一種處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法及裝置的製作方法
2023-05-21 13:50:56
專利名稱：一種處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號處理方法及裝置，更具體地說，涉及一種處理在運動時獲 取的生命體徵信號的方法及裝置。
通常，人們進行鍛鍊時，希望能監測到在運動時的生命體徵參數，以便 能夠判斷身體的狀況，進而提高或降低鍛鍊強度，使得既能提高鍛鍊的效果， 又不至於對身體造成損害。有很多能夠測量人的生命體徵的設備。例如，使用
者可通過使用紅外耳溫計、臨床體溫計得到體溫，通過使用脈動血氧計得到心 率以及血紅蛋白攜帶的氧的量。但是，所有這些設備都不能夠在使用者進行鍛 煉時連續地監測生命體徵。例如，溫度計不宜在使用者運動時使用。至於手指 脈動血氧計，有關研究表明運動會使血量發生變化，從而使測量無效(參考文
獻"Mot ion Art if act in Pulse Oximetry" ， M. R. Neuman and N. Wang， Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 12 No. 5, 1990.)。
大多數常見的心率監測器都使用ECG型的胸帶，該胸帶與運動手錶(sport watch)無線連接。通過測量來自胸帶的ECG信號來檢測心跳，並通過無線連 接將脈動發送給運動手錶。這種類型的心率監測器準確可靠，但是其缺陷在於， 使用者在鍛鍊時穿戴塑料帶是不舒服的。胸帶在使用之後會變得很髒。並且這
背景技術：
4種設備也不方便在運動時使用。
檢測心率的另 一種方法是使用通到耳垂或者指尖的、作為紅外光源的紅
外(IR) LED以及紅外光探測器。這種類型的檢測器具有運動偽差這一固有問題，在使用者鍛鍊時變得不可靠。
通常，使用非接觸方式獲取生命體徵參數的監測器具都具有作為其檢測光源的紅外二極體以及接收該紅外光源所發出的光的光探測器，但在現有技術
中，這些測試器具通常只具有一個光源。
總之，在現有技術中，由於運動會造成監測器具在使用者身體上的位移，從而在按現有的信號處理方法不能準確得到生命體徵參數導致因測量的數值不準而不能使用現有測試設備。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對按現有的信號處理方法不能準確得到生命體徵參數導致因測量的數值不準而不能使用現有測試設備的缺陷，提供一
種能夠在運動時準確、方便地處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法及裝置。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種處理在運動時獲取
的生命體徵信號的方法，包括如下步驟
A)在每一個紅外光源的周邊增加一個光源，^使所述新增光源的照射區域與所述紅外光源大致相同；
B) 調節所述新增光源的驅動參數，使其產生的信號與運動本身在紅外光源上引起的噪聲大致相同；
C) 分別讀取並處理所述紅外光源和新增光源所產生的信號；D)得到正確的生命體徵參數。在本發明所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法中，所述新增光源包括發出紅色光的發光二極體。
在本發明所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法中，所述紅色發光二極體和所述紅外光源安裝在同一個預製件內。
在本發明所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法中，所述步驟
B) 中，包括調節所述新增光源的直流驅動電流。
在本發明所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法中，所述步驟
C) 進一步包括
Cl )輪流為所述紅外光源和所述新增光源提供驅動，使其輪流發光；C2)在其傳感器的兩端分別接收其感應信號，並存儲；C3)使上述兩個信號相加，得到生命體徵的參數信號。
中，所述紅外光源和所述新增光源輪流發光的頻率小於或等於100Hz。
在本發明所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法中，所述步驟
源產生的感應信號相加。
本發明還揭示了 一種實現處理在運動時獲取的生命體徵信號方法的裝置，包括至少一個紅外光源、至少一個光探測器以及與所述紅外光源、光探測器相連並處理其信號的處理器，所述紅外光源、光探測器及處理器位於一個音頻耳機內部，還包括位於每個紅外光源周邊的發紅光的發光二極體，所述發光二極體的照射區域大致與所述紅外光源的照射區域一致；所述發光二極體受所述處理器控制而發光。在本發明所述的裝置中，所述紅外光源和所述發光二極體安裝在一個預製 件內。
