CN102065749B - 利用“就地”调制方案监测患者的生命参数以避免干扰 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过测量发射到患者组织上的光的衰减来监测所述患者生命参数的方法，包括以下步骤：利用调制频率或/和调制编码来调制所述光；将经调制光发射到所述患者的组织上；收集透射通过所述组织的光或/和从所述组织反射的光；对所收集的光进行解调；关于所述环境光的干扰对已解调的所收集的光进行分析；确定使得环境光的干扰最小化或降到预定阈值以下的调制频率或/和调制编码；以及根据所确定的使得环境光的干扰最小化或降到预定阈值以下的调制频率或/和调制编码设置用于调制所述光的调制频率或/和调制编码。通过这种方式，提供了一种可能，即通用而可靠地以高的信号干扰比监测患者的生命参数。

Description

利用“就地”调制方案监测患者的生命参数以避免干扰

技术领域

本发明涉及光衰减测量的领域，并且具体涉及通过测量发射到患者的组织上的光的衰减来监测患者生命参数的方法和装置。 

背景技术

在传播通过特定介质或从特定介质反射时测量光的吸收和/或散射构成了各种医疗领域的基础，例如病人监护仪中广泛应用的很多光学分光镜分析法的基础。一个说明性的示例是透射脉冲血氧定量法。 

脉冲血氧定量法是用于非侵入性监测患者动脉氧饱和度的光学方法，并且已经成为临床实践中最常使用的技术之一。在红血球中蛋白质血红蛋白(Hb)与氧气结合以通过身体传输，其具有在被氧化时颜色从暗红变为鲜红的性质。通过在两个或更多波长发射和检测光，脉冲血氧定量计确定周边血管床中的光吸收，以获得对氧饱和度的间接估计，即，氧络血红蛋白(HbO₂)的浓度分数。脉冲血氧定量计依赖心脏收缩和舒张导致的动脉血容积变化来确定仅由脉动的动脉血吸收的光量，由此很大程度上排除了组织和静脉血的贡献。 

在很多应用中，包括血氧定量法中，需要同时或准同时测量不同波长，即不同颜色的光路的衰减。为此目的，通常利用多个光源，它们通常与单个光探测器组合。为了能够在光探测器处区分来自每个发射器的信号，通常采用电复用方法，例如时分复用(TDM)、频分复用(FDM)或码分复用(CDM)。 

在医疗实践中，在例如病人监护中应用的光衰减测量受到电磁干扰的影响。通常，这样的干扰由各种光波长且具有不同调制频率的环境光构成。常见的示例包括自然光，其通常未经调制，以及来自白炽灯和来自荧光灯的人造光，白炽灯的光以双倍市电频率(100Hz或120Hz)以及50Hz或60Hz谐波被调制，荧光灯的光闪烁率取决于具体的电子镇流器而从几十到几百千赫变化。 

通常，在光谱测定装置中，采取措施来减轻外部干扰对测量的影响。例如，在脉冲血氧定量计中，调制光源，使得在光探测器处，能够通过滤波或解调将发射的光与环境光区分开。不论应用什么调制技术，常规方法都依赖于对环境光的频谱调制的认知，并假设所用的光源调制频率或频带在装置使用寿命内都维持固定。然而，如果事前仅部分知道或不知道环境光调制频谱，例如，在光谱测定装置工作在光通信***附近时就是这种情况，那么在装置工作频率处探测到的光的调制频谱中可能存在干扰。类似地，高强度放电(HID)灯的新操作方案可能会导致具有宽频率范围的干扰信号。此外，预计新兴的发光二极管(LED)光源会使用宽范围的调制频率，从而产生新的干扰源。如果干扰信号损害了工作频带，信号干扰比(SIR)可能下降很大程度，由此使测量质量降低。 

EP1655881A1公开了一种***，其用于诸如患者血氧饱和度参数的患者医学参数监测***中，用于减小调制信号通信中的信号干扰，其包括测量处理器，在解调之前测量处理器测量所接收幅度调制信号的噪声分量幅度。测量处理器还识别幅度大于另一噪声分量幅度的噪声分量的频率。基本在所识别噪声分量的谐波频率处产生载波频率并将载波频率用于产生幅度调制信号并进行解调。

