ES2618047T3 - Dispositivo, sistema y método para detección y procesamiento de señales de pulso cardiaco - Google Patents

Dispositivo, sistema y método para detección y procesamiento de señales de pulso cardiaco Download PDF

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ES2618047T3 ES14706094.1T ES14706094T ES2618047T3 ES 2618047 T3 ES2618047 T3 ES 2618047T3 ES 14706094 T ES14706094 T ES 14706094T ES 2618047 T3 ES2618047 T3 ES 2618047T3
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Abstract

Un dispositivo de detección de pulso cardiaco que comprende al menos una unidad (10, 10a, 10b) sensora por reflexión óptica configurada para ser colocada sobre la piel (13) de una persona, incluyendo la al menos una unidad sensora óptica un emisor (11) de luz y un correspondiente receptor (12) de luz, estando configurado el emisor de luz para emitir luz sobre la piel de la persona, estando configurado el receptor de luz para recibir la luz reflejada por la piel y convertirla en una señal eléctrica, caracterizado por que la unidad sensora óptica incluye además filtros (16, 17) ópticos eléctricamente ajustables conectados al emisor, al receptor, o a ambos, para seleccionar, tras el accionamiento, una longitud de onda deseada de la luz emitida sobre la piel de la persona, de la luz que puede ser recibida por el receptor de luz, o ambas.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo, sistema y metodo para deteccion y procesamiento de senales de pulso cardiaco
La presente invention esta relacionada con dispositivos, sistemas y metodos innovadores para detectar el pulso cardiaco.
Se conocen sistemas de deteccion del pulso cardiaco (tambien llamados sistemas de deteccion de BVP - Pulso de Volumen Sangulneo -) que funcionan opticamente. Estos sistemas suelen emplear un emisor de luz, el cual, por medio de reflexion o transparencia, ilumina un receptor apropiado despues de que la luz emitida haya chocado con una zona del cuerpo o haya pasado a traves de ella.
Basicamente, estos monitores del pulso cardiaco son sistemas de deteccion que son capaces de medir la manera en la que el volumen sangulneo cambia a lo largo del tiempo en una zona especlfica del cuerpo.
Por lo general, los dispositivos de reflexion se colocan en una zona del cuerpo, tal como la muneca, en la que existe una variation en la cantidad de luz reflejada dependiendo del flujo sangulneo superficial en esta zona. En vez de esto, los dispositivos de transparencia se aplican cerca de partes relativamente delgadas del cuerpo (tales como los dedos o los lobulos de las orejas) de manera que la luz es capaz de pasar a traves de ellas y detectan la variacion en la luz que pasa a traves de ellas debida al flujo sangulneo en dichas partes.
Ambos sistemas, sin embargo, estan sometidos a perturbaciones de la senal util, por ejemplo debidas a las condiciones de luz circundantes y al movimiento de la persona que esta siendo sometida a medicion.
Por ejemplo, el sensor opera por medio de contacto con un medio deformable - la piel - en cuyo interior fluye sangre. Este medio esta sometido a deformation mecanica, lo cual deteriora la medida, anadiendo una senal no deseada, a saber, ruido.
Los dispositivos de reflexion son mas practicos para uso prolongado, pero la variacion en luz reflejada producida por las variaciones de flujo sangulneo que siguen al latido del corazon es muy pequena y ademas esta afectada generalmente por una gran cantidad de ruido.
Por ejemplo, aunque la muneca es una de las posiciones mas convenientes para llevar puesto un sensor de reflexion para detectar el pulso, el ruido en la senal, creado por el movimiento de los tejidos situados debajo del sensor que sigue, por ejemplo, el movimiento de la extremidad, de la muneca o de los dedos, es uno de los principales obstaculos para deteccion optica del pulso en esta zona. Tambien el acto de moverse o caminar produce movimientos relativos del sensor y de los tejidos que producen perturbaciones adicionales de una naturaleza significativa.
