CN111698943A - 用于非侵入式地监测血细胞比容浓度的系统和方法 - Google Patents

用于非侵入式地监测血细胞比容浓度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于非侵入式地监测血细胞比容水平的方法包括：监测针对第一激发波长下提供的光的第一发射响应，其中在第一波长下监测该第一发射响应；以及监测针对第一激发波长下提供的光的第二发射响应，其中在第二波长下监测该第二发射响应。基于第一发射响应与第二发射响应的比值计算比率值，其中该比率值对应于患者的血细胞比容水平。

Description

用于非侵入式地监测血细胞比容浓度的系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及患者诊断和监测，并且具体地涉及非侵入式地诊断和监测患者的血细胞比容水平。
背景技术
血细胞比容指的是血液中红细胞的体积百分比。因为红细胞负责将氧气从肺转运至身体组织，因此患者的血细胞比容可用于确定递送氧气的能力。此外，血细胞比容测量在诊断患者状况时也是有用的，诸如贫血，在该情况下患者红细胞过少。
存在用于测量血细胞比容的各种方法。一般而言，这些方法需要在体外分析血液样本。典型地，患者前往医疗保健设施并且抽血，所抽取的血液被送至实验室以用于分析，这可包括使用自动设备以使用一个或多个众所周知的方法分析样本。例如，可使用光谱技术、离心技术来分析血液样本，在离心技术中，样本被放入离心机以将血液样本分离为其各种组分(红细胞(RBC)、白细胞(WBC)、血小板、血浆等)。然而，这些技术中的每一个需要患者进行抽血并且将所抽取的血液提供至实验室以用于体外分析。这使得每当要分析血液样本时，就需要患者前往医疗保健设施。
因此，开发能够在一时间段内非侵入式地监测体内的血细胞比容水平的设备将是有利的。
发明内容
根据一个实施例，一种用于非侵入式地监测血细胞比容水平的方法包括向患者组织提供第一激发波长下的入射光以用于生成发射响应。该方法进一步包括监测第一波长下的发射响应并监测第二波长下的发射响应。基于第一波长下监测的发射响应与第二波长下生成的发射响应的比值(ratio)计算比率(ratiometric)值，其中，基于计算的比率值确定血细胞比容水平。
根据另一实施例，一种用于非侵入式地监测血细胞比容水平的系统包括医疗设备和处理模块。医疗设备包括至少一个发光器和至少两个光检测器。该至少一个发光器被配置成用于向患者组织提供第一波长下的第一激发信号，该第一波长被选择以用于生成所选择的血液组分的发射响应。至少两个光检测器被配置成用于监测第一发射波长和第二发射波长下的发射响应的振幅，其中，该第一发射波长被选择为对应于发射响应的最大值，并且该第二发射波长被选择为对应于发射响应的最小值。处理模块被配置成用于接收第一发射波长和第二发射波长下测得的发射响应振幅，其中，该处理模块基于接收到的发射响应计算比率值，并且利用计算的比率值确定血细胞比容水平。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的患者和患者监测系统的示意图。
图2A-图2C是根据一些实施例的粘附监测设备的透视图。
图3是根据一些实施例的插入式监测设备的透视图。
图4是示出了根据一些实施例的用于监测光学信号并且处理光学信号的部件的框图。
图5是示出了根据一些实施例的用于测量血细胞比容水平的步骤的流程图。
图6是示出了根据一些实施例的用于测量比率值的步骤的流程图，该比率值用于确定血细胞比容水平。
图7是示出了根据一些实施例的被监测以用于测量比率值的血液的发射响应和波长的图。
图8是示出了根据一些实施例的用于检测并且诊断患者状况的步骤的流程图。
图9是示出了根据一些实施例的用于测量血细胞比容水平的步骤的流程图。
具体实施方式
本公开提供了用于在患者中进行血细胞比容的体内测量的系统和方法。在一些实施例中，患者在医疗保健设施(例如，医生的办公室)处配备了植入式设备、插入式设备、注射式设备或粘附设备中的一个或多个，这通常被称为患者医疗设备。患者设备包括：至少一个光源，用于发射光进入相邻的患者组织(即，提供激发)；至少一个光检测器，用于检测组织的发射响应(例如，由所提供的激发的自体荧光、吸收、反射、透射等引起的)。基于监测的发射响应，计算基线比率值。在一些实施例中，在计算基线比率值的约同一时间，还从患者抽取血液样本，并且利用该血液样本来测量血细胞比容水平。基线比率值与基于实验室的血细胞比容测量相关联。患者设备周期性地利用一个或多个光源和一个或多个光检测器来计算比率值。将后续比率值与基线比率值相比较以估计血细胞比容水平。本系统和方法的一个益处在于，可在不需要患者返回医生的办公室的情况下采集后续血细胞比容测量。因此，可在一时间段内远程地监测患者的血细胞比容水平。在一些实施例中，监测的血细胞比容水平用于检测和/或诊断患者状况。例如，可通过监测血细胞比容水平是否下降至阈值以下来诊断贫血。
图1示出了患者P以及用于非侵入式地监测血细胞比容水平的监测系统10。在图1中示出的实施例中，监测系统10包括患者医疗设备100和/或110、网关102以及远程监测中心106。在图1中示出的实施例中，患者医疗设备100是附接至患者的皮肤的粘附设备，并且患者医疗设备110是在患者的手指上配合的夹子。在其他实施例中，患者医疗设备可包括植入式设备、插入式设备、注射式设备、手臂套袖(类似于血压套袖)和/或可穿戴设备，诸如Holter监测器(统称为医疗设备)。医疗设备可被固定至患者的皮肤、皮下地固定或植入在要被激发的组织附近。在每一个示例中，患者医疗设备利用光学部件以监测患者的血细胞比容水平。在一些实施例中，患者医疗设备100和/或110包括一个或多个额外的传感器以用于监测患者的一个或多个额外的生理参数，诸如活动、取向、心脏活动、水合作用等。
