ES2556648T3

ES2556648T3 - Fotopletismografía

Info

Publication number: ES2556648T3
Application number: ES07732398.8T
Authority: ES
Inventors: John Crowe; Mark Grubb; Barrie Hayes-Gill; Nicolas Miles
Original assignee: University of Nottingham
Current assignee: University of Nottingham
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2016-01-19
Anticipated expiration: 2027-04-11
Also published as: CA2649187C; AU2007242649B2; GB0607270D0; EP2004038A2; US20090306487A1; JP2009533121A; EP2004038B1; ZA200809559B; CN101484065A; US8768424B2; JP5270533B2; AU2007242649A1; CN101484065B; US20140243622A1; WO2007122375A3; US11103150B2; CA2649187A1; WO2007122375A2

Abstract

Dispositivo de fotopletismógrafo, que comprende: una fuente de luz (102, 302, 304, 602, 702) para iluminar un objeto objetivo (103, 305, 503, 603); un modulador (101, 301, 303, 601) para excitar la fuente de luz de manera que la intensidad de salida varía en función de una señal de modulación a una frecuencia de modulación; un detector (105, 307, 502, 605, 703) para recibir luz desde el objeto objetivo y generar una salida eléctrica en función de la intensidad de la luz recibida; un filtro pasabanda (106, 308, 606) para filtrar la salida eléctrica del detector; un convertidor analógico-digital (607) para convertir la salida del filtro pasabanda en una señal digital a una frecuencia de muestra; un demodulador (107, 309, 310, 608) para recibir la salida del detector, que tiene un oscilador local (204) y para producir una salida demodulada representativa de la señal de modulación y cualquier banda lateral de la misma, en el que el demodulador es insensible a cualquier diferencia de fase entre la señal de modulación y el oscilador local (204); y medios para generar, a partir de la salida demodulada, una señal indicativa del volumen sanguíneo en función del tiempo y/o la composición de la sangre; en el que el demodulador es un demodulador de procesamiento de señales digitales (107, 309, 310, 608), en el que además: el oscilador local (204) está configurado para producir una primera salida de onda cuadrada a una frecuencia de oscilador y a un primer ángulo de fase, y una segunda salida de onda cuadrada a la frecuencia de oscilador y a un segundo ángulo de fase, estando el segundo ángulo de fase a 90 grados con respecto al primer ángulo de fase; el demodulador está configurado para multiplicar la salida del detector con la primera salida de onda cuadrada y la segunda salida de onda cuadrada para producir una señal I y una señal Q respectivamente; y en el que el demodulador (107, 309, 310, 608) está configurado para filtrar con filtro de paso bajo y decimar la señal I y la señal Q sumando muestras en bloques, en el que el número de muestras en un bloque es igual a la frecuencia de muestra dividida entre la frecuencia de oscilador, para producir una señal I' y una señal Q' filtradas con filtro de paso bajo y decimadas, demultiplexándose la señal I' y la señal Q' juntas para formar la salida demodulada.

Description

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DESCRIPCION

Fotopletismograffa

La presente invencion se refiere a la fotopletismograffa y, en particular, a un metodo y aparato para medir la frecuencia del pulso, la frecuencia respiratoria y los constituyentes sangumeos en el cuerpo humano o animal.

El termino pletismograffa es una combinacion de los terminos griegos Plethysmos, que significa aumento, y graph, que significa escribir. Un pletismografo es un instrumento, metodo o aparato usado para medir las variaciones en el volumen sangumeo en el cuerpo. La fotopletismograffa (tambien denominada a continuacion en el presente documento “PPG”) se refiere al uso de luz para medir estos cambios de volumen y, por tanto, un fotopletismografo es un instrumento, metodo o aparato que usa luz para realizar estas mediciones.

Aunque se supone en general que el cuerpo humano o animal es opaco a la luz, la mayor parte de los tejidos blandos transmitiran y reflejaran radiacion tanto visible y como del infrarrojo cercano. Por tanto, si se proyecta luz sobre una zona de la piel y se detecta la luz emergente tras su interaccion con la piel, la sangre y otros tejidos, pueden observarse cambios variables con el tiempo de la intensidad de la luz que tienen una relacion con el volumen sangumeo, conocidos como pletismograma. Esta senal de intensidad de la luz variable con el tiempo dependera de varios factores incluyendo las propiedades opticas de los tejidos y la sangre en el sitio de medicion, y la longitud de onda de la fuente de luz. La senal resulta porque la sangre absorbe luz y la cantidad de luz absorbida y, por tanto, la intensidad de la luz restante detectada, vaffa en relacion con el volumen de sangre iluminado. La variacion en el pletismograma esta provocada por la variacion en el volumen sangumeo que fluye en el tejido.

Esta tecnica la introdujo Hertzman en 1937. Fue el primero en usar el termino fotopletismograffa y sugirio que el pletismograma resultante representaba cambios volumetricos de la sangre en los vasos de la piel.

El pletismograma se describe habitualmente con respecto a sus componentes de CA y CC. Se supone que la absorcion de luz por sangre no pulsatil, hueso y tejido es constante y da lugar a la componente de CC. La componente de CC representa el volumen de sangre no pulsatil por debajo del sensor, mas luz reflejada y dispersada fuera de la piel, hueso y otros tejidos. La componente de CA esta provocada por la absorcion de luz variable con el tiempo provocada por cambios temporales del volumen sangumeo por debajo del sensor.

Los cambios en el volumen sangumeo pueden estar provocados por la regulacion cardiovascular, la regulacion de la tension arterial, la termorregulacion y la respiracion. Por tanto, puede analizarse el pletismograma para determinar informacion sobre parametros tales como la frecuencia del pulso, la frecuencia respiratoria, la tension arterial, la perfusion, el volumen sistolico cardiaco y el volumen corriente respiratorio. Estos pueden observarse como cambios periodicos y no periodicos en la amplitud de las componentes de Ca y CC en el pletismograma. Esto se ha descrito con mas detalle en Kamal et al: “Skin Photoplethysmography - a review”, Computer Methods and Programs in Biomedicine, 28 (1989) 257-269). El pletismograma tambien puede analizarse para determinar los constituyentes sangumeos. Una tecnica de este tipo es la pulsioximetffa, que determina la cantidad relativa de oxfgeno en la sangre. Tambien pueden medirse otros constituyentes sangumeos usando la fotopletismograffa.

Existen dos modos de fotopletismograffa, el modo de transmision y el modo de reflexion. En el modo de transmision, la fuente de luz esta en un lado del tejido y el fotodetector esta colocado en el otro lado, opuesto a la fuente de luz. El uso del modo de transmision se limita a zonas en las que el tejido es lo suficientemente fino como para permitir que se propague la luz, por ejemplo los dedos de las manos, los dedos de los pies y los lobulos de las orejas de un sujeto humano.

En el modo de reflexion, la fuente de luz y el fotodetector estan colocados uno al lado del otro. La luz que entra en el tejido se refleja y una proporcion de esta se detecta en el fotodetector. Esta configuracion de fuente-detector es mas versatil y permite que se realicen mediciones en casi cualquier zona de tejido. Sin embargo, el uso del modo de reflectancia es mucho mas diffcil de disenar que el de transmision porque el nivel de senal es significativamente menor a las longitudes de onda mas eficaces. Por tanto, debe prestarse una considerable atencion a maximizar la relacion senal-ruido. Como resultado, los sensores de PPG mas comunes usan el modo de transmision y, por tanto, se restringen a posiciones en las que la luz puede atravesar el tejido.

Como se usa un fotodetector para medir la luz procedente de la fuente, el fotopletismografo tambien puede responder a senales interferentes de otras fuentes de luz, por ejemplo iluminacion fluorescente y pantallas de ordenador. El sensor tambien debe responder a cambios de la luz que se propaga a traves del tejido, es decir el pletismograma. Estos cambios fisiologicos contienen componentes de frecuencia entre CC y 25 Hz. Sin embargo, se desea que el sensor no responda a ruido de luz ambiental. Por consiguiente, el fotopletismografo debe rechazar ruido de luz ambiental a la vez que detecta el pletismograma en el ancho de banda de interes.

Una segunda fuente de interferencia es otro aparato electrico. Otros dispositivos electricos pueden generar senales de radiofrecuencia que puede detectar un fotopletismografo. Se desea minimizar la sensibilidad del sistema a fuentes interferentes de esta naturaleza.

Una tercera fuente de interferencia es el ruido electrico generado por el propio fotopletismografo. Tal ruido puede

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generarse por componentes electronicos, y puede incluir ruido termico, ruido de centelleo, ruido de impacto, as^ como picos de ruido, por ejemplo, armonicos generados por codigos ausentes en un convertidor analogico-digital. Tambien se desea minimizar la sensibilidad del sistema a la interferencia de estas fuentes.

Una tecnica conocida para reducir el ruido generado por estas tres fuentes de interferencia es excitar la fuente de luz del sensor con una portadora modulada a una frecuencia que no esta presente, o dominante, en la luz ambiental, senales electricas de radiofrecuencia o ruido del sistema de fotopletismografo. Esto puede realizarse modulando la fuente de luz del sensor con una onda cuadrada, pulsandose entre encendido y apagado. Las senales detectadas se filtran entonces con filtro pasabanda para atenuar la interferencia fuera del intervalo de frecuencia de interes. La posterior demodulacion recuperara el pletismograma. En general, puede usarse cualquier senal periodica tal como una onda sinusoidal para modular la fuente de luz.

Aunque existe en la tecnica anterior la fotopletismograffa con luz modulada, existen todavfa limitaciones cnticas en como ha de aplicarse, especialmente en cuanto a circuitos de acondicionamiento de senales adecuados para atenuar o eliminar el ruido, y la demodulacion. Por ejemplo, los documentos EP0335357, EP0314324, WO0144780 y WO9846125 dan a conocer fotopletismograffa con luz modulada. Sin embargo, usan un metodo y aparato de demodulacion que requiere que las fases de la portadora de modulacion y demodulacion se sincronicen. El error en la temporizacion de la sincronizacion anadira ruido a la senal demodulada (ruido de fase o de fluctuacion de temporizacion). La tecnica anterior tampoco puede hacer un uso completo de las caractensticas del filtro pasabanda para eliminar la luz interferente ambiental, al basarse todavfa en un canal independiente para medir la luz ambiental, y posteriormente restandola de la senal, lo que anade mayor complejidad y es posiblemente menos eficiente en la atenuacion de la interferencia. Estas limitaciones reducen la inmunidad al ruido de banda ancha y banda estrecha de fuentes tales como iluminacion fluorescente, pantallas de ordenador, luz solar, luz incandescente, interferencia de RF electrica, ruido termico, ruido de centelleo y ruido de impacto.

