CN105636510A - 适于监测身体部位内的动脉血的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于监测运动期间的心率或血氧水平的装置，其包括传感器和发射器，其中传感器用于监测轮流从每个发射器的传输。因此，提供了在获得更多观测值时因为可以使用较少的传感器与发射器所以可以提供较少的设备的可能性。在一些实施例中，具有不同发射器的传感器的重复性使用使得将冗余引入装置使得装置更鲁棒并且甚至在一个或两个传感器和发射器已经坏掉的情况下能够正常运作。

Description

适于监测身体部位内的动脉血的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种适于监测身体部位内的动脉血的装置。具体而言，本发明涉及一种适于监测身体部位内的动脉血的装置，用于确定运动期间的心率或氧气水平。

背景技术

一种类型的心率监测器基于投射穿过人或动物的肢体或手指的红外光的吸收或透射来测量心跳。心率监测器通常包括发射器和传感器。发射器朝向传感器发射红外光进入肢体。皮肤、组织、静脉血和动脉血吸收并反射这一红外光的部分。然后，动脉血的体积随心跳周期性地增大和减小。这导致红外光的吸收和反射随心跳波动，其由传感器检测为红外透射的周期性波动。这不同于皮肤、组织和静脉血对于红外光透射的相对恒定的影响。

通常存在两种测量投射入肢体的红外光的方法。在第一种方法中，发射器和传感器基本位于肢体的相对侧，同时避开肢体内的任意骨骼，以便使来自发射器的红外光通过肢体传送至传感器。在另一种方法中，发射器和传感器基本位于肢体的同侧，以便从发射器投射进入肢体的红外光的一部分被肢体内的组织层分散以到达传感器。

遗憾的是，这种心率监测器的精确度受到穿戴者动作的影响，这会将噪声引入到由传感器检测的红外传输中。这部分是由于随着穿戴者移动而使发射器和传感器相对错位，而部分是由于动作期间肢体的屈曲，这会增大或减小发射器和传感器之间的传输路径长度。也就是说，肢体的皮肤和软组织可能会晃动并影响传输路径的长度。

已经提出了臂带形式的心率监测器，其布置有三对发射器和传感器。各对以一定的方式定位在臂带上，以使得由臂带穿戴者的动作而引起并且由三个传感器检测到的噪声能够从不同方向和角度观察，并且它们因此互为异相。这样，三对发射器和传感器提供三组观测值，其能够用于去除噪声元素而无需任何外部传感器来产生动作参考，而这在类似技术的许多其它早期的心率监测器中是必需的。然而，这一心率监测器需要三个独立的观测值，其必须由相同数目的发射器和传感器对来获得；单对发射器和传感器不足以提供足够数目的独立观测值。遗憾的是，三对发射器和传感器损失了心率监测器的鲁棒性，这是由于只要三个传感器或三个发射器中的任意一个无法工作，那么心率监测器就无法工作。此外，由于需要如此多的发射器和传感器，因此导致这种心率监测器的制造和维修都很昂贵。

因此，提出提供一种心率监测器，其在确定心率方面同样精确且不易发生故障，并且优选地提供利用较少硬件同时达到相同或更优性能的可能性。

发明内容

在第一方面，本发明提出了一种适于监测身体部位内的动脉血的装置，所述装置适于穿戴在身体部位上，并且所述装置包括：多个光发射器，至少一个传感器，多个光发射器布置为使得来自多个光发射器的光能够穿透身体部位而到达至少一个传感器，其中：多个光发射器以连续顺序发射光，以由至少一个传感器检测。

所述装置能够用作心率监测器。可替选地，所述装置能够用作血氧计的一部分。

本发明提供了一种有益的可能性，其仅需要一个传感器通过检测来自不同发射器的传输来获得多个信号观测值。这减少了获得相同数目观测值所需的传感器的数目。这还减少了硬件的数量并且允许装置制造得更小、更轻且更为廉价。

在某一实施例中，所述至少一个传感器是多个传感器。多个传感器和多个发射器能够限定为多个传感器和发射器对，其中第一对传感器和发射器的发射器能够向至少其它两对的传感器发射，并且第一对的传感器能够检测来自至少其它两对的每一对中的发射器的光。

可选地，两个传感器用于获得至少四个光传输观测值，或者根据具体情况可以是，从四个观测值中仅选定三个观测值使用。这允许所使用的传感器的数目少于可获得的观测值同等数目，有效地减少了获得多个观测值所需的硬件的数量。本领域技术人员能够了解，具有多个观测值对于使噪声信号比最小化是有用的。

更优选地，三个传感器用于获得至少三个光传输观测值。典型地，三个传感器能够与两个发射器一起使用以提供六个观测值。因此，在三个传感器中的任意一个无法工作的情况下，仍然存在至少两个传感器与两个发射器一起工作以提供四个观测值。所述四个观测值可全部用于监测心率，但是作为选择的问题，可能四个观测值中只有三个可用。换句话说，如果需要不超过三个或四个观测值来产生心率的稳定监测，使用三个传感器与两个发射器分别提供了三个或两个观测值的冗余，而无需其它硬件。这在其中一个传感器无法工作的情况下提供了备份或冗余观测值。在另一情形下，一个发射器无法工作但是装置仍然基于从其余三个传感器和一个发射器获得的三个数据观测值来监测心率。