在本發明所述的裝置中，所述裝置包括三個紅外光源、三個分別與所述每 個紅外光源安裝在不同的預製件內的發光二極體以及與所述三個紅外光源相
對應的光探測器；所述紅外光源與其相對應的光探測器位於所述耳機殼體外表 面所形成圓周的一條直徑上；所述三組紅外光源與其相對應的光探測器在所述 圓周上均勻分布。
實施本發明的信號處理方法及裝置，具有以下有益效果由於在紅外光源 周邊新增一個光源，並調節該新增光源的驅動電流，使其反饋的信號大致與運 動產生的偽差信號相抵消，所以可以較為準確地獲取生命體徵參數；又由於將 所述光源及光探測器集成到音頻耳機上，所以該方法使用時較為方便。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中 圖l是本發明第一實施例的流程圖； 圖2是本發明第二實施例的結構示意圖； 圖3是本發明第二實施例中發光二極體的驅動連接電路圖； 圖4是本發明第三實施例中多個光源及光探測器在耳機殼體上的位置示 意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的第一實施例是處理在運動時獲取的生命體徵信號的 方法實施例，在第一實施例中，該方法包括如下步驟S101將一個作為光源的紅外二極體和一個發紅光的LED設置在一個預製 件內要減弱運動偽差引起的噪音，可以使用另一個發紅光的LED。即，不是 僅使用一個IR LED(即紅外光源)，而且還使用另一個LED,該LED發出紅色 光。IR LED和發紅光的LED應當儘可能彼此靠近；在第一實施例中，準備有 一個預製件，將其置於一個預裝件中。IRLED、發紅光LED已經和與其相應(即 接收上述IR LED和發紅光LED所發出的光線)的光^l笨測器處於一個光通道中， 讓發紅光的LED僅僅照亮耳道中確定好的區域(即原先IR LED所照亮的區域)， 將上述IR LED與上述發紅光的二極體裝在同一個預製件中的目的，就是使其 所照亮的區域大致相同；即使在耳道出現細微移動的情況下。從實驗中得知， 在DC水平幾乎相同的情況下，使用這種物理結構，運動帶來的噪音影響會變 得與紅色光以及紅外光很相似。
S102固定上述發紅光LED的驅動電流在第一實施例中，上述發紅光的 LED由連接在所述IR LED、發紅光的LED以及與其相應的光探測器上並處理接 收到的各種光信號的處理器來驅動的；由於調節上述發紅光的LED的直流部分 的驅動電流，就可以調節因其發光而在上述光探測器兩端感應到的信號，因此， 可以通過實驗及計算將上述發紅光的LED的直流驅動電流固定下來，並存入上 述處理器中。
S103控制上述紅外二極體和發紅光的LED輪流發光在第一實施例中， 由於上述IR LED和發紅光的LED均由處理器控制，所以，只要輪流在上述處 理器驅動上述IR LED和發紅光的LED的I/O腳位上輸出驅動信號，就可以控 制上述IR LED和發紅光的LED輪流發光；在本步驟中，所述IR LED和發紅 光的LED的頻率為lOOHz。當然，較低的輪流發光的頻率也是可行的，該頻率 的值要視具體情況而定。S104在相應的光探測器兩端分別得到上述紅外二極體發光時與發紅光的 LED發光時的感應信號，並存儲當IR LED發光時，由於上迷IR LED、發紅 光LED已經和與其相應(即接收上述IR LED和發紅光LED所發出的光線)的 光探測器處於一個光通道中，所以此時在所述光探測器的兩端就可以得到所述 IR LED發出的光通過上述光通道傳送到所述光探測器位置的信號，該信號中 除了包括生命體徵信號外，還帶有因運動而帶來的噪音，得到該信號後，存儲 該信號；同樣，當發紅光的LED發光時，由於上述IRLED、發紅光LED已經 和與其相應(即接收上述IR LED和發紅光LED所發出的光線)的光探測器處 於一個光通道中，所以此時在所述光探測器的兩端就可以得到所述發紅光的 LED發出的紅光通過上述光通道傳送到所述光探測器位置的信號，該信號大致 等於因運動而帶來的噪音，得到該信號後，存儲該信號。
S105將存儲的紅外二極體發光時的感應信號經過其增益為-1的自適應 濾波，並與存儲的發紅光LED發光時的感應信號相加，得到正確的感應信號 在本步驟中，將上述存儲的IR LED發光時得到的信號通過自適應濾波，該自 適應濾波器的增益為-1，於是將該信號中的各組成部分反相，包括其中因運 動引起的噪音；當該經過反相後的信號與上述發紅光的LED帶來的感應信號 (該信號大致等於因運動引起的噪音)相加時，因運動引起的噪音與發紅光的 LED的感應信號相互抵消，於是得到正確的感應信號，該信號即為正常的生命 體徵參數信號。
S106根據上述正確的感應信號得到正確的生命體徵參數值由於在步驟 S105中得到了基本沒有噪聲的生命體徵參數信號，所以在本步驟中，處理方 法也基本與現有技術中相識，在此不在贅述。
