CN115697198A - 基于波导的脉搏血氧传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有通信接口的患者监测传感器，该患者监测传感器能够通过该通信接口与监测器通信。该患者监测传感器包括：基于波导的光发射器和检测器中的一个或两个，该基于波导的光发射器和该检测器通信地耦合到该通信接口，该检测器能够检测光。

Description

基于波导的脉搏血氧传感器
技术领域
本公开总体上涉及医疗设备，更具体地，涉及监测患者生理参数的医疗设备，比如脉搏血氧仪。
背景技术
在医学领域，医生通常期望监测其患者的某些生理特征。因此，研发了各种各样的设备用于监测许多此类生理特征。此类设备为医生和其他医疗护理人员提供了其所需的信息以便为其患者提供尽可能最佳的医疗护理。因此，此类监测设备已经成为现代医学不可或缺的一部分。
一种用于监测患者的某些生理特征的技术使用光的衰减来确定患者的生理特征。该技术用于脉搏血氧测定，以及基于脉搏血氧测定技术构建的设备。光衰减也用于区域性或脑部血氧测定。血氧测定可以用于测量各种血液特征，比如血液或组织中血红蛋白的氧饱和度、供给组织的单次血液脉动的体积、和/或与患者每次心跳相对应的血液脉动速率。这些信号可以导致进一步的生理测量，比如呼吸速率、葡萄糖水平或血压。
此类传感器的一个问题与通常在此类应用中使用的发光二极管相关，包括增加传感器的体积、复杂性和发热。进一步地，基于标准局部LED源(例如，双波长RED/IR LED)和检测器的此类传感器对位置非常敏感，并且仅测量局部组织饱和度。
在本领域中需要的是克服传统传感器的局限性的鲁棒的医疗传感器。
发明内容
本公开的技术总体上涉及监测患者生理参数的医疗设备，比如脉搏血氧仪。
在一个方面，本公开提供了一种具有通信接口的患者监测传感器，该患者监测传感器能够通过该通信接口与监测器通信。患者监测传感器还包括基于波导的光发射器和检测器，该基于波导的光发射器通信地耦合到通信接口，该检测器通信地耦合到通信接口并且能够检测光。在示例性实施例中，基于波导的光发射器包括耦合到波导的光源。在进一步的示例性实施例中，检测器包括信号拾取波导。在进一步的示例性实施例中，波导和光学部件构建在软垫上。
在另一方面，本公开提供了一种患者监测系统，该患者监测系统具有耦合到患者监测传感器的患者监测器。患者监测传感器包括通信接口，该患者监测传感器能够通过该通信接口与患者监测器通信。患者监测传感器还包括基于波导的光发射器和检测器，该基于波导的光发射器通信地耦合到通信接口，该检测器通信地耦合到通信接口并且能够检测光。在示例性实施例中，基于波导的光发射器包括耦合到波导的光源。在进一步的示例性实施例中，检测器包括信号拾取波导。在进一步的示例性实施例中，波导和光学部件构建在软垫上。
以下附图和描述阐述了本公开的一个或多个方面的细节。从描述和附图以及权利要求中，本公开中所描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1展示了根据实施例的包括患者监测器和患者监测传感器的示例性患者监测系统的立体图；以及
图2展示了根据实施例的示例性患者监测传感器的立体图。
具体实施方式
传统的脉搏血氧仪传感器设计利用通常在此类应用中使用的发光二极管，包括增加传感器的体积、复杂性和发热。进一步地，基于标准局部发光二极管(LED)源(例如，双波长RED/IR LED)和检测器的此类传感器对位置非常敏感，并且仅测量局部组织饱和度。
因此，本公开描述了一种患者监测传感器，该患者监测传感器包括基于波导的光发射器和检测器，该基于波导的光发射器通信地耦合到通信接口，该检测器通信地耦合到通信接口并且能够检测光。在示例性实施例中，基于波导的光发射器包括耦合到波导的光源。在进一步的示例性实施例中，检测器包括信号拾取波导。
在进一步的示例性方面，用于源和检测器的示例性波导包括被配置为利用全内反射效应的软波导，其中进入组织的光(例如，IR/RED)分布在更大的表面上，并且仅在波导材料与皮肤之间的接触的位置以超临界角穿透组织，而在其他位置会反射到内部。以此方式，源将光注入和拾取分布在整个皮肤表面上(例如，手指上)，以便对组织内部的更大体积进行采样(体积测量)以实现与传统脉搏血氧仪中的局部组织饱和度测量相比更稳定的测量。
