CN106999113A - 用于测量胎儿脑氧合的***和方法 - Google Patents

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里纳特·埃塞纳里夫
唐纳德·普罗夫
尤里·彼得罗夫
艾琳·彼得罗夫
乔治·沙迪
盖尔·L·奥尔森
汤米·G·库珀
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Nuoningwa Hicks
University of Texas System
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Nuoningwa Hicks
University of Texas System
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Abstract

描述了光声诊断***、装置和方法。一种***可以包括控制台单元和手持式探头。控制台单元包括控制器、处理器、光电二极管阵列、声处理子***以及冷却***。探头将光信号从光电二极管阵列引导至患者组织。所述光信号各自具有基于感兴趣的生理参数选择的不同波长。探头还包括声换能器，该声换能器接收响应于所引导的光信号而生成的声信号。探头可以包括手指握持式工作端，该工作端可被引导至分娩期间位于子宫内的胎儿的头骨。探头继而可以准确地确定胎儿的血液氧合，以确定是否有必要进行剖宫产术。

Description

用于测量胎儿脑氧合的***和方法
交叉引用
本申请要求以下专利申请的权益：提交于2014年7月8日、名为“System andMethods for Measuring Fetal Cerebral Oxygenation”的美国临时申请号62/021,946和提交于2015年5月29日、名为“System and Methods for Measuring Fetal CerebralOxygenation”的美国临时申请号62/168,081，上述申请通过引用而并入于此。
本申请的主题涉及以下专利和专利申请的主题：美国专利号6,309,352，颁发于1998年10月27日且名为“Real Time Optoacoustic Monitoring of Changes in TissueProperties”；美国专利号6,498,942，颁发于2002年12月24日且名为“OptoacousticMonitoring of Blood Oxygenation”；美国专利号6,725,073，颁发于2004年4月20日且名为“Methods for Noninvasive Analyte Sensing”；美国专利号6,751,490，颁发于2004年6月15日且名为“Continuous Optoacoustic Monitoring of Hemoglobin Concentrationand Hematocrit”；美国专利号7,430,445，颁发于2008年9月30日且名为“NoninvasiveBlood Analysis by Optical Probing of the Veins Under the Tongue”；美国专利号8,135,460，颁发于2012年3月13日且名为“Noninvasive Glucose Sensing Methods andSystems”；和美国专利号8,352,005，颁发于2013年1月8日且名为“Noninvasive BloodAnalysis by Optical Probing of the Veins Under the Tongue”；以及美国专利申请号12/101,891，提交于2007年4月11日且名为“Optoacoustic Monitoring of MultipleParameters”；和美国专利申请号13/538,687，提交于2012年6月29日且名为“Noninvasive,Accurate Glucose Monitoring with OCT by using Tissue Warming and TemperatureControl”；上述专利和专利申请的全文内容通过引用而并入于此。
政府资助研究声明
本发明是在美国国家卫生研究院(NIH)给予的拨款/合同号1R43HD075551-01下，利用政府支持做出的。政府对本发明具有一定权利。
背景技术
分娩期间的脑缺氧代表死亡或严重神经***并发症(例如，脑瘫)的风险因素。目前，除了使用基础心率的变化和胎心率(fetal heart rate，FHR)变异的变化以及FHR减速时间来间接评估胎儿窒息的胎心率(FHR)监测仪，还没有可商购的能够用于检测脑缺氧的监测仪。虽然胎心率监测提供了关于胎儿的氧合(oxygenation)的重要信息，但该信息有所局限并且没有提供关于脑瘫风险的信息。因此，作为通过减少分娩持续时间来降低产时胎儿窒息风险的防范措施，进行了许多剖宫产术。不幸的是，防范性剖宫产术会引起产妇风险增大。产妇死亡率在剖宫产率超过33％的州比在剖宫产率低于33％的州高21％。
鉴于FHR提供的信息有限，以及剖宫产手术的关联风险，可以理解期望拥有更直接的方式来测量胎儿脑氧合(即，血红蛋白饱和度)。
可能感兴趣的参考文献包括：美国专利号4,537,197、5,088,493、5,099,842、5,228,440、5,348,002、5,377,673、5,823,952、5,840,023、5,941,821、6,049,728、6,381,480、6,553,242、6,594,515、6,463,311、6,466,806、6,484,044、6,567,678、6,751,490、6,846,288、7,164,938、7,322,972、7,515,948、7,747,301、7,916,283、8,121,663、8,280,469、8,332,006、8,423,111、8,501,099、8,781,548、8,852,095、8,864,667、8,885,155、8,930,145和8,934,953；美国公开号2006/100530、2006/184042、2007/015992、2009/069652、2009/108205、2010/081904、2011/239766、2013/112001、2013/190589、2013/324815、2014/142404、2014/275943、2014/343384、2014/378811、2015/051473和2015/099973；德国专利公开号DE 4400674 A1；以及Petrova等人的“Noninvasive monitoring of cerebralblood oxygenation in ovine superior sagittal sinus with novel multi-wavelength optoacoustic system”(2009年4月27/Vol.17,No.9/OPTICS EXPRESS 7285)。
发明内容
本公开内容总体上涉及医疗装置及其使用方法，并且具体涉及光声诊断装置和方法。描述了用于光声地确定一个或多个生理参数的***、装置和方法。一种示例性***可以包括方便的、桌面大小的控制台单元，该控制台单元包括控制器和/或处理器、光电二极管阵列、声处理子***以及冷却子***。所述***还可以包括能够耦合到所述控制台单元的手持式探头。所述探头可以将光信号从所述控制台单元的所述光电二极管阵列引导至患者组织。可以将各自具有不同波长的多个光信号引导至组织。所述光的波长可以基于感兴趣的(一个或多个)生理参数来选择。所述探头还可以包括声换能器，该声换能器接收响应于所引导的光信号而生成的声信号。所述探头可以具有各种形状因子。例如，所述探头可以包括手指保持式工作端，该工作端可在分娩期间引导至位于子宫内的胎儿的头骨。所述探头继而可以准确地确定胎儿的血液氧合，以便确定是否有必要进行剖宫产手术，从而改善分娩期间的母婴结果并减少医疗事故诉讼和保险费。控制台单元可以示出胎儿或其他靶组织的血液氧合水平(和/或(一个或多个)其他生理参数)，并且与诸如电子医疗卫生记录等其他计算机化医疗卫生***通信，以便记录和分析血液氧合读数或其他测得的生理参数。
本公开内容的各方面提供了用于监测受试者的氧合的设备，诸如桌面大小的控制台。所述控制台可以包括激光二极管子***和声传感器子***，所述激光二极管子***用于发射指向受试者的组织的光脉冲，并且所述声传感器子***用于测量所述组织中响应于所发射的光脉冲而生成的声压。所述激光二极管子***可以包括具有第一激光二极管驱动器的第一激光二极管、具有第一热电冷却器和第一温度传感器的第一温度控制器、第二激光二极管、具有第二热电冷却器和第二温度传感器的第二温度控制器、第一冷却风扇，以及激光控制器。所述第一激光二极管可被配置用于发射具有第一波长的第一光脉冲。所述第一热电冷却器可以耦合到所述第一激光二极管以添加或移除热量从而调控所述第一激光二极管的温度，该温度可由所述第一温度传感器检测。所述第二激光二极管可被配置用于发射具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光脉冲。所述第二热电冷却器可以耦合到所述第二激光二极管以添加或移除热量从而调控所述第二激光二极管的温度，该温度可由所述第二温度传感器检测。所述第一温度控制器和第二温度控制器可以耦合到所述第一冷却风扇以及所述第一热电冷却器和第二热电冷却器，以控制所述第一冷却风扇、所述第一热电冷却器和所述第二热电冷却器，从而调控所述第一激光二极管和第二激光二极管的温度。所述第一温度控制器和第二温度控制器可被配置用于将所述第一激光二极管和第二激光二极管保持在最佳温度范围内，从而使所述第一激光二极管和第二激光二极管能够以期望的波长一致地发射光脉冲。可以响应于接收到的声压来确定受试者的氧合。
所述激光二极管子***还可以包括第三激光二极管和第三温度控制器，所述第三温度控制器可以包括第三温度传感器和第三热电冷却器。所述第三激光二极管可被配置用于发射具有不同于所述第一波长和第二波长的第三波长的第三光脉冲。所述第三热电冷却器可以耦合到所述第三激光二极管以调控所述第三激光二极管的温度。所述第三温度传感器还可以耦合到所述第三热电冷却器以调控所述第三激光二极管的温度。
所述第一温度控制器可以包括所述第一热电冷却器和所述第一温度传感器以测量和控制所述第一激光二极管的温度。所述第二热电控制器可以包括第二热电冷却器和第二温度传感器以测量和控制所述第二激光二极管的温度。此外，所述第三温度控制器可以包括所述第三热电冷却器和所述第三温度传感器以测量和控制所述第三激光二极管的温度。所述第一温度控制器、第二温度控制器和/或第三温度控制器可被配置用于响应于由所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器相应地测得的温度而调控所述第一激光二极管、第二激光二极管和/或第三激光二极管的温度。所述第一波长、第二波长或第三波长可以处于685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm、790nm至820nm或者845nm至875nm的范围内。
