CN111356404A

CN111356404A - 用于在循环血量的评价中使用的传感器系统和感测方法

Info

Publication number: CN111356404A
Application number: CN201880069166.5A
Authority: CN
Inventors: 孙少雄; W·H·佩特斯; R·拜泽梅尔; 龙曦; R·M·阿尔特斯
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: EP3687399A1; CN111356404B; EP3687399B1; JP7299878B2; WO2019063349A1; US20200260967A1; JP2020534912A; EP3461404A1

Abstract

在一种传感器系统(12)中，至少一个PPG传感器(14)的输出信号被处理以导出修改的脉搏幅度变化(PAV)值，所述输出信号被修改以考虑PPG传感器输出信号的基线变化。特别地，修改的PAV通过执行修改步骤(42)来导出，在所述修改步骤中：PPG传感器输出的基线变化被导出并且与之前导出的PAV进行组合，或者，PPG传感器输出首先被处理以在之后从补偿的信号导出PAV之前执行基线变化补偿。

Description

用于在循环血量的评价中使用的传感器系统和感测方法

技术领域

本发明涉及用于在循环血量的评价中使用的传感器系统和方法。

背景技术

循环血量是存在于循环系统中并且在任何给定时间有效地灌注身体中的组织的总动脉血液体积。最佳循环血量状态对于手术室(OR)和重症监护室(ICU)中的患者来说是重要的。血容量过低是减少的血液体积的状态，并且能够导致到组织的不足的氧气递送。血容量过多是血液中的流体超载的状态，并且能够诱发组织水肿和氧气递送改变。已经表明旨在提供最佳循环血量的血流动力学优化能够改善术后结果，并且降低外科手术的成本。

遗憾的是，循环血量状态不能被直接评价。流体响应性已经用作血量状态的间接评价。其旨在确定是否能够通过给予流体来改善患者的心输出量并且因此改善血流动力学。在一些情况下，额外的流体负荷可以引起并发症，并且因此必须被避免。为了评估流体响应性，已经提出了静态指标和动态指标。

静态指标包括例如中心静脉压力(CVP)和左心室舒张末期面积。然而，已经证明这些对于评价流体响应性来说具有不良的性能。

已经表明依赖于心肺相互作用的动态指标对于经历机械通气的患者来说是更好的预测器。机械通气诱发胸内压力(即，心肌上的外部压力)的周期性变化。胸内压力的周期性变化能够诱发心脏的预负荷(心脏内部的舒张末期血容量)的周期性变化。预负荷的周期性变化能够诱发心脏的每搏输出量的周期性变化，这将显现为脉搏压力的周期性变化。

如果胸内压力的周期性变化导致每搏输出量的足够强的周期性变化，则预测患者是流体响应的。如果胸内压力的周期性变化未导致每搏输出量的足够强的周期性变化，则预测患者不是流体响应的。

脉搏压力变化(PPV)的测量被设计为量化血流动力学波形的脉搏幅度的周期性变化。PPV最初在动脉血压(ABP)信号上进行定义：

PPV(％)＝100×{(PPmax-PPmin)/([PPmax+PPmin]/2)}

其中，PP指的是脉搏压力。因此，这实际上是对脉搏压力的变化除以平均脉搏压力的测量。

在正压通气期间，脉搏压力随着吸气而增加，并且随着呼气而降低。已经表明PPV对于具有与败血症相关的急性循环衰竭的机械通气的患者和对于已经经历冠状动脉旁路移植术的患者是有用的。一般来说，已经证明PPV的应用降低了住院的时长。

PPV的引出经常与导管插入相关联，这可以导致临床并发症。因此，已经提出从光电体积描记图(PPG)导出脉搏幅度变化(PAV)作为替代。

其被精确地定义为：

PAV(％)＝100×{(PAmax–PAmin)/([PAmax+PAmin]/2)}

其中，PA指的是PPG信号的脉搏幅度。

PPG传感器提供用于测量身体的体积变化的无创测量方法。

总的来说，(PPG测量的)PAV提供用于PPV的无创替代。PPV提供心脏的每搏输出量的周期性变化的指示，这进而指示由机械通气引起的胸内压力的周期性变化正在影响心脏的预负荷的程度。在对预负荷的影响极大的情况下，这指示流体响应性。相反指示低流体响应性。因此，推断出监测PAV信号能够提供流体响应性的无创指示。

脉搏血氧计是基于PPG的传感器的常见范例。脉搏血氧计的目的是监测患者的血液的氧气饱和度。虽然这种传感器的目的是获得血氧饱和度的测量，但是其也检测皮肤中的血液体积的变化，并且由此执行PPG感测。通过检测血液体积的变化，获得对应于脉搏的周期性信号。PPG传感器(诸如脉搏血氧计)因此通常用来提供脉搏率的测量。

PPG传感器包含至少一个光源(或发射器)(诸如LED)和一个光传感器。光源(LED)和传感器被放置为使得该源(LED)将光引导到用户的皮肤内，光被反射或透射，并且被传感器检测。除此之外，所反射/透射的光的量通过皮肤内的血液的灌注来确定。

PPG系统例如包括红色光源(红色LED)、近红外光源(近红外LED)和光电探测器二极管。传感器通常被配置有直接在患者的皮肤上的、通常在手指或脚趾或耳垂上的LED和光电探测器二极管。

患者上的其他地方也可以是合适的，包括前额、鼻子或面部的其他部分、腕部、胸部、鼻中隔、鼻翼、耳道、和/或嘴的内部(诸如面颊或舌头)。

光源(LED)发射在不同波长处的光，该光被扩散通过患者的皮肤的血管床，并且被光电探测器二极管接收。在这些波长中的每个波长处的变化的吸收率被测量，从而允许传感器确定单独由于脉动的动脉血液的吸收率，例如排除静脉血液、皮肤、骨骼、肌肉和脂肪。得到的PPG信号然后可以被分析。

