專利名稱：直接數(shù)字式血氧計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種用于無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度的改進的血氧計。更具體講，本發(fā)明涉及用于從由連接于血氧計的傳感器設備產(chǎn)生的輸入信號直接形成數(shù)字信號的方法。
在所有血氧計中，從直接與病人的帶血組織如手指或耳垂連接的傳感器設備接收輸入信號。傳感器設備一般包括一個紅LED、一個紅外LED、和一個或兩個光電探測器。來自每個LED的光穿過組織，光電探測器檢測穿過組織的光量。被測光對于每個帶寬包括兩個分量。AC分量代表被測的脈動血的量，DC分量代表非脈動血的量。因此，檢查被測光的四個獨立分量，以確定動脈血氧飽和度紅DC、紅AC、紅外DC和紅外AC。被測光量被用來根據(jù)下式確定病人血液中的血氧飽和度(IR(AC)/IR(DC))/(Red(AC)/Red(DC))在傳統(tǒng)的血氧計中，傳感器輸出信號被轉換為模擬電壓，然后被分離為紅外和紅分量。有些血氧計還分離AC和DC分量。然后用分離的模擬電路對這些信號進行采樣、信號分離和濾波。因此在這些系統(tǒng)中，必需仔細匹配模擬分量以把可能由兩個電路的增益或頻率響應的差別造成的誤差最小。
本發(fā)明對該方法的改進在于，從至少兩個最好三個不同波長的LED接收輸入電流信號，并將這些輸入信號直接轉換為數(shù)字電壓值，而不首先轉換為模擬電壓或分離信號。這是通過使用電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器來實現(xiàn)的，該轉換器具有足夠的范圍以表示大DC信號，和足夠的分辨率以表現(xiàn)小AC信號。該電荷數(shù)字化轉換器使用電流積分器作為前級，這有助于將輸入噪聲平均或濾掉。這是對于在傳統(tǒng)血氧計中使用的、會放大噪聲的從模擬電流到電壓轉換的改進。
一旦輸入電流被轉換為數(shù)字電壓值，則所有輸入信號被沿著相同的數(shù)字硬件路徑，而不是沿著傳統(tǒng)方法所需的分離的模擬硬件路徑處理。該系統(tǒng)不需要匹配模擬硬件元，因此，進一步減小了潛在誤差。而且，一旦信號被數(shù)字化，則微處理器能進行傳統(tǒng)血氧計所要求的所有信號處理、信號分離、和濾波步驟。這種在模擬信號處理階段的簡化提高了血氧計的速度和精度，通過消除昂貴的模擬元件降低了成本，并通過消除大尺寸的模擬元件減小了血氧計的尺寸。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于無創(chuàng)測量液體參數(shù)的改進的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種測量動脈血飽和度的改進的方法。
本發(fā)明的再一目的提供在由血氧計進行的測量中的改進的速度和精度。
本發(fā)明的另一目的是提供輸入電流信號的直接的模擬到數(shù)字轉換，它具有足夠的范圍以測量大DC信號和足夠的分辨率以表現(xiàn)小AC信號，從而可以進行精確測量而減少模擬信號處理。
本發(fā)明的另一目的是通過將輸入電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號，從而繞過可能放大噪聲的電流到電壓轉換步驟來提供潛在誤差的減少。
本發(fā)明的再一個目的是通過沿一條數(shù)字硬件路徑處理所有信號，從而消除對匹配的模擬硬件的需要來提供潛在誤差的減少。
本發(fā)明的另一目的是提供一種電子電路元件數(shù)量減少的改進的血氧計。
本發(fā)明的再一目的是通過消除大尺寸的模擬元件，減小血氧計的尺寸。
本發(fā)明的另一目的是將來自不同波長的LED的至少兩個信號直接轉換為數(shù)字信號形式。
本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點，及其操作的組織和方式將從以下結合附圖的詳細描述變得更明顯。


圖1表示與傳感器設備連接的直接數(shù)字式血氧計的框圖；圖2表示與病人連接的傳感器設備和直接數(shù)字式血氧計。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明構造的直接數(shù)字式血氧計10，及外部傳感器設備20的框圖。直接數(shù)字式血氧計10包括一個電荷數(shù)字化模擬到數(shù)字轉換器30、一個微處理器40、一個數(shù)字模擬轉換器/LED驅動器50、和一個快閃EPROM60。為了達到足夠的精度，電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器30最好將輸入模擬信號轉換為至少20位的數(shù)字信號。