附加地，在示例性实施例中，信号拾取波导包括具有匹配或类似折射率的波导。波导材料的示例性实施例包括红外(IR)透明硅酮等。因此，示例性实施例提供了可以从所有方向拾取、递送和整合信号的波导。
在进一步的示例性实施例中，光源包括具有窄张角的LED。在示例性实施例中，张角在大约10度至15度之间，但是也可以设想其他张角。在进一步的示例性实施例中，张角在大约5度至20度之间。
在进一步的示例性实施例中，LED包括偏振的或高度偏振的LED；并且检测器包括检测器上的偏振膜(滤光器)。在示例性实施例中，对分流信号进行过滤(来自深层组织的信号将是非偏振的)。在此类示例性实施例中，分流的非散射信号将保留相对较高的偏振度，并且将被过滤掉。
在进一步的示例性实施例中，合适的LED包括垂直腔面发射激光器(VSCEL)二极管，其可以具有窄张角和高偏振。
在进一步的示例性实施例中，波导和光学部件构建在软垫上。
现在参考图1，示出了患者监测系统10的实施例，该患者监测系统包括患者监测器12和传感器14(比如脉搏血氧传感器)，以监测患者的生理参数。举例而言，传感器14可以是可从美敦力(Medtronic)(博尔德(Boulder)，科罗拉多州)获得的NELLCORTM或INVOSTM传感器，或者另一种类型的血氧传感器。尽管所描绘的实施例涉及用于在患者的指尖、脚趾或耳垂上使用的传感器，但是应当理解，在某些实施例中，本文提供的传感器14的特征可以被结合到用于在其他组织位置(比如，额头和/或太阳穴、脚跟、腹部、胸部、背部或任何其他适当的测量部位)上使用的传感器中。
在图1的实施例中，传感器14是脉搏血氧传感器，该脉搏血氧传感器包括一个或多个发射器16和一个或多个检测器18。对于脉搏血氧测定应用，发射器16将至少两种波长的光(例如，红光和/或红外光(IR))发射到患者的组织中。对于其他应用，发射器16可以将3种、4种或5种或更多种波长的光发射到患者的组织中。检测器18包括光电检测器，该光电检测器被选择为在光已经穿过组织之后接收从发射器16发射的波长范围内的光。附加地，发射器16和检测器18可以在各种模式(例如，反射或透射)下操作。在示例性实施例中，发射器和检测器中的一个或两个包括患者侧波导，光源和光电检测器从患者侧移开波导的一定长度。
图2展示了总体上以100表示的合适波导的立体图，该波导可以耦合到光源或检测器。波导包括波导本体102；圆形端头104，该圆形端头被配置为可舒适地直接或通过绷带的至少一部分与患者的皮肤接触；光波导核心106；以及一个或多个安装肋条108，以便于在绷带内相对于患者皮肤(绷带的患者侧)的正确放置和取向。
再次参考图1，在某些实施例中，除了或代替发射器16和检测器18，传感器14还包括感测部件。例如，在一个实施例中，传感器14可以包括一个或多个主动供电的电极(例如，四个电极)，以获得脑电图信号。
传感器14还包括传感器本体46，以容纳或承载传感器14的部件。本体46包括围绕发射器16和检测器18提供的背衬或衬垫、绷带或垫，以及患者侧的粘合剂层(图1中未示出)。传感器14可以是可重复使用的(比如，耐用的塑料夹子传感器)、一次性的(比如，包括绷带/衬垫的粘合剂传感器)、或者部分可重复使用和部分一次性的。
在所示的实施例中，传感器14通信地耦合到患者监测器12。在某些实施例中，传感器14可以包括无线模块，该无线模块被配置为使用任何合适的无线标准与患者监测器12建立无线通信15。例如，传感器14可以包括收发器，该收发器能够将无线信号发射到外部设备(例如，患者监测器12、充电设备等)并从该外部设备接收无线信号。收发器可以使用任何合适的协议与患者监测器12的收发器建立无线通信15。例如，收发器可以被配置为使用ZigBee标准、802.15.4x标准WirelessHART标准、蓝牙标准、IEEE 802.11x标准或MiWi标准中的一种或多种来发射信号。附加地，收发器可以发射原始的数字化检测器信号、经处理的数字化检测器信号和/或计算出的生理参数、以及可以存储在传感器中的任何数据，比如与发射器16的波长有关的数据、或与发射器16的输入规格有关的数据，如下所述。附加地或可替代地，传感器14的发射器16和检测器18可以经由缆线24通过插头26(例如，具有一个或多个导体的连接器)耦合到患者监测器12，该插头耦合到监测器的传感器端口29。在某些实施例中，传感器14被配置为在无线模式和有线模式下操作。因此，在某些实施例中，缆线24可移除地附接到传感器14，使得传感器14可以与缆线分离，以增加患者在佩戴传感器14时的运动范围。