所述控制台还可以包括处理器，该处理器耦合到所述激光二极管子***以控制该激光二极管子***，并且耦合到所述声传感器子***以接收测得的声压。所述处理器可被配置用于响应于测得的声压而确定受试者的氧合。所述控制台还可以包括功率供应器，该功率供应器耦合到所述激光二极管子***、所述声传感器子***和所述处理器。所述控制台还可以包括显示器，该显示器耦合到所述处理器以向用户显示所确定的氧合。所述显示器可以包括用于操作所述控制台的触摸屏。所述控制台还可以包括桌面大小的壳体，该壳体封闭所述激光二极管子***、所述声传感器子***和所述处理器。所述控制台还可以包括第二冷却风扇，该第二冷却风扇可以耦合到所述处理器或声传感器子***中的一个或多个，以便冷却所述控制台。所述处理器可能能够访问受试者的医疗记录。
所述控制台还可以包括用于所述激光二极管子***的输出端口和用于所述声传感器子***的输入端口。所述输出端口和所述输入端口可被配置成耦合到传感器模块或光声探头，以向受试者的组织发射所述一个或多个光脉冲以及接收所述组织中生成的所述声压。所述输出端口和所述输入端口可被配置成用包括一个或多个光纤的线缆耦合到所述传感器模块或光声探头。
本公开内容的各方面还提供了监测受试者的氧合的方法。可以用第一激光二极管生成具有第一波长的第一光脉冲。可以用第二激光二极管生成具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光脉冲。可以用耦合到所述第一激光二极管的第一热电冷却器、耦合到所述第二激光二极管的第二热电冷却器以及/或者第一冷却风扇调控所述第一激光二极管和第二激光二极管的温度。可以将所生成的第一光脉冲和第二光脉冲引导至受试者的组织。可以测量所述组织中响应于所引导的第一光脉冲和第二光脉冲而生成的声压。可以响应于测得的声压而确定受试者的氧合。
可以用第三激光二极管生成具有不同于所述第一波长和第二波长的第三波长的第三光脉冲。可以用耦合到所述第三激光二极管的第三热电冷却器和所述第一冷却风扇调控所述第三激光二极管的温度。可以将所生成的第三光脉冲引导至受试者的组织。测得的声压可以是在所述组织中响应于所引导的第一光脉冲、第二光脉冲和第三光脉冲而生成的。
第一温度控制器可以包括第一温度传感器和第一热电冷却器，所述第一温度传感器用于测量所述第一激光二极管的温度，并且所述第一热电冷却器用于响应于测得的温度而添加或移除热量以便调控所述第一激光二极管的温度。第二温度控制器可以包括第二温度传感器和第二热电冷却器，所述第二温度传感器用于测量所述第二激光二极管的温度，并且所述第二热电冷却器用于响应于测得的温度而添加或移除热量以便调控所述第二激光二极管的温度。此外，第三温度控制器可以包括第三温度传感器和第三热电冷却器，所述第三温度传感器用于测量所述第三激光二极管的温度，并且所述第三热电冷却器用于响应于测得的温度而添加或移除热量以便调控所述第三激光二极管的温度。所述第一温度控制器、第二温度控制器和第三温度控制器可被配置成响应于相应地由所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器测得的温度而调控所述第一激光二极管、第二激光二极管和第三激光二极管的温度。所述第一波长、第二波长或第三波长可以处于685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm、790nm至820nm或者845nm至875nm的范围内。
可以显示所确定的受试者的氧合。可以用第二冷却风扇调控所述第一激光二极管、第二激光二极管和/或第三激光二极管的温度。可以将所述第二冷却风扇封闭在封闭所述第一激光二极管、所述第二激光二极管、所述第三激光二极管和/或所述第一冷却风扇的壳体内。可以通过用耦合到第一光电二极管和第二光电二极管的传感器模块或光声传感器的波导引导所生成的第一光脉冲和第二光脉冲，来将所述第一光脉冲和第二光脉冲引导至受试者的组织。可以由所述传感器模块或所述光声传感器的声换能器测量声压。
本公开内容的各方面还提供了用于光声确定受试者的氧合的方法。可以向受试者的组织发射具有第一波长的第一光。可以向所述组织发射具有第二波长的第二光。所述第二波长可不同于所述第一波长。可以向所述组织发射具有第三波长的第三光。所述第三波长可不同于所述第一波长和第二波长。可以检测由所述组织响应于第一发射光、第二发射光和第三发射光而生成的声压。
所述第一波长可以处于从790至820nm的范围内，诸如800nm或805nm。所述第二波长可以处于从685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm或者845nm至875nm的范围内，举例而言，诸如700nm、730nm、760nm或860nm。
可以从共同光源发射所述第一光、第二光和第三光。所述共同光源可被配置用于在发射具有所述第一波长的所述第一光、具有所述第二波长的所述第二光以及具有所述第三波长的所述第三光之间快速切换。例如，所述共同光源可以是共同受控的激光二极管阵列或光参量振荡器(OPO)。可以从共同光纤向组织发射所述第一光、第二光和第三光。
所述第一光、第二光或第三光中的一个或多个可以具有至少0.5微焦耳的能量水平。所发射的第一光、第二光或第三光中的一个或多个可以具有至少100ns的脉宽。所发射的第一光、第二光或第三光中的一个或多个可以具有10至10000Hz的重复率。
可以通过响应于对第一发射光做出响应和对第二发射光做出响应而检测到的声压中的第一差异以及对第一发射光做出响应和对第三发射光做出响应而检测到的声压中的第二差异而确定氧合，来响应于所检测到的声压而确定氧合。可以通过响应于对所述第一差异做出响应而确定的氧合和对所述第二差异做出响应而确定的氧合的平均值而确定氧合，来确定氧合。所述第一波长可在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有基本相等的吸收。所述第二波长和第三波长可在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有吸收差异。
本公开内容的各方面还提供了用于光声确定受试者的氧合的***。所述***还可以包括光源、声换能器和处理器。所述光源可被配置用于向组织发射具有第一波长的第一光、具有不同于所述第二波长的第二波长的第二光以及具有不同于所述第一波长和第二波长的第三波长的第三光。所述声换能器可被配置用于检测由所述组织响应于第一发射光、第二发射光和第三发射光而生成的声压。所述处理器可被配置用于响应于所检测到的声压而确定氧合。
所述光源可以包括激光二极管或发光二极管阵列。所述激光二极管或发光二极管阵列可以包括被配置用于发射所述第一光的第一激光二极管、被配置用于发射所述第二光的第二激光二极管以及被配置用于发射所述第三光的第三激光二极管。所述第一波长可以处于从790至820nm的范围内，诸如805nm。所述第二波长或第三波长可以处于从685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm或者845nm至875nm的范围内，举例而言，诸如700nm、730nm、760nm或860nm。
所述***还可以包括控制器，该控制器被配置用于在发射具有所述第一波长的所述第一光、具有所述第二波长的所述第二光以及具有所述第三波长的所述第三光之间快速切换所述光源。例如，所述光源可以是共同受控的激光二极管阵列或光参量振荡器(OPO)。可以从共同光纤向组织发射所述第一光、第二光和第三光。
所述第一光、第二光或第三光中的一个或多个可以具有至少0.5微焦耳的能量水平。所发射的第一光、第二光或第三光中的一个或多个可以具有至少150ns的脉宽。所发射的第一光、第二光或第三光中的一个或多个可以具有10至2000Hz的重复率。
所述处理器可被配置用于响应于对第一发射光做出响应和对第二发射光做出响应而检测到的声压中的第一差异以及对第一发射光做出响应和对第三发射光做出响应而检测到的声压中的第二差异来确定氧合。所述处理器可被配置用于响应于对所述第一差异做出响应而确定的氧合和对所述第二差异做出响应而确定的氧合的平均值来确定氧合。所述第一波长可在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有基本相等的吸收。所述第二波长和第三波长可在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有吸收差异。所述***还可以包括显示器，该显示器被配置用于显示所确定的氧合。
本公开内容的各方面还可以提供监测胎儿的氧合，诸如监测胎儿的静脉氧合的方法。可以向***中***传感器。所述传感器可以包括光输出和声换能器。可以推进所述传感器经过子宫颈并到达子宫中。可以将所述传感器定位在胎儿的头部之上。所述传感器的所述光输出可以向胎儿的头部发射光，并且所述传感器的所述声换能器可以检测响应于所发射的光而生成的声压。所述传感器可以响应于检测到的声压而确定胎儿的氧合。
所述传感器可以包括探头头端，该探头头端可以***到***中。所述传感器可以包括氧合监测仪和线缆，所述氧合监测仪被配置用于显示所确定的胎儿的氧合，而所述线缆将所述探头头端与所述氧合监测仪相连。当所述探头头端***到***中时，所述氧合监测仪和所述线缆的至少一部分可以留在子宫之外。所述光输出可以包括位于所述探头头端中的波导。所述线缆可以包括一个或多个光纤，并且所述氧合监测仪可以包括通过所述一个或多个光纤耦合到所述波导的一个或多个激光二极管或者发光二极管。为了向***中***所述传感器，可以将所述探头头端抓握在用户的两个手指尖之间。可以通过将所述光输出和所述声换能器定位成面向胎儿的上矢状窦，来将所述传感器定位在胎儿的头部之上。将所述传感器定位在胎儿的头部之上包括可以使从所述探头头端伸出的所述光输出的端头与胎儿的头部的皮肤相接触，诸如穿过头发以减少由于头发吸收而造成的光强度损失。
所述传感器的所述光输出可以向胎儿的上矢状窦发射光。响应于所发射的光而生成的声压可以是由上矢状窦生成的。所述传感器可以确定上矢状窦的氧合。所述传感器可以在分娩期间***到***/产道和子宫中。
由所述光输出发射的光可以具有1μJ至1mJ的能量。由所述光输出发射的光可以具有处于685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个的范围内的波长，诸如700nm、730nm、760nm、805nm或860nm中的两个或更多个的范围内的波长。
本公开内容的各方面还可以提供监测胎儿的氧合，诸如监测胎儿的静脉氧合的进一步方法。可以从定位在位于子宫中的胎儿的头部之上的传感器的光输出发射光。可以用所述传感器的声换能器监测声压。所述声压可以是响应于所发射的光而生成的。可以响应于检测到的声压而确定胎儿的氧合。可以用所述传感器向用户显示所确定的胎儿的氧合。
所述传感器可以包括探头头端，该探头头端包括所述光输出和所述声换能器。所述光输出可以包括从所述探头头端的壳体伸出的端头。所述传感器可以包括氧合监测仪和线缆，所述氧合监测仪被配置用于显示所确定的胎儿的氧合，而所述线缆将所述探头头端与所述氧合监测仪相连。所述光输出可以包括位于探头头端中的波导，诸如光纤。所述线缆可以包括一个或多个光纤和/或电气线缆。所述氧合监测仪可以包括一个或多个激光二极管或者发光二极管，所述一个或多个激光二极管或者发光二极管通过所述一个或多个光纤和/或诸如反射镜或透镜等其他光学组件耦合到所述波导。(一个或多个)电气线缆可以将所述探头头端中的所述声换能器连接到所述氧合监测仪。