基于四个数据观测值来监测心率已经优于现有技术的装置，它们通常仅使用三个观测值。此外，现有技术提供了每个传感器仅专用于一个发射器，并且三个传感器和发射器对用于仅提供三个观测值；观测值的数目与传感器的数目相同。换句话说，在这些现有技术中不存在观测值的冗余。

在一个实施例中，所述装置是能够附接至身体部位的圆形支架，所述至少一个传感器是多个传感器，多个传感器围绕圆形支架均匀分布。这避免了全部多个传感器同时暴露至来自任一方向的环境光中；围绕圆形支架分布防止来自一个方向且打在一个传感器上的强的环境光也打在其它传感器上。与冗余观测值的优势相结合，特别是在所述装置包括与轮流发射光的至少两个发射器耦接的至少三个传感器的情况下，这提供了装置能够以足够数目的数据观测值来监测心率的可能性，即使当环境光已经削弱其中一个传感器时。当其中一个传感器无法工作时避免故障的能力通过减小每个传感器所需的光检测范围而提供了降低硬件成本的可能优势。优选地，圆形支架是可戴在手指上的环形式。

在一个更具体的优选实施例中，所述装置包括三个所述至少一个传感器，其布置为检测来自三个光发射器的光透射，三个传感器中的每一个都布置为检测来自至少两个光发射器的光透射，以便通过三个传感器检测至少六个光透射观测值，所述装置包括能够附接至身体部位的支架，所述支架具有曲面，多个传感器沿支架的曲面的曲度分布，以便减小了多个传感器同时一致暴露于来自任一方向的环境光的可能性，所述装置配置为仅利用四个观测值来监测身体部位内的动脉血，以便使至少六个观测值中的两个是冗余观测值，并且所述装置配置为忽略所述装置检测为由于环境光导致饱和而无法正常工作的任意传感器的两个观测值，同时考虑其余正在工作的传感器的四个观测值以监测动脉血。

优选地，多个传感器布置在相互不同的位置。可选地，不同位置指的是离至少一个光发射器的不同的相互距离。可替选地，不同位置指的是与至少一个光发射器呈不同的方向。

具有不同的方向或距离促进了噪声数据的多样性，增加了每个传感器感测的噪声与其它传感器感测的噪声不同或异相的可能性。这允许噪声更易于消除。相反，可由所有传感器检测的心跳信号是同步且同相的，并且能够从噪声中提取出来。

在第二方面，本发明提出了一种获得光透射观测值以监测身体部位内的动脉血的方法，包括以下步骤：提供位于身体部位一侧的至少一个传感器；提供位于身体部位不同侧的第一发射器和第二发射器，以便使得从第一发射器和第二发射器发射的光透射穿过身体部位以到达至少一个传感器；使第一发射器和第二发射器相继发射光，并且所述至少一个传感器根据第一发射器和第二发射器发射光的顺序检测来自第一发射器和第二发射器的光，以获得第一观测值和第二观测值。

优选地，所述方法包括进一步的步骤：在身体部位的另一侧处提供另一传感器；并且使另一传感器检测来自第一发射器或第二发射器的光以获得第三观测值。优选地，所述方法还包括另一步骤：使另一传感器检测来自第一发射器或第二发射器的光以获得第四观测值。

优选地，所述方法包括进一步的步骤：确定传感器或发射器的任意一个无法正常工作；忽略传感器或发射器无法正常工作的一个所作出的观测值，而考虑其它正在工作的传感器的读数以监测动脉血。典型地，传感器无法正常工作是由于过度暴露于环境光下造成的饱和。

忽略无法正常工作的任意传感器或发射器的能力提供了能够适应不同环境条件的装置。

附图说明

方便的是，关于示意了本发明的可能布置的附图来进一步描述本发明，其中同样的附图标记代表相同的部件。本发明的其它实施例是可能的，并因而附图的特殊性不应当理解为代替本发明前述描述的一般性。

图1是本发明第一实施例的图示；

图2是图1的实施例的内部布置的示意图；

图3是图1的实施例的内部布置的示意图；

图4是示出能够由图1的实施例处理的噪声信号的图表；

图5是解释能够由图1的实施例处理的噪声分量的效果的图；

图6是示出能够由图1的实施例处理的心率和噪声动作的图表；

图7进一步示出了图5讨论的噪声分量；

图8示出了本发明的第二实施例；

图9进一步示出了图8的第二实施例；

图10进一步示出了图8的第二实施例；

图11进一步示出了图8的第二实施例；

图12解释了图8的实施例的工作；

图13解释了图8的实施例的优势；

图14示出了本发明的又一实施例；

图15示出了本发明的又一实施例；

图16进一步示出了图15的第二实施例；

图17示出了本发明的又一实施例；

图18示出了本发明的又一实施例；

图19示出了本发明的又一实施例；以及

图20示出了本发明的又一实施例。

具体实施方式

图1示出了第一实施例100，包括环102，其为心率监测器。环能够戴在人的手指上，以监测人在运动期间的心率。手指在图中未示出。

环102安装有两个发射器和传感器106对。因此，总共存在两个发射器104和两个传感器106。合适的外壳108附接至环102，用于容纳操作发射器104和传感器106所需的微处理器和存储器，并用于操作由传感器106检测的红外信号数据。

