CN1187112A - 用于光学血氧计的传感器方法和仪表 - Google Patents

Abstract

描述一种用于光学血液氧测量的新传感器和一种在其中使用新传感器的方法和仪表。新传感器包括两个彼此紧靠着的置于仪表中央的点状光发射器,和同轴地围绕光发射器的至少一个,最好两个环形检测终端。光源可以例如是两个激光二极管,每一个都发射670—940nm范围内的单色光。检测装置例如是光电二极管。

Description

用于光学血氧计的传感器方法和仪表

本发明涉及用于非侵害光学血氧计，例如对血液灌注组织有效的血液脉动血氧计的新颖传感器；光学血氧计的方法；和适合进行该方法的仪表。

在现有技术中，有一种使用众所周知的光学脉动血氧测量技术的测量血氧饱和度的方法。在NELLCOR LTD主办的“胎儿氧生理学”小册子中，在美国专利US 4,167,331和US4,938,218中，都载有这种技术，还可参考其他文献。根据这个方法，照射血液灌注组织，并用适当的光传感器确定该组织吸收的光。然后，由血液心血管效能引起的吸收值上的脉动变化被用来确定关心的特征，即血氧饱和度。

用下列已知方程确定动脉血中氧饱和值(SaO₂)： $\mathrm{Sa}{O}_2=\frac{\[\mathrm{Hb}{O}_2\]}{\[\mathrm{Hb}{O}_2\]+\[\mathrm{Hb}\]}100\%----\left(1\right)$ 在此，〔HbO₂〕是一个单位血液体积中富氧血红蛋白的浓度，而〔Hb〕是缺氧血红蛋白的浓度。

在常用脉动血氧计方法中，用至少具有两个不同波长成分的光照射所研究的组织，并且根据下述两个物理现象进行测量：

(a)在两个波长中每一个波长下，富氧血红蛋白的光吸收皆不同于缺氧血红蛋白的光吸收；

(b)在每个波长下的血液灌注组织的光吸收皆有一个脉动成分，它是由流过光源与传感器之间组织的动脉血的数量波动产生的。

因此，假定位于光源与传感器之间的组织层的脉冲吸收成分，可表示动脉血的氧饱和度。

用于在光学脉动血氧计操作上实现测量的各种类型的传感器是技术上熟知的，在熟知的光学传感器中，那些专用于测量胎儿动脉血氧饱和度的传感器构成上述仪表中的一个特殊类。

现有技术基本上公开两种光学传感器，它们涉及和用于两种模式的光学血氧计：使用所谓透射传感器的透射脉动血氧计，和使用所谓反射或超反射(transflectance)传感器的反射脉动血氧计。在透射脉动血氧计中，通过在所检查组织的两个相对侧安放一个光发射器和一个检测用透射传感器，对穿过象手指、耳朵或类似组织之类的血液灌注组织的光进行测量，例如如美国专利US 4,389,213所述。另一方面，在反射血氧计中，能够使用反射或超反射传感器，它包括相应地放在所检查组织一侧或相同侧的光发射器和光检测器，例如，如在专利US 5,228,440，5,247,932，5,099,842中和在WO 90/01293中所示。例如在美国专利US5,247,932中和在由NELLCOR主编的“胎儿氧饱和度监测”小册子中，也能找到两种传感器的参考资料。

透射和反射工作模式都在可用性上有专门的限制，并且其准确性一般说来是不满意的，尤其在专门应用中更不满意。这样，例如透射技术只能成功地用于下述情况：所研究的组织形成一个明显突出部分，才有可在相对的表面上放置一个光发射器和一个光传感器。

因此很明显，尤其在胎儿血氧计方面，人们多求助于反射技术。然而不巧，同透射技术的准确度相比，反射技术的准确度相当低，因为在组织中所发射光的漫射程度是未知的，这意味着在由传感器接收的光信号与血氧饱和度之间的函数依赖关系的性质也是未知的。已知反射技术的其他缺点是：在光源与传感器之间的组织的表面上，所发射的光被部分地分流，并且由组织的表层建立一个镜面反射。

美国专利No.5,009,842描述一种传感器。它带有用于克服在光源与检测器之间的组织外表层上发射光被分流的问题的装置。英国专利申请号2,269,012提议，对皮肤或毛发之类的血液灌注组织的表层反射的光产生的光信号进行选择或分离，主要是对在所检查组织的接触表面上的发射与检测光纤位置之间的特定距离进行选择。

胎儿血氧计通常包括一些敷贴器，敷贴器通常包括一块板，该板带有至少一个基本上点状的光源和至少一个基本上点状的和光源适当隔开的光检测器。上述敷贴器有一个缺点：如果把敷贴器贴到皮肤的一个非均匀部分，例如一个毛发段或一个胎痣，则检测器接收的光信号会畸变。甚至在例如美国专利US5,099,842中所描述的那种较大型的血氧计中，光源和检测器也依旧是点状的，从而实际上操作员还会不可避免地把它贴到胎儿皮肤的错误部位上。

