CN101496717A - 一种处理在运动时获取的生命体征信号的方法及装置 - Google Patents
一种处理在运动时获取的生命体征信号的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种处理在运动时获取的生命体征信号的方法，包括如下步骤：在每一个红外光源的周边增加一个光源，使所述新增光源的照射区域与所述红外光源大致相同；调节所述新增光源的驱动参数，使其产生的信号与运动本身在红外光源上引起的噪声大致相同；分别读取并处理所述红外光源和新增光源所产生的信号；得到正确的生命体征参数。本发明还揭示了一种实现上述信号处理方法的装置。实施本发明的信号处理方法及装置，具有以下有益效果：可以较为准确地获取生命体征参数；以及使用时较为方便。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理方法及装置，更具体地说，涉及一种处理在运动时获取的生命体征信号的方法及装置。
背景技术
通常，人们进行锻炼时，希望能监测到在运动时的生命体征参数，以便能够判断身体的状况，进而提高或降低锻炼强度，使得既能提高锻炼的效果，又不至于对身体造成损害。有很多能够测量人的生命体征的设备。例如，使用者可通过使用红外耳温计、临床体温计得到体温，通过使用脉动血氧计得到心率以及血红蛋白携带的氧的量。但是，所有这些设备都不能够在使用者进行锻炼时连续地监测生命体征。例如，温度计不宜在使用者运动时使用。至于手指脉动血氧计，有关研究表明运动会使血量发生变化，从而使测量无效(参考文献：“Motion Artifact in Pulse Oximetry”，M.R.Neuman and N.Wang，AnnualInternational Conference of the IEEE Engineering in Medicine andBiology Society，Vol.12No.5，1990.)。
大多数常见的心率监测器都使用ECG型的胸带，该胸带与运动手表(sportwatch)无线连接。通过测量来自胸带的ECG信号来检测心跳，并通过无线连接将脉动发送给运动手表。这种类型的心率监测器准确可靠，但是其缺陷在于，使用者在锻炼时穿戴塑料带是不舒服的。胸带在使用之后会变得很脏。并且这种设备也不方便在运动时使用。
检测心率的另一种方法是使用通到耳垂或者指尖的、作为红外光源的红外(IR)LED以及红外光探测器。这种类型的检测器具有运动伪差这一固有问题，在使用者锻炼时变得不可靠。
通常，使用非接触方式获取生命体征参数的监测器具都具有作为其检测光源的红外二极管以及接收该红外光源所发出的光的光探测器，但在现有技术中，这些测试器具通常只具有一个光源。
总之，在现有技术中，由于运动会造成监测器具在使用者身体上的位移，从而在按现有的信号处理方法不能准确得到生命体征参数导致因测量的数值不准而不能使用现有测试设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对按现有的信号处理方法不能准确得到生命体征参数导致因测量的数值不准而不能使用现有测试设备的缺陷，提供一种能够在运动时准确、方便地处理在运动时获取的生命体征信号的方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种处理在运动时获取的生命体征信号的方法，包括如下步骤：
A)在每一个红外光源的周边增加一个光源，使所述新增光源的照射区域与所述红外光源大致相同；
B)调节所述新增光源的驱动参数，使其产生的信号与运动本身在红外光源上引起的噪声大致相同；
C)分别读取并处理所述红外光源和新增光源所产生的信号；
D)得到正确的生命体征参数。
在本发明所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法中，所述新增光源包括发出红色光的发光二极管。
在本发明所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法中，所述红色发光二极管和所述红外光源安装在同一个预制件内。
在本发明所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法中，所述步骤B)中，包括调节所述新增光源的直流驱动电流。
在本发明所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法中，所述步骤C)进一步包括：
C1)轮流为所述红外光源和所述新增光源提供驱动，使其轮流发光；
C2)在其传感器的两端分别接收其感应信号，并存储；
C3)使上述两个信号相加，得到生命体征的参数信号。
