光电体积描记设备和方法
【专利摘要】本发明涉及监控设备和方法。所提出的设备包括：用于将光脉冲（3）发射到有机体的组织（4）中的光源（2）；用于从所述组织接收光（6）并生成传感器信号（7）的光传感器（5）；用于对所述传感器信号（7、9）进行滤波的滤波单元（10），所述滤波单元包括用于生成同相滤波信号（12）的切换的同相低通滤波器（11）和用于生成异相滤波信号（14）的切换的异相低通滤波器（13）；控制单元（19），用于控制所述光源（2）和所述滤波单元（10）使得所述同相滤波器（11）仅在所述光源（2）被接通的第二时间段（31）期间被接通，并且所述异相滤波器（13）在所述光源（2）被关断的第一和第三时间段（30、32）期间被接通；用于从所述同相滤波信号（12）中减去所述异相滤波信号（14）的减法单元（18）。
【专利说明】光电体积描记设备和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及监控设备和监控方法，特别是用于心率测量。
【背景技术】
[0002] 作为监控设备的重要种类，基于光电体积描记术（PPG)的心率检测器是公知的。来 自一个或多个光源(例如，LED)的光被发射到有机体(例如，患者）的组织中，并且由光传感 器(例如，光电二极管）捕获。
[0003] 关于心率检测器的问题在于外界（ambient)光漏到传感器中并扰乱测量。该外界 光可能源自太阳或者电灯(其可在网（net)频率处发射光)。另一问题是噪声，尤其是低频 噪声(例如，1/f?噪声)，而且高频噪声也扰乱测量。此外，电磁干扰也可能扰乱测量。
[0004] 绕开这个问题的方式是使用同步检测。在同步检测中，将被测量的信号(基带信 号）被调制到载波上。检测器解调该信号使得基带信号再次被获得。同步检测的优点在于 只有小频带(在调制频率周围)中的噪声和扰动信号可能扰乱所检测的信号。小频带之外的 所有的噪声和扰动都被过滤掉，并且因此不扰乱所检测的信号。使用同步检测的脉搏血氧 计例如从US6912413知晓。
[0005] 在简明（straightforward)的实施方式中，例如正如从无线电接收器知晓的，同步 检测是通过用正弦波调制光源完成的。这对于信号质量是有好处的，因为只有调制频率周 围的小的带中的噪声和扰动可能扰乱所检测的信号。小的带必须位于足够高的频率中以去 除较低的频率的扰动(例如，120Hz光)。这要求调制频率至少在该频率以上。这种形式的同 步检测要求复杂的电路。替代正弦波，也使用方波。通过将检测器中的高频分量过滤掉，只 有方波的基频周围的频带被利用。
【发明内容】
[0006] 本发明的一个目的是提供不要求由正弦波或方波调制而允许低频、低占空比的脉 冲光调制的监控设备和监控方法。
[0007] 在本发明的第一方面中，呈现了监控设备，包括： 用于将光脉冲发射到有机体的组织中的光源， 用于从所述组织接收光并生成传感器信号的光传感器， 用于对所述传感器信号进行滤波的滤波单元，所述滤波单元包括用于生成同相 (in-phase)滤波信号的切换的同相低通滤波器和用于生成异相（out-of-phase)滤波信号 的切换的异相低通滤波器， 控制单元，用于控制所述光源和所述滤波单元使得同相滤波器仅在光源被接通的第二 时间段期间被接通，并且异相滤波器在光源被关断的第一和第三时间段期间被接通， 用于从同相滤波信号中减去异相滤波信号的减法单元。
[0008] 在本发明的进一步的方面中，呈现了对应的监控方法。
[0009] 在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应理解的是，要求保护的方法具 有与要求保护的设备以及在从属权利要求中所定义的类似的和/或同样的优选实施例。
[0010] 本发明是基于应用同步检测方案的思想，所述方案不要求正弦或者方波的调制而 允许低频、低占空比的脉冲光调制，同时仍仅允许窄的、较高频带中的噪声和扰动扰乱所检 测的信号。
[0011] 根据本发明，紧密围绕主信号的外界信号（即，一般包括外界光和噪声)被测量。在 测量(采样）外界信号时，光源被关断。在测量(采样）主信号时，光源被接通。通过从主信 号中减去外界信号创建校正的信号。这样，不期望的外界信号从主信号中被移除。通过紧 密围绕主信号进行测量(采样)，实现了局部地增加的采样频率，使得达到高频率的外界信 号能够独立于对主信号进行采样的采样频率被检测并且被补偿。