Una limitacion adicional en la tecnica anterior es la eleccion de la longitud de onda para sensores de modo de reflectancia. Los sensores tanto del modo de reflexion como del modo de transmision usan fuentes de luz en la parte roja y/o infrarroja del espectro, siendo tfpicas longitudes de onda de entre 600 nm y 1000 nm. Sin embargo, los sensores de reflectancia roja / infrarroja no funcionan bien porque la luz en longitudes de onda del rojo y el infrarrojo se absorbe escasamente por la sangre. Esto da como resultado una baja modulacion de la senal reflejada y, por tanto, una pequena componente de CA. Por tanto, las sondas de reflectancia roja / infrarroja proporcionan malos resultados en comparacion con las sondas de transmitancia. Se ha mostrado en Weija Cui et al: “In vivo Reflectance of Blood and Tissue as a Function of Light Wavelength”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, volumen 37, n.° 6, junio de 1996), que puede registrarse una mayor amplitud de la componente de CA del pletismograma si un sensor de modo de reflectancia usa luz de longitudes de onda entre 500 nm y 600 nm (luz verde).

Se describio un fotopletismografo de luz verde no modulado, continuo en el documento WO 9822018A1. Sin embargo, el objetivo de esta invencion era la pulsioximetna de reflectancia, y la patente no explica las etapas necesarias para producir un fotopletismografo fiable adecuado para medir las componentes de CA y CC del pletismograma. Un sensor de luz verde de este tipo sena necesario para detectar de manera fiable la componente de CA, por ejemplo la frecuencia cardiaca, pero ademas la senal de respiracion, que es extremadamente pequena y que no se detectaba por este sistema.

En Benten et al: “Integrated synchronous receiver channel for optical instrumentation applications” Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, volumen 3100, 75-88, 1997), se describe un fotopletismografo de reflectancia de luz modulada que usa un multiplicador de conmutacion para cambiar sistematicamente la ganancia de la trayectoria de senal entre +1 y -1. Esto es el equivalente de mezclar la senal modulada con una onda cuadrada, para recuperar el pletismograma. Sin embargo, de manera similar a la otra tecnica anterior descrita anteriormente, este metodo necesita que las senales de oscilador locales de demodulacion y portadora de modulacion esten en fase.

El documento WO 99/40841 da a conocer el procesamiento de senales usando tecnicas de modulacion.

Es un objeto de la presente invencion proporcionar un pletismografo mejorado.

Un dispositivo segun la invencion se define en la reivindicacion 1. Un metodo segun la invencion se define en la reivindicacion 13.

Tambien se describe en el presente documento un dispositivo de fotopletismografo para uso sin contacto, que comprende:

una fuente de luz para iluminar un objeto objetivo a traves de un primer filtro de polarizacion;

un modulador para excitar la fuente de luz de manera que la intensidad de salida vana en funcion de una senal de modulacion a una frecuencia de modulacion;

un detector para recibir luz desde el objeto objetivo a traves de un segundo filtro de polarizacion que tiene un estado de polarizacion diferente que el primer filtro de polarizacion, estando el detector adaptado para generar una salida

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electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida;

un demodulador para recibir la salida del detector y producir una salida demodulada representativa de la senal de modulacion y cualquier banda lateral de la misma; y

medios para generar, a partir de la salida demodulada, una senal indicativa del volumen sangumeo en funcion del tiempo y/o la composicion de la sangre.

Tambien se describe en el presente documento un metodo de generacion de un fotopletismograma, que comprende las etapas de:

iluminar un objeto objetivo con una fuente de luz a traves de un primer filtro de polarizacion;

excitar la fuente de luz con un modulador de manera que la intensidad de salida vana en funcion de una senal de modulacion a una frecuencia de modulacion;

recibir luz del objeto objetivo con un detector a traves de un segundo filtro de polarizacion que tiene un estado de polarizacion diferente que el primer filtro de polarizacion, generando el detector una salida electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida;

recibir la salida del detector con un demodulador y producir una salida demodulada representativa de la senal de modulacion y cualquier banda lateral de la misma; y

generar, a partir de la salida demodulada, una senal indicativa del volumen sangumeo en funcion del tiempo y/o la composicion de la sangre.

una fuente de luz para iluminar un objeto objetivo con radiacion optica de longitud de onda menor de 600 nm;

un detector para recibir luz desde el objeto objetivo y adaptado para generar una salida electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida, estando dispuestos la fuente de luz y el detector lateralmente adyacentes entre sf sobre un sustrato de manera que las superficies activas del mismo pueden dirigirse sustancialmente hacia el mismo punto sobre una superficie del cuerpo objetivo;

iluminar un objeto objetivo con radiacion optica de longitud de onda menor de 600 nm desde una fuente de luz;

recibir luz del objeto objetivo con un detector para generar una salida electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida, estando dispuestos la fuente de luz y el detector lateralmente adyacentes entre sf sobre un sustrato de manera que las superficies activas del mismo pueden dirigirse sustancialmente hacia el mismo punto sobre una superficie del cuerpo objetivo;

Se describe de manera general en el presente documento un dispositivo de fotopletismografo con luz modulada. En realizaciones seleccionadas, combina caractensticas de luz modulada, filtrado con filtro pasabanda y demodulacion IQ para proporcionar un pletismograma de tejido perfundido. Cuando se usa en modo de reflectancia, se usa luz en la parte azul y/o verde del espectro optico que proporciona una mayor senal pulsatil y una relacion senal-ruido mejorada.

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Realizaciones seleccionadas proporcionan una fiabilidad mejorada a traves de la reduccion de ruido cuando el dispositivo de fotopletismografo se usa en el modo de transmision. Ademas, la eleccion de la luz en la parte azul / verde del espectro optico (es decir, a longitudes de onda de entre 400 nm y 600 nm) proporciona una fiabilidad mejorada a traves de la reduccion de ruido y el aumento de la amplitud de la senal de componente de CA, cuando el dispositivo de fotopletismografo se usa en el modo de reflexion.

Realizaciones seleccionadas pueden aplicarse a diferentes tecnicas de fotopletismograffa, incluyendo fotopletismograffa de una sola longitud de onda, fotopletismograffa de multiples longitudes de onda, fotopletismograffa con distribucion de pfxeles y fotopletismograffa sin contacto.

A continuacion se describiran realizaciones de la presente invencion a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es un diagrama de bloques funcional de un dispositivo de fotopletismografo de una sola longitud de onda;

la figura 2 es un diagrama de bloques funcional de un demodulador adecuado para su uso en el dispositivo de fotopletismografo de la figura 1;

la figura 3 es un diagrama de bloques funcional de un dispositivo de fotopletismografo de multiples longitudes de onda;

la figura 4 es una vista en planta esquematica de un dispositivo de fotopletismografo con distribucion de pfxeles;

la figura 5a es una vista lateral esquematica de un dispositivo de fotopletismografo sin contacto con filtros de polarizacion;

la figura 5b es una vista en planta de un filtro de polarizacion para su uso con el dispositivo de fotopletismografo de modo de reflectancia de la figura 7;

la figura 6 es un diagrama de bloques funcional de un dispositivo de fotopletismografo de una sola longitud de onda;

la figura 7 es una vista en planta esquematica, vista lateral y vista desde un extremo de un dispositivo de fotopletismografo de modo de reflectancia;

la figura 8 es un diagrama de circuitos de un amplificador de transimpedancia adecuado para su uso en los dispositivos de fotopletismografo descritos en el presente documento;

la figura 9 es un diagrama de circuitos de un circuito de filtro pasabanda adecuado para su uso en los dispositivos de fotopletismografo descritos en el presente documento;

la figura 10 es un diagrama de circuitos de un circuito de excitacion de fuente de luz adecuado para su uso en los dispositivos de fotopletismografo descritos en el presente documento;

la figura 11 es un diagrama de flujo de procedimiento que ilustra un algoritmo de demodulacion adecuado para su uso en los dispositivos de fotopletismografo descritos en el presente documento;

la figura 12 es un diagrama de bloques funcional de un lazo de control de brillo de fuente de luz adecuado para su uso en los dispositivos de fotopletismografo descritos en el presente documento;

la figura 13a es un fotopletismograma que muestra una salida combinada de CA y CC de un dispositivo de fotopletismografo;

la figura 13b es un fotopletismograma que muestra la componente de CA aumentada de la figura 13a;

la figura 14a es un fotopletismograma que muestra senal pulsatil y de respiracion combinadas;

la figura 14b es un fotopletismograma que muestra la senal de respiracion de la figura 14a solo;

la figura 15a es un fotopletismograma que muestra una senal de respiracion unicamente;

la figura 15b es una senal de respiracion correspondiente tal como se mide mediante un termistor bucal;

la figura 16 es un fotopletismograma registrado usando una fuente de luz verde de longitud de onda de 510 nm:

la figura 17 es un fotopletismograma registrado usando una fuente de luz roja de longitud de onda de 644 nm;

la figura 18 es un diagrama de bloques funcional de un demodulador alternativo adecuado para su uso en el dispositivo de fotopletismografo de la figura 1;

la figura 19 es un diagrama de bloques funcional de un demodulador alternativo adecuado para su uso en el

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dispositivo de fotopletismografo de la figura 1;

la figura 20 es un diagrama de bloques funcional de un demodulador alternativo adecuado para su uso en el dispositivo de fotopletismografo de la figura 1.

Dispositivo de fotopletismografo de una sola longitud de onda

Con referencia a la figura 1, un dispositivo de fotopletismografo 100 comprende un circuito de excitacion 101 que esta acoplado para activar una fuente de luz 102 con senal de excitacion modulada de manera que la intensidad de salida de la fuente de luz vana en funcion de una senal de modulacion que tiene una frecuencia de modulacion (fm) y una amplitud de modulacion (M1(t)) espedficas. La forma de onda que excita la fuente de luz es, por tanto, una portadora de modulacion caracterizada por su frecuencia y amplitud.

La fuente de luz 102 esta configurada para iluminar un objeto objetivo 103 tal como una zona de tejido del cuerpo humano o animal. La fuente de luz 102 comprende preferiblemente uno o mas dispositivos emisores de luz cada uno de una longitud de onda o un intervalo de longitudes de onda dados.