En la tecnica se han propuesto diferentes soluciones para intentar mejorar la relation senal/ruido durante la deteccion por reflexion, tratando de filtrar las diferentes perturbaciones superpuestas sobre la senal util.
Por ejemplo se ha propuesto utilizar sensores de movimiento situados junto con sensores opticos para detectar movimientos de amplitud relativamente grande del cuerpo al cual esta aplicado el sensor. Este sistema de deteccion, sin embargo, no proporciona datos acerca del desplazamiento relativo del sensor y del tejido subyacente y se suele utilizar para impedir la lectura del sensor optico en caso de movimientos excesivos en la parte de la persona, los cuales se asume a priori que pueden producir una gran cantidad de perturbation que no se puede filtrar de forma efectiva. Sin embargo, en caso de actividad flsica prolongada, el sensor permanece desactivado durante un largo periodo de tiempo y precisamente cuando la deteccion del pulso cardiaco es del mayor interes.
Tambien se ha propuesto utilizar dos fuentes de luz con una longitud de onda diferente apropiada.
La primera longitud de onda se ha elegido de entre aquellas longitudes de onda que no son absorbidas por la oxihemoglobina (por ejemplo roja), mientras que la segunda longitud de onda se elige de entre aquellas que son mejor absorbidas por la oxihemoglobina (por ejemplo verde). Esto produce como resultado una primera senal que esta mejor relacionada con el movimiento de los tejidos y una segunda senal que esta mejor relacionada con el flujo sangulneo. Se realiza entonces el filtrado del ruido restando apropiadamente la primera senal de la segunda senal, para mitigar el efecto de los movimientos relativos de tejidos y sensor. Un sistema de este tipo se describe por ejemplo en la patente EP2462866, la cual describe los rasgos del preambulo de las reivindicaciones 1 y 9.
Un sistema de filtrado de este tipo proporciona una senal de salida con ruido reducido. Sin embargo, la mayorla de las veces la relacion senal/ruido es todavla muy desfavorable. Ademas, la respuesta a la longitud de onda especlfica elegida no siempre permanece constante con el paso del tiempo y/o con el cambio de persona que es sometida a la medicion.
Los metodos mixtos tambien proporcionan resultados que no son totalmente satisfactorios. Por ejemplo, el ruido es muy alto cuando se esta corriendo y cuando se esta trabajando en un ordenador (movimientos del dedo). En el primer caso los acelerometros son lo mas util para eliminar el ruido, mientras que en el segundo caso es preferible utilizar el sistema con dos longitudes de onda. El uso simultaneo de ambos metodos como se propuso en la tecnica
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anterior (por ejemplo, de nuevo como se describe en la patente US2012150052) compensa, sin embargo, solo para un numero de fuentes de ruido y sigue sin proporcionar una relacion senal/ruido satisfactoria para aplicaciones especiales o en casos en los que la persona es libre de realizar cualquier actividad diaria. Ademas, los dos sistemas pueden interferir el uno con el otro, dificultando aun mas la deteccion.
Un objeto general de la presente invencion es proporcionar un sistema capaz de garantizar una deteccion satisfactoria del pulso cardiaco en presencia de perturbaciones provocada por diferentes fuentes.
En vista de estos objetos la idea que ha surgido, de acuerdo con la invencion, es proporcionar un dispositivo y metodo de deteccion del pulso cardiaco como se define en las reivindicaciones independientes.
Tambien ha surgido la idea de proporcionar un sistema para detectar y procesar datos fisiologicos, que comprende al menos un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores conectado por medio de una interfaz inalambrica a una unidad de procesamiento y transmision de datos que recibe los datos procedentes del dispositivo y los procesa.
Tambien ha surgido la idea de proporcionar un metodo para incrementar la relacion senal/ruido de una senal electrica para detectar el pulso cardiaco opticamente por medio de al menos una unidad sensora por reflexion optica, que comprende diferenciar entre los efectos de al menos dos longitudes de onda de luz por medio de filtros opticos electricamente ajustables y procesar las senales correspondientes recibidas desde al menos una unidad de reflexion optica para obtener la senal electrica que representa el pulso cardiaco.