在图1中示出的实施例中，医疗设备100粘附至患者P的胸腔，这允许了对额外的生理参数的监测，诸如，ECG、水合作用、活动等。在许多实施例中，设备可粘附至患者的一侧，可从该侧收集数据。利用粘附设备、植入式、注射式和/或可穿戴设备的益处在于，其可用于在患者在医院环境之外进行正常的日常活动时收集来自患者的生理数据。夹在患者的手指上的医疗设备(诸如，医疗设备110)并不由患者全天穿戴，但是在一些应用中可能是有用的，诸如由于在将夹子应用至患者的手指上以便于采集读数时相对简单的那些应用。即，并非患者穿戴设备达延长的时间段，而是患者可以将该设备周期性地夹到患者的手指上达一些片刻(例如，几秒)，以便于非侵入式地测量血细胞比容水平，并且随后将其移除。在一些实施例中，可每周、每日、每小时等进行血细胞比容监测。测量血细胞比容水平的间期部分地基于要被监测的状况/疾病。例如，贫血监测可能仅需要每日监测血细胞比容水平。在其他实施例中，可期望更为频繁的血细胞比容水平监测。
如上文讨论的，在一些实施例中，医疗设备可监测与患者P相关联的多个生理参数，包括用于确定血细胞比容水平的光学信号、用于检测节律异常(诸如，心动过速和/或心动过缓)的心电图(ECG)信号以及活动水平数据、姿势、生物阻抗、血压(与血压套袖相关联)等。可由医疗设备100或110本地地分析这些生理参数中的一个或多个，或由网关102和/或远程监测中心106(或与本地医疗设备100分开的类似平台)远程地分析这些生理参数中的一个或多个。非侵入式地监测血细胞比容水平依赖于定位在医疗设备上的一个或多个光学传感器以向患者组织提供一个或多个激发源(例如，光)并且监测发射响应(例如，由于入射光的反射、荧光、吸收而导致的由患者组织发射的光)。例如，在一个实施例中，与医疗设备相关联的一个或多个光源将入射光引导至患者组织。此外，与医疗设备相关联的一个或多个光检测器测量组织响应于特定发射波长下的入射光(即，激发源)而提供的发射响应。光检测器将测得的发射(即，光信号)转化为表示发射的光的幅度或强度的电信号。如下文更加详细地讨论的，可利用对于检测到的光学信号的分析以用于监测血细胞比容水平。在一些实施例中，分析由医疗设备100或110本地地执行，而在其他实施例中，监测的光学信号被传送至网关102或远程中心106以用于分析以检测血细胞比容水平。
在一个实施例中，网关102包括zLinkTM的部件，zLinkTM是一种与手机类似的小型便携式设备，其将从医疗设备100接收到的信息无线地传送至远程监测中心106。网关102可由多个设备组成，该多个设备能够以多种方式与远程中心106有线地或无线地通信，例如，使用可包括互联网连接的连接104进行通信并且/或者使用蜂窝连接进行通信。远程中心106可包括用于数据分析和存储的托管应用，其也包括网站，该网站实现了对于生理趋势和临床事件信息的安全访问以用于解读并且诊断。远程中心106可进一步或替代地包括后端操作，其中来自粘附设备100或110的生理数据由人类专家读取以验证准确性。可随后在远程监测中心106处生成报告，以用于传送至患者的医师或护理人员。如上文所讨论的，在其他实施例中，网关102可使用用户设备来实现，诸如智能电话、平板电脑或计算机，该用户设备能够存储并且执行一个或多个应用，该一个或多个应用能够处理从医疗设备100和/或110接收到的数据，并且将该接收到的数据传送至远程监测中心106。
在示例性实施例中，监测系统包括分布式处理器系统，该分布式处理器系统具有被包括作为粘附设备100和/或110的一部分的至少一个处理模块(未示出)、网关102的至少一个处理器102P以及远程中心106处的至少一个处理器106P，这些处理器中的每一个可以与其他处理器电子通信。至少一个处理器102P包括有形介质102T，并且至少一个处理器106P包括有形介质106T。远程处理器106P可包括位于远程中心处的后端服务器。由医疗设备100和/或110监测的生理参数(包括光学信号)可由被包括作为医疗设备100和/或110、网关102和/或远程监测中心106的一部分的分布式处理器中的一个或多个来分析。
图2A-图2C是根据一些实施例的粘附监测设备的透视图。粘附设备被粘附至患者的皮肤，并且包括用于监测该患者的生理参数的一个或多个传感器。粘附设备通常用于长期监测门诊患者，这允许在一时间段(例如，几天、几周、几个月)内监测患者的生理参数。粘附设备因此允许长期监测患有慢性状况(例如，糖尿病、心力衰竭、贫血等)的患者以及监测并且检测急性发病(例如，一氧化碳中毒、失血等)两者，并且可用于提供动态监测(例如，响应于触发状况或检测到的状况而进行监测)。这与典型的血液/组织检查相反，传统血液/组织检查需要由实验室抽取血液，并且由此不允许进行长期监测或检测急性状况。
图2A中示出的粘附设备200示出了粘附装置的相对较低的外形(profile)，这允许患者在较长的时间段中舒适地穿戴该设备。
在图2B中示出的实施例中，示出了粘附设备200的底部表面202，底部表面202包括多个电极204a-204d、至少一个发光器206以及一个或多个光检测器208a、208b(本实施例中示出了两个光检测器)。电极204a-204b用于监测与患者相关联的电活动，包括监测心电图(ECG)信息和生物阻抗。至少一个发光器206用于生成一个或多个激发波长下的激发信号(例如，入射光)。可选择不同波长的光以便于生成特定发射响应，这指的是特定波长下的入射光如何经由反射、吸收、荧光等与血液和/或组织的各种组分相互作用，这是由从患者发射的光表示的。例如，血红蛋白(Hb)是由对于特定波长下提供的入射光的发射响应限定的，并且血红蛋白作为红细胞(RBC)的主要组分，它在监测以便于确定血细胞比容水平时是有用的。
此外，如图2B中示出的实施例，粘附设备200的底部表面202包括一个或多个光检测器208a、208b(例如，在图2B中示出的示例中有两个光检测器)。在该实施例中，光检测器208a、208b与发光器206被定位在相同的平面中，但是在其他实施中可以与发光器206相对地定位。发射响应(其由于组织内的吸收、透射、反射和自体荧光而生成)因此取决于光检测器208相对于发光器206的位置。因此，光检测器208相对于发光器206的位置必须是已知的。
