CN102697487B - 使用光调制测量生理数据的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用来测量个体生理数据的装置。本装置包括一个光调制单元、一个光检测单元和一个信号处理单元。本发明能够以主动模式或被动模式运行来测量心率、呼吸系统信息、血色素水平、心输出量或血氧饱和浓度等。基于傅里叶变换的锁相技术被用于探测生理信号，即使该信号很微弱亦能获得可靠的结果。另外，环境光可以被用作光源来完成测量。

Description

使用光调制测量生理数据的系统和方法
【技术领域】
本发明涉及一种测量装置，特别涉及非接触式测量-个体生理数据的装置。
【背景技术】
医用测量设备已经广泛用于监测我们身体的生命参数。光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种设备发出光信号到活体组织并分析光吸收度的一种无创检测活体生理数据的方法。
脉搏血氧仪是一个这种测量设备的例子。当血液流经动脉静脉时，它利用红光和红外光在血液里的不同吸收比，直接监测人体血液里的血氧饱和度。通过使用不同波长的不同光吸收量，可以设计其他的PPG设备来测量不同的生理信号。
但是，大部分的PPG设备都是接触式的，直接接触人体的皮肤。为了确保有一个良好和稳固的接触，这种设备都会施加一定的压力以夹住或贴（粘附）在身体的某一部位。这会使人体不舒服，比如监测婴儿的生理数据，甚至会使婴儿不安，导致测量不准确。如果夹紧的力量不够，那么使用中的设备很可能从皮肤处滑落。这会导致测量偏差。但是，非接触式的PPG设备可以不需要接触人体而进行测量。在一些情况下，人体甚至没有察觉到正在进行测量。人体可以处于平静或心情舒适的状态，或者继续他或她的正常活动。那么测量结果就能反映人体在正常状态下的实际生理情况。另一方面，对于非接触式的运行，检测器接收到的吸收信号要弱一些，因为随着人体到检测器的光学距离的增加，信号强度会大大下降。
【发明内容】
鉴于以上背景，本发明目的是提供一种替代的装置和方法去测量生理数据，并具有改善的灵敏度和设计。
因此，一方面本发明是人体生理数据的测量装置，包括（a）光调制单元；（b）光检测单元；（c）信号处理单元。光调制单元通过在一个或多个预定的频率上调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号。每个调制光信号有不同的波长并照射到身体上。然后被身体的生理信号调节以产生一个复合的分光光度光信号（spectrophotometric light signal）。光检测单元接收该复合的分光光度光信号并将其转换成电信号。信号处理单元用于将该电信号转换成数字信号，并得到该数字信号的频谱。它还跟踪该频谱的至少一个主频峰值（dominant spectral peak），并识别出各个主频峰值附近频谱的至少一个次频峰值（minor spectral peak）。最后，根据一个或多个主频峰值和相应的次频峰值的测量结果，确定生理数据。
在本发明一个示例性实施例中，光调制单元包括一个在预定频率上将光源开和关的电路。在另一个示例性实施例中，光调制单元包括一个转轮。该转轮是不透光的，且包括至少一个中空区域，使得当转轮以一个预定频率旋转时从一个或多个光源发出的光线间歇性地穿过或被阻碍。按这种方式，光线被调制。调制频率取决于转轮预定的频率，和转轮上中空区域的数量，用于某些特定的光源。
在另一个典型实施例里，该装置发出红光和红外光，红光在一个预定义频率上被调制，红外光在另一个预定义频率上被调制。
在另一个实施例里，光源是环境光，且转轮的中空区域连接一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过。在一个实施例里，红光或红外光颜色滤镜被用来产生期望的调制光信号。
在另一个实施例里，光调制单元包含一个静态圆盘以及一个转轮，静态圆盘上有至少一个颜色滤镜，转轮有至少一个中空区域。静态圆盘连接到转轮。转轮以一个预定频率旋转，并且静态圆盘是静止的，其中各个颜色滤镜和对应的中空区域在转轮旋转时沿着光轴间歇性地对齐，使得从光源发出的光间歇性地穿过和被阻挡，从而以预定义频率被调制。
在另一个实施例里，信号处理单元还包含一个模数转换器、一个中央处理单元和存储器。处理单元执行一个存储在存储器里的嵌入式程序来确定生理数据。生理数据包括心率、心率变易、呼吸系统信息、血色素水平、动脉硬化指数、心输出量、血氧浓度或其任何组合。
