CN104507381A

CN104507381A - 光电体积描记设备和方法

Info

Publication number: CN104507381A
Application number: CN201380040704.5A
Authority: CN
Inventors: A.T.J.M.施佩; K.J.鲁洛夫斯; P.G.范恩根; K.吉恩
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-06-10
Also published as: CN104507381B; RU2015101104A; EP2861131B1; RU2635172C2; WO2013190423A1; EP2861131A1

Abstract

本发明涉及监控设备和方法。所提出的设备包括：用于将光脉冲（3）发射到有机体的组织（4）中的光源（2）；用于从所述组织接收光（6）并生成传感器信号（7）的光传感器（5）；用于对所述传感器信号（7、9）进行滤波的滤波单元（10），所述滤波单元包括用于生成同相滤波信号（12）的切换的同相低通滤波器（11）和用于生成异相滤波信号（14）的切换的异相低通滤波器（13）；控制单元（19），用于控制所述光源（2）和所述滤波单元（10）使得所述同相滤波器（11）仅在所述光源（2）被接通的第二时间段（31）期间被接通，并且所述异相滤波器（13）在所述光源（2）被关断的第一和第三时间段（30、32）期间被接通；用于从所述同相滤波信号（12）中减去所述异相滤波信号（14）的减法单元（18）。

Description

光电体积描记设备和方法

技术领域

本发明涉及监控设备和监控方法，特别是用于心率测量。

背景技术

作为监控设备的重要种类，基于光电体积描记术（PPG）的心率检测器是公知的。来自一个或多个光源（例如，LED）的光被发射到有机体（例如，患者）的组织中，并且由光传感器（例如，光电二极管）捕获。

关于心率检测器的问题在于外界（ambient）光漏到传感器中并扰乱测量。该外界光可能源自太阳或者电灯（其可在网（net）频率处发射光）。另一问题是噪声，尤其是低频噪声（例如，1/f噪声），而且高频噪声也扰乱测量。此外，电磁干扰也可能扰乱测量。

绕开这个问题的方式是使用同步检测。在同步检测中，将被测量的信号（基带信号）被调制到载波上。检测器解调该信号使得基带信号再次被获得。同步检测的优点在于只有小频带（在调制频率周围）中的噪声和扰动信号可能扰乱所检测的信号。小频带之外的所有的噪声和扰动都被过滤掉，并且因此不扰乱所检测的信号。使用同步检测的脉搏血氧计例如从US6912413知晓。

在简明（straightforward）的实施方式中，例如正如从无线电接收器知晓的，同步检测是通过用正弦波调制光源完成的。这对于信号质量是有好处的，因为只有调制频率周围的小的带中的噪声和扰动可能扰乱所检测的信号。小的带必须位于足够高的频率中以去除较低的频率的扰动（例如，120Hz光）。这要求调制频率至少在该频率以上。这种形式的同步检测要求复杂的电路。替代正弦波，也使用方波。通过将检测器中的高频分量过滤掉，只有方波的基频周围的频带被利用。

发明内容

本发明的一个目的是提供不要求由正弦波或方波调制而允许低频、低占空比的脉冲光调制的监控设备和监控方法。

在本发明的第一方面中，呈现了监控设备，包括：

用于将光脉冲发射到有机体的组织中的光源，

用于从所述组织接收光并生成传感器信号的光传感器，

用于对所述传感器信号进行滤波的滤波单元，所述滤波单元包括用于生成同相（in-phase）滤波信号的切换的同相低通滤波器和用于生成异相（out-of-phase）滤波信号的切换的异相低通滤波器，

控制单元，用于控制所述光源和所述滤波单元使得同相滤波器仅在光源被接通的第二时间段期间被接通，并且异相滤波器在光源被关断的第一和第三时间段期间被接通，

用于从同相滤波信号中减去异相滤波信号的减法单元。

在本发明的进一步的方面中，呈现了对应的监控方法。

在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应理解的是，要求保护的方法具有与要求保护的设备以及在从属权利要求中所定义的类似的和/或同样的优选实施例。

