CN204797827U - 反射式光电传感器、脉搏周期检测设备和可穿戴电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种反射式光电传感器，包括：基板；光源；光电二极管；以及遮挡物，其中，所述光源和所述光电二极管被布置在所述基板的同一侧，所述遮挡物被布置在所述光源和所述光电二极管之间，并且所述光电二极管包括集成在一起的多个光电二极管单元。还公开了一种包括所述反射式光电传感器的脉搏周期检测设备以及一种包括该脉搏周期检测设备的可穿戴电子设备。所述反射式光电传感器和所述脉搏周期检测设备提高了脉搏周期检测的精度。

Description

反射式光电传感器、脉搏周期检测设备和可穿戴电子设备

技术领域

本实用新型涉及生命体征检测技术领域，具体地涉及一种反射式光电传感器、脉搏周期检测设备和可穿戴电子设备。

背景技术

近年来，可穿戴式健康监测设备日益受到重视。在可穿戴式脉搏（心率）监测设备中，基于光电式血氧传感器的设备是常见的类型之一。脉搏测量的原理基于以下事实：血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收随着脉搏波的周期性变化而变化，通过检测血液对光吸收量的变化可以实现脉搏检测。换言之，脉搏波信号被调制在所测量的光信号中。可以通过对光电传感器检测到的光电容积脉搏波信号（PPG）进行分析来计算脉搏波周期或心率（脉搏频率可以被认为是心率）。

取决于其采集方式，用于脉搏测量的光电传感器可以包括透射式传感器和反射式传感器。由于反射式传感器可以适用于手臂或手腕、额头、耳垂等各种部位的测量，并且不会引起受检者的不适感（例如，基于透射式传感器的指夹式设备所引起的压迫），所以其在可穿戴式设备中具有良好的应用前景。

然而，反射式传感器检测到的PPG信号通常比透射式传感器更微弱，并且现有反射式传感器的数据采集通道一般为单通道设计，使得其测量精度受到影响。

因此，存在对于改进的反射式光电传感器和脉搏周期检测设备的需要。

实用新型内容

有利的是，获得一种至少解决上述问题中的一个的光电传感器和脉搏周期检测设备。

在本实用新型的第一方面中，提供了一种反射式光电传感器，包括：基板；

光源；光电二极管；以及遮挡物，其中，所述光源和所述光电二极管被布置在所述基板的同一侧，所述遮挡物被布置在所述光源和所述光电二极管之间，并且所述光电二极管包括集成在一起的多个光电二极管单元。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种脉搏周期检测设备，包括如本实用新型的第一方面所述的反射式光电传感器。

根据本实用新型的第三方面，提供了一种可穿戴电子设备，包括如本实用新型的第二方面所述的脉搏周期检测设备。

根据在下文中所描述的实施例，本实用新型的这些和其它方面将是显而易见的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

图1（a）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备的框图；

图1（b）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备的结构的截面视图；

图1（c）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备的壳体的底面的俯视图；

图2（a）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的采用反射式光电传感器的脉搏周期检测设备在检测时的光路；

图2（b）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备中的反射式光电传感器的结构的俯视图；

图2（c）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备中的反射式光电传感器的另一种结构的俯视图；

图3图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测方法的流程图；

图4图示了示例性的脉搏波信号和相应的微分值序列的波形；

图5图示了如图3所示的方法中的计算脉搏周期的步骤中的操作；以及

图6图示了如图3所示的方法中的计算心率的步骤中的操作。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的各实施例进行详细描述。

图1（a）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备100的框图。脉搏周期检测设备100可以包括反射式光电式传感器101、处理器102、电源104以及通信接口和/或显示器103。如图所示，反射式光电传感器101、处理器102以及通信接口和/或显示器103依次电连接，并且电源104与各个部件电连接。反射式光电传感器101可以是反射式血氧传感器（后面讨论），其用于感测受检者的脉搏波信号。处理器102可以用于对反射式光电传感器101感测的、经模数转换后的数字脉搏波信号进行处理以检测受检者的脉搏周期。处理器102还可以用于基于受检者的脉搏周期来计算心率。在可穿戴式应用中，可以使用例如基于ARM核的处理器。显示器可以用于显示数字脉搏波信号、脉搏周期或心率中的至少一个。通信接口可以用于将数字脉搏波信号、脉搏周期或心率中的至少一个发送给其他接收设备，例如发送给智能终端进行显示和存储。通信接口可以是无线接口，诸如红外、蓝牙、Wi-Fi等，或者有线接口，诸如串行接口、通用串行总线（USB）、I2C等。电源104用于为检测设备100的各个部件供电。可以使用例如锂电池作为电源104。

