光電體積描記設備和方法
2023-06-09 05:53:41 2
光電體積描記設備和方法
【專利摘要】本發明涉及監控設備和方法。所提出的設備包括：用於將光脈衝（3）發射到有機體的組織（4）中的光源（2）；用於從所述組織接收光（6）並生成傳感器信號（7）的光傳感器（5）；用於對所述傳感器信號（7、9）進行濾波的濾波單元（10），所述濾波單元包括用於生成同相濾波信號（12）的切換的同相低通濾波器（11）和用於生成異相濾波信號（14）的切換的異相低通濾波器（13）；控制單元（19），用於控制所述光源（2）和所述濾波單元（10）使得所述同相濾波器（11）僅在所述光源（2）被接通的第二時間段（31）期間被接通，並且所述異相濾波器（13）在所述光源（2）被關斷的第一和第三時間段（30、32）期間被接通；用於從所述同相濾波信號（12）中減去所述異相濾波信號（14）的減法單元（18）。
【專利說明】光電體積描記設備和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及監控設備和監控方法，特別是用於心率測量。
【背景技術】
[0002] 作為監控設備的重要種類，基於光電體積描記術（PPG)的心率檢測器是公知的。來 自一個或多個光源(例如，LED)的光被發射到有機體(例如，患者）的組織中，並且由光傳感 器(例如，光電二極體）捕獲。
[0003] 關於心率檢測器的問題在於外界（ambient)光漏到傳感器中並擾亂測量。該外界 光可能源自太陽或者電燈(其可在網（net)頻率處發射光)。另一問題是噪聲，尤其是低頻 噪聲(例如，1/f?噪聲)，而且高頻噪聲也擾亂測量。此外，電磁幹擾也可能擾亂測量。
[0004] 繞開這個問題的方式是使用同步檢測。在同步檢測中，將被測量的信號(基帶信 號）被調製到載波上。檢測器解調該信號使得基帶信號再次被獲得。同步檢測的優點在於 只有小頻帶(在調製頻率周圍)中的噪聲和擾動信號可能擾亂所檢測的信號。小頻帶之外的 所有的噪聲和擾動都被過濾掉，並且因此不擾亂所檢測的信號。使用同步檢測的脈搏血氧 計例如從US6912413知曉。
[0005] 在簡明（straightforward)的實施方式中，例如正如從無線電接收器知曉的，同步 檢測是通過用正弦波調製光源完成的。這對於信號質量是有好處的，因為只有調製頻率周 圍的小的帶中的噪聲和擾動可能擾亂所檢測的信號。小的帶必須位於足夠高的頻率中以去 除較低的頻率的擾動(例如，120Hz光)。這要求調製頻率至少在該頻率以上。這種形式的同 步檢測要求複雜的電路。替代正弦波，也使用方波。通過將檢測器中的高頻分量過濾掉，只 有方波的基頻周圍的頻帶被利用。
【發明內容】
[0006] 本發明的一個目的是提供不要求由正弦波或方波調製而允許低頻、低佔空比的脈 衝光調製的監控設備和監控方法。
[0007] 在本發明的第一方面中，呈現了監控設備，包括： 用於將光脈衝發射到有機體的組織中的光源， 用於從所述組織接收光並生成傳感器信號的光傳感器， 用於對所述傳感器信號進行濾波的濾波單元，所述濾波單元包括用於生成同相 (in-phase)濾波信號的切換的同相低通濾波器和用於生成異相（out-of-phase)濾波信號 的切換的異相低通濾波器， 控制單元，用於控制所述光源和所述濾波單元使得同相濾波器僅在光源被接通的第二 時間段期間被接通，並且異相濾波器在光源被關斷的第一和第三時間段期間被接通， 用於從同相濾波信號中減去異相濾波信號的減法單元。
[0008] 在本發明的進一步的方面中，呈現了對應的監控方法。
[0009] 在從屬權利要求中定義了本發明的優選實施例。應理解的是，要求保護的方法具 有與要求保護的設備以及在從屬權利要求中所定義的類似的和/或同樣的優選實施例。
[0010] 本發明是基於應用同步檢測方案的思想，所述方案不要求正弦或者方波的調製而 允許低頻、低佔空比的脈衝光調製，同時仍僅允許窄的、較高頻帶中的噪聲和擾動擾亂所檢 測的信號。
[0011] 根據本發明，緊密圍繞主信號的外界信號（即，一般包括外界光和噪聲)被測量。在 測量(採樣）外界信號時，光源被關斷。在測量(採樣）主信號時，光源被接通。通過從主信 號中減去外界信號創建校正的信號。這樣，不期望的外界信號從主信號中被移除。通過緊 密圍繞主信號進行測量(採樣)，實現了局部地增加的採樣頻率，使得達到高頻率的外界信 號能夠獨立於對主信號進行採樣的採樣頻率被檢測並且被補償。
