CN108366737A - 光学生理传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了生理传感器和应用方法。这些传感器通过检测最近发现的通过皮肤漫射的两个或更多个波长的光的光谱光密度的变化来发挥功能。传感器包含：用于发射第一波长的第一装置，其中用于发射第一波长的第一装置可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长；用于发射第二波长的第二装置，其中用于发射第二波长的第二装置可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；与用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置光学隔离的检测装置；和被配置以接收来自检测装置的输入的处理器装置。

Description

光学生理传感器及方法
交叉参考
本申请要求2016年10月24日提交的美国专利申请15/332,230的优先权，该专利申请要求2015年10月26日提交的题目为OPTICAL PHYSIOLOGIC SENSORS AND METHODS的美国临时申请号62/246,374的权益，该申请通过引用结合到本文中。
背景
人类的主要生命依从关系之一是通过肺和血液循环系统以维持有氧代谢的足够的量持续递送氧气至身体的所有组织；从而避免因太少或过多的氧气所致的组织损伤。为了粗略评估该信息，临床医生必须用脑力使呼吸气体氧气分数、呼吸率、心率、心输出量、血液血红蛋白水平、动脉血液血红蛋白-氧饱和度("血气"或SaO2)和脉搏血氧测量法(SpO2)的测量结果，以及动脉血流分布的主观评价相互关联。虽然已知这些单独的测量的每一个提供重要的信息，但这种目前可获得的数据，即使有专家分析，也不能提供已长期缺失的“底线”组织-水平了解。临床医生早就知道，至关重要的器官(特别是脑)的组织，而不是血液，面临受伤的风险。最近介绍的LumeeTM传感器(Profusa)，测量组织的氧水平，但不能指示是否有足够的，或太多的氧。同样，得自Kenzen的新的汗液乳酸盐传感器指示什么时候皮肤缺氧，但不能在没有汗液产生时工作，且在过多的氧气存在时没有感知。在这个医疗保健的关键部分中，在没有准确的客观组织-水平信息的情况下，血液和组织氧度量的局限性、人感官的知觉错误和主观临床医生评估误差可能无意中导致永久性的重要器官组织损伤及可能死亡。因此，在危重病护理医学中，在组织水平上对氧-相关的能量转换代谢的客观、可靠和最好非侵入性指示有着未满足的需求。
对基础生理信息的个人需要和渴望在正常生活的许多领域内也被发现，例如一般健康的维护和调节，肥胖的减肥运动，维持休闲和工作场所活动的安全，和体育训练和表演。虽然“医疗设备-样”生命体征监测设备最近被重新包装成消费者友好型“活动追踪”设备，但对于他们的生理信息的传递仍存在同样的限制。
概述
在本公开内容的一个方面，具有合适的电源的生理指标(PI)传感器被配置以使用约660 +/- 10 nm和约850 +/-10 nm LED发射器。凭经验已发现这两个波长区域产生相对于同时获得的从660 +/-10 nm光产生的信号强度，从850 +/-10 nm光的各自光信号强度的最明显的分歧。在皮肤组织供氧不足(例如可由短暂呼吸氮气引起)的情况下，来自660 +/-10nm光的光信号强度，在它已漫射通过皮肤组织后，已经发现强度比在来自850 +/-10 nm光通过皮肤组织类似地漫射后的信号更迅速减少。相反地，相对于皮肤组织氧需要和耐受性的过多的组织供氧的存在，例如可以由短暂呼吸纯氧引起，已被发现产生来自850 +/-10nm光的渐进的独特发散光信号(相对于同时获得的从660 +/-10 nm光产生的信号)，其中来自850 +/-10 nm光的光信号强度比来自660 +/-10 nm光的信号更迅速地减少，可能与皮肤内活性氧类(ROS)化学反应产物的逐渐增加的存在，例如在呼吸气体中增加的氧气分数的吸入，或在延长的锻炼活动结束后对应。应该注意到类似的、但通常较不显著的光子响应已被发现存在于以上所列中心波长的光的任一侧的光谱区域内，且以上规定仅仅是示例性的，而不打算是排斥性的，且被提供以说明涉及的一般概念。还应该注意到公开的PI信号不是皮肤或血液中氧的直接测量。相反，它被作为目前氧输送至皮肤组织的速率是小于、刚刚好、还是超过皮肤组织对皮肤组织当前适应的有氧能量转换所需的指标公开。
在本公开内容的另一方面，两个或更多个选择的波长的光可从远程宽带白炽灯(使用特定波长的带通滤波)，或者从远程LED或激光(使用光纤将照明光传播至皮肤表面)获得。此外，已通过患者皮肤漫射的光可通过光纤从患者的皮肤表面传输至远程检测器。一种选择可能是使用未经过滤的宽带光源照明，通过光纤将宽带光传输至皮肤，并通过单独的光纤将皮肤-漫射的光返回至光谱仪用于波长特异性的检测和分析。这些替代方法，尤其可以有效地用于研究目的，或当皮肤表面浸在水里或者否则电线无法接近时。
本公开内容的另一方面是校准、数据计算和显示的方法，因为这些涉及被监测的生理学。目前最常用的生物测量学是标量，这意味着它们作为连续数字尺度被校准、计算和显示。最近发现的PI信号，在另一方面，被观察到独特地具有中央数字值区域，在任何一侧伴有不同的和明显的信号偏差模式。按照惯例，中央区域的中部被公开为“PI零”，其中在数值中一个明显偏差模式越来越趋向负值，而另一个偏差模式越来越趋向正值。计算的PI信息作为指标被公开，且不作为一种识别或测量皮肤内特定分子的存在或浓度的手段。因此，PI值变化的数字速度最初被定义为使用现有的电子元件和软件控制和计算方法，提供可接受的数字解析。同样，通过实验观察已经发现，需要适应皮肤色素沉着的程度的自然宽度变化，皮肤组织对所用波长不透光的范围，及可能的其它必须适应的正常变化，以创建一个实用的生物计量仪器。
一个标准化的过程也被公开，由此建立了初始PI零点值并优化了PI值计算的解析。这个过程在软件控制下，通过逐步加大功率至660 +/- 10 nm (红色) LED开始，使用固定在正休息的用户皮肤的所需表面上的传感器，直至传感器信号对模拟数字(A/D)转换器的数字计数导致约80%的最大A/D计数的输出值。红色LED功率电平然后固定在控制存储器中。然后逐步加大功率至850 +/- 10 nm (IR) LED，直至其检测的A/D计数刚刚不到(即不到一个IR LED功率电平步距)由红色LED在其固定的功率电平产生的A/D计数；因此IR led功率电平被固定在控制存储器中。然后，这些波长的每一个的交变信号样本按1秒间隔获得，并计算经1分钟的A/D计数的平均差异。这个平均补偿值然后被存储在控制存储器中以用作固定的偏差补偿值，以致当从红色样本的A/D计数值减去IR样本的A/D计数值时，固定的偏差补偿值越小，开始的PI值是零。随后的测量和计算在用户例如进行日常锻炼时，在计算PI值中继续使用固定的偏差。
本公开内容的生理传感器可配置为通过两个或多个波长光子信号变化检测皮肤或其它身体组织中无氧(即糖酵解)能量转换代谢的分子反应中间体的积聚。从置于皮肤或经手术暴露的内部器官上的传感器检测的信号也可用作有氧(即糖酵解+三羧酸循环(Krebs Cycle))能量转换代谢的过多的组织氧输送率的指标；分别作为需要满足至关重要的内脏器官组织对氧的需求(但不超过安全限制)以用最小的损伤执行能量转换的充分组织氧输送率的替代指标或直接指标。
本公开内容的另一方面涉及光子生理传感器，其被配置以通过两个或多个波长光子信号变化检测据认为是分子反应产物在皮肤上的积聚，所述产物由过多的高度活性氧自由基原子(如O-)或分子(如O2 -和OH-、H2O2、NO等，也称为活性氧类，或ROS)，其通过自发的化学反应，与组织和皮肤中的细胞脂质、蛋白质和DNA分子结合。在例如早产儿的一些情况下，目前发表的研究越来越强调需要防止过多的ROS在脑、眼和肠道中的积聚。本公开的PI监测方法作为用于检测在重要器官组织中过量的这样的ROS的积聚的、快速响应的、非侵入性的替代指标提供。
非侵入性和受常见来源的机械、电子、电磁和光信号噪声的最低限度影响的光子传感器被公开。而且，所公开的传感器可配置为以及时的方式响应来检测被监测组织内的重要的生理变化。所公开的传感器可被用来提供一个用于自动调节呼吸气体中的氧气分数的反馈控制信号，以在手术麻醉和关键的医疗护理期间帮助防止因组织低氧或者高氧所致的重要器官损伤。此外，所公开的传感器可以体现为各种各样的对成人和儿童使用兼容的舒适的、可穿戴的格式，用于各种各样的门诊医疗和非医疗应用。这样的各种实施方案的用户可包括，对于几个必要的例子，所有年龄和体重，和所有病理水平的医疗和手术患者，和运动员和在高风险职业中的工人。在至少一些配置和应用中，传感器可被配置为也提供一种例如，用于罹患肺病的新生儿的附属反射脉搏血氧测量(SpO2)传感器功能，其中监测动脉血红蛋白/氧饱和度作为肺功能的指标也是重要的。这样一种专用于婴儿的格式可被创建为与在新生儿重症监护病房的使用兼容并整合至放在婴儿的胸部和腹部的心电图(ECG)触点。
本公开的传感器还配置为防止发射的光从光发射器直接分流到传感器外壳内的光检测器。在一些配置中，在光发射器的孔径和探测器元件之间应用经验推导的侧偏距。在光纤配置中，光纤可通过单独的鞘和孔径引导照亮皮肤表面的相邻区域。应用于手术-暴露的内部器官可同样使用光纤，照明和检测孔径位于各种配置中。光纤也可为了研究，或手术或医疗保健监测的目的而暂时植入实体器官内，其裸露端在各种配置中排列以优化接收的光子信号。
本公开内容的又一方面涉及光学生理传感器，其被配置以通过两个或多个波长光子信号变化，检测对系统循环细菌内毒素的异常皮肤微循环调节和/或皮肤组织代谢的响应作为血液灌注分布的病理性脓毒症-诱导的炎症失调发作的早期指标；作为更重要身体组织迫近的循环受损的替代指标。
