ИСТОЧНИК СВЕТА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ОКСИГЕМОМЕТРА Российский патент 2003 года по МПК G01J3/10 

Изобретение относится в общем случае к более эффективной калибровке и использованию светодиодов. В частности, настоящее изобретение относится к устройству и способу калибровки и использования светодиодов в датчике для использования с оксигемометрической системой.

Светодиоды (СД) используются во многих применениях. В определенных применениях для получения точных измерений требуется знание конкретной длины волны работы СД. Одним из таких применений являются неинвазивные оксигемометры, обычно используемые для наблюдения за насыщением артерий кислородом.

В традиционной для оксигемометрии операции по определению насыщения артерий кислородом световая энергия передается от СД, каждый из которых имеет соответствующую длину волны, через человеческие ткани, несущие кровь. В общем случае СД являются частью датчика, прикрепленного к оксигемометрической системе. При обычном использовании датчик прикреплен к пальцу или к мочке уха. Световая энергия, которая поглощается кровью, обнаруживается фотодетектором и анализируется для определения насыщения кислородом. Дополнительные составные элементы и характеристики крови, такие как насыщение карбоксигемоглобином и рассеяние, могут наблюдаться с использованием дополнительных СД с дополнительными длинами волн.

Патент США 4653498, выданный New Jr. et al., раскрывает импульсный оксигемометр, который использует два СД для обеспечения энергии падающего света с двумя различными, но тщательно выбранными длинами волн.

В традиционных оксигемометрах длина волны каждого СД в датчике должна быть точно известна в целях точного вычисления насыщения кислородом. Однако датчики могут отсоединяться от оксигемометрической системы, чтобы допустить их замену или дезинфекцию.

Когда датчик заменяется, СД нового датчика могут иметь немного отличающуюся длину волны для заранее заданного тока возбуждения СД из-за допусков на изготовление. Соответственно, традиционные оксигемометры снабжены индикацией на оксигемометре конкретной длины волны СД для данного датчика. В одной известной системе для кодирования каждой передачи СД используется резистор. Резистор выбирается так, чтобы иметь значение, указывающее длину волны СД. Оксигемометр считывает величину резистора в датчике и использует величину резистора для определения действительной длины волны СД. Эта процедура калибровки описана в патенте США 4621643, выданном Nellcor, Inc. Такой известный датчик изображен на фиг.1.

В традиционных оксигемометрах, которые обеспечивают индикацию рабочей длины волны каждого СД на каждый датчик, оксигемометрические системы запрограммированы на выполнение требуемых подсчетов для различных длин волн. Это усложняет конструкцию оксигемометрической системы и, следовательно, увеличивает стоимость оксигемометрической системы. Соответственно, было бы выгодно обеспечить датчики, которые проявляют одинаковые характеристики длины волны от датчика к датчику.

Кроме того, традиционные датчики требуют дополнительного СД для каждой дополнительной требуемой длины волны. Для заменяемых датчиков каждый СД может прибавить значительную общую дополнительную цену из-за большого количества датчиков, которые используются в больницах и т.п. Поэтому было бы желательно получить датчик, который обеспечивает более чем одну длину волны от одного СД.

У многих СД наблюдается проявление сдвига длины волны в ответ на изменения в токе возбуждения, рабочем напряжении, температуре или других параметрах настройки, таких как свет, направляемый на СД. Настоящее изобретение включает усовершенствованные способ и устройство для калибровки СД путем использования этого сдвига длины волны. Кроме того, настоящее изобретение включает использование сдвига длины волны, чтобы позволить единственному СД обеспечить более чем одну рабочую длину волны. Добавление длины волны дает возможность наблюдения дополнительных элементов в крови без прибавления дополнительных СД в оксигемометрический датчик.

Настоящее изобретение также включает применение сдвига длины волны в СД для получения физиологических данных относительно насыщения крови кислородом без знания точной рабочей длины волны СД в датчике.

Один аспект настоящего изобретения обеспечивает настроенную светопередающую цепь для передачи световой энергии на заранее выбранной длине волны. Цепь имеет источник тока, сконфигурированный для обеспечения заранее выбранного тока источника со светодиодом, подключенным к этому источнику тока. Светодиод выбран такого типа, в котором проявляется сдвиг в длине волны при сдвиге в выбранном параметре настройки. Выгодно, чтобы параметром настройки являлся ток возбуждения или рабочее напряжение. Резистор настройки, подключенный параллельно светодиоду, имеет величину, выбранную для пропускания по меньшей мере первой части заранее выбранного тока источника, так что вторая часть заранее выбранного тока источника проходит через светодиод. Вторая часть заранее выбранного тока источника выбирается такой, чтобы заставить светодиод вырабатывать световую энергию заранее выбранной длины волны.

В настоящем выполнении настроенная светопередающая цепь содержит также детектор, реагирующий на световую энергию от светодиода для выработки выходного сигнала, индицирующего интенсивность световой энергии.

Другой аспект настоящего изобретения включает способ предварительной калибровки генерирующего свет датчика. Способ включает определенное количество операций. Определяется первый уровень тока, проходящего через источник света, что требуется для работы источника света на заранее выбранной длине волны. Затем определяется второй уровень тока. Второй уровень тока выше, чем первый уровень тока. Второй уровень тока формирует ток возбуждения. Затем выбирается резистор, который при подключении параллельно источнику света формирует настроенную цепь источника света. Резистор выбирается так, что при подключении параллельно источнику света он пропускает значительное количество тока возбуждения, чтобы первый уровень тока проходил через источник света.

Другим аспектом настоящего изобретения является способ обеспечения двух длин волн от одного светодиода. Светодиод выбирается такого типа, который проявляет сдвиг длины волны с изменением в токе возбуждения через светодиод для диапазона токов возбуждения. Источник электрической энергии подключен к светодиоду для обеспечения токов возбуждения. Светодиод приводится в действие первым уровнем тока возбуждения в диапазоне тока возбуждения, чтобы заставить светодиод стать активным и работать на первой длине волны в ответ на первый уровень токов возбуждения. Светодиод затем приводится в действие вторым уровнем тока возбуждения в диапазоне тока возбуждения, отличающимся от первого уровня тока возбуждения, чтобы заставить светодиод стать активным и работать на второй длине волны в ответ на второй уровень тока возбуждения.

В выполнении, где светодиод сконфигурирован для передачи световой энергии к тестируемой среде, способ содержит следующие операции. Когда светодиод работает на первой длине волны, свет передается как первая световая энергия на первой длине волны через тестируемую среду. Первая длина волны выбирается для первого заранее заданного параметра ослабления световой энергии, когда она распространяется через тестируемую среду. Ослабленная световая энергия от светодиода измеряется фотодетектором. Кроме того, когда светодиод работает на второй длине волны, световая энергия передается через тестируемую среду на второй длине волны. Вторая длина волны выбирается для второго заранее заданного параметра ослабления световой энергии, когда она распространяется через тестируемую среду. Ослабленная световая энергия измеряется на второй длине волны от светодиода.

В одном выгодном выполнении способ используется для определения насыщения крови кислородом, и среда при тестировании содержит часть человеческого тела с циркулирующей кровью. В этом выполнении способ включает в себя подключение источника энергии ко второму светодиоду, который работает на третьей длине волны, отличающейся от первой и второй длин волн. Далее, изменение в длине волны между первой и второй длинами волн имеет заранее выбранное значение. Третья световая энергия передается на третьей длине волны через тестируемую среду, и третья световая энергия измеряется после распространения через тестируемую среду. На основании этих измерений определяется насыщение крови кислородом.

В одном выполнении дополнительно к насыщению кислородом могут также определяться параметры, относящиеся к тестируемой среде, когда первая длина волны имеет известное значение, и изменение длины волны между первой и второй длинами волн имеет заранее выбранное значение. В этом выполнении определяется значение второй длины волны и вычисляется другой параметр, относящийся к крови. В одном выполнении этим другим параметром является насыщение карбоксигемоглобином. Альтернативно, другим параметром является рассеяние. Еще одним параметром является метгемоглобин.

При использовании вышеописанных устройств для настройки выгодно, чтобы первый светодиод регулировался регулировочным резистором так, чтобы изменение в длине волны для нарастающего изменения в токе совпадало с изменением заранее выбранной длины волны. Предпочтительно, чтобы регулировка включала в себя помещение регулировочного резистора параллельно первому светодиоду и выбор величины регулировочного резистора, чтобы заставить первый светодиод проявлять заранее выбранное изменение для нарастающего изменения в токе.

Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает оксигемометрический датчик, имеющий первый светоизлучающий прибор, сконфигурированный для выработки света на первой известной длине волны, и резистор параллельно с первым светоизлучающим прибором. Предпочтительно, чтобы первый светоизлучающий прибор содержал светодиод. В одном выполнении резистор содержит кодирующий резистор, имеющий величину, индицирующую первое известное значение длины волны. Величина кодирующего резистора имеет достаточно высокое значение, так что кодирующий резистор эффективно пропускает незначительный ток во время активной работы первого светоизлучающего прибора.

В другом выполнении резистор содержит резистор безопасности, имеющий величину, индицирующую, что оксигемометрический датчик выбран заранее заданного типа. Кроме того, величина резистора безопасности имеет достаточно высокое значение, так что резистор безопасности эффективно пропускает незначительный ток во время активной работы первого светоизлучающего прибора.

Еще один аспект настоящего изобретения включает в себя способ настройки светодиода для работы на заранее заданной длине волны в диапазоне длин волн. Способ включает выбор светодиода, который проявляет сдвиг длины волны в ответ на изменение в токе возбуждения в диапазоне тока возбуждения и приведение светодиода в действие первым током возбуждения. Измеряется длина волны светодиода во время работы на первом токе возбуждения, и если светодиод не работает на заранее выбранной длине волны, ток возбуждения регулируется в диапазоне тока возбуждения до второго тока возбуждения так, чтобы светодиод работал на заранее выбранной длине волны.

Другой аспект настоящего изобретения включает в себя датчик, сконфигурированный для передачи и обнаружения света. Датчик имеет по меньшей мере один светоизлучающий элемент, этот светоизлучающий элемент имеет излучение с центроидной длиной волны передачи. Датчик далее имеет первый и второй фотодетекторы, излучение света светодиодом происходит в процессе ответа первого и второго фотодетекторов. Светоизлучающий элемент сконфигурирован так, чтобы направлять свет от по меньшей мере одного светоизлучающего элемента на первый и второй фотодетекторы. Фильтр, расположенный между вторым фотодетектором и по меньшей мере одним светоизлучающим элементом, имеет диапазон передачи, выбранный так, чтобы включить в себя центроидную длину волны передачи.

В одном выполнении датчик содержит оксигемометрический датчик, а по меньшей мере один светоизлучающий элемент содержит первый и второй светодиоды. Выгодно, чтобы первый светодиод имел центроидную длину волны в красном диапазоне, а второй светодиод имел центроидную длину волны в инфракрасном диапазоне. Выгодно, чтобы фильтр имел диапазон передачи, который включает в себя центроидную длину волны первого светодиода.

В одном выгодном выполнении светонаправляющий элемент содержит собирающую оптическую сферу с первым и вторым фотодетекторами, расположенными вокруг сферы так, чтобы принимать достаточно равные части света от по меньшей мере одного светоизлучающего элемента.

В другом выполнении светонаправляющий элемент содержит светоделительный элемент, расположенный так, чтобы достаточно ровно разделять свет от по меньшей мере одного светоизлучающего элемента и направлять достаточно равные части света на первый и второй фотодетекторы.