Un fotodetector 104 esta configurado para recibir luz del objeto objetivo 103 tras su interaccion con el mismo. Dependiendo de la colocacion relativa de la fuente de luz 102, el objeto objetivo 103 y el fotodetector 104, esta luz recibida puede ser una o mas de luz que se ha transmitido a traves del objeto objetivo, luz que se ha reflejado desde la superficie del objeto objetivo, y luz que se ha dispersado por y/o reflejado desde estructuras o fluidos dentro del objeto objetivo. El fotodetector generara una corriente electrica que es una funcion de, por ejemplo proporcional a, la cantidad de luz incidente en su zona activa.

Un detector 105 puede proporcionarse para convertir la corriente electrica desde el fotodetector 104 en una tension que es proporcional a la corriente. El detector 105 puede incorporar un amplificador (no mostrado). La ganancia de ese amplificador puede reducirse gradualmente a una frecuencia mayor que la frecuencia de modulacion. El detector 105 y el amplificador pueden minimizar, con un diseno cuidadoso, el ruido en la entrada a un filtro pasabanda 106 acoplado al mismo. En un sentido general, pueden proporcionarse las funciones del fotodetector 104 y el detector 105 mediante cualquier detector que pueda recibir luz del objeto objetivo y generar una salida electrica que es una funcion de la intensidad de la luz recibida.

El filtro pasabanda 106 puede proporcionarse para atenuar senales fuera de un ancho de banda de interes. El ancho de banda del filtro esta centrado preferiblemente en la frecuencia de modulacion fm y es lo suficientemente ancho como para pasar la portadora de modulacion y las bandas laterales provocadas por la modulacion de la amplitud del pletismograma, pero lo suficientemente estrecho como para atenuar componentes de frecuencia de interferencia y ruido. Para reducir el ruido, el ancho de banda del filtro pasabanda 106 debe ser tan estrecho como sea posible. Solo es necesario que sea lo suficientemente ancho como para pasar las bandas laterales superior e inferior del pletismograma, normalmente de, pero sin limitarse a, 50 Hz. El filtro pasabanda 106 puede incorporar un amplificador (no mostrado) para proporcionar una ganancia adicional. El filtro pasabanda 106 y el amplificador estan disenados preferiblemente para minimizar el ruido en la entrada de la siguiente etapa, concretamente un demodulador 107. Se apreciara que la provision de un filtro pasabanda 106 no siempre es necesario pero, si se emplea, puede resultar un aumento de la relacion senal-ruido (SNR, senal-to-noise ratio).

Una disposicion preferida del demodulador 107 se muestra en mas detalle en la figura 2. El demodulador 107 esta adaptado para demodular la salida del filtro pasabanda 106 y, por tanto, recuperar un pletismograma a partir de la luz detectada recibida del objeto objetivo. El demodulador 107 preferido usa un metodo que es insensible a la diferencia de fase entre la portadora de modulacion y una portadora de demodulacion. En otras palabras, el demodulador es insensible a cualquier diferencia de fase entre la senal de modulacion y un oscilador en el demodulador, tal como se explicara mas adelante. Por tanto, resulta innecesario mantener una relacion de fase predeterminada entre el proceso de modulacion y demodulacion.

El demodulador 107 puede comprender un multiplexador 210 para dividir la senal modulada M1(t) en dos canales. Un primer canal procesa una primera senal de entrada modulada M1(t)a y un segundo canal procesa una segunda senal de entrada modulada M1(t)b. La primera senal de entrada modulada M1(t)a se proporciona como entrada a un primer multiplicador 201 junto con una salida de una primera senal 204 de oscilador local de demodulador (LO), D1(t). La frecuencia de la senal de oscilador local 204 es de manera preferible sustancialmente igual a la frecuencia de la senal de modulacion y, por tanto, igual a la frecuencia de la portadora de modulacion de la senal de entrada M1(t). El resultado de la multiplicacion de M1(t)a con la primera senal de LO 204 es una senal I (“en fase”). En el segundo canal, la segunda senal de entrada modulada se multiplica, usando un multiplicador 206, con una segunda senal de oscilador local de demodulador (LO) que tambien tiene una frecuencia de manera preferible sustancialmente igual a la frecuencia de la senal de modulacion. Sin embargo, la segunda senal de LO de demodulador se desfasa por el desfasador 205 con respecto a la primera senal de LO de demodulador. La diferencia de fase entre el primer LO de demodulador y el segundo LO de demodulador es preferiblemente de 90 grados. El resultado de la multiplicacion de M1(t)b con la segunda senal de LO de demodulador es la senal Q (“fase en cuadratura”'). Se entendera que el oscilador local, aunque mostrado como que produce una salida de onda sinusoidal, podna producir otras formas de onda de la frecuencia requerida.

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Las senales I y Q independientes se filtran preferiblemente con filtro de paso bajo por separado en elementos de filtro 202 y 207, respectivamente, para eliminar armonicos no deseados y productos del proceso de multiplicacion. Opcionalmente, las senales resultantes pueden decimarse en decimadores 203 y 208, respectivamente, para reducir la tasa de muestreo. Los resultados de esto son las senales I' y Q'.

Las senales I' y Q' pueden demultiplexarse de vuelta a una senal en el mezclador 209 para proporcionar el pletismograma demodulado S1(t). El proceso de demultiplexacion puede incluir un algoritmo o circuito que determina la rafz cuadrada de la suma de los cuadrados de las senales I' y Q'.

La disposicion de demodulador de la figura 2 puede modificarse mientras que todavfa se proporciona un demodulador que es insensible a cualquier diferencia de fase entre la senal de modulacion y el oscilador en el demodulador. Las figuras 18 a 20 muestran disposiciones alternativas que proporcionan cada una dos canales en los que, en el primer canal, se mezcla la salida del detector con un oscilador local que tiene una primera relacion de fase con la salida del detector y, en el segundo canal, se mezcla la salida del detector con un oscilador local que tiene una segunda relacion de fase con la salida del detector. Como en la figura 2, las relaciones de fase primera y segunda estan separadas preferiblemente 90 grados.

A partir de la inspeccion de las figuras, se observara que esto puede lograrse usando un oscilador local comun 204, 1804, 1904, 2004 que alimenta los dos canales con un elemento de desfase relativo diferente 205, 1905a, 1905b, 2005 (figuras 2, 19 y 20) o usando un oscilador local comun pero un elemento de retardo de fase 1805 (figura 18) previsto en uno o ambos canales para retardar una o ambas de las senales M1(t)a y M1(t)b y crear de ese modo un desfase relativo entre ellas. La figura 20 tambien ilustra que el filtrado llevado a cabo si no por los elementos 202, 207 (o 1802, 1807, 1902, 1907) puede llevarse a cabo alternativamente tras el mezclador 209, 1809, 1909, 2009 por un filtro 2002. De manera similar, tambien puede llevarse a cabo decimacion tras el mezclador 209, 1809, 1909,2009.

Puede proporcionarse un medio de deteccion y atenuacion de ruido de banda estrecha relacionado con armonicos. Este medio puede ser adaptativo de modo que pueden detectarse cambios en caractensticas de interferencia y filtrarse (u otros medios de rechazo) adaptado para mantener la relacion senal-ruido.

Puede proporcionarse un medio de control de lazo cerrado para mantener la fuente de luz 102 a un brillo suficiente para detectar el pletismograma. Un diagrama de bloques funcional de este lazo de control 1200 se muestra en la figura 12. A los elementos similares a los mostrados en la figura 1 se les proporcionan numeros de referencia correspondientes. La amplitud de la portadora de modulacion detectada, filtrada con filtro pasabanda D-BPF-M1(t) puede medirse y procesarse por un circuito de acondicionamiento de senales 1201 en la trayectoria de realimentacion, luego compararse con un valor o intervalo de valores de referencia en el comparador 1202. Entonces puede generarse una senal de error y procesarse por un circuito de acondicionamiento de senales o algoritmo 1203 en la trayectoria de avance. Usando esta tecnica, la amplitud de la forma de onda generada por el circuito de excitacion puede ajustarse para garantizar que la amplitud de la portadora detectada se encuentra dentro del intervalo dado, o cerca de la referencia. Esto garantizara, por ejemplo, que si se recibe demasiada luz del objeto objetivo, el detector no se satura, o si se recibe demasiada poca luz del objeto objetivo 103, el pletismograma no queda sin detectar. Por tanto, en un aspecto general, el lazo de control de realimentacion 1200 proporciona un ejemplo de un medio para mantener la intensidad de salida de la fuente de luz 102 en funcion de la salida del detector y a un nivel adecuado para mantener la deteccion de un pletismograma a partir de la salida demodulada S1(t).

Fotopletismografia de multiples longitudes de onda

La figura 3 ilustra un dispositivo de fotopletismografo 300 que incluye dos o mas fuentes de luz 302, 304 para emitir luz a dos o mas longitudes de onda diferentes hacia el objeto objetivo (por ejemplo, un tejido sometido a prueba). Un detector optico 306 esta adaptado para detectar la luz recibida del objeto objetivo, por ejemplo transmitida a traves del objeto objetivo cuando el dispositivo de fotopletismografo esta en el modo de transmision o reflejada desde el objeto objetivo cuando se usa el dispositivo de fotopletismografo en el modo de reflexion. Estan previstos circuitos de excitacion 301, 303 respectivamente para activar las fuentes de luz 302, 304 cada una con una senal de excitacion modulada que tiene una modulacion a una frecuencia y amplitud seleccionadas M1(t) y M2(t). Solo se ilustran dos elementos de excitacion y fuentes de luz pero se entendera que generalmente puede usarse una pluralidad de elementos de excitacion y fuentes de luz. Cada fuente de luz puede consistir en uno o mas emisores opticos que emiten luz a una sola longitud de onda o intervalo de longitudes de onda dados. La forma de onda de cada fuente de luz puede tener una frecuencia diferente de la usada para activar las otras fuentes de luz. Esta forma de onda es la portadora de modulacion y se caracteriza por su frecuencia y amplitud. Cada fuente de luz puede tener opcionalmente un circuito de excitacion asociado independiente. Cada fuente de luz puede tener opcionalmente una longitud de onda diferente.

Se proporciona un fotodetector 306 para detectar luz tras su interaccion con el objeto objetivo 305 (por ejemplo, tejido de un cuerpo humano o animal). El fotodetector 306 generara una corriente proporcional a la cantidad de luz incidente en su zona activa.