患者监测器12被配置为计算与从传感器14接收的生理信号有关的患者生理参数。例如，患者监测器12可以包括处理器，该处理器被配置为计算患者的动脉血氧饱和度、组织氧饱和度、脉搏速率、呼吸速率、血压、血压特征测量、自动调节状态、大脑活动和/或任何其他合适的生理特征。附加地，患者监测器12可以包括监测器显示器30，该监测器显示器被配置为显示关于生理参数的信息、关于系统的信息(例如，用于对传感器14进行消毒和/或充电的指令)和/或警报指示。患者监测器12可以包括各种输入部件32，比如，旋钮、开关、按键和小键盘、按钮等，以提供患者监测器12的操作和配置。患者监测器12还可以经由一个或多个指示灯和/或一个或多个扬声器或听觉指示器显示与警报、监测器设置和/或信号质量有关的信息。患者监测器12还可以包括升级槽28，在该升级槽中可以插入附加模块，使得患者监测器12可以测量和显示附加的生理参数。
因为传感器14可以被配置为在无线模式下操作，并且在某些实施例中，当在无线模式下操作时，该传感器不能从患者监测器12接收电力，所以传感器14可以包括电池，以向传感器14的部件(例如，发射器16和检测器18)提供电力。在某些实施例中，电池可以是可再充电电池，比如，锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属氢化物电池或镍镉电池。然而，可以利用任何合适的电源，比如，一个或多个电容器和/或能量收集电源(例如，运动生成的能量收集设备、热电生成的能量收集设备或类似设备)。
如上所述，在实施例中，患者监测器12是脉搏血氧监测器，并且传感器14是脉搏血氧传感器。传感器14可以放置在患者身上具有脉动动脉流的部位，通常放置在指尖、脚趾、额头或耳垂上，或者在新生儿的情况下，放置在脚上。附加的合适的传感器位置包括但不限于：用于监测颈动脉脉动流的颈部、用于监测桡动脉脉动流的手腕、用于监测股动脉脉动流的患者大腿内侧、用于监测胫动脉脉动流的脚踝、以及耳朵周围或前方。患者监测系统10可以包括多个位置处的传感器14。发射器16发射穿过血液灌注组织的光，并且检测器18以光电方式感测由组织反射或透射的光量。患者监测系统10测量在检测器18处接收到的作为时间的函数的光强度。
表示光强度随时间的变化的信号或该信号的数学运算(例如，其缩放版本、其取值的对数、其取值的对数的缩放版本等)可以被称为光电容积描记(PPG)信号。另外，本文使用的术语“PPG信号”也可以指吸收信号(即，表示由组织吸收的光量)或其任何合适的数学运算。检测或吸收的光量然后可以用于计算多个生理参数中的任何一个，包括氧饱和度(脉动血液中的氧饱和度，SpO2)、血液成分(例如，氧合血红蛋白)的量、以及生理速率(例如，脉搏速率或呼吸速率)和每次单独的脉动或呼吸发生的时间。对于SpO2，可以使用红光和红外光(IR)波长，因为已经观察到，与氧饱和度较低的血液相比，含氧量高的血液将吸收相对较少的红光和较多的IR光。通过比较脉搏周期中不同点处的两个波长的强度，可以估计动脉血液中血红蛋白的血氧饱和度，比如从可以通过比值、查找表来索引的经验数据中估计，和/或通过曲线拟合和/或其他插值技术来估计。
下面将描述本技术的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的发展中，必须做出许多特定于实施方式的决策，这些决策可能因实施方式而改变。
应当理解的是，本文所公开的各个方面可以以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合方式进行组合。还应理解的是，根据示例，本文描述的任何过程或方法的某些动作或事件可以以不同的顺序执行，可以增加、合并或完全不执行(例如，所有描述的动作或事件可能不是执行技术所必需的)。此外，虽然为了清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可以由与例如医疗设备相关联的单元或模块的组合执行。

