活體內(nèi)的組織氧化的確定的制作方法
【專利摘要】用于非侵入地確定活體內(nèi)的組織（例如，肌肉）的氧化的系統(tǒng)和方法使用光學(xué)方法在可見波長(zhǎng)范圍和近紅外（NIR）波長(zhǎng)范圍兩者中光學(xué)地探尋組織。照射光的強(qiáng)度被塑造，以與吸收光譜恰當(dāng)?shù)仄ヅ?，例如，其中，可見光的?qiáng)度比NIR光的強(qiáng)度大一個(gè)量級(jí)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)同時(shí)在可見范圍和NIR范圍兩者中從健康的患者獲得，并被用來(lái)計(jì)算肌肉氧化。
【專利說(shuō)明】活體內(nèi)的組織氧化的確定
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2010年11月3日提交的臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/409,793的權(quán)益，該臨時(shí)申請(qǐng)的全部的公開內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]用于對(duì)特定的分析物的存在進(jìn)行檢測(cè)和/或監(jiān)測(cè)的非侵入式系統(tǒng)的好處在本領(lǐng)域中，尤其是在生物領(lǐng)域中，是眾所周知的。例如，在脈沖血氧儀中，傳感器被置于患者的身體上，例如，患者的手指上。該傳感器發(fā)射順序地穿過(guò)患者的紅光和紅外(IR)光，并檢測(cè)透射過(guò)患者所得到的光。伴隨著心跳的這兩種波長(zhǎng)中的每一個(gè)的改變的吸收率被測(cè)量，并被用來(lái)單獨(dú)地確定脈沖動(dòng)脈血的氧化(oxygenation)。紅光和IR光的吸收率被用于計(jì)算血的氧化。
[0004]用于在活體內(nèi)確定和/或監(jiān)測(cè)人或其它哺乳動(dòng)物的組織的氧化的方法和系統(tǒng)具有大量的應(yīng)用。例如:
[0005]?在當(dāng)患者進(jìn)行全身麻醉時(shí)的手術(shù)過(guò)程期間，臨床醫(yī)生監(jiān)測(cè)患者的輸液和氧化情況是很有價(jià)值的。低的肌肉氧化將提出對(duì)輸液和氧化問(wèn)題的早期報(bào)警。在心臟搭橋手術(shù)(bypass surgery)期間，當(dāng)流到身體的脈搏會(huì)被限制并且脈沖血氧儀不是可用的選項(xiàng)時(shí)，氧化監(jiān)測(cè)器將會(huì)特別有用。
[0006]?循環(huán)性休克是一種危及生命的醫(yī)療情況，其會(huì)導(dǎo)致對(duì)身體的器官和組織輸送的氧氣不足。例如,休克包括:創(chuàng)傷性休克、心源性休克、感染性休克、神經(jīng)性休克、過(guò)敏性休克等。在一個(gè)特定的例子中，肌肉氧化探測(cè)器對(duì)改進(jìn)治療類選法(triage)和最初的醫(yī)療管理是有用的，例如，在戰(zhàn)場(chǎng)的情況、多名受害者的事故的情況以及涉及多名傷者的其它情景中。
`[0007]?氧化監(jiān)測(cè)器或探測(cè)器還會(huì)有利于改善(refine)氧滴定，包括對(duì)新生兒(以及早產(chǎn)兒)患者的監(jiān)測(cè)。肌肉氧測(cè)量比用于補(bǔ)充氧的滴定的其它現(xiàn)有方法更靈敏。對(duì)早產(chǎn)兒和其它患者的氧氣供應(yīng)的更良好的調(diào)節(jié)會(huì)降低氧氣不足(其會(huì)導(dǎo)致腦或其它器官的損害)以及氧氣過(guò)量治療(其會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期的肺損傷)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0008]?組織氧化監(jiān)測(cè)器在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)和體育醫(yī)學(xué)應(yīng)用中會(huì)很有利。特別地，肌肉氧化是有氧代謝能力、肌肉無(wú)氧代謝和性能的指示。
[0009]?在患者的運(yùn)送期間以及在作為早期評(píng)估的一部分的入院前階段期間測(cè)量肌肉氧化會(huì)導(dǎo)致更早的治療和更好的治療效果。
[0010]?通常,創(chuàng)傷會(huì)導(dǎo)致由身體膈膜(compartment)內(nèi)上升的壓力所導(dǎo)致的血管收縮，并最終導(dǎo)致氧化缺乏和組織死亡。組織氧化探測(cè)器會(huì)幫助識(shí)別正在降低的氧化以及正在死亡的組織，從而可以及早地開始治療。
[0011]?活體內(nèi)氧化探測(cè)器可以用來(lái)確定要被移植的組織的成活能力(viability)，并用來(lái)監(jiān)測(cè)被移植的器官中再灌注的進(jìn)展。
[0012]?活體內(nèi)氧化探測(cè)器可以用來(lái)檢測(cè)和/或監(jiān)測(cè)外圍血管疾病，和/或在動(dòng)脈和血管手術(shù)期間，用來(lái)輔助對(duì)組織灌注狀態(tài)的識(shí)別。該探測(cè)器尤其對(duì)具有血管疾病的四肢中的組織成活能力的識(shí)別有幫助，例如，幫助外科醫(yī)生確定是否以及在哪里執(zhí)行切斷手術(shù)。
[0013]肌肉氧化或飽和可以被用作循環(huán)性休克的早期或致病信號(hào)。休克是一種特征在于“有氧細(xì)胞的呼吸所需的基質(zhì)(substrate)不足”的危及生命的醫(yī)療情況。Silverman, Adam(0ct2005)? “Shock:A Common Pathway for Life-Threatening Pediatric Illnesses andInjuries”Pediatric Emergency Medicine Practices2 (10)。在其早期階段，休克通常會(huì)被描述為組織中不足的氧水平。若干種情況會(huì)觸發(fā)休克的發(fā)作，包括，例如，敗血癥、心臟功能不全和出血。如果不及時(shí)治療，休克會(huì)導(dǎo)致多器官功能障礙綜合征(MODS)，甚至死亡。
[0014]循環(huán)性休克在臨床上重要的一個(gè)方面在于一個(gè)或多個(gè)正面的反饋機(jī)制會(huì)導(dǎo)致其惡化，因此如果不及時(shí)治療，會(huì)快速地上升為永久的損害或死亡。休克的早期檢測(cè)對(duì)優(yōu)化患者的治療效果以及降低醫(yī)療費(fèi)用是至關(guān)重要的。
[0015]當(dāng)前的用于識(shí)別休克的方法是間接的、不確定的或緩慢的。這些方法包括監(jiān)測(cè)生命體征(不明確的)以及采血化學(xué)(其具有相關(guān)代謝和過(guò)程延遲)。高乳酸水平指示了對(duì)休克出現(xiàn)的代謝反應(yīng)，但是使在休克發(fā)作時(shí)發(fā)生的肌肉和系統(tǒng)氧化的減少滯后。侵入式導(dǎo)管不被用于檢測(cè)休克，但是可以被用于已知的嚴(yán)重休克的情況中。這些導(dǎo)管非常昂貴并且必須由訓(xùn)練有素的人員來(lái)插入。
[0016]肌肉氧化的連續(xù)測(cè)量還允許醫(yī)師在細(xì)胞氧化的規(guī)范化被執(zhí)行時(shí)改善治療，以在防止過(guò)度再生的同時(shí)，給予患者他們所需要的。公認(rèn)的，不必要的輸血和過(guò)量的流體施用會(huì)損害治療效果。
[0017]當(dāng)前，在健康和生理的各個(gè)領(lǐng)域中，存在正在被使用的若干種商用的近紅外光譜(NIRS)裝置。傳統(tǒng)的NIRS裝置測(cè)量在近紅外區(qū)域中的2到6個(gè)分離的波長(zhǎng)。示例性NIRS裝置在Soller等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2011/0205535中被公開，該美國(guó)專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過(guò)引用全部并入本文。
