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用于補償生命體征監測中的非線性效應的監測設備和方法.pdf

關 鍵 詞:
用于 補償 生命 體征 監測 中的 非線性 效應 設備 方法
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摘要
申請專利號:

CN201580003061.6

申請日:

20150326

公開號:

CN105813565A

公開日:

20160727

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/1455,A61B5/024,A61B5/08,A61B5/00 主分類號: A61B5/1455,A61B5/024,A61B5/08,A61B5/00
申請人: 皇家飛利浦有限公司
發明人: A·T·J·M·席佩爾
地址: 荷蘭艾恩德霍芬
優先權: 14163298.4
專利代理機構: 永新專利商標代理有限公司 代理人: 李光穎;王英
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201580003061.6

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種監測設備(10),包括:光源(14),其用于將光發射到生物的身體部分(12)中;光傳感器(18),其用于接收包括環境光分量(30)和產生于所述發射的光與所述身體部分(12)的相互作用的測量光分量(32)的光(16),并且用于生成輸出信號(34),其中,傳遞函數描述所述輸出信號(34)與所接收的光之間的關系;環境光取消單元(20),其用于將所述輸出信號(34)分離為對應于所述環境光分量(30)的第一信號部分(36)和對應于所述測量光分量(32)的第二信號部分(38);以及環境光調制移除單元(22),其用于通過基于所述傳遞函數(f)和所述第一信號部分(36)對所述第二信號部分(38)進行解調來補償所述環境光分量(30)的變化,以生成測量信號(40)。

權利要求書

1.一種監測設備(10),包括:-光源(14),其用于將光發射到生物的身體部分(12)中;-光傳感器(18),其用于接收包括環境光分量(30)和產生于所發射的光與所述身體部分(12)的相互作用的測量光分量(32)的光(16),并且用于生成輸出信號(34),其中,傳遞函數描述所述輸出信號(34)與所接收的光之間的關系;-環境光取消單元(20),其用于將所述輸出信號(34)分離為對應于所述環境光分量(30)的第一信號部分(36)和對應于所述測量光分量(32)的第二信號部分(38);以及-環境光調制移除單元(22),其用于通過基于所述傳遞函數(f)和所述第一信號部分(36)對所述第二信號部分(38)進行解調來補償所述環境光分量(30)的變化,以生成測量信號(40)。2.根據權利要求1所述的監測設備(10),其中,所述環境光調制移除單元(22)被配置為確定所述傳遞函數(f)的導數(f’)。3.根據權利要求2所述的監測設備(10),其中,所述環境光調制移除單元(22)被配置為通過將所述第二信號部分乘以所述傳遞函數(f)的所述導數(f’)的倒數來對所述第二信號部分(38)進行解調。4.根據權利要求1所述的監測設備(10),其中,所述環境光取消單元(20)被配置為確定針對第一信號部分分量(30)的估計并且從所述輸出信號(34)減去所述估計以確定所述第二信號部分(38)。5.根據權利要求1所述的監測設備(10),其中,所述傳遞函數(f)是非線性函數。6.根據權利要求1所述的監測設備(10),還包括校準單元(42),其用于確定所述傳遞函數(f),其中,所述校準單元(42)被配置為當所述光傳感器暴露于預定義強度的校準光時,根據所述光傳感器(18)的所述輸出信號(34)來確定校準值。7.根據權利要求6所述的監測設備(10),其中,所述校準單元(42)被配置為將曲線擬合算法應用到多個校準值。8.根據權利要求1所述的監測設備(10),-其中,所述光源(14)被配置為發射光脈沖;并且-其中,所述環境光取消單元(20)被配置為基于在當所述光源(14)關閉時的時間點處的所述輸出信號(34)并且基于在當所述光源(14)發射光時的時間點處的所述輸出信號(34)來對所述輸出信號(34)進行分離。9.根據權利要求8所述的監測設備(10),-還包括濾波單元(44),其被配置為當所述光源(14)發射光時利用第一低通濾波器對所述輸出信號(34)進行濾波以生成第一經濾波的信號,并且當所述光源(14)關閉時利用第二低通濾波器對所述輸出信號(34)進行濾波以生成第二經濾波的信號;-其中,所述環境光取消單元(20)被配置為從所述第一經濾波的信號減去所述第二經濾波的信號。10.根據權利要求1所述的監測設備(10),-還包括額外的環境光傳感器(48),其用于接收環境光并且用于生成環境光信號;-其中,所述環境光取消單元(20)被配置為基于根據所生成的環境光信號導出的針對所述環境光分量(30)的估計來對所述輸出信號(34)進行分離。11.根據權利要求1所述的監測設備(10),其中,所述光源(14)被配置為發射第一波長的光,還包括額外的光源(46),其用于發射與所述第一波長不同的第二波長的光。12.根據權利要求1所述的監測設備(10),-其中,所述光源(14)和所述光傳感器(18)被配置為被布置在所述生物的所述身體部分(12)的相對側;并且-其中,所述光的所述測量光分量(32)產生于通過所述身體部分(12)的所發射的光的透射。13.根據權利要求1所述的監測設備(10),-其中,所述光源(14)和所述光傳感器(18)被配置為被布置為面對所述生物的身體部分;并且-其中,所述光的所述測量光分量(32)產生于所述身體部分(12)處的所發射光的反射。14.一種用于監測生物的生命體征的裝置(50、50’),包括:-根據權利要求1中所述的監測設備(10);以及-處理單元(52),其用于根據所述測量信號(40)導出關于所述生物的生命體征的信息。15.一種監測方法,包括以下步驟:-將光發射(S10)到生物的身體部分(12)中;-接收(S12)包括環境光分量(30)和產生于所發射的光與所述身體部分(12)的相互作用的測量光分量(32)的光,并且用于生成輸出信號(34),其中,傳遞函數(f)描述所述輸出信號(34)與所接收的光之間的關系;-將所述輸出信號(34)分離(S14)為對應于所述環境光分量(30)的第一信號部分(36)和對應于所述測量光分量(32)的第二信號部分(38);并且-通過基于所述傳遞函數(f)和所述第一信號部分(36)對所述第二信號部分(38)進行解調來補償(S16)所述環境光分量(30)的變化,以生成測量信號(40)。