Como resultara evidente a partir de la descripcion y los dibujos,
un dispositivo para detectar o monitorizar el pulso cardiaco puede comprender un sistema sensor que esta en contacto con la piel y que comunica con un sistema de procesamiento central. El sistema remoto puede comprender uno o mas sistemas de deteccion optica para medir las variaciones en el volumen sangulneo usando los principios flsicos de absorcion y fluorescencia. Los sistemas opticos pueden comprender:
- uno o mas emisores de luz de banda ancha (por ejemplo LEDs);
- uno o mas receptores de luz de banda ancha (por ejemplo fotodiodos o fototransistores) y
- uno o mas monocromadores sintonizables, los cuales pueden estar conectados a los emisores de luz, a los receptores de luz o a ambos, para seleccionar una cierta longitud de onda.
El monitor de ritmo cardiaco tambien puede comprender uno o mas de los siguientes:
- uno o mas sistemas de deteccion optica situados a una distancia fija a lo largo de la direction del flujo sangulneo para estimar el tiempo de propagation de la sangre;
- un sistema de deteccion electrica que comprende dos o mas electrodos en contacto con la piel para medir la respuesta galvanica de la piel, y
- un sistema de deteccion mecanica para medir la aceleracion tridimensional y la orientation del sistema.
El monitor de frecuencia cardiaca tambien puede contemplar que uno o mas monocromadores permitan que el sistema de deteccion optica trabaje tanto en modo de absorcion como en modo de fluorescencia a dos o mas longitudes de onda.
Un metodo para maximizar la relacion senal/ruido de la senal de volumen sangulneo puede comprender los pasos de:
- diferenciar entre los efectos de dos (o mas) longitudes de onda en modo de absorcion y en modo de fluorescencia sobre senales de los sistemas de deteccion optica;
- sintonizar dinamicamente las dos (o mas) longitudes de onda para maximizar los niveles de senal de los sistemas de deteccion optica.
Ademas el metodo puede comprender uno o mas de los siguientes pasos:
- combinar los efectos del modo de absorcion y del modo de fluorescencia sobre las senales de los sistemas de deteccion optica;
- combinar las senales procedentes de los sistemas de deteccion optica con la senal del sistema de deteccion electrica;
- eliminar el efecto de deformation del medio sobre el tiempo de propagacion de la sangre, y
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- eliminar el efecto de deformacion del medio que se produce como resultado de otros efectos mecanicos que estan contenidos en la senal suministrada por el sistema de deteccion mecanica.
El monitor de ritmo cardiaco tambien puede comprender un sistema remoto en contacto con la piel de un usuario y que comunica con un sistema de procesamiento central.
El sistema remoto tambien puede comprender uno o mas de los siguientes elementos:
- un procesador remoto;
- un sistema de deteccion conectado al procesador remoto;
- una memoria remota conectada al procesador remoto;
- un generador de senal de reloj conectado al procesador remoto;
- una interfaz de usuario remota conectada al procesador remoto;
- un transmisor-receptor remoto conectado al procesador remoto;
- una antena remota conectada al transmisor-receptor remoto, y
- una baterla remota conectada al procesador remoto, al sistema de deteccion, a la memoria remota, al generador de senal de reloj, y al transmisor-receptor remoto.
El sistema de procesamiento central puede comprender:
- un procesador central;
- una memoria central conectada al procesador central;
- un transmisor-receptor central conectado al procesador central; y
- una antena central conectada al transmisor-receptor central.
La citada memoria central puede comprender ademas un conjunto de instrucciones que se pueden ejecutar en el procesador central, comprendiendo las instrucciones:
- un algoritmo para maximizar la relacion senal/ruido de la senal de volumen sangulneo recibida procedente del sistema remoto, y
- un algoritmo para procesar la senal de volumen sangulneo optimizada para determinar una senal de pulsacion basada en deteccion del valor de pico.