[0012] 切換的低通濾波器被用於外界信號和主信號二者的檢測。因而外界信號對應於異 相濾波信號，並且主信號對應於同相濾波信號。通過在兩個濾波器的輸出處的兩種不同的 信號的減法來獲得設備的輸出信號。切換的低通濾波器被用來防止混疊（aliasing)和將 高頻噪聲過濾掉。
[0013] 應注意，本發明一般性地不限於三個時間段的使用，而是交錯（interleaved)的 任意長度的序列是可能的，例如異相時間段、同相時間段、異相時間段、同相時間段…異相 時間段。在這樣的實施例中，光源僅在同相時間段期間被接通。所有的同相時間段被積分 (integrate)在同相積分器(濾波器）中，而所有的異相時間段被積分在異相積分器(濾波 器）中。優選地，同相時間段的總和在名義上等於異相時間段的總和。
[0014] 在實施例中，所述控制單元被配置成控制所述濾波單元使得第二時間段具有與第 一和第三時間段的總和相同的長度。
[0015] 第一和第三時間段的長度的總和不是必須等於第二時間段的長度。在該情形中， 可通過適當的權重因數來補償差異。因此，在另一實施例中，所述控制單元被配置成控制所 述濾波單元使得在第二時間段期間擾動信號的貢獻與第一和第三時間段期間的擾動信號 的貢獻相同。這是出現校準的地方。為了補償濾波單元的兩個濾波器之間的RC差異，在一 種校準程序中，可以故意地使得時間略微不相等。校準旨在略微調整時間段使得擾動信號 的貢獻在兩個濾波器中是相同的。
[0016] 在另一實施例中，所述控制單元被配置成控制所述濾波單元使得第一時間段具有 與所述第三時間段相同的長度。然而，一般地，第一時間段具有不同於第三時間段的長度也 是可能的。
[0017] 在另一實施例中，所述控制單元被配置成控制所述光源和所述濾波單元使得所述 第一時間段被布置在光源變為接通之前不久，並且所述第三時間段被布置在光源變為關斷 之後不久。這提供了外界光在所有的三個時間段期間以最相似的方式和貢獻被測量。
[0018] 在另一實施例中，所述控制單元被配置成控制所述光源以及所述濾波單元使得第 一時間段和第三時間段之間的時間距離相比於將要被抑制的最快的擾動信號的時間段是 短的，即 ^3rd period ^lst period〈〈l,fdisturbance-max. °
[0019] 選擇光源被接通和關斷的時間中的確切時刻，使得外界光信號的積分被實現為使 得積分器（integrator)輸出（異相信號）接近在光源是接通的時間處的外界光信號的真實 值。如果第一和第三時間段是對稱的並且靠近第二時間段，則可實現最佳的接近。
[0020] 在另一實施例中，所述控制單元被配置成控制所述光源和所述濾波單元使得第二 時間段比光脈衝的持續時間更短。
[0021] 在另一實施例中，監控設備還包括模擬-至-數字變換器，其耦合在所述濾波單元 和所述減法單元之間用於對所述同相濾波信號和所述異相濾波信號進行相減之前對它們 進行模擬-至-數字變換，或者其耦合至所述減法單元的輸出，用於對所述減法單元的輸出 信號進行模擬-至-數字變換。因而，針對由減法單元生成的校正的(輸出）信號或者針對 減法單元的輸出信號，使用滿A/D解析度。
[0022] 在另一實施例中，監控設備還包括耦合在所述光傳感器和所述濾波單元之間的放 大器，用於在對所述傳感器信號濾波之前對其進行放大。
[0023] 在另一實施例中，同相濾波器被配置成具有對應於傳感器信號的信號帶寬的帶 寬。這提供了信噪比可以被改進。
[0024] 在一個實施例中，同相濾波器和異相濾波器是(名義上)同樣的濾波器。因為主（同 相）和異相信號通過相同濾波器的兩個實例，所以在兩個分支中（不期望的）異相信號的貢 獻是相同的，使得通過在兩個濾波器的輸出處的兩個不同信號的減法，可以獲得期望的輸 出信號。
[0025] 所提出的監控設備的進一步的實施例優選地被實施為用於光學心率監控的腕戴 設備，但是其它的實施方式是可能的，並且是針對顯著地減小日光的影響。
[0026] 在一個實施例中，所述控制單元被配置成控制由所述光源發射的光的強度在預 定的強度範圍中和/或控制所述模擬-至-數字變換器的增益(特別是包括在所述模 擬-至-數字變換器中的放大器的增益）使得所述監控設備的輸出信號的信號水平在預定 的範圍內。這確保了被用於心率檢測的輸出信號的信號水平既不過高也不過低。
