CN110367946A - 一种可控阵列反射式光电传感器模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控阵列反射式光电传感器模组，用于检测人体生理信号，该传感器模组包括发光管阵列、光电接收管、位于发光管阵列和光电接收管之间的档光板以及位于发光管阵列上的透镜，发光管阵列用于发射光，光经过透镜的聚焦，传输进入人体组织，经过漫反射、折射后由接收管接收并转换为电信号，其中，发光管阵列包括多个发光单元。本发明能够自适应待测部位的组织光学参数，提供最佳信噪比的信号获取方式。

Description

一种可控阵列反射式光电传感器模组

技术领域

本发明公开了一种可控阵列反射式光电传感器模组，涉及光电生理信号采集领域，可应用于血氧饱和度、心率、血压以及睡眠监测等多种场所。

背景技术

人体脉搏波中包含丰富的健康信息，稳定、可靠的脉搏波信号监测可以为身体健康状态的持续监测提供依据。从脉搏波中，可以分析出人体的血氧饱和度、脉率、心率变异性以及外周血管阻力等参数，反应了人体呼吸系统和心血管系统的健康状态。

目前，常用光电传感器来监测人体脉搏波信号，然而，对于不同个体，由于组织的散射系数、吸收系数等光学参数存在差异，以往固定LED-PD距离的方案存在缺陷，不能适应更广泛的群体；对于同一个个体，不同的部位，比如手指、手腕、胸口、额头等组织的光学参数各异，以往不同的部位需要做不同的传感器，适用性较弱。

为了解决上述问题，设计一种可控阵列反射式光电传感器模组，自适应待测部位的组织光学参数，提供最佳信噪比的信号获取方式，能够稳定获取生理信号是十分有必要的。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明设计一种可控阵列反射式光电传感器模组，用于检测人体生理信号，该传感器模组包括发光管阵列、光电接收管、位于发光管阵列和光电接收管之间的档光板以及位于发光管阵列上的透镜，发光管阵列用于发射光，光经过透镜的聚焦，传输进入人体组织，经过漫反射、折射后由接收管接收并转换为电信号，其中，发光管阵列包括多个发光单元。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：本发明设计的发光管阵列在物理空间上关于光电接收管中心对称，控制逻辑上，工作的发光单元可以自由控制，基于这种有益设计，使得所述传感器模组能够自适应待测部位的组织光学参数，提供最佳信噪比的信号获取方式，该模组可以用于长时间连续脉搏波血氧饱和度、心率、血压监测，应用前景广阔。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的光电容积脉搏波波形示意图。

图2为根据本发明的实施例的阵列式传感器模组不同发光单元采集的脉搏波波形示意图。

图3为根据本发明的实施例的光子漫反射的径向和轴向分布示意图。

图4为根据本发明的实施例的可控阵列反射式光电双光路传感器模组的顶视图。

图5(a)为根据本发明的实施例的可控阵列反射式光电双光路传感器模组的前视图。

图5(b)为根据本发明的另一实施例的可控阵列反射式光电双光路传感器模组的前视图。

图6为根据本发明的另一实施例的可控阵列反射式光电双光路传感器模组的顶视图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图及具体实施方式，进一步阐述本发明。

光电容积脉搏波描记法(PPG)最早在1938年由Hertzma首次提出，其基本原理是利用一对发光管和光电接收管来检测脉搏波。其科学理论基础是郎伯-比尔定律(Lambert-Beer’S Law)。郎伯-比尔定律概述为：—束单色光照射到某个吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，由于一部分光能被介质吸收，透射光的强度就会相应地发生减弱。吸收介质的浓度越大，介质的厚度越大，则光强度的减弱越显著，数学表达式如公式(1-1)所示：

A表示吸光度，I₀表示入射光的强度，I_t表示透射光的强度，T表示透射比或透光度，K表示吸收系数或摩尔吸收系数，L表示吸收介质的厚度，c表示吸光物质的浓度。上式表明，吸光度A的变化与吸收介质的厚度L的变化成正比，即接收管接受到的光强的变化率可以反映血液的容积变化。

随着血管的搏动，血液的容积发生变化，导致血液的吸光量发生改变，动脉血液对光的吸收量产生变化，这一成分称为脉动分量或者交流量(AC)；通常认为人体某些组织如皮肤、静脉血、肌肉、骨骼等对光的吸收量是恒定不变的，这一成分称为直流量(DC)。光电容积脉搏波描记法就是通过提取交流量来获得脉搏波信号的。