[0018]仍然存在對(duì)組織的 氧化進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的改進(jìn)的方法、系統(tǒng)和裝置的需要。還存在用于監(jiān)測(cè)患者以快速檢測(cè)循環(huán)性休克的改進(jìn)的方法、系統(tǒng)和裝置的臨床需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了以簡(jiǎn)化的形式來(lái)介紹概念的選擇，這些概念將在下面的【具體實(shí)施方式】中做進(jìn)一步的描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不應(yīng)當(dāng)確定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征，也不應(yīng)當(dāng)被用作確定要求保護(hù)的主題的范圍的輔助。
[0020]如上所述，活體內(nèi)的組織氧化的檢測(cè)會(huì)有許多用處。在本文中公開了用于檢測(cè)組織氧化的方法和設(shè)備。
[0021]一種用于生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合的方法對(duì)確定活體內(nèi)的組織氧化有用，并且包括提供探測(cè)器，該探測(cè)器具有:(i )具有第一輻射通量并且可以操作用來(lái)發(fā)射NIR光譜中的光的第一光源，(ii)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的可以操作用來(lái)發(fā)射可見光譜光的第二光源，以及(iii)光檢測(cè)器。對(duì)于多個(gè)健康的被檢體，該探測(cè)器被放置，從而使得檢測(cè)器檢測(cè)由發(fā)射的光導(dǎo)致的吸收光譜。對(duì)于每個(gè)檢測(cè)到的吸收光譜，[oxyMbHb]和[deoxyMbHb](在本文中定義)被計(jì)算，并且，其被用于計(jì)算光譜被檢測(cè)時(shí)的組織的氧化。計(jì)算結(jié)果被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上。來(lái)自許多健康被檢體的數(shù)據(jù)被收集并分析，以生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合。在本方法的一個(gè)實(shí)施例中，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)。第一和第二光源產(chǎn)生輻射強(qiáng)度塑造照明，其改進(jìn)同時(shí)檢測(cè)可見區(qū)域和NIR范圍區(qū)域中的吸收率特性的能力。
[0022]在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二光源從探測(cè)器的遠(yuǎn)端面發(fā)光，并且這兩個(gè)光源中的一個(gè)或兩個(gè)可以包括多個(gè)發(fā)光元件，例如，具有或沒(méi)有磷光體涂層的發(fā)光二極管，它們協(xié)作產(chǎn)生期望的塑造輻射通量照明。第一和第二光源可以間歇性地或同步地發(fā)光。
[0023]在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，在檢測(cè)到的可見范圍和NIR范圍中的光譜的連續(xù)的第一和第二部分被提取并聯(lián)接，并且新的聯(lián)接的光譜在分析中被使用。新的光譜的NIR部分可以被縮放為具有與可見部分類似的大小(例如，面積或峰值)?？梢姴糠挚梢园梢姴ㄩL(zhǎng)580nm，NIR部分可以包括NIR波長(zhǎng)760nm。
[0024]用于確定活體內(nèi)的組織氧化的方法包括:生成如上所述的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并使用類似的探測(cè)器從患者獲得類似的光譜數(shù)據(jù)，并使用來(lái)自該患者的光譜數(shù)據(jù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算該患者的組織氧化。
[0025]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建局部加權(quán)回歸(LWR)模型，該LWR模型接收患者數(shù)據(jù)以計(jì)算組織氧化。
[0026]一種用于生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合的方法對(duì)確定活體內(nèi)的組織氧化有用，該方法包括提供第一探測(cè)器，該第一探測(cè)器具有:(i)具有第一輻射通量的可以操作用來(lái)發(fā)射近紅外光譜中的光的第一光源，(ii)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的可以操作用來(lái)發(fā)射可見光譜中的光的第二光源，以及(iii )光檢測(cè)器。針對(duì)多個(gè)健康被檢體，放置該第一探測(cè)器，從而使得該光檢測(cè)器檢測(cè)從被檢體的組織反射或透射通過(guò)該組織的光的吸收光譜，該吸收光譜得自于由第一和第二光源發(fā)射的光。檢測(cè)到的吸收光譜被用來(lái)計(jì)算并不僅僅是脈動(dòng)的動(dòng)脈血的組織的一部分的氧化。在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上存儲(chǔ):(i)根據(jù)檢測(cè)到的吸收光譜計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，以及(ii)計(jì)算得到的組織氧化；以及對(duì)多個(gè)被檢體重復(fù)步驟(b)_ Cd),以生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，組織氧化可以被定義為肌紅蛋白飽和度，其中，肌紅蛋白飽和度是根據(jù)[oxyMb]和[deoxyMb]來(lái)計(jì)算得到的，并且,oxyMb是氧化肌紅蛋白，deoxyMb是脫氧肌紅蛋白。根據(jù)每個(gè)檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算[oxyMb]和[deoxyMb]的濃度。
[0028]在另一個(gè)實(shí)施例中，組織氧化可以被定義為血紅蛋白飽和度，其中，血紅蛋白飽和度是根據(jù)[oxyHb]和[deoxyHb]來(lái)計(jì)算得到的，并且,oxyHb是氧化血紅蛋白，deoxyHb是脫氧血紅蛋白。根據(jù)每個(gè)檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算[oxyHb]和[deoxyHb]的濃度。血紅蛋白飽和度包括來(lái)自脈動(dòng)的動(dòng)脈血、非脈動(dòng)的動(dòng)脈血和靜脈血的貢獻(xiàn)。
[0029]可以使用如上所述的用于確定活體內(nèi)的組織氧化的相同的方法，該方法包括:生成活體內(nèi)的訓(xùn)練組，使用類似的探測(cè)器從患者獲得類似的光譜數(shù)據(jù)，并使用來(lái)自患者的光譜數(shù)據(jù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算患者的組織氧化。
[0030]一種用于檢測(cè)被檢體中的活體內(nèi)的組織氧化的探測(cè)器包括:(a)具有第一輻射通量的可以操作用來(lái)發(fā)射近紅外光譜中的光的第一光源，(b)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的可以操作用來(lái)發(fā)射可見光譜中的光的第二光源，以及(C)可以操作用來(lái)檢測(cè)從被檢體的組織反射或透射通過(guò)該組織的光的吸收光譜的光檢測(cè)器，該吸收光譜得自于第一和第二光源發(fā)射的光。[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)，并且，包括協(xié)作產(chǎn)生第二輻射通量的多個(gè)發(fā)光元件。優(yōu)選地，該多個(gè)發(fā)光元件沿著以光檢測(cè)器為中心的圓弧設(shè)置，在一個(gè)特定實(shí)施例中，該圓弧以不大于90°延伸。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述的各個(gè)方面以及隨之而來(lái)的許多優(yōu)點(diǎn)將變得更容易被認(rèn)識(shí)到，并且會(huì)變得更好理解，在附圖中:
[0033]圖1是提供根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量和/或監(jiān)測(cè)活體內(nèi)的組織的氧化的系統(tǒng)的總覽的框圖；
[0034]圖2示出氧化血紅 蛋白和脫氧血紅蛋白的溶液的吸收光譜；
[0035]圖3示出在圖1中示出的探測(cè)器的實(shí)施例；