如上文讨论的，典型的光谱分析需要监测发射响应的整个光谱响应(例如，所有波长)。不过对于植入式、粘附、注射式和/或插入式医疗设备而言，这在成本上是无法承受的。替代于监测所有波长，图2B中示出的实施例选择一个或多个波长来监测。基于被分析的特定血液组分选择波长。例如，血红蛋白(Hb)发射响应具有众所周知的形态，其最大值和最小值在已知的发射波长下出现。通过测量发射响应在已知的最大发射响应下的振幅以及在已知的最小值下的振幅，使用测得的值的比值计算比率值。利用比值的益处在于该测量对于噪声和外部因素相对免疫，诸如环境光强度的变化、分子浓度、伪迹、光源不稳定性、检测器不稳定性和/或传感器放置的变化。以此方式，尽管测得的发射响应的绝对值发生变化，但可将在第一情况下测得的比率值与随后情况下测得的比率值相比较。
如上文讨论的，假设在与已知的Hb形态相关联的最小值和最大值处选择发射波长，比率值用于确定Hb水平，但是如果没有关于其他血液组分(例如，血浆、白细胞(WBC)、血小板等)的水平的信息，仅利用该比率值无法确定血细胞比容水平。在一些实施例中，获得基线比率值并且该基线比率值与患者的已知的血细胞比容水平相关联，其中，将后续比率值与该基线比率值相比较以确定血细胞比容水平。在其他实施例中，捕获与血细胞比容的一个或多个其他组分(例如，血浆、WBC、血小板等)有关的一个或多个额外比率值，并且测得的血液组分水平的组合用于确定血细胞比容水平。
此外，因为Hb在氧合状态和脱氧状态两者下均存在——两个状态中的每一个展现不同的发射形态——因此在一些实施例中，发射波长被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白发射响应相关联的等吸光度(isosbestic)点。在一些实施例中，被选择用于监测的第一发射波长和被选择用于监测的第二发射波长与等吸光度点对应，其中，第一发射波长对应于最大等吸光度点，并且第二发射波长对应于最小等吸光度点。利用等吸光度点消除了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的瞬时变化，而根据最大等吸光度点和最小等吸光度点构建比值则消除了外部噪声因素(例如，环境光条件的变化等)。
尽管在图2B中示出的实施例中，将单个发光器206与一对检测器208a和208b一同示出，可将额外的发光器与额外的或更少的检测器一同利用(例如，将单个检测器组合一对发光器利用)。此外，尽管每一个发光器和检测器被示出为分开的实体，但是在一些实施例中，发光器和检测器的功能被包括在单个设备中。因此，在一个实施例光源206上也可包括光检测器208.可使用众所周知的成像传感器(诸如，CCD或CMOS图像传感器)实现光检测器。
在图2C中示出的实施例中，并非粘附设备210利用两个或更多个检测器，而是粘附设备210包括单个光检测器214。在该实施例中，每一个光源或发光器212a和212b再次提供唯一波长下的入射光，该唯一波长被选择以用于生成有关要被监测的血液组分的发射响应。光检测器214监测单个波长下的发射，该单个波长被选择为对应于与第一激发波长或第二激发波长相关联的发射响应的最大值。例如，在一个实施例中，第一激发波长被选择以用于提供与要被监测的血液组分相关联的显著(例如，最大化的)第一发射响应，并且光检测器214被选择以用于监测与发射响应的最大值相关联的发射响应波长(例如，与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相关联的等吸光度点)。第二激发波长被选择以用于提供相对于要被监测的血液组分的显著最小发射响应，并且光检测器214监测相对于第一发射响应监测的相同波长下的发射响应。在该实施例中，激发波长的选择性变化创建了发射响应中期望的差异/比值。
在一些实施例中，发光器212a和212b被控制以用于生成彼此互斥的入射光(例如，一次生成一个)。这允许检测器214分开地测量与第一激发波长相关联的发射响应以及与第二激发波长相关联的发射响应。例如，在一个实施例中，发光器212a被激活以用于提供第一激发波长下的入射光。光检测器214测量有关给定发射波长下的发射响应的属性(例如，振幅)。随后，发光器212a被禁用，并且发光器212b被激活以用于提供第二激发波长下的入射光。光检测器214测量有关相同的给定发射波长下的发射响应的属性(例如，振幅)。测得的振幅的比值用于测量血液浓度组分和/或血液浓度组分水平(例如，Hg)相对于另一血液浓度水平(例如，HbA1c)。
在其他实施例中，不止两个光源(例如，发光器)可用于提供不止两个唯一的激发波长下的入射光。此外，可利用不止单个光检测器，以便于测量多个发射波长下的发射响应的属性。类似地，尽管在图2C中利用了一对发光器212a和212b以及单个光检测器214，在其他实施例中，可将不止两个发光器与多个光检测器一同利用。此外，尽管每一个发光器和光检测器被示出为分开的实体，但是在一些实施例中，发光器和光检测器的功能被包括在单个元件中。
图3是根据一些实施例的插入式监测设备300的透视图。与被固定至患者的皮肤的粘附设备形成对比，插入式监测设备300皮下插入。插入式设备300包括至少第一电极302a和第二电极302b、至少一个发光器304(示出了发光器304a和304b)以及至少一个光检测器308(示出了光检测器308a和308b)。如上文相对于图2B和图2C讨论的，插入式监测设备300利用至少一个发光器发出激发波长下的光，该激发波长是基于要被监测的血液组分(例如，氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白)选择的。至少一个光检测器308可用于监测一个或多个发射波长，该一个或多个发射波长被选择以用于与要被监测的血液组分(例如，氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、与氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白相关联的等吸光度点、其他血液组分)的最大值和/或最小值相关联。如相对于图2A-图2C描述的，可通过选择性地施加第一激发波长和第二激发波长来生成分开的第一发射响应和第二发射响应，以此创建发射响应比值。在其他实施例中，可通过选择性地施加单个激发波长，并且相对于发射响应利用第一发射波长和第二发射波长来生成期望的比值，以此创建比值。在另其他实施例中，可将施加一个或多个激发源与监测一个或或多个发射波长组合来生成与一个或多个血液组分相关联的多个比率值，以用于确定血细胞比容水平。