回顾构成透射和反射血氧计理论基础的基本假设是重要的，这假设是：由不同光源的不同波长光线射入组织的光路是基本上相等的。然而，在真正的事实上，上述光路的长度取决于光散射系数，而它又是波长的函数。因此，当为血氧测量而选择光传感器的波长，并且与此有关的光散射系数明显地彼此不同时，则光路基本相等的基本假设是混乱的。

假如使用两个或多个点状光源，则由于下述事实而可能出现问题：皮肤表面、血管和生物机体的其他部分不是均匀地构成和分布的。因此，如果把一个以给定波长发射的点状光源贴到不均匀皮肤的任一位置，同时把以其他波长发射的其他光源贴到一个在局部解剖上接近而光学上不同的位置，则由于从一开始就在两个不同的波长下发生不同的光散射和吸收，使两个光源所发射光的光路不能相等。检测器所获得的光学能量的总数量能够接近于由到达检测器的传播光线所携带的能量部分的数量总和。由于这些光线的光路都与波长相关，且各部分的这种能量都通过不同的光路而传播到检测器，有不同波长的光成分的总衰减就能互相明显不同，从而在氧血饱和度的评价中会发生随机误差。

已知的血氧计传感器的另一缺点是：它们用LED作照射组织的光源，这光具有两个波长成分。LED光源或者本身装在探头内，例如在专利US4,938,218中所示；或者通过光纤连接于探头，例如在专利US5,099,842，GB-A-2,269,012，WO91/18549和WO90/01293中所示。举例来说，上述光源可以提供适用于血氧计的一对波长700nm和800nm。然而，虽然众所周知，两个波长越彼此靠近，则血氧测量准确度越高，但在血氧计LED所需波长范围内还不能够提供比100nm更加彼此靠近的两个波长。

对照上述背景，本发明之一个目的在于提供一种没有已知技术缺点的，用于光学血氧计的新颖传感器。

本发明之一个进一步目的在于提供一种光学血氧计的新颖方法。

本发明之又一目的在于提供一种体现新颖传感器及其使用方法的，实现光学血氧计的仪表。

本发明的这些目的可通过保证下述事项而基本上实现：由至少两个不同光发射器发射的具有不同波长的光成分的光路总是大体上彼此相等，而与皮肤的性质和下面组织的性质无关，也与生理状态的改变无关。

根据本发明的一个方面，提供一种用于非侵害性光学血氧计的传感器，它包括一个带有敷贴块的载体；敷贴块具有一个在操作中面对所研究受试验者的血液灌注体组织的接触面，敷贴块至少装有两个点状光发射器；发射器彼此紧靠着定位，每个发射器都以不同于另一个的波长的波长来发射光；并且至少一个基本上环形的第一光检测器终端同轴地位于所述至少两个光发射器周围，耦合于光检测仪表，且具有一个自由的光获取端，用于获取从所述身体组织到达的光。

业已发现。即使根据本发明的传感器被放到皮肤上而不细调，也会使至少一部分环形检测器接触皮肤而不遇到任何有干扰的不透明障碍物，从而检测终端会获取穿过组织以后的发射光信号。换句话说，根据本发明的传感器的信号噪声比由于检测终端的新颖结构和传感器的几何形状而得以明显改善。

应当指出，由于在根据本发明的传感器中的第一检测器具有基本上为环形的，即轴对称的结构，所以组织结构中任何局部干扰在现有技术情况下，点状检测器会产生光路明显偏离，而在本发明情况下就不会影响给定波长的光的固有平均光路。换句话说，检测器的环形和传感器的几何形状可保证各个给定波长的光路的稳定性。

在本发明的一个优选实施例中，敷贴块具有一个大体环形的第二光检测终端，它与所述的第一光检测终端隔开且同心。在传感器具有上述结构时，就有可能实现一种评价血氧饱和度的改进的新方法，如下面进一步描述。

所述的光发射器中每一个发射器都可以是置于敷贴块内的一个光源；换句话说，光发射终端具有一个自由的光发射端，并且通过另一端而耦合于光源。一般说来，光发射终端都具有光纤束的形式。

光检测终端最好由多根光纤组成，每根光纤都具有一个自由的光获取端，并且通过另一端而耦合于光检测仪表。

认为光发射终端的光发射端部应当是点状装置，每个端部都有小的面积。一般说来，两个终端是互相补充的，以共同形成一个直径为1mm量级的圆板。

举例来说，根据本发明的传感器的光检测器包括多个光电二极管。根据本发明的传感器中的光源的实例有激光二极管，它们能够以很接近的波长产生至少两个不同的高效单色光辐射，其波长范围是从670至940nm，最好是750至800nm，互相间差别比如说为10-20nm。这样，在一个优选实施例中，一个第一激光二极管以750-760nm波长发射光，且一个第二激光二极管以780-800nm波长发射光。在普通光源中，例如在常规血氧仪表中使用的LED中，不能利用上述特征。激光二极管还有一个优点：使细胞组织能够在固有辐射范围内对任何波长的单色光进行更多的线性吸收。