在本发明所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法中，步骤C1)中，所述红外光源和所述新增光源轮流发光的频率小于或等于100Hz。
在本发明所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法中，所述步骤C3)中，先将所述红外光源产生的感应信号经过自适应滤波后再与所述新增光源产生的感应信号相加。
本发明还揭示了一种实现处理在运动时获取的生命体征信号方法的装置，包括至少一个红外光源、至少一个光探测器以及与所述红外光源、光探测器相连并处理其信号的处理器，所述红外光源、光探测器及处理器位于一个音频耳机内部，还包括位于每个红外光源周边的发红光的发光二极管，所述发光二极管的照射区域大致与所述红外光源的照射区域一致；所述发光二极管受所述处理器控制而发光。
在本发明所述的装置中，所述红外光源和所述发光二极管安装在一个预制件内。
在本发明所述的装置中，所述装置包括三个红外光源、三个分别与所述每个红外光源安装在不同的预制件内的发光二极管以及与所述三个红外光源相对应的光探测器；所述红外光源与其相对应的光探测器位于所述耳机壳体外表面所形成圆周的一条直径上；所述三组红外光源与其相对应的光探测器在所述圆周上均匀分布。
实施本发明的信号处理方法及装置，具有以下有益效果：由于在红外光源周边新增一个光源，并调节该新增光源的驱动电流，使其反馈的信号大致与运动产生的伪差信号相抵消，所以可以较为准确地获取生命体征参数；又由于将所述光源及光探测器集成到音频耳机上，所以该方法使用时较为方便。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明第一实施例的流程图；
图2是本发明第二实施例的结构示意图；
图3是本发明第二实施例中发光二极管的驱动连接电路图；
图4是本发明第三实施例中多个光源及光探测器在耳机壳体上的位置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的第一实施例是处理在运动时获取的生命体征信号的方法实施例，在第一实施例中，该方法包括如下步骤：
S101将一个作为光源的红外二极管和一个发红光的LED设置在一个预制件内：要减弱运动伪差引起的噪音，可以使用另一个发红光的LED。即，不是仅使用一个IR LED(即红外光源)，而且还使用另一个LED，该LED发出红色光。IR LED和发红光的LED应当尽可能彼此靠近；在第一实施例中，准备有一个预制件，将其置于一个预装件中。IR LED、发红光LED已经和与其相应(即接收上述IR LED和发红光LED所发出的光线)的光探测器处于一个光通道中，让发红光的LED仅仅照亮耳道中确定好的区域(即原先IR LED所照亮的区域)，将上述IR LED与上述发红光的二极管装在同一个预制件中的目的，就是使其所照亮的区域大致相同；即使在耳道出现细微移动的情况下。从实验中得知，在DC水平几乎相同的情况下，使用这种物理结构，运动带来的噪音影响会变得与红色光以及红外光很相似。
S102固定上述发红光LED的驱动电流：在第一实施例中，上述发红光的LED由连接在所述IR LED、发红光的LED以及与其相应的光探测器上并处理接收到的各种光信号的处理器来驱动的；由于调节上述发红光的LED的直流部分的驱动电流，就可以调节因其发光而在上述光探测器两端感应到的信号，因此，可以通过实验及计算将上述发红光的LED的直流驱动电流固定下来，并存入上述处理器中。
S103控制上述红外二极管和发红光的LED轮流发光：在第一实施例中，由于上述IR LED和发红光的LED均由处理器控制，所以，只要轮流在上述处理器驱动上述IR LED和发红光的LED的I/O脚位上输出驱动信号，就可以控制上述IR LED和发红光的LED轮流发光；在本步骤中，所述IR LED和发红光的LED的频率为100Hz。当然，较低的轮流发光的频率也是可行的，该频率的值要视具体情况而定。
S104在相应的光探测器两端分别得到上述红外二极管发光时与发红光的LED发光时的感应信号，并存储：当IR LED发光时，由于上述IR LED、发红光LED已经和与其相应(即接收上述IR LED和发红光LED所发出的光线)的光探测器处于一个光通道中，所以此时在所述光探测器的两端就可以得到所述IR LED发出的光通过上述光通道传送到所述光探测器位置的信号，该信号中除了包括生命体征信号外，还带有因运动而带来的噪音，得到该信号后，存储该信号；同样，当发红光的LED发光时，由于上述IR LED、发红光LED已经和与其相应(即接收上述IR LED和发红光LED所发出的光线)的光探测器处于一个光通道中，所以此时在所述光探测器的两端就可以得到所述发红光的LED发出的红光通过上述光通道传送到所述光探测器位置的信号，该信号大致等于因运动而带来的噪音，得到该信号后，存储该信号。
