無線手持組織血氧測(cè)量裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本專利申請(qǐng)主張于2012年8月10日提出的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/682, 146的權(quán) 益，并且是于2013年5月3日提出的美國(guó)專利申請(qǐng)13/887, 130、13/887, 152、13/887, 220、 13/887, 213和13/887, 178的部分延續(xù)，這些美國(guó)專利申請(qǐng)主張于2012年5月3日提出的 美國(guó)專利申請(qǐng)61/642, 389、61/642, 393、61/642, 395和61/642, 399的權(quán)益。這些申請(qǐng)和本 申請(qǐng)中引用的其他所有文獻(xiàn)通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明一般地涉及監(jiān)測(cè)組織中的氧水平的光學(xué)系統(tǒng)。更具體地，本申請(qǐng)涉及包括 在光學(xué)探頭的傳感器頭上的源和檢測(cè)器的光學(xué)探頭，諸如緊湊、手持血氧計(jì)等。
【背景技術(shù)】
[0004] 血氧計(jì)是用來為了各種目的而測(cè)量人體和生物體的組織的氧飽和度的醫(yī)療裝置。 例如，血氧計(jì)用于在醫(yī)院和其他醫(yī)療設(shè)施（例如，用于外科手術(shù)的手術(shù)室、用于病人監(jiān)護(hù)的 康復(fù)室，或者救護(hù)車或用于例如缺氧的救護(hù)其他移動(dòng)監(jiān)護(hù)）中的醫(yī)療和診斷目的；在體育 場(chǎng)的競(jìng)技體育目的（例如，專業(yè)競(jìng)技監(jiān)護(hù)）；私人的或個(gè)體的在家監(jiān)護(hù)（例如，一般的健康 監(jiān)護(hù)或者個(gè)人馬拉松訓(xùn)練）；以及獸醫(yī)目的（例如，動(dòng)物監(jiān)護(hù)）。
[0005] 特別地，評(píng)估病人在區(qū)域水平和局部水平兩者的氧飽和度是重要的，因?yàn)樗遣?人健康狀態(tài)的指標(biāo)。因而，血氧計(jì)經(jīng)常用在臨床環(huán)境中，諸如在外科手術(shù)和康復(fù)過程中，在 此情況下可以懷疑病人的組織氧合狀態(tài)是不穩(wěn)定的。例如，在外科手術(shù)過程中，血氧計(jì)應(yīng)該 能在各種非理想條件下快速地傳送精確氧飽和測(cè)量結(jié)果。盡管現(xiàn)有的血氧計(jì)對(duì)于絕對(duì)精度 不太關(guān)鍵并且僅趨勢(shì)數(shù)據(jù)就足夠的手術(shù)后的組織監(jiān)護(hù)已經(jīng)足夠，但是，在現(xiàn)場(chǎng)檢查可以用 于確定組織是否保持存活或需要被移除的外科手術(shù)期間是要求精度的。
[0006] 脈搏血氧計(jì)和組織血氧計(jì)是以不同的原理工作的兩個(gè)類型的血氧計(jì)。脈搏血氧計(jì) 需要脈搏來發(fā)揮功能。脈搏血氧計(jì)通常測(cè)量由跳動(dòng)的動(dòng)脈血引起的光吸收。相反，組織血 氧計(jì)不要求脈搏來發(fā)揮功能，并能用來對(duì)脫離血供應(yīng)的組織瓣進(jìn)行氧飽和度測(cè)量。
[0007] 作為例子，人體組織包括各種吸收光的分子。這種發(fā)色團(tuán)包括含氧和缺氧血紅蛋 白、黑色素、水、油脂和細(xì)胞色素。對(duì)于可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)的大部分光來說，含氧和 缺氧血紅蛋白是最主要的發(fā)色團(tuán)。在一定的光波長(zhǎng)下光吸收對(duì)于含氧和缺氧血紅蛋白來說 顯著不同。組織血氧計(jì)能通過采用這些光吸收差異而測(cè)量人體組織中的氧水平。
