降低医疗传感器中的高功率LED的温度的制作方法

降低医疗传感器中的高功率led的温度
技术领域
1.本公开总体上涉及医疗设备，更具体地，涉及监测患者生理参数的医疗设备，比如脉搏血氧仪。


背景技术：

2.在医学领域，医生通常期望监测其患者的某些生理特征。因此，研发了各种各样的设备用于监测许多此类生理特征。此类设备为医生和其他医疗护理人员提供了其所需的信息以便为其患者提供尽可能最佳的医疗护理。因此，此类监测设备已经成为现代医学不可或缺的一部分。
3.一种用于监测患者的某些生理特征的技术使用光的衰减来确定患者的生理特征。这种技术在脉搏血氧测定以及基于脉搏血氧测定技术建立的设备中就有使用。光衰减也用于区域性或脑部血氧测定。血氧测定可以用于测量各种血液特征，比如血液或组织中血红蛋白的氧饱和度、供给组织的单次血液脉动的体积、和/或与患者每次心跳相对应的血液脉动速率。这些信号可以导致进一步的生理测量，比如呼吸速率、葡萄糖水平或血压。
4.这类传感器中的一个问题涉及来自发射源的热传递。本公开认识到，在脉搏血氧传感器中使用较高功率的发光二极管(led)会在患者皮肤方面造成不良的热影响，包括与长期使用相关联的引起不适的不良医学并发症。
5.表面贴装led提供了合适的开放式高功率选项，但也会带来皮肤接触压力方面的问题，表面贴装led非常狭窄(长度和宽度)，以至于会因接触面积较小而对患者的皮肤产生较高的压力，而同时会向患者的皮肤传递过多的热。这种过高的温度和较高的压力可能引起不适、组织坏死或其他问题。
6.因此，本领域需要能避免这种问题的脉搏血氧传感器。


技术实现要素：

7.本公开的技术总体上涉及监测患者生理参数的医疗设备，比如脉搏血氧仪。
8.在一个方面，本公开提供了一种具有通信接口的患者监测传感器，该患者监测传感器能够通过该通信接口与监测器通信。患者监测传感器还包括通信地耦合至该通信接口的发光源(例如，发光二极管(led))和通信地耦合至该通信接口的、能够检测光的检测器。在示例性实施例中，材料层设置在传感器的患者侧上、led上方，以减少传递到患者皮肤的热。
9.在另一方面，本公开提供了一种具有通信接口的患者监测传感器，该患者监测传感器可以通过该通信接口与监测器进行通信，其中，该传感器还包括表面贴装led，该表面贴装led具有定位在传感器的患者侧上、表面贴装led的至少一部分上方的至少部分透明的圆盘或环。
10.在另一方面，本公开提供了一种患者监测系统，该患者监测系统具有耦合到患者监测传感器的患者监测器。患者监测传感器包括通信接口，该患者监测传感器能够通过该
通信接口与患者监测器通信。患者监测传感器还包括通信地耦合至该通信接口的发光二极管(led)以及通信地耦合至该通信接口的、能够检测光的检测器。患者监测传感器进一步包括材料层，该材料层设置在传感器的患者侧上、led上方，以减少传递到患者皮肤的热。
11.以下附图和说明书阐述了本公开的一个或多个方面的细节。从说明书和附图以及权利要求中，本公开中所描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
12.图1展示了根据实施例的包括患者监测器和患者监测传感器的示例性患者监测系统的立体图；
13.图2展示了根据实施例的示例性患者监测传感器的立体图；
14.图3展示了根据实施例的示例性患者监测传感器的示意图；
15.图4展示了根据实施例的示例性患者监测传感器绷带的分层示意图；以及
16.图5展示了示例性传感器组件的立体图。
具体实施方式
17.本公开认识到较高功率的发光二极管(led)与较低效率的光电检测器结合有益于提高耦合光学效率(led功率
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检测器响应)，以便针对人口角落中难以检测的患者提高信噪比(snr)。难以检测的患者的示例包括，但不限于：脚厚的婴儿；手指粗大的成年人；和深色色素，以及其他导致高信号损失的情况。