[0036]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的用于生成有用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合的方法的流程圖；以及
[0037]圖5是示出使用通過(guò)圖4中示出的方法獲得的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]公開了用于檢測(cè)在諸如生物組織的混濁介質(zhì)中的分析物的非侵入式方法、設(shè)備和系統(tǒng)。存在許多生物和醫(yī)療應(yīng)用，其中，用于確定組織中的氧化的非侵入式手段會(huì)提供益處。例如，在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)和病理學(xué)中，組織氧化提供了發(fā)生潛在問(wèn)題的早期信號(hào)。用于監(jiān)測(cè)肌肉氧化的系統(tǒng)也可以被應(yīng)用于諸如心臟手術(shù)的醫(yī)療領(lǐng)域中、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中等。在特定實(shí)施例中，描述了用于監(jiān)測(cè)肌肉氧化(Mox)以提供對(duì)患者休克的早期檢測(cè)的裝置和方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的教導(dǎo)可以很容易地被應(yīng)用到其它應(yīng)用，包括在上文的【背景技術(shù)】部分中討論的示例性應(yīng)用。
[0039]在通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文的Arakaki等人的美國(guó)專利N0.5，931，779中，本發(fā)明人中的某些發(fā)明人公開了用于實(shí)時(shí)地在活體內(nèi)測(cè)量肌紅蛋白氧飽和度的方法和系統(tǒng)。在通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文的Schenkman等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2007/0265513中，本發(fā)明人中的某些發(fā)明人公開了用于使用校準(zhǔn)光譜和反射光譜來(lái)確定線粒體特征的系統(tǒng)和方法。在通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文的Marcinek等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2008/0033263中，本發(fā)明人中的某些發(fā)明人公開了用于基于光譜峰值間的峰值位置來(lái)計(jì)算血紅蛋白和肌紅蛋白的比例的系統(tǒng)和方法。在通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文的Schenkman等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2008/0200780中，本發(fā)明人中的某些發(fā)明人公開了用于使用多元曲線分辨算法來(lái)生成細(xì)胞活力參數(shù)的評(píng)估的系統(tǒng)和方法。
[0040]與現(xiàn)有技術(shù)的近紅外光譜系統(tǒng)形成對(duì)照，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)100測(cè)量在可見光譜和近紅外(NIR)光譜兩者中的光的連續(xù)波長(zhǎng)。光譜的可見區(qū)域的至少一部分的加入允許對(duì)肌肉氧化的靈敏度增強(qiáng)以及對(duì)循環(huán)性休克的更快速的檢測(cè)。正如本文中所使用的，可見光被明確地定義為包括具有在400-700nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的電磁輻射。正如本文中所使用的，近紅外光被明確地定義為包括具有在700-3000nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的電磁輻射。
[0041]圖1是提供根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量和/或監(jiān)測(cè)活體內(nèi)的組織的氧化的系統(tǒng)100的總覽的框圖。系統(tǒng)100包括探測(cè)器102，探測(cè)器102具有可見光源104、NIR光源106和光檢測(cè)器108。可見光源104和NIR光源106對(duì)鄰近探測(cè)器102的組織的期望的區(qū)域進(jìn)行照明。例如，可見光和NIR光可以透射通過(guò)用戶的皮膚和體液以對(duì)組織的期望的區(qū)域進(jìn)行照明。
[0042]光檢測(cè)器108接收從組織的期望的區(qū)域反射的光或透射通過(guò)該區(qū)域的光，并將檢測(cè)到的光發(fā)送到分光儀110、分光光度計(jì)110等?？梢栽O(shè)想各種類型的分光儀110，包括那些具有傳感器和棱鏡、衍射光柵或狹縫的分光儀。棱鏡(或衍射光柵或狹縫)和傳感器兩者可以是固定的或掃頻的(swept)。例如，不例性系統(tǒng)100包括具有光柵和光電探測(cè)器的光纖分光光度計(jì)110，該光電探測(cè)器諸如光電二極管陣列、電荷耦合器件(CCD)、諸如有源像素傳感器的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件(CMOS APS)。
[0043]檢測(cè)到的光譜被發(fā)送到處理器，例如，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112，以供處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112的特定細(xì)節(jié)對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)不是關(guān)鍵的。在示例性系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112包括用于耦接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器以接收光譜數(shù)據(jù)的輸入接口。眾所周知的部件可以包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112，諸如，鍵盤、鼠標(biāo)、軌跡球、觸摸板、打印機(jī)、接口以及配置用于控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100的各部件的其它元件。
[0044]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112還可以控制可見光源104和NIR光源106。在當(dāng)前實(shí)施例中，例如，可見光源104和NIR光源106被間歇性地控制以同步地發(fā)光。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112包括處理器，該處理器被配置用來(lái)執(zhí)行指令，該指令用于實(shí)現(xiàn)在本文檔的其它地方描述的算法。該指令、算法和數(shù)據(jù)可以被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中或者從輸入接收。在各個(gè)例子中的存儲(chǔ)器包括易失性或非易失性存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)裝置。典型地，顯示裝置114可以被用于顯示系統(tǒng)100的狀態(tài)和/或?qū)庾V的分析的結(jié)果。例如，顯示裝置114可以包括可視或可聽警報(bào)，以將分析結(jié)果是否指示需要進(jìn)行補(bǔ)救措施通知給醫(yī)療保健提供商。
[0045]在適合于監(jiān)測(cè)休克的本發(fā)明實(shí)施例中，探測(cè)器102可以例如通過(guò)手上的手掌肌肉群附接到患者。可見光源104和NIR光源106對(duì)肌肉組織進(jìn)行照明，并且，返回到分光儀110的反射光被記錄。如下文所述，光譜被提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112進(jìn)行分析，以計(jì)算肌肉氧化(Mox)。如果Mox指示患者正在經(jīng)歷循環(huán)性休克，那么報(bào)警通知護(hù)理人員以采取適當(dāng)?shù)男?br> 動(dòng)。
