CN102008299A

CN102008299A - 利用具有两种波长的光波测量脉搏的方法和设备

Info

Publication number: CN102008299A
Application number: CN201010271573.XA
Authority: CN
Inventors: A·约尔诺德
Original assignee: Swatch Group Research and Development SA
Current assignee: Swatch Group Research and Development SA
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: JP5466115B2; EP2292141B1; US8496595B2; US20110054336A1; JP2011050745A; CN102008299B; KR20110025100A; KR101225849B1; EP2292141A1; TW201124113A; TWI538658B; HK1156201A1

Abstract

该方法使得尤其可能利用脉搏测量设备(1)确定人的心跳。光波由具有对人的脉搏跳动和运动敏感的第一波长(λ₁)以及具有不同于所述第一波长并且对人的运动敏感的第二波长(λ₂)的两个光源(5，6)所生成。所述光波在人的皮肤方向上进行传送。光电检测器(7)检测所反射的光波以提供电测量信号。其后，基于光谱相干函数γ通过公式

计算至少一个非相干功率谱，所述光谱相干函数γ考虑了与第一波长相关的测量信号和与第二波长相关的测量信号之间的依赖性，其中是

是与所检测的光波的第一波长相关的测量信号的平均傅立叶功率谱，并且γ²处于0和1之间。最后，基于所述非相干功率谱确定心跳。

Description

利用具有两种波长的光波测量脉搏的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于测量脉搏的方法。该方法使得可能基于利用人所携带的脉搏测量设备所提取的有用信号来确定人的心跳或心脏跳动。为了实现这一目的，脉搏测量设备尤其是使用具有两种不同波长的光波。

本发明同样涉及利用具有两种不同波长的光波测量脉搏的设备以便实施所述方法。

背景技术

对于确定心跳的血管容积调制的光学测量而言，必须要考虑在特定波长时血红蛋白比其它组织吸收更多光的事实。为了实现这一目的，已知使用两个具有不同波长的光束来尤其是测量心跳或心脏跳动。

因此，可以引用描述了光电血氧计的专利US4770179。该光电血氧计使用第一红色LED二极管和第二红外LED二极管以便对人的血管进行照射，并且使用诸如光电二极管的感光器以检测所反射的光。利用该光电血氧计，所述信号在人运动期间的调制所导致的光信号的重大误差来源得以被观察到。该调制能够比血液所进行的光吸收的调制大数个量级，这构成了这种光电血氧计的缺陷。出于该原因，该光电血氧计不可能考虑人的运动以精确确定血管容积的调制，即心跳。

同样，能够引用描述了用于控制脉搏的设备的专利FR2511594。该设备包括两个红外LED二极管，以及用于测量运动员例如在运动时的心脏跳动的光电检测器。然而，并没有提供正在运动的人与处于静止位置的人的脉搏测量之间的精确差异。同样没有考虑血液所进行的吸收比人的运动所进行的信号调制对波长更为挑剔这一事实以便可能进行脉搏测量。此外，同样没有提供对环境光的影响进行抑制，而环境光是脉搏测量误差的另一个来源。

在专利申请US2005/0075553中提出了针对与人的运动关联的脉搏测量问题的一种解决方案。该专利申请描述了一种方法和诸如腕表的便携式设备，用于对诸如心跳的生物信息以及神经系统的功能进行管理。所述腕表包括传感器设备以及连接到所述传感器设备以控制该传感器设备的微控制器单元，所述传感器设备具有绿色LED二极管、红外LED二极管和光电二极管，所述光电二极管用于检测由皮肤和血管所反射并且来自交替接通的LED二极管的光。绿色光波使得可能获得用于检测脉搏跳动和运动的信号，而红外光波实质上使得可能获得来自佩戴所述手表的人的运动的信号。