发明内容

本发明的目的在于提供这样一种方法和对应的装置，该方法通过测量发射到患者组织上的光的衰减来监测患者的生命参数，该装置以通用且可靠的方式实现高的信号干扰比。 

这个目标是通过一种通过测量发射到患者组织上的光的衰减来监测所述患者生命参数的方法实现的，该方法包括以下步骤： 

根据调制模式调制所述光； 

将经调制光发射到所述患者的组织上； 

收集环境光和/或透射通过所述组织的光和/或从所述组织反射的光； 

根据所述调制模式对所收集的光进行解调； 

关于所述环境光的贡献对已解调的所收集的光进行分析； 

确定使得环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式；以及 

根据所确定的使得环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式设置用于调制光的调制模式。 

根据本发明，收集透射通过组织的光或/和从组织反射的光，这是衰减测量所必需的，以便监测患者的生命参数。然而，在收集这样的光时，不可能完全避免也收集到至少一些环境光。于是，“收集环境光”的步骤并非意味着必须要采取专门措施来收集这种环境光。可是，当然，采取这样的措施落在本发明的范围之内，在收集透射和/或反射光时始终将收集到环境光。此外，如果因为没发射光而没有任何透射和/或反射光，也可能收集到环境光。这意味着根据本发明的方法的上述步骤不必同时执行。具体而言，这意味着，可以在发射经调制光期间和/或在不发射经调制光从而仅收集环境光的时间段内执行“收集环境光和/或透射通过组织的光和/或从组织反射的光”的步骤。 

因此，本发明的重要理念是在工作期间，即“就地(in-situ)”针对环境光的调制频谱调整调制方案。由于根据环境光的干扰(这是基于环境光的贡献“就地”确定的)“就地”设置调制方案，即调制频率或调制编码，所以大大减小了环境光对信号干扰比的负面影响。 

应当强调的是，术语“患者”不仅仅指患病的人，而是指所有的人和动物，无论是否健康。 

通常，有几种执行本发明的不同方式。不过，根据本发明的优选实施例，调制模式为调制频率或/和调制编码。 

此外，根据本发明的优选实施例，使将光发射到所述患者的组织上的步骤中断预定的中断时间段，在这一中断时间段期间，依次利用不同的调制频率对所收集的光进行解调，以及将使得解调所收集的光的输出最小化或降到预定阈值以下的调制频率确定为所述预定中断时间段之后用于发射到所述患者的组织上的光的调制频率。于是，根据本发明的这一优选实施例，利用了该方法可以操作在不同频率，即不同FDM模式的事实。优选地，这些不同FDM模式在频域中大致，最优选精确地，彼此正交。 

对于本发明的这一优选实施例而言，更优选地，不同调制频率是频率的离散集或在预定范围内是连续的。优选使将光发射到所述患者的组织上的步骤周期性地中断。此外，除了在衰减测量和频率调整之间交替改变之外，优选基于对解调器输出的分析而启动调整阶段。 

根据本发明的另一优选实施例，使将光发射到所述患者的组织上的步骤中断预定的中断时间段，在这一中断时间段期间，依次利用不同的调制编码对所收集的光进行解调，以及将使得解调所收集的光的输出最小化或降到预定阈值以下的调制编码确定为所述预定中断时间段之后用于发射到所述患者的组织上的光的调制编码。 

此外，类似于前述本发明的优选实施例，优选使将光发射到所述患者的组织上的步骤周期性地中断。此外，除了在衰减测量和编码调整之间交替改变之外，优选基于对解调器输出的分析而启动调整阶段。 

此外，对于使用调制编码代替调制频率的情况，在关于环境光的贡献分析已解调的所收集的光的步骤得到低水平贡献的情况下，使用较短的调制编码；在关于环境光的贡献分析已解调的所收集的光的步骤得到高水平贡献的情况下，使用较长的调制编码。 

此外，根据本发明的优选实施例，使将光发射到所述患者的组织上的步骤中断预定的中断时间段，在这一中断时间段期间，使用傅里叶变换确定所收集的光的功率谱，以及将这样的频率确定为所述预定中断时间段之后用于发射到所述患者组织的光的调制频率，该频率的功率谱具有其最小值或其功率谱下降到预定阈值。于是，本发明的这一优选实施例涉及直接，即在解调之前，评估所收集光的频谱。还是对于该优选实施例，进一步优选地，使将光发射到所述患者的组织上的步骤周期性地中断。 

根据本发明的另一优选实施例，通过在至少两个频率模式或频带的预定集合内循环来连续改变发射到所述组织上的光的调制频率；并且将使得解调所收集的光的输出最大化或超过预定阈值的调制频率确定为用于发射到所述患者组织的光的有效(active)调制频率。这种优选方法也称为跳频。 

