[发明专利]用于非侵入式监测受检者的血液特性的传感器、设备和方法

说明书

技术领域

本公开涉及用于非侵入式监测受检者的血液特性的传感器、设备和方法。该设备典型地是脉搏血氧计(pulse oximeter)，而该传感器典型地是能附连到受检者并且适应于从该受检者采集(光)体积描记信号的脉搏血氧计传感器。

背景技术

体积描记法指通过测量血液容量的变化来测量器官和四肢的大小和体积变化。光体积描记法涉及使用传输通过血液或由血液反射的光信号用于监测受检者的生理参数。常规的脉搏血氧计使用红和红外光体积描记(PPG)波形，即分别在红和红外波长测量的波形，来确定受检者的搏动动脉血的氧饱和度。在常规的脉搏血氧计中使用的两个波长典型地是大约660nm(红光波长)和大约940nm(红外波长)。

脉搏血氧计是目前注重连续监测动脉氧饱和度(SpO₂)的标准。脉搏血氧计提供动脉氧合作用的瞬时活体内测量，并且由此提供例如动脉血氧不足的早期警告。脉搏血氧计还显示光体积描记波形，其可以与在测量部位(典型地在手指或耳朵中)的组织血液容量和血液流量(即，血液循环)有关。

典型地，脉搏血氧计使用上文提到的两个波长(红和红外)来确定氧饱和度。可在双波长脉搏血氧计中确定的其他参数包括例如脉搏率、末梢灌注指数(PI)和pleth变异指数(PVI)。将波长的数量增加至至少四个允许测量总血红蛋白(THb，克每升)和例如氧合血红蛋白(HbO₂)、脱氧血红蛋白(RHb)、碳氧血红蛋白(HbCO)和高铁血红蛋白(metHb)等不同的血红蛋白类型。测量总血红蛋白的前提是使用的波长向上扩展到其中吸水性高到由此能够探测血红蛋白和水两者的浓度的范围。实际上，设计成测量总血红蛋白的脉搏血氧计可提供有从大约600nm向上至大约1300nm的范围的8至16个波长(即光源)。

测量血液特性典型地以来自不同光源的光束遵循通过中介组织到光电探测器的相同的路径的假设为基础。如果未做出该假设，测量因为需要对于每个波长确定路径长度而变得非常复杂。然而，在能够确定总血红蛋白的多波长血氧计中，因为不存在能够以能接受的接收特性接收这样的宽范围波长的可用光电探测器，使用多个光电探测器变成必需。例如，广泛使用的硅光电探测器的响应度相当急剧地下降大约1000nm，而现代的InGaAs(砷化铟镓)光电探测器从近似900nm至近似1700nm是灵敏的。

因此，多波长脉搏血氧计的传感器通常设计成使得光束大致上沿着通过要监测的组织的公共路径(即通过小动脉床的光路长度对于所有的波长是大致上相同的)行进。关于光信号的传输端，采用大致上点状的方式设置传感器的多个小尺寸的光源使得光路在传输端对于所有的波长仍然大致上相同，这通常是不困难的。然而，在传感器内设置具有相当大面积的两个光电探测器使得在接收端还满足相同的要求，由此来避免在测量中引入误差(由于传感器不能沿着公共路径在所有波长传输光脉冲)，这是更加困难的。

对于上面的问题的一个解决方案是在传感器中使用夹层或层状探测器设计。这牵涉到光电探测器由多层探测器元件组成，该多层探测器元件包括放置在彼此顶部上的两个探测器层。例如，锗光电二极管可放置在硅光电二极管下面。该层状元件操作使得对于在约1000nm以下的波长，上部硅光电二极管接收传输的光。在该波长以上，硅光电二极管变成大致上透明的并且下部锗光电二极管接收光脉冲。

夹层或层状探测器设计的缺陷在于相当复杂的机械结构，其要求制造工艺的精确性。这些特点趋于转化成对于最终用户的高成本，其进而阻碍多波长测量的引入和扩展。在夹层设计中，顶部探测器还使由底部探测器接收的光衰减，该底部探测器从而典型地具有比暴露于直射光束的探测器更低的灵敏度。

发明内容

上文提到的问题在本文解决，其将从下列说明书理解。

为了实现简单的传感器组件，具有部分重叠的光谱响应度范围的光电探测器安装在传感器中而没有使通往这些探测器的光路相同。传感器的波长中的至少一个设置成在重叠范围中发射，由此来使体积描记信号能够关于光路而规范化。该路径规范化是好像信号通过单个光电探测器接收一样转换体积描记信号的操作，即信号适应于单一路径长度规范或参考。因此，传感器的机械结构不需要实现公共光路并且探测器可采用简单的方式(例如并排)安装在传感器内。