[0008] 盡管現(xiàn)有的血氧計(jì)很成功，但是仍持續(xù)地期望通過例如改進(jìn)測(cè)量精度，減少測(cè)量 時(shí)間，降低成本，減小尺寸、重量或者形狀因子，降低功耗，以及由于其他原因以及這些任何 組合來改進(jìn)血氧計(jì)。
[0009] 因而，需要改進(jìn)的組織血氧測(cè)量裝置和使用這些裝置進(jìn)行測(cè)量的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 實(shí)施例涉及包括光源和光檢測(cè)器的緊湊手持組織血氧測(cè)量裝置。裝置實(shí)施方式是 完全獨(dú)立的，不需要任何經(jīng)有線或無線得到分開的系統(tǒng)單元的連接以進(jìn)行氧飽和度測(cè)量。 源和檢測(cè)器布置為具有各種源-檢測(cè)器對(duì)距離的圓形布局，各種源-檢測(cè)器對(duì)距離允許在 緊湊探頭中進(jìn)行穩(wěn)健校正、自校準(zhǔn)和空間分辨光譜。還可以有其他源-檢測(cè)器布局。
[0011] 在實(shí)施方式中，裝置是可以在不需要脈搏或心跳的情況下測(cè)量氧飽和度的組織血 氧計(jì)。本發(fā)明的組織血氧計(jì)適用于內(nèi)科和外科（包括整形手術(shù)）的許多領(lǐng)域。組織血氧計(jì) 可以進(jìn)行無脈搏的組織的氧飽和度測(cè)量；例如，這種組織可以已經(jīng)從人體（例如，瓣）分離 并且移植到人體的另一個(gè)位置。
[0012] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，組織血氧測(cè)量裝置包括外殼，外殼包括容納在外殼內(nèi)的第一印 刷電路板。所述第一印刷電路板包括處理器和存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器耦合到處理器。外殼包括耦 合到處理器的顯示器，其中，顯示器從外殼的外側(cè)可見。外殼包括容納在外殼內(nèi)的電池，電 池耦合到處理器和顯示器。外殼包括耦合到外殼的外側(cè)的探頭前端，其中探頭前端包括至 少第一傳感器開口、第二傳感器開口和第三傳感器開口。第一距離在第一傳感器開口和第 二傳感器開口之間，第二距離在第一傳感器開口和第三傳感器開口之間。第一距離和第二 距離不相同。外殼包括存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的可執(zhí)行代碼?？蓤?zhí)行代碼由處理器可執(zhí)行，并且 包括第一代碼、第二代碼和第三代碼，第一代碼用以接收與第一距離的第一傳感器開口和 第二傳感器開口相關(guān)聯(lián)的第一數(shù)據(jù)，第二代碼用以接收與第二距離的第一傳感器開口和第 三傳感器開口相關(guān)聯(lián)的第二數(shù)據(jù)，并且第三代碼用以利用第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分 辨光譜技術(shù)。
[0013] 根據(jù)具體實(shí)施例，第一傳感器開口包括光源，第二傳感器開口和第三傳感器開口 包括光檢測(cè)器。在替換實(shí)施例中，第一傳感器開口包括光檢測(cè)器，第二傳感器開口和第三傳 感器開口包括光源。
[0014] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，探頭前端包括第一層，第一層包括第二印刷電路板，第二 印刷電路板包括第一光源；并且包括第二層，第二層在第一層的下方。探頭前端還包括含 第一光檢測(cè)器和第二光檢測(cè)器的第三印刷電路板。探頭前端的第三層在第一層和第二層之 間，并且包括放置在第一光源下的第一透鏡。探頭前端的第四層在第三層下方，并且包括放 置在第一透鏡下的波導(dǎo)件。第三印刷電路板可以包括定位在第一透鏡下方的第一孔。波導(dǎo) 件可以包括光纖。
[0015] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，所述可執(zhí)行代碼包括第四代碼，用以基于第一數(shù)據(jù)和第 二數(shù)據(jù)計(jì)算估計(jì)氧飽和度值；和第五代碼，用以使顯示器顯示估計(jì)氧飽和度值。