在第一實施例中，採用上述步驟得原因如下
9由於影響^f企測心跳信號的脈動血氧^=企測法的準確度的 一個因素是運動偽
差。在應用耳塞式耳機型心率傳感器時，IR LED用於照亮耳道，IR傳感器收 集現場皮膚的IR水平。如果使用者在休息，IR傳感器拾取的IR信號主要受 心跳引起的血液脈動影響。但是，使用者在運動時，例如慢跑或者奔跑時，使 用者的運動會引起耳塞相對於耳道的相對運動，即給信號增加了噪音。該噪音 信號可能與心跳信號相似，或者振幅比心跳信號的還大。在正常情況下，噪音 信號與心跳信號具有相同的頻帶(-lHz)。
如前所述，要減弱運動偽差引起的噪音，可以使用另一個發紅光的LED。 以高頻率(-lOOHz)輪換地地打開發紅光的LED和IRLED,在光探測器 輸出端接收兩個信號流，並將其存儲在處理器中 上述系統可通過下面的等式進行描述
^rerf = * L fo^+ Xto〃。,'*見。〃。,'fe^+ K"e(y
其中
發紅光的LED打開時採集的信號 IR LED打開時採集的信號 fA6 6 心跳引起的脈動流產生的信號 AU* W 物理運動引起的信號
發紅光的LED打開時的DC水平 K。v IR LED打開時的DC水平
通過控制流過LED的電流，可以將發紅光的LED和IR LED的DC水平控制 為相等(YDe)的。根據脈動血氧的操作理論，可以知道，對於正常人(SpO2
10接近100%)，當兩個信號的DC水平相等時，IR信號的血液脈動變化引起的AC 信號近似為RED (紅色)信號的兩倍。
^erf = (M * f力6 + iT啦〃。"*疋。〃。"廣/7j+ fw
當IR和RED信號的DC水平幾乎相等時，對於這兩個信號，AU.。,，(n)的貢 獻是近似的。這意味著/卿〃。/ 接近l。
將I W l, WW I最小化，並將自適應濾波器G (n)
的增益控制為接近-1，輸出(W將趨向已移除C。,, W信號的心跳信號的放 大版。然後，探測心跳和心率，並據此進行計算。
本發明的第二實施例是實現處理在運動時獲取的生命體徵信號方法的裝 置實施例。如圖2所示，在第二實施例中，該裝置包含了一個處理器21、 一 個預製件22、 一個光探測器23以及一個開關元件24;其中，預製件22內包 括了安裝在其內的IR LED 221和發紅光的LED 222，上述IR LED 221和發紅 光的LED 222的驅動端分別連接在上述處理器1的兩個1/0埠上，其具體的 連接電路圖見圖3,處理器l在上述兩個I/0埠輪流地輸出驅動信號，使IR LED 221和發紅光的LED 222輪流地導通；上述光探測器23的輸出連接到上 述開關元件24的輸入端，上述開關元件24的兩個輸出端分別連接到處理器1 的兩個不同的1/0埠，開關元件還包括一個控制端，該控制端連接到處理器 1上，由處理器l輸出信號，使開關組件24的輸入端分別與不同的輸出端連 接(與IR LED 221和發紅光的LED 222的輪流導通同步)，從而使不同的LED 發出的光被接收後存放在不同的地方(當然，均在上述處理器1中)，為所述 處理器1下一步具體處理上述兩個數據打下基礎。
本發明第三實施例與第二實施例不同之處在於第三實施例中，不是只有一個預製件22和一個光探測器，而是各有三個；圖4示出了這些元件在耳機 殼體中的安放位置；在圖4中，預製件1 - 22和光探測器1 - 23組成一組，預 製件2 - 22和光探測器2-23組成另 一組，預製件3 - 22和光探測器3-23 組成第三組；上述每組位於所述耳機殼體外表面所形成圓周的一條直徑上；三 個組在所述圓周上均勻分布，每組的預製件和光探測器相間設置，即每兩個光 探測器之間不相鄰，每兩個預製件之間也不相鄰，且每組之間相差120度。 第三實施例的信號處理辦法與第二實施例稍有不同，現詳述如下 對於耳機式的設備，運動引起的噪音主要在x和y方向，因為這種移動會 改變光探測器到耳道壁的距離，即影響所接收的信號。可以認為，通過使用 IR傳感器安裝在一個圓形對稱位置上的物理結構，運動引起的影響是微小的， 可近似為對所接收信號的振幅的線性影響。圖4示出了具有3個IR探測器的 實施例的截面簡圖。對於具有3個IR LED的方案，光探測器均勻地分布在圓 周中，彼此相隔120度。
第三實施例中的信號如下
& fe> = A *幾6 fe> + L * + * ^廣W
&廣w - a * ^廣w + l *疋+ & * a
= A * f力J/^ + vTw * ^廣W + *
其中
A* 心跳所改變的血液脈動貢獻的信號； 乂^ , x方向的運動貢獻的噪音信號； 《fW y方向的運動貢獻的噪音信號；以及 A， A， A, (,， ^，^是已知的恆量。
心跳引起的信號對所接收的信號具有相似的影響，它們應當是相同的信號，不同之處在於放大係數。光探測器均勻放置在圓周中，因此，對於這3