本公开内容的另一方面涉及漫射光学生理传感器，其被配置以通过两个或多个波长光子信号变化检测对不足的系统循环量加载的皮肤微循环和/或皮肤组织代谢的响应，例如由于，例如全身脱水，因创伤所致的失血，或在外科手术期间的失血；作为重要的器官组织的灌注的替代指标，其中维持正常生命的自主神经系统反射响应试图在损害皮肤灌注的情况下，维持重要器官的灌注。
也公开了被配置为连续可穿戴的生理传感器，以检测逐渐恶化的慢性、进行性疾病包括，例如，心力衰竭和/或慢性阻塞性肺病(COPD)，以致迫近的危机可以及早发现，以使成本效益好的门诊医疗成为可能，而不是被忽视的逐渐进展，直至住院或再住院成为不可避免的危机。
使用“蓝色增强的” NIR PIN光电二极管，或等效替代的生理传感器和/或血氧计传感器被公开，其具有向上增加的在约600 nm-约950 nm之间的光谱灵敏度。此外，这样一种传感器包可包括金属，或其它不透光的、通过近红外(NIR)波长可见的、在光发射器和光电探测器之间的遮光罩，以减少传感器包内的光分流。此外，这样一种传感器可用在发射器和检测器之间的光学透明的化合物-屏蔽的孔径的5mm-9 mm侧向隔离物配置。在一些配置中，传感器可被设计应用于某些皮肤表面，例如，但不限于，成人的胸部或手臂，或婴儿患者的胸部、腹部，或四肢，以及在外科手术期间和/或外科手术之后应用于内部器官表面或临时植入实体器官组织内。
本公开内容的另外的方面包括生理传感器，其可被配置以通过两个或多个波长光子信号变化检测由于体力活动所致的生理负荷程度。体力活动可大致划分为两类：(1) 缺氧运动，其可以提供快速发作，在短的时间段内的高力量身体动作，例如举重和短跑，和(2)有氧运动，其可以支持更长的持续时间，但相对较低强度的持续的身体运动，例如马拉松赛跑。体育训练，并在一个或其它类型的活动中执行已被发现从狭义的性能特定类型的训练和调节运动周期获益。这样的例子包括需要多个短暂的、高力量生成周期，伴有其间的完全恢复的无氧-类型的动作，其已被发现刺激经糖酵解生成三磷酸腺苷(ATP)所需的酶系统的上调。在另一方面，长跑运动员已被发现从长期的、充分的有氧运动周期受益最大，避免甚至短暂时间的缺氧代谢，以上调他们转换用于有氧能量转换的脂肪所需的酶系统。当运动员在训练中主要使用缺氧对比有氧能量转换化学时，没有一个方便、客观、可穿戴的传感方法，直至PI信号发现。
另一个实施方案可结合PI和反射SpO2传感器两个功能，其中这两个生物测定学各自在许多有用的应用中提供高度相关的、有联系的，和互补的信息。在这种结合的格式中，例如为了在早产儿的胸部和腹部上使用，SpO2监测功能主要提供肺获得氧的充分性的指示，且计算的PI值提供皮肤组织氧合的指标，作为对氧通过血液输送至脑和其它重要内部器官的替代指标。众所周知，现有的SpO2监控器容易受运动传感器-诱导的光信号假象(其暂时阻止SpO2值的精确计算)的不利影响，其依次可触发假警报并且作为选择，可导致在真实报警状况期间不能启动警报。在另一方面，PI传感器更快速地响应于皮肤组织水平的氧输送的改变，且由于发生在原始信号值与运动传感器中的串联模式的变化固有地不受运动传感器-诱导的信号假象的影响。因此，PI值可安全地和有效地依赖于提供一种备份索引，以消除假SpO2警报并避免错过伴随传感器运动的真实SpO2警报情况。
本公开的传感器还可配置为应用最佳波长的发射光并选择光检测器的最佳光谱灵敏性响应模式。此外，所公开的传感器可被配置以具有计算机控制、计算机数据处理、计算机数据存储和按照现有的性能的有线或无线数据通信，和在这些技术领域中预期未来的进展。
本公开的传感器可被配置为以自动初始化来适应皮肤色素沉着、厚度和在两个或更多个波长的照明灯的光谱光密度的自然变化。
本公开的传感器也可被配置以提供反馈信号来指导混合氧气分数的呼吸气体，通常通过混合氧气与氮气以低于大气的氧气分数开始治疗，避免一开始以超过组织的需要和耐受的水平提供过多的氧气给重要的器官组织。通过这个新的方式，从血氧不足和/或缺血应激恢复早产儿和患者，可避免因过多的氧输送至重要的器官组织所致的无意的伤害。此外，当PI信号的特定模式的改变指示需要时，所公开的传感器可被用来自动地命令呼吸气体氧气分数中的增量增加以响应皮肤的氧需要和耐受性，作为在非侵入性应用中的内部重要器官的替代指标。最后，采用对手术暴露的内部器官的表面应用，或用直接插入实体器官的光纤光导引，PI信号被公开为一种先前可获得的、重要的器官组织对通过血液灌注递送氧的需要和耐受性的直接、实时指示的方式。
本公开内容的一个方面涉及生理指标传感器。合适的传感器包含：用于发射第一波长的第一装置，其中用于发射第一波长的第一装置可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长；用于发射第二波长的第二装置，其中用于发射第二波长的第二装置可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；与发射第一波长的第一装置和发射第二波长的第二装置光学隔离的检测装置；和被配置以接收来自检测装置的输入的处理器装置。在一些配置中，生理指标传感器还包含数据传输装置。此外，生理指标传感器可以可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。具有第一孔径和第二孔径的外壳装置可被提供。另外的孔径可被提供而不背离本公开内容的范围。此外，一个或多个孔径可用光学透明的材料充满。可提供被配置以固定生理指标传感器至用户，例如在手臂或胸部的固定装置。一个或多个导电皮肤接触粘附装置可被提供。在一些配置中，用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。此外，用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置的至少一个是未经过滤的宽带光源，使用光纤电缆用于将光传输至皮肤及从皮肤传输光，且检测装置是光谱仪，由光谱仪获得的选择的波长强度值用来计算生理指标。
本公开内容的另一方面涉及生理指标传感器。传感器可包含：用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长；用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器；和被配置以接收来自检测器的输出的处理器。生理指标传感器还可包含数据传输器。此外，生理指标传感器可以配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。可提供具有两个或更多个孔径的外壳。一个或多个孔径可用光学透明的材料充满。固定器可被配置以固定生理指标传感器至用户例如在手臂或胸部上。一个或多个导电皮肤接触粘附垫也可被提供。此外，用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。在一些配置中，用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个是未经过滤的宽带光源，伴有被光谱仪选择的两个或更多个波长强度值，以用来计算生理指标值。
本公开内容的还一方面涉及生理指标传感器，其包含：适合于附着用户的胸部或手臂的外壳，其中外壳具有第一孔径和第二孔径；第一发射器，其中第一发射器可配置为发射通过第一孔径的从650 nm至670 nm的第一波长；第二发射器，其中第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；布置在外壳内的检测器，其中在外壳中的检测器与第一发射器和第二发射器和邻近的第二孔径经光学隔离；和被配置以接收来自检测器的输出的处理器。生理指标传感器还可包含数据传输器。此外，生理指标传感器可配置为确定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。可提供可用光学透明的材料填充的两个或更多个孔径。可提供被配置以固定生理指标传感器至用户，例如固定至用户的手臂或胸部的固定器。在一些配置中，用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。此外，用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个是未经过滤的宽带光源，伴有被光谱仪选择的两个或更多个波长强度值，以用来计算生理指标值。
本公开内容的又一方面涉及检测生物学参数的方法。合适的方法包括：使生理指标传感器接触患者的手臂或胸部，其中生理指标传感器还包含，用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长，用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长，与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器，和被配置以接收来自检测器的输出的处理器；用电源给生理指标传感器供电；以第一波长发射光和以第二波长发射光；检测通过组织漫射的光；并分析通过漫射的光产生的检测的信号。另外的步骤可包括一个或多个以下步骤：测定氧输送给患者的指标；从生理指标传感器传输数据至第二装置；并检测组织的过多的氧水平。
