專利名稱：：測(cè)量組織氧合度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及測(cè)量諸如組織氧飽和度等性質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
：組織氧飽和度(S02)提供紅血球中氧含量的量度。組織S02測(cè)量可用亍評(píng)估例如造成血管血流障礙的一些病理狀況(如敗血病和糖尿病)引起的樹(shù):血管循環(huán)和組織細(xì)胞供氧。組織S02測(cè)量還可用于運(yùn)動(dòng)生理學(xué)，其中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氧的需求與供給之間的失調(diào)可用于確定受檢者身體調(diào)節(jié)的程度。紅外反射測(cè)量可用于組織中各種化學(xué)物質(zhì)的無(wú)創(chuàng)定量檢測(cè)。例如，可通過(guò)在約700-1000nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)下對(duì)組織進(jìn)行反射測(cè)量，來(lái)探測(cè)組織中的氧合和非氧合血紅蛋白。在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，組織中可能存在的、不受關(guān)注的多種化學(xué)物質(zhì)僅微弱地與入射輻射相互作用，并可將血紅蛋白引起的信號(hào)與其它化學(xué)組分引起的信號(hào)分離。紅外輻射通常相對(duì)較深地穿透組織，可利用紅外輻射探測(cè)到表面組織如皮膚和脂肪以下，以測(cè)量較深的肌肉和其他內(nèi)部組織中所關(guān)注的分析物。適于對(duì)組織進(jìn)^"紅外反射測(cè)量的系統(tǒng)例如披露于2006年4月25日提交的名為"SYSTEMSANDMETHODSFORCORRECTINGOPTICALREFLECTANCEMEASUREMENTS"的美國(guó)專利No.2001/0038041。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明披露通過(guò)紅外光譜測(cè)量確定組織氧飽和度(S02)和諸如氧張力等其它量的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法至少部分地基于根據(jù)組織的光衰減方程計(jì)算組織氧飽和度的方法，其中所述方程包括對(duì)應(yīng)于組織成分光吸收和光散射的項(xiàng)。光衰減方程的一種形式基于實(shí)測(cè)光衰減譜的級(jí)數(shù)展開(kāi)(例如泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi))和比爾定律，并且包括多個(gè)光衰減項(xiàng)，所述光衰減項(xiàng)對(duì)應(yīng)于組織中存在的氧合血紅素(血紅蛋白和肌紅蛋白)、非氧合血紅素、水和其它發(fā)色團(tuán)的吸收；組織中的散射；以及實(shí)驗(yàn)條件引起的常數(shù)因子?？赏ㄟ^(guò)給出組織中氧合和非氧合血紅素濃度的兩段式數(shù)值擬合過(guò)程，定量確定這些貢獻(xiàn)。從而可根據(jù)氧合和非氧合血紅素的濃度，確定組織氧飽和度。還可根據(jù)S02的測(cè)量結(jié)果確定其它量。例如，可根據(jù)建立P02與S02之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程，確定氧張力(P02)。組織氧飽和度和/或氧張力可作為重要的生理學(xué)診斷和/或預(yù)測(cè)的指示。具體地，S02是毛細(xì)血管收縮的靈敏探針，并可用于追蹤導(dǎo)致組織中血量變化的狀況的進(jìn)展和/或治療，或者追蹤響應(yīng)損傷的血管收縮/血管舒張。所述狀況的實(shí)例為出血、敗血病、心臟病和糖尿病。一般而言，一方面，本發(fā)明的特征在于計(jì)算目標(biāo)組織氧飽和度的方法，其中該方法包括(a)使入射輻射射向目標(biāo)組織，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定目標(biāo)組織的反射譜；(b)校正反射譜的測(cè)量強(qiáng)度，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)反射譜的貢獻(xiàn)；(c)基于校正反射鐠確定目標(biāo)組織中的氧飽和度；以及(d)輸出氧飽和度的確定值。該方法的實(shí)施方案可包括下述特征中的一種或多種。確定氧飽和度可包括由校正反射譜確定光衰減譜；基于由光衰減譜導(dǎo)出的目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度，計(jì)算氧飽和度，其中血紅素包括目標(biāo)組織中的血紅蛋白和肌紅蛋白。可通過(guò)將光衰減譜擬合為模型光衰減方程，由光衰減鐠導(dǎo)出氧合和還原血紅素的濃度。光衰減方程可包括比爾定律方程，該方程包括多個(gè)項(xiàng)，所述多個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)組織中氧合血紅素、還原血紅素和水對(duì)入射光的吸收。例如，光衰減方程可包括對(duì)應(yīng)比爾定律吸收項(xiàng)的多個(gè)項(xiàng)的光衰減級(jí)數(shù)展開(kāi)(例如泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi))?？赏ㄟ^(guò)處理器自動(dòng)進(jìn)行擬合。光衰減方程可包括隨入射光的波長(zhǎng)線性變化的項(xiàng)，該項(xiàng)的函數(shù)形式為其中a為常數(shù)，人為入射光波長(zhǎng)。可在擬合過(guò)程中限制a值，以使a僅取小于或等于零的值。光衰減方程可包括與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)項(xiàng)。將光衰減譜擬合為模型可包括進(jìn)行兩段式擬合過(guò)程，其中，在第一段確定一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)的初始值，在第二段將光衰減i普擬合為模型，其中所述模型包括在第一段確定的初始參數(shù)值?？赏ㄟ^(guò)使光衰減譜和由模型確定的光衰減值之間的方差之和取最小值，將光衰減譜擬合為模型。光衰減方程可包括基線函數(shù)，該基線函數(shù)由通過(guò)光衰減方程確定的光衰減值與通過(guò)光衰減譜確定的光衰減值之差導(dǎo)出。光衰減方程可包括與目標(biāo)組織的散射系數(shù)成正比并與目標(biāo)組織的吸收系數(shù)成反比的微分程長(zhǎng)因子8(differentialpathlengthfactor)。光衰減方程可包括由入射光在目標(biāo)組織中的輻射漫射模型導(dǎo)出的漫反射方程。測(cè)量反射輻射的強(qiáng)度可包括(a)沿從光源至探測(cè)器的第一光程，測(cè)量對(duì)應(yīng)第一光源-探測(cè)器間距的來(lái)自目標(biāo)組織的反射輻射；和(b)沿從光源至4果測(cè)器的第二光程，測(cè)量對(duì)應(yīng)第二光源-探測(cè)器間距的來(lái)自目標(biāo)組織的反射輻射，所述第二光源-探測(cè)器間距不同于第一光源-探測(cè)器間距。在第一光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射可包括目標(biāo)組織的貢獻(xiàn)和位于光源和目標(biāo)組織之間的組織層的貢獻(xiàn)的第一加權(quán)，在第二光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射可包括目標(biāo)組織的貢獻(xiàn)和位于光源和目標(biāo)組織之間的組織層的貢獻(xiàn)的第二加權(quán)，所述第二加權(quán)不同于第一加權(quán)。位于光源和目標(biāo)組織之間的組織層可以是皮膚和脂肪層。校正反射鐠的測(cè)量強(qiáng)度可包括基于在第一光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射，減少皮膚和脂肪層對(duì)在第二光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射的貢獻(xiàn)。該方法可包括基于目標(biāo)組織中的氧飽和度確定目標(biāo)組織中的氧張力。該方法可包括基于患者的目標(biāo)組織中總血紅蛋白的測(cè)量評(píng)估患者的血管收縮水平，其中基于目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度確定總血紅蛋白。目標(biāo)組織可以在人體內(nèi)。目標(biāo)組織可以在動(dòng)物體內(nèi)。目標(biāo)組織可以是月幾肉ia織。多個(gè)波長(zhǎng)可包括至少100小波長(zhǎng)或者更多。多個(gè)波長(zhǎng)可包括700nm1000nm的波長(zhǎng)(例如725nm880nm的波長(zhǎng))。該方法的實(shí)施方案還可適當(dāng)?shù)匕ū疚呐兜娜我馄渌椒ú襟E。另一方面，.本發(fā)明的特征在于監(jiān)測(cè)患者血量的方法，其中該方法包括(a)使入射輻射射向患者的目標(biāo)組織，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定目標(biāo)組織的反射譜；(b)校正反射譜的測(cè)量強(qiáng)度，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)反射譜的貢獻(xiàn)；(c)基于校正反射譜確定目標(biāo)組織中的血紅素總濃度；(d)基于血紅素總濃度估定患者的血量；和(e)輸出估定血量。.該方法的實(shí)施方案可包括下述特征。該方法可包括基于估定血量評(píng)定患者體內(nèi)出血、敗血病、心臟病和糖尿病中至少一種的發(fā)展階段。該方法的實(shí)施方案還可適當(dāng)?shù)匕ū疚呐兜娜我馄渌椒ú襟E。另一方面，本發(fā)明的特征在于計(jì)算目標(biāo)組織中氧飽和度的方法，其中該方法包括(a)使入射輻射射向目標(biāo)組織，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定反射譜；(b)由反射譜確定目標(biāo)組織的光衰減譜，將光衰減鐠擬合為模型光衰減方程；和(c)基于光衰減譜的擬合確定目標(biāo)組織中的氧飽和度。將光衰減譜擬合為模型可包括進(jìn)行兩段式擬合過(guò)程，其中在第一段確定一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)的初始值，在第二段將光衰減譜擬合為模型，其中該模型包括在第一段確定的初始參數(shù)值。