鉴于上述情况，根据本发明把激光二极管用于光学传感器，能够实现血氧计的基本要求，即，在不同的辐射波长下光路相等。

最好是，根据本发明的传感器的载体是不透明的。

在一个实施例中，根据本发明的传感器的载体中的所述敷贴块包括一个轴向的通孔，它垂直于所述的接触面，并且容纳所述的光发射终端；和至少一个大体上环形的空间，它同轴地置于所述孔的周围，并且容纳各个光检测终端。

在根据上述实施例的传感器的一个特殊设计中，每个光检测终端都被放在所述敷贴块的所述大体上环形空间内，使它的自由光获取端沉入容纳环形空间内，并从所述接触表面移出，从而使所述环形空间的自由部分构成一个抑制镜面反射的平行光管。对用来从接触表面移出自由端的距离进行选择，以便只获取那种从血液灌注组织的较深层到达的并且大体平行地引向敷贴块轴的光，而从轴明显地发散的来自组织表层的镜面反射则被抑制。

业已发现，增加点状光发射终端与检测终端之间的距离，不但有助于克服分路效应，而且有助于改进传感器的灵敏度。然而另一方面，随着光发射器终端与检测器终端之间距离的增加，所检测信号的强度会下降，这就使发射器终端与检测器终端之间的距离有一个实际的限制。从临床医生的需要来看，还有一个把传感器尺寸减至最小的附加限制，尤其在新生儿和胎儿监测应用中更是如此。

在本发明的一个优选实施例中，每个光检测终端都包括一些具有斜切光获取端的光纤。用这种方法可改进传感器的灵敏度，从而能够觉察从所研究的组织的更深层和更远层反射的工作光信号。

根据上述的实施例，最好是，至少一个容纳所述第一和第二环形检测终端的环形空间，用其张开的侧壁向接触表面倾斜，使组成光纤的检测终端的所述斜切光获取端与接触表面齐平，并且平行于接触表面。

从现有技术可知，带有斜切光获取端的光纤通常会拒收那些到达接近较短侧壁的端部的光线，而获取那些到达较接近较长侧壁的端部的光线。然而，在现有技术中没有说明，上述光纤已经用于光学血氧计的传感器。

在上述传感器中，光纤的几何形状能够增加组织的面积，在此面积下，光检测终端还可获取工作光学信号。只要按照本发明便那些构成一个环形光检测终端的光纤具有斜切的光获取端，该终端就能够从组织的一个环形检测区获取工作信号，该区具有的内径大于检测终端环的内径。

由于其结构特殊，此前描述的光检测终端就拒收那些呈现于光发射器终端与光检测器终端之间的倾斜光线，而同时加强获取那些来自较深组织血液灌注层的光线。因此，上述的传感器具有改进的灵敏度，而不需要增加光发射器终端与光检测器终端之间的距离，从而也不需要增加传感体的所述受限制的尺寸。

在上述传感器的一个优选实施例中，检测器构成光纤中每个光纤都具有一个斜切的光获取端，光获取端向着一个垂直于纵向纤维轴的平面按照某一锐角倾斜。在塑料光纤情况下，这个锐角不超过约42°，最好在约20°-22°范围之内。

传感器的载体可以是任何适宜的形状，例如圆柱体形状，并可固定于所述敷贴块的一端，使敷贴块的接触表面形成载体的一个端面。

如上所述，在透射脉动血氧计中，所发射的光通过所研究的血液灌注组织的诸相对表面之间；而在反射脉动血氧计中，则在组织的同一表面进行光的发射和检测。在透射和反射方法中，都用血液灌注组织引起的光吸收值的脉动变化，确定关心的特征，一般根据在所发射光的强度与由单独检测器检测的光的强度之间的关系确定这种脉动变化。

按照本发明，已想出一种新颖的方法，用于根据在由至少一对检测器终端获取的光的强度之间的测量关系，确定脉动变化；该检测终端到光发射终端的距离是不同的。在这种方法中，最靠近发射器终端的检测器终端，相对于第二个较大距离的检测器终端来说，可以被看成是一个准光发射器终端。

这个方法以下述物理模型为基础。一个光子在样品中移动某一段距离以后是随机散射的。这个过程被重复下去，直至该光子离开样品边界为止。把在初始方向上移动的光子看成是“被透射”的光子；而把在相反方向上移动的光子看成是“被反射”的光子。在30至40个步骤以后，入射辐射方向的“记忆”丧失，且不存在优先的传播方向，光的强度在所有方向上各向同性地下降。这种光传播行为的解释使众所周知的Lambert-Beer定律能够用于反射血氧计；该定律可用于透射血氧计，但径向除外。

