CN112188865A - 异常血氧合水平监测系统和方法及自监测氧合系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了自监测氧合系统和方法的多个实施方案。在一个实施方案中，提供了一种用于监测异常血氧合水平的系统。所述系统包括：光学光谱探针，用于随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；以及数字数据处理器，其操作性地连接到所述探针，并且被编程为：监测所述脱氧血红蛋白水平的相对变化，以输出表示高氧的较高健康风险评级的信号。

Description

异常血氧合水平监测系统和方法及自监测氧合系统和方法
技术领域
本公开内容涉及血氧合(blood oxygenation)监测，并且尤其涉及异常血氧合水平监测系统和方法及自监测氧合系统和方法。
背景技术
氧含量和气压的变化可以对人体的健康具有重大影响。在危险环境中的一系列人类活动——常常需要供氧装置或需要被迫在密封环境和/或加压环境中，例如深水潜水、驾驶战斗机、在高海拔或大深度工作(即，深隧道建设等)、或在高压舱内——可能导致异常血氧水平。低血氧水平(低氧)可能导致头痛、头晕目眩、管状视力(tunnel vision)，并且最终导致意识突然丧失。获取过量的血氧水平(高氧)的相反情况导致中枢神经系统(CNS)毒性。中枢神经系统毒性由短时间暴露于大于大气压的高氧分压导致。肺毒性和眼毒性由在正常压力下较长时间暴露于增加的氧水平或在较高压力下较长时间暴露于正常浓度造成。症状可以包括迷失方向、呼吸困难和视力变化，诸如近视。
在高氧的情况下，深水潜水员尤其处于危险中。当潜水员在水柱中下降时，呼吸混合物中的每种气体的分压都增加。当氧分压增加到超过1.4-1.6个绝对大气压(ATA)时，氧气诱发的疾病发作的风险增加并且暴露时间可能较短。显然，在水下经历突然的疾病发作可能导致溺死。自然地，高氧对一个人的认知状态的潜在影响也可能影响其他活动，诸如对于飞行器驾驶员等。
提供此背景信息以揭示申请人认为可能相关的信息。必然不意在承认，也不应被理解为，任何前述信息构成现有技术或形成相关领域中的一般公知常识的一部分。
发明内容
以下呈现了本文所描述的总体发明构思的简化总结，以提供对本公开内容的一些方面的基本理解。此总结不是本公开内容的广泛概述。它不意在限制本公开内容的实施方案的主要或关键元件，或不意在描绘它们的范围超出由以下描述和权利要求书明确地或暗含地描述的范围。
存在对克服已知技术的一些缺点或至少提供对其的有用替代方案的异常血氧合水平监测系统和方法及自监测氧合系统和方法的需要。特别地，本文所描述的实施方案的一些方面提供了用于监测异常血氧合水平的系统和方法。例如，本文所描述的实施方案的一些方面提供了用于检测例如参加各种身体活动(诸如，潜水或在高压环境中进行的其他活动)的个人的高氧的增加的风险的系统和方法。
根据一个方面，提供了一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统，所述系统包括：光学光谱探针(optical spectroscopy probe)，其可固定到该用户的皮肤用于随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；数字用户接口，其可操作以向该用户显示健康风险指示器(indicator)；和数字数据处理器，其操作性地连接到所述光学光谱探针和用户接口，并且被编程为：监测所述脱氧血红蛋白水平的变化；对照与基准血氧合曲线图(profile)对应的预设变化自动评估所述变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
在一个实施方案中，所述光学光谱探针可操作以提供水密密封，以防止在所述氧合数据中的水污染。
在一个实施方案中，所述数字用户接口包括附接到该用户的手臂或手腕的数字屏幕、或平视显示器中的数字屏幕。
在一个实施方案中，所述系统还包括压力传感器，所述压力传感器操作性地连接到所述数字数据处理器，并且可操作以提供该用户周围的直接环境的压力数据。
在一个实施方案中，所述系统还包括温度传感器，所述温度传感器操作性地连接到所述数字数据处理器，并且可操作以提供所述用户周围的直接环境的温度数据和/或所述用户的温度数据。
在一个实施方案中，所述系统用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器(rebreather)，并且其中所述数字数据处理器操作性地连接到循环呼吸器控制器以响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出。
在一个实施方案中，所述预设血氧合指数还至少定义低氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；并且其中所述数字数据处理器还被编程为响应于所述评估而输出表示低氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
在一个实施方案中，所述系统用于监测暴露于偏离在标准温度和压力(STP)下的大约0.21的标准值的氧分压的用户。
在一个实施方案中，所述光学光谱探针包括近红外光谱(NIRS)探针。
在一个实施方案中，所述血氧合数据还表示不同的指定的血液相关的生色团水平，并且其中所述数字数据处理器还被编程为监测和评估所述不同的指定的血液相关的生色团水平的变化。
在一个实施方案中，所述不同的指定的血液相关的生色团水平包括氧合血红蛋白水平、细胞色素c氧化酶水平或一氧化碳(CO)水平中的至少一个。
在一个实施方案中，所述血氧合数据还表示氧合血红蛋白水平，并且其中所述数字数据处理器还被编程为监测和评估所述氧合血红蛋白水平的相对变化。
在一个实施方案中，所述系统用于监测脑血氧合水平，其中所述光学光谱探针可固定到该用户的头部。
在一个实施方案中，该用户暴露于加压环境。
在一个实施方案中，所述系统还包括不同的生理传感器，所述生理传感器包括心电图(ECG)传感器、脑电图(EEG)传感器或呼吸频率传感器中的至少一个。
根据另一方面，提供了一种用于监测用户的异常血氧合水平的方法，所述方法包括：随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；监测所述脱氧血红蛋白水平的变化；对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而经由数字用户接口在显示器上输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
在一个实施方案中，所述方法还包括：在所述获取血氧合数据之后，获取来自至少一个环境变量的数据，并且其中所述自动评估包括以与基准血氧合曲线图对应的预设变化以及所述来自至少一个环境变量的数据对照的所述相对变化。
在一个实施方案中，所述至少一个环境变量包括压力、温度、时间或深度。
在一个实施方案中，所述方法还包括：在所述监测所述脱氧血红蛋白水平的变化之前，获取来自至少一个生理变量的数据，其中所述自动评估包括以与基准血氧合曲线图对应的目前变化以及所述来自至少一个生理变量的数据对照的所述相对变化。
在一个实施方案中，所述至少一个生理变量包括血压、心率、体温、心电图(ECG)、脑电图(EEG)或最大耗氧率(V02)中的至少一个。
在一个实施方案中，所述方法用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述方法还包括响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出。