該方法的實(shí)施方案可包括下述特征。該模型可包括函數(shù)形式為a人的項(xiàng)，其中在擬合過(guò)程中將a值限制為小于或等于零。該方法的實(shí)施方案還可適當(dāng)?shù)匕ū疚呐兜娜我馄渌椒ú襟E。另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括經(jīng)配置使入射輻射射向目標(biāo)組織的光源、探測(cè)器和連接在探測(cè)器上的處理器，該處理器配置用于(a)確定目標(biāo)組織的反射謙；(b)校正反射譜，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)反射譜的貢獻(xiàn)；和(c)基于校正反射譜確定目標(biāo)組織中的氧飽和度。該系統(tǒng)的實(shí)施方案可包括下述特征中的一種或多種。該處理器經(jīng)配置通過(guò)命令探測(cè)器測(cè)量目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，來(lái)確定目標(biāo)組織的反射譜。該處理器經(jīng)配置如下確定氧飽和度根據(jù)校正反射語(yǔ)計(jì)算光衰減譜，并基于由光衰減譜導(dǎo)出的目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度，計(jì)算氧飽和度，其中血紅素包括目標(biāo)組織中的血紅蛋白和肌紅蛋白。該系統(tǒng)還可包括(a)介于光源和探測(cè)器之間并相應(yīng)于光源和探測(cè)器之間第一距離的第一輻射路徑；和(b)介于光源和探測(cè)器之間并相應(yīng)于光源和探測(cè)器之間第二距離的第二輻射路徑，所述第二距離不同于第一距離?？墒构庠窗l(fā)出的入射輻射分別沿第一輻射路徑和第二輻射路徑射向目標(biāo)組織，可使來(lái)自目標(biāo)組織的反射輻射分別沿第一輻射路徑和第二輻射路徑射向探測(cè)器。處理器經(jīng)配置可如下減少皮膚和脂肪層對(duì)實(shí)測(cè)反射譜的貢獻(xiàn)分別沿第一光路和第二光路測(cè)量反射譜，組合所述反射譜以生成校正反射譜。第一和第二輻射路徑可各自包括光纖。處理器經(jīng)配置通過(guò)將光衰減譜擬合為模型光衰減方程，導(dǎo)出目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度。模型光衰減方程可包括比爾定律方程，該方程包括多個(gè)項(xiàng)，所述多個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)組織中氧合血紅素、還原血紅素和水對(duì)入射輻射的吸收。處理器經(jīng)配置根據(jù)氧飽和度確定目標(biāo)組織中的氧張力。處理器經(jīng)配置根據(jù)目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度，確定目標(biāo)組織中血紅素的總濃度。處理器經(jīng)配置基于血紅素總濃度估定目標(biāo)組織中的血量。還可配置處理器，以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行本文披露的任意其它方法步驟。所述實(shí)施方案可包括以下優(yōu)勢(shì)中的一種或多種?；谠陔姶舏普紅外區(qū)進(jìn)行的光衰減測(cè)量，確定氧飽和度和/或氧張力。與在其它光譜區(qū)域內(nèi)的吸收和散射作用相比，除血紅素以外的分析物在該區(qū)域內(nèi)的吸收和散射作用較小。因此，可定量分離血紅素吸收與其它組織成分引起的吸收和散射過(guò)程。此外，紅外輻射可相對(duì)較深地穿透患者，從而探測(cè)位于皮膚和脂肪層以下的組織(例如肌肉組織)。紅外輻射的穿透深度允許測(cè)量例如通常位于皮膚和脂肪層以下相對(duì)較深處的肌肉組織中的氧飽和度。鑒于皮膚色素的光吸收和脂肪的光散射，對(duì)紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而與未進(jìn)行這種校正的情況相比允許更準(zhǔn)確地定量確定血紅素吸收。還可定量確定患者組織中水吸收的作用并與血紅素吸收分離。在較多個(gè)如100或更多個(gè)波道上(例如150個(gè)波道或更多，200個(gè)波道或更多，400個(gè)波道或更多，600個(gè)波道或更多，1000個(gè)波道或更多)進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)于記錄例如二至六個(gè)波道的數(shù)據(jù)的儀器相比，數(shù)量較多的測(cè)量改善了測(cè)量數(shù)據(jù)的信噪比。使用低成本便攜式測(cè)量系統(tǒng)無(wú)創(chuàng)進(jìn)行本文披露的測(cè)量。結(jié)果可實(shí)時(shí)或近似實(shí)時(shí)顯示，從而能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)氧飽和度和/或氧張力。在這些參數(shù)與患者的具體健康狀況相關(guān)的情況下，可實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)該狀況的發(fā)展。所述儀器可手動(dòng)操作或在沒(méi)有操作者介入的情況下以全自動(dòng)模式操作?？蛇m當(dāng)?shù)叵薅〝M合參數(shù)，以能夠更準(zhǔn)確地定量分離散射和吸收過(guò)程。例如，在將衰減方程擬合為實(shí)測(cè)光衰減數(shù)據(jù)的過(guò)程中，可限制某些與波長(zhǎng)相關(guān)的散射項(xiàng)的系數(shù)僅取非正值，以與組織散射的典型變量(光的波長(zhǎng)的函數(shù))建立關(guān)系。適當(dāng)選擇擬合限制條件可使體內(nèi)組織中氧合血紅素的散射和吸收作用的定量分離得到改善?？稍趦啥问綌M合過(guò)程中將光衰減方程擬合為測(cè)量數(shù)據(jù)。擬合過(guò)程的第一段確定一些擬合參數(shù)的初始值，擬合過(guò)程的第二段從第一段中確定的初始值開(kāi)始確定測(cè)量數(shù)據(jù)與衰減方程的最低誤差擬合。兩段式擬合過(guò)程能夠在沒(méi)有操作者介入的情況下實(shí)現(xiàn)測(cè)量光譜數(shù)據(jù)的擬合，并縮短了進(jìn)行擬合過(guò)程所需的總時(shí)間。在一些實(shí)施方案中，相對(duì)于一步擬合算法，兩段式擬合過(guò)程還可改善擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。義相同，除非另作限定。以下描述適宜的方法和物質(zhì)，但類似于或等同于本文所述方法和物質(zhì)的方法和物質(zhì)也可用于本發(fā)明的實(shí)施或試^r。在與本文提及的任何公開(kāi)出版物、專利申請(qǐng)、專利和其它參考文獻(xiàn)矛盾的情況下，由本文的說(shuō)明(包括定義)決定。另外，物質(zhì)、方法和實(shí)例僅僅是示例性的而不是限制性的。在附圖和以下說(shuō)明中對(duì)本發(fā)明的一種或多種實(shí)施方案的細(xì)節(jié)進(jìn)行解釋。通過(guò)說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)將是顯而易見(jiàn)的。圖1是測(cè)量目標(biāo)組織中氧飽和度的分光計(jì)系統(tǒng)的一種可行實(shí)施方案的示意圖。圖2是測(cè)量目標(biāo)組織中氧飽和度的分光計(jì)系統(tǒng)的另一實(shí)施方案的示意圖。圖3是示出根據(jù)目標(biāo)組織的光衰減譜確定目標(biāo)組織中氧飽和度的一系列示范性步驟的流程圖。圖4是示出經(jīng)受下體負(fù)壓測(cè)試的患者的總血紅蛋白實(shí)測(cè)百分比變化作為心搏排出量實(shí)測(cè)百分比變化的函數(shù)的關(guān)系曲線。圖5是示出經(jīng)受下體負(fù)壓測(cè)試的患者的總血紅蛋白實(shí)測(cè)百分比變化作為總末梢阻力實(shí)測(cè)百分比變化的函數(shù)的關(guān)系曲線。圖6示出針對(duì)一組不同的組織氧飽和度值計(jì)算得到的無(wú)散射目標(biāo)組織的理論光衰減譜。圖7示出針對(duì)一組不同的組織氧飽和度值計(jì)算得到的散射目標(biāo)組織的理-論光衰減譜。12圖8是比較不同目標(biāo)組織中氧飽和度的實(shí)際值和估計(jì)值的曲線。圖9是比較由所抽血樣和由無(wú)創(chuàng)紅外反射測(cè)量測(cè)得的處于下體負(fù)壓測(cè)試不同階段的患者的氧飽和度值的曲線。圖10是比較由所抽血樣和由無(wú)創(chuàng)紅外反射測(cè)量測(cè)得的處于下體負(fù)壓測(cè)試不同階段的患者的氧張力值的曲線。在各附圖中相同的標(biāo)記表示相同的要素。具體實(shí)施例方式本申請(qǐng)披露由目標(biāo)組織(例如人體內(nèi)或動(dòng)物體內(nèi)的組織)的紅外反射語(yǔ)獲得組織氧飽和度和諸如氧張力等其它生理量的測(cè)量結(jié)果的方法和系統(tǒng)。通過(guò)分析解釋組織吸收和散射的光衰減模型，得到這些量的值。首先通過(guò)適當(dāng)配置的分光計(jì)系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)組織的反射譜，然后例如通過(guò)連接在分光計(jì)系統(tǒng)上的處理器對(duì)光譜進(jìn)行分析。測(cè)量系統(tǒng)可使用各種測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)組織引起的電磁譜紅外區(qū)的入射光的衰減。圖1示出了這種測(cè)量系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的示意圖。測(cè)量系統(tǒng)10包括光源12、探頭14、探測(cè)器16、處理器18和顯示器19。光源12提供輻射，輻射接入光路20并沿光路20從光源12傳播至探頭14。輻射從光路20射出并入射在鄰近探頭14的目標(biāo)組織30的表面32上。入射輻射的一部分被目標(biāo)組織30反射并進(jìn)入光路22。反射輻射沿光路22傳播至探測(cè)器16。探測(cè)器16經(jīng)配置測(cè)量作為波長(zhǎng)的函數(shù)的反射輻射強(qiáng)度。經(jīng)由通信線路24連接于探測(cè)器16的處理器18,例如獨(dú)立處理器或外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一部分，向探測(cè)器16提供位形信號(hào)(configurationsignal)。