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Puede proporcionarse un detector 307 para convertir la corriente del fotodetector 306 en una tension que es proporcional a la corriente. El detector 307 puede incorporar un amplificador (no mostrado). La ganancia de ese amplificador puede reducirse gradualmente a una frecuencia mayor que la mayor frecuencia de modulacion. El detector y el amplificador pueden minimizar, con un diseno cuidadoso, el ruido en la entrada a un filtro pasabanda 308 y, por tanto, maximizar la relacion senal-ruido.

El filtro pasabanda 308 puede proporcionarse para atenuar senales fuera de un ancho de banda de interes. El ancho de banda del filtro se elige preferiblemente de modo que la reduccion gradual inferior del filtro este por debajo de la menor frecuencia de la portadora de modulacion y la reduccion gradual superior del filtro este por encima de la mayor frecuencia de la portadora de modulacion. El ancho de banda entre la mayor y la menor frecuencia de la portadora de modulacion y la reduccion gradual del filtro deben ser lo suficientemente anchas como para pasar la portadora de modulacion y las bandas laterales provocadas por la modulacion de la amplitud del pletismograma, pero lo suficientemente estrechas como para atenuar componentes de frecuencia de interferencia y ruido. Para reducir el ruido, el ancho de banda del filtro debe ser tan estrecho como sea posible. Solo es necesario que tenga un intervalo suficiente como para pasar la banda lateral superior de la mayor portadora de modulacion y la banda lateral inferior de la menor portadora de modulacion. Normalmente, es adecuado de 25 Hz por encima de la mayor frecuencia de la portadora de modulacion a 25 Hz por debajo de la menor frecuencia de la portadora de modulacion. El filtro pasabanda puede incorporar un amplificador (no mostrado), que proporcionana una ganancia adicional. El filtro pasabanda y el amplificador pueden estar disenados para minimizar el ruido en la entrada de la siguiente etapa. Pueden incluirse filtros que proporcionan una respuesta de frecuencia con una atenuacion grande o nula en multiplos de una frecuencia fundamental, por ejemplo un filtro de peine o de promedio movil. Estos filtros pueden estar disenados para atenuar la frecuencia fundamental y los armonicos de una fuente interferente.

Se proporcionan multiples demoduladores 309 y 310 para la demodulacion de la salida del filtro pasabanda para recuperar el pletismograma en cada frecuencia de la portadora de modulacion o en cada longitud de onda de luz. Preferiblemente, los demoduladores usan un metodo de demodulacion que es insensible a la diferencia de fase entre cada portadora de modulacion y oscilador local de demodulacion, tal como lo que se describe en relacion con la figura 2. Por tanto, tal como se establecio previamente, resulta innecesario mantener una relacion de fase predeterminada entre el proceso de modulacion y demodulacion.

En este caso, cada demodulador tendra un oscilador local D1(t) y D2(t) que tienen preferiblemente la misma frecuencia que la portadora de modulacion M1(t) y M2(t) correspondiente, respectivamente.

La salida de este dispositivo de fotopletismografo de multiples longitudes de onda son multiples pletismogramas S1(t) y S2(t). Cada uno es el pletismograma para una longitud de onda de luz dada usada para someter a prueba el tejido. Se entendera que aunque el fotopletismografo de longitud de onda multiple se ha descrito con un ejemplo de dos longitudes de onda, una longitud de onda proporcionada por la fuente de luz 302 y la segunda longitud de onda proporcionada por la fuente de luz 303, la invencion puede modificarse para usar mas de dos longitudes de onda anadiendo elementos de excitacion, fuentes de luz y demoduladores adicionales. Estas multiples longitudes de onda moduladas no solo permiten la seleccion de longitudes de onda opticas para una SNR optima para la deteccion de la frecuencia del pulso y respiratoria sino que tambien permiten que se lleven a cabo mediciones proporcionales para determinar los constituyentes sangumeos. Por tanto, en un aspecto general, el dispositivo de fotopletismografo puede proporcionar un medio para seleccionar automaticamente una de las salidas demoduladas S1(t), S2(t) que proporciona la mejor SNR para los datos que van a extraerse del pletismograma.

Tal como se describio anteriormente en relacion con la figura 12, el control de lazo cerrado tambien puede usarse para mantener cada fuente de luz a un brillo dado.

Fotopletismografta con distribucidn de p^xeles

Una combinacion de fotodetector, detector, filtro pasabanda y demodulador puede usarse para formar un pixel de un aparato de obtencion de imagenes de fotopletismografo de multiples pfxeles. Una distribucion de este tipo puede producirse como un microchip, realizandose el procesamiento de senales analogicas o digitales y de pfxeles en el chip.

La figura 4 muestra una vista en planta esquematica de un pequeno (4 x 4) dispositivo de fotopletismografo con distribucion de pfxeles 400, que comprende dieciseis pfxeles 401. Se entendera que la distribucion puede ser considerablemente mayor que esta si se requiere.

Cada pixel 401 comprende preferiblemente un fotodetector, circuito de detector, filtro pasabanda y demodulador. Un aparato de este tipo proporciona dieciseis pletismogramas simultaneos (paralelos), detectados mediante luz procedente de tejido que ilumina cada pixel en la distribucion. La distribucion no tiene que ser cuadrada. Por ejemplo, la distribucion podna comprender 4 x 16 pfxeles, o 1 x 256 pfxeles, etc. Cada pfxei puede responder a la luz procedente de una fuente de luz comun modulada con una frecuencia de modulacion comun. Alternativamente, cada pixel podna responder a una fuente de luz excitada independientemente respectiva, de modo que podnan usarse diferentes frecuencias de modulacion para cada pixel. Alternativamente, cada pixel podna corresponder a una fuente de luz respectiva, excitandose todas las fuentes de luz usando una senal de modulacion comun.

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Una distribucion de detectores abre toda una nueva dimension del procesamiento de senales usando varios canales paralelos del procesamiento mencionado anteriormente. La distribucion de pfxeles permite la produccion de un mapa espacial de parametros sangumeos (por ejemplo, la frecuencia del pulso, la frecuencia respiratoria y los constituyentes sangumeos) del objeto objetivo. Multiples canales pueden procesarse en paralelo permitiendo de ese modo que se emplee un esquema de arbitraje para seleccionar la SNR optima. Ademas, los multiples canales pueden procesarse mediante analisis de componentes independientes, analisis de componentes principales o separacion ciega de fuentes, por ejemplo, para extraer la senal fundamental cuando esta incluida dentro de ruido y otras senales interferentes. De ese modo, es posible producir mediciones robustas de frecuencia del pulso y respiratoria y mediciones espaciales de constituyentes sangumeos cuando se usa mas de una longitud de onda. Tambien puede usarse analisis de componentes independientes, etc. para reducir artefactos de movimiento. El artefacto de movimiento es a menudo un grave problema para los sistemas de fotopletismografo: el problema y otros metodos de reduccion se han descrito por Smith y Hayes (Matthew J. Hayes y Peter R. Smith, “Artifact reduction in photoplethysmography”. Applied Optics, vol. 37, n.° 31, noviembre de 1998).

Puede implementarse un medio de procesamiento de senales implementado en y fuera de chip en un dominio analogico o digital que analiza el pletismograma de cada pixel para extraer la frecuencia respiratoria, la frecuencia del pulso, los constituyentes sangumeos, etc. En general, puede realizarse tanto procesamiento previo como procesamiento posterior para cada pixel permitiendo de ese modo que se usen algoritmos de procesamiento de senales espaciales, de campo completo.

Fotopletismografia sin contacto

Los dispositivos de fotopletismografo de una sola longitud de onda, los dispositivos de fotopletismografo de multiples longitudes de onda y los dispositivos de fotopletismografo con distribucion de pfxeles descritos anteriormente pueden usarse cada uno en un modo de reflexion sin contacto.

En la fotopletismograffa, el fotodetector 104 esta en contacto con el objeto objetivo, por ejemplo la superficie del tejido. Una gran proporcion de la luz procedente de la fuente 102 se refleja desde la superficie del tejido, pero dado que el fotodetector 104 esta en contacto con el tejido, no se detecta esta superficie reflejada luz. Una pequena proporcion de luz penetra e interacciona con el tejido, y luego emerge de manera incidente al fotodetector, donde se detecta, se amplifica y se procesa, lo que da lugar a la senal de pletismograma.

En la fotopletismograffa sin contacto, el fotodetector 104 no esta en contacto con el tejido. Esto da como resultado la deteccion de la mayor proporcion de luz reflejada en la superficie del tejido asf como la luz que ha penetrado en el tejido. La senal detectada comprende ahora una desviacion de CC mucho mayor provocada por la luz reflejada, que se superpone con una senal de pletismograma mucho mas pequena. La luz reflejada desde la superficie del tejido no ha interaccionado con la sangre y, por tanto, no contiene informacion util para el pletismograma.

Se apreciara que la desviacion de CC provocada por las reflexiones en la superficie del tejido reducira el intervalo dinamico del fotopletismografo. Por tanto, resulta beneficioso filtrar la luz reflejada cuando se usa un fotopletismografo sin contacto. Esto puede realizarse usando un filtro de polarizacion.

Un filtro de polarizacion polariza selectivamente o filtra luz polarizada a lo largo de un eje dado. Esta polaridad se retiene cuando se refleja luz pero se pierde cuando se dispersa luz. Si la luz incidente sobre el tejido esta polarizada, la luz reflejada en la superficie retiene esta polaridad y puede atenuarse mediante un filtro orientado con su polaridad a 90 grados con respecto a la de la luz incidente. Sin embargo, la luz que penetra en el tejido y se dispersa por la sangre y otros medios pierde su polaridad y, por tanto, pasa a traves del filtro de polarizacion horizontal, y se detecta por el fotodetector.

Con referencia a la figura 5, un primer filtro de polarizacion 504 polariza luz procedente de una fuente de luz modulada 501 a lo largo de un eje de polarizacion P1 dado. La luz polarizada se dirige hacia el objeto objetivo 503, desde el que una proporcion de la luz se refleja desde la superficie y se dispersa desde dentro del objeto objetivo.

