使用光谱调制的血红蛋白检测和光电体积描记法
【专利摘要】一种血红蛋白检测装置(100)，包括光谱可调谐发射器?检测器单元(102)，所述光谱可调谐发射器?检测器单元被配置为在覆盖光谱调制间隔的不同波长处以调制频率光谱地选择性地并且周期性地发射或检测电磁辐射，并且提供作为时间的函数的指示检测到的电磁辐射的检测器信号。所述装置还包括信号处理单元(116)，所述信号处理单元被配置为接收所述检测器信号和提供输出信号，其指示形成所述调制频率的二次或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对所述检测器信号的贡献。所述血红蛋白检测装置可以使用在光电体积描记法应用中。
【专利说明】
使用光谱调制的血红蛋白检测和光电体积描记法
技术领域
[0001]本发明涉及血红蛋白检测装置和血红蛋白检测方法。其还涉及光电体积描记法装置和光电体积描记方法。
【背景技术】
[0002]可以通过光电体积描记法(PPG)采集关于心血管状态的信息，特别是诸如血氧饱和度、心率和呼吸率的血液参数。PPG涉及体积描记图的光学采集，其是作为时间的函数的组织的体积变化的测量结果。
[0003]已知的PPG传感器是基于血红蛋白检测的。US 5553615A描述了用于使用PPG技术和数据处理的红细胞压积，即哺乳动物血液的红血球的(关于体积的)百分比，的直接无创预测的方法和装置。所述方法包括根据波长选择准则选择1150-2100纳米之间的光谱范围内的多个波长。针对所使用的不同波长中的每个，必须满足以下波长选择准则中的一个或多个:对于一个波长而言，水的吸收率在可测量的峰值处或其附近;对于至少一个波长而言，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收率是可预测的并且表示总血红蛋白含量;对于一个波长而言，水的吸收率大大地超过所有形式的血红蛋白的吸收率;并且对于一个波长而言，所有形式的血红蛋白的吸收率大大地超过水的吸收率。US 5553615A的权利要求28中所指定的方法还包括根据不同波长处的所测量的衰减的光强度值来确定红细胞压积预测的数据处理步骤。
[0004]反射血红蛋白检测技术和透射血红蛋白检测技术二者是公知的。常规PPG传感器通过指定波长处的吸收测量来监测将血液到皮肤的真皮和皮下组织的灌注。在常规血红蛋白检测技术中，除来自通过血液传送的电磁辐射的信号贡献外，输出信号包括起源于其他物质的透射和反散射的大得多的信号贡献，例如组织和血液搅动，即静脉血运动。具有运动“搅动”的低静脉血压在个人身体活动被观察到。静脉血的该局部扰动添加到检测器信号的AC分量。
[0005]在WO 2007/140422A2中，公开了用于计算靶组织中的组织氧合(例如，氧饱和度)的方法和系统。在一些实施例中，方法包括:(a)将入射辐射引导到靶组织并且通过测量多个辐射波长处的来自靶组织的反射辐射的强度来确定靶组织的反射率光谱；(b)校正反射率光谱的所测量的强度以减少从入射辐射传播通过的皮肤和脂肪层对其的贡献；(C)基于所校正的反射率光谱，确定靶组织中的氧饱和度;和(d)输出所确定的氧饱和度值。
【发明内容】
[0006]本发明的目标是提供一种允许获得所述期望信号的特别是高贡献并且可以使用在光电体积描记法的血红蛋白检测装置和方法。
[0007]根据本发明的第一方面，提供了一种血红蛋白检测装置。所述血红蛋白检测装置包括:
[0008]-光谱可调谐发射器-检测器单元，其被配置为在覆盖光谱调制间隔的不同波长处以调制频率光谱地选择性地并且周期性地发射或检测电磁辐射，并且提供作为时间的函数的指示检测到的电磁辐射的检测器信号；以及
[0009]-信号处理单元，其被配置为接收所述检测器信号和提供输出信号，所述输出信号指示形成所述调制频率的二次或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对所述检测器信号的贡献。
[0010]本发明的所述第一方面的所述血红蛋白检测装置允许获得血红蛋白对由所述发射器-检测器单元所提供的所述电磁辐射的所述期望响应对所述输出信号的有利地高贡献。
[0011]跨合适地选择的光谱调制间隔的周期性光谱调制发射或检测引入由血红蛋白对对应于所述调制频率的二次谐波或更高的偶次谐波的频率处的所述检测器信号的期望贡献。该期望贡献是可识别的并且因此是通过其频率可与对所述检测器信号的其他不需要的信号贡献分离的，所述频率是所述调制频率的偶次谐波。因此，所述谐波透射率从其他物质对所述检测器信号的所述透射率贡献独立地确定，所述检测器信号向具有非偶次谐波的所述检测器信号提供贡献。因此，所述血红蛋白检测装置允许利用干扰其他物质的高抑制对血红蛋白以及因此血液的光学检测。
[0012]其他物质是特别是表皮、真皮、和包括生物(特别是哺乳动物，特别是人类)的脂肪的皮下组织。取决于被用于操作的所述光谱范围，水可以或可以不属于要被考虑的所述其他物质。因为水在其可以干扰特别是红外光谱区域中的测量结果透射光谱中展示的光谱特征，但是在可见光谱区域没那么突出。
[0013]所使用的波长调制生成所述检测器信号中的幅度调制。该转换因此还调制被测量量。这具有以下优点:所述检测器信号从低频转移到高频，其将所述期望的信号贡献与由运动伪影所生成的不需要的贡献分离。众所周知，所测试的人员的运动生成不需要的信号贡献，其现在可以与所述期望的信号贡献分离。
[0014]另一优点在于，所述传感器是自校准的:所述调制频率和其谐波处的检测器信号的幅度提供针对所述幅度的测量，换句话说，所测试的样本的所述衰减，而所述调制频率和其谐波处的所述调制对比度通过血红蛋白或其他物质提供针对吸收的测量。
[0015]术语波长此处仅用作用于对针对电磁辐射的发射或检测的光谱位置的引用的通用术语。相反，可以使用描述电磁辐射的发射或检测的所述光谱位置的任何量，诸如例如以eV或波数为单位提供的电磁辐射的能量。在提及“不同的”波长时，关于光谱宽度的限制不旨在将任何点处的发射或检测的光谱限制到单个波长。众所周知，电磁辐射的公用源提供具有某个光谱宽度的发射。而且，光谱地选择性检测允许每个光谱位置处的电磁辐射的某个光谱宽度。在该方面，将适合的光谱分辨率提供给所述检测器信号的发射和检测的任何光谱宽度是足够的，所述光谱分辨率用于检测由血红蛋白对所述调制频率的所述二次或更高的偶次谐波的显著贡献。
[0016]在以下中，将描述所述血红蛋白检测装置的实施例。
[0017]所述血红蛋白检测装置优选地采用所述发射器-检测器单元的在光谱调制间隔上的周期性光谱调谐，其中，血红蛋白展示其透射率光谱中的特定光谱特征。该光谱特征是非线性光谱依赖性，其可以利用由至少一个偶函数所提供的显著贡献分解。众所周知，偶函数f (X)具有性质f(x)=f(_x)。在相同的光谱间隔中，指示要暴露于所发射和所检测的电磁辐射的其他物质的各自的透射率的相同的量，被绘制为波长的函数，一定不展示可以利用至少一个偶函数的显著贡献分解的非线性光谱依赖性。如本公开中将所示的，在电磁辐射的所述光谱的各种间隔中实现这些准则。在适于形成所述光谱调制间隔的这样的光谱间隔中，所述血红蛋白检测装置实现来自所述频率域中的血红蛋白和其他物质的信号贡献的特别高度的分离。
[0018]允许利用非线性光谱依赖性来感测光谱特征的任何度量可以被用于根据本实施例中的所述血红蛋白检测，所述非线性光谱依赖性可以在暴露于电磁辐射的血红蛋白和其他物质的响应中通过至少一个偶函数的显著贡献分解。通常，所述响应包括所述电磁辐射的吸收和/或散射。指示样本的所述吸收率和散射特性的适合的度量是例如其透射率。暴露于给定波长的电磁辐射的样本的透射率是针对所述电磁辐射的穿过所述物质并且因此既不经受样本的电磁辐射的吸收也不经受样本的电磁辐射的散射的强度分数的度量。电磁辐射的不同的吸收机制以及弹性和无弹性物理散射机制本身对于本领域的普通技术人员而言是已知的，并且所述相关物质的光谱依赖性是要么可用的要么可以通过测量结果确定。