18.然而，使用较高功率的led会产生更多的热，这是接触皮肤的传感器所面临的一个问题。因此，本公开的示例性方面提供了一种解决方案，以降低因为高功率led在集成到与皮肤接触的传感器中时产生过多的热而导致的皮肤处的温度。
19.表面贴装led提供了合适的开放式高功率选项，但也会带来皮肤接触压力方面的问题，表面贴装led非常狭窄(长度和宽度)，以至于会因接触面积较小而对患者的皮肤产生较高的压力，而同时会向患者的皮肤传递过多的热。这种过高的温度和较高的压力可能引起不适、组织坏死或其他问题。
20.因此，本公开描述了一种患者监测传感器，该患者监测传感器在传感器的患者侧上、led上方包括某种材料。在示例性实施例中，覆盖材料在led芯片与皮肤之间提供热阻，增加接触面积以减少过度的压力，并为led提供光透射性。在一个示例性方面，覆盖材料包括至少部分可透光的圆盘。
21.在另一方面，本公开提供了一种患者监测系统，该患者监测系统具有耦合到患者监测传感器的患者监测器。患者监测传感器包括通信接口，该患者监测传感器能够通过该通信接口与患者监测器通信。该患者监测传感器还包括通信地耦合至通信接口的发光二极管(led)和能够检测光的检测器。该患者监测传感器在传感器的患者侧上、led上方包括耐热覆盖材料。
22.现在参考图1，示出了患者监测系统10的实施例，该患者监测系统包括患者监测器12和传感器14(比如脉搏血氧传感器)，以监测患者的生理参数。举例而言，传感器14可以是可从美敦力(medtronic)(科罗拉多州博尔德)获得的nellcor
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或invos
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传感器，或者另一种类型的血氧传感器。尽管所描绘的实施例涉及用于在患者的指尖、脚趾或耳垂上使用的
传感器，但是应当理解，在某些实施例中，本文提供的传感器14的特征可以被结合到用于在其他组织位置(比如，额头和/或太阳穴、脚跟、腹部、胸部、背部或任何其他适当的测量部位)上使用的传感器中。
23.在图1的实施例中，传感器14是脉搏血氧传感器，该脉搏血氧传感器包括一个或多个发射器16和一个或多个检测器18。对于脉搏血氧测定应用，发射器16将至少两种波长的光(例如，红光和/或红外光(ir))发射到患者的组织中。对于其他应用，发射器16可以将3种、4种或5种或更多种波长的光发射到患者的组织中。检测器18是光电检测器，该光电检测器被选择为在从发射器16发射的波长范围内的光已经穿过组织之后接收这种光。附加地，发射器16和检测器18可以在各种模式(例如，反射或透射)下操作。在某些实施例中，作为发射器16和检测器18的补充或替代，传感器14还包括感测部件。例如，在一个实施例中，传感器14可以包括一个或多个主动供电的电极(例如，四个电极)，以获得脑电图信号。
24.传感器14还包括传感器本体46，以容纳或承载传感器14的部件。本体46包括围绕发射器16和检测器18设置的背衬或衬垫，以及在患者侧上的粘合剂层(未示出)。传感器14可以是可重复使用的(比如，耐用的塑料夹子传感器)、一次性的(比如，包括绷带/衬垫材料的粘合剂传感器)、或者部分可重复使用和部分一次性的。