Un segundo filtro de polarizacion 505 esta dispuesto delante del detector 502 que recibe la luz del objeto objetivo. El segundo filtro de polarizacion tiene un eje de polarizacion P2 y atenua la luz polarizada incidente en el fotodetector. La atenuacion presenta su mayor magnitud cuando el eje de polarizacion P2 del segundo filtro de polarizacion 505 esta a 90 grados (ortogonal) con respecto al eje de la luz polarizada. Por tanto, los filtros de polarizacion primero y segundo 504, 505 estan dispuestos preferiblemente de modo que sus ejes de polarizacion P1, P2 respectivos sean ortogonales entre sf. De esta manera, la luz reflejada desde la superficie que retiene su polarizacion se atenua sustancial o completamente, mientras que la luz que se ha dispersado desde medios dentro del objeto objetivo y ha perdido su estado de polarizacion tiene una atenuacion significativamente reducida.

Los dispositivos descritos anteriormente pueden proporcionar una atenuacion significativa de la interferencia de banda estrecha que resulta de fuentes de luz ambiental (tales como las producidas por lamparas fluorescentes, pantallas de ordenador y bombillas de luz incandescente), interferencia electromagnetica y picos de ruido intrmsecos del aparato y metodo de pletismograffa, por ejemplo armonicos generados en convertidores analogico-digital. Las frecuencias de modulacion y demodulacion pueden seleccionarse para evitar armonicos de estas interferencias y, junto con filtrado, para atenuar ruido de banda ancha intrmseco del dispositivo, incluyendo ruido blanco, ruido de

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centelleo y ruido de impacto.

En la disposicion de la figura 2, no es necesario conocer o mantener la relacion de fase entre la portadora de modulacion y el oscilador local de demodulacion, porque el proceso de demodulacion es insensible a la diferencia de fase entre los dos. Por tanto, no es necesario calibrar o considerar ningun retardo de fase constante en la senal detectada provocada por el conjunto de circuitos de acondicionamiento de senales o la propagacion de luz en el tejido.

Tambien se apreciara que las caractensticas tecnicas pueden incorporarse en diversas formas. Por ejemplo, el circuito de excitacion, la fuente de luz, el fotodetector, el detector, el filtro pasabanda y el proceso de demodulacion pueden implementarse, cuando sea apropiado, como un algoritmo de procesamiento de senales digitales, circuito integrado analogico personalizado, componentes electronicas analogicas discretas o como una combinacion de funciones de procesamiento de senales analogicas y digitales.

Una modificacion adicional sena muestrear la salida del circuito de detector e implementar filtro pasabanda, demodulador y procesamiento de senales en un procesador o microprocesador de senales digitales como parte de un algoritmo de procesamiento de senales.

Una modificacion adicional sena implementar el fotodetector, detector, filtro pasabanda, demodulador y procesador de senales en un microchip como diseno de senales mixtas VLSI.

Gestion de ruido y variantes

Una combinacion de algunas o todas de cada una de estas caractensticas puede utilizarse para producir el sistema deseado de manera que la senal puede separarse del ruido. Sin embargo, debe realizarse un diseno cuidadoso en el suministro de la fuente de luz y la recogida de la senal de luz recibida. Por ejemplo, la magnitud de la corriente del fotopletismograma detectada en la fotocorriente total es bastante pequena y, por tanto, un extremo delantero mal disenado puede dar como resultado una senal distorsionada o sumergida entre el ruido. El suministro de una tension pulsada a la fuente de luz debe realizarse mediante cableado que esta protegido y no discurre junto a las conexiones de fotodiodo de recepcion. Si se produce esto, entonces puede inducirse una corriente de desplazamiento en el fotodetector igual a I = CdV/dt.

Dependiendo de la magnitud de la potencia de la fuente de luz, el tamano del detector y la tasa de cambio de tension estableceran el valor maximo de la capacitancia de acoplamiento permitida. Es una buena practica de diseno garantizar que la corriente de desplazamiento inducida se limita a no mas de normalmente el 1% de la corriente detectada.

Otros criterios de diseno pueden ser los siguientes:

a) La corriente de polarizacion de entrada debe ser menor de ~ el 1% del nivel de luz de CC detectado.

b) El ruido de tension y corriente debe ser menor que el ruido de impacto establecido por el nivel de luz de CC detectado.

c) La eleccion de un amplificador de transimpedancia debe realizarse de manera que su 1/f frecuencia de esquina sea menor que la frecuencia de la portadora de modulacion.

d) Los tiempos de subida y cafda de la portadora pueden variarse para reducir el acoplamiento.

e) Puede observarse una buena practica de diseno de PCB para evitar el acoplamiento de senales de componentes de ruido de alta potencia en un extremo delantero de sensor sensible, particularmente un amplificador de transimpedancia. Pueden usarse PCB multicapa para mantener las fuentes de alimentacion y los retornos por tierra lo mas cortos posibles y, por tanto, minimizar el rebote de tierra y otras formas de acoplamiento de ruido. Puede usarse un diseno de pCb multicapa para una sonda de reflectancia para reducir el acoplamiento de corrientes de desplazamiento desde el impulso de tension de la fuente de luz hasta la conexion de fotodiodo de recepcion.

A continuacion sigue una configuracion a modo ejemplo. Sin embargo, debe indicarse que esta no es la unica configuracion ya que combinaciones de algunas o todas de estas caractensticas pueden conducir a un diseno beneficioso.

Ejemplo

La figura 6 es un diagrama de bloques funcional que ilustra la arquitectura de un dispositivo de pletismograffa 600 preferido que incluye un circuito de excitacion 601 para excitar una fuente de luz 602 con una senal de portadora modulada de manera que la intensidad de salida vana en funcion de la senal de modulacion a una frecuencia de modulacion. La fuente de luz ilumina un objeto objetivo 603 y se recibe la luz devuelta desde el objeto objetivo por el fotodetector 604 para generar una senal electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida. El detector 605 convierte la salida de corriente electrica del fotodetector 604 en una senal de tension. Esto se filtra mediante el filtro pasabanda 606 y se convierte en una senal digital en un convertidor analogico-digital 607. Un demodulador 608 (que

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puede ser del tipo descrito en relacion con la figura 2) tiene una senal de oscilador local D1(t) que es de manera preferible sustancialmente la misma frecuencia que la senal de modulacion M1(t) del circuito de excitacion 601. Un filtro de promedio de bloques 609 se usa para producir un pletismograma de salida S1(t).

La figura 7 ilustra una sonda de reflectancia 700 que proporciona la fuente de luz y los fotodetectores para el aparato de la figura 6. La sonda de reflectancia 700 comprende cuatro dispositivos emisores de luz 702 para emitir senales de luz modulada de una sola longitud de onda, para iluminar el tejido sometido a prueba. Un fotodiodo 704, que podna ser una distribucion de detectores, tiene una zona activa 703 dada que se usa para detectar la luz reflejada devuelta desde el tejido sometido a prueba. Un elemento de filtro de polarizacion 510 adecuado que incorpora elementos de filtro de polarizacion cruzados primero y segundo 511 y 512 se muestra en la figura 5b. Cuando se usa la sonda en el modo sin contacto, este elemento 510 esta colocado sobre la parte superior de dispositivos emisores de luz 702 y el fotodiodo 704. En un aspecto general, esta disposicion proporciona superficies activas de una fuente de luz y el detector dirigidas sustancialmente hacia el mismo punto sobre una superficie de un cuerpo objetivo.

Los dispositivos emisores de luz son preferiblemente diodos emisores de luz (LED) con una respuesta espectral maxima entre 400 nm y 600 nm. Generalmente, la longitud de onda se selecciona basandose en las caractensticas opticas del tejido en investigacion. Este dispositivo de fotopletismografo 700 a modo de ejemplo es particularmente adecuado para la medicion de la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria en seres humanos, por tanto las longitudes de onda se seleccionan basandose en las propiedades opticas de tejido y sangre humanos que presentan caractensticas de absorcion intensa entre 400 nm y 600 nm. Se llevaron a cabo estudios principalmente en el espectro de absorcion entre 500 nm y 600 nm. Sin embargo, tambien existe un espectro de absorcion intensa a 440 nm y un dispositivo que funciona aproximadamente a esta longitud de onda tambien producina resultados favorables. Mas espedficamente, existen tres versiones de la sonda de reflectancia: una con LED que tienen una respuesta espectral maxima de 512 nm; otra con LED que tienen una respuesta espectral maxima de 562 nm; otra con LED que tienen una respuesta espectral maxima de 574 nm. Estas son las longitudes de onda preferidas porque estan disponibles comercialmente y son economicas, sin embargo pueden usarse otras si lo permiten su suministro y econoirna. El intervalo de longitudes de onda entre 500 nm y 600 nm se prefiere particularmente puesto que, aunque la senal puede mejorar por debajo de 500 nm, la profundidad de penetracion de la luz disminuye lo que puede dar como resultado, en algunas circunstancias, que insuficiente luz alcance la sangre pulsatil en las arteriolas de la piel.

Los LED y el fotodiodo se montan unos al lado de otros en una placa de circuito impreso (PCB) de cuatro capas. El uso del diseno de PCB multicapa y cables de senal y potencia apantallados mejora la inmunidad frente a la captacion de ruido y diafoma electrica. La altura del paquete de fotodiodo es preferiblemente mayor que la de los LED para reducir el acoplamiento directo de luz sobre la zona activa (diafoma optica). La separacion lateral entre los LED 702 y la zona activa de fotodiodo 703 aumenta la longitud de la trayectoria que debe atravesar la luz a traves del tejido, lo que mejora la senal.

La fuente de luz se excita a una frecuencia y amplitud dadas por una portadora de modulacion desde el circuito de excitacion 601. El circuito de excitacion 601 es un convertidor digital-analogico implementado usando un amplificador de suma de corriente tal como se muestra en la figura 10. Se genera una senal de entrada de DAC de 8 bits por un microcontrolador y presenta 255 niveles de amplitud discretos a traves de resistencias 1001. Se determina la frecuencia de la portadora mediante la tasa a la que se cronometra la senal de entrada. La senal de salida M(t) es una onda cuadrada de una frecuencia de la portadora dada con una amplitud que puede variarse entre 0 voltios y el intervalo de salida de escala completa del amplificador operacional 1002. La ganancia de tension de lazo cerrado del amplificador operacional 1002 se fija invirtiendo la fraccion de realimentacion de las resistencias 1003 y 1004. Esto puede ajustarse de modo que una entrada digital de 255 proporciona una salida analogica de escala completa.

