CN109310374A - 确定绝对和相对组织氧饱和度 - Google Patents

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Abstract

血氧计探头可由用户配置成处于测量值的绝对报告模式和相对报告模式。绝对模式和相对模式的测量值包括绝对氧饱和度、相对氧饱和度、绝对血红蛋白含量、相对血红蛋白含量、绝对血量、相对血量。用于确定并报告个体患者的相对或绝对血红蛋白含量或相对或绝对血量的相对模式和绝对模式在确定在例如皮肤的组织中施用影响血流但不影响氧饱和度的例如肾上腺素的药物的功效时是有益的。在这些相对模式中的血氧计探头将所施用药物的功效显示为相对血红蛋白含量或相对血量下降或上升的报告值。

Description

确定绝对和相对组织氧饱和度
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2016年4月22日提交的以下美国专利申请62/326,630、62/326,644和62/326,673的权益。这些申请通过引用的方式连同这些申请中引用的所有其他参考文献并入本文中
背景技术
本发明总体涉及监测组织中的氧含量的光学系统。更具体地，本发明涉及光学探头，比如血氧计，该光学探头包括在光学探头的传感器头部上的源和检测器，并且使用本地存储的模拟反射率曲线来确定组织的氧饱和度。
血氧计是为了各种目的测量人类和生物中的组织的氧饱和度的医疗装置。例如，血氧计在医院和其他医疗设施中用于医疗和诊断目的(例如，手术、患者监测或救护车或其他移动监测，例如，组织缺氧)；在体育领域中用于运动和竞技体育目的(例如，职业运动员监测)；对个体进行个人或家庭监测的目的(例如，一般健康监测或马拉松人员训练)；以及兽医目的(例如，动物监测)。
脉搏血氧计和组织血氧计是以不同的原理运行的两种类型的血氧计。脉搏血氧计需要脉搏才能起作用。脉搏血氧计通常测量由脉动动脉血引起的光吸收。相比之下，组织血氧计不需要脉搏才能起作用，并且可以用于对已经与血液供应断开的组织瓣进行氧饱和度测量。
作为实例，人体组织包含各种光吸收分子。这种发色团包括氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、黑色素、水、脂质和细胞色素。在大部分可见光和近红外光谱范围内，氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和黑色素是组织中最主要的发色团。在某些波长的光下，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收显著不同。组织血氧计可以通过利用这些光吸收差异来测量人体组织中的氧含量。
尽管现有的血氧计成功，但仍然希望通过以下方式来改进血氧计，例如：提高测量精度；减少测量时间；降低成本；减小尺寸、重量或形状因子；降低功耗；以及其他原因，以及这些测量的任何组合。
特别是，在区域和局部层面评估患者的氧合状态是重要的，因为它是患者局部组织健康状态的指标。因此，血氧计通常用于临床环境中，比如在手术和恢复期间，其中可能怀疑患者的组织氧合状态是不稳定的。例如，在手术过程中，血氧计应当能够在各种非理想条件下快速提供准确的氧饱和度测量。虽然现有的血氧计已经足够用于绝对准确性并不重要而仅趋势数据就足够的术后组织监测，然而，在手术期间需要精确度，在手术期间可以使用抽样检查来确定组织是否可以存活或需要移除。
因此，需要改进的组织血氧计探头和使用这些探头进行测量的方法。
发明内容
血氧计探头利用相对大量的模拟反射率曲线以快速确定所研究组织的光学性质。组织的光学性质允许进一步确定组织的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度以及组织的氧饱和度。
在一个实施方式中，血氧计探头可以测量氧饱和度而不需要脉搏或心跳。本发明的血氧计探头适用于许多医学和手术领域，包括整形手术。血氧计探头可以在没有脉搏的情况下对组织进行氧饱和度测量。这种组织可能已经与身体分离(例如皮瓣)，并将被移植到体内的另一个位置。本发明的方面也可以应用于脉搏血氧计。与血氧计探头相比，脉搏血氧计需要脉搏才能起作用。脉搏血氧计通常测量由脉动动脉血引起的光吸收。
在实施方式中，确定并显示氧合测量的相对值，比如相对氧饱和度测量值，使得血氧计探头的使用可以确定随时间影响氧饱和度的施用药物(比如肾上腺素或其他药物)的效力。
在实施方式中，一种方法包括：使探头尖端接触患者的目标组织；在第一时间将第一光从所述血氧计探头的源结构传输到所述目标组织中；由所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第一反射光；通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的第一反射光的第一反射率数据；将所述反射率数据拟合到多个模拟反射率曲线；从所述第一反射率数据与所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线，其中所述模拟反射率曲线中的每一个与吸收系数的值相关联；确定所述模拟反射率曲线中与所述第一反射率数据的拟合一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的至少第一吸收系数；基于所述第一吸收系数确定第一氧饱和度的第一值；并且将所述第一氧饱和度的第一值存储在所述存储器中。
所述方法包括：在第二时间将第二光从所述血氧计探头的源结构传输到所述目标组织中；由所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第二反射光；通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的第二反射光的第二反射率数据；将所述第二反射率数据拟合到所述多个模拟反射率曲线；从所述第二反射率数据与所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线；确定所述模拟反射率曲线中与所述第二反射率数据拟合的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的至少第二吸收系数；基于所述第二吸收系数确定第二氧饱和度的第二值。
所述方法包括：从所述存储器检索所述第一值；确定所述第一值与所述第二值之间的百分比差值；并且在所述血氧计探头的显示器上显示所述百分比差值。
在实施方式中，一种系统包括血氧计装置，所述血氧计装置包括在所述血氧计装置的远端上的探头尖端以及靠近所述探头尖端的显示器，所述探头尖端包括源结构和检测器结构，其中，所述血氧计装置计算第一氧饱和度值、第二氧饱和度值以及所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的相对氧饱和度值，并显示所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的相对氧饱和度值，并且所述血氧计装置专门被配置成：在第一时间段将来自血氧计探头的光源的光传输到待测量的第一组织中；响应于在第一时间段的传输光在所述血氧计探头的检测器处接收被所述第一组织反射的光；在第二时间段，将来自所述血氧计探头的光源的光传输到待测量的第二组织中，其中所述第二时间段在所述第一时间段之后；响应于在第二时间段的传输光在所述血氧计探头的检测器处接收被所述第二组织反射的光；确定所述第一组织的第一氧饱和度值；确定所述第二组织的第二氧饱和度值；计算所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的相对氧饱和度值；并且在所述显示器上显示所述相对氧饱和度值。
一种系统包括血氧计探头，所述血氧计探头包括：手持式壳体；容纳在所述手持式壳体中的处理器；存储器，所述存储器被容纳在所述手持式壳体中，被电子耦合到所述处理器并存储用于控制所述处理器的第一代码；显示器，所述显示器可从所述手持式壳体的外部接近，被电子耦合到所述处理器；电池，所述电池被容纳在所述手持式壳体中，耦合到所述处理器、所述存储器和所述显示器并向所述处理器、所述存储器和所述显示器供电。
所述代码包括所述处理器可执行的指令，用于：在第一时间控制所述血氧计探头的源结构以将第一光发射到患者的目标组织中；控制所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第一反射光；从所述检测器结构接收由所述检测器结构产生的用于由所述检测器结构检测的第一反射光的第一反射率数据；将所述反射率数据拟合到多个模拟反射率曲线；从所述第一反射率数据与所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线，其中所述模拟反射率曲线中的每一个与吸收系数的值相关联；确定所述模拟反射率曲线中与所述第一反射率数据的拟合一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的至少一个第一吸收系数；基于所述第一吸收系数确定第一氧饱和度的第一值；并且将所述第一氧饱和度的第一值存储在所述存储器中。
所述代码包括可由所述处理器执行的指令，用于：在第二时间控制所述血氧计探头的源结构以将第二光传输到所述目标组织中；由所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第二反射光；通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的第二反射光的第二反射率数据；将所述第二反射率数据拟合到所述多个模拟反射率曲线；从所述第二反射率数据与所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线；确定所述模拟反射率曲线中与所述第二反射率数据拟合的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的至少第二吸收系数；基于所述第二吸收系数确定第二氧饱和度的第二值。
所述代码包括所述处理器可执行的指令，用于从所述存储器检索所述第一值；确定所述第一值与所述第二值之间的百分比差值；并且控制在所述血氧计探头的显示器上显示所述百分比差值。