如上文相对于图2A-图2C描述的，在一些实施例中，测量基线比率值并且将其与已知的血细胞比容水平(基于血液样本血细胞比容检查)相关联。在该实施例中，在检查血细胞比容水平的约同一时间测量基线比率值。例如，在插入插入式设备300时(通常是在医师的办公室中，但是并不一定要在无菌环境中进行)，可采集血液样本并且将其用于检测血细胞比容率。在其他实施例中，由于插入医疗设备300时组织肿胀的问题，在设备300插入之后的若干天或若干周，采集基线比率测量，以消除插入部位处组织肿胀/发炎的影响。在确定基线比率值的约同一时间，，采集血液样本以经由实验室检查测量血细胞比容水平。可随后采集后续比率测量并将其与基线比率值相比较。类似地，在可采集有意义的测量之前，患者体内植入植入式设备可能需要若干天/若干周来使植入的设备周围的组织愈合。
图4是示出了根据一些实施例的用于监测光学信号并且处理光学信号的部件的框图。医疗设备400包括至少一个光源402、至少一个检测器404、滤波器/放大器406、处理器/微控制器408、存储器410以及通信/输出412。如上文所描述的，医疗设备400可被粘附至患者的皮肤、夹在患者的手指上、经由手臂套袖附接、皮下插入或植入患者体内。光源402发射光，该光被提供入射至患者的组织，本文称为“激发”。在一些实施例中，可以提供多个波长或所选择的波长下的激发。例如，可基于要被分析的血液组分(例如，特定蛋白，诸如氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白等)选择发射的光的波长，其中不同波长的光以不同的方式与特定蛋白/脂质相互作用。在一些实施例中，光源402包括多个光源，其中每一个都能够在特定唯一波长下发射。
来自光源402的光与患者组织414相互作用。该相互作用是一个或多个过程的结果，包括自体荧光、吸收、透射、反射等，这导致从组织发射光，这被称为发射响应。由一个或多个光检测器404检测发射响应。在图4中示出的实施例中，光源402(发光器)和光检测器404两者被定位在相同的光学平面中。在其他实施例中，光检测器404可以与光源402相对地定位。例如，在附接至患者的手指的设备中，可利用该类型的配置，其中光在患者组织的一侧上被发射并且在另一侧上被检测到。尽管由光检测器404“看到”的发射响应将基于光检测器相对于光源402的位置而不同，但是自体荧光、吸收、透射以及反射的相同原理是适用的。
在一些实施例中，光检测器404可利用众所周知的光学传感器，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合设备(CCD)传感器。一个或多个光检测器404中的每一个被配置成用于检测特定发射波长下的光。对于监测多个发射波长的实施例而言，需要多个光检测器404，每一个被配置成用于监测期望的发射波长中的一个。基于被监测的特定血液组分选择由一个或多个光检测器404监测的发射波长。例如，发射响应形态(即，跨越整个波长光谱的发射响应的振幅)取决于光如何与被监测的血液组分相互作用，其中每一个血液组分的发射响应提供不同的发射响应形态。在一些实施例中，由一个或多个光检测器监测的发射波长被选择为对应于与被监测的发射响应光谱相关联的最大值和/或最小值。在一些实施例中，由一个或多个光检测器监测的发射波长对应于与被监测的一个或多个血液组分相关联的等吸光度点(例如，与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相关联的等吸光度点)。在一些实施例中，第一等吸光度点通常对应于与被监测的血液组分相关联的最大等吸光度值，并且第二等吸光度点对应于与被监测的血液组分相关联的最小等吸光度值，从而提供与要被监测的血液组分相关联的比率值。
一个或多个光检测器将监测的光学信号(即，发射响应)转化为表示被监测的发射波长的振幅的电信号。滤波器/放大器406滤波并且放大信号以向处理器/微处理器408提供干净的信号。
处理器/微控制器408结合存储器410以及通信输出412操作。在一些实施例中，处理器/微控制器408将由光检测器监测的测得的发射响应信号提供至中间网关102和/或远程监测中心106(在图1中示出)以用于后续处理。在其他实施例中，处理器/微控制器408本地地执行指令以用于执行对监测的发射响应的分析。这可包括：计算与两个或更多个监测的发射响应相关联的比率值；基于计算的比值计算血液组分浓度；将比值和/或血液组分浓度与阈值相比较；和/或将计算的比值和/或血液组分浓度存储至存储器410。由处理器/微控制器本地地执行的任何分析的结果可随后被传送至中间设备102、网关106或作为警报(例如，音频警报)向患者提供。
图5是示出了根据一些实施例的用于测量血细胞比容水平的步骤的流程图。在步骤502处，一个或多个光源和一个或多个光检测器用于测量基线比率值。在一些实施例中，一个或多个光源向患者组织提供激发源，该激发源被选择以用于生成与要被监测的特定血液组分(例如，RBC、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白等)相关联的发射响应。在一些实施例中，一个或多个光检测器用于监测一个或多个波长下的发射响应。例如，在一些实施例中，监测的第一发射波长对应于要被监测的血液组分的已知最大响应，而监测的第二发射波长对应于要被监测的血液组分的已知最小响应。相对于第一发射波长和相对于第二发射波长测量发射响应的振幅，其中第一振幅和第二振幅用于形成基线比率值。在一些实施例中，第一发射波长对应于被监测的两个或更多个血液组分(例如，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)的最大等吸光度点。此外，在一些实施例中，第二发射波长对应于被监测的两个或更多个血液组分(例如，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)的最小等吸光度点，其中，基线比率值是基于相对于第一等吸光度点和第二等吸光度点测得的振幅。
