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心率監測系統和確定用戶的熱身狀態的方法.pdf

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心率 監測 系統 確定 用戶 熱身 狀態 方法
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摘要
申請專利號:

CN201580002714.9

申請日:

20150717

公開號:

CN105744886A

公開日:

20160706

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/0245,A61B5/00,A61B5/11 主分類號: A61B5/0245,A61B5/00,A61B5/11
申請人: 皇家飛利浦有限公司
發明人: J.H.格里斯森,L.J.胡伊布雷格特斯
地址: 荷蘭艾恩德霍芬
優先權: 14178696.2
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 代理人: 李舒;景軍平
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201580002714.9

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

確定用戶的熱身狀態的心率監測系統和方法。提供了一種心率監測系統,其包括光學心率傳感器(100),所述光學心率傳感器被配置成測量或確定用戶的心率,并且輸出輸出信號(101)。此外,心率監測系統包括分析單元(200),其被配置成分析來自心率傳感器(100)的輸出信號(101),以及基于來自光學心率傳感器(100)的所分析的輸出信號(101),確定用戶的熱身狀態,其中所述分析單元(210)包括信號分析器(210),其被配置成分析輸出信號(101)的AC分量、輸出信號(101)的DC分量、和輸出信號(101)的脈搏形態中的至少一項,以及熱身檢測器單元(220),其被配置成基于按照輸出信號(101)的AC分量、DC分量或脈搏形態的信號特性所檢測的血液灌注來檢測用戶的熱身狀態。

權利要求書

1.心率監測系統,包括:-光學心率傳感器(100),其被配置成測量或確定用戶的心率并且輸出輸出信號(101),以及-分析單元(200),其被配置成分析來自心率傳感器(100)的輸出信號(101)并且基于來自光學心率傳感器(100)的所分析的輸出信號(101)確定用戶的熱身狀態,其中所述分析單元(200)包括:-信號分析器(210),其被配置成分析以下至少一項:輸出信號(101)的AC分量、輸出信號(101)的DC分量、和輸出信號(101)的脈搏形態,以及-熱身檢測器單元(220),其被配置成基于按照輸出信號(101)的AC分量、DC分量或脈搏形態的信號特性所檢測的血液灌注,檢測用戶的熱身狀態。2.按照權利要求1的心率監測系統,其中所述光學傳感器(100)包括至少一個光源(110),其被配置成生成射向用戶的皮膚(1000)的光,以及至少一個光電檢測器單元(120),其被配置成檢測指示來自所述至少一個光源(100)的光在用戶的皮膚(1000)中的吸收或從用戶的皮膚(1000)的反射的光,以及其中所述光學心率傳感器(100)的輸出信號(101)對應于所述至少一個光電檢測器單元(120)的輸出信號。3.按照權利要求1的心率監測系統,其中所述輸出信號(101)的信號特性包括DC分量的瞬時值或時間平均值、AC分量的瞬時值或時間平均值、和/或瞬時的或時間平均的脈搏形態。4.按照權利要求3的心率監測系統,其中所述熱身檢測器單元(220)被配置成將所分析的信號特性、其隨時間的相對和/或絕對改變與閾值進行比較,以確定用戶是否已經熱身。5.按照權利要求4的心率監測系統,進一步包括輸出單元(300),其被配置成輸出用戶的熱身狀態。6.確定用戶的熱身狀態的方法,包括以下步驟:-由光學心率傳感器(100)測量或確定用戶心率,并且輸出輸出信號(101),-分析來自心率傳感器(100)的輸出信號(101)并且基于來自光學心率傳感器(100)的所分析的輸出信號(101)確定用戶的熱身狀態,-分析以下中的至少一項:輸出信號(101)的AC分量、輸出信號(101)的DC分量、和輸出信號(101)的脈搏形態,以及-熱身檢測器單元(220)被配置成基于按照輸出信號(101)的AC分量、DC分量或脈搏形態的信號特性所檢測的血液灌注,檢測用戶的熱身狀態。7.一種計算機程序產品,其包括計算機可讀存儲器,所述計算機可讀存儲器存儲用于使得按照權利要求1的心率監測系統實行按照權利要求6的確定用戶的熱身狀態的方法的步驟的計算機程序代碼裝置。

