Способ и устройство для улучшенного фотоплетизмографического мониторинга оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина

Аннотация

В улучшенном способе и устройстве для фотоплетизмографического мониторинга параметров аналитов крови, в частности оксигемоглобина, дезоксигемоглобина (восстановленный гемоглобин), карбоксигемоглобина и метгемоглобина, используется множество лучей света, имеющих различное спектральное содержание, для просвечивания ткани пациента. Полученный свет измеряется, и нормализованное дифференциальное поглощение используется в уравнении прямой калибровки для получения оценочных значений относительной концентрации аналита крови. Ошибка в значениях концентрации аналита в крови минимизируется путем применения ограничений к оцениваемым аналитам. В частности, ограничения требуют, чтобы все относительные значения концентрации аналита были больше или равны нулю и составляли сто процентов. Альтернативный метод применения ограничений к определению значений концентрации стабилизированного аналита сокращает время вычисления, используя обратное уравнение калибровки и подставляя обратное уравнение для прямого уравнения в процессе минимизации.

---

ОПИСАНИЕ

Предпосылки для создания изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к мониторингу ткани пациента с использованием фотоплетизмографического устройства для получения информации, связанной с концентрацией оксигемоглобина (O2Hb), дезоксигемоглобина или восстановленного гемоглобина (RHb), карбоксигемоглобина (COHb) и метгемоглобина (MetHb) в крови пациента. Более конкретно, настоящее изобретение относится к повышению точности этих измерений, которые могут быть получены путем применения конкретного способа и устройства стабилизации.

Во время неотложной оценки, хирургического вмешательства и других медицинских процедур, врачи часто хотят знать концентрацию кислорода в крови, а также другие факторы. В пульсовой оксиметрии относительная концентрация оксигемоглобина и дезоксигемоглобина измеряется в процентах от общего гемоглобина, чтобы предоставить данные об оксигенации крови пациента. На оксигенацию крови может отрицательно влиять образование дополнительных видов гемоглобина, называемых дисгемоглобинами. В частности, карбоксигемоглобин образуется, когда молекулы оксида углерода связываются с гемоглобином в крови. Точное измерение концентрации карбоксигемоглобина в крови пациента может потребоваться, когда пациент курит или подозревается отравление угарным газом. Кроме того, повышенные уровни метгемоглобина в крови могут быть вызваны различными лекарствами, нелегальными наркотиками и некоторыми патологическими состояниями, такими как серповидноклеточная анемия. Поэтому измерение концентрации метгемоглобина также полезно при оценке состояния пациента. Пульсоксиметры коммерчески доступны для измерения насыщения кислородом или концентрации оксигемоглобина в процентах от общего гемоглобина в артериальной крови. Эти инструменты полагаются на изменяющееся во времени поглощение света тканью, снабженной пульсирующей артериальной кровью, с помощью методики, известной обычно как фотоплетизмография. Обычные пульсовые оксиметры пропускают свет через ткани с двумя разными центральными длинами волн. Спектральные характеристики насыщенного кислородом гемоглобина и восстановленного гемоглобина в артериальной крови различаются для двух разных световых сигналов, испускаемых пульсовым оксиметром. Поскольку пульсирует артериальная кровь, свет, проходящий через ткань, обычно имеет изменяющийся во времени компонент, а также неизменяемый во времени компонент. Из отношения, сформированного путем деления отношения изменяющегося во времени компонента на не зависящий от времени компонент интенсивности света от одного излучателя, проходящего через ткань, на отношение изменяющегося во времени компонента к не меняющемуся во времени компоненту передаваемой интенсивности от второго излучателя можно определить степень насыщения кислородом в артериальной крови. См., Например, статью Дж. А. Полога в Международной клинике анестезиологии, том 25, стр. 137-153 (1987).

Основное физическое свойство, позволяющее измерять насыщение артериальной крови кислородом методом пульсовой оксиметрии, состоит в том, что кровь меняет цвет с насыщением. Пульсоксиметр измеряет «цвет» артериальной крови и коррелирует этот «цвет» с заданным насыщением кислородом, которое будет отображаться. Когда кровь хорошо насыщена кислородом, она не поглощает много красного света, но, поскольку она обесцвечивает, она поглощает все больше и больше красного света, придавая крови более темный вид. Противоположное поведение наблюдается в ближней инфракрасной области (от 810 до 1000 нм), где гемоглобин поглощает больше света при насыщении кислородом, чем при ненасыщении. По этой причине в текущих импульсных оксиметрах используются два излучателя, обычно светоизлучающие диоды, один из которых предназначен для генерации света в красной области, обычно с центром около 660 нм, и один, который генерирует свет в ближней инфракрасной области, обычно с центром около 925 или 940 нм.