[0012] 切换的低通滤波器被用于外界信号和主信号二者的检测。因而外界信号对应于异 相滤波信号，并且主信号对应于同相滤波信号。通过在两个滤波器的输出处的两种不同的 信号的减法来获得设备的输出信号。切换的低通滤波器被用来防止混叠（aliasing)和将 高频噪声过滤掉。
[0013] 应注意，本发明一般性地不限于三个时间段的使用，而是交错（interleaved)的 任意长度的序列是可能的，例如异相时间段、同相时间段、异相时间段、同相时间段…异相 时间段。在这样的实施例中，光源仅在同相时间段期间被接通。所有的同相时间段被积分 (integrate)在同相积分器(滤波器）中，而所有的异相时间段被积分在异相积分器(滤波 器）中。优选地，同相时间段的总和在名义上等于异相时间段的总和。
[0014] 在实施例中，所述控制单元被配置成控制所述滤波单元使得第二时间段具有与第 一和第三时间段的总和相同的长度。
[0015] 第一和第三时间段的长度的总和不是必须等于第二时间段的长度。在该情形中， 可通过适当的权重因数来补偿差异。因此，在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所 述滤波单元使得在第二时间段期间扰动信号的贡献与第一和第三时间段期间的扰动信号 的贡献相同。这是出现校准的地方。为了补偿滤波单元的两个滤波器之间的RC差异，在一 种校准程序中，可以故意地使得时间略微不相等。校准旨在略微调整时间段使得扰动信号 的贡献在两个滤波器中是相同的。
[0016] 在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述滤波单元使得第一时间段具有 与所述第三时间段相同的长度。然而，一般地，第一时间段具有不同于第三时间段的长度也 是可能的。
[0017] 在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述光源和所述滤波单元使得所述 第一时间段被布置在光源变为接通之前不久，并且所述第三时间段被布置在光源变为关断 之后不久。这提供了外界光在所有的三个时间段期间以最相似的方式和贡献被测量。
[0018] 在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述光源以及所述滤波单元使得第 一时间段和第三时间段之间的时间距离相比于将要被抑制的最快的扰动信号的时间段是 短的，即 ^3rd period ^lst period〈〈l,fdisturbance-max. °
[0019] 选择光源被接通和关断的时间中的确切时刻，使得外界光信号的积分被实现为使 得积分器（integrator)输出（异相信号）接近在光源是接通的时间处的外界光信号的真实 值。如果第一和第三时间段是对称的并且靠近第二时间段，则可实现最佳的接近。
[0020] 在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述光源和所述滤波单元使得第二 时间段比光脉冲的持续时间更短。
[0021] 在另一实施例中，监控设备还包括模拟-至-数字变换器，其耦合在所述滤波单元 和所述减法单元之间用于对所述同相滤波信号和所述异相滤波信号进行相减之前对它们 进行模拟-至-数字变换，或者其耦合至所述减法单元的输出，用于对所述减法单元的输出 信号进行模拟-至-数字变换。因而，针对由减法单元生成的校正的(输出）信号或者针对 减法单元的输出信号，使用满A/D分辨率。
[0022] 在另一实施例中，监控设备还包括耦合在所述光传感器和所述滤波单元之间的放 大器，用于在对所述传感器信号滤波之前对其进行放大。
[0023] 在另一实施例中，同相滤波器被配置成具有对应于传感器信号的信号带宽的带 宽。这提供了信噪比可以被改进。
[0024] 在一个实施例中，同相滤波器和异相滤波器是(名义上)同样的滤波器。因为主（同 相）和异相信号通过相同滤波器的两个实例，所以在两个分支中（不期望的）异相信号的贡 献是相同的，使得通过在两个滤波器的输出处的两个不同信号的减法，可以获得期望的输 出信号。
[0025] 所提出的监控设备的进一步的实施例优选地被实施为用于光学心率监控的腕戴 设备，但是其它的实施方式是可能的，并且是针对显著地减小日光的影响。