在实施方式中，一种方法包括：使探头尖端接触患者的目标组织；在第一时间将第一光从所述血氧计探头的源结构传输到所述目标组织中；由所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第一反射光；通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的第一反射光的第一反射率数据；将所述反射率数据拟合到多个模拟反射率曲线；从所述第一反射率数据与所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线，其中所述模拟反射率曲线的每一个与所述吸收系数的值相关联；确定所述模拟反射率曲线中与所述第一反射率数据的拟合一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的至少一个第一吸收系数；基于所述第一吸收系数确定第一组织测量的第一值；并且将所述组织测量的第一值存储在所述存储器中。
所述发包括：在第二时间将第二光从所述血氧计探头的源结构传输到所述目标组织中；由所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第二反射光；通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的第二反射光的第二反射率数据；将所述第二反射率数据拟合到所述多个模拟反射率曲线；从所述第二反射率数据与所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线；确定所述模拟反射率曲线中与所述第二反射率数据拟合的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的至少第二吸收系数；并且基于所述第二吸收系数确定第二组织测量的第二值。
所述方法包括从所述存储器检索所述第一值；确定所述第一组织测量值与所述第二组织测量值之间的百分比差值；并且在所述血氧计探头的显示器上显示所述第一组织测量值与所述第二组织测量值之间的百分比差值。
考虑到以下详细描述和附图，本发明的其他目的、特征和优点将变得明显，其中相同的附图标记在所有附图中表示相同的特征。
附图说明
图1显示了血氧计探头的实施方式。
图2显示了实施方式中的探头尖端的端视图。
图3显示了血氧计探头的框图。
图4A示出了实施方式中的血氧计探头的俯视图，其中显示器适于显示氧饱和度的值和总血红蛋白的值。
图4B示出了实施方式中的血氧计探头的俯视图，其中显示器适于显示氧饱和度的值和血量的值。
图4C-4D示出了实施方式中的血氧计探头101的俯视图，其中显示器适于显示两个时间点之间的氧饱和度的值。
图4E示出了血氧计探头101的俯视图，其中显示器显示绝对氧饱和度和相对氧饱和度的值。
图4F-4G示出了用于确定组织的相对氧饱和度的值并在显示器上显示该值的方法的流程图。
图4H-4I示出了血氧计探头101的俯视图，其中显示器显示相对氧饱和度的值以及箭头以进一步指示相对氧饱和度的增加和减少。
图4J示出了用于确定组织的相对氧饱和度的值的方法的流程图，其中用户输入或选择氧饱和度的第一值，并且探头确定后者的氧饱和度的第二值。
图4K示出了在实施方式中用于通过血氧计探头确定组织(例如，真实组织)的光学性质的方法的流程图。
图5示出了在实施方式中用于通过血氧计探头确定组织的光学性质的方法的流程图。
图6示出了在实施方式中用于通过血氧计探头确定组织的光学性质的方法的流程图。
图7示出了反射率曲线的示例图，该曲线可以用于源结构和检测器结构的特定配置，比如探头尖端的配置源结构和检测器结构。
图8显示了任意单位的吸收系数μa与组织中的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、黑色素和水的光波长的关系图。
图9示出了用于模拟反射率曲线的同质组织模型的数据库的表格，在实施方式中，该表格被存储在血氧计探头的存储器中。
图10示出了用于模拟反射率曲线的分层组织模型的数据库的表格，在实施方式中，该表格被存储在血氧计探头的存储器中。
图11A-11B示出了用于分层组织模型的数据库的表格，其中数据库中的每一行用于从模拟的源结构发射并由模拟的检测器结构检测到的四个波长的光的四个模拟反射率曲线。
图12A-12B示出了用于通过血氧计探头确定组织(例如，真实组织)的光学性质的方法的流程图，其中血氧计探头使用反射率数据和模拟反射率曲线来确定光学性质。
图13示出了用于通过血氧计探头确定组织的光学性质的另一种方法的流程图。
图14示出了用于对由选择检测器结构生成的反射率数据进行加权的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了实施方式中的血氧计探头101的图像。血氧计探头101被配置成进行组织血氧测量，比如术中和术后。血氧计探头101可以是手持装置，该手持装置包括探头单元105、探头尖端110(也被称为传感器头部)，该探头尖端可以位于感测臂111的一端。血氧计探头101被配置成通过从探头尖端110发射光(比如近红外光)到组织中并且在探头尖端处收集从该组织反射的光来测量组织的氧饱和度。
血氧计探头101包括通知用户由血氧计探头测量的氧饱和度测量值的显示器115或其他通知装置。虽然探头尖端110被描述为被配置成与作为手持装置的血氧计探头101一起使用，但探头尖端110也可以与其他血氧计探头一起使用，比如例如模块化血氧计探头，在这些血氧计探头中，探头尖端位于耦合到基部单元的电缆装置的端部。电缆装置可以是被配置成与一个患者一起使用的一次性装置，并且基部单元可以是被配置成重复使用的装置。这种模块化血氧计探头是本领域技术人员很好理解的，并且不再进一步描述。
图2显示了实施方式中的探头尖端110的端视图。探头尖端110被配置成与将进行组织血氧测量的组织(例如，患者的皮肤)接触。探头尖端110包括第一和第二源结构120a和120b(通常是源结构120)，并且包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八检测器结构125a-125h(通常是检测器结构125)。在替代实施方式中，血氧计探头包括更多或更少的源结构，或包括更多或更少的检测器结构，或包括更多或更少的源结构和更多或更少的检测器结构。
每个源结构120适于发射光(比如红外光)并且包括一个或多个光源，比如产生发射光的四个光源。每个光源可以发射一个或多个波长的光。每个光源可以包括发光二极管(LED)、激光二极管、有机发光二极管(OLED)、量子点LED(QMLED)或其他类型的光源。
每个源结构可以包括将光源光学地连接到探头尖端的面127的一个或多个光纤。在实施方式中，每个源结构包括四个LED并且包括单个光纤，每个光纤将四个LED光学耦合到探头尖端的面。在替代实施方式中，每个源结构包括多于一个光纤(例如，四个光纤)，这些光纤将LED光学耦合到探头尖端的面。
每个检测器结构包括一个或多个检测器。在实施方式中，每个检测器结构包括单个检测器，单个检测器适于检测从源结构发射并从组织反射的光。检测器可以是光电检测器、光敏电阻器或其他类型的检测器。检测器结构相对于源结构定位，使得产生两个或更多(例如，八个)唯一的源-检测器距离。
在实施方式中，最短的源-检测器距离大约相等。例如，源结构120a与检测器结构125d之间的最短源-检测器距离(S1-D4)和源结构120b与检测器结构125a之间的最短源-检测器距离(S2-D8)大约相等。源结构120a与检测器结构125e之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，比S1-D4和S2-D8中的每一个更长)(S1-D5)和源结构120b与检测器结构125a之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D1)大约相等。源结构120a与检测器结构125c之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，比S1-D5和S2-D1中的每一个更长)(S1-D3)和源结构120b与检测器结构125g之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D7)大约相等。源结构120a与检测器结构125f之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，比S1-D3和S2-D7中的每一个更长)(S1-D6)和源结构120b与检测器结构125b之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D2)大约相等。源结构120a与检测器结构125c之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，比S1-D6和S2-D2中的每一个更长)(S1-D2)和源结构120b与检测器结构125f之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D6)大约相等。源结构120a与检测器结构125g之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，比S1-D2和S2-D6中的每一个更长)(S1-D7)和源结构120b与检测器结构125c之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D3)大约相等。源结构120a与检测器结构125a之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，比S1-D7和S2-D3中的每一个更长)(S1-D1)和源结构120b与检测器结构125e之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D5)大约相等。源结构120a与检测器结构125之间的下一个更长的源-检测器距离(例如，最长的源-检测器距离，比S1-D1和S2-D5中的每一个更长)(S1-D8)和源结构120b与检测器结构125d之间的下一个更长的源-检测器距离(S2-D4)大约相等。在其他实施方式中，源-检测器距离可以都是唯一的，或者具有大约相等的少于八个距离。
下面的表1显示了根据实施方式的八个唯一的源-检测器距离。最近的源-检测器距离之间的增量大约为0.4毫米。
表1
在实施方式中，对于血氧计探头被配置成发射的每个波长的光(例如，可见光谱中的两个、三个、四个或更多个波长的光，比如红色、IR或可见光和IR两者)，血氧计探头包括：至少两个源-检测器距离，小于大约1.5毫米、小于大约1.6毫米、小于大约1.7毫米、小于大约1.8毫米、小于大约1.9毫米、或小于大约2.0毫米；以及两个源-检测器距离，大于大约2.5毫米且小于大约4毫米、小于大约4.1毫米、小于大约4.2毫米、小于大约4.3毫米、小于大约4.4毫米、小于大约4.5毫米、小于大约4.6毫米、小于大约4.7毫米、小于大约4.8毫米、小于大约4.95毫米，或小于大约5毫米。