在一个实施方案中，所述预设血氧合指数还至少定义低氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；并且其中所述输出还包括响应于所述评估而输出表示低氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
在一个实施方案中，所述方法用于监测暴露于偏离在标准温度和压力(STP)下的大约0.21的标准值的氧分压的用户。
在一个实施方案中，所述方法是所述血氧合数据包括近红外光谱(NIRS)数据。
在一个实施方案中，所述血氧合数据还表示不同的指定的血液相关的生色团水平，并且其中所述方法还包括监测和评估所述不同的指定的血液相关的生色团水平的变化，其中所述不同的指定的血液相关的生色团水平包括氧合血红蛋白水平、细胞色素c氧化酶氧化酶水平或一氧化碳(CO)水平中的至少一个。
在一个实施方案中，所述方法用于监测脑血氧合水平。
在一个实施方案中，该用户暴露于加压环境。
在一个实施方案中，所述血氧合数据还表示氧合血红蛋白水平，并且其中所述方法还包括监测和评估所述氧合血红蛋白水平的相对变化。
在一个实施方案中，所述方法还包括：基于监测的所述脱氧血红蛋白水平和氧合血红蛋白水平，自动计算溶解氧浓度，并且输出与其相关的指示。
在一个实施方案中，所述方法还包括：监测摄氧量，其中所述自动计算所述溶解氧浓度包括自动考虑所述摄氧量。
在一个实施方案中，所述自动计算包括：将指定的生理氧运输模型数字地应用于监测的所述脱氧血红蛋白水平和氧合血红蛋白水平。
根据另一方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质，用于监测用户的异常血氧合水平并且在其上存储有计算机可执行指令，所述指令用以：经由到光学光谱探针的操作性连接随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；监测所述脱氧血红蛋白水平的相对变化；对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而经由数字用户接口在显示器上输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
在一个实施方案中，所述非暂时性计算机可读介质，还包括指令，所述指令用以：在所述获取血氧合数据之后，获取来自至少一个环境变量的数据，并且其中用以自动评估的所述指令包括以与基准血氧合曲线图对应的预设变化的以及所述来自所述至少一个环境变量的数据对照的所述相对变化。
在一个实施方案中，所述至少一个环境变量包括压力、温度、时间或深度。
在一个实施方案中，所述非暂时性计算机可读介质还包括指令，所述指令用以：在所述监测所述脱氧血红蛋白水平的相对变化之前，获取来自至少一个生理变量的数据，并且其中用以自动评估的所述指令包括以与基准脑血氧合曲线图对应的预设变化以及所述来自所述至少一个生理变量的数据对照的所述相对变化。
在一个实施方案中，所述至少一个生理变量包括血压、心率、体温、心电图(ECG)、脑电图(EEG)或最大耗氧率(V02)中的至少一个。
在一个实施方案中，所述预设血氧合指数还至少定义低氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级，以响应于所述评估而输出表示低氧的所述较高健康风险评级的信号。
在一个实施方案中，所述非暂时性计算机可读介质用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述指令还包括用于响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出的指令。
根据另一方面，提供了一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统，所述系统包括：光学光谱探针，其可固定到该用户的皮肤用于随时间获取表示指定的血液相关的生色团水平的血氧合数据；以及数字数据处理器，其操作性地连接到所述光学光谱探针，并且被编程为：监测所述指定的血液相关的生色团水平的相对变化；对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
在一个实施方案中，所述指定的血液相关的生色团水平包括脱氧血红蛋白水平。
在一个实施方案中，所述指定的血液相关的生色团水平包括脱氧血红蛋白水平和氧合血红蛋白水平。
在一个实施方案中，所述系统用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述数字数据处理器还被编程为发出用于响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出的指令。
根据另一方面，提供了一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统，所述系统包括：光学光谱探针，其可固定到该用户的皮肤用于随时间获取表示氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；数字用户接口，其可操作以向该用户显示健康风险指示器；和数字数据处理器，其操作性地连接到所述光学光谱探针和用户接口，并且被编程为：监测所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的变化；从监测的所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的所述变化提取溶解氧浓度；输出表示所述溶解氧浓度的信号。
在一个实施方案中，所述信号包括输出与所述溶解氧浓度相关的健康风险指示器。
在一个实施方案中，所述数字数据处理器还可操作以：对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
在一个实施方案中，所述系统、方法或非暂时性计算机可读介质用于监测暴露于除了1atm以外的压力的用户。
在一个实施方案中，所述系统、方法或非暂时性计算机可读介质用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述活动包括深水潜水。
根据一个方面，提供了一种用于监测参加需要使用供氧装置的身体活动的用户的异常脑血氧合水平的系统，所述系统包括：近红外光谱(NIRS)探针，其可固定到该用户的头部用于随时间获取表示氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的脑血氧合数据；数字用户接口，其可操作以向该用户显示健康风险指示器；和数字数据处理器，其操作性地连接到所述至少一个NIRS探针和用户接口，并且被编程为：监测所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的相对变化；对照与基准脑血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设脑血氧合指数数字地相关联，所述预设脑血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
根据另一方面，提供了一种用于监测参加需要使用供氧装置的身体活动的用户的异常脑血氧合水平的方法，所述方法包括：随时间获取表示氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的脑血氧合数据；监测所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的相对变化；对照与基准脑血氧合曲线图对应的目前变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设脑血氧合指数数字地相关联，所述预设脑血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由数字用户接口进行显示。