在这种情况下，优选调整频率集以避免被调制的环境光干扰。通常，能够预期，环境光调制频谱不覆盖整个频率集，并且能够假定调制频率中的至少一个不受干扰。为此，优选选择频率集，使得能够确保高频谱多样性。因此，针对该集合中频率中的至少一个，即无干扰的那个频率而探测到的光得到最大衰减测量值。对于给定颜色的光，衰减测量值与调制频率无关。如果该集合中的另一个频率获得了更低的衰减测量值，这是该调制频带中干扰的结果，并且优选替换对应的频率。 

原则上，能够任意地选择或基于一些选择标准选择该集合中的新频率。优选地，如前所述，应用频谱感测来选择用于跳频的初始集合并替换该集合中的频率。本发明的这一优选实施例的情况下，优选不中断光到患者组织上的发射。优选地，在使用另一调制频率的同时选择新的调制频率或频 率集。此外，尤其优选的是，使用仅有两个频率的集合，其中第二个调制频率是在利用第一频率测量衰减时从频谱中选择的，反之亦然，由此连续寻找最佳的调制频率。 

自适应调制跳频的优点在于，该方法基于对所接收的多个频率的信号的准同时评估，由此允许连续测量而不会被调整阶段打断。 

上述目的还通过一种通过测量发射到患者组织上的光的衰减来监测患者生命参数的装置来实现，该装置具有 

光调制器，其适于根据调制模式调制所述光； 

光发射器，其适于发射经调制光到所述患者的组织上； 

光探测器，其适于透射通过所述组织的光或/和从所述组织反射的光，并不可避免地适于收集环境光； 

光解调器，其适于根据所述调制模式对所收集的光解调； 

干扰分析器，其适于关于所述环境光的贡献分析已解调的所收集的光；以及 

处理单元，其适于确定使得所述环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式，并根据所确定的使得环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式设置用于调制所述光的调制模式。 

对于根据本发明的优选实施例的装置而言，这种装置适于以至少两种不同波长发射光。此外，尤其优选的是该装置为脉冲血氧定量计。 

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得到阐述。 

在附图中： 

图1示出了用于透射脉冲血氧定量法的典型布置； 

图2示出了根据本发明实施例的透射脉冲血氧定量法的一般化方框图； 

图3示出了具有周期性方波基准信号的解调器； 

图4示出了根据本发明实施例的不同FDM模式的频谱；以及 

图5示出了来自WH256码本的不同代码频谱。 

具体实施方式

根据本发明的实施例，不是在制造衰减测量装置时固定光调制频带，而是“就地”调整调制方案以适应环境光的调制频谱。这种调制方案是通过主动监测环境光或其对检测性能的影响并改变透射和/或检测参数使得能够避免或抑制调制环境光的干扰而实现的。 

图1示出了用于透射脉冲血氧定量法的典型布置：红光源1和红外(IR)光源2用于向患者的组织，即手指3上辐照660nm的红光和940nm的IR光。然后利用公共光探测器4收集透射通过手指3的光的部分。 

图2示出了根据本发明实施例的透射脉冲血氧测量计的一般方框图。该***包括处理单元5，处理单元5调节光调制器6的参数，光调制器充当脉冲控制器并调制光源1、2。光调制器6的配置取决于所应用的具体复用方案，例如，对于TDM而言，交替激活光源1、2，而对于FDM而言，光源1，2同时发光，但具有不同的调制频率。复用方案的理由是，通过这种方式，能够将同一光探测器4用于估计来自光源1，2两者的光衰减。 

光探测器4探测传播通过手指3的介质的光并将其转换成电信号。该信号然后由信号调节块8预处理，信号调节块包括模拟放大器和带通滤波器，其使得信号适于被模数转换器(ADC)9转换到数字域。每个相关器10都包括解调器11和解复用器12，用于对所探测的光同时进行解调和解复用，并将结果提供给处理单元5，处理单元5通过评估所透射和已解调信号来确定关心的参数。为此，处理单元包括干扰分析器14。 

根据本发明实施例的方案与所应用的具体复用技术无关，因为所有衰减测量方法都结合了某种调制方法。为了使问题简化，以下实施例的描述限于单个光源，由此忽略了具体的解复用方法。对于单个光源而言，仅需要一个相关器10。那么，该相关器10简单地等于解调器11，例如如图3所示。在这里，通过将所接收信号乘以相同基频的局部基准(fm＝1/Tm)使关于光衰减的信息存在于基带中。接下来，通过低通滤波器13传递信号，仅保留基带信号，由此对带外干扰不予考虑。 