在上述新颖方法和新颖传感器实施例方面，其中光检测器终端被安排在两个围绕光发射器终端的同轴环内，检测器终端在其间确定一个由发射器所发射光准透射地照射的组织的管状段。因此，根据本发明的上述传感器可以被描述成一个模拟透射传感器的反射传感器。

应当指出，在根据本发明的具有两个同轴检测器终端的传感器中，由两个真实发射器终端提供的照射的光路是同样地受到环形检测区中任何一种光学干扰的影响的，而与发射光的波长无关，也与发射器终端离开第一环形检测器终端的距离无关。因此，对皮肤上传感器的任何位置，和对基础组织中生理条件的变化情况，都会自动地实现光轨迹的基本相等。

因此，按照本发明的另一方面，提供一种在血液灌注组织中进行非侵害光学血氧测量的方法，该方法包括：

给光学传感器提供一个敷贴块，这个敷贴块拥有至少两个彼此紧靠着的光发射器和至少两个同轴地围绕所述至少两个光发射器的光检测器终端，和拥有一个接触表面；

在要研究其基础组织的受研究者的一个皮肤段上安置所述的敷贴块，其接触表面面向皮肤；

从所述的发射器顺序地发射至少两个不同波长的光；

通过所述的至少两个光检测器终端用积分获取法，检测从所研究的组织到达的光信号的强度；

在所述的至少两个不同波长中的每一个波长情况下，确定在由所述至少两个环形光检测器终端检测的光强度之间的比率；和

根据上述比率，确定血氧饱和值。

在用于实现上述方法的敷贴块中，所述光发射器中的每一个都可以是一个置于敷贴块中的光源，换句话说，光发射器终端具有一个自由的光发射端，并且通过另一端耦合于光源。一般说来，光发射器终端都是光纤束形式的。

上述的方法可用于确定动脉血中氧饱和度。在这种应用中，假设在每个波长下的光吸收率的脉动成分是由在第一光检测器与第二光检测器之间的组织段中动脉血的体积波动引起的，从而这个脉动吸收率成分可指示氧饱和度。

在上述方法的实施中，以两个时间点完成两组测量，第一点是脉动动脉血压成分的零(最小)点，而第二点是其顶(最大)点。若假设由两个不同波长的光照射组成，并且传感器只有两个检测终端，则两组测量中每组测量都包括下列两个步骤：

步骤1-用第一波长的光照射组织，而断开第二波长的光，并且用第一和第二检测器同时记录光信号；

步骤2-用第二波长的光照射组织，而断开第一波长的光，并且用第一和第二检测器同时记录光信号。

依照这些测量的程序包括：

确定用于所述两个点中每个点的两个强度比率，第一强度比率是在以第一波长由第一与第二光检测器记录的光信号强度之间的比率，而第二强度比率是在以第二波长由第一与第二光检测器记录的光信号强度之间的比率；

计算用于所述第一与第二波长中每个波长的光信号的第一与第二脉动成分AC1与AC2，每个脉动成分都是用于各个波长的在顶点与零点计算的强度比率之间的差值；

计算用于所述第一与第二波长中每个波长的光信号的第一与第二恒定成分DC1与DC2，每个恒定成分都是用于两个波长的在零点与顶点计算的两个强度比率的平均值；和

按照下列方程计算动脉血液的氧饱和度SaO₂： $\mathrm{Sa}{O}_2=K1\frac{\mathrm{AC}1\×\mathrm{DC}2}{\mathrm{DC}1\×\mathrm{AC}2}+K2---\left(2\right)$ 其中K1和K2是校准常数。

本专业的技术人员在互相比较此中方程(1)与(2)时，容易看成本发明与现有技术的不同。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于非侵害光学血液测量的仪表，该仪表包括：

一个传感器，它具有一个载体，载体带有一个敷贴块，敷贴块具有一个接触表面，接触表面在操作时面向所研究受研究者的血液灌注体组织，敷贴块装有至少两个互相紧靠着安装的点状光发射体，且每个发射体发射其波长不同于另一个的光；和具有至少两个基本环形的光检测终端，这些终端同轴地围绕所述的至少两个光发射终端，它们都具有一个自由的光获取端，用于获取从所研究组织到达的光；