可以将所述光输出和所述声换能器定位成面向胎儿的上矢状窦。所述传感器的所述光输出可以向胎儿的上矢状窦发射光。响应于所发射的光而生成的声压可以是由上矢状窦中的血液生成的。所述传感器可以确定上矢状窦中的静脉血的氧合。
由所述光输出发射的光可以具有1μJ至1mJ的能量。由所述光输出发射的光可以具有处于685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个的范围内的波长，诸如700nm、730nm、760nm、800nm、805nm或860nm中的两个或多个的范围内的波长。
本公开内容的各方面还提供了用于监测胎儿的氧合，诸如监测胎儿的静脉脑氧合的***。所述***可以包括监测仪、线缆和探头头端。所述监测仪可以包括处理器、光源和显示器。所述探头头端可被配置成保持在用户的两个手指尖之间，并且通过所述线缆耦合到所述监测仪。所述探头头端可以包括光输出和声换能器。所述光源可被配置用于生成通过所述探头头端的所述光输出向胎儿发射的光。所述声换能器可被配置用于检测响应于所发射的光而生成的声压。所述处理器可被配置用于响应于检测到的声压而确定胎儿的氧合。所述显示器可被配置用于显示所确定的氧合。所述光输出可以包括从所述探头头端的壳体伸出的端头。
所述监测仪的所述光源可以包括一个或多个激光二极管或者发光二极管。所述监测仪的所述光源可被配置用于生成具有1μJ至1mJ的能量的光。所述监测仪的所述光源可被配置用于生成具有处于685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个(举例而言，诸如700nm、730nm、760nm、805nm、800nm或860nm中的两个或更多个)的范围内的波长的光。所述线缆可以包括一个或多个光纤，所述一个或多个光纤被配置用于将所述光源生成的光引导至所述探头头端的所述光输出。
本公开内容的各方面还可以提供胎儿脑静脉氧合探头。胎儿脑静脉氧合探头可以包括探头头端和线缆。所述探头头端可以包括光输出和声换能器，所述光输出被配置用于向胎儿的头部中发射光，并且所述声换能器被配置用于检测响应于所发射的光而生成的声压。所述线缆可以从所述探头头端伸出到监测仪。
所述探头头端可适于保持在用户的两个手指尖之间。所述探头头端可以是圆柱形的。所述光输出可以包括从所述探头头端的壳体(诸如从所述探头头端的中心)伸出的端头或输出。例如，所述端头或输出可以包括耦合到所述光源的光纤的突出部。所述光输出可以包括光波导，所述光波导包括环绕所述探头头端的中心的连续圆润凹槽。所述探头头部可以包括壳体，该壳体限定所述声换能器所位于的并且所述光输出从中穿过的内部空间。所述光输出可以包括一个或多个光纤。所述声换能器可以包括压电换能器。所述探头头端还可以包括用于所述声换能器的放大器。所述探头头端还可以包括电磁屏蔽，该电磁屏蔽将所述声传感器和放大器屏蔽以免受电磁干扰。所述探头头端还可以包括声衰减器，该声衰减器被配置用于吸收所述探头头端中不期望的振铃。所述光输出可被配置用于输送由所述监测仪中的光源生成的光。
所述探头头端可被配置用于发射具有1μJ至1mJ的能量的光。由所述光输出发射的光可以具有处于685-715nm、715-745nm、
745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个(举例而言，诸如700nm、730nm、760nm、805nm或860nm中的两个或更多个)的范围内的波长。
援引并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同特别地且单独地指出每个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。
附图说明
本公开内容的新颖特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用了本发明原理的说明性实施方式加以阐述的详细描述以及附图，将会获得对本公开内容的特征和优点的更好的理解。在所有附图中，匹配的附图标记表示对应的部件，并且附图不一定按比例绘制。
图1示出了根据许多实施方式，用于一个或多个生理参数的光声诊断的***的示意图。
图2示出了图1的***的示例性激光二极管子***的示意图。
图3是根据许多实施方式，用于测量胎儿脑氧合的***的实施方式的示意图。
图4是根据许多实施方式，可在图3的***中使用的胎儿脑氧合探头的实施方式的透视图。
图5是图4的胎儿脑氧合探头的正视图。
图6是图4的胎儿脑氧合探头的侧视图。
图7是图4的胎儿脑氧合探头的截面侧视图。
图8是根据许多实施方式，用于在胎儿检查期间保持胎儿脑氧合探头的第一示例握持的示意图。
图9是根据许多实施方式，用于在胎儿检查期间保持胎儿脑氧合探头的第二示例握持的示意图。
图10A是标绘根据许多实施方式，在各个波长下从第一婴儿的上矢状窦(SSS)记录的光声信号的曲线图。
图10B是标绘根据许多实施方式，在各个波长下从第二婴儿的SSS记录的典型光声信号的曲线图。
图11A和图11B图示了根据许多实施方式，光声探头的一种示例性配置。
图12A和图12B图示了根据许多实施方式，光声探头的另一示例性配置。
图13A、图13B和图13C图示了根据许多实施方式，在胎儿脑氧合测量规程期间由使用者抓握的探头。
图14A、图14B和图14C图示了根据许多实施方式，在胎儿脑氧合测量规程期间由使用者抓握的另一探头。
图15A和图15B图示了根据许多实施方式，在胎儿脑氧合测量规程期间由使用者抓握的又一探头。
图16示出了根据许多实施方式，用于光声地测量或检测一个或多个生理参数的示例性方法的流程图。
图17A、图17B和图17C图示了根据许多实施方式，光声探头的示例性配置。
图18A是标绘根据许多实施方式，在晚期分娩期间从胎儿记录的差分光声信号的曲线图。
图18B是标绘根据许多实施方式，在晚期分娩期间从胎儿记录的差分光声信号的曲线图。
具体实施方式
如上文所述，期望拥有直接的方式来测量胎儿脑氧合，诸如脑静脉血氧饱和度。本文公开了非常适合这一目的的***和方法。在许多实施方式中，用于测量胎儿脑氧合的***包括胎儿脑氧合探头，该胎儿脑氧合探头可在分娩期间应用于胎儿的头部。探头可以是光声探头，被配置用于发射光穿过颅骨和脑组织抵达上矢状窦(superior sagittalsinus，SSS)并接收通过对SSS的照射引起的回声波。继而可以根据声波作出对血氧饱和度的确定。在一些实施方式中，探头的大小被设定并配置用于配合在产科医生的手指之间以便利于应用到胎儿的头部，并且包括发射光的波导和检测从SSS发射的声信号的声传感器。
在以下公开内容中，描述了各个特定实施方式。应当理解，这些实施方式均为所公开的发明的示例实现，而替代的实施方式亦有可能。所有这些实施方式都旨在落入本公开内容的范围内。
本文公开了用于监测脑氧合的***和方法，其可以用于通过开放前囟或通过薄颅骨，在晚期分娩期间对胎儿的脑静脉血氧饱和度进行准确的无创测量。脑静脉血氧饱和度以单一数字提供了对脑血流量和脑血氧含量满足脑氧需求的能力的评估。如下文所述，该***和方法支持在上矢状窦(SSS)中的光声测量。这样的测量技术提供了支持对血管的直接探查的高对比度和高分辨率。由于脑静脉脱饱和提供了脑氧可用性不足以满足脑氧需求的直接证据，因而降低的SSS氧合(SSS(SO2))可以提供对脑缺氧的早期预警。因此，该技术可以用于比胎心率(FHR)监测更快地直接检测胎儿窒息，从而降低脑瘫风险。该技术还比FHR监测更具特异性，从而减少胎儿窘迫的假阳性事件并鼓励进行更少的防范性剖宫产术。
与先前研究过的用于评估晚期分娩期间胎儿生存力的技术相比，分娩期间对胎儿SSS(SO2)的光声监测提供了重要优势。在几乎所有胎儿中，一旦产妇宫颈已扩张到大于5cm，前囟即可通过***检查触诊，并且几乎所有胎儿窘迫(仅通过FHR监测而检测到的胎儿窘迫)都发生在该时间之后。在婴儿中，不同于成人，矢状窦直接位于头皮下方而无介于中间的头骨或者仅覆有薄颅骨，因此相对低强度的光穿透良好。由于所生成的超声信号以直线从SSS返回，因此可以准确地确定SSS中血红蛋白的实际饱和度。虽然描述了用于静脉血液氧合检测的***和方法，但这些***和方法同样可适用于检测动脉或其他血液氧合。
图1示出了***100的示意图，该***100用于光声测量生理参数，诸如血液氧合，例如，分娩期间的胎儿脑氧合(例如，胎儿SSS(SO2))，或者一般地诸如用于创伤性脑损伤患者的脑氧合。***100可以包括用导线或线缆连接145操作地耦合起来的控制台110和患者接口150。控制台110可以包括这样的控制台——其包含被配置用于经由患者接口150提供对患者PA体内胎儿脑氧合的测量的一个或多个子***或组件。控制台110可以包括计算机板或处理器115、用户界面120、功率供应子***130、激光发射器或二极管子***135以及声传感器子***140。处理器115可以与控制台110的一个或多个子***或组件通信，以便控制和监测子***的操作。例如，处理器可以包括被配置用于连接到一个或多个子***的一个或多个通用串行总线(USB)端口或其他类型的数据传输端口。处理器115还可以包括音频端口，用于通过扬声器输出警报和(一个或多个)消息。功率供应子***130可被配置用于向***110的诸如处理器、用户界面、激光二极管子***和声传感器子***等一个或多个组件提供功率。功率供应子***130可被配置成连接到外部AC或DC电源，并且可以包括电池以在失去外部功率的情况下提供后备功率。
***100的用户，诸如经受过***操作培训的医务人员，可以经由用户界面120与***进行交互。用户界面120例如可以包括显示器125，诸如具有被配置用于从用户接收一个或多个输入的触摸屏的背光LCD。用户界面120还可以包括用于控制***操作的硬件控件，诸如开/关键以及被配置用于将***置于“安全”模式的停止开关，在该“安全”模式下所有激光二极管均关闭。用户界面120还可以包括用于诸如患者身份、时间、温度等数据的输入。处理器115可以经由用户界面120接收用户输入，并基于该用户输入向诸如激光二极管子***135、声传感器子***140和/或功率供应子***130等一个或多个子***传输指令。基于从处理器115接收的指令，激光二极管子***135可以生成和发射光脉冲，所述光脉冲可通过患者接口150引导至患者PA的靶组织。光脉冲可以通过诸如光纤线缆和/或多线屏蔽线缆等线缆连接145传导至患者接口150。例如，光脉冲可以传输到与诸如上矢状窦(SSS)等靶组织相接触的患者接口150的光纤模块。光脉冲可以穿过组织和骨骼抵达静脉血，其中对光脉冲的吸收可导致声压生成。患者接口150可以检测来自靶组织的声压，并将声信号传输回控制台110，例如经由通向声传感器子***140的线缆连接145传输回控制台110。患者接口150例如可以包括被配置用于检测声压并对其进行数字化的高速数字化器。声传感器子***140可以接收和/或至少部分地处理测得的声压信号，继而将该信号数字化，并将信号传输到处理器115以供进一步处理和分析。处理器115例如可以从测得的声压计算静脉氧饱和度，并将测量结果传输到用户界面120以便经由显示器125向用户显示。显示器125可被配置用于连续显示氧饱和度读数(例如，静脉氧饱和度读数)或其他生理参数，其中例如每分钟更新一次。