本公开内容的另一方面涉及一种通信系统，其包含：接触患者的手臂或胸部的生理指标传感器，其中生理指标传感器还包含，用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长，用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长，与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器，和被配置以接收来自检测器的输出的处理器；与生理指标传感器连通以给生理指标传感器提供动力的电源；服务器计算机系统；在服务器计算机系统上的测量模块，用于允许从生理指标传感器经网络传输测量结果；和以下至少一种引擎：连接于至少一个生理指标传感器的API引擎，以创建关于测量的信息和经API集成网络传输信息至具有预定的接受者用户名的接受者，连接于至少一个用于检测生理参数和生理指标传感器的系统的SMS引擎，以创建关于测量的SMS信息和经网络传输SMS信息至具有预定的测量接受者电话号码的接收设备，或连接于至少一个生理指标传感器的电子邮件引擎，以创建关于测量的电子邮件信息和经网络传输电子邮件信息至具有预定的接受者电子邮件地址的接受者电子邮件。此外，一种存储模块可在服务器计算机系统上提供，用于存储在生理指标传感器服务器数据库中的测量结果。在一些配置中，生理指标传感器可经至少一个移动电话网络或互联网连接于服务器计算机系统，并且在测量接受者电子设备上的浏览器被用来检索服务器计算机系统上的接口。此外，接口可在服务器计算机系统上提供，接口是通过移动设备上应用程序可检索的。服务器计算机系统可以是可经蜂窝式电话网络连接的，以接收来自测量接受者移动设备的响应。一个位于测量接受者移动设备的可下载的应用程序可被提供，可下载的应用程序经蜂窝式电话网络传输响应和测量接受者电话号码ID至服务器计算机系统，服务器计算机系统利用测量接受者电话号码ID把响应与SMS测量联系起来。
本公开内容的还一方面涉及一种获得生理指标的方法，其包括：布置生理指标传感器，其具有用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长，用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长，与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器，和被配置以接收来自检测器的输出的处理器，用电源为生理指标传感器提供动力；调整第一目标波长光源功率电平，直至生成的信号强度是传感器系统A/D转换器最大计数限制的约80%；在控制存储器记录和锁定第一目标波长光源功率电平；调整第二目标波长光源功率电平，直至生成的信号强度低于由第一目标波长光源产生的信号强度；在控制存储器中记录和锁定第二目标波长光源功率电平；使用各自锁定的第一和第二目标波长光源功率电平，以在传感器位置每秒一次在第一和第二目标波长对光谱光密度采样；从第一目标波长信号强度减去第二目标波长信号强度，计算平均差异；并在控制存储器中记录和锁定平均差异。在一些配置中，该方法包括从第一目标波长信号强度减去第二目标波长信号强度，经1分钟执行平均差异的计算。此外，初始化过程可被用来适应皮肤色素沉着的正常或异常变化和皮肤组织的光谱光密度的正常或异常变化的一项或多项。在一些方法中，所述方法可包括对第一和第二目标波长信号各自采样，减去时间-相邻的、未照明的背景信号；和减去第二目标波长信号强度值加上得自第一目标波长信号强度值的记录的偏差补偿值，以产生生理指标值。此外，采样和减法步骤可以重复。显示和记录生理指标值可在一个或多个第二个定时的基础上执行。所述方法还可包括：设置一个在15%氧气的起始氧气分数水平；增加氧气分数1%；监测氧气分数的改变的生理指标15秒；如果第二目标波长信号强度值未降低，且第一目标波长信号强度增加以响应于氧气分数的1%增加，生成一个反馈控制命令以增加呼吸气体氧气分数1%。该方法还可包括重复以下至少一次的监测和响应命令周期：如果第二目标波长信号强度降低，且第一目标波长信号强度不响应于呼吸气体的氧气分数的1%增加而增加，则降低呼吸气体分数1%并监测生理指标1分钟；如果第一目标波长信号强度以响应于呼吸气体的氧气分数的1%降低而降低，则增加呼吸气体氧气分数1%；和如果第二目标波长信号强度未降低，且第一目标波长信号强度不响应于呼吸气体的氧气分数的1%增加而增加，则受试者的生理指标“零”状况已达到，导致第一目标波长信号强度减去第二目标波长信号强度的每秒一次样本的1分钟补偿均值，导致记录和锁定控制菜单中的一个新的偏差补偿值并表明生理指标“零”已被重新设定。
通过引用的结合
在本申请中提及的所有出版物、专利，和专利申请通过引用结合到本文中，如同各个独立的出版物、专利或专利申请特别地和单独地指明通过引用结合到本文中的程度一样。参考文献包括，例如：1998年11月3日授权于Scharf的US 5,830,137 A，“绿光脉搏血氧计(Green Light Pulse Oximeter)”；2004年10月5日授权于Mendelson的US 6,801,799 B2，“脉搏血氧计及操作方法(Pulse Oximeter and Method of Operation)”；2010年4月6日授权于Westbrook的US 7,691,067 B2，“测量中心静脉压或呼吸系统的努力的方法(Methodfor Measuring Central Venous Pressure or Respiratory Effort)”；2010年6月15日授权于Turcott的US 7,738,935 B1，“减少脉搏血氧测量中运动-诱导的噪声的方法和设备(Methods and Devices for Reduction of Motion-Induced Noise in PulseOximetry)”；2011年12月6日授权于Scharf的US 8,073,516 B2，“使用光-体积描记图和快速傅里叶变换的二阶导数，从心脏信号分离运动(Separating Motion from CardiacSignals Using Second Order Derivative of the Photo-Plethysmogram and FastFourier Transforms)”；2012年3月13日授权于Porges的US 8,133,176 B2，“显示生理测量的质量和准确性方法和电路(Method and Circuit for Indicating Quality andAccuracy of Physiological Measurements)”；2013年1月1日授权于Campbell的US 8,346,327 B2，“由当地皮肤光谱数据识别传感器部位的方法(Method for Identificationof Sensor Site by Local Skin Spectrum Data)”；2006年1月12日授权于Finarov et al的US 2006/0009685 A1，“用于非侵入性光测量的装置和方法(Device and Method forNon-Invasive Optical Measurements)”；US 2008/0208009 A1 (Shklarski, 2008年8月29日公布)，“用于测量重要参数的可穿戴的装置、系统和方法(Wearable Device, Systemand Method for Measuring Vital Parameters)”；US 2008/0081966 A1 (Debreczeny,2008年4月3日公布)，“脉搏血氧仪对称的LED阵列(Symmetric LED Array for PulseOximetry)”；US 2010/0324390 A1 (McLaughlin, 2010年12月23日公布)，“血液血红蛋白的氧饱和度的测量(Measurement of Oxygen Saturation of Blood Haemoglobin)”；US2011/0054336 A1 (Jornod, 2011年3月3日公布)，“通过两个波长的光波测量脉冲的方法和装置(Method and Device for Measuring the Pulse by Means of Light Waves withTwo Wavelengths)；US 2013/0317331 A1 (Bechtel,2013年11月28日公布)，“用于测定组织氧饱和度的Monte Carlo和迭代的方法(Monte Carlo and Iterative Methods forDetermination of Tissue Oxygen Saturation)”；US 2015/0057511 A1 (Basu, 2015年2月26日公布)，“连续健康监测的传感器和方法(Sensor and Method for ContinuousHealth Monitoring)”；US 2015/0011854 A1 (Frix, 2015年1月8日公布)，“连续透皮监测系统和方法(Continuous Transdermal Monitoring System and Method)”；US 2013/0303921 A1 (Chu, 2013年11月14日公布)，“用光调制测量生理数据的系统和方法(Systemand Method for Measurement of Physiological Data with Light Modulation)” US2014/0275888 A1 (Wegerich, 2014年9月18日公布)，“使用热光电容积描记仪的可穿戴的无线多传感器健康监测(Wearable Wireless Multisensor Health Monitor with HeatPhotoplethysmograph)”；WO 2015/168235 A1 (Hatch, 2015年9月18日公布)，“生理传感器、系统、试剂盒及为此的方法(Physiological Sensors, Systems, Kits and MethodsTherefor)” ________"关于早产儿视网膜病变的事实(Facts About Retinopathy ofPrematurity)", 国立眼科研究所(National Eye Institute), https://nei.nih.gov/health/rop/rop; Azizbeigi, K., et. al., "抗氧化剂酶和适应运动训练的氧化应激：在未经训练的雄性中耐力、阻力和同时训练的比较(Antioxidant enzymes and oxidativestress adaptation to exercise training: Comparison of endurance, resistance,and concurrent training in untrained males)", J. 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附图简述