說明書

技術領域

本發明涉及心率監測系統以及確定用戶的熱身狀態的方法。

背景技術

用來監測或檢測用戶心率的光學心率傳感器是眾所周知的。這樣的心率傳感器可以基于光體積描記儀(PPG)傳感器,并且可用來獲得體積器官測量。借助于脈搏血氧儀,人的皮膚的光吸收的改變被檢測,并且基于這些測量,可以確定用戶的心率。

US2014/0073486A1示出了可穿戴的生理測量系統,其使用PPG信號來確定用戶的心率。心率或心率變化性被確定,基于這些測量,確定用戶是應當熱身一段更長的時間段還是仍舊處在他/她的熱身階段。

典型地,透射式或反射式血液PPG傳感器通過以特定波長的吸收測量來監測血液對皮膚的真皮和皮下組織的灌注(perfusion)。PPG信號可包括在大的、不想要的DC偏置信號之上的小的AC信號(實際的血管容積圖)。DC偏置信號可包括可能來源于皮膚或組織以及來源于相當大部分的環境光的信號。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠檢測用戶的熱身狀態的心率監測系統以及一種用于確定用戶的熱身狀態的對應、方法。

在本發明的一個方面,提供了心率監測系統。心率監測系統包括光學心率傳感器,其被配置成測量或確定用戶的心率并且輸出輸出信號。此外,心率監測系統包括分析單元,其被配置成分析來自至少一個心率傳感器的輸出信號并且基于來自光學心率傳感器的所分析的輸出信號,確定用戶的熱身狀態。分析單元包括信號分析器,其被配置成分析以下中的至少一項:輸出信號的AC分量、輸出信號的DC分量、和輸出信號的脈搏形態。此外,分析單元包括熱身檢測器,其被配置成基于按照來自光學心率傳感器的輸出信號的AC分量、DC分量或脈搏形態的信號特性所檢測的用戶的血液灌注來檢測用戶的熱身狀態。因此,心率監測系統能夠基于由光學心率傳感器所確定的測量的生理信號來確定用戶的熱身狀態,這樣,熱身狀態的檢測可以更精確地執行。

在本發明的另一方面,光學心率傳感器包括至少一個光源,其被配置成生成射向用戶的皮膚的光。此外,光學心率傳感器包括至少一個光電檢測單元,其被配置成檢測指示來自所述至少一個光源的光在用戶的皮膚中的吸收或從用戶的皮膚的反射的光。光學心率傳感器的輸出信號對應于所述至少一個光電檢測器單元的輸出信號。因此,光電檢測器單元的輸出由分析單元進行分析,并且由此用來確定用戶的熱身狀態。

按照本發明的又一方面,信號特性可包括輸出信號的AC分量、DC分量的幅度或輸出信號的歷史(如幅度的增加/降低)或輸出信號的脈搏形態。這些信號特性可以是瞬時值或可以是時間平均值。

按照本發明的又一方面,熱身檢測器單元被配置成將所分析的信號特性和/或其隨時間的絕對和/或相對改變與閾值進行比較,以確定用戶的熱身狀態。當例如幅度沒有示出(顯著的)增加時,最佳灌注已經達到。按照本發明的又一方面,心率監測系統包括輸出單元,其被配置成輸出用戶的熱身狀態。

按照本發明的又一方面,提供了一種確定用戶的熱身狀態的方法。用戶的心率借助于光學心率傳感器被測量或確定,并且輸出信號被輸出。來自至少一個光學心率傳感器的輸出信號被分析,并且基于來自光學心率傳感器的所分析的輸出信號來確定用戶的熱身狀態。