在一些实施例中，基线比率值由医疗设备(例如，图1中示出的医疗设备100、110)本地地存储。在其他实施例中，基线比率值被远程地存储(例如，远程监测中心106和/或网关102)。
在步骤504处，经由血液检查测量患者的血细胞比容水平。可利用任何数量的用于测量血细胞比容水平的众所周知的方法，包括离心方法、光谱方法等。在一些实施例中，在步骤502处测量基线比率值的约同一时间，用于测量患者的血细胞比容水平的血液样本被执行。例如，在一个实施例中，将医疗设备植入、插入、注射或粘附至患者，并且该医疗设备用于利用与该医疗设备相关联的一个或多个光源以及一个或多个光检测器测量基线比率值。在约同一时间，从患者抽取血液，并且该血液用于经由众所周知的基于实验室的技术测量血细胞比容水平。
在步骤506处，将由医疗设备测得的基线比率值与测得的血细胞比容水平相关联，以创建参考值，该参考值被用作校正和/或关联因子。基线比率值与测得的血细胞比容之间的关联可被本地地存储在医疗设备(例如，医疗设备100、110)上或可被远程地存储(例如，远程监测系统106、网关102等)。在一些实施例中，测得的血细胞比容水平与基线比率值之间的关联被存储在相同的位置处，该位置负责进行对测得的比率值的后续分析/处理。
在步骤508处，在测量基线比率值之后，与医疗设备相关联的一个或多个光源和一个或多个光检测器用于测量比率值。在此处利用了步骤502中利用的用于测量基线比率值的相同的技术，以用于后续测量比率值。例如，如果一个或多个特定激发波长用于生成一个或多个激发响应，并且一个或多个特定发射波长被监测，则在步骤508处测量相同的激发波长(多个)和/或发射波长，以用于生成可被与基线比率值相比较的比率值。
在步骤510处，通过将后续测得的比率信号与基线比率信号相比较来确定患者的血细胞比容水平。在一些实施例中，基线比率值被本地存储在医疗设备上，并且在医疗设备(例如，医疗设备100、110)上本地地执行比较。在其他实施例中，基线比率值远程地存储在监测系统106和/或网关102处，在该情况下，该在远程监测系统106和/或网关102处执行比较。
在一些实施例中，血细胞比容水平的计算是基于基线比率值与后续测得的比率值之间的差异。例如，如果后续测得的比率信号等于(或约等于)基线比率信号，则该血细胞比容水平与测量基线比率信号时测得的血细胞比容水平大约相同。在一些实施例中，其中一个或多个激发波长和一个或多个发射波长被选择以用于捕获有关RBC(例如，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)的信息，则测得的比率信号降低指示RBC减少，并且因此指示比测量基线比率信号时测得的血细胞比容水平低的细胞比容水平。类似地，测得的比率信号升高指示RBC增加，并且因此指示比测量基线比率信号时测得的血细胞比容水平高的细胞比容水平。在一些实施例中，基线比率值与后续测得的比率值之间的差异的振幅用于量化地估计血细胞比容水平，而在其他实施例中，注意到了血细胞比容的变化。
在步骤512处，基于确定的血细胞比容水平(例如，血细胞比容水平降低，这指示贫血)生成警告/通信。在一些实施例中，在步骤510处估计的血细胞比容水平被传送至位于远程监测中心106处的从业者，以供查看。在其他实施例中，可由医疗设备(例如，医疗设备100、110)生成警报(例如，可听、可见警报)，以警告患者这一状况。在一些实施例中，警报为患者提供信息，包括估计的血细胞比容水平。在一些实施例中，警报为患者提供指令(例如，致电医师、安排预约、服用药物等)。在一些实施例中，基于测得的比率信号和/或计算的血细胞比容水平，可向患者提供诊断(例如，贫血)。
图6是示出了根据一些实施例的用于测量比率值的步骤600的流程图，该比率值用于确定血细胞比容水平。图7是示出了根据一些实施例的被监测以用于测量比率值的血液的发射响应和波长的图，并且用作示例以用于示出相对于图6描述的方法。具体而言，图7示出了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白血液组分的发射响应，其中氧合血红蛋白由实线702示出，并且脱氧血红蛋白由虚线704示出。
在步骤602处，一个或多个光源用于生成一个或多个发射响应。如上文讨论的，在一些实施例中，单个激发频率用于生成发射响应，并且两个或更多个光检测器用于监测两个或更多个波长下的发射响应。然而，在其他实施例中，两个或更多个光源可用于生成两个或更多个发射响应，并且一个或多个光检测器用于测量一个或多个波长下的发射响应的振幅。在图6和图7中示出的实施例中，单个光源用于生成图7中示出的发射响应。例如，在第一个实施例中，第一光源的激发波长在红外范围中(例如，700nm至约1μm)，但是在其他实施例中，只要发射响应提供要被监测的血液组分的期望的形态，则其他激发波长(例如，可见光谱、紫外光谱)也可被利用。
在步骤604处，在第一发射波长λ1下测量第一振幅。在一些实施例中，第一发射波长λ1被选择为对应于发射响应的最大值。在其他实施例中，其中两个或更多个血液组分被同时靶向，诸如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，第一波长λ1可被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白发射响应相关联的最大等吸光度点。例如，在图7中示出的实施例中，第一发射波长λ1约为420纳米(nm)，这对应于最大等吸光度点。如图7中所示，可选择多个等吸光度点，如由在约550nm的波长处提供的第一发射波长λ1'所示。利用等吸光度点的益处在于在等吸光度点处，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白水平的时间变化(随着患者的心脏节律、锻炼水平等改变)被最小化，因为氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白两者在这些波长处的发射响应大约相同。第一发射波长λ1可被额外地选择以用于最小化患者的组织的其他组分(诸如，水、血浆等)的发射响应，以便于将诸如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的血细胞比容组分的效果最大化。