個對稱性分布的傳感器而言，運動在x-y平面的效果是不同的，即，上面的3 個等式應當是線性無關的。因此，我們使用標準自適應濾波法，試圖消除運動 帶來的噪音導致的影響，這可通過最小化5^(W和輸出信號之間的協方差 (co-variance )來實現。
在撰寫本說明書時，現有技術不知道使用多個光源/探測器以及使用上述 的信號處理技術來獲得心跳和Sp02水平。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳 細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變 形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以 所附權利要求為準。
權利要求
1、一種處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其特徵在於，包括如下步驟A)在每一個紅外光源的周邊增加一個光源，使所述新增光源的照射區域與所述紅外光源大致相同；B)調節所述新增光源的驅動參數，使其產生的信號與運動本身在紅外光源上引起的噪聲大致相同；C)分別讀取並處理所述紅外光源和新增光源所產生的信號；D)得到正確的生命體徵參數。
2、 根據權利要求1所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其 特徵在於，所述新增光源包括發出紅色光的發光二極體。
3、 根據權利要求2所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其 特徵在於，所述紅色發光二極體和所述紅外光源安裝在同一個預製件內。
4、 根據權利要求1所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其 特徵在於，所述步驟B)中，包括調節所述新增光源的直流驅動電流。
5、 根據權利要求1所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其 特徵在於，所述步驟C)進一步包括Cl )輪流為所述紅外光源和所述新增光源提供驅動，使其輪流發光； C2)在其傳感器的兩端分別接收其感應信號，並存儲； C3)使上述兩個信號相加，得到生命體徵的參數信號。
6、 根據權利要求5所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其 特徵在於，步驟C1)中，所述紅外光源和所述新增光源輪流發光的頻率小於或等於100Hz。
7、 根據權利要求6所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，其特徵在於，所述步驟C3)中，先將所述紅外光源產生的感應信號經過自適應濾波後再與所述新增光源產生的感應信號相加。
8、 一種實現權利要求1所述的處理在運動時獲取的生命體徵信號方法的裝置，包括至少一個紅外光源、至少一個光探測器以及與所述紅外光源、光探測器相連並處理其信號的處理器，所述紅外光源、光探測器及處理器位於一個音頻耳機內部，其特徵在於，還包括位於每個紅外光源周邊的發紅光的發光二極體，所述發光二極體的照射區域大致與所述紅外光源的照射區域一致；所述發光二極體受所述處理器控制而發光。
9、 根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述紅外光源和所述發光二極體安裝在一個預製件內。
10、 根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述裝置包括三個紅外光源、三個分別與所述每個紅外光源安裝在不同的預製件內的發光二極體以及與所述三個紅外光源相對應的光探測器；所述紅外光源與其相對應的光探測器位於所述耳機殼體外表面所形成圓周的一條直徑上；所述三組紅外光源與其相對應的光探測器在所述圓周上均勻分布。
全文摘要
本發明涉及一種處理在運動時獲取的生命體徵信號的方法，包括如下步驟在每一個紅外光源的周邊增加一個光源，使所述新增光源的照射區域與所述紅外光源大致相同；調節所述新增光源的驅動參數，使其產生的信號與運動本身在紅外光源上引起的噪聲大致相同；分別讀取並處理所述紅外光源和新增光源所產生的信號；得到正確的生命體徵參數。本發明還揭示了一種實現上述信號處理方法的裝置。實施本發明的信號處理方法及裝置，具有以下有益效果可以較為準確地獲取生命體徵參數；以及使用時較為方便。
文檔編號A61B5/02GK101496717SQ20081000688
公開日2009年8月5日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者唐納德·梅裡科夫, 楊佳瑋, 王明業, 鄭樹坤, 陳繼健, 馬楚天 申請人:幻音科技(深圳)有限公司;幻音數碼有限公司