典型地，发射器104是发光二极管或LED，其发射血液可吸收的光，例如红外光。然而，在其它实施例中，能够使用任意其它合适的频率，包括可见红光、绿光或蓝光、或其组合。

两个发射器104设置在环102内以便当戴上环102时它们位于穿戴者手指的相反侧。两个传感器106也设置为使得当戴上环102上它们位于手指的相反侧，但是还要与穿过发射器104绘制的虚拟线成约90度。两个传感器106的位置允许每个传感器能够检测由两个发射器104投射进入手指的光。

图2是环102中两个发射器104和两个传感器106的布置的示意图。由于环102的半径小，导致由发射器104发射的光无需直接投射在传感器106处。相反，传感器106仅需要检测通过手指内的组织和血液散射或反射的红外光。能够使用其它方式来布置发射器104和传感器106，只要每个发射器104都放置在与两个传感器106成一定距离，以便针对由动脉血所吸收的红外光提供穿过手指的足够长的传输路径。

微处理器操作发射器104以便使它们相继发射红外光。因而，两个传感器106首先检测来自一个发射器104的穿过手指散射的红外光，并随后检测来自另一发射器104的穿过手指散射的红外光。

如图2和图3中所示，当发射器L1发射红外光进入手指时，传输路径P11和P12分别由传感器S1和S2观测。然后，记录由两个传感器S1和S2观测的红外信号，用于由微处理器进行处理。随后，微处理器命令发射器L1停止发射红外光并命令发射器L2开始发射红外光。两个传感器S1和S2随后分别经由传输路径P21和P22检测红外信号。

因此，在该实施例中监测通过手指的四条传输路径P11、P12、P21、P22。仅利用两个传感器106和两个发射器104来观测四组数据。相反，现有技术需要三个发射器和三个传感器仅获得三个观测值。有益的是，本实施例需要较少的硬件，同时得到比现有技术中的装置更多数目的观测值。

典型地，传感器能够检测通过手指的归因于心跳的波动的红外传输。皮肤、组织、静脉血和动脉血都能够吸收红外光。然而，动脉容积随着心脏的泵送而周期性地增大和减小，产生这些波动传输。

图4解释了这些波动传输是如何发生的。图4中图表的纵轴示出了红外光的吸收。同时，谷构成波形的基底302，表示由皮肤、组织、静脉血吸收的光的数量，其相对恒定，并且此时动脉血量最小。谷和峰之间的幅度300归因于当动脉容积增大且充满血液时红外吸收的增加。

然而，当穿戴者运动时，由传感器检测的红外传输信号会受到噪声的影响。例如，穿戴者的动作会导致发射器和传感器位置持续地小幅物理位移。此外，当运动期间手指弯曲时，戴有环的手指的横截面积容易发生变化。所有这些动作改变了穿过手指的传输路径的距离，这给传输信号带来变化而成为不期望的噪声。

实际上，只有由传感器106限定的平面内的传输路径改变会产生噪声。图5示意了作为x-y平面的平面。仅当它们使手指在x-y平面中扩张或收缩时，或者任意垂直动作使环102沿手指滑动时，其沿手指长度有效移动x-y平面，在垂直于x-y平面的q轴上的肌肉或组织体积变化是有关联的。

图6是示出如何检测作为周期信号的穿戴者的心率以及周期心率信号如何由于穿戴者的动作而被噪声淹没的图表。在图表的大约前十秒中，穿戴者保持静止，并且表示心率的信号的峰峰值幅度低，这是由于动脉内的体积变化趋于相对较小。红外传输信号中的所有周期性波动都能够归因于动脉搏动，并且利用一个发射器和一个传感器获得的一组观测值甚至足以监测心率。这十秒内的DC分量大部分来源于组织、静脉血和穿戴者手指内的其它稳定分量，而AC分量来源于心跳。

然而，在图表中的15秒处，当穿戴者开始跑、跳和/或移动他的手指时，动作容易利用噪声遮蔽心率信号。也就是说，现在的AC分量包括噪声并且在DC水平周围波动地更高和更低并遮蔽了来源于心跳的AC分量。

由其中一个发射器104发射且由任一传感器106检测的光的数量能够近似地用如下模型来表示：

m(t)＝LI₀(t)(1+γhb(t))(1+N_s(t)+N_f(t)+z(t))

其中，

m(t)是在任一IR传感器106处接收的信号

L是IR传感器的恒定增益

I₀(t)是IR发射器的传输信号

hb(t)是心率信号

γ是心率信号hb(t)的耦合系数

N_s(t)是检测信号中的缓慢变化噪声

N_f(t)是检测信号中典型的附加热噪声，以及

z(t)是由于身体部位弯曲产生的动作导致的噪声信号。

如果N_s(t)＝0，N_f(t)＝0，z(t)＝0，则红外信号与心脏动脉血的周期性泵送成正比，即

m(t)＝LI₀(t)(1+γhb(t))

如果红外信号中没有噪声，则波形中的峰值就能够直接计数以获得穿戴者的心率。然而，如果由于穿戴者的动作而存在许多噪声，并且z(t)变得很大，那么红外信号必须进行数学处理以从噪声信号中提取心率信号。