已经发现当在外科手术期间连续比较时PPV与(如通过PPG测量的)PAV之间的一致性是差的。后处理可以用来改善PPV与PAV之间的关系，但是这会导致相当大的延迟。

与根据ABP信号导出的PPV相比，根据PPG信号导出的PAV易受更多因素影响。这是由于血管紧张度伪影和其他测量噪声的存在。此外，PPG信号中包含的能够用于PPV估计的信息未被完全利用。

因此需要与已知的方法相比具有更短的延迟并且能够改善PPV与PAV之间的一致性和相关性的改善的信号处理方法。

发明内容

本发明通过权利要求来进行限定。

根据本发明的第一方面的范例提供了一种传感器系统，包括：PPG传感器；以及控制器，其用于处理来自所述PPG传感器的输出信号，所述控制器适于基于以下操作来生成修改的脉搏幅度变化值：

导出所述PPG传感器输出信号的基线变化；

根据所述PPG传感器输出信号来导出脉搏幅度变化值，以及

执行调整前或调整后步骤，通过所述调整前或调整后步骤基于所述PPG传感器输出信号的所述基线变化来实现在所导出的脉搏幅度变化值方面的修改，所述步骤包括：

在导出所述脉搏幅度变化值之前基于所导出的基线变化值将基线变化补偿应用到所述PPG传感器输出信号，并且/或者

在导出所述脉搏幅度变化值之后，将所导出的基线变化值与所导出的脉搏幅度变化值进行组合，以由此生成所述修改的脉搏幅度变化值。

本发明基于发明人关于PPG基线变化信息在改善测量到的脉搏幅度变化(PAV)与脉搏压力变化(PPV)之间的一致性和相关性方面的实用性的洞察。

特别地，与预期相反，已经发现将测量到的PPG信号的基线变化与根据PPG信号导出的PAV值(例如线性地)组合导致在PAV与等价的PPV之间的一致性方面的改善。

此外，已经发现在导出PAV之前将基线补偿应用到(原始)测量到的PPG信号也导致PAV与PPV的改善的一致性。

两种方法的组合(即在确定PAV之前对PPG信号进行基线补偿并且然后对PPG信号的基线变化值与所导出的PAV进行组合)导致在PAV与PPV一致性方面的组合的改善。

因此，本发明的实施例基于两种相关方法中的一种。第一种方法包括在导出脉搏幅度变化值之前将基线变化补偿应用到PPG传感器输出信号，所导出的脉搏幅度变化值然后提供(为)修改的脉搏幅度变化值。第二种方法包括首先根据PPG传感器输出信号来导出脉搏幅度变化值，并且随后将该导出的基线变化值与所导出的脉搏幅度变化值进行组合，以由此生成修改的脉搏幅度变化值。

基线变化补偿指的是针对PPG传感器信号的基线的变化对PPG传感器输出信号进行补偿。这可以指的是基于所导出的基线变化针对PPG基线的变化来调整PPG传感器输出信号，例如处理该信号以补偿所导出的基线变化。

补偿所导出的基线变化可以包括基于所导出的基线变化值来调整PPG传感器输出信号的幅度值。所述补偿可以包括处理PPG传感器输出信号以从PPG传感器输出信号的至少部分中去除或提取基线变化。

在一些范例中，基线变化补偿可以另外包括执行对PPG传感器输出信号的高通滤波，以从该信号进一步滤除基线变化。

尽管上面提及了脉搏幅度变化值，但是这包括导出脉搏幅度变化信号，即脉搏幅度随着时间的变化。

所述基线变化可以基于PPG脉搏最大(即脉搏峰)值随着时间的变化来导出。脉搏最大(或脉搏峰)值优选地指的是脉搏峰或最大值的绝对值。

已经发现通过这种定义计算的基线变化比其他方法准确得多，当PAV根据基线变化的这种测量被修改时，导致PAV与PPV之间的好得多的一致性。这种时域方法例如比根据频率分析来导出基线变化的方法更准确。这将会在下面进一步解释。

根据以上范例，所导出的基线变化可以除以在计算最大值的变化的时间段内的平均PPG脉搏幅度。特别地，已经发现该结果给出了PPG信号的基线变化的非常好的测量。

控制器一般可以适于导出一系列脉搏幅度变化值或一系列基线变化值，例如在相继的时间点处导出的，例如在范例中，针对每个通气周期一个。因此，出于以下描述的目的，根据单个值描述的步骤或过程可以被理解为同样适用于一系列值或值的阵列或适于例如表示一系列值的信号。

一系列值的线性组合可以简单地包括将该系列中的每个值与相加的系列中的每个对应值相加，即以将值的两个阵列或矩阵相加在一起的方式。

为了避免疑义，‘基线’可以指的是信号的中间或中心或基本水平或中值水平，即信号围绕其振荡或脉动的水平。‘基线’是本领域中公认的术语，并且出于本公开的目的，其标准意义要被应用。

基线变化指的是PPG信号的这种基线水平的变化，例如随着时间的变化。补偿基线变化可以包括导出根据时间的基线变化(例如基线变化信号)，并且将此与例如导出的脉搏幅度变化信号线性地组合。

在范例中，所述PPG传感器可以是手指或前额PPG传感器。这意味着传感器可以是用于在手指处或在前额处测量PPG的传感器。

用于身体的其他部分的传感器也可以被使用。手指传感器是用于患者的延伸监测的PPG传感器的最常见形式，并且是非常方便的。一般推测前额导出的PAV可以比手指导出的PAV更鲁棒。然而，它也会更易受噪声影响。