在一些实施方式中，***100还可以包括通信子***，用于与其他电子或计算机化医疗卫生管理***通信。例如，可以利用与***100通信的另一计算机化***来储存和存档(以生成电子医疗记录)以及分析测得的生理参数数据。
***100可被配置成具有紧凑的大小以适应运输载具、前锋救治站或重症监护室中有限的可用空间。例如，控制台110可以是桌面大小。***100的组件可以符合人体工程学设计，以便允许一般可能对光声测量不熟悉的医务人员轻松操作。***100的显示器125可以提供用于使用***100的用户指导，以及显示***100的各种警报的状态，以便帮助用户了解警报原因和采取适当补救行动。***100可被配置成允许在不改变位置的情况下进行长达约24小时连续监测。可以随***100实现断电警报，以便向用户警告监测期间的信号丢失或线缆断开。***100还可被配置成具有用户可选择的运输模式，该运输模式可以支持***100的长达约1小时的电池供电使用。在运输模式下，***100可被配置成以低功率(例如，比操作模式下更低的功率)操作，并且可以禁用断电警报。***100还可被配置成允许用户例如通过上文所述通信子***，输入患者身份信息、访问患者医疗记录以及下载监测过程期间收集的测量数据用于存档和评价目的。
***100可被配置用于监测各种生理参数。在许多实施方式中，测量氧饱和度。例如，可以测量从约20％到约100％范围内的静脉氧饱和度(计算为氧合血红蛋白÷总血红蛋白浓度[THb]，如本文进一步描述)。***100例如可以在从约40％到约90％的饱和度范围内具有约+/-3％的准确度。
声传感器子***140可以从患者接口150接收声信号。声传感器子***140可以包括被配置用于提供所接收到的信号的增益的一个或多个信号放大器。增益例如可以是500kHz下的约40dB增益，并且例如可以具有50kHz至3.5MHz的-3dB带宽。声传感器子***140可以包括高速数字化器，该高速数字化器可以对来自放大器的经放大声信号进行采样。这样的采样可以例如以最低速率20MHz进行。数字化器可以从激光二极管子***135接收触发信号，并储存声信号的样本，诸如100个、200个、300个、400个、500个、600个、700个、800个、900个或1000个样本。数字化器可以将信号块传送到处理器115以供波形平均。通常，由靶组织生成的声信号处于低水平，而数百次重复循环中的平均读数可以将波形从背景噪声中提取出来。
患者接口150可以包括光声传感器组件或传感器模块，诸如脑氧合探头20，如本文所进一步详述。光声传感器组件可以包括被配置用于发射指向靶组织的光脉冲的光输出，以及被配置用于测量响应于所述光脉冲而生成的声压的声换能器。所述光输出可以从光源输出光。光源例如可以包括被配置用于生成处于一个或多个波长的高强度光脉冲的发光二极管(LED)阵列或高功率脉冲激光二极管阵列。光输出例如可以经由光纤线缆连接到控制台110。光源可以包括控制台110的激光二极管子***135。声换能器例如可以包括压电传感器，该压电传感器经由多线屏蔽线缆连接到控制台。连接患者接口150与控制台110的线缆145可以包括连接器，用于将线缆可拆卸地耦合到控制台。可以用探头来支撑光源和声换能器，该探头可以放置在患者头部的一部分上，诸如SSS之上的头皮的表面。探头20可以用束带***保持到位，该束带***可以包括可抛弃式一次性使用安装束带以便减少或消除对于使用之间清洁和消毒的需求。
图2示出了图1的***100的激光二极管子***135的示意图。激光二极管子***135可以包括激光二极管阵列，该激光二极管阵列例如包括第一激光发射器或二极管152A、第二激光发射器或二极管152B以及第三激光发射器或二极管152C。激光二极管子***135可以包括与***的控制台110的处理器115通信的激光控制处理器156。激光控制处理器156可以从控制台处理器115接收基于提供给控制台110的一个或多个用户输入的指令。例如，处理器115可以设定和监测操作参数，以及启动和停止由激光二极管子***135进行的测量周期。激光二极管子***135还可以包括激光监督处理器158，该激光监督处理器158与激光控制处理器通信。激光监督处理器158可以监测激光二极管152A、152B和/或152C的操作，以确保二极管152A、152B和/或152C的温度基本恒定或者在可接受范围内，以便保持波长准确度。例如，可接受的操作温度范围可以是从10℃至40℃。激光控制处理器156和激光监督处理器158可以一起控制和监测一个或多个激光驱动器154的操作。激光控制器154可被配置用于接收来自激光控制处理器156和激光监督处理器158的指令，并且响应于接收到的指令来控制耦合到激光控制器154的激光发射器或二极管158A、152B和/或152C的操作。激光控制器154还可被配置用于控制诸如冷却器152A’、152B’和/或152C’等一个或多个激光发射器冷却器的操作，所述激光发射器冷却器相应地耦合到对应的激光发射器152A、152B和/或152C并被配置用于对其进行冷却。激光控制器154可以包括用于激光二极管152A、152B和152C及其相应的冷却器152A’、152B’和152C’的激光驱动器。例如，激光发射器冷却器可以包括热电冷却器(TEC)和/或安装在每个激光二极管152A、152B和/或152C的背面上的两个温度传感器(主传感器和辅助传感器)。温度传感器可被配置用于测量激光二极管152A、152B和/或152C的温度，而TEC可被配置用于诸如通过根据测得的温度和期望的温度范围而添加或移除热量来控制激光二极管152A、152B和/或152C的温度以将其保持在最佳操作温度范围内。例如，激光二极管152A、152B和152C的波长可具有约0.3nm/℃的依赖性。激光驱动器可被配置用于生成高安培数、短持续时间的电流脉冲，以驱动激光二极管152A、152B和152C。由激光二极管152A、152B和/或152C生成的光脉冲可以通过线缆连接145传导至患者接口150，该患者接口150可以包括如本文所述的光声传感器组件或探头。
激光二极管子***135还可以包括冷却风扇160，该冷却风扇160被配置用于提供由箭头162所示的、指向激光二极管子***135的组件的空气流。这样的冷却风扇160可以帮助控制组件的温度，所述组件可能安置在封闭的激光腔中以防止对光学组件的灰尘污染。冷却风扇160还可以包括第二风扇，该第二风扇被配置用于使外部空气在控制电子器件之间循环。激光腔可由激光二极管子***外壳所包围，该外壳由金属板构成。激光二极管子***135的外壳例如可以通过机械紧固件而牢固安装到控制台110的外壳。
在启动时，激光二极管子***135可具有激光二极管152A、152B和/或152C的温度稳定时间。温度稳定状态可以显示在控制台110的显示器125上。在激光二极管152A、152B和/或152C的操作期间，可以将激光二极管152A、152B和/或152C的操作参数(包括由激光发射器冷却器152A’、152B’和/或152C’生成的温度测量值)传输回激光控制处理器156和/或激光监督处理器158，用于对激光二极管操作的反馈控制。例如，在其中激光二极管冷却器包括耦合到每个激光二极管的TEC和温度传感器的实施方式中，激光控制处理器156可以包含用于驱动电流经过TEC来控制从温度传感器测得的温度的指令。
激光二极管子***135的激光发射器152A、152B和/或152C可以包括例如相应地具有约760nm、800nm和860nm的标称中心波长的脉冲激光二极管。仅举几例而言，还设想到诸如700nm、730nm、850nm、905nm、970nm、975nm、1064nm、1100nm、1200nm、1230nm和1450nm等其他波长。可以将波长选择成对应于感兴趣的参数的峰值声响应，仅举几例而言，所述感兴趣的参数诸如为水、脂肪、血红蛋白、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、碳氧血红蛋白、还原血红蛋白、高铁血红蛋白、乳酸盐、肌红蛋白、胆固醇、体色素、诸如吲哚菁绿(ICG)等外源性染料。虽然本文讨论了对血液氧合的确定，但还设想到对其他生理参数和浓度的探询。在通过引用而并入于此的美国公开号2008/0255433 A1中描述了对两个或更多个生理参数或浓度的同时确定。
标称中心波长可在操作温度范围内具有约+/-1nm、0.9nm、0.8nm、0.7nm、0.6nm、0.5nm、0.4nm、0.3nm、0.2nm或0.1nm的稳定性。每个激光二极管的光输出的以50％峰值输出所测量的标称光谱宽度可以约为25nm、20nm、15nm、10nm、5nm或1nm。每个激光二极管152A、152B和/或152C可以包括驱动器，该驱动器被配置用于以约150ns(以50％振幅测量)以及约10Hz到约2000Hz的重复率或设定的约0.5％递送约3.3kW峰值功率(标称)。每个光脉冲可被配置用于标称递送约0.5mJ的能量(3300W x 150ns)。多个激光二极管152A、152B和/或152C的输出可以一起结合到单一光纤中。对于每个光脉冲，激光二极管子***135可被配置用于向耦合到激光二极管子***135的数字化器输出触发信号，以便使该数字化器可以开始采样序列。
虽然描述了3个激光二极管的阵列，但还设想到其他配置。例如，阵列可具有两个激光二极管或者4个或更多个激光二极管。替代于或结合于使用激光二极管阵列来产生不同波长的光输出，激光子***135可以包括光参量振荡器(OPO)以在多个波长之间快速切换激光输出。
图3图示了使用中的用于测量分娩期间存在于子宫UT中的胎儿FE的脑氧合(诸如SSS(SO2))的***100。如图3中所示以及上文和此处所描述，***100一般具有光声监测仪或控制台110，以及连接到该监测仪的患者接口或脑氧合探头150。监测仪或控制台110可以包括诸如光电二极管子***135等光源，该光源生成诸如近红外(NIR)激光等光，该光如图3中所示，可以从探头150的端头发射并进入胎儿的头部。光的能量在介质中的吸收可能跟随着被照射介质(在本例中为SSS中的血液)的热膨胀，而这引起以声(例如，超声)压波形式传播的机械应力。这些波能够以最小的散射行进穿过脑组织并且可由探头内的声传感器检测到，该声传感器将所述波转换成可提供给监测仪或控制台110和/或计算机以供处理的电信号。
在一些实施方式中，所发射的光处于NIR光谱范围的低端，诸如大约600至1300nm，例如760nm、800nm和860nm，如上文和此处所讨论。这样的波长范围可以导致NIR辐射的深穿透，这足够进行对血红蛋白饱和度的光声监测。为了进行监测而施加的激光能量的量可以较小并且不会引起对患者的皮肤或操作者的眼组织的任何热损伤或机械损伤，这是因为激光通量水平远低于眼组织的最大允许暴露量(MPE)。在一些实施方式中，以大约1μJ到1mJ的功率递送激光能量。
氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在可见光和NIR光谱范围中具有高吸收系数。因此，在血液中引起的生成的光声压的振幅和空间分布一般都依赖于总血红蛋白浓度[THb]和血红蛋白饱和度(计算为氧合血红蛋白÷[THb])。所公开的测量技术的高分辨率支持对大血管中的[THb]和饱和度的直接测量。在一些实施方式中，可以使用光参量振荡器(OPO)来评估饱和度，该光参量振荡器由Nd-YAG激光器泵浦，以生成4个重要波长800或805nm(等吸收点，在该点处氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有相等的吸收)以及700、730和760nm——这些是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有强吸收差异的波长。在一些实施方式中，可能对不同分子的浓度感兴趣，从而选择其他波长。例如，光电二极管152A、152B和/或152C中之一可被配置成输出860nm的光信号，在该波长下诸如吲哚菁绿(ICG)等外源性染料显示出非常低的声响应，而在约900nm下，其具有峰值声响应。这种对比可以提供ICG监测的高准确度。
声信号总体上从靶标以直线返回。激光光声成像技术将光学断层扫描(高光学对比度)与超声成像(声波散射最小)的优点相结合，以产生具有高对比度、灵敏度和分辨率的无创诊断模式。光声技术的高分辨率、灵敏度和对比度以优异的准确度、特异性和灵敏度提供对[THb]、氧合血红蛋白以及脱氧血红蛋白的监测。超声信号的直线传输使光声测量区别于纯光学技术之处在于，入射光信号和返回光信号全都因穿过组织而散射。光声成像能够以≤0.5mm的空间分辨率对深度达几厘米的光学浑浊和不透明组织中的结构进行可视化，并且能够重建光声图像。综上所述，光声监测的优点包括但不限于：(1)无创，(2)准确、定量的测量，(3)连续、实时的测量，(4)高空间分辨率，以及(5)紧凑的尺寸。
图4-图6图示了可以在图3中所示的***10内使用的脑氧合探头20的示例。患者接口150可以包括探头20。由于探头20可被设计用于发射光和检测声波，因此该探头可称为光声探头。一般而言，探头20包括头端22，从中可以延伸一个或多个线缆24，将探头20连接到***100的其余部分。
头端22可由诸如聚酰胺(例如，PA 2200)、聚碳酸酯(例如，PC-ISO)或丙烯腈丁二烯苯乙烯(例如，ABS-M30)等生物相容性聚合物材料制成，并且可以包括一个或多个零件。在头端22包括不止一个零件的情况下，可以将所述零件密封在一起以便防止空气或流体进入到该头端的内部。如图4-图6中所示，头端22可以包括总体上为圆柱形的壳体26。壳体26的中间部分(沿着其纵轴)可以窄于该壳体的末端。更具体而言，壳体26可以从每一壳体末端逐渐缩窄，使得壳体的中心成为其最窄点。由于这一配置，壳体26可具有圆润沙漏形状，在图6中能够最清楚地看出。该形状可以形成环绕壳体26的中心的连续圆润凹槽28。在一些实施方式中，该凹槽28具有大约5至50mm的曲率半径。如下文所述，该凹槽28可以便利于在氧合测量规程期间握持头端22。虽然可以改变壳体26的尺寸以适合于应用和/或用户，但在一些实施方式中，壳体的高度(H)约为5至30mm，壳体末端的直径(D)约为8至20mm，并且壳体中心的直径(d)约为3至15mm(见图6)。还如图6中所示，壳体26的末端的边缘可以是圆润的。头端22可以包括柔性或软质材料，或者具有平滑边缘的刚性材料，该材料优选地提供容纳于探头20内的电气组件的电气隔离。
如图4和图5中最清楚地示出，壳体26的前端是探头的工作端，其被配置用于与胎儿的头部相接合。在探头20的该端，壳体26可以包括圆形开口32，该圆形开口32提供对壳体内部的接近。通过该开口30可以看到内部电磁屏蔽34，该电磁屏蔽34位于对开口32加以密封的封盖36之后。光波导38的端头可以沿着与壳体26的纵轴平行的方向从封盖36的中心延伸。以下结合图7的截面图描述这些组件的性质和功能。
进一步参考图4-图6，应变减轻元件40从壳体26延伸，该元件40对从探头头端22延伸的线缆24提供应变减轻。在一些实施方式中，应变减轻元件40可由与壳体26相同的材料制成，并且可以与其一体形成。如图4-图6中所示，线缆24可以包括电气线缆42和光学线缆44，它们相应地用于传输电信号和光信号。然而应当注意，如果需要，可以将这些线缆42、44结合成单一线缆。如图6中最清楚地示出，应变减轻元件40可以在大致与壳体的纵轴垂直的方向上从壳体26的后端伸出。如图5与图6的对比所示，应变减轻元件40可以具有比其高度尺寸(图6)更大的宽度尺寸(图5)。光学线缆44可以是柔性的和较小的(例如，直径约1mm)，从而使该线缆可以弯曲以配合在壳体中。
壳体26和应变减轻元件40可被配置成允许用户将探头定位在位于各个朝向的胎儿头部的前囟上，以及产道内的一定深度范围内。例如，探头20的尺寸可设定成配合在胎儿头部与宫颈壁之间，或者置于宫颈口中的胎儿头部之上。应变减轻元件可被配置成具有用于线缆的柔性的或可调节的出口角度，以便允许用户将探头移动到适当位置用于测量。
图7图示了图4-图6中所示光声探头20的示例构造。如图7中所示，探头头端22可由两块材料形成，该两块材料耦合在一起以限定壳体26和应变减轻件40。或者，包括壳体26和应变减轻件40在内的探头头端22可由单一的整块材料形成。更具体而言，头端22可以包括顶部部分50和底部部分52，它们各自限定壳体26和应变减轻件40的一部分并且彼此附接以便密封探头的内部组件所处于的中空内部空间54。如图7中所示，这些组件包括上文提到的电磁屏蔽34、封盖36和光波导38，以及声传感器56、间隔元件58、印刷电路板(PCB)60和声背衬材料62。这些组件中每一个的用途在下文描述。
电磁屏蔽34可以是包围探头20的包括声传感器56和PCB 60在内的其他内部组件的元件，并且可以屏蔽它们免受电磁干扰。屏蔽34可由诸如铜箔等导电材料制成，并且可以充当对原本会干扰探头20的正常操作的电磁噪声。
封盖36可以使电磁屏蔽34绝缘并密封壳体26的前端30以防止空气或液体穿过其开口32。在一些实施方式中，封盖36由诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)等透明聚合物材料制成。
光波导38可以用于向胎儿脑部内的组织递送脉冲NIR光，以便诱发可由声传感器56检测到的来自SSS的超声波。光波导38可以包括单一光纤或多个光纤。在后一种情况下，光纤可以像光纤线缆那样捆绑在一起，或者可以在空间上彼此分开。在一些实施方式中，光波导38包括具有10至1500μm纤芯和大约12至2000μm外径的单一光纤。不论所使用的光波导38的具体性质如何，波导的端头都延伸超出封盖36的外表面。这样的延伸可以便利于在胎儿拥有大量头发的情况下将光波导38放置成与头皮直接接触。在一些实施方式中，端头延伸超出封盖36的外表面约1至3mm。例如，光波导可以包括从壳体突出的、具有约1mm直径的多个光纤，以形成可以穿过头发接触头皮的光纤“刷”，从而减少由于被头发吸收而造成的光强度损失。光纤可以延伸穿过如图7中所示的壳体的底部的中心，并且延伸超出封盖36的外表面约2mm。所述多个光纤能够以使得光纤可以位于SSS之上的方式中心到中心间隔开。光纤优选地配置成可舒适地持续接触靶组织长达24小时。
如上文所述，声传感器56可以检测由胎儿的SSS生成的超声波。在一些实施方式中，声传感器56包括压电换能器，该压电换能器使用压电效应来测量压力、加速度、应变或力的变化并将其转换成电信号。传感器56可以通过间隔元件58从电磁屏蔽34分开，所述间隔元件58可由诸如聚酰胺等聚合物材料制成。在一些实施方式中，间隔元件58约为0.005至5mm厚。
由声传感器56生成的电信号经由一个或多个电线64传输到PCB 60。PCB 60包括预放大器，该预放大器在将从传感器56接收的信号沿着其他的电线66传输到***的监测仪或计算机之前对该信号进行放大。预放大器可被配置用于在约500kHz下提供约40dB的增益，从而具有从约40kHz到约10MHz范围内的约3dB带宽。PCB还可以包括数字化器，该数字化器被配置用于将声传感器56检测到的声信号数字化。举例而言，如本文所述，数字化器可被配置成响应于来自连接到探头的激光二极管子***的触发信号，以至少约20MHz对来自预放大器的声信号进行采样。数字化器例如可以储存声信号的约1000个样本，并将样本块传送到与光声探头相连并控制其操作的控制台单元100的处理器，以便进行样品的波形平均。
声背衬材料62位于声传感器56背后。其为传感器56提供背衬(用于压力波的宽带检测)并吸收穿过传感器行进的振动，以防止信号中不期望的振铃以及将单独的信号部分与振铃噪声分开。在一些实施方式中，衰减器62包含一块环氧树脂。
如图7中所示，在内部安设有探头的内部组件的中空内部空间54可以基本上为圆柱形，具有范围从约8到约10mm的直径54d和约10mm的高度54h。
探头20可被设计成减小无法在使用之间容易地清洗和消毒的面积，诸如壳体的外表面中的凹槽或凹处。替代地或组合地，探头20可以包括被配置用于放置在壳体之上的一次性封盖，以便减少对于在在使用之间对探头进行清洗和消毒的需求。探头20优选地配置成使得其组件可以承受浸泡在用于灭菌的消毒溶液中。
图11A和图11B图示了如本文所述的光声探头20的示例性配置。探头20可以包括头端22，该头端22从连接到控制探头操作的控制台(例如参考图1和图2描述的控制台110)的线缆束延伸。头端22可以包括壳体26、顶部部分50和基本上构成相同形状的底部部分52。例如，壳体26可以具有基本上为圆柱形的形状，例如具有从约30mm至约40mm范围的直径D和约18mm的高度H。顶部部分50和底部部分52可以基本上为圆形，具有基本上相同的直径D，朝向基本上彼此平行。壳体可以具有在壳体的中心部分围绕壳体的侧面连续延伸的环形凹槽28。凹槽28可以形成壳体的凹形侧表面，凹形侧表面便利于在用户将底部部分52放置成与靶组织相接触以进行氧合测量时由用户握持探头头端22。
图12A和图12B图示了如本文所述的光声探头20的另一示例性配置。探头20可以包括头端22，该头端22从连接到控制探头操作的控制台(例如参考图1和图2描述的控制台100)的线缆束延伸。头端22可以包括壳体27，该壳体27具有顶部部分51和构成不同形状的底部部分53。例如，底部部分53可以构成具有直径D的基本上为圆形的形状，而顶部部分51可以构成在底部部分的直径D上延伸的细长形状。顶部部分51的平面可以相对于底部部分53的平面成角度55安置，使得顶部部分的第一端51a直接连接到底部部分53。壳体的最大高度H可以约为25mm，而壳体的直径D可以是约30mm至约40mm。壳体可以包括围绕壳体的侧面的一部分连续延伸的凹槽29。如图12B中所示，凹槽29可以具有与壳体的顶部部分51和底部部分53之间的角度55相对应的锥形部，使得凹槽在顶部部分的第一端51a与底部部分相连的点处终止。凹槽29可以形成壳体的凹形后表面和侧表面，其便利于在用户将底部部分53放置成与靶组织相接触以进行氧合测量时由用户握持探头头端22。耦合到探头头端22并被配置用于减轻置于线缆24上的应变的应变减轻元件40可以具有如图所示的流线形或锥形形状。