在另一个实施例里，该装置以非接触式运行。其还包含一个光收集单元，用于指示复合分光光度光信号到光检测单元。光收集单元可以包括(a)一个或多个透镜、(b)一个或多个反射镜、(c)波导、(d)光纤或(e)以上任何组合。光检测单元包含从光二极管、光电倍增管、CMOS和CCD阵列里挑选出的一个装置。
依照本发明的另一个方面，装置用来测量个体生理数据，其包含与以上相同的光调制单元、光检测单元、和信号处理单元。装置还可以包含之前所述的光收集单元。主要区别是环境光首先入射到个体上，然后被个体的生理信号调节。被调节的光信号被反射到光调制单元。后者还使用前述装置和技术调制被调节的光信号。如之前所述，产生的复合分光光度光信号被发送到光检测单元，并以相同方式由信号处理单元进行处理。
另一方面，本发明是一个用来确定个体生理数据的方法。本方法包括以下步骤：(a)通过以至少一个预定义频率调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号，每个至少一个调制光信号有不同的波长；(b)检测一个复合分光光度光信号，并将复合分光光度光信号转换成电信号，由此复合分光光度光信号是在个体的生理信号被一个或多个调制光信号调节时产生的；(c)将电信号转换成数字信号；(d)获取数字信号的频谱；(e)在频谱上跟踪至少一个主频峰值，每个主频峰值对应每个至少一个预定义频率；(f)从各个主频峰值附近的频谱上找出一个或多个次频峰值；和(g)从各个主频峰值和对应次频峰值确定生理数据。
在另一个实施例里，本方法的确定步骤（g）还包含计算在各个主频峰值的上边带的一个次频峰值和下边带上的另一个次频峰值的平均值。
本发明有许多优点。首先，本发明使用基于傅里叶变换的锁相技术来计算结果。调制频率和相位是自动跟踪的。无需获得参考信号来解调，并且可以省略相应的滤波电路。因此，能够缩小本装置的尺寸，从而使得本装置更加便携式。此外，本发明的灵敏度更高，能够以无接触模式使用。
本发明的另一个优点是，即使当环境光被使用作为光源，本装置也可以很好地运行。本发明不会妨碍或干扰用户，特别是用来测量婴儿的生理数据。
【附图说明】
图1a是描述以主动模式运行的整个系统的基本构想的模块图。
图1b是描述以被动模式运行的整个系统的基本构想的模块图。
图2分别显示依照本发明一个实施例的载波信号、信息信号和调制信号的波形。
图3显示当光穿入血动脉时光吸收的各个部分。
图4a显示本发明一个实施例的在时域上检测的信号的一个实际波形。
图4b显示依照本发明一个实施例的在傅里叶变换之后检测到的信号的振幅。
图5是本发明一个实施例的第一实施。
图6是本发明一个实施例的第二实施。
图7是本发明一个实施例的第三实施。
图8显示本发明一个实施例具有不同构造的各种转轮。
图9是本发明一个实施例的第四实施。
图10显示依照本发明一个实施例转轮调制的另一种构造。
图11显示在一个实施例里实施本发明光检测单元和信号处理单元的简单电路。
图12显示本发明基于傅里叶变换的锁相测量算法的流程图。
图13描述本发明可以被设置以在不同环境里运行的一些实施例。
【具体实施方式】
在此和权利要求中使用的“包括”是指包括以下元素但不排除其他。“连接”是指通过一个或多个电装置或机械装置直接或间接地电连接或机械连接，除非有其他声明。而且，“锁定”是指在一个相当高的频率上调制一个信号然后在一个接近调制频率的具有锁定相位的窄带宽内捕获它，以减小宽带噪声。在一个实施例中，它还指在一个亮背景下检测一个小的光信号。
在此描述的实施例披露了捕获和分析人体生理数据的方法，并能以多种方式实施。具体地，以下披露了一种主动模式结构和一种被动模式结构。基于本披露的教导，本领域技术人员也可以实现其他结构或变体，但是它们仍应视为在本发明的范围内。
参见图1a，显示了整个系统运行在主动模式下的基本方框图。它包括至少一个光源10，其发出至少一个光束到光调制单元20。后者调制一个或多个光束以产生至少一个调制光信号。然后该一个或多个调制光信号照射到个体22上，其可以是人或动物。该调制光信号进一步被即将被测量的生理信号调节，产生一个复合的分光光度光信号。然后被一个光收集单元24聚集，再进入一个光检测单元26。光检测单元26将光信号转换为电信号，然后再由信号处理单元28进行处理。在计算该生理数据之后，结果显示在显示单元30上，和/或存储在一个外部设备32里。根据要测量的生理数据，需要的调制光信号的数量是不同的。应该注意，显示单元30、外部设备32和光收集单元24都是可选的部件，为了实施在本发明，可以需要它们，也可以不需要它们，取决于应用环境和用户需求。