根据至少一组实施例，所述传感器系统可以利用来自两个PPG传感器的读数。

特别地，根据一个或多个实施例，所述系统可以还包括：第二PPG传感器；并且其中，所述控制器用于处理来自所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的输出信号，所述控制器还适于：

基于以下操作来导出第二修改的脉搏幅度变化值：根据所述第二PPG传感器输出信号来导出脉搏幅度变化值，并且基于所述第二PPG传感器输出信号的基线变化来在第二导出的脉搏幅度变化值方面执行所述调整步骤，以由此实现在所述第二脉搏幅度变化值方面的调整，以及

基于针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化值的组合来导出输出脉搏幅度变化信号。

根据该组实施例，输出脉搏幅度变化(PAV)基于根据两个PPG传感器中的每个的PPG读数导出的PAV值的组合来导出。

优选地，PPG传感器被配置为将对应于身体的不同区域的信号相关。

在有利的范例中，所述PPG传感器中的一个可以是手指PPG传感器，并且另一个可以是前额PPG传感器。

如上面提及的，一般理解前额导出的PAV可以比手指导出的PAV更鲁棒。认为这由以下事实引起：在头部区域处测量的前额PPG可以提供对中心循环的更多洞察。然而，前额PPG的测量会遭受低AC：DC比，致使其可能比手指导出的PPG更易受噪声影响。

然而，将来自手指和前额的PPG信号进行组合导致在输出PAV与PPV之间的一致性和相关性方面的改善。

在具体范例中，所述控制器可以适于导出输出脉搏幅度变化作为针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化值的均值。

在备选范例中，所述控制器可以适于导出输出脉搏幅度变化作为针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化值的不同类型的平均值、或例如针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述值的线性组合。

被应用到PPG信号的基线变化补偿可以采取不同的形式。

根据一个或多个范例，所述基线变化补偿可以包括执行高通滤波。这是从PPG信号中去除基线变化的效应的非常简单且快速的方法。然而，在一些情况下，这在补偿基线变化效应方面可能不是完全准确或完整的。特别地，在某些情况下，基线变化本身能够表现出快速的变化，由此还具有高频分量。

根据另外的范例，所述基线变化补偿可以包括：针对每个PPG传感器，导出所述PPG传感器输出信号的基线变化，并且处理所述PPG传感器输出信号以补偿所导出的基线变化。

补偿可以包括例如调整PPG传感器输出信号的值。所述补偿可以包括调整PPG传感器输出信号的幅度值。所述补偿可以包括处理PPG传感器输出信号以从PPG传感器输出信号的至少部分中去除或提取基线变化。

出于将基线变化与所导出的PAV进行组合的目的，根据一个或多个范例，根据PPG传感器输出信号来导出基线变化值可以基于导出PPG的脉搏最大值随着时间的变化或脉搏均值随着时间的变化。

脉搏最大值指的是信号的脉搏中的峰处的信号的值。导出基线变化的这种方法基于时域中的处理。已知的现有方法基于频域中的处理。通过在时域中工作，基线变化可以基于逐脉搏分析来提取：在逐脉搏水平上而非在多个脉搏的基线必须被一起分析的频域中检查基线的变化。

有利地，脉搏最大值的变化可以除以在所考虑的时间段内的平均脉搏幅度，以由此导出基线变化值的测量。

在范例中，所述调整步骤可以包括所述的应用基线变化补偿和所述的将所述PPG传感器输出信号的基线变化与所导出的脉搏幅度变化值进行组合两者。如上面提及的，这两种方法的组合实现在导出的PAV与潜在PPV之间的一致性方面的组合的改善。

在范例中，所述的将所述调整步骤的所导出的基线变化值进行组合可以包括执行对所导出的基线变化值与所导出的脉搏幅度变化值的线性组合。线性组合指的是线性求和，即线性组合＝α[导出的基线变化值]+γ[脉搏幅度变化值]，其中α和γ线性系数。

在范例中，用于基线变化的线性系数(即α)可以大于用于脉搏幅度变化的线性系数(即γ)。这是因为PAV分量的系数本身不直接量化PAV的全部贡献，因为当被线性地组合时BV放大了PAV贡献。由于该原因，优选的是PAV系数低于BV线性组合的系数。

如上面提及的，一般地，所述控制器可以适于导出与不同时间点相关的一系列PAV值和/或一系列BV值，例如针对每个通气周期采集的每个值。

根据任一范例，所述控制器可以适于，针对所述或每个PPG传感器，将中值滤波器应用到来自所述PPG传感器输出信号的所述脉搏幅度变化(PAV)值和/或所述基线变化值。在范例中，在PPG传感器信号的基线变化与用于所述调整步骤的PAV信号进行组合的实施例中，PAV和基线变化值系列两者可以利用中值滤波器来应用。

根据一个或多个范例，中值滤波器可以被应用到导出的修改的PAV值。特别地，在调整步骤包括将基线变化补偿应用到PPG传感器输出信号的情况下，控制器可以适于将中值滤波器应用到由此导出的修改的PAV值。

对中值滤波器的应用帮助从基线变化信号或值和/或从脉搏幅度变化信号或值中去除噪声。

根据本发明的又一方面的范例提供了一种导出修改的脉搏幅度变化的方法，包括：

测量PPG信号；

导出所述PPG信号的基线变化；以及

根据所述PPG信号来导出脉搏幅度变化；

其中，所述方法还包括执行调整前或调整后步骤，通过所述调整前或调整后步骤，基于所述PPG信号的所述基线变化来实现在所导出的脉搏幅度变化方面的修改，所述步骤包括：

在导出所述脉搏幅度变化之前基于所导出的基线变化将基线变化补偿应用到所述PPG信号；并且/或者

在导出所述脉搏幅度变化之后，将所导出的基线变化与所导出的脉搏幅度变化进行组合，以由此生成所述修改的脉搏幅度变化。

根据至少一组实施例，所述方法可以还包括：测量第二PPG信号；通过以下操作来导出第二修改的脉搏幅度变化：

根据所述第二PPG信号来导出第二脉搏幅度变化，并且执行调整前或调整后步骤，通过所述调整前或调整后步骤，基于所述第二PPG信号的导出的基线变化来实现在第二导出的脉搏幅度变化方面的修改，所述步骤包括：