根据另一方面，提供了一种用于监测参加需要使用供氧装置的身体活动的用户的异常脑血氧合水平的非暂时性计算机可读介质，并且其上存储有计算机可执行指令，所述指令用以：经由到近红外光谱(NIRS)探针的操作性连接随时间获取表示氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的脑血氧合数据；监测所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的相对变化；对照与基准脑血氧合曲线图对应的目前变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设脑血氧合指数数字地相关联，所述预设脑血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和响应于所述评估而经由数字用户接口在显示器上输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。其他方面、特征和/或优点将在阅读参考附图仅通过示例的方式给出的其具体实施方案的以下非限制性描述时变得更加明显。
附图说明
将参考附图仅通过示例的方式提供本公开内容的一些实施方案，其中：
图1是根据一个实施方案的由水肺潜水员使用的脑血氧合监测系统的示意图；
图2是根据一个实施方案的用于监测参加需要使用供氧装置的身体活动的用户的异常脑血氧合水平的方法的图；
图3是根据一个实施方案的如通过NIRS测量的呼吸含有低于正常的氧气浓度的一系列不同的气体混合物(含氧量低的混合物)的个人的脱氧血红蛋白的相对吸光度的时间变化的示例性图表；
图4是根据一个实施方案的如通过NIRS测量的呼吸含有高于正常的氧气浓度的一系列不同的气体混合物(含氧量高的混合物)的个人的脱氧血红蛋白的相对吸光度的时间变化的示例性图表；
图5是根据一个实施方案的如通过NIRS测量的呼吸正常空气、含氧量高的混合物并且再次呼吸正常空气、同时从端坐姿势改变姿势到仰卧姿势并且再次改变姿势到端坐姿势的个人的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对吸光度的时间变化的示例性图表；
图6是根据一个实施方案的如通过NIRS测量的呼吸不同的气体混合物并且在水中浸没在不同的深度的个人的脑脱氧血红蛋白的相对摩尔浓度的时间变化的示例性图表；
图7是根据一个实施方案的如通过NIRS测量的在高压舱内部呼吸不同的气体混合物的个人的脑脱氧血红蛋白浓度的相对变化的示例性图表；
图8是根据一个实施方案的如通过NIRS测量的在高压舱内部改变姿势(端坐或仰卧)并且呼吸不同的气体混合物的个人的脑脱氧血红蛋白浓度的相对时间变化的示例性图表。
图9示出了根据一个实施方案的三个示例性图表，这三个示例性图表从上到下分别例示了作为时间的函数的参与水下身体活动的用户的脑脱氧血红蛋白浓度、心率和呼吸频率或呼吸速率的随时间的相对变化。
图10示出了根据一个实施方案的用于监测用户参加需要使用供氧装置和/或在密封的加压环境中的活动的用户的健康风险的另一种方法的图。
为简单和清楚起见，例示了一些图中的元件，并且所述元件不一定按比例绘制。例如，图中的元件中的一些的尺寸可能相对于其他元件被强调，以便于对多个目前公开的实施方案的理解。另外，常常未描绘在商业上可行的实施方案中有用的或必需的常见但易于理解的元件，以便于较少障碍地查看本公开内容的这些多个实施方案。
具体实施方式
将参考下文所讨论的细节描述本说明书的多个实施方式和方面。以下描述和附图例示本说明书，而不被理解为限制本说明书。描述了许多具体细节以提供对本说明书的多个实施方式的透彻理解。然而，在某些实例中，未描述众所周知的或常规的细节，以提供对本说明书的实施方式的简明讨论。
下文将描述多个装置和过程，以提供本文所公开的系统的实施方式的示例。下文所描述的实施方式不限制任何所要求保护的实施方式，并且任何所要求保护的实施方式可以涵盖与下文所描述的过程或装置不同的过程或装置。所要求保护的实施方式不限于具有下文所描述的任何一个装置或过程的所有特征的装置或过程，或限于下文所描述的多个或所有装置或过程的共有特征。下文所描述的装置或过程可以不是任何所要求保护的主题的一个实施方式。
此外，阐述了许多具体细节以提供对本文所描述的实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所描述的实施方式。在其他实例中，未详细描述众所周知的方法、程序和部件，以便不使本文所描述的实施方式模糊不清。
在本说明书中，元件可以被描述为“被配置为”执行一个或多个功能或“被配置用于”这样的功能。通常，被配置为执行一个功能或被配置用于执行一个功能的元件被启用以执行该功能，或适合于执行该功能，或适于执行该功能，或可操作以执行该功能，或以其他方式能够执行该功能。
应理解，出于本说明书的目的，“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或多个”的语言可以被理解为仅有X、仅有Y、仅有Z或两个或更多个项X、Y和Z的任何组合(例如，XYZ、XY、YZ、ZZ等)。类似的逻辑可以在“至少一个……”和“一个或多个……”语言的任何出现时应用于两个或更多个项。
根据不同的实施方案，本文所描述的系统和方法提供了不同的示例，其中一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统及用于其的方法，该用户例如参加活动同时暴露于偏离标准温度和压力(STP)下的0.21的正常值的氧分压。也就是，根据不同实施方案，所述方法和系统可以被用来监测(结合到血红蛋白和/或溶解在血液或组织中的)血氧含量并且相应地评定高氧和/或低氧的健康相关的风险；或可选地从其得到对用户认知水平的评估。在以下示例中，根据一些实施方案，用户通常被迫佩戴呼吸罩/装置或位于密封并且加压的环境中。这包括用户呼吸为含氧量高的或含氧量低的混合物(在任何压力下)或在比大气压高或低的压力下的正常空气(例如，21％O2)的气体。应用的示例包括但不限于水下潜水或深潜水、高压舱或深水钟状物(bell)或居住舱(habitat)中的任何活动(包括高压治疗)、加压驾驶舱以及EVA套装或类似物中的任何活动(例如，驾驶飞行器、航天器)。其他用户可以包括在急救期间(包括使用除颤器)监测氧合，例如消防员、士兵等。
在一些实施方案中，下文描述的系统和方法依赖于各种血氧定量技术(oximetrytechnique)(例如，脉搏血氧定量法或脑血氧定量法等)来识别和量化用户的血液中的一个或多个生色团的分子的存在。从一个或多个血氧定量探针测量的测量衰减(或光密度)可以被用来得到所述血液中的对应的氧分压和/或相对氧浓度。在一些实施方案中，这包括通过监测氧气输入、混合血液饱和度的水平、结合体内生理氧运输模型来量化溶解的O2(dO2)的浓度。因此，根据一些实施方案，本文所描述的系统和方法可以被用来实时监测在这样的操作环境中用户高氧和/或低氧的健康风险。
在一些实施方案中，所使用的血氧定量技术是基于近红外光谱(NIRS)。这些是基于不同的生物分子在与氧结合时改变其光学性质的事实。此现象由以下事实引起：诸如氧合血红蛋白(含有血红蛋白或O2Hb)的生色团在其吸收图案的部分上与脱氧的血红蛋白(去氧血红蛋白或HHb)不同，并且因此在它们的明显光谱上也不同。这些光学差异已经被利用，并且现在是脉搏血氧定量法中的临床标准应用，其中通常与脉搏体积描记法结合使用两个或三个不同的波长，以测量动脉血红蛋白氧饱和度。可见光只能短距离穿透组织，因为它被吸收或散射可见光的几种组织成分显著衰减。然而，在近红外(NIR)光谱(范围从700nm到1100nm)中，光子能够更深地穿透几厘米或更深。此外，NIR光束也可以穿透骨骼，这例如是经颅的脑血氧定量法的先决条件，尽管一般而言可以使用其他探针位置。除了几厘米的相对深的穿透的优点以外，例如，NIR光谱区域还以氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光谱中的典型差异为特征。如上文所提及的，血液中存在的可以使用这些技术监测的其他生色团通常包括O2Hb和HHb，但是也可以监测其他分子，例如(但不限于)细胞色素c氧化酶、一氧化碳(CO)、高铁血红蛋白等。
