CN106560156A - 使用差分传感器的体积描记心率监测降噪 - Google Patents
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Abstract
一种设备包括第一电磁传感器，其配置成至少部分地基于检测到具有第一波长的第一信号而产生第一感测信号。该设备包括第二电磁传感器，其配置成至少部分地基于检测到具有不同于第一波长的第二波长的第二信号而产生第二感测信号。该设备包括处理电路，其配置成至少部分地基于第一感测信号和第二感测信号而产生体积描记图。该设备可包括配置成发射具有第一波长的光信号的第一发射器。该设备可包括配置成发射参考信号的第二发射器。第一波长可以是对人体血液敏感的和是可透过人体皮肤的波长，以及第二波长可以是对人体血液不敏感的波长和是不可透过人体皮肤的波长中的至少一个。
Description
技术领域
本发明通常涉及传感器装置以及具体涉及可穿戴的体积描记装置。
背景技术
通常而言，体积描记是器官的体积测量。被称为光电容积描记图(photoplethysmogram，PPG)的通过光学确定的体积描记可使用脉冲血氧计来生成，所述脉冲血氧计照射皮肤并测量光吸收上的变化。常规的脉冲血氧计监测灌注，即身体将血液递送到生物组织(例如，皮肤的真皮和皮下组织)中的毛细管床的过程。通过每个心动周期，心脏将血液泵送到主体的外围。虽然该压力脉冲在到达皮肤时会衰减，但是该压力足以扩张皮下组织中的动脉和小动脉。发光二极管(LED)可以用光照射皮肤，而透射或反射的光量可由光电二极管检测到，以便检测由压力脉冲所导致的体积变化。每个心动周期可显现为所感测到的信号中的峰值。运动可能会导致信号中的伪影，这可由下述原因造成：环境光泄漏量的变化，传感器相对于皮肤的位置，局部区域中的血容量，或由于肌肉收缩的生理变化。运动导致的伪影可能会引入噪声，其具有的振幅比心跳信号的振幅大得多，并且可能会劣化所得到的心率测量。因此，期望能发展出用于产生容积描记图的改善技术。
发明内容
在本发明的至少一个实施例中，一种设备包括第一电磁传感器，其配置成至少部分地基于检测到具有第一波长的第一信号而产生第一感测信号。该设备包括第二电磁传感器，其配置成至少部分地基于检测到具有不同于第一波长的第二波长的第二信号而产生第二感测信号。该设备包括处理电路，其配置成至少部分地基于第一感测信号和第二感测信号而产生体积描记图。该设备可包括配置成发射具有第一波长的光信号的第一发射器。所述第一信号可以是光信号的反射形式。该设备可包括配置成发射参考信号的第二发射器。所述第二信号可以是参考信号的反射形式。第一发射器可以是配置成产生光信号的第一发光二极管，以及所述第一波长可处于光学绿色波长范围内。第二发射器可以是第二发光二极管，以及第二波长可处于光学蓝色波长范围和红外波长范围中的其中一个内。第一波长可以是对人体血液敏感的和是可透过人体皮肤的波长，以及第二波长可以是对人体血液不敏感的波长和是不可透过人体皮肤的波长中的至少一个。
在本发明的至少一个实施例中，一种方法包括至少部分地基于第一感测信号和第二感测信号而产生体积描记图。所述第一感测信号具有第一波长以及第二感测信号具有不同于第一波长的第二波长。该方法可包括至少部分地基于检测到具有第一波长的第一信号的反射而产生第一感测信号。该方法可包括至少部分地基于检测到具有第二波长的参考信号而产生第二感测信号。该方法可包括发射光信号。所述第一信号可以是光信号的反射形式。该方法可包括发射参考信号。所述第二信号可以是参考信号的反射形式。该方法可包括至少部分地基于第一信号、第二信号、和适于体积描记图的目标信噪比将所述第一信号的发射从第一功率水平调节到第二功率水平。所述第一信号可具有处于光学绿色波长范围内的波长，以及所述第二信号可具有处于光学蓝色波长范围和红外波长范围中的一个内的波长。
在本发明的至少一个实施例中，一种方法包括以第一功率水平发射具有第一波长的第一信号。该方法包括感测包括第一信号反射的反射信号。该方法包括感测第二信号，其相比于第一信号对心率更不敏感。该方法包括至少部分地基于反射信号、第二信号、和适于体积描记图的至少部分地基于第一信号和第二信号的目标信噪比以将所述第一信号的发射从第一功率水平调节到第二功率水平。