图1b显示本发明的另一个实施例，其运行在被动模式下。图1a和图1b的区别是，在图1b中光调制单元20位于个体22之后，在图1a中光调制单元20位于个体22之前。换句话说，主动模式下，光束首先被光调制单元20调制然后再被个体的生理信号调节（图1a），而在被动模式下，光首先被生理信号调节然后被调制（图1b）。除了这个，光流（opticalflow）和运行原理都是一样的。应该注意，在图1b中光源10可以使环境光。因此，执行本发明被动模式的装置不需要包括一个产生光束的部件。
在以下段落中，一个以主动模式运行的血氧计作为示例性的实施例来阐述本发明。这个特定的应用利用了这样的事实：当红光和红外光穿过或从个体22的身体反射时，它们有不同的吸收率。因此，红光和红外光用作为这个例子中的光输入。在一个实施例中，红光的波长是660nm，而红外光的波长是940nm。根据血量变化之脉动成分的红光吸收对红外光吸收的比率，可以得到血氧饱和度。在另一个实施例中，光调制单元20在不同的预定频率上如80Hz和300Hz，调制红光和红外光，而得到两个调制光信号。在又一个实施例中，预定的频率可以是任何数值，但是它们不能一个是另一个的倍数。这两个调制光信号可以是不同的波形（如方波、正弦波），取决于偏好和需求。该调制的红光和调制的红外光可以被认为是各自频率为80Hz和300Hz的载波信号。为便于描述，该调制的红光和调制的红外光被当作是正弦波，如图2a。该调制的红光和调制的红外光的登市是：
R=A1cos2πf1t;和
IR=A2cos2πf2t;
其中R和IR分别是调制的红光和调制的红外光，A1和A2分别是红光和红外光的波幅；f1和f2分别是红光和红外光的调制频率。
然后这两个载波发射到个体22上。在一个透射式脉搏血氧计（TPO）里，这两个载波信号通常是发射到个体的附属器官（如手指、耳垂或鼻柱）的一侧上，而光检测单元26则在另一侧接收衰减的载波信号。对于反射式脉搏血氧计（RPO），光检测单元26检测组织的反射光，因此其和光调制单元20都位于同一侧。而且，本发明可以以接触模式或非接触模式运行。在接触模式，光调制单元20和/或光检测单元26可以接触个体皮肤，而在非接触模式，这两个单元都不接触个体皮肤。
当调制的光信号照射到个体22的动脉组织时，该调制光信号的强度被该组织、骨结构、还有脉动的动脉血减弱。衰减量取决于入射光的波长，而且对红光和红外光也是不同的，血液的氧气饱和度也是不同的。图3显示一个实施例中由光检测单元26检测到信号的各种分量。如图3所示，光信号的大部分（吸收25）被个体22的皮肤、骨头和组织吸收了。图中部的吸收27是静脉血吸收。图的上部显示了动脉血的吸收。吸收可以分为两部分：因为非脉动动脉血的吸收（参见DC部分29）和因为脉动动脉血的吸收（参见AC部分31）。AC部分31的波形有一个频率在0.5-4Hz左右的主正弦分量。这是个体22的脉动频率。为简便及方便描述，AC部分31（脉动波）可以近似为图2b所示的正弦波。因此红光和红外光的脉动波的等式可以写为：
RP=δ1cos2πf0t;   (1)
IRP=δ2cos2πf0t;
其中RP和IRP分别是红光脉动波和红外光脉动波；δ1和δ2分别是红光脉动波和红外光脉动波的波幅；f0是被测组织处的脉动频率。
在非接触运行模式下，由光检测单元26接收到的复合的分光光度光信号是更弱的。这可以从下表中见到，该表格比较了一个实验结果中的接触式和非接触式运行的信号强度：
  透射模式   反射模式
  接触式   AC/DC=~0.1   AC/DC=~0.01
  非接触式   AC/DC=~0.01   AC/DC=~0.001 or less
表格1
如表格1所示，在此实验中，非接触式运行中的脉动信号幅度是接触式运行中脉动信号幅度的10倍。因此，这需要新的方法以可靠和准确的方式去恢复脉动信号。
为了增强信号强度，通常使用光收集单元24去收集复合的分光光度光信号并将其导向光检测单元26，如图1a和1b所示。光收集单元24可以包括（a）一个或多个透镜，（b）一个或多个反射镜，（c）波导，（d）光纤或（e）以上任意组合。
当一个调制的光信号照射到个体22上时，它会被脉动波减弱或调节。最终结果是一个波幅调制信号，由此，调制的光信号是载波，而脉动波是信息，脉动波的频率远比载波的频率要低很多。在波幅调制之后，会得到图2c所示的波形。透射过个体22的光信号或被个体22反射的光信号被称为复合的分光光度光信号（如波幅调制信号），其是在个体22的生理信号（如脉动德动脉血）被调制光信号调节的时候产生的。至于血氧计应用，使用了红光和红外光。因此该复合的分光光度光信号有以下等式：