[0019]偶函数对光谱调制间隔中的血红蛋白透射率的光谱依赖性的分解的显著贡献生成并且因此对应于利用所述调制频率的至少一个偶次谐波对血红蛋白的所述检测器信号的显著贡献。
[0020]由本领域的普通技术人员通过常规工作确定用于实现显著性所要求的给定偶次谐波的贡献的量化。具体而言，所述光谱调制间隔的所述选择影响针对显著贡献的所述准贝1J。在仅血红蛋白(并且没有其他物质)提供所述检测器信号的傅里叶谱中的调制频率的所选择的偶次谐波处的信号的情况下，利用检测所述检测器信号中的各自的谐波的存在所要求的最小幅度实现对所述检测器信号的显著贡献。另一方面，在使用光谱调制间隔时，其中，不能完全实现该情况并且其他物质对所选择的偶次谐波处的所述检测器信号有贡献是已知的，可以应用针对显著性的其他准则。具体而言，所选择的偶次谐波的所述相对幅度与其他所选择的谐波的所述相对幅度比较可以被用于识别所述显著贡献。在一些实施例中，如果所选择的偶次谐波的相对幅度高于所述检测器信号的傅里叶谱的调制频率的所有其他谐波的那个，则给出显著性。
[0021]在本发明的所述血红蛋白检测装置的所述以上定义中，短语“绘制为波长的函数”仅被用于指向所述透射率的所述光谱依赖性。
[0022]所述发射器-检测器单元被配置为提供光谱分辨率，其允许通过所述光谱调制间隔中的不同的光谱位置处的电磁辐射的发射和检测来检测偶函数对血红蛋白的所述透射率的所述光谱依赖性的所述贡献。
[0023]在一些实施例中，至少一个偶函数的显著贡献的所述特定光谱特征可以额外地被描述为指示针对电磁辐射的透射率的量的斜率的符号的改变。换句话说，血红蛋白的透射率光谱的斜率在所述光谱调制间隔内从正到负或从负到正改变。在所述光谱调制间隔中，指示暴露于所述装置的操作中的所发射的电磁辐射的其他物质的所述透射率的所述相同量不展示各自的斜率的符号的改变。
[0024]所述斜率的符号的改变的这两个方向适于所述光谱调制间隔的选择。因此，在一些实施例中，由所述血红蛋白装置所使用的所述光谱特征是在考虑中的所述光谱调制间隔内的所述透射率的极值(即，最大值或最小值)的出现。
[0025]所述光谱特征是最大值还是最小值还取决于根据血红蛋白的所述透射率的指示所测量的所述特定量。例如，虽然血红蛋白的吸收率指示血红蛋白的透射率，但是物质的吸收率和透射率通常展示相互补充的光谱特征，这意指在其中透射率展示极小值的光谱位置处，吸收率展示极大值。可以使用指示光谱调制间隔中的血红蛋白的透射率的任何量。
[0026]所述血红蛋白检测装置的一些实施例被配置为检测氧合血红蛋白，其也被称为氧合血红蛋白并且是具有结合氧的血红蛋白。为了该目的，所述发射器-检测器单元被配置为在覆盖所述光谱调制间隔处的不同波长处，光谱地选择性地发射或检测电磁辐射，其中，指示氧合血红蛋白的透射率的量，绘制为波长的函数，展示例如以具有相反符号的斜率的形式的偶函数对光谱依赖性的显著贡献，并且在该光谱调制间隔中，指示其他物质(诸如表皮、真皮和皮下组织)的各自的透射率的量，绘制为波长的函数，不展示偶函数对所述光谱依赖性的显著贡献，例如所述各自的斜率的符号的所提到的改变。
[0027]其他实施例被配置为额外地或者备选地检测脱氧血红蛋白，其是没有结合氧的血红蛋白。为了该目的，所述发射器-检测器单元额外地或者备选地被配置为在覆盖光谱调制间隔处的不同波长处，光谱地选择性地发射或检测电磁辐射，其中，指示脱氧血红蛋白的透射率的量，绘制为波长的函数，展示例如以具有相反符号的斜率的所述形式的偶函数对所述光谱依赖性的所述显著贡献，并且在该光谱调制间隔中，指示绘制为波长的函数的其他物质(诸如例如表皮、真皮和皮下组织)的所述各自的透射率的量不展示偶函数对所述光谱依赖性的显著贡献，例如所述各自的斜率的符号的所提到的改变。
[0028]在适于氧合血红蛋白而非脱氧血红蛋白的所述检测的实施例中，所述光谱调制间隔优选地包括416nm、516nm、540nm或576nm的波长，其中，仅氧合血红蛋白的适合的光谱特征是可用的。
[0029]在适于脱氧血红蛋白而非氧合血红蛋白的检测的实施例中，所述光谱调制间隔优选地包括434nm、736nm或758nm的波长，其中，仅脱氧血红蛋白的适合的光谱特征是可用的。
[0030]在一些实施例中，指示所述透射率的量是传播通过要测量的样本的电磁辐射的强度或从要测量的样本的区域所反散射的电磁辐射。在所述第一情况中，要测量的所述样本是例如耳垂。在所述第二情况中，要测量的所述样本是例如手指或手腕。在其他实施例中，可以使用这两个量的组合。
[0031]在所述血红蛋白检测装置的一个实施例中，所述光谱调制间隔(其中，指示血红蛋白的透射率的量展示偶函数对所述光谱依赖性的显著贡献，例如具有相反符号的所述所提到的斜率)包括氧合血红蛋白展示吸收率的局部峰值或局部最小值的波长，其可以在一些变型中采取具有共振线形状的吸收峰的形式。
[0032 ] 提供电磁福射的光谱调制间隔的不同的适合的中心波长在416nm、512nm、542nm、560nm、576nm附近的氧合血红蛋白的光谱地窄吸收率极值处。所述光谱调制间隔必须足够小以避免包括所述光谱调制间隔中的不期望的光谱特征，其可以引入所述期望信号的扰动。另一方面，所述光谱调制间隔必须足够宽以允许所述透射率量的所述斜率的符号的所述改变的可靠的检测。
[0033]适合的光谱调制间隔的另一适合类型的中心波长是吸收率最小值，例如两个吸收率峰值之间的最小值。在一个这样的实施例中，所述中心波长是684nm。氧合血红蛋白展示该光谱区域中的吸收率的宽最小值。因此，所述光谱调制间隔适合地选择有较大的宽度以允许所述透射率质量的所述斜率的符号的所述改变的可靠的检测。
[0034]所述血红蛋白检测装置的实施例具有发射器-检测器单元，其具有包括固态检测器设备的检测器单元，所述固态检测器设备被配置为将所述检测器信号提供为对应于所述光谱调制间隔中的检测到的电磁辐射的强度的电信号。适合的检测器设备是适于响应于光谱调制间隔中的电磁辐射的照射而生成电信号的光电二极管或另一设备。
[0035]最适于提供为输出的谐波分量取决于针对所述检测所使用的光谱特征的特性。
[0036]在一些实施例中，所述信号处理单元被配置为作为所述输出信号提供仅所述调制频率的所述二次谐波对所述检测器信号的所述贡献。该实施例是特别简单的并且允许所述光谱间隔中的血红蛋白的所述透射率的单个最大值或最小值的可靠的检测。假使所述光谱调制间隔包括三个局部极值，即所述斜率符号的符号的3个改变，则主导的四次谐波被生成并且可以被用于血红蛋白检测。
[0037]—个实施例包括光谱对齐单元，其被配置为通过测试固定中心波长周围的不同的候选光谱调制间隔来在执行光谱对齐过程中控制所述调制控制单元，所述光谱调制间隔具有不同的上边界波长或下边界波长。而且，所述光谱对齐单元优选地被配置为根据针对不同的候选光谱调制间隔所接收的各自的检测器单元来确定最佳光谱调制间隔，其中，所述调制频率的二次或更高的偶次谐波对所述检测器信号的所述贡献是相对最大的。其优选地还被配置为将最佳光谱调制间隔选择为针对所述调制控制单元的血红蛋白检测的正常操作要使用的光谱调制间隔。
[0038]不同的类型的发射器-检测器单元可以被用于实现不同的实施例。
