CN105636511B

CN105636511B - 光学生理传感器及其装配方法

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Publication number: CN105636511B
Application number: CN201480056607.XA
Authority: CN
Inventors: 胡思钧; 文森特·阿祖林-帕瑞斯
Original assignee: Loughborough University
Current assignee: Kerlet Ltd.
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2020-03-06
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: WO2015056007A1; JP2016537069A; GB201418267D0; GB201517104D0; AU2014335940A1; JP6548639B2; GB2522298A8; GB201511448D0; GB2524919A; GB2524919B; CN105636511A; GB2519335A8; GB2522298A; US10327652B2; EP3057497A1; GB2522298B; GB201318390D0; EP3057497B1; GB2527974B; CA2927310A1

Abstract

一种装配光学生理(OP)传感器的方法，包括：(i)对要监控的至少一个身体组织类型的光学生理性质进行建模；(ii)通过模型的应用，确定操作用于监视所述至少一个身体组织类型的光学生理性质的光学生理OP传感器的最优光学设计(16)；以及(iii)将所述OP传感器制造为所确定的光学设计。OP传感器的优化光学设计包括：(i)基于光从多个光源的每一个光源通过要监视的身体组织类型行进至光电检测器的建模光学路径长度，确定光电检测器与每一个光源的最优分离度；以及(ii)将不同波长的光源定位于相距光电检测器不同的距离处。

Description

光学生理传感器及其装配方法

技术领域

本发明涉及一种光学生理(OP)传感器和装配这种传感器的方法。本发明的多个方面还涉及一种包括所述OP传感器在内的生理传感器系统，具体地，涉及相关联的照明源的几何分布。

背景技术

光电容积脉搏波(PPG)是一种用于监视皮肤表面附近的血容量或血流中的变化以确定各种生理参数的非侵入式光学技术。该原理使用照明源和光电检测器来测量当光通过身体组织或者从身体组织反射时的强度变化。然后对检测的光学信号进行分析，并且与由心跳激励的通过身体的血液的脉动相关联。可以在John Allen，Physiol.Meas.的专题综述“Photoplethysmography and its application in clinical physiologicalmeasurement”以及本发明人及其同事的后续共同写作的论文中找到与PPG有关的更多背景信息：

“Non-contact Reflection Photoplethysmography towards Effective HumanPhysiological Monitoring”，Shi，P.，Azorin Peris，V.，Echiadis，A.，Zheng，J.，Zhu，Y.，Cheang，P.Y.S.，Hu，S.*，J Med.Biol.Eng.Vol.30 Iss 30(2010)：161-167；

“Insight into the dicrotic notch in photoplethysmographic pulses fromthe finger tip of young adults”，Shi，P.，Hu，S.*，Zhu，Y.，Zheng，J.，Qiu，Y.，Cheang，P.Y.S.，J Med Eng Tech，Vol.31，Iss 8(2009)，628-633；

“Analysis of pulse rate variability derived from photoplethysmographywith the combination of lagged Poincaré plots and spectral characteristics”，Shi，P.，Zhu Y.，Allen，J.，Hu，S.*，Med Eng.Phys.31(2009)866-871，doi：10.1016/j.medengphy.2009.05.001；

“A Preliminary Attempt to Understand Compatibility ofPhotoplethysmographic Pulse Rate Variability with Electrocardiogramic HeartRate Variability″，Shi，P.，Hu，S.，Zhu，Y.，J Med.Biolog.Eng.，Vol.28，Iss 4(2008)：173-180；

“A Monte Carlo Platform for the Optical Modelling of Pulse Oximetry”，Azorin-Peris，V.，Hu，S.*，Smith，P.R，Applied Physics Letters，SPIE，Vol.6446(2007)，pp.64460T；

“An Effective Solution to Reduce Motion Artefact in New GenerationReflectance Pulse Oximeter”，Alzahrani，A.，Hu，S.，SIECPC-Apr 2013；

“Electrically conductive adhesive enable to manufacture highperformance patch probe for non-invasive physiological assessment”，Zhang，X.，Hu，S.*，Liu，C.，Azorin-Peris，V.，Imms，R.，Proc Electronics System-IntegrationTech Conf(ESTC)2012；

“A study of opto-physiological modelling to quantify tissueabsorbance in imaging photoplethysmography”，Hu，S.*，Azorin Peris V.，Zheng J.，Proc.IEEE EMBC 32，2010，1：5776-5779；and

“Development of effective photoplethysmographic measurementtechniques：from contact to non-contact and from point to imaging”，Hu，S.*，Azorin Peris V.，Echiadis A.，Zheng J.，and Shi P.，Proc.IEEE EMBC 31，2009，1：6550-6553。

在较早申请WO2009/030934(合并在此作为参考)中，申请人描述了一种形成图像的方法，包括：用多个照明脉冲顺序地照射目标，并且合并所述图像脉冲信号以提供血液脉动的实时图像，血液脉动的实时图像依赖于血液循环系统内的血氧饱和度。

光学生理技术(包括PPG)可应用于全球移动健康市场，其响应于生活方式诱导疾病和人口老龄化的到来而在发达国家迅速增长。这种技术的两个主要应用是：i)自我监视，例如针对体育表演或者为了保持或者改进普通福利和健康水平；以及ii)临床监视以捕获慢性疾病患者或那些正在经受手术后护理的患者的重要健康参数。此外，可以执行监视以识别或确诊潜在的疾病或者监视有危险的患者的生命参数以跟踪潜在的境况，并且提供早期警告信号以便防止恶化。

关于当前的PPG系统，脉冲血氧含量设备(确定血氧饱和度)是很常见的。然而，这些脉冲血氧含量设备通常不精确，因为它们没有考虑活体组织的光散射效应、运动感应假象或汗水、润肤霜或喷雾的效果。

在消费健身市场中，经常采用基于电子胸带的连续心率监视系统。然而，这些连续心率监视系统不舒服并且难看，使其不适合频繁使用。在市场上出现了其他的可穿戴监视系统，包括基于腕表的监视系统，可以监视诸如心率和/或呼吸频率之类的单独参数。然后，当前没有可以同时测量较宽范围的生理参数的可穿戴传感器，所述生理参数包括血氧饱和度。