本发明是基于应用同步检测方案的思想，所述方案不要求正弦或者方波的调制而允许低频、低占空比的脉冲光调制，同时仍仅允许窄的、较高频带中的噪声和扰动扰乱所检测的信号。

根据本发明，紧密围绕主信号的外界信号（即，一般包括外界光和噪声）被测量。在测量（采样）外界信号时，光源被关断。在测量（采样）主信号时，光源被接通。通过从主信号中减去外界信号创建校正的信号。这样，不期望的外界信号从主信号中被移除。通过紧密围绕主信号进行测量（采样），实现了局部地增加的采样频率，使得达到高频率的外界信号能够独立于对主信号进行采样的采样频率被检测并且被补偿。

切换的低通滤波器被用于外界信号和主信号二者的检测。因而外界信号对应于异相滤波信号，并且主信号对应于同相滤波信号。通过在两个滤波器的输出处的两种不同的信号的减法来获得设备的输出信号。切换的低通滤波器被用来防止混叠（aliasing）和将高频噪声过滤掉。

应注意，本发明一般性地不限于三个时间段的使用，而是交错（interleaved）的任意长度的序列是可能的，例如异相时间段、同相时间段、异相时间段、同相时间段…异相时间段。在这样的实施例中，光源仅在同相时间段期间被接通。所有的同相时间段被积分（integrate）在同相积分器（滤波器）中，而所有的异相时间段被积分在异相积分器（滤波器）中。优选地，同相时间段的总和在名义上等于异相时间段的总和。

在实施例中，所述控制单元被配置成控制所述滤波单元使得第二时间段具有与第一和第三时间段的总和相同的长度。

第一和第三时间段的长度的总和不是必须等于第二时间段的长度。在该情形中，可通过适当的权重因数来补偿差异。因此，在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述滤波单元使得在第二时间段期间扰动信号的贡献与第一和第三时间段期间的扰动信号的贡献相同。这是出现校准的地方。为了补偿滤波单元的两个滤波器之间的RC差异，在一种校准程序中，可以故意地使得时间略微不相等。校准旨在略微调整时间段使得扰动信号的贡献在两个滤波器中是相同的。

在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述滤波单元使得第一时间段具有与所述第三时间段相同的长度。然而，一般地，第一时间段具有不同于第三时间段的长度也是可能的。

在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述光源和所述滤波单元使得所述第一时间段被布置在光源变为接通之前不久，并且所述第三时间段被布置在光源变为关断之后不久。这提供了外界光在所有的三个时间段期间以最相似的方式和贡献被测量。

在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述光源以及所述滤波单元使得第一时间段和第三时间段之间的时间距离相比于将要被抑制的最快的扰动信号的时间段是短的，即t_{3rd
period} – t_{1st period}<< 1/f_{disturbance_max.}。

选择光源被接通和关断的时间中的确切时刻，使得外界光信号的积分被实现为使得积分器（integrator）输出（异相信号）接近在光源是接通的时间处的外界光信号的真实值。如果第一和第三时间段是对称的并且靠近第二时间段，则可实现最佳的接近。

在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制所述光源和所述滤波单元使得第二时间段比光脉冲的持续时间更短。

在另一实施例中，监控设备还包括模拟-至-数字变换器，其耦合在所述滤波单元和所述减法单元之间用于对所述同相滤波信号和所述异相滤波信号进行相减之前对它们进行模拟-至-数字变换，或者其耦合至所述减法单元的输出，用于对所述减法单元的输出信号进行模拟-至-数字变换。因而，针对由减法单元生成的校正的（输出）信号或者针对减法单元的输出信号，使用满A/D分辨率。