在步骤606处，在第二发射波长λ2下测量第二振幅。在一些实施例中，第二发射波长λ2被选择为对应于发射响应的最小值。此外，在一些实施例中，第二波长λ2被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白发射响应相关联的最小等吸光度点。例如，在图7中示出的实施例中，第二发射波长λ2约为800nm，这对应于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的最小等吸光度点。
在步骤608处，基于第一发射波长λ1和第二发射波长λ2下测得的发射响应振幅计算比率值。例如，在一些实施例中，比率值基于第一发射波长下测得的振幅除以第二发射波长下测得的振幅，这通常应当提供大于一、随着氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度升高而增加的比率值。类似地，如果比率值基于第二发射波长下测得的振幅除以第一发射波长下测得的振幅，则该比率值将小于一并将随着氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度升高而减小。图6和图7中示出的方法将用于测量基线比率值以及后续比率值。
图8是示出了根据一些实施例的用于检测并且诊断患者状况的步骤800的流程图。在步骤802处，计算了一个或多个基线比率值并且将其与基于实验室的血细胞比容水平相关联。在一些实施例中，可根据例如相对于图6和图7所描述的内容计算单个比率值，其中使用两个发射波长下测得的振幅的组合确定氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白水平。在其他实施例中，可相对于多个血液组分(例如，红细胞(RBC)、白细胞(WBC)、血小板和血浆)计算额外的比率值。依赖用于测量患者的血细胞比容水平的众所周知的方法，利用血液样本来测量血细胞比容水平。如上文讨论的，使用血液样本测量血细胞比容通常需要患者亲自前往医生的办公室或者保健设施，以进行抽血并提供至实验室以用于分析。
在步骤804处，使用用于测量一个或多个基线比率值的相同的激发波长和发射波长来测量后续比率值。取决应用，可每周一次、每日一次、每小时一次或更为频繁地测量后续比率值。对于像贫血的状况，每日测量比率值即是足够的。然而，对于检测像贫血的状况，在给定一天中采集多个测量以用于生成平均值可能仍是有益的。其他状况，诸如由损伤或流血而造成的快速失血，也可被检测到，但是可受益于对于测得的比率值的更为常规的监测。与步骤802处的血细胞比容水平的测量(其中需要血液样本)相反，比率值的后续测量不需要患者前往医生的办公室或保健设施。而是，可在患者远离医生的办公室进行正常活动(例如，在家、在工作等)时测得后续比率值。
在步骤806处，基于基线比率值(与已知的血细胞比容水平相关联)与后续测得的比率值之间的比较计算血细胞比容水平。在一些实施例中，约同一时间测得的基线比率值与血细胞比容水平之间的关联被传送至患者医疗设备(例如，医疗设备100、110)并且在该患者医疗设备上本地地存储。在其他实施例中，基线比率值与血细胞比容水平之间的关联被远程地存储(例如，远程监测中心106和/或网关102)。在该实施例中，基于后续测得的比率值和存储的基线比率值计算血细胞比容水平在远程监测中心106和/或网关102处远程地执行。
计算血细胞比容水平可包括量化血细胞比容值，或可包括计算相对于基于实验室的血细胞比容水平的血细胞比容水平(例如，血细胞比容水平升高/下降)。例如，假设比率值被表达为第一发射波长λ1除以第二发射波长λ2，则后续测得的比率值降低指示血细胞比容降低。在一些实施例中，基于基线比率值与后续测得的比率值之间的差异量化血细胞比容的降低。在其他实施例中，将血细胞比容的降低量化不如标识血细胞比容正在降低重要。
在步骤808处，计算的血细胞比容率用于检测状况。例如，在一些实施例中，如果患者患有贫血，则标识血细胞比容降低将导致生成警示/警报，以提醒用户服药来遏制血细胞比容水平降低。在一些实施例中，将计算的血细胞比容率与阈值相比较来检测一个或多个状况。例如，如果计算的血细胞水平降低至阈值水平以下，则患者可被标识为贫血。在一些实施例中，将根据血液样本确定的初始血细胞比容水平与计算的血细胞比容水平之间的血细胞比容水平的变化与阈值水平相比较来检测患者状况的变化。例如，该方式可用于辅助患者服药或对疾病(诸如贫血)进行预诊断。
在步骤810处，响应于检测到的患者状况生成警报和/或消息。在一些实施例中，警报和/或消息可仅包括向患者显示计算的血细胞比容水平和/或生成包括该计算的血细胞比容水平的消息，该消息被传送至保健设施。在其他实施例中，警报和/或消息包括不止一个原始计算的血细胞比容水平。例如，在一些实施例中，警报和/或消息可经由听觉警报、视觉警报或它们的组合被传送至患者，指令该患者采取一些形式的行动(例如，安排医生预约、服药等)。在其他实施例中，警报和/或消息包括状况的诊断或检测。例如，可生成指示患者处于贫血的警报和/或消息。
在一些实施例中，在一时间段(例如，几天、几周、几个月)内测量比率值并且利用该比率值来监测患者状况。以此方式，可在长时间段内对患者状况进行监测。在一些实施例中，收集的比率值和/或计算的血细胞比容水平被收集并且存储，并且用于生成有关患者状况的一个或多个报告。