[0039]为了实现好的信噪比，所述发射器检测器单元优选地被配置为提供或检测所选择的光谱调制间隔内的至少三个不同波长处的所述电磁辐射，使得所述透射率展示光谱位置之间的特别高的对比度，其中，所述透射率假定较高和较低的波长处的极致与光谱位置与所述极值的那个相比较。例如，考虑具有对应于或相似于单个共振峰的线形状的典型吸收特征，可以在光谱位置a)、b)和c)处适合地选择三个波长，其中，血红蛋白的透射率的斜率针对光谱位置a)是正的、针对光谱位置b)是负的并且针对光谱位置c)是零或在零附近，后者光谱位置对应于光谱位置a)和b)的那些之间的波长。这样，在给定调制时段期间，在这两个边缘上(外部光谱位置)并且在吸收特征的峰处或其附近(中心光谱位置)测试具有基本上偶函数贡献的形成所述血红蛋白透射率光谱的吸收特征的所述各自的极值。在这样扫描包含透射率的极值的光谱调制间隔时，可以实现透射率的高对比度，这导致输出信号的好的信噪比。可以通过选择波长使对比度特别是高，所述波长相比提供血红蛋白的各自的透射率值中的特别大的差异。由于所有形式的血红蛋白(特别是氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和功能素乱血红蛋白、碳氧血红蛋白(CoHb)、尚铁血红蛋白(MetHb)和硫血红蛋白(SulfHb))自身是已知的，因而适合的波长选择是可以在所述血红蛋白检测装置的特定实施例的设计阶段中做出的设计选择。
[0040]然而，应当注意，不要求被用于测量的所述外部光谱位置a)和b)处的所述斜率具有相反符号。其仅是作为整体应当实现该要求的所选择的光谱调制间隔。出于该点的解释的目的，作为范例，由三个不同的所选择的波长所覆盖的所选择的光谱调制间隔可以实现血红蛋白物质的所述透射率的斜率的符号的改变的要求，但是被用于测量的所有三个光谱位置(即，三个不同的波长)展示零的相应斜率或针对所测量的这两个外部光谱位置的正斜率或甚至针对使用在血红蛋白的所述透射率光谱中的所有三个光谱位置的正或负斜率。仅重要的是，所选择的光谱调制间隔包括对于与其他物质(特别是表皮、真皮和皮下组织)的光谱特征相比较的血红蛋白而言唯一的光谱特征，所述其他物质暴露于在所述血红蛋白检测测量中所发射和检测的电磁辐射。
[0041]在一些实施例中，所述发射器-检测器单元包括光谱地可调谐发射器单元，其被配置为选择性地提供不同波长处的所述电磁辐射。在这样的实施例中，优选地使用检测器单元，其被配置为提供检测器信号，其指示由所述发射器单元所发射和由血液和所述其他物质(例如对象的表皮、真皮和皮下组织)所散射的电磁辐射的量，作为时间的函数。
[0042]可以以不同的方式实现具有光学地可调谐发射器单元的这样的实施例。在所述血红蛋白检测装置的一个这样的实施例中，所述发射器单元包括至少一个可调谐固态发射器。范例是可调谐LED或可调谐OLED或可调谐激光二极管。
[0043]在包括光学地可调谐发射器单元的另一实施例中，所述发射器单元包括多个不同的固态发射器，每个提供所述光学调制间隔内的一个固定波长，并且激活所述调制时段的相应阶段处的所述不同固态光发射器中的各自的一个。
[0044]具有光学地可调谐发射器单元的血红蛋白检测装置的另一变型包括具有相互交叠的发射光谱的多个不同的固态发射器。在该变型中，所述不同的固态发射器中的每个的各自的相对强度在所述调制时段的各自的阶段处变化。这可以例如利用强度控制信号来实现，其在一个实施例中是包括多个平行信号(每个发射器一个)的向量信号。
[0045]光谱可调谐发射器单元的又一变型包括可调谐光学滤波器，其被配置为发射跨所述光谱调制间隔的多个不同的可选择的波长之一处的电磁辐射。在该变型中，所述发射器单元优选地包括发射器，其被配置为提供具有覆盖所述光谱调制间隔的固定发射光谱的所述电磁辐射。
[0046]在所述血红蛋白检测装置的另一组实施例中，所述发射器-检测器单元包括光学地可调谐检测器单元，其被配置为选择性地检测不同波长处的电磁辐射和提供指示由所述发射器单元所发射的和由对象的血液和其他物质所散射的光谱地选择的电磁辐射的量的检测器信号，作为时间的函数。
[0047]在该组的一个实施例中，所述检测器单元包括可调谐光学滤波器，其被配置为例如取决于所接收的调谐控制信号，发射跨所述光谱调制间隔的多个不同的可选择的波长之一处的所述电磁辐射。该实施例的不同的变型使用不同的可调谐滤波器备选方案，诸如光栅或棱镜单色仪、可调谐的液晶光学滤波器或合适地选择的光学带通滤波器的时间序列。
[0048]在所述血红蛋白检测装置的该组实施例的一些变型中，所述发射器单元包括发射器，所述发射器被配置为提供具有完全覆盖所述光谱调制间隔的固定发射光谱的所述电磁辐射。
[0049]光谱地可调谐发射器单元与光谱地可调谐检测器单元的组合被考虑并且对于一些实施例而言可以是有利的，例如以实现对所述检测器信号的不需要的信号贡献的特别高的抑制。
[0050]一些实施例还包括调制控制单元，所述调制控制单元被配置为提供调谐控制信号，其在调制频率处是周期性的，所述调制频率用于通过在各自的调制时段期间覆盖所述光谱调制间隔的所述发射器-检测器单元驱动电磁辐射的光谱地经调制的发射或检测。
[0051]频率特异信号处理可以使用包括锁定放大器的信号处理单元执行，其接收调谐控制信号和检测器信号。在另一实施例中，取代锁定放大器，使用同步检测器。在又一实施例中，使用以调制频率的预定偶次谐波为中心的带通滤波器。另一实施例具有信号处理单元，所述信号处理单元包括带通滤波器与同步检测器的锁定放大器的组合。
[0052]应注意到，使用在所述发射器单元和在所述检测器单元中的部件通常具有在所述设计中需要考虑以避免不正确的检测结果的光谱特性。例如，如果其不存在，则诸如具有所述被测量的透射率峰值周围的某个灵敏度峰值的光电二极管的检测器可以不正确地提出血红蛋白的检测。为了避免校正单元的必要性，可以通过适合的发射器和检测器部件的适当的选择来处理这样的问题，考虑到所选择的光谱调制间隔中的其光谱特性。然而，发射强度和检测器灵敏度中的特定斜率可能不是可避免的。因此，在需要的情况下，本公开的任何实施例可以利用校正单元扩展，所述校正单元被配置为补偿针对电磁辐射的发射或检测所使用的所述部件的光谱特性。在所述检测侧，所述校正单元可以被实现为所述信号处理单元的所述初始级之一。所述校正单元校正可归因于所述发射强度和所述检测灵敏度的已知光谱依赖性的信号失真。另一可能性是所述发射侧的光谱预均衡级(例如作为所述调谐控制单元的一部分)以用于控制由使用在调制时段中的所述不同波长处的所述发射器单元所提供的所述电磁辐射的强度。这样，可以实现针对发射器特性和检测器特性二者的补偿。所述预均衡级可以基于强度的优先级设置或者使用具有与针对所述实际血红蛋白检测测量结果所使用的那个相同种类的额外的检测器的反馈环路。
[0053]在另一实施例中，所述校正单元额外地或者备选地被配置为将信号校正应用到二次或更高的偶次谐波信号贡献，其包含使用具有所述调制频率的所述检测器信号的该分量的实际的期望信号并且其可以因此被认为“载波”信号。该实施例基于以下认识:包含期望信号的所述“载波”信号和所述高频“边带”信号二者可以以类似的方式由诸如运动伪影的失真影响。因此，作为所述调制频率处所检测的时间的函数的所述包络幅度可以提供用于导出待应用到所述“边带”信号的信号校正的基础。在一个实施例中，所述信号校正是由缩放因子所修改的“载波”信号的包络，其可以由日常操作适合地选择。
[0054]血红蛋白检测装置的有利的应用案例是光电体积描记法装置，其包括根据本发明的第一方面或其实施例之一的所述血红蛋白检测装置，并且其还包括PPG评价单元，其接收所述输出信号并且被配置为根据所述输出信号并且提供心血管状态信息，特别是血氧饱和度、心率和呼吸率。
[0055]根据本发明的第二方面，提供了一种血红蛋白检测方法。所述方法包括:
[0056]-在调制频率处周期性地提供在各自的调制时段覆盖光谱调制间隔期间的不同波长处的电磁辐射的光谱地选择性发射和检测；
[0057]-提供作为时间的函数的指示检测到的电磁辐射的检测器信号;并且
[0058]-处理所述检测器信号并且提供输出信号，其指示形成所述调制频率的二次或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对所述检测器信号的贡献。
[0059]本发明的所述第二方面的所述方法共享本发明的所述第一方面的血红蛋白检测装置的所述优点。
[0060]所述方法的一个实施例包括:
[0061 ]-提供光谱可调节发射器-检测器单元；