在一些实施方案中，也可以是，被监测的一个或多个生色团具有更复杂的吸收光谱，诸如更宽的光谱和/或包括两个或更多个峰值。一般而言，本文所描述的实施方案不限于使用一到三个波长，而是可以根据需要使用许多波长以恰当地表征用户的血液中存在的一个或多个生色团分子的存在。为了实现这，可以使用任何数目的附加的波长(例如，从600nm到1100nm的范围内的任何波长)。此外，测量这样的成分可能导致两个或更多个成分的光谱特征重叠。在此情况下，可以应用多元统计分析方法来为每个重叠的成分提取单一特征。例如，这些可能包括但不限于：线性(或非线性)多元回归(MVR)、主成分分析(PCA)、主成分回归(PCR)、判别分析(DA)、层次聚类分析(HCA)、软独立建模分类法(softindependent modeling of class analogy，SIMCA)或类似方法。
利用这些自然特性来进行区域性血氧定量法，诸如脑血氧定量法(或其他)，典型的NIRS探针起如下作用：光源(例如，不同波长的一个或多个LED)产生NIR光，涉及以特征波长为中心的光谱。发射的光束经由(通常皮肤附接的)探针被引导到感兴趣的组织内。该探针通常附接到在感兴趣的组织上方的皮肤。探针的相应的粘着剂不仅用于在较长时段内稳定探针的位置，而且限制环境光进入测量光子路径内。经皮NIRS是非侵入性的，并且所施加的光强度对组织无害，即使施加较长时期也不导致皮肤烧伤。
通常，可以通过使用从辐射传送理论得到的在有机组织中的光漫射和衰减的物理模型根据测量的NIRS信号的变化吸光度/衰减来计算监测的生色团(例如，O2Hb或HHb)的摩尔浓度的变化(例如，使用修正的比尔-朗伯特(Beers-Lambert)定律或类似物；例如参见：Susumu Suzuki、Sumio Takasaki、Takeo Ozaki和Yukio Kobayashi“Tissue oxygenationmonitor using NIR spatially resolved spectroscopy”，Proc.SPIE 3597，OpticalTomography and Spectroscopy of Tissue III，(1999年7月15日)；doi：10.1117/12.356862和Michael S.Patterson，B.Chance和B.C.Wilson，“Time resolvedreflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissueoptical properties”，Appl.Opt.28，2331-2336(1989)，其每个的全部内容据此通过引用并入本文)。
此外，在一些实施方案中，摩尔浓度然后可以被用来评定例如用户的血液中的溶解氧含量(dO2)。实际上，发现氧在血液中有两种形式：处于溶解(或被溶解)以及与血红蛋白结合。由于溶解氧可以在血液中累积，并且在稍后的时间当氧分压降低时被排放，因此这样的评定对于评定用户的风险水平可以是重要的。在一些实施方案中，生理模型可以被用来计算dO2的浓度(或其变化)。例如，在一些实施方案中，这样的模型可以根据吸入的气体混合物的分压的测量来确定吸入的氧气被吸收到血流中的分量或小部分，因为吸入的和吸收的气体将跨肺泡-血液界面达到平衡。生理过程的现有知识(诸如，菲克(Fick)扩散定律，O2溶解度等)允许此评估。例如，假设进入血流的氧气与血红蛋白结合或保持处于溶解状态，则可以评估目标混合血容量中的含氧和脱氧血红蛋白浓度的变化。这进而允许在其他生理参数(诸如总血红蛋白数、血容量等)保持标称并且不变的假设下确定保持处于溶解状态的分量。在一些实施方案中，这样的模型可以使用例如根据吸入的气体混合物的流速的测量、环境压力、用户的血容量的估计或测量等得到的附加的参数，诸如摄氧量(例如，吸入的氧气的量)。在一些实施方案中，可以构建用户dO2水平的指数以供参考。
可以使用其他用户身体参数，例如但不限于，与用户的体重/身高、年龄和/或身体健康相关的参数。
在一些实施方案中，本文所描述的监测系统和方法还可以被用来得到用户在不同的血氧合(与血红蛋白结合和/或溶解在血液或组织中)水平下的认知水平或指数。认知水平可以包括用户疲劳、压力(stress)、困惑、参与度、工作负荷的表征，并且可以被用来评定用户专注和/或完成不同任务的能力(例如，效率和精度)，诸如潜水、驾驶飞行器或航天器等。在一些实施方案中，本文所描述的系统和方法除了显示高氧和/或低氧的健康相关的风险以外，还可以显示用户的认知水平。例如，可以通过最初评定用户执行特定任务的能力(即，执行速度、错误数目等)同时监测血氧水平的变化并且根据这些测量得到关联来得到认知水平。在确定用户的认知水平在用于执行特定任务(即，驾驶飞行器等)的特定安全阈值以下的情况下，用户可以决定或被强制停止和/或休息一下。
参考图1，并且根据一个示例性实施方案，示出了总体上使用数字100指代的脑血氧监测系统。在图1中，所例示的身体活动是水肺潜水或深潜水。如上所述，虽然本文提供水肺潜水或深潜水作为一个示例，但是在不脱离本公开内容的总体范围和本质的前提下，可以考虑其他活动以得益于本文所描述的实施方案的特征、功能和优点。
在所例示的实施方案中，系统100被配置为监测水下潜水员的异常脑血氧合水平。在此示例性实施方案中，潜水员使用闭路或半闭路循环呼吸器设备102，但是可以考虑其他供氧设备或方法，例如，在不实施对呼出气体进行再循环利用的情况下。如上文所提及的，在极深处使用这样的设备可能导致氧分压增加，氧分压增加本身可能导致高氧的发作。
在此实施方案中，系统100总体上包括至少一个近红外光谱探针(NIRS)104，所述至少一个近红外光谱探针可固定到用户的头部，用于随时间获取至少表示脱氧血红蛋白水平的脑血氧合数据。如上文所提及的，其他实施方案可以被配置为监测血液中存在的不同的/另外的生色团分子，诸如氧合血红蛋白水平，而没有限制。。
在一些实施方案中，此至少一个NIRS探针104可以集成在一种类型的头饰(诸如，头带或帽子)内部。在此情况下，头饰应牢固地固定在用户的头部上，以避免由于NIRS探针与用户的皮肤之间的次最佳接触以及水污染等造成的次最佳测量。如下文将讨论的，其他实施方案可以使用不同的皮肤接触位置，例如但不限于颈部区域。
根据从此至少一个NIRS探针测量的吸收光谱，可以计算这些蛋白质的相对脑(或区域性)血液水平。为此，至少一个NIRS探针104被操作性地连接到数字数据处理器106，该数字数据处理器106被编程为计算O2Hb和HHb的相对浓度、和/或HHb或类似物的摩尔浓度的变化。在此实施方案中，通过有线连接108传送数据，但是也可以采用其他实施方案，诸如无线连接。如下文将更详细解释的，数字数据处理器106还被编程为使用这些相对浓度测量来得到或至少定义高氧的较低或较高健康风险评级、和/或其他与氧合健康相关的(例如，诸如与低氧相关的)评级。
将理解，处理器106可以采取各种形式，所述形式可以包括但不限于专用计算或数字处理设备、微处理器、通用计算设备、平板计算机和/或智能电话接口/应用程序、和/或本领域的技术人员容易理解的其他计算设备，所述其他计算设备包括到至少一个NIRS探针输出的数字接口，以便获取并且最终处理由其捕获的读数/光谱。