Наиболее очевидное ограничение пульсовой оксиметрии связано с тем, что это всего лишь двухканальная система (канал, определяемый как световое или электронное представление света из ткани, исходящей от любого данного излучателя). Поэтому любой обычный пульсовой оксиметр может решить только для двух аналитов крови и предполагает, что в артериальной крови присутствуют только оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин. Любые дополнительные хромофоры, которые присутствуют в артериальной крови и которые поглощают свет в диапазонах длин волн, используемых прибором, приведут к ошибочным показаниям. Два таких хромофора включают карбоксигемоглобин и метгемоглобин. В частности, если карбоксигемоглобин или метгемоглобин присутствуют при уровнях выше нормальных, обычный пульсовой оксиметр даст ложно высокие показания для насыщения артериальной крови кислородом. Это одно из самых серьезных и потенциально опасных ограничений современной пульсоксиметрии.

До сих пор в пульсовых оксиметрах отсутствовали средства для компенсации ошибок измерения оксигемоглобина и снижения гемоглобина из-за присутствия в крови карбоксигемоглобина и метгемоглобина. Другие пытались производить неинвазивные приборы для измерения концентраций оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина. Тем не менее, не было успешной недорогой коммерческой реализации фотоплетизмографического монитора, который способен точно измерять эти четыре аналита крови.

Настоящее изобретение преодолевает этот недостаток, предлагая новые способы и устройства для стабилизации предполагаемых концентраций оксигемоглобина, восстановленного гемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина, которые генерируются фотоплетизмографическим инструментом. Этот метод стабилизации использует дополнительную информацию при оценке концентраций аналита, а именно, что концентрации аналита должны находиться в диапазоне от 0 до 100% и должны составлять 100%. Хотя многие текущие пульсовые оксиметры ограничивают показания насыщения кислородом в пределах от 0 до 100%, ни один из них не использует эту информацию в реальном процессе оценки аналита. Настоящее изобретение значительно повышает точность показаний аналита крови путем включения этих ограничений в расчеты оценки аналита.

Краткое изложение сущности изобретения

Эта статья раскрывает фотоплетизмографический способ и устройство для точного непрерывного, в реальном времени, неинвазивного измерения множества концентраций аналита в крови, в частности, концентраций (в процентах от общего гемоглобина) оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина в крови.

Способ по изобретению основан на принципе, что эти четыре уровня аналита взаимосвязаны. Каждый из четырех уровней аналита должен составлять от 0 до 100%, и, за исключением присутствия любых других видов гемоглобина, таких как сульфгемоглобин, эти четыре аналита должны составлять 100%.

Фотоплетизмографический способ в соответствии с настоящим изобретением включает этап генерирования, по меньшей мере, приблизительно монохроматических пучков света, имеющих, по меньшей мере, различное первое и второе спектральные содержания, обозначенные центральными длинами волн λ1 и λ2, генерируемые одним или несколькими излучателями. Затем свет направляется на участок ткани пациента, чтобы пропустить свет через участок ткани по оптическому пути. Способ дополнительно включает генерирование, по меньшей мере, приблизительно монохроматических пучков света, имеющих, по меньшей мере, одно дополнительное различное спектральное содержимое и, возможно, четвертое различное спектральное содержимое, обозначенное центральными длинами волн, λ3 и λ4, генерируемые дополнительным излучателем или излучателями, где каждая центральная длина волны представляет собой отличается от других. Этот свет также направляется в участок тестируемой ткани, чтобы проходить через участок ткани, по существу, по тому же оптическому пути. Метод дополнительно включает использование средства для обнаружения принятого света, прошедшего от ткани, такого как фотодиод или другой подходящий детектор. λ1, λ2, λ3 и λ4 представляют собой измерения света, получаемого от ткани после поглощения и модуляции различными поглотителями в тестируемой ткани и артериальной крови.

Из полученных измерений освещенности λ1, λ2, λ3 и λ4 рассчитывают дифференциальное поглощение (обычно обозначаемое dA) проходящего света различными поглотителями в крови. Эти дифференциальные поглощения (dA) затем используются при оценке уровней аналитов крови путем минимизации целевой функции, связанной с ошибкой, присутствующей в оценках, при соблюдении определенных ограничений. В случае измерения концентрации оксигемоглобина, редуцированного гемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина в крови целевая функция сводится к минимуму при соблюдении ограничений, что концентрации четырех аналитов должны составлять 100 процентов, а концентрация каждого аналита должна быть больше нуля и менее 100 процентов.

В предпочтительном варианте осуществления описан способ определения концентраций аналита в крови, который минимизирует время вычисления путем инвертирования исходного калибровочного уравнения и использования линейных алгебр и множителей Лагранжа.

Кракое описание рисунков

Предпочтительные варианты реализации изобретения описаны ниже со ссылкой на следующие чертежи.

Цитируемые ссылки

Патентные документы США

1. 4,167,331 9/1979 Nielsen 600/322
2. 5,553,615 9/1996 Carim et al. 600/324
3. 5,638,816 6/1997 Kiani-Azarbayjany et al. 356/39

Иностранные патентные документы

1. WO 97/47233 12/1997 WIPO.