至少两个光源，它们耦合于所述的光发射终端，并且能够以至少两个不同的波长发射光；

至少两个光检测器，它们耦合于至少两个基本上环形的检测终端；

控制装置，适合使至少两个光源通过所述发射终端相继地照射所述的组织，并使通过至少两个检测终端由至少两个检测器获取的光强度得到同步的测量；和

处理装置，用于根据所述同步测量的结果确定所关心的特征。

根据一个实施例，所述的光发射器是装于敷贴块内的光源。

根据另一个实施例，光发射器由多个光导纤维组成，其中，每个纤维都具有一个自由的光获取端，并且通过其另一端而耦合于一个光检测仪表。

为了更好地了解本发明，下面参照附图，只用一些非限制性实例进一步描述和说明，在附图中：

图1是根据本发明的传感器的载体中敷贴块的一个实施例的放大示意平面图；

图2是敷贴块的另一个实施例的放大示意平面图；

图3是取自图2III-III线的截面图；

图4根据本发明的传感器中带有敷贴块的载体的又一实施例的放大轴向截面图；

图5根据本发明解释在传感器的光检测终端中光纤的一个实施例的光获取端的光学特征；

图6是关于光纤的光获取端的另一实施例的类似图；和

图7是根据本发明的血氧计的方块图。

图1根据本发明示出传感器中载体的敷贴块的接触表面。如图所示，敷贴块1假设由象金属之类的不透明材料制作，它具有一个接触表面2和一个中央孔3，孔3装有两束光纤4和5，用作光发射终端。束4和5中每一束都耦合于一个激光二极管(未示出)，从而都能够以两个不同的波长发射光。在敷贴块1内提供一个基本上环形的空间6，它由一些带有断续支撑8的弓形段7构成；它同轴地围绕中央孔3，其中装有多个共同形成一个环形光检测终端的光纤9。在传感器的载体内，假设诸光纤皆以某一方式共同成束(未表示)，且皆耦合于一个检测仪表，例如一个光电二极管(也未表示)。

敷贴块1的支撑8使其中央段10与周围段11互相连接。

光检测器构成光纤9的诸光获取端可以或者与接触表面2齐平，或者从该表面向内移动一段所要求的距离。

在操作中，两个光发射终端4和5把光发射到所研究的组织，并且检测器(未示出)把由光纤9光获取端所获取的光变换和调制成一种适合进一步处理的电信号。

图2和3根据本发明示意地说明光学传感器的载体中敷贴块的另一实施例。如图所示，敷贴块20具有一个接触表面21和一个中央孔22；在孔中装有两个光纤束23和24，它们构成两个光发射终端，并且连接于一对光源(未示出)。如图所示，光发射终端23和24的光发射端25和26在孔22内被移出，从而移出接触表面21。

敷贴块20还包括一个第一环形空间，它与孔22同轴，且由4个带有断续支撑件29的弓形体28构成，它们把敷贴块20的芯段30和中间段31彼此连接。第一环形空间放置多个共同构成一个光检测终端的光纤32，每个光纤都具有一个光获取端33。

一个第二环形空间35同轴地围绕第一环形空间27；它类似于后者，由4个带有断续支撑件37的弓形体组成，它们把中间块段31和周围段38连接起来。第二环形段35放置多个共同组成一个第二光检测终端的光纤39，每个光纤都具有一个光获取端40。如图3所示，光获取端40移出接触表面21。环形空间27的空闲段41和环形空间35的空闲段42用作从所检查组织返回的光的平行光管。

如图2中所示，两个光发射终端23和24中的每一个都是半圆形的；两个终端是互补的，并且共同形成一个比如说1mm直径的圆形板。第一和第二环形空间的直径可以分别为5和7mm。

两个光发射终端被连接到产生不同波长光的两个不同光源(未示出)；而两个光检测终端则由分别位于环形空间27和35的光纤32和39组成，它们被连接到光学检测仪表(未示出)。

在操作中，把传感器20贴到组织44上的皮肤段，通过光发射终端由两个光源(未示出)顺序地照射皮肤段；举例来说，光源可以是以约750和780nm两个波长发射光的激光二极管。光被组织吸收和部分反射；通过比较由光纤32构成的第一光检测终端所接收的积分光信号和由光纤39构成的第二光检测终端所接收的积分光信号，可以估计在组织44的环形段A中光吸收的脉动变化。这些积分信号的强度的比率表示在某一特定波长下的组织环形段A中的光衰弱程度的特征。然后，把为每个所用波长而得出的所述比率用于确定所期望的特征，例如组织44中血液的氧饱和度。

图4示意地说明一个经改进的传感器50的轴向截面图，传感器50包括一个具有敷贴块52(带有一个接触表面53)的不透明的常为柱形的块体51。敷贴块52具有一个中央轴向孔54，在孔54中安放一个进入水平段56的管55的下端段，并且安装一个用57标记的光纤束，光纤束57把至少两个光源(未示出)引导到光发射终端。