[0016] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，空間分辨光譜技術(shù)依賴于第一距離和第二距離是不相同 的。
[0017] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，第一傳感器開口、第二傳感器開口和第三傳感器開口中 的至少一個(gè)包括光源；并且探頭前端包括放置成與所述光源相鄰的溫度感測(cè)單元。溫度感 測(cè)單元構(gòu)造來生成代表光源的溫度的溫度信息。所述處理器被構(gòu)造成接收溫度信息并且如 果光源的溫度改變，則基于溫度信息調(diào)節(jié)供應(yīng)到光源的振蕩控制信號(hào)的工作周期，以調(diào)節(jié) 光源產(chǎn)生的亮度。。
[0018] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，探頭前端剛性耦合到外殼，包括用于感測(cè)探頭前端在組 織上的壓力的壓力傳感器。外殼的長(zhǎng)度是10英寸或更小，外殼的橫軸為5英寸或更小。
[0019] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，一種方法包括將包括處理器和存儲(chǔ)器的第一印刷電路板 裝入外殼中，其中存儲(chǔ)器耦合到處理器。該方法包括提供被耦合到處理器和外殼的顯示器， 其中顯示器從外殼的外側(cè)可見。該方法包括將電池裝入外殼中，其中電池耦合到處理器和 顯示器。該方法包括形成外殼的結(jié)構(gòu)以保持探頭前端。探頭前端耦合到外殼的外側(cè)，并且探 頭前端包括至少第一傳感器開口、第二傳感器開口和第三傳感器開口。第一距離在第一傳 感器開口和第二傳感器開口之間，第二距離在第一傳感器開口和第三傳感器開口之間。第 一距離和第二距離不相同。該方法包括將探頭前端構(gòu)造成接收與第一傳感器開口和第二傳 感器開口相關(guān)聯(lián)的第一數(shù)據(jù)；以及將探頭前端構(gòu)造成接收與第一傳感器開口和第三傳感器 開口相關(guān)聯(lián)的第二數(shù)據(jù)。該方法包括將處理器構(gòu)造成利用第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分 辨光譜技術(shù)以確定氧飽和度值。
[0020] 根據(jù)具體實(shí)施例，該方法包括為第一傳感器開口設(shè)置光源；和為包括光檢測(cè)器的 第二傳感器開口和第三傳感器開口設(shè)置光檢測(cè)器。根據(jù)一個(gè)替換實(shí)施例，該方法包括為第 一傳感器開口設(shè)置光檢測(cè)器；和為第二傳感器開口和第三傳感器開口設(shè)置光源。
[0021] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，該方法包括在探頭前端中設(shè)置：第一層，第一層包括含第 一光源的第二印刷電路板；第二層，在第一層下方，第二層包括含第一光檢測(cè)器和第二光檢 測(cè)器的第三印刷電路板；第三層，在第一層和第二層之間，第三層包括放置在第一光源下方 的第一透鏡；和第四層，在第三層下方，第四層包括放置在第一透鏡下的波導(dǎo)件。該方法包 括在第三印刷電路板中形成定位在第一透鏡下的第一孔。波導(dǎo)件可以包括光纖。
[0022] 根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施例，該方法還包括將處理器構(gòu)造成基于第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù) 來計(jì)算估計(jì)光飽和度值；和將處理器構(gòu)造成使顯示器顯示估計(jì)氧飽和度值?？臻g分辨光譜 技術(shù)依賴于第一距離和第二距離是不相同的。
[0023] -旦考慮以下詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，其中 貫穿附圖始終，相似的參考標(biāo)記代表相似的特征。