[0027] 在另一實施例中，所述控制單元被配置成控制由所述光源發射的光的強度和/或 所述模擬-至-數字變換器的增益，使得同相濾波信號和異相濾波信號之間的差與異相濾 波信號之間的比值在預定的範圍內。這確保了相比於外界光(特別是日光)，光源的光的量 不會過小。
[0028] 在替代性的實施例中，為了實現光源的光的量相比於外界光(特別是日光）不會過 小，所述控制單元被配置成基於異相濾波信號來控制由所述光源發射的光的強度，使得同 相濾波信號和異相濾波信號之間的差與異相濾波信號之間的比值在預定的範圍內。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029] 依據在下文中描述的（多個）實施例，本發明的這些以及其它的方面將是明顯的， 並且參照它們來闡明本發明的這些和其他方面。在下面的繪圖中： 圖1示出了所提出的監控設備的實施例的示意性框圖， 圖2示出了圖示所提出的監控方法的方面的圖， 圖3示出了傳感器信號的譜的圖， 圖4示出了所提出的監控設備的傳遞函數（transferfunction)的圖， 圖5示出了圖示利用所提出的監控設備中噪聲源的信號處理的示意性框圖， 圖6示出了耦合至放大器的光電二極體的實施例的等效電路圖， 圖7示出了包括噪聲的傳感器信號的以及所提出的監控設備的輸出信號的譜的圖， 圖8示出了所提出的監控設備的另一實施例的示意性框圖，以及 圖9示出了圖8中示出的實施例中的光源的光強度的圖。
【具體實施方式】
[0030] 圖1示出了根據本發明的監控設備1的實施例的示意性框圖。監控設備1包括光 源2 (例如，LED; -般而言，在下文中即使使用術語LED，也意味著光源)，其用於發射光脈衝 3到有機體、特別是人(例如，患者、做運動的人等）或動物(例如，動物園中的）的組織4中。 光源2例如可被安裝在由有機體佩戴的手指夾（fingerclip)或手錶上。設備1進一步包 括用於從所述組織4接收光6並生成傳感器信號7 (例如，光電二極體電流）的光傳感器5 (例如，光電二極體)。可選地，放大器8、特別是跨阻抗放大器（TIA)被提供用來將傳感器信 號7放大成被放大的傳感器信號9 (例如，用於將光電二極體電流放大成電壓信號)。
[0031](可選地被放大的)傳感器信號9被提供至用於對所述傳感器信號9進行濾波的濾 波單元10。濾波單元10包括用於生成同相濾波信號12的切換的同相低通濾波器11 (在 下面也叫做同相積分器）和用於生成異相濾波信號14的切換的異相低通濾波器13 (在下 面也叫做前後（preandpost)濾波器或者前後積分器)。
[0032] 可選地，模擬-至-數字（AD)變換器15被提供用於對濾波輸出信號16 (包括同 相濾波信號12和異相濾波信號14)進行模擬-至-數字的變換。然後，（可選地，經AD變 換的）濾波輸出信號17被傳送至減法單元18,減法單元用於從(可選地經AD變換的）同相 濾波信號12中減去(可選地經AD變換的）異相濾波信號14以獲得被用於心率檢測的輸出 信號23。
[0033] 最後，控制單元19被提供用於通過使用控制信號20、21、22控制所述光源2和所 述濾波單元10 (以及可選地AD變換器15)，使得同相濾波器11僅在當光源2被接通時的 第二時間段(也叫做同相積分間隔)期間被接通，以及異相濾波器13在當光源2被關斷時的 第一和第三時間段(也叫做前積分間隔和後積分間隔）期間被接通。這在圖2中被圖示。
[0034] 圖2示出了圖示關於LED接通信號，即控制信號20的前積分間隔、同相積分間隔 和後積分間隔30、31、32的時間選擇（timing)的圖。特別是，示出了隨以ys為單位的時 間t變化的以伏特為單位的被放大的傳感器信號9 (也叫TIA信號)。前積分間隔和後積分 間隔30、32 (也叫第一和第三時間段)旨在在LED2未接通的情況下創建(可選地被放大的） 傳感器信號9的插值的（interpolated)版本（S卩，旨在當LED2接通時重建擾動信號)。在 同相間隔31 (也叫第二時間段）期間，LED誘發的信號以及擾動信號二者被積分到(可選地 被放大的）傳感器信號9中。