[0062]-将调谐控制信号提供给所述发射器-检测器单元，该调谐控制信号在调制频率处是周期性的，因此驱动覆盖各自的调制时段期间的光谱调制间隔的不同波长处的电磁辐射的周期性光谱地选择性发射和检测，其中，指示电磁辐射的透射率的量，绘制为波长的函数，展示可以利用至少一个偶函数的显著贡献分解的非线性光谱依赖性，并且在该光谱调制间隔中，指示要暴露于所发射和所检测的所述电磁辐射的其他物质的所述各自的透射率的量，绘制为波长的函数，未展示可以利用至少一个偶函数的显著贡献分解的非线性光谱依赖性；
[0063]-提供作为时间的函数的指示检测到的电磁辐射的检测器信号;并且
[0064]-处理所述检测器信号并且提供输出信号，其指示形成所述调制频率的二次或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对所述检测器信号的贡献。
[0065]本发明的所述第二方面的所述血红蛋白检测方法的有利的应用案例是光电体积描记方法，包括根据本发明的第二方面或其实施例之一的血红蛋白检测方法，并且还包括根据所述输出信号来确定并且提供心血管状态信息。
[0066]应当理解，根据本发明的第一方面的所述血红蛋白检测装置(也权利要求1中所限定、)根据本发明的所述第二方面或权利要求14所述的血红蛋白检测装置具有特别是与根据从属权利要求2至13中所限定的相似和/或同样的实施例。
【附图说明】
[0067]在附图中:
[0068]图1示出了血红蛋白检测装置和PPG装置的实施例的方框图；
[0069]图2示出了血红蛋白检测装置和PPG装置的另一实施例的方框图；
[0070]图3是根据本发明的血红蛋白检测装置和PPG装置的工作原理的图示；
[0071]图4和5各示出了根据本发明的血红蛋白检测装置的不同的实施例的发射器单元的示意性框图；
[0072]图6是示出用于图示用于本发明的血红蛋白检测装置的实现方案的适合的光谱范围的200纳米与1000纳米之间的光谱范围中的血红蛋白和氧合血红蛋白的透射率特性的曲线图；
[0073]图7将血液的吸收性质与黑素体、表皮和皮肤的那些相比较以用于识别用于根据本发明的血红蛋白检测和PPG的实现方案的适合的光谱区域；
[0074]图8是图示用于使用在PPG装置的血红蛋白检测装置的实施例中的适合的光谱调制间隔的图6的光谱的剖面；
[0075]图9至13示出了与图8相同的图6的光谱的剖面以用于图示用于血红蛋白检测装置的实施例的实现方案的不同的光谱调制间隔；
[0076]图14至17示出了血红蛋白检测装置的不同的实施例的实现方案中的相同给定光谱调制间隔中的适合的波长的不同的备选集合；
[0077]图18至21示出了血红蛋白检测装置的不同的实施例的实现方案中的不同光谱调制间隔的检测器信号的频率分布的范例；
[0078]图22是示出血红蛋白检测方法的实施例的流程图；并且
[0079]图23是光电体积描记方法的实施例的光电体积描记方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0080]图1至3的以下描述首先转到根据本公开的血红蛋白检测装置和PPG装置的实施例的结构，如图1和2中所示。随后，将参考图3中给定的这两个实施例的工作原理的图示描述这些实施例的功能。
[0081]图1示出了血红蛋白检测装置100和PPG装置120的实施例的框图。血红蛋白检测装置完全由PPG装置120包括。
[0082]血红蛋白检测装置100包括光谱可调谐发射器-检测器单元102，光谱可调谐发射器-检测器单元102包括光谱可调谐发射器单元104和检测器单元106。
[0083]光谱可调谐发射器单元104接收来自调制控制单元108的输入。更具体而言，调制控制单元108向发射器单元104生成和提供调谐控制信号。调谐控制信号在调制频率处是周期性的。在一个实施例中，调制控制单元108包括振荡器和用于驱动发射的驱动器。驱动器是由发射器单元104而非由调制控制单元108包括的变型。
[0084]在本实施例中，提供给发射器单元104的周期性调谐控制信号用于驱动在各自的调制时段期间覆盖光谱调制间隔的电磁辐射的光谱地经调制的发射。响应于所接收的调谐控制信号，发射器单元104在如由调谐控制信号所确定的不同的波长处光谱地选择性地发射电磁辐射。然而，由调制控制单元所生成的调谐控制信号的提供不是要求。可以采用用于提供期望的周期性光谱地经调制的发射的其他方案。
[0085]不同的波长覆盖光谱调制间隔。根据以下准则选择光谱调制间隔:
[0086]a)指示血红蛋白的透射率的量，绘制为波长的函数，展示该光谱调制间隔内的相反符号的斜率;以及
[0087]b)此外，指示表皮、真皮和皮下组织的各自的透射率的量，绘制为波长的函数，未展示该光谱调制间隔内的各自的斜率的符号的改变。
[0088]通过虚线箭头110指示光谱调制间隔中所发射的电磁辐射。血红蛋白检测装置100工作在反散射模式中，其如此在本领域中是已知的。电磁辐射110发射并且传送通过表皮、真皮以到达手指12的皮下组织(S卩，皮下组织)以便到达包含血红蛋白的血管。血红蛋白通常不存在于表皮、真皮和与血管不同的皮下组织的那些部分中。通过携带附图标记114的虚线箭头在图1中指示撞击电磁辐射的分数，其由手指112的被辐照的组织反散射并且在透射通过手指112的所提到的组织区域之后到达检测器单元。通过检测器单元106检测反散射的电磁辐射。检测器单元106是灵敏的，即被配置为检测由所选择的光谱调制间隔所覆盖的全光谱中的所接收的电磁辐射。检测器单元106包括例如光电二极管或光电晶体管。检测器在提供有带通滤波器的本实施例的一个变型中，所述带通滤波器允许光基本上仅在所选择的光谱调制间隔中传递以便拒绝环境光。但是，这不是要求。
[0089]因此，在本实施例中，通过血红蛋白装置100的发射器单元104提供允许根据光谱调制间隔内的波长的手指112的所提到的组织区域的透射率的确定的光谱选择性和可调谐能力。因此，不要求将调谐控制信号提供给检测器单元106。
[0090]血红蛋白检测装置100还包括信号处理单元116，其被配置为接收由检测器单元所提供的检测器信号。而且，信号处理单元116被配置为提供输出信号，所述输出信号指示形成调制频率的二次或更高的谐波的至少一个频率分量对检测器信号的贡献。在图3的描述的上下文中将描述信号处理单元116的实现方案的不同的方式。
[0091]在操作中，波长调制的光被引导向皮肤并且其透射或反射由检测器单元106检测。通过信号处理单元处理检测器信号，例如所检测的光电流。例如，处理包括利用ADC放大和转换到信号域。数字锁定放大器将期望的信号与不期望的信号分离，所述数字锁定放大器从调制控制单元接收其参考频率，所述调制控制单元还控制可调谐发射器单元104的调制。当然，锁定检测器还可以实现在模拟域中。
[0092]下文参考图3还将描述以血红蛋白检测装置100的不同功能单元为基础的操作的细节。
[0093]血红蛋白检测装置100的变型额外地包括光谱对齐单元118，其在图1中由具有虚线轮廓的框表示以指示该单元是任选的。在参考图3对血红蛋白检测装置的操作原理的解释之后，下文还将描述光谱对齐单元的功能。
[0094]在图1中还图示的另一实施例中，血红蛋白检测装置100可以形成在附图标记120下所提及的PPG装置的集成部件。为了根据由信号处理单元116所提供的输出确定PPG信息，血红蛋白检测装置100被扩展为通过还提供PPG评价单元112来形成PPG装置120，所述PPG评价单元122接收由信号处理单元116所提供的血红蛋白检测装置100的输出信号并且其被配置为根据输出信号确定并且在其输出部提供心血管状态信息，例如心率信息、氧饱和度信息或其他信息。
[0095]在转到图1中所图示的血红蛋白检测装置100和PPG装置120的操作的详细描述之前，将参考图2描述血红蛋白检测装置200和PPG装置200的备选实施例。