另外，處理器18經(jīng)配置經(jīng)由通信線路25接收探測(cè)器16記錄的光譜反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。處理器18經(jīng)配置將光譜反射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光衰減數(shù)據(jù)，例如測(cè)量目標(biāo)組織30引起的與波長(zhǎng)相^M入射i雖射賽沾與0閣1所5.1R^,思^S1Q由,法；甬^T;]吝4良,、""，Yzfc,J'■,一^,KV7NQZ、,—f1'''，',■W一1^w*V-■■■，IJ丄7■--,一—、iL|y^jJK據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定的光譜反射數(shù)據(jù)、與波長(zhǎng)相關(guān)的光衰減數(shù)據(jù)、和/或其它數(shù)據(jù)或生理量從處理器18輸出至顯示器19。替換性地或者額外地，可將測(cè)量和/或計(jì)算數(shù)據(jù)從處理器18輸出至用于進(jìn)一步處理的另一處理器(未示出)、輸出至存儲(chǔ)介質(zhì)或輸出至另一設(shè)備(例如計(jì)算機(jī)和/或無(wú)線通訊設(shè)備)。光路20和22的末段在探頭14中相隔距離d。在一些實(shí)施方案中，距離d可以4交短，例如為約5mm或更小(例如約4mm或更小，約3mm或更小，約2mm或更小，或者約1mm或更小)。在其它實(shí)施方案中，距離d可較長(zhǎng)，例如為約20mm或更大(例如約25mm或更大，約30mm或更大，約35mm或更大)。在一些實(shí)施方案中，探頭14經(jīng)配置允許系統(tǒng)操作者調(diào)節(jié)距離d。例如可調(diào)節(jié)距離d以獲取光譜數(shù)據(jù)，所述光譜數(shù)據(jù)包括距離鄰近探頭14的目標(biāo)組織30表面32—定深度t內(nèi)的組織的貢獻(xiàn)。通常，距離d越大，貢獻(xiàn)于實(shí)測(cè)光衰減數(shù)據(jù)的組織深度t越大。光源12通?？砂ǘ喾N光源。例如，光源12可包括白熾光源、一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管、基于激光的光源或其它類型的光源。光源12可提供電磁錯(cuò)一個(gè)或多個(gè)選定區(qū)域(例如紫外區(qū)、可見(jiàn)區(qū)、紅外區(qū)或其它區(qū)域)的輻射。在一些實(shí)施方案中，例如光源12經(jīng)配置提供電磁譜紅外區(qū)的輻射。該輻射例如可包括約700nm約1000nm的波長(zhǎng)。在一些實(shí)施方案中，光源12提供的輻射可包括多個(gè)波長(zhǎng)。例如輻射波長(zhǎng)分布的半高寬可以為約10nm或更大(例如約20nm或更大，約50nm或更大，約100nm或更大，約150nm或更大，約200nm或更大，約250nm或更大)。輻射波長(zhǎng)的分布可由單個(gè)光源元件例如白熾元件或?qū)拵Оl(fā)光二極管產(chǎn)生，或者由同時(shí)或順次工作的多個(gè)光源元件(例如多個(gè)發(fā)光二極管)產(chǎn)生。光路20和22可由適于引導(dǎo)光源12所提供輻射的材料形成。在一些實(shí)施方案中，例如光路20和22之一或者光路20和22兩者可以是由一根或多根光纖形成的波導(dǎo)。在一些實(shí)施方案中，光路20和22之一或者光路20和22兩者可以是形成在探頭14中并且經(jīng)裁定允許輻射通過(guò)的開(kāi)放通路。在一些實(shí)施方案中，例如可將光源12和探測(cè)器16中任一個(gè)或者兩者直接接觸患者皮膚放置，或者直接接觸目標(biāo)組織(例如沒(méi)有覆于其上的皮膚和/或脂肪層)放置，以使光路20和/或22不包括開(kāi)放通路，而是包括光學(xué)路徑，入射輻射和反射輻射在目標(biāo)組織中沿所述光學(xué)路徑傳播。在一些實(shí)施方案中，光路20和22之一或者光路20和22兩者可包括其它類型的波導(dǎo)，例如光子晶體纖維和/或光導(dǎo)聚合物材料。探測(cè)器16經(jīng)配置測(cè)量目標(biāo)組織30的與波長(zhǎng)相關(guān)的反射輻射強(qiáng)度。通常，探測(cè)器16為具有波長(zhǎng)離散元件如衍射光柵的光譜探測(cè)器，例如分光計(jì)，所述波長(zhǎng)離散元件經(jīng)配置用于包括光源12所提供輻射的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域。14合適的分光計(jì)例如可獲自O(shè)ceanOpticsInc.(Dunedin，F(xiàn)L)。探測(cè)器16可對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的輻射的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。例如，在一些實(shí)施方案中，探測(cè)器16經(jīng)配置對(duì)約50或更多不同波長(zhǎng)(約100或更多不同波長(zhǎng)，約150或更多不同波長(zhǎng)，約200或更多不同波長(zhǎng)，約400或更多不同波長(zhǎng)，約600或更多不同波長(zhǎng)，約1000或更多不同波長(zhǎng))的光學(xué)輻射的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。可采用公知的方法通過(guò)處理器18將探測(cè)器16測(cè)得的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)(通常為目標(biāo)組織30的與波長(zhǎng)相關(guān)的反射數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為與波長(zhǎng)相關(guān)的光衰減數(shù)據(jù)(例如目標(biāo)組織30的光衰減譜)。在隨后的討論中，參考目標(biāo)組織30的光衰減語(yǔ)，但本文披露的方法和系統(tǒng)也可用于直接處理光譜反射數(shù)據(jù)，因?yàn)楣馑p數(shù)據(jù)和光語(yǔ)反射數(shù)據(jù)通過(guò)筒單的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換建立關(guān)系(例如參見(jiàn)以下部分所討論的式(2))。除了將光譜反射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光衰減數(shù)據(jù)以外，如以下將進(jìn)一步詳述的，處理器18經(jīng)配置可分析光衰減數(shù)據(jù)，以獲得重要生理量如氧飽和度和氧張力的測(cè)量結(jié)果。通常，處理器18經(jīng)配置可進(jìn)行本文討論的任意分析步驟。在一些實(shí)施方案中，可以多種光源-探測(cè)器間距d測(cè)量光學(xué)反射譜。例如，圖2為測(cè)量系統(tǒng)50的實(shí)施方案的示意圖，該測(cè)量系統(tǒng)50包括可各自固定或由操作者調(diào)節(jié)的兩種不同的光源-探測(cè)器間距。測(cè)量系統(tǒng)50的多個(gè)部件與測(cè)量系統(tǒng)10的部件相同，將不再進(jìn)行討論。測(cè)量系統(tǒng)50包括與^l笨頭14中的光路20間隔距離4的第一探測(cè)光路22a以及與探頭14中的光路20間隔距離db(大于4)的第二探測(cè)光路22b?？赏ㄟ^(guò)探測(cè)器16在多種光源-探測(cè)器距離下記錄光譜反射測(cè)量結(jié)果，以減輕和/或消除上覆組織層的光譜吸收和/或散射對(duì)所關(guān)注的下層組織的光譜的影響。例如，以短光源-探測(cè)器距離da記錄的反射譜通常包括目標(biāo)組織30的近表面32組織和較深內(nèi)部(例如主要是目標(biāo)組織30的近表面32組織)的貢獻(xiàn)的第一加權(quán)。以較長(zhǎng)光源-探測(cè)器距離4記錄的反射鐠通常包括目標(biāo)組織30的近表面32組織和較深內(nèi)部的貢獻(xiàn)的第二加權(quán)(例如以較長(zhǎng)光源-探測(cè)器距離記錄的光譜通常包括近表面32組織和表面32以下組織兩者的顯著貢獻(xiàn))，該第二加權(quán)不同于第一加權(quán)。可采用合適的算法處理以兩種不同的光源-探測(cè)器距離記錄的反射數(shù)據(jù)，以消除鄰近表面32的上覆組織層的光譜貢獻(xiàn)，僅主要保留下層(例如較深)組織層的光譜貢獻(xiàn)。另外，在一些實(shí)施方案中，操作者可調(diào)節(jié)光源-探測(cè)器距離，以改善光語(yǔ)反射測(cè)量的選擇性(例如以選擇性探測(cè)患者皮膚表面以下特定深度處的組織)。例如，在一些實(shí)施方案中，目標(biāo)組織30可包括接近探頭14的皮膚和脂肪層以及位于皮膚和脂肪層以下的所關(guān)注的肌肉組織(例如距離探頭14較大的距離)?？蓽p少或消除光衰減數(shù)據(jù)中由皮膚(包括皮膚色素)和脂肪層的光吸收和/或散射引起的對(duì)光衰減數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)，以改善選擇性:探測(cè)所關(guān)注的肌肉組織的準(zhǔn)確性。合適的測(cè)量系統(tǒng)和處理算法例如4皮露于名為"SYSTEMSANDMETHODSFORCORRECTINGOPTICALREFLECTANCEMEASUREMENTS"的美國(guó)公布號(hào)US2007/0038041中。在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)具有單個(gè)探測(cè)光路和多個(gè)光源光路(例如，用于將一個(gè)或多個(gè)輻射源發(fā)出的光與探頭14連接的多個(gè)路徑)的系統(tǒng)，測(cè)量多個(gè)光源-探測(cè)器距離處的光譜反射數(shù)據(jù)。通常，測(cè)量系統(tǒng)的具體構(gòu)造基本上不改變用于消除上覆組織層光譜作用的處理算法，也不改變用于根據(jù)光衰減語(yǔ)確定諸如氧飽和度和氧張力等量的分析算法。與波長(zhǎng)相關(guān)的光衰減數(shù)據(jù)之后，配置處理器18分析光衰減數(shù)據(jù)，以獲得目標(biāo)組織的所關(guān)注的量值。以下披露在處理器18中執(zhí)行的用于獲得這些量的各種分析算法。氧飽和度的確定在組織血氧定量法中，可利用紅外輻射測(cè)量血液中的血紅素成分。盡管血紅素也吸收電磁譜可見(jiàn)部分的輻射，但紅外光通常較深地穿透組織，并且與可見(jiàn)波長(zhǎng)相比，在紅外波長(zhǎng)下光散射效應(yīng)通常較小。