此这些参数通常将需要校准以找到“正常”值和表示脱水的值。此外，针对所有参数的“正常”值/范围是年龄相关的。例如，针对婴儿的正常的心率范围和呼吸率范围分别为100-160心跳/min和30-60呼吸/min，而针对成人，这些范围分别为60-100心跳/min和12-16呼吸/min。因此，在评估脱水的程度时并入患者的年龄是重要的。

在本发明的备选实施例中，也能够使用直接基于可用传感器参数的线性或非线性函数来确定身体水合指数。

在图8中，图示了SpO2评估的添加如何将根据本发明的设备的应用领域扩展到检测诸如肺水肿和肺炎的肺部问题的范例。尽管这些肺部问题在临床上与脱水不相关，但是它们在倾于脱水的完全相同的患者群体中发生；即，发展中国家/发达国家中的老年人和主要是发展中国家的儿童(由于腹泻的脱水是全世界儿童死亡的第二大原因)。发展中国家的老年人除了倾于脱水之外还常常患有引起肺水肿的心血管疾病，例如，心脏衰竭和高血压。另一方面，发展中国家的儿童高度易受肺炎影响(全世界儿童死亡的首要原因)。

在图8中图示了不同的参数能够被如何组合以提供反映脱水程度的指数(如图7所图示的)并且给出对肺部问题(由低SpO2指示)是否与肺水肿(与发烧不相关联)或与诸如肺炎(与发烧相关联)的感染有关的指示。

在第一步骤74中，对心率和呼吸率进行评估。当两者参数都增加时，这能够归因于脱水或归因于肺部问题。为了获得关于原因的另外的信息，能够对组织含水量和组织颜色进行评估(步骤76)。当组织部分变得干燥和暗并且心率和呼吸率升高时，这可以指示脱水78。脱水的程度可以使用如关于图7所描述的评分系统来评价。然而，当心率和呼吸率升高且SpO2为低时80，这可以指示肺部问题(低SpO2结合正常的心率和呼吸率在生理学上是不可能的)。导致低SpO2的两种常见类型的肺部问题是肺水肿82和肺部感染84，例如，肺炎。由于肺部感染与体温升高相关联而肺水肿与体温升高不相关联，因此体温86能够用于给出对(潜在的)肺部问题的类型的指示。

清楚地，生物可以例如在脱水的同时患有肺水肿(流体潴留)。这在老年心脏衰竭和高血压患者中是常见的并发症。

在图9和图10中，图示了根据本发明的设备10的优选实施例。如所图示的，口棒(oral stick)用于应用在生物62的口中，或者更精确地，口棒应用于生物62的舌头的组织部分。手持式口棒可以包括端部处的矩形尖端。设备的尖端能够被设想为要从设备的主体容易地拆下的一次性的或半一次性的。备选地，设备的尖端可以被(至少对于第一光源14和第二光源34的波长)透明的一次性塑料所覆盖。清楚地，也能够将口棒应用于生物的面颊。借助于这样的口棒，可以以一分钟以内的响应时间同时测量不同的参数。如在图9中所图示的，可以例如借助于显示器42在测量期间提供进度指示。

在图10中，将更加详细地图示口棒的顶视图和底视图。设备可以例如具有10-17cm的长度、1-2cm的宽度和0.2-1cm的厚度。设备的要被插入到口中的部分可以具有1-2cm的长度。在顶侧10a上，可以提供诸如USB连接器的连接器64。此外，显示器42可以以相应传感器的读数的形式和以身体水合指数的形式(在所图示的范例中由陈述“轻微脱水”表示)向用户提供反馈信息。除了连接器和/或显示器之外，接口单元也可以包括用于连接到网络或另一设备的无线通信模块。可以包括例如空气压力传感器或温度传感器的形式的呼吸传感器40，基于所述呼吸传感器，能够获得指示诸如呼吸率的呼吸参数的信号。

在设备10的底侧10b上，可以提供用于能量存储单元或数据存储单元或额外的通信单元(例如，无线接口或无线网络连接)的空间66。此外，本发明的所图示的实施例包括第一光源14和第二光源34，所述第一光源14包括两个红色LED，所述第二光源34包括两个红外LED。光电二极管68表示第一光检测器和第二光检测器。在其他实施例中，可以使用两个光电二极管。又另外，图示了包括两个电流电极70和(用于测量电流电极之间的电流路径两端的电压的)两个电压电极72接触式阻抗传感器的接触式阻抗传感器。温度传感器38可以提供指示生物的体温的读数。

在图11中，示意性地图示了根据本发明的方面的方法。所述方法包括以下步骤：发射(步骤S10)第一波长的光；将所发射的光的至少部分偏振(步骤S12)；检测(步骤S14)反射光并导出(步骤S16)组织水合参数，并且确定(步骤S18)身体水合指数。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

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的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (18)