本发明的新的特征在所附权利要求书中特别提出。本发明特征和优点的更好的理解将通过参考以下提出示例性实施方案的详细描述获得，其中本发明的原理及其附图被利用：
图1A说明从皮肤接触侧观察的传感器；
图1B显示具有移除的孔径板传感器；
图1C是传感器的横截面；
图2A-B说明在低氧挑战试验期间，使用660 nm和810 nm导出的生理指标(PI)的数据记录，其中受试者呼吸氮气-稀释的空气；
图3A说明所公开的传感器的放置位置；
图3B说明反射脉搏血氧仪(SpO2)和皮肤表面上的传感器之间的差异；
图4说明具有2个传感器的备选实施方案；
图5说明使用光源和光谱仪的传感器的实施方案；
图6A-C说明装置的皮肤接触部分的特征，其可被配置为将两根光纤的末端与皮肤光学接触；
图7A-B是在低氧挑战试验期间，使用660 nm和850 nm光记录的数据，和导出的PI的线形图，其中受试者呼吸氮气-稀释的空气；
图8A-B是在高氧挑战试验期间，使用660 nm和850 nm光记录的数据，和导出的PI的线形图，其中受试者呼吸纯氧；
图9A-B是在运动挑战试验期间，使用心率监视器、Moxy监测器(SpO2，大肌肉对比指尖)和使用660 nm和850 nm光的PI传感器，记录的数据的线形图；
图10A-B是在高氧挑战试验期间，使用660 nm和850 nm LED光，平行使用QTH灯光源和光谱仪记录的数据，和导出的PI的线形图；呼吸纯氧；
图11是在运动挑战试验期间，使用QTH灯光源和光谱仪记录的数据的线形图以获得PI值；
图12说明3个PI数据阶段的相互关系；
图13概述PI传感器软件的初始化过程；和
图14概述一种所提出的算法，其可被用来调节递送给被监测受试者的呼吸氧气分数。
详细描述
本公开内容提供一种用于监测光谱光密度变化的光学效率组织光漫射/吸收模式传感器，其已被发现与组织代谢化学的变化有关。这些传感器可用于所有年龄和体重的患者，以测定生理指标(PI)。如将为本领域技术人员所理解的，所公开的传感器不是血氧计设备，而是配置为在两个或更多个波长的光在传感器部位通过组织时，检测例如，哺乳动物皮肤组织代谢化学有关的光谱光子响应的传感器。实验数据证实，这些传感器响应显然源于皮肤内能量转换代谢-相关的分子的积聚。响应的两个不同的阶段已被检测：(1) 当皮肤组织中的细胞内氧水平不足以用于有氧能量转换代谢时(PI负值)和(2) 当有过多的细胞内氧导致潜在的损害时，过多的ROS和组织成分分子之间的自发化学反应(PI正值)。这两个相反的信号响应阶段之间是对应于完全适应的有氧组织能量转换代谢的“正常”组织能量转换代谢状况(即PI零点)。实验挑战试验已在施加的改变(如通过或者增加或者减少呼吸空气的氧气分数)，及揭示皮肤组织能量转换代谢状况的对应的PI传感器信号响应之间显示出强烈的间接相关。
如将为本领域技术人员所理解的，传输(指尖)和反射(皮肤的平直表面) SpO2传感器二者生成血红蛋白-氧饱和的百分比的连续、标量测量结果，其可用于评价肺的气体交换功能。然而，当照亮的皮肤组织完实时全适应和经历正常的有氧代谢时，或当皮肤组织被提供太少或太多的氧时，都未能显示无论是透射或是反射SpO2。
本公开的传感器设计是可配置的，用于方便地置于受试者的上手臂，用臂带固定在合适的部位，或在胸部上，用胶粘剂或胸带固定在合适的部位。这些位置减少运动传感器-生成的假象的可能性。金属光屏障可在光发射器和光电探测器之间的传感器外壳内提供，以防止外壳内发射光向检测器的分流。发光二极管(LED)光发射器孔径和光电二极管传感器孔径之间的横向间隔可在5 mm和9 mm之间。在优选的实施方案中，两个LED被提供，如具有约660 nm和约850 nm的中心波长，作为光发射器，和“蓝色增强的”硅光电二极管作为光电探测器。
LED光可各自以两个或两个以上的波长单独和定期生成，以提供例如，以每隔一秒钟采集的组分信号样本。每个波长信号样本，其总持续时间可以是约5毫秒，还可包含一系列快速的多个非常短暂的LED照明，伴有没有光生成的非常简短的干预期。通过这个过程，光电二极管传感器可以检测每个波长的净平均信号值；即总平均的照亮信号，平均电路噪声和环境光样本各自的更少的综合效应。PI值的计算可通过从时间-相邻净红色信号值减去IR样本的净信号值实现。
在一个婴儿重症监护监视器传感器实施方案中，PI传感器功能可与附属反射SpO2监测功能整合。这种组合传感器还可以与使用多个电极皮肤接触和电子放大的附属心电图(ECG)信号检测系统整合，并以图形方式显示的一起用于临床评价。检测的ECG信号的R-波也可被用来电子创建一个定时触发脉冲，用于计算心率和心动周期(beat-to-beat)间隔，以供显示和进一步的分析。婴儿监测系统的初始化和校准周期也可包括测定在连续血管容积图(PPG)中的从R-波触发脉冲至以下的'谷'和'峰'的各自的时间延迟。一旦这些时间间隔被确定，IR和红色信号的随后的采样可仅在每个心脏周期的'谷'和'峰'的定时间隔时发生。因此，在婴儿重症监护监视器实施方案中，PI和SpO2二者的值可从这两个信号样本每心脏周期连续地计算。
图1A说明从皮肤接触面观察的传感器100。传感器100是具有平坦表面和圆形要素的PI传感器。其它形状可被采用而不背离本公开内容的范围。第一LED 101和第二LED 101’可通过第一外壳孔径102传输光至受试者的皮肤。第一LED和第二LED被分别打开。如将为本领域技术人员所理解的，每个LED可能具有单独的孔径，然而，如所说明的单一的孔径也可以使用。硅光电二极管103可通过第二外壳孔径104看见。传感器100的外壳具有皮肤接触板110，和侧壁112。可提供连接电缆120。作为选择，传感器100可与另一个装置无线通信。
图1B说明具有移去的皮肤接触孔径板110的传感器100以显示光学生理传感器的实施方案。两个LED 101、101’被安装在第一外壳孔径102下面。硅光电二极管103被安装在第二外壳孔径104下面。如所说明的，第一外壳孔径102具有比第二外壳孔径104更小的面积。此外，一个8 mm中心-与-中心的偏差值(center-to-center offset)可在皮肤接触孔径板110中的第一外壳孔径102和第二外壳孔径104之间提供。孔径板可从任何合适的材料，包括例如金属制得。光学介质填充孔径的实施方案是光学透明的环氧树脂，例如Epo-Tek P/N301-2。图1B的视图显示内部光学元件，加内部光学屏障105，其被定位以阻断发射器和检测器之间的内部光传输。内部光学屏障105被配置为具有圆形的内壁。然而，可以使用其它屏障形状而不背离本公开内容的范围。此外，操作传感器的电力可通过内部电源(例如电池)或通过外部电源提供给传感器100。
图1C是传感器100的横截面图，具有安装在传感器内腔内的LEDs。
图2A-B说明使用根据本公开内容的传感器来自初始实验的绘图记录。记录说明DC(运行平均，或非搏动性)信号强度测量，然后使用660 nm 201和810 nm 202 LED光记录，一贯和独特地与如下的减少血液血红蛋白-氧饱和度极其一致：(1) 约660 nm 201 (红色)光的漫射的光信号值，该值不同于(2) 约810 nm (IR)光202的漫射的光信号值；即相对于用低氧挑战的IR信号的检测的强度值响应，红色信号强度值降低。所公开的PI值可通过从红色信号净值减去IR信号净值导出。因此，在进行性组织低氧期间(由通过非再呼吸性面罩短暂呼吸氮气-(N2)稀释的空气诱导)，PI值立即例如在5-10秒内，降低至越来越小的负值；然后在改变呼吸气体回到空气时，快速地返回至初始校准的“PI零点”基线。
图2A是基于由图2B中的图描述的原始信号的峰和谷值，计算SpO2200的图。值得注意的是非常不稳定的SpO2迹线204，其被传感器相对于受试者的皮肤的移动以评价运动传感器的作用有意地干扰。所用的SpO2计算公式和转换因子是与医疗设备行业(2000年1月)广泛已知的相同。
图3A描述在成人受试者10上的传感器的两个合适位置。在受试者10的上臂上的手臂传感器310的放置是即方便又舒适的，并使受试者的手腕和手自由活动。胸部传感器320可位于受试者10的胸部12并通过使用皮肤接触电极粘着剂和相应的电子线路和软件，提供与检测ECG心率的集成的可能性。
图3B说明人类皮肤30下至邻接于传感器300邻近皮肤的图解表示的下皮36的解剖学。传感器300使光38通过上皮32漫射并进入真皮34，在那里它主要与真皮36以上的各种组织元件和细胞化学过程相互作用。反射SpO2，相比之下，选择性地检测由皮肤小动脉40中的血液流动生成的非常微妙的脉动光信号变化；使用这种现象，以产生对应于动脉血液血红蛋白氧饱和的输出值。通过对比，所公开的传感器检测已从发射器孔径302漫射通过表皮32和真皮34的非搏动性的大部分光。在这种组织空间的光谱光密度的变化，如由光电二极管传感器303通过检测器孔径304检测的，是如本文所公开的输出PI信号的基础。
图4说明一个适合用于早产新生儿的传感器400的备选实施方案。两个传感器410、415被用于这种配置。在使用中，第一传感器415被置于新生儿的前右上胸部，而第二传感器410置于新生儿的左下腹部。总之，使包含一个或多个的其它触点与这两个传感器410、415整合：4-导线ECG、胸音听诊(chest sound)，和皮肤温度测量系统420、420’，其可通过连接电缆430连接于床头板-固定的接口电路。