Еще один аспект настоящего изобретения включает в себя способ определения центроидной длины волны светоизлучающего элемента. Способ включает обеспечение набора из множества заранее заданных отношений, каждое из этого множества заранее заданных отношений соответствует связанной с ним центроидной длине волны. Свет передается от светоизлучающего элемента на первый элемент обнаружения света для получения первой интенсивности, и свет передается от светоизлучающего элемента через фильтр, который ослабляет свет, на второй элемент обнаружения света для получения второй интенсивности. Затем вычисляется отношение второй интенсивности к первой интенсивности. Это отношение сравнивается с набором заранее заданных отношений для указания центроидной длины волны светоизлучающего элемента.

В одном выполнении первый и второй элементы обнаружения света содержат один и тот же элемент обнаружения света.

Фиг. 1 представляет откалиброванный существующий оксигемометрический зонд.

Фиг. 2 показывает график, иллюстрирующий отношения между коэффициентами затухания трех составных элементов крови по отношению к длине волны передачи света, передаваемого через кровь.

Фиг.3А и 3В показывают примерные характеристики СД.

Фиг. 4А представляет настроенный оксигемометрический датчик в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения.

Фиг.4В показывает оксигемометрическую систему с пальцем для наблюдения.

Фиг. 5А и 5В показывают диаграмму одного выполнения резистора для использования в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 показывает усредняющий эффект в длине волны двух одновременно активных СД с близкими длинами волн передачи.

Фиг. 7 показывает выполнение оксигемометрического датчика в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения.

Фиг. 8 и 8А показывают примерные выполнения улучшенных откалиброванных оксигемометрических датчиков.

Фиг.9А и 9В показывают альтернативные выполнения датчиков в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, относящиеся в обнаружению длины волны светодиодов.

Фиг. 10А, 10В, 10С и 10D показывают графики, относящиеся к аспекту обнаружения длины волны настоящего изобретения.

Фиг.11 и 11А показывают графики кривых ответов фильтра для различных фильтров в соответствии с аспектом обнаружения длины волны настоящего изобретения.

Фиг. 12-15 показывают четыре различных конфигурации зонда для использования в настоящем изобретении.

Настоящее изобретение в общем случае применимо для использования медицинских зондов и СД. Однако понимание облегчается следующим описанием применения принципов настоящего изобретения к оксигемометрии.

Хорошо известны преимущества неинвазивных методов в наблюдении за насыщением артерий пациента кислородом (или другими составными элементами). В оксигемометрии свет с известной длиной волны передается через тестируемую среду (например, человеческий палец). Световая энергия частично поглощается и рассеивается составными элементами, которые составляют среду, когда свет распространяется через среду. Поглощение и рассеяние световой энергии любым данным составным элементом зависят от длины волны света, проходящего через этот составной элемент, равно как и от нескольких других параметров. Поглощение составным элементом характеризуется тем, что известно как коэффициент затухания.

Фиг.2 представляет примерный график 100 соотношений между коэффициентами затухания трех составных элементов крови по отношению к длине волны света. В частности, кривая 102 иллюстрирует соотношение между коэффициентом затухания оксигемоглобина (гемоглобина, насыщенного кислородом) по отношению к длине волны передачи; вторая кривая 104 иллюстрирует соотношение между коэффициентом затухания восстановленного гемоглобина по отношению к длине волны передачи и третья кривая 106 иллюстрирует отношение между коэффициентом затухания карбоксигемоглобина (гемоглобина, содержащего моноокись углерода) по отношению к длине волны передачи. Это соотношение хорошо известно в уровне техники. Одна длина волны требуется для каждого отдельного составного элемента в среде. Длины волн, использованных для оксигемометрии, выбраны для максимальной чувствительности измерений (например, насыщения кислородом и т. д.). Эти принципы хорошо известны в уровне техники.

Амплитуда энергии, падающей на гомогенные среды, имеющие по меньшей мере один составной элемент при тестировании, примерно относится к амплитуде энергии, передаваемой через среды, следующим образом:

где I₀ - энергия, падающая на среду, I - ослабленный сигнал, d_i - толщина i-го составного элемента, через который проходит световая энергия, ε_i - коэффициент затухания (поглощения) i-го составного элемента, через который проходит световая энергия (длина оптического пути i-го составного элемента), и с_i - концентрация i-го составного элемента в толщине d_i. Как хорошо известно в уровне техники, это основное соотношение используется для получения насыщения кислородом с использованием традиционных техник оксигемометрии.

Следует понимать, что приведенное выше уравнение упрощено в целях обсуждения. Другие факторы, такие как множественное рассеяние, также способствуют результирующему ослаблению световой энергии. Множественное рассеяние обсуждено в печати Джозефом М. Шмиттом (Joseph M. Schmitt) под названием "Simple Photon Diffusion Analysis of the Effects of Multiple Scattering on Pulse Oximetry" ("Простой фотонный диффузионный анализ эффектов множественного рассеяния в пульсовой оксигемометрии") в IEEE Transactions on Biomedical Engineering, том 38, 12 за декабрь 1991 г.

Однако в целях дальнейшего обсуждения будет использоваться упрощенное уравнение (1). В процедурах, основанных на технике оксигемометрии, на точность физиологического измерения влияет точность длины волны светодиодов передачи, поскольку, как показано на фиг.2, коэффициент затухания зависит от длины волны СД передачи. Для получения насыщения кислородом обычно используются два СД, один в красном диапазоне длин волн и один в инфракрасном диапазоне длин волн для получения измерения насыщения для пациента. Как установлено в уравнении (1), коэффициент затухания является критической переменной в уравнении. Соответственно, важно, чтобы оксигемометр был обеспечен информацией о конкретной длине волны СД передачи для датчика. Однако длина волны различных СД, хотя и изготовленных для конкретных длин волн, меняется для одного и того же тока возбуждения от СД к СД из-за допусков на изготовление.

СД, настроенные по длине волны
Один аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство и способ настройки каждого СД в датчике так, что прочие длины волн для СД не будут значительно изменяться от датчика к датчику. Настройка выполняется путем использования сдвига длины волны, проявляющегося во многих СД в ответ на изменение в токе возбуждения. Фиг.3А и 3В иллюстрируют этот принцип сдвига длины волны двумя графиками. График 110 фиг.3А показывает (с помощью кривой 112) ток по вертикальной оси и напряжение по горизонтальной оси для обычного СД. График 110 фиг. 3А хорошо известен в уровне техники. В области между осями, обозначенными как А и В, прямо за изгибом кривой 112 длина волны определенных СД сдвигается достаточно линейно в ответ на соответствующее изменение в токе возбуждения или в напряжении. Величина сдвига длины волны на увеличивающееся изменение в токе возбуждения обычно разнится для каждого СД (разработанных для одной и той же длины волны), равно как рабочие длины волн для СД (разработанных для конкретных длин волн) меняются для одного и того же тока от СД к СД.

Фиг. 3В показывает примерный график 120 длины волны СД в ответ на ток возбуждения в области изгиба, показанного на фиг.3А. Этот график показывает в кривой 122 примерный сдвиг длины волны для СД в красном диапазоне в ответ на изменения тока возбуждения. Наклон кривой 122, показанной на фиг.3В, меняется от СД к СД, равно как и диапазон длин волн. Однако для традиционных СД, используемых в оксигемометрии крови, увеличивающийся сдвиг в токе возбуждения через СД вызывает некоторый увеличивающийся сдвиг в длине волны. Поскольку это отношение достаточно линейно в области прямо за изгибом кривой 112, показанной на фиг.3А, в одном предпочтительном выполнении, сдвиг достигается в области за изгибом. График фиг.3В не предназначен для представления всех СД, но лишь для представления одного возможного сдвига длины волны, соответствующего конкретному изменению в токе возбуждения.

Соответственно, одним путем для получения выбранной длины волны является приведение СД в действие с помощью тока, необходимого для получения этой длины волны. Однако это выполнение будет требовать такой конструкции оксигемометра, которая меняет ток возбуждения СД для каждого датчика.

В одном выгодном выполнении во избежание дополнительной сложности конструкции оксигемометрической системы резистор помещается параллельно СД в целях регулировки тока возбуждения через СД до уровня, который отразится в выбранной длине волны. В таком выполнении оксигемометрическая система разработана для работы на выбранной длине волны для каждого СД в датчике. И оксигемометр требует лишь обеспечения фиксированного тока возбуждения. Соответственно, в одном выполнении конструкция оксигемометра проще в том, что она не требует принимать во внимание изменения длин волн от датчика к датчику. Оксигемометр может быть просто разработан для работы на выбранных длинах волн и иметь фиксированный ток возбуждения.

Каждый датчик с СД, изготовленный для оксигемометра, настроен с использованием сдвига длины волны так, что СД в датчике вырабатывают свет с выбранными длинами волн для оксигемометра. Фиг.4А показывает одно выполнение настроенного датчика 150, подключенного к примерной оксигемометрической системе 152, в соответствии с аспектом настройки СД настоящего изобретения.

Датчик 150 проиллюстрирован первым источником 160 света и вторым источником 170 света, обычно светодиодами. Первый настраивающий резистор 162, подключенный параллельно первому СД 160, формирует первую настроенную цепь 164 СД. Аналогично, второй настраивающий резистор 172 подключен параллельно второму СД 170 для формирования второй настроенной цепи 174 СД. Датчик 150 содержит фотодетектор 180. Источник энергии в оксигемометрической системе, такой как устройство 182 возбуждения СД, подключен к настроенным сетям 164, 174 СД для обеспечения заранее заданного тока возбуждения на входе настроенных цепей 164, 174 СД. Выгодно, чтобы устройство 182 возбуждения СД обеспечивало ток только на одну из настроенных цепей 164, 174 СД в любое данное время. Фотодетектор 180 подключен к приемной и согласующей схеме 184 в оксигемометрической системе 152. При работе фотодетектор получает ослабленную световую энергию и отвечает выходным сигналом, представляющим интенсивность измененной световой энергии. Оксигемометрическая система 152 содержит контроллер 190 с поддерживающими ресурсами и дисплеем 192. Оксигемометрическая система принимает сигналы, полученные от датчика 150, и анализирует сигналы, чтобы определить информацию, относящуюся к среде, через которую была передана световая энергия. Следует понять, что оксигемометрическая система показана в упрощенной форме в целях обсуждения. Оксигемометрические системы хорошо известны в уровне техники. Одна возможная оксигемометрическая система содержит оксигемометрическую систему, раскрытую в международной заявке WO 96/12435, опубликованной 2 мая 1996 г. Хорошо известны и другие оксигемометрические системы, и они могут быть использованы для работы на выбранных длинах волн.

Как показано на фиг.4В, для оксигемометрии обычная среда может включать палец 200 или мочку уха, что хорошо известно в уровне техники. Среды, такие как палец и мочка уха, обычно содержат некоторое количество составных элементов, таких как кожа, ткани, мышцы, артериальную и венозную кровь (каждая из которых имеет несколько составных элементов) и жир. Каждый составной элемент поглощает и рассеивает световую энергию конкретной длины волны по-разному из-за различных коэффициентов затухания. При работе в общем случае первый СД 160 излучает падающий свет в ответ на ток возбуждения от устройства 182 возбуждения СД. Свет распространяется через тестируемую среду. Когда передаваемый свет распространяется через среду, он частично поглощается этой средой. Ослабленный свет, выходящий из среды, принимается фотодетектором 180. Фотодетектор 180 вырабатывает электрический сигнал, индицирующий интенсивность ослабленной световой энергии, падающей на фотодетектор 180. Этот сигнал подается в оксигемометрическую систему 152, которая анализирует сигнал для определения характеристик выбранного составного элемента среды, через которую прошла световая энергия.

Настройка теперь объясняется со ссылкой на первый СД 160. Настройка также применима ко второму СД 170. Как объяснено выше, в ответ на конкретный ток возбуждения различные СД отвечают различными длинами волн, хотя бы даже СД были изготовлены для выработки одинаковой длины волны. Настройка первого СД 160 в соответствии с настоящим изобретением включает в себя определение величины тока, требуемого для работы первого СД 160 на выбранной длине волны, и регулировку тока через первый СД 160 для получения выбранной длины волны.