图1（b）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备100的结构的截面视图。脉搏周期检测设备100可以包括壳体110和封装于壳体110内的电路板120。反射式光电传感器101布置于所述壳体110上，一种可参考实施例，反射式光电传感器101布置于壳体110的底面，用于采集脉搏波信号。处理器102（在该图中未示出）布置于电路板120上，与反射式光电传感器101电连接以用于处理反射式光电传感器101采集的脉搏波信号来得到脉搏周期。在具有显示器的实施例中，显示器103可以布置于壳体110的上表面，或者与所述反射式光电传感器101相对布置即可，如此可以方便使用。在具有通信接口的实施例中，通信接口（在该图中未示出）可以布置于壳体110的侧面或底面。电源104（例如，锂电池）可以封装于壳体110内，为检测设备100的各个部件供电。在图2（b）中，电源104被图示为介于显示器103和电路板120之间，尽管可以并非如此。脉搏周期检测设备100还可以包括隔绝软垫130，其布置在壳体110的底面并环绕反射式光电传感器101。

图1（c）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备100的壳体110的底面的俯视图。如图所示，隔绝软垫130与反射式光电传感器101布置于壳体的同一面上，隔绝软垫130环绕反射式光电传感器101设置，可以起到隔绝环境光线的作用，从而减小外界光照条件对反射式光电传感器101造成的干扰。这有利于进一步提高检测精度。取决于脉搏周期检测设备100的壳体的设计，隔绝软垫130可以为回字形形状，或者可以为环形形状（未示出）。另外，在可穿戴应用中，隔绝软垫130还可以改善使用者在佩戴可穿戴设备时的舒适性，例如，隔绝软垫130可以与人体皮肤接触，同时将反射式光电传感器101环绕在内，这样在提高检测精度的同时，还提高了佩戴者的舒适感。

图2（a）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的采用反射式光电传感器200的脉搏周期检测设备在操作时的光路。

如图所示，本实用新型的实施例还提供了一种反射式光电传感器200，包括基板240、光源210、光电二极管230以及遮挡物220。光源（LED210）和光电二极管230被布置在基板240的同一侧，其中LED210和光电二极管230之间设置有遮挡物220。遮挡物220用于遮挡从LED210发射的光，使得其不会直接照射到光电二极管230上。LED光源210所产生的入射光经过受检者皮下组织多次散射，一部分光重新返回皮肤表面。光电二极管230接收被受检者组织反射回来的光信号，并将其转换为电信号。

图2（b）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备中的反射式光电传感器200的结构的俯视图。在该反射式光电传感器200中，光电二极管230可以包括集成在一起的多个光电二极管单元230_1、230_2、230_3、230_4（在图中以示例的方式示出4个光电二极管单元）。在该图中，集成的光电二极管单元230_1、230_2、230_3和230_4被图示为以到LED210的距离递增的方式并排布置在基板240上。

图2（c）示意性地图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备中的反射式光电传感器200的另一种结构的俯视图，其中，集成的光电二极管单元230_1、230_2、230_3和230_4以到LED210的距离相等的方式并排布置在基板240上。

无论哪种情况，由于光电二极管单元230_1、230_2、230_3和230_4集成在一起，相互之间的距离可以忽略不计，所以它们可以接收来自从基本上同一处受检者皮下组织反射的光信号。这样，各个光电二极管单元230_x（x=1,2,3,4…）构成单独的信号通道。每一路信号通道可以为处理器提供一路单独的脉搏波信号。在处理器执行的后续操作（后面讨论）中，可以利用多个通道的数据（例如，取多个通道的数据的平均值）来提高脉搏周期的检测精度。另外，在本实用新型的实施例的应用中，优选地使用发射绿光（例如，500~560nm的波长）的LED器件作为LED210。绿光可以提供良好的穿透性，并且因此提供具有良好信号强度和信噪比的脉搏波信号。

