集成脉搏血氧饱和度传感器制造技术

在医学脉搏血氧饱和度传感器（１０）中，布置了至少两个发光二极管（１６，１８）以发射穿过充氧血液通过量通常较高的受检者解剖体组织部分的红光和红外光。通常所述区域较窄，从而允许光以可接受的衰减通过所述区域，诸如手指或者耳垂。从所述二极管（１６，１８）发射的光覆盖在由单个ＣＭＯＳ衬底（２１）印刷的集成电路（２２）上。集成电路（２２）包括将检测到的光信号转换成血氧饱和度测量值所需的所有预处理和后处理元件。这些元件包括光电检测器（２０）、光电前置放大器（４０）、采样器／保持器（４２）、模数转换器（４４）、微处理器（４６）、测距仪（４８）、定时控制电路（５０）以及ＬＥＤ控制电路（５２）。通过将所有的预处理和后处理功能部件集成至托架外壳（１２），所述系统变得更加有效、制造成本更小并且对于环境光和Ｘ射线辐射更加鲁棒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及患者脉搏血氧饱和度(pulse oximetry)的测量，即涉及患者血液中的氧气量的测量。SpO2是脉搏血氧饱和度的缩写，这是医学领域普遍使用的一种方法，该方法利用光来测量动脉血液中的氧气含量。通常，SpO2传感器包括穿过组织发出红光和红外光的发光二极管(LED)。大多数传感器在较窄的肢体处使用，诸如手指、脚趾或者耳朵。测量位置处的血骨和组织吸收大量的入射光，但是有足够的可用于测量的光横穿过组织。通常，与所述发光源相对的光敏检测器，诸如光电二极管，接收穿过肢体的光。传感器测量检测器接收到的红光和红外光的量，并计算所吸收的每种波长的量。被组织、骨骼以及静脉血液所吸收的光的量在短时间周期内不会急剧改变。由于肢体的自然搏动，因此动脉血液量在短时间周期内会改变，但是由于动脉血液量是在短时间周期内改变的唯一变量，因此可以将其与其它部分隔离开来。检测器接收到的光的量表明血液内与血红蛋白结合的氧的量。氧合血红蛋白(HbO2)吸收的红外光比红光多。脱氧血红蛋白(Hb)吸收的红光比红外光多。通过比较接收到的红光和红外光的量，仪器就可以计算出血液中的SpO2读数。由于重叠了有用信号的周围环境光源的数值，因此需要对来自两个LED的光进行调制和解调。目前，标准脉搏血氧饱和度传感器包括无源光电二极管，所述无源光电二极管与LED一起封装至手指夹(finger clip)或类似外壳中。然后通常通过较长的高阻抗电缆连接系统，在远离实际传感器的印刷电路板上典型地执行光源的调制/解调以及信号的放大滤波和处理。在这样的系统中固有地存在多种缺点。目前的通常设计耗费高、消耗大量功率且比较笨重。目前通常使用的小卫星(picosat)板消耗200mW的功率，仅仅该板就具有30cm3的容积，并且在没有传感器的情况下就耗费大约110美元。由于功率消耗原因和尺寸/重量原因，使用无线也是不切实际的。另外，成本问题也使得其作为个人健康保健型产品变得不切实际。除了尺寸/成本的限制，放大器和光电二极管的分离迫使该系统经过高阻抗的长电缆流动至前置放大器的光电电流很小。由于需要屏蔽和串扰问题，该设置使事情复杂化。本专利技术设计了一种新型的改良脉搏血氧饱和度监测系统，该系统与能够有线和无线通信的单元结合使用，该系统克服了上述的尺寸、成本和外购问题以及其它问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种医学脉搏血氧饱和度传感器。托架外壳容纳了第一和第二发光二极管，其中一个发射红色频谱的光，另一个发射红外频谱的光。在所发射的光已经穿过受检者的血液充氧部分之后，光电二极管检测来自第一和第二发光二极管的覆盖光(incumbent light)。产生电信号。处理电路将所述信号处理为脉搏血氧饱和度值，所述处理电路集成地形成在安装于托架外壳中的集成半导体部件芯片上。根据本专利技术的另一方面，提供了一种制造脉搏血氧饱和度传感器的方法。将至少第一和第二发光二极管嵌入在托架外壳中。将集成电路与所述发光二极管相对嵌入在外壳中，使得二极管发射的光在照射在集成电路上之前必须通过受检者解剖体组织的部分。所述集成电路包括至少一个光电二极管，用于检测来自所述至少两个发光二极管的光信号，并用于产生指示所述光信号的信号。所述电路还包括用于对来自光电二极管的信号进行放大的放大器。所述电路还包括用于对来自光电二极管的信号进行数字化的数字转换元件。此外，所述电路还包括用于将数字信号处理成脉搏血氧饱和度值的处理单元。根据本专利技术的另一方面，提供了一种测量血氧的方法。从安装在托架外壳中的第一LED发射红光的脉冲，所述外壳适合于舒适地装配在充氧血液通过量较高的受检者解剖体组织的部分周围。