在另一实施例中，监控设备还包括耦合在所述光传感器和所述滤波单元之间的放大器，用于在对所述传感器信号滤波之前对其进行放大。

在另一实施例中，同相滤波器被配置成具有对应于传感器信号的信号带宽的带宽。这提供了信噪比可以被改进。

在一个实施例中，同相滤波器和异相滤波器是（名义上）同样的滤波器。因为主（同相）和异相信号通过相同滤波器的两个实例，所以在两个分支中（不期望的）异相信号的贡献是相同的，使得通过在两个滤波器的输出处的两个不同信号的减法，可以获得期望的输出信号。

所提出的监控设备的进一步的实施例优选地被实施为用于光学心率监控的腕戴设备，但是其它的实施方式是可能的，并且是针对显著地减小日光的影响。

在一个实施例中，所述控制单元被配置成控制由所述光源发射的光的强度在预定的强度范围中和/或控制所述模拟-至-数字变换器的增益（特别是包括在所述模拟-至-数字变换器中的放大器的增益）使得所述监控设备的输出信号的信号水平在预定的范围内。这确保了被用于心率检测的输出信号的信号水平既不过高也不过低。

在另一实施例中，所述控制单元被配置成控制由所述光源发射的光的强度和/或所述模拟-至-数字变换器的增益，使得同相滤波信号和异相滤波信号之间的差与异相滤波信号之间的比值在预定的范围内。这确保了相比于外界光（特别是日光），光源的光的量不会过小。

在替代性的实施例中，为了实现光源的光的量相比于外界光（特别是日光）不会过小，所述控制单元被配置成基于异相滤波信号来控制由所述光源发射的光的强度，使得同相滤波信号和异相滤波信号之间的差与异相滤波信号之间的比值在预定的范围内。

附图说明

依据在下文中描述的（多个）实施例，本发明的这些以及其它的方面将是明显的，并且参照它们来阐明本发明的这些和其他方面。在下面的绘图中：

图1示出了所提出的监控设备的实施例的示意性框图，

图2示出了图示所提出的监控方法的方面的图，

图3示出了传感器信号的谱的图，

图4示出了所提出的监控设备的传递函数（transfer function）的图，

图5示出了图示利用所提出的监控设备中噪声源的信号处理的示意性框图，

图6示出了耦合至放大器的光电二极管的实施例的等效电路图，

图7示出了包括噪声的传感器信号的以及所提出的监控设备的输出信号的谱的图，

图8示出了所提出的监控设备的另一实施例的示意性框图，以及

图9示出了图8中示出的实施例中的光源的光强度的图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的监控设备1的实施例的示意性框图。监控设备1包括光源2（例如，LED；一般而言，在下文中即使使用术语LED，也意味着光源），其用于发射光脉冲3到有机体、特别是人（例如，患者、做运动的人等）或动物（例如，动物园中的）的组织4中。光源2例如可被安装在由有机体佩戴的手指夹（finger clip）或手表上。设备1进一步包括用于从所述组织4接收光6并生成传感器信号7（例如，光电二极管电流）的光传感器5（例如，光电二极管）。可选地，放大器8、特别是跨阻抗放大器（TIA）被提供用来将传感器信号7放大成被放大的传感器信号9（例如，用于将光电二极管电流放大成电压信号）。

（可选地被放大的）传感器信号9被提供至用于对所述传感器信号9进行滤波的滤波单元10。滤波单元10包括用于生成同相滤波信号12的切换的同相低通滤波器11（在下面也叫做同相积分器）和用于生成异相滤波信号14的切换的异相低通滤波器13（在下面也叫做前后（pre and post）滤波器或者前后积分器）。

可选地，模拟-至-数字（AD）变换器15被提供用于对滤波输出信号16（包括同相滤波信号12和异相滤波信号14）进行模拟-至-数字的变换。然后，（可选地，经AD变换的）滤波输出信号17被传送至减法单元18，减法单元用于从（可选地经AD变换的）同相滤波信号12中减去（可选地经AD变换的）异相滤波信号14以获得被用于心率检测的输出信号23。

