SE525904C2

SE525904C2 - Measurement of density of blood cells involves directing light beam into space that is to be investigated

Info

Publication number: SE525904C2
Application number: SE0402054A
Authority: SE
Inventors: Magnus Petterson; Anna Dahlstroem; Hans Petterson
Original assignee: Optoq Ab
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2005-05-24
Also published as: SE0402054D0; SE0402054L

Abstract

Density of blood cells is measured in blood by directing a light beam into the space that is to be investigated; and arranging sensors where their sense sectors do not intersect the beam of the light source in the volume. Independent claims are also included for: (a) a sensor device for the measuring of the density of blood cells in blood comprising vessel or tubing, a light beam emitter facing the tubing, and sensor(s) also facing the vessel and so arranged that its or their sense sectors do not intersect the beam of the light source in the vessel or tubing; (b) an optical probe arrangement (1) that surrounds blood in a receptacle comprising at least two sets of light emitters and light detectors (6c, 6d), each set comprising light emitter and/or detector, and arranged to transilluminate the blood at a preferred angle between the light emitter and the detectors, where the angle averts direct light from the light emitter to the light detector for the detection of blood constituents; (c) a method to process signals from light detectors comprising mechanism to amplify signals from the light detectors and the employment of a signal processing algorithm on the signals from the light detectors to detect blood constituents; (d) an apparatus comprising a system to calculate hematocrit values from blood, and presenting the data to a display, and/or transferring data to another application.

Description

TÜÛF' Ûfl/l v (ULF ...Q heten för vätskor från patientens blodström. TÜÛF 'Ûfl / l v (ULF ... Q heat for fluids from the patient's bloodstream.

Olika teknik har presenterats inom områdets optiska mätningar för hematokrit i blod.Various techniques have been presented in the field of optical measurements for hematocrit in blood.

Många utnyttjar den spridningseffekt som RBC har på ljus passerande genom blod i ett kärl, kuvett eller liknande. Oppenheirner presenterar i patentet US 5,601 ,080 ett förfarande för att mäta graden av spridning för att härled blodbeståndsdelarrta.Many people take advantage of the scattering effect that RBC has on light passing through blood in a vessel, cuvette or the like. In U.S. Patent 5,601,080, Oppenheirner discloses a method for measuring the degree of proliferation to derive blood component species.

Andra patent är US 4,745,279 för Karkar, beskrivande spridningseffekten för blod i en kuvett US 6,493,567 för Krivitski et al. beskriver ett mätinstrument utnyttjande en ljusavgiv- ande diod och en sensor. US 6,064,474 för Wylie et al är en annan beskrivning av en hema- tokritmätningsmetod utnyttjande den spridningseffekt RBC har på ljus. Emellertid tillhanda- håller de kända förfarandena och anordningarna ej någon tillfredsställande precision.Other patents are US 4,745,279 to Karkar, describing the scattering effect of blood in a cuvette US 6,493,567 to Krivitski et al. describes a measuring instrument using a light emitting diode and a sensor. US 6,064,474 to Wylie et al. Is another description of a hematocrit measurement method utilizing the scattering effect of RBC on light. However, the known methods and devices do not provide satisfactory precision.

Uppfinningen De ovanstående uppgifterna uppnås i enlighet med uppfinningen genom att avge ljus in i i blodet och sedan används två detektorer placerade motsatt varandra för att utföra mätningen.The invention The above tasks are achieved in accordance with the invention by emitting light into the blood and then two detectors placed opposite each other are used to perform the measurement.