[0046]Mox被發(fā)現(xiàn)是休克的早期指示。此外，Mox可以被用于在輕度、中度和重度休克之間進(jìn)行區(qū)分。在身體試圖保留流到身體的關(guān)鍵器官(心臟、大腦和肝臟)的血液時(shí)，由于血液流動(dòng)優(yōu)選地避開皮膚和肌肉，因此危重病人的低Mox可以被用來(lái)識(shí)別休克的早期階段。
[0047]Mox是對(duì)肌肉組織中的細(xì)胞氧化的測(cè)量，并且是肌紅蛋白和血紅蛋白氧飽和度的加權(quán)平均。該加權(quán)依賴于在光路上的總肌紅蛋白和總血紅蛋白的相對(duì)濃度。
[0048]在另一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112可以執(zhí)行分析以計(jì)算被定義為肌紅蛋白飽和度的組織氧化。由于肌紅蛋白被包含在肌肉細(xì)胞內(nèi)，因此肌紅蛋白飽和度是對(duì)細(xì)胞內(nèi)氧化的測(cè)量，其將在對(duì)休克的檢測(cè)以及對(duì)危重病人的監(jiān)測(cè)中有用。
[0049]在另一個(gè)實(shí)施例中，組織氧化可以被定義為血紅蛋白飽和度。血紅蛋白飽和度測(cè)量將不依賴于具有脈動(dòng)血液流動(dòng)的患者；其是脈動(dòng)的動(dòng)脈血、非脈動(dòng)的動(dòng)脈血和靜脈血的集合的飽和度測(cè)量。紅蛋白飽和度可以在肌肉組織中以及不含有肌紅蛋白的其它組織(諸如，大腦)中被測(cè)量。
[0050]在監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)施例中，探測(cè)器102被配置為使用塑造或成形的強(qiáng)度(或輻射通量)照明來(lái)對(duì)組織進(jìn)行照明，其改進(jìn)了獲得的光譜信息的反射或透射的利用率。例如，在當(dāng)前實(shí)施例中，可見光源104被配置為使用在可見區(qū)域(例如，545-580nm)中的光對(duì)期望的組織進(jìn)行照明，該可見區(qū)域中的光具有比由NIR光源106提供的NIR照明大一個(gè)量級(jí)的輻射通量。通過(guò)將入射照明的輪廓與期望的組織的吸收率進(jìn)行匹配，檢測(cè)到的光譜的信噪比可以被優(yōu)化，從而得到比可以使用傳統(tǒng)的寬帶光源所獲取的光譜質(zhì)量更高的光譜?？梢栽O(shè)想，可見光源104將產(chǎn)生顯著地大于NIR光源的輻射通量，盡管其差可能會(huì)小于或大于一個(gè)量級(jí)。
[0051]為了理解通過(guò)塑造的照明來(lái)改進(jìn)性能的原因，請(qǐng)參考圖2，其示出了氧化血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的溶液的吸收光譜。在血液中的氧化血紅蛋白結(jié)合有氧并將氧從肺攜帶到各身體組織，在各身體組織中，其將氧釋放并將得到的二氧化碳帶回到肺。氧化血紅蛋白是在血紅蛋白結(jié)合有氧時(shí)形成的；脫氧血紅蛋白是在沒(méi)有氧分子結(jié)合到血紅蛋白時(shí)形成的。(肌紅蛋白是肌肉組織中的結(jié)合有氧的蛋白質(zhì)，并且其可以類似地結(jié)合有氧分子(氧化肌紅蛋白)或不結(jié)合有氧分子(脫氧肌紅蛋白))。
[0052]從圖2可以看到，氧化血紅蛋白的吸收光譜不同于脫氧血紅蛋白的吸收光譜。吸收特性的不同可以被用來(lái)光學(xué)地評(píng)估血紅蛋白的氧化。通過(guò)觀看在可見光區(qū)域和NIR區(qū)域兩者中的氧化曲線的特征，將改進(jìn)準(zhǔn)確地評(píng)估氧化的能力。但是，在可見區(qū)域(并且，更特別地，在545-580nm的范圍中)中的氧化血紅蛋白的吸收率或光學(xué)密度的峰值比NIR區(qū)域(例如，大約760nm)中的脫氧血紅蛋白的吸收率的峰值大約一個(gè)量級(jí)。因此，如果傳統(tǒng)的寬帶光源被使用，那么在可見區(qū)域中收集的光的量將是在NIR區(qū)域中收集的光的量的大約10倍。此外，圖2示出由于從不包括散射體的血紅蛋白溶液收集吸收光譜而達(dá)成的最佳情況的情形。當(dāng)光散射較顯著時(shí)，正如在生物組織中，從可見區(qū)域收集的光可以比從NIR區(qū)域收集的光小三個(gè)量級(jí)。氧化肌紅蛋白與脫氧肌紅蛋白的吸收光譜也以定性上類似的方式不同。吸收光譜的不同可以被分析，以計(jì)算組織氧化(例如，Mox、肌紅蛋白飽和度或血紅蛋白飽和度)。`
[0053]但是，如果傳統(tǒng)的寬帶光源(跨越可見和NIR區(qū)域)被用于從包括血紅蛋白的生物組織獲取光譜，那么檢測(cè)器可能在可見區(qū)域中不能檢測(cè)到可測(cè)量的信號(hào)(例如，無(wú)法檢測(cè)到可見范圍光子)，或者，檢測(cè)器可能在NIR區(qū)域中變得飽和(例如，到達(dá)的NIR光子多于檢測(cè)器所能計(jì)數(shù)的，從而登記最大值)。在這兩種情況中，檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍可能沒(méi)有大到足以同時(shí)測(cè)量可見區(qū)域和NIR區(qū)域光譜兩者。
[0054]探測(cè)器光源104、106產(chǎn)生具有通常與期望的吸收光譜匹配的強(qiáng)度或輻射通量的塑造的照明。換句話說(shuō)，在具有高吸收率的波長(zhǎng)區(qū)域中的照明的輻射通量高于在具有更低吸收率的波長(zhǎng)區(qū)域中的照明的輻射通量。在優(yōu)選實(shí)施例中，可見光源104被配置為使用這樣的輻射通量對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行照明，該輻射通量比由NIR光源106產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)輻射通量大一個(gè)量級(jí)或者更多。
[0055]可以使用大量的不同方法來(lái)將照明光與目標(biāo)的吸收特性恰當(dāng)?shù)仄ヅ?，并且由本發(fā)明設(shè)想到這些方法。例如，濾波器可以與寬帶光源一同使用，以產(chǎn)生期望的塑造的照明。在當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施例中，可見光源104和NIR光源106使用被設(shè)置用來(lái)從探測(cè)器102的遠(yuǎn)端面發(fā)光的發(fā)光二極管(LED)來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管公開的探測(cè)器使用被設(shè)置在探測(cè)器102的遠(yuǎn)端面處的LED，但是也會(huì)設(shè)想到其它配置。例如，在光纖實(shí)施例中，光源被遠(yuǎn)離探測(cè)器102設(shè)置，并且，光通過(guò)光纖光纜被發(fā)送到探測(cè)器面。[0056]圖3示出具有殼體118的在圖1中示出的探測(cè)器102的實(shí)施例，該殼體118被配置為靠著要被檢查的用戶或組織放置。殼體118可以被構(gòu)造成堅(jiān)硬的，或者可以使用戶感到舒服。可見光源104包括以可見波長(zhǎng)(例如，540-620nm)發(fā)光的多個(gè)LED120，NIR光源106是以NIR波長(zhǎng)(例如，740-790nm)發(fā)光的單個(gè)LED122。在本實(shí)施例中，探測(cè)器102包括13個(gè)可見光LED120。探測(cè)器102被配置為對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行照明，從而使得可見光照明的強(qiáng)度比NIR照明的強(qiáng)度大約一個(gè)量級(jí)。
[0057]光檢測(cè)器108 (例如,傳統(tǒng)的CMOS光電檢測(cè)器124)被置于殼體118內(nèi)，以檢測(cè)從目標(biāo)組織反射的光。優(yōu)選地，可見光LED120和NIR LED122都沿著以檢測(cè)器124為中心的圓弧設(shè)置，從而使得LED120、122都與檢測(cè)器124相距相同的距離。根據(jù)組織的特性和被收集的光譜信息，從LED120U22到檢測(cè)器124的距離被選擇，以優(yōu)化光的收集。特別地，LED與檢測(cè)器之間的距離被選擇，以提供穿透到組織中的期望深度。這允許在已知的組織體積中的均勻的采樣。