最后，控制单元19被提供用于通过使用控制信号20、21、22控制所述光源2和所述滤波单元10（以及可选地AD变换器15），使得同相滤波器11仅在当光源2被接通时的第二时间段（也叫做同相积分间隔）期间被接通，以及异相滤波器13在当光源2被关断时的第一和第三时间段（也叫做前积分间隔和后积分间隔）期间被接通。这在图2中被图示。

图2示出了图示关于LED接通信号，即控制信号20的前积分间隔、同相积分间隔和后积分间隔30、31、32的时间选择（timing）的图。特别是，示出了随以μs为单位的时间t变化的以伏特为单位的被放大的传感器信号9（也叫TIA信号）。前积分间隔和后积分间隔30、32（也叫第一和第三时间段）旨在在LED 2未接通的情况下创建（可选地被放大的）传感器信号9的插值的（interpolated）版本（即，旨在当LED 2接通时重建扰动信号）。在同相间隔31（也叫第二时间段）期间，LED诱发的信号以及扰动信号二者被积分到（可选地被放大的）传感器信号9中。

因而，一般地，控制单元19（一般包括时间选择生成器）以调制频率f_m对光源2施以脉冲。传感器5和TIA 8接收并放大脉冲的传感器信号7并且将其提供至两个切换的滤波器11、13。当光源2接通时，同相切换的滤波器11被切换。前后滤波器13（即，异相滤波器）在光源2被接通之前不久以及光源2被接通之后不久被接通。换言之，与将被抑制的最快速的扰动信号的时间段相比，第一时间段30和第三时间段32之间的时间距离是短的，即 t_{3rd
period} – t_{1st period}<< 1/f_{disturbance_max}。优选地，总的积分时间对于每个滤波器11、13是相同的。当未被接通时，滤波器11、13保持它们的状态。

设备1的主要的参数是：

● f_m: LED调制频率;

● t_ON: LED接通时间;

● d: 从f_m 和t_ON得出的占空比： d = t_ON x f_m; 其确定平均的LED功率;

● 设备中的切换的积分器（滤波器）的R 和C值。

设备1的主要的性能参数是:

● 扰动抑制: 光学和EMI扰动的抑制;

● 信噪比;

● 带宽;

● 功率消耗。

外界光和电磁干扰可能扰乱传感器（光电二极管）信号7。该扰动的大量发生在DC处，以及网频率的倍数处（比如50/60Hz，100/120Hz）。为了抑制这种扰动，同步检测被应用。

暂时地，前后滤波器13可以被视为在LED 2是接通时的扰动信号的评估器。评估器是在前时段和后时段30、32期间的扰动信号的平均。对于足够低频率的扰动，评估将是准确的。

频谱上，同步检测器可以被视作阻止频率F_SD之下的扰动信号的高通滤波器。扰动信号被提供至前后滤波器13以及同相滤波器11二者，并且输出被计算为 y(n) = x(n-1)-½ (x(n-2)+x(n)) 。该滤波器的采样率例如≈ 2500 Hz。

可以使用包含扰动信号a(t)的信号处理模型。为了抑制扰动信号，前后积分器13应当很好地评估在LED 2是接通时的扰动信号。为此，积分器11、13同等地表现是重要的。可以使用两种方法的组合：

组件值（电阻器的R和电容器的C）应当在两个切换的积分器11、13之间很好地匹配。

应用校准来匹配两个切换的积分器11、13的特性。

优选的是，在实施例中，前积分间隔和后积分间隔30、32足够地靠近同相间隔31（局部的采样频率必须够高）。否则，扰动信号中的较高的频率不会很好地被抑制。扰动抑制是独立于是否在切换的积分器中应用重置的。这是因为在两种情形中，对于两种信号路径，针对扰动信号的信号处理是相同的。