应当指出，图3中的方波仅是说明性的，因为只要基频和/或谐波重合，就可以应用任何周期信号来既调制光源1，2，又解调所接收信号。 

根据本发明的第一实施例，应用了这样的事实：***能够工作在不同 频率或FDM模式。如图4所示，这些FDM模式在频域中大致正交。在经历的干扰具有频谱色时，存在一种使所经历干扰最小化的模式。此外，应当指出，可以将TDM***解释为还工作在单一或多个FDM模式下。 

通过评估解调器输出(y)针对干扰低的频带调整***工作频率(fm)。为此，首先关闭光源，然后调整***的解调频率，使得解调器的输出最小化或变得低于预定阈值，接下来相应地改变调制频率。 

该方法能够在衰减测量和频率调整之间周期***替，或能够基于对解调器输出信号的分析启动调整阶段。要考虑的频率能够是离散集或在一定范围内连续的。处理单元能够调整解调频率直到满足一些选择标准，例如获得了某一最小SIR；或者评估整个范围或频率集，然后选择最佳的；或者通过搜索算法评估预定的频率空间。 

根据本发明的另一实施例，通过直接评估所接收信号的频谱(即，在对信号解调之前)，并选择干扰低的频率或频率集，也能够实现相应的表现。为此，首先关闭光，然后利用离散傅里叶变换确定所接收信号(x)的功率谱。接下来，根据功率谱的最小值或者向功率谱施加阈值来选择调制和对应的解调频率(fm)。 

同样，该方法能够在衰减测量和频率调整之间周期***替，或能够基于对所接收信号或解调器输出信号的分析(例如通过瞬时功率变化)启动调整阶段。 

或者，能够通过在至少两个频率模式或频带构成的某一离散集内循环，即通过跳频来连续改变调制频率(fm)。在这种情况下，调整频率集以便避免被调制的环境光所干扰。通常，环境光调制频谱不覆盖整个频率集，并且能够假定调制频率中的至少一个不受干扰。为此，一开始应当选择频率集，从而确保充分的频谱多样性。因此，针对该集合中的频率中的至少一个，即无干扰的那个频率而探测到的光得到最大衰减测量值。显然，对于给定颜色的光，衰减测量与调制频率无关。现在，如果该集合中的另一个频率得到更低的衰减测量值，这是该调制频带中干扰的结果，则应当替换对应的频率。 

原则上，能够任意地选择或基于一些选择标准来选择该集合中的新频率。如先前实施例中所述，可以应用频谱感测来选择用于跳频的初始集合 并且还替换该集合中的频率。为了实现这种功能性，无须关闭光源，并且能够在正使用另一调制频率的同时选择新的调制频率或频率集。应当指出，尤其优选地是，仅使用两个频率，其中第二个调制频率是在利用第一频率测量衰减时从频谱中选择的，反之亦然，由此连续寻找最佳的调制频率。 

这种自适应调制跳频的优点在于，该方法是基于对所接收的多个频率处信号的准同时评估，由此允许连续测量而不会被调整阶段打断。 

根据本发明的另一实施例，使用CDM，其中不同光源使用唯一的，优选正交的编码，以使得光探测器能够区分它们的光贡献。适当的正交码例如是Walsh-Hadamard(WH)编码，其中能够容纳的光源数目大致等于编码的长度。除了允许识别不同光源的光贡献之外，这些编码还对光信号的频谱进行整形。作为示例，除了一个编码之外的所有WH编码实现无DC频谱，并且它们的频谱是相互不同的。 

在图5中针对长度256的WH码示出了这种情况。其中，描绘了码本中256个编码中的4个的频谱。从图5可以得到结论，这些编码具有显著不同的频谱。类似地，在接收端与扩展码的相关实现了对与所发射编码无关的频率的抑制。应当指出，与图3所示的频率复用相反，由这些编码实现的频谱一般将是交迭的。 

然后由自适应选码实现调制方案。将由***使用的扩展或调制码调整到受干扰影响最小的一个编码，即与干扰最正交的编码。这是通过评估解调器输出实现的。为此，可以应用上述第一实施例的技术，其中，首先关闭光，然后调整***的解调编码，使得解调器输出最小化或变得低于特定阈值，接下来相应地改变发射器扩展码。 

应当指出，在这样的解决方案中，通过应用具有不同码长度的编码，即，在干扰水平低时使用短码，在干扰水平高时使用较高码长，还可以增减衰减测量的精确度/可靠性。较长编码的优点是它们实现更好的频谱整形，从而在接收端产生更好的噪声和干扰抑制。短码的优点是它们减少了测量时间。 