一个完整的光电容积脉搏波如图1所示，图中，OA为上升支，代表心脏收缩的快速射血过程，AE为下降支，反映心脏舒张血流减少的过程，结束点E也表示了下一个心动周期的开始。A点为主波峰值点，即心脏收缩期间压力最高的点。B代表潮波点，潮波又称作重搏前波，是主切动脉受左心室喷血冲击而形成的。收缩末期的最低点C为降中峡，之后血管舒张，降中峡之后出现一个短暂向上的波CD，称为重搏波，是由于主动脉瓣关闭，动脉血液短暂回流而形成的。

脉搏波的形态检测在健康参数算法设计过程中有着重要的作用，在待测部位找到形态学最优的探测方式可以有效提高信噪比，保证信号监测的稳定。

图2示出了根据本发明的实施例的阵列式传感器模组不同发光单元采集的脉搏波波形示意图。如图2所示，示意了4种不同的发光单元组合，分别是发光组合1～4，即：只点亮图中的数字1所在的发光单元的发光组合1，只点亮图中的数字2所在的发光单元的发光组合2，只点亮图中的数字3所在的发光单元的发光组合3，以及点亮图中的数字4所在的两个发光单元的发光组合4。可控阵列反射式光电传感器模组的发光单元选择不同的组合时，可以得到不同的光电脉搏波。例如，根据本申请的一个实施例，在如图2中上方所示的4种发光组合中，采用相同的波长λ₁的情况下，4种组合得到的脉搏波的图像如图2中下方的波形所示。当采用图2上方示意的发光组合1时，得到的脉搏波幅度较小，容易受影响，而采用图2上方示意的发光组合4时，接收管监测得到的脉搏波幅度较大，形态更稳定，可以更好地应对个体差异、检测部位差异等问题。因此，点亮与接收管的距离不同的发光单元，或者点亮不同位置或数量等的发光单元，会得到不同的监测信号。

本发明设计的一种可控阵列反射式光电传感器模组，用于基于光电容积脉搏波描记法检测人体生理信号如脉搏波、温度等，该模组包括发光管阵列，光电接收管，位于发光管和接收管之间的档光板以及位于发光管上的透镜，光从发光管阵列中发出，经过透镜的聚焦，传输进入人体组织，光子经过漫反射、折射后由接收管收集出射的光子并转换为电信号。

如图4所示，根据本发明的一些实施例，可控阵列反射式光电双光路传感器模组可以采用以下技术方案：该模组可以包括发光管阵列2-1,2-2，光电接收管1，位于发光管和接收管之间的档光板3-1,3-2以及位于发光管上的透镜5-1,5-2(见图5)，光从发光管阵列2-1,2-2中发出，经过透镜5-1,5-2的聚焦，传输进入人体组织，光子经过漫反射、折射后由接收管1收集出射的光子并转换为电信号。发光管阵列包括n²个发光单元，例如，根据本发明的一个实施例，典型值可以取n＝3,共9个发光单元，每个发光单元内有λ₁，λ₂，...λ_m m种波长的光源，例如，典型值可以取m＝3，分别为绿光(570纳米)，红光(660纳米)，红外光(940纳米)，图中2-1-1，2-1-2，2-1-3分别代表了其中的3个发光单元内典型的3种不同波长的光源。发光管阵列2-1的光源2-1-1，2-1-2，2-1-3分在物理空间上关于光电接收管1中心对称，可以看到在发光管阵列2-2上有对应波长的光源。在控制逻辑上，工作的发光单元可以自由控制，典型的工作状态为发光单元以及光源2-1-1，2-1-2，2-1-3也关于光电接收管1中心对称。在该实施例中，不限制发光管阵列以及接收管的数量，可以根据所述的实施方式扩展。该可控阵列反射式光电传感器模组能够基于光电容积脉搏波描记法检测人体生理信号，例如脉搏波、温度等。

图5(a)和图5(b)显示了根据本发明的一些实施例的可控阵列反射式光电双光路传感器模组的前视图，其中图5(a)为平面型结构示意图，图5(b)为弧形结构示意图。档光板3-1,3-2包围光电接收器1，在档光板3-1,3-2的顶端有开口，发光管阵列2-1,2-2中光源发出的光线无法直接进入光电接收器1。该设计可以有效避免漏光问题引入的干扰，档光板3-1,3-2使发光管阵列2-1,2-2中光源发出的光经过透镜5-1,5-2聚焦后，进入皮肤经过漫反射后才能到达光电接收管1或者经过透镜5-3后进入光电接收管1，所述的透镜5-1，5-2，5-3上可以镀有波长选择性薄膜，用于选择不同波长，使得光源的特性更好。透镜材料可以是具有良好生物相容性的固化胶水或者玻璃。