例如在肌細(xì)胞中，肌紅蛋白和血紅蛋白各自處于入射輻射的路徑中，并各自吸收紅外輻射。在小血管中(例如微動(dòng)脈、毛細(xì)血管和微靜脈)，紅外吸收的變化主要反映氧合和非氧合血紅素濃度的變化。因此，根據(jù)下式限定組織氧飽和度(S02):其中C(Hb02+Mb02)為組織中氧合血紅素的總濃度(Hb:血紅蛋白，Mb,幾紅蛋白)'C(Hb+Mb)為組織中還原血紅素的總濃度?？偤虲(Hb+Mb)+C(Hb02+Mb02)為組織中血紅素的總濃度。血紅蛋白和肌紅蛋白在大部分光i普紅外區(qū)域具有類似的吸收語(yǔ)，并且本文披露的紅外反射測(cè)量方法對(duì)血紅蛋白和肌紅蛋白兩者均靈敏。通常將暴露于入射光的目標(biāo)組織的模型光衰減譜(Am。de^))定義為入射光強(qiáng)度和反射光強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)?？刹捎枚喾N不同的模型說(shuō)明目標(biāo)組織的光衰減譜。在一些實(shí)施方案中，如Stratonnikov，A.A.和Loschenov,V.B.在"EvaluationofbloodoxygensaturationWvofromdiffusereflectancespectra,"To固a/。/腸膨Wca/6..457-467(2001)中所述，例如可采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法將光衰減譜表達(dá)為一個(gè)或多個(gè)吸收項(xiàng)的函數(shù)。Am。de!(l)的適當(dāng)?shù)奶├占?jí)數(shù)展開(kāi)為(c0+c^)+ln(lO)-〈丄〉h,"wf,化W+c402+WW2f廳2(義)十(義)](2)其中Io(人)為入射光強(qiáng)度(例如光源強(qiáng)度)，I(X)為組織的反射光強(qiáng)度，人為光的波長(zhǎng)，Co和d為常數(shù)，<1>為通過(guò)組織的反射光平均程長(zhǎng)，SHb(X)為還原血紅蛋白的與波長(zhǎng)相關(guān)的消光系數(shù)，SHb02(X)為氧合血紅蛋白的與波長(zhǎng)相關(guān)的消光系數(shù)，Cwat為組織中水的濃度，SwaA)為水的與波長(zhǎng)相關(guān)的消光系數(shù)。血紅蛋白和肌紅蛋白在光鐠紅外區(qū)具有相同的消光系數(shù)，因而氧合和還原血紅蛋白的消光系數(shù)還用于模擬式(2)中的肌紅蛋白吸收。以下進(jìn)一步詳細(xì)討論式(2)中各參數(shù)值的確定。通常，在實(shí)驗(yàn)條件下可能難以確定絕對(duì)光源強(qiáng)度Iq(X)。因而，在一些實(shí)施方案中，在模擬光衰減時(shí)，使用99。/。反射標(biāo)準(zhǔn)品的反射光強(qiáng)度Iref(0代替Io(人)。合適的99%反射標(biāo)準(zhǔn)品例如包括可獲自Labsphere，Inc.(NorthSutton,NH)的ModelSRT-99-050。利用實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)參比光強(qiáng)1^1)代替I。(X)，實(shí)測(cè)光衰減譜A，(X)如下抓(3)參比光強(qiáng)KX)通常與Io(X)相差與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)因子，該常數(shù)因子表現(xiàn)為對(duì)目標(biāo)組織的實(shí)測(cè)光衰減語(yǔ)的恒定附加貢獻(xiàn)。式(2)中的常數(shù)C(j解釋這種對(duì)光衰減譜的附加貢獻(xiàn)。另外，Co還解釋目標(biāo)組織中除血紅蛋白、肌紅蛋白和水以外的發(fā)色團(tuán)和其它物質(zhì)的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的吸收和/或散射。類似地，常數(shù)C!解釋目標(biāo)組織中除血紅蛋白、肌紅蛋白和水以外的發(fā)色團(tuán)和其它物質(zhì)的與波長(zhǎng)有關(guān)的光吸收和/或散射。式(2)右側(cè)的項(xiàng)(與<1>相乘)解釋目標(biāo)組17織中血紅蛋白、肌紅蛋白和水引起的入射光衰減。通常，目標(biāo)組織中的光衰減可由光吸收和光散射過(guò)程兩者造成。例如，光被小血管中的血紅蛋白和小細(xì)胞中的肌紅蛋白吸收，被血管內(nèi)和血管外的水吸收，以及被皮膚中的黑色素吸收。光可被諸如血管和肌肉纖維等體結(jié)構(gòu)散射，也可被覆蓋所關(guān)注的肌肉組織的脂肪(例如位于測(cè)量系統(tǒng)的探頭和肌肉組織之間的脂肪)散射。本文披露的系統(tǒng)和方法通常可用于計(jì)算多種不同類型的組織(包括肌肉組織和非肌肉組織)中的氧飽和度和其它生理量，還可進(jìn)行結(jié)合802的確定所討論的任意步驟，以計(jì)算肌肉組織和非肌肉組織兩者中的S02。測(cè)量肌肉組織中的氧飽和度例如提供了特別靈敏的血管收縮/血管舒張?jiān)\斷指示。圖3為流程圖100，該流程圖示出了根據(jù)目標(biāo)組織的光衰減譜A，(人)計(jì)算目標(biāo)組織中氧飽和度的一系列步驟。在第一步102中，從目標(biāo)組織采集一組或多組光反射譜，經(jīng)由式(3)計(jì)算光衰減譜。在任選步驟104中，可選擇模型A,de^)說(shuō)明目標(biāo)組織中的光衰減。在一些實(shí)施方案中，例如所選擇的模型解釋目標(biāo)組織中的光吸收和光散射兩者。在一些實(shí)施方案中，模型包括對(duì)應(yīng)于目標(biāo)組織中存在的氧合血紅蛋白和肌紅蛋白、還原血紅蛋白和肌紅蛋白、以及其它物質(zhì)中一種或多種的項(xiàng)?？蛇x擇的合適的模型例如由式(2)給定。通常，本文披露的系統(tǒng)可包括一種或多種用于說(shuō)明目標(biāo)組織中光衰減的模型。在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)僅包括一種模型。在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)包括多種模型，模型Am。de,(入)的選擇例如可基于操作人員的輸入。在步驟106中，采用在步驟104中選擇的模型確定目標(biāo)組織中光衰減的計(jì)算值，并調(diào)節(jié)各種模型參數(shù)以使光衰減計(jì)算值與實(shí)測(cè)光衰減傳的方差和最小。光衰減計(jì)算值與實(shí)測(cè)光衰減譜的方差和％2可記作=Zk一")-力,')]2(4)其中在介于人油和^^之間的一組波長(zhǎng)下測(cè)量光衰減譜(并計(jì)算理論光衰減值)。使f取最小值，從而得出Am。deA)中的一些可調(diào)參數(shù)。例如，如果選擇式(2)給定的模型，則使函數(shù)f取最小值，從而得出參數(shù)C。、Cl、CHb+Mb、C他02+Mb02、Cwat和<L>的<直。為得到模型參數(shù)的準(zhǔn)確值，釆用非線性最小二乘擬合算法使式(4)中的f取最小值。在一些實(shí)施方案中，還可利用對(duì)一些模型參數(shù)的擬合限制條件改善所得參數(shù)值的準(zhǔn)確性。例如，與波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光相比，波長(zhǎng)較短的光通常更有效地從組織結(jié)構(gòu)散射，因而與波長(zhǎng)相關(guān)的散射效率曲線可表達(dá)為具有非正斜率的線性函數(shù)形式。組織結(jié)構(gòu)的遞減散射系數(shù)^通?？杀磉_(dá)為如下函數(shù)/《-a+M(5)其中a和b為常數(shù)，并且bS0。通常，實(shí)測(cè)光衰減譜中屬于氧合血紅蛋白的多個(gè)部分在光譜的紅外區(qū)具有正斜率。因而，當(dāng)選擇式(2)給定的模型時(shí)，可在擬合過(guò)程中限制參數(shù)Cp以使c!S0。這種限制條件通過(guò)消除氧合血紅素對(duì)光衰減鐠的貢獻(xiàn)之間的串?dāng)_以及散射而能夠?qū)崿F(xiàn)改善的參數(shù)值確定和較平滑的背底。對(duì)于一些組織，作出參數(shù)CHb+Mb、cHb02+Mb02和Cwat值的良好初始估值是可能的(例如在正常病人體內(nèi))。對(duì)于其它組織，獲得這些參數(shù)的良好初始估*Tt,。然而，作出參數(shù)值的初始估值通常涉及操作者的介入，并受到由于操作者技術(shù)水平的差異所造成的易變性的影響。通常，例如在正常病人體內(nèi)，(^+逢值可以為約40(imol/L,CHbQ2+Mb02值可以為約60pmol/L,C柳t值可以為約60%。這些值可用作參數(shù)CHb+Mb、CHb02+Mb04PC職t的初始估值。作為依賴于操作者輸入的方案的替換性方案，本文披露的系統(tǒng)和方法還可采用兩段式擬合過(guò)程以自動(dòng)的方式(例如沒(méi)有操作者輸入)確定模型參數(shù)的初值和終值兩者。兩段式模擬步驟通常可用于本文披露的任意模型，以自動(dòng)確定一些或所有模型參數(shù)的良好初值，然后通過(guò)使式(4)中的f取最小值來(lái)確定最終參數(shù)值。例如，在步驟104中選擇式(2)給定的模型時(shí)，可采用掃描法，通過(guò)固定參數(shù)cHb+Mb、CHb02+Mb02和Cwat的值,確定Co、Ci和《>的良好初值,并采用最小二乘最小化方法改變參數(shù)Co、Ci和〈L〉的值。該方法相當(dāng)于4叉以Co、c,和〈LM乍為可調(diào)參數(shù)使式(4)中的f取最小值。在通過(guò)使f取最小值確定了cQ、d和〈L〉的良好初值的情況下，將這些值固定，并采用掃描法，通過(guò)允許參數(shù)CHb十Mb、cHb02+Mb02和Cwat變化，再次使(4)中的f取最小值。通過(guò)最小化方法得到的這些參數(shù)值相當(dāng)于良好初值。19兩段式擬合過(guò)程的第二段包括在允許六個(gè)參數(shù)c。、Cl、<L>、cHb+Mb、各自變化(如前所述，受所施加的任意擬合限制條件的限制)，并從在該過(guò)程的第一段中確定的所述六個(gè)參數(shù)的良好初值開(kāi)始的情況下，使式(4)中f取最小值。經(jīng)過(guò)該過(guò)程的第二段之后獲得的這些參數(shù)值為參數(shù)的終值。通常，本文披露的系統(tǒng)和方法可釆用受任意外加限制條件限制能夠使式(4)中的f取最小值的任意擬合算法。可用于使式(4)中的f取最小值的擬合算法的一個(gè)實(shí)例為L(zhǎng)evenberg-Marquardt算法。上述兩段式擬合過(guò)程可提供多種優(yōu)勢(shì)。具體地，與其它情況相比，通過(guò)以參數(shù)的良好初值開(kāi)始擬合過(guò)程的第二段，第二段更快地進(jìn)行收斂。此外，擬合結(jié)果通常更加準(zhǔn)確，這是因?yàn)榉蔷€性最小二乘擬合法不太可能停留在局部最小值上(但也無(wú)需為全局最小值)。