[0096]图2示出了血红蛋白检测装置和PPG装置的另一实施例的框图。血红蛋白检测装置200与图1的那个类似。因此，以下描述主要介绍图1和2的实施例之间的差异。
[0097]在血红蛋白检测装置200中，通过血红蛋白装置200的检测器单元206提供允许根据光谱调制间隔内的波长的包括血管的组织区域的透射率的确定的光谱选择性和可调谐能力。
[0098]因此，与图1的血红蛋白检测装置100相反，图2的血红蛋白检测装置具有发射器单元，其被配置为提供具有覆盖预定光谱调制间隔的固定发射光谱的电磁辐射210。而且，血红蛋白检测装置200的发射器-检测器单元202的检测器单元206是光谱地可调谐的。换句话说，其被配置为取决于调谐控制信号，提供所选择的光谱调制间隔内的不同波长处的电磁辐射的检测中的光谱选择性和可调谐能力。
[0099]图1的实施例的另一差异在于，本血红蛋白检测装置被配置为操作在透射模式中，其中，电磁辐射传送通过组织，其以非限制性范例的方式是耳朵212的耳垂。换句话说，光谱可调谐检测器单元被配置为提供检测器信号，其指示由发射器单元所发射和由耳朵212的耳垂的真皮、皮下组织和血管在透射模式中所散射并且然后由检测器单元光谱地选择(例如，滤波)的电磁辐射的量，作为时间的函数。
[0100]应注意到，透射和反散射模式的使用是可以独立于针对提供光谱选择性和可调谐能力所使用的技术做出的产品设计选择。血红蛋白检测装置100和200的变型被配置用于使用相应其他的所图示的操作模式(即，透射模式或反散射模式)的操作。
[0101]为了实现检测器单元206中的光谱选择和光谱调谐，图2的血红蛋白检测装置200的调制控制单元将调谐控制信号提供给检测器单元206。没有必要将调谐控制信号提供给发射器单元204。通过光谱地可调谐滤波器、通过光栅单色仪或任何其他已知技术自身可以实现光谱选择和光谱调谐。
[0102]由信号处理单元216所执行的信号处理可以与图1的实施例的那个相同。
[0103]如在图1的实施例中，还存在提供光谱对齐单元218的选项。
[0104]而且，在一个实施例中，血红蛋白检测装置200形成PPG装置220的组成部分，其也在图2中图示并且还包括PPG评价单元222，PPG评价单元222用于根据由血红蛋白检测装置200所提供的输出来确定心血管状态信息。
[0105]图3是根据本公开并且特别是根据图1和2的实施例的血红蛋白检测装置和PPG装置的工作原理的图示。图3示出了表示任意线性单元中的氧合血红蛋白的吸收光谱的曲线图，绘制为以纳米为单位的波长λ的函数。在附图标记302下示出了氧合血红蛋白的吸收光谱。在图3的曲线图中还示出了黑色素的吸收光谱304。黑色素形成血红蛋白检测测量结果中并且因此也在光电体积描记法中的主要干扰物质。黑色素被示出为这样的干扰物质的范例，干扰物质包括表皮、真皮和由皮下组织所包括的并且与血红蛋白不同的任何物质。
[0106]光谱调制间隔306被选择为覆盖光谱区域，其中，作为波长的函数的血红蛋白吸收光谱的斜率假定相反符号。在所选择的光谱调制间隔306中，氧合血红蛋白的吸收光谱展示具有最大值302.1的共振吸收特征。因此，在本范例中，将共振吸收特征的最大值302.1的光谱位置当作参考波长，根据波长的吸收的斜率在较小的波长处是正的，并且吸收光谱的斜率在较大的波长处是负的。相比之下，在没有其斜率的符号的任何改变的情况下，黑色素的吸收光谱在该光谱调制间隔中是连续递减的。其他物质未示出但是已知的并且可以被假定为展示类似于黑色素的行为。
[0107]在许多实施例中，实际测量的量不是吸收系数，而是指示样本的透射率的另一量。众所周知，以cm—1为单位的吸收系数与所测量的样本的透射率互补。吸收越高，透射率越小。因此，所测量的样本的透射率将假定图3中所示的最大值302.1的光谱位置处的最小值，并且向较小和较大的波长的透射率特征的斜率在与吸收光谱相比较的透射率光谱中是相反的。然而，这没有关系。所测量的量中的斜率的符号的改变的出现是重要的。
[0108]在图1的血红蛋白检测装置100中，通过发射器单元104提供并且根据调谐控制信号调制覆盖光谱调制间隔306的所发射的电磁辐射110的波长。在图3中所表示的说明性范例中，所提供的波长在由形成光谱调制间隔306的下限和上限的波长&和\2给定的光谱限制中周期性地并且连续性地振荡。这通过图3中的振荡波形110.1图示，其将被理解为具有对应于调制频率f=l/T的调制时段T的时间(在纵坐标的方向上)的波长作为时间的函数(沿着横坐标)的表示。通过提供电磁辐射110的振荡光谱调制，由于光谱调制间隔306中的黑色素的几乎线性吸收光谱，因而黑色素对所传送的电磁辐射114以及因此对检测器信号的贡献114.2主要集中在进入的电磁辐射的调制频率处。相比之下，根据光谱位置302.1处的其共振吸收特征，氧合血红蛋白对所传送的电磁辐射114的贡献114.1展示具有对应于进入的电磁辐射的调制频率f的二次谐波频率2f的频率域中的调制时段T/2的主导贡献的调制。
[0109]这如下地实现:在跨越光谱调制间隔3O 6的波长的振荡的单个时段期间，吸收302.1的共振峰值将被扫描两次，因此将具有单个调制时段内的振荡的两个时段的信号贡献添加到检测器信号。通过根据调谐控制信号的调制频率的二次和其他偶次谐波使氧合血红蛋白对总检测器信号的贡献是可识别的，而黑色素(和其他物质)的贡献通过与调制频率和其其他奇次谐波相同的调制频率表征。取决于透射率的特定光谱依赖性，可以通过包括血红蛋白的所有物质提供高于二次谐波的小贡献谐波。因此，通过将对信号处理单元116中的检测器信号的不同的频率贡献分离，信号处理单元的输出选择性地提供由氧合血红蛋白基本上单独地所生成的频率分量2f的贡献。
[0110]因此，血红蛋白对检测器信号的信号贡献可以由其调制频率识别并且可以与检测器信号的其他频率分量分离。可以通过同步检测或通过采用锁定技术在信号处理单元116中实现分离。不同的实施例采用要么数字锁定技术要么模拟锁定技术。在任何情况下，信号处理单元116、216适合地还接收由如由调制控制单元108与信号处理单元116之间的对应的箭头所指示的调制控制单元和由调制控制单元208和信号处理单元216所提供的调谐控制信号。调制频率被选择为使得实现与由运动伪影所提供的信号贡献的已知最大值频率的清晰分离。
[0111]已经在针对具有光谱地经调制的可调谐发射器104的图1的血红蛋白检测装置100的实施例的情况的先前段落中描述根据本公开的实施例的血红蛋白检测的实现方案。操作原理针对光谱地经调制的可调谐检测器单元206与在图2的血红蛋白检测装置200中是相同的。针对在这两种情况下，在调制控制单元108、208的控制下以周期性的方式光谱地选择性地检测透射率。因此，针对图1的实施例上文所给定的解释也适于图2的实施例。
[0112]以图1和2的示例性实施例的方式所描述的技术允许血红蛋白以及因此具有干扰物质的高抑制的血液的检测。所采用的光谱调制导致检测器信号的幅度的调制。这具有以下优点:信号从低频率转移到高频率，其将针对血红蛋白检测和因此针对PPG所使用的信号贡献与通常发生在低频率处的运动伪影分离。所述技术还可以被描述为创建载波和边带。边带包含针对PPG允许导出实际的PPG信号的消息，而载波不是。然而，载波和边带二者同样地由诸如伪影的传输信道变化影响。因此，在一个实施例中，使用载波的幅度针对信道变化(运动)校正包含实际的PPG信号的边带信号。
[0113]而且，所采用的技术使得能够进行AC耦合、释放针对信号处理所使用的电子产品中的有价值的动态范围。所使用的技术的另一优点在于:传感器原理是自校准:由检测器单元所接收的所检测的载波信号的幅度是所测量的样本的衰减的度量，而载波幅度的调制是针对期望的血红蛋白检测或PPG信息的度量。
[0114]所描述的技术还可以被用于检测与血红蛋白不同的物质，通过根据给定吸收或透射率特性的它们的特性调制频率、通过根据所描述的准则适合地选择光谱调制间隔和提供针对光谱调制间隔中的电磁辐射的光谱地选择性和可调谐透射率信息。