在导出所述第二脉搏幅度变化之前基于所导出的基线变化将基线变化补偿应用到所述第二PPG信号；并且/或者

在导出所述脉搏幅度变化之后，将所述第二PPG信号的所导出的基线变化与第二导出的脉搏幅度变化进行组合，以由此生成所述第二修改的脉搏幅度变化；以及

基于针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化的组合来导出输出基线变化信号。

根据一个或多个实施例，所述基线变化补偿可以包括：针对所述或每个PPG信号，导出所述PPG信号的基线变化，并且处理所述PPG信号以补偿所导出的基线变化。

根据本发明的又一方面的范例提供了一种包括计算机程序代码单元的计算机程序产品，当在计算机上运行时，所述计算机程序代码单元适于执行在上面描述的或在本申请的任一权利要求中限定的方法中的任一种。

附图说明

将参考附图仅以范例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据一个或多个实施例的范例系统；

图2示出了根据一个或多个实施例的可以由控制器应用以导出修改的脉搏幅度变化值的第一处理方法；

图3示出了根据一个或多个实施例的可以由控制器应用的第二处理方法；

图4示出了脉搏压力变化和PPG幅度信号随着时间的范例波形；

图5图示了与标准方法相比的导出的修改的PAV值的结果；

图6图示了根据一个或多个实施例的可以由控制器应用的又一处理方法；

图7图示了被应用到PPG传感器输出信号的基线变化补偿；以及

图8示出了根据一个或多个实施例的可以由控制器应用的又一处理方法。

与图2-6相关的附图标记列表

30 PPG传感器输出信号

32 标准脉搏幅度变化

36 PPG传感器输出信号的基线变化

38 中值滤波器

42 调整步骤

46 线性组合

48 修改的脉搏幅度变化(被标记为PAV’)

52 高通滤波器

具体实施方式

本发明提供了一种传感器系统，在所述传感器系统中，至少一个PPG传感器的输出信号被处理以导出修改的脉搏幅度变化(PAV)值，所述输出信号被修改以考虑PPG传感器输出信号的基线变化。特别地，修改的PAV通过执行修改步骤来导出，在所述修改步骤中：PPG传感器输出的基线变化被导出并且与之前导出的PAV进行组合，或者，PPG传感器输出首先被处理以在根据补偿的信号来导出PAV之前执行基线变化补偿。

已经表明任一方法改善了所导出的PAV(修改的PAV)与脉搏压力变化(PPV)(在许多情况下PAV充当针对其的无创替代)之间的一致性和相关性。

在图1中以方框图形式示出了根据本发明的一个或多个实施例的范例传感器系统12的基本架构。

系统12包括与两个光电体积描记图(PPG)传感器14a、14b可操作地耦合的控制器18。

在使用中，两个PPG传感器14a、14b被有利地应用到身体的不同部分，以导出不同解剖位置处的PPG读数。有利范例中的PGG传感器可以在使用中被应用到患者的手指和前额。在范例中，两个传感器可以被设计用于在身体的不同部分处使用。有利地，传感器是手指PPG传感器14a和前额PPG传感器14b。

该系统可以还包括显示器(未示出)，控制器18适于控制该显示器示出修改的PAV计算的结果。控制器可以适于控制该显示器实时示出结果。

尽管在图1的范例中提供了两个PPG传感器，但是如将会在下面解释的，备选实施例可以包括仅仅一个PPG传感器。

控制器适于处理PPG传感器的输出信号以根据它们中的每个来导出修改的脉搏幅度变化(PAV)信号。通过确定原始PPG传感器输出的信号幅度或功率的呈现出的变化并且将此表示为单个图形或监测其随着时间的变化而根据PPG传感器信号来标准地导出PAV信号或值。

根据本发明，对关于PPG信号的基线变化信息中的因素执行调整步骤。基线调制或变化已经与血量状态相关联。PPG的基线变化因此实际上包含或体现额外的生理信息，如果当导出PAV的测量时以适当的方式被利用，该额外的生理信息能够提供潜在脉搏压力变化(PPV)(PAV为针对其的替代)的更准确测量。

发明人已经发现，PPG基线变化信息应当依据其被引入的阶段而以不同的方式被包含到PAV确定计算中。

在要在最初根据PPG信号来导出PAV值之前将基线变化信息作为因素考虑的情况下，如果基线变化(BV)信息被‘减性地’包含，即基线变化从原始PPG传感器信号中提取或过滤，或者在PPG传感器信号以其他方式被处理以补偿其呈现出的基线变化的情况下，最佳结果被实现。

在要在根据PPG信号对PAV值的初始导出之后将PPG基线变化信息作为因素考虑的情况下，如果其被‘加性地’包含，即在PAV与PPG的导出的基线变化进行组合的情况下，最佳结果被实现。

在两种方法被一起应用的情况下，即在PPG信号被处理以补偿基线变化或去除/过滤基线变化并且随后补偿或过滤的结果于是与最初原始PPG信号的基线变化进行组合以导出修改的PAV的情况下，实现在PAV与PPV之间的一致性或相关性方面的最大改善。