25.在所示的实施例中，传感器14通信地耦合到患者监测器12。在某些实施例中，传感器14可以包括无线模块，该无线模块被配置为使用任何合适的无线标准与患者监测器12建立无线通信15。例如，传感器14可以包括收发器，该收发器能够将无线信号发射到外部设备(例如，患者监测器12、充电设备等)并从该外部设备接收无线信号。收发器可以使用任何合适的协议与患者监测器12的收发器建立无线通信15。例如，收发器可以被配置为使用zigbee标准、802.15.4x标准wirelesshart标准、蓝牙标准、ieee 802.11x标准或miwi标准中的一种或多种来发射信号。附加地，收发器可以发射原始的数字化检测器信号、经处理的数字化检测器信号和/或计算出的生理参数、以及可以存储在传感器中的任何数据，比如与发射器16的波长有关的数据、或与发射器16的输入规格有关的数据，如下所述。附加地或可替代地，传感器14的发射器16和检测器18可以经由线缆24通过插头26(例如，具有一个或多个导体的连接器)耦合到患者监测器12，该插头耦合到监测器的传感器端口29。在某些实施例中，传感器14被配置为在无线模式和有线模式下操作。因此，在某些实施例中，线缆24可移除地附接到传感器14，使得传感器14可以与线缆分离，以增加患者在配戴传感器14时的运动范围。
26.患者监测器12被配置为计算与从传感器14接收的生理信号有关的患者生理参数。例如，患者监测器12可以包括处理器，该处理器被配置为计算患者的动脉血氧饱和度、组织氧饱和度、脉搏速率、呼吸速率、血压、血压特征测量、自动调节状态、大脑活动和/或任何其他合适的生理特征。附加地，患者监测器12可以包括监测器显示器30，该监测器显示器被配置为显示关于生理参数的信息、关于系统的信息(例如，用于对传感器14进行消毒和/或充电的指令)和/或警报指示。患者监测器12可以包括各种输入部件32，比如，旋钮、开关、按键和小键盘、按钮等，以提供患者监测器12的操作和配置。患者监测器12还可以经由一个或多个指示灯和/或一个或多个扬声器或听觉指示器显示与警报、监测器设置和/或信号质量有关的信息。患者监测器12还可以包括升级槽28，在该升级槽中可以插入附加模块，使得患者监测器12可以测量和显示附加的生理参数。
27.因为传感器14可以被配置为在无线模式下操作，并且在某些实施例中，当在无线模式下操作时，该传感器不能从患者监测器12接收电力，所以传感器14可以包括电池，以向传感器14的部件(例如，发射器16和检测器18)提供电力。在某些实施例中，电池可以是可再充电电池，比如，锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属氢化物电池或镍镉电池。然而，可以利用任何合适的电源，比如，一个或多个电容器和/或能量收集电源(例如，运动生成的能量收集设备、热电生成的能量收集设备或类似设备)。
28.如上所述，在实施例中，患者监测器12是脉搏血氧监测器，并且传感器14是脉搏血氧传感器。传感器14可以放置在患者身上具有脉动动脉流的部位，通常放置在指尖、脚趾、额头或耳垂上，或者在新生儿的情况下，放置在脚上。附加的合适的传感器位置包括但不限于：用于监测颈动脉脉动流的颈部、用于监测桡动脉脉动流的手腕、用于监测股动脉脉动流的患者大腿内侧、用于监测胫动脉脉动流的脚踝、以及耳朵周围或前方。患者监测系统10可以在多个位置处包括传感器14。发射器16发射穿过血液灌注组织的光，并且检测器18以光电方式感测由组织反射或透射的光量。患者监测系统10测量在检测器18处接收到的随时间而变的光强度。
29.表示光强度随时间的变化的信号或该信号的数学运算(例如，其缩放版本、其对数、其对数的缩放版本等)可以被称为光体积描记(ppg)信号。另外，本文使用的术语“ppg信号”也可以指吸收信号(即，表示由组织吸收的光量)或其任何合适的数学运算。检测或吸收的光量然后可以用于计算多个生理参数中的任何一个，包括氧饱和度(脉动血液中的氧饱和度，spo2)、血液成分(例如，氧合血红蛋白)的量、以及生理速率(例如，脉搏速率或呼吸速率)和每次单独的脉动或呼吸发生的时间。对于spo2，可以使用红光和红外光(ir)波长，因为已经观察到，与氧饱和度较低的血液相比，含氧量高的血液将吸收相对较少的红光和较多的ir光。通过比较脉搏周期中不同点处的两个波长的强度，可以估计动脉血液中血红蛋白的血氧饱和度，比如从可以通过比值、查找表来索引的经验数据中估计，和/或通过曲线拟合和/或其他插值技术来估计。