說明書

技術領域

本發明涉及一種監測設備和一種監測方法以及一種包括監測設備的用于監測生物的生命體征的裝置。

背景技術

人的生命體征,例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者血氧飽和度,用作人的當前狀態的指標并且用作嚴重醫學事件的強大預測器。出于該原因,生命體征在住院患者和門診患者護理設置中,在家或者在進一步健康、休閑和健身設置中廣泛地被監測。

測量生命體征的一種方式是體積描記術。體積描記術通常涉及對器官或身體部分的體積改變的測量,并且尤其涉及對由于隨每個心跳穿過對象的身體的心血管脈搏波的體積改變的檢測。

光電體積描記術(PPG)是評估感興趣區或者感興趣體積的光反射率或者透射的時變改變的光學測量技術。PPG基于這樣的原理:血液與周圍組織相比吸收更多光,因此血液體積中的隨著每個心跳的變化對應地影響透射或者反射率。除關于心率的信息之外,PPG波形能夠包括可歸因于諸如呼吸的另外的生理現象的信息。通過評估在不同波長(通常是紅色或者紅外的)處的透射率和/或反射率,血氧飽和度能夠被確定。

用于測量對象的心率和(動脈)血氧飽和度的典型脈搏血氧計包括作為光源的紅色LED和紅外LED以及用于檢測已經被發射通過患者組織(即,通過被包括在身體部分中的組織)的光的一個光電二極管。市場上可購得的脈搏血氧計在紅色波長處的測量與紅外波長處的測量之間快速切換,并且因此在兩個不同波長處測量組織的相同區或者體積的透射率。這被稱為時分復用。在每個波長處的關于時間的透射率給出針對紅色和紅外波長的PPG波形。

關于PPG的一個問題在于,環境光能夠泄露到傳感器中并且干擾測量結果。該環境光可以源自于太陽或電燈(其可以發射凈頻率處的光)。另一問題在于,噪聲(尤其是低頻噪聲(例如,1/f噪聲)而且高頻噪聲)也干擾測量。而且,電磁干擾也可以干擾測量結果。

在WO2013/0190423A1,公開了光電體積描記設備和方法。所公開的設備包括:光源,其用于將光脈沖發射到生物的組織中;光傳感器,其用于接收來自所述組織的光并且生成傳感器信號;濾波器單元,其用于對所述傳感器信號進行濾波,所述濾波器單元包括用于生成同相濾波器信號的切換的同相低通濾波器和用于生成異相濾波器信號的切換的異相低通濾波器;控制單元,其用于控制所述光源和所述濾波器單元,使得同相濾波器僅在第二時間段期間接通,同時光源接通,并且異相濾波器在第一時間段和第三時間段期間接通,同時光源關閉;減法單元,其用于從同相濾波器信號減去異相濾波器信號。

然而,尤其是關于準確度和可靠性,特別地如果環境光水平變得更高(例如由于手表設備的情況下的較窄的腕帶)和/或如果LED水平變得更低以便節省功率,在PPG生命體征檢測和生命體征監測的領域中還存在改進的空間。

發明內容

本發明的目標是提供一種進一步改進對潛在地干擾環境光效應的操縱的監測設備和監測方法。本發明的另外的目標是提供一種用于監測生物的生命體征的裝置。

在本發明的第一方面中,呈現了一種監測設備,包括:

-光源,其用于將光發射到生物的身體部分中;

-光傳感器,其用于接收包括環境光分量和產生于所發射的光與所述身體部分的相互作用的測量光分量的光,并且用于生成輸出信號,其中,傳遞函數描述所述輸出信號與所接收的光之間的關系;

-環境光取消單元,其用于將所述輸出信號分離為對應于所述環境光分量的第一信號部分和對應于所述測量光分量的第二信號部分;以及

-環境光調制移除單元,其用于通過基于所述傳遞函數和所述第一信號部分對所述第二信號部分進行解調來補償所述環境光分量的變化,以生成測量信號。

在本發明的另一方面中,呈現了一種對應的監測方法,包括以下步驟:

-將光發射到生物的身體部分中;

-接收包括環境光分量和產生于所發射的光與所述身體部分的相互作用的測量光分量的光,并且用于生成輸出信號,其中,傳遞函數描述所述輸出信號與所接收的光之間的關系;