所述微控制器单元接收来自所述传感器设备的模拟/数字转换器的数字信号。该单元对从绿色和红外光波所接收的数字信号进行快速傅立叶变换(FFT)。在对傅立叶光谱进行标准化之后，从绿色光波的光谱中减去红外光波的光谱以便能够去除运动的影响并且计算人的脉搏。然而，光波的强度必须良好适配以允许完全去除在光波的傅立叶光谱的减法运算之后的运动影响，而这是一种缺陷。此外，在进行脉搏测量时观测到高的耗电量，这构成了另一缺陷。

发明内容

因此，本发明的目标是通过提供一种用于利用脉冲测量设备确定人的心跳的方法来克服以上所提到的现有技术的缺陷，所述方法使得可能容易地确定脉搏而无需依赖于所生成和检测到的光波的强度。

为此，本发明涉及一种用于利用脉搏测量设备确定人的心跳的方法，其包括独立权利要求1中所限定的特征。

所述用于确定心跳的方法的特定步骤在从属权利要求2至7中进行限定。

根据本发明的方法的一个优势在于以下事实：计算被应用于由检测器所提供的测量信号的光谱相干函数。所述相干函数使得可能有效区分心跳和人的运动的影响。由此可能根据该相干函数确定平均非相干功率谱—从该非相干功率谱很容易提取有用脉搏跳动信号。因此不再需要精确调整由检测器所检测到的强度差异。

根据本发明的方法的另一优势在于以下事实：同样可能基于平均相干功率谱提取人的运动的有用信号。由此能够借助于该平均相干功率谱来确定人的运动频率。

为此，本发明同样涉及一种脉搏测量设备，其适于实施所述用于确定人的心跳的方法，该脉搏测量设备包括独立权利要求8中所限定的特征。

所述脉搏测量设备的特定实施例在从属权利要求9至11中进行限定。

为此，本发明同样涉及一种便携式电子仪器，诸如配备有脉搏测量设备的腕表，该便携式电子仪器包括独立权利要求12的特征。

附图说明

通过以下结合附图对本发明的至少一个实施例所进行的描述，所述用于确定人的心跳的方法以及用于实施该方法的设备的目标、优势和特征将更为清楚，其中：

图1表示用于实施根据本发明的方法的脉搏测量设备的各种组件的框图；

图2表示在设备的佩戴者没有运动的情况下根据本发明的脉搏测量设备的光电检测器所检测到的具有两种波长的信号的时序图；

图3表示在设备的佩戴者运动的情况下根据本发明的脉搏测量设备的光电检测器所检测到的具有两种波长的信号的时序图；

图4表示在设备的佩戴者运动的情况下根据本发明的脉搏测量设备的光电检测器所检测到的具有两种波长的信号的傅立叶光谱示图；

图5表示在运动的情况下根据本发明的脉搏测量设备的光电检测器所检测到的信号的相干傅立叶功率谱示图；

图6表示在运动的情况下根据本发明的脉搏测量设备的光电检测器所检测到的信号的非相干傅立叶功率谱示图；

图7表示光源所生成的光脉冲的时序图以及由根据本发明的脉搏测量设备的光电检测器和模拟-数字转换器进行的测量的时序图。

具体实施方式

在以下描述中，脉搏测量设备中所有本领域技术人员已知的元件将仅以简化方式提及，尤其是关于用于结合所检测到的光波对数字信号进行处理的微控制器单元。所述脉搏测量设备能够被集成在能够与佩戴者的皮肤相接触的便携式电子仪器中，诸如腕表、便携式电话、计量器(badge)或其它仪器。

在图1中，表示出了脉搏测量设备1。该设备包括光学检测单元2和光电检测器7，所述光学检测单元2通常由两个光源所构成，诸如两个电致发光LED二极管5和6，所述光电检测器包括至少一个光电二极管。每个所述LED二极管发射具有不同波长的光波。第一LED二极管5产生具有第一波长λ₁的光波，优选地，所述第一波长λ₁处于绿色范围之内，而第二LED二极管6产生具有第二波长λ₂的光波，优选地，所述第二波长λ₂处于红色或红外范围之内。