图5图解地描述传感器系统的实施方案。为了比使用固定的-中心波长LEDs可能的更详细地调查所公开的潜在的生物现象，用光纤电缆510 (Thorlabs)将一种宽带石英卤化钨(QTH)灯光源520 (HL-2000-HP-FHSA, Ocean Optics)连接于试验受试者的皮肤12。已通过皮肤12漫射的光被接收并通过第二光纤电缆510’传输至光谱仪530 (Flame-S-USB,Ocean Optics)，以供光检测和信号分析。LabVIEW (National Instruments)软件被用于计算机560以操作灯快门，设置光谱仪的操作参数，并选择欲采样的波长强度值并分析，以产生PI值的连续读数和记录。用这种光谱仪系统记录，平行使用基于LED光的原型PI传感器，已产生非常类似的响应模式，确认和验证之前和现在的观察，并证实PI信号的基础与皮肤的光谱光密度的可重现的变化密切相关。
图6A和6B描述图5中光谱仪系统的光纤接口组件的皮肤接触面。两个孔径602、604可用透明的环氧树脂填充以使光分别传送进入皮肤和从皮肤传送出来。一个孔径602照亮皮肤，而另一个孔径604接收已漫射通过受试者皮肤的光。
图6C是通过孔径之一的光轴的切割细图(cut view)，显示一个与光纤620的末端接触的镀银镜子610 (Edmund Optics)。90o的反射光被投射，或通过各自的外壳孔径被投射或接收；距中心隔开8 mm。
图7A是通过非再呼吸性面罩，使用递送给试验受试者的氮气的低氧挑战试验的记录。在试验期间，医学传输脉搏血氧计(Masimo Radical 7)通过患者的指尖记录SpO2710。应用于受试者上臂的本公开的LED光-基PI传感器产生迹线720的PI值。值得注意的是SpO2监视器对呼吸氮气的响应的大约45秒的延迟712。通过比较，PI信号值在10秒内开始改变。PI信号也在SpO2监视器的响应之前记录回到基线。
图7B是图7A中的PI值从中计算的原始PI数据的线形图。850 nm信号线734保持比整个660 nm信号线732更少的改变。它们的相对运动是PI值的计算的基础。在两条迹线上的叠加是与受试者的正常呼吸有关的变化730。因为数据样本定时1秒钟间隔采集，心脏周期-诱导的脉动的出现没有被观察到。
图8A是使用医学氧气通过非再呼吸性面罩递送给试验受试者的高氧挑战试验的记录。与低氧挑战一样，PI值810在10秒内开始改变，但在这种情况下，在超出记录的持续时间维持升高的值。图8B是图8A的PI值从中计算的原始PI数据的线形图。850 nm迹线820相对于更稳定的660 nm迹线824具有一个强大的下降趋势的快速响应。两条迹线也显示出呼吸-诱导的波动822。
图9A是使用心率监测(Garmin) 910和SmO2监测(Moxy) 920、930的训练课程的合并记录。心率被观察到因响应于由试验受试者增加用力的3个3-分钟事件而升高。由于装入到自行车运动训练课程中的转动调节控制盘(dialed)的更逐渐增加的基线工作负载，基线心率也有增加的趋势。较下面的Moxy迹线930显示上腿肌肉的工作负载，提示这作为肌肉组织内动脉、毛细血管和静脉血液血红蛋白氧饱和度的组合。很明显，在繁重的工作时期，肌肉提取大量的氧气。较上面的Moxy迹线920显示上臂肌肉的工作负载，其有些重合，但比腿部肌肉受到较不严重的影响。
图9B是PI值940的同时记录。初始6分钟似乎是有氧的，但第一和第二次冲刺的开始作为广义的身体压力被明显检测到，因为PI传感器被置于受试者的另一只上臂。当训练课程通过约20-分钟分数时，感兴趣的是在PI基线中的一个持续观察的上升趋势950。虽然第三次冲刺产生一个较高的心率，PI趋势下降仅略低于基线PI零点，然后重新开始一个强劲的上升趋势，尽管运动已停止960。
图10A是在用吸入的纯氧1010短暂挑战1000后，延长观察的PI传感器系统记录的PI传感器记录。
图10B是由光谱仪系统1020平行产生的记录。这个平行的记录试验被执行以调查正的PI值持续多久并清楚地显示15分钟是不够长至甚至看到一种返回-至-基线趋势的开始(returning-to-baseline trend)。尽管一个更明显得多的“噪声”迹线被光谱仪记录到，PI值趋势的基本特征在两个记录中被观察到，证实PI信号可以用至少两个不同的仪表设置获得。
图11是光谱仪系统-采集的延长的有氧运动自行车课程的运动PI记录1110，其被突然停止以调查PI值趋势将会进行多高。这个记录不显示深的负PI趋势峰，因为运动员被要求在其可持续工作水平保持一致。
图12说明已被记录的3个PI数据阶段的相互关系。通常地，一个正常、健康的人在休息时被定义为具有“零” PI。在休息时的连续记录已被观察到在适度的活动，例如站立或缓慢行走至多5分钟期间偏移+/- 5个点。在两个小时的坐着并在桌上使用电脑工作期间也记录了PI；结果显示在2小时后，有一个至多在20至30之间的PI值的逐渐正向漂移的重复模式。这被期望快速地返回到站立或行走的原始基线。
在体力活动开始的数秒钟内，PI值趋势通常地是负的；其下行速度取决于用力的程度。随着运动的继续，和特别是间歇回合的极端用力，PI数据一直显示一种逐渐的PI基线值正向趋势，其在一些受试者中可在20-30分钟的运动后上升至200范围内。在繁重的工作30分钟后突然停止用力时，PI值有进一步的增加。至多约40的PI值的正的趋势也用吸入氧气观察到。在用力结束时和呼吸氧气后观察到的正向趋势没有记录足够长的时间(到目前为止仅15分钟)，以指示返回到先前的PI零点水平的速度。
图13概述PI传感器软件的初始化过程。每个受试者，和在给定的受试者上的每个应用部位，被期望在皮肤色素沉着和光谱光密度中具有差异。这些变化需要被适应以允许传感器至人的真实PI零点上的中心。该方法用增加红色LED电力1320开始1310至将生成的原始信号强度置于约80%的传感器A/D 1322转换器计数范围内的功率电平。80%值优化传感器的分辨率并适应到目前为止记录的红色信号强度的潜在增加。一旦红色LED功率电平被确定并记录在控制存储器中，红色LED电力即被锁定1324，且IR LED功率电平被类似地调节1326至略低于用红色LED在其锁定的功率电平1328检测的信号强度值；和IR LED功率电平被记录和锁定在控制存储器1330中。
最后，在运转PI传感器之前，平均强度补偿值在初始1分钟时间确定，于1秒间隔采集红色和IR样本1340。然后，计算平均信号补偿偏差(红色强度减去IR强度 = 补偿偏差)1350并存储在控制存储器中，用于随后的PI值1360的计算。也包括在所有这些强度样本中的是环境，或背景，信号强度(其是传感器电路噪声/偏差和可到达传感器的任何环境光的组合)的检测和减法。
一旦初始化过程完成(通常地在数秒钟内)，则运行过程1370启用1分钟。在运行1370开始后，红色LED和IR LED以1秒间隔采样1372，红色负IR补偿值被确定1374并计算生理指标1380。
图14概述使用调节受试者，例如早产儿或患病婴儿的呼吸氧气分数的样本算法，其出生完全适应胎儿生活的低得多的组织氧输送率。它也意欲用于其它正从长时间缺血或血氧过低发作，例如中风、近乎溺死、窒息、心脏病发作，或呼吸或心脏骤停恢复的危重病患者。假设在所有这些情况下，患者的整个身体，包括皮肤，将开始在低于正常氧适应水平下接收支持性护理。在新生儿的情况下，这种水平将是它们之前的胎儿状况，可能通过长期温和的压力，例如宫内生长受限(IUGR)，或通过与分娩有关的短期内严重的压力而进一步降低。至于非-新生儿，较低的氧适应水平是自然适应反射、由自主神经和心血管系统在神经和内分泌控制下的生命-持续响应，以及可能地伴有细胞内抗氧化剂生产和/或重复利用的下调的结果。
在用低于有害的组织氧输送率开始的努力中，低于大气的氧气分数(20.8%)的一些值可能是需要的。这个起点将最终由经验确定并将成为临床医生以这种能力服务所需的专业知识和判断的新的部分。为了示例性目的，以15%开始氧混合算法1410，然后使PI暂时归零1412。从那里，氧以1%增量增加1414，这取决于PI传感器的响应。由于到目前为止的记录已显示在5秒开始的一致的响应，且至15秒时牢固确立，合适的间隔是15秒1416，其可能被用作为更新混合机制的迭代间隔。每个初始15秒循环将测试进一步增加氧混合1%的需要。这个循环一直持续到其中IR强度值开始降低的时刻1416，预示皮肤中高氧的发生。在那时，氧混合被减少1% 1430且PI值在1分钟后检查1432以观察是否有需要移动返回到1%。因此，系统将倾向于氧气分数的循环+/- 1%，同时为了需要或者降低或者增加而扫描以适应患者的需要。
当这个过程结束时，终将有一个时刻来临，其中既不是红色也不是IR强度值将响应于氧气分数的1%改变而改变1434，表示受试者的实际PI零点已经达到。在那时，平均红色减去IR补偿值的1分钟循环被执行以获得新的偏移值1422、1424、1426；建立一个更新的PI零点。这个“重新归零”过程将由系统显示连同目前氧混合和PI数据值直到那一刻的趋势顺序指示。没有进行关于将需要最大水平的氧气分数的假设；只要该分数不导致皮肤组织高氧的情况，或使患者处于皮肤组织低氧的状态下。最后，临床医生将需要确定什么时候所提出的算法已建立患者的正常PI零点。
操作
当首次应用于皮肤时，公开的传感器控制运行初始自动-排列方案(auto-rangingprotocol)。初始自动-排列方案确定两个波长的信号水平，然后在一个或多个发射器电力和检测器放大器增益的增加步骤中调整，以使模拟数字(A/D)转换的分辨率最大化。当两个LED功率电平和相应的光检测器放大器获得时实现最优化，产生漫射的光DC数字化数值接近，但不超过A/D转换器的约80 %的最大计数限制。这个初始化过程使A/D转换的分辨率最大化，因而对于各个患者，优化计算的PI (全部用户)和SpO2 (只有婴儿)值的精确度，有助于补偿皮肤厚度和色素沉着的差异，并允许适应期望的响应的信号总范围。
在婴儿重症监护监视器实施方案中，完全PPG信号然后被分析，以供从同时获得的心脏周期-导出的R-波时间设置触发脉冲的出现至'谷'和'峰' PPG变形来定时。每个应用部位，和每个被监测的受试者，将可能具有在PPG光信号中导出的R-波触发脉冲和随后的'谷'和'峰'之间的独特的时间延迟。时间间隔的这种可变性是由于在受试者的心脏和传感器位置之间的动脉脉搏传导通路的独特的长度和弹性。一旦自动调整已经完成，且'谷'和'峰'样本定时间隔确定，则LED功率电平，检测器放大器增益水平，及采样时间间隔被记录并锁定为控制软件中的自定义计算参数。此后，获得并显示计算的血氧定量，且两个DC水平之间的数值差异连续地与计算的血氧定量相关联以验证报警状态。