[0058]盡管對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)不是關(guān)鍵的，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本實(shí)施例中的LED120U22被沿著以檢測(cè)器124為中心的包含大約90°的弧段的圓弧設(shè)置，而不是沿著整個(gè)圓設(shè)置。該配置有利地允許LED與檢測(cè)器之間的大的間隔(例如，15-20_)，同時(shí)又保持了探測(cè)器大小合理。LED與檢測(cè)器之間的已知的不變的間隔提供了從皮膚表面透入組織中的光的不變的深度。LED120U22和/或檢測(cè)器124被優(yōu)選地置于殼體118中，從而使得檢測(cè)器124與雜散光屏蔽。
[0059]探測(cè)器·102還包括第一連接器126和第二連接器128，第一連接器126與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)112接合以控制可見LED120和NIR LED122，第二連接器128接合以將來(lái)自檢測(cè)器124的光信號(hào)發(fā)送到分光儀110。
[0060]在另一個(gè)實(shí)施例中，可見光源104和NIR光源106被遠(yuǎn)離探測(cè)器面生成，并且，第一光纖系統(tǒng)被用來(lái)將光發(fā)送到探測(cè)器面，并且，第二光纖系統(tǒng)將來(lái)自檢測(cè)器124的光返回到分光儀110。
[0061]探測(cè)器102被配置為非侵入式地收集反射光譜信息。探測(cè)器可以被用于收集例如人類或其它哺乳動(dòng)物的反射光譜，用于醫(yī)學(xué)診斷、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)等。
[0062]在本發(fā)明人進(jìn)行的研究中，發(fā)現(xiàn)了 Mox對(duì)于休克的早期檢測(cè)很有效。在最近的研究中，從20個(gè)健康的人類被檢體的手掌肌肉獲取了光譜，以構(gòu)建局部加權(quán)回歸(LWR)模型，該局部加權(quán)回歸模型被用于提供對(duì)其它被檢體的Mox的實(shí)時(shí)測(cè)量。LWR是一種非參數(shù)學(xué)習(xí)算法，其通過(guò)引入加權(quán)方案來(lái)修改傳統(tǒng)的線性或非線性最小二乘回歸模型，以對(duì)“局部”數(shù)據(jù)點(diǎn)給予更大的影響，并對(duì)更遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)給予更小的權(quán)重。
[0063]使用下列基本協(xié)議來(lái)獲得來(lái)自健康被檢體的光譜數(shù)據(jù)。使用與圖1中示出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100功能類似的系統(tǒng)，用設(shè)置在被檢體的手掌肌肉群之上的探測(cè)器102來(lái)監(jiān)測(cè)每個(gè)被檢體。被檢體呼吸室內(nèi)空氣，然后呼吸100%氧氣，然后進(jìn)行由血壓袖帶的膨脹導(dǎo)致的15分鐘時(shí)間段的手臂缺血，同時(shí)收集光譜數(shù)據(jù)。
[0064]使用多元曲線分辨(MCR)來(lái)分析來(lái)自每個(gè)被檢體的光譜。MCR是本領(lǐng)域中已知的一組光譜技術(shù)。在本方法中，MCR被用來(lái)從得自被檢體的光譜獲得對(duì)Mox的精確測(cè)量。但是，由于其迭代性質(zhì)，MCR對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量不實(shí)用。用于Mox的MCR值和光譜被用于訓(xùn)練LWR模型，并如下面所更詳細(xì)描述的，產(chǎn)生該模型。[0065]現(xiàn)在將參考圖4的流程圖來(lái)詳細(xì)描述用于從健康的被檢體獲得光譜數(shù)據(jù)的當(dāng)前優(yōu)選的協(xié)議以及用于生成一組有用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的優(yōu)選方法。首先，在200，從健康的被檢體獲得光譜的數(shù)據(jù)集。每個(gè)健康的被檢體都在呼吸空氣的同時(shí)進(jìn)行3分鐘時(shí)段的休息，隨后在呼吸100%氧氣的同時(shí)進(jìn)行3分鐘的休息。然后通過(guò)將圍繞在被檢體上臂的血壓袖帶膨脹到200mmHg或高于收縮壓60mmHg兩者中較小的，使得被檢體的手臂產(chǎn)生15分鐘時(shí)段的缺血。隨后進(jìn)行5分鐘的恢復(fù)期，以確保已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了正常的循環(huán)。使用與上述系統(tǒng)100功能類似的系統(tǒng)來(lái)在整個(gè)協(xié)議中獲取光譜。
[0066]在202，求每個(gè)光譜的相對(duì)于波長(zhǎng)的二階導(dǎo)數(shù)。使用光譜的二階導(dǎo)數(shù)，使得氧化的光譜與脫氧的光譜之間的區(qū)別更大，并且去除了散射的某些影響。
[0067]在當(dāng)前實(shí)施例中，在分析中僅使用對(duì)應(yīng)于關(guān)注的光譜的部分的收集到的光譜的那些部分。如上面所討論的，氧化血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、氧化肌紅蛋白和脫氧肌紅蛋白的吸收光譜的關(guān)注的峰值通常在580nm周圍的可見區(qū)域(例如，570_588nm)中或者在760nm周圍的近紅外區(qū)域(例如，740-777nm)中。在204，選擇的每個(gè)收集到的光譜的關(guān)注部分被提取并聯(lián)接，以產(chǎn)生僅包括可見光譜和NIR光譜的最相關(guān)的部分的用于分析的光譜。在分析中僅包括光譜的相關(guān)部分使得噪聲被濾掉，并且使得分析對(duì)Mox更敏感。
[0068]更通常，在生物組織或樣本中，可能出現(xiàn)許多光學(xué)活性的物種。為了改進(jìn)多波長(zhǎng)光譜分析，通過(guò)對(duì)期望的光譜區(qū)域的選擇，光譜信息的各方面可以在背景光譜信息(或噪聲)之上放大。當(dāng)這些選擇的光譜區(qū)域被聯(lián)接成一個(gè)新的光譜陣列時(shí)，通過(guò)例如MCR的傳統(tǒng)分析方法可以分析該信息，并且，結(jié)果是對(duì)關(guān)注的分析物濃度的改進(jìn)的測(cè)量。
[0069]在當(dāng)前特定例子中，對(duì)氧化血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、氧化肌紅蛋白和脫氧肌紅蛋白的已知峰值周圍的光譜數(shù)據(jù)的聯(lián)接部分的分析增強(qiáng)了使用諸如MCR的光譜方法的分析。對(duì)在580nm周圍的可見區(qū)域中的反射光的測(cè)量獲得了關(guān)于氧化肌紅蛋白和氧化血紅蛋白的濃度的信息，這是由于這些發(fā)色團(tuán)在該區(qū)域中吸收。通過(guò)加入對(duì)脫氧肌紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度的測(cè)量，肌紅蛋白飽和度和血紅蛋白飽和度的絕對(duì)量化成為可能。這些發(fā)色團(tuán)在760nm周圍的NIR區(qū) 域中吸收。
[0070]僅僅保持和分析在肌紅蛋白和血紅蛋白的氧化和脫氧形式吸收的波長(zhǎng)區(qū)域的周圍的波長(zhǎng)區(qū)域已經(jīng)證明是有效的。MCR是一種迭代算法，其使用最小二乘法擬合來(lái)確定存在于樣品中的每個(gè)發(fā)色團(tuán)光譜的形狀。發(fā)明人認(rèn)為MCR給出了通過(guò)去除或忽略光譜的不大關(guān)注的部分(包括噪聲和存在于組織中的其它發(fā)色團(tuán)的吸收)來(lái)集中到發(fā)色團(tuán)的正確的的吸收特性上的更好的機(jī)會(huì)。在光譜分析前的對(duì)不連續(xù)的波長(zhǎng)區(qū)域的選擇和聯(lián)接將對(duì)其它類型的光譜數(shù)據(jù)的分析有益。例如，在另一個(gè)應(yīng)用中，設(shè)想在細(xì)胞色素氧化酶或細(xì)胞色素c吸收周圍的光譜區(qū)域可以被選擇，以改進(jìn)對(duì)細(xì)胞色素氧化酶或細(xì)胞色素C濃度或氧化的測(cè)量。
[0071]每個(gè)被聯(lián)接的光譜的NIR部分相對(duì)于光譜206的可見部分放大(scale up)。NIR吸收率的大小比可見吸收率的大小小得多。盡管縮放步驟對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)不是關(guān)鍵的，但是如果不縮放的話，歸一化會(huì)將MCR向著錯(cuò)誤氧化的Mox值偏置。