Para ilustrar con mayor claridad los principios innovadores de la presente invencion y sus ventajas en comparacion con la tecnica anterior, se describiran a continuacion, con la ayuda de los dibujos adjuntos, ejemplos de realizacion que aplican estos principios. En los dibujos:
- La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un primer dispositivo de deteccion por reflexion proporcionado de acuerdo con los principios de la presente invencion;
- La Figura 2 muestra una grafica de senales detectadas por un aparato de acuerdo con la invencion;
- La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de un segundo dispositivo de deteccion por reflexion proporcionado de acuerdo con los principios de la presente invencion;
- La Figura 4 muestra una grafica adicional que ilustra senales detectadas por un aparato de acuerdo con la invencion;
- La Figura 5 muestra un diagrama de bloques de un posible sistema para procesamiento remoto de los datos detectados por los sensores de acuerdo con la invencion;
- La Figura 6 muestra una vista esquematica de un sistema de deteccion de pulsera y terminal portatil inteligente para procesamiento (o procesamiento inicial) de las senales detectadas.
Con referencia a las figuras, la Figura 1 muestra un primer detector por reflexion para detectar el pulso cardiaco.
Un detector de este tipo, el cual se denota de manera general mediante el numero de referencia 10, comprende un emisor 11 de luz (por ejemplo un emisor de diodo LED) y un correspondiente receptor 12 (por ejemplo un fotodiodo o fototransistor) que recibe la luz del emisor 11 despues su reflexion sobre la piel 13 de la persona que esta siendo
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sometida a detection del pulso cardiaco. Ventajosamente, como se aclarara mas adelante, el detector o dispositivo 10 se puede colocar en la parte posterior de la muneca, por ejemplo a la manera de un reloj de pulsera.
El receptor 12 convierte la luz recibida en una senal electrica enviada a un bloque 14 de procesamiento electronico que emite una correspondiente senal 15 (tambien llamada senal BVP - es decir, senal de Pulso de Volumen Sangulneo -), la cual depende del pulso cardiaco de la persona. El bloque 14 puede ser una combination de un circuito amplificador analogico y de un dispositivo microprocesador programable para procesar una senal, como puede imaginar facilmente la persona con experiencia en la tecnica a la luz de la description proporcionada en este documento.
Ventajosamente, el emisor 11 emite luz en un amplio espectro (por ejemplo luz blanca) y el dispositivo 10 comprende un filtro 16 optico ajustable y/o un filtro 17 optico ajustable, los cuales estan situados respectivamente delante del transmisor 11 y del receptor 12. Estos filtros opticos pueden ser controlados por el bloque 14 de procesamiento para que sean sintonizados a una longitud de onda deseada para filtrar la luz enviada y/o reflejada.
Ventajosamente, estos filtros opticos comprenden elementos denominados “monocromadores” y permiten selection dinamica de una longitud de onda especlfica a partir de una luz de amplio espectro. En particular, se ha encontrado que es ventajoso utilizar monocromadores de Fabry-Perot sintonizables, conocidos por si mismos, los cuales se pueden miniaturizar con facilidad.
De nuevo ventajosamente, el dispositivo puede comprender un circuito 18 para alimentar al emisor 11 que es controlado por el bloque 14 de procesamiento para sintonizar la luminosidad de emision del emisor 11 a un valor deseado.
Por razones que resultaran evidentes mas adelante, el dispositivo 10 tambien puede comprender un acelerometro 19 conocido que envla senales de movimiento al bloque 14 de procesamiento. Ventajosamente, el acelerometro se elige para medir la aceleracion tridimensional y la orientation del sistema.
Como se sabe, la oxihemoglobina presente en la sangre absorbe longitudes de onda determinadas. A este efecto se le denomina “absorcion”.