30.现在参考图2，示出了根据实施例的患者监测传感器100的实施例。可以看出，各种部件的形状或轮廓可以不同。传感器100包括本体102，该本体包括柔性电路。传感器100包括设置在传感器100的本体102上的led 104(例如为表面贴装led)和检测器106。
31.在本公开的示例性方面中，led是高功率led，其被配置为克服具备造成比如厚的解剖结构、深色色素等这种信号损失的条件的患者中的高信号损失。在进一步的示例性实施例中，这样的高功率led与较低效率的光电检测器结合使用，以提高耦合光学效率，从而针对这种难以检测的患者提高snr。光电流输出与检测器的面积成线性比例。使用高功率的led使得可以使用较小的检测器。
32.虽然本文设想了任何数量的示例性传感器设计，但在所展示的示例性实施例中，本体100包括包含孔108的翼片部分116。翼片部分116被配置为在铰链部分114处折叠，使得孔108与检测器106重叠，以允许光穿过。在一个实施例中，翼片部分116包括粘合剂110，该粘合剂用于在翼片部分116在铰链部分114处折叠之后将翼片部分116固定到本体102。
33.传感器100包括插头120，该插头被配置为连接到患者监测系统，比如图1所示的患者监测系统。传感器100还包括将插头120连接到传感器100的本体102的线缆122。线缆122包括将插头120的各个部分连接到设置在本体102上的端子126的多根线124。柔性电路设置
在本体102中，并将端子126连接到led 104和检测器106。另外，其中一个端子126将接地线连接到柔性电路。
34.在示例性实施例中，孔108被配置为向检测器106提供电屏蔽。在示例性实施例中，孔108还限制由检测器106接收的光的量，以防止检测器饱和。在示例性实施例中，孔108的配置(即，限定孔108的数量、形状和开口尺寸)可以不同。如图所示，在一个实施例中，孔108包括单个圆形开口。在其他实施例中，孔108可以包括具有各种形状和尺寸的一个或多个开口。孔108的配置被选择为为检测器106提供电屏蔽，和/或控制由检测器106接收的光的量。在示例性实施例中，本体102包括视觉指示器112，该视觉指示器用于确保当翼片部分116在铰链部分114处折叠时正确对准。进一步地，孔108周围的翼片部分116的材料的形状可以不同，而同时增加检测器周围的表面积，以减小检测器对皮肤的接触压力。
35.现在参考图3，示出了根据实施例的患者监测传感器200。在示例性实施例中，通过将翼片部分116折叠在传感器200的本体102的一部分上方，在检测器206周围形成法拉第笼240。在示例性实施例中，一个或多个翼片部分可以用于覆盖任何附加的所需传感器结构，例如还包括在led侧上方，以在热的led与接触患者的粘合剂之间提供空气间隙(从而进一步增加热阻)。
36.在进一步的示例性实施例中，用于传感器和绷带的材料通常包括疏水性材料，例如包括聚酯背衬和硅酮患者粘合剂。
37.图4总体上以300展示了用于脉搏血氧仪传感器的示例性分层本体/绷带配置的放大立体图。该配置包括：上部绷带350；示例性底部胶带/患者粘合剂352；示例性顶部内衬垫354和底部内衬垫356，在示例性实施例中，这些衬垫在传感器组装期间被丢弃，从而允许绷带像活页一样打开以使图2和图3的柔性电路插入绷带中；顶部光阻挡层358，例如金属化胶带；底部光阻挡层360，例如具有被配置为允许光透过的洞362的金属化胶带；以及圆盘364，该圆盘包括例如聚乙烯材料，被配置为减小led对患者的压力。在示例性实施例中，底部胶带352包括粘合剂层，该粘合剂层具有在胶带352的面向患者侧上的释放衬垫366。