S105将存储的红外二极管发光时的感应信号经过其增益为-1的自适应滤波，并与存储的发红光LED发光时的感应信号相加，得到正确的感应信号：在本步骤中，将上述存储的IR LED发光时得到的信号通过自适应滤波，该自适应滤波器的增益为-1，于是将该信号中的各组成部分反相，包括其中因运动引起的噪音；当该经过反相后的信号与上述发红光的LED带来的感应信号(该信号大致等于因运动引起的噪音)相加时，因运动引起的噪音与发红光的LED的感应信号相互抵消，于是得到正确的感应信号，该信号即为正常的生命体征参数信号。
S106根据上述正确的感应信号得到正确的生命体征参数值：由于在步骤S105中得到了基本没有噪声的生命体征参数信号，所以在本步骤中，处理方法也基本与现有技术中相识，在此不在赘述。
在第一实施例中，采用上述步骤得原因如下：
由于影响检测心跳信号的脉动血氧检测法的准确度的一个因素是运动伪差。在应用耳塞式耳机型心率传感器时，IR LED用于照亮耳道，IR传感器收集现场皮肤的IR水平。如果使用者在休息，IR传感器拾取的IR信号主要受心跳引起的血液脉动影响。但是，使用者在运动时，例如慢跑或者奔跑时，使用者的运动会引起耳塞相对于耳道的相对运动，即给信号增加了噪音。该噪音信号可能与心跳信号相似，或者振幅比心跳信号的还大。在正常情况下，噪音信号与心跳信号具有相同的频带(～1Hz)。
如前所述，要减弱运动伪差引起的噪音，可以使用另一个发红光的LED。
以高频率(～100Hz)轮换地地打开发红光的LED和IR LED，在光探测器输出端接收两个信号流，并将其存储在处理器中
上述系统可通过下面的等式进行描述：
Sred(n)＝Kred*Yhb(n)+Kmotion*Nmotion(n)+YDC-red
Sir(n)＝Kir*Yhb(n)+Kmotion’*Nmotion(n)+YDC-ir
其中：
Sred (n)发红光的LED打开时采集的信号
Sir (n)IR LED打开时采集的信号
Yhb (n)心跳引起的脉动流产生的信号
Nmotion (n)物理运动引起的信号
YDC-red 发红光的LED打开时的DC水平
YDC-ir IR LED打开时的DC水平
通过控制流过LED的电流，可以将发红光的LED和IR LED的DC水平控制为相等(YDC)的。根据脉动血氧的操作理论，可以知道，对于正常人(SpO2接近100％)，当两个信号的DC水平相等时，IR信号的血液脉动变化引起的AC信号近似为RED(红色)信号的两倍。
Sred(n)＝Kred*Yhb(n)+Kmotion*Nmotion(n)+YDC
Sir(n)＝2*Kred*Yhb(n)+Kmotion’*Nmotion(n)+YDC
当IR和RED信号的DC水平几乎相等时，对于这两个信号，Nmotion(n)的贡献是近似的。这意味着Kmotion/Kmotion’接近1。
将|Sout(n)*Sout(n)Sout(n)*Sred(n)|最小化，并将自适应滤波器G(n)的增益控制为接近-1，输出Sout(n)将趋向已移除Nmotion(n)信号的心跳信号的放大版。然后，探测心跳和心率，并据此进行计算。
本发明的第二实施例是实现处理在运动时获取的生命体征信号方法的装置实施例。如图2所示，在第二实施例中，该装置包含了一个处理器21、一个预制件22、一个光探测器23以及一个开关元件24；其中，预制件22内包括了安装在其内的IR LED 221和发红光的LED 222，上述IR LED 221和发红光的LED 222的驱动端分别连接在上述处理器1的两个I/O端口上，其具体的连接电路图见图3，处理器1在上述两个I/O端口轮流地输出驱动信号，使IRLED 221和发红光的LED 222轮流地导通；上述光探测器23的输出连接到上述开关元件24的输入端，上述开关元件24的两个输出端分别连接到处理器1的两个不同的I/O端口，开关元件还包括一个控制端，该控制端连接到处理器1上，由处理器1输出信号，使开关组件24的输入端分别与不同的输出端连接(与IR LED 221和发红光的LED 222的轮流导通同步)，从而使不同的LED发出的光被接收后存放在不同的地方(当然，均在上述处理器1中)，为所述处理器1下一步具体处理上述两个数据打下基础。
本发明第三实施例与第二实施例不同之处在于：第三实施例中，不是只有一个预制件22和一个光探测器，而是各有三个；图4示出了这些元件在耳机壳体中的安放位置；在图4中，预制件1-22和光探测器1-23组成一组，预制件2-22和光探测器2-23组成另一组，预制件3-22和光探测器3-23组成第三组；上述每组位于所述耳机壳体外表面所形成圆周的一条直径上；三个组在所述圆周上均匀分布，每组的预制件和光探测器相间设置，即每两个光探测器之间不相邻，每两个预制件之间也不相邻，且每组之间相差120度。
