專利名稱：血氧計環(huán)境光取消的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及血氧計，且更特定而言，涉及用于脈沖血氧計中的環(huán)境光取消的技術(shù)。
背景技術(shù)：
脈沖血氧定量法通常用于測量各種血液流動特征，包括(但不限于)動脈血中血紅蛋白的血氧飽和度、供應(yīng)給組織的個別血液脈動的體積，和對應(yīng)于患者的每一次心跳的血液脈動率。這些特征的測量已由使用非侵入性傳感器來完成。所述傳感器將光散射而穿過患者組織中有血液灌注到組織的一部分中，且光電地感測光在上述組織中的吸收。所吸收的光的量接著用來計算所測量的血液成分的量。
選擇散射過組織的光以具有一個或一個以上的波長，其由血液吸收且吸收數(shù)量表示血液中的血液成分的量。所傳輸散射穿過組織的光的量將根據(jù)組織中的血液成分的變化量和相關(guān)的光吸收而改變。根據(jù)用于測量血氧飽和度的已知技術(shù)，為測量血氧含量，這些傳感器通常已具有適用于產(chǎn)生具有至少兩種不同波長的光的光源，且具有對那兩種波長敏感的光電檢測器。
已知非侵入性傳感器包括緊固到身體的一部分(例如，手指、耳朵或頭皮)上的裝置。在動物和人類中，這些身體部分的組織灌注有血液并且組織表面能夠由傳感器所接近。
關(guān)于血氧計測量的一個麻煩在于除接收針對組織的光以外，光電檢測器也檢測周圍光?？勺鞒鰢L試來遮蔽環(huán)境光，但通常將檢測到若干量的環(huán)境光。特別要考慮處于熒光或其他燈的電力線頻率的光，其在美國為60Hz而在歐洲和其他國家為50Hz。
由于通常使用一單個光電檢測器，因此具有不同波長的光(例如紅光和紅外光)為時間分隔多路傳輸。必須對所檢測的信號進行多路分解。多路分解頻率必須足夠地高以使得其遠大于脈沖率。然而，選擇一多路分解頻率也受環(huán)境光干擾影響。一個問題為AC電力線頻率的諧波混疊。U.S.專利第5,713,355號論述根據(jù)以各頻率檢測的環(huán)境干擾的量而改變多路分解頻率的技術(shù)。
U.S.專利第5,885,213號論述從所檢測的光信號中減去一暗信號(所檢測的環(huán)境光)。這通過以下方式來完成停止紅光發(fā)射器和紅外光發(fā)射器，在中間接通它們使得可檢測假定包含存在環(huán)境光的“暗”信號。這可隨后從期望信號中減去。處理環(huán)境光問題的專利的其他實例為U.S.專利第6,385,471號、第5,846,190號和第4,781,195號。
U.S.專利第6,449,501號論述使用一陷波濾波器來濾出線路頻率。然而，取樣率描述為設(shè)置為電力線干擾的基頻的兩倍，從而留下電力線干擾的更高諧波成為麻煩，并且不清楚如何在不對調(diào)制頻率進行濾波的情況下對干擾進行濾波。所使用的陷波濾波器的另一實例陳述于U.S.專利第4,802,486號中，其中陷波濾波器用于EKG信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種脈沖血氧計方法和設(shè)備，其(1)以一在一調(diào)制頻率與一通用電力線頻率(50、60、100和120)的公倍數(shù)之間的間隔提供一陷波濾波器(46)，并且(2)也提供一大于人體的最高脈沖率且低于50、60、100或120Hz的任何諧波的解調(diào)頻率。本發(fā)明因此允許對環(huán)境光干擾的主要源進行濾波，同時選擇一避免來自陷波濾波器或來自電力線干擾的諧波的干擾的最佳解調(diào)頻率。
在一個實施例中，所述公倍數(shù)為1200，其中解調(diào)頻率在與1200相差5與20Hz之間，在一個實施例中，優(yōu)選為大約1211。
在本發(fā)明的另一方面中，在光發(fā)射器波長(在一個實施例中為紅光和紅外光)中的每一波長之前和之后都測量暗信號、或環(huán)境光。替代簡單地減去暗等級中的一者，將兩個暗等級平均，并且隨后從所檢測的信號中減去所述平均結(jié)果。這補償由于所檢測的信號期間的環(huán)境光中的變化，從而降低電力線干擾或任何其他低頻干擾的效應(yīng)。
在本發(fā)明的另一方面中，在數(shù)字域中完成數(shù)字濾波和分樣。當在前端硬件中的增益設(shè)置上或在LED功率上發(fā)生改變時，預(yù)先加載濾波器以將值放入其存儲器中，以對應(yīng)于對新增益或功率設(shè)置處的輸出的穩(wěn)定值的估計。這預(yù)先加載加速了有效數(shù)據(jù)可用于濾波器的輸出的時間。


圖1是并入本發(fā)明的血氧計的方框圖。
圖2是包括一陷波濾波器的本發(fā)明的一個實施例中的數(shù)字操縱的一部分的方框圖。
圖3是說明在本發(fā)明的一個實施例中平均的多個暗等級的圖。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的數(shù)字濾波器和分樣器的預(yù)先加載的圖。
具體實施例方式
