光学生理传感器及方法技术

技术编号:18602001 阅读:18 留言:0更新日期:2018-08-04 21:25
本发明专利技术描述了生理传感器和应用方法。这些传感器通过检测最近发现的通过皮肤漫射的两个或更多个波长的光的光谱光密度的变化来发挥功能。传感器包含:用于发射第一波长的第一装置,其中用于发射第一波长的第一装置可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长;用于发射第二波长的第二装置,其中用于发射第二波长的第二装置可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长;与用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置光学隔离的检测装置;和被配置以接收来自检测装置的输入的处理器装置。

Optical physiological sensors and methods

The present invention describes a physiological sensor and an application method. These sensors function by detecting recently discovered changes in the spectral density of two or more wavelengths of light diffused through the skin. The sensor includes: the first device for transmitting the first wavelength, in which the first device for transmitting the first wavelength can be configured to transmit the first target wavelength from 650 nm to 670 nm; the second device for transmitting second wavelengths, in which the second devices for transmitting the second wavelengths can be configured to transmit from 840 nm to 860 nm. The two target wavelength; the detection device for optical isolation of the first device for transmitting the first wavelength and the optical isolation of the second device for transmitting the second wavelength; and a processor device configured to receive input from the detection device.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学生理传感器及方法交叉参考本申请要求2016年10月24日提交的美国专利申请15/332,230的优先权,该专利申请要求2015年10月26日提交的题目为OPTICALPHYSIOLOGICSENSORSANDMETHODS的美国临时申请号62/246,374的权益,该申请通过引用结合到本文中。背景人类的主要生命依从关系之一是通过肺和血液循环系统以维持有氧代谢的足够的量持续递送氧气至身体的所有组织;从而避免因太少或过多的氧气所致的组织损伤。为了粗略评估该信息,临床医生必须用脑力使呼吸气体氧气分数、呼吸率、心率、心输出量、血液血红蛋白水平、动脉血液血红蛋白-氧饱和度("血气"或SaO2)和脉搏血氧测量法(SpO2)的测量结果,以及动脉血流分布的主观评价相互关联。虽然已知这些单独的测量的每一个提供重要的信息,但这种目前可获得的数据,即使有专家分析,也不能提供已长期缺失的“底线”组织-水平了解。临床医生早就知道,至关重要的器官(特别是脑)的组织,而不是血液,面临受伤的风险。最近介绍的LumeeTM传感器(Profusa),测量组织的氧水平,但不能指示是否有足够的,或太多的氧。同样,得自Kenzen的新的汗液乳酸盐传感器指示什么时候皮肤缺氧,但不能在没有汗液产生时工作,且在过多的氧气存在时没有感知。在这个医疗保健的关键部分中,在没有准确的客观组织-水平信息的情况下,血液和组织氧度量的局限性、人感官的知觉错误和主观临床医生评估误差可能无意中导致永久性的重要器官组织损伤及可能死亡。因此,在危重病护理医学中,在组织水平上对氧-相关的能量转换代谢的客观、可靠和最好非侵入性指示有着未满足的需求。对基础生理信息的个人需要和渴望在正常生活的许多领域内也被发现,例如一般健康的维护和调节,肥胖的减肥运动,维持休闲和工作场所活动的安全,和体育训练和表演。虽然“医疗设备-样”生命体征监测设备最近被重新包装成消费者友好型“活动追踪”设备,但对于他们的生理信息的传递仍存在同样的限制。概述在本公开内容的一个方面,具有合适的电源的生理指标(PI)传感器被配置以使用约660+/-10nm和约850+/-10nmLED发射器。凭经验已发现这两个波长区域产生相对于同时获得的从660+/-10nm光产生的信号强度,从850+/-10nm光的各自光信号强度的最明显的分歧。