在实施方式中，检测器结构125a和125e关于连接源120a和120b的直线上的点对称地定位。检测器结构125b和125f关于该点对称地定位。检测器结构125c和125g关于该点对称地定位。检测器结构125d和125h关于该点对称地定位。该点可以在连接线上的源结构120a和120b之间居中。
源-检测器距离与由检测器结构125检测的反射率的关系图可以提供数据点沿x轴良好地间隔开的反射率曲线。源结构120a和120b与检测器结构125之间的距离的这些间距减小了数据冗余并且可以导致产生相对精确的反射率曲线。
在实施方式中，源结构和检测器结构可以布置在探头表面上的不同位置处以给出所需的距离(比如上面指出的)。例如，两个源形成一条线，并且在该线的上方和下方将有相同数量的检测器。并且检测器(在该线上方)的位置将关于两个源的线上的选定点与另一个检测器(在该线下方)具有点对称性。作为示例，所选择的点可以是两个源之间的中间，但这不是必要的。在其他实施方式中，可以基于形状(比如圆形、椭圆形、卵形、随机、三角形、矩形、正方形或其他形状)来布置定位。
以下的专利申请描述了各种血氧计装置和血氧定量操作，并且以下申请中的讨论可以以任何组合与本申请中描述的本发明的多个方面进行组合。以下专利申请通过援引的方式连同这些申请中引用的所有参考文献并入本文中：2015年11月17日提交的14/944,139；2013年5月3日提交的13/887,130；2016年5月24日提交的15/163,565；2013年5月3日提交的13/887,220；2016年7月19日提交的15/214,355；2013年5月3日提交的13/887,213；2013年6月7日提交的14/977,578；2013年6月7日提交的13/887,178；2016年7月26日提交的15/220,354；2013年8月12日提交的13/965,156；2016年11月22日提交的15/359,570；2013年5月3日提交的13/887,152；2016年4月16日提交的29/561,749；2012年5月3日提交的61/642,389、61/642,393、61/642,395、61/642,399；2012年8月10日提交的61/682,146；2017年4月20日提交的15/493,132、15/493,111、15/493,121；2017年4月21日提交的15/494,444；2017年4月24日提交的15/495,194、15/495,205和15/495,212。
图3示出了实施方式中的血氧计探头101的框图。血氧计探头101包括显示器115、处理器116、存储器117、扬声器118、一个或多个用户选择装置119(例如，一个或多个按钮、开关、与显示器115相关联的触摸输入装置)、一组源结构120、一组检测器结构125和电源(例如电池)127。上面列出的部件可以通过总线128连接在一起，该总线可以是血氧计探头101的系统总线架构。尽管该图示出了连接到每个部件的一个总线，但是该总线说明了用于连接这些部件或包括在血氧计探头101中的其他部件的任何互连方案。例如，扬声器118可以通过端口连接到子系统或者具有连接到处理器116的内部直接连接。此外，在实施方式中，所描述的部件被容纳在血氧计探头101的移动壳体(参见图1)中。
处理器116可以包括微处理器、微控制器、多核处理器或其他处理器类型。存储器117可以包括各种存储器，比如易失性存储器117a(例如，RAM)、非易失性存储器117b(例如，光盘或闪存)。血氧计探头101的不同实施方式可以包括任何组合或配置的任何数量的所列部件，并且还可包括未示出的其他部件。
电源127可以是电池，比如一次性电池。一次性电池在所储存的电量消耗后被丢弃。一些一次性电池化学技术包括碱性、锌碳或氧化银。电池具有足够的存储电量，以允许手持装置使用数小时。在实施方式中，血氧计探头是一次性的。
在其他实施方式中，电池是可再充电的，其中电池可以在存储的电量被消耗之后多次充电。一些可充电电池化学技术包括镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)、锂离子(Li离子)和锌空气。例如，可以通过带有连接到手持单元的电源线的AC适配器对电池进行充电。手持单元中的电路可以包括充电器电路(未示出)。具有可充电电池化学成分的电池有时可以用作一次性电池，其中电池不被充电但在使用后丢弃。
图4A和4B示出了实施方式中的血氧计探头101的俯视图。俯视图示出了位于血氧计探头顶部的探头单元105中的显示器115。显示器适于显示关于血氧计探头的一条或多条信息以及由探头进行的测量的测量信息。
在实施方式中，显示器适于显示由血氧计探头测量的组织的氧饱和度200(“氧饱和度值”)的值。显示器可以将氧饱和度显示为百分比值、通过一种或多种颜色(例如，如果显示器是彩色显示器)显示具有多个条的条形图或者与其他可显示信息一起显示。
显示器还可以适于显示血氧计探头已经操作的持续时间的值205(例如，自复位以来)。当更换探头中的电池时，血氧计探头可以从此前未使用的一组电池(新电池)的第一次通电、从硬断电后的通电、从软断电后的通电(例如休眠模式)或其他复位事件起开始复位。
显示器可以显示每血量的总血红蛋白值225(图4A)或显示血量值(例如，每个探测的组织体积的血液百分比，图4B)。下面描述通过血氧计探头确定总血红蛋白和血量。在实施方式中，黑色素的显示值是表示血红蛋白浓度的值(例如，索引值)，例如被采样的组织体积中的血红蛋白浓度，其中该值可以是无单位值。
图4C示出了实施方式中的血氧计探头101的俯视图，其中显示器适于显示组织的相对氧饱和度的值。相对氧饱和度的值可以显示为第一时间确定的氧饱和度的第一值和第一时间之后的第二次确定的氧饱和度的第二值的百分比差。
在实施方式中，血氧计探头可以显示其他信息组合，比如绝对StO2和相对StO2的值、总血红蛋白和相对StO2的值、血量值和相对血红蛋白。图4E示出了血氧计探头101的俯视图，其中显示器显示绝对氧饱和度和相对氧饱和度的值。
图4F-4G示出了用于确定组织的相对氧饱和度的值并在显示器上显示该值的方法的流程图。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在400处，输入装置(例如，血氧计探头的按钮(比如按钮119)或第二按钮、血氧计探头的摇臂开关或其他输入装置)被激活。输入装置可以由用户激活。输入装置的激活将血氧计探头置于“相对”操作模式，其中血氧计探头可以确定组织的相对氧饱和度的值。可以通过相对快速地按下按钮两次(例如，“双击”)以将血氧计探头置于相对模式来激活按钮。输入装置的第二激活(例如，随后双击按钮)或另一输入装置(例如，第三按钮)的激活将血氧计装置重新置于“绝对”模式，其中血氧计探头可以确定组织的绝对氧饱和度值。
在405处，血氧计探头101在第一时间段从源结构之一发射光(例如，近红外光)到组织中。在从组织反射发射的光之后，检测器结构125检测光(步骤410)，并产生组织的反射率数据(步骤415)。可以针对多个波长的光并且针对一个或多个其他源结构(比如源结构120b)重复步骤405、410和415。
在420处，血氧计探头将反射率数据拟合到模拟反射率曲线315，并确定反射率数据具有最佳拟合的模拟反射率曲线。存储在存储器中并且拟合反射率数据的数据库可以是数据库900、数据库1000或数据库1100，它们将在下面进行描述。此后，血氧计探头基于最佳拟合反射率数据的模拟反射率曲线的光学性质确定组织的光学性质(例如，数据库900或数据库1000的μa和μs’，或数据库1100的黑色素含量的值、氧饱和度的第一值、血量和散射)，步骤425。例如，如果血氧计探头从数据库900或1000确定μa和μs'，则血氧计探头此后可以使用吸收系数(μa)确定氧饱和度的第一值。下面描述从μa确定氧饱和度的值。
在步骤430，血氧计探头的输入装置(例如，所描述的任何输入装置或另一输入装置)被激活。输入装置的激活使氧饱和度值被存储在血氧计探头的存储器(例如，存储器117、处理器的缓冲存储器或其他存储器)中。还可以存储第一值的时间戳。
在435处，血氧计探头101在第一时间段之后的第二时间段处从源结构之一发射光(例如，近红外光)到组织(可以是患者的不同部位的不同组织，比如两个乳房或单个乳房的对侧乳房组织)中。在从组织反射发射的光之后，检测器结构125检测光(步骤440)，并产生组织的反射率数据(步骤445)。可以针对多个波长的光并且针对一个或多个其他源结构(比如源结构120b)重复步骤435、440和445。
在450处，血氧计探头将反射率数据拟合到模拟反射率曲线315，并确定反射率数据具有最佳拟合的模拟反射率曲线。存储在存储器中并且拟合反射率数据的数据库可以是数据库900、数据库1000或数据库1100，它们将在下面进行描述。此后，血氧计探头基于最佳拟合反射率数据的模拟反射率曲线的光学性质确定组织的光学性质(例如，数据库900或数据库1000的μa和μs’，或数据库1100的黑色素含量的第二值、氧饱和度的第二值、血量的第二值、散射的第二值)，步骤455。例如，如果血氧计探头从数据库900或1000确定第二值μa和μs'，则血氧计探头此后可以使用吸收系数(μa)确定氧饱和度的第二值。
在步骤460，处理器计算氧饱和度的第一与第二值之间的差值(例如，百分比差值)(例如，相对氧饱和度)。在步骤465，在显示器上显示氧饱和度值的差值或百分比差值。直到在第二时间段之后和已经确定第二氧饱和度值之后，相对氧饱和度值才可用于显示。在实施方式中，相对氧饱和度值在显示器上被象征性地显示，从而指示第二氧饱和度值高于(例如，显示向上箭头)、低于(例如，显示向下箭头)或等于(例如，显示破折号或其他符号)第一氧饱和度值。当显示符号指示器时，可能不会显示氧饱和度的数值。当显示氧饱和度的数值时，可以显示符号指示器。
可以以持续的方式重复步骤435至465，以计算氧饱和度的后续值(第三、第四、第五和更多)，因此，血氧计探头确定并显示稍后时间的氧饱和度相对于第一时间的氧饱和度值的持续变化。进入和退出相对模式可以重置氧饱和度的第一值。
可以针对多个组织测量值重复图4F-4G中所示的方法的步骤，比如第一时间的第一组织测量值、第二时间的第二次组织测量值(在第一时间段之后)、第三时间的第三组织测量值(在第二时间段之后)或稍后的更多组织测量值。计算并显示的相对氧饱和度值可以用于第一和第二组织测量值(例如，第一相对氧饱和度)、第二和第三组织测量值(例如，第二相对氧饱和度)或第一和第三组织测量值(例如，第三相对氧饱和度)。第一、第二和第三组织测量可以针对相同的组织部位、两个不同的组织部位或三个不同的组织部位。用户可以通过操作用户输入(例如，按钮119、触摸屏或其他)来选择第一、第二或第三相对氧饱和度值(例如，第一、第二和第三操作模式)的显示。