在所披露的系統(tǒng)和方法中可用于將光衰減譜擬合為選定的光衰減模型的一種算法是稱為微分展開(kāi)(DifferentialEvolution)(DE)法的一類通用算法，在"DifferentialEvolution:Apracticalapproachtoglobaloptimization,"(Germany:Springer-Verlag,2005)中對(duì)該方法進(jìn)行了描述。DE算法為收斂于函數(shù)極值的全局優(yōu)化算法，與函數(shù)的初始全域無(wú)關(guān)。DE算法通常收斂較快，并且與其它全局優(yōu)化算法相比采用的控制變量較少。由于DE算法收斂于全局最小值，因而在一些實(shí)施方案中可采用DE算法，而不進(jìn)行上述擬合過(guò)程的第一段。即可采用一步擬合過(guò)程，在該擬合過(guò)程中，利用DE算法將光衰減傳擬合為光衰減模型，而沒(méi)有首先通過(guò)掃描法擬合光譜來(lái)確定模型參數(shù)的一刀i合4古li。在確定了模型參數(shù)的終值之后，在步驟108中計(jì)算目標(biāo)組織中的氧飽和度。根據(jù)式(l)計(jì)算氧飽和度，因而在步驟104中所選擇的模型包括參數(shù)C腺M(fèi)b和cHb02+Mb02。在步驟106中確定這些參數(shù)的值，然后在步驟108中根據(jù)這些參數(shù)值計(jì)算S02。氧張力的確定在步驟110中(在流程圖100中該步驟為任選步驟)，根據(jù)在步驟108中確定的氧飽和度值計(jì)算目標(biāo)組織中的氧張力?？刹捎酶鞣N算法根據(jù)氧飽和度計(jì)算氧張力。例i口，可利用Severinghaus，J.W.在"Simple,accurateequationsforhumanbloodO2dissociationcomputations,"J，/.，尸/7戸'o/.:rat」&cerc&e尸/2，Zo/.,46:599-602(1979)中描述的下述關(guān)系式，計(jì)算氧張20力尸02=exp0.385.ln(叫-1—+3.32-(72'-對(duì)(6)式(6)使得能夠在流程圖100的步驟110中在標(biāo)準(zhǔn)生理?xiàng)l件下根據(jù)氧飽和度直接計(jì)算氧張力。應(yīng)用通過(guò)本文披露的系統(tǒng)和方法測(cè)量的氧飽和度和/或氧張力提供了患者體內(nèi)毛細(xì)血管收縮的靈萄文診斷指示。在出血(hemorrhage)和內(nèi)出血(internalbleeding)過(guò)程的早期，肌肉組織中的毛細(xì)血管收縮使血流向心臟和大腦(最需要血的部位)。血管收縮還有助于使血壓保持較正常的水平，因而，血壓通常僅僅提供出血性休克的晚期指示。為評(píng)價(jià)本文披露的系統(tǒng)和方法的靈敏度，對(duì)一組十位受檢者進(jìn)行了測(cè)t該測(cè)試包括逐漸升高下體負(fù)壓(T,BNP)。T,BNP測(cè)試包括五分鐘的基線期，隨后每隔五分鐘將心室減壓至-15、-30、-45和-6011111^8,隨后每五分鐘增量為-10mmHg，直到發(fā)生心血管性虛脫或者五分鐘結(jié)束于-100mmHg。在短距離和長(zhǎng)距離光源-探測(cè)器間距下，使用光導(dǎo)纖維傳感器，在整個(gè)測(cè)試中連續(xù)記錄紅外反射譜。將傳感器放置在前臂的指深屈肌上。根據(jù)利用上述方法由反射譜生成的光衰減譜，計(jì)算氧飽和度和氧張力。對(duì)反射譜進(jìn)行了校正，從而在生成光衰減譜之前消除皮膚色素和脂肪吸收和/或散射光產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。在LBNP測(cè)試每一階段的最后一分鐘，從各受檢者抽取血樣。使用碳氧血氧定量計(jì)由血樣測(cè)量各受檢者的氧飽和度，并使用血?dú)夥治鰞x測(cè)量氧張力。另外，對(duì)于處于LBNP測(cè)試每一級(jí)的各受檢者，相對(duì)心搏排出量(SV)、總末梢阻力(TPR)和總血紅蛋白(HbT)(肌肉組織中氧合以及還原血紅蛋白和肌紅蛋白的總和)的基線值，確定這些參數(shù)的變化。使用HIC-2000生物電阻抗心動(dòng)描記器(可獲自Bio-ImpedanceTechnology,ChapelHill,NC),利用胸腔生物電阻抗(thoracicelectricalbioimpedance),無(wú)創(chuàng)測(cè)量4專動(dòng)間隔的4粵出量。胸腔生物電阻法基于胸腔對(duì)低強(qiáng)度(例如4mA)、高頻(例如70kHz)交流電流的阻抗的變化，所述交流電流通過(guò)置于腋中線上劍突處的兩個(gè)外表面電極施加在胸腔上。根據(jù)下述部分經(jīng)驗(yàn)公式確定心室SV(以mL/搏動(dòng)計(jì))^,、-2化厶,子(7〉力M其中p(以ohm-cm計(jì))為血液阻抗(bloodresistivity)(通常為約135ohm-cm),f(以cm計(jì))為兩個(gè)內(nèi)傳感器電極(innerpick-upelectrode)之間的平均距離，Z"以ohm計(jì))為平均基線胸腔阻抗，LVET(以秒計(jì))為左心室射血時(shí)間，(dZ/dt)min為實(shí)測(cè)胸腔阻抗隨時(shí)間變化的峰值(例如Z點(diǎn))距離基準(zhǔn)線的高度。作為心率(HR)和SV的乘積，計(jì)算心輸出量(Q)，通過(guò)使動(dòng)脈血壓平均值除以Q，來(lái)估算TPR。圖4示出了總血紅蛋白實(shí)測(cè)百分比變化作為心搏排出量實(shí)測(cè)百分比變化的函數(shù)的關(guān)系曲線。如圖4中的實(shí)線所示，總血紅蛋白的變化和心搏排出量的變化之間近似為線性關(guān)系。不希望受限于理論，圖4所示關(guān)系的一種可能的解釋是心搏排出量隨著血量的減少而下降。在圖5中，繪出了總血紅蛋白百分比變化作為總末梢阻力百分比變化的函數(shù)的關(guān)系曲線。如實(shí)線所示，所述關(guān)系也近似為線性關(guān)系。然而，圖5示出了總血紅蛋白變化與總末梢阻力變化為反比關(guān)系。通常，當(dāng)出現(xiàn)血管收縮時(shí)總末梢阻力增大。然而，肌肉組織中總血紅蛋白的測(cè)量(如上所述通過(guò)確定氧合和還原血紅蛋白的濃度)提供患者體內(nèi)血管收縮開(kāi)始和進(jìn)展的準(zhǔn)確診斷。通常，血管收縮和/或血管舒張?jiān)斐赡繕?biāo)組織中血量變化，可通過(guò)監(jiān)測(cè)總血紅蛋白，評(píng)估組織中的血量(例如患者體內(nèi)血量隨時(shí)間的變化)。通過(guò)本文披露的方法確定的S02和P02值還提供了目標(biāo)組織中血量的靈敏探針，并可用于監(jiān)測(cè)和評(píng)估。通常，諸如HbT、S02和P02等量的測(cè)量可用于追蹤造成組織中血量變化的任意疾病或狀況的進(jìn)展和治療，和/或響應(yīng)創(chuàng)傷的血管收縮/血管舒張。可追蹤其進(jìn)展的狀況的實(shí)例包括出血和敗血病的診斷和治療的評(píng)價(jià)；伴隨心臟病和糖尿病的孩i血管異常；通過(guò)血管收縮和/或血管舒張升高血壓的藥物的作用?？勺粉櫵幬镌诓⌒篌w內(nèi)對(duì)特定器官的局部作用。例如，當(dāng)患者出血時(shí)，可通過(guò)測(cè)量總血紅蛋白監(jiān)測(cè)一些患者組織中的血量損失。此外，如圖4和5所示，總血紅蛋白與血量成線性比例關(guān)系。因而，可通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)HbT,來(lái)評(píng)估出血的發(fā)展階段。HbT的變化可用于評(píng)估出血已停止還是正得到控制，或者例如評(píng)估是否出血狀況正在惡化。22再例如，當(dāng)患者患敗血病——微循環(huán)疾病時(shí)，患者的一些組織中的小血管阻塞，導(dǎo)致患者組織中存在較少血量(和缺氧血)。通常，隨著敗血病的持續(xù)，血液組織缺氧的程度升高。如果恢復(fù)灌流，則敗血病狀況得到緩解，患者組織中的血氧量和血量均增大。如上所述，可通過(guò)監(jiān)測(cè)患者組織中的HbT和/或S02和/或P02,評(píng)估敗血病的發(fā)展速度。例如，當(dāng)目標(biāo)組織中的敗血病狀況正在惡化時(shí)，組織中的HbT值隨著血量的減少而減小。當(dāng)組織中的敗血病得到緩解時(shí)，組織中的HbT值隨著血量的增加而增大。類似的關(guān)系用于根據(jù)由目標(biāo)組織中S02和P02的測(cè)量確定的血量評(píng)估敗血病。再例如，當(dāng)患者患心臟病或糖尿病時(shí)，由這些狀況造成的動(dòng)脈粥狀硬化阻礙響應(yīng)攻擊的血管收縮。與之相比，對(duì)于正?；颊?，出現(xiàn)響應(yīng)攻擊的血管收縮以維持血壓。因而，可通過(guò)監(jiān)測(cè)患者的HbT和/或S02和/或P02，評(píng)估諸如心臟病或糖尿病等狀況的發(fā)展。例如，通常將遭受這些狀況之一的患者傾斜或進(jìn)行代表攻擊的運(yùn)動(dòng)測(cè)試，由患者的選定目標(biāo)組織確定so2和/或P02和/或HbT值。由于患者的血管沒(méi)有收縮能力，因而患者的S02和/或P02和/或HbT的實(shí)測(cè)變化小于較正?；颊叩倪@些參數(shù)的實(shí)測(cè)變化?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量患病者組織的S02和/或P02和/或HbT值相對(duì)正?；颊呓M織的標(biāo)準(zhǔn)值(或者相對(duì)由處于疾病較早期階段的相同患者測(cè)得的這些參數(shù)值)的差異，評(píng)估諸如心臟病和糖尿病等狀況的發(fā)展。通常，如上所述，在刺激血管收縮以維持血壓和/或刺激血管舒張以改善血流的介入過(guò)程中，進(jìn)行諸如HbT、S02和P02等量的測(cè)量以用于評(píng)估和追蹤各種狀況。這些介入的實(shí)例包括堵塞一個(gè)或多個(gè)血管、使受檢者運(yùn)動(dòng)和將受檢者傾斜。執(zhí)行可在硬件或軟件中或者兩者的組合中執(zhí)行本文披露的方程式和算法?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)編程方法在計(jì)算機(jī)程序中執(zhí)行本文披露的方法步驟和附圖?？稍O(shè)計(jì)程序，以在各自包括至少一個(gè)處理器、至少一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(包括易失性和非易失性存儲(chǔ)器和/或存儲(chǔ)元件)、至少一個(gè)輸入裝置(如鍵盤(pán)或按鈕陣列)、至少一個(gè)輸出裝置(如CRT、LCD或打印機(jī))的可編程處理器(例如處理器18)或計(jì)算機(jī)(如微型計(jì)算機(jī))上執(zhí)行。