[0115]图4和5各自示出了根据本发明的血红蛋白检测装置的不同的实施例的发射器单元400和500的示意性框图。发射器单元400和500光谱地可调谐为选择性地提供不同的所选择的波长处的电磁辐射。因此，其适于用作图1的血红蛋白检测装置100的发射器单元106。
[0116]图4的发射器单元400包括驱动器单元402和三个固态发射器404、406和408。固态发射器404、406和408中的每一个提供针对由血红蛋白检测装置使用所选择的光谱调制间隔内的一个固定波长。术语“固定波长”不是指单个波长，而是指具有峰值波长和发射的适合的光谱宽度的发射光谱。在发射器单元400的一个变型中，固态发射器404、406和408的光谱宽度足够小以允许利用所选择的光谱调制间隔306的不同区段中的固态发射器中的每一个确定透射率信息。在一个这样的变型中，固态发射器404、406和408不必具有任何其发射光谱的任何基本上光谱交叠使得可以测试所选择的光谱调制间隔306内的三个分立的光谱区域。如该范例所示，不存在获得具有超过全部光谱调制间隔的高光谱分辨率的所选择的光谱调制间隔306内的透射率信息。测试光谱调制间隔的某些区段或波长以便在调制时段期间获得足够的信号对比度是足够的。下文还将参考图14至18描述针对波长选择的不同的备选变型。
[0117]适合的固态发射器404至408的范例是发光二极管、有机发光二极管和激光二极管。其可以被提供为允许便携式血红蛋白检测装置或PPG装置的提供的小设备。这些发射器在任何期望的波长处和具有不同的光谱带宽特别是在可见光谱范围内是可商购的。
[0118]驱动器单元402以开关序列的形式接收来自调制控制单元108(未示出在图4中)的调谐控制信号，其激活调制时段的相应时段处的不同的固态光发射器404、406和408的相应一个。
[0119]取代三个固态发射器，任何其他数目的固态发射器可以使用在发射器单元400中。所选择的数目的固态发射器应当适合地选择以根据上文参考图3所给定的功能描述，获得必要量的具有基本上仅由血红蛋白引起的高频分量的期望的光谱透射率信息。具有相互地非交叠发射光谱的固态发射器的数目优选地等于或大于三，如将以图14至18的描述的上下文中的不同范例的方式所讨论的。作为使用发射具有不同波长的电磁辐射的不同固态发射器的备选方案，可以使用对应数目的相同的宽带发射器，每个跟随有允许仅各自的所选择的波长的传输的不同的光谱带通滤波器。
[0120]在发射器单元400的备选变型中，固态光发射器404至408具有不同的峰值波长，但是交叠的发射光谱，其一起覆盖所选择的光谱调制间隔的期望的区段。因此，相互交叠的发射光谱可以被用于提供具有可控制的峰值波长的所选择的光谱调制间隔内的可调谐的总体发射光谱，其中可控制的峰值波长为单独的固态发射器的强度的各自的加权和。在该变型中，调制控制单元108被配置为以强度控制信号的形式将调谐控制信号提供给发射器单元400，其确定调制时段处的相应阶段处的不同的固态发射器404至408中的每一个的各自的相对强度。在该变型中，具有相互交叠发射光谱的固态发射器的数目等于或大于三。较大数目的固态发射器允许实现具有较高的光谱分辨率的透射率信息。
[0121]在图5中示出了发射器单元500的备选实施例。在该实施例中，光谱地覆盖波长A1和入2之间的光谱调制间隔306的电磁辐射的单个宽带发射器502跟随有可调谐光学滤波器504，其被配置为取决于调谐控制信号，传送跨所选择的光谱调制间隔的多个不同的可选择的波长之一处的电磁辐射。可调谐滤波器506是由驱动器单元506来控制的。驱动器单元接收调谐控制信号。这样，所发射的波长的调制通过调谐光学滤波器506实现为光谱带通滤波器以在调制控制单元108的控制下跨光谱调制间隔的不同波长扫描。
[0122]在这些和其他实施例中，考虑发射器-检测器单元的光谱特性以避免检测误差是重要的。具体而言，应当注意，由发射器单元所提供的总发射的强度不包含形成可能由波长调制自身引起的调制频率的谐波的频率分量。因此，反馈和前馈(例如，查找表方法)可以是必要的。例如，假定使用四个发光二极管(LED)，其中，LEDl和LED3比LED2和LED4发射更高的强度。没有该强度比的适当的校正的检测的信号将已经包含偶次谐波，无论是否存在所看到的血红蛋白。因此，LED的强度在该情况中必须是平衡的。这可以使用查找表来完成。测量所发射的光强度112并且使用反馈环路使其平衡也是可能的。另一范例在可调谐滤波器的使用中。这些在其通频带中绝不是平的，并且将因此生成独立于被测量的所检测的信号中的谐波。
[0123]图6是200纳米与1000纳米之间的光谱范围内的血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)的吸收性质的曲线图。从图6可以看到，在蓝色和绿色光谱范围中以及684nm(红色)周围，吸收光谱的部分展示血红蛋白的吸收光谱的斜率的符号的改变。吸收光谱的适合的候选特征由虚线椭圆形和标签A至G标记，并且包括各自的吸收光谱的最大值或最小值。注意，对于正常健康对象而言，由于动脉血的高氧饱和度，因而血红蛋白吸收几乎完全由氧合血红蛋白(Hb02)确定。然而，770纳米周围的吸收峰F对于脱氧血红蛋白是唯一的并且可以被用于专门检测该物质的存在性。因此，图6的曲线图允许识别用于本公开的血红蛋白检测装置的实施例的实现方案的适合的候选光谱范围。
[0124]无论候选光谱范围是否实际上适于实现方案，必须由候选光谱范围内的不同的吸收光谱的比较确定。因此，对图7做出额外参考。图7将在700下所示的血液的吸收性质与黑素体(702)、表皮(704)和皮肤(706)的那些相比较以用于使用在识别用于根据本公开的血红蛋白检测和PPG的实现方案的适合的光谱范围A、B、C、D和E、F和G中。针对适合的光谱范围的优选的中心波长近似是418nm、512nm、542nm、560nm、576nm和684nm，但是光谱中的其他非线性部分对于使用在血红蛋白检测装置的实施例中也是可能的。这是如此因为任何非线性传递函数将总是生成较高的谐波。针对选择上文所提到的波长的主要原因是那里发生的斜率的改变。这将给定直接倍频，而在其他波长处，具有较低幅度的三次谐波更可能生成。
[0125]虽然在适合的光谱范围A至E中，可以找到血红蛋白的吸收光谱的斜率的符号的改变，但是在针对所示的干扰物质的这些光谱范围内事实并非如此。
[0126]在以下中，将参考图8至13讨论基于图7中所标记的适合的光谱范围C的适合的光谱调制间隔的不同的范例。
[0127]图8是图6的光谱的区段。其图示了光谱范围C中的光谱限制Lll与L12之间的适合的光谱调制间隔LI以用于使用在血红蛋白检测装置和PPG装置的实施例中。在图8中并且在图9至13中，通过完全垂直线指示光谱调制间隔LI至L6的光谱限制。为进一步图示本发明的实施例的工作原理，标记三个光谱位置Pl至P3。光谱位置Pl至P3处的氧合血红蛋白的吸收光谱的各自的切线SI至S3由虚线表示以指示这些光谱位置处的吸收光谱的各自的斜率。可以看出，斜率在光谱位置Pl处是正的、在光谱位置P3处是负的并且在光谱位置P2处是零，其中，吸收光谱形成最大值。光谱位置优选地利用优化所检测的信号强度选择并且还提供检测器信号的期望的频率分量处的好的调制对比度。
[0128]如图9至13中所示的不同的光谱调制间隔L2至L6的范例所示，针对跨越光谱区域C中的光谱吸收特征的适合的光谱调制间隔存在不同的选项。为了图形简单性，在图9至13中省略坐标轴。其与图8的那些相同，如示出氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱的相同区段那样。所示的光谱区域包含光谱位置P2和P4处的氧合血红蛋白的光谱中的两个不同的共振吸收峰，其中的每一个可以形成图9和10中所示的适合的光谱调制间隔L2和L3的中心波长。应注意到，较低的波长限制L3包括光谱区域C的局部最小值。这是允许的，但是其将向奇次谐波“泄漏”能量并且因此将给定次佳调制对比度。为了获得较好的调制对比度，应当避免包括局部最小值。