Например, обычные рабочие величины для красных СД, используемых в оксигемометрии, находятся в диапазоне между 645 и 670 нм. Для конкретного выполнения оксигемометра оксигемометр может быть разработан для работы на выбранной длине волны внутри этого диапазона, например 670 нм. Однако СД, изготовленные для выработки выбранной длины волны 670 нм, включают допуски на изготовление обычно ±2-10 нм для одного и того же тока возбуждения. Однако для обычного СД, используемого в оксигемометрии, ток возбуждения может меняться для получения желаемой выходной длины волны для СД. Например, как показано на фиг.3В, представленный СД имеет рабочую длину волны 600 нм для обычного тока возбуждения 50 мА. Если ток возбуждения увеличивается примерно до 85 мА, рабочая длина волны становится выбранной длиной волны настоящего примера (670 нм). Настоящее изобретение получает выгоду от наблюдаемого сдвига длины волны в ответ на изменение тока возбуждения для настройки каждого СД для получения выбранной длины волны, такой как 670 нм.

В целях обсуждения первый СД 160 определен для проявления характеристики длины волны, показанной на фиг.3В. Для настройки первого СД 160 предполагается, что ток возбуждения от устройства 182 возбуждения СД установлен заранее или зафиксирован. В настоящем выполнении ток возбуждения предпочтительно несколько сильнее, чем ток возбуждения, необходимый для приведения одного первого СД 160 в действие (например, 100 мА или больше). Это сделано потому, что первый настраивающий резистор 162 пропускает часть фиксированного тока возбуждения от устройства 182 возбуждения СД. Первый настраивающий резистор 162 выбирается для пропускания должного количества фиксированного тока возбуждения для регулировки некоторого количества тока, текущего через первый СД 160, что в результате дает выбранную выходную длину волны. В настоящем примере резистор выбирается для пропускания примерно 15 мА (из 100 мА от устройства 182 возбуждения СД) для уменьшения тока через первый СД 160 примерно до 85 мА для получения выбранной длины волны 670 нм. Соответственно, каждый СД может быть приведен в действие одним и тем же фиксированным током возбуждения от устройства 182 возбуждения СД, тогда как ток через любой отдельный СД отличается в соответствии с величиной связанного с ним настраивающего резистора. В этом случае устройство 182 возбуждения СД может быть разработано для обеспечения одного и того же фиксированного тока возбуждения для каждого датчика, подключенного к оксигемометру. Оксигемометрическая система 152, таким образом, разработана для выполнения его подсчета, выполняемого на основе предположения, что соответствующие длины волн останутся постоянными от датчика к датчику.

Один конкретный выгодный способ выбора и настройки резистора включает в себя использование резистора на полупроводниковой подложке, такого как резистор 210, показанный на фиг.5А и 5В. Резистор 210, показанный на фиг.5, содержит полупроводниковую подложку 212, резистивную покрывающую площадку 214 и соединительные проводники 216, 218. В одном выполнении настраиваемый СД 220 (например, СД, проявляющий сдвиг длины волны при изменении тока возбуждения) подключен параллельно резистору 210 на полупроводниковой подложке. Фиксированный (заранее установленный) ток возбуждения затем подается источником 222 тока в цепь, сформированную полупроводниковым резистором 210 и настраиваемым СД 220. Измеряется рабочая длина волны настраиваемого СД 220. Предпочтительно, чтобы резистор первоначальной подложки имел меньшее сопротивление, чем это будет необходимо для получения желаемой выходной длины волны. Лазер используется для скрайбирования резистивной площадки 214, как показано линией 224 на фиг.5В. Нанесенная линия 224 эффективно удаляет часть резистивной подложки 214, как хорошо известно в уровне техники. При использовании лазера увеличение в сопротивлении может контролироваться очень точно. Резистивная площадка 214 может быть подогнана лазером, пока ток через настраиваемый СД 220 не заставит настраиваемый СД 220 вырабатывать выбранную рабочую длину волны. Получающиеся пары резистор/СД формируют настроенную цепь СД. Этот способ настройки выгоден из-за точности и получающейся низкой стоимости настроенного СД.

Также могут быть использованы другие способы выбора первого настраивающего резистора 162, такие как вычисление сдвига длины волны для данного изменения тока для первого СД 160, а затем выбор должного резистора, чтобы заставить нужное количество тока течь через СД для получения выбранной рабочей длины волны. Аналогично, может быть использован потенциометр. Предпочтительно, чтобы каждый СД для каждого датчика был настроен одинаковым образом так, чтобы рабочая длина волны являлась выбранной рабочей длиной волны для датчика. Например, работающий оксигемометр с двумя длинами волн может иметь выбранные длины волн для двух СД 670 нм и 905 нм. Для каждого датчика первый СД настраивается для выбранной длины волны 670 нм, а второй СД настраивается на выбранную длину волны 905 нм.

В итоге, аспект настройки настоящего изобретения включает использование принципа сдвига длины волны в СД для настройки каждого СД для получения соответствующей рабочей длины волны.

Следует понять, что для некоторых СД допуск на изготовление может быть слишком далек от соответствующей выбранной длины волны, чтобы разрешить использование сдвига в длине волны для должной настройки СД; либо сдвиг длины волны может быть недостаточен для получения выбранной длины волны. В одном выполнении такие СД не будут использоваться, а будут рассматриваться вне допуска. Альтернативно, если сдвиг длины волны, который возможно получить, недостаточен для должной настройки, возможно использовать два СД, имеющие длины волн, очень близкие друг к другу и к выбранной длине волны. Один СД имеет длину волны ниже выбранной длины волны, и один СД имеет длину волны выше выбранной длины волны. Как показывает график фиг.6, когда два СД активны одновременно и расположены рядом друг с другом, свет от двух СД объединяется для формирования объединенной длины волны, которая является средней длиной волны двух СД. Объединенная длина волны имеет более широкий диапазон длин волн, но имеет известное среднее значение. Предпочтительно, для точной настройки средней длины волны сдвиг длины волны одного или обоих СД может быть использован с использованием настраивающих резисторов, как описано выше, так что средняя длина волны будет выбранной длиной волны. Соответственно, два СД (предпочтительно настроенные в соответствии с настоящим изобретением как пара) могут быть использованы для получения выбранной длины волны для работы в данном оксигемометре.

В качестве другого варианта, если не доступен достаточный сдвиг длины волны, чтобы позволить настройку всех СД на выбранные длины волн, могут использоваться несколько выбранных длин волн. Например, для определения насыщения кислородом выбранные длины волн могут быть 660, 670 и 680 нм. Выбранные инфракрасные длины волн могут быть 900, 920 и 940 нм независимо от красных длин волн. Каждый датчик будет настроен с использованием настраивающих резисторов, описанных выше, так что красные и инфракрасные СД работают на одной из выбранных красной и инфракрасной длин волн соответственно. Затем датчик будет снабжен индикатором или проводником, прикрепленным к датчику, чтобы позволить оксигемометру определять, какая из выбранных длин волн присутствует в датчике, прикрепленном к оксигемометру. Альтернативно, устройство обнаружения длин волн может быть обеспечено оксигемометрической системой для определения, какая из выбранных длин волн присутствует в датчике, прикрепленном к оксигемометрической системе. Хотя это выполнение и требует некоторого средства для оксигемометра, чтобы определить, какая из выбранных длин волн присутствует в прикрепленном датчике, выбранные длины волн точны от датчика к датчику.

СД с двумя длинами волн
Другой аспект настоящего изобретения включает в себя использование принципа сдвига длины волны в СД для данного изменения в токе при использовании одиночного СД для обеспечения двух рабочих длин волн. Это выгодно при проведении физиологических измерений, таких как оксигемометрические измерения крови, потому что для каждой прибавляемой дополнительной длины волны может быть измерен дополнительный составной элемент в крови. Например, для оксигемометра с двумя длинами волн может точно показываться только отношение одного из двух составных элементов к общему из этих двух составных элементов (например, насыщению кислородом). Если насыщение кислородом показывается двумя длинами волн, другие составные элементы, которые значительно представлены в крови, влияют на измерение насыщения кислородом.

Если дополнительный составной элемент, находящийся в крови, имеет значительное воздействие на измерение насыщения кислородом для конкретного пациента, неспособность обнаружить этот составной элемент может быть очень вредной для пациента. Примером составного элемента, который при нахождении в крови будет значительно влиять на измерение насыщения кислородом, получаемое оксигемометром с двумя длинами волн, является моноокись углерода. Это происходит потому, что величина коэффициента затухания для карбоксигемоглобина (показанная кривой 106 на фиг.2) достигает коэффициента затухания оксигемоглобина (показанного кривой 102 на фиг.2) для световой энергии в диапазоне 660 нм. Следовательно, карбоксигемоглобин может быть обнаружен как оксигемоглобин. Это ведет к неверной индикации насыщения кислородом (то есть, переоценке) крови при использовании оксигемометра с двумя длинами волн. В этом случае лечащий врач может неверно обнаружить недостаток кислорода и увеличение моноокиси углерода в пациенте. Если в датчике обеспечена дополнительная длина волны передачи, оксигемометр может показывать другой составной элемент, такой как карбоксигемоглобин.

В соответствии с настоящим изобретением принцип сдвига длины волны в СД используется для приведения СД в действие двумя соответствующими уровнями тока возбуждения для обеспечения двух различающихся длин волн. В простейшем виде это выполняется путем первоначального приведения в действие СД (который проявляет сдвиг длины волны при изменении тока возбуждения) первым известным током возбуждения на первую известную длину волны, а затем приведения того же СД в действие вторым известным током на вторую длину волны.

Фиг. 7 показывает одно выгодное выполнение датчика 250 для оксигемометрических измерений крови, подключенного к оксигемометрической системе 252, разработанной в соответствии с этим аспектом настоящего изобретения. Датчик 250 содержит первый СД 254 и второй СД 256. Для оксигемометрии крови первый СД 254 предпочтительно работает в красном диапазоне длин волн, и второй СД 256 предпочтительно работает в инфракрасном диапазоне длин волн. Датчик 250 содержит фотодетектор 258. Фотодетектор 258 подключен к приемной и согласующей схеме 262. Оксигемометрическая система находится под управлением контроллера 264 и имеет дисплей 266. Как хорошо известно в уровне техники, устройство 260 возбуждения СД последовательно приводит в действие СД 254, 256 заранее определенным током возбуждения. Фотодетектор 258 обнаруживает световую энергию, ослабленную тестируемой средой. Оксигемометр 252 принимает и анализирует сигнал от фотодетектора для определения информации, относящейся в среде, через которую была передана световая энергия. Как и с выполнением на фиг. 4, оксигемометрическая система показана в упрощенной форме. Должные оксигемометрические системы включают систему, раскрытую в международной заявке WO 96/12435, опубликованной 2 мая 1996 г. Существуют также другие мониторы, хорошо известные в уровне техники. Оксигемометрическая система 252 модифицируется в соответствии с настоящим изобретением для приведения в действие сдвигающего СД, как описано ниже.

В настоящем примере для оксигемометрии крови первый СД 254 является сдвигающим СД и используется для обеспечения двух длин волн. Для точного обеспечения двух длин волн используется принцип сдвига длин волн. В соответствии с одним выполнением СД оцениваются в то время, когда изготавливаются датчики, и датчику обеспечивается индикатор, который может быть считан оксигемометрической системой 252 для индикации изменения тока возбуждения, необходимого для выполнения желаемого сдвига в длине волны. Индикаторы могут содержать резистор на датчике или проводнике датчика, память на датчике или проводнике датчика или аналогичное устройство. Альтернативно, индикатор может обеспечивать индикацию для оксигемометра некоторой величины сдвига длины волны, которая достигается из-за заранее установленного изменения тока возбуждения. Другим вариантом является обеспечение детектора 268 длины волны оксигемометру, который позволит оксигемометрической системе 252 обнаруживать длину волны передачи активного СД. Детекторы длины волны, такие как монохрометры, хорошо известны в уровне техники.