將程序編碼應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)，以運(yùn)行本文披露的函數(shù)。將輸出信息應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)輸出裝置，例如打印機(jī)，或者CRI或其它監(jiān)視器，或者計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上進(jìn)入主站點(diǎn)的網(wǎng)頁(yè)(例如用于遠(yuǎn)程監(jiān)控)。本文披露的系統(tǒng)中使用的各程序優(yōu)選以高級(jí)過(guò)程語(yǔ)言或面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言執(zhí)行，以與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。然而，如果需要，這些程序也可以匯編語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行。在任何情況下，所述語(yǔ)言可以是編譯或翻譯語(yǔ)言。各計(jì)算程序可存儲(chǔ)在通用或?qū)Ｓ每删幊逃?jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)或裝置上(例如ROM或磁盤(pán))，在計(jì)算機(jī)讀取存儲(chǔ)介質(zhì)或裝置時(shí)用于配置并操作計(jì)算機(jī)，以執(zhí)行本文所述的步驟。還可認(rèn)為程序可作為配置有計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，其中所配置的存儲(chǔ)介質(zhì)使計(jì)算機(jī)中的處理器以特殊的預(yù)定方式運(yùn)行，以執(zhí)行本文所述的函數(shù)。盡管可利用任意通信網(wǎng)絡(luò)獲得遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)果，但互聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線系統(tǒng)為傳輸數(shù)據(jù)提供了有效的選擇。實(shí)施例在以下實(shí)施例中對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了進(jìn)一步說(shuō)明，所述實(shí)施例并不意圖限制權(quán)利要求中所述的本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1為評(píng)價(jià)本文披露的系統(tǒng)和方法的準(zhǔn)確性，針對(duì)目標(biāo)組織中四種不同的光散射條件，計(jì)算了模擬組織衰減譜，將圖3的方法步驟應(yīng)用于四種光散射條件各自的數(shù)據(jù)，以確定氧飽和度值。四種光散射條件相應(yīng)于所關(guān)注的四種不同的目標(biāo)組織。對(duì)于各目標(biāo)組織，針對(duì)八種不同的理論S02值0%、10%、20%、40%、50%、60%、80%和100%，計(jì)算了模擬光衰減譜。為生成相應(yīng)于無(wú)散射、吸收目標(biāo)組織的光衰減譜，利用Lambert-Beer公式，該公式具有僅對(duì)應(yīng)于血紅蛋白的貢獻(xiàn)的項(xiàng)其中L為通過(guò)目標(biāo)組織的衰減光的程長(zhǎng)，CHb、CHb02和C柳t分別為目標(biāo)組織中還原血紅蛋白、氧合血紅蛋白和水的貢獻(xiàn)，SHb(X)、SHb02(X)和Swat(X)是作為波長(zhǎng)人的函數(shù)的還原血紅蛋白、氧合血紅蛋白和水的消光系數(shù)。選擇這些參數(shù)的值，從而生成無(wú)散射、吸收目標(biāo)組織的光衰減譜。24還計(jì)算了三種不同的目標(biāo)組織的光衰減譜，在所述目標(biāo)組織中發(fā)生了光散射。對(duì)于從具有下述函數(shù)形式的模型中選定的組織吸收系數(shù)h(X)值、遞減散射系數(shù)h(X)值和光源-探頭間距d值，使用單層無(wú)限平面漫射模型(singlelayerinfiniteslabdiffusionmodel),生成光衰減譜&nh(a(/0.</)(9)其中如下計(jì)算量cj(i):41)"3〃。(樸。(如,例('o)為了計(jì)算三種不同的光散射目標(biāo)組織的光衰減譜，選擇氧合和還原血紅蛋白的濃度值，以固定S02的理論值，并選擇吸收系數(shù)IIa(X)值。另外，選擇各光散射目標(biāo)組織的遞減光散射系數(shù)^'(入)值。三種不同的光散射目標(biāo)組織相應(yīng)于患者前臂、小腿和完整頭部中的組織。分別按照式(ll)、式(12)、式(13)計(jì)算這些組織各自的遞減散射系數(shù)A,一^Li+！(11)'^7畫(huà)Matcher,S.J.等在"/wvivomeasurementsofthewavelengthdependenceoftissue-scatteringcoefficientsbetween760and900nmmeasuredwithtime-resolvedspeetroscopy，,，/i/7/7/zWC^/",36:386-396(.1997.)中描述了式(11)-(13)。在式(11)-(13)中，h(入)的單位為cm"，入的單位為nm。在介于725nm和880nm之間的一系列波長(zhǎng)值下，計(jì)算對(duì)應(yīng)式(11)-(13)的三種不同目標(biāo)纟且織的光衰減i普。為了評(píng)定通過(guò)將計(jì)算光衰減數(shù)據(jù)擬合為光衰減模型確定的so2值的準(zhǔn)確性，計(jì)算了各組織的實(shí)測(cè)S02值和理論S02值之間的決定系數(shù)R2。另外，按照下式計(jì)算了描述估算測(cè)量誤差的預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)值25(14)其中N為光衰減傳的數(shù)量，，i和yi分別為S02的理論值和實(shí)驗(yàn)值。較大的R"值(例如接近1的值)和較小的RMSEP值表明S02的實(shí)驗(yàn)值是準(zhǔn)確的(例如貼近理論S02值)。圖6示出了針對(duì)一系列S02理論值利用式(8)計(jì)算的模擬光衰減譜。圖6中的光衰減譜相應(yīng)于不散射入射光的目標(biāo)組織(例如僅通過(guò)吸收造成光衰減)。圖7示出了針對(duì)一系列S02理論值計(jì)算的光散射目標(biāo)組織的模擬光衰減譜，該光散射目標(biāo)組織相應(yīng)于患者的前臂。在圖6和圖7中，在計(jì)算時(shí)使用60%的水濃度c，和3cm的光源-探測(cè)器間距。圖8示出了S02實(shí)際(理論)值和S02估算(實(shí)測(cè))值的關(guān)系曲線，所述S02估算值是按照?qǐng)D3所示的步驟將利用式(8)-(13)計(jì)算得到的四組光衰減譜擬合為式(2)給定的模型而得到的。所采用的擬合算法為L(zhǎng)evenberg-Marquardt優(yōu)化法，初始參數(shù)值通過(guò)上述掃描法獲得。得到四組衰減譜(例如四種不同的目標(biāo)組織)各自介于0.99和1之間的R4直，并且最大RMSEP小于5%S02。較高的R"直和較低的RMSEP值表明得到了四種目標(biāo)組織中各自的S02的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果。為進(jìn)行比較，還利用DE算法將理論光衰減譜擬合為式(2),并利用通過(guò)擬合過(guò)程得到的模型參數(shù)值計(jì)算S02值。結(jié)果如以下表1所示。對(duì)于四種目標(biāo)組織中的三種，通過(guò)DE算法確定的S02的RMSEP小于通過(guò)Levenberg-Marquardt算法確定的S02的RMSEP。表1目標(biāo)組織類型R2RMSEP(%S02)無(wú)散射0.991.31前臂散射0.994.10小腿散射0.993.86完整頭部散射0.992.81實(shí)施例2為了模擬病人出血性休克的早期階段，對(duì)五名受檢者進(jìn)行測(cè)試，該測(cè)試包括逐漸升高下體負(fù)壓(LBNP)。LBNP測(cè)試包括五分鐘的基線期，隨后每隔五分鐘將心室減壓至-15、-30、-45和-60mmHg，隨后每五分鐘增量為-10mmHg,直到發(fā)生心血管性虛脫或者五分鐘結(jié)束于-100mmHg。在短距離和長(zhǎng)距離光源-探測(cè)器間距下，使用光導(dǎo)纖維傳感器，在整個(gè)測(cè)試中連續(xù)記錄紅外反射譜。將傳感器放置在前臂的指深屈肌上。根據(jù)利用上述方法由反射譜生成的光衰減譜，計(jì)算肌肉組織中的氧飽和度和氧張力。對(duì)反射譜進(jìn)行了校正，從而在生成光衰減譜之前消除皮膚色素和脂肪吸收和/或散射光產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。在LBNP測(cè)試每一階段的最后一分鐘，從各受檢者抽取血樣。使用碳氧血氧定量計(jì)由血樣測(cè)量各受檢者的氧飽和度，并使用血?dú)夥治鰞x測(cè)量氧張力。圖9示出了五位受檢者各自處于LNBP測(cè)試的不同階段時(shí)由所抽血樣測(cè)量的氧飽和度(02Hb(。/。)血)和通過(guò)紅外反射測(cè)量測(cè)得的氧飽和度(NIRSS02(。/。))之間的關(guān)系。圖10示出了五位受檢者各自在LNBP測(cè)試過(guò)程中由所抽血樣測(cè)量的氧張力(靜脈P02)和通過(guò)紅外反射測(cè)量測(cè)得的氧張力(NIRSP02)之間的關(guān)系。在圖9中，S02的RMSEP為約8%，在圖10中，P02的RMSEP為約3.3mmHg。這些較低的預(yù)測(cè)誤差表明通過(guò)紅外反射測(cè)量確定的S02和P02值準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)于目標(biāo)組織中的實(shí)際S02和P02值。S02和P02值的準(zhǔn)確性還表明本文披露的系統(tǒng)和方法提供了諸如患者出血性休克等狀況的準(zhǔn)確靈敏診斷。其它實(shí)施方案本文披露的系統(tǒng)和方法可利用其它光衰減模型(例如除式(2)以外的模型)，來(lái)確定目標(biāo)組織中的S02和諸如P02等其它生理量。將討論三種不同的替換模型，其它模型也是可行的。如下研究了下述替換模型的準(zhǔn)確性將多組理論光衰減譜擬合為各模型，所述理論光衰減譜是利用式(8)-(13)生成的并且對(duì)應(yīng)于四種不同的目標(biāo)組織(例如無(wú)散射組織、前臂組織、小腿組織和完整頭部組織)，并針對(duì)利用各模型確定的各目標(biāo)組織的SCb值，計(jì)算決定系數(shù)和RMSEP值。