一个另外的安全性特征可通过PI分析起效。在有效的血氧定量计信号群-平均(ensemble-averaging)样本定时触发不能获得的情况下，例如通常发生在被监测婴儿哭叫时，PI值可根据默认-定时的基础采样。基于时钟-定时的基础，例如每秒钟1次获得漫射的光水平，将提供为PI分析和适宜的警报生成提供完全充分的数据。此外，在其中心率和血氧测量值已经稳定的情况下，如在安静睡眠期间，默认-定时的模式也可用作电池供电仪器中的显著的传感器电量节约选择。
一个意想不到的信号响应在新生儿胸部和/或腹部上使用的原型反射脉搏血氧计的诱导的低氧挑战试验期间被注意到。随后的工作已经确认和完善这个最初的观察，揭示在医疗保健和在人体生理学研究两个方面的高度相关的新应用的可能性。下面的解释应用当前的生物化学和光学知识，因为这些学科应用于人体生理学和病理学的研究中。所述方法、观察，和提出的解释对科学和医学院本科学生而言将有望是熟悉的、合理的，并且这些学生随后已经观察到并与人类健康和疾病中的生理相互作用。
两个主要的现象似乎在起作用。第一，皮肤组织能量代谢似乎是在用来计算PI的光子信号中的变化的主要来源。可能引起这种代谢化学的变化的因素，其明显地引起生成的光子响应，与血液递送给皮肤的氧含量直接相关。这种血氧含量目前用脉搏血氧仪(SpO2)常规监测，且可通过呼吸或者氮气-稀释的空气，以减少SpO2，或者通过呼吸纯氧以超出经呼吸空气产生的血液氧饱和度来改变；并观察显示的数据。
第二个现象似乎是独立于动脉血氧含量并与血液灌注至皮肤组织的自主神经系统的调整有关，二者均作为正常的适应压力的结果，例如体育锻炼和工作，以及由于疾病或损伤-有关的过程的病理。由神经系统调节的这种血液灌注影响皮肤中细胞内水平的能量转换代谢的过程。这种影响由于不同分子的明显的积聚(取决于不足的氧(即 皮肤组织低氧)，或过多的氧(即皮肤组织高氧)是否存在)，由传感器独特地检测。
这种新的PI数据的潜在重要临床值的几个领域涉及已知降低在病理恶化过程发生的皮肤的血液灌注的病理学病症。这样的病症如心力衰竭，导致血液泵送能力降低，和低的循环血液体积，例如由于因创伤或在手术期间的血液丧失，触发自主神经系统以限制皮肤的血液灌注，作为生命-保护性反射响应。这种反射帮助维持系统的血压并保持血液流量以优先服务更重要的器官(例如脑和心)的需要。很可能血液传播感染的发病或脓毒症的最早体征是灌注至皮肤的血液减少；当血液中细菌毒素和产生的免疫系统响应的组合引起主要血管松弛和血压下降时，再次作为维持系统血压的反射响应。最后，有几个慢性健康疾病，包括慢性阻塞性肺病(COPD)，其倾向于以这样一个渐进的速度恶化，患者可无法辨别进展的压力并延迟获得需要的帮助，直至只有夸张的努力可能足以维持生命并恢复健康。所有这些病症需要一种指示最早的病理变化的高度灵敏的、可方便穿戴的传感器，以在病症变得可怕之前发出需要干预启动的信号；因而提高生活质量并降低卫生保健的成本和复杂性。SpO2监测技术在目前不是“可穿戴的”或方便的并且不足以检测在脓毒症和低血容量早期发现的皮肤灌注反射响应，并早到足以可用于检测心力衰竭和COPD的恶化。
SpO2监测也不检测在组织水平的过多氧的潜在损害，在那里它是有毒性的。具有升高的氧分压的呼吸气体可导致中枢神经系统的氧毒性，导致颠痫发作。职业、休闲的追求，和其中这可能无意中出现的医学疗法包括宇航员、高空飞行员、SCUBA驾驶员，和接受高压氧治疗患者。
可能由不足或过多的组织氧引起或恶化的病变也是早于约30周的妊娠出生的早产儿的一个主要问题。损伤包括：视网膜脱离并造成视力下降，且甚至完全失明，脑出血、肠坏死和穿孔、脑瘫，以及最常见的动脉导管未能以及时和完全的方式关闭，导致另外的各式各样的并发症和生活风险。在出生前，胎儿血氧饱和，和造成的组织氧水平，与健康足月新生儿, 儿童和成人的相比一直是很低的。由于胎儿血红蛋白的氧运输的效率高，胎儿实际上以这种低组织氧水平茁壮成长，并且除非他们过早出生，继续正常生长和发育并处于不足的氧输送和-相关损伤的最小风险中。目前重症监护的实践是根据血液血红蛋白饱和调节呼吸氧混合，如通过血气采样和SpO2监测所指示的，其不能指示是否组织氧输送是低于，或高于组织需要。因此，仅用血氧监测，潜在有害的高的(即高于胎儿)组织氧水平不能被检测到，并且因此不是目前足以能够避免的。目前使用立即给予的肺表面活性剂和适当的呼吸机治疗早产儿肺病的新生儿复苏方案在婴儿从胎儿胎盘到呼吸的早期过渡期间实际上增加了过多的组织氧输送的风险。至于快速正常化的肺功能，甚至限制呼吸气体氧气水平至大气水平(20.8%), 或者用辅助通风或者自主呼吸，仍可存在由于过多的组织氧输送所致的、至关重要的组织损伤的高得令人无法接受的风险(与在胎儿生活期间的相对很低的组织氧输送比较)。因此，对于这些非常脆弱的婴儿的复苏和早期管理，当他们使自己从胎儿过渡到空气-呼吸生活时，对于准确的、持续监测充分的组织氧输送，加上自动-调节的、最初在呼吸气体中低于-大气氧分数，有着合并的需要。持续地了解相对于皮肤组织代谢氧需要的皮肤组织-水平氧代谢状况，作为重要的器官的替代指标，长期以来一直是公认和关键的(但未满足的)早产儿卫生保健的需求。本文描述的PI传感器提供了这个关键信息的潜在可行的来源。在出生后立即应用于早产儿的皮肤，PI传感器的“查找PI零点”算法可被用来引导呼吸气体混合物的氧/氮气混合的自动调节，以低于大气氧分数，例如约15%开始。然后，可进行呼吸气体氧气分数的周期性的、小步增加，直至遇到PI零点，因此呼吸气体氧气分数可被连续和自动地调整，以维持皮肤组织氧输送来维持接近-零的PI值，作为氧输送至重要器官的替代指标。因此，每个独立的早产儿患者可根据朝向呼吸大气空气，或较高的氧气分数(如果需要)的一个独特的自动适应时间轴客观地控制，然后随着肺成熟和愈合断奶至大气氧水平。最终的目标是减少可由或者不充分或者过多的氧输送至这些婴儿的极其脆弱和不成熟的大脑、内脏和血管组织所引起的破坏性伤害的发生率。
根据本公开主题的方面的系统及方法可利用各种计算机和计算系统、通信设备、网络和/或数字/逻辑设备操作。每个可依次配置为利用可从一些存储装置产生、加载和/或获取，然后执行导致计算装置执行根据本公开主题方面的方法的指令的合适的计算装置。
计算装置可包括(但不限制)一种移动用户设备如移动电话、智能手机(smartphone)和手机、个人数字助理(personal digital assistant) (“PDA”)，例如iPhone®、平板电脑(tablet)、笔记本电脑等。在至少一些配置中，用户可经网络，如互联网执行一个浏览器应用程序，以查看和与数字内容相互作用，例如屏幕显示。显示包括，例如，允许来自计算设备的数据的视觉显示的接口。访问可能超过或部分在其它形式的计算和/或通信网络。用户可访问例如网页-浏览器，以提供对应用程序和数据及其它位于网站或网站的网页上的内容的访问。
一种合适的计算设备可包括一种执行逻辑和其它计算操作的处理器，例如，独立的计算机处理单元(“CPU”)，或作为在微控制器中的硬连线逻辑，或二者的组合，并可根据其操作系统和指令执行指令，以执行该方法的步骤，或该过程的要素。用户的计算设备可以是计算设备的网络的一部分，本公开主题的方法可通过与网络有关的不同计算设备，或许在不同的物理位置执行，合作或另外交互以执行一种本公开的方法。例如，用户的便携式计算设备可以运行一个单独的应用程序或与一个远程计算设备，例如互联网上的服务器连接。为了本申请的目的，术语“计算设备”包括任何和全部以上讨论的逻辑电路、通信设备和数字处理设施或这些的组合。
本公开主题的某些实施方案可为了示例性目的，作为可在计算设备执行软件上执行的方法的步骤描述。包括可被提供给计算设备的软件程序代码/指令或至少由计算设备在执行指令中执行的功能和操作的简短的语句。一些可能的替代实施可能涉及到函数、乱序功能和操作，包括同时发生或几乎同时发生，或以另一个次序发生或根本不发生。本公开主题的方面可并行或按顺序以硬件、固件、软件或这些的任何组合，同位或远程位置，至少部分从彼此例如在计算设备的阵列或网络，经互联的网络，包括因特网等实现。
指令可存储在计算设备内的合适的“机器可读媒体”上或与计算设备通信或以其它方式访问计算设备。如本申请所用的，机器可读媒体是一种有形存储设备且指令以一种非临时性的方式存储。同时，在操作期间，指令可有时是临时性的，例如，在经通信链路中从一个远程存储设备传输至计算设备，然而，当机器可读媒体是有形的和非-临时性的时候，指令将在内存存储设备中存储至少一段时间，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘或光盘存储设备等，其阵列和/或组合可形成一个本地高速缓存内存，例如，位于处理器集成电路，一种本地的主内存，例如，封装在计算设备的处理器的外壳内，本地的电子硬盘或光盘硬盘驱动，连接到本地服务器或远程服务器经网络等访问的远程存储位置。当这样存储时，软件将构成一种“机器可读媒体”，其既是有形的，并且又以非-临时性的形式存储指令。因此，在最低限度上，机器可读媒体在连接的计算设备上存储执行指令在由计算设备的处理器执行指令时和当指令被存储用于随后由计算设备的访问时，将是“有形的”和“非-临时性的”。
实施例
脓毒症
所公开的技术应用的另一个实例涉及PI零点的连续再评价和调整的可供选择的方法。所公开的设备及方法的许多潜在有用的应用将在被监测受试者不处于健康、静止状态时开始。例如，在患有早期脓毒症的患者的初始进入医院急诊科时，可能已经有血液灌注至皮肤的显著病理减少，导致皮肤组织状态是在人的以前的厌氧范围内；即负的PI值。简单使用呈现异常生理学条件来设置PI零点将导致相对于人的以前健康、静止PI零点的PI零点的不确定的负偏差。当给予有效的治疗，且患者的生理学的状况改善恢复到正常健康时，负的PI和正的PI值之间转换，即PI零点，将向上移动，直至它稳定在患者的真实正常水平。为了不断监视和适应这种转换的移动，“查找PI零点”算法可被应用，从而红色和IR强度信号的相对变化被用来重复测定目前PI值越过转换(即实际PI零点)的时间。例如，如果IR信号未改变，但作为有效疗法的结果，红色信号的值不断增加，受试者目前仍在负的PI范围内，但正接近PI零点。当生理学病症继续向正常方向改善时，新的PI零点将被定义为：“当红色信号值变得稳定时，同时IR信号值开始降低”。随着这种转换被检测到，固定的偏差值将被更新为红色和IR信号值之间的目前补偿值，导致计算的PI值停于更新的零点。