三种操作模式中的两种或更多种可以同时操作，使得同时显示第一和第二相对氧饱和度值(例如，不显示第三相对氧饱和度值)，同时显示第二和第三相对氧饱和度值(例如，不显示第一相对氧饱和度值)，并且同时显示第一和第三相对氧饱和度值(例如，不显示第二相对氧饱和度值)。
在实施方式中，血氧计探头适于在氧饱和度值的百分比差值(例如，相对氧饱和度值)大于或小于阈值量时或者在氧饱和度的绝对值大于或小于阈值量时提供通知。阈值量可以是由用户输入到血氧计探头中的量，从显示器上显示的显示量中选择的，或者被有线或无线地输入到血氧计探头中。该量可以是在图4J的步骤470处输入的值。如果百分比差值高于或低于阈值，则可以用一个或多个附加指示器显示所显示的氧饱和度值，比如向上箭头、向下箭头、闪烁显示、彩色显示值(例如，红色或绿色)、点亮的红色LED、点亮的绿色LED、显示屏上点亮的红色像素组(例如，红色或绿色)或其他指示器。如果氧饱和度的百分比值高于或低于阈值，则血氧计探头可以发出一个或多个声音(例如，音调或点击)或者可以提供触觉反馈(例如，振动)。在一些实施方式中，如果百分比差值低于阈值(例如，氧饱和度下降)但不高于阈值(例如，氧饱和度增加)，则显示这些附加通知中的一个或多个。
如果氧饱和度的百分比差值(例如，相对氧饱和度)大于或小于阈值量或者如果氧饱和度的绝对值高于或低于阈值绝对量(例如，阈值加上偏移值和阈值减去偏移值)，则血氧计探头可以适于显示氧饱和度值的百分比差值。高于和低于阈值的偏移可以相等或不相等，比如：阈值加上阈值的2％，阈值减去阈值的2％；阈值加上阈值的5％，阈值减去阈值的5％；阈值加上阈值的1％和阈值减去阈值的5％；阈值加上阈值的5％，阈值减去阈值的2％；或其他值。高于和低于阈值的上、下绝对百分比可以由用户输入到血氧计探头中，从显示器上显示的显示量中选择，或者被有线或无线地输入到血氧计探头中。如果百分比差值高于或低于阈值加上或减去绝对偏移值，则可以用一个或多个附加指示器显示所显示的氧饱和度值，比如向上箭头、向下箭头、闪烁显示、彩色显示值(例如，红色或绿色)、点亮的红色LED、点亮的绿色LED、显示屏上点亮的红色像素组(例如，红色或绿色)或其他指示器。如果氧饱和度的百分比值高于或低于阈值，则血氧计探头可以发出一个或多个声音(例如，音调或点击)或者可以提供触觉反馈(例如，振动)。在一些实施方式中，如果百分比差值低于阈值(例如，氧饱和度下降)但不高于阈值(例如，氧饱和度增加)，则显示这些附加通知中的一个或多个。在一些实施方式中，如果百分比差值低于阈值(例如，氧饱和度下降)但不高于阈值(例如，氧饱和度增加)，则显示这些附加通知中的一个或多个。
在实施方式中，血氧计探头适于显示氧饱和度的第一值与第二值之间的差值，而不是氧饱和度的第一值与第二值之间的百分比差值。血氧计探头可以利用指示相对氧饱和度已增加或减少的各种指示器中的一个或多个来显示百分比差值或计算的差值。例如，相对氧饱和度的减小值可以用向下箭头(图4H)、彩色指示器(例如，显示器上的红点或点亮的红色发光元件，比如探头单元105中的红色LED)来显示。例如，相对氧饱和度的增加值可以用向上箭头(图4I)、彩色指示器(例如，显示器上的绿点或点亮的绿色发光元件，比如探头单元105中的绿色LED)来显示。相对氧饱和度的值在该值减小时可以以第一颜色(例如，红色)显示，并且在该值增加时可以以第二颜色(例如，绿色)显示。血氧计探头可以将百分比差值或计算出的差值显示为闪烁，例如，如果值减小。例如，如果这些值减小，则血氧计探头可以适于发出一种或多种声音。如果这些值减小，则血氧计探头可以适于提供触觉反馈(例如，振动)。如果相对氧饱和度减小到低于下阈值，或者增加超过上限阈值，或者相对氧饱和度减小到低于下阈值并且增加超过上限阈值，则可以发射这些附加指示器中的每一个(例如，箭头、发射光、闪烁显示、彩色显示的值、声音、触觉反馈或其他指示器)。
相对操作模式对于许多医疗过程是有用的，其中氧饱和度值(相对氧饱和度值)的相对变化的知识有助于确定医疗过程是否可以开始、继续或应当停止。例如，当在组织中需要减少的血流量时，可以向患者施用肾上腺素注射剂或其他药物(例如，可以局部施用于组织)以减少组织中的血流量。可以在施用肾上腺素之前或在给药后相对短的时间内确定组织的血红蛋白含量或血量的基线值(例如，在步骤405-425，确定血红蛋白含量或血量的第一值，例如使用下面描述的数据库1100)。
此后，基于更新的相对血红蛋白或血量值的持续显示(例如，在步骤435-425，确定血红蛋白含量或血量的第二值，例如使用数据库1100)，执业医生可以确定肾上腺素给药是否成功减少血流量，是否需要给患者施用更多的肾上腺素以进一步减少组织中的血流量，或者是否应该停止手术。也就是说，当血氧计探头显示更新的相对血红蛋白或血量值时，执业医生可以“观察”药物对组织的影响。
图4J示出了用于确定组织的相对氧饱和度的值并在显示器上显示该值的方法的流程图。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在470处，血氧计探头通过输入(比如用户输入或来自另一装置的输入)接收氧饱和度的第一值。可以通过按钮或其他输入装置(比如触摸屏)的一个或多个按钮按压来输入用户输入。氧饱和度的第一值也可以通过与探头的有线或无线连接被输入到血氧计探头中。在一些实施方式中，血氧计探头可以显示用户可以(例如)通过按钮按压或其他输入来选择的氧饱和度的第一值的范围。
在471处，血氧计探头101将光(例如，近红外光)从源结构之一发射到组织中。在从组织反射发射的光之后，检测器结构125检测光(步骤472)，并产生组织的反射率数据(步骤473)。可以针对多个波长的光并且针对一个或多个其他源结构(比如源结构120b)重复步骤471、472和473。
在474处，血氧计探头将反射率数据拟合到模拟反射率曲线315，并确定反射率数据具有最佳拟合的模拟反射率曲线。存储在存储器中并且拟合反射率数据的数据库可以是数据库900、数据库1000或数据库1100，它们将在下面进行描述。此后，血氧计探头基于最佳拟合反射率数据的模拟反射率曲线的光学性质确定组织的光学性质(例如，数据库900或数据库1000的μa和μs’，或数据库1100的黑色素含量的第二值、氧饱和度的第二值、血量的第二值、散射的第二值)，步骤475。例如，如果血氧计探头从数据库900或1000确定第二值μa和μs'，则血氧计探头此后可以使用吸收系数(μa)确定氧饱和度的第二值。
在步骤476，处理器计算氧饱和度的第一值与第二值之间的差值(例如，百分比差值)。在步骤477，在显示器上显示氧饱和度值的百分比差值。
可以以持续的方式重复步骤471至477，以计算氧饱和度的后续值(第三、第四、第五和更多)，因此，血氧计探头确定并显示稍后时间的氧饱和度相对于第一时间的氧饱和度值的持续变化。进入和退出相对模式可以重置氧饱和度的第一值。
组织分析。图4K示出了在实施方式中用于通过血氧计探头101确定组织(例如，真实组织)的光学性质的方法的流程图。血氧计探头使用组织的确定的黑色素含量来校正由血氧计探头测量的各种组织参数。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在480处，黑色素读取器光学耦合(例如，接触)到组织。黑色素读取器是光电装置，该光电装置适于发射光(步骤482)到组织中，并且在已经传输通过该组织或从该组织反射之后检测光(步骤484)。由黑色素读取器检测到的光被转换成电信号(步骤486)，该装置使用电信号以确定该组织的黑色素含量(步骤488)。黑色素读取器可以在读取器的显示器上或通过有线或无线输出来输出黑色素含量的值(步骤490)。
在实施方式中，在492，将关于黑色素含量的信息(例如，数值)输入到血氧计探头101中。可以经由用户(例如，人类用户)或通过黑色素读取器与血氧计探头之间的有线或无线通信将信息输入血氧计探头中。
在第一实施方式中，在494，血氧计探头使用黑色素含量的信息来调整由探头产生的一个或多个测量值。在实施方式中，血氧计探头确定组织的氧饱和度的值。此后，血氧计探头使用黑色素含量的信息调整氧饱和度的值。血氧计探头可以通过一个或多个算术运算、数学函数或两者来调整氧饱和度的值。例如，黑色素含量的信息可以用作偏移值(例如，添加剂偏移值)、比例因子或两者，用于调整氧饱和度的值。
在替代实施方式中，在494，血氧计探头确定组织对由血氧计探头发射并检测的多个波长的光(例如，四个波长的光)的吸收系数μa(mua)、减小的散射系数μs'(mus prime)或者两者。此后，血氧计探头使用关于黑色素含量的信息调整每个波长的光的确定的吸收(μa)值。血氧计探头可以通过一个或多个算术运算、数学函数或两者来调整吸收系数(μa)值。例如，黑色素含量的信息可以用作偏移值(例如，添加剂偏移值)、比例因子或两者，用于调整吸收(μa)值。此后，血氧计探头使用吸收(μa)值来确定组织的氧饱和度值。吸收(μa)和减小的散射(μs')的确定如下所述。
在另一实施方式中，在494，血氧计探头将一个或多个黑色素校正函数应用于由检测器结构产生的反射率数据。黑色素校正功能基于黑色素含量的信息。反射率数据可以是在由血氧计探头的一个或多个电子部件数字化之前由检测器结构产生的模拟反射率数据，或者反射率数据可以是数字化的反射率数据。黑色素校正功能可以应用于模拟反射率数据或数字化反射率数据。黑色素校正函数包括应用于反射率数据的一个或多个数学运算。比例因子由血氧计探头基于被输入到血氧计探头中的黑色素含量的信息确定。对于由血氧计探头发射的每个波长的光，可以针对黑色素含量调整反射率数据。
在实施方式中，黑色素校正函数可以是与一个或多个校准函数(例如，具有比例因子)组合的组合函数(例如，具有比例因子)。校准函数可以包括用于基于各种因素(由于检测器结构的温度漂移或者其他考虑因素而发生)校正检测器响应的比例因子，比如由于制造而发生的差异。在通过血氧计探头调整反射率数据之后，探头可以确定待测组织中血液的氧饱和度。
图5示出了在实施方式中用于通过血氧计探头101确定组织的光学性质的方法的流程图。血氧计探头使用关于组织的黑色素含量的信息来校正由血氧计探头测量的各种组织参数。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在500，将组织的颜色与多个颜色样本(有时被称为颜色样本)的两个或更多个颜色样本进行比较，以确定颜色样本之一的颜色是否与组织的颜色大致匹配。用于颜色比较的每种颜色样品与黑色素含量的值相关联。识别颜色样本的黑色素含量的信息(例如，数值)可以位于颜色样本上。
组织颜色与颜色样本的颜色之间的比较可以通过颜色比较工具来执行，比如X-Rite(密歇根州大急流城的公司)的一种或多种颜色比较工具。在实施方式中，比较可以由人(比如患者或医疗提供方)在视觉上执行。在实施方式中，血氧计探头适于确定组织的黑色素含量的值，该值可以显示在探头的显示器上。血氧计探头的实施方式适于发射一种或多种波长的光，比如可见光或IR，用于确定组织的黑色素含量。