-將所述輸出信號分離為對應于所述環境光分量的第一信號部分和對應于所述測量光分量的第二信號部分;并且

-通過基于所述傳遞函數和所述第一信號部分對所述第二信號部分進行解調來補償所述環境光分量的變化,以生成測量信號。

在本發明的又一方面中,呈現了一種用于監測生物的生命體征的裝置,所述裝置包括:

-如本文所公開的監測設備;以及

-處理單元,其用于從所述測量信號導出關于所述生物的生命體征的信息。

在本發明的又一個方面中,提供了一種包括程序代碼模塊的計算機程序,所述程序代碼模塊用于,當所述計算機程序在計算機上執行時,令所述計算機執行本文公開的方法的步驟,并且提供了一種在其中存儲有計算機程序產品的非暫態計算機可讀記錄介質,所述計算機程序產品當由計算機處理器運行時,令本文公開的方法被執行。

本發明的優選實施例定義在從屬權利要求中。應當理解,請求保護的方法、裝置、計算機程序和介質與請求保護的并且如在從屬權利要求中定義的設備具有相似和/或相同的優選實施例。

本發明旨在改進測量信號上的環境光的環境光效應和水平變化的補償。各種監測設備(例如PPG設備)依賴于光與生物的身體部分(即身體部分中的組織或血液)的相互作用的評價。為此,光源將光發射到生物的身體部分中并且光傳感器在其已經與該身體部分相互作用之后捕獲光。從而,可能的是,執行反射式測量,即于在所述身體部分處反射之后評價光,或者執行透射式測量,即于在透射通過所述身體部分之后評價光。

確保所述光傳感器與所述身體部分的光緊密連接常常是困難的。因此,除由所述光源所發射并且已經與所述身體部分相互作用的所述光外,至少一些環境光也結束于所述光傳感器的所述輸出信號中。該環境光可以影響所述測量信號并且使從所述測量信號導出關于生命體征的信息更困難或不可能。

為了補償該效應,環境光取消單元用在根據本發明的監測設備中以用于將所述輸出信號分裂為對應于所述環境光分量的第一信號部分和對應于被包括在所述信號中的實際期望的測量光分量的第二部分。所述第二信號部分然后可以實際對應于所述測量光分量自身或針對其的估計。

然而,環境光還以第二方式干擾由所述光傳感器所生成的所述輸出信號。由所述光源所發射的光由所述環境光調制。因此,給定水平的光對光傳感器的所述輸出信號的所述影響針對不同水平的環境光可以不同。這意指取決于所述環境光分量,所述相同測量光分量能夠導致不同的第二信號部分。如果所述第二信號部分要被評價以便獲得測量信號(從其的生命體征信息的另外的評價和導出),則該效應需要被補償。如果傳遞函數(即,描述所述光傳感器的輸入(接收的光)和輸出(輸出信號)之間的關系的函數是非線性函數,則這尤其重要。

本發明的環境光調制移除單元補償該效應。通過計算特定環境光水平處的環境光的影響并且基于該影響校準針對所述第二信號部分確定的值,對所述第二信號部分進行解調。

在本文中,所述環境光分量是指由環境光源引起的由所述光傳感器捕獲的光的分數(即所述環境光水平)。能夠通過日光或通過所述監測設備附近的人工光源引起環境光。所述光傳感器將不僅捕獲期望的光而且至少一些環境光。所述環境光水平(即在生物附近的環境光的強度)影響環境光分量(除所述監測設備的殼體的形狀外)。

所述測量光分量是指從在該發射的光已經與所述身體部分相互作用之的由光源發射的光產生的捕獲的光的強度。所述光傳感器接收光并且提供描述所述環境光分量和所述測量光分量的總和的強度值。因此,對于所述光傳感器而言在所述兩個分量之間進行區分通常是不可能的。

信號對應于連續或時間離散序列值或一個單個值(針對時間的特定點)。所述光傳感器的輸出信號是所測量的強度的模擬或數字表示。因此,所述輸出信號包括產生于所述測量光分量的部分(第二信號部分)和產生于所述環境光分量的部分(第一信號部分)。

信號部分對應于信號的分數。通常,信號部分對應于描述各自的輸入光的強度的值。具體而言,本發明的光傳感器的輸出信號包括兩個信號部分:表示或對應于所述環境光分量的第一信號部分和表示或對應于所述測量光分量的第二信號部分。所述信號部分結束于所述輸出信號。

將信號分離可以尤其是指將(數字)信號的當前值劃分為第一值和第二值。這些第一值和第二值被稱為部分。因此,信號部分可以具有與所述原始信號相同的形式。每個信號部分指示比原始(輸出)信號更低的光強度。對信號部分進行解調(有時也被稱為“調制”)對應于調節由該信號部分表示的光強度。為此,借助于將常量或變量因子應用到所述第二信號部分的計算或其他流程來計算所述測量信號是可能的。

所述傳遞函數是描述所述光傳感器的性質的函數。通常,所述傳遞函數將針對相同類型的不同的光傳感器或多或少是恒定的。所述傳遞函數可以在校準流程期間確定,其中,將預定義輸入提供給所述光傳感器并且所述輸出被測量以導出所述傳遞函數,或傳遞函數所述可以從所述傳感器的模型獲得。所述傳遞函數或其導數可以存儲在所述監測設備中。