I enlighet med den föreliggande uppfinningen presenteras ett nytt förfarande och en ny anordning för att mäta blodegenskaperna med en procedur innefattande ett nytt optiskt sensor- arrangemang som övervinner problemen med den tidigare kända tekniken, såsom exempelvis optiska variationer, såsom optisk täthet, brytningar etc. Uppﬁnningen kan även ta form av en klämma som med stor enkelhet kan appliceras på en transparent slang såsom en transport- slang för dialys. Den nya sensom gör hematokritvärden tillgängliga med inom tekniken oöver- träffad precision, trots det faktum att den mäter genom transparent slang som kan variera i tjocklek och form.In accordance with the present invention, a new method and apparatus for measuring blood properties is presented with a procedure comprising a new optical sensor arrangement which overcomes the problems of the prior art, such as, for example, optical variations, such as optical density, refractions, etc. can also take the form of a clamp which can be applied with great simplicity to a transparent hose such as a transport hose for dialysis. The new sensor makes hematocrit values available with unmatched precision in the technology, despite the fact that it measures through transparent tubing that can vary in thickness and shape.

I det praktiska utförandet av uppfinningen mäts blod när det strömmar genom en tran- sparent slang. En ljusstrâle, exempelvis från en laser, riktas vinkelrätt in i slangen och två detektorer placerade motsatta varandra och vinkelräta mot ljusstrålen plockar upp ljus och detektorsignalema används för utvärderingen. Ljuskällan och detektorerna kan ligga i samma plan men planet för detektorerna kan också vara något förskjutet i förhållande till ljusstrålen, exempelvis längs slangen. Man kan även tänka sig att använda ﬂera par av detektorer för- skjutna längs slangen och uppströms likaväl som nedströms i syfte att öka precisionen. Även en tredje detektor kan läggas till varje par, vilken tredje detektor är placerad tätt intill ljuskäl- lan.In the practical embodiment of the invention, blood is measured as it flows through a transparent tube. A light beam, for example from a laser, is directed perpendicularly into the tube and two detectors placed opposite each other and perpendicular to the light beam pick up light and the detector signals are used for the evaluation. The light source and the detectors can be in the same plane, but the plane of the detectors can also be slightly offset in relation to the light beam, for example along the hose. It is also conceivable to use par your pairs of detectors offset along the hose and upstream as well as downstream in order to increase the precision. A third detector can also be added to each pair, which third detector is located close to the light source.

P0238SE 10 15 20 25 IQ I 00 Oc OO 0000 I n I c c c n c I I 0 I O I O O I I I I O Cﬂh I O ICO! I O 0000 I c c c c c Qccc On c Oc coon Oo Qcc c ä , w.P0238SE 10 15 20 25 IQ I 00 Oc OO 0000 I n I c c c n c I I 0 I O I O O I I I I I O C ﬂ h I O ICO! I O 0000 I c c c c c Qccc On c Oc coon Oo Qcc c ä, w.

F.) (fl 3 Vid denna lösning kan detektorförskjutningen i relation till ljuskällan med fördel vara så pass stor att de avkännande sektorerna för de två detektorerna inte skär ljusstrålen. Med ökande förskjutning minskar känsligheten för relativa ändringar, under det att en mindre för- skjutning ger ett noggrannare absolut mått på hemakrotitvärdet. Det är således möjligt att an- vända en uppsättning detektorer för att fastställa ett absolutvärde och sedan använda en upp- sättning av mer förskjutet placerade detektor för övervakandet och styrandet av nivån under dialys.F.) (fl 3 With this solution, the detector offset in relation to the light source can advantageously be so large that the sensing sectors of the two detectors do not intersect the light beam. provides a more accurate absolute measure of the home acrotite value, so it is possible to use a set of detectors to determine an absolute value and then use a set of more offset detectors for monitoring and controlling the level during dialysis.

Ytterligare föredragna vidareutvecklingar framgår närmare av kraven och följande be- skrivning av ett föredraget utföringsexempel på uppfinningen.Further preferred further developments appear in more detail from the claims and the following description of a preferred embodiment of the invention.