在505，在比较之后，基于比较确定组织的黑色素含量的值。
在替代实施方式中，黑色素含量的值是基于有限范围的黑色素含量值从内容估计值确定的。黑色素含量范围内的值的数量可包括两个或更多个值。例如，黑色素含量范围内的值的数量可以是2(例如，对于亮组织为1，对于暗组织为2)、3(例如，1为光，2为中，3为黑)、4、5、6、7、8、9、10或更多。可以由患者或医疗提供方来提供对黑色素含量的估计。
在510，关于黑色素含量的信息可以被输入到血氧计探头中。在血氧计探头确定黑色素含量的值的方法中可以跳过步骤510。按钮119可以被激活预定次数以将血氧计探头置于数据输入模式，在数据输入模式中可以输入黑色素内容的信息。此后，经由与探头的有线通信、经由与探头的无线通信、经由显示器(如果显示器是触摸界面显示器)、经由听觉接口(例如，探头中的麦克风和语音识别软件)或经由其他输入技术可以通过进一步激活按钮将黑色素内容的信息输入到探头中。
在515，血氧计探头适于使用关于黑色素含量的信息来调整由血氧计探头执行的一个或多个测量或计算。例如，血氧计探头可以使用该信息来调整组织的氧饱和度值，调整吸收(μa)，调整减小的散射(μs')，调整检测器产生的值，或这些调整的组合中的一个或多个。以上关于步骤435进一步描述了这些调整中的每一个。
图6示出了在实施方式中用于通过血氧计探头101确定组织的光学性质的方法的流程图。血氧计探头使用组织的确定的黑色素含量来校正由探头测量的各种组织参数。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在600处，用血氧计探头进行组织的一次或多次对侧测量。在使用血氧计探头对待测量的目标组织(例如，要确定组织健康的乳房组织)进行测量之前，使用血氧计探头对健康组织的一部分(例如，健康的乳房组织)进行对侧测量。可以针对由血氧计探头发射的每个波长的光进行组织的对侧测量。
在605，由检测器结构产生的反射率数据由血氧计探头的电子元件数字化并存储在存储器中。反射率数据为随后的组织测量提供了比较的依据。例如，对侧测量提供对侧组织的黑色素含量的基线测量值，其中处理器可以使用基线测量值来校正由血氧计探头进行的各种测量。
在610，通过血氧计探头进行待测量的目标组织的血氧测量。
在615，在实施方式中，处理器使用血氧测量来生成目标组织的氧饱和度值。此后，处理器检索存储在605处的对侧组织的存储的反射率数据，并且使用检索的值来调整氧饱和度值。也就是说，处理器使用健康对侧组织组织的黑色素含量的基线测量值来调整目标组织的氧饱和度值。
在615，在替代实施方式中，处理器从目标组织的血氧测量测量值确定吸收μa、减小的散射系数μs'或两者。此后，处理器检索在605处存储的对侧组织的反射率数据，并且使用检索的值来调整μa、μs'或两者。然后，处理器使用调整的μa值来计算氧合血红蛋白的值、脱氧血红蛋白的值或目标组织的其他值。也就是说，处理器使用健康对侧组织的黑色素含量的基线测量来调整目标组织的μa。
在615，在另一替代实施方式中，处理器检索在605处存储的对侧组织的存储的反射率数据，并使用所检索的值来调整由检测器结构针对目标组织生成的反射率数据。由处理器应用于反射率数据的调整可以是简单的偏移(例如，加法偏移)、比例因子(例如，乘法偏移)、功能校正、其他校正或任何组合中的任何一个或这些调整。也就是说，处理器使用针对健康组织的黑色素含量的基线测量来调整由检测器结构产生的值，以调整目标组织的反射率数据。
存储的模拟反射率曲线。根据实施方式，存储器117存储多个蒙特卡罗模拟反射率曲线(Monte-Carlo-simulated reflectance curve)315(“模拟反射率曲线”)，该曲线可以由计算机生成以供随后存储在存储器中。每个模拟反射率曲线315表示从一个或多个模拟源结构发射到模拟组织中并从模拟组织反射到一个或多个模拟检测器结构中的光(例如，近红外光)的模拟。模拟反射率曲线315用于模拟源结构和模拟检测器结构的特定配置，比如，具有上面参照图2描述的源-检测器间距的探头尖端110的源结构120a-120b和检测器结构125a-125h的配置。
因此，模拟反射率曲线315对从源结构发射并由血氧计探头101的检测器结构收集的光进行建模。此外，每个模拟反射率曲线315表示涉及组织发色团的特定浓度和组织散射体的特定浓度的唯一的真实组织状况，比如特定组织吸收和组织散射值。例如，可以为具有各种黑色素含量、各种氧合血红蛋白浓度、各种脱氧血红蛋白浓度、各种水浓度、水浓度的静态值、各种脂肪浓度、脂肪浓度的静态值或各种吸收(μa)和减小的散射(μs')值的模拟组织生成模拟反射率曲线。
存储在存储器117中的模拟反射率曲线的数量可以相对大，并且可以表示几乎所有(如果不是全部)光学性质和组织特性的实际组合(可以存在于由血氧计探头101分析生存力的真实组织中)。虽然存储器117被描述为存储蒙特卡罗模拟反射率曲线，但是存储器117可以存储通过除蒙特卡罗方法之外的方法(比如通过使用扩散近似法)产生的模拟反射率曲线。
图7示出了反射率曲线的示例图，该曲线可以用于源结构120和检测器结构125的特定配置，比如探头尖端110的配置源结构和检测器结构。曲线图的水平轴表示源结构120与检测器结构125之间的距离(即，源-检测器距离)。如果源结构120与检测器结构125之间的距离被适当地选择，并且模拟反射率曲线是源结构120和检测器结构125的模拟，那么模拟反射率曲线中的数据点之间的横向间距将是相对均匀的。在图7的模拟反射率曲线中可以看到这种均匀的间距。曲线图的垂直轴表示从组织反射的并且由检测器结构125检测到的光的模拟反射率。如模拟反射率曲线所示，到达检测器结构125的反射光随源结构与检测器结构之间的距离而变化，在相对小的源-检测器距离处检测到的反射光大于在相对大的源-检测器距离处检测到的反射光。
图8显示了下面的一些重要组织发色团的吸收系数μa与光波长的关系图：含有氧合血红蛋白的血液、含有脱氧血红蛋白的血液、黑色素和水。在实施方式中，用于产生模拟反射率曲线的蒙特卡罗模拟是选择可以存在于组织中的一种或多种发色团的函数。发色团可以以任何组合包括氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、黑色素、水、脂质、细胞色素或其他发色团。在大部分可见光和近红外光谱范围内，氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和黑色素是组织中最主要的发色团。
在实施方式中，存储器117存储每个模拟反射率曲线315的选定数量的数据点，并且可能不存储整个模拟反射率曲线。为每个模拟反射率曲线315存储的数据点的数量可以与源-检测器对的数量匹配。例如，如果探头尖端110包括两个源结构120a-120b并且包括八个检测器结构125a-125h，则血氧计探头101包括十六个源-检测器对，并且因此存储器117可以为源结构120a或源结构120b发射的每个波长的光的每个模拟反射率曲线存储十六个选择数据点。在实施方式中，所存储的数据点用于探头尖端110的特定的源-检测器距离，比如表1中所示的那些。
因此，存储在存储器117中的模拟反射率曲线数据库的大小可以是16×5850，其中每条曲线存储16个点，这些点可以由每个源结构120生成和发射并由每个检测器结构125测量，其中总共有5850条曲线跨越光学性质范围。替代性地，存储在存储器117中的模拟反射率曲线数据库的大小可以是16×4×5850，其中每个曲线存储16个点，这些点用于可以由每个源结构产生并发射的四种不同波长，并且其中总共有5850条曲线跨越光学性质范围。5850条曲线例如源自39个散射系数μs'值和150吸收系数μa值的矩阵。在其他实施方式中，更多或更少的模拟反射率曲线被存储在存储器中。例如，存储在存储器中的模拟反射率曲线的数量可以在约100条曲线至约250,000条曲线至约400,000条曲线或更多的范围内。
减小的散射系数μs'值可以在5：5：24/厘米的范围内。μa值可以在0.01：0.01：1.5/厘米的范围内。应当理解，前述范围是示例范围，源-检测器对的数量、每个源结构产生并发射的波长的数量以及模拟反射率曲线的数量可以更小或更大。
图9示出了模拟反射率曲线315的数据库900，在实施方式中，该模拟反射率曲线被存储在血氧计探头的存储器中。该数据库用于均匀的组织模型。数据库中的每行表示从蒙特卡罗模拟产生的一个模拟反射率曲线，该蒙特卡罗模拟用于从两个模拟源结构(例如，源结构120a-120b)发射到模拟组织中并且在从模拟组织反射之后由八个模拟检测器结构(例如，检测器结构125a-125h)检测到的模拟光。用于生成数据库的模拟反射率曲线的蒙特卡罗模拟用于均匀组织模型。均匀组织模型的模拟组织具有从组织表面穿过表皮、真皮和皮下组织的均匀光学性质。也就是说，蒙特卡罗模拟的表皮、真皮和皮下的光学性质是相同的。在数据库中，每个模拟反射率曲线与吸收值(μa)和减小的散射的值(μs')相关联。数据库中的每个模拟反射率曲线可以与其他发色团的值相关联。
模拟反射率曲线的数据库可以包括用于模拟反射率的实际值(例如，浮点值)，或者可以包括用于模拟反射率的实际值的索引值(例如，二进制值)。如图9所示，数据库包括模拟反射率的实际值的索引值(例如，二进制值)。数据库可以包括各种长度的二进制字(例如，取决于条目的准确性)。二进制字可以是2位长、4位长、8位长、16位长、32位长或其他长度。
在实施方式中，在将曲线的值输入数据库之前，将一个或多个数学变换应用于模拟反射率曲线。数学变换可以改善由检测器结构产生的反射率数据与模拟反射率曲线的拟合。例如，可以将对数函数应用于模拟反射率曲线，以改善由检测器结构生成的测量数据与模拟反射率曲线的拟合。
当进行血氧测量时，每个波长的发射的光的反射率数据被检测器结构检测到，并分别拟合数据库900的模拟反射率曲线。对于与模拟反射率曲线拟合的每个波长的发射的光的反射率数据，血氧计探头确定这两个值吸收μa值、减小的散射μs值或两者。例如，将第一波长的光的第一组反射率数据拟合到模拟反射率曲线，以确定吸收μa值和减小的散射μs'值(例如，第一组组织参数)中的一个或多个。在下面进一步描述将反射率数据拟合到模拟反射率曲线。
此后，第二波长的光的第二组反射率数据被拟合到数据库900中的模拟反射率曲线，以确定第二波长的吸收μa、减小的散射μs'(例如，第二组组织参数)中的一个或多个。此后，第三波长的光的第三组反射率数据被拟合到数据库900中的模拟反射率曲线，以确定吸收μa、减小的散射μs'(例如，第三组组织参数)中的一个或多个。此后，第四波长的光的第四组反射率数据被拟合到数据库900中的模拟反射率曲线，以确定第四波长的吸收μa、减小的散射μs'(例如，第四组组织参数)中的一个或多个。