在两个传感器被使用的情况下，根据这两个导出的修改的PAV可以在范例中被平均以进一步改善与PPV的一致性。

在被应用在处理的不同阶段处的情况下PPG基线变化信息的‘加性地’和‘减性地’包含都可以有益于PAV与PPV的一致性的观点是违反直觉的，并且在本领域中之前尚未被建议或考虑。

处理(一个或多个)PPG信号输出的这些各种一般性方法现在将会参考图1-6来详细地进行描述，这些图图示了一组范例系统实施例中的通过控制器执行的过程步骤。

为了便于参考，在本公开的结尾处提供了与图2-6中描绘的处理方法有关的附图标记列表。类似的个体步骤通过相似的附图标记来指示。类似的结果或结果阶段也通过相似的附图标记来指示，不管它们到达的具体过程如何。特别地，修改的PAV的所有实例都通过相同的附图标记来指示，尽管在不同的情况下通过不同的具体过程或步骤的组合来到达。

应注意，在范例中，单个系统的控制器可以适于执行多于一种所概述的方法。控制器18可以例如具有多种操作模式，控制器适于根据每种操作模式来执行所概述的处理方法中的不同处理方法。

图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的第一处理方法。

根据第一方法，PPG传感器输出信号30被处理以根据PPG信号来导出脉搏幅度变化(PAV)32。PAV可以使用本领域中已知的用于根据PPG信号来导出PAV的标准程序而导出。

PPG传感器输出信号30也被处理以导出PPG传感器信号的基线变化(BV)36。

基线变化能够使用频域分析根据PPG传感器输出信号来导出。特别地，已知的是通过确定通气频率处的功率与心脏频率处的功率之间的比来导出PPG信号的基线调制(Shelley KH,Jablonka DH,Awad A a.,Stout RG,Rezkanna H,Silverman DG.What isthe best site for measuring the effect of ventilation on the pulse oximeterwaveform？Anesth Analg.2006；103(2)：372-377)。

然而，这种测量可能是不准确的。特别地，生理信号在外科手术期间经常是非静止的，从而导致对用来执行频率分析的傅里叶变换的假设之一的违反。

为了解决这个问题，本发明的发明人根据本发明的优选实施例提出了利用基线调制(被称为‘基线变化’(BV))的不同测量。基线变化的这种测量在时域而非频域中被导出，从而避免当基于频率的分析被使用时发生的假设误差。该方法在本领域中不是已知的。

特别地，基于PPG脉搏最大值(或脉搏峰值)随着时间的变化的确定来导出基线变化。已经发现以此方式计算的基线变化提供了基线变化的准确得多的测量，从而导致修改的PAV与PPV之间的改善的一致性。

所导出的变化可以除以在计算最大值的变化的时间段内的平均脉搏幅度。特别地，已经发现该结果给出了PPG信号的基线变化的非常好的测量。

所导出的PAV32和所导出的BV36两者利用中值滤波器38来单独处理以去除噪声。在某些有利的范例中，滤波器的长度可以被设置为3与7之间的值。3与7之间的值表示由滤波器招致的延迟与滤波器的有益平滑效果之间的有利权衡。滤波器过长会导致由滤波器招致的处理方面的不可接受的延迟。不管这种权衡如何，用于滤波器长度的特别有利的值是5。

给定范围之外的其他长度也可以被使用。应用中值滤波器的步骤是可选的，并且可以被省略。

在对中值滤波器38的应用之后，调整步骤42被执行，BV信息通过该调整步骤被引入或包含到PAV测量中。

在图2的第一范例方法中，PAV 32和BV 36被组合。特别地，两个值或信号可以被相加地组合。在优选范例中，两个信号的线性组合46被执行。这种线性组合由此导出包含基线变化信息的修改的脉搏幅度变化48(在图2中被标记为PAV’)。

通过线性组合意味着PAV和BV的线性倍数被相加在一起以导出修改的PAV，即

修改的PAV＝线性组合＝α[PAV]+γ[BV]

其中α和γ是线性系数。

在有利的范例中，在手指PPG被使用的情况下，用于PAV和BV的系数可以分别在0.50与0.60之间和在0.90与1.00之间。在前额PPG被使用的情况下，在有利的范例中，用于PAV和BV的系数可以分别在0.20与0.30之间和在5.00与5.20之间。在更具体的范例中，对于手指PPG，用于PAV和BV的系数可以分别为0.53和0.94，而对于前额PPG，可以分别为0.22和5.10。

这些值已经被发明人经验地导出作为当用作线性组合中的线性系数时在改善PAV与PPV之间的一致性方面实现特别有益的结果的值。

如上面提及的，已经知道基线变化与血量状态相关联。通过获取PAV和BV的线性组合，关于血量状态的额外的信息与标准PAV测量相关联。同时，来自PAV的噪声通过对额外的参数的引入被抑制。

图2的方法已经针对手指和前额导出的PAV中的每个进行测试，以确定与PPV(PAV提供对其的代替测量)的一致性的程度以及与标准PAV测量相比的改善。下面在表1和2中呈现了结果。表1列出了标准导出的PAV与PPV之间的一致性的各种测量，并且表2示出了使用上面概述的线性组合方法导出的并且在图2中呈现的针对新修改的PAV的对应结果。

表1：标准PAV与PPV之间的一致性

^aSD：标准偏差

表2：修改的PAV与PPV之间的一致性

^aSD：标准偏差

应注意，表1和表2中的每个中的第一行示出了所导出的脉搏幅度变化(PAV)(或修改的PAV)与对应的脉搏压力变化之间的差的均值和标准偏差。所示出的百分比(的模数)越小，每个导出的PAV测量与每个对应的PPV测量之间的平均对应性的程度越大。

能够看出对于手指和前额PPG传感器两者，对于修改的PAV实现PAV值与对应的PPV值之间的均值差的显著减小。在两种情况下(对于修改的PPV)还存在导出的PAV与PPV之间的一致率的明显增加。一致率指的是PAV与PPV之间的趋势关系，即PAV能够多紧密地跟随PPV的趋势。相关系数指的是皮尔逊相关系数。