图7示意了由传感器106的位置限定的x-y平面内的动作信号z(t)如何能够重写为：

z(t)＝ε[h(t)cos(θ)+v(t)sin(θ)]

其中，

h(t)是由穿戴者水平方向上弯曲手指产生的动作信号；

v(t)是由穿戴者的相对垂直方向上弯曲手指产生的动作信号；

传感器的方向k是从水平方向偏移θ；以及

ε是动作信号对传感器的耦合系数。

仅针对它们在x-y平面内的影响用数学方法确定影响红外信号的动作。x-y平面由传感器106来限定并且未必需要“水平”或平行于地面。

在该实施例中，从两个传感器106获得的四个观测值能够建模如下：

m₁(t)＝L₁I₀₁(t)(1+γ₁hb(t))(1+N_s1(t)+N_f1(t)+z₁(t))(1)

m₂(t)＝L₂I₀₂(t)(1+γ₂hb(t))(1+N_s2(t)+N_f2(t)+z₂(t))(2)

m₃(t)＝L₃I₀₃(t)(1+γ₃hb(t))(1+N_s3(t)+N_f3(t)+z₃(t))(3)

m₄(t)＝L₄I₀₄(t)(1+γ₄hb(t))(1+N_s4(t)+N_f4(t)+z₄(t))(4)

其中，

m₁(t)、m₂(t)、m₃(t)、m₄(t)分别是在四个传感器106处接收的信号

L₁、L₂、L₃、L₄是每个IR传感器106的恒定增益

I₀₁(t)、I₀₂(t)、I₀₃(t)、I₀₄(t)分别是IRLED发射器104的传输信号

hb(t)是心率信号

γ₁、γ₂、γ₃、γ₄是心率信号hb(t)的耦合系数

N_s1(t)、N_s2(t)、N_s3(t)、N_s4(t)是检测信号中的缓慢变化噪声

N_f1(t)、N_f2(t)、N_f3(t)、N_f4(t)是检测信号中典型的附加热噪声，以及

z₁(t)、z₂(t)、z₃(t)、z₄(t)是由于动作产生的噪声信号。

动作噪声信号z₁(t)、z₂(t)、z₃(t)、z₄(t)能够重写为：

z_k(t)＝ε_k[h(t)cos(θ_k)+v(t)sin(θ_k)]

其中，

h(t)是水平方向上的动作信号；

v(t)是相对垂直方向上的动作信号；

传感器106的方向k是从水平方向偏移θ_k；以及

ε_k是动作信号对传感器106的耦合系数。

假设γ_k、ε_k都远小于1，每个传感器处的红外信号能够表达为由DC和AC分量(m_ack(t)，m_dck(t))组成。

当穿戴者首先戴上环102时，微处理器通过外壳108中的显示器(未示出)要求他保持静止不动。在这一阶段，由传感器106检测的红外信号仅归因于心率。来自每个传感器106的原始数据首先利用简单的有限输入响应(FIR)低通滤波器来处理以去除全部的高频信号。随后，利用滤波器或移动窗口来去除缓慢漂移的DC偏移以提取DC偏移并将它从信号中减去。在这一阶段，如果微处理器检测到由不同传感器106读取的红外信号在幅值上有极大的不同，则调整四个传感器106中的每一个的增益直到传输信号的幅值的不同落在预定偏差内。据此，归一化每个传感器的增益，并且等式(1)至(4)能够近似为：

m_ac1(t)＝hb(t)+N′_s1(t)+N′_f1(t)+z₁′(t)(1b)

m_ac2(t)＝hb(t)+N′_s2(t)+N′_f2(t)+z₂′(t)(2b)

m_ac3(t)＝hb(t)+N′_s3(t)+N′_f3(t)+z₃′(t)(3b)

m_ac4(t)＝hb(t)+N′_s4(t)+N′_f4(t)+z₄′(t)(4b)

其中，N′_sk(t)、N′_fk(t)、z′_k(t)是原始噪声信号的标度版。

在归一化后，环102现在能够用于监测心率。当不存在动作或非常少量的动作时，由传感器检测的信号幅值的偏差停留在正常水平。心率信号的最大信噪比(SNR)能够通过将归一化AC分量输入信号加起来而得到，即

y(t)＝m_ac1(t)+m_ac2(t)+m_ac3(t)+m_ac4(t)

有效地，噪声将会减少，这是由于通过累加每个传感器的独立观测值而使信号加重。

然而，当穿戴者运动时，噪声信号z₁′(t)、z₂′(t)、z₃′(t)、z₄′(t)主导由传感器106检测的信号。然后，通过发现列向量 $\hat{w}={\left[\begin{array}{cccc}w1& w2& w3& w4\end{array}\right]}^T$ 来处理噪声，其中

$\hat{y}={\hat{w}}^{T}M;$

并且

$M=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{ac1}\[0\]& m_{ac1}\[1\]& \mathrm{......}& m_{ac1}\[K-1\]\\ m_{ac2}\[0\]& m_{ac2}\[1\]& \mathrm{......}& m_{ac2}\[K-1\]\\ m_{ac3}\[0\]& m_{ac3}\[1\]& \mathrm{......}& m_{ac3}\[K-1\]\\ m_{ac4}\[0\]& m_{ac4}\[1\]& \mathrm{......}& m_{ac4}\[K-1\]\end{array}\right];$