早产儿
作为另一个实例，在出生前的时刻，早产新生儿将完全适应从低至约10%直至高达约60%范围的更低得多的胎儿血氧饱和度，伴有对应的相对低的胎儿组织氧输送率(相对于在空气-呼吸生活期间氧输送至组织的最终速度)。目前医学实践使用新生儿的动脉血液的“血气” (SaO2)测量和脉搏血氧定量(SpO2)测量，以指导在早产儿出生后的初始护理期间呼吸气体的氧气分数混合。使用Clark电极传感器监测皮肤组织氧张力，也是一种在早产儿的医疗保健中引导氧输送的可接受的方式。最近，使用红外光使婴儿脑内深处的动脉、毛细血管和静脉血液的组合的血红蛋白/氧饱和度的非侵入性测量成为可能，作为足够的血液灌注和氧输送至脑的指标。使用这些器械和相关的目前实践的指导假设是，低血氧(血氧不足)和产生的低的组织氧水平(组织低氧)是早产儿遭遇的独特的和破坏性的重要器官组织损害的根本原因。然而，目前研究文献报道这些组织中发生的初始损害是对于毛细血管后小静脉衬里的内皮细胞。最近还报道这些损害与相对过多的氧输送率的突然发生直接相关。这些小静脉内皮细胞的死亡和瓦解触发血液凝结并通过它们各自的毛细血管导致血流阻断，最终导致由那些毛细血管供应的组织死亡。不幸的是，血氧测量不能指示什么时候氧输送率超过这些非常敏感的内皮细胞的耐受水平。假定正常肺功能由于使用肺表面活性剂直接治疗而快速地建立，呼吸正常20.8%氧气分数空气一直被观察到提高婴儿的动脉血氧饱和度超过80%，或甚至高达90%，其远高于来自胎盘的胎儿血液曾经出现的血氧饱和度。这种情况的加剧是已知的组织-保护性抗氧化剂，例如谷胱甘肽在少于约30周妊娠的婴儿中的产生降低。因此，在组织抗氧化剂保护不充分的情况下，当这些器官被突然灌注与出生前胎儿环境时刻比较更高得多的氧含量血液时，这些婴儿面临罹患对脑、肠和眼睛中的微血管内皮细胞的高氧损害的风险。直至发现PI信号，没有检测何时组织接受不足的氧气，刚好适量的氧气，或太多的氧气(相对于他们的目前需要和安全利用氧的能力)的方法。
新生儿
在与早产儿类似的实例中，当婴儿的组织具有时间以适应空气-呼吸生活的更高的氧利用率时，足月妊娠婴儿的初始PI零点也期望以比其将转换以变得更低的血氧水平开始。在受各种出生并发症折磨的足月婴儿的情况下，婴儿的呼吸气体用亚-大气氧气分数，例如15%开始也可能是更安全的。然后，随着婴儿的组织氧需要和氧耐受性逐渐增加，PI监测可提供一种用于重要的器官氧需要和耐受性的替代指标。当红色信号强度相对于稳定的IR信号强度开始降低时，预计这种适应的早期证据将会观察到，表示需要增加呼吸空气中的氧气分数，直至红色信号保持稳定，且IR信号水平开始降低；因而鉴定新的PI零点。然后，新的固定的补偿值将被建立，定义这个更新的PI零点。注意到这些测定和呼吸气体氧气分数改变基本上独立于婴儿的动脉血液血红蛋白/氧饱和度水平。血氧测量仅与肺和血液作为氧运输剂的效率相关且不能明确地指示重要的器官组织是否被安全且有效地供应氧。组织损伤，特别是由过高速率的组织氧输送引起的那些，发生于新生儿的重要的器官中，而不在他们的血液中。公开的PI监测设备和方法，加上本文公开的呼吸氧气分数的PI监测允许的调节，提供一种与基于血氧指标的指导比较可能更安全和更有效的初始护理过程。
运动
本公开内容的又一方面涉及生理传感器，其被配置以使用两个或多个波长光子信号变化，检测对肌肉用力，例如休闲运动、减肥运动、体育训练和表演或职业工作等发生的肌肉用力的皮肤微循环和/或皮肤组织代谢化学响应；作为由肌肉活动带来的全身生理负荷的替代指标。此外，所公开的传感器可被配置以显示观察到的PI信号基线位移响应模式，其被认为表明显然与机械功输出的程度和用力的持续时间的组合相关的疲劳发生的速度。关于为体育训练、一般健康维护、在损伤或手术后的康复和减肥设计的运动方案的目前研究，支持为每个个体精确设计锻炼课程的需要，以致运动可安全和有效地实现预期的目标。由本公开的PI传感器提供的新的生理学信息可被用来帮助优化个体的锻炼方案以实现安全性和性能目标。作为实例，为一个300-磅的具有不稳定的健康的人设计的导向减肥运动方案的开始阶段需要最初采用低强度运动并使对心脏的压力最小，以便不损伤主要负重关节或引发心脏病。然而同时，运动方案需要显著地改善整体健康状况并实现损失体内储存的脂肪的有效速度，作为人的时间、精力、情绪压力和经济成本投入的结果。对于这样一个人的工作负荷进展、训练课程持续时间和课程重复时间设置也将需要适应个人的偏好，或他的冒险不是可持续的。今天临床医学家/培训师必须将基于经验的专家意见替代为需要的、但缺失的组织-层面生理的客观测量。理论上，基于目前的研究数据，使用身体存储的脂肪作为减肥运动方案的主要燃料来源要求延长的、纯粹有氧-水平的锻炼，而非多个短暂回合的筋疲力尽的繁重工作。最后，运动方案需要生成生物学信号，其将上调准备用于能量转换的身体脂肪需要的组织酶系统的生产。此外，需要充分的休息和恢复时间以允许在下一个事件之前充分利用刺激收益。目前，在早上醒来时回到基线静止心率，和回到基线心动周期心率的变化，被用来指导从运动的恢复。虽然这些人口统计-导出的指标可能反映了心脏健康，新发现的PI信号提供能量转换化学的客观的、可能更相关的个性化见解，作为整个身体的该过程的替代指标。对于每个人的足够的恢复期可，作为一个实例，通过评价他们在其下一个训练课程中的PI值疲劳趋势的速率来确定；其中更快速的PI基线上升指示恢复不充分。直至发现PI信号，尚无一种方便的、非侵入性的客观方法来指示一个人是：(1) 在他们的有氧窗口内锻炼，(2) 在每个训练课程结束时，存在将上调脂肪利用酶过程的生成的有效生物学信号，和(3) 在另一个课程之前充足的恢复时间已经过去。
低体温症
在本公开内容的又一方面，描述了漫射的光生理传感器，其通过两个或多个波长光子信号变化，检测对不利条件的皮肤微循环和/或皮肤组织化学反应响应，例如因受冻所致的低体温症，因过高的环境温度/湿度暴露所致的进行性体温过高，或对注入或摄入药物化学物质的不利反应，例如当麻醉药物或其他药物或其它潜在的，或实际上有毒的药物已经引入身体时，和从这样的病症、影响和反应的恢复期间；作为保护重要器官组织的反射响应的替代指标。
组织缺血
本公开内容的另外的方面包括生理传感器，其被配置为通过两个或多个波长光子信号变化检测在组织缺血后的再-灌注期间的组织微循环和/或组织化学反应响应，例如在整形手术期间故意采用以实现不流血的外科领域，或者一般来说，如在血液灌注返回到已暂时灌注不足或未灌注的身体部分或器官时发生；为了监测由循环血液传输氧至再-灌注组织的量不超过组织的暂时减少和逐渐恢复的利用传输氧的能力的目的；从而帮助优化疗法。相关的实例可包括从中枢神经系统缺血性中风的复苏和恢复和由于窒息、近乎溺亡、心脏病和/或呼吸停止导致的低氧血症长期发作后的复苏。目前疗法往往包括一段诱导的全身冷却，或降低体温和/或药物-诱导的昏迷的时期以减慢脑的代谢。降低体温和诱导昏迷疗法的显著成功尤其表明，脑中最敏感的组织可在较低的氧水平下存活相当长的时期，但需要时间上调它们利用和耐受传输正常SpO2和灌注水平的氧的能力。例如，由于不是至关重要的身体组织，例如骨骼、肌肉和皮肤，更容易地耐受较低的氧输送，呼吸气体氧气分数可能逐渐降低，采用心脏监测，使患者的SpO2下降至65-70%范围约30分钟。这将允许皮肤适应较低水平的供氧，因为它已经通过在运动期间记录PI传感器数据来记录如此进行。这个皮肤适应过程也是适应在高海拔生存的正常部分。当这种适应出现时，“查找PI零点”算法将在较低的SpO2水平下重建PI零点。然后，因为皮肤作为更重要器官的灌注缓冲区，它可作为更重要的器官的替代被监测，其中PI传感器用来引导呼吸气体中的氧气分数的逐渐上调。理论上，如果比皮肤更重要的器官开始需要增加氧气的量，皮肤将变得更加缺氧，因为自主神经系统将皮肤灌注转移至这些更重要的器官，正如它在运动和感染性休克期间所做到的那样。因此，当PI值向更加负值的方向变化时，表明灌注转移至更重要的器官，呼吸氧气分数可增加以使PI值回到零点；并且重复这个周期，直至人呼吸大气氧气分数。
虽然已在此显示和描述了本发明的优选的实施方案，对本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方案仅仅是作为实例提供。本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替代，而不背离本发明。应该理解，对在此描述的本发明实施方案的各种选择可用于实践本发明。意欲使以下的权利要求书限定本发明的范围，因而这些权利要求及其等价物范围内的方法和结构都被涵盖在内。

Claims (42)

1.一种生理指标传感器，其包含：
用于发射第一波长的第一装置，其中用于发射第一波长的第一装置可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长；
用于发射第二波长的第二装置，其中用于发射第二波长的第二装置可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；
与用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置光学隔离的检测装置；和
被配置以接收来自检测装置的输入的处理器装置。
2.权利要求1的生理指标传感器，其中生理指标传感器还包含数据传输装置。
3.权利要求1的生理指标传感器，其中生理指标传感器可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。