脉搏测量设备1还包括微控制器单元3和显示器4。该显示器利用微控制器单元3的数据和控制总线30连接到该单元，该数据和控制总线30同样连接微控制器单元3的各个组件。显示器4例如可以是液晶设备或者其它类型，以便于能够在用户请求时显示与脉搏测量相关的信息。由微控制器单元控制的显示器能够在脉搏测量期间连续显示与脉搏测量相关的信息或者在存储到存储器器件中之后在脉搏测量后的任意时间显示与脉搏测量相关的信息。由此多个脉搏数值能够被存储并在请求时显示在所述显示器上。

所述微控制器单元首先包括电源，所述电源被定义为诸如用于为脉搏测量设备的所有组件供电的电池13。该微控制器单元还包括数字-模拟转换器10，以用于遵循诸如处理器的处理单元9所提供的数字命令而分别为每个LED二极管5和6提供激活信号。所述微控制器单元同样包括模拟-数字转换器8，用于接收光电检测器7所检测到的测量信号并且对它们进行数字转换以便在处理单元9中进行处理操作。所述微控制器单元还包括存储器器件，这些存储器器件被定义为例如ROM型存储器12以及RAM型存储器11。ROM存储器12包括用于操作所述微控制器单元的所有指令以及特定的配置参数。RAM型存储器11意在尤其是在脉搏测量设备的操作期间存储从光电检测器7所提供并且在处理单元9中进行处理的数字信号中所提取的参数。

微控制器单元3还可以包括未示出的振荡器级(oscillator stage)，其可以依赖于未示出的石英共振器。在使用于腕表中的情况下，所述微控制器单元可以包括该振荡器级的一部分，其意在作为所述腕表的时基。在这种情况下，所述振荡器级配备多个分配器，以便为微控制器单元3的处理单元9所处理的所有操作提供时钟信号。

在脉冲设备1在所确定的测量周期中正常操作期间，LED二极管5和6在处理单元9的控制下随时间交替且不连续地接通。提供具有第一波长λ₁的光波的第一LED二极管5在所确定的时间周期期间随时间被相继接通。提供具有第二波长λ₂的光波的第二LED二极管6在所确定的时间周期期间随时间被相继接通，该时间周期通常对应于第一LED二极管的激活时间周期。当一个LED二极管被接通时，另一个LED二极管通常被断开，反之亦然，而在其余的时间间隔中两个LED二极管都被断开。

通过非限制性示例，在图7中表示了光源所生成的光波的时序图以及利用光电检测器和模拟-数字转换器所产生的测量信号的时序图。LED二极管可以随时间交替且不连续地接通。第一二极管LED1在所确定的时间周期T_pulse期间首先被接通，所述时间周期T_pulse在该情况下可以为20μs量级。第二二级管LED2在暂停时间间隔T_int期间被接通，所述暂停时间间隔T_int例如是断开第一二极管LED1之后的20μs量级。第二二极管LED2的激活时间周期与第一二极管LED1的类似。每个LED二极管的光脉冲在每个周期T_cycle之后出现，该周期T_cycle可以为1ms量级。对所检测的第一二极管LED1、周围环境光以及第二二极管LED2的光波的测量以所确定的测量周期T_mes进行，该测量周期T_mes可以为20μs量级，但是相对于LED二极管的每次激活存在10μs的时间移位T_dm。

应当注意的是，代替尤其在图7中表示的时间调制，也能够提供对频率的调制。在这种情况下，第一二极管LED1的信号以600Hz的量级被发射和检测，而第二二极管LED2的信号则以900Hz的量级被发射和检测。由此进行频率调制和解调。

对于用于确定心跳的方法而言，脉搏测量设备1能够通过外部命令被设置为运行，诸如利用该脉冲测量设备1所处于的便携式电子仪器的按钮进行设置。所述脉搏测量设备同样能够通过自动编程被设置为运行。在这些情况下，可能要求脉搏测量和人的运动频率计算发生在彼此充分间隔的多个所编程的时间周期中。