图8和图9图示了在胎儿脑氧合测量规程期间产科医生可以抓握探头20的方式的两个示例。在这两种情况下，将探头的头端22夹在食指与中指的指尖之间。如图中所示，探头头端壳体26内的凹槽28使捏握便利。探头20的(一个或多个)线缆24可以如图8中所示沿着手的内侧延伸，或者如图9中所示沿着手的外侧延伸。如图3中所示，一旦实现期望的握持和线缆布线，产科医生就可以继而将其手穿过******到产道中，以便将探头头端22的前端放置成与胎儿的头部相接触。继而可以使用探头20获得测量值，并对其进行处理以确定脑氧合。优选地，探头头端22放置在胎儿的头部的前囟之上，其中胎儿处于头部朝下的任意位置(例如，正枕前位(OA)、左枕前位(LOA)、右枕前位(ROA)、左枕横位(LOT)、右枕横位(ROT)、正枕后位(OP)、左枕后位(LOP)、右枕后位(ROP))。在一个典型场景中，胎儿的头部可向产道中凹入约50mm，并且子宫颈可扩张到约4至5cm。光声探头的***、定位和测量例如可具有约30至约40秒的持续时间。
探头20可以在有超声凝胶的情况下使用，或者可以在无超声凝胶的情况下使用，其中探头头端紧密接触胎儿头皮。如果在无超声凝胶的情况下使用，探头头端周围环境中的固有水分可以提供充分的声耦合。
图13A-图13C图示了在胎儿脑氧合测量规程期间由用户抓握的探头20的一个示例性配置。探头20可以包括具有如图12A-图12B中所示形状的探头头端22，其中壳体的顶部部分51和底部部分53构成了不同的形状。探头头端22可以抓握在用户的食指与中指之间，其中手指的远端部分接合如本文所述的头端的外壳中的凹槽29。如图13B和图13C中所示，线缆束24可以沿着手的内侧延伸。头端22可具有紧凑的大小以便易于配合在用户手指的远端部分内。例如，从头端22的端头到应变减轻元件40的末端的长度70可以约为40mm，如图13A中所示。头端的壳体的底部部分53可以具有约10mm的厚度71，如图13B中所示。壳体的底部部分的直径D可以是约18mm至约20mm，如图13C中所示。
图14A-图14C图示了在胎儿脑氧合测量规程中由用户抓握的探头20的另一示例性配置。探头20可以包括具有如图11A-图11B中所示形状的探头头端22，其中壳体的顶部部分50和底部部分52构成了基本上相同的圆形形状。探头头端22可以抓握在用户的食指与中指之间，其中手指的远端部分接合如本文所述的头端的壳体中的凹槽28。如图14B和图14C中所示，线缆束24沿着手的内侧延伸。头端22可具有紧凑的大小以便易于配合在用户手指的远端部分内。例如，从头端22的端头到应变减轻元件40的末端的长度72可以是约20mm至约30mm，如图14A中所示。头端的壳体的底部部分52可以具有约10mm的厚度73，如图14B中所示。壳体的底部部分的直径D可以是约18mm至约20mm，如图14C中所示。
图15A和图15B图示了在胎儿脑氧合测量规程期间由用户抓握的探头20的又一示例性配置。探头20可以包括如本文所述的探头头端22和应变减轻元件40，其中头端22可以包括具有凹槽(诸如图11B和图12B中所示的凹槽28或凹槽29)的壳体。用户可以如本文所述用两个手指抓握头端22，或者用户可以将单一手指的指尖置于凹槽内。如图15A中所示，可以将指套80放置在接合头端22的一个或两个手指之上，以便将头端牢固地耦合到用户的所述一个或两个手指。安置在指套80内的头端22可以具有约40mm的高度81，而壳体的底部部分具有约20mm的直径D。从应变减轻元件40伸出的线缆24的一部分可以封闭在指套80内，而线缆的其余部分则被配置成沿着手的内侧延伸。或者，如图15B中所示，可以将手指手套82放置在用户的接合探头头端22的一个或两个手指之上，其中所述手指手套可具有固定在用户的手腕周围的束带，以便将手指手套牢固地耦合到用户的手。为了使手指和探头头端向手指手套82或指套80中的***便利，探头头端22可以在头端的端头上构成锥形“牛鼻”形状，如图15B中所示。应变减轻件40也可以构成锥形牛鼻形状，以便进一步减轻置于线缆24上的张力。探头的壳体可以构成如图所示的牛鼻形状，或者替代地，可以在壳体之上放置适配器来提供牛鼻形状。图15B的牛鼻形探头头端22可以具有约40mm的高度83、约20mm的底部直径D，以及约30mm至约35mm的最大直径84。
图17A-图17C示出了探头20的进一步实施方式。在该实施方式中，探头20可以包括壳体26，该壳体26可以包含环绕壳体26的中心的连续圆润凹槽28。壳体26还可以包括指袋117，用户可以将他的或她的手指置于该指袋117处，以在使用另一手指对胎儿身上的SSS或囟门进行触诊的同时操纵和定位探头20。指袋117可位于探头的一端上，而光输出和声换能器位于另一端上，如上文和此处所述。线缆24能够以笔直方式从壳体26向近端延伸(图17B)或者成角度(图17C)延伸。
图16示出了光声地确定一个或多个生理参数的方法160的流程图。
在步骤1600中，可以开始测量序列。
在步骤1605中，可以如上文和此处所述管理第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器的温度。例如，可以管理该温度以将光脉冲发生器保持在最佳操作温度范围内，例如，10℃至40°C。第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器可以包括激光二极管(例如，上文所述的激光二极管152A、152B和/或152B)，其光输出频率的稳定性依赖于温度。步骤1605可以包括下列子步骤：连续测量第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器的温度；将冷却空气流(例如，从冷却风扇)引导至第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器；激活相应地耦合到第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器的第一热电冷却器、第二热电冷却器和第三热电冷却器(例如，上文所述的热电冷却器152A’、152B’和152C’)以从第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器导离热量；以及调整冷却空气流和热电冷却器以将第一光脉冲发生器、第二光脉冲发生器和第三光脉冲发生器保持在最佳操作温度范围内。
在步骤1610中，可以如上文和此处所述生成第一光脉冲串，并且该第一光脉冲串可具有第一波长。
在步骤1620中，可以将所生成的脉冲串的每个光脉冲引导至如上文和此处所述的组织上。可以诸如使用患者接口装置(例如，上文所述患者接口150)和/或光声探头14将所生成的光脉冲引导至感兴趣组织上。步骤1610可以包括下列子步骤：提供手持式探头20以及将探头20定位在与要探询的感兴趣组织(诸如上文所述的胎儿的前囟)相邻之处。
在步骤1622中，可以如上文和此处所述测量来自组织的声响应。声响应可以包括如上文所述的胎儿的上矢状窦的声响应。如上文所述，例如，可以使用探头20的声传感器56或者患者接口150的其他效应器部分来捕捉声响应。
在步骤1624中，可以如上文和此处所述对来自每个光脉冲的声响应进行放大和数字化。如上文所述，例如，可以使用探头20的预放大器来放大声传感器56生成的电信号。经预放大的信号可由控制台单元100的声学子***140接收。经预放大的信号可继而由声学子***140进一步放大并继而用数字化器采样。采样信号可继而传送到控制台110的处理器115，用于波形平均以便从背景噪声中提取出波形。
在步骤1626中，可以如上文和此处所述对脉冲串的声响应波形求平均。
在步骤1628中，可以如上文和此处所述检测来自血液分析物的声响应的小波的振幅。
在步骤1630中，可以如上文和此处所述生成第二光脉冲串，并且该第二光脉冲串可具有不同于第一波长的第二波长。
在步骤1635中，可以针对第二波长重复步骤1620到步骤1628。
在步骤1640中，可以如上文和此处所述生成第三光脉冲串，并且该第三光脉冲串可具有不同于第一波长和第二波长的第三波长。
在步骤1645中，可以针对第二波长重复步骤1620到步骤1628。如此处和上文所述，第一波长、第二波长和第三波长可以彼此不同，并且被选择用于匹配感兴趣目标参数的吸收峰和声响应峰。如此处和上文所述，仅举几例而言，示例性波长包括700nm、730nm、760nm、800nm、805nm和860nm。例如，第一波长可以是800nm或805nm，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有相等的吸收的等吸收点；而第二波长和第三波长可以是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在吸收中具有强差异的波长，诸如700nm、730nm和760nm。
在步骤1650中，可以从声响应确定(一个或多个)生理参数。控制台单元100的处理器115可被配置用于做出这样的确定。例如，可以通过比较光脉冲的两个不同波长下的声响应来确定(一个或多个)感兴趣生理参数，诸如血液氧合或SSS(SO2)。为了提供(一个或多个)感兴趣生理参数的更准确且可靠的读数，可以如本文所述对所确定的(一个或多个)生理参数一起求平均。
在步骤1655中，可以如上文和此处所述显示所确定的(一个或多个)生理参数，诸如使用如上文所述的控制台单元100的显示器125来进行显示。在一些实施方式中，显示(一个或多个)平均生理参数。
在步骤1660中，可以将所确定的(一个或多个)生理参数储存在存储器中。例如，可以由控制台单元100将测得的(一个或多个)生理参数电子地发送到电子健康记录管理***。
在步骤1670中，可以关于是否继续测量而询问用户。如果用户期望继续测量，则可以用步骤1600来重新开始测量序列。如果用户期望结束测量，则可以用步骤1680来停止测量序列。可以确定是否有必要进行进一步的步骤。例如，医生或其他医疗专业人员可以基于控制台单元100示出的测得血液氧合来做出是否有必要进行剖宫产手术的确定。替代地或组合地，控制台单元100可被配置成基于所示的测得血液氧合来提出和显示关于是否有必要进行剖宫产手术或其他手术的建议。
虽然上述步骤示出了根据许多实施方式光声地确定一个或多个生理参数的方法160，本领域普通技术人员将会认识到基于本文所述教导的许多变体。所述步骤能够以不同次序完成。可以增添或删减步骤。例如，可以使用两个波长或更少个波长下的光脉冲串来确定氧合或其他感兴趣生理参数。一些步骤可以包括子步骤。只要有利于(一个或多个)诊断测量，可以任意次重复许多步骤。
方法160的步骤中的一个或多个步骤可以使用如本文所述的各种电路来执行，例如使用如上文和此处所述的处理器、控制器或电路板中的一种或多种来进行。举例而言，这样的电路可被编程用于提供方法1600的一个或多个步骤，并且程序可以包括储存在计算机可读存储器上的程序指令或者诸如可编程阵列逻辑或现场可编程门阵列等逻辑电路的编程步骤。
本公开内容的各方面还包括测量氧合的方法。这样的方法包括当信号良好(即，低背景)时应用公式来测量氧合。以下列出了用于在光信号的不同波长下确定血液氧合的示例性公式，其中R是760nm和800nm下的光声振幅的比率(R＝A760/A800)。
760nm：SO2＝1.54-0.76·R→R＝2.02-1.31·SO2
850nm：SO2＝-2.42+2.66·R→R＝0.91+0.38·SO2
总体上，对于任何波长：R＝ai+bi·SO2
例如，引入1.0以生成信号差异将会产生：
R-1＝ai+bi·SO2-1
并且，差分信号D760＝A760–A800可由以下等式表示：
因此，总体上，对于任何波长，可以适用以下等式(式1)：
并且，可以引入第三波长(例如，850nm)来按以下等式(式2)移除A800：
为了移除A800，可以按如下所示将式1除以式2.