如本文所使用的,所述光傳感器可以不僅是指所述物理感測部件自身(即,實際傳感器)而且也可以包括其他部件,諸如用于放大基于所接收的光由所述物理感測部件生成的信號的一個或多個放大器、濾波器和/或信號整形部件。由所述光傳感器生成的輸出信號將被理解為被應用到所述環境光取消單元的得到的信號。因此,所述傳遞函數包括所述輸出信號的在其到所述環境光取消單元的路徑上的所有效應。尤其是,非線性傳遞函數可以由用于放大由所述物理感測部件生成的信號的放大器而不是由所述物理感測部件自身引起。本文所公開的所述設備和方法補償直到所述環境光取消單元的所述路徑中的任何非線性效應。

本發明尤其得到以下優點:與先前的方法相比較,更好地補償環境光對所述測量結果的效應變為可能的。由本文描述的所述監測設備所提供的所述測量信號可以用在用于監測生命體征的裝置中。因此,由這樣的裝置所提供的所述生命體征信息還可以具有較高的有效性。根據本發明的方面的設備或方法在要求非常準確的生命體征信息的應用中可以是有利的。而且,具有高水平的環境光的區中的應用針對使用本發明可以具有利益。

在第一實施例中,所述環境光調制移除單元被配置為確定所述傳遞函數的導數。可以在針對所接收的光的特定強度值(例如,所述輸出信號的當前值、操作點)或針對范圍(所導出的函數)的請求后確定該導數。所述導數可以以表的形式或以計算說明書的形式存儲。優點在于,更好地補償取決于所述傳遞函數的梯度的關于所述環境光水平的效應變為可能的。

在優選的實施例中,所述環境光調制移除單元被配置為通過將所述第二信號部分乘以所述傳遞函數的所述導數的倒數來對所述第二信號部分進行解調。通常,將由數值表示第二信號部分。能夠將該數值乘以當前操作點處的所述傳遞函數的所述導數的倒數。從而,能夠補償所述傳遞函數的不同的梯度。因此,如果由于較高水平的環境光(較高的環境光分量),所述傳遞函數具有當前工作點中,即當前輸出信號的水平處的較高的梯度,這可以通過乘以所述傳遞函數的倒數來補償。這得到以下優點:獲得針對所述環境光的分量的變化的效應和其對所述測量信號的影響的有效補償變為可能的。

在另一實施例中,所述環境光取消單元被配置為確定針對第一信號部分分量的估計并且從所述輸出信號減去所述估計以確定所述第二信號部分。因此,針對第一信號部分的值的估計被減去,即所述輸出信號的值減少所述第一信號部分的所估計的值。可以例如通過當所述光源單元關閉時即當測量光不存在(未接收到測量光分量)時的時間處確定所述輸出信號來獲得該估計。然后,所述輸出信號基本上對應于所述第一信號部分。能夠在WO2013/0190423A1中找到用于確定針對所述第一信號部分的估計的一個可能方法,其中,公開了提供針對所述環境光的影響的估計和從所述輸出信號移除所述估計的電路。移除對應于所述環境光分量的所述信號部分的估計具有能夠有效地補償由所述環境光所引起的干擾的優點。

在實施例中,所述傳遞函數是非線性函數。通常,即對于大多數光傳感器而言,所述傳遞函數是非線性函數。這樣的非線性函數可以導致測量光分量對所述輸出信號的效應的實質性差異。這意指當所述環境光分量變化時,所述第二信號部分針對相同測量光分量可以是基本上不同的。然后,由本發明的所述環境光調制移除單元所提供的補償是甚至更重要的。

在另一實施例中,上述監測設備還包括用于確定所述傳遞函數的校準單元,其中,所述校準單元被配置為當暴露于預定義強度的校準光時,根據所述光傳感器的所述輸出信號來確定校準值。這樣的校準單元可以尤其結合生成預定義光強度的光的光發射單元來使用。所述光傳感器暴露于該校準光。測量所定義的光強度,并且記錄針對該預定義輸入的所述光傳感器的輸出(輸出信號)(校準值或校準點)。這形成針對所述傳遞函數的基礎。可以由針對不同的單個值或范圍的查找表來表示所述傳遞函數。還可以由基于所述不同的測量點(校準值)的內插或由被調節到至少一個校準值的模型函數表示所述傳遞函數。可以在第一次使用所述監測設備之前(即在所述傳感器或監測設備的生產期間)初始地或規則地或者在每次使用之前執行所述校準。針對每個監測設備執行校準流程通常是有利的,因為所述制造過程和/或材料容限的差異可能導致所述傳遞函數的大的偏差。

在優選的實施例中,所述校準單元被配置為將曲線擬合算法應用到多個校準值。優選地,上面概述的校準流程中的所確定的值用作針對曲線擬合方法的輸入以導出所述傳遞函數。曲線擬合算法允許從多個測量點導出連續的函數。因此,提供將函數值分配給所述輸出信號的每個可能值的傳遞函數變為可能。從而,使用連續增加的模型函數是尤其有利的。這可以允許避免進一步的信息處理中的矛盾。可能的曲線擬合算法包括諸如最小二乘法擬合等的方法。