由LED 2用频率f_m来调制通过组织的信号3的基带谱。由于这一点，TIA 8的输出信号9的谱具有在f_m的倍数处重复的基带谱。朝较高频率的衰减是由LED占空比（根据傅里叶级数）确定的。这被描绘在图3的信号图中，图3示出了由随频率f变化的V_TIA指示的TIA 8的输出信号9的谱。

只有在积分器11、13被切换时，他们才对输入信号9进行积分。当他们没有被切换时，他们保持它们的状态。积分器11、13起低通滤波器的作用。切换占空比d影响滤波器的带宽。利用状态空间平均，可以计算滤波器的带宽：

。

对于较高的频率，等式（1）不成立。输入信号9的周期一进入接通时间（t_ON）的范围内，则固有的RC时间常数就确定特性并且信号被抑制，导致：

。

图4中示出了设备1的随频率f变化的传递函数H(f)。传递受带宽BW₂的限制并且存在附加的低通函数BW₁。该低通滤波器对于所有的在f_m的倍数处的谱重复都是有效的。换言之，带宽BW₁归因于于切换的低通滤波器函数以及带宽BW₂归因于接通时间的持续时间。

优选地，前时段30（T_前）和后时段32（T_后）在长度上是同样的以执行对称的外界积分：

T_前 = T_后 = 0.5 x T_同相　　　　　　　　(3)。

然后，电路执行下面的函数:

M = S + A,

A’ = 0.5 x A_前 + 0.5 x A_后　　　　　　　(4)

(这是对称的外界积分的关键)

S’ = M – A’。

目的是让 A’为A的非常良好的评估量，使得 S’ = S, 其中

M = 当LED接通时来自光电二极管的信号,

S = 感兴趣的信号,

A = 扰动信号 (外界的和噪声),

A’ = 评估的A信号 (加权的求和),

S’ = 评估的 S。

由此，等式（4）中的权重归因于等式（3）。

在下面，将讨论噪声特性。被修改的信号处理模型被用来详细说明噪声。一般地，信号的心率（心脉）部分是感兴趣的，其大致为总信号的1%。为了得到信号上的比如说40dB的信噪比，因此总的信噪比必须≈ 40 dB + 20 x log(1/(1%)) = 40 dB + 40 dB = 80 dB。

图5示出了图示用提出的监视设备中的噪声源进行信号处理的示意性框图。下面的噪声源可以被识别：

● n_L(t): LED光强度上的噪声。其由m(t)调制，其中f_m: I_L = n_L(t) x m(t)。

● n_T(t): 涉及TIA 输出的噪声。由TIA和光电二极管噪声构成。

● n_Q(t): 来自由A/D量化的噪声。

LED噪声 n_L(t)被调制，因此其在通道上在多个频带中发生。在检测之后，这些频带再次折回到基带。因此，频率范围0 … BW₂ 中的噪声是重要的。LED信号的信噪比跨通道被维持。信号和噪声二者以同样方式被减弱。优选的要求是针对带内（in-band）噪声> 80 dB。

对于光电二极管，电流Ip被给定，包括：

● 来自光电二极管的并联电阻的约翰逊（Johnson）噪声，

● 由光电二极管的暗电流引起的散粒（Shot）噪声，其取决于偏电压，

● 光散粒噪声，其取决于光电二极管上的入射光。

对于TIA，其被给定为:

● 电压E_n (nV/√Hz) 以及电流噪声I_n (fA/√Hz)。

总的输出涉及的噪声相当于:

。

图6中描绘了耦合至放大器的光电二极管的实施例的对应的等效电路图。

来自TIA 8和光电二极管5的噪声是独立于m(t)存在的（除了光量化噪声）。由于这一点，低频分量通过同步检测被移除。因此，只有大概500Hz…BW₂频率范围中的噪声是重要的。这是所期望的，因为以这种方式1/f噪声没有贡献。如果在无重置的情况下选取设备，则噪声的附加部分被滤掉，如图4中所示。为了全面地利用A/D变换器15，该本底噪声（noise floor）不应超过A/D本底噪声。