(0.38·SO2-0.09)·(A760-A800)＝(-1.31·SO2+1.02)·(A850-A800)
并且其中D760＝A760–A800且D850＝A850–A800
0.38·D760·SO2-0.09·D760＝-1.31·D850·SO2+1.02·D850
0.38·D760·SO2+1.31·D850·SO2＝1.02·D850+0.09·D760
SO2(0.38·D760+1.31·D850)＝1.02·D850+0.09·D760
上面针对SO2的最后一个等式例如可以用于使用存在来自头发或皮肤黑色素(诸如胎儿、新生儿和成人头部以及深色皮肤中)的高背景情况下的任何(不良或良好)信号测量氧合。因此，即使在高背景的条件下，也可以使用三个或更多个光信号波长或者两个或更多个光信号波长对来光声地测量氧合。上述波长仅为示例，并且还设想到如上文和此处所述使用其他波长。上述各个公式和等式的系数也仅为示例，并且还设想到使用上述公式和等式的其他系数。
实验数据
在一个实验规程中，对血液动力学稳定的新生儿进行了光声测量，以便模拟对胎儿的光声监测。由被编程用于以15微焦耳的能量水平(类似于脉冲激光二极管所产生的能量)在800nm(等吸收点)、760nm和700nm这三个波长之间快速切换的个人计算机来控制光参量振荡器(OPO)。继而从两对波长(760nm和800nm)和(700nm和800nm)中的每一对计算出SSS(SO2)，并继而确定这两个计算值的平均值。通过对两个或更多个计算值取平均值，可以做出对血液氧合的更准确的测量。
对于两个新生儿中的第一个(婴儿1：体重1795g；当前体重2885g；胎龄32周)，在两个时间间隔测得SSS(SO2)为58％和69％。对于第二个新生儿(婴儿2：体重3040g；胎龄39周)，在三个时间间隔测得SSS(SO2)为55％、60％和62％。这些测量值与预期范围和随时间的生理变化一致。图10A和图10B示出了从中针对婴儿1和婴儿2计算SSS(SO2)的原始数据。
虽然可以在三个不同波长下进行测量，但应当注意，测量可以是在其他数目的波长下进行的。例如，在一些实施方式中，可以在760nm和800nm下进行测量。此外，虽然本文所述光声探头包括将光源生成的光转动90°的光波导，但应当注意，光可以按从0°(即，直接从探头的端头)到90°的任何角度从探头发射。所使用的具体角度可取决于根据胎儿头部位置和解剖结构，哪个角度提供对胎儿头部和囟门的最便利的接近。
在另一实验规程中，从晚期分娩期间的胎儿测量声信号。通过将760nm、800nm和850nm的光信号引导至组织来生成声响应。图18A示出了测得的差分信号，其中从760nm下获得的信号减去800nm下获得的信号。图18B示出了测定的差分信号，其中从850nm下获得的信号减去800nm下获得的信号。每个曲线图中所示的两个峰可以代表来自皮肤的声响应和来自上矢状窦(SSS)的声响应。来自SSS的峰可以用于确定胎儿在SSS处的静脉氧合。
虽然本文已经示出和描述了本公开内容的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式只是以举例方式提供的。本领域技术人员现将想到很多变更、改变和替代，而不偏离本公开内容的范围。应当理解，在实践本公开内容的发明的过程中可以采用对本文所描述的本公开内容的实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并因此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同项。

Claims (108)

1.一种监测胎儿的氧合的方法，所述方法包括：
向***中***传感器，所述传感器包括光输出和声换能器；
推进所述传感器经过子宫颈并到达子宫中；以及
将所述传感器定位在胎儿的头部之上，
其中所述传感器的所述光输出向胎儿的头部发射光，并且所述传感器的所述声换能器检测响应于发射的光而生成的声压，并且
其中所述传感器响应于检测到的声压而确定胎儿的氧合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器包括探头头端，并且其中向***中***传感器包括向***中***所述传感器的所述探头头端。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述传感器包括氧合监测仪和线缆，所述氧合监测仪被配置用于显示所确定的胎儿的氧合，而所述线缆将所述探头头端与所述氧合监测仪相连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中当所述探头头端***到***中时，所述氧合监测仪和所述线缆的至少一部分留在子宫之外。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述光输出包括位于所述探头头端中的波导，其中所述线缆包括一个或多个光纤，并且其中所述氧合监测仪包括通过所述一个或多个光纤耦合到所述波导的一个或多个激光二极管或者发光二极管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中向***中***传感器包括在用户的两个手指尖之间抓握所述探头头端。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中将所述传感器定位在胎儿的头部之上包括将所述光输出和所述声换能器定位成面向胎儿的上矢状窦。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中将所述传感器定位在胎儿的头部之上包括使从所述探头头端延伸的所述光输出的端头接触胎儿的头部的皮肤。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述传感器的所述光输出向胎儿的上矢状窦发射光，其中由上矢状窦生成响应于所发射的光而生成的所述声压，并且其中所述传感器确定上矢状窦的氧合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中向***中***传感器包括在分娩期间向***中***所述传感器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中由所述光输出发射的光具有1μJ至1mJ的能量。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中由所述光输出发射的光具有685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个的范围内的波长。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中由所述光输出发射的光具有700nm、730nm、760nm、805nm或860nm中的两个或更多个的范围内的波长。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所确定的胎儿的氧合包括胎儿的静脉氧合。
15.一种监测胎儿的氧合的方法，所述方法包括：
从定位在位于子宫中的胎儿的头部之上的传感器的光输出发射光；
用所述传感器的声换能器检测声压，所述声压是响应于所发射的光而生成的；
响应于检测到的声压而确定胎儿的氧合；以及
利用所述传感器向用户显示所确定的胎儿的氧合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述传感器包括探头头端，所述探头头端包括所述光输出和所述声换能器。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其中所述光输出包括从所述探头头端的壳体伸出的端头。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述传感器包括氧合监测仪和线缆，所述氧合监测仪被配置用于显示所确定的胎儿的氧合，而所述线缆将所述探头头端与所述氧合监测仪相连。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述光输出包括位于所述探头头端中的波导，其中所述线缆包括一个或多个光纤，并且其中所述氧合监测仪包括通过所述一个或多个光纤耦合到所述波导的一个或多个激光二极管或者发光二极管。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中所述光输出和所述声换能器面向胎儿的上矢状窦。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中所述传感器的所述光输出向胎儿的上矢状窦发射光，其中由上矢状窦生成响应于所发射的光而生成的所述声压，并且其中所述传感器确定上矢状窦的氧合。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中由所述光输出发射的光具有1μJ至1mJ的能量。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的方法，其中由所述光输出发射的光具有685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个的范围内的波长。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其中由所述光输出发射的光具有700nm、730nm、760nm、805nm或860nm中的两个或更多个的范围内的波长。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的方法，其中确定胎儿的氧合包括确定胎儿的静脉氧合。
26.一种用于监测胎儿的氧合的***，所述***包括：
监测仪，其包括处理器、光源和显示器；
线缆；以及
探头头端，其被配置用于保持在用户的两个手指尖之间并且通过所述线缆耦合到所述监测仪，所述探头头端包括光输出和声换能器，
其中所述光源被配置用于生成通过所述探头头端的所述光输出向胎儿发射的光，
其中所述声传感器被配置用于检测响应于所发射的光而生成的声压，
其中所述处理器被配置用于响应于检测到的声压而确定胎儿的氧合，并且
其中所述显示器被配置用于显示所确定的氧合。
27.根据权利要求26所述的***，其中所述光输出包括从所述探头头端的壳体伸出的端头。
28.根据权利要求26至27中任一项所述的***，其中所述监测仪的所述光源包括一个或多个激光二极管或者发光二极管。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的***，其中所述监测仪的所述光源被配置用于生成具有1μJ至1mJ的能量的光。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的***，其中所述监测仪的所述光源被配置用于生成具有685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个的范围内的波长的光。
31.根据权利要求26至30中任一项所述的***，其中所述监测仪的所述光源被配置用于生成具有700nm、730nm、760nm、805nm或860nm中的两个或更多个的波长的光。
32.根据权利要求26至31中任一项所述的***，其中所述线缆包括一个或多个光纤，所述一个或多个光纤被配置用于将所述光源生成的光引导至所述探头头端的光发射器。
33.根据权利要求26至32中任一项所述的***，其中所述处理器被配置用于响应于检测到的声压而确定胎儿的静脉氧合。
34.一种胎儿脑氧合探头，包括：
探头头端，其包括光输出和声换能器，所述光输出被配置用于向胎儿的头部发射光，而所述声换能器被配置用于检测响应于所发射的光而生成的声压；
线缆，其从所述探头头端伸出以便耦合到监测仪。
35.根据权利要求34所述的探头，其中所述探头头端适于保持在用户的两个手指尖之间。
36.根据权利要求34至35中任一项所述的探头，其中所述探头头端为圆柱形。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的探头，其中所述光输出包括从所述探头头端的壳体伸出的端头。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的探头，其中所述壳体包括环绕所述探头头端的中心的连续圆润凹槽。
39.根据权利要求34至38中任一项所述的探头，其中所述光输出包括一个或多个光纤。
40.根据权利要求34至39中任一项所述的探头，其中所述声换能器包括压电换能器。
41.根据权利要求34至40中任一项所述的探头，其中所述探头头端包括壳体，所述壳体限定所述声换能器所位于的并且所述光输出从中穿过的内部空间。
42.根据权利要求34至41中任一项所述的探头，其中所述探头头端还包括用于所述声换能器的放大器。
43.根据权利要求34至42中任一项所述的探头，其中所述探头头端包括电磁屏蔽，所述电磁屏蔽将所述声传感器和所述放大器屏蔽以免受电磁干扰。
44.根据权利要求34至43中任一项所述的探头，其中所述探头头端还包括声衰减器，所述声衰减器被配置用于吸收所述探头头端中不期望的振铃。
45.根据权利要求34至44中任一项所述的探头，其中所述光输出被配置用于输送由所述监测仪中的光源生成的光。
46.根据权利要求34至45中任一项所述的探头，其中所述探头头端被配置用于发射具有1μJ至1mJ的能量的光。
47.根据权利要求34至46中任一项所述的探头，其中由所述光输出发射的光具有685-715nm、715-745nm、745-775nm、790-820nm或845-875nm中的两个或更多个的范围内的波长。
48.根据权利要求34至47中任一项所述的探头，其中由所述光输出发射的光具有700nm、730nm、760nm、805nm或860nm中的两个或更多个的范围内的波长。
49.一种用于光声确定受试者的氧合的方法，所述方法包括：
向受试者的组织发射具有第一波长的第一光；
向所述组织发射具有第二波长的第二光，所述第二波长不同于所述第一波长；
向所述组织发射具有第三波长的第三光，所述第三波长不同于所述第一波长和所述第二波长；