在如上文所描述的監測設備的實施例中,所述光源被配置為發射光脈沖;并且所述環境光取消單元被配置為基于在當所述光源關閉時的時間點處的所述輸出信號并且基于在當所述光源發射光時的時間點處的所述輸出信號來對所述輸出信號進行分離。如果所述光源發射光脈沖,則能夠利用所述光源打開時的時間與所述光源關閉時的時間處的所述輸出信號之間的差異。因此,所述環境光分量是單獨和與所述測量光分量一起測量的。這對應于時分復用方法。該配置表示確定所述測量光分量的影響的有效的方法。而且,脈動光源關于所述生命體征信息提取可以是有利的。

在優選的實施例中,所述監測設備還包括濾波單元,所述濾波單元被配置為被配置為當所述光源發射光時利用第一低通濾波器對所述輸出信號進行濾波以生成第一經濾波的信號,并且當所述光源關閉時利用第二低通濾波器對所述輸出信號進行濾波以生成第二經濾波的信號;并且所述環境光取消單元被配置為從所述第一經濾波的信號減去所述第二經濾波的信號。從而,從所述輸出信號減去所述環境光分量的影響(即所述第一信號部分)以獲得所述第二信號部分(或其估計)的(模擬或數字)信號處理方法變為可能的。

在又一實施例中,所述監測設備還包括額外的環境光傳感器,所述額外的環境光傳感器用于接收環境光并且用于生成環境光信號;并且所述環境光取消單元被配置為基于從所生成的環境光信號導出的針對所述環境光分量的估計來對所述輸出信號進行分離。作為利用上文所概述的脈沖光源的備選或者除了利用上文所概述的脈沖光源之外,還能夠使用額外的環境光傳感器基于環境光水平的測量來單獨獲得針對所述環境光分量(而沒有所述測量光分量)的估計。然后,能夠從(原始)光傳感器的所述輸出信號(對應于所述環境光分量和所述測量光分量)減去(對應于所述環境光分量)的所述環境光信號,以獲得針對所述第二信號部分的估計。該實施例的優點在于,不要求所述光源的脈沖操作。

在所述上文概述的監測設備的優選實施例中,所述光源被配置為發射第一波長的光,并且還包括額外的光源,其用于發射與所述第一波長不同的第二波長的光。通過包括發射不同波長處的光的兩個光源,利用針對不同波長的光的具有不同氧飽和的血液的所述吸收特性的差異變為可能的。這允許獲得關于所述患者的所述血氧飽和度的信息。通常,所述兩個光源將交替地(即依次脈沖)操作。然后,可以由一個光傳感器捕獲所述發射光。

在又一實施例中,所述光源和所述光傳感器被配置為被布置在所述生物的身體部分的相對側上;并且所述光的所述測量光分量產生于通過所述身體部分的所述發射光的透射。從而,透射式測量變為可能。光被發射到身體部分中并且在所述身體部分的另一側上被采集。因此,光必須與所述身體部分(即其中的組織和血液)相互作用。透射式測量具有能夠獲得魯棒的輸出信號的所述優點。

在另一實施例中,所述光源和所述光傳感器被配置為被布置為面對所述生物的身體部分;并且所述光的所述測量光分量產生于所述身體部分處的所述發射光的反射。從而,反射式測量變為可能。光被發射到身體部分中,與所述身體部分相互作用并且(部分地)被反射。反射的光借助于所述光傳感器被捕獲并且被評價。如果透射式測量不可能,例如如果要檢查的身體部分對于發射的光而言太厚以致于不能被透射通過,則這是特別有利的。

附圖說明

本發明的這些和其他方面將根據下文描述的(一個或多個)實施例而顯而易見,并且參考下文描述的(一個或多個)實施例得到闡述。在以下附圖中:

圖1示出了根據本發明的方面的監測設備;

圖2示出了圖示光傳感器的光對輸出特性(傳遞函數)的光的示意圖;

圖3示意性圖示了根據本發明的信號處理方法;

圖4示意性圖示了根據本發明的監測設備的另一實施例;

圖5示出了根據本發明的方面的用于監測生物的生命體征的裝置;

圖6示出了根據本發明的方面的用于監測生物的生命體征的裝置的另一實施例;并且

圖7示意性圖示了根據本發明的方面的監測方法。

具體實施方式

本發明涉及用于提供承載關于生物的生命體征的信息的測量信號的監測設備。能夠評價該測量信號以在處理單元中從其導出生命體征信息。該處理單元可以被包括在監測設備中或是另一設備的部分。在本文中,用于監測的裝置涉及包括監測設備以及用于評價由監測設備提供的測量信號的處理單元的裝置。

圖1在截面視圖中圖示了根據本發明的方面的監測設備10。所圖示的設備10對應于能夠應用到人的手指12的夾子。在以下中,針對這樣的手指夾傳感器的非限制性范例圖示了本發明。然而,本發明的其他應用是可能的,諸如在耳朵傳感器、佩戴式傳感器或任何其他可佩戴的(例如,手表型設備、安全帶)等中。