按照本發明的一方面,通過使用光學心率傳感器和通過分析光學心率傳感器的輸出信號,檢測了血液灌注,并且由此檢測用戶的熱身狀態。特別地,血液灌注對于光學心率傳感器的輸出信號(例如信噪比)具有影響。

按照本發明的一方面,提供了一種計算機程序產品,其包括存儲用于使得以上心率監測系統實行確定用戶的熱身狀態的方法的步驟的計算機程序代碼裝置的計算機可讀存儲器。

將理解,權利要求1的心率監測系統、權利要求7的確定用戶的熱身狀態的方法和權利要求8的計算機程序產品具有類似的和/或相同的優選實施例,特別是如在從屬權利要求中所限定的。

將理解,本發明的優選實施例也可以是從屬權利要求或以上實施例或方面與相應的獨立權利要求的組合。

本發明的這些和其他方面將根據隨后描述的(一個或者多個)實施例變得顯而易見并且參照其進行闡述。

附圖說明

在以下的圖中:

圖1示出了按照本發明的一個方面的心率監測系統的基本框圖,

圖2示出了按照本發明的一個方面描繪了來自心率傳感器的輸出信號的圖,

圖3示出了按照本發明的一個方面的指示心率傳感器的、不具有其AC分量的輸出信號以及用戶的移動數據的圖,

圖4示出了指示心率傳感器的、具有其AC分量的輸出信號以及移動數據的圖,

圖5示出了按照本發明的另一方面的指示心率傳感器的輸出信號的AC分量以及移動數據的圖,

圖6示出了按照本發明的一個方面的指示心率傳感器的輸出信號以及輸出傳感器的調制的圖,

圖7示出了按照本發明的一個方面的指示心率傳感器的輸出信號以及用戶的移動數據的圖,

圖8示出了指示在用戶的手腕上測量的、在20個間隔內的心率傳感器的輸出信號以及輸出信號的調制的圖,

圖9示出了指示在用戶的小腿上測量的、在17個間隔內的心率傳感器的輸出信號以及輸出信號的調制的圖,以及

圖10示出了按照本發明的一方面的指示使用紅光和紅外光的光學心率傳感器的輸出信號的圖。

具體實施方式

圖1示出了按照本發明的一個方面的心率監測系統的示意性框圖。心率監測系統10包括至少一個心率傳感器100、分析單元200、可選地輸出單元300和可選地至少一個次要傳感器400。心率傳感器100包括至少一個光源110和至少一個光電檢測器120。幾個光電檢測器可被組合成光電檢測器單元。光電檢測器單元也可以只包括一個光電檢測器。光源110把光發射到用戶的皮膚1000上,并且光電檢測器120檢測從用戶的皮膚1000反射的或傳輸通過用戶的皮膚1000的光。光源110可以體現為LED或激光器。心率傳感器100因此可被實施為光學心率傳感器。心率傳感器100可以操作于透射率模式(測量傳輸通過用戶的皮膚1000的光)或反射率模式(測量從用戶的皮膚1000反射的光)。

在本發明的一個方面,光學心率傳感器100被實施為光體積描記術(PPG)傳感器。

光電檢測器120檢測從用戶的皮膚1000反射或傳輸的光。事實上,心率傳感器100光學測量人體組織中血液體積的變化,并且因此可以基于這些測量檢測脈搏信號。至少一個光電檢測器120的輸出信號可以是心率傳感器100的輸出信號101。心率傳感器100的輸出信號可以具有DC分量和AC分量。這將參照圖2更詳細地描述。

分析單元200可包括信號分析器120和熱身檢測器220。熱身檢測器220可選地可耦合到其中存儲閾值的存儲器221。替換地或附加地,熱身檢測器220也可以通過計算幅度隨時間的改變而檢測熱身已完成。如果幅度沒有(顯著的)改變,則用戶已完成熱身,并達到良好的灌注。