因此，本发明的目的在于提供一种光学生理(OP)传感器系统及其装配方法，有助于解决上述问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种装配光学生理(OP)传感器系统的方法，包括：

对要监视的至少一个身体组织类型的光学生理性质进行建模；

通过所述模型的应用，确定操作用于监视所述至少一个身体组织类型的光学生理性质的光学生理(OP)传感器的最优光学设计；以及

将所述OP传感器制造为所确定的光学设计；

其中所述OP传感器的最优光学设计包括：

基于光从每一个光源通过要监视的身体组织类型行进至光电检测器的建模光学路径长度，确定光电检测器与多个光源的每一个光源的最优分离度；以及

将不同波长的光源定位于相距所述光电检测器不同的距离。

因此，本发明的这一方面的实施例提供了一种装配非侵入式OP传感器的方法及其设计，所述非侵入式OP传感器理想地配置用于要监视的身体组织类型，以便允许可靠且精确地获得与正在研究的生理参数相关的光学数据。所述OP传感器可以设计用于要求光学生理评估(例如，即用于监视心率、呼吸次数、血氧饱和度、心率变异性、脉搏波传播速度、血压或体温)、生物反馈或分光光度测定的应用。在具体的实施例中，所述OP传感器可以设计用于消费健康市场(例如，经由穿戴在身体上的轻量传感器来提供连续的心率监视)。在其他应用中，所述OP传感器可以设计用于患者的临床监视。在一些实施例中，所监视的参数可以用于监视或者跟踪(例如，心血管疾病或糖尿病的)疾病进程。

应该理解的是所述模型实质上提供了光学信号如何与正在监视的身体组织相互作用的知识。

所述方法还基于所计算的通过身体组织类型的光学路径长度来确定光电检测器与每一个光源的最优分离度。

注意，所述OP传感器的最优光学设计包括将不同波长的光源定位于相距所述光电检测器不同的距离。

所述OP传感器的最优光学设计可以包括使用多个光源，所述多个光源配置为产生相同波长或波段的光，并且其中所述传感器配置为基于在光电检测器处捕获的辐射质量来选择所述多个光源的一个或多个用于光学生理测量。

另外，所述OP传感器的最优光学设计可以包括使用多个光源，所述多个光源配置为产生两个或多个波长或波段，并且每一个光源可以定位于相距光电检测器的距离是所述光源波长的函数。更具体地，将基于从每一个光源通过身体组织类型至光电检测器的光的预期光学路径长度来确定每一个光源的位置。

所述至少一个身体组织类型可以包括以下中的一个或多个：组织位置(例如但是不限于手指、颈部、脚趾、耳朵、太阳穴、手腕、手掌、手臂、臀部、大腿、腹部、前额、脸部、头皮、背部或胸部)、组织颜色、组织厚度、组织年龄和组织状况(例如，干的、湿的、出汗的、烧伤的、涂覆有润肤霜或喷雾)。至少一个身体组织类型的光学生理性质可以包括以下中的一个或多个：吸收系数、散射系数、折射系数和光学密度。

在本发明的一些实施例中，所述传感器可以设计用于具体的用途(例如，在具体的组织位置上)。在其他实施例中，所述传感器可以设计用于多种可能的用途(例如，在多种可能的组织位置上)。替代地，可以提供传感器的阵列用于一个或多个组织位置上。

所述模型可以基于辐射传输理论。所述模型可以包括身体组织类型的几何模型和身体组织类型的光学性质。可以在一个或多个波长处考虑光学性质。

数学模型可以包括使用有限元方法，根据指示一个身体组织类型的虚拟表示来推导有效的光学生理参数。

确定所述OP传感器的最优光学设计的步骤可以包括：使用所述模型来确定通过所述身体组织类型的最优透射或者从所述身体组织类型反射的光的一个或多个波长或波段。

确定所述OP传感器的最优光学设计的步骤可以包括：使用所述模型来确定用于身体组织类型的最优照明的光源的排列和/或强度。

可以在多个波长处计算最优光学长度。

所述模型可以包括限定按照等式10透射至身体组织类型表面上的点(x，y)上的无限光功率dP。

ρ(λ，l′(x′，y′))：dP(λ，x，y)＝∫∫I₀(λ，x′，y′)×e^{-ρ(λ，l′(x′，y′))}dx′dy′[等式10]

其中I₀(λ，x，y)表示进入身体组织类型的整个表面上并且经历指数衰减的全部的光，所述光是身体组织类型的光学密度ρ(λ)的函数；

其中根据点(x_s，y_s)处的光源和身体组织类型的表面上的点(x，y)处的任意检测器来限定光源-检测器分离度，使得

以及

其中对于由矢量x和y限定的组织类型的表面上的有限矩形面积的检测器，从x_-到x₊和从y_-到y₊的量程以及由检测器接收的光功率是根据等式11：

所述模型可以包括：根据身体组织类型的动态光学密度ρ(λ，l′，t)来限定动态和多层身体组织类型的光学响应，使用归一化生理脉冲函数ψ(t)以及吸收系数μ_ai(λ)、散射系数μ_si(λ)和脉动系数μ_pi(λ)，其中层的数目i的范围根据等式13从1至N：

所述模型可以包括根据等式14至16的等式13的静态分量

和动态分量

的分离度

所述模型可以包括：使用等式10和11的积分求和来限定根据等式17、19和21的矢量x和y限定的矩形检测器的透射光功率的静态分量

和动态分量

所述模型可以包括：根据等式22的归一化峰值动态功率来限定所检测信号的质量Q：

其中当最强的功率瞬态源自心脏收缩压时，使用动态功率的最小值来限定峰值动态功率，所述峰值动态功率表明了从传感器获取的光学信号中的波谷。

所述模型可以包括根据等式23来限定针对波长λ的光源的最优光源-检测器分离度l′(λ)。

所述模型可以包括：假设身体组织类型的圆柱对称性和光学一致性，使得将最优光源-检测器分离度l′(λ)根据等式24表示为以光源的位置(x_s，y_s)为中心的圆，或者相反地以检测器的位置(x_d，y_d)为中心的圆：