La luz incidente en el fotodiodo 604 puede hacerse pasar a traves de un filtro optico de luz visible que atenua longitudes de onda por encima de 600 nm. El filtro puede incorporarse en el fotodiodo y colocarse delante de su zona activa. La respuesta espectral maxima del fotodiodo es preferiblemente de entre 500 nm y 600 nm. Mas espedficamente, la respuesta espectral maxima del fotodiodo puede ser de 580 nm. El filtro de luz puede reducir progresivamente la respuesta del fotodiodo por encima de 600 nm, lo que sirve para atenuar la interferencia de luz por encima de esta longitud de onda.

La luz incidente sobre el fotodiodo 604 genera una corriente analogica. La corriente del fotodiodo esta acoplada al convertidor corriente-tension 605, que puede ser un amplificador de transimpedancia 800 tal como se ilustra en la figura 8. El amplificador de transimpedancia 800 esta disenado preferiblemente de modo que su ganancia se reduce gradualmente por encima de la frecuencia de modulacion. Esta respuesta de filtro de paso bajo reduce el ruido y el escalonamiento. El amplificador 800 esta disenado de modo que un condensador de realimentacion 801 esta lo mas proximo posible al valor de la capacitancia de union de fotodiodo que reduce la ganancia de ruido de tension. Esto debe equilibrarse frente al requisito de reduccion gradual de la transimpedancia y la estabilidad del amplificador que se controla por el condensador de realimentacion 801 y la resistencia 802.

El filtro pasabanda 606 es preferiblemente un tipo Sallen-Key activo con una respuesta de frecuencia RC aunque se apreciara que podnan usarse respuestas de tipo Chebychev, Butterworth y otras. Un filtro 900 a modo de ejemplo se

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muestra en mas detalle en la figura 9. Aunque el filtro 900 esta disenado usando un amplificador operacional 906, se apreciara que puede producirse una respuesta de frecuencia de filtro pasabanda mediante otros metodos. El filtro 900 esta disenado para tener una frecuencia central lo mas proxima posible a la frecuencia de modulacion que, en este ejemplo, es de 570 Hz, y se seleccionan componentes de baja tolerancia para ayudar a lograr esto. La red de realimentacion de entrada de inversion 907 y 908 del amplificador operacional fija el ancho de banda y la ganancia del filtro. Esto esta disenado preferiblemente para proporcionar un ancho de banda tan estrecho como sea posible mientras que no se hace que la frecuencia central del filtro sea demasiado sensible a la tolerancia de los componentes 901, 902, 903, 904 y 905. La reduccion gradual de paso alto del filtro atenua ruido por debajo de la frecuencia de modulacion y la reduccion gradual de paso bajo atenua ruido por encima de la frecuencia de modulacion, lo que tambien proporciona filtrado antiescalonamiento. Se apreciara que aunque la respuesta del filtro pasabanda se implementa en este ejemplo como un solo filtro pasabanda, tambien podna implementarse con filtros de paso alto o bajo independientes de etapas unicas o multiples.

La salida del filtro pasabanda es una tension analogica que representa el pletismograma modulado por la portadora. Como el pletismograma modulado por la portadora detectado se ha filtrado con filtro pasabanda y por tanto su contenido de alta y baja frecuencia se ha atenuado, la senal de salida del filtro es una onda sinusoidal con una frecuencia igual a la de la frecuencia fundamental de las portadoras de modulacion.

El pletismograma se recupera mediante demodulacion de la senal de pletismograma modulado por la portadora filtrado con filtro pasabanda. La demodulacion y posterior acondicionamiento de senales pueden realizarse usando procesamiento de senales digitales. Sin embargo, todo este procesamiento puede llevarse a cabo en el dominio analogico usando circuitos tales como una celula I y un mezclador Q de Gilbert y un filtro de paso bajo para cada canal formando un bloqueo de dos canales. Por tanto un convertidor analogico-digital 607 sigue al filtro pasabanda y se usa para muestrear la tension analogica en la salida del filtro 606. Debe indicarse que el filtro es preferiblemente la ultima etapa antes del convertidor analogico-digital 607. Esto garantiza que el convertidor 607 se presenta con ruido filtrado con filtro pasabanda y sin ruido blanco de banda ancha y ruido de centelleo que estanan presentes en la salida de cualquier etapa de circuito activa sin una respuesta de frecuencia limitada. Los expertos en la tecnica entenderan que esto reducira el nivel de ruido que aparece en la salida del demodulador 608.

Para la conversion analogica-digital y la posterior demodulacion, la tasa de muestreo debe ser preferiblemente al menos cuatro veces un numero entero multiplo de la frecuencia de modulacion. Por ejemplo, la tasa de muestreo debe ser 4, 8 12, 16, etcetera, veces la frecuencia de modulacion. En una disposicion preferida, la frecuencia de modulacion es de 570 Hz y la frecuencia de muestreo es de 4560 Hz: la frecuencia de muestreo es 8 veces (2x4) la frecuencia de la portadora de modulacion.

Frecuencia de muestreo = n * 4 * frecuencia de modulacion (donde n es un numero entero)

Frecuencia de muestreo minima = 4 * frecuencia de modulacion

La figura 11 muestra un diagrama de flujo de un algoritmo de demodulador a modo de ejemplo tal como se lleva a cabo en el demodulador de la figura 2. Tal como se describio previamente, el demodulador comprende un multiplexador para dividir la senal modulada en dos canales para proporcionar una primera senal de entrada modulada y una segunda senal de entrada modulada.

Considerando la primera senal modulada, esta se multiplica con una primera portadora de demodulador. El oscilador local de demodulador (LO) es una onda cuadrada con una amplitud de 1, una amplitud pico a pico de 2 y, por tanto, valores de muestra de +1 y -1. Su ciclo de trabajo es del 50%. Su frecuencia es igual a la frecuencia de la portadora de modulacion. En este ejemplo, la frecuencia de modulacion y, por tanto, de demodulacion, es de 570 Hz, y la tasa de muestreo es de 4560 Hz. Por tanto, la forma de onda de demodulacion comprende ocho muestras: cuatro del valor +1 correspondiente al ciclo positivo de la portadora, y cuatro del valor -1 correspondiente con el ciclo negativo de la portadora. Por tanto un ciclo del LO de demodulacion esta representado por las muestras +1, +1, +1, +1, -1, -1, -1, -1 y se repite este patron, hasta el infinito, para generar una senal digital continua. Para multiplicar la primera senal modulada con el primer LO de demodulador y, por tanto, obtener la senal I (etapa 1102), cada valor medido de la senal modulada se multiplica con un valor correspondiente en el tiempo de la senal de oscilador local de demodulador: la senal modulada se multiplica o bien por +1 o bien por -1. El uso de la multiplicacion por +1 y -1 es tal que el procesamiento es relativamente sencillo en chip y tal enfoque se transfiere facilmente a un solo circuito integrado si se requiere.

Considerando ahora la segunda senal modulada, esta se multiplica con un segundo LO de demodulador. El LO de demodulador es una onda cuadrada con una amplitud de 1, una amplitud pico a pico de 2 y, por tanto, valores de muestra de +1 y -1. Su ciclo de trabajo es del 50%. Su frecuencia es igual a la frecuencia de la portadora de modulacion. En este ejemplo la frecuencia de modulacion y, por tanto, de demodulacion, es de 570 Hz y la tasa de muestreo es de 4560 Hz. Por tanto, la forma de onda de demodulacion consiste en ocho muestras: cuatro del valor + 1 correspondiente al ciclo positivo de la portadora, y cuatro del valor -1 correspondiente con el ciclo negativo de la portadora. Sin embargo, la segunda portadora de demodulador se desfasa en 90 grados con respecto a la primera portadora de demodulador. Por tanto un ciclo de la portadora de demodulacion esta representado por las muestras -1, -1, +1, +1, +1, +1, -1, -1 y se repite este patron, hasta el infinito, para generar un LO de demodulacion continuo.

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Observese que esto no es igual que la primera senal de portadora demodulada proporcionada anteriormente sino que es una version desfasada en 90 grados de la misma. Para multiplicar la segunda senal modulada con el segundo LO de demodulador y, por tanto, obtener la senal Q, cada valor medido de la senal modulada se multiplica (etapa 1105) con un valor correspondiente en el tiempo de la senal de portadora demodulada: se multiplico o bien por +1 o bien por -1.

Se apreciara ahora que, en este ejemplo que usa un convertidor analogico-digital y demodulador digital, el requisito para el muestreo de la senal detectada filtrada con filtro pasabanda, en un mmimo de cuatro veces la frecuencia de modulacion o en un multiplo de numero entero de cuatro veces la frecuencia de modulacion es de modo que el desfase de 90 grados puede implementarse de modo preciso, desfasando el LO de demodulacion muestreado un cuarto de su ciclo.

Por separado, las senales I y Q se filtran cada una con filtro de paso bajo para eliminar armonicos no deseados y productos del proceso de multiplicacion, y se deciman para reducir la tasa de muestreo. Esto se lleva a cabo sumando cada senal en bloques de ocho muestras de largo (etapas 1103 y 1106). Para cada canal, se suman las primeras ocho muestras, luego las segundas ocho, etcetera, hasta el infinito. Se entendera que esto es equivalente a integrar las senales I y Q a lo largo de un ciclo. Se apreciara que esto es un proceso de promedio, que proporciona una respuesta de frecuencia de filtro de paso bajo y, por tanto, atenua los productos de multiplicador de alta frecuencia. Tambien se apreciara que esto es un filtro de promedio que proporciona una respuesta de frecuencia con grandes nulos en multiplos de la frecuencia de la portadora. Esto proporciona una buena atenuacion de armonicos de la portadora de modulacion. Finalmente se apreciara que al sumar ocho muestras a una muestra, el procedimiento tambien actua como etapa de decimacion. Esta tasa de muestreo reducida suaviza la complejidad computacional de las ultimas etapas de procesamiento de senales y reduce el umbral mmimo de ruido del convertidor analogico-digital mejorando la relacion senal-ruido.

La senal I filtrada y decimada se denomina ahora I'. La senal Q filtrada y decimada se denomina ahora Q'.

Finalmente, las senales I' y Q' se demultiplexan de vuelta para dar una senal: el pletismograma demodulado. Cada muestra I' se multiplica por sf misma para proporcionar I'2 (etapa 1104). Cada muestra Q' se multiplica consigo misma para proporcionar Q'2 (etapa 1107). Cada muestra I'2 se suma con su muestra Q'2 correspondiente para proporcionar: I'2 + Q'2 (etapa 1108). Se halla la rafz cuadrada de cada muestra sumada: (I'2 + Q'2) ,5 (etapa 1109) para proporcionar una muestra de pletismograma.