Kort beskrivning av ritningarna ﬁg_l är ett tvärsnitt genom ett optisk sensorarrangemang l, upptagande ljusavgivande dioder 5 i hål 4 i en ram bestående av två halvor 2 och 3 anordnade för att passa på ett kärl 8 såsom exempelvis en slang för blod 9.Brief description of the drawings ﬁ g_1 is a cross section through an optical sensor arrangement 1, receiving light emitting diodes 5 in holes 4 in a frame consisting of two halves 2 and 3 arranged to fit on a vessel 8 such as for instance a tube for blood 9.

Fig 2 är ett tvärsnitt av ett optiskt sensorarrangemang 1, innehållande ljusdetektorer 6 i hål 4 i en ram innefattande två halvor 2 och 3 anordnade för att passa på ett kärl 8 såsom exempelvis en slang för blod Fig 3 avbildar arrangemanget för gruppen av ljusdetektorer 5 och lysdioder 6 på det op- tiska sensorarrangemanget 1. betta är ett förslag där gruppen i enlighet med figurerna 1 och 2 är placerade med beteckningšarna "A - A" för lysdioderna, och "B - B" för ljusdetektorerna.Fig. 2 is a cross-section of an optical sensor arrangement 1, containing light detectors 6 in holes 4 in a frame comprising two halves 2 and 3 arranged to fit on a vessel 8 such as, for example, a tube for blood. Fig. 3 depicts the arrangement of the group of light detectors 5 and LEDs 6 on the optical sensor arrangement 1. betta is a proposal in which the group in accordance with Figures 1 and 2 is placed with the designations "A - A" for the LEDs, and "B - B" for the light detectors.

Fig 4 avbildar arrangemanget för en andra grupp av ljusdetektorer 7.Fig. 4 depicts the arrangement of a second group of light detectors 7.

Fig 5 visar det optiska sensorarrangemanget l med det ytterligare utföringsexemplet med lysdioder 9 och fotodetektorer 8.Fig. 5 shows the optical sensor arrangement 1 with the further exemplary embodiment with LEDs 9 and photodetectors 8.

Fig 6 visar de resulterande hematokritvärdena med referens till mätningar utförda vid ackrediterat kliniskt laboratorium.Figure 6 shows the resulting hematocrit values with reference to measurements performed at an accredited clinical laboratory.

Beskrivning ï Vi har uppnått mycket goda resultat genom användning av följande arrangemang av lys- dioder (LED) och fotodetektorer, vid insamlande av hematokrotitvärden. Dessa värden korre- lerar mycket bra med laboratoriereferensvärden.Description ï We have achieved very good results by using the following arrangements of LEDs and photodetectors, when collecting hematocrotite values. These values correlate very well with laboratory reference values.

Fyra lysdioder är arrangerade på ett företrädesvis - men ej begränsat till - vinkelrätt sätt P023 8SE 10 15 20 25 u In In OOII I n i n o a I o I O O O IIO I I OÜII o n c 0 o Icon 0000 On 000 0 U) O c-i r-a 4 inbördes runt ett kärl, såsom exempelvis en slang, för blodet såsom framgår av fig l. Ljusde- tektorerna är anordnade på ett sätt där de på liknande sätt lämpligtvis är vinkelräta inbördes i enlighet med fig 2, men på ett avstånd i längsled bort från de omgivande lysdioderna, såsom visas i ﬁg 3. I ett ytterligare utförande är en andra ring av lysdetektorer anordnad. Arrange- manget framgår av fig 4.Four LEDs are arranged in a preferably - but not limited to - perpendicular manner. vessels, such as a hose, for the blood as shown in Fig. 1. The light detectors are arranged in a manner where they are similarly suitably perpendicular to each other in accordance with Fig. 2, but at a longitudinal distance away from the surrounding LEDs, as shown in ﬁ g 3. In a further embodiment a second ring of light detectors is arranged. The arrangement is shown in Fig. 4.