Ademas, la oxihemoglobina vuelve a emitir parte de la energla absorbida en forma de luz a una longitud de onda diferente a la absorbida. A este efecto se le denomina “fluorescencia”.
Debido al uso de filtros ajustables, es posible configurar el sistema para utilizar primero un efecto y a continuation el otro efecto. En el primer modo se proporciona la longitud de onda que maximiza la absorcion y la misma longitud de onda es “observada” por medio del receptor 12. En el segundo modo se proporciona la longitud de onda que maximiza la fluorescencia y la longitud de onda de fluorescencia caracterlstica de la oxihemoglobina (longitud de onda que es siempre mayor que la longitud de onda incidente por razones de balance energetico) es observada por medio del receptor 11.
Combinando la senal lelda por el receptor en los dos modos diferentes, es decir, en modo de “absorcion” y en modo de “fluorescencia”, es posible mejorar la relation senal/ruido.
Ademas, debido a la posibilidad de ajuste de los filtros es posible adaptar la longitud de onda de fluorescencia y/o la longitud de onda de absorcion a las caracterlsticas de la piel de la persona cuyo pulso cardiaco esta siendo detectado (por ejemplo edad, grado de bronceado, tono de piel, presencia de grasa, presencia de pelo).
De hecho, la piel situada entre detector y oxihemoglobina crea interferencia optica que puede modificar la luz emitida y/o recibida. Por lo tanto, se ha encontrado que es util intentar encontrar, posiblemente cada vez que se enciende el dispositivo, las longitudes de onda que maximizan la amplitud de la senal BVP, dependiendo de las caracterlsticas de la piel, tanto en modo de fluorescencia como en modo de absorcion.
Por ejemplo, una piel extremadamente clara favorece la penetration de luz y, por lo tanto, en modo de absorcion, se pueden utilizar de forma efectiva longitudes de onda cercanas a la banda UV. Por el contrario, pieles bronceadas u oscuras no permiten que longitudes de onda pequenas alcancen el receptor excepto en el caso en que la intensidad es tal que afecta de forma adversa a la vida de la baterla.
Una situation similar existe en modo de fluorescencia, en el que se obtiene una respuesta maxima de la oxihemoglobina realizando estimulacion en la banda del violeta-azul y deteccion en la banda del naranja.
Dicho de otra manera, durante el funcionamiento, el bloque 14 de procesamiento puede sintonizar los filtros a longitudes de onda consideradas apropiadas para detectar el pulso cardiaco utilizando el metodo de “absorcion” (por ejemplo en el rango de 530-580 nm para piel oscura y de 410-450 nm para piel extremadamente clara y obtener la correspondiente senal reflejada y capturada por el receptor 12. El bloque 14 de procesamiento puede tambien sintonizar los filtros a una longitud de onda considerada apropiada para detectar el pulso cardiaco utilizando el metodo de “fluorescencia” (por ejemplo en el rango de 410-450 nm para el filtro de emision y de 590-630 nm para el filtro de reception) y obtener la correspondiente senal de fluorescencia capturada por el receptor 12. Superponiendo
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las dos senales recibidas (compensando de manera apropiada el retardo temporal entre las dos mediciones) es posible obtener una senal BVP con una mayor amplitud que el ruido de fondo.
Ademas, durante las dos mediciones (o, ventajosamente, durante un paso de calibracion que puede tener lugar tras encender el dispositivo despues de su aplicacion sobre la piel, o clclicamente durante su funcionamiento) el dispositivo puede modificar la longitud de onda del filtro en la zona de las longitudes de onda basicas definidas para fluorescencia y absorcion, intentando maximizar el pico de senal recibido en los dos modos. Despues de definir las longitudes de onda para las cuales se obtiene la mayor senal, el dispositivo puede utilizar estas longitudes de onda para las mediciones posteriores hasta que se realiza la siguiente operacion de calibracion.
Repitiendo periodicamente la calibracion durante el funcionamiento del dispositivo es posible compensar tambien las condiciones variables de la piel (por ejemplo, variacion en el grado de bronceado, sudoracion o cambio de temperatura) que pueden influir en la medicion.