S=(1+RP)R+(1+IRP)IR
=(1+δ1cos2πf0t)A1cos(2πf1t+φ1)+(1+δ2cos2πf0t)A2cos(2πf2t+φ2)  (2)
其中S是该复合的分光光度光信号；A1和A2分别是红光和红外光的波幅；f1和f2分别是红光和红外光的调制频率；φ1和φ2分别是红光和红外光的脉动波和调制波之间的相位差。
该复合的分光光度光信号由光检测单元26直接接收或通过光收集单元24接收。然后它被光检测单元26转换为电信号。传统的测量装置可以解调该复合信号然后在时域计算生理数据。这个处理需要复合信号和解调信号之间的同步，因此需要一个参考源。本发明使用基于傅立叶变换（FT）的锁相测量方法去跟踪载波信号，并在频域确定生理数据。不需要参考源。跟踪和分析算法是在信号处理单元28里完成的。在一个实施例里，信号处理单元28是一个包括模数转换器、中央处理单元（CPU）和存储器的集成电路，模数转换器将来自光检测单元26的电信号转换成数字信号，存储器存储嵌入程序。在另一个实施例中，信号处理单元28在数字信号上计算傅立叶变换并得到其频谱。在血氧计应用的实施例中，检测到的信号可以由以下等式近似，假设调制波和脉动波是纯正弦波：
S=(1+δ1cos2πf0t)A1cos(2πf1t+φ1)+(1+δ2cos2πf0t)A2cos(2πf2t+φ2)  (3)
此等式可以重写并显示其谱分量：
S=δ1A1cos(2π(f1-f0)t+φ1)/2+A1cos(2πf1t+φ1)+δ1A1cos(2π(f1+f0)t+φ1)/2+δ2A2cos(2π(f2-f0)t+φ2)/2+A2cos(2πf2t+φ2)+δ2A2cos(2π(f2+f0)t+φ2)/2(4)
如等式（4）所示，在S的频谱里有六个分量，等式中有六个不同的频率，分别对应频率(f1-f0)、f1、(f1+f0)、(f2-f0)、f2和(f2+f0)。因为δ1和δ2通常都小于一单位，所以S值是被等式（4）中的第二项和第五项支配。这两项对应频率f1和f2，如红光和红外光的调制频率。结果，频谱有两个主频峰值，分别是幅值A1和A2。它们能非常容易地被信号处理单元28找到。信号处理单元28还从一个时帧到另一个时帧地跟踪这两个调制频率的幅度和相位。这被称为基于傅立叶变换（FT）的锁相测量，因此不需要参考信号用于解调。在跟踪主频峰值后，然后信号处理单元28从主频峰值和次频峰值而确定生理数据。在一个事实例中，比值的比值(RoR)由以下等式计算：
RoR=[A(f1±f0)/Af1]/[A(f2±f0)/Af2]  (5)
其中A(f1±f0)和A(f2±f0)分别是红光和红外光主频峰值附近的次频峰值的幅度；Af1和Af2分别是红光和红外光主频峰值的幅度。
然后血液氧气饱和度以预定的校准由RoR计算。通常，使用相应的主频峰值附近的单个次频峰值的频谱幅度值，足够得到一个准确的氧气饱和率。但是，如果需要更高的精确度，可以计算相应主频峰值附近的两个次频峰值的平均值。
实际上，脉动波并不是单纯的正弦波。因此，频谱可能不只包含六个峰值，可能还有其他更高阶的谐波。参见图4a，显示了本发明一个实施例的时域内的检测到的信号的实际波形。图的右边是左边检测到的信号的一个片断的放大图。图4b显示检测到的信号在傅立叶变换后的频谱幅度。可以看见，有两个主频峰值33和多个次频峰值在每个主频峰值的上边带和下边带（the upper side band and the lower side band）。在一个实施例中，不管是上边带还是下边带的第一次频峰值35都用于等式（5）的计算。在另一个实施例，使用了两个第一次频峰值35的平均值。在又一个实施例中，使用了更高阶的频谱峰值用于确定血液中氧气饱和度。与传统的测量装置不同，它们使用时分复用（TDM），本发明使用频分复用（FDM）。在TDM，接收器容易有宽带噪声。但是，本发明采用了FDM方法并使用了基于傅里叶变换的数字锁相技术，因此调制频率和相位都是自跟踪的。如此，信号可以在接近调制频率（主频峰值33）的窄带中捕获，因此较少的噪声进入系统。所以，可以省略参考信号和复杂的滤波电路，使得简单和小型模块实施成为可能。