Arrangemanget av lysdioder och fotodetektorer bör för bästa förstâende betraktas som grupper av lysdioder och fotodetektorer: exempelvis lysdiod Sa, och fotodetektor 6b är en grupp. En annan grupp kan vara lysdiod 5b, och fotodetektorema 6a och 6c. Notera att inga lysdioder och fotodetektorer är inlinjerade för att uppnå direkttransmitterat ljus. Uppñnningen utnyttjar ej direkt transmitterat ljus såsom ofta är fallet i den tidigare kända tekniken.The arrangement of LEDs and photodetectors should, for the best understanding, be considered as groups of LEDs and photodetectors: for example, LED Sa, and photodetector 6b is a group. Another group may be LED 5b, and photodetectors 6a and 6c. Note that no LEDs and photodetectors are aligned to achieve direct transmitted light. The invention does not utilize directly transmitted light as is often the case in the prior art.

Ett prov på ljus detekterat från en grupp av en eller ﬂera fotodetektorer tas vid vilket kort ögonblick som helst i tiden. Ett annat prov kan tas från samma eller en annan grupp som ett andra prov. Lämpligtvis tas ett första prov från en första grupp innefattande lysdiod 5a, och ljusdetektorer 6b och 6d, ett andra prov tas från en andra grupp innefattande lysdioden 5b, och ljusdetektor 6a och 6c, ett tredje prov tas från en tredje grupp innefattande lysdioden 5c, och ljusdetektor 6b och 6d, och slutligen tas ett fjärde prov från en fjärde grupp innefat- tande lysdioden Sd och ljusdetektorema 6a och 6c. Ett första resultat erhålles från dessa fyra efter varandra insamlade prov som signalbehandlas. Processen kan innefatta variationer av förstärkningsfaktorer för signalerna från detektorema och också korreleringsfaktorerna mellan dessa signaler, för att ytterligare förbättra detekterandet av beståndsdelarna som skall mätas i blodet. Resultatet utgör ett första resultat för beståndsdelarna i blodet, såsom exempelvis hematokrit. I denna process reduceras felet som uppträder från variationerna vid tvärsnittet för strömningsmönstret i kärlet. Vidare kan medelvärdesbildning reducera den effekt som kär- lets vägg har på mätningen. Detta är mycket fördelaktigt om kärlet är den utomkroppsliga kretsen för ett dialyssystem. Ett av de större framstegen i den beskrivna uppfinningen ligger i den nya möjligheten i att mäta hematokrit genom väggarna i den utomkroppsliga dialyskret- sen, nämligen den s k dialysslangen för kretsen. Det är mycket fördelaktigt att inga speciella kuvetter eller specialarrangemang erfordras för engångsblodledningarna. Vår process gör det t o m onödigt att montera speciella slangar eller rör till den utomkroppsliga kretsen. Denna egenskap är avsevärt kostnadsbesparande för tillhandahållaren av hälsovården. Monterandet av den beskrivna provanordningen på transportslangen har även fördelen att mätanordningen P0238SE (ft xf.) CD L» 10 15 20 f "1 F D 'vﬁl x-O É J> UI inte ingriper ide ordinarie funktionerna för dialyssystemet. Likaså ger det en mycket fördel- aktig möjlighet att uppgradera vilket som helst redan existerande dialyssystem med mätning av hematokrit, även om det inte är förberett för detta syfte. Följaktligen kan blodvolymsför- ändringen beräknas och visas.A sample of light detected from a group of one or ﬂ your photodetectors is taken at any short moment in time. Another sample can be taken from the same or another group as a second sample. Preferably, a first sample is taken from a first group comprising LED 5a, and light detectors 6b and 6d, a second sample is taken from a second group comprising LED 5b, and light detector 6a and 6c, a third sample is taken from a third group comprising LED 5c, and light detector 6b and 6d, and finally a fourth sample is taken from a fourth group comprising the LED Sd and the light detectors 6a and 6c. A first result is obtained from these four successively collected samples which are signal processed. The process may include variations in gain factors for the signals from the detectors and also the correlation factors between these signals, to further improve the detection of the constituents to be measured in the blood. The result is a first result for the components in the blood, such as hematocrit. In this process, the error that occurs from the variations in the cross section of the flow pattern in the vessel is reduced. Furthermore, averaging can reduce the effect that the vessel wall has on the measurement. This is very advantageous if the vessel is the out-of-body circuit of a dialysis system. One of the major advances in the described invention lies in the new possibility of measuring hematocrit through the walls of the out-of-body dialysis circuit, namely the so-called dialysis tube for the circuit. It is very advantageous that no special cuvettes or special arrangements are required for the disposable blood tubes. Our process even makes it unnecessary to mount special hoses or pipes to the out-of-body circuit. This feature is a significant cost saver for the healthcare provider. The mounting of the described test device on the transport hose also has the advantage that the measuring device P0238SE (ft xf.) CD L »10 15 20 f" 1 FD 'v ﬁ l xO É J> UI does not interfere with the ordinary functions of the dialysis system. possible possibility to upgrade any existing dialysis system with hematocrit measurement, even if it is not prepared for this purpose, consequently the blood volume change can be calculated and displayed.