附图说明
通过参照附图可以更好地理解本发明，而本发明的诸多目的、特征和优点对本领域内的那些技术人员而言亦会变得显而易见。
图1示出体积描记心率监测系统的功能框图。
图2示出与本发明的至少一个实施例一致的体积描记心率监测系统的功能框图。
图3示出与本发明的至少一个实施例一致的体积描记心率监测系统的功能框图。
图4示出与本发明的至少一个实施例一致的适于图2的体积描记心率监测系统的示例性信息和控制流程。
图5示出与本发明的至少一个实施例一致的体积描记心率监测系统的部分的功能框图。
图6示出与本发明的至少一个实施例一致的体积描记心率监测系统的功能框图。
在不同的附图中使用相同的附图标记指示相似的或相同的项目。
具体实施方式
参照图1，示例性的体积描记心率监测系统包括发射器108，其发射光信号，所述光信号穿透组织112的层114并进入包括毛细管的皮下组织层116。毛细血管反射所述光信号的至少一部分并且使用可为光电二极管的光学传感器110检测那些反射。系统102包括加速计106，其输出由处理器104使用以减少或消除来自体积描记信号的运动伪影。例如，处理器104使用信号处理技术(例如，快速傅立叶变换技术)以识别在体积描记信号和所述加速计信号中的公共频率信号，并剔除那些公共频率信号以减少或消除在体积描记信号中的运动伪影。在其它实施例中，处理器104使用加速计106的输出作为参考信号来抵消体积描记信号中的噪声，类似于自适应回波抵消。
加速计106的输出和传感器110的输出之间的较弱相关性导致较差的噪声消除以及较低的体积描记信号信噪比。加速计106的输出不直接反映血流量的变化，生理学变化，环境光的变化，或者皮肤上传感器110的位置变化。加速计的事件和相关联的体积描记事件之间的定时可取决于体积描记事件的原因而显著变化。例如，由血流量的变化导致的体积描记信号的变化可能会在身体运动之后的几百毫秒或更长时间发生，而与周围泄漏相关联的体积描记信号的变化可与身体运动同时发生。如由加速计所确定的针对身体运动之间的定时延迟的表征和补偿以及所产生的体积描记影响可能是难以实现或不可能实现的。此外，应当注意的是当心率和运动频率一致时，分离出心率信号会是不可能的。
参照图2，用于改善体积描记信号的信噪比的技术包括使用参考信号减少或除去噪声部分，其易于受到与心率信号受到的至少一些相同的噪声源的影响，但包括很少的心率信息或没有心率信息。发射器208产生测量激励信号236，其是电磁信号(例如，包括具有在光学绿色波长范围内的波长的光信号)，其通过第一层232穿透身体组织到达皮下组织层234。测量的激励信号236的至少一部分由皮下组织层234中的毛细血管反射并使用传感器214检测，所述传感器可包括光电二极管218。参考信号发射器220发射伪影检测信号240，它不穿透皮下组织层234，但经受与测量激励信号236受到的至少一些相同的噪声源(例如，由于电源噪声的发射器驱动器噪声，电子噪声，环境电磁信号噪声，生理变化引起的噪声，由传感器模块和皮肤之间的较小的相对运动引起的噪声等)。伪影检测信号240是电磁信号，相比于测量激励信号236，伪影检测信号240对心率有较低的灵敏度并且因此包含更少的心率信息或不包含心率信号信息。因此，伪影检测信号240的反射形式包含很少的心率信号信息或不包含心率信号信息，但包括与为测量激励信号236的反射形式的噪声信息相当的噪声信息。
在至少一个实施例中，伪影检测信号240包括具有在光学蓝色波长范围内的波长的光信号。光学蓝色波长范围内的信号不会很好地穿透层232，因而伪影检测信号240的反射形式将具有很少的心率信息或没有心率信息。参照图3，在其它实施例中，伪影检测信号240包括具有其它波长的信号，例如具有在红外波长范围内的波长的信号。红外波长范围内的信号穿透层232，但不能很好地由皮下组织层234吸收，从而具有红外波长的伪影检测信号240的反射形式将具有很少的心率信息或没有心率信息。虽然测量激励信号236和伪影检测信号240行进穿过相同的组织层，但是不同的波长导致在进入和离开组织时的不同损失，造成在组织扩散上的不同损失，以及造成在通过组织的信号传输调制的不同量。参照图2和图3，在其它实施例中，测量激励信号236是另一种电磁信号，其对心率是敏感的，以及伪影检测信号240是另一种电磁信号，其对心率是不敏感的或具有较少由心率通过组织调整的信号传输，但易受兴测量激励信号236受到的相同的噪声源的影响。