然后，血氧计探头一起使用四组组织参数来确定组织的各种值，比如氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、黑色素含量或其他参数。
图10示出了模拟反射率曲线的数据库1000，在实施方式中，该模拟反射率曲线被存储在血氧计探头的存储器中。该数据库用于组织的分层模型(例如分层皮肤)。生成模拟反射率曲线的蒙特卡罗模拟使用分层组织模型进行模拟。分层组织可以包括两层或更多层。在实施方式中，分层组织包括两层组织。两层组织具有不同的光学性质，比如不同的吸收μa、减小的散射μs'或这两种性质。
在一个实施方式中，第一模拟组织层用于表皮，第二模拟组织层用于真皮。蒙特卡罗模拟中使用的表皮厚度可以为约40微米至约140微米。例如，表皮的厚度可以是40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、110微米、120微米、130微米、140微米或其他厚度。蒙特卡罗模拟中使用的真皮的厚度可以在小于1毫米至有效无限厚度(比如12毫米或更大)的范围内。
当为真皮产生模拟反射率曲线时，可以改变表皮的一种或多种光学性质。例如，当为真皮产生模拟反射率曲线时，可以改变表皮的黑色素含量。替代性地，当为真皮产生模拟反射率曲线时，可以改变表皮的μa。
在实施方式中，数据库1000包括由表皮和真皮的组合反射的光的模拟反射率曲线。
处理器一次一个地使由源结构发射并由检测器结构检测到的(由血氧计探头测量的真实组织的)每个波长的光的反射率数据与模拟反射率曲线拟合。基于与数据库中的一个或多个模拟反射率曲线的拟合，血氧计探头确定一层或两层的真实组织的吸收μa和减小的散射μs'中的一个或两个。根据为一层确定的吸收(μa)值，血氧计探头确定组织的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。
图11A-11B示出了模拟反射率曲线的数据库1110，在实施方式中，该模拟反射率曲线被存储在血氧计探头的存储器中。该数据库用于分层组织模型。数据库中的每一行包括从模拟的源结构发射并由模拟的检测器结构检测到的四个波长的光中的每一个的模拟反射率曲线。每行四个模拟反射率曲线包括每个模拟反射率曲线的16个值。更具体地，每行包括用于源结构120a-120b和检测器结构125a-125h的16个源-检测器距离的16个值。总而言之，每一行包括从两个模拟的源结构发射并由八个模拟的检测器结构检测到的四个波长的光中的四个模拟反射率曲线的64个值。
如果从源结构发射更多或更少的波长，则数据库1110的分层组织模型可以包括每行更多或更少的模拟反射率曲线。如果例如探头尖端中包括一个或多于两个源结构，探头尖端中包括更多或更少的检测器结构，或者这两种情况都存在，则数据库1110可以包括每个模拟反射率曲线的多于或少于16个值。
数据库1110的每行的四个模拟反射率曲线中的每一个与四个组织参数相关联，包括黑色素含量、血量、散射和氧饱和度(氧合血红蛋白相对于组织的总血红蛋白的分数)。数据库1110中可以包括更多或更少的组织参数。
当由检测器结构125a-125h生成的用于由血氧计探头测量的组织的一组检测器值被处理器拟合到一个或多个行时，血氧计探头由此以任何组合确定一个或多个组织参数，比如黑色素含量、血量、散射和氧饱和度。在实施方式中，血氧计探头适于确定组织的氧饱和度并在显示器上显示氧饱和度的值。
如上面简要描述的，数据库1110包括用于分层组织模型的模拟反射率曲线315。模拟组织的层可包括表皮、真皮、皮下组织或这些层中的一个或多个的任何组合。这些层可以包括更高分辨率的皮肤形态，比如网状真皮和浅表丛。产生模拟反射率曲线的蒙特卡罗模拟可以模拟组织层中包括的各种发色团的组织。例如，蒙特卡罗模拟可以使用具有各种黑色素含量的表皮的组织模型，但是可能不使用包含血液的表皮的组织模型。蒙特卡罗模拟可以使用具有各种血量和各种氧饱和度的真皮层的组织模型。在实施方式中，蒙特卡罗模拟不使用包括黑色素的真皮的组织模型。类似地，蒙特卡罗模拟可以使用具有各种血量和各种氧饱和度的脂肪组织的组织模型。在实施方式中，蒙特卡罗模拟不使用具有黑色素的脂肪组织的组织模型。组织层的组织模型可以包括其他组织发色团的浓度，比如水和脂肪，其中这些组织发色团的浓度是相对典型的生理值。
在实施方式中，蒙特卡罗模拟用于产生模拟反射率曲线的各种发色团浓度跨越存在于真实组织中的相对大且相对准确的实际生理值范围。可以改变包括在实际生理值范围内的值的数量，以平衡组织血氧计测量的各种参数。例如，用于模拟组织中的发色团浓度范围的值的数量可以相对较高或较低，并且影响由血氧计探头进行的测量的准确度。在实施方案中，在蒙特卡罗模拟中使用355个值来表示模拟表皮组织中光吸收的黑色素含量范围。在实施方案中，在蒙特卡罗模拟中使用86个值来表示模拟真皮组织中光吸收的黑色素含量范围。对于模拟表皮组织和模拟真皮组织中的散射，在蒙特卡罗模拟中使用65个值。在其他实施方式中，这些值的数量是不同的。
组织分析。图12A和12B示出了用于通过血氧计探头101确定组织(例如，皮肤)的光学性质的方法的流程图，其中血氧计探头使用反射率数据和模拟反射率曲线315来确定光学性质。光学性质可以包括组织的吸收系数μa和减小的散射系数μs'。在下面进一步详细描述用于将组织的吸收系数μa转换成组织的氧饱和度值的另一种方法。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在1200，血氧计探头101从源结构120(比如源结构120a)之一发射光(例如，近红外光)到组织中。当从源结构发射光时，血氧计探头通常与组织接触。在从组织反射发射的光之后，检测器结构125检测该光的一部分(步骤1205)，并产生组织的反射率数据(步骤1210)。可以针对多个波长的光(例如，红光、近红外光或这两种光)并且针对一个或多个其他源结构(比如源结构120b)重复步骤1200、1205和1210。如果例如组织血氧计探头115具有十六个源-检测器距离，则单个波长的反射率数据点可以包括十六个反射率数据点。反射率数据点有时被称为反射率数据点的N向量。
在1215，反射率数据点(例如，原始反射率数据点)被校正以获得源-检测器对的增益。在校准源-检测器对期间，为源-检测器对生成增益校正并将其存储在存储器117中。在下面进一步详细描述增益校正的生成。
在1220，处理器116将反射率数据点拟合(例如，通过误差平方和计算)到模拟反射率曲线315，以确定最佳拟合(即，具有最低拟合误差)反射率数据点的特定反射率数据曲线。存储在存储器中并与反射率数据拟合的数据库可以是数据库900、数据库1000或数据库1100。在特定实施方式中，作为数据库的“粗”网格的相对小的一组模拟反射率曲线被选择并用于拟合步骤1220。例如，对于给出39个散射系数μs'值和150个吸收系数μa值的数据库900，处理器116可以通过在粗网格中获取总共40个模拟反射率曲线的每第5个散射系数μs'值和每第8个吸收系数μa来确定模拟反射率曲线的粗网格。应当理解，前述特定值是用于示例的实施方式，并且处理器116可以利用其他大小的粗网格。将反射率数据点拟合到粗网格的结果是最佳拟合模拟反射率曲线的粗网格((μa，μs')coarse)中的坐标。对于数据库1000，粗网格将覆盖每层中的吸收并减小散射。针对数据库1000的方法的以下每个步骤将针对每层的μa和μs'进行调整。对于数据库1100，过程网格将覆盖黑色素含量、氧饱和度、血量和散射。用于数据库1100的方法的以下每个步骤将针对黑色素含量、氧饱和度、血量和散射而不是μa和μs'进行调整。
在1225，处理器116利用来自具有最低拟合误差的粗网格的特定模拟反射率曲线来定义模拟反射率曲线的“细”网格，其中细网格中的模拟反射率曲线围绕具有最低拟合误差的粗网格的模拟反射率曲线。
也就是说，细网格具有确定的尺寸，而来自粗网格的最低误差模拟反射率曲线定义细网格的中心。细网格可以具有与粗网格相同数量的模拟反射率曲线，或者它可以具有更多或更少的模拟反射率曲线。细网格提供足够数量的点以确定细网格中的附近吸收系数μa值和散射系数μs'值的峰面阵列(步骤1230)。具体地，阈值可以由处理器116利用来自粗网格的最低误差值加上指定的偏移来设置。可以全部识别散射系数μs'和吸收系数μa在具有低于阈值的误差的细网格上的位置，以用于确定峰面阵列以进一步确定反射率数据的散射系数μs'和吸收系数μa。具体地，对峰值进行误差拟合以确定峰值处的吸收系数μa值和散射系数μs'值。血氧计探头可以使用峰值处的吸收系数μa和散射系数μs的加权平均值(例如，质心计算)来确定组织的反射率数据点的吸收系数μa和散射系数μs'值(步骤1240)。
用于加权平均值的吸收系数μa和散射系数μs'值的权重可以被处理器116确定为阈值减去细网格误差。因为细网格上的点以低于阈值的误差进行选择，所以这给出了正权重。加权平均值的加权计算(例如，质心计算)使得组织的反射率数据点的预测散射系数μs和吸收系数μa(即，(μa，μs'))精细。血氧计探头可以使用其他方法，比如与各种非线性最小二乘法中的一个或多个拟合，以确定吸收系数μa的真实最小误差峰值。
在实施方式中，处理器116计算反射率数据点和模拟反射率曲线的对数，并将每个对数除以源-检测器距离(例如，以厘米为单位)的平方根。除以源-检测器距离的平方根的这些对数值可以由处理器116用于前述步骤(例如，步骤1215、1220、1225和1230)中的反射率数据点和模拟反射率曲线，以改善反射率数据点与模拟反射率曲线的拟合。
根据另一实施方式，偏移基本上被设置为零，这有效地给出了粗网格最小值与细网格最小值之间的差的偏移。上面关于图12A描述的方法依赖于来自粗网格的最小拟合误差，因此细网格上的真实最小误差通常较低。理想地，阈值是从细网格上的最低误差确定的，这通常需要处理器进行额外的计算。
以下是在实施方式中用于找到最佳拟合细网格中的反射率数据点的特定模拟反射率曲线的进一步详细描述。图12B示出了在实施方式中用于找到最佳拟合细网格中的反射率数据点的特定模拟反射率曲线的方法的流程图。流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在步骤1225，在从最佳拟合反射率数据点的粗网格的特定模拟反射率曲线((μa，μs')coarse)之后，处理器116计算模拟反射率曲线的完整模拟反射率曲线数据库(即，16×5850(μa，μs')数据库)中的区域(约(μa，μs')coarse)中的误差表面(步骤1250)。误差表面被表示为：err(μa，μs')。此后，处理器116定位err(μa，μs')中的最小误差值(被称为errmin)，步骤1255。然后，处理器116生成背离err(μa，μs')的峰值表面，如果峰值表面大于零，则峰值表面表示为pksurf(μa，μs')＝k+errmin-err(μa，μs')，如果峰值表面小于或等于零，则峰值表面表示为pksurf(μa，μs')＝k+errmin-err(μa，μs')＝0(步骤1260)。在表达式中，k是选自大约十个元素的最小点err(μa，μs')(宽度大于零)处的峰值。pksurf(μa，μs')中峰值的质心(即，质心计算)使用点的高度作为权重(步骤1265)。质心的位置是组织的反射率数据点的吸收系数μa和散射系数μs'的内插结果。