[0129]图11中所图示的另一变型使用覆盖P2和P4处的吸收峰二者的光谱调制间隔L4。这允许通过具有调制频率的四次谐波处的频率分量的氧合血红蛋白来实现对检测器信号的期望的信号贡献。在相同光谱调制间隔L4中，脱氧血红蛋白展示光谱位置P5处的单个吸收峰，其生成具有调制频率的二次谐波处的频率分量的信号贡献。这允许通过氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白获得对检测器信号的清楚的可分离的信号贡献。由氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白所生成的检测器信号的两个不同的频率分量可以由频率滤波分离并且被用于确定氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对量的估计，其指示血液的氧饱和度的量。图12和13示出了光谱调制间隔L5和L6的两个另外的变型，其包括氧合血红蛋白的吸收的各自的最小值。这样的极小值同样地适合为用于生成对检测器信号的二次谐波贡献的极大值。然而，光谱调制间隔L5中的最小值对氧合血红蛋白独有并且允许单独检测该物质，光谱调制间隔包括光谱位置P2和P4处的氧合血红蛋白的吸收峰以及光谱位置P5处的脱氧血红蛋白的吸收最大值之间的最小值。取决于氧饱和度，二次谐波处的调制对比度在该变型中将是较大或较低的。这可以被用于获得针对氧饱和度的度量。
[0130]图14-17图示了血红蛋白检测装置和PPG装置的其他变型。更具体而言，图14至17示出了用于基于图8的相同光谱调制间隔LI的血红蛋白检测装置或PPG装置的不同的实施例的实现方案的适合的波长的不同的备选集合。作为指导原则，波长或换句话说用于测试血红蛋白和其他物质的透射率的光谱位置应当被选择为位于通过选择给定光谱调制间隔LI针对血红蛋白检测已经选择的吸收特征的不同侧。
[0131]应当指出，不要求针对测试透射率所选择的波长的集合对应于根据波长的透射率展示具有相反符号的斜率的光谱位置。作为范例，使用在图14中所示的第一变型中的波长Wl至W3在跨越光谱位置P2处的吸收最大值的光谱位置处，其中，吸收(以及因此透射率)展示具有零或接近零的基本上相同的斜率。对于这些光谱位置而言，全部对应于氧合血红蛋白的吸收光谱中的极值。利用波长Wl至W3的选择实现的调制频率的二次谐波处的调制对比度是相对高的，其是有利的。
[0132]作为第二变型，图15示出了光谱位置P2处的吸收峰的两侧的三个其他光谱位置处的一组测试波长W4至W6。对于所有三个测试波长W3至W6而言，氧合血红蛋白的吸收光谱中的斜率是负的。二次谐波处的调制对比度在某种程度上低于在图14的变型中。
[0133]图16中所示的第三组测试波长W7至W9包括三个光谱位置，其中，氧合血红蛋白的吸收光谱中的斜率是正的。二次谐波处的调制对比度与图14的变型的那个类似。
[0134]第四组测试波长WlO至W12被选择为在围绕光谱位置P2处的吸收峰周围紧密间隔的光谱位置处。所实现的调制对比度在该范例中是相对低的。
[0135]所描述的任何变型中所实现的调制对比度还取决于透射率测量结果的光谱分辨率。如果测试波长之间的光谱距离是较大的并且如果针对测量结果所使用的血红蛋白的吸收特征的光谱线宽度允许，则可以使用较低的光谱分辨率，同时仍然实现高调制对比度。
[0136]图18至21示出了血红蛋白检测装置的不同的实施例的实现方案中的不同光谱调制间隔的检测器信号的频率分布的范例。
[0137]图18至21中的每一个具有主曲线图和插入曲线图。各自的插入曲线图是在HbO2下在图6中所示的氧合血红蛋白的吸收光谱的相应区段的绘图以图示针对测试(并且因此检测)氧合血红蛋白的透射率所选择的各自的光谱调制间隔。通过向下到达插入示图的横坐标处的波长标度的完全垂直线来指示光谱调制间隔的各自的限制。
[0138]图18至21的各自的主曲线图示出了不同的谐波频率分量的相对幅度I/Imax形成对检测器信号的贡献，绘制为频率f与调制频率fm的比的函数。换句话说，主曲线图图示了示出当在各自的所选择的光谱调制间隔中所获得的各自的检测器信号中的调制频率的不同的谐波的相对幅度的傅里叶谱。主曲线图中所示的结果是根据基于所示的各自的吸收光谱和基于500Hz的调制频率处的光谱调制间隔的各自的限制之间的连续正弦波长调制的模拟来导出的。所示的范例关于其任何潜在的参数是非限制性的。
[0139]以图18为基础的光谱调制间隔具有506.8nm的中心波长和具有其光谱限制之间的20nm的光谱宽度。该光谱调制间隔引起具有超过三次谐波的幅度的两倍的幅度的调制频率的二次谐波的主导的贡献，跟随有对一次和四次谐波的弱得多的贡献和对五次和六次谐波的非常弱的贡献。
[0140]为了比较，仅光谱调制间隔的轻微修改形成图19所表示的检测器信号的基础。此处所使用的光谱调制具有506.8nm的相同中心波长而不是具有仅I Onm的减少的光谱宽度。否则，采用相同的参数。利用该修改，除二次谐波外的频率分量的相对幅度与图18的范例相比较强烈地减少，使得仅三次和一次谐波在傅里叶光谱中保持可见，分别具有小于0.3和小于0.2的相对贡献。因此，可以通过光谱调制间隔的该修改来实现期望的输出信号的优化。
[0141]以图20的范例为基础的光谱调制间隔具有540.9nm的中心波长和具有其光谱限制之间的8nm的光谱宽度。该光谱调制间隔引起氧合血红蛋白对由调制频率fm的二次谐波基本上单独确定的检测器信号的贡献。因此，该光谱调制间隔实现非常有利的输出信号。这是由于以下事实:在该光谱调制间隔中，氧合血红蛋白的吸收光谱可以几乎完美地拟合(即，分解为)抛物线函数。
[0142]以图21的范例为基础的光谱调制间隔具有560nm的中心波长和具有其光谱限制之间的26nm的光谱宽度。该光谱调制间隔引起氧合血红蛋白对检测器信号的贡献，即具有调制频率fm的四次谐波处的主导分量，但是基本上没有二次谐波的贡献。如图6所示，脱氧血红蛋白(Hb)具有已经利用抛物线函数的强贡献分解的该光谱调制间隔中的吸收。因此，该实施例的检测器信号中的二次谐波的存在将是脱氧血红蛋白的存在的指示。因此，该光谱调制间隔可以被用于在脱氧血红蛋白(二次谐波)与氧合血红蛋白(四次谐波)之间进行区分，并且通过评价频率域中的各自的幅度，从而允许确定外围毛细管氧饱和度(还被称为Sp〇2)的估计。
[0143]以下描述转到根据本公开的实施例的血红蛋白检测方法和PPG方法的实施例。
[0144]图22是示出血红蛋白检测方法的实施例的流程图。方法基于使用光谱可调谐发射器-检测器单元并且包括提供周期性光谱选择性发射和在各自的调制时段期间覆盖光谱调制间隔的不同波长处的电磁辐射的检测的步骤1802。例如，光谱调制间隔可以根据以下准则选择:指示血红蛋白的透射率的量，绘制为波长的函数，展示可以利用至少一个偶函数的显著贡献分解的非线性依赖性，并且在光谱调制间隔中，指示要暴露于所发射和所检测的所述电磁辐射的其他物质的所述各自的透射率的量，绘制为波长的函数，未展示可以利用至少一个偶函数的显著贡献分解的非线性光谱依赖性。
[0145]后续步骤1804包括提供作为时间的函数的指示所检测的电磁辐射的检测器信号。
[0146]另一步骤1806包括处理检测器信号并且提供输出信号，其指示形成调制频率的二次或更高的谐波的至少一个频率分量对检测器信号的贡献。
[0147]该实施例的变型对应于在上文中所描述的血红蛋白检测装置的变型。