与典型为红色的第二波长λ₂相比，选择典型为绿色的第一波长λ₁以对应于血红蛋白更多的光吸收。记录来自已经检测到被血红蛋白部分反射和/或吸收的光波的光电检测器7的测量信号。尤其是在RAM存储器11中进行的该记录能够直接在模拟-数字转换器8对所述测量信号进行数字化之后进行。该记录在考虑两个光源被断开的时间间隔的同时持续进行。

在暂停时间间隔中，尤其是提供：处理单元9考虑由光电检测器7所检测到的环境光。这使得可能在脉搏测量期间去除该环境光的影响。为此，在光源5和6断开时所检测到的光的平均值，即所检测到的环境光，能够在转换到频域之前在时域中被持续减去。同样能够想象到，在傅立叶频域中从具有两种波长λ₁和λ₂的光波的光谱中减去环境光的光谱。

应当注意的是，能够利用数据和控制总线30从外部提供配置参数Ext。尤其是还能够利用数据和控制总线30将测量信息I/F传送到脉搏测量设备1之外。

本发明的用于确定心跳的方法尤其能够在处理单元9中使用光谱相干函数，所述处理单元9可以是处理器。该方法使得可能利用脉搏测量设备1提取有用的脉搏跳动信号。该函数是频域中的两个信号A和B之间的依赖程度的度量。这两个信号A和B可以被认为是由光电检测器所提供的两个信号。这些信号A和B分别对应于所检测到的具有第一波长λ₁的光波和所检测到的具有第二波长λ₂的光波。根据信号A和B的傅立叶光谱的时间平均值计算函数γ。函数γ取0和1之间的数值，0表示这两个信号之间没有关系，而1表示存在完全的线性关系。通过以下函数来定义函数γ：

γ^{2} = \frac{| \overset{&OverBar;}{S_{AB}} | \cdot | \overset{&OverBar;}{S_{AB}} |}{\overset{&OverBar;}{S_{AA}} \cdot \overset{&OverBar;}{S_{BB}}}

其中，

和

分别是信号A和B的功率谱，而

是信号A和B的相交傅立叶光谱的平均值。

正常情况下，光谱相干函数γ被用来确定相干光谱功率

其表示两个信号A和B之间的相干部分，该相干部分并不受实质上由噪声所表示的非相干部分的影响。该光谱函数γ也可以被用来计算系统的信噪比S/N＝γ²/(1-γ²)。

对于之前所指出的本发明的方法而言，两个信号A和B被认为是对波长λ₁和λ₂的响应。运动的影响在信号A和B中给出。因此，它们表示傅立叶光谱的相干部分。实质上包含在信号A中的血液跳动(blood beat)所导致的光学信号调制就它那部分表示信号A的光谱与信号B的光谱的非相干部分。因此，包含最多与脉搏跳动相关的信息的函数是以下公式所给出的非相干光谱功率：

S_{NC} = (1 - γ^{2}) \cdot {\overset{&OverBar;}{S}}_{AA}

根据该函数，微控制器单元3—尤其是利用处理器—必须提取出有用信号，即确定人的脉搏的脉搏跳动频率。

也能同样想到的是使用一种在存在与运动相关联的调制的情况下依据光的波长来确定脉搏跳动的方法，该调制基于组织的响应差异。如现有技术中那样，该确定方法能够在两个波长λ₁和λ₂的光谱之间使用傅立叶范围中的标准化因数。为了实现这一目的，在傅立叶光谱的较高频率中计算λ₁和λ₂的光谱之间的标准化因数，其中光谱内容通过与运动相关联的信号调制来主导。所述标准化因数可以是两个频率之间的范围中光谱的RMS数值，所述两个频率典型地为6和10Hz。

一旦已经进行了标准化，就从第一波长λ₁的光谱中减去第二波长λ₂的光谱。光学信号经由运动的调制对所述两个波长来说是类似的。因此，通过减法消除了由于振动或运动所导致的光谱的主要部分。但是，该减法以非确定的方式减小了所调制的信号的振幅。在血液跳动所导致的光学信号调制对于第一波长λ₁十倍于第二波长λ₂的示例中，减法运算之后的脉搏跳动信号的减少仅为10％。