Однако традиционные монохрометры дороги и громоздки. Это описание устанавливает ниже более практичный подход к обнаружению длины волны. В этом выполнении устройство 260 возбуждения СД меняет ток возбуждения, пока не будет получена желаемая длина волны, с использованием детектора 268 длины волны для наблюдения за длиной волны.

В одном предпочтительном выполнении, позволяющем получить более простую конструкцию оксигемометра в целях точного обеспечения двух длин волн с одним СД, таким как первый СД 254, цепь 270 из регулирующего наклон резистора 272 первого СД 254 регулирует наклон так, что заранее выбранное изменение (ΔI) в токе возбуждения, входящее в первую регулирующую наклон цепь, вызывает заранее выбранный сдвиг (Δλ) в длине волны в первом СД 254. Другими словами, как показано на фиг.3В, каждый СД проявляет присущий ему наклон кривой 122. Однако наклон этой кривой часто отличается от СД к СД, даже для СД с конкретной длиной волны. Чтобы разработать оксигемометр для простоты в получении повторяемого заранее выбранного сдвига длины волны, выгодно иметь заранее выбранный сдвиг (Δλ) длины волны для каждого первого СД в различных датчиках, соответствующих одному и тому же заранее выбранному изменению (ΔI) в токе возбуждения. Соответственно, желательно, чтобы первый СД (в настоящем примере) в различных зондах отвечал одинаковым заранее выбранным изменением в длине волны на одинаковое изменение в токе возбуждения, выдаваемом устройством 260 возбуждения СД. Другими словами, выгодно, чтобы наклон кривой 122 на фиг. 3В был одинаков для каждой соответствующей цепи СД, хотя это обычно не одинаково для каждого отдельного СД. В этом случае оксигемометр разработан для приведения СД в действие двумя уровнями тока возбуждения, где два уровня тока возбуждения заранее выбираются и остаются постоянными от датчика к датчику.

Как только первый настраивающий резистор 162 настраивает первый СД 160 на конкретную выбранную длину волны для выбранного тока возбуждения, регулирующий наклон резистор, такой как регулирующий наклон резистор 272, может быть использован для изменения наклона кривой 122, проявившегося в конкретной соответствующей цепи СД (например, первая регулирующая наклон цепь 270 СД). В большинстве примеров регулирующий наклон резистор 272 при использовании для изменения наклона не может также быть использован для настройки точной длины волны первого СД 254. Однако могут использоваться другие способы и операции для индикации оксигемометру конкретной длины волны работы первого СД для данного тока возбуждения. Например, датчику 250 может быть придан индикатор (такой как резистор или недорогостоящее запоминающее устройство), который может считываться оксигемометром 252, причем индикатор обеспечивает начальную рабочую длину волны регулирующей наклон цепи 270 СД.

Регулировка наклона может быть выполнена тем же образом, как описано выше по отношению к резистору 210 на полупроводниковой подложке. Однако резистор подложки работает скорее как регулирующий наклон резистор, а не резистор настройки длины волны (то есть резистор подложки отрегулирован, чтобы вызывать заранее выбранное изменение в длине волны для заранее выбранного изменения в токе возбуждения для цепи СД/резисторов). Другими словами, для первого СД 254 резистор 210 подложки, показанный на фиг.5А и 5В, подключен к первому СД 254 для формирования регулирующего наклон резистора 272. Лазер используется для подгонки резистора до тех пор, пока заранее выбранное изменение в токе возбуждения для цепи 270 не отразится в заранее выбранном изменении в длине волны для первого СД 254.

Следует отметить, что, если доступны СД, которые проявляют одинаковый сдвиг длины волны по отношению к одинаковому изменению в токе возбуждения, первый регулирующий наклон резистор 272 не нужен.

Для определения насыщения кислородом второй СД 256 работает на фиксированной инфракрасной длине волны (например, 905 нм). Предпочтительно, если инфракрасные СД имеют допуски на изготовление, инфракрасные СД могут быть настроены с использованием настраивающего резистора 274, такого же как и настраивающий резистор 162 на фиг.4, для работы на выбранной инфракрасной длине волны. При настроенном втором (инфракрасном) СД 256 и настроенном по наклону первом СД 254 (сконфигурированным для обеспечения двух длин волн) измерения по трем длинам волн могут производиться с использованием датчика 250.

При своем использовании датчик 250 на фиг. 7 сначала приводится в действие начальным током возбуждения, чтобы заставить первый СД 254 вырабатывать световую энергию первой длины волны (например, 680 нм). Ослабленный сигнал на этой первой длине волны обнаруживается фотодетектором 258 и принимается оксигемометром 252. Далее, первый отрегулированный по наклону СД 254 приводится в действие новым током возбуждения, отличающимся на заранее выбранное изменение в токе возбуждения, чтобы заставить заранее выбранный сдвиг длины волны получить вторую длину волны (например, 675 нм). Пока начальная длина волны обеспечена для оксигемометрической системы 252 и наклон (изменение в длине волны из-за изменения в токе) первой цепи 270 СД должным образом регулируется для совпадения с заранее выбранным наклоном, вторая длина волны также будет иметь известную величину. Третье измерение производится путем приведения в действие второго СД 256 и приема ослабленного сигнала фотодетектором 258. Измерения хранятся в оксигемометрической системе 252. На основании проведенных трех измерений может быть определено артериальное насыщение двумя составными элементами крови (например, оксигемоглобином и карбоксигемоглобином), таким образом обеспечивая более точную информацию, относящуюся к физиологическому составу крови тестируемого пациента.

В оксигемометрической системе, где желательно наблюдение за моноокисью углерода и кислородом, первая длина волны может быть 660 нм, вторая длина волны может быть 675 нм или 680 нм, а третья дина волны будет инфракрасной длиной волны, такой как 900 или 905 нм. С этими тремя длинами волн, обеспеченными двумя СД, может быть определено насыщение оксигемоглобина и карбоксигемоглобина в крови. Использование двух СД для проведения измерений на трех длинах волн уменьшает стоимость датчика, что особенно выгодно, если датчик является одноразовым или заменяемым датчиком.

В дополнение к вышеописанным использованиям следует также отметить, что принцип сдвига длины волны, описанный выше, может быть использован для получения дополнительной длины волны с одним СД.

Измерения без точной информации о длине волны
Следующий аспект настоящего изобретения включает в себя устройство и способ измерения насыщения выбранного составного элемента в тестируемой среде (например, оксигемоглобина в крови) без знания точной рабочей длины одного СД. В соответствии с этим аспектом настоящего изобретения, если сдвиг длины волны для СД известен для известного изменения в токе возбуждения, не требуется знать рабочую длину волны для СД, если также доступна другая информация, что будет объяснено ниже.

Как объяснено выше, получение известного сдвига длины волны для выбранного изменения в токе может достигаться путем регулировки имеющихся в настоящий момент СД, так что СД реагируют на заранее выбранное изменение (ΔI) в токе возбуждения вместе с заранее выбранным изменением (Δλ) в длине волны. Альтернативно, если доступны СД, имеющие повторяемое (от СД к СД) изменение в длине волны для выбранного изменения в токе, эти СД могут быть использованы без регулировки. Понимание этого аспекта настоящего изобретения объяснено со ссылками на определение насыщения артерий кислородом с использованием оксигемометров с двумя длинами волн.

Как объяснено выше, фиг.2 показывает график, иллюстрирующий соотношение между обычным коэффициентом затухания для трех составных элементов крови по отношению к длине волны передачи света, передаваемого через кровь. Для целей определения насыщения кислородом интересны первая кривая 102 и вторая кривая 104.

Как показано первой кривой 102, коэффициент затухания оксигемоглобина для света, передаваемого между примерно 665 нм (показано как λ₁ на графике) и 690 нм (показано как λ₂ на графике), в значительной степени постоянен (это видно яснее, когда ось Y на фиг.2 не является осью логарифмической шкалы). Когда свет внутри этого некоторого диапазона (например, λ₁-λ₂) передается через восстановленный гемоглобин (вторая кривая 104), коэффициент затухания восстановленного гемоглобина проявляет достаточно линейную зависимость от длины волны передачи. Эти известные свойства составных элементов крови используются в устройстве и способе по настоящему изобретению для получения информации, относящейся к насыщению крови кислородом (или насыщению другим составным элементом) без знания конкретной длины волны одного из двух СД.

Предполагая, что падающий свет представлен позицией I₀, a ослабленный сигнал представлен позицией I, ослабленный сигнал представлен выше уравнением (1). Другим словами, для датчика 250 СД на фиг.7 ослабленный сигнал I принимается фотодетектором 258 и является функцией передачи окружающей среды, как установлено в уравнении (1).

Если свет с длиной λ волны передается через ткань с циркулирующей кровью, содержащей два вида гемоглобина (оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин), уравнение (1) может быть расширено для этих двух составных элементов крови:

где d - толщина среды,
ε_1λ - коэффициент поглощения восстановленного гемоглобина на длине λ волны,
ε_2λ - коэффициент поглощения оксигемоглобина на длине λ волны,
с₁ - концентрация восстановленного гемоглобина,
с₂ - концентрация оксигемоглобина,
ε_j - коэффициент поглощения j-го слоя ослабляющего материала (не включая оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин),
d_j - толщина j-го слоя ослабляющего материала (не включая оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин),
с_j - концентрация j-го слоя ослабляющего материала (не включая оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин).

Уравнение (2) может быть далее выражено следующим образом:


где S - значение, полученное путем измерения I фотодетектором и вычисления отношения I и I_BL после вычисления натурального логарифма.

Для определения насыщения кислородом, когда свет передается на первой красной длине λ₁ волны, уравнение (3) выражается следующим образом:

Когда свет передается на инфракрасной длине λ_1R волны, уравнение (3) выражается следующим образом:

Когда известны как длина λ₁ волны, так и длина λ_1R волны, может быть определено насыщение кислородом, как хорошо известно в уровне техники. Это кратко иллюстрируется следующим дифференцированием.

Пусть N₁=S₁/d и N₂=S_1R/d. (6)
Уравнения (4) и (5) принимают следующий вид:


В матричном представлении уравнения (7) и (8) принимают следующий вид:


или

Откуда

Как хорошо известно в уровне техники, насыщение кислородом определяется следующим отношением:
Кислород:

или

Следовательно:

Подставляя N₁= S₁/d и N₂=S_1R/d и умножая числитель и знаменатель на -1, получаем
.

Умножаем числитель и знаменатель на d:

Подставляем уравнение (12) в вышеприведенное уравнение (11):

Упрощая:
.

И наконец:

Когда известны как длина λ₁ волны, так и длина λ_1R волны, известны также коэффициенты для соответствующих составных элементов на λ₁ и λ_1R. Как объяснено выше, S₁ и S_1R могут быть получены путем измерения I и I₀ и вычисления натурального логарифма этого отношения на различных длинах волн во время работы. Соответственно, все переменные в уравнении насыщения известны или достижимы через измерение.

Однако, если длины волн для передающих СД конкретно неизвестны, коэффициенты ε затухания не будут известны. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения насыщение кислородом может быть вычислено без знания точной длины волны одного из СД. Здесь, в целях обсуждения, для иллюстрации этого аспекта настоящего изобретения выбран СД в красном диапазоне. В соответствии с настоящим изобретением, как объяснено выше, красный СД может быть отрегулирован для проявления заранее выбранного сдвига длины волны, хотя точная длина волны может быть даже неизвестна. Соответственно, красный СД может быть приведен в действие двумя различными токами возбуждения для получения двух отдельных длин волн, сдвиг между которыми заранее выбран и известен. Однако, как объяснено выше, точная длина волны может быть неизвестна без некоторой индикации по меньшей мере начальной длины волны. В соответствии с настоящим изобретением, пока известен заранее выбранный сдвиг длины волны, нет необходимости знать начальную длину волны.