[0072]然后，在208，例如，被聯(lián)接的光譜被縮放(歸一化)，從而使得每條曲線下方的面積都等于一。歸一化作為MCR的準(zhǔn)備步驟是必須的。然后，在210，均值中心化(meancentering)被應(yīng)用于所有光譜。
[0073]必須從訓(xùn)練集合中的每個(gè)光譜來(lái)確定Mox。在當(dāng)前優(yōu)選的方法中，在212，MCR被用于獲得關(guān)于數(shù)據(jù)集中的每個(gè)光譜的Mox值。MCR是迭代光譜分析方法，其可以確定在復(fù)雜光譜內(nèi)的吸收物種的各個(gè)濃度。在一個(gè)實(shí)施例中，在每個(gè)迭代步驟中，MCR同時(shí)量化每個(gè)光譜中的兩種成分的濃度，oxyMbHb和deoxyMbHb,其定義為:
[0074][oxyMbHb] = [oxymyoglobin] + [oxyhemoglobin],
[0075]以及
[0076][deoxyMbHb] = [deoxymyoglobin] + [deoxyhemoglobin].[0077]在每個(gè)迭代步驟中，MCR還使用成分濃度的當(dāng)前評(píng)估，以確定純成分光譜的形狀。當(dāng)MCR已經(jīng)集中于oxyMbHb和deoxyMbHb的純成分光譜的形狀以及它們?cè)跀?shù)據(jù)集中的每個(gè)光譜的相對(duì)濃度時(shí)，根據(jù)被檢體的數(shù)據(jù)集中的每個(gè)光譜計(jì)算得到的Mox為:
[0078]Mox={[oxyMbHb]/([oxyMbHb]+[deoxyMbHb])}*100 (I)。
[0079]肌紅蛋白飽和度(Mb sat)也可以通過(guò)[oxyMb]和[deoxyMb]的MCR確定來(lái)計(jì)算:
[0080]Mb sat={[oxyMb]/([oxyMb]+[deoxyMb])} * 100。
[0081][oxyMb]和[deoxyMb]的濃度也可以通過(guò)MCR來(lái)確定,在血紅蛋白飽和度(Hb sat)的計(jì)算中得到:
[0082]Hb sat={[oxyHb]/([oxyHb]+[deoxyHb])} * 100。
[0083][oxyMb]、[deoxyMb]、[oxyHb]和[deoxyHb]的濃度可以使用 MCR 同時(shí)確定。血紅蛋白飽和度可以使用其中不存在肌紅蛋白的組織中的MCR來(lái)確定。
[0084]在214，如果包括另外的健康的被檢體，那么繼續(xù)對(duì)另外的被檢體進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。來(lái)自大量被檢體的光譜以及通過(guò)MCR確定的每個(gè)光譜的相關(guān)Mox、Mb sat或Hb sat值包含訓(xùn)練集合。然后，在216，根據(jù)測(cè)試被檢體計(jì)算得到的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的集合可以被用于構(gòu)建LWR模型。
[0085]LffR模型提供用于對(duì)患者或其他被檢體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或測(cè)試。如圖5所示，當(dāng)從患者220收集光譜時(shí)，該光譜以與LWR訓(xùn)練集合光譜被處理的方式相同的方式被預(yù)處理，其包括:在222求二階導(dǎo)數(shù)、在224聯(lián)接選擇的部分、在226縮放NIR部分、在228歸一化、以及在230均值中心化。
[0086]在現(xiàn)有工作中，本發(fā)明人已經(jīng)使用了部分最小二乘法(PLS)來(lái)有效地測(cè)量在骨骼肌和心肌中的肌紅蛋白飽和度。不幸的是，使用在活體內(nèi)收集的光譜訓(xùn)練的全局PLS方法不允許對(duì)Mox的實(shí)時(shí)測(cè)量。因此，當(dāng)前的優(yōu)選方法使用具有PLS的局部加權(quán)回歸(LWR)來(lái)實(shí)時(shí)地根據(jù)光譜計(jì)算Mox。特別地,對(duì)于從患者獲取的每個(gè)新的光譜，LWR根據(jù)與新的光譜最類似的活體內(nèi)訓(xùn)練集合232中的光譜來(lái)構(gòu)建局部PLS模型。例如，LffR方法不允許來(lái)自新的光譜的具有極大不同的黑色素和脂質(zhì)特性的訓(xùn)練集合光譜對(duì)其Mox測(cè)量有貢獻(xiàn)。這實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生了針對(duì)反映黑色素和脂質(zhì)內(nèi)容并與Mox無(wú)關(guān)的光譜特性的有效的過(guò)濾。Mox是通過(guò)應(yīng)用本地PLS模型234從每個(gè)測(cè)試集合光譜來(lái)計(jì)算得到的。
[0087]當(dāng)在LWR訓(xùn)練集合中的光譜包含在患者身上發(fā)現(xiàn)的寬范圍的身體特性時(shí)，通過(guò)確保恰當(dāng)?shù)挠?xùn)練集合光譜可用，使得Mox測(cè)量的魯棒性被改進(jìn)。已經(jīng)使用具有相對(duì)較小的訓(xùn)練集合的LWR來(lái)演示了對(duì)人類被檢體的良好的精確性。
[0088]可以構(gòu)建其它類型的LWR模型來(lái)測(cè)量組織氧化。Mb sat可以根據(jù)訓(xùn)練集合中的光譜來(lái)測(cè)量，并且其可以被用于構(gòu)建根據(jù)患者光譜來(lái)測(cè)量Mb sat的LWR模型。類似地，可以根據(jù)含有或不含有肌紅蛋白的組織收集的訓(xùn)練集合光譜來(lái)測(cè)量sat。這些Hb sat值可以與訓(xùn)練集合光譜一起使用來(lái)構(gòu)建根據(jù)患者光譜來(lái)測(cè)量sat的LWR模型。
[0089]例子
[0090]肌肉氧化是休克的早期指示，并且，其可以將健康狀態(tài)與輕度、中度和重度休克進(jìn)行區(qū)分。在研究中，在57個(gè)外傷患者急診入院的15分鐘后，盡可能早地測(cè)量Mox。使用基于在光譜獲取開始后的第一個(gè)小時(shí)期間記錄的最大動(dòng)脈乳酸或堿缺失、最大心率以及最小收縮壓的評(píng)分系統(tǒng)來(lái)確定每個(gè)患者的休克嚴(yán)重程度,在輕度、中度和重度休克期間的Mox顯著地不同于健康控制(P〈0.01)。
[0091 ] 新西蘭白兔被通過(guò)三次增量地抽血進(jìn)行了失血性休克。關(guān)鍵結(jié)果是Mox可以檢測(cè)休克的發(fā)作。在兔子從100%的O2過(guò)渡到空氣后，Mox從第一次抽血后的基線值急劇地降低。在同一時(shí)間點(diǎn)，乳酸仍然正常。在中度和重度休克期間，Mox逐漸降低，然后隨著復(fù)原而提高。Mox緊密地跟隨通過(guò)放置在頸動(dòng)脈中的導(dǎo)管測(cè)量到的平均動(dòng)脈血壓(MAP)的趨勢(shì)。乳酸水平在休克期間升高并隨著復(fù)原而降低，但是其在時(shí)間上滯后于MAP和Mox的變化。通過(guò)脈搏血氧儀測(cè)量的動(dòng)脈血飽和對(duì)休克不敏感。該研究演示了 Mox對(duì)于早期地檢測(cè)休克并在復(fù)原期間連續(xù)地監(jiān)測(cè)患者情況是有潛力的。
[0092]對(duì)于通過(guò)分三次相等的增量抽取總的血液體積的大約40%而進(jìn)行失血性休克的兔子，需要連續(xù)地獲取光譜。四成分多元曲線分辨(MCR)分析被用于同時(shí)測(cè)量氧化肌紅蛋白、脫氧肌紅蛋白、氧化血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度。隨后進(jìn)行根據(jù)每個(gè)光譜的Mb飽和度和Hb飽和度的計(jì)算。在MCR之前，使用二階導(dǎo)數(shù)、允許保留可見波長(zhǎng)區(qū)域和NIR波長(zhǎng)區(qū)域的特定部分的聯(lián)接、可見/NIR縮放、歸一化以及均值中心化來(lái)對(duì)所有光譜進(jìn)行預(yù)處理。
[0093]Hb飽和度和Mb飽和度被在活體內(nèi)分開測(cè)量。與Mb飽和度相比，Hb飽和度示出隨著抽血(前三條虛線)以及再次輸血而出現(xiàn)的更大的波動(dòng)。由于血紅蛋白濃度隨著快速的抽血和輸血而出現(xiàn)很大的臨時(shí)改變，因此這一點(diǎn)是可以預(yù)料到的。