在皮肤组织供氧不足(例如可由短暂呼吸氮气引起)的情况下,来自660+/-10nm光的光信号强度,在它已漫射通过皮肤组织后,已经发现强度比在来自850+/-10nm光通过皮肤组织类似地漫射后的信号更迅速减少。相反地,相对于皮肤组织氧需要和耐受性的过多的组织供氧的存在,例如可以由短暂呼吸纯氧引起,已被发现产生来自850+/-10nm光的渐进的独特发散光信号(相对于同时获得的从660+/-10nm光产生的信号),其中来自850+/-10nm光的光信号强度比来自660+/-10nm光的信号更迅速地减少,可能与皮肤内活性氧类(ROS)化学反应产物的逐渐增加的存在,例如在呼吸气体中增加的氧气分数的吸入,或在延长的锻炼活动结束后对应。应该注意到类似的、但通常较不显著的光子响应已被发现存在于以上所列中心波长的光的任一侧的光谱区域内,且以上规定仅仅是示例性的,而不打算是排斥性的,且被提供以说明涉及的一般概念。还应该注意到公开的PI信号不是皮肤或血液中氧的直接测量。相反,它被作为目前氧输送至皮肤组织的速率是小于、刚刚好、还是超过皮肤组织对皮肤组织当前适应的有氧能量转换所需的指标公开。在本公开内容的另一方面,两个或更多个选择的波长的光可从远程宽带白炽灯(使用特定波长的带通滤波),或者从远程LED或激光(使用光纤将照明光传播至皮肤表面)获得。此外,已通过患者皮肤漫射的光可通过光纤从患者的皮肤表面传输至远程检测器。一种选择可能是使用未经过滤的宽带光源照明,通过光纤将宽带光传输至皮肤,并通过单独的光纤将皮肤-漫射的光返回至光谱仪用于波长特异性的检测和分析。这些替代方法,尤其可以有效地用于研究目的,或当皮肤表面浸在水里或者否则电线无法接近时。本公开内容的另一方面是校准、数据计算和显示的方法,因为这些涉及被监测的生理学。目前最常用的生物测量学是标量,这意味着它们作为连续数字尺度被校准、计算和显示。最近发现的PI信号,在另一方面,被观察到独特地具有中央数字值区域,在任何一侧伴有不同的和明显的信号偏差模式。按照惯例,中央区域的中部被公开为“PI零”,其中在数值中一个明显偏差模式越来越趋向负值,而另一个偏差模式越来越趋向正值。计算的PI信息作为指标被公开,且不作为一种识别或测量皮肤内特定分子的存在或浓度的手段。因此,PI值变化的数字速度最初被定义为使用现有的电子元件和软件控制和计算方法,提供可接受的数字解析。同样,通过实验观察已经发现,需要适应皮肤色素沉着的程度的自然宽度变化,皮肤组织对所用波长不透光的范围,及可能的其它必须适应的正常变化,以创建一个实用的生物计量仪器。一个标准化的过程也被公开,由此建立了初始PI零点值并优化了PI值计算的解析。这个过程在软件控制下,通过逐步加大功率至660+/-10nm(红色)LED开始,使用固定在正休息的用户皮肤的所需表面上的传感器,直至传感器信号对模拟数字(A/D)转换器的数字计数导致约80%的最大A/D计数的输出值。红色LED功率电平然后固定在控制存储器中。然后逐步加大功率至850+/-10nm(IR)LED,直至其检测的A/D计数刚刚不到(即不到一个IRLED功率电平步距)由红色LED在其固定的功率电平产生的A/D计数;因此IRled功率电平被固定在控制存储器中。然后,这些波长的每一个的交变信号样本按1秒间隔获得,并计算经1分钟的A/D计数的平均差异。这个平均补偿值然后被存储在控制存储器中以用作固定的偏差补偿值,以致当从红色样本的A/D计数值减去IR样本的A/D计数值时,固定的偏差补偿值越小,开始的PI值是零。随后的测量和计算在用户例如进行日常锻炼时,在计算PI值中继续使用固定的偏差。本公开内容的生理传感器可配置为通过两个或多个波长光子信号变化检测皮肤或其它身体组织中无氧(即糖酵解)能量转换代谢的分子反应中间体的积聚。从置于皮肤或经手术暴露的内部器官上的传感器检测的信号也可用作有氧(即糖酵解+三羧酸循环(KrebsCycle))能量转换代谢的过多的组织氧输送率的指标;分别作为需要满足至关重要的内脏器官组织对氧的需求(但不超过安全限制)以用最小的损伤执行能量转换的充分组织氧输送率的替代指标或直接指标。本公开内容的另一方面涉及光子生理传感器,其被配置以通过两个或多个波长光子信号变化检测据认为是分子反应产物在皮肤上的积聚,所述产物由过多的高度活性氧自由基原子(如O-)或分子(如O2-和OH-、H2O2、NO等,也称为活性氧类,或ROS),其通过自发的化学反应,与组织和皮肤中的细胞脂质、蛋白质和DNA分子结合。在例如早产儿的一些情况下,目前发表的研究越来越强调需要防止过多的ROS在脑、眼和肠道中的积聚。本公开的PI监测方法作为用于检测在重要器官组织中过量的这样的ROS的积聚的、快速响应的、非侵入性的替代指标提供。非侵入性和受常见来源的机械、电子、电磁和光信号噪声的最低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生理指标传感器,其包含:用于发射第一波长的第一装置,其中用于发射第一波长的第一装置可配置为发射从650 nm至670 nm的第一目标波长;用于发射第二波长的第二装置,其中用于发射第二波长的第二装置可配置为发射从840 nm至860 nm的第二目标波长;与用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置光学隔离的检测装置;和被配置以接收来自检测装置的输入的处理器装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.26 US 62/246374;2016.10.24 US 15/3322301.