此外，图1的实施方案还包括数字用户接口110，该数字用户接口110能够向用户显示经由数字数据处理器106获得的健康风险指示器。如图1的实施方案中所示出的，数字数据处理器106和该数字用户接口都可以被包含在同一水密设备内部，该水密设备在此是使用带112佩戴在手腕上的类似手表的设备。在其他实施方案中，数字用户接口110和数字数据处理器106也可以彼此分离，并且经由有线连接或无线连接彼此通信地连接并且连接到所述至少一个NIRS探针。在一些实施方案中，该数字用户接口可以包括具有数字显示屏的计算机、平板计算机、智能电话应用程序或类似的通用计算设备，或此外包括具有图形或类似的通用计算设备的专用设备。在一些实施方案中，该数字用户接口可以包括位于罩、护目镜和/或眼镜(未示出)内部的平视显示器。
在一些实施方案中，还可以与至少一个NIRS探针104并行使用附加的传感器。例如，压力传感器、温度传感器(和/或一个或多个相同的和/或不同的生理传感器或可操作以与用户接合的类似部件(例如，经由直接或间接用户接触，诸如皮肤接触或可操作与用户的皮肤或身体接触或紧密接近的类似接口)也可以被用来获取环境和/或生理信号，并且可以被操作性地连接到数字数据处理器106，用于直接传输到数字用户接口110，或在确定用户对高氧、低氧等的较高或较低健康风险评级时用作附加的输入。可以经由一个或多个生理传感器监测的生理信号的示例包括但不限于心电图(ECG)、脑电图(EEG)、呼吸频率、VO2、血压、体温等。如下文将讨论的，在一些实施方案中，一个或多个生理信号可以与NIRS探针信号关联，以提供对血氧水平的更精确的量化。
在一些实施方案中，还可以用一个或多个加速度计(未示出)来监测用户身体姿势，因为用户身体姿势影响到头部区域的血液流动(如下文将解释的)，并且因此影响光谱响应。因此，在一些实施方案中，系统100还可以包括通信地连接到数字数据处理器106的一个或多个加速度计，以检测用户身体姿势或定向(例如端坐或仰卧)的改变。
在一些实施方案中，系统100还可以包括通信地连接到数字数据处理器106的内部存储器或数据存储模块(未示出)，以存储可以用来改善系统100的监测能力的附加的数据。例如但不限于，可以在其中存储包括关于一个或多个已知的生色团的光谱特征的信息的光谱数据库。
在一些实施方案中，数字数据处理器106还可以被配置为提供附加的特征，诸如基于人工智能的监测系统(未示出)。在一些实施方案中，数字数据处理器可以被配置为运行人工智能程序，以提供用户特定的自动化或半自动化的氧监测，如下文将解释的。
此外，在一些实施方案中，数字数据处理器106还可以通信地连接到供氧装置/设备102，以便根据正监测的用户的血氧水平来调节到用户的气体流量。
参考图2，并且根据一个示例性实施方案，现在将针对参加需要使用供氧装置的活动的用户描述根据使用至少一个NIRS探针获得的测量得到健康指示器的方法。用户首先将至少一个近红外光谱(NIRS)探针固定(步骤201)到例如他的/她的头部。如上文所解释的，所述至少一个探针可以集成在头饰的形式内，但是通常可以使用任何可穿戴的用户身体位置。包括一个或多个探针的合适的可穿戴监测设备的非限制性示例可以包括但不限于腕带、腕表、手镯、项链、戒指、腰带、眼镜、衣服、帽子、脚镯、头带、胸带、眼罩、皮肤探针(仅举几例)或任何其他能够获得NIRS信号的可穿戴物品位置。
然后，用户开始照常参加任何活动(诸如，身体活动或其他)(步骤202)，同时至少一个探针获取如上文所提及的有关他的/她的氧合血红蛋白(O2Hb)、脱氧血红蛋白水平(HHb)或其他生色团水平的数据(步骤204)。连续地、实时或以短间隔进行此数据获取。在目前讨论的实施方案中，通过监测O2Hb和HHb水平的相对变化来分析所获取的数据(步骤206)。对照与多个基准脑血氧合曲线图对应的目前变化，自动评估这些相对变化(步骤208)。这些曲线图被预先确定并且例如被编程到如上文所解释的数字数据处理器106内。如上文所提及的，在一些实施方案中，所述曲线图还可以包括与一个或多个生理信号相关的数据，所述一个或多个生理信号将是使用一个或多个生理传感器同时获取的。此外，如之前所讨论的，所述曲线图本身与预设血氧合指数相关联，该预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级(步骤210)和/或其他氧合健康相关特性。
如上文所提及的，方法200还可以在步骤210处使用基于人工智能的系统，以提供对用户的氧水平和高氧/低氧的相关风险的改进的监测能力。这样的系统可以实时接收和分析经由NIRS探针、一个或多个生理传感器、用户身体参数、总摄氧量、氧含量流速的手动改变等获取的任何数据。可以考虑不同的AI、机器学习和/或系统自动化技术来实现这样的程序。例如，它们可以包括但不限于有监督的和/或无监督的机器学习技术、线性和/或非线性回归、决策树等。还可以使用深度学习算法，包括但不限于神经网络，诸如循环神经网络、递归神经网络、前馈神经网络、卷积神经网络、深度信念网络、多层感知机、自组织映射、深度玻尔兹曼机以及堆栈去噪自编码器或类似物。这样，智能监测特征可以在有限制或没有明确用户干预的情况下自动地或半自动地操作。
使用高氧作为一个示例，如果该方法在步骤212处确定用户正经历高氧的较低风险，则什么都不做，并且该方法继续步骤204的数据获取的过程。相反，如果该方法确定如果用户当前正经历高氧的较高健康风险，则该方法然后向用户输出较高健康风险评级(步骤214)，以告知他/她该较高风险，以使得他/她可以采取行动降低该风险。指示器的不同示例可以包括但不限于可见指示器(诸如，闪光灯和/或彩色灯)、可听警报(例如，通过通信地连接的听筒中继的)、振动设备等，它们可以采取连续的、闪烁的、脉冲的、有节奏的、周期的和/或逐步上升的警报指示器的形式。在一些实施方案中，视觉指示器可以被示出在数字显示器或平视显示器上，如上文所提及的。
然后，如在先前情况中，该方法继续获取数据的过程(步骤204)。下文的段落将部分地解释如何可以确定脑血氧合曲线图。
参考图3，并且根据一个示例性实施方案，提供了呼吸具有降低的氧浓度的一系列气体混合物(含氧量低的混合物)的个人的脑脱氧血红蛋白(HHb)吸光度(例如，光密度)的作为时间的函数的相对变化的图表。测量是使用由Artinis Medical Systems B.V.开发的商业上可得的NIRS系统进行的。吸光度值是相对于对于呼吸正常空气(21％O2)的同一个人所获得的基线值。分别用含有5％、9％和13％的氧气的含氧量低的混合物测量三个运行(run)。对于每个数据系列，个人只要舒适就持续呼吸相关联的混合物，然后再次返回到呼吸正常空气。显然，众所周知，呼吸较低的氧水平导致HHb水平快速增加。氧水平越低，观察到测量的HHb水平的上升越快并且越高，并且个人能够维持呼吸的时间越短。
与图3相反，图4是当呼吸增加的O2浓度(含氧量高的混合物)时HHb水平的作为时间的函数的变化的图表。示出了三个测量，一个是在21％的正常O2浓度(例如，正常空气)下的基线测量(深灰色虚线)；一个是使用含有31％的O2的混合物进行的测量(浅灰色虚线)，并且一个是使用纯O2的测量(黑线)。在后两个测量系列中，个人在实验的前五分钟和最后五分钟呼吸正常空气。我们清楚地看到，随着摄入O2增加，测量的HHb浓度降低。此外，虽然在31％的O2下的测量示出在个人停止呼吸气体混合物之后快速返回到基线值，但是在第二种情况下，虽然纯氧被去除之后HHb浓度增加并且稳定，但是它在获取时间期间未完全返回到基线，虽然明显最终将随时间返回到基线。因此这些测量例示了组织存储氧气的能力，这对于较大的氧分压来说可能变得越来越重要。在一些实施方案中，使用如本文所描述的方法，因此可以提供监测氧气从组织到血液内的排放。