[0094]動(dòng)脈(脈動(dòng)和非脈動(dòng))血和靜脈血都對(duì)Hb飽和度測(cè)量有貢獻(xiàn)。如脈搏血氧儀中一樣，Hb飽和度的測(cè)量并不需要脈動(dòng)的血流。Mb飽和度是對(duì)結(jié)合有氧的肌紅蛋白的一部分的測(cè)量。肌紅蛋白被包含在肌肉細(xì)胞內(nèi)，并且，Mb飽和度是對(duì)氧化的細(xì)胞內(nèi)測(cè)量。
[0095]盡管上述的示例性實(shí)施例涉及其中肌肉的氧化被計(jì)算的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員很顯然的是，該方法可以根據(jù)本申請(qǐng)中的教導(dǎo)來(lái)擴(kuò)展，以計(jì)算諸如大腦的其中沒(méi)有肌紅蛋白的其它組織的氧化。在這樣的應(yīng)用中，不使用檢測(cè)到的肌肉的吸收光譜，通?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)厮茉斓墓庠?、?lián)接的光譜片段、開發(fā)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的光譜方法、以及確定不是脈動(dòng)的動(dòng)脈血的組織的氧化的LWR方法中的一個(gè)或所有的來(lái)分析動(dòng)脈、毛細(xì)血管和靜脈血紅蛋白的混合物的光譜。如脈搏血氧儀一樣，使用本發(fā)明進(jìn)行的血紅蛋白飽和度的測(cè)量將不依賴于脈動(dòng)信號(hào)的存在。
[0096]雖然已經(jīng)圖示和描述了示意性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合的方法，該訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合對(duì)確定活體內(nèi)的組織氧化有用，該方法包括: Ca)提供第一探測(cè)器，該第一探測(cè)器具有: (i)具有第一輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射近紅外光譜中的光的第一光源， (ii)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射可見光譜中的光的第二光源，以及 (iii)光檢測(cè)器； (b)針對(duì)被檢體放置探測(cè)器，從而使得光檢測(cè)器檢測(cè)從被檢體的組織反射或透射通過(guò)該組織的光的吸收光譜，檢測(cè)到的吸收光譜得自于由第一和第二光源發(fā)射的光； (c)使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算組織中的氧化肌紅蛋白的濃度以及氧化血紅蛋白的濃度之和[oxyMbHb]； (d)使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算組織中的脫氧肌紅蛋白的濃度以及脫氧血紅蛋白的濃度之和[deoxyMbHb]； (e)根據(jù)[oxyMbHb]和[deoxyMbHb]來(lái)計(jì)算組織的氧化； Cf)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上存儲(chǔ): (i)根據(jù)檢測(cè)到的吸收光譜計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，以及 (ii)計(jì)算得到的組織氧化；以及` (g)針對(duì)多個(gè)被檢體重復(fù)步驟(b) - Cf),以生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，探測(cè)器具有遠(yuǎn)端面，并且，第一和第二光源從該遠(yuǎn)端面發(fā)射光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二光源包括協(xié)作產(chǎn)生第二輻射通量的多個(gè)發(fā)光元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述多個(gè)發(fā)光元件包括發(fā)光二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，第一和第二光源中的每一個(gè)都從沿著圓弧設(shè)置的探測(cè)器的遠(yuǎn)端面上的位置發(fā)射光。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，發(fā)光二極管還包括磷光體涂層，該磷光體涂層使得發(fā)光二極管發(fā)射具有峰值強(qiáng)度波長(zhǎng)的光，該峰值強(qiáng)度波長(zhǎng)在由肌紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)與血紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)限定的范圍中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一光源發(fā)射近紅外光，該近紅外光的波長(zhǎng)在由肌紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)與血紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)限定的范圍中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括提取檢測(cè)到的吸收光譜的第一連續(xù)部分和檢測(cè)到的吸收光譜的第二連續(xù)部分的步驟，并且，使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算[oxyMbHb]的步驟只使用第一連續(xù)部分和第二連續(xù)部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，第一連續(xù)部分包括可見波長(zhǎng)580nm，第二連續(xù)部分包括近紅外波長(zhǎng)760nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中，在計(jì)算[oxyMbHb]和[deoxyMbHb]之前,第一連續(xù)部分和第二連續(xù)部分被聯(lián)接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，[oxyMbHb]和[deoxyMbHb]被同時(shí)計(jì)算。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一光源和第二光源周期性地同步發(fā)射光。
14.一種用于確定活體內(nèi)的組織氧化的方法，包括: Ca)提供第一探測(cè)器，該第一探測(cè)器具有: (i)具有第一輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射近紅外光譜中的光的第一光源， (ii)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射可見光譜中的光的第二光源，以及 (iii)光檢測(cè)器； (b)針對(duì)被檢體放置第一探測(cè)器，從而使得光檢測(cè)器能夠操作用來(lái)檢測(cè)從被檢體的組織反射或透射通過(guò)該組織的光的吸收光譜，檢測(cè)到的吸收光譜得自于由第一和第二光源發(fā)射的光； (c)使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算組織中的氧化肌紅蛋白的濃度以及氧化血紅蛋白的濃度之和[oxyMbHb]； (d)使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算組織中的脫氧肌紅蛋白的濃度以及脫氧血紅蛋白的濃度之和[deoxyMbHb]； (e)根據(jù)[oxyMbHb]和[deoxyMbHb]來(lái)計(jì)算被檢體的組織氧化； Cf)針對(duì)多個(gè)被檢體重復(fù)步驟(b) - Ce),以生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合； (g)提供第二探測(cè)器，該第二探測(cè)器能夠與第一探測(cè)器類似地操作，并具有類似的第一和第二光源以及類似的光檢測(cè)器，并且，放置該探測(cè)器，從而使得類似的光檢測(cè)器能夠操作用來(lái)檢測(cè)由類似的第一 和第二光源發(fā)射的的從患者的組織反射或透射過(guò)該組織的光的吸收光譜；以及 (h)根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合和由第二探測(cè)器檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算患者的組織氧化。