[0035] 因而，一般地，控制單元19 (一般包括時間選擇生成器)以調製頻率fm對光源2施 以脈衝。傳感器5和TIA8接收並放大脈衝的傳感器信號7並且將其提供至兩個切換的濾 波器11、13。當光源2接通時，同相切換的濾波器11被切換。前後濾波器13 (S卩，異相濾 波器）在光源2被接通之前不久以及光源2被接通之後不久被接通。換言之，與將被抑制 的最快速的擾動信號的時間段相比，第一時間段30和第三時間段32之間的時間距離是短 白勺'艮P^3rd period ^lst period〈〈l/fdiErtmWfM。優選地，總的積分時間對於每個濾波器11、 13是相同的。當未被接通時，濾波器11、13保持它們的狀態。
[0036] 設備1的主要的參數是： ?fm:LED調製頻率； ? tQN:LED接通時間； ? d:從fm和tQN得出的佔空比：d=tQNxfm;其確定平均的LED功率； ?設備中的切換的積分器(濾波器）的R和C值。
[0037] 設備1的主要的性能參數是： ?擾動抑制：光學和EMI擾動的抑制； ?信噪比； ?帶寬； 籲功率消耗。
[0038] 外界光和電磁幹擾可能擾亂傳感器(光電二極體)信號7。該擾動的大量發生在DC 處，以及網頻率的倍數處（比如50/60HZ，100/120HZ)。為了抑制這種擾動，同步檢測被應用。
[0039] 暫時地，前後濾波器13可以被視為在LED2是接通時的擾動信號的評估器。評估 器是在前時段和後時段30、32期間的擾動信號的平均。對於足夠低頻率的擾動，評估將是 準確的。
[0040] 頻譜上，同步檢測器可以被視作阻止頻率fsd之下的擾動信號的高通濾波器。擾動 信號被提供至前後濾波器13以及同相濾波器11二者，並且輸出被計算為y(n) =xOi-l)-% (x(n-2)+x(n))。該濾波器的採樣率例如?2500Hz。
[0041] 可以使用包含擾動信號a(t)的信號處理模型。為了抑制擾動信號，前後積分器13 應當很好地評估在LED2是接通時的擾動信號。為此，積分器11、13同等地表現是重要的。 可以使用兩種方法的組合： 組件值（電阻器的R和電容器的C)應當在兩個切換的積分器11、13之間很好地匹配。
[0042] 應用校準來匹配兩個切換的積分器11、13的特性。
[0043] 優選的是，在實施例中，前積分間隔和後積分間隔30、32足夠地靠近同相間隔31 (局部的採樣頻率必須夠高)。否則，擾動信號中的較高的頻率不會很好地被抑制。擾動抑 制是獨立於是否在切換的積分器中應用重置的。這是因為在兩種情形中，對於兩種信號路 徑，針對擾動信號的信號處理是相同的。
[0044] 由LED2用頻率乙來調製通過組織的信號3的基帶譜。由於這一點，TIA8的輸 出信號9的譜具有在fm的倍數處重複的基帶譜。朝較高頻率的衰減是由LED佔空比(根據 傅立葉級數)確定的。這被描繪在圖3的信號圖中，圖3示出了由隨頻率f變化的VTIA指示 的TIA8的輸出信號9的譜。
[0045] 只有在積分器11、13被切換時，他們才對輸入信號9進行積分。當他們沒有被切 換時，他們保持它們的狀態。積分器11、13起低通濾波器的作用。切換佔空比d影響濾波 器的帶寬。利用狀態空間平均，可以計算濾波器的帶寬：
【權利要求】
1. 監控設備，包括： 用於將光脈衝（3)發射到有機體的組織（4)中的光源（2)， 用於從所述組織接收光（6)並生成傳感器信號（7)的光傳感器（5)， 用於對所述傳感器信號（7、9)進行濾波的濾波單元（10)，所述濾波單元包括用於生成 同相濾波信號（12)的切換的同相低通濾波器（11)和用於生成異相濾波信號（14)的切換的 異相低通濾波器（13)， 控制單元（19)，用於控制所述光源（2)和所述濾波單元（10)使得所述同相濾波器（11) 僅在所述光源（2)被接通的第二時間段（31)期間被接通，並且所述異相濾波器（13)在所述 光源（2)被關斷的第一和第三時間段（30、32)期間被接通， 用於從所述同相濾波信號（12)中減去所述異相濾波信號（14)的減法單元（18)。
2. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述濾波單元（10)使得所述第二時間段（31)具 有與所述第一和第三時間段（30、32)的總和相同的長度。
3. 如權利要求1種要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述濾波單元（10)使得在所述第二時間段（31) 期間的擾動信號的貢獻與所述第一和第三時間段（30、32)期間的擾動信號的貢獻相同。
4. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述濾波單元（10)使得所述第一時間段（30)具 有與所述第三時間段（32)相同的長度。
5. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述光源（2)和所述濾波單元（10)使得所述第 一時間段（30)被布置在所述光源（2)變為接通之前不久，並且所述第三時間段（32)被布置 在所述光源（2 )變為關斷之後不久。
6. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述光源（2)以及所述濾波單元（10)使得所述 第一時間段和所述第三時間段之間的時間距離相比於將要被抑制的最快的擾動信號的時 間段是短的。
7. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述光源（2)和所述濾波單元（10)使得所述第 二時間段比光脈衝的持續時間更短。
8. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 還包括模擬-至-數字變換器（15)，其耦合在所述濾波單元（10)和所述減法單元（18) 之間用於在對所述同相濾波信號（12)和所述異相濾波信號（14)進行相減之前對它們進行 模擬-至-數字變換，或者其耦合至所述減法單元（18)的輸出，用於對所述減法單元（18) 的輸出信號進行模擬-至-數字變換。
9. 如權利要求1種要求保護的監控設備， 還包括耦合在所述光傳感器（5)和所述濾波單元（10)之間的放大器（8)，用於在對所 述傳感器信號（7)濾波之前對其進行放大。
10. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述同相濾波器（12)被配置成具有對應於所述傳感器信號（7)的信號帶寬的帶 寬。
11. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述同相濾波器（11)和所述異相濾波器（13)是同樣的濾波器。
12. 如權利要求8中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制由所述光源（2)發射的光的強度在預定的強度 範圍（R)中並且控制所述模擬-至-數字變換器（15)的增益使得所述監控設備的輸出信號 (23)的信號水平在預定的範圍內。
13. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19 )被配置成控制所述光源（2 )使得所述光源（2 )交替地在同相時 間段（31)期間被接通以及在異相時間段（30、32)期間被關斷，並且控制所述濾波單元（10) 使得所述同相濾波器（11)僅在所述同相時間段（31)期間被接通以及所述異相濾波器（13) 在所述異相時間段（30、32)期間被接通。
14. 如權利要求1中要求保護的監控設備， 其中所述控制單元（19)被配置成控制所述濾波單元（10)和所述光源（2)使得所述同 相時間段的總和名義上等於所述異相時間段的總和。
15. 監控方法，包括： 將光脈衝（3)發射到有機體的組織（4)中， 從所述組織（4)接收光（6)並生成傳感器信號（7)， 對所述傳感器信號（7、9)進行濾波，包括用於生成同相濾波信號（12)的切換的同相低 通濾波以及用於生成異相濾波信號（14)的切換的異相低通濾波， 控制光脈衝的所述發射以及所述傳感器信號的所述濾波，使得所述同相濾波僅在光脈 衝被發射的第二時間段（31)期間被執行，並且所述異相濾波在沒有光脈衝被發射的第一和 第三時間段（30、32)期間被執行， 從所述同相濾波信號（12)中減去所述異相濾波信號（14)。
【文檔編號】A61B5/00GK104507381SQ201380040704
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年6月10日 優先權日:2012年6月18日
【發明者】T. J. M. 施佩 A., J. 魯洛夫斯 K., G. 範恩根 P., 吉恩 K. 申請人:皇家飛利浦有限公司