为了更好地理解随时间所检测到的信号的形状以及脉搏测量设备所计算的光谱，可以参见随后所描述的图2至6。

在图2中，首先表示了光电检测器随时间所检测到的信号A和B，这些信号源自于两个LED二极管以第一波长λ₁(A)和第二波长λ₂(B)所发射的光波。注意到，该图中实线是光电检测器所检测到的与第一波长相关的信号，而虚线则为光电检测器所检测到的与第二波长相关的信号，其中携带所述设备的人没有进行运动。

正常情况下，这些信号随时间相对于彼此发生移位，假定用于该脉搏测量的LED二极管被交替且不连续的激活。由于具有绿色的第一波长的信号对脉搏跳动敏感，所以仅表示出由具有第一波长λ₁的光波所给出的脉搏跳动示图，即2秒钟内大约3个周期(1.5Hz)，这是因为对于具有第二波长λ₂的光波几乎没有观察到波动。

在图3中，表示出在设备佩戴者运动的情况下由光电检测器随时间所检测到的信号A和B，这些信号主要源自于两个LED二极管所发射的光波。这些光波在被光电检测器检测之前被血红蛋白所反射和/或吸收。注意到，这次脉搏跳动在光电检测器所提供的所述信号A和B上表示得非常不清楚。

在图4中，表示出光电检测器基于具有两种所检测到的波长的光波所提供的信号A和B的傅立叶光谱。信号A和B的傅立叶光谱依据已经如图3所示那样被记录的在时域中的信号A和B而获得。在图4中，注意到由于约3.2Hz的运动所导致的信号A和B的影响，同时脉搏跳动约为1.3Hz并且仅对具有第一波长的信号A可见。

在图5中，仅表示出光电检测器基于具有两种波长的所检测到的光波所提供的信号A和B的相干傅立叶功率谱。该相干功率谱依据如图3所示的在时域中的信号A和B而获得。

最后在图6中，仅表示出光电检测器基于具有两种波长的所检测到的光波所提供的信号A和B的非相干傅立叶功率谱。该非相干功率谱依据如图3所示的在时域中的信号A和B而获得。

在图5和6中，能够确定运动和脉搏跳动的影响被明显区分开来。约为3.2Hz的运动分量仅清楚出现在图5的相干光谱上，而约为1.3Hz的脉搏跳动分量仅清楚出现在图6的非相干光谱上。在这些情况下，微控制器单元的处理单元能够容易地直接从图6所表示的非相干功率谱中提取有用的心跳信号。当然，所述处理单元同样能够在如图5所表示的相干功率谱的基础上确定携带所述脉搏测量设备的人的运动频率。

根据以上所给出的描述，本领域技术人员能够在不超出权利要求所确定的本发明范围的情况下设计出所述方法和脉搏测量设备的若干种变化形式。可以想象的是，同时接通两个光源并且在光电检测器的级别执行波长选择。所述脉搏测量设备能够集成到具有光源的腕表中，并且光电检测器被设置在与佩戴者皮肤直接接触的手表外壳底部。光波的发射以及所反射的光波的检测通过所述外壳底部的一个或多个开口或透明部分来进行。

Claims

1.一种利用脉搏测量设备(1)确定人的心跳的方法，所述脉搏测量设备(1)包括用于发射具有第一波长(λ₁)的光波的第一光源(5)，用于发射具有第二波长(λ₂)的光波的第二光源(6)，以及用于检测由皮肤和血管组织所反射的光并且向微控制器单元(3)提供测量信号的光电检测器(7)，所述第一波长和第二波长不同并且被确定为使得具有第一波长的光波对脉搏跳动以及人的运动敏感，并且使得具有第二波长的光波对运动敏感，