当计算血氧饱和度时，信号处理单元28可以发送结果到显示单元30，以输出该结果。信号处理单元28也可以连接到一个外部装置如存储单元、智能电话、打印机、计算机等等，用于进一步处理或分析。
参见图5，显示了本发明的第一实施。在此实施中，一个红色LED和一个红外LED用作光源。光调制单元20包括将红色LED和红外LED在预定频率上开和关的电路。在一个实施例中，它们分别是200Hz和300Hz。由红色LED和红外LED发出的调制光信号可以是方波、正弦波等等，取决于需求和光调制单元20使用的调制方法。在一个实施例中，使用晶体管-晶体管-逻辑电平（TTL）产生方波用于调制光源。在另一个实施例中，使用其他方法去产生正弦波、三角波或其他波形。如前描述，然后调制的信号照射到个体22上，并穿透个体22或由个体22反射。然后复合的分光光度光信号被收集和检测用于计算。基本概念和之前描述的一样。
图6显示本发明的第二实施。对于需要高强度的情况，使用一个高功率红光灯38和一个高功率红外灯40作为光源。在一个实施例中，使用了罩有红色和红外滤层的卤素灯。但是，光调制单元20并不通过调制供电给光源的功率电流来调制光信号，因为许多高功率灯不能在高于20Hz的频率上快速开或关。而是，调制单元20使用一转轮42而机械地调制光信号。转轮42是不透光的，阻止红光和红外光穿透。而且，转轮42包括至少一个中空区域用于允许光线穿过。转轮42是以预定（predetermined）频率如100Hz、150Hz旋转的。通过具有不同数量的中空区域以及中空区域形状和位置的不同安排，红光和红外光可以在不同的预定义（predefined）频率上调制。当转轮42旋转时，光源发出的光线间歇性地穿透和被阻碍，以致机械地执行调制。预定义（predefined）频率是预定（predetermined）频率的整数倍。在一个实施例中，有两个中空区域间隔均匀地分布在转轮42的外围上，用于红灯38发出的光穿过，另外三个中空区域间隔均匀地分布在那两个中空区域之下的外围上，用于将红外灯40发出的光穿过。当转轮以100Hz的频率旋转时，就产生了一个200Hz的调制的红光信号和一个300Hz的调制的红外光信号。另外，通过不同形状的中空区域，穿过的光信号可以有不同的波形，如方形、三角形、正弦等等。在调制后，光线经历以上描述的同样的处理步骤。在信号处理单元28内执行计算步骤。
参见图7，显示了本发明的第三实施。使用了单个光源36。光源在其频谱上包含红光和红外光。在一个实施例中，它可以是环境光。在另一个实施例中，它可以是阳光。在又一个实施例中，它可以是室内环境光，如用于照明的日光灯、灯泡等等。因为环境光除了红光和红外光外还包含其它颜色分量。转轮42被改装成除了产生调制光信号外，还滤除掉不想要的颜色分量。在一个实施例中，转轮42是不透光的，包括至少一个中空区域。中空区域连接一个滤色境，以允许一定波长的光线穿过。转轮42以一个预定义（predefined）的频率旋转，因此在一个预定（predetermined）频率上调制想要的光信号。转轮42可以由不同数量的中空区域，以及中空区域的形状和问题的不同安排。图8显示具有不同安排的各种转轮42。对于这所有四种安排，由两个中空区域连接红光滤色镜44。它们关于转轮的中心对称布置。还有三个中空区域连接红外光滤色镜46。它们关于转轮中心等角度平均分布；它们和红光滤色镜44不重叠。当转轮以100Hz频率旋转时，它产生200Hz的调制红光信号和300Hz的调制红外光信号。图8显示在不同域定义频率上产生一个或多个调制颜色光信号的原理。在设计该转轮时，可以有多种变化。例如，转轮42可以有不同数量和形状的红光滤色镜44和红外光滤色镜46，其位置也可以有不同安排。滤色镜的类型、形状、数量和位置是高度灵活的，取决于需要的调制频率、波形形状和允许穿过的某种颜色的光线。回到图7，可以看到环境光被滤波和调制，然后照射到个体22上。在滤波和调制后，随后的步骤和上面描述的相同，如收集复合的分光光度光信号、再转换成电信号等等。
图5、6和7讨论了本发明的主动模式构造。一个被动模式构造的实施例如图9所示，其也被称为本发明的第四实施。该实施类似于上述第三实施。光源36和转轮42的构造与第三实施基本相同。主要区别是光线首先照射到个体上并且通过个体的生理信号进行调节。结果，产生一个分光光度光信号。分光光度光信号还穿过转轮42，其滤掉不需要的颜色光，并以预定义频率调制想要的颜色光。然后，转轮42将分光光度光信号转换成一个如之前所述的复合的分光光度光信号。然后，接下来的处理步骤跟主动模式运行时是一样的，在此不再重复。在一个实施例里，一个或多个光收集单元24被安装在转轮42的前部/后部，以便收集并引导光穿过。