【附圖說明】
[0024] 圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組織血氧測(cè)量裝置的簡(jiǎn)化框圖，并且示出了可以被包含 在組織血氧測(cè)量裝置中的若干處理模塊。
[0025] 圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組織血氧測(cè)量裝置傳感器子系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。
[0026] 圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組織血氧測(cè)量裝置采集模塊的簡(jiǎn)化框圖。
[0027] 圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組織血氧測(cè)量裝置測(cè)量模塊的簡(jiǎn)化框圖。
[0028] 圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組織血氧測(cè)量裝置電源的簡(jiǎn)化框圖。
[0029] 圖6是傳感器子系統(tǒng)、采集模塊、測(cè)量模塊和電源的簡(jiǎn)化框圖，并且示出了經(jīng)過這 些元件或這些元件之間的信息流和功率流。
[0030] 圖7A和圖7B是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組織血氧測(cè)量裝置的兩個(gè)整體立體圖。
[0031] 圖7C是組織血氧測(cè)量裝置的側(cè)視圖。
[0032] 圖7D是組織血氧測(cè)量裝置的視圖，在該視圖中外殼顯示為基本透明并且示出了 放置在外殼中的各個(gè)元件。
[0033] 圖7E、圖7F和圖7G是外殼的前端部和傳感器頭的進(jìn)一步放大圖。
[0034] 圖7H是傳感器頭的替換視圖。
[0035] 圖71是外殼的前端部的端視圖。
[0036] 圖7J是外殼的盤狀端的簡(jiǎn)化俯視圖。
[0037] 圖7K是保持架的簡(jiǎn)化圖。
[0038] 圖8A和圖8B是由用戶的手握住使用的組織血氧測(cè)量裝置的圖像。
[0039] 圖9A是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的探頭前端底部的簡(jiǎn)化端視圖。
[0040] 圖9B是根據(jù)替換實(shí)施例的探頭前端底部的簡(jiǎn)化端視圖。
[0041] 圖IOA和圖IOB分別是構(gòu)成傳感器子系統(tǒng)至少一部分的源-傳感器組件的簡(jiǎn)化立 體圖和分解圖。
[0042] 圖IOC是源印刷電路板的簡(jiǎn)化主視圖。
[0043] 圖IOD是檢測(cè)器印刷電路板的簡(jiǎn)化主視圖。
[0044] 圖IIA是源-傳感器組件的截面圖，并且示出了從發(fā)光元件的一者射出且經(jīng)過透 鏡的一者以及光纖電纜的一者地光。
[0045] 圖IlB是根據(jù)一個(gè)替換實(shí)施例的源-傳感器組件的截面圖，在該圖中隔板和光纖 電纜是細(xì)長(zhǎng)的。
[0046] 圖12是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于校準(zhǔn)每個(gè)光-檢測(cè)器對(duì)的方法的高級(jí)別流程圖。
[0047] 圖13是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于校準(zhǔn)光檢測(cè)器的方法的高級(jí)別流程圖。
[0048] 圖14是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在使用組織血氧測(cè)量裝置期間用于檢測(cè)異?，F(xiàn)象的方 法的高級(jí)別流程圖。
[0049] 圖15根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于校準(zhǔn)由光源發(fā)射的光量的方法的高級(jí)別流程圖。