В применении, где коэффициенты затухания меняются по отношению к сдвигам в длине волны порядка 1-3 нм, нужно иметь возможность определить длину волны без предварительной информации, относящейся к длине волны или сдвигу длины волны. Это будет выполнено путем вычисления желаемого измерения (например, насыщения кислородом) при нескольких (например, двух или более) различных токах возбуждения СД и использования изменения в измерении совместно с эмпирически выработанным набором данных (то есть кривых) измерений по отношению к длинам волн для определения длины волны СД.

Если использован заранее выбранный сдвиг длины волны, оксигемометрическая система может производить измерения по трем длинам λ₁,λ₂ и λ_1R волн. Таким образом, получается третье уравнение в добавление к уравнениям (3) и (4).

Когда свет передается на второй красной длине λ₂ волны, уравнение (3) выражается следующим образом:

Как показано на фиг. 2, внутри диапазона 650 нм - 700 нм коэффициент затухания не изменяется значительно. Конкретнее, внутри диапазона λ₁-λ₂ = 665 нм - 690 нм

Кроме того, внутри того же диапазона

Δε₁ известен для известного сдвига длины волны внутри описанного диапазона, поскольку изменение в коэффициенте Δε₁ затухания в значительной степени линейно.

Подстановка уравнений (14) и (15) в уравнения (4), (5) и (14) выразится в следующих уравнениях:



Как объяснено выше, S₁, S₂ и S_1R вычисляются путем измерения I и I_BL. Соответственно, S₁, S₂ и S_1R являются известными величинами. Предполагается, что коэффициенты ε₁ и ε₂ для СД инфракрасной длины волны известны, поскольку в интересующих инфракрасных длинах волн (например, 850 нм - 920 нм и конкретнее 890 нм - 910 нм) коэффициент затухания в значительной степени постоянен для обеих кривых 102 и 104. В другом выполнении точность будет постепенно улучшаться путем настройки СД. Также известны коэффициенты затухания для оксигемоглобина на λ₁ и λ₂, пока длина волны остается в диапазоне, где коэффициент затухания остается постоянным. В настоящем примере этот диапазон определен от 665 нм до 690 нм. Более того, поскольку изменение в коэффициенте Δε₁ затухания для восстановленного гемоглобина известно для известного сдвига длины волны между λ₁-λ₂ = 665 нм - 690 нм, Δε₁ также является известной величиной, поскольку ε₁ линейно связано с λ. Общая толщина d среды обычно неизвестна для большинства применений. Однако для определения насыщения кислородом, как показано выше, толщина (d) устранена, поскольку насыщение является отношением.

Соответственно, для определения насыщения кислородом уравнения (17), (18) и (19) обеспечивают три уравнения с тремя неизвестными ( c₁ и с₂). Алгебраические приемы, следующие за этими уравнениями (6) - (13), могут быть применены для решения трех уравнений для получения отношения c₂/(c₁ + c₂) насыщения кислородом. Соответственно, нет необходимости знать точную рабочую длину волны первого СД 254, пока рабочая длина волны для первого СД 254 находится в известном диапазоне, где заранее выбранное изменение в токе возбуждения вызывает заранее выбранное изменение в длине волны и где коэффициент затухания одного составляющего элемента постоянен и коэффициент затухания второго составляющего элемента в значительной степени линеен так, что также известно изменение в коэффициенте затухания для заранее выбранного изменения в длине волны.

Соответственно, этот аспект настоящего изобретения позволяет пользователю получить физиологические данные без знания точной рабочей частоты СД.

Улучшенная калибровка датчика СД
Дополнительный аспект настоящего изобретения включает метод улучшенной калибровки для оксигемометрического датчика, где резистор используется скорее для кодировки СД, чем для настройки СД. Как показано в существующем откалиброванном оксигемометрическом зонде на фиг.1, кодирующий резистор 300 использует отдельный вывод электрического соединения и соединяется с общим заземляющим выводом 304. При увеличении использования заменяемых или одноразовых датчиков любое уменьшение сложности заменяемого датчика может каждый раз выражаться в значительной экономии средств. В соответствии с настоящим изобретением характеристики СД, как показано на фиг.3А, могут быть использованы для обеспечения более выгодного по стоимости закодированного или откалиброванного оксигемометрического зонда, где кодирование или калибровка обеспечивается путем использования кодирующего резистора.

В соответствии с этим аспектом настоящего изобретения одно из электрических соединений СД также может быть использовано для кодирующего резистора. Фиг.8 показывает условную схему примерного оксигемометрического датчика, где кодирующий резистор 332 может считываться с использованием скорее одного из электрических соединений СД, чем отдельного электрического соединения. Датчик 310 содержит первый СД 312, второй СД 314 и фотодетектор 316. Первый СД 312 имеет первое соответствующее электрическое соединение 318, второй СД 314 имеет второе соответствующее электрическое соединение 320 и фотодетектор 316 имеет соответствующее электрическое соединение 322. Каждый из СД 312, 314 и фотодетектор 316 подключены на своих выходах к общему заземляющему электрическому соединению 330. В настоящем выполнении кодирующий резистор 332 подключен параллельно первому СД 312 или второму СД 314. В этом выполнении кодирующий резистор 332 не предназначен для настройки первого СД 312 или для регулировки наклона первой цепи СД, но предназначен в качестве индикатора, который может быть считан прикрепленной оксигемометрической системой 340. Резистор может быть использован для индикации рабочей длины волны первого и второго СД 312, 314 или, более выгодно, для индикации типа зонда. Другими словами, величина кодирующего резистора 332 может быть выбрана для индикации того, что зонд является зондом для взрослых, педиатрическим зондом, зондом для новорожденных, одноразовым зондом или зондом с возможностью повторного использования. В одном предпочтительном выполнении кодирующие резисторы могут быть обеспечены параллельно каждому СД 312, 314, чтобы допустить дополнительную информацию о зонде, подлежащем кодированию без дополнительных выводов. Однако любой резистор или устройство импеданса может быть использовано без его использования параллельно СД для кодирования изменения в длине волны или другой информации для СД.

Например, кодирующий резистор может быть использован для целей безопасности. Другими словами, величина кодирующего резистора и размещение его параллельно СД 312 могут быть использованы для гарантии того, что зонд сконфигурирован должным образом для оксигемометра. Например, кодирующий резистор может быть использован для индикации того, что зонд выпущен авторизованным поставщиком, такие зонды, как стандартный зонд "Masimo", зонд "Patient Monitoring Company 1", зонд "Patient Monitoring Company 2" и т.д.

Кроме того, должно быть отмечено, что резистору не требуется быть пассивным элементом. Кодирование информации также может быть обеспечено через активную схему, такую как транзисторная цепь, микросхема памяти или другое устройство идентификации, например Dallas Semiconductor DS 1990 или DS 2401 или другую микросхему автоматической идентификации.

Для считывания кодирующего резистора 332 оксигемометрическая система 340 приводит в действие сочетание первый СД 312/кодирующий резистор 332 на уровне, который достаточно низок для того, чтобы СД эффективно пропускал незначительный ток из-за экспоненциального отношения между I и V, как показано на графике на фиг.3А. Как хорошо известно в уровне техники, СД становится активным в области изгиба, обозначенного осевым указателем А. Ниже уровня А напряжения СД эффективно неактивен и эффективно пропускает незначительный ток. Другим словами, ток через первый СД 312 ничтожно мал. Практически весь ток через первое электрическое соединение 318 течет через кодирующий резистор 332.

Ток, который течет через кодирующий резистор для примененного напряжения, измеряется оксигемометрической системой путем измерения тока через первое электрическое соединение 318. В свою очередь, оксигемометрическая система 340 определяет величину кодирующего резистора 332, которая выбрана заранее для индикации типа зонда, рабочей длины волны или других параметров о зонде. По сути дела, путем уменьшения рабочего напряжения параллельно первому электрическому соединению 318 и заземления на низкий уровень, который не приводит в действие первый СД 312, первый СД 312 эффективно устраняется из электрической схемы. В настоящем выполнении обнаружено, что для обычных СД в красном и инфракрасном диапазонах особенно выгодным напряжением является напряжение в 0,5 В. При напряжении 0,5 В ток через СД в общем случае меньше 1 мкА (незначительная величина).

Предпочтительно выбирать кодирующий резистор 332, чтобы он имел достаточно большую величину, так что, когда подача тока на первое электрическое соединение 318 значительно увеличивается для приведения в действие первого СД 312, кодирующий резистор 332 эффективно устраняется из электрической схемы из-за его высокого сопротивления по сравнению с сопротивлением первого СД 312 на активных токах возбуждения.

Соответственно, кодирующий резистор может быть использован в соединении с оксигемометрическим датчиком СД без добавления электрического соединителя, предназначенного для кодирующего резистора. Это уменьшает стоимость датчика в соответствии с настоящим изобретением.

В одном выгодном выполнении оксигемометр может наблюдать за кодирующим резистором непрерывно путем обеспечения сигнала считывания кодирующего резистора в 0,5 В на частоте, отличающейся от тока возбуждения СД, например, если ток возбуждения СД включается и выключается на частоте 625 Гц, напряжение считывания кодирующего резистора в 0,5 В может быть обеспечено на частоте, гораздо меньшей чем 625 Гц, так что сигнал на 625 Гц может быть легко отфильтрован фильтром нижних частот с частотой отсечки существенно ниже 625 Гц, но с такой полосой пропускания, которая позволяет сигналу в 0,5 В пройти. Это позволит оксигемометру непрерывно наблюдать за кодирующим резистором 332 в случае изменения в датчике оператором системы.

Это особенно выгодное выполнение использования кодирующего резистора 332 может также использоваться с обычной конфигурацией "задняя сторона к задней стороне" для красных и инфракрасных СД, что обычно делается в оксигемометрах. Такая конфигурация показана на фиг.8А. Фиг.8А одинакова с фиг.8, исключая то, что первый СД 312 и второй СД 314 соединены в конфигурации "задняя сторона к задней стороне" так, что требуется первое электрическое соединение 318 и напряжение может быть изменено с положительного на отрицательное для пропускания тока либо через второй СД 314, либо через первый СД 312. Это устраняет необходимость в электрическом соединении с оксигемометрическим зондом, тем самым уменьшается стоимость зонда. В конфигурации "задняя сторона к задней стороне" на фиг.8А, если второй СД 314 является красным СД с изломом характеристик примерно в 2,0 В и первый СД 312 является инфракрасным (ИК) СД с изломом характеристик примерно в 1,5 В, положительное напряжение выгодно подается на первое электрическое соединение 318 примерно на 0,5 В в целях измерения кодирующего резистора 332. Поскольку изломом характеристики красного СД является 2,0 В, очень слабый ток (меньше чем 1 мкА) будет течь через красный СД и практически никакого тока не будет течь через инфракрасный СД 312 (поскольку инфракрасный СД 312 имеет напряжение обратного смещения). При таком развитии событий ток, который проходит через цепь первого СД 312, второго СД 314 и кодирующий резистор 332, примерно равен току через кодирующий резистор 332. Сопротивление кодирующего резистора 332 затем легко определяется по закону Ома путем деления напряжения, поданного в цепь, на ток, который течет через цепь. Следует быть внимательным, чтобы быть уверенным, что элемент (активный или пассивный) не создает электромагнитных помех, которые могут привести к уменьшенному отношению сигнала к шуму в системе.

Обнаружение длины волны
Как вкратце обсуждено выше, в определенных обстоятельствах полезно прямо получать информацию, относящуюся к длине волны СД, соединенного с оксигемометром. Как показано на фиг.7, может быть обеспечен детектор 268 длины волны. Однако детектор длины волны требует проведения оператором некоторых работ по его конфигурированию. В больничных условиях выгодно упрощать использование оксигемометра. Соответственно, в другом выполнении каждый датчик СД скомпонован в конфигурацию для обнаружения длины волны. Фиг.9А и 9В показывают диаграммы возможных выполнений датчиков СД, сконфигурированных с фильтрами. Эти конфигурации с фильтрами могут быть использованы для получения длины волны СД для датчика.