在至少一个实施例中，选择参考信号发射器220的位置以及由参考信号发射器220产生的伪影检测信号240的波长，以减少或消除数字参考信号252对心率的灵敏度。发射器208的位置和由发射器208产生的测量激励信号236的波长被选择成使得数字信号250对心率是敏感的。发射器208和传感器214之间的分隔距离可为了目标心率信号检测水平而预先确定。参考信号发射器220和参考信号传感器226之间的分隔距离可为了目标参考信号检测水平而预先确定。发射器208可包括驱动器210和发光二极管212。在至少一个实施例中，不是使用发光二极管212，而是使用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或其它电磁信号。参考信号发射器220可包括驱动器222和发光二极管224。在至少一个实施例中，不是使用发光二极管224，而是包括垂直腔表面发射激光器或其它电磁信号发射器。
传感器214可包括电磁传感器218，其可包括光电二极管。传感器214配置成感测测量激励信号236的反射形式，并将信号的数字形式提供给处理器204。传感器214可包括模拟-数字转换器216，其将数字参考信号250提供给处理器204。参考信号传感器226可包括电磁传感器230，其可包括光电二极管。参考信号传感器226配置成感测信号240的反射形式，并将该信号的数字形式、数字参考信号252提供给处理器204。参考信号传感器226可包括模拟-数字转换器228，其将数字参考信号252提供给处理器204。
信号处理器204使用基于伪影检测信号240的反射形式的数字参考信号252，以便从数字信号250移除基于测量激励信号236的反射形式的噪声。由于测量激励信号236和伪影检测信号240是具有在电磁波谱中比较接近的波长的信号，以及发射器208和参考信号发射器220是共同定位的，测量激励信号236和伪影检测信号240具有很强的相关性。使用伪影检测信号240的反射形式消除噪声产生体积描记信号，而该体积描记信号具有的信噪比相比于由试图使用加速计信号消除噪声的系统实现的信噪比更高，所述加速计信号与包括心率信息的信号之间的关系性较弱(例如，图1的系统102)。
由使用加速计信号的典型体积描记系统使用的常规噪声消除技术是比较脆弱和复杂的，并且由于参考信号和包括心率信息的信号之间的较弱相关性可能需要针对新的应用环境频繁地进行更新。再次参照图2，体积描记系统202相比于典型的脉波系统在各种应用环境中更稳健，这是由于相比于在典型的体积描记系统中用于消除噪声的信号，在信号250和数字参考信号252之间具有较高的相关性。此外，由于体积描记系统202的数字信号250和数字参考信号252具有很强的相关性，常规回波消除技术(例如，经典的时域最小均方回声消除技术)可用于处理这些信号。
参照图5，由处理器204实施的示例性自适应回波消除技术包括使用自适应滤波器402从参考信号252产生运动伪影的估计值，并减去来自测量激励信号240的估计值(例如，使用差分模块406)，以减少运动伪影，如图5中所示。应当指出的是，虽然自适应滤波器402和差分模块406可使用专用的集成电路模块来实施，但是在至少一个实施例中，处理器204是数字信号处理器，其用软件进行编程以便执行自适应滤波子程序并通过软件来执行差值计算子程序。如本文所述，软件(包括固件)可在存储器205中进行编码，其可包括至少一个有形的计算机可读介质。如在此所指，有形的计算机可读介质包括至少一个磁盘，磁带，或其它磁性、光学或电子存储介质。
返回参照图2，在通常情况下，提高体积描记信号的信噪比可改善通常具有较差性能的应用中的心率监测性能，例如，具有较低的反射信号水平的应用。例如，由瘦弱的主体、具有暗肤色的主体、或具有较低体温的主体使用的心率监测，即使当主体处于静止时，仍然不能实现较高的信噪比。身体运动进一步劣化已经较低的信噪比。通过降低体积描记信号中的噪声，可改善不良的体积描记信号的信噪，并减少因身体运动造成的劣化。