[0050] 圖16是由光源的一者中的發(fā)光元件（例如，8個(gè)LED)產(chǎn)生的光的簡(jiǎn)化示意圖。
[0051] 圖17是反射率曲線的示例性圖，該圖可以用于光源和光檢測(cè)器的特定結(jié)構(gòu)。
[0052] 圖18A是用于確定組織光學(xué)性質(zhì)的方法的高級(jí)別流程圖。
[0053] 圖18B是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的用于在精細(xì)網(wǎng)格中尋找最能匹配反射率數(shù)據(jù)點(diǎn)的 特定模擬反射率曲線的方法的高級(jí)別流程圖。
[0054] 圖19是用于通過組織血氧測(cè)量裝置確定組織光學(xué)性質(zhì)的另一種方法的高級(jí)別流 程圖。
[0055] 圖20是用于對(duì)由選定光檢測(cè)器產(chǎn)生的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)的方法的高級(jí)別流程 圖。
[0056] 圖21示出了力感測(cè)電阻的后視圖和主視圖。
[0057] 圖22A和圖22B是顯示器的簡(jiǎn)化圖。
[0058] 圖23是用于測(cè)量探頭前端對(duì)被探測(cè)組織的壓力的方法的高級(jí)別流程圖。
[0059] 圖24示出了探頭前端的實(shí)施例，在該實(shí)施例中探頭前端300包括組織標(biāo)記器的至 少分配器部分。
[0060] 圖25是用于標(biāo)記組織以指明組織氧飽和度范圍的方法的高級(jí)別流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 光譜學(xué)已經(jīng)用于動(dòng)物和人類主體中各種生理特性的無創(chuàng)測(cè)量。經(jīng)常利用可見光 (例如，紅光）和近紅外光譜，這是因?yàn)樯斫M織在這些光譜范圍中具有相對(duì)低的散射。例 如，人體組織包括許多吸光發(fā)色團(tuán)，諸如含氧血紅蛋白、缺氧血紅蛋白、黑色素、水、油脂和 細(xì)胞色素等。對(duì)于可見光和近紅外光譜范圍中的大部分來說血紅蛋白是組織中主要的發(fā)色 團(tuán)，并且血紅蛋白通過光吸收促成人體組織的顏色。在可見光和近紅外光譜范圍中，含氧和 缺氧血紅蛋白具有非常不同的吸收特征。因而，已經(jīng)應(yīng)用可見光和近紅外光譜以利用這些 不同的吸收特征來測(cè)量生理介質(zhì)中的氧水平，諸如組織血紅蛋白氧飽和度（有時(shí)稱為氧飽 和度）和總血紅蛋白濃度等。
[0062] 對(duì)于可見光和近紅外光譜，已經(jīng)研發(fā)了各種技術(shù)，諸如時(shí)間分辨光譜法（TRS)、頻 域技術(shù)（諸如相位調(diào)制光譜（PMS)等）和連續(xù)波光譜（CWS)。在生理介質(zhì)的均勻和半無限 模型中，TRS和PMS兩者已經(jīng)被用來通過光子擴(kuò)散近似或者蒙特卡洛模型來獲得生理介質(zhì) 的吸收系數(shù)和優(yōu)化散射系數(shù)。從多波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，能確定含氧和缺氧血紅蛋白的濃度， 并且從這些濃度能夠計(jì)算組織氧飽和度。
[0063] CWS通常沒有足夠的信息將散射和吸收的效果分開。因而，通常不能將含氧和缺氧 血紅蛋白的濃度相互分隔開。CWS已經(jīng)通常用于求解改進(jìn)的比爾蘭伯特方程式，該方程式要 求關(guān)于組織散射的假設(shè)，并且按比例地（ratiometrically)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的波長(zhǎng)以 抵消光學(xué)路徑長(zhǎng)度，否則將要求求解該方程式。常用形式的CWS僅僅提供相對(duì)氧飽和度，不 能提供絕對(duì)氧飽和度或者含氧和缺氧血紅蛋白的濃度。