模型2如上所述，可將實(shí)測(cè)光衰減譜擬合為式(2)給定的模型。按照擬合過(guò)程，得到參數(shù)Co、d、<L>、CHb+Mb、CHb02+Mb0JPC贈(zèng)的值。利用這些參數(shù)值，由利用參數(shù)擬合值的式(2)給定的模型與實(shí)測(cè)光衰減譜之間的差，計(jì)算與波長(zhǎng)相關(guān)的基線譜。按照下式計(jì)算基線譜6—WO)-;(義)(15)其中A，(X)為利用最佳擬合參數(shù)值由式(2)給定的光衰減模型函數(shù)。然后在隨后的步驟中，以參數(shù)Co、C!、<L>、CHb+Mb、CHb02+Mb02和Cwat的擬合值作為初始參數(shù)值，將實(shí)測(cè)光衰減譜擬合為如下模型方程C(義)=。[—c0+c,幾+ln(lO)'.〈丄〉[Cw"礎(chǔ)f,化")+c〃6。2+Art0,,,W2+WW2;t.柳(A)](16)在方程(16)給定的模型中，C2為隨其它擬合參數(shù)一起變化的比例因子。根據(jù)將方程式(16)擬合為實(shí)測(cè)光衰減譜得到的CHb+Mb和CHb02+Mb02的精確值(refinedvalue)，計(jì)算S02和P02值。該多步擬合過(guò)程(首先確定基線譜bspect(X)，然后根據(jù)方程式(16)中參數(shù)的擬合值確定S02和P02)提供方程式(16)中參數(shù)的更準(zhǔn)確測(cè)定，從而提供更準(zhǔn)確的S02和P02值。以下表2示出了計(jì)算得到的四種不同的理論目標(biāo)組織各自的R"和RMSEP，利用式(8)-(13)模擬所述四種不同的理論目標(biāo)組織的光衰減譜。使采用上述多步擬合過(guò)程通過(guò)擬合理論光衰減譜確定的so2值與S02的理論值相比，由此得出各組織的RM直為0.99,RMSEP值小于6%S02。較大的RM直和較小的RMSEP值表明模型2提供目標(biāo)組織中S02的準(zhǔn)確測(cè)定。表2目標(biāo)組織類型R2RMSEP(%S02)無(wú)散射0.991.73前臂散射0.993.69小腿散射0.994.66完整頭部散射0.995.77模型3在該模型中，吸收和散射引起的光衰減具有相同的函數(shù)形式。模型方程式為《",W=k(義)+a,W]徘)(17)=kW+c,-〃,'(;i)]-"P/(;i)28其中&(人)和(^(人)分別是目標(biāo)組織的與波長(zhǎng)相關(guān)的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，d為常數(shù)，d為光源-探測(cè)器距離，dpf(X)為組織的微分程長(zhǎng)因數(shù)。散射系數(shù)與遞減散射系數(shù)h(人)符合如下關(guān)系A(chǔ)(X)=(l-g)(is(X)，其中g(shù)為相應(yīng)于散射角的平均余弦的各項(xiàng)異性因數(shù)。為了補(bǔ)償絕對(duì)光強(qiáng)Io(l)與參比光強(qiáng)Iref(X)(來(lái)自99%反射標(biāo)準(zhǔn)品)之差，如上所述，可使方程式(17)增加常數(shù)項(xiàng)cQ,得出下述模型方程力—(,W=k〃,(義).l.c。在方程式(18)中，吸收系數(shù)^(X)與目標(biāo)組織中吸收成分的濃度符合下述關(guān)系附f/rt(義)+c〃W2+ww;2c〃w2(A)+c>w,^tw/(A)(19)遞減散射系數(shù)m(人)是符合下式的具有兩個(gè)常數(shù)c2和c3的函數(shù)a,c2+W(20)在擬合過(guò)程中，對(duì)C3施加限制條件以使C3<0。按照下式將微分程長(zhǎng)因數(shù)表達(dá)為遞減散射系數(shù)和吸收系數(shù)的函數(shù)(21)利用非線性Levenberg-Marquardt最小二乘擬合法，通過(guò)將理論(例如模擬)光衰減譜擬合為式(18)-(21)給定的模型，來(lái)確定各模型參數(shù)的值。然后，根據(jù)式(19)中參數(shù)的擬合值計(jì)算S02值。以下表3示出了通過(guò)比較實(shí)測(cè)S02值和理論S02值得到的R"和RMSEP的結(jié)果。如表所示，全部四種目標(biāo)組織的f值為0.97或更大，RMSEP值小于10%S02。這些統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果表明模型3提供了目標(biāo)組織中S02的準(zhǔn)確測(cè)定。與模型2的結(jié)果相比，對(duì)于本實(shí)施例評(píng)價(jià)的測(cè)試數(shù)據(jù)，模型3表現(xiàn)為提供準(zhǔn)確性稍低的平均值。然而，對(duì)于一些組織，模型3可提供較準(zhǔn)確的S02測(cè)定(例如比4交完整頭部目標(biāo)組織的結(jié)果)。29<table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table>模型4基于漫射理論的模型也可用于本文披露的系統(tǒng)和方法。按照漫射理論，在大于約2cm的光源-探測(cè)器間隔d下，半無(wú)限散射介質(zhì)發(fā)出的連續(xù)波光輻射的漫反射率R(d,人)如下給定^"^"(22)其中C為與d無(wú)關(guān)而與內(nèi)部鏡面反射參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。c的值取決于目標(biāo)組織和周?chē)橘|(zhì)的折射率。按照下式計(jì)算IIeff^)的值~W-V3//。W.kW+/v(;i)j(23)按照式(19)計(jì)算吸收系數(shù)m0),按照式(20)計(jì)算遞減散射系數(shù)^'(X)。如上所述，還增加常數(shù)項(xiàng)Co以補(bǔ)償Io(X)與Iref("之差，從而模型光衰減方程如下(,義)=H余」=—ln難'義)+C。(24)采用兩段式非線性最小二乘擬合法，通過(guò)將方程式擬合為四種不同的目標(biāo)組織各自的理論數(shù)據(jù)，來(lái)確定方程式(19)、(20)和(22)-(24)給定的模型的參數(shù)。在擬合過(guò)程的第一段，在所有模型參數(shù)擬合為數(shù)據(jù)之前，采用掃描法獲得參數(shù)C的良好初值。使參數(shù)Co、C2、C3、CHb+Mb、CHb02+Mb02和Cwat的值保持不變，將理論光衰減譜擬合為方程式(24),僅允許C在模型參數(shù)中改變。將數(shù)據(jù)擬合為方程式(24)包括如結(jié)合方程式(4)所述使模型數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的方差f之和取最小值。通過(guò)掃描法得到的C值相應(yīng)于參數(shù)C的良好估值。在擬合過(guò)程的第二段，將在第一段中確定的C值用作方程式(22)中C的終值(例如固定為常數(shù))，再次將理論光衰減譜擬合為方程式(24),允許參數(shù)Co、C2、C3、CHb+Mb、CHb02+Mb02和Cwat各自在擬合過(guò)程中變化。以這種方式，得到六個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確值，基于通過(guò)擬合過(guò)程得到的CHb+Mb和CHb02+Mb02的值，計(jì)算各目標(biāo)組織中的S02。以下表4示出了通過(guò)比較實(shí)測(cè)S02值和理論S02值得到的I^和RMSEP的結(jié)果。如表所示，全部四種目標(biāo)組織的R2值為0.99,RMSEP值小于7%S02。這些統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果表明模型4提供了四種目標(biāo)組織中S02的準(zhǔn)確測(cè)定。基于R2和RMSEP值，模型2、3和4各自的結(jié)果達(dá)到了類似的準(zhǔn)確性。表4目標(biāo)組織類型R2RMSEP(%S02)無(wú)散射0.991.52前臂散射0.995.35小腿散射0.996.63完整頭部散射0.995.99應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管結(jié)合詳細(xì)說(shuō)明對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但前述說(shuō)明是示例性的，而不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求的范圍限定。其它方面、優(yōu)勢(shì)和改進(jìn)落在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種計(jì)算目標(biāo)組織中氧飽和度的方法，該方法包括使入射輻射射向目標(biāo)組織，并通過(guò)測(cè)量所述目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定所述目標(biāo)組織的反射譜；校正所述反射譜的測(cè)量強(qiáng)度，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)所述反射譜的貢獻(xiàn)；基于校正反射譜，確定所述目標(biāo)組織中的氧飽和度；和輸出氧飽和度的確定值。2.權(quán)利要求1的方法，其中確定氧飽和度包括由所述校正反射譜確定光衰減i普，并基于由所述光衰減譜導(dǎo)出的目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度，計(jì)算氧飽和度，其中血紅素包括目標(biāo)組織中的血紅蛋白和肌紅蛋白。3.權(quán)利要求2的方法，其中通過(guò)將所述光衰減譜擬合為模型光衰減方程，由所述光衰減譜導(dǎo)出氧合和還原血紅素的濃度。4.權(quán)利要求3的方法，其中所述光衰減方程包括比爾定律方程，該方程包括多個(gè)項(xiàng)，所述多個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)組織中氧合血紅素、還原血紅素和水對(duì)入射光的吸收。5.權(quán)利要求4的方法，其中所述光衰減方程包括對(duì)應(yīng)比爾定律吸收項(xiàng)的多個(gè)項(xiàng)的光衰減級(jí)凄t展開(kāi)。6.權(quán)利要求5的方法，其中所述光衰減級(jí)數(shù)展開(kāi)包括光衰減的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)。7.權(quán)利要求3的方法，其中所述光衰減方程包括隨入射光的波長(zhǎng)線性變化的項(xiàng)，該項(xiàng)的函數(shù)形式為aX,其中a為常數(shù)，X為入射光的波長(zhǎng)。8.