[0148]图23是示出PPG方法的实施例的流程图。光电体积描记方法基于执行根据图22的实施例的血红蛋白检测方法。因此，步骤1902至1906相应地与步骤1802至1806相同。方法还包括根据输出信号确定心血管状态信息并且提供心血管状态信息的步骤1908。
[0149]该实施例的变型对应于在上文中所描述的血红蛋白检测装置和PPG装置的变型。
[0150]总之，血红蛋白检测装置包括光谱可调谐发射器-检测器单元，其被配置为在覆盖调制频率处的光谱调制间隔的不同波长处光谱地选择性地并且周期性地发射或检测电磁辐射，并且作为时间的函数提供指示所检测的电磁辐射的检测器信号。装置还包括信号处理单元，其被配置为接收检测器信号和提供输出信号，所述输出信号指示形成调制频率的二次或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对检测器信号的贡献。血红蛋白检测装置可以使用在光电体积描记法应用中。
[0151]根据本公开的实施例，血红蛋白检测由暴露于经调制的波长的血红蛋白和其他物质的透射率的光谱地经调制的发射或检测并且由诸如带通滤波或同步检测器或锁定放大器的相位或频率特异的检测装置来实现。如果暴露于电磁辐射的其他物质不包含生成所选择的光谱调制间隔中的偶次谐波的同样强的非线性传递函数，则任何非线性传递函数生成偶次谐波并且可以用作用于选择性血红蛋白检测。
[0152]虽然在附图和前述描述中已经详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域的技术人员通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
[0153]在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
[0154]单个级或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
[0155]权利要求中的任何附图标记都不应被被解释为对范围的限制。
【主权项】
1.一种血红蛋白检测装置(100、200)，包括: -光谱可调谐发射器-检测器单元(102、202)，其被配置为在覆盖光谱调制间隔(LI至L6)的不同波长处以调制频率(fm)光谱选择性地并且周期性地发射或检测电磁辐射，并且被配置为提供作为时间的函数的指示检测到的电磁辐射的检测器信号；以及 -信号处理单元(116、216)，其被配置为接收所述检测器信号和提供输出信号，所述输出信号指示形成所述调制频率的二次谐波或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对所述检测器信号的贡献。2.根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置，其中，所述光学调制间隔是来自一组光谱间隔(A至G)的至少一个，在所述光谱间隔中，指示血红蛋白(Hb、Hb02)的透射率的量，绘制为波长的函数，展示能够利用通过至少一个偶函数的显著贡献来分解的非线性光谱依赖性，并且在所述光谱调制间隔中，指示要暴露于所发射和所检测的所述电磁辐射的其他物质的各自的透射率的量，绘制为波长的函数，未展示能够利用至少一个偶函数的显著贡献来分解的非线性光谱依赖性。3.根据权利要求1或2所述的血红蛋白检测装置，其中，所述光谱调制间隔包括一波长(P2)，在所述波长处，氧合血红蛋白展示吸收率的局部峰值(A、C、E)或局部最小值(B、D)。4.根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置，其中，所述信号处理单元(116、216)被配置为提供所述调制频率的所述二次谐波对所述检测器信号的贡献作为所述输出信号。5.根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置，还包括调制控制单元(108、208)，所述调制控制单元被配置为提供调谐控制信号，所述调谐控制信号在调制频率(fm)处是周期性的，用于驱动由所述发射器-检测器单元进行的在各自的调制时段(T)期间覆盖所述光谱调制间隔的对电磁辐射的光谱地经调制的发射或检测。6.根据权利要求5所述的血红蛋白检测装置，还包括光谱对齐单元(118、218)，其被配置为: -通过测试给定中心波长周围的光谱调制间隔(LI)中的不同的候选波长(Wl至W12)来在执行光谱对齐过程中控制所述调制控制单元(108、208); -根据针对所述不同的候选波长所接收的各自的检测器信号来确定最佳光谱调制间隔(LI至L6)，在所述最佳光谱调制间隔，所述调制频率的所述二次谐波或更高的偶次谐波对所述检测器信号的贡献是相对最大的;并且所述光谱对齐单元被配置为: -将所述最佳光谱调制间隔选择为针对所述调制控制单元的正常血红蛋白检测操作要使用的所述光谱调制间隔。7.根据权利要求5所述的血红蛋白检测装置，其中，所述发射器-检测器单元(102)包括: -光谱可调谐发射器单元(104)，其被配置为取决于所述调谐控制信号，选择性地提供不同波长处的所述电磁辐射；以及 -检测器单元(106)，其被配置为提供检测器信号，所述检测器信号指示由所述发射器单元所发射和由对象的血液和其他物质所散射的电磁辐射的量，作为时间的函数。8.根据权利要求5所述的血红蛋白检测装置，其中，所述信号处理单元包括锁定放大器，所述锁定放大器接收所述调谐控制信号和所述检测器信号。9.根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置，其中，所述发射器单元(104、500)包括至少一个可调谐固态发射器。10.根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置，其中，所述发射器单元(104、400)包括多个不同的固态发射器(404、406、408)，每个提供所述光学调制间隔内的一个固定波长，并且在所述调制时段的各自阶段激活所述不同固态光发射器中各自的一个。11.根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置，其中，所述发射器-检测器单元包括光谱可调谐检测器单元，所述光谱可调谐检测器单元被配置为选择性地检测不同波长处的所述电磁辐射和提供指示由所述发射器单元所发射的和由对象的血液和其他物质所散射的所述光谱选择的电磁辐射的量的检测器信号，作为时间的函数。12.根据权利要求7或权利要求11所述的血红蛋白检测装置，其中，所述发射器单元或所述检测器单元包括可调谐光学滤波器，所述可调谐光学滤波器被配置为发射跨所述光谱调制间隔的多个不同的可选择的波长之一处的所述电磁辐射。13.—种光电体积描记装置(120、220)，包括根据权利要求1所述的血红蛋白检测装置(100、200)和PPG评价单元(I22、222)，所述PPG评价单元接收所述输出信号并且被配置为根据所述输出信号来确定心血管状态信息并且提供所述心血管状态信息。14.一种血红蛋白检测方法，包括: -在调制频率处周期性地提供(2202)在各自的调制时段期间覆盖光谱调制间隔(LI至L6)的不同波长处的电磁辐射的光谱选择性的发射和检测； -提供(2204)作为时间的函数的指示检测到的电磁辐射的检测器信号;并且 -处理(2206)所述检测器信号并且提供输出信号，所述输出信号指示形成所述调制频率的二次谐波或更高的偶次谐波的至少一个频率分量对所述检测器信号的贡献。15.—种光电体积描记方法，包括根据权利要求14所述的血红蛋白检测方法并且还包括根据所述输出信号来确定(2308)心血管状态信息并且提供所述心血管状态信息。
【文档编号】A61B5/00GK105848569SQ201580003175
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年7月15日
【发明人】O·T·J·A·韦尔默朗
【申请人】皇家飞利浦有限公司