所圖示的設備10包括光源14,所述光源將光發射到生物的身體部分12中。在所圖示的實施例中,身體部分對應于人的手指。光源14通常包括LED。發射的光與手指12(或者更精確地,與手指中的組織和/或血液)相互作用。在相互作用之后,借助于光傳感器18來捕獲發射的光。光傳感器18(有時也被稱為前端或光電傳感器)通常包括光電二極管。除發射的光外,所接收的光16還包括環境光。在本文中,測量光分量描述所接收的光的對應于已經與身體部分12相互作用并且由光傳感器18接收的由光源14發射的光的部分。環境光分量描述了所接收的光16的來自環境的部分。

光傳感器18提供能夠進一步被處理的(模擬或數字)輸出信號。輸出信號通常對應于所接收的光16的光強度的讀數。輸出信號與光傳感器暴露于的光強度的關系被稱為傳遞函數。傳遞函數描述了光傳感器18的性質。

除如圖1中所圖示的透射式測量外,還可以利用反射式測量原理(即,光傳感器和光源布置在身體部分的相同側并且反射的光的被捕獲)。

根據本發明的監測設備10的優選的應用領域是血氧飽和度監測。在該應用中,除光源14外,監測設備10通常包括額外光源,其發射與光源14的光不同的波長的光。通常,使用紅色LED和紅外LED。兩個LED通常被脈沖(即交替地打開)以不彼此干擾。紅色和紅外光譜中的發射的光與身體部分12中的血液相互作用。在該相互作用之后,由光傳感器18捕獲光。血氧飽和度的改變導致血液的顏色的改變。尤其是如果使用兩個不同波長的光,則能夠根據就評價所接收的光來獲得關于該改變的信息。除血氧飽和度外,能夠從測量信號導出心跳和/或呼吸率。

如上文已經提到的該布置中的一個問題在于,通常,不僅從光源所發射的光由光傳感器18接收。取決于監測設備10的殼體的實施例,環境光也由光傳感器18接收。該環境光可以源自于日光或來自在人附近的人工光源。通常,不同的時間處存在不同水平的環境光(環境光水平的變化)。取決于存在環境光的波長和/或其波動(尤其是關于與心率可比較的頻率處的波動),該環境光可以使從測量信號提取有意義的生命體征信息困難,因為對應于期望的生命體征信息的測量信號的改變通常是小的。

因此,由光傳感器18所檢測的光包括環境光分量和測量光分量。這兩個分量結束于光傳感器18的輸出信號中。

為了補償環境光對測量信號的影響,本發明提供環境光取消單元20和環境光調制移除單元22。環境光取消單元20將由光傳感器18提供的輸出信號分離為第一部分和第二部分,所述第一部分對應于環境光(環境光分量),所述第二部分對應于由光源14初始發射的光(測量光分量)。環境光調制移除單元22還補償產生于針對不同水平的環境光的光傳感器18的不同的敏感度的效應。因此,由環境光調制移除單元22生成的測量信號對應于針對獨立于環境光分量的測量光分量的量度。

環境光以兩個方式結束于光傳感器的輸出信號中。一方面,如果沒有什么特殊之處完成,則其添加到輸出信號。即使采集來自光源的相同量的光,較高水平的環境光導致較高的輸出信號水平。另一方面,環境光對LED光進行調制。換言之:當暴露于另一水平的背景或環境光時,光傳感器不一定將相同量的(額外)光轉換為相同的信號水平。解調信號部分(在環境光調制移除單元22中)對應于移除該效應。

第一效應能夠通過提供環境光取消單元20(還可以被稱為環境光取消電路)來補償,所述環境光取消單元移除環境光的貢獻。將輸出信號分離為對應于環境光分量的第一部分和對應于測量光分量的第二部分。這可以例如由如WO2013/0190423A1中所呈現的減法完成。其中,呈現了利用以下事實的電路:脈沖式光源允許在當光源關閉時的時間處獲得環境光分量的測量結果(在沒有測量光分量的情況下)。然后,在當光源14關閉時的時間處的光傳感器18的輸出信號可以從在當光源14打開時的時間處的輸出信號減去以獲得針對對應于測量光分量的輸出信號的信號部分(第二信號部分)的估計。

換言之,環境光取消利用以下事實:LED(光源)的光是脈沖的,使得存在在其期間僅環境光存在于光傳感器處的時間區間和在其期間環境光和來自光源的光的總和存在于光傳感器處的其他時間區間。提供該功能性的一個可能方法是取決于光源是否被打開,將不同的濾波器(尤其是不同地配置的低通濾波器)應用到輸出信號。能夠根據其獲得針對環境光分量和對應的信號部分的估計。

在本發明的其他實施例中,還可以能夠是,額外的光傳感器提供針對然后能夠用作用于從輸出信號移除環境光分量的基礎的環境光分量的測量結果。

在圖2中還圖示了第二效應。所圖示的傳遞函數f描述了光傳感器18的輸出特性。在x軸上,圖示了輸入光水平。光水平是指存在于光傳感器18處的光強度。例如,光水平可以對應于環境光分量和測量光分量的總和。在y軸上,圖示了得到的輸出信號水平。該輸出信號可以例如包括對應于環境光分量的第一部分和對應于測量光分量的第二部分。在基于時間的視圖中,波動輸入生成波動輸出。一些波動可以例如可歸因于脈動光源,其他(通常較小的)改變可歸因于生物的身體部分的改變,諸如導致變化的吸收并且表示生物的生命體征信息的脈動血液。