[0026] 在一个实施例中，所述控制单元被配置成控制由所述光源发射的光的强度在预 定的强度范围中和/或控制所述模拟-至-数字变换器的增益(特别是包括在所述模 拟-至-数字变换器中的放大器的增益）使得所述监控设备的输出信号的信号水平在预定 的范围内。这确保了被用于心率检测的输出信号的信号水平既不过高也不过低。
[0027] 在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制由所述光源发射的光的强度和/或 所述模拟-至-数字变换器的增益，使得同相滤波信号和异相滤波信号之间的差与异相滤 波信号之间的比值在预定的范围内。这确保了相比于外界光(特别是日光)，光源的光的量 不会过小。
[0028] 在替代性的实施例中，为了实现光源的光的量相比于外界光(特别是日光）不会过 小，所述控制单元被配置成基于异相滤波信号来控制由所述光源发射的光的强度，使得同 相滤波信号和异相滤波信号之间的差与异相滤波信号之间的比值在预定的范围内。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 依据在下文中描述的（多个）实施例，本发明的这些以及其它的方面将是明显的， 并且参照它们来阐明本发明的这些和其他方面。在下面的绘图中： 图1示出了所提出的监控设备的实施例的示意性框图， 图2示出了图示所提出的监控方法的方面的图， 图3示出了传感器信号的谱的图， 图4示出了所提出的监控设备的传递函数（transferfunction)的图， 图5示出了图示利用所提出的监控设备中噪声源的信号处理的示意性框图， 图6示出了耦合至放大器的光电二极管的实施例的等效电路图， 图7示出了包括噪声的传感器信号的以及所提出的监控设备的输出信号的谱的图， 图8示出了所提出的监控设备的另一实施例的示意性框图，以及 图9示出了图8中示出的实施例中的光源的光强度的图。
【具体实施方式】
[0030] 图1示出了根据本发明的监控设备1的实施例的示意性框图。监控设备1包括光 源2 (例如，LED; -般而言，在下文中即使使用术语LED，也意味着光源)，其用于发射光脉冲 3到有机体、特别是人(例如，患者、做运动的人等）或动物(例如，动物园中的）的组织4中。 光源2例如可被安装在由有机体佩戴的手指夹（fingerclip)或手表上。设备1进一步包 括用于从所述组织4接收光6并生成传感器信号7 (例如，光电二极管电流）的光传感器5 (例如，光电二极管)。可选地，放大器8、特别是跨阻抗放大器（TIA)被提供用来将传感器信 号7放大成被放大的传感器信号9 (例如，用于将光电二极管电流放大成电压信号)。
[0031](可选地被放大的)传感器信号9被提供至用于对所述传感器信号9进行滤波的滤 波单元10。滤波单元10包括用于生成同相滤波信号12的切换的同相低通滤波器11 (在 下面也叫做同相积分器）和用于生成异相滤波信号14的切换的异相低通滤波器13 (在下 面也叫做前后（preandpost)滤波器或者前后积分器)。
[0032] 可选地，模拟-至-数字（AD)变换器15被提供用于对滤波输出信号16 (包括同 相滤波信号12和异相滤波信号14)进行模拟-至-数字的变换。然后，（可选地，经AD变 换的）滤波输出信号17被传送至减法单元18,减法单元用于从(可选地经AD变换的）同相 滤波信号12中减去(可选地经AD变换的）异相滤波信号14以获得被用于心率检测的输出 信号23。
[0033] 最后，控制单元19被提供用于通过使用控制信号20、21、22控制所述光源2和所 述滤波单元10 (以及可选地AD变换器15)，使得同相滤波器11仅在当光源2被接通时的 第二时间段(也叫做同相积分间隔)期间被接通，以及异相滤波器13在当光源2被关断时的 第一和第三时间段(也叫做前积分间隔和后积分间隔）期间被接通。这在图2中被图示。
[0034] 图2示出了图示关于LED接通信号，即控制信号20的前积分间隔、同相积分间隔 和后积分间隔30、31、32的时间选择（timing)的图。特别是，示出了随以ys为单位的时 间t变化的以伏特为单位的被放大的传感器信号9 (也叫TIA信号)。前积分间隔和后积分 间隔30、32 (也叫第一和第三时间段)旨在在LED2未接通的情况下创建(可选地被放大的） 传感器信号9的插值的（interpolated)版本（S卩，旨在当LED2接通时重建扰动信号)。在 同相间隔31 (也叫第二时间段）期间，LED诱发的信号以及扰动信号二者被积分到(可选地 被放大的）传感器信号9中。