A/D噪声是数字信号中的白噪声，并且独立于所选取的带宽。该噪声可通过过采样被减少。这做起来将相对简明，因为信号已经由样本捕获并且持续（hold）并且存在充足的时间（假定切换不泄露太多）。这将允许较低分辨率的A/D变换器的使用。

假设来自TIA和光电二极管的噪声是占优势的，则应着眼于（look at）信噪比（S/N比值）。图7A示出了TIA信号9的谱，以及图7B示出了设备1的输出信号。图7A中示出的TIA信号9由在f_m处重复的信号谱和噪声组成，在图7B中示出的信号传递谱由具有宽度BW₁、以f_m重复、高达BW₂的带组成。由于伪（pseudo）积分器的低通特点，BW₂以上的部分被过滤掉。噪声传递谱与信号传递谱是相同的，除了较低的部分，高达F_SD通过同步检测被过滤掉（F_SD ≈ 500 Hz）。这导致：

。

常数取决于通道中的噪声水平以及信号水平（它们二者独立于检测器参数）。假设信号被完全地包含在其带BW₁内。噪声带宽BW等于(BW₂-F_SD)中的带的数量乘以每个带的带宽。

从这一点，可以得出可以通过实施例来改进信噪比，在所述实施例中：

● BW₁ 被选取为尽可能地小，以适应（accommodate）信号带宽；

● 相比于BW₂，BW₂ - F_SD 是小的。

原则上，当BW₂接近F_SD时，噪声带宽可以被减小至0。然而，正如下面将解释的，不是所有的参数都是彼此独立的。

在选择f_m、t_on之后，调整R和C以让BW1等于8Hz。以这种方式，LED功率和S/N之间的权衡是可能的（通过增加强度来增加LED功率是更加有效率的改进S/N比值的方式）。强度线性地贡献，而持续时间以平方根贡献。相对的S/N比值被同时计算和模拟。除了右下方，图是匹配的。计算显示+12 dB S/N改进，而模拟的S/N改进显示+6dB.

解决方案在下面的点方面有差异：

● S/N (较高的RC值结合长的t_ON ，给予最佳的结果)。

● LED 功率 (fm = 25 Hz 要求最低的)。

● F_SD (t_ON = 250 µs 具有最高的，因此最佳的扰动信号抑制)。

● 混叠(f_m = 200 Hz 对信号分量的混叠最不敏感)

所提出的监控设备和方法可有利地被实施为腕戴光学心率监控器。这样的腕戴光学心率监控器包括光源（例如，LED）和光电检测器（光传感器）。来自光源的光被引导通过有机体（例如，正在做运动的人）的组织至光电检测器使得心率可以被确定。在针对户外使用的腕戴光学心率监控器中，日光的影响可能发挥重要作用。太阳是非常强大的光源并且来自太阳的光可通过泄露或者通过组织的传输耦合到光电检测器中。另外，由于日光和阴影之间的快速运动，耦合到光电检测器中的日光的量可能快速地变化。如果光电检测器对日光谱的部分（例如，绿色光）敏感，则该效果更糟。过滤掉可能只能用于日光谱的非绿色部分。

关于日光耦合到检测器中的问题在于心率信号可能被严重地扰乱。心率只是信号的非常小的部分（比如总信号的0.2%至2%）。耦合到光电检测器中的日光的量中的改变可能比它更大。关于日光的另一问题在于用于LED光强度的控制环可能由于日光的原因而变得被扰乱。耦合到检测器中的大量的日光可能导致LED光强度的错误的减小。因此，在优选的实施例中，提出显著地减小日光的影响。