Как показано на фиг.9А, датчик 400 содержит цепь 402 передачи СД, первый фотодетектор 404, второй фотодетектор 406, рассеиватель 407, светоделительный элемент 408, оптический фильтр 410 и необязательный оптический фильтр 411. Цепь 402 передачи СД, первый фотодетектор 404 и второй фотодетектор 406 подключены к оксигемометрической системе 412. Третий фотодетектор 413 также показан для оксигемометрических измерений. Этот третий фотодетектор 413 не рассматривается в нижеследующем обсуждении, которое относится к части калибровки оксигемометрического зонда 400. Цепь 402 передачи СД предпочтительно содержит по меньшей мере два СД, один в красном диапазоне длин волн (например, 660 нм) и один в инфракрасном диапазоне длин волн (например, 905 нм). Ниже описывается определение длины волны одного из СД в цепи 402 СД с использованием конфигурации датчика 400, показанного на фиг.9А.

Как видно из фиг. 9А, цепь 402 СД передает свет 414, который сначала проходит через рассеиватель 407. Рассеиватель 407 выгодно обеспечен в предпочтительном выполнении в целях устранения поляризации света, поскольку светоделительный элемент 408 чувствителен к поляризованному свету, и большинство СД передают определенный процент поляризованного света. Свет затем проходит на светоделительный элемент 408, где он расщепляется. Светоделительный элемент 408 предпочтительно покрыт материалом, который частично отражает свет интересующей длины волны СД в цепи 402 СД. Выгодно, чтобы светоделительный элемент 408 отражал примерно половину света 414 и направлял его на первый фотодетектор 404. Остаток света проходит через светоделительный элемент 408 и через фильтр 410 и принимается вторым фотодетектором 406. Оксигемометрическая система 412 принимает показания интенсивности от первого и второго фотодетекторов 404, 406 и использует относительные интенсивности из первого и второго фотодетекторов 404, 406 для определения центроидной длины волны излучения для СД цепи 402, как будет объяснено ниже.

Как хорошо известно в уровне техники, использование светоделительного элемента для точного деления света по 50% будет дорого для изготовления. Однако нет необходимости получать разделение света на 50%, поскольку погрешность может быть исправлена калибровкой. В выполнении, где не обеспечен второй фильтр 411, система может быть откалибрована путем активации инфракрасного СД. Это возможно потому, что первый фильтр 410 прозрачен для инфракрасных длин волн и, таким образом, каждый фотодетектор 404, 406 принимает один и тот же сигнал. В таком выполнении выходные сигналы интенсивности от первого и второго фотодетекторов 404, 406 могут быть сравнены и уравнены через постоянные калибровки во время работы. Это компенсирует погрешности в фотодетекторах, светоделительном элементе 408 и рассеивателе 407.

В выполнении, где инфракрасный свет не используется для калибровки, фотодетекторы 404, 406, светоделительный элемент 408 и рассеиватель 407 могут быть откалиброваны перед установкой пассивного или активного кодирующего элемента 415 на каждое устройство. Следует понять, что позиция 415 представляет один или более кодирующих элементов. Также следует понять, что одиночный кодирующий элемент может быть использован для всех оптических устройств внутри позиции 515. Предпочтительно, чтобы элементы, обеспеченные для калибровки (находящиеся внутри прямоугольника из пунктирных линий, обозначенного как 515), в этом выполнении были расположены в части зонда, подлежащей повторному применению, так что увеличенная стоимость не слишком велика.

Фильтр 410 может также иметь погрешность из-за чувствительности к температуре и погрешность от процесса изготовления. Следовательно, в целях калибровки погрешности по отношению к фильтру 410 (предпочтительно фотопластинка) из-за сдвига в температуре в предпочтительном выполнении обеспечен детектор 405 температуры. Поскольку чувствительность к температуре в фильтрах из фотопластинки хорошо известна, также может быть определен сдвиг в характеристиках фильтра путем обнаружения температуры. По отношению к погрешности при изготовлении пассивный или активный кодирующий элемент 415 может быть обеспечен на зонде для обеспечения информации об отклонениях от выбранных (идеальных) характеристик фильтра (полосы передачи для фильтра).

Другое предпочтительное выполнение, использующее конфигурацию фильтра, показано на фиг.9В. Фиг.9В показывает датчик, имеющий цепь 420 передачи СД, рассеиватель 421, первый фотодетектор 422 и второй фотодетектор 424. Как и на фиг. 9А, показан третий фотодетектор 431, используемый для оксигемометрических измерений. Первый и второй фотодетекторы 422, 424 расположены на внутренней поверхности собирающей оптической сферы 426 или схожей с ней. Как видно из фиг.9В, собирающая оптическая сфера 426 имеет отверстие 428, через которое свет 429 от цепи 420 СД направляется для наблюдения и для определения длины волны. Свет, проходящий через отверстие, отражается от внутренней поверхности оптической сферы 426 без значительного поглощения. Выгодно, чтобы внутренняя поверхность собирающей оптической сферы отражала длины волн света от цепи 420 СД. Кроме того, внутренняя поверхность собирающей оптической сферы 426 рассеивает свет. Выгодно, чтобы первый и второй фотодетекторы 422, 424 были расположены на собирающей оптической сфере диаметрально противоположно, с отверстием 428, расположенным равноудаленно между первым и вторым фотодетекторами 422, 424. В этом случае каждый из первого и второго фотодетекторов 422, 424 принимает достаточно одинаковое количество света, исходящего из цепи 420 СД.

Как и в выполнении по фиг.9А, второй фотодетектор 424 имеет связанный с ним оптический фильтр 430 нижних частот, через который проходит свет, падающий на второй фотодетектор 424, перед тем, как достичь второго фотодетектора 424. Соответственно, как и в выполнении по фиг.9А, второй фотодетектор 424 на фиг. 9В принимает свет, ослабленный фильтром 430, и первый фотодетектор 422 принимает свет, ослабленный фильтром 430.

Как и в выполнении на фиг.9А, как хорошо известно в уровне техники, если собирающая оптическая сфера будет точно собирать свет, это увеличит стоимость изготовления. Однако, опять-таки, нет необходимости получать совершенную собирающую оптическую сферу, поскольку погрешность в сфере (как и в других элементах) может быть устранена с помощью калибровки. Например, система по фиг. 9В может быть откалибрована путем активации инфракрасного СД, если не используется никакого инфракрасного фильтра (соответствующего фильтру 411 на фиг.9А). Это возможно потому, что фильтр 430 прозрачен для инфракрасных длин волн и, таким образом, каждый фотодетектор 422, 424 чувствует неотфильтрованный сигнал (который в идеале будет одинаковым). В таком выполнении выходные сигналы интенсивности от первого и второго фотодетекторов 422, 424 могут быть сравнены и уравнены через постоянные калибровки во время работы. Это компенсирует погрешности в фотодетекторах, оптической сфере и рассеивателе.

Как и в выполнении на фиг.9А, если инфракрасный свет не используется для калибровки, фотодетекторы 422, 424, оптическая сфера 426 и рассеиватель 421 могут быть откалиброваны перед установкой пассивного или активного кодирующего элемента 432 на каждое устройство.

Как и в выполнении на фиг.9А, фильтр 430 может иметь погрешность из-за чувствительности к температуре и погрешность из-за изготовления. Следовательно, в целях калибровки погрешности по отношению к фильтру 430 (предпочтительно фотопластинка) из-за сдвига в температуре и допусков на изготовление в предпочтительном выполнении обеспечен детектор 425 температуры, как и выполнении на фиг.9А. По отношению к погрешности при изготовлении пассивный или активный кодирующий элемент 432 может быть обеспечен на зонде для обеспечения информации об отклонениях от выбранных (идеальных) характеристик фильтра (полосы передачи для фильтра).

Также следует понять, что в одном выполнении единичный элемент памяти или другой активный или пассивный элемент (415, 432) может быть обеспечен с достаточной идентификационной способностью для обеспечения информации о характеристиках для каждого из рассеивателя, фотодетекторов, фильтров и светоделительного элемента (или оптической сферы). Например, могут быть обеспечены устройство памяти или цепь передачи с несколькими разрядами информации для устройства.

В настоящем выполнении с красным (например, 640-680 нм) и инфракрасным (например, 900-940 нм) СД в сетях 402, 420 СД на фиг.9А и 9В, длина волны красного СД является наиболее критичным моментом для оксигемометрии крови. Соответственно, желательно точное определение центроидной рабочей длины волны красного СД в сетях 402, 420 СД. В этом случае фильтры 410, 430 выгодно выбирать для частичного ослабления света в красном диапазоне длин волн и пропускания света в инфракрасном диапазоне неослабленным.

Теперь будет описан принцип, по которому датчики на фиг.9А и 9В могут быть использованы для идентификации длины волны СД для этих датчиков. Как хорошо известно в уровне техники, для использования в оксигемометрии крови и т. п. СД имеют характеристику излучения, одинаковую с кривой излучения, показанной кривой 440 на фиг.10А. Как показано на фиг.10А, идеальный СД имеет центроидную длину λ₀ волны (например, 660 нм). Однако, как хорошо известно, действительная центроидная длина волны для группы СД с целевой центроидной длиной λ₀ волны отличается из-за допусков на изготовление. Например, кривая излучения может быть сдвинута направо, как пунктирная кривая 440А излучения на фиг.10А. Действительная центроидная длина волны существенна в точных оксигемометрических измерениях.

Фильтры 410, 430 предпочтительно имеют отклик, как показано кривой 450 на фиг.10В. Когда фильтр выбран в середине его полосы передачи, выбранной на целевой центроидной длине λ₀ волны, полоса передачи фильтра выгодно увеличивается от меньшей предполагаемой длины λ₁ волны к большей предполагаемой длине λ₂ волны. Диапазон (λ₁-λ₂) предпочтительно включает в себя предполагаемое изменение в длинах волн для СД из-за допусков на изготовление. Другими словами, диапазон допусков на изготовление для СД, изготовленного, чтобы иметь целевую длину λ₀ волны, не должен выходить за верхнюю и нижнюю границы полосы передачи фильтра.

Для СД, имеющего центроидную длину волны в области полосы передачи фильтра, отношение общей интенсивности, обнаруженной от датчика СД без фильтрации, к интенсивности того же датчика СД, обнаруженной с фильтрацией, обеспечивает пригодную для использования информацию, как будет объяснено ниже.

Фиг. 10С иллюстрирует отношение для СД, имеющего длину волны прямо над целевой длиной λ_0/ волны. Излучение СД без фильтрации представлено кривой 440А излучения СД. Излучение с фильтрацией показано кривой 441 отфильтрованного излучения. Кривая 441 отфильтрованного излучения представляет отклик фильтра, умноженный на излучение СД без фильтрации, как хорошо известно для отфильтрованного излучения. Значительное отношение является отношением области под кривой 441 отфильтрованного излучения СД (показана штриховкой) к области под кривой 440А неотфильтрованного излучения СД. Будет понятно, что это отношение будет меняться от 0 до 1 для СД с центроидом в диапазоне λ₁-λ₂, предполагая одинаковый отклик фильтра.

Это отношение двух областей может быть определено из отношения интенсивностей от фотодетекторов 404, 406 или 422, 424 следующим образом. Пусть нормализованная интенсивность неотфильтрованного света I_L(λ) и интенсивность отфильтрованного света I_f(λ) будут представлены следующими уравнениями:


Энергия неотфильтрованного света, принятого фотодетекторами 404, 422, может быть выражена как интеграл в диапазоне длин волн излучения СД следующим образом:

где I_L(λ) - излучение СД в функции длины (λ) волны, а P(λ) - отклик фотодиода.