敷贴块52还包括与孔54同轴的第一和第二环形槽58和59，其相邻的块和体段以某一方式适当地互相连接(未示出)。槽58和59是倾斜的，在接触面53的方向上向外张开，使相邻的块段60和61具有如图所示的平截头圆锥体形状。槽58和59安放第一和第二光纤束63和64的自由光获取端，它们构成第一和第二检测终端，并且通过柱形体51的内空间而到达光电检测器65，该检测器是通过线67而电连接于电缆68的。束63和64的光纤的每个光获取端的末端都是斜切口，与纤维轴形成一个锐角，使每个纤维的光获取端或者与接触表面53齐平，或者与它平行。

在操作时，管56的外端部耦合于两个光源(未示出)。

图5示意地说明光纤70的观测范围，光纤70以其斜切面72面向组织的表面71。假设光纤70形成图4中光纤束63的部分。光纤70之特征在于：在切端面72与一个垂直于纤维轴的平面73之间形成一个锐角α。纤维70的实际观测范围介于左边光线74和右边光线75之间，可从锐角α和纤维光学参数算出来。本专业技术人员容易了解，主要从光线74的左边进入端面72的镜面反射和分路光，不会被检测器检测。另一方面，检测器会在一个限定于光线74与75之间的相当宽的范围内，在大体上垂直于表面71的方向上，检测从组织的反射深层到达的光。能够看出来，切端光纤70的观测范围是在其较长侧壁段的方向上漂移的。本发明者已发现，纤维70在锐角α不大于约42°时是适当的，而在从约20°至约22°的范围内时是最有效的。更详细地说，一个带有约20°至约22°的角度α的斜切口还可急剧增加观察距离。

图6示意地说明与图5中光纤70不同的一个切端光纤80，其光轴垂直于组织的表面81。然而，光纤80的斜切口82虽然面向表面81，但不平行于它；在切口的表面82与一个平行于表面81从而垂直于光纤轴的平面83之间形成一个锐角α。象图5中实施例一样，锐角α决定光纤80的检测范围，这是由一个左边光束84和一个右边光束85确定的。与图5的光纤类似，切端光纤80的检测范围是从较短的侧壁向较长的侧壁漂移的。象图5一样，锐角α的数值也有相同的限制。

图7是根据本发明的血氧计90的一个实施例的方块图。如图所示，血氧计90包含一个探头91，探头91包括两个光源92和93，例如两个激光二极管，它们生成具有两个不同波长的光，用于相继地照射所研究的组织。探头还包括两个光电检测器94和95。从两个光检测器94和95接收的光信号被变换和调制成电信号；电信号被一个模拟处理单元96放大，被一个模拟数字转换器97数字化，并被传送到一个微处理机98，以计算在显示器100上显示的所关心的特征值。由微处理机98通过一定时控制单元101来控制探头91的光源92和93。

血氧计90测量所关心特征值的程序如下。

在一个代表脉动动脉血液分量的脉动光强度图上以两个时间点进行计算，第一个时间点是其零(最小)点，而第二个时间点是其顶(最大)点，其测量和计算包括下列六个步骤：

(a)第一光源92接通和第二光源93断开-由第一和第二检测器94和95中的每个检测器记录第一波长的第一信号；

(b)第二光源93接通和第一光源92断开-由第一和第二检测器94和95中的每个检测器记录第二波长的第二信号；

(c)两个光源都断开-由第一和第二检测器94和95记录环境光；

(d)由模拟处理单元96相继地过滤和放大所检测的信号，以减小噪声和环境光成分；

(e)模数转换器97从模拟处理单元接收序列信号，以便数字化，并且把所产生的数字信号传送到微处理机98；和

(f)微处理机98进行DC和AC信号分量的数字析取，并且根据下述算法来计算SaO₂：

对两个计算中的每个计算，以两个不同的时间点确定两个强度比率N和M，即，用于脉动动脉血液分量的零点的N1和N2，和用于其顶点的M1和M2。用于两个时间点的第一强度比率N1和M1是基于第一和第二光检测器以第一波长记录的光信号的强度，而用于两个时间点的第二强度比率N2和M2是基于第一和第二光检测器以第二波长记录的光信号的强度。

对两个波长中的每个波长，确定信号的脉动分量的特征值AC，即用于第一波长的AC1和用于第二波长的AC2；AC1和AC2中每一个都是以其特定波长分别对顶点与零点计算的强度比率之间的差值。

对两个波长中的每个波长，计算信号的恒定分量的特征值DC，即用于第一波长的DC1和用于第二波长的DC2；DC1和DC2中每一个都是在某一给定波长下从两个分别以零点和顶点计算的强度比率平均的。

然后，微处理机计算：

(i)用于每个波长的比率R1和R2： $R_1=\frac{{\mathrm{AC}}_1}{{\mathrm{DC}}_1};R_2=\frac{{\mathrm{AC}}_2}{{\mathrm{DC}}_2}$