A modo de una ventaja adicional tambien es posible compensar perturbaciones en la senal debidas a movimientos relativos de la piel y del dispositivo, por ejemplo provocados por movimientos de la persona o movimientos de los musculos y tendones de la zona del cuerpo en la cual esta colocado el sensor (por ejemplo, movimiento de los dedos). De hecho es posible sintonizar el filtro (o los filtros, en el caso de un dispositivo con los dos filtros) de manera que la luz emitida por el emisor 11 este caracterizada por una longitud de onda que sea menos sensible al fluir de la sangre, pero mas sensible a movimientos sobre la piel o debajo de la piel (por ejemplo, la longitud de onda 650-750 nm). La correspondiente senal capturada por el detector 12 puede ser utilizada por el bloque 14 de procesamiento como una senal de ruido que se debe restar de la senal electrica obtenida mediante la deteccion de la senal BVP, por medio de un filtro numerico adaptativo, para eliminar un componente de ruido importante.
Tambien se puede realizar filtrado para seleccionar luz verde o luz roja para los usos substancialmente de la tecnica anterior o tambien para filtrado (utilizando emisores apropiados) en el rango infrarrojo o en otros rangos.
Ventajosamente, el detector 10 tambien puede utilizar la senal suministrada por el acelerometro 19 para compensar perturbaciones debidas a movimientos importantes del dispositivo (por ejemplo, como resultado de actividad flsica realizada por la persona). La senal del acelerometro se puede suministrar al bloque 14 para proporcionar un filtro numerico adaptativo que interviene en el caso de aceleraciones repentinas (por ejemplo, cuando se esta corriendo).
La senal del acelerometro 19 tambien se puede utilizar para impedir la emision de la senal BVP por el dispositivo cuando la aceleracion detectada esta por encima de un umbral que ha sido determinado de antemano como correspondiente a una fuente de ruido por movimiento que es demasiado grande para compensacion efectiva del ruido en el BVP detectado por el sistema optico.
Para reducir el ruido en la senal de salida, el dispositivo 10 tambien puede actuar ventajosamente sobre la intensidad luminosa de la luz emitida por el sensor 11. Sin embargo, en el caso de dispositivos alimentados por baterlas, una intensidad de luz mayor puede afectar negativamente a la duracion de la carga de la baterla.
La Figura 2 muestra una grafica que ilustra de manera esquematica la relacion entre luz E emitida por el emisor (eje X) y amplitud R de la senal recibida (eje Y).
Como se puede ver a partir de la grafica, existe esencialmente una relacion lineal entre luz emitida y luz reflejada medida por el receptor. Por lo tanto, la senal de ruido, o senal BR (Reflexion de Fondo), la cual tambien puede comprender cualquier luz ambiente capturada por el sensor, y la senal BPR (Reflexion de Pulso Sangulneo) se incrementan ambas con un incremento en la intensidad E de emision luminosa. La pendiente de las dos llneas rectas en la grafica, las cuales definen la curva de reflexion de la luz, puede variar de persona a persona.
Todo lo anterior significa que, dada una cierta luz E emitida, una primera persona puede tener una cierta dR (a saber, una cierta amplitud dR de variacion periodica de luz reflejada que transporta informacion sobre la pulsacion sangulnea). Una segunda persona puede tener, para el mismo valor E, un valor dR menor o mayor que el valor dR de la primera persona.
Si se establece un valor dRmin (a saber, un valor de senal util mlnimo recibido) el emisor sera controlado ventajosamente por el bloque 14 para que tenga en cualquier caso una emision E que permita que la senal dR se mantenga por encima del valor dRmin. Aunque es posible emitir constantemente una luz a un valor (por ejemplo, 1000 mcd) que garantice que esta condicion siempre existe, dicha solucion puede producir como resultado un desgaste prematuro innecesario de la energla de la baterla.