已经针对单个光源描述了以上实施例。在这些解决方案中，***搜索最佳调制频率/编码。然而，对于具有N个光源的***而言，***找到N个编码/频率的集合，干扰和噪声对这些编码/频率的影响被最小化/低于特定 阈值。在这里，根据工作模式，可以选择使光源之一的最坏情况误差最小化或所有光源的平均误差最小化。 

尽管已经在附图和上述说明中详细图示和描述了本发明，但是应当将这样的图示和描述看作是示范性或示例性的，而不是限定性的；本发明不限于所公开的实施例。 

通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实现针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被示为具有限制范围的作用。 

Claims (15)

1.一种通过测量发射到患者的组织上的光的衰减来监测所述患者的生命参数的方法，包括以下步骤：

根据调制模式调制所述光；

将经调制的光发射到所述患者的所述组织上；

收集环境光和/或透射通过所述组织的光和/或从所述组织反射的光；

根据所述调制模式对所收集的光进行解调；

关于所述环境光的贡献对已解调的所收集的光进行分析；

确定使得所述环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式；以及

根据所确定的使得所述环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式设置用于调制所述光的所述调制模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制模式为调制频率或/和调制编码。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，使将光发射到所述患者的所述组织上的步骤中断预定的中断时间段，

在这一中断时间段期间，依次利用不同的调制频率对所收集的光进行解调，并且

将使得解调所收集的光的输出最小化或降到预定阈值以下的调制频率确定为所述预定的中断时间段之后用于发射到所述患者组织上的光的调制频率。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述不同的调制频率是频率的离散集或在预定范围内是连续的。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，使将光发射到所述患者的所述组织上的步骤中断预定的中断时间段，

在这一中断时间段期间，依次利用不同的调制编码对所收集的光进行解调，并且

将使得解调所收集的光的输出最小化或降到预定阈值以下的调制编码确定为所述预定的中断时间段之后用于发射到所述患者的组织上的光的调制编码。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在关于所述环境光的贡献分析已解调的所收集的光的步骤得到较低水平贡献的情况下，应用较短的调制编码；且在关于所述环境光的贡献分析已解调的所收集的光的步骤得到较高水平贡献的情况下，应用较长的调制编码。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，使将光发射到所述患者的所述组织上的步骤中断预定的中断时间段，

在这一中断时间段期间，使用傅里叶变换确定所收集的光的功率谱，并且

将这样的频率确定为所述预定的中断时间段之后用于发射到所述患者的组织上的光的调制频率：该频率的功率谱被确定为具有其最小值或其功率谱下降到预定阈值以下。

8.根据权利要求3-7中的任一项所述的方法，其中，使将光发射到所述患者的所述组织上的步骤周期性地中断。

9.根据权利要求2所述的方法，其中，通过在至少两个频率模式或频带的预定集合中循环来连续改变发射到所述组织上的光的调制频率；并且

将使得解调所收集的光的输出最大化或超过预定阈值的调制频率确定为用于发射到所述患者的所述组织上的光的有效调制频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在利用第一调制频率将光发射到所述患者的所述组织上期间，从预定频谱中选择第二调制频率，反之亦然。

11.根据权利要求1-7和9-10中的任一项所述的方法，其中，发射到所述患者的组织上的光至少包括第一光和第二光，其中，所述第一光的波长与所述第二光的波长不同，且其中所述第一光和所述第二光是复用的。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，应用时分复用、频率复用或/和码分复用。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，仅针对所述第一光和所述第二光之一，或针对所述第一光和所述第二光的平均来执行确定使得所述环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制频率或/和调制编码的步骤。

14.一种通过测量发射到患者的组织上的光的衰减来监测所述患者的生命参数的装置，具有

光调制器（6），其适于根据调制模式调制所述光；

光发射器（1，2），其适于将经调制的光发射到所述患者的所述组织上；

光探测器（4），其适于透射通过所述组织的光或/和从所述组织反射的光，并不可避免地适于收集环境光；

光解调器（11），其适于根据所述调制模式对所收集的光进行解调；

干扰分析器（14），其适于关于所述环境光的贡献分析已解调的所收集的光；以及

处理单元（5），其适于确定使得所述环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式，并适于根据所确定的使得所述环境光的贡献最小化或降到预定阈值以下的调制模式来设置用于调制所述光的所述调制模式。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，提供了用于发射具有两种不同波长的光的至少两个光源（1，2）。

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