38.图5展示了图2和图3的柔性电路200进入绷带300中之后的示例性组件的立体图，其中，移除了内衬垫354、356，以允许将柔性电路200定位在绷带中的光阻挡层358、360之间。如图所示，检测器106定位在洞362上方。led 104定位在圆盘364上方(圆盘定位在另一个洞362上方(图5中未示出))。可移除衬垫354、356以及充当可折叠活页402的上部绷带350和光阻挡层358有助于快速组装，被提供为子组件的示例性绷带构造被配置为使得能够大量、快速和可重复地生产传感器组件。
39.用于背衬的示例性材料或其他材料包括塑料，例如聚丙烯(pp)、聚酯(pes)、聚乙烯(pe)、聚氨酯、硅酮等。另外，设备的各个层可以由一种或多种疏水材料构造而成。绷带、背衬和另外可能的层可以包括各种厚度。
40.在示例性实施例中，圆盘364是薄圆盘(例如，0.1毫米(mm)的聚乙烯，其是半透明的并且可操作用于保持来自led的光透过pet)，该薄圆盘插入led与传感器的患者侧之间的绷带中或与之成一体，例如，以减小对皮肤的接触压力。
41.也可以设想其他厚度的材料，例如0.08mm-0.12mm；0.1mm-0.15mm等。圆盘的厚度可以选择为足够薄以便不增加传感器的轮廓(不增加压力)，但也要足够厚以提供热阻。此外，由于热阻与厚度线性相关，因此可以设想材料本身的厚度变化。在示例性实施例中，出
于压力的考虑，可以在圆盘的中心设置相对于边缘厚度而言更厚的材料，以最小化边缘处的圆盘厚度。低热导率的材料(比如pet)是合适的，因为它们能产生高热阻。另外的材料(比如pet)可以制造成至少部分透明并且可以容易地进行模切的薄膜片。
42.在示例性实施例中，传感器被配置为利用具有一定厚度的材料，该具有一定厚度的材料被配置为使传感器表面上最热点(即，最靠近led的患者粘合剂)处的温度保持在41摄氏度或以下(假设患者处于35摄氏度)。这样的配置是考虑到led的热和热损失：r＝(t_led-41)/q，其中，t_led是led的温度，并且q＝led的热损失(w)。可以将热损失估计为q＝电功率-光功率。
43.在图4和图5中，圆盘364插入led与传感器绷带的底部之间，以提供热阻。另外，这种圆盘可以将来自led的力传播到更广泛的区域。
44.在示例性实施例中，pet圆盘364在一侧上用丙烯酸粘合剂转换，并被模切成8毫米(mm)的圆盘(也可以设想尺寸的范围，例如，5-12mm、6-10mm、7-9mm等)，该圆盘粘附到传感器的底部胶带。在示例性实施例中，底部胶带(图4中的352)具有面向圆盘364的粘合剂，该粘合剂将圆盘粘附到位。
45.在进一步的示例性实施例中，led(图2中的104)被焊接到柔性电路(图3中的200)，该柔性电路放置在圆盘364的粘合剂侧之上(见图5)。圆盘364的粘合剂将圆盘相对于led 104固定到位。
46.因此，根据本文所述的示例实施例，当将圆盘(或其他替代结构)放置于led上方时圆盘可以减少来自led的热传递，从而使传感器不会向患者的皮肤传递过多的热。如我们已经注意到的，虽然示例性实施例描述了圆盘，但替代性实施例设想了其他形状，例如正方形、矩形等。
47.下面将描述本技术的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的发展中，必须做出许多特定于实施方式的决策，这些决策可能因实施方式而改变。
48.应当理解的是，本文所公开的各个方面可以以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合方式进行组合。还应理解的是，根据示例，本文描述的任何过程或方法的某些动作或事件可以以不同的顺序执行，可以增加、合并或完全不执行(例如，所有描述的动作或事件可能不是执行技术所必需的)。此外，虽然为了清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可以由与例如医疗设备相关联的单元或模块的组合执行。