其特征在于该方法包括步骤：

-利用第一光源(5)和第二光源(6)生成具有第一波长(λ₁)和第二波长(λ₂)的光波，并且将这些光波在人的皮肤方向上传送，

-检测被皮肤和血管组织所反射的具有第一波长和第二波长的光波以提供电测量信号，

-基于光谱相干函数γ通过公式

计算至少一个非相干功率谱，所述光谱相干函数γ考虑了与第一波长相关的测量信号和与第二波长相关的测量信号之间的依赖性，其中是与所检测到的光波的第一波长相关的测量信号的平均傅立叶功率谱，并且γ²处于0和1之间，并且

-利用非相干功率谱确定人的心跳。

2.如权利要求1所述的利用脉搏测量设备确定人的心跳和运动的方法，其特征在于，基于光谱相干函数γ通过公式

计算至少一个相干功率谱，其中

是与所检测到的光波的第二波长(λ₂)相关的测量信号的平均傅立叶功率谱，并且γ²处于0和1之间，并且利用所述相干功率谱确定人的运动频率。

3.如权利要求1所述的确定人的心跳的方法，其特征在于，所述光源(5，6)交替接通以生成具有两种波长的光波。

4.如权利要求3所述的确定人的心跳的方法，其特征在于，所述光源(5，6)在所确定的时间周期中随时间交替且不连续地接通，在光源每次被交替激活之间提供光源被断开的时间间隔。

5.如权利要求4所述的确定人的心跳的方法，其特征在于，当所述光源(5，6)被断开时，在微控制器单元中在转换到频域之前在时域中连续减去由光电检测器(7)所检测的光的平均值。

6.如权利要求3至5中任一项所述的确定人的心跳的方法，其特征在于，所述脉搏测量设备(1)在所确定的测量周期期间被人工或自动地设置为运行以提供脉搏测量。

7.如权利要求6所述的确定人的心跳的方法，其特征在于，所述脉搏测量设备(1)在所编程的时间周期内被自动设置为运行，所述所编程的时间周期比每个所确定的测量周期大数个量级。

8.一种用于实施如权利要求1所述的方法的脉搏测量设备(1)，该设备包括光学检测单元(2)，该光学检测单元(2)包括用于发射具有第一波长(λ₁)的光波的第一光源(5)，用于发射具有第二波长(λ₂)的光波的第二光源(6)，以及用于检测由皮肤和血管组织所反射的光并且向微控制器单元(3)提供测量信号的光电检测器(7)，其特征在于，微控制器单元(3)包括至少一个处理单元(9)，所述处理单元(9)能够基于光谱相干函数γ计算至少一个非相干功率谱，所述光谱相干函数γ考虑了由光电检测器所提供并且与第一波长相关的测量信号和由光电检测器所提供并且与第二波长相关的测量信号之间的差异，以利用所述非相干功率谱确定人的心跳。

9.如权利要求8所述的脉搏测量设备(1)，其特征在于，所述微控制器单元(3)包括存储器器件(11，12)，其中存储有用于将微控制器单元设置为运行的指令、特定于所述单元的配置参数、与光电检测器所提供并且由处理单元进行处理的数字化测量信号相关的数据，并且所述处理单元(9)能够基于光谱相干函数γ计算至少一个相干功率谱以利用所述相干功率谱确定人的运动频率。

10.如权利要求8所述的脉搏测量设备(1)，其特征在于，该脉搏测量设备(1)包括由微控制器单元(3)所控制的显示器(4)，所述显示器能够显示与携带所述设备的人的心跳和/或运动相关的信息。

11.如权利要求8所述的脉搏测量设备(1)，其特征在于，所述微控制器单元(3)包括用于对光电检测器(7)所提供的测量信号进行数字转换以便由处理单元(9)进行处理的模拟-数字转换器(8)，以及用于基于来自处理单元的控制信号交替控制每个光源(5，6)的激活的至少一个数字-模拟转换器(10)，每个光源为电致发光二极管。

12.一种便携式电子仪器，例如腕表，其包括如权利要求8所述的脉搏测量设备(1)，其特征在于，第一和第二光源(5，6)设置在该仪器的外壳中以通过所述外壳的基底提供光波，并且提供光电检测器(7)以检测通过该外壳基底的开口或透明部分反射的光波。