Claims (20)

1.一种患者监测传感器，包括
通信接口，所述患者监测传感器能够通过所述通信接口与监测器通信；
通信地耦合到所述通信接口的发光源，所述发光源包括被配置为引导光穿过其中的患者侧波导；以及
通信地耦合到所述通信接口的检测器，所述检测器能够检测光。
2.如权利要求1所述的患者监测传感器，其中，所述检测器包括被配置为收集光的患者侧波导。
3.如权利要求1所述的患者监测传感器，其中，所述发光源包括具有大约10度至15度之间的窄张角的发光二极管(LED)。
4.如权利要求3所述的患者监测传感器，其中，所述发光源包括发射偏振光的LED。
5.如权利要求4所述的患者监测传感器，其中，所述发光源包括垂直腔面发射激光器(VSCEL)二极管。
6.如权利要求4所述的患者监测传感器，其中，所述检测器包括被配置为收集光的患者侧波导，并且其中，所述检测器被配置有偏振滤光器，该偏振滤光器被配置为对分流信号进行过滤。
7.如权利要求6所述的患者监测传感器，其中，所述检测器被配置为从所述发光源波导收集从患者组织提供的所述分流的非散射信号。
8.如权利要求1所述的患者监测传感器，其中，包括在所述源和所述检测器中的一个或两个内的至少一个波导包括波导本体、光学核心和圆形患者侧端头。
9.如权利要求8所述的患者监测传感器，其中，所述至少一个波导包括一个或多个安装表面，所述一个或多个安装表面被配置为将所述波导固定在绷带或垫中，所述绷带或垫提供从所述绷带或垫的所述患者侧递送光或检测光的患者侧取向。
10.如权利要求1所述的患者监测传感器，其中，所述传感器被配置为使得所述源将光注入分布到皮肤表面，并且使得所述检测器从所述皮肤表面拾取光，以对皮肤组织内部的体积进行采样作为体积测量。
11.一种用于制造患者监测系统的方法，所述方法包括：
提供通信接口，患者监测传感器能够通过所述通信接口与监测器通信；
将发光源通信地耦合到所述通信接口，所述发光源包括被配置为引导光穿过其中的患者侧波导；以及
将能够检测光的检测器通信地耦合到所述通信接口。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述检测器包括被配置为收集光的患者侧波导。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述发光源包括具有大约10度至15度之间的窄张角的发光二极管(LED)。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述发光源包括发射偏振光的LED。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述发光源包括垂直腔面发射激光器(VSCEL)二极管。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述检测器包括被配置为收集光的患者侧波导，并且其中，所述检测器被配置有偏振滤光器，该偏振滤光器被配置为对分流信号进行过滤。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括经由所述检测器从所述发光源波导收集从患者组织提供的所述分流的非散射信号。
18.如权利要求11所述的方法，其中，包括在所述源和所述检测器中的一个或两个内的至少一个波导包括波导本体、光学核心和圆形患者侧端头。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括经由一个或多个安装表面安装所述至少一个波导，所述一个或多个安装表面被配置为将所述波导固定在绷带或垫中，所述绷带或垫提供从所述绷带或垫的所述患者侧递送光或检测光的患者侧取向。
20.如权利要求11所述的方法，进一步包括经由所述源波导将光注入分布到皮肤表面，并且使得所述检测器从所述皮肤表面拾取光，以对皮肤组织内部的体积进行采样作为体积测量。
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