图3图示了根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测方法的流程图。

在步骤S300处，血氧传感器感测受检者的脉搏波信号。在一个实施例中，可以采用如前面描述的具有集成的多个光电二极管单元230_x的反射式传感器作为血氧传感器。

在步骤S310处，处理器对血氧传感器所感测的脉搏波信号进行预处理。预处理可以包括移动平均滤波和带通滤波中的至少一个。移动平均滤波例如为10点移动平均滤波。通过采用移动平均滤波，可以滤除脉搏波信号中的突变分量。带通滤波例如由通带为0.1Hz~10Hz的带通滤波器完成，从而降低噪声干扰。在如前面所述的集成的反射式传感器的情况下，预处理还可以包括首先取多通道数据的平均值。通过取多通道数据的平均值，可以提高脉搏波信号的采样精度，从而提高所检测到的脉搏周期的精度。还应当理解，在采样过程中需要将模拟信号转换为数字信号。模数转换例如可以由血氧传感器内置的A/D转换器完成。替换地，模数转换可以由处理器芯片内置的A/D转换器或与处理器芯片分立的A/D转换器完成。

在步骤S320处，处理器实时地计算经模数转换后的数字脉搏波信号的微分值。设S ₁是（经预处理的）脉搏波信号序列，则微分值序列S ₂计算如下

其中，k为步长。

在一个实施例中，可以逐点地计算数字脉搏波信号的微分值，也即步长k=1。这样，以计算量增大为代价，可以提高检测的精度。

在步骤S330处，处理器基于脉搏波信号的微分值序列diff的特性来计算脉搏周期（后面讨论）。

可选地，在步骤S340处，处理器还根据所计算的脉搏周期来计算心率。

下面结合图4和5详细描述步骤S330的流程，其中图4图示了示例性的脉搏波信号（PPG）和相应的微分值序列（diff）的波形，并且图5图示了如图3所示的方法中的计算脉搏周期的步骤S330中的操作。

在本实施例中，基于改进的微分阈值法计算脉搏周期，其中利用微分值直接计算脉搏周期而不需要对脉搏波信号的微分值的进一步处理，例如，求微分值序列的微分值（二阶导）或者对于微分值进行下移等等。

如图5所示，在步骤S531处，设定一个动态微分阈值。所谓“动态”意指该阈值随着时间推移而变化（后面讨论）。

在步骤S532处，记录脉搏波信号到达极大值点时的时间值。由于脉搏波信号的极大值点对应于微分值的从正到负的转变（过零点），所以可以通过检测微分值的该转变来确定脉搏波信号是否到达极大值点。如果检测到微分值的从正到负的转变，则记录对应的时间值。在图4中所示的示例脉搏波信号的T1、T2和T3的三个周期中，可以检测到6个极大值点，包括4个真正的峰值点p1、p2、p3和p4以及2个局部极大值点p1'和p2'。在检测过程中，利用前面提到的动态阈值来识别哪些极大值点是真正的峰值点。

在步骤S533处，判断当前的微分值是否满足动态阈值条件。微分值与动态阈值之间的关系实际上反映了关于脉搏波信号的陡峭下降沿的信息。从图4中可以看到，在脉搏波信号PPG的陡峭下降沿期间，脉搏波信号PPG的峰值点p1、p2、p3和p4（其对应于微分值的从正到负的转变）与微分值序列diff的最小值在时间上具有关联性。也即，对于峰值点p1、p2、p3和p4中的每一个，在微分值的从正到负的转变之后接着是微分值的一个最小值，而对于局部极大值点p1'和p2'并不是这样。因此，可以利用这样的时间关联性来识别真正的峰值点。

在步骤S534处，具体地，一旦当前微分值小于动态阈值，则识别最近记录的极大值点为脉搏波信号的峰值点。例如，在图4中所示的示例波形中，在确定了脉搏波信号的极大值点p1之后，一旦检测到微分值小于动态阈值，则识别最近记录的极大值点（即，p1）为峰值点。这样，在几十毫秒（从微分值从正到负的转变到小于动态阈值的时间段，如图4中所示）内就可以确定出一个峰值点。