[0064] 盡管TRS和PMS能夠提供血紅蛋白濃度和絕對(duì)氧飽和度，但是TRS和PMS設(shè)備的 一個(gè)主要缺陷是設(shè)備笨重且相對(duì)昂貴。另一個(gè)主要缺陷是這兩個(gè)技術(shù)難以通過相對(duì)小體 積的組織進(jìn)行測(cè)量（即，幾毫米內(nèi)的"局部"測(cè)量）。由于與通過小體積組織的短渡越時(shí)間 相關(guān)聯(lián)的較小時(shí)間變化或相移，這些技術(shù)通常用于"區(qū)域性"測(cè)量（最小1厘米）。相反， CWS設(shè)備可以以較低的成本制造，但是通常如上所述在使用上受到限制，除非通過包括寬波 段光譜信息或者通過包括空間信息來進(jìn)行增強(qiáng)。盡管目前基于CWS的探頭已經(jīng)證明足以用 于其中測(cè)量速度不太關(guān)鍵并且相對(duì)而非絕對(duì)的絕對(duì)飽和度測(cè)量受關(guān)注的術(shù)后組織監(jiān)控。然 而，目前可用的探頭已經(jīng)示出在手術(shù)中使用時(shí)由于常見的CWS假設(shè)給出不準(zhǔn)確的飽和度測(cè) 量。當(dāng)前描述的發(fā)明的實(shí)施例相較于已知裝置提供了在組織血氧測(cè)量上的改進(jìn)。
[0065] 空間分辨光譜（SRS)是一種可見和近紅外光譜，其允許獨(dú)立于組織散射而確定組 織吸收，從而允許發(fā)色團(tuán)（例如含氧和缺氧血紅蛋白）濃度的絕對(duì)測(cè)量。更具體地，SRS儀 器可以通過光源將光發(fā)射到組織中，并在放置于距光源不同距離處的兩個(gè)或兩個(gè)以上檢測(cè) 器上收集漫反射的光。
[0066] 可替換地，SRS儀器可以發(fā)射來自兩個(gè)或兩個(gè)以上光源的光，該光源放置在距一個(gè) 或多個(gè)檢測(cè)器不同的距離處。光返回到檢測(cè)器的散射是由組織的折射率的相對(duì)變化引起 的，并包括來自諸如線粒體等的較大結(jié)構(gòu)的米氏散射（大部分組織散射是線粒體的結(jié)果） 和來自諸如細(xì)胞內(nèi)囊泡等的較小結(jié)構(gòu)的瑞利散射。光的吸收是通過與發(fā)色團(tuán)相互作用而引 起的。
[0067] 根據(jù)反射率（即，恢復(fù)光強(qiáng)度），SRS儀器能量化在單一波長(zhǎng)下組織的吸收系數(shù)和 散射系數(shù)，其中反射率是距光源的距離（例如，光檢測(cè)器的多個(gè)離散距離）的函數(shù)。
[0068] 之后可以與SRS -起使用多個(gè)光波長(zhǎng)來確定含氧和缺氧血紅蛋白濃度，并且因此 確定被探測(cè)組織體積內(nèi)的氧飽和度。此外，光源或多個(gè)光源的波長(zhǎng)和（多個(gè)）光源相對(duì)于 檢測(cè)器的相對(duì)位置允許對(duì)預(yù)定組織深度進(jìn)行組織血氧測(cè)量。
[0069] 使用可見光和近紅外光譜（例如SRS)的一個(gè)領(lǐng)域是在組織瓣外科手術(shù)中，組織 瓣從病人的一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置以進(jìn)行修復(fù)外科手術(shù)?？梢姽夂徒t外光譜技術(shù)可 以用來測(cè)量組織瓣中的氧飽和度，使得在外科手術(shù)中和外科手術(shù)之后可以確定組織瓣的存 活性。采用可見和近紅外SRS的術(shù)中組織瓣血氧探頭應(yīng)當(dāng)能夠在各種非理想條件下快速 地傳遞精確氧飽和度測(cè)量結(jié)果。于2013年5月3日提出的描述可以使用空間分辨光譜的 組織血氧測(cè)量裝置的美國(guó)專利申請(qǐng)13/887, 130、13/887, 220、13/887, 213、13/887, 178和 13/887, 152通過引用整體結(jié)合于此。
[0070] 組織血氧測(cè)量裝置
[0071] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及組織血氧測(cè)量裝置，該裝置使用SRS以提供含氧血紅蛋白和 缺氧血紅蛋白的濃度，組裝血氧測(cè)量裝置可以從這