La etapa final en el dispositivo de fotopletismografo 600 a modo de ejemplo es el filtro de promedio de bloques 609. El filtro de promedio de bloques suma bloques consecutivos de 19 muestras (etapa 1110) para proporcionar una muestra. Esto proporciona la funcion de un filtro de promedio y decimador y sus caractensticas se usan para atenuar ruido relacionado con armonicos, en particular el ruido generado por pantallas de ordenador de 60 Hz. El filtro de promedio tiene una respuesta de frecuencia que proporciona un nulo (gran atenuacion) en multiplos de la frecuencia de muestreo. La frecuencia de muestreo original de 4560 Hz se ha decimado en 8, luego en 19, proporcionando una frecuencia de muestreo final de 30 Hz. Por tanto la respuesta del filtro de promedio proporciona una gran atenuacion en multiplos de 30 Hz.

La fuente de luz 602 se modula con una portadora de 570 Hz. Esto se situa a medio camino entre 540 Hz (9° armonico de 60 Hz) y 600 Hz (10° armonico de 60 Hz). En la salida del demodulador, estos armonicos aparecen a 30 Hz (apareciendo todos los demas armonicos en multiplos pares de 30 Hz). El filtro de promedio de bloques 609 es un metodo sencillo para atenuar esta interferencia. La salida de esta etapa final de filtrado (etapas 1111, 1112) es el pletismograma (S1(t)).

Se apreciara que la tasa de muestreo final y, por tanto, las caractensticas de frecuencia del filtro de promedio de bloques de etapa final, dependera de las razones de decimador usadas en el demodulador 608 y el filtro de promedio de bloques 609. Por tanto, estas razones pueden ajustarse para proporcionar la atenuacion de diferentes armonicos mediante el filtro de promedio de bloques. Un intervalo de valores para la frecuencia de la portadora de modulacion, la tasa de muestreo y las razones de decimacion se proporcionan en la tabla 1 a continuacion. Una frecuencia de la portadora de modulacion, tasa de muestreo y razon de decimacion se eligen para atenuar una tasa de regeneracion problematica dada.

Tasa de regeneracion (Hz): Tasa de regeneracion, armonicos (Hz) Tasa de regeneracion, armonicos (Hz) Frecuencia de la portadora de modulacion (Hz) Armonico tras demodulacion (Hz) Tasa de muestreo (8 x portadora) (Hz) Razon de decimacion

60: 540 600 570 30 4560 152

70: 490 560 525 35 4200 120

72: 504 576 540 36 4320 120

75: 525 600 562,5 37,5 4500 120

85: 510 595 552,5 42,5 4420 104

Puede observarse una senal de salida tfpica en la figura 13. La figura 13a muestra las componentes de CA y CC

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combinadas. La figura 13b muestra las componentes de CA aumentadas. La mayor periodicidad de frecuencia es la frecuencia del pulso del sujeto medida. La menor periodicidad de frecuencia es la frecuencia respiratoria del sujeto medida, que se verifico con una sonda de termistor. Se encuentran comunmente algoritmos para determinar la frecuencia del pulso en la bibliografia y consiste en la deteccion de picos, etc.

Aplicaciones

Una ventaja de los dispositivos de pletismografo descritos en el presente documento es que puede usarse un sensor de modo de reflectancia fiable en muchos sitios del cuerpo no adecuados previamente para la deteccion de fotopletismograma. Por ejemplo, la frente es un sitio altamente conveniente para monitorizar en condiciones duras tales como empleados que trabajan en la minena o la industria del procesamiento qmmico que tienen que llevar puestos cascos de seguridad. El dispositivo puede ubicarse convenientemente en la banda del casco de seguridad o en la muneca bajo un reloj u otros lugares convenientes de este tipo en el cuerpo. Se han descrito sensores para la frente y la colocacion en la cabeza en Branche et at. “Measurement Reproducibility and Sensor Placement Considerations in Designing a Wearable Pulse Oximeter for Military Applications”, IEEE 30th Annual Northeast Bioengineering Conference, Springfield, MA, Estados Unidos, 2004. Este arficulo notifico un sensor para la frente montado en un casco para aplicaciones militares.

Otro entorno duro es en la sala de maternidad en hospitales para recien nacidos que necesitan reanimacion. La colocacion de un transductor de este tipo en la frente permite al medico concentrarse en el cuidado neonatal a la vez que escucha de manera continua un pitido audible que indica la frecuencia del pulso. Un dispositivo de este tipo sera altamente adecuado para otros entornos duros y rutinarios en los campos de la salud y la seguridad. Por otra parte, existen aplicaciones suaves de nuevo para el montaje en prendas de ropa para aplicaciones sociales, domesticas, deportivas y biometricas.

Resultados

Las figuras 13, 14 y 15 muestran los resultados de experimentos con los dispositivos de fotopletismografo a modo de ejemplo descritos previamente. El fotopletismografo se uso para registrar el pletismograma iluminando la frente del sujeto. Por tanto, estos graficos muestran el pletismograma de la frente.

La figura 13a muestra las componentes de CA y CC del pletismograma. Esto es una senal de pletismograma tradicional que se esperana. La figura 13b muestra la componente de CA que se ha aumentado. La senal pulsatil provocada por el pulso arterial que se desplaza bajo el sensor es claramente visible. Esto se superpone sobre otra senal de menor frecuencia que tiene un periodo de aproximadamente 10 segundos. Esta es la senal de respiracion provocada por variaciones en el volumen sangumeo a medida que el sujeto inhala y exhala. En este experimento, el sujeto respiro a una frecuencia y profundidad bastante constantes, inhalando y exhalando una vez cada 8 segundos. Esto se observa claramente entre 10 y 60 segundos.

La figura 14a muestra una componente de CA de pletismograma aumentada. La figura 14b muestra la componente de CA tras haberse filtrado con filtro pasabanda para atenuar la senal pulsatil. La senal de respiracion del fotopletismograma es claramente visible.

La figura 15 confirma que esta senal de CA de baja frecuencia es la senal de respiracion del fotopletismograma. La figura 15a muestra la senal de respiracion del fotopletismograma. La figura 15b muestra la senal de un termistor bucal. Este termistor se coloco en un tubo de plastico a traves del cual respiraba el sujeto. A medida que el sujeto exhala, el aire de los pulmones calentado por el cuerpo produce una elevacion de la temperatura. A medida que el sujeto inhala, el aire mas fno de la sala se aspira a traves del termistor y el sensor registra una disminucion de la temperatura. Por tanto la frecuencia respiratoria puede medirse y correlacionarse con la senal de fotopletismograma para validar la senal de frecuencia respiratoria del fotopletismograma.

La inspeccion y comparacion de las figuras 15a y 15b muestran que la componente de CA del pletismograma contiene informacion tanto pulsatil como de respiracion y que el fotopletismografo a modo de ejemplo detecta estas senales con facilidad. Las dos senales deben estar desfasadas 180 grados, lo que es el caso. El pequeno retardo de fase se provoca por la capacitancia termica del termistor.

En un aspecto general, las salidas de demodulador de los dispositivos de fotopletismografo tal como se describe en el presente documento (por ejemplo, el pletismograma S1(t)) proporcionan generalmente una senal que es indicativa del volumen sangumeo en funcion del tiempo. Esto puede analizarse usando tecnicas conocidas por el experto. La salida tambien puede usarse para deducir los constituyentes sangumeos o la composicion de la sangre. Se supone que la subida y cafda periodicas en la intensidad de luz detectada se deben unicamente al flujo de entrada de sangre arterial al tejido. Usando las mediciones de pico y valle, puede medirse la atenuacion debida a la sangre arterial. Si esto se realiza a dos longitudes de onda opticas diferentes, entonces puede estimarse la saturacion de oxfgeno (la razon de sangre oxigenada con respecto a desoxigenada), usando tecnicas conocidas.

Fotopletismografia con luz verde

Se usa la tecnica de fotopletismografia en pulsioxfmetros que determinan la saturacion relativa de oxfgeno de la

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sangre. Estos dispositivos se usan normalmente en el modo de transmision: se usa luz para iluminar una zona de tejido y se detecta la luz emergente en el otro lado del tejido y se procesa para determinar el porcentaje de saturacion. Esta tecnica se limita a zonas de la piel lo suficientemente delgadas como para que pase la luz a su traves, tales como los dedos de las manos, los dedos de los pies y los lobulos de las orejas.

La eleccion de longitud de onda de la luz en la pulsioximetffa en modo de transmision es importante. La absorcion de luz por la sangre disminuye en un orden de magnitud desde 450 nm hasta 600 nm, entonces de nuevo desde 600 nm hasta 650 nm y mas alla. Esta absorcion es una funcion de la longitud de la trayectoria fotonica y el coeficiente de absorcion y es muy grande en el modo de transmision. El resultado de esto es que la atenuacion de luz entre 450 nm y 600 nm es muy alta, hasta tal grado que pasara muy poca cantidad de luz de longitud de onda por debajo de 600 nm a traves de un apendice tal como el dedo de la mano, dedo del pie o lobulo de la oreja. Generalmente, se usa luz a 650 nm o mayor.

De manera similar, gran parte de la investigacion de fotopletismograffa ha sido con dispositivos que funcionan en el modo de transmision y, por tanto, se ha usado luz de una longitud de onda mayor de 600 nm.

Cuando se usa en el modo de reflexion, la longitud de la trayectoria y, por tanto, la absorcion global, es menor. Esto es porque la luz no pasa a traves de un apendice, sino que se dispersa (o se refleja) desde las capas de superficie de tejido de vuelta al detector. Esto significa que puede usarse luz de entre 450 nm y 600 nm. Sin embargo, la intensidad es todavfa muy baja y son necesarias tecnicas de deteccion de bajo ruido para lograr una relacion senal- ruido adecuada.

La ventaja de usar luz de una longitud de onda que se absorbe fuertemente es porque el principal medio de absorcion es la sangre. Esto significa que un cambio en el volumen sangumeo provocara un cambio correspondiente pero mayor en la intensidad de luz entre 450 nm y 600 nm que a 600 nm y mas alla. Por tanto, la amplitud de la luz se modula por la sangre en mayor grado y, por tanto, la componente pulsatil de una senal de fotopletismograma de reflectancia es mucho mayor cuando se usa luz entre 450 nm y 600 nm que cuando se usa luz de mas de 600 nm. Esto se ilustra mediante las figuras 16 y 17.