光源可以产生可见光也可以不产生可见光。例如，光源可以具有范围在约450nm至1100nm(与可见光至近红外辐射相对应)的波长。

OP传感器可以配置为与要监视的身体组织接触。在这种情况下，传感器可以设置为可穿戴贴片或腕表的形式。替代地，OP传感器可以配置为与要监视的身体组织不接触。在这种情况下，传感器可以设置在专用设备上(例如，用于临床用途)，或者可以合并到移动电话、照相机、平板、PDA、眼镜或其他头戴式设备中。

根据本发明的第二方面，提出了一种通过根据本发明第一方面的方法装配的光学生理(OP)传感器。

根据本发明的第三方面，提供了一种光学生理(OP)传感器，包括：

多个光源；以及

至少一个光电检测器，配置为在来自所述光源的光已经行进通过要监视的身体组织类型之后，捕获源自所述光源的一个或多个的辐射，

其中所述多个光源相对于光电检测器位于由要监视的身体组织类型的光学生理性质的模型所确定的位置，

其中光电检测器与每一个光源的最优分离度基于从每一个光源通过要监视的身体组织类型行进至光电检测器的建模光学路径长度；以及

其中不同波长的光源位于相距光电检测器的不同距离。

多光源可以配置为产生相同波长或波段的光，并且传感器可以操作为基于所捕获的辐射质量来选择所述多光源的一个或多个用于光学生理测量。

所述多个光源可以配置为产生两个或多个波长或波段，并且每一个光源可以定位于相距光电检测器的距离是光源波长的函数。

可以调制所述多个光源。例如，所述多个光源可以配置用于幅度调制以便将复用的信号提供给身体组织，并且一旦检测到复用的信号，可以对复用的信号进行解复用以实现对来自每一个单独的光源或一组光源(即通道)的信号的测量。例如，可以使用方波(即DC)特征或正弦波调制来执行幅度调制，并且幅度调制可以包括使用锁定放大器。作为示例，可以将第一通道激活有限的时间段，然后去激活，并且针对每一个其他通道重复这些步骤。可以将整个过程重复多次以产生来自每一个通道的多个采样。在具体的实施例中，从光电检测器捕获每一个信号采样可以开始于已经激活相应通道之后的预定时间，并且可以终止于已经去激活相应通道之前的预定时间，以确保所得到的信号中的最优可靠性和信噪比。

因此在一些实施例中，可以施加多次选通方法(MTG)(例如，体内活体测量)以调制多个光源(单独地或者用公共波长分组)的操作，并且对从光电检测器捕获的信号进行解调制。

所述OP传感器可以看作是光学生物传感器，配合为监视身体组织的体内活体光学生理性质。

在具体的实施例中，将光电检测器定位于光源阵列的中心，并且将每一个光源定位于相距光电检测器的距离是光源波长的函数。例如，每一个光源可以定位于与光电检测器为中心的圆周上，其中每一个圆的半径是相应光源的波长的函数。

在具体的实施例中，照相机可以组成定位于光源阵列中心的光电检测器，并且可以用于接触式或非接触式成像。在一些实施例中，所述照相机可以包括可控的闪光灯，并且闪光灯可以用作光源。

本发明的第二或第三方面的OP传感器还可以包括控制器，操作为基于来自光电检测器的测量信号来激活或去激活多个光源。在具体的实施例中，所述控制器操作为通过选择性地激活和去激活光源来产生时分复用的照明，来调节所述多个光源。所述控制器可以后续地对来自光电检测器的响应进行解调制，以确定从每一个光源或同时操作的一组光源(例如，按照相同的波长)得出的信号。然后，所述控制器可以分析所得出的信号，以确定最适用于获得所需的光学生理性质的那些信号。

所述多个光源可以配置为产生两个或多个波长或波段的光(例如，单独的光源可以配置为产生与另一个光源不同的具体波长的光，或者单独的光源可以适用于产生不同波长的光)。这样的优势在于：不同的波长将与正在监视的身体组织不同地相互作用(例如，当用于深色皮肤颜色时，某些波长可以提供较强的信号)，因此这有益于能够选择产生最强或最可靠信号的波长用于后续的分析，以便确定感兴趣的光学生理性质。

附加地或者替代地，多个(冗余或基准)光源可以配置为产生相同波长或波段的光。这可以在如果一个光源损坏或者未对准的情况下提供增加的鲁棒性，使得通过光电检测器检测到较差质量的信号。

在某些实施例中，可以要求使用多个波长来实现所需的信号质量和/或确定某个生理参数，所需信号质量和/或某个生理参数需要获取多个波长的多个信号。在一些组织位置中，一些具体的波长可能不适用于获取所需的信号(即，这些波长不能足够深入穿透到组织中或者可能会被组织表面反射)，因此使用多个波长可以确保更加可靠的获取信号以及传感器的更加鲁棒的总体性能。

总之，多个光源和/或多个波长的使用可以大大增加传感器的功能性和适应性，使得单独的传感器可以用于精确地测量多个组织类型的光学生理性质。更具体地，多个光源和/或多个波长的使用可以允许更加可靠的测量来自物体的组织上的多个位置的健康状况。

利用光源在组织上的已知分布(例如，在同一个圆上的每一个光源之间以90度的分离度围绕同心圆圆周间隔开)，所述OP模型可以用于确定运动特征。例如，对于单一波长，通过查看相对于所有光源的总强度的每一个光源的强度的相对变化来估计传感器和组织之间的倾斜度。可以采用从光源经由组织行进至光电检测器的光的平均路径长度来计算运动假象的精确量化。另外，可以将运动传感器(例如，3D加速度计)设置在传感器上以提供任意运动的备选描述，可以用作与运动的光学推导特征进行比较的基准。

多个光源可以配置为产生不相干或半相干电磁辐射。

至少一个光电检测器可以配置为在辐射已经(通过反射或透射)行进通过正在监视的身体组织之后，捕获源自一个、一些或全部光源的辐射。

OP传感器可以(例如通过复用)配置为使得可以从至少一个光电检测器获得从每一个单独的光源对于输出的专有贡献的独立信号。替代地，可以从至少一个光电检测器获得每一个单独波长或波段的光对于输出的贡献的独立信号。