1.一种用于确定生物(62)的水合状态的设备(10)，包括：

第一光源(14)，其用于将第一波长的光发射到所述生物(62)的组织部分(12)中；

偏振单元(18)，其用于在所发射的光与所述组织部分(12)的相互作用之前使所发射的光的至少部分偏振；

第一光检测器(26)，其用于检测在所述组织部分(12)处反射的所述第一波长的偏振光，所述偏振光在所述反射中保持其偏振；

第二光检测器(30)，其用于在所述第一波长的所述光与所述组织部分(12)的相互作用之后检测所述第一波长的非偏振光；以及

处理单元(32)，其被配置为：

-根据检测到的反射的偏振光的强度导出组织水合参数，

-根据检测到的所述第一波长的非偏振光导出组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，并且

-基于i)所述组织水合参数和ii)所述组织颜色参数和/或所述生命体征参数来确定身体水合指数。

2.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

第二光源(34)，其用于将第二波长的光发射到所述生物(62)的所述组织部分(12)中；其中，

所述第二光检测器(30)在所述第一波长的所述光和所述第二波长的所述光与所述组织部分(12)的相互作用之后检测所述第一波长的非偏振光和所述第二波长的非偏振光；并且其中，

所述处理单元(32)还被配置为根据检测到的所述第一波长的非偏振光和检测到的所述第二波长的非偏振光导出所述组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，并且所述处理单元被配置为还基于所述组织颜色参数和/或基于所述至少一个生命体征参数来确定所述身体水合指数。

3.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

接触式阻抗传感器(36)，其用于确定所述组织部分(12)的阻抗参数；其中，

所述处理单元(32)被配置为还基于所述阻抗参数来导出所述组织水合参数。

4.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

温度传感器(38)，其用于确定指示所述生物(62)的体温的温度参数；其中，

所述处理单元(32)被配置为还基于所述温度参数来确定所述身体水合指数。

5.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

呼吸传感器(40)，其用于确定呼吸信号；其中，

所述处理单元(32)还被配置为根据所确定的呼吸信号导出呼吸参数，并且所述处理单元被配置为还基于所述呼吸参数来确定所述身体水合指数。

6.根据权利要求4所述的设备(10)，其中，

所述处理单元(32)还被配置为基于所述至少一个生命体征参数和所述温度参数来确定指示所述生物(62)的肺部问题的肺部参数。

7.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

射束分裂器(20)，其被布置在所述第一光源(14)与所述组织部分(12)之间，以用于将所发射的光引导到所述组织部分(12)中并且用于将在所述组织部分(12)处反射的所述第一波长的所述偏振光引导到所述第一光检测器(26)。

8.根据权利要求7所述的设备(10)，其中，

所述射束分裂器(20)是偏振敏感的；和/或

所述偏振单元(18)与所述射束分裂器(20)集成。

9.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，

所述第一光检测器(26)包括用于使入射光偏振的第二偏振单元(28)。

10.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，

所述处理单元(32)被配置为基于将所述组织水合参数与预定参考参数进行比较来确定所述身体水合指数。

11.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

接口单元(42)，其用于向用户提供反馈信息，所述反馈信息具体地包括所述身体水合指数。

12.根据权利要求1所述的设备(10)，还包括：

壳体，其被配置为与所述生物(62)的包括所述组织部分(12)的舌头接触。

13.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，所述至少一个生命体征参数包括心率和/或呼吸率。

14.根据权利要求2所述的设备(10)，其中，所述至少一个生命体征参数包括心率、呼吸率和/或血氧饱和度。

15.根据权利要求5所述的设备(10)，其中，所述呼吸参数包括呼吸率。

16.一种用于确定生物的水合状态的方法，包括以下步骤：

将第一波长的光发射到所述生物的组织部分中；

在所发射的光与所述组织部分的相互作用之前使所发射的光的至少部分偏振；

检测在所述组织部分处反射的所述第一波长的偏振光，所述偏振光在所述反射中保持其偏振；

在所述第一波长的所述光与所述组织部分的相互作用之后检测所述第一波长的非偏振光；

根据检测到的反射的偏振光的强度导出组织水合参数；

根据检测到的非偏振光导出组织颜色参数和/或至少一个生命体征参数，具体为心率和/或呼吸率；并且

基于i)所述组织水合参数和ii)所述组织颜色参数和/或所述生命体征参数来确定身体水合指数。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

将第二波长的光发射到所述生物的所述组织部分中；

在所述第一波长的所述光和所述第二波长的所述光与所述组织部分的相互作用之后检测所述第一波长的非偏振光和所述第二波长的非偏振光；

其中，导出所述组织颜色参数和/或所述至少一个生命体征参数的步骤是基于检测到的所述第一波长的非偏振光和所述第二波长的非偏振光的。

18.一种计算机可读记录介质，其存储包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于在所述计算机程序由根据权利要求1所述的设备的所述处理单元执行时令计算机执行根据权利要求16所述的方法的导出步骤。

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