整體系統(tǒng)圖1說明并入本發(fā)明的血氧定量法系統(tǒng)的實施例。傳感器10包括紅光LED和紅外光LED以及光電檢測器。電纜12將它們連接到電路板14。由一LED驅(qū)動接口16提供LED驅(qū)動電流。將從傳感器接收到的光電流提供到一I-V接口18。隨后將IR電壓和紅光電壓提供到一并入本發(fā)明的∑-Δ接口20。將∑-Δ接口20的輸出提供給一微控制器22。微控制器22包括用于程序的閃存，和用于數(shù)據(jù)的EEPROM存儲器。所述血氧計也包括一個連接到閃存26的微處理器芯片24。最后，使用一個時鐘28并且提供一個接口30以用于傳感器10中的數(shù)字校準。一獨立主機32接收經(jīng)處理的信息，并且在線34上接收一模擬信號以用于提供模擬顯示。
陷波濾波器圖2展示一個模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器40，其提供一個待由圖1的微控制器22操縱的數(shù)字信號。微處理器應(yīng)包括一個解調(diào)器42、四級濾波器/分樣器44、利用一陷波的低通濾波器46，以及用于如此項技術(shù)中已知的用于數(shù)字操縱信號和計算氧飽和度的其他區(qū)塊。在解調(diào)后僅展示紅光通道，但類似通道用于IR.信號。
陷波濾波器46處理電力線干擾，在美國，其來自在60Hz或120Hz(根據(jù)電源要求而定)上操作的光。歐洲和其他區(qū)域使用50Hz或100Hz。50、60、100和120Hz的一公倍數(shù)為1200Hz。調(diào)制頻寬經(jīng)選擇為高于最高可能人體脈沖率，優(yōu)選高于5Hz。同時，其經(jīng)選擇為低于電力線干擾信號的任何諧波。將二十赫茲選擇為一希望的上限，因為2450的第二諧波將在2025Hz混疊。在一個實施例中，將調(diào)制頻率選擇為1211.23Hz。這距1200Hz有11.23Hz間隔(在5-20Hz的范圍內(nèi))。因此，在一優(yōu)選實施例中，在陷波濾波器中以11.23Hz提供零。在一個實施例中，利用陷波的低通濾波器(46)為在11.25Hz下利用陷波的8極貝塞耳(Bessel)濾波器。
本發(fā)明因此提供一種消除來自電力干擾的干擾的有效方法，所述干擾可混疊入所檢測的信號中，例如熒光燈上的紋波。雖然已在一解調(diào)器之前在硬件中提供防混疊濾波器，但仍難以使這些防混疊濾波器有效，且因此在數(shù)字域中將存在待處理的所檢測信號中的一些殘余線干擾。
平均環(huán)境暗等級以減少低頻干擾圖3說明本發(fā)明的另一方面通過平均取樣周期之前和之后的環(huán)境暗等級來解釋來自電力線或其他源的低頻干擾，而減少環(huán)境干擾。圖3展示在2400的取樣率下的信號。圖3中的向上傾斜線是由于60Hz電力線干擾。需要消除這向上傾斜(其在60Hz(或50Hz等)的其他部分中將向下)信號。
圖3展示在調(diào)制的不同周期期間所檢測的信號。所檢測的信號電平由線50說明。在一第一暗周期52期間，紅光LED或IR LED均未接通，從而允許對暗、或環(huán)境光取樣。在這個取樣之后，在一時間周期54期間，紅光LED接通，其中信號50隨著紅光LED到達其完全強度而在這周期期間上升。在時間周期56期間，所檢測的信號對應(yīng)于接通狀態(tài)的紅光LED。
在周期58期間紅光LED關(guān)閉且信號衰減，之后，取樣一第二暗周期60。
隨后，IR LED在周期62期間接通，且在周期64期間經(jīng)取樣。其在一周期66期間關(guān)閉且信號衰減，其中在周期68期間進行一第三暗取樣。所述第三暗取樣也對應(yīng)于第一暗周期52，因為過程自身重復(fù)。
如在圖3中可見，如果僅使用所述暗等級中的一個暗等級，那么如果環(huán)境等級例如由于低頻干擾而改變，那么可測量不準確的環(huán)境等級。通過針對一特定波長將取樣周期之前和之后的暗周期平均化，可獲得對環(huán)境暗等級信號的一個更準確地測量。例如，在紅光調(diào)制周期56期間的環(huán)境干擾是由測量周期52期間的暗1信號、周期60期間的暗2信號并且平均這些信號來確定。類似地，對于紅外光調(diào)制周期64，平均周期60期間的暗2信號和周期68期間的暗3信號并且從所檢測的IR信號中減去所述平均結(jié)果以消除環(huán)境干擾。所有這些計算將通過圖1的微控制器22在數(shù)字域中完成。