参照图10，显示了转轮调制的另一个构造。在本构造里，使用了两个元件，静态圆盘48和转轮42，它们包含在光调制单元20里。静态圆盘48上有颜色滤镜，其仅允许某些波长的光穿过，而转轮42包含至少一个中空区域以允许光穿过。静态圆盘48连接到转轮42。光调制单元20以一个预定频率旋转转轮42，并保持静态圆盘48静止，使得静态圆盘48上的颜色滤镜和转轮42上的中空区域沿着光轴间隙性地对齐。由此，光信号间隙性地穿过和被阻挡，从而以预定以的频率被调制。类似地，按照不同的要求，可以选择颜色滤镜的类型、数量和位置排列，也可以选择中空区域的形状、数量和位置排列。
现在转到图11，显示了本发明一个实施例的一个简单电路，其实施本发明的光检测单元和信号处理单元。光二极管72将复合的分光光度光信号转换成一个电信号。运算放大器74与RC高通滤波电路76一起，进一步放大电信号。由于RC高通滤波器是在运算放大器的反馈路径上，输出的被放大信号被低通滤波，其将滤出宽带噪声。这将被馈入到集成电路(IC)78的“Signal In”（信号入）管脚。在集成电路78内部，有一个模数（A/D）转换器、一个中央处理器单元（CPU）和存储器，模数转换器将被放大的信号转换成数字信号，存储器存储一个嵌入式程序，其实施如图12所述的流程图。当本发明实施基于傅里叶变换的锁相测量算法并在数字域里分析生理数据时，仅需要最小的模拟电路。因此，可以使用大型集成电路，并可以最小化实现整个电路的元件数目。
在图12，显示了本发明的基于傅里叶变换的锁相测量的流程图。该流程图被设计用来测量心率和血氧饱和度。但是，其可以容易地适用于测量其它生理数据。初始化步骤52是开始并初始化参数，如调制频率、光探测器敏感度、增益放大、抽样频率、抽样持续时间、A/D解析度、计算速度、存储器容量等。然后，在步骤52，在T时间周期内信号处理单元28从模数转换器读取数据。抽样频率应该至少高于最高调制频率的那奎斯特率（Nyquist rate），并优选地是最高调制频率的5倍。在一个实施例里，抽样频率是2KHz，并且T大约是10秒。在步骤54，执行快速傅里叶变换以获取数据的频谱。在步骤56，信号处理单元28在频谱上进行搜索，从而找出主频峰值和在频率子带上(fm±f0 x n)的次频峰值,其中m=1,2和n=0,1,2,3等。然后，过程行进到步骤58，其依照等式（5）计算生理数据，如心率f0和血氧饱和度。在步骤60。过程将行进到不同状态，主要取决于用户选择和实际需求。如果需要时域处理，行进到步骤62，否则行进到步骤66。在需要一个实时波形或需要额外信息的情形下，要求进行时域处理。例如，动脉硬化指数可以直接从原始PPG波形开始测量。在步骤62，在频域里的振幅和相位谱被分解并被滤波成两个数据序列，每个数据序列对应一个主频峰值。然后，对其进行逆快速傅里叶变换（IFFT）以获取两个时域波形。基于时域波形，对每个波形，步骤64将计算脉动振幅对直电流振幅的比率（AC/DC）。然后可以推导出血氧饱和度和心率。在步骤66，计算结果被输出到显示器单元30，或被传输到任何外部装置32上。然后，在步骤68程序检查“停止过程”标记。如果是，整个过程在步骤70终止。否则，过程控制回转到步骤52以再次重复过程。
如前所述，本发明不仅可以以传统接触模式运行，也可以适用于非接触式的构造。图13描述了一些实施例，其中本发明可以被设置以在不同环境下运行。图13a显示本发明的显微镜型构造。灯泡或LED可以被用作为光源，而电荷耦合元件（CCD）照相机或一个光二极管电路可以用于光检测器。个体22的肢体（通常是手指）可以放在中间进行测量。装置可以设计成手指不需要接触到光源或光检测器。因此，不会出现污染。本发明的一个枪型构造如图13b所示。该枪型装置可以由医护人员距个体一定距离而进行操作。除了测量心率和血氧饱和度，也可以结合使用红外(IR)温度计来获取多个函数。该类型的传感区域通常很大。图13c显示本发明的一个光纤型构造，其中由于尺寸小，它可以被灵活用在个体22身体的任何部位。感应头可以由光纤尖实施。最后，本发明的一个望远镜型构造如图13d所示。在该情形下，本发明能够远程感应哪些对个体22是非干扰的（non-disturbing）。本质上，这四种构造都可以设计成主动模式或被动模式运行。但是，实际工程设计和精确要求可能确定了是否需要有源光源。但是，图13d所示的望远镜型构造更接近非接触操作的被动模式。在光检测单元和个体皮肤之间的距离随着运行构造的不同而不同。其变化范围从显微镜型构造的1mm到望远镜型构造的20m。但是，该范围只是典型数字，并不应该被看作是在限制本发明。