图5示出了改变个人的姿势(端坐或仰卧)以及呼吸纯氧(100％的O2)相对于正常空气(21％的O2)的作为时间的函数的影响。示出了氧合血红蛋白(O2Hb)和HHb的相对吸光度值。对于此实验，该个人最初处于端坐姿势呼吸正常空气(21％的O2)5分钟，随后被置于仰卧姿势呼吸另一个5分钟。然后将仍然处于仰卧姿势的该个人经由面罩暴露于纯氧几分钟。在不改变个人的姿势的情况下，然后去除该罩，允许该个人再次呼吸正常空气。最后，在等待几分钟之后，该个人被允许再次端坐。我们清楚地看到这些改变对O2Hb和HHb测量的影响。但是，我们发现O2Hb和HHb响应不是对称的，表明在所有情况下仅O2Hb浓度的测量作为脑血氧合的唯一指示器可能是不可靠的。然而，使用NIRS对O2Hb和HHb浓度的仔细测量确实导致更精确的指示器的确定。
图3至图5清楚地示出了不仅作为由个人呼吸的氧含量的函数而且作为个人的相对姿势的函数的O2Hb和HHb水平的变化的特性特征。通过对于不同的个人中的一系列不同的氧水平测量O2Hb和HHb水平的变化，可以记录一系列基准脑血氧合曲线图。这些曲线图然后可以与预设脑血氧合指数数字地相关联，例如，所述预设脑血氧合指数然后可以被用来关联个人内的高氧的较高或较低风险评级。例如，可以通过在高压舱或恒压舱内部进行测量来将基准曲线图扩展为包括不同的氧分压。
参考图10，并且根据一个示例性实施方案，现在将描述另一种用于监视用户在参加需要使用供氧装置和/或在密闭加压环境内的活动时该用户的健康风险的方法，该方法总体上使用数字1000指代。与图2中描述的实施方案类似，在步骤1001处，将一个或多个传感器固定或放置在一个或多个位置与用户的皮肤接触。这些传感器可以集成到可穿戴设备中，如上文所解释的。一旦在步骤1002处用户开始活动，方法1000立即开始监测一个或多个参数。在步骤1003处，该方法经由一个或多个NIRS探针监测用户的血液中(例如，脑区域中)的HHb的摩尔浓度，但是还可以可选地并行监测其他参数，诸如环境压力和/或温度(步骤1004)、摄氧量(步骤1005)，经由一个或多个生理传感器监测一个或多个生理信号(步骤1006)和/或经由一个或多个加速度计监测用户身体姿势(步骤1007)。从步骤1003到1007获取的数据被发送到中央处理单元(即，例如，数字处理单元106)以在步骤1008处对其进行分析并且将其与预设基准曲线图进行比较。如上文所讨论的，在一些实施方案中，可以使用诸如深度学习技术或类似技术的机器学习技术来执行步骤1008。根据此分析，可以在步骤1010处定义高氧/低氧的健康相关的风险以及可选地定义用户认知水平。在步骤1012处，可以将这些风险和/或认知水平与先前的水平进行比较，以确定是否已经发生风险增加或认知丧失。在此情况下，方法1000可以自动调整递送给用户的氧气流量以降低风险和/或提高认知水平。可选地，在步骤1014处，也可以向用户递送警告，如上文所解释的。然后，该方法返回到监测不同的参数(步骤1003至步骤1007)以评定新的风险和/或认知水平。
参考图6至图9，并且根据一个示例性实施方式，提供了遭受不同的氧分压的个人的作为时间的函数的脑HHb浓度(以μM或10-6mol/L为单位)的变化的不同图表。这些图清楚地示出了不同的参数测量的HHg摩尔浓度之间的不同的关联，这些参数不仅包括氧分压，而且包括持续的身体活动。再次使用由Artinis Medical Systems B.V.开发的市售的NIRS系统进行测量。使用上文所提及的Suzuki等人的光漫射模型，根据NIRS衰减信号的变化计算摩尔脑HHb浓度的变化。因此，在图6至图9中，仅测量的相对于初始值的脑HHg浓度的变化是有意义的，并且在每个图的开始的初始浓度值是任意的。
例如，图6示出了在不同深度完全浸没在水中并且按顺序从两种不同气体混合物(正常空气和Nitrox 40含氧量高的混合物)呼吸的个人的图表。在图6中所示出的图表开始时，个人正呼吸Nitrox 40混合物同时漂浮在水面(例如，p02＝0.4)。随着深度增加，我们清楚地看到脑HHb浓度也相对于初始值(在水面，在t＝2000秒处)降低大约7μM，直到达到57英尺的深度，对应的氧分压为1.1。潜水员在该深度停留大约10分钟，之后在大约2400秒处再升到水面，在此我们看到HHb浓度对应地增加了大约2.5μM，将其返回到接近其在实验开始时的初始值。因此，图6示出了氧分压的变化与脑HHb浓度的对应的变化之间的明确关联。
类似地，图7示出了作为时间的函数的但针对密封高压舱内部的个人的脑HHb浓度的变化的图表，在该密封高压舱内既给予O2浓度的变化，又通过使压力变化来模拟深度的变化。因此，可以通过改变舱内的压力或通过改变个人正呼吸的氧浓度(空气或含氧量高的混合物)来改变用户内部的氧分压。从0.21的正常氧分压开始(例如，在大气压下呼吸正常空气)，增加舱内部的压力以模拟30英尺的对应深度(pO2＝0.40)，这导致脑HHb浓度(相对于其在t＝400秒处的初始值)的大约0.8μM的小幅降低。然后，在大约900秒处，保持压力恒定，但是将呼吸混合物从空气改变为纯氧(pO2＝1.9)。我们很快看到HHb浓度进一步降低大约2μM。下一个步骤包括让个人呼吸纯氧，但是要降低压力以模拟15英尺的深度(pO2＝1.45)。我们看到这导致HHb浓度对应增加了大约0.8μM。然后，保持压力恒定，为该个人提供正常空气来呼吸(p.02＝0.3)。我们再次发现脑HHb浓度对应地快速增加了1μM的值。最后，恢复了正常大气压，这导致浓度返回到其初始值(在t＝0时)。因此，我们在图7中清楚地看到深度和氧分压的变化与脑HHb浓度的对应变化之间的关联。
与图5类似地，图8例示了再次在高压舱内部改变个人的姿势(端坐或仰卧)以及呼吸纯氧(100％的O2)相对于正常空气(21％的O2)的作为时间的函数的影响。在图8的图表中，该个人首先处于端坐姿势，同时呼吸正常空气。然后压力增加到30英尺的对应深度，导致HHg浓度相对于其初始值(t＝2000秒)对应地降低大约2μM。然后，向仍然端坐的个人给予纯氧(pO2＝1.9)，这导致HHg浓度再一次降低大约0.6μM。接下来，保持压力恒定(30英尺)并且仍然呼吸纯氧，要求该个人采取仰卧姿势，这导致测量的脑HHb浓度进一步降低大约2μM。如所预期的，回到端坐姿势通过使HHg浓度增加2μM取消了先前的变化。现在，将呼吸混合物从纯氧改变为正常空气(但是保持压力恒定和端坐姿势)也使脑HHg浓度返回到在初始值以下大约1.9μM的值。最后，将压力降低到正常大气压使测量的HHg浓度返回到接近实验开始时的初始值。因此，我们看到得到的摩尔浓度也与用户身体姿势很好地关联。
如上文所提及的，在一些实施方案中，当用户参与身体活动时，可以与NIRS信号同时获取一个或多个生理信号，以提供所计算的血氧含量的增加的准确性，例如通过使用所测量的在这些一个或多个生理信号的变化与HHb浓度水平(或其他生色团)的变化之间的关联。例如，在图9中，我们看到了三个图表，这三个图标从上到下分别例示了作为时间的函数的参与水下身体活动的用户的脑HHb浓度、用户的心率(以每分钟心跳数或BPM为单位)和呼吸频率或呼吸速率(以每分钟呼吸数为单位)随时间的对应变化。在图9中，该个人最初呼吸含氧量高的混合物(pO2＝0.4)同时在水面静止，并且然后在水下下降到水下57英尺的深度(pO2＝1.1)，导致测量的脑HHb浓度对应地降低到初始值(t＝1055秒)以下大约5μM。此降低还与心率从120BPM小幅降低到大约95BPM相关联。然后，该个人开始参与身体活动多于10分钟，这立即导致测量的心率增加(从95BPM增加到大约128BPM，峰值为140)和呼吸速率增加(从每分钟大约10次呼吸增加到每分钟大约19-20次呼吸)，以及HHb浓度对应地降低大约4μM(例如，在初始值以下10μM)。HHg浓度的此降低直接与由正被执行的身体活动导致的生理过程有联系，而不是单独与氧分压有联系，如下文将看到的。在此之后，该个人返回到水面，同时仍然呼吸含氧量高的混合物，这示出为HHb浓度略微增加大约4μM的值。最后，潜水员恢复呼吸正常空气，这再次示出为HHb浓度增加大约4μM。因此，最终测量的脑HHg浓度仍然在实验开始时的初始值以下4μM，如所预期的，这大致对应于当用户参与身体活动时观察到的降低。