(ii)比率 $\mathrm{\γ}=\frac{R_1}{R_2}$

(iii)动脉血液的氧饱和度

SaO₂＝K₁×γ+K₂式中K₁，K₂是校准常数。实例

第一光源92是一个以755nm发射的激光二极管，且第二光源93是一个以785nm发射的激光二极管。校准常数K₁和K₂取决于检测器的几何形状和尺寸以及血红蛋白和氧合血红蛋白吸收系数，并且假设具有下列值：

K₁＝2；K₂＝0.5；a)在零点进行第一组测量

1)第一光源92接通，且第二光源93断开-一个第一信号I₁₁(1)由第一检测器94检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₁₁(1)＝1000。

2)第一光源92接通，且第二光源93断开-一个第一信号I₁₂(1)由第二检测器95检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₁₂(1)＝2500。

3)在零点的用于第一波长的强度比率N1被计算如下：DC₁(1)＝I₁₁(1)/I₁₂(1)＝1000/2500＝0.4。

4)第二光源93接通，且第一光源92断开-一个第二信号I₂₁(1)由第一检测器94检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₂₁(1)＝800。

5)第二光源93接通，且第一光源92断开-一个第二信号I₂₂(1)由第二检测器95检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₂₂(1)＝2300。

6)在零点的用于第二波长的强度比率N2被计算如下：DC₂(1)＝I₂₁(1)/I₂₂(1)＝800/2300＝0.348b)在顶点进行第二组测量

7)第一光源92接通，且第二光源93断开-一个第一信号I₁₁(2)由第一检测器94检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₁₁(2)＝990。

8)第一光源92接通，且第二光源93断开-一个第一信号I₁₂(2)由第二检测器95检测，且被放大和输入微处理机98的存储器。I₁₂(2)＝2460。

9)在顶点的用于第一波长的强度比率M1被计算如下：DC₁(2)＝I₁₁(2)/I₁₂(2)＝980/2490＝0.394。

10)第二光源93接通，且第一光源92断开-第一检测器的第二信号I₂₁(2)由第一检测器94检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₂₁(2)＝780。

11)第二光源93接通，且第一光源92断开-一个第二信号I₂₂(2)由第二检测器95检测，并被放大和输入微处理机98的存储器。I₂₂(2)＝2400。

12)在顶点的用于第二波长的强度比率M2被计算如下：DC₂(2)＝I₂₁(2)/I₂₂(2)＝780/2400＝0.325c)计算

13)值AC1表示用于第一波长的脉动分量的特征，它被计算成：M1-N1＝0.394-0.4＝-0.006。

14)值AC2表示用于第二波长的脉动分量的特征，它被计算成：M2-N2＝0.325-0.348＝-0.023。

15)值DC1表示用于第一波长的恒定分量的特征，它被计算成：(N1+M1)/2＝(0.4+0.394)/2＝0.397。

16)值AC2表示用于第二波长的恒定分量的特征，它被计算成：(N2+M2)/2＝(0.348+0.325)/2＝0.337。

计算用于两个波长的两个下述比率：

17)R1＝AC1/DC1＝(-0.006/0.397)＝-0.015

18)R2＝AC2/DC2＝(-0.023/0.337)＝-0.068；且最后

19)SaO₂＝K1(R1/R2)+K2＝2×0.221+0.5＝0.942。

Claims (24)

1.一种用于非侵害光学血液氧测量的传感器，包括一个带有一个敷贴块的载体；该敷贴块具有一个在操作时面向所研究受研究者的血液灌注身体组织的接触表面，装有至少两个彼此紧靠着定位且每个都以不同于另一个的波长来发射光的点状光发射器，和装有至少一个同轴地围绕所述至少两个光发射器的基本上环形的光检测终端；该终端耦合于一个光检测仪表，并且具有一个自由的光获取端，用于获取从所述身体组织到达的光。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述的光发射器是置于所述敷贴块内的光源。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述的光发射器每一个都是一个光发射终端，该终端具有一个自由的光发射器，并且用另一端耦合于一个光源。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述的光发射终端每一个都由一束光纤组成。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的传感器，其中所述的光检测终端由多个光纤组成，每个光纤都有一个自由的光获取端，且用另一端耦合于一个光检测仪表。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的传感器，其中敷贴块具有一个基本上环形的第二检测终端，它与所述的第一光检测终端隔开，且与之同轴。

7.根据权利要求3至6中任何一项所述的传感器，其中所述的光源都是激光二极管，每个二极管都发射670-940nm范围内的单色光。

8.根据权利要求7所述的传感器，其中一个第一光源以750-760nm发射，且一个第二光源以780-800nm发射。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述的传感器，其中所述的光检测仪表都是光电二极管。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的传感器，其中所述的敷贴块包括一个轴向通孔，它垂直于所述的接触表面，且安置所述的光发射器；和包括至少一个基本上环形的空间，它同轴地围绕所述的孔，且安放各个光检测终端。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中每个光检测终端都被置于所述敷贴块的所述基本上环形的空间内，使其自由光获取端以一种返回的方式定位于安放环形空间内，以便移出所述的接触表面，从而所述环形空间的一个自由段构成一个抑制镜面反射的平行光管。