輸出單元300可以可選地具有圖形用戶接口310以及可選地無線接口320。經由無線接口320,心率監測系統可以與例如智能電話、平板機或筆記本電腦進行無線通信。

次要傳感器單元400可包括至少一個次要傳感器,如用于測量用戶移動的加速度計410、溫度傳感器420和/或濕度傳感器430。來自次要傳感器單元400的數據可用來驗證熱身檢測器220的輸出。

按照本發明的一個方面,信號分析器210分析光學心率傳感器100的輸出信號101。特別地,信號分析器210可以分析輸出信號101的DC分量、AC分量、和/或脈搏形態。特別地,可以分析PPG信號中的脈搏形態。而且,信號分析器210還可以分析輸出信號101的DC分量、AC分量、和/或脈搏形態的變化。熱身檢測器220通過分析光學心率傳感器100的輸出信號101的DC分量、AC分量、和/或脈搏形態而確定用戶的熱身狀態。換句話說,熱身檢測器220基于輸出信號的信號特性(如PPG傳感器的輸出信號的AC分量的幅度和/或歷史)檢測用戶的熱身狀態。可選地,熱身檢測器220可以將分析的輸出信號101與例如被存儲在存儲器121中的閾值進行比較。基于這些比較,熱身檢測器220可以確定用戶的熱身狀態。

熱身檢測器220也可以監測來自傳感器100的輸出信號的幅度的改變。如果沒有檢測到(顯著的)改變,則熱身檢測器可以確定熱身已完成。

熱身典型地在如跑步、踢足球等等那樣的鍛煉之前執行。熱身典型地通過較低強度的物理活動而完成。特別地,移動肌肉。其目的可以增加身體溫度,增加心腦血管系統的活動,增加灌注。熱身對于降低受傷的風險是有用的。通過熱身,灌注增加。這可以導致增加的肌肉活動。因此,更多的血液流過肌肉,并且因此肌肉可以得到供氧。

圖2示出了按照本發明的一個方面的指示心率傳感器的輸出信號的圖。按照圖2的心率傳感器可以基于按照圖1的心率傳感器。特別地,心率傳感器的輸出信號101包括DC分量101a以及AC分量101b。輸出信號101還具有脈搏形態。在圖2中,描繪了來自戴在手腕處的PPG傳感器的典型信號。輸出信號100的DC分量101a不包含心率信息。然而,AC分量101b是從其中可以導出心率的信號。AC分量對DC分量的比值是調制,并且是用于心率導出的有用的信號量的指示。心率信號的幅度是AC分量的高度。

圖3示出了指示了來自心率傳感器的輸出信號以及移動數據的圖。特別地,在圖3中,描繪了光學心率傳感器的輸出信號101。而且,也描繪了對應的移動數據401a、401b、401c。正如可以從心率傳感器的描繪的輸出信號上看到的,雖然用戶沒有移動(正如由移動數據401a—401c可以看到的),但是只存在DC分量101a,而不存在AC分量101b。因此,心率傳感器100不能夠檢測脈搏信號。

圖4示出了按照本發明的一個方面的指示心率傳感器的輸出信號以及移動數據的圖。與圖3的測量相比較,圖4所描繪的測量是在較后的時間點測量的。這里,從下面的圖可以看到,用戶沒有移動,并且AC分量101b是可檢測的,這樣可以導出脈搏信號。在輸出信號中的折皺(wrinkle)對應于由心跳引起的、反射方面的改變。這些折皺的幅度可以按照用戶的活動而改變。這特別地可以在熱身期間的開頭幾分鐘期間發生。

圖5示出了指示心率傳感器的輸出信號以及移動數據的圖。與圖4相比較,按照圖5的測量是在較后的時間點測量的。AC分量101b的幅度從圖3(其中其基本上是零)到圖4(具有0.03x104的幅度)增加到0.04x104的幅度。