虽然本公开内容出于例示性目的描述了多个实施方案，但是这样的描述并不意在限制于这样的实施方案。相反，在不脱离所述实施方案的前提下，本文所描述和所例示的申请人的教导包含各种替代方案、改型和等同物，其总体范围被限定在所附权利要求书中。除了过程本身所必需的或固有的范围之外，未意指或暗示在本公开内容中所描述的方法或过程的步骤或阶段的特定顺序。在许多情况下，可以使过程步骤的顺序变化，而不改变所描述的方法的目的、效果或意思。
如本文所示出的并且详细描述的信息完全能够实现本公开内容的上述目的、本公开内容的目前优选的实施方案，并且因此表示由本公开内容广泛地设想的主题。本公开内容的范围完全包含对于本领域的技术人员而言可以变得明显的其他实施方案，并且因此相应地将仅仅由所附权利要求书来限制，其中除非明确说明，否则以单数形式做出的对元件的任何提到均不意在意味着“有且仅有一个”，而是意味着“一个或多个”。如本领域普通技术人员认为的上述优选的实施方案和附加的实施方案的元件的所有结构和功能等同物据此通过引用被明确并入并且意在由本权利要求书包含。此外，对解决本公开内容寻求解决的每一个问题的系统或方法不存在要求，使其由本权利要求书包含。此外，本公开内容中的元件、部件或方法步骤都不意在被奉献给公众，不管所述元件、部件或方法步骤是否被明确记载在权利要求书中。然而，如对于本领域普通技术人员而言可以明显的、如在所附权利要求书中所阐述的、在不脱离本公开内容的精神和范围的前提下可以在形式、材料、工件和制造材料细节上做出的各种改变和改型也由本公开内容包含。

Claims (51)

1.一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统，所述系统包括：
光学光谱探针，其可固定到该用户的皮肤用于随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；
数字用户接口，其可操作以向该用户显示健康风险指示器；和
数字数据处理器，其操作性地连接到所述光学光谱探针和用户接口，并且被编程为：
监测所述脱氧血红蛋白水平的变化；
对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和
响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
2.根据权利要求1所述的系统，用于监测暴露于除了1atm以外的压力的用户。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述光学光谱探针可操作以提供水密密封，以防止在所述氧合数据中的水污染。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述活动包括深水潜水。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述数字用户接口包括附接到该用户的手臂或手腕的数字屏幕、或平视显示器中的数字屏幕。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括压力传感器，所述压力传感器操作性地连接到所述数字数据处理器，并且可操作以提供该用户周围的直接环境的压力数据。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器操作性地连接到所述数字数据处理器，并且可操作以提供所述用户周围的直接环境的温度数据和/或所述用户的温度数据。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述数字数据处理器操作性地连接到循环呼吸器控制器以响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述预设血氧合指数还至少定义低氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；并且其中所述数字数据处理器还被编程为
响应于所述评估而输出表示低氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，用于监测暴露于偏离在标准温度和压力(STP)下的大约0.21的标准值的氧分压的用户。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中所述光学光谱探针包括近红外光谱(NIRS)探针。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述血氧合数据还表示不同的指定的血液相关的生色团水平，并且其中所述数字数据处理器还被编程为监测和评估所述不同的指定的血液相关的生色团水平的变化。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述不同的指定的血液相关的生色团水平包括氧合血红蛋白水平、细胞色素c氧化酶水平或一氧化碳(CO)水平中的至少一个。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述血氧合数据还表示氧合血红蛋白水平，并且其中所述数字数据处理器还被编程为监测和评估所述氧合血红蛋白水平的相对变化。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，用于监测脑血氧合水平，其中所述光学光谱探针可固定到该用户的头部。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的系统，其中该用户暴露于加压环境。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的系统，所述系统还包括不同的生理传感器，所述生理传感器包括心电图(ECG)传感器、脑电图(EEG)传感器或呼吸频率传感器中的至少一个。
18.一种用于监测用户的异常血氧合水平的方法，所述方法包括：
随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；
监测所述脱氧血红蛋白水平的变化；
对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和
响应于所述评估而经由数字用户接口在显示器上输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
19.根据权利要求18所述的方法，用于监测暴露于除了1atm以外的压力的用户。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述活动包括深水潜水。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，还包括：在所述获取血氧合数据之后，获取来自至少一个环境变量的数据，并且其中所述自动评估包括以与基准血氧合曲线图对应的预设变化以及所述来自至少一个环境变量的数据对照的所述相对变化。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述至少一个环境变量包括压力、温度、时间或深度。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，还包括：在所述监测所述脱氧血红蛋白水平的变化之前，获取来自至少一个生理变量的数据，其中所述自动评估包括以与基准血氧合曲线图对应的预设变化以及所述来自至少一个生理变量的数据对照的所述相对变化。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述至少一个生理变量包括血压、心率、体温、心电图(ECG)、脑电图(EEG)或最大耗氧率(V02)中的至少一个。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的方法，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述方法还包括响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的方法，其中所述预设血氧合指数还至少定义低氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；并且其中所述输出还包括响应于所述评估而输出表示低氧的所述较高健康风险评级的信号以用于经由所述数字用户接口进行显示。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的方法，用于监测暴露于偏离在标准温度和压力(STP)下的大约0.21的标准值的氧分压的用户。