并且

$\hat{y}=\left[\begin{array}{cccc}y\[0\]& y\[1\]& \mathrm{...}& y\[K-1\]\end{array}\right]$

并且

是取最大值的输入信号的线性组合：

其中

是来自动作的4个信号的互相关矩阵。

$\hat{s}={\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& s_2& s_3& s_4\end{array}\right]}^T$ 是心率信号的相应增益，在这一情形中全部4个输入通道都进行归一化。

$\hat{s}={\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right]}^T$ 且其中σ²是心率信号的方差。由于是明确限定的，它能够写成

并且它能够写成

$\hat{u}=R^{\frac{1}{2}}\hat{w}$

以及

$\hat{w}=R^{-\frac{1}{2}}\hat{u}$

因而，待解决的问题就变成了：

$\underset{\left|\right|\hat{u}\left|\right|}{max}{\hat{u}}^T{R}^{-\frac{1}{2}}\hat{s}.{\hat{s}}^T{R}^{-\frac{1}{2}}\hat{u}$

或者

$\underset{\left|\right|\hat{u}\left|\right|}{max}{\left({\hat{u}}^T{R}^{-\frac{1}{2}}\hat{s}\right)}^2$

当满足以下条件时该表达式为最大值：

$\hat{u}=R^{-\frac{1}{2}}\hat{s}$

其中

为了去除动作噪声，利用从两个传感器106获得的四组观测值。如果在四个传输路径中检测的四个信号是同步且同相的，并且如果全部四个信号的幅值的差仅仅处于信号标准差σ内，则可以确定心跳信号主导红外信号，具有很少的噪声。信号能够简单地累加并且计数信号波形中的峰值以确定心率。

另一方面，如果噪声主导红外信号，则红外信号就不会同相并且全部四个信号的幅值的差就会超过标准差σ。在这种情况下，为了提取心率信号，计算四个信号的相关系数。也就是说，计算信号的协方差矩阵：

如前面提到的，通过计算穿戴者没有动作时四个输入信号的标准差得到然后将四个输入信号归一化为标准差σ，并且变成

$\mathrm{\σ}2=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

能够计算向量，其中

其中

w是4×1列向量：

y[n]是4个输入信号的线性组合

在 $\hat{s}={\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right]}^T,$ 全部四个通道进行归一化。

上述数学处理将传感器接收的信号归一化，以便使组合信号具有最低的总能量。具有最低的总能量意味着噪声总量已调整至最低和最小影响。

此外，由于心跳产生的传输信号的独立观测值彼此同相，仅仅是比例因子不同。因此，如果红外信号以某一比重累加，则能够使噪声信号最小化并因此增加了信噪比。

典型地，当穿戴者进行诸如跑步的重复动作时，穿戴者的运动能够颇具周期性。然而，这些周期性的运动动作并不会给传感器读数带来同样且周期性的噪声。这是由于穿过每对发射器和传感器之间的手指的几个传输路径不同，并且能够预期的是，由不同的局部层摆动组织和其它身体部分将独特的噪声施加至每个传感器，即使当穿戴者的动作是周期性的并且作为整体施加至装置100。因而，由不同传感器检测的红外信号的总和不会累加为加重任意相同的周期性噪声信号。

为了进一步改进信噪比，需要具有更多独立观测值以增加观测的多样性。图8示出了达到该效果的第二实施例。图9至图11是图8的第二实施例的示意图。第二实施例包括安装有三个发射器传感器对的环102，而不是两个。每个发射器104布置为直接紧靠其中一个传感器106并且远离另两个传感器106。这样，每个发射器104能够投射光跨过环102并穿过手指到达两个传感器106。同样，直接紧靠发射器104的传感器106能够接收跨过环102的来自两个发射器104的光。

在操作中，发射器L1、L2、L3以连续顺序相继打开。当发射器L1打开时，两个传感器S1和S2分别在传输路径P11和P12上检测来自发射器L1的光。当L2打开时，传感器S2和S3分别在传输路径P22和P23上检测来自发射器L2的光。当L3打开时，传感器S1和S3分别在传输路径P31和P33上检测来自发射器L2的光。

正如第一实施例那样，为了去除来自穿戴者动作的噪声，通过计算它们的方差或标准差来归一化六个观测值的幅值。检测到的信号建模如下：

m₁(t)＝L₁I₀₁(t)(1+γ₁hb(t))(1+N_s1(t)+N_f1(t)+z₁(t))(1a)

m₂(t)＝L₂I₀₂(t)(1+γ₂hb(t))(1+N_s2(t)+N_f2(t)+z₂(t))(2a)

m₃(t)＝L₃I₀₃(t)(1+γ₃hb(t))(1+N_s3(t)+N_f3(t)+z₃(t))(3a)

m₄(t)＝L₄I₀₄(t)(1+γ₄hb(t))(1+N_s4(t)+N_f4(t)+z₄(t))(4a)

m₅(t)＝L₅I₀₅(t)(1+γ₅hb(t))(1+N_s5(t)+N_f5(t)+z₅(t))(5a)

m₆(t)＝L₆I₀₆(t)(1+γ₆hb(t))(1+N_s6(t)+N_f6(t)+z₆(t))(6a)