預(yù)先加載分樣和貝塞耳(Bessel)濾波器圖4說明本發(fā)明的另一方面，其中預(yù)先加載濾波器和軟件。在模擬輸入信通過∑-Δ調(diào)制器和多位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理之前，其通常在一硬件放大器84中放大。在由∑-Δ調(diào)制器86處理并且轉(zhuǎn)換為數(shù)字域之后，由分樣器88對其進行分樣以降低取樣率并且由貝塞耳(Bessel)濾波器濾波。一控制器92使用對輸出的穩(wěn)定值將為何值的估計預(yù)先加載貝塞耳(Bessel)濾波器和分樣器的存儲器。這將顯著減少濾波器在其輸入上的階躍變化之后的穩(wěn)定時間。所述輸入上的階躍變化可由放大器84的增益設(shè)置上的改變而發(fā)生。或者，階躍變化可為所激活的特定LED、LED的功率或前端硬件的其他增益設(shè)置上的改變的結(jié)果。由于控制器92將激活所述改變，因此，其將了解何時使用正確值來預(yù)先加載濾波器和分樣器。雖然這些在圖4中展示為區(qū)塊，但應(yīng)了解，在優(yōu)選實施例中，這是由充當控制器92、濾波器88和分樣器90的軟件程序完成。濾波器和分樣器的這預(yù)先加載通過縮短穩(wěn)定時間提供可更快使用的有效數(shù)據(jù)。
如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，本發(fā)明可以其它特定形式體現(xiàn)，而不脫離本發(fā)明的本質(zhì)特征。例如，可使用兩種以上不同波長的光?；蛘?，應(yīng)選擇不同解調(diào)頻率。另外，陷波濾波可在對所檢測信號進行其他數(shù)字處理之前或之后完成。因此，前述描述意在對以上權(quán)利要求書中所闡述的本發(fā)明的范疇進行說明而非限制。
權(quán)利要求
1.一種用于操作一脈沖血氧計的方法，其包含使用一距50、60、100和120的一公倍數(shù)一預(yù)定間隔的調(diào)制頻率以兩種波長交替產(chǎn)生光；所述預(yù)定間隔大于一人體的一最高脈沖率且小于50、60、100或120的任何諧波的一間隔；將所述光引導(dǎo)到一組織位置處；檢測一散射離開所述組織位置的所檢測的光信號；以一為所述公倍數(shù)的頻率對所述所檢測的光信號進行陷波濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包含數(shù)字化所述所檢測的光信號，以提供一數(shù)字化信號；和所述陷波濾波是對所述數(shù)字化信號執(zhí)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述公倍數(shù)為1200。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)定間隔在5赫茲與20赫茲之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)定間隔為大約11赫茲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陷波濾波是通過在一數(shù)字濾波器中以所述間隔提供一零而執(zhí)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述調(diào)制頻率用于在產(chǎn)生具有所述第一波長的光的一第一周期、沒有光產(chǎn)生的一暗周期與產(chǎn)生具有所述第二波長的光的一第二周期之間交替；通過平均所述第一周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第一周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級；通過平均所述第二周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第二周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級。
8.一種用于測量在一脈沖血氧計中的一所檢測光信號的方法，其包含使用一調(diào)制頻率以兩個波長交替產(chǎn)生光；將所述光引導(dǎo)在一組織位置處；檢測一散射離開所述組織位置的所檢測的光信號；使用所述調(diào)制頻率在產(chǎn)生具有所述第一波長的光的一第一周期、沒有光產(chǎn)生的一暗周期與產(chǎn)生具有所述第二波長的光的一第二周期之間交替；通過平均所述第一周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第一周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級；和通過平均所述第二周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第二周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其進一步包含從所述所檢測的光信號中減去一估計環(huán)境光等級。