Для простоты, там, где отклик фотодиода равен "1" (P(λ) = 1) в интересующем диапазоне (λ₁-λ₂) (другими словами, свет, излучаемый от СД, попадает в диапазон СД), сигнал первого фотодетектора 404, 422 (без фильтра) будет выглядеть следующим образом:

Аналогично, энергия света, принятого вторым фотодетектором 406, 424, который прошел через фильтр 410, 430, может быть выражена следующим образом:

Если все СД для группы датчиков имеют одинаковое пиковое излучение и ширину диапазона в интересующей области (λ₁-λ₂) и могут быть представлены одним и тем же уравнением (30), исключая увеличивающуюся постоянную I₀, то нормализованное отношение энергий может быть определено следующим образом:


Обобщенное отношение уравнения (34) является отношением всей области излучения СД, ослабленной фильтрацией (обозначена штриховкой на фиг.10С), к области под кривой всего излучения СД.

Функция Е_(норм) имеет одно значение, монотонна в области и зависит только от центроидного сдвига длины волны СД по отношению к центру λ₀ полосы передачи фильтра.

Соответственно, для фильтра с центром λ₀ полосы передачи отношение энергии, обнаруженной вторым фотодетектором (когда фильтр присутствует), к энергии, обнаруженной первым фотодетектором (когда фильтр отсутствует), в диапазоне (λ₁-λ₂) длин волн будет значение между 0 и 1. Точное отношение зависит от центроидной длины волны для СД при тестировании. Как видно из фиг. 10С, когда центроидная длина волны увеличивается к λ₂, отношение достигает 1, а когда центроидная длина волны достигает λ₁, отношение достигает 0. Это отношение показано на фиг.10D для λ₁ ≅ 610 и λ₂ ≅ 710 нм.

При использовании отношение может быть вычислено для соответствия каждой возможной длине волны СД в диапазоне (λ₁-λ₂). Например, тестовая группа СД, представляющая диапазон (λ₁-λ₂) длин волн, может быть использована для получения соответствующего отношения интенсивности отфильтрованного света к неотфильтрованному свету. Устройство точного обнаружения длины волны, такое как монохрометр, может быть использовано для измерения центроидной длины волны для каждого тестируемого СД. Центроидная длина волны может храниться для каждого тестируемого СД совместно с измеренным отношением для каждого тестируемого СД. Это приводит к нормализованному отклику фотодиода, который может быть приведен как ссылка для получения длины волны СД, имеющего неизвестную длину в диапазоне (λ₁-λ₂) длин волн.

Другими словами, для любого СД, имеющего центроидную длину волны в диапазоне (λ₁-λ₂), с датчиком, как показано на фиг.9А и 9В, длина волны СД для датчика может быть определена путем вычисления отношения интенсивностей второго и первого фотодетекторов и путем использования этого отношения для ссылки на нормализованный отклик фотодиода при нахождении длины волны. В настоящем выполнении это достигается с помощью справочной таблицы, хранящейся в памяти для оксигемометрической системы. Справочная таблица хранит значения отношений, соответствующие связанным с ними значениям длин волн.

Соответственно, с выполнениями датчиков по фиг.9А и 9В оксигемометр просто непрерывно начинает измерения для целей калибровки. Оксигемометр при использовании описанного выше способа вычисляет отношение между двумя интенсивностями (отфильтрованной и неотфильтрованной) и получает соответствующую длину волны для датчика. Это выполняется в целях тестирования. Соответственно, СД или фотопластинка, выгодно продаваемая, должны вырабатывать отношение, меньшее 1 и большее 0, иначе длину волны СД будет невозможно определить. В случае, когда отношение равно 1 или 0, система либо не должна работать, либо должна использовать уравнение калибровки, самое близкое к экстремуму (например, в настоящем выполнении для отношения, равного 0, предполагается длина волны 630 нм и для отношения, равного 1, предполагается длина волны 670 нм).

Как было упомянуто выше, знание точной длины волны красного СД в оксигемометрическом зонде в общем случае более критично, чем знание точной длины волны инфракрасного СД. Соответственно, фильтры датчиков на фиг.9А и 9В выбираются с центром λ₀ их полосы передачи в красном диапазоне длин волн. Как видно из кривой отклика датчика на фиг.10В, если центр полосы передачи находится в красном диапазоне, инфракрасный свет не будет ослабляться фильтром.

Примеры предпочтительных откликов фильтра показаны на фиг.11. Фиг.11 показывает кривую отклика для трех фильтров, пригодных для настоящего изобретения, в зависимости от ожидаемых длин волн. Первый фильтр имеет центр своей полосы передачи на 645 нм, второй фильтр имеет центр своей полосы передачи на 665 нм и третий фильтр имеет центр своей полосы передачи на 695 нм.

Однако следует понять, что принцип, объясненный выше, также может быть использован для инфракрасного СД, если фильтры выбраны с центром λ₀ их полосы передачи, выбранным на предсказанной или целевой инфракрасной длине волны (например, 905 нм). Кроме того, второй фильтр 411 (фиг.9А) может быть обеспечен как фильтр с центром его полосы передачи, выбранным на предсказанной или целевой инфракрасной длине волны для калибровки инфракрасного СД как такового. Другими словами, второй фильтр 411 будет пропускать красные длины волн (будет прозрачен для света красного СД) и будет иметь свою полосу пропускания, отцентрованную вокруг 900 или 905 нм. Такой фильтр показан на фиг. 11А.

Обнаружение длины волны, описанное выше, может быть также выполнено датчиком, имеющим только один фотодетектор, и удаляемым фильтром. Оператор будет запускать измерение интенсивности, как предлагается, оксигемометром без фильтра. Затем оператор поместит фильтр в канал света между СД и фотодетектором и запустит второе считывание. Отношение второго считывания к первому считыванию обеспечивает отношение I_норм, которое используется для ссылки на рабочую длину волны.

Примеры зонда
Фиг. 12-14 показывают три различных зонда, используемые для медицинского обследования пациентов.

Фиг.12 показывает зонд 500 оборачиваемого типа со связанным с ним соединителем 502, подключенным к кабелю 504, который подключается к оксигемометрической системе (не показана на фиг.12). Фиг.12А показывает дно соединителя 502. Фиг.12В показывает вид снизу оборачиваемого зонда по фиг.12, а фиг. 12С показывает вид сбоку оборачиваемого зонда по фиг.12. Оборачиваемый зонд 500 имеет излучатель 506 СД, фотодетектор 508 на конце углубления 509, гибкую схему 510, фрикционные электрические контакты 512. Зонд 500 также имеет соединительный порт 519. В одном выполнении, когда зонд будет использоваться для поддающегося калибровке зонда по фиг.9А, оборачиваемый зонд будет также иметь световой туннель 514 (фиг.12В) для передачи части света по каналу от излучателя 506 на соединитель 502. В таком выполнении все калибровочные элементы зонда, помеченные пунктирной линией 515, 515А на фиг.9А и 9В, расположены в углублении 516 (фиг.12А), которое принимает свет, переданный по каналу через световой туннель 514 и подключенный к соединителю 502 через отверстие 518 на конце светового туннеля 514. Как видно на фиг.12А, фрикционные электрические соединители 520 на соединителе сконфигурированы для подключения к электрическим соединителям 512 оборачиваемого зонда 500. Гибкая схема соединяет излучатели 506 и детектор 508 с контактами 512.

При использовании оборачиваемый зонд расположен на пальце пациента, и фотодетектор 508 расположен напротив излучателя 506 так, чтобы принимать свет от излучателя 506, ослабленный передачей через мягкие ткани.

Фиг.13 показывает другое выполнение оборачиваемого зонда 530 для медицинского обследования детей. Зонд имеет первую гибкую часть 532, сконфигурированную так, чтобы быть обернутой вокруг пальца новорожденного. К первой гибкой части 532 прикреплен второй гибкий элемент, содержащий излучатели 534 (СД) и фотодетектор 536. В одном выполнении, где зонд калибровки по фиг.9А выполнен в виде зонда по фиг.13, для проведения части света от излучателя 534 к соединительному порту 540 зонда 530 обеспечена волоконная оптика 538. В этом случае тот же самый соединитель 502, имеющий фотодетектор, может быть использован с зондом детского типа по фиг.13. Альтернативно, световой канал или туннель могут быть использованы вместо волоконной оптики для проведения части света от излучателя 534 к соединительному порту 540. Тот же самый соединитель 542 используется для зонда 530 новорожденных. Соответственно, как и в выполнении по фиг.12, все элементы калибровки внутри прямоугольника 515, 515А из пунктирных линий по фиг.9А и 9В расположены внутри соединителя 502.

Фиг. 14 показывает еще один зонд для использования в медицинском обследовании. Зонд по фиг.14 содержит зажимной зонд 550, который подключен через кабель 552 к соединительному порту 554, одинаковому с соединительным портом 540 по фиг. 13 и соединительным портом 519 по фиг.12. Зажимной зонд несет излучатели 556 и фотодетектор 558. В этом выполнении часть света от излучателей 556 входит в волоконную оптику 560, которая передает свет по каналу на соединительный порт 554, как и в выполнении по фиг.13. Снова элементы калибровки зонда внутри того же самого соединителя 502 предпочтительно находятся внутри соединителя 502, который преимущественно такой же, как и соединители для выполнений по фиг.12 и 13.

Фиг.15-15D показывают еще одно выполнение оборачиваемого зонда 600, содержащего гибкую оборачиваемую часть 602 со связанным соединителем 604, подключенным к кабелю 606, который подключается к оксигемометрической системе (не показана на фиг. 15). Фиг.15 показывает вид в перспективе всего зонда 600. Фиг.15А показывает нижнюю часть соединителя 604. Фиг.15С показывает вид сверху оборачиваемой части 602 и фиг.15D показывает вид снизу оборачиваемой части 602. Часть 610 излучателя преимущественно содержит излучатели (такие как СД) на выбранных длинах волн. Эта часть 610 излучателя может быть использована снова в течение некоторого периода времени, предпочтительно от недель до месяцев, тем самым обеспечивая дальнейшее уменьшение стоимости оборачиваемой части 602, которую необходимо заменять после каждого использования. Другими словами, нет необходимости снабжать излучателями каждую оборачиваемую часть 602. Кроме того, часть 610 излучателя удаляемо подключена к соединительной части 612 соединителя 604, позволяя соединительной части 612 быть использованной снова в течение гораздо большего периода времени.

В этом выполнении оборачиваемая часть 602 гибкая и заменяемая после каждого использования и с очень маленькой стоимостью. Оборачиваемая часть имеет гибкий слой 626, выполненный из полимера или других гибких материалов, и имеет соединительный порт 614 на гибком слое 626. Соединительный порт 614 имеет электрические фрикционные контакты 616, которые приспособлены для подключения к электрическим фрикционным контактам 620 (фиг.15А) на дне соединительной части 612 соединителя 604. Электрические фрикционные контакты 616 для оборачиваемой части 602 подключены к гибкой схеме 618, которая соединена с экранированным (не показано) детектором 622. Два соединения подключены к детектору 622, а третье предназначено для экрана, который предпочтительно является обычным экраном Фарадея, для защиты детектора от электромагнитных помех и т.п.

Оборачиваемый зонд 600 имеет отверстие 624, которое обеспечивает окно для передачи световой энергии от излучателей в части 610 излучателя. Излучатели расположены для передачи света через отверстие 628 (фиг.15А) в части 610 излучателя, которая сконфигурирована так, чтобы совпадать с отверстием 624 в оборачиваемой части 602, когда соединитель 604 расположен в соединительном порте 614. Таким образом, свет передается от излучателей в части 610 излучателя через отверстие 628 в части 610 излучателя и через отверстие 624 в оборачиваемой части 602, когда соединитель 604 введен в соединительный порт 614 и излучатели активированы.