控制器可以配置为基于信号质量度量来选择性地激活和/或去激活光源。信号质量度量可以分析每一个独立信号，并且调节或禁用从中得出所述独立信号的光源，以便节省能量和/或提供来自至少一个光电检测器的输出的最优可靠性。在这一方面，控制器可以配置为实现根据本发明第四方面(下面限定的)方法。

应该理解的是多个光源的使用可以确保存在光行进通过要监视的身体组织至光电检测器的多于一种可用路径。因此，可以应用信号质量量度以分离或者消除噪声或较差质量的信号，使得来自光电检测器的输出更加精确和可靠。另外，多个信号路径的使用意味着存在进行信号平均或其他处理的潜力(例如，如果检测到两个或更多个鲁棒的信号)。这些技术也可以应用于改进传感器对于运动感应假象的抵抗力。

因此，OP传感器的实施例可以配置为在使用期间自动地调节对于正在监视的身体组织的传感器特性(例如通过改变激活的光源或波长及其强度)，以便对检测的信号质量进行优化。因此，不但通过施加要监视的组织类型(或多种组织类型)的光学生理模型来设计传感器，而且传感器也能够在使用期间动态地调节其设置，例如考虑用户的年龄或者汗水或涂覆至皮肤的油脂的累积。

可以经由诸如电池之类的集成电源对OP传感器供电。替代地，可以经由诸如感应功率耦合之类的无线功率传输对OP传感器供电。

OP传感器可以配置为与基站或主机服务器进行无线通信。

OP传感器可以配置为可粘附贴片，可粘附性贴片可以直接粘附至要监视的身体组织。贴片可以是任意合适的尺寸，但是方便的可以是硬币大小的。有利地，贴片可以是轻量、不显眼且防水的，以便不会妨碍或不便于用户穿戴贴片。

OP传感器可以配置为低成本一次性传感器或者用于长期或重复使用。

OP传感器可以配置用于连续(动态)的数据采集(例如，几个小时或几天)，而无须重新充电。

根据本发明的第四方面，提出了一种控制光学生理(OP)传感器的方法，所述OP传感器包括多个光源和至少一个光电检测器，所述至少一个光电检测器配置为在来自所述光源的光已经行进通过要监视的身体组织之后，捕获源自所述光源的一个或多个的辐射，所述方法包括：

从至少一个光电检测器获得每一个单独光源光对于输出的贡献的独立信号；

对于每一个独立信号执行信号质量的一个或多个测量；

修改每一个单独光源的照射强度，并且重复信号质量的测量；

进一步改变其独立信号已经经历了信号质量增加的单独光源的强度，并且重复信号质量的测量；

反向改变其独立信号已经经历了信号质量下降的单独光源的强度，并且重复信号质量的测量；

固定其相应的信号已经达到信号质量峰值的单独光源的强度；以及

选择性地去激活其独立信号小于阈值的光源。

上述方法可以应用于根据本发明的第二或第三方面所定义的OP传感器。

应该理解的是，本发明第四方面的方法有效地提供了一种对用于正在监视的组织类型的每一个光源或波长的强度进行优化的方法。当第一次激活传感器时，所述方法可以应用作为初始配置过程。附加地或者替代地，可以重复地或者当满足预定信号标准时应用所述方法，以便在使用期间重置每一个光源的强度。

根据本发明的第五方面，提供了一种光学生理(OP)系统，包括：

根据本发明的第二或第三方面的光学生理(OP)传感器；以及

分析器，配置为分析通过光电检测器测量的信号以从中确定至少一个生理参数。

所述分析器可以采用光学生理模型以从所测量的信号得到生理参数。所述光学生理模型可以是基于对正在监视的身体组织类型(例如，包括组织位置、颜色、厚度、年龄或状况)的基本理解，以便作为时间和/或血液成分的函数提供光学信号的更加可靠的解译以及它们与血量的相关性。

所述至少一个生理参数可以包括：血氧饱和度、心率、脉搏速度、呼吸次数、血压、体温或用户状态或情绪的表示(例如，活跃的、睡着的、紧张的)。

所述OP系统还可以包括用户接口。所述用户接口可以配置为允许用户选择要监视的生理参数。

所述OP系统还可以包括显示器，配置为将所确定的生理参数通信地传输至用户。

所述OP系统还可以包括数据管理系统，用于存储所确定的生理参数。

所述OP系统可以配置为单机系统，例如在腕表、移动电话或其他个人设备中实现。附加地或者替代地，所述OP系统可以配置为分布式系统。例如，所述传感器可以构成客户模块(例如，贴片或腕表)，一个或多个分析器、用户接口、显示和数据管理系统可以经由远程基站或主机服务器来提供。在这种情况下，所述客户模块可以配置为与基站或主机服务器进行无线通信。此外，所述OP系统可以经由计算机软件(可以设置为移动电话或者因特网“app”形式)来控制，使得用户可以控制所收集的数据的监视、记录、处理和显示。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的一些实施例，其中：

图1示出了根据本发明实施例的设计光学生理(OP)传感器的方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的OP传感器的示意性顶视图；

图3A示出了根据本发明实施例的第一OP系统的示意图；

图3B示出根据本发明实施例的第二OP系统的示意图；

图3C示出了根据本发明实施例的第三OP系统的示意图；

图4A示出了图3A的OP系统的详细视图；

图4B示出了图3C的OP系统的详细视图；

图5示出了在本发明的实施例中可以采用的通用传感器处理/控制程序；

图6示出了本发明的实施例中可以用于源自单独光源的信号以及用于控制所述光源的信号处理程序；以及

图7示出了用于选择在本发明实施例中使用的包括一个或多个光源在内的光通道的过程。

具体实施方式

参考图1，图1示出了根据本发明实施例的装配(包括设计)光学生理(OP)传感器12法的流程图10。所述方法包括：使用光学生理模型14对要监视的身体组织类型的光学生理性质数学地进行建模；以及通过模型14的应用来确定光学生理(OP)传感器12的最优光学设计16，使得OP传感器12操作为监视所述身体组织类型的光学生理性质。因此，本发明的一个方面涉及针对光学感测子系统的数据驱动设计方案。另外，所述方法包括：将OP传感器12制造为所确定的光学设计，其中OP传感器12的最优光学设计包括：(i)基于光从多个光源的每一个光源28通过要监视的身体组织类型行进至光电检测器的建模光学路径长度，确定光电检测器与每一个光源的最优分离度；以及(ii)将不同波长的光源28定位于相距光电检测器30不同的距离。