I ett utförande på uppfinningen är två grupper av detektorer utnyttjade. Nedströms (eller uppströms) i en blodström i ett kärl, såsom exempelvis en slang, är en andra grupp av detek- torer placerad. Detta är visat i fig 4. Den matematiska signalbehandlingen kan vidare förbättra resultaten genom att inkludera denna "andra ordningens" detektorer i processen.In one embodiment of the invention, two groups of detectors are used. Downstream (or upstream) of a bloodstream in a vessel, such as a tube, for example, a second group of detectors is located. This is shown in Fig. 4. The mathematical signal processing can further improve the results by including this "second order" detectors in the process.

I ett annat utförande på uppfinningen, monteras ett andra arrangemang av lysdioder och fotodetektorer, innefattande en andra: grupp av detektorer. Detta visas i fig 5. I detta utfö- rande avger lysdiodema en annan våglängd. Detta medger begränsad spektralanalys för ytter- ligare beräknande av blodbeståndsdelarna, såsom exempelvis syresättningen av hemoglobin såsom är känt inom tekniken. Resultaten som erhålles från denna andra grupp kan med fördel inkorporeras i en signalprocess med de värden som erhålles från den nämnda första gruppen.In another embodiment of the invention, a second arrangement of LEDs and photodetectors is mounted, comprising a second group of detectors. This is shown in Fig. 5. In this embodiment, the LEDs emit a different wavelength. This allows limited spectral analysis to further calculate the blood components, such as, for example, the oxygenation of hemoglobin as is known in the art. The results obtained from this second group can advantageously be incorporated in a signaling process with the values obtained from said first group.

En sådan process gör det möjligt att inte endast ange alla parametrar från blodbeståndsde- larna, utan tillåter också syremättnadsvärdet att påverka ingångssignalema från den första gruppen till signalprocessen. Detta är av fördel eftersom blodets syremättnad kan påverka det första resultatet av blodbeståndsdelarna från den första processen från den första gruppen.Such a process makes it possible not only to specify all the parameters from the blood components, but also allows the oxygen saturation value to influence the input signals from the first group to the signal process. This is advantageous because the oxygen saturation of the blood can affect the first result of the blood constituents from the first process from the first group.

I ritningarna och den ovanstående beskrivningen är en transparent blodtransporterande slang anordnad visad inklämd mellan två väsentligen V-formade profiler i vars väggar lysdi- oden och detektorer är anordnade. I en alternativ utformning kan V-fonnade spår i block användas för att klämma och forma slangen så att dess väggar blir väsentligen platta vid lys- dioder och detektorer.In the drawings and the above description, a transparent blood-transporting hose is arranged shown shown sandwiched between two substantially V-shaped profiles in the walls of which the LEDs and detectors are arranged. In an alternative design, V-shaped grooves in blocks can be used to clamp and shape the hose so that its walls become substantially flat with LEDs and detectors.