Ventajosamente, en lugar de esto es preferible que la senal dR deba ser siempre solo ligeramente mayor que el valor dRmin. De esta forma se obtiene un valor de E, al cual se puede llamar Eopt (es decir, E optimo), cumpliendo este valor esta condicion y siendo dicho valor variable de una persona a otra o dependiendo de diferentes condiciones de la persona. Todo esto se muestra a modo de ejemplo en la Figura 2 (donde Eopt1 y Eopt2 dan lugar al mismo dR1=dR2=dRmin para dos personas de muestra).
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Por lo tanto el bloque 14 puede ventajosamente modificar la emision E por medio del elemento 18 de alimentacion de energla como se ha mencionado anteriormente para mantener a la senal dR ligeramente por encima de dRmin (opcionalmente con un pequeno margen de seguridad) para optimizar la amplitud de la senal util, maximizando al mismo tiempo la vida de la baterla.
De esta manera es posible utilizar emisores (LEDs) de alta luminosidad tambien en sistemas de baterlas, utilizando las mayores emisiones de luz solo en caso de necesidad y solo durante el tiempo necesario.
La alimentacion de energla de las fuentes tambien se puede proporcionar pulsada y/o alternando entre los emisores, tanto para reducir el consumo de baterla como para compartir parte del circuito de excitacion o todo el entre los emisores.
La Figura 3 muestra una segunda realization de un detector de acuerdo con la presente description. En esta segunda realizacion, la cual se denota globalmente mediante el numero de referencia 110, se utilizan dos detectores o dispositivos 10, como se ha descrito anteriormente, denotados mediante 10a y 10b, siendo las salidas 15a y 15b de senal BVP de los mismos procesadas ademas por un bloque 120 de procesamiento y comparacion.
Los dos detectores 10a y 10b estan situados con las correspondientes unidades opticas (formadas por emisor 11, receptor 12 y cualquiera de los filtros opticos 16 y/o 17) dispuestas generalmente a lo largo de la direction principal de flujo de la sangre en la parte del cuerpo en la que esta colocado el dispositivo 110. Por ejemplo, en el caso de colocation en una extremidad, la direccion sera a lo largo del eje de la propia extremidad. En concreto, en el caso de colocation en una muneca, la direccion puede ser ventajosamente la direccion del codo a la mano.
La distancia entre las unidades opticas puede ser de unos pocos centlmetros o incluso menor, dependiendo tambien de la sensibilidad del detector y de la position elegida en el cuerpo.
Debido al uso de los dos dispositivos 10a y 10b, se obtendran dos senales 15a y 15b que estan ligeramente en desplazamiento de fase una en relation con la otra (dependiendo de la distancia entre ellas), como se muestra de forma esquematica en la Figura 4.
Por medio de calculo de la correlation, tras variation del tiempo de las dos senales, realizado por el bloque 120, es posible calcular el tiempo “delta-t” para transito de la sangre entre las dos unidades opticas.
Detectando las variaciones de este tiempo (o la velocidad aparente de desplazamiento de la sangre entre las dos unidades opticas) se ha encontrado que es posible obtener information acerca del movimiento de los tejidos situados debajo de las dos unidades opticas y entre ellas. Dicho de otra manera, se ha encontrado que estos movimientos pueden modificar la longitud de los vasos sangulneos y, por lo tanto, pueden alterar el valor de velocidad detectado o, mas bien, el tiempo de transito entre las dos unidades opticas (las cuales estan a una distancia fija la una de la otra).
De esta manera es posible obtener informacion adicional acerca del ruido que ha sido producido por el movimiento muscular y el cual se puede restar de la senal BVP, obteniendo una senal BVP mejorada en la salida 121 del bloque 120 de procesamiento.
Ventajosamente, el dispositivo 110 tambien comprende un sistema para medir la conductividad de la piel, preferiblemente en la zona ventral de la muneca, la cual tiene una notable actividad electrodermica.