虽然参照所述实施例已经特别显示和描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，还可以做出若干改进和细节上的修改，并且这些改进和细节上的修改也应视为本发明的保护范围。因此本发明并不限于在此描述的实施例。
例如，颜色滤镜的形状可以是圆形、三角形、正方形、长方形等。
尽管在前面的段落里广泛地使用心率和血氧饱和参数来描述本发明如何有效地对它们进行测量，但在此披露的本发明主要思想也可以被用来测量其它生理数据，包括但不限于心率变化、呼吸系统信息、血色素水平、动脉硬化指标、心输出量等。应当注意到，可能需要能够发出不同波长光的不同数目的光源来测量上述生理信号。
至于光检测单元，尽管在前面的段落里提到了光二极管和CCD阵列，但也可以使用其它装置，如光电倍增管、CMOS阵列、或能够将光信号转换成电信号的类似装置。

Claims (20)

1.一种测量个体生理数据的装置，包括：
a)光调制单元，其通过以至少一个预定义频率调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号，所述至少一个调制光信号是在照射到所述个体之前产生的，每个所述至少一个调制光信号有不同的波长；
b)光检测单元，用来接收一个复合分光光度光信号，并将所述复合分光光度光信号转换成一个电信号，所述复合分光光度光信号是在所述个体的生理信号被所述至少一个调制光信号调节时产生的；和
c)信号处理单元，用于：
i)将所述电信号转换成数字信号；
ii)获取所述数字信号的频谱；
iii)跟踪所述频谱的至少一个主频峰值，每个所述主频峰值对应每个所述至少一个预定义频率；
iv)从所述至少一个主频峰值的附近找出所述频谱的至少一个次频峰值；
v)从所述至少一个主频峰值和所述至少一个次频峰值确定所述生理数据。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述光调制单元包括一个电子电路，其以所述至少一个预定义频率开启和关闭所述至少一个光源。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个调制光信号包括第一调制光信号，其以第一预定义频率发出红光，和第二调制光信号，其以第二预定义频率发出红外光。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述光调制单元包括一个转轮，所述转轮是不透光的且包括至少一个中空区域以允许光穿过，所述转轮以一个预定频率旋转，使得从所述至少一个光源发出的光间歇性地穿过和被阻挡，从而以所述至少一个预定义频率被调制，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述至少一个中空区域连接一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述至少一个光源是环境光。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述光调制单元，包括：
a)一个静态圆盘，其上有至少一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过；和
b)一个转轮，其有至少一个中空区域，
所述静态圆盘连接到所述转轮，所述转轮以一个预定频率旋转，所述静态圆盘是静止的，其中所述至少一个颜色滤镜和所述至少一个中空区域在所述转轮旋转时沿着光轴间歇性地对齐，使得从所述至少一个光源发出的光间歇性地穿过和被阻挡，从而以所述至少一个预定义频率被调制，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述信号处理单元包括一个模数转换器、一个中央处理单元和存储器，所述中央处理单元执行存储在所述存储器里的嵌入式程序以确定所述生理数据。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述生理数据是心率、心率变异性、呼吸系统信息、血色素水平、动脉硬化指数、心输出量、血氧饱和度或其任何组合。