La figura 16 muestra un fotopletismograma usando luz verde a una longitud de onda de 510 nm y la figura 17 muestra un fotopletismograma usando luz roja a una longitud de onda de 644 nm. El ajuste a escala del eje y en ambas representaciones graficas es identico. Puede observarse claramente que la luz verde proporciona una mayor senal pulsatil que la luz roja. El pulso provocado por el latido del corazon es claramente visible y de mayor amplitud que cuando se usa luz roja, con una mejora correspondiente en la relacion senal-ruido.

Adicionalmente, los resultados de la luz verde muestran claramente la senal de respiracion como una deriva de la lmea base de baja frecuencia. La senal de respiracion no se observo facilmente cuando se uso luz roja.

Varias de las caracteffsticas descritas en el presente documento pueden usarse facilmente unas junto a otras.

El uso de luz modulada con demodulacion en cuadratura tal como se describe en relacion con la figura 2, en la que el demodulador es insensible a cualquier diferencia de fase entre la senal de modulacion y el oscilador del demodulador ofrece varias ventajas con respecto a los metodos de la tecnica anterior. La senal de fotopletismograma modulada puede filtrarse con filtro pasabanda a la frecuencia de modulacion para proporcionar una buena atenuacion de la luz ambiental de CC, luz fluorescente de 100 Hz y luz de pantallas de ordenador de 60 Hz y ruido de centelleo. Por tanto proporciona un mejor rechazo de la interferencia que los esquemas de la tecnica anterior que usan luz de CC (no modulada), o luz modulada con deteccion en intervalos de tiempo que se usa comunmente en pulsioxfmetros cuando se usa como metodo de multiplexacion por division temporal entre un LED rojo y uno infrarrojo.

La demodulacion en cuadratura tambien es insensible a la diferencia entre la fase de la portadora de modulacion y de demodulacion. Esto puede simplificar el proceso de demodulacion a un simple algoritmo, sin una sincronizacion necesaria de las portadoras.

La demodulacion en cuadratura puede usarse facilmente junto con los dispositivos de pletismografo de multiples longitudes de onda descritos en el presente documento, asf como con los dispositivos con distribucion de pfxeles, los dispositivos en modo de reflexion y los dispositivos con luz verde.

Se encuentra que la combinacion de fotopletismograffa con luz verde y demodulacion en cuadratura es particularmente ventajosa. El uso de luz verde maximiza la amplitud de la senal de fotopletismograma detectada y la luz modulada con un filtro pasabanda y demodulacion en cuadratura minimiza los efectos de ruido. Esta combinacion maximiza por tanto la relacion senal-ruido y esto significa que pueden extraerse la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria con mayor fiabilidad. En el caso de la deteccion de frecuencia cardiaca, se reduciran los falsos positivos o latidos ausentes. En el caso de la senal de respiracion, se ha recuperado claramente una senal que ha sido diffcil de detectar previamente, y la tecnica reduce el numero de falsos positivos y respiraciones ausentes.

La relacion senal-ruido mejorada de la senal de fotopletismograma mejora por tanto la deteccion de las

caractensticas en la senal que se relacionan con el latido del corazon y la respiracion y, por tanto, mejora la fiabilidad de cualquier algoritmo que usa estas caractensticas para determinar la frecuencia cardiaca y respiratoria.

En diversas figuras, tales como las figuras 1 - 3, 6, 12 y 18 - 20, las senales de modulacion se marcan con M1(t) y las senales de demodulacion como D1(t) indicativas de una senal en el dominio de tiempo continuo, es decir, una 5 senal analogica con una amplitud que vana en funcion del tiempo. Se entendera que las disposiciones descritas podnan implementarse facilmente usando un algoritmo de procesamiento de senales digitales, por ejemplo en un microprocesador. En tales casos, se entendera que M1, D1 senan senales muestreadas discretas, M1(n) y D1(n). De manera similar, en la figura 12 los bloques funcionales G(s) y B(s) podnan representarse por los algoritmos de acondicionamiento de senales B(z) 1201 y G(z) 1203.

10 Otras realizaciones estan de manera intencionada dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

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REIVINDICACIONES

Dispositivo de fotopletismografo, que comprende:

una fuente de luz (102, 302, 304, 602, 702) para iluminar un objeto objetivo (103, 305, 503, 603);

un modulador (101, 301, 303, 601) para excitar la fuente de luz de manera que la intensidad de salida vana en funcion de una senal de modulacion a una frecuencia de modulacion;

un detector (105, 307, 502, 605, 703) para recibir luz desde el objeto objetivo y generar una salida electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida;

un filtro pasabanda (106, 308, 606) para filtrar la salida electrica del detector;

un convertidor analogico-digital (607) para convertir la salida del filtro pasabanda en una senal digital a una frecuencia de muestra;

un demodulador (107, 309, 310, 608) para recibir la salida del detector, que tiene un oscilador local (204) y para producir una salida demodulada representativa de la senal de modulacion y cualquier banda lateral de la misma, en el que el demodulador es insensible a cualquier diferencia de fase entre la senal de modulacion y el oscilador local (204); y

medios para generar, a partir de la salida demodulada, una senal indicativa del volumen sangumeo en funcion del tiempo y/o la composicion de la sangre;

en el que el demodulador es un demodulador de procesamiento de senales digitales (107, 309, 310, 608), en el que ademas:

el oscilador local (204) esta configurado para producir una primera salida de onda cuadrada a una frecuencia de oscilador y a un primer angulo de fase, y una segunda salida de onda cuadrada a la frecuencia de oscilador y a un segundo angulo de fase, estando el segundo angulo de fase a 90 grados con respecto al primer angulo de fase;

el demodulador esta configurado para multiplicar la salida del detector con la primera salida de onda cuadrada y la segunda salida de onda cuadrada para producir una senal I y una senal Q respectivamente; y

en el que el demodulador (107, 309, 310, 608) esta configurado para filtrar con filtro de paso bajo y decimar la senal I y la senal Q sumando muestras en bloques, en el que el numero de muestras en un bloque es igual a la frecuencia de muestra dividida entre la frecuencia de oscilador, para producir una senal I' y una senal Q' filtradas con filtro de paso bajo y decimadas, demultiplexandose la senal I' y la senal Q' juntas para formar la salida demodulada.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, en que la frecuencia de oscilador local es sustancialmente igual a la frecuencia de modulacion.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, que incluye ademas un circuito de realimentacion adaptado para: ajustar la intensidad de salida de la fuente de luz en funcion de la salida del detector o la salida demodulada y/o mantener la intensidad de salida de la fuente de luz a un nivel adecuado para mantener la deteccion de un pletismograma a partir de la salida demodulada.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, en el que la salida de la fuente de luz se encuentra en el intervalo del espectro optico entre 450 nm y 600 nm.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, que incluye:

una segunda fuente de luz (304) para iluminar el objeto objetivo con luz de una longitud de onda diferente que la primera fuente de luz (302),

un segundo modulador (303) para excitar la segunda fuente de luz de manera que la intensidad de salida vana en funcion de una segunda senal de modulacion, y

un segundo demodulador (310) para producir una segunda salida demodulada representativa de la segunda senal de modulacion.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 5, en que el segundo demodulador es insensible a cualquier diferencia de fase entre la senal de modulacion y un oscilador local del segundo demodulador.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 5, que incluye ademas medios para generar, a partir de la segunda salida de demodulador, una senal indicativa del volumen sangumeo en funcion del tiempo

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y/o la composicion de la sangre.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, en el que el filtro pasabanda (106, 308, 606) tiene una banda de paso solo lo suficientemente ancha para que pase la frecuencia de modulacion y cualquier banda lateral provocada por la modulacion de la amplitud del pletismograma en la salida del detector.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, que comprende ademas un filtro de promedio de bloques que suma bloques consecutivos de muestras de la salida demodulada a una frecuencia de promedio de bloques, teniendo el filtro de promedio de bloques una respuesta de frecuencia que proporciona una mayor atenuacion en multiplos de la frecuencia de muestreo.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 8, en que la banda de paso se limita sustancialmente a 25 Hz a cada lado de la frecuencia de modulacion; o

dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 9, en el que la frecuencia de promedio de bloques se selecciona para rechazar fuentes de ruido con una frecuencia de 60 Hz.

Dispositivo de fotopletismografo segun la reivindicacion 1, en que la fuente de luz (702) y el detector (703) estan dispuestos lateralmente adyacentes entre sf sobre un sustrato de manera que las superficies activas del mismo pueden dirigirse sustancialmente hacia el mismo punto sobre una superficie del cuerpo objetivo.

Dispositivo de fotopletismografo segun cualquier reivindicacion anterior, que tiene una sonda, comprendiendo la sonda la fuente de luz y el detector, y estando ubicada la sonda bajo un reloj o montada en prendas de ropa.

Metodo de generacion de un pletismograma, que comprende las etapas de: iluminar un objeto objetivo con una fuente de luz (102, 302, 304, 602, 702);

excitar la fuente de luz (102, 302, 304, 602, 702) con un modulador (101, 301, 303, 601) de manera que la intensidad de salida vana en funcion de una senal de modulacion a una frecuencia de modulacion;

recibir luz del objeto objetivo con un detector (105, 307, 502, 605, 703) y generar una salida electrica en funcion de la intensidad de la luz recibida;

filtrar la salida electrica con un filtro pasabanda (106, 308, 606);

convertir la salida del filtro pasabanda en una senal digital a una frecuencia de muestra con un convertidor analogico-digital (607);

recibir la salida del detector en un demodulador (107, 309, 310, 608) que tiene un oscilador local (204) y producir una salida demodulada representativa de la senal de modulacion y cualquier banda lateral de la misma, en el que el demodulador es insensible a cualquier diferencia de fase entre la senal de modulacion y el oscilador local; y

generar, a partir de la salida demodulada, una senal indicativa del volumen sangumeo en funcion del tiempo y/o la composicion de la sangre;

el oscilador local (204) produce una primera salida de onda cuadrada a una frecuencia de oscilador y a un primer angulo de fase, y una segunda salida de onda cuadrada a la frecuencia de oscilador y a un segundo angulo de fase, estando el segundo angulo de fase a 90 grados con respecto al primer angulo de fase;

en el que el demodulador multiplica la salida del detector con la primera salida de onda cuadrada y la segunda salida de onda cuadrada para producir una senal I y una senal Q respectivamente; y