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，每個(gè)被檢體組織都是肌肉，并且患者組織是肌肉。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，第二光源包括協(xié)作產(chǎn)生第二輻射通量的多個(gè)發(fā)光兀件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述多個(gè)發(fā)光元件包括發(fā)光二極管。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合被用于構(gòu)建局部加權(quán)回歸模型，并且，通過(guò)將局部加權(quán)回歸模型應(yīng)用到由第二探測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算患者的組織氧化。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，發(fā)光二極管還包括磷光體涂層，該磷光體涂層使得發(fā)光二極管發(fā)射具有峰值強(qiáng)度波長(zhǎng)的光，該峰值強(qiáng)度波長(zhǎng)在由肌紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)與血紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)限定的范圍中。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法,其中,第一光源發(fā)射近紅外光,該近紅外光的波長(zhǎng)在由肌紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)與血紅蛋白的峰值吸收波長(zhǎng)限定的范圍中。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括提取由第二探測(cè)器檢測(cè)到的吸收光譜的第一連續(xù)部分和由第二探測(cè)器檢測(cè)到的吸收光譜的第二連續(xù)部分的步驟，并且，其中，根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合和由第二探測(cè)器檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算患者的組織氧化的步驟只使用由第二探測(cè)器檢測(cè)到的吸收光譜的第一和第二連續(xù)部分。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，第一連續(xù)部分包括可見波長(zhǎng)580nm，第二連續(xù)部分包括近紅外波長(zhǎng)760nm。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，在計(jì)算組織氧化之前，將第一連續(xù)部分和第二連續(xù)部分聯(lián)接。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，第二探測(cè)器能夠操作用來(lái)監(jiān)測(cè)患者，以便檢測(cè)循環(huán)性休克。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，第一光源和第二光源周期性地同步發(fā)射光。
27.一種用于生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合的方法，該訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合對(duì)確定活體內(nèi)的組織氧化有用，該方法包括: (a)提供第一探測(cè)器，該第一探測(cè)器具有: (i)具有第一輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射近紅外光譜中的光的第一光源， (ii)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射可見光譜中的光的第二光源，以及 (iii)光檢測(cè)器； (b)針對(duì)被檢體放置第一探測(cè)器，從而使得光檢測(cè)器檢測(cè)從被檢體的組織反射或透射通過(guò)該組織的光的吸收光譜，該吸收光譜得自于由第一和第二光源發(fā)射的光； (c)使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算并不僅僅是脈動(dòng)的動(dòng)脈血的組織的一部分的氧化； Cd)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上存儲(chǔ): (i)根據(jù)檢測(cè)到的吸收光譜計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，以及 (ii)計(jì)算得到的組織氧化；以及 Ce)針對(duì)多個(gè)被檢體重復(fù)步驟(b) - Cd),以生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái)計(jì)算并不僅僅是脈動(dòng)的動(dòng)脈血的組織的一部分的氧化的步驟包括使用檢測(cè)到的吸收光譜來(lái):(i)計(jì)算組織中的氧化肌紅蛋白的濃度以及脫氧肌紅蛋白的濃度，以確定肌紅蛋白飽和度；(ii)計(jì)算組織中的氧化血紅蛋白的濃度以及脫氧血紅蛋白的濃度，以確定血紅蛋白飽和度；或者(iii)計(jì)算表示氧化肌紅蛋白的濃度與氧化血紅蛋白的濃度之和的值[oxyMbHb]，并計(jì)算表示脫氧肌紅蛋白與脫氧血紅蛋白之和的值[deoxoyMbHb],以及使用計(jì)算得到的[oxyMbHb]和[deoxoyMbHb]來(lái)確定組織的氧化。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，被檢體是哺乳動(dòng)物。
31.一種用于檢測(cè)被檢體中的活體內(nèi)組織氧化的探測(cè)器，包括: (a)具有第一輻射通量的能夠操作用來(lái)發(fā)射近紅外光譜中的光的第一光源， (b)具有大于第一輻射通量的第二輻射通量的能夠操作用來(lái)同時(shí)發(fā)射可見光譜中的光的第二光源，以及 (C)能夠操作用來(lái)檢測(cè)從被檢體的組織反射或透射通過(guò)該組織的光的吸收光譜的光檢測(cè)器，該吸收光譜得自于由第一和第二光源發(fā)射的光。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的探測(cè)器，其中，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的探測(cè)器，其中，第二光源包括多個(gè)發(fā)光元件，其中所述多個(gè)發(fā)光元件協(xié)作產(chǎn)生第二輻射通量。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的探測(cè)器，其中，第一光源包括單個(gè)發(fā)光元件，第二光源包括至少十個(gè)發(fā)光元件，并且，第二輻射通量至少比第一輻射通量大一個(gè)量級(jí)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的探測(cè)器，其中，所述單個(gè)發(fā)光元件和所述至少十個(gè)發(fā)光元件都被設(shè)置為距離光檢測(cè)器相等的距離。
36.根據(jù)權(quán)利要求31所述的探測(cè)器，其中，第一光源包括至少一個(gè)NIR波長(zhǎng)發(fā)光元件，第二光源包括至少十個(gè)可見波長(zhǎng)發(fā)光元件，并且，所述至少十個(gè)可見波長(zhǎng)發(fā)光元件被沿著以光檢測(cè)器為中心的圓弧設(shè)置。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的探測(cè)器，其中，由所述至少十個(gè)可見波長(zhǎng)發(fā)光元件限定的圓弧以不大于90°延伸?！?br> 【文檔編號(hào)】A61B5/1477GK103429153SQ201180062764
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月3日
【發(fā)明者】K·斯肯克曼, L·阿拉卡奇, W·西斯埃爾斯奇, J·沙沃 申請(qǐng)人:華盛頓大學(xué)商業(yè)中心