傳遞函數f通常是連續增加函數。較高的光水平產生較高的輸出信號水平。圖2中的所圖示的非線性傳遞函數出于說明目的并且僅定性地圖示了光傳感器的輸入與輸出之間的關系。其他光傳感器可以具有不同的傳遞函數。

如圖2中圖示的,環境光可以在A低與A高之間變化。而且,由于脈動光源,因而輸入光可以暫時增加P。因此,A表示環境光分量,并且P表示測量光分量。然后,光傳感器的輸出信號在LED關閉時在f(A低)與f(A高)之間變化,并且在LED打開時在f(A低)+P·f’(A低)與f(A高)+P·f’(A高)之間變化。f(A)表示對應于第一情況中的環境光分量的輸出信號的信號部分(第一信號部分)。’函數f’是傳遞函數f的導數。

如果從輸出信號移除對應于環境光分量的信號部分(在環境光取消單元中),則因此輸出在P·f’(A低)與P·f’(A高)之間變化。因此,如果傳遞函數f是非線性的(其通常是該情況),環境光取消單元的輸出(即第二信號部分)仍然取決于環境光分量。這在本文中被稱為環境光調制。環境光調制移除單元試圖補償該環境光調制。

環境光調制能夠被定義為峰峰輸出變化除以平均輸出信號水平:

該關系是針對傳遞函數f的線性的測量。如果傳遞函數f的導數是線性的,那么f’獨立于環境光分量。然后,環境光調制是0。而且,關系還表示針對環境調制的下限。關系的結果取決于f’(即f的非線性)、A低和A高(較大的范圍通常使得f’的變化更大)的變化,并且取決于P(較大的值通常使得非線性效應平滑,而較小的P值使非線性效應更顯著)。從而,P遵循光源的功率。減少的功率使得非線性效應更顯著。通常,要求總體環境光取消≤60dB。

因此,如果監測設備暴露于可比較地高的環境光范圍(大變化),則環境光調制移除是尤其重要的。然后,光傳感器的光對輸出特性(傳遞函數)的影響可以變為占主導的。

本發明允許借助于環境光調制移除單元22補償該效應。圖3圖示了本發明的實施例中的數據處理。環境光分量30和測量光分量32(其對應于由光源所發射的光)組合到在光傳感器18(還可以被稱為前端)中所接收的光16。光傳感器18將輸出信號34提供給環境光取消單元20。該輸出信號34包括第一信號部分(即對應于環境光分量30的第一部分)和第二信號部分(即對應于測量光分量32的第二部分)。環境光取消單元20將兩個信號部分分離。因此,環境光取消單元20的第一輸出對應于第一信號部分36(其表示環境光的影響),并且第二輸出對應于第二信號部分38(其表示在與生物的身體部分相互作用之后光源的經調制的光)。基于傳遞函數f和第一信號部分36,環境光調制移除單元22補償環境光分量30的變化的效應并且生成測量信號40(即,解調第二信號部分)。因此,該測量信號40直接表示獨立于當前存在環境光分量30的測量光分量32并且能夠用作用于生物的生命體征信息的提取的基礎。

換言之,基于工作點(其由環境光分量A定義)中的傳遞函數f的導數f’的倒數,處理環境光取消單元20的輸出,即對應于環境光分量30的第一信號部分36和對應于光源的經調制的光的第二信號部分38。測量信號40對應于第二信號部分38除以f’(A)。由于第二信號部分38對應于測量光分量P·f’(A),因而這能夠減少到P,其對應于實際的測量光分量32。因此,環境光分量A的變化的效應被移除,并且表示P的測量信號被提供。

因此,通常在校準流程中確定所要求的傳遞函數f(其被要求計算導數f’)。可以由設備10中的校準單元執行這樣的校準流程。優選地,在設備10的生產時間處執行校準流程。通常,人工光源被配置為提供不同強度處的光(校準光)。測量光傳感器的輸出信號,并且計算至少一個校準值。因此,校準值對應于值對校準光(光強度)和對應的輸出信號。借助于模型從至少一個校準值或借助于曲線擬合算法從多個校準值導出曲線f。然后,f’通過差分從f導出并且以某種形式(例如公式或表)存儲在設備10中,使得其能夠被應用到不同水平的A以便執行上文所概述的處理。如果例如f上的多項式曲線擬合被完成,則可以執行符號/分差分,并且來自擬合的函數的系數可以被填充到針對導數f’的公式中(例如,f=a·x^2,f’=2·a·x,即,函數f被擬合,從其跟隨系數a,從其跟隨f’)。

圖4示意性地圖示了根據本發明的設備的另外的實施例。其中,虛線表示可以或可以不被包括在監測設備中或在根據本發明的用于監測生物的生命體征的裝置中。

除光源14(其將光發射到生物的身體部分12中)、光傳感器18、環境光取消單元20和環境光調制移除單元22外,還可以包括校準單元42。該校準單元42執行上文概述的校準流程。

另外,可以包括濾波單元44。這樣的濾波單元44可以尤其被配置為取決于光源18是否發射光,借助于不同的濾波方法對輸出信號進行濾波。在優選實施例中,光源14被配置為發射脈沖光,即以脈沖的形式周期性地發射光。發射光的時間段跟隨有不發射光的時間段。然而,本發明的所有實施例中不要求這一點。濾波單元44尤其允許執行WO2013/180423A1中所呈現的環境光取消流程,如上文簡要概述的。