在一個優(yōu)選實施例中(見圖2)傳感器20連接于帶血組織樣本，如病人的手指或耳垂。這里，所示傳感器20雖然包括一個紅LED70、一個紅外LED80、和一個單獨的光電探測器90，但是該傳感器可以包括三個或更多的不同波長的LED和相關的多個光電探測器。LED70和80由來自微處理器40的數(shù)字信號驅動。這些數(shù)字信號通過數(shù)字模擬轉換器/LED驅動器50轉換為模擬電壓。來自LED70和80的光穿過組織樣本，并被光電探測器90檢測，光電探測器90產(chǎn)生其幅值與每個帶寬中檢測的光量成比例的模擬電流信號。然后來自光電探測器90的電流信號被電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器30以20位的分辨率數(shù)字化，并被送至微處理器40。通過微處理器40中的數(shù)字信號處理軟件程序進行信號分離、環(huán)境干擾識別和消除、以及信號濾波。一旦信號被處理，則微處理器40計算下面的比率值(IR(AC)/IR(DC))/(Red(AC)/Red(DC))其中DC分量代表非脈動血流，AC分量表示脈動血流。微處理器40通過將該結果與存儲在快閃EPROM60中的查找表中的值比較確定絕對動脈血氧飽和度。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例已示出和描述，但本領域的熟練技術人員很清楚，可以進行各種改變和修改而不脫離所附權利要求書中提出的本發(fā)明的范圍。
權利要求書按照條約第19條的修改1．一種用于無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度的血氧計，包括一個傳感器，包括用于在至少兩個波長產(chǎn)生光的至少第一和第二光發(fā)射裝置；至少一個光電探測器，用于在所述光穿過有脈動血供給的組織樣本后，檢測所述光，并用于產(chǎn)生代表所述光的每個波長的吸收的模擬電流信號；一個模擬數(shù)字轉換器，用于將所述模擬電流信號轉換為數(shù)字電壓信號；以及一個處理單元，用于處理所述數(shù)字電壓信號，以計算動脈血氧飽和度。
2．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述傳感器包括在三個波長產(chǎn)生光的LED。
4．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述模擬數(shù)字轉換器包括一個電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器。
5．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述模擬數(shù)字轉換器具有足夠的范圍以測量大DC信號，和足夠的分辨率以表現(xiàn)調制于DC信號上的小AC信號。
6．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述模擬數(shù)字轉換器在第一級包括一個電流積分器。
7．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述處理單元包括一個執(zhí)行軟件程序的計算機。
9．據(jù)權利要求1的血氧計，還包括用于計算血氧飽和度的存儲的查找表。
10．根據(jù)權利要求1的血氧計，還包括存儲在快閃EPROM中用于計算血氧飽和度的存儲的查找表。
11．一種用于無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度的方法，包括以下步驟產(chǎn)生至少第一和第二波長的光；將所述光照射于一個有脈動血液供給的組織樣本；
在所述光穿過所述組織樣本后，檢測所述光，并產(chǎn)生一個表示所述光的每個波長的吸收率的模擬電流信號；然后將所述電流信號轉換為數(shù)字電壓信號；以及然后處理數(shù)字電壓信號，以計算動脈血氧飽和度。
19．如權利要求11所述的方法，還包括利用存儲的查找表計算血氧飽和度的步驟。
20．如權利要求11所述的方法，還包括在快閃EPROM中存儲查找表，并利用該表計算血氧飽和度的步驟。
21．如權利要求11所述的方法，還包括從輸入的數(shù)字電壓信號中識別并濾掉環(huán)境噪聲的步驟。
22．如權利要求11所述的方法，還包括在將所述電流信號轉換為所述輸入的數(shù)字電壓之前，對電流信號進行數(shù)學積分的步驟。
23．如權利要求11所述的方法，還包括對數(shù)字電壓信號進行信號分離，以提供代表第一波長的被測光的第一值和代表第二波長的被測光的第二值的步驟。
24．如權利要求23所述的方法，還包括對第一和第二值進行數(shù)字濾波的步驟。
權利要求
1．一種用于無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度的血氧計，包括用于產(chǎn)生至少兩個波長的光的裝置；用于將所述光照射于包含脈動血供給的組織樣本的裝置；用于在所述光穿過所述組織樣本后，檢測所述光，并用于產(chǎn)生代表所述光的每個波長的吸收的電流信號的裝置；用于將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置；用于處理所述數(shù)字電壓信號的裝置；以及用于確定動脈血氧飽和度的裝置。
2．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述用于產(chǎn)生光的裝置包括在三個頻率范圍產(chǎn)生光的LED。
3．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述用于檢測所述光的裝置包括至少一個在兩個波長檢測光，并根據(jù)每個被測光量產(chǎn)生一個電流信號的光電探測器。