[0035] 因而，一般地，控制单元19 (一般包括时间选择生成器)以调制频率fm对光源2施 以脉冲。传感器5和TIA8接收并放大脉冲的传感器信号7并且将其提供至两个切换的滤 波器11、13。当光源2接通时，同相切换的滤波器11被切换。前后滤波器13 (S卩，异相滤 波器）在光源2被接通之前不久以及光源2被接通之后不久被接通。换言之，与将被抑制 的最快速的扰动信号的时间段相比，第一时间段30和第三时间段32之间的时间距离是短 白勺'艮P^3rd period ^lst period〈〈l/fdiErtmWfM。优选地，总的积分时间对于每个滤波器11、 13是相同的。当未被接通时，滤波器11、13保持它们的状态。
[0036] 设备1的主要的参数是： ?fm:LED调制频率； ? tQN:LED接通时间； ? d:从fm和tQN得出的占空比：d=tQNxfm;其确定平均的LED功率； ?设备中的切换的积分器(滤波器）的R和C值。
[0037] 设备1的主要的性能参数是： ?扰动抑制：光学和EMI扰动的抑制； ?信噪比； ?带宽； 籲功率消耗。
[0038] 外界光和电磁干扰可能扰乱传感器(光电二极管)信号7。该扰动的大量发生在DC 处，以及网频率的倍数处（比如50/60HZ，100/120HZ)。为了抑制这种扰动，同步检测被应用。
[0039] 暂时地，前后滤波器13可以被视为在LED2是接通时的扰动信号的评估器。评估 器是在前时段和后时段30、32期间的扰动信号的平均。对于足够低频率的扰动，评估将是 准确的。
[0040] 频谱上，同步检测器可以被视作阻止频率fsd之下的扰动信号的高通滤波器。扰动 信号被提供至前后滤波器13以及同相滤波器11二者，并且输出被计算为y(n) =xOi-l)-% (x(n-2)+x(n))。该滤波器的采样率例如?2500Hz。
[0041] 可以使用包含扰动信号a(t)的信号处理模型。为了抑制扰动信号，前后积分器13 应当很好地评估在LED2是接通时的扰动信号。为此，积分器11、13同等地表现是重要的。 可以使用两种方法的组合： 组件值（电阻器的R和电容器的C)应当在两个切换的积分器11、13之间很好地匹配。
[0042] 应用校准来匹配两个切换的积分器11、13的特性。
[0043] 优选的是，在实施例中，前积分间隔和后积分间隔30、32足够地靠近同相间隔31 (局部的采样频率必须够高)。否则，扰动信号中的较高的频率不会很好地被抑制。扰动抑 制是独立于是否在切换的积分器中应用重置的。这是因为在两种情形中，对于两种信号路 径，针对扰动信号的信号处理是相同的。
[0044] 由LED2用频率乙来调制通过组织的信号3的基带谱。由于这一点，TIA8的输 出信号9的谱具有在fm的倍数处重复的基带谱。朝较高频率的衰减是由LED占空比(根据 傅里叶级数)确定的。这被描绘在图3的信号图中，图3示出了由随频率f变化的VTIA指示 的TIA8的输出信号9的谱。
[0045] 只有在积分器11、13被切换时，他们才对输入信号9进行积分。当他们没有被切 换时，他们保持它们的状态。积分器11、13起低通滤波器的作用。切换占空比d影响滤波 器的带宽。利用状态空间平均，可以计算滤波器的带宽：
【权利要求】
1. 监控设备，包括： 用于将光脉冲（3)发射到有机体的组织（4)中的光源（2)， 用于从所述组织接收光（6)并生成传感器信号（7)的光传感器（5)， 用于对所述传感器信号（7、9)进行滤波的滤波单元（10)，所述滤波单元包括用于生成 同相滤波信号（12)的切换的同相低通滤波器（11)和用于生成异相滤波信号（14)的切换的 异相低通滤波器（13)， 控制单元（19)，用于控制所述光源（2)和所述滤波单元（10)使得所述同相滤波器（11) 仅在所述光源（2)被接通的第二时间段（31)期间被接通，并且所述异相滤波器（13)在所述 光源（2)被关断的第一和第三时间段（30、32)期间被接通， 用于从所述同相滤波信号（12)中减去所述异相滤波信号（14)的减法单元（18)。
2. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述滤波单元（10)使得所述第二时间段（31)具 有与所述第一和第三时间段（30、32)的总和相同的长度。