10.一種脈沖血氧計，其包含至少一光發(fā)射器；一控制電路，其用于使用一距50、60、100和120的一公倍數(shù)一預(yù)定間隔的調(diào)制頻率從所述至少一光發(fā)射器以兩種波長交替產(chǎn)生光；所述預(yù)定間隔大于一人體的一最高脈沖率且小于50、60、100或120的任何諧波的一間隔；一檢測器，其用于檢測一散射離開一組織位置的所檢測的光信號；一處理電路，其用于處理所述所檢測的光信號，所述處理電路包括一陷波濾波器，所述陷波濾波器經(jīng)配置用來以一為所述公倍數(shù)的頻率對所述所檢測的光信號進行濾波。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的脈沖血氧計，其進一步包含一模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其用于數(shù)字化所述所檢測的光信號以提供一數(shù)字化信號；和所述陷波濾波器是一數(shù)字濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的脈沖血氧計，其中所述公倍數(shù)為1200。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的脈沖血氧計，其中所述預(yù)定間隔在5赫茲與20赫茲之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的脈沖血氧計，其中所述預(yù)定間隔為大約11赫茲。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的脈沖血氧計，其中所述陷波濾波器在一數(shù)字濾波器中以所述間隔提供一零。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖血氧計，其進一步包含所述控制電路經(jīng)配置以在產(chǎn)生具有所述第一波長的光的一第一周期、沒有光產(chǎn)生的一暗周期與產(chǎn)生具有所述第二波長的光的一第二周期之間交替；所述處理電路經(jīng)配置，以通過平均所述第一周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第一周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級，并且通過平均所述第二周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第二周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級。
17.一種脈沖血氧計，其包含至少一光發(fā)射器；一控制電路，其用于使用一調(diào)制頻率從所述至少一光發(fā)射器以兩種波長交替產(chǎn)生光；一檢測器，其用于檢測一散射離開所述組織位置的所檢測的光信號；所述控制電路經(jīng)配置以在產(chǎn)生具有所述第一波長的光的一第一周期、沒有光產(chǎn)生的一暗周期與產(chǎn)生具有所述第二波長的光的一第二周期之間交替；一處理電路，其經(jīng)配置以通過平均所述第一周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第一周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級，并且通過平均所述第二周期之前和之后的所述暗周期中的所述所檢測的光信號的一數(shù)量，來估計在所述第二周期期間在所述所檢測的光信號中的一環(huán)境光等級。
18.一種血氧計設(shè)備，其包含一∑-Δ調(diào)制器，其具有一經(jīng)耦合以接收一模擬傳感器信號的輸入端；一硬件放大器，其用于放大一傳感器信號以提供一經(jīng)放大的信號作為所述模擬傳感器信號；一多位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其耦合到所述∑-Δ調(diào)制器的所述輸出端以提供一數(shù)字輸出；一分樣器，其經(jīng)配置以對所述數(shù)字輸出進行操作；一數(shù)字濾波器，其經(jīng)配置以對所述數(shù)字輸出進行操作；和一控制程序，其用于在修改所述硬件放大器的增益之后，使用對一穩(wěn)定輸出值的一估計預(yù)先加載所述分樣器和數(shù)字濾波器。
全文摘要
一種脈沖血氧計方法和設(shè)備，其(1)以一在一調(diào)制頻率與一通用電力線頻率(50、60、100和120)的公倍數(shù)之間的間隔提供一陷波濾波器(46)，并且(2)也提供一大于人體的最高脈沖率且低于50、60、100或120Hz的任何諧波的解調(diào)頻率，以對環(huán)境光干擾進行濾波，同時選擇一避免來自陷波濾波器或來自線干擾的諧波的干擾的最佳解調(diào)頻率。而且，在光發(fā)射器波長中的每一波長之前和之后都測量對于例如電力線干擾的任何低頻干擾的環(huán)境光，并且隨后從所檢測的信號中減去環(huán)境光的平均量。
文檔編號A61B5/00GK1933769SQ200580005855
公開日2007年3月21日 申請日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者伊?！け说蒙? 威廉·謝伊, 布拉德福德·B·丘 申請人:內(nèi)爾科爾普里坦貝內(nèi)特公司