常规的可穿戴式体积描记装置通常包括不同的活动模式(例如，运行模式或空转模式)，其在发起心率(或其它)监测测量之前由用户选择。然而，由于体积描记系统202使用独立于运动的技术消除噪声，不像那些传统的体积描记系统，体积描记系统202不需要这样的活动和这样的模式调节，而且相关的设施可被省却。因为可以不管用户活动调节而且使用相同的噪声消除技术，并且用户不需要根据活动经常改变模式，因此体积描记系统202可比传统的体积描记系统更容易使用。
此外，体积描记系统202不是对定时敏感的，因为数字信号250和数字参考信号252具有类似的定时。由于体积描记系统202与传统的系统相比提高所得到的体积描记信号的信噪比，因此可以不需要如传统系统的发光二极管那样强烈地驱动发射器208的发光二极管212，从而与传统的系统相比降低体积描记系统202的能量消耗。此外，由于体积描记系统202降低或者消除体积描记信号中的噪声，驱动器210不必是低噪声的驱动器，从而减少或消除对高精度组件的需求，降低驱动器的尺寸，并因此相比于传统系统中的相应驱动器降低体积描记系统202的成本。由于体积描记系统202的体积描记是独立于运动的，体积描记系统202在其中运动速率(例如，步骤速率)与心率重叠或混淆的应用中可能不会经历降低的信噪比。
参照图2和图4，在体积描记系统202的至少一个实施例中，处理器204配置成基于适于使用数字信号250和数字参考信号252所产生的体积描记图的目标信噪比将发射器208的发射功率水平从第一功率水平调节到第二功率水平。例如，处理器204配置成使得发射器208以在第一功率水平的最大值发射测量激励信号236，并配置成使得参考信号发射器220以第二功率水平的最大值发射伪影检测信号240(301)。应当指出的是，处理器204还可配置体积描记系统202的其它元件。例如，处理器204可将模拟-数字转换器216、光电二极管218、或参考信号传感器226的其它元件的增益或灵敏度水平设定到对应于第一功率水平的水平，并且可将模拟-数字转换器228、光电二极管230、或传感器214的其它元件的增益或灵敏度水平设定到对应于第二功率水平的水平。第一和第二功率水平可以是相同的或可以是不同的，并且可以根据测量激励信号236的波长或伪影检测信号240的波长和其存储于存储器205中的指示来选择。发射器208以第一功率水平发射测量激励信号236，以及参考信号发射器220以第二功率水平发射伪影检测信号240(302)。体积描记系统202感测测量激励信号236的反射并基于其产生数字信号250。体积描记系统202感测伪影检测信号240的反射并基于其产生数字参考信号252(304)。
处理器204产生体积描记信号，例如使用数字信号处理技术，诸如如上所述使用数字参考信号252和数字信号250的自适应噪声消除技术(306)。处理器204确定体积描记信号的信噪比(308)。处理器204将信噪比与阈值信噪比进行比较，所述阈值信噪比可存储于存储位置206内(310)。阈值信噪比可通过任何合适的技术来预先确定(例如，由用户使用连到体积描记系统202的接口接收的硬连线的，由处理器204从非易失性存储组件读取并存储于存储单元206内等等)。如果体积描记信号的信噪比超过阈值信噪比，则处理器204可调节(例如，减小)第一功率水平，第二功率水平，或者它们的组合，并且可调节相应的接收器增益水平(312)。在体积描记系统202的至少一个实施例中，如果体积描记信号的信噪比下降到第二阈值信噪比以下，如果已经不在这些水平下的话，则处理器204可将第一功率水平、第二功率水平、接收器增益水平或它们的组合朝向最大水平或其它预定的水平调节。此外，应当指出的是，图4的信息和控制流可适于使用不同的阈值水平来实施滞后以便确定何时提高或降低发射器功率水平和相应的接收器增益水平。