在图8中，描绘了根据本发明的监控设备1^，的实施例，其包括用于减小日光的影响并且在针对户外使用的作为腕戴的光学心率监控器的实施方式中是有用的构件。光电检测器5接收来自LED 2的光6以及来自太阳40的光42。通过对LED脉冲之前和之后的测量进行平均，即通过对滤波器10中的第一和第三时间段30、32期间的测量进行平均，来单独地测量太阳40的光42。在减法单元18中，被平均的日光值14从光电检测器信号12被减去，使得信号的LED部分25留下。该留下的信号25被A/D变换并且得到的输出信号23被用于心率（HR）检测。

该监控设备1^，的实施例很好地工作用于移除不是非常快地变化的日光。但是当落在（end up）光电检测器5上的日光的量非常快速地变化时，则外界的抑制不是无限地好。小部分的日光变化落在用于HR检测的信号中。这对所需要的LED强度设定了较低的限度。

控制器19使用来自A/D变换器15的输出信号23。控制器19的第一目的是使充足但不是过高的信号水平进入HR检测。可通过经由LED控制信号20来调节LED强度和/或通过经由变换器控制信号22调节A/D变换器15内侧的可编程增益放大器的增益来实现这一点。因而，为了获取正确的输出信号水平，控制器19具有一定的自由来使用两个控制信号20、22中的任一个。例如，如果信号水平过低，则它可增加增益或者增加LED强度。

控制器19的第二目的是让落在光电检测器上的LED光的量相比于日光的量不会太小。否则，相比于LED光，快速的日光变化可能太占优势，并且输出信号可能被扰乱。为了实现该第二目的，控制器19具有两种可能性。第一，其可试图保持LED强度在LED强度范围内并使用增益进行调整。只有当增益处于增益范围的边缘中的一个时，LED才被允许在其LED强度范围之外。

在图9中描绘的图中示出了监控设备1^，（使用用于实现控制器19的第二目的的以上提到的第一可能性）的实施例的特性。LED强度被绘出为组织中的LED光的衰减的函数。监控设备1^，企图保持LED强度在范围R（两条水平的虚线之间）内。通过适配LED强度来处理LED光衰减中的小的改变。特别地，LED强度只有在信号在期望的信号范围之外时被改变，使得LED强度适配的次数被最小化。要做这一点是因为LED强度适配导致信号中的扰动。通过改变AD变换器15中的可编程增益放大器的增益来处理将引起LED强度离开该范围的较大的变化。只有当增益在其最大时，LED强度才被增加到该范围之上。同样地，当增益在其最小时，LED强度被降低至该范围之下。

在图9中，标志A和B将指示特定的不同的增益。图9的意旨是示出m个增益的序列：G_m; G_m-1; G_m-2; …, G₂;G₁，其中G_m是最大增益并且G₁是最小增益。在实施例中，对于增益成立的是：G₃= 2; G₂=1; G₁ = 0.5。

本发明能够例如被应用于运动跑步手表中或者例如使用在腕周围的带并且旨在检测有关生理参数的心率的消费型生活风格产品中。进一步地，其可被使用在医学应用中，在家中或者医院中二者。原则上，本发明可用于其中对自己的刺激的响应必须被测量并且其中存在添加的扰动信号的任何系统。例如，本发明可被应用于测量SpO2率的系统中（尽管这样的系统一般使用两种波长，但是本发明的原理，n一般是适用的）。

本发明不限于单个的光源和/或单个的波长的光的使用，而是也可应用于使用多于一个的用于发射光脉冲的光源和/或多于单个的波长（例如，一系列波长或若干单独的波长）的光的设备和方法中。

虽然在绘图以及前述的描述中已经详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或者示例性的，并且不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践要求保护的发明时，依据绘图、公开内容以及所附的权利要求的研究，能够理解和完成所公开的实施例的其它变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个的元件或者其它单元可履行权利要求中记载的若干项目的功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中这一纯粹事实不表明不能有利地使用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims

1.监控设备，包括：

用于将光脉冲（3）发射到有机体的组织（4）中的光源（2），

用于从所述组织接收光（6）并生成传感器信号（7）的光传感器（5），

用于对所述传感器信号（7、9）进行滤波的滤波单元（10），所述滤波单元包括用于生成同相滤波信号（12）的切换的同相低通滤波器（11）和用于生成异相滤波信号（14）的切换的异相低通滤波器（13），

控制单元（19），用于控制所述光源（2）和所述滤波单元（10）使得所述同相滤波器（11）仅在所述光源（2）被接通的第二时间段（31）期间被接通，并且所述异相滤波器（13）在所述光源（2）被关断的第一和第三时间段（30、32）期间被接通，

用于从所述同相滤波信号（12）中减去所述异相滤波信号（14）的减法单元（18）。

2.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述滤波单元（10）使得所述第二时间段（31）具有与所述第一和第三时间段（30、32）的总和相同的长度。

3.如权利要求1种要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述滤波单元（10）使得在所述第二时间段（31）期间的扰动信号的贡献与所述第一和第三时间段（30、32）期间的扰动信号的贡献相同。

4.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述滤波单元（10）使得所述第一时间段（30）具有与所述第三时间段（32）相同的长度。

5.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述光源（2）和所述滤波单元（10）使得所述第一时间段（30）被布置在所述光源（2）变为接通之前不久，并且所述第三时间段（32）被布置在所述光源（2）变为关断之后不久。

6.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述光源（2）以及所述滤波单元（10）使得所述第一时间段和所述第三时间段之间的时间距离相比于将要被抑制的最快的扰动信号的时间段是短的。

7.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述光源（2）和所述滤波单元（10）使得所述第二时间段比光脉冲的持续时间更短。

8.如权利要求1中要求保护的监控设备，

还包括模拟-至-数字变换器（15），其耦合在所述滤波单元（10）和所述减法单元（18）之间用于在对所述同相滤波信号（12）和所述异相滤波信号（14）进行相减之前对它们进行模拟-至-数字变换，或者其耦合至所述减法单元（18）的输出，用于对所述减法单元（18）的输出信号进行模拟-至-数字变换。

9.如权利要求1种要求保护的监控设备，

还包括耦合在所述光传感器（5）和所述滤波单元（10）之间的放大器（8），用于在对所述传感器信号（7）滤波之前对其进行放大。

10.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述同相滤波器（12）被配置成具有对应于所述传感器信号（7）的信号带宽的带宽。

11.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述同相滤波器（11）和所述异相滤波器（13）是同样的滤波器。

12.如权利要求8中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制由所述光源（2）发射的光的强度在预定的强度范围（R）中并且控制所述模拟-至-数字变换器（15）的增益使得所述监控设备的输出信号（23）的信号水平在预定的范围内。

13.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述光源（2）使得所述光源（2）交替地在同相时间段（31）期间被接通以及在异相时间段（30、32）期间被关断，并且控制所述滤波单元（10）使得所述同相滤波器（11）仅在所述同相时间段（31）期间被接通以及所述异相滤波器（13）在所述异相时间段（30、32）期间被接通。

14.如权利要求1中要求保护的监控设备，

其中所述控制单元（19）被配置成控制所述滤波单元（10）和所述光源（2）使得所述同相时间段的总和名义上等于所述异相时间段的总和。

15.监控方法，包括：

将光脉冲（3）发射到有机体的组织（4）中，

从所述组织（4）接收光（6）并生成传感器信号（7），

对所述传感器信号（7、9）进行滤波，包括用于生成同相滤波信号（12）的切换的同相低通滤波以及用于生成异相滤波信号（14）的切换的异相低通滤波，

控制光脉冲的所述发射以及所述传感器信号的所述滤波，使得所述同相滤波仅在光脉冲被发射的第二时间段（31）期间被执行，并且所述异相滤波在没有光脉冲被发射的第一和第三时间段（30、32）期间被执行，

从所述同相滤波信号（12）中减去所述异相滤波信号（14）。