还从安装在所述托架外壳中的第二LED发射红外光的脉冲。使用安装在托架外壳中的光电二极管接收已横穿人体的血液充氧部分的来自所述LED的光。所述光电二极管产生电信号。使用处理电路将所述电信号处理为血液血氧饱和度值，所述处理电路集成地形成在安装于托架外壳中的半导体芯片上。本专利技术的一个优点在于其尺寸小。另一优点在于检测元件和信号调节邻近，这给出了更好的噪声性能并消除了昂贵的布线。另一优点在于，在不同半导体过程中的专用功能分离，这导致了系统所有部件的最高整体性能。另一优点在于传感器的所有子系统的独立可测试性。另一优点在于可以以更高产量制造更小更专用的子系统。另一优点在于处理过程中自动化水平增加。另一优点在于低成本。另一优点在于传感器的直接重量显著降低。另一优点在于功耗降低。阅读和理解了下面对优选实施例的详细描述后，本领域普通技术人员将更加明白本专利技术的其它一些优点和益处。本专利技术可以是各种部件及部件布置形式，以及各种步骤与步骤布置的形式。附图仅仅用于说明优选实施例的目的，而不应理解为是对本专利技术的限制。附图说明图1是手指单元中采用集成处理的有线医学脉搏血氧饱和度传感器的优选实施图；图2是图1的医学脉搏血氧饱和度传感器的无线实施例的优选实施图；图3是图1和图2所示脉搏血氧饱和度传感器的集成电路的电路图；图4描述了图3所示电路的替代实施例。参考图1，示出了优选的医学脉搏血氧饱和度传感器10。通常，传感器10适合于装配在受检者的手指上，但是应当理解，传感器10可以容易地适合于容纳替代的位置，所述替代的位置具有较好的血液充氧通过量且具有足够的光透明度，诸如脚趾或者耳垂。传感器10包括外壳12，所述外壳12舒适地装配在所讨论的解剖体组织周围，使得传感器10不会从所述解剖体组织滑落，但是又不会很不舒服而阻止了此处的血液循环。优选的传感器包括发光阵列14，在所述实施例中，所述发光阵列14包括两个发光二极管16，18。二极管16在被激励时发射来自电磁频谱的可见红色波长的光，而二极管18在被激励时发射来自电磁频谱的红外部分的光。应当理解的是，多个附加的波长可以结合图1所示的两种类型的光使用或者替代图1所示的两种类型的光。在根据本申请的脉搏血氧饱和度传感器的优选实施例中，可以使用多至10种或者更多不同波长。继续参考图1，沿着从发光二极管16，18穿过所绘出的手指的箭头，有光电接收器阵列20。该阵列优选地包括能够被至少红色和红外频谱激励的光电二极管，但是如前面所述说明的，与许多更多波长的兼容性也是优选的。紧挨着光电接收器阵列20，优选地在普通的CMOS芯片21上，存在优选的脉搏血氧饱和度传感器10的信号处理电子设备22。为了清晰起见，在图1中将所述信号处理电子设备22描述为光电接收器阵列20的扩展，应当理解的是所述信号处理电子设备22可以位于与光电接收器阵列20相邻的任何位置，但是最优选的是与光电接收器阵列20集成在一起。优选地将光电二极管与下面将详细描述的电子部件22集成地形成在相同CMOS芯片上。然而，应当考虑到，光电二极管可以与所述CMOS芯片21分离地形成，结合至所述CMOS芯片21或者与其电连接。数据传输电缆24附装至外壳12，以将分析得到的脉搏血氧饱和度数据输送至通常的显示或者记录装置，并为脉搏血氧饱和度传感器的部件提供功率。由于已经对数据进行了处理，并优选地进行了数字化以及放大，因此传输电缆不需要屏蔽并且可以具有低阻抗。现在参考图2，描述了脉搏血氧饱和度传感器10的无线实施例。应当理解的是，适用于图1的功能性论述同样适用于图2，因为相似的指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种医学脉搏血氧饱和度传感器（１０），包括：托架外壳（１２），适合于舒适地装配至充氧血液通过量较高的受检者解剖体组织的部分周围；安装在所述外壳（１２）内的第一发光二极管（１６），用于发射红色波长电磁频谱中的光；安装在所述外壳（１２）内的第二发光二极管（１８），用于发射红外波长电磁频谱中的光；至少一个光电二极管（２０），用于在所发射的光已经穿过受检者的血液充氧部分后，检测来自第一和第二发光二极管（１６，１８）的覆盖光，并产生指示所述光的电信号；处理电路（２２），其集成地形成在安装于所述托架外壳（２１）中的集成半导体部件芯片（２１）上，所述处理电路（２２）用于根据所述波长中的至少之一将所述信号处理成脉搏血氧饱和度值和体积描述波形。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：O祖赫，J劳特，R平特，J穆尔施特夫，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]