图3示出了可以在本发明的范例中被实施以导出修改的脉搏幅度变化(PAV)的第二处理方法。

该第二方法基于从PPG传感器输出信号获得的组合结果，所述PPG传感器输出信号从位于身体的不同部分处的两个不同PPG传感器导出。已经发现这改善结果。

特别地，图3的方法包括针对两个PPG传感器中的每个的输出信号30a、30b单独执行在图2中示出并在上面描述的第一处理方法(包括将基线变化36与脉搏幅度变化32线性地组合以导出修改的PAV 48(被标记为PAV’))，并且然后导出两个导出的修改的PAV结果的均值50。均值然后提供最终输出PAV。

在这种情况下，导出针对第一PPG传感器信号30a和第二PPG传感器信号30b中的每个的线性组合46并且然后导出得到的修改的PAV值48的均值的步骤构成该处理方法的调整步骤42。

在特别有利的范例中，两个PPG传感器信号可以分别来自手指和前额PPG传感器。在本领域中一般理解的是，前额导出的PAV值可以比等价的手指导出的PAV更鲁棒且可靠。

这种理解源于以下事实：在头部区域处测量的前额PPG被理解为提供对中心循环的更好测量。然而，前额PPG测量通常经历低AC/DC比，从而致使其易于受噪声影响。

然而，已经发现手指和前额导出的PPG的组合改善了PAV与PPV之间的一致性和相关性，甚至优于单独应用的图2的处理。因此，在有利的范例中，图3的方法包括将图2的处理方法应用到根据手指和前额PPG中的每个导出的PPG信号，并且随后获取分别导出的结果的均值。

该方法已经针对手指和前额导出的PAV进行测试，并且与PPV(PAV是对其的代替测量)的一致性的程度被识别。在表3中呈现了结果。这些可以与上面的表1和2的结果进行比较。

表3：修改的PAV与PPV的均值之间的一致性

能够看出修改的PAV值与等价的PPV值之间的均值差(的模数)在获取手指和前额导出的值的均值的情况下比在仅考虑手指的PPG(参见表2)的情况下稍微更低。

此外，通过获取平均值，与单独考虑针对手指和前额PAV的实现的值相比，相关系数被显著改善，并且一致率也被改善。

在图4和图5中图形地图示了表1-3中呈现的结果。

图4示出了(a)(有创)动脉血压(ABP)信号中、(b)手指PPG传感器的PPG信号中和(c)前额PPG传感器的PPG信号中的图示样本波形。

波形(a)示出了压力(y轴；mmHg，即133.322帕)与时间(x轴；秒)的形式的ABP。波形(b)示出了PPG传感器信号(y轴；nA/mA)与时间(x轴；秒)的形式的手指传感器的PPG传感器输出信号。波形(c)示出了传感器信号(y轴；nA/mA)与时间(x轴；秒)的形式的前额传感器的PPG传感器输出信号。

单位nA/mA是用于表示PPG传感器信号的常见单位。其表示PPG传感器的光电二极管(传感器)中的光电流(单位毫微安)除以LED电流(单位毫安)。

如上面讨论的，PPG传感器包含至少一个LED和一个光传感器。LED和传感器被放置为使得LED将光引导到用户的皮肤内，光被反射或透射，并且被传感器检测。除此之外，所反射/透射的光的量通过皮肤内的血液的灌注来确定。

因此，nA/mA表示以nA为单位的光传感器(光电二极管)中的电流除以以mA为单位的LED中的电流。

PPG信号(b)和(c)的幅度随着时间的变化(即，PPG信号(b)和(c)中的脉搏的幅度随着时间的变化)给出了脉搏幅度变化(PAV)。

在图5中以图形形式图示了表2和表3中呈现的结果。y轴表示针对每个结果的信号值。x轴表示以秒为单位的时间。

特别地，线60示出了(有创)动脉血压(ABP)测量的PPV的结果。线62示出了根据前额PPG传感器输出导出的标准PAV的结果。线64示出了根据手指PPG传感器输出导出的标准PAV的结果。线66示出了使用图2的方法导出的如从手指PPG导出的修改的PAV。线68示出了使用图2的方法导出的如从前额PPG导出的修改的PAV。线70示出了使用图3的方法导出的修改的PAV，其中根据手指和前额PPG传感器输出中的每个导出的修改的PAV值被平均(均值被获取)以导出最终修改的PAV输出。

因此，所有信号结果一起被呈现在共同的一组轴上，其中y轴表示给定时间处的每个信号的值，并且x轴表示时间。

如图5中示出的结果图示了表1的结果。特别地，能够看出标准前额导出的PAV 62与PPV信号60之间的大的差。标准手指导出的PAV 64与PPV信号60之间的差也是相对大的。

相反，能够看出PPV信号与以下中的每个之间的非常接近的一致性：从手指PPG 66导出的修改的PAV、从前额PPG 68导出的修改的PAV以及包括信号66和68的均值的修改的PAV 70。

图6示出了用于导出修改的PAV的第三处理方法。该第三方法基于在PAV值的确定之前考虑PPG传感器输出信号基线变化。这基于本发明人的以下发现：强基线变化的存在能够影响PAV的初始计算的准确性。当将PPG基线变化与所导出的PAV进行组合改善与ABP PPV的一致性时，其不能纠正BV在确定PAV中的初始影响。

因此，根据第三方法，PPG传感器输出30首先被处理以在PAV然后被导出之前应用基线变化补偿52。

根据一组范例，补偿52包括通过将高通滤波器应用到PPG传感器输出30而从PPG传感器输出中提取基线变化。高通滤波器用来保留相对快地变化的PPG信号部分，同时去除相对慢地变化的基线变化部分。因此，这在计算PAV之前抑制了PPG传感器输出中的基线变化。