图9是示出了根据一些实施例的用于测量血细胞比容水平的步骤900的流程图。在步骤902处，一个或多个光源用于生成一个或多个发射响应。如上文讨论的，在一些实施例中，单个激发频率用于生成发射响应，并且两个或更多个光检测器用于监测两个或更多个波长下的发射响应。然而，在其他实施例中，两个或更多个光源可用于生成两个或更多个发射响应，并且一个或多个光检测器用于测量一个或多个波长下的发射响应的振幅。例如，在第一个实施例中，第一光源的激发波长在红外范围中(例如，700nm至约1μm)，但是在其他实施例中，只要发射响应提供要被监测的血液组分的期望的形态，则其他激发波长(例如，可见光谱、紫外光谱)也可被利用。
在步骤904处，一个或多个光检测器用于测量针对一个或多个光源的在一个或多个发射波长下的发射响应的振幅，该一个或多个发射波长被选择为对应于血液的第一组分(例如，红细胞或其组分，诸如氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白)的最大值/最小值。例如，如上文讨论的，可在第一发射波长下测量第一振幅，其中该第一发射波长被选择为对应于血液的第一组分的发射响应的最大值。在其他实施例中，其中两个或更多个血液组分被同时靶向，诸如包括在红细胞中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，第一波长λ1可被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白发射响应相关联的最大等吸光度点。利用等吸光度点的益处在于，在等吸光度点处，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白水平的时间变化(随着患者的心脏节律、锻炼水平等改变)被最小化，因为氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白两者在这些波长处的发射响应大约相同。可额外地选择第一发射波长以用于将患者的组织的其他组分的发射响应最小化，诸如水、血液的其他组分(例如，白细胞、血小板、血浆等)，以便于将被分析的血液的第一组分(例如，红细胞)的效果最大化。
在步骤906处，基于在步骤904处测得的发射响应计算一个或多个比率值R。例如，在一些实施例中，比率值基于第一发射波长下测得的振幅除以第二发射波长下测得的振幅。在其他实施例中，该比率值可以是测得的响应于第一激发源的振幅除以测得的响应于第二激发源的振幅。
在步骤908处，基于一个或多个计算的比值R确定第一血液组分(例如，红细胞)的浓度。确定例如红细胞的浓度无法单独地提供有关血细胞比容的信息，因为血细胞比容需要了解红细胞的浓度作为总血容量。为了确定血细胞比容，必须确定有关其他血液组分(例如，血浆、白细胞等)的浓度的信息。在步骤910-924处，将用于确定红细胞的浓度的相同方法用于确定血浆和白细胞的浓度。
具体而言，在步骤910处，一个或多个光源用于生成与血浆相关联的一个或多个发射响应。如上文讨论的，在一些实施例中，单个激发频率用于生成发射响应，并且两个或更多个光检测器用于监测与特定发射响应的最大值/最小值相关联的两个或更多个波长下的发射响应。然而，在其他实施例中，两个或更多个光源可用于生成两个或更多个发射响应，并且一个或多个光检测器用于测量一个或多个波长下的发射响应的振幅。
在步骤912处，一个或多个光检测器用于测量针对一个或多个光源的在一个或多个发射波长下的发射响应的振幅，该一个或多个发射波长被选择为对应于血浆发射响应的最大值/最小值。例如，这可包括测量响应于单个激发波长生成的在第一发射波长下的振幅和在第二发射波长下的振幅，其中，该第一发射波长与血浆的发射响应的最大值相关联，并且该第二发射波长与血浆的发射响应的最小值相关联。
在步骤914处，基于相对于一个或多个发射响应测得的振幅计算一个或多个比值R。在步骤916处，基于一个或多个计算的比值确定血浆浓度。在一些实施例中，因为血液主要由血浆和红细胞组成，因此确定红细胞浓度和血浆浓度即足以生成血细胞比容水平的估计。即，在一些实施例中，跳过步骤918-924，并且基于红细胞和血浆的确定的浓度估计血细胞比容。该方式的一个益处在于其消除了对于被选择用于确定白细胞浓度的额外光源和光检测器的需要(在它们不同于用于确定红细胞浓度的波长的程度上)。
在也确定白细胞浓度的实施例中，则在步骤918处，一个或多个光源用于生成与白细胞相关联的一个或多个发射响应。如上文讨论的，在一些实施例中，单个激发频率用于生成发射响应，并且两个或更多个光检测器用于监测与特定发射响应的最大值/最小值相关联的两个或更多个波长下的发射响应。然而，在其他实施例中，两个或更多个光源可用于生成两个或更多个发射响应，并且一个或多个光检测器用于测量一个或多个波长下的发射响应的振幅。
在步骤920处，一个或多个光检测器用于测量针对一个或多个光源的在一个或多个发射波长下的发射响应的振幅，该一个或多个发射波长被选择为对应于白细胞发射响应的最大值/最小值。例如，这可包括测量响应于单个激发波长生成的在第一发射波长下的振幅和在第二发射波长下的振幅，其中，该第一发射波长与白细胞的发射响应的最大值相关联，并且该第二发射波长与白细胞的发射响应的最小值相关联。
在步骤922处，基于相对于一个或多个发射响应测得的振幅计算一个或多个比值R。在步骤924处，基于一个或多个计算的比值确定白细胞浓度。
以此方式，确定了红细胞、血浆和白细胞的浓度。在步骤926处，红细胞、血浆和白细胞的浓度用于确定血细胞比容水平，其中血细胞比容是红细胞与总血容量(例如，红细胞浓度+血浆+白细胞)相比较的比值。
图9中提供的实施例的一个益处在于其提供了实际血细胞比容的测量，而不是血细胞比容的估计，这样做的代价为额外的光源和/或额外的光检测器。
虽然已参照一个或多个示例性实施例对本发明进行了描述，然而本领域的技术人员将理解，可在不背离本发明的范围的情况下作出各种变化并用等效物替代其中的要素。此外，在不脱离其本质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的一个或多个特定实施例，但是本发明将包括落入随附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种用于非侵入式地监测患者的血细胞比容水平的系统，所述系统包括：
医疗设备，所述医疗设备包括：