10.如权利要求1所述的装置，还包含一个光收集单元，以便所述装置能够在非接触环境里运行，所述光收集单元是一个光纤、一个透镜、一个反射镜或一个波导，用来指示所述复合分光光度光信号到所述光检测单元。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述光检测单元选自：光二极管、光电倍增管、CMOS阵列、CCD阵列。
12.一种用来测量个体生理数据的装置，包括：
a)光调制单元，其通过以至少一个预定义频率调制从所述个体反射的周围光，而产生至少一个调制光信号，每个所述至少一个调制光信号有不同的波长；
b)光检测单元，用于接收一个复合分光光度光信号，并将所述复合分光光度光信号转换成电信号，所述复合分光光度光信号是在所述个体的生理信号被所述至少一个调制光信号调节时产生的；和
c)处理单元，用于从所述电信号确定所述生理数据。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述光调制单元包括一个转轮，其是不透光的，所述转轮包括至少一个中空区域，其连接一个颜色滤镜以允许特定波长的光穿过，所述转轮以一个预定频率旋转，使得所述环境光以所述至少一个预定义频率被调制，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。
14.如权利要求12所述的装置，其中所述光调制单元包括：
a)一个静态圆盘，其上有至少一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过；和
b)一个转轮，其有至少一个中空区域；
所述静态圆盘连接到所述转轮，所述转轮以一个预定频率旋转，所述静态圆盘是静止的，其中所述至少一个颜色滤镜和所述至少一个中空区域在所述转轮旋转时沿着光轴间歇性地对齐，使得所述环境光以所述至少一个预定义频率被调制，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。
15.如权利要求12所述的装置，其中所述处理单元用于：
a)将所述电信号转换成数字信号；
b)获取所述数字信号的频谱；
c)跟踪在所述频谱上的至少一个主频峰值，每个所述主频峰值对应每个所述至少一个预定义频率；
d)从所述至少一个主频峰值的附近找出在所述频谱上的至少一个次频峰值；和
e)从所述至少一个主频峰值和所述至少一个次频峰值确定所述生理数据。
16.一个确定个体生理数据的方法，包括：
a)通过在至少一个预定义频率上调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号，每个所述至少一个调制光信号有不同的波长；
b)检测一个复合分光光度光信号，并将所述复合分光光度光信号转换成电信号，所述复合分光光度光信号是在所述个体的生理信号被所述至少一个调制光信号调节时产生的；
c)将所述电信号转换成数字信号；
d)获取所述数字信号的频谱；
e)跟踪在所述频谱上的至少一个主频峰值，每个所述主频峰值对应每个所述至少一个预定义频率；
f)从所述至少一个主频峰值的附近找出在所述频谱上的至少一个次频峰值；和
g)从所述至少一个主频峰值和所述至少一个次频峰值确定所述生理数据。
17.如权利要求16所述的方法，其中步骤a)包括：在第一频率上开启和关闭第一光源以发出红光，以及在第二频率上开启和关闭第二光源以发出红外光。
18.如权利要求16所述的方法，其中步骤a)包括：在一个预定频率上旋转转轮，使得所述至少一个光源是在所述至少一个预定义频率上被调制，所述转轮是不透光的并包含至少一个中空区域，其连接一个颜色滤镜，以允许特定波长的光穿过，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。
19.如权利要求16所述的方法，其中步骤a)包括：以一个预定频率旋转转轮，并保持连接到所述转轮的静态圆盘是静止的，以调制所述至少一个光源，所述静态圆盘包括至少一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过；所述转轮包含至少一个中空区域，其中所述至少一个颜色滤镜和所述至少一个中空区域在所述转轮旋转时间歇性地对齐，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。
20.如权利要求16所述的方法，其中步骤g)包括以下步骤：计算在所述至少一个主频峰值的上边带和下边带上的次频峰值的平均值。
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