第三实施例的信号处理办法与第二实施例稍有不同，现详述如下：
对于耳机式的设备，运动引起的噪音主要在x和y方向，因为这种移动会改变光探测器到耳道壁的距离，即影响所接收的信号。可以认为，通过使用IR传感器安装在一个圆形对称位置上的物理结构，运动引起的影响是微小的，可近似为对所接收信号的振幅的线性影响。图4示出了具有3个IR探测器的实施例的截面简图。对于具有3个IR LED的方案，光探测器均匀地分布在圆周中，彼此相隔120度。
第三实施例中的信号如下：
S1(n)＝k1*Yhb(n)+Kx1*Nx(n)+Ky1*Ny(n)
S2(n)＝k2*Yhb(n)+Kx2*Nx(n)+Ky2*Ny(n)
S3(n)＝k3*Yhb(n)+Kx3*Nx(n)+Ky3*Ny(n)
其中：
Yhb(n) 心跳所改变的血液脉动贡献的信号；
Nx(n) x方向的运动贡献的噪音信号；
Ny(n) y方向的运动贡献的噪音信号；以及
k1，k2，k3，Kx1，Kx2，Kx3，Ky1，Ky2，Ky3是已知的恒量。
心跳引起的信号对所接收的信号具有相似的影响，它们应当是相同的信号，不同之处在于放大系数。光探测器均匀放置在圆周中，因此，对于这3个对称性分布的传感器而言，运动在x-y平面的效果是不同的，即，上面的3个等式应当是线性无关的。因此，我们使用标准自适应滤波法，试图消除运动带来的噪音导致的影响，这可通过最小化Sout(n)和输出信号之间的协方差(co-variance)来实现。
在撰写本说明书时，现有技术不知道使用多个光源/探测器以及使用上述的信号处理技术来获得心跳和SpO2水平。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1、一种处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A)在每一个红外光源的周边增加一个光源，使所述新增光源的照射区域与所述红外光源大致相同；
B)调节所述新增光源的驱动参数，使其产生的信号与运动本身在红外光源上引起的噪声大致相同；
C)分别读取并处理所述红外光源和新增光源所产生的信号；
D)得到正确的生命体征参数。
2、根据权利要求1所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，所述新增光源包括发出红色光的发光二极管。
3、根据权利要求2所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，所述红色发光二极管和所述红外光源安装在同一个预制件内。
4、根据权利要求1所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，所述步骤B)中，包括调节所述新增光源的直流驱动电流。
5、根据权利要求1所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，所述步骤C)进一步包括：
C1)轮流为所述红外光源和所述新增光源提供驱动，使其轮流发光；
C2)在其传感器的两端分别接收其感应信号，并存储；
C3)使上述两个信号相加，得到生命体征的参数信号。
6、根据权利要求5所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，步骤C1)中，所述红外光源和所述新增光源轮流发光的频率小于或等于100Hz。
7、根据权利要求6所述的处理在运动时获取的生命体征信号的方法，其特征在于，所述步骤C3)中，先将所述红外光源产生的感应信号经过自适应滤波后再与所述新增光源产生的感应信号相加。
8、一种实现权利要求1所述的处理在运动时获取的生命体征信号方法的装置，包括至少一个红外光源、至少一个光探测器以及与所述红外光源、光探测器相连并处理其信号的处理器，所述红外光源、光探测器及处理器位于一个音频耳机内部，其特征在于，还包括位于每个红外光源周边的发红光的发光二极管，所述发光二极管的照射区域大致与所述红外光源的照射区域一致；所述发光二极管受所述处理器控制而发光。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述红外光源和所述发光二极管安装在一个预制件内。
10、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置包括三个红外光源、三个分别与所述每个红外光源安装在不同的预制件内的发光二极管以及与所述三个红外光源相对应的光探测器；所述红外光源与其相对应的光探测器位于所述耳机壳体外表面所形成圆周的一条直径上；所述三组红外光源与其相对应的光探测器在所述圆周上均匀分布。
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