参照图2和图6，虽然体积描记系统202已被描述为包括发射器208，参考信号发射器220，传感器214和参考信号传感器226，本文描述的技术可适于体积描记系统202的各种实施例。例如，测量激励信号236可使用发射器208和附加发射器产生，发射器208和附加发射器的每一个都包括至少一个驱动器和至少一个发光二极管电路，其产生包括具有一定波长的一个或多个信号或具有一系列波长的信号组合的测量激励信号，其可以根据预期的应用(例如，身体部位，皮肤类型和设计偏好)来选择。类似地，可以使用参考信号发射器220和附加发射器来产生伪影检测信号240，参考信号发射器220和附加发射器的每一个都包括至少一个驱动器和至少一个发光二极管电路，其产生包括具有一定波长的一个或多个信号或具有一系列波长的信号组合的伪影检测信号240，其对于目标组织中的心率是较不敏感的。例如，伪影检测信号240可包括下述波长，所述波长短于测量激励信号236的波长并且指示表面条件，以及伪影检测信号240可包括下述波长，所述波长长于测量激励信号236的波长并且由血液吸收更少且不受心率调制，但能够指示进入皮肤时的损失及其变化的损失。发射器模块502的多个发射器电路可由处理器204独立地控制，或一些可配置成接收相同的控制信号。在体积描记系统202的至少一个实施例中，参考信号发射器220被排除，而只有环境光用作伪影检测信号240。由图2的参考信号传感器226所接收到的环境光量或图6的传感器模块504可与作为测量激励信号236的相同噪声源相关，但是是心率不敏感的。
在体积描记系统202的至少一个实施例中，发射器208和参考信号发射器220具有相对于相应的传感器或传感器模块504的不同位移，并且可以使用时间复用的时隙发射。相对于相应传感器的位移可提高由发射器208产生的测量激励信号236对心率的灵敏度并降低对伪影检测信号240心率的灵敏度，即使在其中发射器208和参考信号发射器220产生具有相同波长的信号的体积描记系统202的实施例中也能造成这样的效果。
在体积描记系统202的至少一个实施例中，不是使用多个传感器(例如，传感器214和参考信号传感器220)，而是传感器模块使用时间复用传感器来产生数字信号250和数字参考信号252。例如，传感器模块504包括一个物理传感器，其在交替时隙的第一时隙期间检测具有测量激励信号波长或测量激励信号波长范围的信号并在交替时隙的第二时隙期间检测具有伪影检测信号波长或伪影检测信号波长范围的信号。模拟-数字转换器将信号进行数字化并将信号多路地分离，并将数字信号250和数字参考信号252提供给处理器204。
虽然电路和物理结构已在描述本发明实施例的过程中进行了一般推测，但是公认的是在现代半导体设计和制造中，物理结构和电路可以适合于在随后的设计、模拟、测试或制造阶段中使用的计算机可读的描述性形式体现。呈现为在示例性配置中的离散组件的结构和功能可作为组合的结构或组件实施。本发明的各种实施例预期为包括电路，电路系统，相关的方法，和这样的电路、系统和方法的具有在其上编码的有形的计算机可读介质(例如，VHSIC硬件描述语言(VHDL)，Verilog，GDSII数据，电子设计交换格式(EDIF)和/或Gerber文件)，所有如本文所述，并如在所附的权利要求中限定的那样。
本文中所阐述的本发明的描述是示例性的，并且并不意旨限制本发明的如以下权利要求书中所阐述的范围。例如，虽然本发明已经在心率监测系统的实施例中进行了描述，但是本领域内的技术人员将理解的是，本文的教导可与下述系统一起使用，所述系统使用到皮肤的血流测量以便监测呼吸，低血容量，和其它循环系统疾病。在不脱离如下列的权利要求所阐述的本发明的范围和精神的情况下，本文所公开的实施例的变化和修改可基于本文阐述的描述而进行。
Claims (20)
1.一种设备，其包括：
传感器模块，其配置成至少部分地基于检测具有第一波长的第一信号而产生第一感测信号以及配置成至少部分地基于检测具有不同于第一波长的第二波长的第二信号而产生第二感测信号；以及
处理电路，其配置成至少部分地基于第一感测信号和第二感测信号而产生体积描记图。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第一发射器，其配置成发射具有第一波长的光信号，所述第一信号是所述光信号的反射形式。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括：