检测由所述组织响应于第一发射光、第二发射光和第三发射光而生成的声压；
响应于检测到的声压而确定氧合。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述第一波长处于从790至820nm的范围内。
51.根据权利要求49至50中任一项所述的方法，其中所述第一波长为805nm。
52.根据权利要求49至51中任一项所述的方法，其中所述第二波长或所述第三波长处于从685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm或者845nm至875nm的范围内。
53.根据权利要求49至52中任一项所述的方法，其中所述第二波长或所述第三波长为700nm、730nm、760nm或860nm。
54.根据权利要求49至53中任一项所述的方法，其中所述第一光、所述第二光和所述第三光是从共同光源发射的。
55.根据权利要求49至54中任一项所述的方法，其中所述共同光源被配置用于在发射具有所述第一波长的所述第一光、具有所述第二波长的所述第二光以及具有所述第三波长的所述第三光之间快速切换。
56.根据权利要求49至55中任一项所述的方法，其中所述第一光、所述第二光和所述第三光是从共同光纤向组织发射的。
57.根据权利要求49至56中任一项所述的方法，其中所述第一光、所述第二光或所述第三光中的一个或多个具有至少0.5微焦耳的能量水平。
58.根据权利要求49至57中任一项所述的方法，其中响应于检测到的声压而确定氧合包括响应于以下各项而确定氧合：响应于所述第一发射光和响应于所述第二发射光而检测到的声压中的第一差异，以及响应于所述第一发射光和响应于所述第三发射光而检测到的声压中的第二差异。
59.根据权利要求49至58中任一项所述的方法，其中确定氧合包括响应于对所述第一差异做出响应而确定的氧合和对所述第二差异做出响应而确定的氧合的平均值而确定氧合。
60.根据权利要求49至59中任一项所述的方法，其中发射的所述第一光、第二光或第三光中的一个或多个具有至少150ns的脉宽。
61.根据权利要求49至60中任一项所述的方法，其中发射的所述第一光、第二光或第三光中的一个或多个具有10至2000Hz的重复率。
62.根据权利要求49至61中任一项所述的方法，其中所述第一波长在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有基本相等的吸收。
63.根据权利要求49至62中任一项所述的方法，其中所述第二波长和所述第三波长在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有吸收差异。
64.一种用于光声确定受试者的氧合的***，所述***包括：
光源，其被配置用于向组织发射具有第一波长的第一光、具有不同于所述第二波长的第二波长的第二光以及具有不同于所述第一波长和所述第二波长的第三波长的第三光；
声换能器，其被配置用于检测由所述组织响应于第一发射光、第二发射光和第三发射光而生成的声压；
处理器，其被配置用于响应于检测到的声压而确定氧合。
65.根据权利要求64所述的***，其中所述光源包括激光二极管或发光二极管阵列。
66.根据权利要求64至65中任一项所述的***，其中所述激光二极管或发光二极管阵列包括被配置用于发射所述第一光的第一激光二极管、被配置用于发射所述第二光的第二激光二极管以及被配置用于发射所述第三光的第三激光二极管。
67.根据权利要求64至66中任一项所述的***，其中所述第一波长处于从790至820nm的范围内。
68.根据权利要求64至67中任一项所述的***，其中所述第一波长为805nm。
69.根据权利要求64至68中任一项所述的***，其中所述第二波长或所述第三波长处于从685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm或者845nm至875nm的范围内。
70.根据权利要求64至69中任一项所述的***，其中所述第二波长或所述第三波长为700nm、730nm、760nm或860nm。
71.根据权利要求64至70中任一项所述的***，还包括控制器，所述控制器被配置用于在发射具有所述第一波长的所述第一光、具有所述第二波长的所述第二光以及具有所述第三波长的所述第三光之间快速切换所述光源。
72.根据权利要求64至71中任一项所述的***，还包括共同光纤，所述共同光纤耦合到所述光源并且通过所述共同光纤传输所述第一光、所述第二光和所述第三光。
73.根据权利要求64至72中任一项所述的***，其中所述第一光、所述第二光或所述第三光中的一个或多个具有至少0.5微焦耳的能量水平。
74.根据权利要求64至73中任一项所述的***，其中所述处理器被配置用于响应于以下各项而确定氧合：响应于所述第一发射光和响应于所述第二发射光而检测到的声压中的第一差异，以及响应于所述第一发射光和响应于所述第三发射光而检测到的声压中的第二差异。
75.根据权利要求64至74中任一项所述的***，其中所述处理器被配置用于响应于对所述第一差异做出响应而确定的氧合和对所述第二差异做出响应而确定的氧合的平均值而确定氧合。
76.根据权利要求64至75中任一项所述的***，其中所述光源被配置用于发射具有至少150ns的脉宽的所述第一光、所述第二光或所述第三光。
77.根据权利要求64至76中任一项所述的***，其中所述光源被配置用于发射具有10至2000Hz的重复率的所述第一光、所述第二光或所述第三光。
78.根据权利要求64至77中任一项所述的***，其中所述第一波长在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有基本相等的吸收。
79.根据权利要求64至78中任一项所述的***，其中所述第二波长和所述第三波长在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间具有吸收差异。
80.根据权利要求64至79中任一项所述的***，还包括显示器，所述显示器被配置用于显示所确定的氧合。
81.一种用于监测受试者的氧合的桌面大小的控制台，所述控制台包括：
激光二极管子***，其用于发射指向受试者的组织的光脉冲，所述激光二极管子***包括
第一激光二极管，其被配置用于发射具有第一波长的第一光脉冲，
第一热电冷却器，其耦合到所述第一激光二极管以调控所述第一激光二极管的温度，
第二激光二极管，其被配置用于发射具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光脉冲，
第二热电冷却器，其耦合到所述第二激光二极管以调控所述第二激光二极管的温度，
第一冷却风扇，以及
至少一个控制器，其耦合到所述第一冷却风扇、所述第一热电冷却器或所述第二热电冷却器中的一个或多个，以控制所述第一冷却风扇、所述第一热电冷却器或所述第二热电冷却器中的一个或多个，从而调控所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的温度；以及
声传感器子***，其用于测量所述组织中响应于所发射的光脉冲而生成的声压，
其中响应于接收到的声压而确定受试者的氧合。
82.根据权利要求81所述的控制台，其中所述激光二极管子***还包括第三激光二极管和第三热电冷却器，所述第三激光二极管被配置用于发射具有不同于所述第一波长和所述第二波长的第三波长的第三光脉冲，而所述第三热电冷却器耦合到所述第三激光二极管以调控所述第三激光二极管的温度，并且其中所述至少一个控制器还耦合到所述第三热电冷却器以调控所述第三激光二极管的温度。
83.根据权利要求81至82中任一项所述的控制台，其中所述激光二极管子***还包括用于测量所述第一激光二极管的温度的第一温度传感器、用于测量所述第二激光二极管的温度的第二温度传感器以及用于测量所述第三激光二极管的温度的第三温度传感器，并且其中所述至少一个控制器被配置用于响应于由所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述第三温度传感器测量的温度而调控所述第一激光二极管、所述第二激光二极管和所述第三激光二极管的温度。
84.根据权利要求81至83中任一项所述的控制台，其中所述第一波长、所述第二波长或所述第三波长处于685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm、790nm至820nm或845nm至875nm的范围内。
85.根据权利要求81至84中任一项所述的控制台，其中所述激光二极管子***还包括用于测量所述第一激光二极管的温度的第一温度传感器和用于测量所述第二激光二极管的温度的第二温度传感器，并且其中所述至少一个控制器被配置用于响应于由所述第一温度传感器和所述第二温度传感器测量的温度而调控所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的温度。
86.根据权利要求81至85中任一项所述的控制台，其中所述第一波长或所述第二波长处于685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm、790nm至820nm或845nm至875nm的范围内。
87.根据权利要求81至86中任一项所述的控制台，还包括处理器，所述处理器耦合到所述激光二极管子***以控制所述激光二极管子***并且耦合到所述声传感器子***以接收测得的声压。
88.根据权利要求81至87中任一项所述的控制台，其中所述处理器被配置用于响应于测得的声压而确定受试者的氧合。
89.根据权利要求81至88中任一项所述的控制台，还包括功率供应器，所述功率供应器耦合到所述激光二极管子***、所述声传感器子***以及所述处理器。
90.根据权利要求81至89中任一项所述的控制台，还包括显示器，所述显示器耦合到所述处理器以向用户显示所确定的氧合。
91.根据权利要求81至90中任一项所述的控制台，其中所述显示器包括用于操作所述控制台的触摸屏。
92.根据权利要求81至91中任一项所述的控制台，还包括桌面大小的壳体，所述壳体封闭所述激光二极管子***、所述声传感器子***和所述处理器。
93.根据权利要求81至92中任一项所述的控制台，还包括第二冷却风扇，所述第二冷却风扇耦合到所述处理器或所述声传感器子***中的一个或多个，以便冷却所述控制台。
94.根据权利要求81至93中任一项所述的控制台，其中所述处理器能够访问受试者的医疗记录。
95.根据权利要求81至94中任一项所述的控制台，还包括用于所述激光二极管子***的输出端口和用于所述声传感器子***的输入端口。
96.根据权利要求81至95中任一项所述的控制台，其中所述输出端口和所述输入端口被配置成耦合到传感器模块或光声探头，以便向受试者的组织发射所述一个或多个光脉冲以及接收所述组织中生成的所述声压。
97.根据权利要求81至96中任一项所述的控制台，其中所述输出端口和所述输入端口被配置成用包括一个或多个光纤的线缆耦合到所述传感器模块或所述光声探头。
98.一种监测受试者的氧合的方法，所述方法包括：
用第一激光二极管生成具有第一波长的第一光脉冲；
用第二激光二极管生成具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光脉冲；
用耦合到所述第一激光二极管的第一热电冷却器、耦合到所述第二激光二极管的第二热电冷却器以及第一冷却风扇来调控所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的温度；
将所生成的第一光脉冲和第二光脉冲引导至受试者的组织；
测量所述组织中响应于所引导的第一光脉冲和第二光脉冲而生成的声压；以及
响应于测得的声压而确定受试者的氧合。
99.根据权利要求98所述的方法，还包括：
用第三激光二极管生成具有不同于所述第一波长和所述第二波长的第三波长的第三光脉冲；
用耦合到所述第三激光二极管的第三热电冷却器和所述第一冷却风扇调控所述第三激光二极管的温度；以及
将所生成的第三光脉冲引导至受试者的组织，
其中测得的声压是在所述组织中响应于所引导的第一光脉冲、第二光脉冲和第三光脉冲而生成的。
100.根据权利要求98至99中任一项所述的方法，还包括测量所述第一激光二极管的温度、测量所述第二激光二极管的温度、测量所述第三激光二极管的温度，以及响应于测得的温度而调控所述第一激光二极管、所述第二激光二极管和所述第三激光二极管的温度。
101.根据权利要求98至100中任一项所述的方法，其中所述第一波长、所述第二波长或所述第三波长处于685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm、790nm至820nm或845nm至875nm的范围内。
102.根据权利要求98至101中任一项所述的方法，还包括测量所述第一激光二极管的温度和所述第二激光二极管的温度，以及响应于测得的温度而调控所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的温度。
103.根据权利要求98至102中任一项所述的方法，其中所述第一波长或所述第二波长处于685nm至715nm、715nm至745nm、745nm至775nm、790nm至820nm或845nm至875nm的范围内。
104.根据权利要求98至103中任一项所述的方法，还包括显示所确定的受试者的氧合。
105.根据权利要求98至104中任一项所述的方法，还包括用第二冷却风扇调控所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的温度。
106.根据权利要求98至105中任一项所述的方法，其中所述第二冷却风扇被封闭在封闭所述第一激光二极管、所述第二激光二极管和所述第一冷却风扇的壳体内。
107.根据权利要求98至106中任一项所述的方法，其中将所生成的第一光脉冲和第二光脉冲引导至受试者的组织包括用耦合到所述第一光电二极管和第二光电二极管的传感器模块或光声传感器的波导来引导所述第一光脉冲和所述第二光脉冲。
108.根据权利要求98至107中任一项所述的方法，其中由所述传感器模块或所述光声传感器的声换能器测量所述声压。
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