I ett ytterligare utförande kan sensorema vara anordnade i små hål med ännu mindre öppningar tjänande som kollimatorer mot slangen.In a further embodiment, the sensors can be arranged in small holes with even smaller openings serving as collimators against the hose.

Det är inte i dag klart varför det uppfunna mätförfarandet och anordningen är så över- lägsen i relation till den tidigare kända tekniken, en teori skulle kunna vara förskjutningen mellan detektorer och ljuskälla.It is not clear today why the invented measuring method and the device are so superior in relation to the prior art, a theory could be the displacement between detectors and light source.

Endast ljus som har spritts från blodet i ljusbanan och in i avkänningssektorn för sen- sorn och från denna in i sensorn kommer att registreras. Med andra ord kommer endast ljus som har spridits åtminstone två gånger att nå detektorn. Genom anordnandet av källa och de- P023 8SE F D (11 \D CD .Åh 6 tektor vinkelrätt kommer blodceller i en huvuddel av slangens tvärsnitt att ha möjligheten att bidra så att signaler från sensorema blir en funktion av hematokritvärdet.Only light that has been scattered from the blood in the light path and into the sensing sector of the sensor and from this into the sensor will be registered. In other words, only light that has been scattered at least twice will reach the detector. By arranging the source and detector P023 8EN F D (11 \ D CD .Åh 6 detector perpendicular, blood cells in a main part of the tube cross-section will have the opportunity to contribute so that signals from the sensors become a function of the hematocrit value.

PO238SE III III I I II I II IQ II 0090 I I I 1 O I I I 0 I c I I I I 0 ro 0 0 0 I I I I 0 I 0 0 OI I I O QI IIQ I 0 IUOI 0 o I I I O I I I I II 0 0 I I I I I I II I II I IIII I I O IcøtlaPO238SE III III I I II I II IQ II 0090 I I I 1 O I I I I 0 I c I I I I I 0 0

Claims

10 15 20 25 30 PATENT REQUIREMENTS

An optical sensor arrangement surrounding blood in a mounting device, the optical sensor arrangement comprising at least two sets of light sources and light detectors, each set comprising a light source and at least one detector, each set being arranged to scan the blood at a preferred angle between light sources. and the light detector or detectors - for each set, said angle being at least sufficient to prevent direct light from the light source to the light detector, for the detection of blood constituents.

An optical sensor arrangement according to claim 1, comprising four sets of light sources and two or three light detectors in each set, wherein a light detector may also represent a detector in a nearby set.

An optical sensor arrangement according to claim 1 or 2, wherein the light sources are arranged as a group surrounding an elongate mounting device at, seen in the longitudinal direction, a location around the circumference of the mounting device, and light detectors are arranged to surround the mounting device at another circumferential location. .

An optical sensor arrangement according to any one of claims 1 to 3, wherein the second group of longitudinal light detectors are located at a third location around the circumference of the mounting device, and light detectors are arranged to surround the mounting device at this circumferential location.

An optical sensor arrangement according to any one of claims 1 to 4, wherein a third group of light detectors is located longitudinally at a fourth location around the circumference of the mounting device, and the light detector is arranged to surround the mounting device at this circumferential location and a third group of longitudinal light emitting diodes are located at a fifth location around the circumference of the mounting device, and the light detectors are arranged to surround the mounting device at the circumferential location.

A method of processing signals from the light detectors of claim 1, comprising means for amplifying the signals from the light detectors and utilizing a signal processing algorithm on the signals from the light detectors, to detect hematocrit.

A method according to claim 6, wherein signal processing means comprising a multivariate analysis of the signals from the light detectors are used in the signal process.

A method for processing the signals from the light detectors according to claim 5 f "I '\ l .IL". F) CD -fx 8 comprising means for amplifying the signals from the light detectors and using a signal processing algorithm on the signals from the light detector array, in order to detect blood components.

A method according to claim 8, comprising means for amplifying the signals from the light detectors and using a signal processing algorithm on the signal from the light detectors, for detecting hematocrit.