4.权利要求1的生理指标传感器，其还包含具有第一孔径和第二孔径的外壳装置。
5.权利要求4的生理指标传感器，其中第一孔径和第二孔径充满了光学透明的材料。
6.权利要求4的生理指标传感器，其还包含被配置以将生理指标传感器固定于用户的手臂或胸部的固定装置。
7.权利要求1的生理指标传感器，其还包含一个或多个导电皮肤接触粘附装置。
8.权利要求1的生理指标传感器，其中用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。
9.权利要求1的生理指标传感器，其中用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置的至少一个是未经过滤的宽带光源，使用光纤电缆用于将光传输至皮肤及从皮肤传输光，且检测装置是光谱仪，其中由光谱仪获得的选择波长强度值用来计算生理指标。
10.一种生理指标传感器，其包含：
用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长；
用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；
与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器；和
被配置以接收来自检测器的输入的处理器。
11.权利要求10的生理指标传感器，其中生理指标传感器还包含数据传输器。
12.权利要求10的生理指标传感器，其中生理指标传感器可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。
13.权利要求10的生理指标传感器，其还包含具有第一孔径和第二孔径的外壳。
14.权利要求13的生理指标传感器，其中第一孔径和第二孔径充满了光学透明的材料。
15.权利要求13的生理指标传感器，其还包含被配置以将生理指标传感器固定于用户的手臂或胸部的固定器。
16.权利要求10的生理指标传感器，其还包含一个或多个导电皮肤接触粘附垫。
17.权利要求10的生理指标传感器，其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。
18.权利要求10的生理指标传感器，其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个是未经过滤的宽带光源，其中通过光谱仪选择的两个或更多个波长强度值用来计算生理指标值。
19.一种生理指标传感器，其包含：
适合于附着用户的胸部或手臂的外壳，其中外壳具有第一孔径和第二孔径；
第一发射器，其中第一发射器可配置为通过第一孔径发射从650 nm至670 nm的第一波长；
第二发射器，其中第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；
布置在外壳内的检测器，其中检测器在外壳内与第一发射器和第二发射器光学隔离，并邻近第二孔径；和
被配置以接收来自检测器的输入的处理器。
20.权利要求19的生理指标传感器，其中生理指标传感器还包含数据传输器。
21.权利要求19的生理指标传感器，其中生理指标传感器可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。
22.权利要求19的生理指标传感器，其中第一孔径和第二孔径充满了光学透明的材料。
23.权利要求19的生理指标传感器，其还包含被配置以将生理指标传感器固定于用户的手臂或胸部的固定器。
24.权利要求19的生理指标传感器，其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。
25.权利要求19的生理指标传感器，其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个是未经过滤的宽带光源，其中由光谱仪选择的两个或更多个波长强度值用来计算生理指标值。
26.一种检测生物学参数的方法，其包括：
使生理指标传感器接触患者的手臂或胸部，其中生理指标传感器还包含：用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670nm的第一目标波长；用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器；和被配置以接收来自检测器的输入的处理器；
用电源给生理指标传感器供电；
以第一波长发射光和以第二波长发射光；检测通过组织的漫射光；和
分析由漫射光产生的检测信号。
27.权利要求26的方法，其还包括测定对患者输送氧的指标的步骤。
28.权利要求26的方法，其还包括从生理指标传感器传输数据至第二装置的步骤。
29.权利要求26的方法，其还包括检测组织的过多氧水平的步骤。
30.一种通信系统，其包括：
接触患者的手臂或胸部的生理指标传感器，其中生理指标传感器还包含：用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670nm的第一目标波长；用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器；和被配置以接收来自检测器的输入的处理器；
与生理指标传感器连通以给生理指标传感器提供动力的电源；
服务器计算机系统；
在服务器计算机系统上的测量模块，用于允许从生理指标传感器经网络传输测量；和
以下至少一种引擎：连接于至少一个生理指标传感器的API引擎，以创建关于测量的信息和经API集成网络传输信息至具有预定的接受者用户名的接受者；连接于至少一个用于检测生理参数的系统和生理指标传感器的SMS引擎，以创建关于测量的SMS信息和经网络传输SMS信息至具有预定的测量接受者电话号码的接收设备；或连接于至少一个生理指标传感器的电子邮件引擎，以创建关于测量的电子邮件信息和经网络传输电子邮件信息至具有预定的接受者电子邮件地址的接受者电子邮件。
31.权利要求30的通信系统，其还包含在服务器计算机系统上的存储模块，用于将测量结果存储在生理指标传感器服务器数据库中。
32.权利要求31的通信系统，其中生理指标传感器可经移动电话网络或互联网的至少一种连接于服务器计算机系统，并且在测量接受者电子设备上的浏览器被用来检索服务器计算机系统上的接口。
33.权利要求32的通信系统，其还包含：服务器计算机系统上的接口，所述接口可通过移动设备上的应用程序检索。
34.权利要求32的通信系统，其中服务器计算机系统可经蜂窝式电话网络连接，以接收来自测量接受者移动设备的响应。
35.权利要求30的通信系统，其还包含：
存在于测量接受者移动设备上的可下载的应用程序，所述可下载的应用程序经蜂窝式电话网络传输响应和测量接受者电话号码ID至服务器计算机系统，所述服务器计算机系统利用测量接受者电话号码ID把响应与SMS测量联系起来。
36.一种获得生理指标的方法，其包括：
布置生理指标传感器，用电源给生理指标传感器供电，所述生理指标传感器具有：用于发射第一波长的第一发射器，其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长；用于发射第二波长的第二发射器，其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长；与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器；和被配置以接收来自检测器的输入的处理器；
调整第一目标波长光源功率电平，直至生成的信号强度是传感器系统A/D转换器最大计数限制的约80%；
在控制存储器中记录和锁定第一目标波长光源功率电平；
调整第二目标波长光源功率电平，直至生成的信号强度低于由第一目标波长光源产生的信号强度；
在控制存储器中记录和锁定第二目标波长光源功率电平；
使用各自锁定的第一和第二目标波长光源功率电平，以在传感器位置每秒一次在第一和第二目标波长对光谱光密度采样；
计算从第一目标波长信号强度减去第二目标波长信号强度的平均差异；和
在控制存储器中记录和锁定平均差异。
37.权利要求36的方法，其中计算从第一目标波长信号强度减去第二目标波长信号强度的平均差异经1分钟执行。
38.权利要求36的方法，其中初始化过程被用来适应皮肤色素沉着的正常或异常变化和皮肤组织的光谱光密度的正常或异常变化的一种或多种。
39. 权利要求38的方法，其还包括以下步骤：
对第一和第二目标波长信号各自采样，减去时间-相邻的、未照明的背景信号；和
减去第二目标波长信号强度值加上自第一目标波长信号强度值记录的偏差补偿值，以产生生理指标值。
40.权利要求39的方法，其还包括在一个或多个第二定时的基础上重复采样和减法步骤及显示和记录生理指标值。
41.权利要求36的方法，其还包括：
设置一个在15%氧气的起始氧气分数水平；
增加氧气分数1%；
监测氧气分数的变化的生理指标15秒；
如果第二目标波长信号强度值未降低，并且第一目标波长信号强度响应于氧气分数的1%增加而增加，则生成一个反馈控制命令以增加呼吸气体氧气分数1%。
42.权利要求41的方法，其还包括通过以下至少一项来重复监测和响应命令周期：
如果第二目标波长信号强度降低，且第一目标波长信号强度不响应于呼吸气体的氧气分数的1%增加而增加，则降低呼吸气体分数1%，并监测生理指标1分钟；
如果第一目标波长信号强度响应于呼吸气体的氧气分数的1%降低而降低，则增加呼吸气体氧气分数1%；和
如果第二目标波长信号强度未降低，且第一目标波长信号强度不响应于呼吸气体的氧气分数的1%增加而增加，则受试者的生理指标“零”状况已经达到，导致第一目标波长信号强度减去第二目标波长信号强度的每秒一次样本的1分钟补偿均值，导致记录和锁定控制菜单中的一个新的偏差补偿值并表明生理指标“零”已被重新设定。
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