在一个实施例中，动态阈值可以为过去预定时间间隔内的最小微分值的1/2。例如，该预定时间间隔为4秒。每次计算得到一个微分值，则判断该微分值是否小于动态阈值，并且如果是，则触发峰值点的识别。在这种情况下，每次判断中都需要更新动态阈值，其中牵涉到查找（例如，使用本领域中已知的查找算法）从当前时刻起过去4秒内的最小微分值。这样查找和更新操作可能招致沉重的计算负担，尤其是在逐点计算微分值的情况下。

在另一个实施例中，动态阈值可以为上一个阈值更新周期内的最小微分值的1/2。阈值更新周期的方案是这样的：从开始检测的时刻起每隔一段固定的时间更新一次阈值。例如，可以针对阈值更新周期维持一个代表最小微分值的变量，并且在每个阈值更新周期内，每次计算得到一个微分值，则将其与该变量进行比较。如果所计算的微分值小于该变量的值，则利用所计算的微分值来更新该变量。在进入新的阈值更新周期时，使用上一个阈值更新周期内更新的阈值作为当前阈值更新周期内要使用的阈值。在图4的示例中，阈值更新周期被设定为4秒，因此在该图中所示的4秒的时间段内动态阈值保持恒定。这样，可以避免阈值的频繁更新，从而减轻计算负担。

前面讨论的两种动态阈值都是与特定的持续时间相关联，它们有可能不能与脉搏周期的剧烈变化（例如，在受检者从平静状态转变到运动状态的情况）相适应。

在又另一个实施例中，动态阈值可以为过去预定数目的脉搏周期内的最小微分值的1/2。这样的动态阈值与最近几个脉搏周期相关联，而不是特定的持续时间，因而其能够跟随脉搏周期的剧烈变化。

还应当理解，由于动态阈值的初始值通常被预设为零，所以在最初始的检测中会存在一段准备时间，在这期间由于正确的动态阈值尚未建立的原因脉搏周期的检测结果是错误的。有利地，对于前面提到的各动态阈值，所述预定时间间隔或阈值更新周期可以设定为小于等于2秒且大于等于1秒，或者所述预定数目可以例如为1、2或3。由此，兼顾了检测设备开机后的快速投入使用和检测过程的稳定性。

在步骤S535处，计算相邻的两个峰值点之间的时间差以用于导出脉搏周期。每当连续识别出两个峰值点时，可以计算该两个峰值点对应的时间值之差。如前面描述的，由于在几十毫秒内就可以确定出一个峰值点，所以在一个脉搏周期结束后，最快在几十毫秒内就能够计算出脉搏周期（心率）。这大大增强了脉搏周期检测的实时性。

图6图示了如图3所示的方法中的计算心率的步骤中的操作。

在步骤S641处，比较最近测得的两个脉搏周期之间的时间差。在步骤S642处，判断该时间差是否小于预定阈值，并且如果是，则确定这两个脉搏周期为有效的数据；否则，确定这两个脉搏周期为无效的数据。医学研究表明，正常情况下相邻两次脉搏周期之间可能存在差异，其可能达到几十毫秒（对于人类而言）。如果这个差异超过一个预定阈值（例如100毫秒），则可以推断所测得的脉搏周期受到了干扰并且因而为无效的数据。如果这个差异并不超过所述预定阈值，则在步骤S643处，根据有效的脉搏周期来计算瞬时心率。例如，如果测得的有效脉搏周期为0.8秒，则心率为60/0.8=75次/分。可选地，在步骤S644处，在并非时间关键的应用中，可以取多个（例如5个）计算得到的心率的平均值作为最终的心率测量值。

还应当理解，步骤S641到S644并不是必需的。例如，可以根据在步骤S330处计算得到的脉搏周期来直接计算心率，这在一些低成本应用中是可以接受的。

根据本实用新型的实施例的脉搏周期检测设备和方法通过采用（可选的）集成的反射式血氧传感器和改进的微分阈值法，在信号采集和信号处理两个方面提高了脉搏周期（心率）检测的实时性和精度（误差在±2bpm），从而为可穿戴的脉搏周期（心率）检测设备提供了合期望的选项。