至少一个发光器，所述至少一个发光器被配置成用于向患者组织提供第一波长下的第一激发信号，所述第一波长被选择以用于生成所选择的血液组分的发射响应；
至少两个光检测器，所述至少两个光检测器被配置成用于监测第一发射波长和第二发射波长下的发射响应的振幅，其中，所述第一发射波长被选择为对应于所述发射响应的最大值，并且所述第二发射波长被选择为对应于所述发射响应的最小值；以及
处理模块，所述处理模块被配置成用于接收所述第一发射波长和所述第二发射波长下测得的发射响应振幅，其中，所述处理模块基于接收到的发射响应计算比率值，并且利用计算的比率值确定所述血细胞比容水平。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块计算表示初始血细胞比容水平的初始比率值，并且将所述初始比率值与所述患者的已知的血细胞比容水平相关联。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理模块计算后续比率值并且将与已知的血细胞比容水平相关联的所述初始比率值与所述后续比率值相比较，其中，所述处理模块基于所述比较确定当前血细胞比容水平。
4.根据权利要求1-3所述的系统，其特征在于，所述第一波长被选择以用于生成氧合血红蛋白(oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(deoxy-Hb)的发射响应。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一发射波长被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相关联的等吸光度最大值，并且其中所述第二发射波长被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相关联的等吸光度最小值。
6.根据权利要求1-5所述的系统，其特征在于，由所述处理模块实时地或接近实时地确定所述血细胞比容水平。
7.根据权利要求1-6所述的系统，其特征在于，所述处理模块被包括作为所述医疗设备的一部分。
8.根据权利要求1-6所述的系统，其特征在于，所述处理模块远离所述医疗设备定位。
9.一种用于非侵入式地监测血细胞比容水平的方法，所述方法包括：
向患者组织提供第一激发波长下的入射光以用于生成发射响应；
监测第一波长下的所述发射响应；
监测第二波长下的所述发射响应；以及
基于所述第一波长下监测的所述发射响应与所述第二波长下生成的所述发射响应的比值计算比率值，其中，基于计算的比率值确定所述血细胞比容水平。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括测量初始比率值以及将所述初始比率值与已知的血细胞比容水平相关联。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在测量所述初始比率值的约同一时间，经由血液检查测量所述患者的所述血细胞比容水平。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，进一步包括测量后续比率值，以及将所述后续比率值与所述初始比率值相比较以用于确定与所述后续比率值相关联的血细胞比容水平。
13.根据权利要求9-12所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述计算的血细胞比容水平检测贫血。
14.根据权利要求9-13所述的方法，其特征在于，所述第一波长被选择以用于生成氧合血红蛋白(oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(deoxy-Hb)的发射响应。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一波长被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相关联的等吸光度最大值，并且其中所述第二发射波长被选择为对应于与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相关联的等吸光度最小值。
16.根据权利要求9-15所述的方法，其特征在于，实时地或接近实时地执行监测第一发射响应和第二发射响应并且计算对应于血细胞比容水平的比率值。
17.一种用于非侵入式地监测血细胞比容水平的方法，所述方法包括：
向患者组织提供一个或多个第一激发波长下的入射光，以用于生成有关红细胞的一个或多个第一发射响应；
监测一个或多个第一波长下的所述一个或多个第一发射响应，以测量有关红细胞的两个或更多个发射响应振幅；
基于所述有关红细胞的两个或更多个发射响应振幅的比值计算第一比率值，其中，基于计算的第一比率值确定红细胞的浓度；
向患者组织提供一个或多个第二激发波长下的入射光，以用于生成有关血浆的一个或多个第二发射响应；
监测一个或多个第二波长下的所述一个或多个第二发射响应，以测量有关血浆的两个或更多个发射响应振幅；
基于所述有关血浆的两个或更多个发射响应振幅的比值计算第二比率值，其中，基于计算的第二比率值确定血浆的浓度；以及
基于计算的红细胞的浓度和计算的血浆的浓度确定血细胞比容水平。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括：
向患者组织提供一个或多个第三激发波长下的入射光，以用于生成有关白细胞的一个或多个第三发射响应；
监测一个或多个第三波长下的所述一个或多个第三发射响应，以测量有关白细胞的两个或更多个发射响应振幅；以及
基于所述有关白细胞的两个或更多个发射响应振幅的比值计算第三比率值，其中，基于计算的第三比率值确定白细胞的浓度。
19.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，确定所述血细胞比容水平进一步基于计算的白细胞的浓度。
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