图6示出了具有多个光电接收管的可控阵列反射式光电双光路传感器模组的实施例。如图6所示，该模组可以包括发光管阵列2-1，光电接收管1-1，1-2，1-3，1-4位于发光管和接收管之间的档光板3，光从发光管阵列2-1中发出，经过透镜聚焦，传输进入人体组织，光子经过漫反射、折射后由接收管1-1，1-2，1-3，1-4收集出射的光子并转换为电信号。可控发光管2-1阵列包括2ⁿ个发光单元，典型值n＝3,共9个发光单元，每个发光单元内有λ₁，λ₂，...λ_m m种波长的光源，典型值取m＝3，分别为绿光(570纳米)，红光(660纳米)，红外光(940纳米)，图中2-1-1，2-1-2，2-1-3分别代表了其中的3个发光单元内典型的3种不同波长的光源。光电接收管1-1，1-2，1-3，1-4关于发光管阵列2-1对称。在该实施例中，不限制发光管阵列以及接收管的数量，可以根据所述的实施方式扩展，接收管的形式可以是弧面的结构位于发光管阵列光源经过组织漫反射后出射形成的光强最大圆环处。

发光管阵列2-1,2-2，光电接收管1的距离可以通过仿真计算，在静态的情况下，光在人体组织传播时，被组织层吸收、反射与散射。由于光在真空中的传播速度为3×10⁸m/s，组织层的厚度为mm级，因此光子出射的时间为ps级，可以将这一过程近似为一个瞬态的过程。LiHong Wang和Gardner等人在同样的组织模型下进行蒙特卡洛(MC)模拟，其中LiHongWang等人设定追踪的光子的样本数为10^6，Gardner等人选取的样本数为10^5，结果对比如下：

表1对三层组织模型的MC模拟结果对比

	样本数	反射率	折射率
				Gardner	10^5	23.81％	9.74％
LiHong Wang	10^6	23.75％	9.65％
				本文程序	10^6	23.70％	9.58％

MC模拟结果与LiHong Wang等人的程序结果更为接近，MC模拟作为基于统计学方法的计算机模拟方法，其结果具有一定的不确定性，小范围的误差通常是可以接受的。在该模型中光子出射的分布如下，值得注意的是，光经由组织，一种香蕉形的路径行走，最后回到入射介质。

图3表示了漫反射光子相对于入射位置的径向和轴向分布，分析图3可知，随着探测半径的增加，光子的漫反射率呈现了先平稳后减少的趋势，初步分析原因是，一大部分光子并未进入到含血层就受到了皮肤浅层组织的漫反射；轴向上漫反射和透射的光子都呈现了一种对称分布特性的特性，即径直出射和水平出射的光子是最少的，大部分光子都是斜向出射的，因此，透镜5-1,5-2设计的依据也是来源于此，改变了光源入射角的方向。根据本发明的一个实施例，该透镜可以是凸透镜，在透镜设计中，可以首先设计3D模型，建立光源与观察面，进行光线模拟，分析结果，根据使得出射角与皮肤面呈现30°～50°(向接收管收敛)的最优化角度方向进行优化。

此外，根据本申请的一些实施例，该可控阵列反射式光电传感器模组还可以包括外壳，前述发光管阵列、光电接收管、档光板和透镜都在外壳内部，该外壳可以在发光管阵列、光电接收管及透镜上方开槽，允许光线通过。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种可控阵列反射式光电传感器模组，用于检测人体生理信号，其特征在于，所述传感器模组包括发光管阵列、光电接收管、位于所述发光管阵列和所述光电接收管之间的档光板以及位于所述发光管阵列上的透镜，所述发光管阵列用于发射光，所述光经过透镜的聚焦，传输进入人体组织，经过漫反射、折射后由接收管接收并转换为电信号，其中，所述发光管阵列包括多个发光单元。

2.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，每个所述发光单元内包括m种不同波长的光源,其中，m为正整数。

3.根据权利要求2所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，每个所述发光单元内包括3种波长的光源，分别为绿光光源、红光光源和红外光光源。

4.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，所述多个发光单元发出的光的波长不完全相同。

5.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，所述发光管阵列包括n²个发光单元,其中，n为正整数。

6.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，

所述发光管阵列在物理空间上关于所述光电接收管中心对称，

所述发光单元在物理空间上关于所述光电接收管中心对称。

7.根据权利要求1所述的传感器模组，其特征在于，在工作状态，所述发光单元发出的光的波长关于所述光电接收管中心对称。

8.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，所述发光管阵列上的透镜材料为具有良好生物相容性的固化胶水或者玻璃，透镜上镀有波长选择性薄膜。

9.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，所述可控阵列反射式光电传感器模组包括外壳，所述发光管阵列、所述光电接收管、所述档光板和所述透镜都在外壳内部。

10.根据权利要求1所述的可控阵列反射式光电传感器模组，其特征在于，所述外壳在所述发光管阵列、所述光电接收管及所述透镜上方开槽，允许光线通过。