其中，

m₁(t)、m₂(t)、m₃(t)、m₄(t)、m₅(t)、m₆(t)分别是在六个传感器106处接收的信号

I₀₁(t)、I₀₂(t)、I₀₃(t)、I₀₄(t)、I₀₅(t)、I₀₆(t)分别是IRLED发射器104的传输信号

L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆是每个IR传感器106的恒定增益

hb(t)是心率信号

γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅、γ₆是心率信号hb(t)的耦合系数

N_s1(t)、N_s2(t)、N_s3(t)、N_s4(t)、N_s5(t)、N_s6(t)是检测信号中的缓慢变化噪声

N_f1(t)、N_f2(t)、N_f3(t)、N_f4(t)、N_f5(t)、N_f6(t)是检测信号中典型的附加热噪声，以及

z₁(t)、z₂(t)、z₃(t)、z₄(t)、z₅(t)、z₆(t)是由于动作产生的噪声信号。

针对六个传感器106的后续数学处理与第一实施例中所描述的相同。

图12示出了虽然传输路径P12和P33实际上是相同的物理路径，但是加在路径P12和P33上传输的信号上的噪声并不相同的原因。这是由于P12和P33以相反方向传输，虽然实际上所述传输在两个传感器S2和S3之间的相同路径802上传播。手指上皮肤的任意褶皱和皮肤下的不同组织提供了传感器S2和传感器S3之间非对称的传输路径。因此，从发射器L1朝向S2入射在皮肤上的红外光角度有可能与从发射器L3朝向S3入射在皮肤上的红外光角度不同。类似地，入射进入皮肤表面的红外光的反射和穿透的程度在两个不同方向上有所不同，如图12中箭头所示。因而，由于动作和手指弯曲而加在传感器S2和S3上的噪声信号在不同的传输方向上并不相同。这解释了为什么利用不同方向上针对两个传感器的同一物理传输路径并不相当于复制同一信号。这还解释了为什么穿戴者的周期性的运动动作并不会在全部传感器上施加周期性且相同的噪声信号，即使穿戴者的动作是周期性的，由于不同的传输方向确保了噪声在每个传感器中都是唯一的。

在两个实施例中，使用一个传感器106与两个不同的发射器104增加了由每个传感器得到的独立观测值的数目。在第一实施例中，仅需要两个发射器104和两个传感器106来获得四个观测值。在第二实施例中，三个传感器106和三个发射器104提供六个观测值。这相比于现有技术是有益的，这是由于需要更少的传感器或发射器来获得更多数量的观测值。

更有益的是，在第二实施例中，任一发射器104或传感器106可能发生故障，虽然如此也能够获得四个观测值。例如，当环境光直接照射进入其中一个传感器、使传感器106饱和时，可能发生暂时性故障状况。图13示出了具有三个传感器和发射器对的环的第二实施例。由方框箭头表示的强的环境光照射在传感器S1上，但是戴有环的穿戴者的手指阻挡其照射在S2和S3上。当传感器S1这样暴露至环境光时，传感器S1变得饱和并且不能用于检测红外传输信号。然而，由于传感器S3和S2被阻挡了环境光，所以传感器S3和S2仍然能够工作。因而，传感器S3仍然能够从L2和L3读取红外传输信号，并且传感器S2仍然能够从L1和L2读取红外传输信号。微处理器能够检测到传感器S1饱和并忽略传感器S1，并且利用由传感器S2和S3提供的其余四个观测值来确定心率。如所述，L1和L2轮流发射至传感器S2和S3以提供四个观测值。相反，现有技术装置利用三个传感器分别来检测来自三个各自单独的发射器的光，由于一个观测值变得不可用，现有技术装置中传感器的环境光饱和会损害装置的精确度。

作为一种选择，在第一实施例中，仅有来自两个发射器104和两个传感器106的三个观测值可用于监测心率，尽管能够得到四个观测值。类似地，在第二实施例中，仅有三个观测值可以使用，尽管三个传感器106和三个发射器104提供了六个观测值的可能性，特别是在利用同一传感器106得到这三个观测值中任意两个的情况下。

因此，所述的实施例包括一种适于监测身体部位100内的动脉血的装置，包括：多个光发射器104，至少一个传感器106，所述多个光发射器104布置为使得来自多个光发射器104的光能够穿过身体部位而到达至少一个传感器106，其中：所述多个光发射器104以连续顺序发射要由所述至少一个传感器106检测的光。用于监测动脉血100的装置已描述为心率监测器。

此外，所述的实施例包括一种适于监测身体部位内的动脉血100的装置，包括至少一个光发射器104、多个传感器106，所述至少一个光发射器104布置为使得来自至少一个光发射器104的光能够穿过身体部位而到达多个传感器106。

此外，所述的实施例包括一种获得光传输观测值以监测心率的方法，包括以下步骤：提供至少两个传感器106用于检测光，将两个传感器106置于身体部位的不同侧，在身体部位另一侧处提供第一光发射器104，以便使得从发射器104发射的光穿过身体部位传输至至少两个传感器106，到达其中一个传感器106的传输路径提供了第一观测值，而到达另一传感器106的传输路径提供了第二观测值。