根据本实用新型的一个实施例，还提供了一种可穿戴电子设备，其包括如前面所描述的脉搏周期检测设备。该可穿戴电子设备可以采取例如手环、腕带、脖套、耳机等形式，从而可以佩戴在使用者的身上。这样，在佩戴期间，如前面描述的反射式光电传感器可以采集脉搏波信号，而脉搏周期检测设备根据脉搏波信号计算脉搏或心率，并为该可穿戴电子设备提供相应的检测信息。

虽然前面的讨论包含若干特定的实现细节，但是这些不应解释为对任何实用新型或者可能要求保护的范围的限制，而应解释为对可能仅限于特定实用新型的特定实施例的特征的描述。在本说明书中不同的实施例中描述的特定特征也可以在单个实施例中以组合形式实现。与此相反，在单个实施例中描述的不同特征也可以在多个实施例中分别地或者以任何适当的子组合形式实现。此外，尽管前面可能将特征描述为以特定组合起作用，甚至最初也被如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在某些情况下也可以从该组合中排除（例如，就脉搏周期检测的功能而言，显示器和/或通信接口并不是检测设备100必需的），并且该要求保护的组合可以被导向子组合或子组合的变型。

类似地，虽然各个操作在附图中被描绘为按照特定的顺序，但是这不应理解为要求这些操作必须以所示的特定顺序或者按顺行次序执行，也不应理解为要求必须执行所有示出的操作以获得期望的结果（例如，就基于脉搏波信号计算脉搏周期而言，数据采集步骤和数据预处理步骤等并不是必需的）。

鉴于前面的描述并结合阅读附图，对前述本实用新型的示例性实施例的各种修改和改动对于相关领域的技术人员可以变得显而易见。任何和所有修改仍将落入本实用新型的非限制性和示例性实施例的范围内。此外，属于本实用新型的这些实施例所属领域的技术人员，在得益于前面的描述和相关附图所给出的教导后，将会想到在此描述的本实用新型的其他实施例。

因此，应当理解，本实用新型的实施例并不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他的实施例也意图被包含在所附权利要求书的范围内。尽管此处使用了特定术语，但是它们仅在通用和描述性意义上使用，而非为了限制的目的。

Claims (13)

1.一种反射式光电传感器，包括：

基板；

光源；

光电二极管；以及

遮挡物，

其中，所述光源和所述光电二极管被布置在所述基板的同一侧，所述遮挡物被布置在所述光源和所述光电二极管之间，并且所述光电二极管包括集成在一起的多个光电二极管单元。

2.根据权利要求1所述的反射式光电传感器，其中，所述光源为LED。

3.根据权利要求2所述的反射式光电传感器，其中，所述LED为绿光LED。

4.根据权利要求1所述的反射式光电传感器，其中，所述多个光电二极管单元以到所述光源的距离递增的方式并排布置。

5.根据权利要求1所述的反射式光电传感器，其中，所述多个光电二极管单元以到所述光源的距离相等的方式并排布置。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的反射式光电传感器，其中所述多个光电二极管单元的数目为4个。

7.一种脉搏周期检测设备，包括如权利要求1-6中任一项所述的反射式光电传感器。

8.根据权利要求7所述的脉搏周期检测设备，所述脉搏周期检测设备包括：

壳体；

电路板，封装于所述壳体内；

所述反射式光电传感器，其布置于所述壳体上，用于采集脉搏波信号；以及

处理器，其布置于所述电路板上，与所述反射式光电传感器电连接以用于处理所述反射式光电传感器采集的脉搏波信号来得到脉搏周期。

9.根据权利要求8所述的脉搏周期检测设备，还包括与所述处理器电连接的通信接口和/或显示器。

10.根据权利要求9所述的脉搏周期检测设备，还包括电源，其封装于所述壳体内，与所述反射式光电传感器、所述处理器以及所述通信接口和/或显示器电连接。

11.根据权利要求8所述的脉搏周期检测设备，还包括隔绝软垫，其与所述反射式光电传感器布置于所述壳体的同一面上并环绕所述反射式光电传感器。

12.根据权利要求11所述的脉搏周期检测设备，其中，所述隔绝软垫为回字形形状或环形形状。

13.一种可穿戴电子设备，包括如权利要求7到12中任一项所述的脉搏周期检测设备。