在对高通滤波器52的应用之后，PAV然后根据经滤波的PPG导出，该PAV为修改的PAV 48(被标记为PAV’)，由于从PPG传感器信号中对基线变化的预提取而被修改。

可选地，因此导出的修改的PAV 48然后利用中值滤波器38来处理以去除噪声。

在某些有利的范例中，用于高通滤波的切断频率可以被设置为0.4Hz。PPG信号中的基线变化能够通常预期下降至该频率以下。

根据该处理方法，基线变化信息通过其被引入到所导出的PAV中的调整步骤42仅仅包括在PAV的计算之前执行的基线变化补偿步骤52。

根据又一组范例，基线变化补偿52包括在时域中处理PPG传感器输出信号的脉搏，以便调整PPG传感器信号脉搏来补偿基线变化。

在图7中图示了这种补偿方法，该图示出了范例PPG传感器输出信号的一部分。线76、80示出了在补偿之前的两个点处的PPG信号幅度，并且线78、82示出了在补偿之后的相同的相应PPG信号幅度。斜线86、80图示了相继的峰之间的信号PPG的基线的斜率。能够看出基线的这种变化在不存在任何所应用的补偿的情况下导致在幅度的确定中的误差。补偿的脉搏幅度78、82考虑基线的变化，特别是通过修改PPG传感器信号。

脉搏补偿方法更详细地包括以下步骤。首先，识别PPG信号中的峰。PPG信号然后通过以下操作来进行补偿：变换每个脉搏节段(其中一个脉搏节段是在两个相继的峰之间中的PPG信号的部分)使得每个脉搏节段的第二峰被移位到与该脉搏节段的第一峰相同的高度(水平)，同时相应地线性变换中间信号，例如变换中间信号使得其跟随与之前信号相同的大致形状或趋势，但是被调整使得该信号的基线是同水平的，即，使得中间信号部分导致高度移位的第二峰。

在此之后，所有随后的脉搏节段都被带到相同的高度(水平)，使得补偿的信号都将会使其峰处于相同的高度(水平)，其中中间信号被相应地变换。这些峰被调整到的最终水平能够被任意地选择，因为该高度本身不直接影响最终导出的PAV信号(其仅仅基于幅度的变化，独立于实际信号水平)。

该补偿方法导致更准确的最终导出的PAV。这是因为PPG信号中的基线变化以非线性方式极大地放大了所导出的PAV：对所导出的PAV的放大效果大于简单地BV的比例增加。由于该原因，不存在校正可以通过其被容易地执行的未校正的PAV与真实PPV之间的简单线性关系。上面呈现的方法以数值稳定的方式解决了该问题。

根据第四处理方法，图6的方法被单独应用到两个PPG传感器的PPG传感器输出信号。优选地，存在被附接到身体的不同部分的信号。优选地，两个传感器是手指PPG传感器和前额PPG传感器。

图6的处理被应用到每个的信号输出，并且针对每个的修改的PAV结果48然后被平均(均值被获取)以导出最终修改的PAV结果。如同在图3的方法的情况，通过获取手指和前额导出的PAV的修改的PAV结果的均值，最终结果与等价的PPV信号的一致性被改善。可选地，如在图6中，中值滤波器38可以在均值被获取之前被应用到从两个PPG传感器输出中的每个获得的修改的PAV结果48。

图8图示了第五处理方法。根据该方法，图2和图6的方法被组合，使得基线变化信息的加性和减性包含被应用。

特别地，PPG传感器输出信号30被处理以应用基线变化补偿52，如在图6中。在范例中，基线变化补偿可以包括对高通滤波器的应用或对脉搏补偿的应用，如图7中图示的。

第一修改的PAV 48a(被标记为PAV’)然后根据预处理的PPG信号来导出。

单独地，原始(未补偿的)PPG传感器输出信号30被处理以如上面关于图2的方法讨论的方式导出PPG信号的基线变化(BV)36。

可选地，BV 36和第一修改的PAV 48a两者利用中值滤波器38来处理以去除噪声。

(中值滤波的38)第一修改的PAV 48a和BV36然后被线性地组合46以导出最终修改的PAV 48b。

该方法充分利用PPG信号中包含的基线变化信息，利用可从BV信息到修改的PAV确定中的加性和减性包含两者导出的改善。

根据该方法，调整步骤可以被理解为包括两个部分：基线补偿52被应用到原始PPG传感器输出信号30的第一部分42a以及PPG基线变化36和第一修改的PAV 48a的线性组合46被执行的第二部分42b。

根据最终范例处理方法，图8的方法被单独应用到根据两个PPG传感器中的每个的输出信号导出的信号，其中优选地这些是手指PPG传感器和前额PPG传感器。每个PPG传感器的最终修改的PAV信号48b然后以均值的形式被组合，以导出为两者的平均值的输出脉搏幅度变化值。已经表明与等价的PPV读数相比获取从身体的两个部分并且最有利地从手指和前额导出的信号的平均值改善最终导出的输出PAV的一致性。

如上面讨论的，根据本发明的范例传感器系统可以在经由流体响应性确定或监测或评价循环血量状态方面是特别实用的。改善的PAV提供针对PPV的可靠替代，这进而提供流体响应性的间接指示。流体响应性给出了循环血量状态的间接指示。