При использовании оборачиваемая часть 602 оборачивается вокруг пальца пациента, и детектор 622 располагается для приема света, переданного через отверстие 624 и по меньшей мере через часть пальца. Например, оборачиваемая часть 602 может быть обернута вокруг пальца таким образом, что детектор 622 находится напротив отверстия 624, через которое передается световая энергия.

В одном выполнении зонд 600 используется для поддающегося калибровке зонда по фиг.9А и 9В. В этом выполнении соединительная часть 612 имеет элементы в прямоугольниках 515 и 515А из пунктирных линий по фиг.9А и 9В, расположенные в соединительной части 612. В этом случае элементы калибровки можно использовать снова, но работать с СД в части 610 излучателя для формирования поддающегося калибровке выполнения. В таком выполнении излучатели расположены в части 610 излучателя так, что большая часть световой энергии передается через отверстие 628, а часть световой энергии передается через отверстие 620 света на конце соединительной части 612 (фиг.15В). Соединительная часть 612 содержит элементы калибровки, показанные в прямоугольниках 515 и 515А (фиг.9А и 9В), находящиеся в соединительной части 612.

Фиг. 15В показывает вид соединительной части 612, изображающий световой канал 620 и два электрических соединителя 613А, 613В, которые обеспечивают соединения с СД (красным и инфракрасным, соединенным "задней частью к задней части") в части излучателя.

Следует понять, что устройство и способ по настоящему изобретению могут быть использованы в любых обстоятельствах, где требуется измерение переданной или отраженной энергии, включая, но не ограничиваясь измерениями, проводящимися над пальцем, мочкой уха или губой. Таким образом, существует множество других выполнений, которые будут очевидны для специалиста. Более того, устройство и способ по настоящему изобретению могут быть использованы для любого применения СД, которое чувствительно к длине волны. Настоящее изобретение может, таким образом, быть выражено в других конкретных формах без отхода от его духа или существенных характеристик. Описанные выполнения следует рассматривать во всех аспектах только как иллюстративные, а не ограничивающие. Объем настоящего изобретения показан в формуле изобретения. Все изменения, которые делаются в значениях и диапазонах эквивалентности этой формулы изобретения, должны входить в их объем.

Изобретение относится к калибровке светодиодов и их использованию, в частности, в неинвазивных оксигемометрах. Изобретение позволяет настроить светодиоды (СД) (162) в данном диапазоне путем выбора их тока возбуждения в целях получения точной длины волны. Изобретение обеспечивает способ калибровки и использования зонда (150) СД, чтобы сдвиг в длине волны для известного изменения в токе возбуждения имел известную величину. В общем случае принцип сдвига длины волны для изменений тока возбуждения для СД используется в целях обеспечения более точной калибровки и дополнительной гибкости в использовании датчиков СД, особенно в применениях, где точная длина волны необходима для получения точных измерений. Кроме того, изобретение обеспечивает систему, в которой нет необходимости знать точные длины волн СД, когда точные длины волн были нужны в прошлом, а также способ и устройство для определения рабочей длины волны светоизлучающего элемента, такого как светодиод. 7 с. и 24 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Источник света с регулируемой длиной волны, содержащий источник электрического тока и светодиод, подключенный к источнику тока, отличающийся тем, что он дополнительно содержит элемент настройки, подключенный параллельно указанному светодиоду, способный регулировать световой поток в заданных пределах, причем указанный элемент настройки выбран таким образом, что часть электрического тока от указанного источника электрического тока проходит через указанный элемент настройки, а часть электрического тока проходит через указанный светодиод, приводя к выработке световой энергии заранее заданной длины волны, при этом источник электрического тока выполнен с возможностью подачи питания на указанный светодиод, который выполнен с возможностью изменения длины волны при изменении параметра настройки. 2. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что указанный элемент настройки содержит резистор. 3. Источник света по п.1, отличающийся тем, что он выполнен таким образом, что в качестве параметра настройки использован ток возбуждения. 4. Источник света по п.1, отличающийся тем, что он выполнен таким образом, что в качестве параметра настройки использовано рабочее напряжение. 5. Источник света по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит детектор, реагирующий на световую энергию указанного светодиода и вырабатывающий выходной сигнал, характеризующий интенсивность световой энергии. 6. Способ предварительной калибровки источника света с регулируемой длиной волны для оксигемометра, включающий определение первого уровня тока, проходящего через светоизлучающий элемент для приведения в действие указанного светоизлучающего элемента, отличающийся тем, что указанный первый уровень тока выбирают так, что указанный светоизлучающий элемент генерирует свет с заданной длиной волны, определяют второй уровень тока, причем указанный второй уровень тока выше, чем указанный первый уровень тока, выбирают настроечный элемент, соединяя его параллельно с указанным светоизлучающим элементом с образованием системы настройки, причем указанный настроечный элемент выбирают так, что первый уровень тока проходит через светоизлучающий элемент, когда на систему настройки подается второй уровень тока. 7. Способ получения двух длин волн от одного светодиода, отличающийся тем, что производят выбор светодиода, способного дать сдвиг длины волны при изменении тока возбуждения в диапазоне величин тока возбуждения, проходящего через светодиод, соединяют регулирующий элемент параллельно со светодиодом для образования сети светодиода, подключают источник электрического тока к этой сети, возбуждают сеть первым уровнем тока в указанном диапазоне величин тока возбуждения, чтобы заставить указанный светодиод работать на первой длине волны, и возбуждают сеть вторым уровнем тока, отличающимся от указанного первого уровня, чтобы заставить указанный светодиод работать на второй длине волны. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что указанный светодиод выполнен с возможностью передачи световой энергии в тестируемую среду, причем первую длину волны светового излучения выбирают таким образом, чтобы произошло первое ослабление характеристик указанной световой энергии при распространении ее через указанную среду, измеряют указанное первое ослабление световой энергии указанного светодиода, вторую длину волны светового излучения выбирают таким образом, чтобы произошло второе ослабление характеристик указанной световой энергии при распространении ее через указанную среду, при этом измеряют указанное второе ослабление световой энергии указанного светодиода. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что при измерении насыщения крови кислородом в качестве указанной среды используют часть человеческого тела с циркулирующей кровью, причем дополнительно подключают источник энергии ко второму светодиоду, который генерирует световое излучение на третьей длине волны, отличной от двух первых длин волн, при этом изменение в длинах волн между первой и второй длинами имеет заранее заданную величину, передают третью световую энергию на указанной третьей длине волны через указанную тестируемую среду, измеряют указанную третью световую энергию после прохождения через тестируемую среду и вычисляют насыщение кислородом указанной крови. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что при дополнительном вычислении другого параметра крови, относящегося к указанной тестируемой среде, с использованием указанной известной первой длины волны, а указанное изменение в длине волны между первой и второй длинами волн имеет заранее выбранную величину дополнительно определяют величину указанной второй длины волны с вычислением указанного другого параметра крови. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве другого параметра определяют насыщение карбоксигемоглобином. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве другого параметра определяют рассеяние. 13. Способ по п.7, отличающийся тем, что он дополнительно включает регулировку светодиода указанным регулирующим элементом так, что изменение длины волны для увеличивающегося изменения тока совпадает с заданным изменением длины волны. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве элемента настройки используют резистор. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что устанавливают указанный резистор параллельно указанному светодиоду и выбирают величину этого резистора такой, чтобы заставить светодиод дать указанное изменение длины волны генерированного излучения для указанного увеличивающегося изменения тока. 16. Оксигемометрический датчик, отличающийся тем, что он содержит первый светоизлучающий прибор, предназначенный для выработки света с первой известной длиной волны при первом уровне напряжения, индикатор, подключенный параллельно первому светоизлучающему прибору, и датчик светового излучения. 17. Датчик по п.16, отличающийся тем, что указанный индикатор выполнен с возможностью работы на уровне напряжения ниже указанного первого уровня напряжения. 18. Датчик по п.16, отличающийся тем, что указанный индикатор содержит резистор. 19. Датчик по п.16, отличающийся тем, что указанный индикатор имеет набор резисторов. 20. Датчик по п.16, отличающийся тем, что указанный индикатор содержит устройство памяти. 21. Датчик по п. 16, отличающийся тем, что светоизлучающий прибор содержит светодиод. 22. Датчик по п.16, отличающийся тем, что указанный индикатор содержит кодирующий резистор, величина сопротивления которого задает указанную первую длину волны, причем эта указанная величина сопротивления эффективно противодействует прохождению тока через указанный кодирующий резистор при активной работе первого светоизлучающего прибора. 23. Датчик по п.16, отличающийся тем, что индикатор содержит предохранитель, выполненный с возможностью эффективной передачи незначительного тока во время активной работы указанного первого светоизлучающего прибора. 24. Датчик по п.23, отличающийся тем, что указанный предохранитель содержит резистор с величиной сопротивления, которая достаточна велика для передачи незначительного тока во время активной работы первого светоизлучающего прибора. 25. Способ настройки светодиода для работы на заданной длине волны в диапазоне длин волн, отличающийся тем, что производят выбор светодиода, способного давать сдвиг длины волны в ответ на изменение тока возбуждения в заданном диапазоне его величин, соединяют настроечный элемент параллельно светодиоду, возбуждают указанный светодиод первым током возбуждения, измеряют длину волны указанного светодиода во время работы на указанном первом токе возбуждения и, если указанный светодиод не генерирует свет на заданной длине волны, регулируют ток указанным настроечным элементом до тех пор, пока на светодиоде не будет обеспечен второй ток возбуждения, при котором указанный светодиод генерирует свет на заданной длине волны. 26. Датчик, выполненный с возможностью передачи и обнаружения света, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один светоизлучающий элемент, который генерирует излучение, первый и второй фотодетекторы, причем длина волны указанного излучения лежит между длинами волн откликов первого и второго фотодетекторов, направляющий световое излучение элемент, выполненный с возможностью направления светового излучения от по меньшей мере указанного одного светоизлучающего элемента на указанные первый и второй фотодетекторы, и фильтр, расположенный между указанным вторым детектором и указанным по меньшей мере одним светоизлучающим элементом, причем указанный фильтр имеет полосу пропускания, предназначенную для пропускания указанного излучения. 27. Датчик по п.26, отличающийся тем, что при использовании его в качестве оксигемометрического датчика, указанный светоизлучающий элемент содержит первый и второй светодиоды, причем указанный первый светодиод генерирует излучение в красном диапазоне, а указанный второй светодиод генерирует излучение в инфракрасном диапазоне, при этом фильтр предназначен для пропускания излучения первого светодиода. 28. Датчик по п.26, отличающийся тем, что указанный направляющий световое излучение элемент содержит собирающую оптическую сферу, имеющую первый и второй фотодетекторы, расположенные таким образом, что способны принимать равные части света от указанного по меньшей мере одного светоизлучающего элемента. 29. Датчик по п.26, отличающийся тем, что указанный направляющий элемент содержит расщепляющий лучи элемент, расположенный таким образом, чтобы равномерно распределять световое излучение от по меньшей мере одного светоизлучающего элемента на первый и второй фотодетекторы. 30. Способ определения длины волны светоизлучающего элемента, отличающийся тем, что получают набор заранее заданных отношений, каждое из которых характеризует определенную длину волны, передают световое излучение от указанного светоизлучающего элемента на первый элемент обнаружения света с регистрацией первого значения интенсивности, передают световое излучение от указанного первого светоизлучающего элемента через фильтр, ослабляющий световое излучение, на второй элемент обнаружения света с регистрацией второго значения интенсивности, вычисляют отношение упомянутых второй и первой интенсивностей и сравнивают вычисленное значение с указанным набором заранее заданных отношений с определением длины волны. 31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что указанные первый и второй элементы обнаружения света содержат один и тот же элемент обнаружения света, а операции передачи происходят последовательно.