上面参考图12A和12B描述的用于确定组织的反射率数据点的吸收系数μa和散射系数μs'的方法可以对由每个源结构120生成的每个波长(例如，3或4个波长)进行重复。
氧饱和度确定。根据第一实施方式，处理器116确定组织的氧饱和度，血氧计探头101通过利用针对每个源结构120产生的3或4个波长的光所确定(如上所述)的吸收系数μa(例如，3或4个吸收系数μa)来探测该氧饱和度。根据第一实施方式，生成氧饱和度值的查找表，用于找到吸收系数μa与氧饱和度的最佳拟合。可以通过假设可能的总血红蛋白、黑色素和氧饱和度值的范围并且针对这些场景中的每一个计算μa来生成查找表。然后，通过除以单位矢量的范数将吸收系数μa点转换为单位矢量，以减小系统误差，并且仅取决于曲线的相对形状。然后将单位矢量与查找表进行比较以找到最佳拟合，查找表给出了氧饱和度。
根据第二实施方式，处理器116通过计算脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的净分析物信号(NAS)来确定组织的氧饱和度。NAS被定义为与系统中的其他光谱分量正交的光谱部分。例如，在还含有氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的系统中的脱氧血红蛋白的NAS是与氧合血红蛋白光谱和黑色素光谱正交的光谱部分。脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度可以通过将相应的NAS与先前确定的每个波长的吸收系数矢量相乘来计算。然后，氧饱和度容易被计算为氧合血红蛋白的浓度除以氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的总和。Lorber发表的文章(Anal.Chem.58:1167-1172(1986))通过援引并入本文中，并且提供了用于确定组织的氧饱和度的第二实施方案的进一步详细理解的框架。
在血氧计探头101的实施方式中，反射率数据由检测器结构125以30赫兹产生，并且氧饱和度值以大约3赫兹计算。可以在显示器115上显示确定的氧饱和度值的运行平均值(例如，至少三个氧饱和度值)，该显示器可以具有1赫兹的更新速率。
光学性质。如上面简要描述的，存储在存储器117中的每个模拟反射率曲线315表示组织的唯一光学性质。更具体地，对于给定波长，模拟反射率曲线的唯一形状表示组织的光学性质的唯一值，即散射系数(μs)、吸收系数(μa)、组织的各向异性(g)以及可以确定组织特性的组织的折射率。
检测器结构125针对相对小的源-检测器距离检测的反射率主要取决于减小的散射系数μs'。减小的散射系数是整合组织的散射系数μs和各向异性g的“集总”属性，其中μs'＝μs(1-g)，并且用于描述光子在1/μs'的许多步长的随机游动中的扩散，其中每个步骤涉及各向同性散射。这样的描述等同于使用许多小步骤1/μs的光子移动的描述，如果在吸收事件之前存在许多散射事件，则每个小步骤仅涉及部分偏转角，即，μa<<μs’。
相比之下，检测器结构125针对相对大的源-检测器距离检测的反射率主要取决于有效吸收系数μeff(被定义为)，有效吸收系数是μa和μs'的函数。
因此，通过测量相对小的源-检测器距离(例如，图2的S1-D4和S2-D8)和相对大的源-检测器距离(例如，图2的S1-D8和S2-D4)处的反射率，可以彼此独立地确定μa和μs'。组织的光学性质又可以为计算氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度以及因此组织的氧饱和度提供足够的信息。
数据收集优化的迭代拟合。图13示出了用于通过血氧计探头101确定组织的光学性质的另一种方法的流程图。该流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在1300，血氧计探头101从源结构(比如源结构120a)之一发射光(例如，近红外光)到组织中。在从组织反射发射的光之后，检测器结构125检测光(步骤1305)，并产生组织的反射率数据(步骤1310)。可以针对多个波长的光并且针对一个或多个其他源结构(比如源结构120b)重复步骤1300、1305和1310。在1315处，血氧计探头101将反射率数据拟合到模拟反射率曲线315，并确定反射率数据具有最佳拟合的模拟反射率曲线。存储在存储器中并与反射率数据拟合的数据库可以是数据库900、数据库1000或数据库1100。此后，血氧计探头101基于最佳拟合反射率数据的模拟反射率曲线的光学性质确定组织的光学性质(例如，数据库900或数据库1000的μa和μs’，或数据库1100的黑色素含量、氧饱和度、血量和散射)，步骤1320。
在1325处，血氧计探头101根据在步骤1320确定的光学性质(例如，mfp＝1/(μa+μs))确定组织中光的平均自由程。具体地，可以从包括所有源-检测器对的反射率数据的累积反射率曲线获得的光学性质确定平均自由程(例如，对1：源结构120a和检测器结构125a；对2：源结构120a和检测器结构125b；对3：源结构120a和检测器结构125c；对4：源结构120a和检测器结构125d；对5：源结构120a和检测器结构125e；对6：源结构120a和检测器结构125f；对7：源结构120a和检测器结构125g；对8：源结构120a和检测器结构125h；对9：源结构120b和检测器结构125a；对10：源结构120b和检测器结构125b...等等)。
在1330，血氧计探头101确定对组织的给定区域计算的平均自由程是否长于最短的源-检测器距离的两倍(例如，图2的S1-D4和S2-D8)。如果平均自由程长于最短源-检测器距离的两倍，则将收集的反射率数据被重新拟合到模拟反射率曲线(即，重新分析)，而不利用从检测器结构收集的反射率数据，用于具有最短的源-检测器距离的源-检测器对。例如，重复步骤1315-1330，而不使用来自检测器结构125e的反射率数据，其中源结构120a用作检测器结构125d的源，并且不使用来自检测器结构125h的反射率数据，其中源结构120b用作检测器结构125h的源。可以重复计算平均自由程并丢弃一个或多个源-检测器对的反射率数据的过程，直到没有对拟合贡献反射率数据的源-检测器对具有比所计算的平均自由程的一半短的源-检测器距离。此后，从最佳拟合模拟反射率曲线确定氧饱和度并由血氧计探头101比如在显示器115上报告(步骤1335)。
从源结构120之一被发射到组织中并且行进小于平均自由程的一半的光被非漫反射或近似非漫反射(例如，可以具有漫反射元件)。该光的再发射距离强烈地取决于组织相功能和局部组织成分。因此，与经历多次散射事件的光的反射率数据相比，使用该光的反射率数据往往导致不太准确地确定光学性质和组织性质。
数据加权检测器结构。位于与源结构120增加的距离处的检测器结构125接收来自组织的减少的反射量。因此，与由具有相对长的源-检测器距离(例如，图2的S1-D4和S2-D8)的检测器结构生成的反射率数据相比，由具有相对短的源-检测器距离(例如，图2的S1-D8和S2-D4)的检测器结构125生成的反射率数据趋向于表现出本质上更高的信号。因此，拟合算法可以优选地将模拟反射率曲线拟合到由具有相对短的源-检测器距离(例如，小于或等于源结构与检测器结构之间的平均距离的源-检测器距离)的检测器结构125生成的反射率数据，该反射率数据比由具有相对长的源-检测器距离(例如，大于平均距离的源-检测器距离)的检测器结构产生的反射率数据更紧密。为了从反射率数据相对精确地确定光学性质，该距离成比例的偏斜可能是不期望的，并且可以通过对反射率数据加权来校正，如刚好在下面所描述的。
图14示出了用于对由选择检测器结构125生成的反射率数据进行加权的方法的流程图。该流程图表示一个示例的实施方式。可以在不偏离实施方式的范围的情况下，在流程图中添加、移除或组合步骤。
在1400，血氧计探头101从源结构(比如源结构120a)之一发射光到组织中。在从组织反射发射的光之后，检测器结构125检测光(步骤1405)，并产生组织的反射率数据(步骤1410)。可以针对多个波长的光并且针对一个或多个其他源结构(比如源结构120b)重复步骤1400、1405和1410。在1415，血氧计探头101将反射率数据的第一部分拟合到模拟反射率曲线315。存储在存储器中并适合反射率数据的数据库可以是数据库900、数据库1000或数据库1100。反射率数据的第一部分由检测器结构的第一部分产生，该第一部分小于距离源结构的阈值距离。阈值距离可以是源结构与检测器结构之间的平均距离(例如，近似中间距离)。在1420，将反射率数据的第二部分的反射率数据拟合到模拟反射率曲线。第二部分反射率数据由检测器结构的第一部分和另一检测器结构生成，该另一检测器结构与阈值距离相比处于距离源的下一个最大的源-检测器距离。例如，如果检测器结构的第一部分包括检测器结构125c、125d、125e和125f，那么处于下一个最大源-检测器距离的检测器结构是检测器结构125g(参见表1)。
在1425，将在步骤1415处生成的拟合与在步骤1420处生成的拟合进行比较，以确定在步骤1420处生成的拟合是否优于在1415处生成的拟合。如本领域技术人员将理解的，基于各种参数可量化数据与曲线拟合的“紧密度”，并且拟合的紧密度可直接比较以确定与曲线更紧密拟合(更紧密贴合)的数据。如将进一步理解的，更紧密拟合有时也被称为更好的贴合或更紧密的贴合。如果在步骤1420生成的拟合优于在步骤1415生成的拟合，则利用包括附加检测器结构(根据所考虑的示例，检测器结构125c)的检测器结构生成的反射率数据重复步骤1420和1425，该附加检测器结构位于距离源的下一个增加的源-检测器距离处。替代性地，如果在步骤1420生成的拟合不比在步骤1415处生成的拟合更好，则在拟合中不使用在大于阈值距离的源-检测器距离处定位的检测器结构125的反射率数据。此后，血氧计探头101使用在1415或步骤1420处生成的拟合(如果优于在步骤1415处确定的拟合)，以确定组织的光学性质和氧饱和度(步骤1430)。此后，血氧计探头101比如在显示器115上报告氧饱和度(步骤1435)。