然而，该系统能够在需要PPV的无创估计的任何情况下使用。

如上面讨论的，实施例利用控制器。控制器能够利用软件和/或硬件以多种方式实施，以执行所需的各种功能。控制器是采用一个或多个微控制器的控制器的一个范例，所述一个或多个微控制器可以使用软件(例如，微代码)来编程以执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用控制器的情况下实施，并且还可以被实施为执行一些功能的专用硬件和执行其他功能的控制器(例如，一个或多个编程的微控制器和相关联的电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的范例包括但不限于常规微控制器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，控制器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，存储介质诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以利用一个或多个程序来编码，所述一个或多个程序当在一个或多个控制器和/或控制器上运行时执行所需的功能。各种存储介质可以固定在控制器或控制器内，或者可以是可运输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到控制器或控制器中。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、说明书以及权利要求书，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个控制器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示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都不应被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种传感器系统(12)，包括：

PPG传感器(14)；

控制器(18)，其用于处理来自所述PPG传感器的输出信号(30)，所述控制器适于基于以下操作来生成修改的脉搏幅度变化值(48)：

导出所述PPG传感器输出信号的基线变化；

根据所述PPG传感器输出信号来导出脉搏幅度变化值(32)，以及

执行调整前或调整后步骤(42)，通过所述调整前或调整后步骤基于所述PPG传感器输出信号的所述基线变化来实现在所导出的脉搏幅度变化值方面的修改，所述步骤包括：

在导出所述脉搏幅度变化值之前将基线变化补偿(52)应用到所述PPG传感器输出信号(30)，所述补偿基于所导出的基线变化，并且/或者

在导出所述脉搏幅度变化值之后，将所导出的基线变化与所导出的脉搏幅度变化值进行组合(46)以由此生成所述修改的脉搏幅度变化值。

2.根据权利要求1所述的传感器系统(12)，其中，所述基线变化基于所述PPG的脉搏最大值随着时间的变化来导出。

3.根据权利要求1或2所述的传感器系统(12)，其中，所述PPG传感器(30)是手指或前额PPG传感器。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器系统(12)，还包括：

第二PPG传感器(30)；

其中，所述控制器(18)用于处理来自所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的输出信号，

所述控制器还适于：

基于以下操作来生成第二修改的脉搏幅度变化值(32)：根据所述第二PPG传感器输出信号来导出脉搏幅度变化值，并且基于所述第二PPG传感器输出信号的基线变化来在第二导出的脉搏幅度变化值方面执行所述调整前或调整后步骤(42)，以由此实现在第二脉搏幅度变化值方面的修改，并且

基于针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化值的组合来导出输出脉搏幅度变化信号(50)。

5.根据权利要求4所述的传感器系统(12)，其中，所述PPG传感器(14)中的一个是手指PPG传感器，并且另一个是前额PPG传感器。

6.根据权利要求4或5所述的传感器系统(12)，其中，所述控制器(18)适于导出输出脉搏幅度变化(50)作为针对所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化值(48)的均值。

7.根据任一前述权利要求所述的传感器系统(12)，其中，所述基线变化补偿(52)包括执行高通滤波。

8.根据任一前述权利要求所述的传感器系统(12)，其中，所述基线变化补偿(52)包括：针对所述或每个PPG传感器(14)，导出所述或每个PPG传感器输出信号(30)的基线变化(36)，并且处理所述或每个PPG传感器输出信号以补偿所导出的基线变化。

9.根据任一前述权利要求所述的传感器系统(12)，其中，所述调整步骤包括所述的应用基线变化补偿和所述的将所述PPG传感器输出信号的基线变化与所导出的脉搏幅度变化值进行组合两者。

10.根据任一前述权利要求所述的传感器系统(12)，其中，所述的将所导出的基线变化与所导出的脉搏幅度变化值进行组合包括执行对所导出的基线变化值与所导出的脉搏幅度变化值的线性组合。

11.根据任一前述权利要求所述的传感器系统(12)，其中，所述控制器适于导出一系列脉搏幅度变化值和一系列基线变化值，并且还适于针对所述或每个PPG传感器，将中值滤波器应用到来自所述PPG传感器输出信号的所述脉搏幅度变化值和/或所述基线变化值。

12.一种导出修改的脉搏幅度变化(46)的方法，包括：

测量PPG信号(30)；

导出所述PPG信号(30)的基线变化；以及

根据所述PPG信号来导出脉搏幅度变化；

其中，所述方法还包括执行调整前或调整后步骤(42)，通过所述调整前或调整后步骤基于所述PPG信号的所述基线变化来实现在所导出的脉搏幅度变化方面的修改，所述步骤包括：

在导出所述脉搏幅度变化之前基于所导出的基线变化将基线变化补偿(52)应用到所述PPG信号(30)；并且/或者

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

测量第二PPG信号；

通过以下操作来生成第二修改的脉搏幅度变化：

根据所述第二PPG信号来导出第二脉搏幅度变化，并且执行调整前或调整后步骤，通过所述调整前或调整后步骤基于所述第二PPG信号的导出的基线变化来实现在第二导出的脉搏幅度变化方面的修改，所述步骤包括：

在导出所述第二脉搏幅度变化之前基于所述第二PPG信号的所导出的基线变化将基线变化补偿应用到所述第二PPG信号；并且/或者

在导出所述第二脉搏幅度变化之后，将所述第二PPG信号的所导出的基线变化与第二导出的脉搏幅度变化进行组合，以由此生成所述第二修改的脉搏幅度变化；以及

基于所述PPG传感器和所述第二PPG传感器的所述修改的脉搏幅度变化的组合来导出输出脉搏幅度变化信号。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述基线变化补偿包括(52)：针对所述或每个PPG信号，导出所述或每个PPG信号的基线变化(36)，并且处理所述或每个PPG信号以补偿所导出的基线变化。

15.一种包括计算机程序代码单元的计算机程序产品，当在计算机上运行时，所述计算机程序代码单元适于执行根据权利要求11至14中的任一项所述的方法。