3. 如权利要求1种要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述滤波单元（10)使得在所述第二时间段（31) 期间的扰动信号的贡献与所述第一和第三时间段（30、32)期间的扰动信号的贡献相同。
4. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述滤波单元（10)使得所述第一时间段（30)具 有与所述第三时间段（32)相同的长度。
5. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述光源（2)和所述滤波单元（10)使得所述第 一时间段（30)被布置在所述光源（2)变为接通之前不久，并且所述第三时间段（32)被布置 在所述光源（2 )变为关断之后不久。
6. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述光源（2)以及所述滤波单元（10)使得所述 第一时间段和所述第三时间段之间的时间距离相比于将要被抑制的最快的扰动信号的时 间段是短的。
7. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述光源（2)和所述滤波单元（10)使得所述第 二时间段比光脉冲的持续时间更短。
8. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 还包括模拟-至-数字变换器（15)，其耦合在所述滤波单元（10)和所述减法单元（18) 之间用于在对所述同相滤波信号（12)和所述异相滤波信号（14)进行相减之前对它们进行 模拟-至-数字变换，或者其耦合至所述减法单元（18)的输出，用于对所述减法单元（18) 的输出信号进行模拟-至-数字变换。
9. 如权利要求1种要求保护的监控设备， 还包括耦合在所述光传感器（5)和所述滤波单元（10)之间的放大器（8)，用于在对所 述传感器信号（7)滤波之前对其进行放大。
10. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述同相滤波器（12)被配置成具有对应于所述传感器信号（7)的信号带宽的带 宽。
11. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述同相滤波器（11)和所述异相滤波器（13)是同样的滤波器。
12. 如权利要求8中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制由所述光源（2)发射的光的强度在预定的强度 范围（R)中并且控制所述模拟-至-数字变换器（15)的增益使得所述监控设备的输出信号 (23)的信号水平在预定的范围内。
13. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19 )被配置成控制所述光源（2 )使得所述光源（2 )交替地在同相时 间段（31)期间被接通以及在异相时间段（30、32)期间被关断，并且控制所述滤波单元（10) 使得所述同相滤波器（11)仅在所述同相时间段（31)期间被接通以及所述异相滤波器（13) 在所述异相时间段（30、32)期间被接通。
14. 如权利要求1中要求保护的监控设备， 其中所述控制单元（19)被配置成控制所述滤波单元（10)和所述光源（2)使得所述同 相时间段的总和名义上等于所述异相时间段的总和。
15. 监控方法，包括： 将光脉冲（3)发射到有机体的组织（4)中， 从所述组织（4)接收光（6)并生成传感器信号（7)， 对所述传感器信号（7、9)进行滤波，包括用于生成同相滤波信号（12)的切换的同相低 通滤波以及用于生成异相滤波信号（14)的切换的异相低通滤波， 控制光脉冲的所述发射以及所述传感器信号的所述滤波，使得所述同相滤波仅在光脉 冲被发射的第二时间段（31)期间被执行，并且所述异相滤波在没有光脉冲被发射的第一和 第三时间段（30、32)期间被执行， 从所述同相滤波信号（12)中减去所述异相滤波信号（14)。
【文档编号】A61B5/00GK104507381SQ201380040704
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年6月10日 优先权日:2012年6月18日
【发明者】T. J. M. 施佩 A., J. 鲁洛夫斯 K., G. 范恩根 P., 吉恩 K. 申请人:皇家飞利浦有限公司