權(quán)利要求3的方法，其中所述光衰減方程包括與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)項(xiàng)。9.權(quán)利要求3的方法，其中將所述光衰減譜擬合為模型包括進(jìn)行兩段式擬合過(guò)程，其中在第一段確定一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)的初值，在第二段將所述光衰減譜擬合為模型，其中所述模型包括在第一段確定的所述參數(shù)初值。10.權(quán)利要求9的方法，其中通過(guò)使所述光衰減譜和由所述模型確定的光衰減值之間的方差之和取最小值，將所述光衰減譜擬合為所述模型。11.權(quán)利要求3的方法，其中所述擬合由處理器自動(dòng)進(jìn)行。12.權(quán)利要求7的方法，其中在擬合過(guò)程中限制a值，以使a僅取小于或等于零的值。13.權(quán)利要求4的方法，其中所述光衰減方程還包括基線函數(shù)，該基線函數(shù)由通過(guò)所述光衰減方程確定的光衰減值與通過(guò)所述光衰減譜確定的光衰減值之差導(dǎo)出。14.權(quán)利要求4的方法，其中所述光衰減方程還包括與目標(biāo)組織的散射系數(shù)成正比并與目標(biāo)組織的吸收系數(shù)成反比的微分程長(zhǎng)因數(shù)。15.權(quán)利要求3的方法，其中所述光衰減方程包括由入射光在目標(biāo)組織中的輻射漫射模型導(dǎo)出的漫反射方程。16.權(quán)利要求l的方法，其中測(cè)量反射輻射強(qiáng)度包括沿從光源至探測(cè)器的第一光程，測(cè)量對(duì)應(yīng)第一光源-探測(cè)器間距的來(lái)自目標(biāo)組織的反射輻射；和沿從光源至探測(cè)器的第二光程，測(cè)量對(duì)應(yīng)第二光源-探測(cè)器間距的來(lái)自目標(biāo)組織的反射輻射，所述第二光源-探測(cè)器間距不同于所述第一光源-探測(cè)器間距。17.權(quán)利要求16的方法，其中在所述第一光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射包括目標(biāo)組織的貢獻(xiàn)和位于光源和目標(biāo)組織之間的組織層的貢獻(xiàn)的第一加權(quán)，以及在所述第二光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射包括目標(biāo)組織的貢獻(xiàn)和位于光源和目標(biāo)組織之間的組織層的貢獻(xiàn)的第二加權(quán)，所述第二加權(quán)不同于所述第一加權(quán)。18.權(quán)利要求17的方法，其中位于光源和目標(biāo)組織之間的所述組織層為皮膚和脂肪層。19.權(quán)利要求18的方法，其中校正反射譜的測(cè)量強(qiáng)度包括基于在所述第一光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射，減少皮膚和脂肪層對(duì)在所述第二光源-探測(cè)器間距處測(cè)量的反射輻射的貢獻(xiàn)。20.權(quán)利要求1的方法，還包括基于目標(biāo)組織中的氧飽和度確定該目標(biāo)組織中的氧張力。21.權(quán)利要求2的方法，還包括基于患者的目標(biāo)組織中總血紅蛋白的測(cè)量評(píng)定患者的血管收縮水平，其中總血紅蛋白基于目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度確定。22.權(quán)利要求l的方法，其中所述目標(biāo)組織在人體內(nèi)。23.權(quán)利要求l的方法，其中所述目標(biāo)組織在動(dòng)物體內(nèi)。24.權(quán)利要求1的方法，其中所述多個(gè)波長(zhǎng)包括至少100個(gè)波長(zhǎng)或更多。25.權(quán)利要求1的方法，其中所述多個(gè)波長(zhǎng)包括700nm1000nm的波長(zhǎng)。26.權(quán)利要求22的方法，其中所述多個(gè)波長(zhǎng)包括725nm880nm的波長(zhǎng)。27.權(quán)利要求l的方法，其中所述目標(biāo)組織為肌肉組織。28.—種監(jiān)測(cè)患者血量的方法，該方法包括使入射輻射射向患者的目標(biāo)組織，并通過(guò)測(cè)量所述目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定所述目標(biāo)組織的反射語(yǔ)；校正所述反射譜的測(cè)量強(qiáng)度，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)所述反射譜的貢獻(xiàn)；基于所述校正反射鐠，確定所述目標(biāo)組織中的血紅素總濃度；基于所述血紅素總濃度，估定患者的血量；和輸出所述估定血量。29.權(quán)利要求28的方法，還包括基于所述估定血量評(píng)估患者體內(nèi)出血、敗血病、心臟病和糖尿病中至少一種的發(fā)展階段。30.—種計(jì)算目標(biāo)組織中氧飽和度的方法，該方法包括使入射輻射射向目標(biāo)組織，并通過(guò)測(cè)量所述目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定所述目標(biāo)組織的反射譜；由所述反射語(yǔ)確定所述目標(biāo)組織的光衰減譜，并將所述光衰減譜擬合為模型光衰減方程；和基于所述光衰減譜的擬合確定所述目標(biāo)組織中的氧飽和度，其中將所述光衰減譜擬合為模型包括進(jìn)行兩段式擬合過(guò)程，其中在第一段確定一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)的初值，在第二段將所述光衰減譜擬合為所述模型，其中所述模型包括在第一段中確定的參數(shù)初值。31.權(quán)利要求30的方法，其中所述模型包括函數(shù)形式為a人的項(xiàng)，并且其中在擬合過(guò)程中將a值限制為小于或等于零。32.—種系統(tǒng)，包括經(jīng)配置使入射輻射射向目標(biāo)組織的光源；探測(cè)器；和連接在所述探測(cè)器上的處理器，該處理器配置用于確定所述目標(biāo)組織的反射譜；校正所述反射譜，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)所述反射譜的貢獻(xiàn)；和基于所述校正反射譜確定所述目標(biāo)組織中的氧飽和度。33.權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其中所述處理器經(jīng)配置通過(guò)命令所述探測(cè)器測(cè)量目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，來(lái)確定所述目標(biāo)組織的反射語(yǔ)。34.權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其中所述處理器經(jīng)配置如下確定氧飽和度根據(jù)所述校正反射譜計(jì)算光衰減譜，并基于由所述光衰減譜導(dǎo)出的目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度，計(jì)算氧飽和度，其中血紅素包括目標(biāo)組織中的血紅蛋白和肌紅蛋白。35.權(quán)利要求32的系統(tǒng)，還包括第一輻射路徑，其介于光源和探測(cè)器之間并相應(yīng)于光源和探測(cè)器之間的第一距離；和第二輻射路徑，其介于光源和探測(cè)器之間并相應(yīng)于光源和探測(cè)器之間的第二距離，所述第二距離不同于所述第一距離，其中使光源發(fā)出的入射輻射分別沿所述第一輻射路徑和所述第二輻射路徑射向目標(biāo)組織，并使來(lái)自目標(biāo)組織的反射輻射分別沿所述第一輻射路徑和所述第二輻射路徑射向探測(cè)器。36.權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述處理器經(jīng)配置如下減少皮膚和脂肪層對(duì)測(cè)量反射譜的貢獻(xiàn)分別沿所述第一光路和所述第二光路測(cè)量反射譜，并組合所述反射譜以生成校正反射譜。37.權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述第一輻射路徑和所述第二輻射路徑各自包括光纖。38.權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述處理器經(jīng)配置通過(guò)將所述光衰減譜擬合為模型光衰減方程，導(dǎo)出目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度。39.權(quán)利要求38的系統(tǒng)，其中所述模型光衰減方程包括比爾定律方程，該方程包括多個(gè)項(xiàng)，所述多個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)組織中氧合血紅素、還原血紅素和水對(duì)入射輻射的吸收。40.權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其中進(jìn)一步配置所述處理器以根據(jù)氧飽和度確定目標(biāo)組織中的氧張力。41.權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中進(jìn)一步配置所述處理器以根據(jù)目標(biāo)組織中氧合和還原血紅素的濃度，確定目標(biāo)組織中血紅素的總濃度。42.權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其中進(jìn)一步配置所述處理器以基于所述血紅素的總濃度估定目標(biāo)組織中的血量。全文摘要披露了計(jì)算目標(biāo)組織中組織氧合度如氧飽和度的方法和系統(tǒng)。在一些實(shí)施方案中，該方法包括(a)使入射輻射射向目標(biāo)組織，并通過(guò)測(cè)量目標(biāo)組織對(duì)多個(gè)輻射波長(zhǎng)的反射輻射強(qiáng)度，確定目標(biāo)組織的反射譜；(b)校正反射譜的測(cè)量強(qiáng)度，以減少入射輻射傳播所經(jīng)過(guò)的皮膚和脂肪層對(duì)反射譜的貢獻(xiàn)；(c)基于校正反射譜，確定目標(biāo)組織中的氧飽和度；和(d)輸出氧飽和度的確定值。文檔編號(hào)A61B5/1455GK101489482SQ200780027444公開(kāi)日2009年7月22日申請(qǐng)日期2007年5月30日優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日發(fā)明者奧盧索拉·O·索耶米,巴布斯·R·索萊爾,曄楊申請(qǐng)人:馬薩諸塞大學(xué)