在现有技术系统中，比尔-朗伯模型已经应用于将光的吸收与光行进通过的材料的性质相关。然而，已经发现这种方法太基本，以至于当试图建立身体组织的光学生理性质时不能真实地进行表达，因此要求考虑了要监视的身体组织的各种性质的光学生理模块14。

如所示的，光学生理模型14是基于辐射传输理论18，并且包括身体组织位置的几何模型20，以及各种波长(例如，标记为1至n，其中n是正整数)的身体组织的光学性质22的细节。基于这种信息，模型14计算(在各种n波长处)通过身体组织的光的光学路径长度24。然后，光学路径长度用于确定光电检测器30与每一个光源28的最优分离度26，以便产生OP传感器12的最优设计。

现在将描述合适的光学生理模型14的等式，其中将按照复杂程度得出其组成部分的更加合适的示例。

可以将通过介质(例如，身体组织类型)的光透射表达为根据等式1的指数衰减。

I(λ)＝I₀(λ)×e^-ρ(λ) [等式1]

该等式描述了当光以光学密度ρ(λ)行进通过介质I₀(λ)时进入介质的波长λ处的光强度的指数衰减。I₀(λ)始终保持恒定，并且可以根据等式2的光源强度I_S(λ)和从介质反射的光强度I_R(λ)来表示。

I₀(λ)＝I_S(λ)-I_R(λ) [等式2]

由于反射导致的强度损耗可以根据等式3交替使用反射系数(C_R)或透射系数(C_T)来表达，其中所述系数具有0和1之间的值。

I₀(λ)-(1-C_R)×I_S(λ)-C_T×I_S(λ) [等式3]

可以根据等式4的吸收系数μ_a(λ)和路径长度l来描述介质的光学密度。

ρ(λ)＝μ_a(λ)×l [等式4]

应该理解的是等式1至4描述了单一光学路径的情况，其中完全地考虑了检测点处的透射强度。

我们现在考虑高散射介质的更复杂情况。当光源光在组织体积上散射时，光的更多部分通过至检测器的平均光路长度的增加而损耗为吸收，并且光的一部分可能不会落在光电检测器的表面内。可以根据等式5重新描述光学密度以考虑这种损耗。

ρ（λ）＝μ_a(λ)×L(μ_s(λ)) [等式5]

在这一等式中，L表示所检测的光的有效路径长度，并且是介质的散射系数μ_s(λ)的函数。还可以针对具有根据等式6的性质μ_ai(λ)和μ_si(λ)的N-分层介质的情况来进一步重新描述光学密度，其中层的数目i的范围从1至N。

我们现在考虑包括二维(平坦)外表面的N-分层介质的更加严谨的情况，光源和光电检测器可以位于所述二维(平坦)外表面上。进入到介质I₀和光源I_S的光的强度之间的关系可以根据等式7表示：

I₀(λ，x，y)＝C_T×I_S(λ，x，y) [等式7]

对于点光源的情况，我们可以根据等式8按照光源的峰值输出强度

和镜像分布δ_S来重新描述I₀

这一等式假设关于点光源法线的圆柱形对称的辐射，其中认为光在介质外部的吸收和散射是可忽略的，并且随行进距离的强度损耗遵循平方反比规律。这一等式使能将辐射从点光源投射到介质的平坦外表面上，其中z_S是点光源和所述表面之间的法向距离。这里，与光源法向的辐射角度是

0≤ρ≤π/2，并且在位置(x，y)处入射到介质表面上的光的路径长度是

假设介质的圆柱形对称性和光学均匀性，可以将光源在波长λ的光学密度ρ根据等式9规定为光源-检测器分离度l′的函数。

在这一等式中，按照点(x_s，y_s)处的光源以及介质表面上点(x，y)处的任意检测器，限定了光源-检测器分离度，即

我们现在可以通过根据等式10在介质的整个表面上对进入介质I₀(λ，x，y)的光进行积分来重新描述等式1。

dP(λ，x，y)＝∫∫I₀(λ，x′，y′)×e^{-ρ(λ，l′(x′，y′))}dx′dy′ [等式10]

这一等式描述了点(x，y)处的无穷小的透射光功率dP。其中对于由矢量x和y限定的介质表面上的有限矩形面积的检测器，从x_-到x₊和从y_-到y₊的量程，我们可以根据等式11得出由检测器接收的光功率：

我们现在考虑光时变透射的动态介质(例如，脉动的血液通过的组织)，即I(λ，t)，其中可以根据等式12重新描述等式1。

I(λ，t)＝I₀(λ)×e^ρ(λ，t) [等式12]

在这一等式中，介质的动态光学密度对介质的动态性质建模。在实际系统中，这些动态性质产生于身体组织位置的生理机能，并且表示为身体组织的几何形状及其吸收和散射性质的变化。对于包括二维(平坦)外表面的N分层介质的更复杂情况，我们可以使用脉动系数μ_ρl(λ)来对介质的动态本质进行建模，其中层的数目i的范围从1至N，并且归一化的生理脉冲函数ψ(t)根据等式13。

其遵循可以将光学密度根据等式14至16分离为静态分量

和动态分量

使用等式10和11的积分求和，我们可以类似地限定根据等式17至21的矢量x和y限定的矩形检测器的透射光功率的静态分量

和动态分量

我们现在考虑在设计诸如传感器12之类的光学生理传感器时光学生理模型14的具体用途。为此目的，我们可以根据等式22的归一化峰值动态功率来限定所检测信号的质量Q。

在这一等式中，当最强的功率瞬态源自心脏收缩压时，使用动态功率的最小值来限定峰值动态功率，所述峰值动态功率表明了从传感器获取的光学信号中的波谷。所述模型可以包括根据等式23来限定针对波长λ的光源的最优光源-检测器分离度l(λ)。