第二发射器，其配置成发射参考信号，所述第二信号是所述参考信号的反射形式。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一发射器是配置成产生光信号的第一发光二极管并且所述第一波长处于光学绿色波长范围内，以及所述第二发射器是第二发光二极管并且第二波长处于光学蓝色波长范围与红外波长范围中的一个内。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其中所述参考信号易受到与第一信号受到的至少一些相同的噪声源的影响，且所述参考信号不易受到心率信号变化的影响。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的设备，其中所述第一波长是对人体血液敏感的和是可穿透人体皮肤的波长，以及第二波长是对人体血液不敏感的和是不可透过人体皮肤的波长中的至少一个。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的设备，其中第一波长是对心率敏感的波长以及第二波长是对心率不敏感的波长。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的设备，其中所述传感器模块包括：
第一电磁传感器，其包括光电二极管；以及
第二电磁传感器，其包括第二光电二极管。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的设备，其中所述体积描记图的信噪比大于第一感测信号的信噪比。
10.一种方法，其包括：
至少部分地基于第一感测信号和第二感测信号而产生体积描记图，所述第一感测信号具有第一波长以及第二感测信号具有不同于第一波长的第二波长。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
至少部分地基于检测到具有第一波长的第一信号的反射而产生第一感测信号；以及
至少部分地基于检测到具有第二波长的参考信号而产生第二感测信号。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
发射光信号，所述第一信号是光信号的反射形式。
13.根据权利要求10或12所述的方法，还包括：
发射参考信号，所述第二感测信号基于参考信号的反射形式。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
至少部分地基于第一信号、第二信号、和适于体积描记图的目标信噪比将所述第一信号的发射从第一功率水平调节到第二功率水平。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一信号具有处于光学绿色波长范围内的波长，以及所述参考信号具有处于光学蓝色波长范围和红外波长范围中的一个内的波长。
16.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述参考信号易受到与第一信号受到的至少一些相同的噪声源的影响，且所述参考信号不易受到心率信号变化的影响。
17.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一波长是对人体血液敏感的和是可穿透人体皮肤的波长，以及第二波长是对人体血液不敏感的和是不可透过人体皮肤的波长中的至少一个。
18.根据权利要求11或12所述的方法，其中第一波长是对心率敏感的波长以及第二波长是对心率不敏感的波长。
19.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述体积描记图的信噪比大于第一感测信号的信噪比。
20.一种方法，其包括：
以第一功率水平发射具有第一波长的第一信号；
感测包括第一信号反射的反射信号；
感测第二信号，其相比于第一信号对心率较不敏感；以及
至少部分地基于反射信号、第二信号、和适于体积描记图的至少部分地基于第一信号和第二信号的目标信噪比将所述第一信号的发射从第一功率水平调节到第二功率水平。
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