此外，所述的实施例包括一种获得光传输观测值以监测心率的方法，包括以下步骤：提供至少两个光发射器104，提供传感器106以检测光，将至少两个光发射器104置于身体部位一侧的不同位置，在身体部位另一侧处提供传感器104，以便使得从发射器104发射的光能够穿过身体部位到达传感器106，以及一个接一个地操作发射器104以在传感器106处获得不同的观测值。

虽然已经在前面的描述部分描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，能够在设计、构造或操作细节上做出许多变体或修改，而不背离由权利要求书限定的本发明的范围。

例如，虽然传感器106已描述为检测来自发射器104的穿过身体部位传输的光，可能的是，在其它实施例中，传感器106能够布置为通过身体部位的反射或发散来检测来自发射器104的光。在这种情况下，传感器106布置为靠近发射器104且保持一定距离。

图14示出了更简单的另一实施例，仅包括一个发射器104以及跨过发射器布置的两个传感器106。从两个传感器中仅能得到两个观测值。这一实施例能够用于来自动作的噪声非常不可能的情形中，例如用于监测婴儿的心率，但是仅使用两个传感器和一个发射器来替代两个传感器和两个发射器则使得装置100更轻、更小且更为廉价。

图15和图16示意了又一实施例，其示出了发射器104如何能够布置为在环102的一侧上彼此靠近并且传感器106彼此靠近布置但是位于环102的另一侧上，替代了第一实施例中的配置。图15示出了首先点亮发射器L2以朝向传感器S1和传感器2传输，而图16示出了在朝向传感器S1和传感器S2传输后点亮发射器L1。

在其它实施例中，如图17所示，单个发射器104用于投射红外光以由三个或更多个传感器106进行检测。这允许仅用一个发射器104和三个传感器106得到三个观测值，代替现有技术中的三个发射器和三个传感器。

图18示出了三个传感器106与仅仅两个发射器104如何用于提供六个观测值。当发射器104以连续顺序发射时，传感器106能够检测六个观测值。这还提供了如果其中一个传感器106无法工作，装置100作为一个整体仍然能够利用两个传感器106和两个发射器104提供四个观测值来进行工作的优势，这优于现有技术中典型地使用三个观测值。在现有技术中，每个传感器仅专用于一个发射器，因此不存在观测值的冗余；观测值的数目与传感器106的数目相同。可替选地，在本实施例的变体中，可以使用三个发射器104和两个传感器106。一般来说，使用较少的发射器104和较多的传感器106比使用较多的发射器104和较少的传感器106能够更快地操作，这是由于需要较少的时间来等待每个发射器104轮流。

虽然装置100已描述为环102，装置也能够以其它形式提供，例如耳塞102a，如图19所示。耳塞通常具有布置在耳塞表面上的发射器104，以发射光进入穿戴者的耳朵。围绕耳塞的组织将光反射回耳塞。耳塞还具有布置在耳塞表面上的传感器106以检测反射光。耳塞的绘图如图19中所示，而没有示意发射器和传感器的位置。通过术语耳塞，有经验的读者应当意识到，它包括监测动脉血的任意足够稳定的附接至耳朵的连接物，包括能够插入耳孔的耳塞，或者能够恰好位于外耳耳孔外部的任意连接物，例如耳机，或者能够以任意方式夹在耳朵上以读取耳朵任意部分的光透射或发散的任何装置。

可替选地，装置100能够是臂带102b的形式而不是环102，如图20所示，其中安装有发射器和传感器用于投射和检测进入穿戴者臂部的红外或其它光以监测心跳。

虽然在各实施例中已经描述了红外光，其它波长也是可能的，这是由于已经发现，血液能够吸收其它波长，包括红光、绿光和蓝光。

能够在血氧计中实现实施例用于检测血液中的氧气水平，其通过将比较可见红光透射与红外光透射的比值进行操作。所吸收的红光数量与所吸收的红外光数量的比值指示了血液中氧气含量。因此，在具有血氧计功能的实施例中，发射器发射红光至传感器，并且发射器发射红外光至同一传感器，传感器能够检测两个范围的波长。在这种情况下，红光发射器和红外光发射器轮流发射光。可替选地，发射器能够同时发射红光和红外光，但是单独的红光传感器和单独的红外光传感器选择性且同时检测不同波长。可替选地，血氧计包括仅用于发射和感测红光的一组如上所述的发射器和传感器，并且包括仅用于发射和感测红外光的一组单独的如上所述的发射器和传感器。

虽然已经描述了用于利用数学方法处理红外信号的数字信号处理方法，其它处理方法或其它数学处理都是可能的。此外，替代所述的数字化方式，用于去除噪声的类似处理也是可能的。

应当指出的是，一“对”发射器和传感器的含义仅仅是功能性的限定，并且每对发射器和传感器都可以直接靠近彼此布置，例如图10的发射器L1和传感器S3，或者发射器L3和传感器S2，或发射器L2和传感器S1。可替选地，在其它配置中，任一对发射器和传感器都可远离彼此布置，例如图1、2和3的实施例中的配置。

Claims (20)

1.一种适于监测身体部位内的动脉血的装置，

所述装置适于穿戴在所述身体部位上；并且

所述装置包括：

多个光发射器

至少一个传感器；

所述多个光发射器布置为使得来自所述多个光发射器的光能够穿过所述身体部位而到达所述至少一个传感器，其中：

所述多个光发射器以连续顺序发射要由所述至少一个传感器检测的光。

2.根据权利要求1所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述至少一个传感器中的两个布置为检测来自所述多个光发射器的光传输；并且