根据替代实施方式，如果在步骤1420处生成的拟合不比在步骤1415处生成的拟合更好，则通过具有比阈值距离大的源-检测器距离的检测器结构的加权因子对反射率数据进行加权，使得该加权的反射率数据对拟合的影响减小。未在拟合中使用的反射率数据可以被认为具有零权重并且可以与来自感兴趣的组织层下方的组织的反射率相关联。据说在感兴趣的组织层下面的组织的反射率在表明该特定的反射率的反射率曲线中表现出特征性的扭结。
注意，将反射率数据拟合到模拟反射率曲线的曲线拟合算法可以考虑反射率数据的不确定性量以及反射率数据的绝对位置。反射率数据的不确定性对应于来自检测器结构之一的反射率数据的生成的噪声量，并且噪声量可以作为反射率数据的量值的平方根进行缩放。
根据另一实施方式，血氧计探头101基于与反射率数据的测量相关联的噪声量对反射率数据进行迭代加权。具体地，与具有较短的源-检测器距离的检测器结构所生成的反射率数据相比，由具有相对大的源-检测器距离的检测器结构所生成的反射率数据具有降低的信噪比。对具有相对大的源-检测器距离的检测器结构生成的反射率数据进行加权允许该数据有助于与其他反射率数据同等或大约相等地拟合。
描述用于将反射率数据与多个蒙特卡罗模拟反射率曲线匹配的方法提供了相对快速和准确地确定由血氧计探头探测的真实组织的光学性质。与术后探头相比，确定组织的光学性质的速度是术中探头设计中的重要考量。此外，所描述的蒙特卡罗方法允许稳健的校准方法，与相对光学性质相比，该方法又允许产生绝对光学性质。与术后血氧计探头相比，报告绝对光学性质(与相对光学性质相反)对于术中血氧计探头而言相对重要。
已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的描述。这些描述并非旨在穷举性的或将本发明限制于所描述的精确形式，并且鉴于上述教导，许多修改和变化是可行的。实施方式被选择并描述以便最好地解释本发明的原理及其实际应用。该描述将使得本领域的其他技术人员能够在各种实施方式中最好地利用并实践本发明，本发明具有适用于特定用途的各种修改。本发明的范围由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
使探头尖端接触患者的目标组织；
在第一时间将第一光从所述血氧计探头的源结构传输到所述目标组织中；
由所述血氧计探头的多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第一反射光；
通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的所述第一反射光的第一反射率数据；
将所述反射率数据拟合到多个模拟反射率曲线；
从所述第一反射率数据到所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线，其中所述模拟反射率曲线中的每一个与血氧计参数的值相关联；
确定至少所述模拟反射率曲线中与所述第一反射率数据拟合的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的第一血氧计参数；
基于所述第一血氧计参数确定第一血氧计测量的第一值；
将所述第一血氧计测量的所述第一值存储在存储器中；
在第二时间将第二光从所述血氧计探头的所述源结构传输到所述目标组织中；
由所述血氧计探头的所述多个检测器结构检测从所述目标组织反射的第二反射光；
通过所述检测器结构生成由所述检测器结构检测的所述第二反射光的第二反射率数据；
将所述第二反射率数据拟合到所述多个模拟反射率曲线；
从所述第二反射率数据到所述多个模拟反射率曲线的拟合确定所述模拟反射率曲线中的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线；
确定至少所述模拟反射率曲线中与所述第二反射率数据拟合的一个或多个最佳拟合的模拟反射率曲线的第二血氧计参数；
基于所述第二吸收系数确定第二血氧计测量的第二值；
从所述存储器检索所述第一值；
确定所述第一值与所述第二值之间的百分比差值；并且
在所述血氧计探头的显示器上显示所述百分比差值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一血氧计测量是第一氧饱和度，并且所述第二血氧计测量是第二氧饱和度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述百分比差值被显示为数值。
4.根据权利要求1所述的方法，包括在所述显示器上显示所述第二值。
5.根据权利要求1所述的方法，包括在所述显示器上显示指向向下方向的箭头以指示所述百分比差值已增加。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述箭头是红色的。
7.根据权利要求1所述的方法，包括在所述显示器上显示指向向上方向的箭头以指示所述百分比差值已减小。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述箭头是绿色的。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：将肾上腺素引入到所述目标组织中；并且
通过改变在所述显示器上显示的所述百分比值来确定所述肾上腺素在所述目标组织中的功效。
10.一种系统，包括：
血氧计装置，包括在所述血氧计装置的远端上的探头尖端以及靠近所述探头尖端的显示器，所述探头尖端包括源结构和检测器结构，其中，所述血氧计装置计算第一氧饱和度值、第二氧饱和度值以及所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的相对氧饱和度值，并显示所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的所述相对氧饱和度值，并且所述血氧计装置专门被配置成：
在第一时间段将来自血氧计探头的光源的光传输到待测量的第一组织中；
响应于在所述第一时间段的传输光在所述血氧计探头的检测器处接收被所述第一组织反射的光；
在第二时间段，将来自所述血氧计探头的所述光源的光传输到待测量的第二组织中，其中所述第二时间段在所述第一时间段之后；
响应于在所述第二时间段的传输光在所述血氧计探头的检测器处接收被所述第二组织反射的光；
确定所述第一组织的所述第一氧饱和度值；
确定所述第二组织的所述第二氧饱和度值；
计算所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的相对氧饱和度值；并且
在所述显示器上显示所述相对氧饱和度值。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一组织与所述第二组织位于相同位置。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一组织和所述第二组织位于不同位置。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，直到在所述第二时间段之后和已经确定所述第二氧饱和度值之后，所述相对氧饱和度值才可用于显示。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相对氧饱和度值是所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的差值。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相对氧饱和度值是所述第一氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的比率。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相对氧饱和度值在所述显示器上被象征性地显示，从而指示所述第二氧饱和度值高于、低于或等于所述第一氧饱和度值。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相对氧饱和度值是第一相对氧饱和度值，并且所述血氧计装置专门被配置成：
在第三时间段，将来自所述血氧计探头的所述光源的光传输到待测量的第三组织中，其中所述第三时间段在所述第二时间段之后；
响应于在所述第三时间段的传输光在所述血氧计探头的所述检测器处接收被所述第三组织反射的光；
确定所述第三组织的第三氧饱和度值；
计算所述第三氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的第二相对氧饱和度值；并且
在所述显示器上显示所述第二相对氧饱和度值。
18.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相对氧饱和度值是第一相对氧饱和度值，并且所述血氧计装置专门被配置成：
在第三时间段，将来自所述血氧计探头的所述光源的光传输到待测量的第三组织中，其中所述第三时间段在所述第二时间段之后；
响应于在所述第三时间段的传输光在所述血氧计探头的所述检测器处接收被所述第三组织反射的光；
确定所述第三组织的第三氧饱和度值；
计算所述第三氧饱和度值与所述第一氧饱和度值之间的第二相对氧饱和度值；并且
在所述显示器上显示所述第二相对氧饱和度值。
19.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相对氧饱和度值是第一相对氧饱和度值，并且所述血氧计装置专门被配置成：
接收来自用户的针对所述血氧计的第一操作模式的第一指示或来自所述用户的针对第二操作模式的第二指示；
在第三时间段，将来自所述血氧计探头的所述光源的光传输到待测量的第三组织中，其中所述第三时间段在所述第二时间段之后；
响应于在所述第三时间段的传输光在所述血氧计探头的所述检测器处接收被所述第三组织反射的光；
确定所述第三组织的第三氧饱和度值；
对于所述第一操作模式，计算所述第三氧饱和度值与所述第二氧饱和度值之间的第二相对氧饱和度值，并且对于所述第二操作模式，计算所述第三氧饱和度值与所述第一氧饱和度值之间的第三相对氧饱和度值；并且
对于所述第一操作模式，在所述显示器上显示所述第二相对氧饱和度值，而对于所述第二操作模式，在所述显示器上显示所述第三相对氧饱和度值。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，一次仅在所述显示器上显示所述第二相对氧饱和度值或所述第三相对氧饱和度值。
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