4．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置包括一個電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器。
5．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置包括一個電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器，其具有足夠的范圍以測量大DC信號和足夠的分辨率以表現(xiàn)調制于DC上的小AC信號。
6．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置包括一個包含一個在第一級的電流積分器的電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器。
7．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述用于處理所述數(shù)字電壓信號的裝置包括一個執(zhí)行軟件程序的計算機。
8．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述用于處理所述數(shù)字電壓信號的裝置包括一個執(zhí)行軟件程序的計算機。
9．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述用于確定血氧飽和度的裝置包括一個利用存儲的查找表的計算機。
10．根據(jù)權利要求1的血氧計，其中所述用于確定血氧飽和度的裝置包括一個利用存儲在快閃EPROM中的存儲的查找表的計算機。
11．一種無創(chuàng)測量動脈血氧飽和度的方法，包括以下步驟提供用于產(chǎn)生至少兩個波長的光的裝置；提供用于將所述光照射于包含脈動血供給的組織樣本裝置；提供用于在所述光穿過所述組織樣本后，檢測所述光，并用于產(chǎn)生代表所述光的每個波長的吸收的電流信號的裝置；提供用于將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置；提供用于處理所述數(shù)字電壓信號的裝置；以及提供用于確定動脈血氧飽和度的裝置。
12．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述用于產(chǎn)生光的裝置包括在三個頻率范圍產(chǎn)生光的LED。
13．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述用于檢測所述光的裝置包括一個或多個在所述至少兩個波長檢測光，并根據(jù)每個被測光量產(chǎn)生一個電流信號的光電探測器。
14．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置包括一個電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器。
15．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置包括一個電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器，其具有足夠的范圍以測量大DC信號和足夠的分辨率以表現(xiàn)調制于DC上的小AC信號。
16．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將所述電流信號直接轉換為數(shù)字電壓信號的裝置包括一個包含一個在第一級的電流積分器的電荷數(shù)字化模擬數(shù)字轉換器。
17．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述用于處理所述數(shù)字電壓信號的裝置包括一個執(zhí)行軟件程序的計算機。
18．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述用于處理所述數(shù)字電壓信號的裝置包括一個執(zhí)行由微處理器運行的軟件程序的計算機。
19．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述用于確定血氧飽和度的裝置包括一個利用存儲的查找表的計算機。
20．根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述用于確定血氧飽和度的裝置包括一個利用存儲在快閃EPROM中的查找表的計算機。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于以增高的速度和精度無創(chuàng)地測量血液中的血氧飽和度的血氧計。該設備包括一個能連接與病人的傳感器單元(20)和根據(jù)從傳感器(20)接收的信號確定血液中的血氧飽和度的血氧計(20)。在本發(fā)明中,被測信號被立刻轉換為數(shù)字值(30)。
文檔編號A61B5/1455GK1225562SQ97196522
公開日1999年8月11日 申請日期1997年7月17日 優(yōu)先權日1996年7月17日
發(fā)明者米切爾·T·拉森, 詹姆斯·L·萊斯 申請人:克里蒂凱爾系統(tǒng)公司