这两个传感器中的一个布置为检测来自以连续顺序发射光的多于一个光发射器的光传输，

以便借助所述两个传感器来检测光传输的至少三个观测值。

3.根据权利要求1所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述至少一个传感器中的三个布置为检测来自所述多个光发射器的光传输；并且

这三个传感器中的至少一个布置为检测来自以连续顺序发射光的多于一个光发射器的光传输，

以便借助所述三个传感器来检测光传输的至少三个观测值。

4.根据权利要求2和权利要求3中任一项所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

将所述装置配置为忽略无法正常工作的任一传感器的读数，而考虑其余正在工作的传感器的读数以监测动脉血。

5.根据权利要求4的任一项所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置包括能够附接至所述身体部位的支架，所述支架具有曲面；

所述至少一个传感器为多个传感器；

所述多个传感器沿所述支架的曲面的曲度分布，以便减小所述多个传感器同时一致暴露至来自任一方向的环境光的可能性。

6.根据权利要求5所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置是具有能够附接至所述身体部位的曲面的环。

7.根据权利要求5所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置是具有能够附接至所述身体部位的曲面的臂带。

8.根据权利要求1所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置是耳塞。

9.根据权利要求5的任一项所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置适于测量动脉血流的搏动，并且所述装置为心率监测器。

10.根据权利要求5的任一项所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置是适于检测血液中氧气水平的血氧计；

所述多个光发射器包括能够发射红光的发射器，并进一步包括能够发射红外光的发射器；并且

所述至少一个传感器能够检测红光以及红外光两者。

11.根据权利要求5的任一项所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述装置是用于检测血液中氧气水平的血氧计；

所述多个光发射器包括能够发射红光以及红外光两者的发射器；

所述至少一个传感器是多个传感器，包括能够检测红光的至少一个传感器、以及能够检测红外光的另外至少一个传感器。

12.根据权利要求1所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述至少一个传感器中的三个布置为检测来自三个光发射器的光传输；

这三个传感器中的每一个都布置为检测来自所述至少两个光发射器的光传输，以便借助所述三个传感器来检测光传输的至少六个观测值；

将所述装置配置为仅利用四个观测值来监测身体部位内的动脉血，使得所述至少六个观测值中的两个是冗余观测值；并且

将所述装置配置为忽略所述装置检测为无法正常工作的任意传感器的两个观测值，而考虑其余正在工作的传感器的四个观测值以监测动脉血。

13.根据权利要求1所述的适于监测身体部位内的动脉血的装置，其中：

所述至少一个传感器中的三个布置为检测来自三个光发射器的光传输；

这三个传感器中的每一个都布置为检测来自至少两个所述光发射器的光传输，以便借助所述三个传感器来检测光传输的至少六个观测值；

所述装置包括能够附接至所述身体部位的支架，所述支架具有曲面；

所述多个传感器沿所述支架的曲面的曲度分布，以便减小了所述多个传感器同时一致暴露至来自任一方向的环境光的可能性；

将所述装置配置为仅利用四个观测值来监测身体部位内的动脉血，使得所述至少六个观测值中的两个是冗余观测值；并且

将所述装置配置为忽略所述装置检测为由环境光导致饱和而无法正常工作的任意传感器的两个观测值，而考虑其余正在工作的传感器的四个观测值以监测动脉血。

14.一种获得光传输的观测值以监测身体部位内的动脉血的方法，包括以下步骤：

在所述身体部位的一侧处提供至少一个传感器；

在所述身体部位的不同侧处提供第一发射器和第二发射器，使得从所述第一发射器和第二发射器发射的光透射穿过所述身体部位以到达所述至少一个传感器；

使所述第一发射器和第二发射器相继发射光，并且所述至少一个传感器根据所述第一发射器和第二发射器发射光的顺序来检测来自所述第一发射器和第二发射器的光，以获得第一观测值和第二观测值。

15.根据权利要求14所述的获得光传输的观测值以监测身体部位内的动脉血的方法，还包括以下步骤：

在所述身体部位的另一侧处提供另一传感器；

使所述另一传感器检测来自所述第一发射器或所述第二发射器的光以获得第三观测值。

16.根据权利要求15所述的获得光传输的观测值以监测身体部位内的动脉血的方法，还包括以下步骤：

使所述另一传感器检测来自所述第一发射器或所述第二发射器的光以获得第四观测值。

17.根据权利要求14或权利要求15所述的获得光传输的观测值以监测身体部位内的动脉血的方法，还包括以下步骤：

确定任一传感器或发射器为无法正常工作；

忽略由无法正常工作的一个传感器或发射器作出的观测值；以及

考虑其余正在工作的传感器的读数以监测动脉血。

18.根据权利要求17所述的获得光传输的观测值以监测身体部位内的动脉血的方法，其中：

所述传感器无法正常工作是由于环境光导致的饱和。

19.一种大体上如任一附图中所示的适于监测身体部位内的动脉血的装置。

20.一种大体上如说明书中所描述的适于监测身体部位内的动脉血的装置。