假设如前述介质的圆柱对称性和光学一致性，可以将最优光源-检测器分离度l′(λ)根据等式24表示为以光源的位置(x_s，y_s)为中心的圆，或者相反地以检测器的位置(x_d，y_d)为中心的圆：

最后，我们考虑在使用从诸如传感器12之类的光学生理传感器获取的信号来确定生理参数时光学生理模型14的具体用途。所述参数的确定典型地依赖于知晓在所检测的信号中显见的收缩压峰值的临时位置。等式25将单独的收缩压峰值t_n的时间位置限定为生理脉冲波中的单一时间段的局部最小值，所述时间段发生在时间t_an和t_bn之间。

我们考虑动脉血中的血氧饱和度S，可以根据等式26至28将其限定为源自两个波长λ₁和λ₂的照射的归一化动态强度R₁和R₂的比值R的函数。

R＝R₁/R₂ [等式27]

S-(C₁-C₂×R)/(C₃-C₄×R) [等式28]

等式28中的校准常数C₁和C₄依赖于在两个不同波长λ₁和λ₂下发射的光源的光学特性，并且可以通过光学生理传感器的校准程序来确定。

我们也可以考虑脉冲-脉冲间隔(PPI)，可以根据等式29将PPI限定为在时间t₁，和t₂，...，t_N发生的相邻收缩压峰值之间的时间间隔Δt₁，Δt₂，...，Δt_N-1。

ΔT_n＝t_n+1-t_n [等式29]

所述时间间隔Δt_n可以随后用于计算与主体的生理状态相关的统计测量。

因此，在本发明实施例中使用的合适的光学生理模型14可以包括以下的任意或全部：

i)这里详细描述的等式的一个或多个、它们的替代或离散导数(即数值可解公式)；

ii)一个或多个光源的数值或数学描述，包括光源的发射波长和空间分布在内；

iii)身体组织位置的数值或数学描述，包括组织的一组层的厚度以及静态和动态光学性质(例如，表皮、真皮浅层、真皮浅丛、真皮深层、真皮深丛、皮下脂肪)；

iv)作为光源-检测器分离度l_s-d和散射系数μ_s的函数的有效路径长度L的数值或数学描述，例如，使用入射传输等式及其P1(扩散)近似的有限元解应用于感兴趣的身体组织位置的三维几何模型来推导得出。

因此，将模型14的元素进行组合并且使用对于要监视的身体组织特定的一组光学生理性质，我们可以推导OP传感器12的光源28和光电检测器30的最优位置。

如在图2中最佳示出的，在由模型14所设计的OP传感器12中，光电检测器30实质上是矩形的，并且设置在正方形贴片32的中心，使得光电检测器可以在来自每一个光源28的光已经行进通过正在监视的身体组织之后，捕获源自多个光源28的每一个的辐射。在该实施例中，光源28分布在光电检测器30的周围，沿与光电检测器30的每一条边对齐的四行延伸。应该理解的是光源28的每一行将配置为产生四个不同波长之一的光。因此，将每一行定位于以光电检测器30为中心的圆34的圆周上(参见图1)，使得每一个源34的半径基于最优分离度26，已经针对所述行中的相应光源28的波长的光确定了最优分离度。

图2还示出了在贴片32的每一个角落处的四个附加(可选的)感测元件36的位置。所述感测元件36可以由例如温度传感器或运动传感器来组成，并且这些感测元件可以基于多种技术，包括光学、光声、声学或机电。

图3A、3B和3C分别示出了根据本发明实施例的第一OP系统40、第二OP系统42和第三OP系统的示意图。

第一OP系统40包括客户端设备46，客户端设备包括如上所述的OP传感器12加上电子控制器48。如下面更加详细地描述，控制器48操作为激活或去激活传感器12的多个光源28。此外，控制器48包括模数转换器58，配置为接收来自光电检测器30的测量强度序列。在将来自光电检测器30的测量强度解译为多个(即复用)信号的情况下，控制器48配置为分离(即解复用)这些信号。控制器48也包括信号处理分析器64，配置为分离和测量由光电检测器30获取的一个或多个信号中的静态分量和动态分量，并且随后使用这些测量来从中确定一个或多个生理参数(例如，血氧饱和度、心率、脉搏速度、呼吸次数、血压、体温或用户状态或情绪的表示)。

信号处理分析器64可以配置为通过使用一个或多个数字滤波器来分离一个或多个检测的信号的静态分量和动态分量，并且随后测量这些静态分量和动态分量的幅度。可以根据要确定的生理参数、通过应用程序获取的精度级别以及在每一个信号中遇到的噪声级别来设置所述滤波器的频带。一旦进行了分离，每一个静态分量的幅度易于使用。可以通过检测峰值的幅度，或者替代地通过检测峰值和波谷的幅度并且随后考虑相邻峰值和波谷之间差异的绝对值，来确定每一个动态分量的幅度。替代地，信号处理分析器64可以配置为使用快速傅里叶变换将每一个信号转换为其相应的频谱。随后可以通过测量每一个频谱中的峰值的幅度来测量静态分量和动态分量的幅度。

本实施例的信号处理分析器64配置为使用上述光学生理模块14，根据所测量的所述静态分量和动态分量的测量来得出感兴趣的生理参数。

控制器48还包括用于调节与传感器元件的控制有关的一些参数的装置；例如，将要调制哪个光源28、调制光源28的速率、从光电检测器30获取采样的速率以及信号处理分析器64使用的滤波器参数。OP系统40可以配置为根据在所述OP系统的操作过程期间获取的质量度量和/或根据所述系统的用户定义的操作模式来进行调节。另外，可以在不中断OP系统40的操作过程的情况下进行调节。

控制器48还包括无线通信功能66、68，无线通信功能配置为将与所确定的生理参数相关的数据发送至主机系统50。主机系统50可以由本地计算机或网络化的服务器来提供。主机系统50配置有：用户接口，用于允许用户选择要监视的生理参数；显示器，用于将所确定的生理参数通信传输至用户；以及数据管理系统，用于存储所确定的生理参数以供未来使用。