12.根据权利要求1至11中任何一项所述的传感器，其中检测终端构成光纤中每个光纤都具有一个斜切的光获取端，该端向着一个垂直于纵向光纤轴的平面按照某一锐角倾斜。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中至少一个安置所述第一和第二环形检测终端的环形空间是倾斜的，它的侧壁向接触表面张开，使检测终端构成光纤的所述斜切光获取端与接触表面齐平，或与之平行。

14.一种在血液灌注组织中进行非侵害光学血液氧测量的方法，包括：

给光学传感器提供一个敷贴块，该敷贴块拥有至少两个彼此紧靠着的光发射器和至少两个同轴地围绕所述至少两个光发射终端的光检测终端，和具有一个接触表面；

在要研究其基础组织的受研究者的一个皮肤段上安放所述的敷贴块，其接触表面面向其皮肤；

从所述发射器相继地发射至少两个不同波长的光；

通过所述的至少两个光检测终端用积分获取法，检测从所研究组织到达的光信号的强度；

在所述至少两个不同波长的每个波长下，对由所述至少两个环形光检测终端检测的光的强度之间的比率进行确定；和

根据上述比率，确定血液的氧饱和值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述的光发射器是置于所述敷贴块内的光源。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述的光发射器每一个都是一个光发射终端，该终端具有一个自由的光发射端，且用另一端耦合于一个光源。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述的光源是激光二极管，每个激光二极管都发射670-940nm范围内的单色光。

18.根据权利要求17所述的方法，其中一个第一光源以750-760nm发射光，且一个第二光源以780-800nm发射光。

19.根据权利要求14至18中任何一项所述的方法，包括：

提供一种在权利要求1至13中任何一项规定的传感器，它具有第一和第二光检测器；

选择两个用于进行测量的时间点，一个第一时间点是脉动动脉血液分量的零点，且一个第二时间点是其顶点；

在所述第一和第二时间点进行一些测量，这些测量包括用第一波长的光进行照射，并且用所述第一和第二光检测器同时记录从组织到达的信号，其后，用第二波长的光进行照射，并且同时用所述第一和第二光检测器同时记录从组织到达的信号；

对所述两个时间点中每个点，确定两个强度比率，第一个强度比率是在由第一和第二光检测器以第一波长记录的光信号强度之间的比率，且第二个强度比率是在由第一和第二光检测器以第二波长记录的光信号强度之间的比率；

对所述第一和第二波长中每个波长，计算光信号的第一和第二脉动分量AC1和AC2，每个分量都是对各个波长在顶点和零点计算的强度比率之间的差值；

对所述第一和第二波长中每个波长，计算光信号的第一和第二恒定分量DC1和DC2，每个分量都是对两个波长在零点和顶点计算的强度比率的平均值；和

根据下列方程，计算动脉血液氧饱和度SaO₂： $\mathrm{Sa}{O}_2=K1\frac{\mathrm{AC}1\×\mathrm{DC}2}{\mathrm{DC}1\×\mathrm{AC}2}+K2$ 式中K₁和K₂是校准常数。

20.一种用于非侵害光学血液测量的仪表，包括：

一个具有一个载体的传感器，载体带有一个敷贴块，敷贴块具有一个接触表面，接触表面在操作时面向所研究受研究者的血液灌注体组织；该敷贴块装有至少两个彼此紧靠着地定位的点状光发射器，每个发射器都以不同于另一个的波长发射光；和装有至少两个基本上环形的光检测终端，它们同轴地围绕所述的至少两个光发射终端，具有一个自由的光获取端，用于获取从所研究组织到达的光；

至少两个光源，它们耦合于所述的光发射终端，且能以至少两个不同的波长发射光；

至少两个光学检测器，它们耦合于所述的至少两个基本上环形的检测终端；

控制装置，适合使所述的至少两个光源通过所述的发射终端相继地照射所述的组织，和适合通过所述的至少两个检测终端对由所述至少两个检测器获取的光的强度得到同步测量；和

处理装置，用于根据所述同步测量的结果，确定所关心的特征值。

21.根据权利要求20所述的仪表，其中所述的光发射器是置于所述敷贴块内的光源。

22.根据权利要求20所述的仪表，其中所述的光发射器每一个都是一个光发射终端，它具有一个自由的光发射端，且用另一端耦合于一个光源。

23.根据权利要求22所述的仪表，其中所述的光源是激光二极管，每一个激光二极管都发射670-940nm范围以内的单色光。

24.根据权利要求23所述的仪表，其中一个第一光源以750-760nm发射光，且一个第二光源以780-800nm发射光。

Images