28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其中所述血氧合数据包括近红外光谱(NIRS)数据。
29.根据权利要求18至28中任一项所述的方法，其中所述血氧合数据还表示不同的指定的血液相关的生色团水平，并且其中所述方法还包括监测和评估所述不同的指定的血液相关的生色团水平的变化，其中所述不同的指定的血液相关的生色团水平包括氧合血红蛋白水平、细胞色素c氧化酶氧化酶水平或一氧化碳(CO)水平中的至少一个。
30.根据权利要求18至29中任一项所述的方法，用于监测脑血氧合水平。
31.根据权利要求18至30中任一项所述的方法，其中该用户暴露于加压环境。
32.根据权利要求18至28中任一项所述的方法，其中所述血氧合数据还表示氧合血红蛋白水平，并且其中所述方法还包括监测和评估所述氧合血红蛋白水平的相对变化。
33.所述方法还包括：基于监测的所述脱氧血红蛋白水平和氧合血红蛋白水平，自动计算溶解氧浓度，并且输出与其相关的指示。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括：监测摄氧量，其中所述自动计算所述溶解氧浓度包括自动考虑所述摄氧量。
35.根据权利要求33或权利要求34所述的方法，其中所述自动计算包括：将指定的生理氧运输模型数字地应用于监测的所述脱氧血红蛋白水平和氧合血红蛋白水平。
36.一种非暂时性计算机可读介质，用于监测用户的异常血氧合水平并且在其上存储有计算机可执行指令，所述指令用以：
经由到光学光谱探针的操作性连接随时间获取表示脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；
监测所述脱氧血红蛋白水平的相对变化；
对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和
响应于所述评估而经由数字用户接口在显示器上输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
37.根据权利要求36所述的非暂时性计算机可读介质，用于监测暴露于除了1atm以外的压力的用户。
38.根据权利要求36或权利要求37所述的非暂时性计算机可读介质，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述活动包括深水潜水。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的非暂时性计算机可读介质，还包括指令，所述指令用以：在所述获取血氧合数据之后，获取来自至少一个环境变量的数据，并且其中用以自动评估的所述指令包括以与基准血氧合曲线图对应的预设变化以及所述来自所述至少一个环境变量的数据对照的所述相对变化。
40.根据权利要求39所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述至少一个环境变量包括压力、温度、时间或深度。
41.根据权利要求36至40中任一项所述的非暂时性计算机可读介质，还包括指令，所述指令用以：在所述监测所述脱氧血红蛋白水平的相对变化之前，获取来自至少一个生理变量的数据，并且其中用以自动评估的所述指令包括以与基准脑血氧合曲线图对应的预设变化以及所述来自所述至少一个生理变量的数据对照的所述相对变化。
42.根据权利要求41所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述至少一个生理变量包括血压、心率、体温、心电图(ECG)、脑电图(EEG)或最大耗氧率(V02)中的至少一个。
43.根据权利要求36至42中任一项所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述预设血氧合指数还至少定义低氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级，以响应于所述评估而输出表示低氧的所述较高健康风险评级的信号。
44.根据权利要求36至43中任一项所述的非暂时性计算机可读介质，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述指令还包括用于响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出的指令。
45.一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统，所述系统包括：
光学光谱探针，其可固定到该用户的皮肤用于随时间获取表示指定的血液相关的生色团水平的血氧合数据；和
数字数据处理器，其操作性地连接到所述光学光谱探针，并且被编程为：
监测所述指定的血液相关的生色团水平的相对变化；
对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和
响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
46.根据权利要求45所述的系统，其中所述指定的血液相关的生色团水平包括脱氧血红蛋白水平。
47.根据权利要求44所述的系统，其中所述指定的血液相关的生色团水平包括脱氧血红蛋白水平和氧合血红蛋白水平。
48.根据权利要求47所述的系统，用于监测参加需要使用供氧装置的活动的用户，其中所述供氧装置包括循环呼吸器，并且其中所述数字数据处理器还被编程为发出用于响应于所述较高健康风险评级而自动调整循环呼吸器输出的指令。
49.一种用于监测用户的异常血氧合水平的系统，所述系统包括：
光学光谱探针，其可固定到该用户的皮肤用于随时间获取表示氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的血氧合数据；
数字用户接口，其可操作以向该用户显示健康风险指示器；和
数字数据处理器，其操作性地连接到所述光学光谱探针和用户接口，并且被编程为：
监测所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的变化；
从监测的所述氧合血红蛋白水平和脱氧血红蛋白水平的所述变化提取溶解氧浓度；
输出表示所述溶解氧浓度的信号。
50.根据权利要求49所述的系统，其中所述信号包括输出与所述溶解氧浓度相关的健康风险指示器。
51.根据权利要求49或权利要求50所述的系统，其中所述数字数据处理器还可操作以：
对照与基准血氧合曲线图对应的预设变化自动评估所述相对变化，其中所述曲线图与预设血氧合指数数字地相关联，所述预设血氧合指数至少定义高氧的较低健康风险评级和较高健康风险评级；和
响应于所述评估而输出表示高氧的所述较高健康风险评级的信号。
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