圖3-5示出了當在跑步期間進行小暫停時(如由加速度計數據中的平坦的線指示的),由于較好的灌注,PPG輸出信號的幅度可以增加(跑步者得到熱身)。在這個暫停期間,PPG信號將不會被運動偽影擾動。

圖6示出了指示了輸出信號的幅度S以及輸出信號的調制M的圖。調制M以%描繪,而幅度S以nA/mA描繪。在t=1處,用戶處在溫暖環境中。在t=2處,用戶跑步1公里,并且之后坐在凳子上,并且具有相對低的灌注。在t=3-14處,用戶在樓梯上上下跑步,并且然后坐在凳子上,直至心率降回到120bpm為止。這里,可以看到,灌注開始增加。在t=15處,執行了4公里跑步,隨后坐在凳子上,直至心率降回到120bpm為止。在t=16處,執行了最后2公里跑步,并且用戶回到家中,并且坐在椅子上,直至心率降低到低于90bpm為止。從圖6可以看到,調制M和信號S對于在鍛煉期間身體經歷的不同階段做出反應隨時間改變。在t=2處,調制M和信號幅度S減小,因為身體試圖保留身體熱量。此后,身體開始慢慢熱身,例如,在t=10處,此時幅度增加。在圖6中,由于相對短的鍛煉和長的空閑階段,熱身時間段被延長。在t=6處,用戶已經緊接在每次跑步之后執行了兩次跑步,并且因此輸出信號的幅度增加。

圖7示出了按照本發明的一個方面的指示心率傳感器的輸出信號以及運動傳感器的輸出信號的圖。在圖7中,鍛煉花費了4000秒,并且在上部,描繪了運動傳感器的輸出信號101,而在下部,描繪來自用戶的運動數據。在t=220-3700秒期間,加速度沒有很大改變,除了在t=500和t=2400秒處的中斷以外,這時用戶處于空閑狀態。正如可以從圖7看到的,輸出信號101的幅度從開始(t=295秒)和中間(t=2096秒)增加。

圖8示出了按照本發明的一個方面的指示輸出信號101的信號S和調制M的圖,正如在幾個時間間隔1-20內看到的,其中每個間隔可以各自是10秒。特別地,光學心率傳感器100被系在用戶的手腕上。圖8的圖涉及到圖7的圖。

圖9示出了按照本發明的一個方面的指示在與圖7所示的相同鍛煉期間心率傳感器的輸出信號101的信號和調制的圖,其中心率傳感器被系在用戶的小腿上。通過比較圖8和9,可以看到,比起對于被系到用戶的小腿的心率傳感器而言,對于被系到手腕的心率傳感器輸出信號增加更多,雖然手臂沒有直接牽涉到用戶的灌注。

應當指出,心率傳感器的輸出信號101的增加的DC分量以及增加的調制可以被解釋為在熱身階段期間血液灌注增加。

在以相對恒定移動進行跑步期間,PPG信號的幅度可以在休息期間增加,只要運動偽影是相對恒定的。

應當指出,如果用戶正在以不同種類的鍛煉(如旁曳步(sideshuffle)、卡里奧卡舞、高抬腿、踢臀跑等等)做熱身的話,則如果熱身鍛煉是相對短的話可能難以測量灌注的增加,而如果在鍛煉之間存在休息時間段的話,則使用其可能會更好。另一方面,如果鍛煉具有返回模式,則心率監測系統可能能夠執行某些活動分類(例如,基于加速度計數據),從而使得能夠甚至在鍛煉期間進行有效檢測熱身狀態。

圖10示出了按照本發明的指示被放置在手指尖處的心率傳感器的輸出信號的圖。在圖10的上部,描繪使用紅光的光學心率傳感器的輸出信號101d,以及在下部,描繪使用紅外線的光學心率傳感器的輸出信號101e。而且,在圖10中,描繪了血管緊張度的改變,其在t=376處通過把不戴傳感器的手浸入到冷水中引起。應當指出,可能會在整個身體上出現血管收縮,因此導致血管收縮。從圖10可以看到,輸出信號的調制以及脈搏形態改變。