第二OP系统42与第一OP系统40实质上类似，但是包括连接至单一的电子控制器48的两个OP传感器12。每一个OP传感器12可以实质上类似，使得电子控制器48可以对检测的信号进行组合以更加精确的确定正在测量的生理参数。替代地，每一个OP传感器12可以配置用于不同的身体组织类型(例如，手势或颈部)上，并且电子控制器40可以配置为选择OP传感器12用于具体的应用。

第三OP系统44与第二OP系统42实质上类似，但是其中客户端设备46配置为独立系统，与设置为可选零件的主机系统50通信。因此，客户端设备46还包括用户接口52，配合为允许用户选择要监视的生理参数，并且包括显示器来将所确定的生理参数通信传输至用户。客户端设备46也可以可选地包括数据管理系统，用于存储所确定的生理参数供未来使用。

图4A和图4B示出了如上所述的第一OP系统40和第三OP系统44的更加详细的示意图。在每一种情况下，OP传感器12包括光源28、一个或多个光传感器(例如，光电检测器30)、温度传感器和运动传感器36，例如如图2中所设置的。此外，电子控制器48包括光源驱动器54、放大器56、模数转换器58、数据存储器60、微控制器62、信号处理分析器64(如上所述)、通信系统66和天线68。如上所述，主机系统50(在图4B中是可选的)包括用户控制器70、数据存储器72和显示器74形式的用户接口。图4B的独立OP系统44也包括如上所述的用户接口52。本领域普通技术人员应该理解如何配置这些部件以产生如上所述的工作OP系统。

在具体的实施例中，所述OP传感器12可以(例如通过复用)配置为使得可以从每一个单独光源28(或者每一行光源28)对于来自光电检测器30的输出的单独贡献来获得独立信号。另外，所述控制器48可以配置为基于信号质量度量来选择性地激活和/或去激活光源28。例如，所述控制器48可以配置为：从光电检测器30获得每一个单独的光源28对于输出的贡献的独立信号；对于每一个独立信号执行信号质量的一个或多个测量；修改每一个单独光源28的照射强度，并且重复信号质量的测量；进一步修改其独立信号已经经历了信号质量增加的单独光源28的强度，并且重复信号质量测量；相反地修改其独立信号已经经历了信号质量下降的单独光源28的强度，并且重复信号质量测量；固定其相应的信号已经达到信号质量峰值的单独光源28的强度；以及选择性地去激活其独立信号小于阈值的光源28。因此，所述控制器48可以配置为对来自每一单独光源28的信号强度进行优化。这可以作为初始步骤来执行，以便确保在进一步处理之前每一个光源按照稳态操作，例如对于下面参考图6描述的信号质量的评估。

如前所述，多个光源28的使用可以确保存在光行进通过要监视的身体组织至光电检测器30的多于一种可用路径。因此，可以应用信号质量量度以分离或者消除噪声或较差质量的信号，使得来自光电检测器30的输出更加精确和可靠。使用这种技术，本发明的实施例可以用于在使用期间自动地调节对于正在监视的身体组织的传感器特性(例如通过改变激活的光源或波长及其强度)，以便对检测的信号质量进行优化。因此，不但通过施加要监视的组织类型(或多种组织类型)的光学生理模型来设计本发明的传感器，而且也可以在使用期间动态地调节其设置，例如考虑用户的年龄或者汗水或涂覆至皮肤的油脂的累积。

图5示出了在本发明的实施例中可以采用的通用传感器处理/控制程序。在这种情况下，多个光源通道(指定为1至M)配置为每一个通道包括多个光源(指定为1至N)，所述光源配置为产生相同波长的光。基于按照OPM的等式22的信号质量计算，构成每一个通道(并且具有相同波长)的光源设置在相距光电检测器相同的距离，并且不同的通道设置为相距光电检测器不同的距离。

如所示的，在如下面参考图6所述已经评估了来自通道中的每一个源的信号之后，通过顺序地处理从每一个单独的光源获得的信号来处理(例如通过电子模块48)第一通道。然后针对构成下一个和每一个后续通道的每一个光源重复这一过程。

在图6中示出了对来自每一个单独的光源的信号的处理，并且所述处理包括将信号质量值(SigQ)最初设置为0(例如，所谓的0-6的尺度，其中0表示低质量信号，而6表示高质量信号)。然后，系统检查所述光源是否已经启用，并且如果是，则测量由光电检测器捕获的信号的AC幅度。如果还没有启用信号，则接通光源，并且将信号质量值设置为3(使得要求较少的读数)，然后系统将进行检查以确定是否重新启用光源。在这种情况下，可以在测量由光电检测器捕获的信号的AC幅度之前，采用定时器来引入例如0.5s或1s的延迟。这有助于确保在初始接通光源之后来使用稳定的测量。

当测量AC幅度时，调回从光电检测器的光强度获取的AC幅度值的最后n个测量值，并且判断所述AC幅度是否是稳定的。如果AC幅度是稳定的，在测量由光电检测器捕获的信号的DC幅度之前将所述信号质量值递增1。如果AC幅度是不稳定的(例如，具有超过阈值的变化性)，那么在测量DC幅度之前信号质量值不递增。

如上所述，当测量DC幅度时，调回从光电检测器的光强度获取的DC幅度值的最后n个测量值，并且判断所述DC幅度是否是稳定的。如果DC幅度是稳定的，在确定由光电检测器捕获的信号的峰值之前将信号质量值递增1。如果DC幅度是不稳定的(例如，具有超过阈值的变化性)，那么在确定峰值之前信号质量值不递增。

然后，调回并且测量最后m个连续的峰值之间的时间间隔，并且确定间隔是否在依赖于正在测量的生理参数的预定范围内。如果所述间隔在一定范围内，在确定由光电检测器捕获的信号的波谷之前将所述信号质量值递增1。如果所述间隔没有在一定范围内，在确定波谷之前所述信号质量值不递增。