而且,可以包括額外的光傳感器46,其允許單獨采集環境光分量(而沒有測量光分量)。這樣的額外的光傳感器46將通常空間地與光傳感器18分離地布置,使得其允許采集環境光以便在不由測量光分量干擾的情況下獲得針對存在于光傳感器18處的環境光分量的估計。該額外的光傳感器46優選地包括光電二極管。

另外,設備10還可以包括額外的光源48。該額外的光源48可以尤其包括LED,其發射與原始光源14不同的波長的光。在優選的實施例中,光源14發射紅光,并且額外的光源48發射紅外光(即包括紅外LED)。從而,通過評價血液中的不同波長的光的吸收特性來執行生物的血氧飽和度的測量變為可能。

在本發明的又一方面中,如圖5中所圖示的,呈現了用于監測生物的生命體征的裝置50。該裝置50包括監測設備10以及處理單元52(也可以被稱為處理器)以從由監測設備所提供的測量信號提取生命體征信息。處理單元52從測量信號提取生物的生命體征信息。為此,優選地,使用遠程光電體積描記法。所提取的生命體征信息尤其包括生物的血氧飽和度、心率和呼吸率中的至少一個。

在圖5中的圖示的實施例中,處理單元與監測設備10空間地分離。然而,在其他實施例中,將處理單元52實際地集成到設備10中也可以是可能的。

可以借助于人機接口將所導出的生命體征信息提供給用戶或臨床醫師。為此,可以在裝置50中提供無線或有線接口。備選地或者額外地,生命體征信息可以直接地被傳遞到數據庫和/或基于因特網的存儲設備。

圖6示出了根據本發明的方面的裝置50’的另一優選的實施例。根據該實施例,如上文所描述的監測設備和處理單元被集成到手表54中。優選地,根據本發明的裝置可以被實現為使用綠光的腕戴式心率傳感器(例如MIOAlpha、AdidasMiCoach等等)。手表54與普通手表類似并且能夠每天佩戴。在該手表5中,光源和光傳感器可以尤其被集成在表的背面以面對佩戴手表54的人員的皮膚。處理單元可以被集成在表的殼體中。

這樣的手表54可以佩戴在健身和生活方式應用領域中并且也在醫學應用領域中。手表54還可以包括額外的傳感器(例如運動傳感器、環境傳感器等等)、用于將信息顯示給用戶的顯示器和/或其他接口部件(聽覺、觸覺等等),并且可以基于生物的所監測的生命體征提供警報功能。

在本發明的其他實施例中,環境光取消單元、環境光調制移除單元、處理單元、校準單元和濾波單元可以部分或完全地被包括在一個或多個微處理器設備(例如IC、ASIC、FPGA等等)中。以硬件和/或軟件實施單元的功能性中的一些或全部功能性可以是可能的。多個單元可以被組合為一個單元。還可能的是,在實際上與監測設備空間地分離并且借助于有線或無線接口連接到其的一個或多個單元中執行功能中的一些功能。

在圖7中,示意性圖示了根據本發明的方面的方法。方法包括借助于諸如LED的光源發射光(步驟S10)的步驟。通過諸如光電二極管的光傳感器接收發射的光(步驟S12)。該光電二極管提供輸出信號,所述輸出信號然后被分離(步驟S14)為對應于環境光分量的第一信號部分和對應于測量光分量的第二信號部分。然后,補償(步驟S16)環境光分量的變化的效應以生成測量信號。

本發明的實施例可以使用在針對嬰兒、幼兒和成人的醫學生命體征監測的背景下(例如在醫院環境中)而且在健身和生活方式應用中或甚至針對諸如動物的其他生物。能夠從測量信號提取的生命體征信息尤其對應于人的心率、呼吸率或血氧飽和度。

除所圖示的手指夾外,本發明的實施例還可以采取要附接到其他身體部分(耳朵或耳垂、腳趾等等)的不同的其他夾子的形式或采取襯墊的形式。本發明可以甚至是所應用的遠程監測設備,其用于遠程地測量從身體部分所反射的光或透射通過身體部分的光以用于通過被稱為遠程光電體積描記法(其不要求與生物的身體部分物理接觸)的公知技術導出PPG信號(例如通過使用照相機)。

盡管已經在附圖和前面的描述中詳細圖示和描述了本發明,但是這樣的圖示和描述應當被認為是說明性或示范性的,而非限制性的;本發明不限于所公開的實施例。本領域技術人員通過研究附圖、公開內容以及權利要求書,在實踐請求保護的本發明時能夠理解并且實現對所公開的實施例的其他變型。

在權利要求書中,詞語“包括”不排除其他元件或步驟,并且詞語“一”或“一個”不排除多個。單個元件或其他單元可以履行權利要求書中所記載的若干個項目的功能。盡管在互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施,但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。

計算機程序可以存儲/分布在適合的介質上,例如與其他硬件一起被提供或作為其他硬件的部分被提供的光學存儲介質或固態介質,但是計算機程序也可以以其他形式分布,例如經由因特網或其他的有線或無線的電信系統分布。

權利要求書中的任何附圖標記都不應被解釋為對范圍的限制。

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