[发明专利]用于确定对象的血液中的物质的浓度的设备、系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定对象(诸如人或动物)的血液中的物质的浓度(诸如氧气(氧饱和度、SpO2)、胆红素、CO2等的浓度)的设备、系统和方法。

背景技术

人的生命体征(例如心率(HR)、呼吸率(RR)或血氧饱和度)用作人的当前状态的指示器和严重医学事件的强大的预测器。出于该原因，在住院病人和门诊病人护理环境、在家或在其他健康、休闲和健康环境中广泛地监测生命体征。

测量生命体征的一个方式是体积描记术。体积描记术总体涉及器官和身体部分的体积改变的测量结果，并且具体而言，涉及归因于随着每次心跳行进通过对象的身体的心血管脉搏波的体积改变的探测。

光电体积描记术(PPG)是评价感兴趣的区域或体积的光反射系数或透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于以下原理：血液比周围的组织吸收更多的光，因此随着每次心跳的血液体积的变化相应地影响透射和反射。除关于心率的信息之外，PPG波形可以包括可归因于诸如呼吸的其他生理现象的信息的PPG波形。通过评价不同波长处(通常红色和红外线)的透射性和反射性，可以确定血氧饱和度。

用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度(还被称为SpO2)的常规脉搏血氧计(在本文中还被称为接触PPG设备)被附接到对象的皮肤，例如，指尖、耳垂或前额。因此，其被称为“接触式”PPG设备。典型的脉搏血氧计包括红色LED和红外LED作为光源和用于探测已经透射通过患者组织的光的一个光电二极管。可商购的脉搏血氧计在红色和红外波长处的测量之间迅速地切换，并且从而在两个不同波长处测量相同面积或体积的透射性。这被称为时分多路复用。每个波长处的随时间的透射性给出针对红色和红外波长的PPG波形。虽然接触PPG被认为是基本上非侵入式技术，但是接触PPG测量结果常常被体验为不愉快并且突兀的，因为所述脉搏血氧计直接附接到所述对象并且任何电缆限制移动的自由度并且可能阻碍工作流程。

脉冲信号和氧饱和水平(SpO2)的快速和可靠的探测和分析是许多健康应用中的最重要的活动之一，其在患者在危险状态中的情况下变为重要的。在那些情况中，心搏信号的脉动性是非常弱的，并且因此，测量结果易受任何类型的伪影影响。

现代光电体积描记术传感器不总是提供紧急情况中的快速并且可靠的测量结果。例如，接触指脉搏血氧计(基于透射性PPG)易受手的运动影响，并且在归因于身体外围的较低的血液体积的患者集中化的情况下失效。接触式前额脉搏血氧计传感器(使用反射性PPG测量结果模式)被认为对于聚集效应是更鲁棒的。然而，前额传感器的准确度、鲁棒性和响应性主要取决于前额的传感器的正确定位和施加到皮肤的适当的压力(传感器的太紧的应用可能降低局部血液脉动性、太松的应用可能导致归因于运动伪影和/或静脉脉动性的不可靠的测量结果)。

最近，已经引入了用于不引人注目的测量的非接触式远程PPG(rPPG)设备(也称为相机rPPG设备)。远程PPG利用与所述感兴趣对象远程地布置的光源或一般地辐射源。类似地，探测器(例如，相机或光探测器)也可以远离所述感兴趣对象布置。因此，远程光电体积描记系统和设备被认为是不突兀的并且很适于医学以及非医学日常应用。该技术特别地对要求生命体征监测的具有极度皮肤敏感性的患者(诸如具有极其脆弱的皮肤的NICU患者或早产儿)具有独特的优点。

Verkruysse等人“Remote plethysmographic imaging using ambient light”Optics Express，16(26)，2008年12月22日，第21434-21445页展示了可以使用环境光和使用红、绿和蓝颜色通道的常规消费水平视频相机来远程地测量光电体积描记信号。

Wieringa等人"Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging:A First Step Toward"SpO2Camera"Technology,"Ann.Biomed.Eng.33,1034-1041(2005)公开了一种用于基于不同的波长处的体积描记信号的测量结果来对动脉氧饱和度进行无接触成像的远程PPG系统。所述系统包括单色CMOS相机和具有三个不同的波长的LED的光源。所述相机在所述三个不同的波长处顺序地采集所述对象的三个影片。可以在单个波长处根据影片确定所述脉搏率，然而为确定所述氧饱和度，需要不同的波长处的至少两个影片。所述测量在暗室中执行，一次仅使用一个波长。