如上，调回并且测量最后m个连续的波谷之间的时间间隔，并且确定所述间隔是否在依赖于正在测量的生理参数的预定范围内。如果所述间隔在一定范围内，在计算AC/DC比率之前将所述信号质量值递增1。如果所述间隔没有在一定范围内，在计算AC/DC比率之前所述信号质量值不递增。

如果AC/DC比率在最后n个值上是稳定的，在根据AC/DC查找表来确定组织类型之前将信号质量值递增1。如果AC/DC比率不稳定，清除所述组织类型。在这两种情况下，然后将信号质量值与阈值(例如所述的4或5)进行比较，并且如果信号质量值大于阈值，则启用光源。然而，如果信号质量值不大于阈值，将定时器复位并且禁用光源。

应该理解的是，AC/DC比率可以有效地提供通过身体组织的有效光学路径长度的静态分量和动态分量的比率。优选地，使用如上所述的光学生理模型来产生查找表。因此，可以考虑所采用的波长和路径长度，以便精确度地将AC/DC比率与具体的组织类型相关。

在本发明的实施例中，因此可以采用图6的处理以针对每一个通道来评估每一个单独光源的信号质量，并且基于源自所述光源的每一个的信号的静态部分和动态部分来确定组织类型。

在图7中说明了在本发明实施例中使用的用于选择哪一个光通道(与每一个通道单独的光源相反)的处理。在这种情况下，将通道质量值ChanQ初始地设置为0，并且依次检查来自每一个通道中的每一个单独光源的信号，以确定启用哪一个光源(例如，基于图6的过程)。对于启用的每一个光源，将通道质量值递增1，并且如果针对每一个通道的总的通道质量值超过预定的阈值，将启用所述通道。然而，如果总的通道质量值没有超过阈值，将禁用所述通道。按照这种方式，将优选地选择最近启用的光源用于未来的测量(例如，以确定所需的生理参数)。另外，通道质量的知识可以用于确定一些生理参数的可靠性。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以对上述实施例作出各种修改。例如，在参考一个实施例描述的特征可以与参考一个或多个其他实施例中描述的特征进行混合和匹配。

Claims

1.一种装配光学生理OP传感器(12、40、42、44)的方法，包括：

对要监视的至少一个身体组织类型的光学生理性质进行建模以得到模型(14)；

通过模型(14)的应用，确定操作用于监视所述至少一个身体组织类型的光学生理性质的光学生理OP传感器(12、40、42、44)的最优光学设计(16)；以及

将所述OP传感器(12、40、42、44)制造为所确定的光学设计(16)；

其中，所述对要监视的至少一个身体组织类型的光学生理性质进行建模以得到模型(14)包括：

使用归一化生理脉冲函数以及吸收系数、散射系数和脉动系数，在动态光学密度方面限定动态且多层的身体组织类型的光学响应；

分离所述动态光学密度的静态分量和动态分量；

通过积分求和来针对光电检测器限定透射光功率的静态分量和动态分量；以及

基于透射光功率的静态分量和动态分量限定光源的光源-检测器分离度，并且

其中，所述OP传感器(12、40、42、44)的光学设计(16)包括：

利用所述模型，基于光从多个光源(28)的每一个光源通过要监视的身体组织类型行进至光电检测器(30)的光学路径长度(24)，确定光电检测器(30)与每一个光源(28)的分离度；以及

将第一波长的多个光源(28)定位于第一圆的圆周上的阵列中，所述第一圆以所述光电检测器为中心，并且具有基于针对所述第一波长所确定的分离度而确定的半径，

将第二波长的多个光源(28)定位于第二圆的圆周上的阵列中，所述第二圆以所述光电检测器为中心，并且具有基于针对所述第二波长所确定的分离度而确定的半径，

其中每一个阵列包括至少四个光源，使得第一圆和第二圆上的光源沿至少四个径向方向排列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述OP传感器(12、40、42、44)的光学设计(16)包括使用多个光源(28)，所述多个光源配置为产生相同波长或波段的光，并且其中所述传感器(12、40、42、44)配置为基于在光电检测器(30)处捕获的辐射质量来选择所述多个光源(28)的一个或多个用于光学生理测量。

3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述至少一个身体组织类型包括以下的一个或多个：组织位置、组织颜色、组织厚度、组织年龄和组织状况，并且所述至少一个身体组织类型的光学生理性质包括以下中的一个或多个：吸收系数、散射系数、折射系数和光学密度。

4.一种通过根据权利要求1至3中任一项所述的方法装配的光学生理OP传感器(12、40、42、44)，包括：

多个光源(28)；以及

至少一个光电检测器(30)，配置为在来自所述光源(28)的光已经行进通过要监视的身体组织类型之后，捕获源自所述光源(28)的一个或多个的辐射，

其中，所述多个光源(28)相对于光电检测器(30)位于由要监视的身体组织类型的光学生理性质的模型(20)所确定的位置，

其中所述光电检测器(30)与每一个光源(28)的分离度(26)基于从每一个光源(28)通过要监视的身体组织类型行进至光电检测器(30)的建模光学路径长度；以及

其中将第一波长的多个光源(28)定位于第一圆的圆周上的阵列中，所述第一圆以所述光电检测器为中心，并且具有基于所述第一波长所确定的半径，

将第二波长的多个光源(28)定位于第二圆的圆周上的阵列中，所述第二圆以所述光电检测器为中心，并且具有基于所述第二波长所确定的半径，

其中每一个阵列包括至少四个光源。

5.根据权利要求4所述的OP传感器(12、40、42、44)，其中所述多个光源(28)配置为产生相同波长或波段的光，并且所述传感器(12、40、42、44)操作为基于所捕获的辐射质量来选择所述多个光源(28)的一个或多个用于光学生理测量。

6.根据权利要求4至5中任一项所述的OP传感器(12、40、42、44)，还包括控制器(48)，所述控制器操作为基于来自光电检测器(30)的测量信号来激活或去激活多个光源(28)。

7.一种光学生理OP系统，包括：

根据权利要求4至6中任一项所述的光学生理OP传感器(12、40、42、44)；以及

分析器(64)，配置为分析由光电检测器(30)测量的信号来从中确定至少一个生理参数。