一种生理指标传感器,其包含:用于发射第一波长的第一装置,其中用于发射第一波长的第一装置可配置为发射从650nm至670nm的第一目标波长;用于发射第二波长的第二装置,其中用于发射第二波长的第二装置可配置为发射从840nm至860nm的第二目标波长;与用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置光学隔离的检测装置;和被配置以接收来自检测装置的输入的处理器装置。2.权利要求1的生理指标传感器,其中生理指标传感器还包含数据传输装置。3.权利要求1的生理指标传感器,其中生理指标传感器可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。4.权利要求1的生理指标传感器,其还包含具有第一孔径和第二孔径的外壳装置。5.权利要求4的生理指标传感器,其中第一孔径和第二孔径充满了光学透明的材料。6.权利要求4的生理指标传感器,其还包含被配置以将生理指标传感器固定于用户的手臂或胸部的固定装置。7.权利要求1的生理指标传感器,其还包含一个或多个导电皮肤接触粘附装置。8.权利要求1的生理指标传感器,其中用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。9.权利要求1的生理指标传感器,其中用于发射第一波长的第一装置和用于发射第二波长的第二装置的至少一个是未经过滤的宽带光源,使用光纤电缆用于将光传输至皮肤及从皮肤传输光,且检测装置是光谱仪,其中由光谱仪获得的选择波长强度值用来计算生理指标。10.一种生理指标传感器,其包含:用于发射第一波长的第一发射器,其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650nm至670nm的第一目标波长;用于发射第二波长的第二发射器,其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840nm至860nm的第二目标波长;与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器;和被配置以接收来自检测器的输入的处理器。11.权利要求10的生理指标传感器,其中生理指标传感器还包含数据传输器。12.权利要求10的生理指标传感器,其中生理指标传感器可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。13.权利要求10的生理指标传感器,其还包含具有第一孔径和第二孔径的外壳。14.权利要求13的生理指标传感器,其中第一孔径和第二孔径充满了光学透明的材料。15.权利要求13的生理指标传感器,其还包含被配置以将生理指标传感器固定于用户的手臂或胸部的固定器。16.权利要求10的生理指标传感器,其还包含一个或多个导电皮肤接触粘附垫。17.权利要求10的生理指标传感器,其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。18.权利要求10的生理指标传感器,其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个是未经过滤的宽带光源,其中通过光谱仪选择的两个或更多个波长强度值用来计算生理指标值。19.一种生理指标传感器,其包含:适合于附着用户的胸部或手臂的外壳,其中外壳具有第一孔径和第二孔径;第一发射器,其中第一发射器可配置为通过第一孔径发射从650nm至670nm的第一波长;第二发射器,其中第二发射器可配置为发射从840nm至860nm的第二目标波长;布置在外壳内的检测器,其中检测器在外壳内与第一发射器和第二发射器光学隔离,并邻近第二孔径;和被配置以接收来自检测器的输入的处理器。20.权利要求19的生理指标传感器,其中生理指标传感器还包含数据传输器。21.权利要求19的生理指标传感器,其中生理指标传感器可配置为测定氧输送和有氧能量转换的一个或多个指标。22.权利要求19的生理指标传感器,其中第一孔径和第二孔径充满了光学透明的材料。23.权利要求19的生理指标传感器,其还包含被配置以将生理指标传感器固定于用户的手臂或胸部的固定器。24.权利要求19的生理指标传感器,其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个通过电缆被连接到生理指标传感器外壳。25.权利要求19的生理指标传感器,其中用于发射第一波长的第一发射器和用于发射第二波长的第二发射器的至少一个是未经过滤的宽带光源,其中由光谱仪选择的两个或更多个波长强度值用来计算生理指标值。26.一种检测生物学参数的方法,其包括:使生理指标传感器接触患者的手臂或胸部,其中生理指标传感器还包含:用于发射第一波长的第一发射器,其中用于发射第一波长的第一发射器可配置为发射从650nm至670nm的第一目标波长;用于发射第二波长的第二发射器,其中用于发射第二波长的第二发射器可配置为发射从840nm至860nm的第二目标波长;与第一发射器和第二发射器光学隔离的检测器;和被配置以接收来自检测器的输入的处理器;用电源给生理指标传感器供电;以第一波长发射光和以第二波长发射光;检测通过组织的漫射光;和分析由漫射光产生的检测信号。27.权利要求26的方法,其...

【专利技术属性】
技术研发人员:GM黑奇
申请(专利权)人:锐威生物传感公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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