因此,按照本發明的心率監測系統分析心率傳感器的輸出信號,以導出用戶的熱身狀態。因為用戶的熱身狀態直接與血液灌注相連接,檢測血液灌注使得有可能確定熱身狀態。按照本發明的心率監測系統使用心率傳感器的輸出信號101的低信噪比(低調制)的關系來確定血液灌注。換句話說,如果心率傳感器100的輸出信號的信噪比是良好的,則血液灌注也是好的,并且用戶已熱身。另一方面,如果信噪比是低的,則血液灌注也是低的,并且用戶沒有正確地熱身。如果用戶在冷的環境中開始鍛煉,則人的身體將試圖通過關閉毛細血管,因此通過啟動血管收縮,來保持身體熱量。

按照本發明的一個方面,用戶的熱身狀態可以通過用戶的實際測量的生理信號而被檢測。因此,可以執行對用戶的熱身狀態的非常有效和精確確定。

按照本發明的一個方面,信號分析器210分析AC分量、DC分量、或這些分量的組合,如信號的調制。基于信號分析器210,熱身檢測器220可以檢測用戶的熱身狀態。例如,熱身檢測器可以使用輸出信號的AC分量、DC分量或調制的增加以及輸出信號101的脈搏形態來確定用戶的熱身狀態。用戶的熱身狀態可以由輸出單元300輸出。這可以由圖形用戶接口310或由無線接口320執行。用戶和/或他的教練可以通過光或聲學信號而被告知高效的熱身。替換地,也可以由輸出單元300輸出振動信號。

按照本發明的一個方面,熱身檢測器220可以將被存儲在存儲器221中的閾值與心率傳感器100的實際分析輸出信號進行比較。作為例子,DC分量中的5%的增加可被用作為閾值。在本發明的另一方面,熱身檢測器220可以計算幅度隨時間的改變(例如,通過取在剛剛過去的10秒中的平均幅度和減去之前的10秒中的平均幅度),以及當該值越過例如5%的閾值時,確定熱身是足夠的。附加地或替換地,閾值也可以是依賴于用戶或依賴于鍛煉的環境。環境閾值也可以考慮到外部溫度、傳感器在身體上的位置、和活動數據。特定于用戶的閾值也可以考慮到用戶的年齡、性別、種族和/或膚色和/或在用戶以前的鍛煉期間測量的信號特性。

光學心率傳感器100的光源110可以是LED或激光器。替換地,光學傳感器也可以基于照相機,并且可以通過使用環境光操作,而不用附加的光源。

在本發明的優選實施例中,心率監測系統可以被體現為手腕式設備。因此,手腕式設備可包括至少一個光學心率傳感器和分析單元。可選地,手腕式設備也可以包括輸出單元300。

心率監測系統可以被體現為智能手表、手腕式設備、智能眼鏡、智能手鐲或其他可穿戴(智能)設備。

所公開的實施例的其他變例可以由本領域技術人員在通過學習附圖、公開內容和所附權利要求而實踐所要求保護的本發明時被了解和實現。

在權利要求中,單詞“包括”不排除其他元件或步驟,并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。

單個單元或設備可以滿足在權利要求中闡述的幾項的功能。某些措施在互相不同的附屬權利要求中被闡述的單純事實不指示著這些措施的組合不可以被用來獲益。計算機程序可被存儲/分布在適當的介質上(諸如光學存儲介質或固態介質)、與其他硬件一起被提供或作為其他硬件的一部分被提供,但也可以以其他形式(諸如經由互聯網或其他有線或無線電信系統)被分布。

權利要求中的任何參考符號不應當看作為限制范圍。

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