El sistema para medir la conductividad (o el efecto galvanico de la piel) comprende ventajosamente dos electrodos 122, 123 metalicos que hacen contacto con la piel en la zona elegida y que estan conectados a un bloque 124 de medida que detecta la resistencia electrica entre los dos electrodos.
La medicion de la resistencia se puede realizar simplemente provocando que una corriente de intensidad baja o muy baja fluya a traves de la piel. Tambien se puede usar un algoritmo de compensation para controlar la corriente que fluye a traves de la piel a fin de compensar una llnea base para la persona, tomandola como una llnea cero. Para evitar fenomenos de polarization y/o de electrolisis, se puede invertir periodicamente la alimentacion de energla de los electrodos. Ademas, los electrodos pueden estar revestidos de plata para impedir posibles danos a la piel y posible deterioro del electrodo.
La inversion de polaridad reduce drasticamente el riesgo de que se depositen iones Ag+ sobre la capas exteriores de la piel. Los iones que se pueden haber depositado sobre la piel se combinan de nuevo con la superficie del electrodo despues de cada inversion de polaridad.
El valor de resistencia medido por el detector esta presente en la salida 125 del bloque 124 y se envla a un bloque 126 de procesamiento adicional que realiza procesamiento adicional de la senal BPV 121 para reducir aun mas el ruido asociado con ella, utilizando variaciones en la conductividad en la salida 125.
De hecho se ha encontrado que la variacion de conductividad medida sobre la piel en la zona de la unidad optica tiene una progresion similar al BVP sumada a la lenta progresion de la sudoracion. La variacion de conductividad observada, similar al BVP, es debida en particular a la onda de sangre que viaja a lo largo de vasos sangulneos
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superficiales y que tiende a estrujar las glandulas sudorlparas, las cuales liberan pequenas cantidades de fluido a la misma frecuencia que el pulso cardiaco.
Esta senal es en general muy pequena y no se puede utilizar facilmente sola para obtener una indicacion del pulso cardiaco, pero si se combina con la senal detectada opticamente como se ha descrito anteriormente, permite una mejora adicional en la relacion senal/ruido de la senal BVP proporcionada como salida por el dispositivo.
Aunque no se muestra en la Figura 1, este sistema para medir la conductividad se puede utilizar de la misma manera tambien para reducir el ruido en el dispositivo 10 de acuerdo con la Figura 1, utilizando un bloque 125 de procesamiento, a cuya entrada es enviada la senal 15 del bloque 14 (en vez de la senal 121 del bloque 120), como puede imaginar ahora facilmente la persona con experiencia en la tecnica.
La lenta variacion en la conductividad de la piel tambien se puede enviar fuera del dispositivo 110 (o del dispositivo 10, el cual utiliza un detector de conductividad de este tipo) para que se utilice para proporcionar informacion fisiologica adicional acerca de la persona, como se indica a modo de ejemplo mediante una llnea 127 discontinua en la Figura 3.
El dispositivo 110 tambien puede utilizar un acelerometro 19 como el descrito para el dispositivo en la Figura 1. En este caso el acelerometro esta ventajosamente conectado al ultimo bloque 126 de procesamiento, el cual esta situado antes de la salida 128 de senal BVP del dispositivo. En los dos dispositivos 10 y 110, la senal de aceleracion tridimensional tambien se puede enviar externamente para que se utilice para proporcionar informacion adicional acerca de la persona, como se indica a modo de ejemplo mediante las llneas discontinuas 20 y 129 en las Figuras 1 y 3.
La Figura 5 muestra esquematicamente un sistema completo ventajoso, indicado de manera general mediante el numero de referencia 200, para detectar y procesar los datos fisiologicos de una persona.
El sistema 200 comprende un dispositivo 201 remoto que comprende a su vez un detector del mismo tipo que el detector 10 o 110 descrito en este documento, siendo las senales BVP (15 o 128) y cualquier senal 127 de conductividad de dicho dispositivo enviadas a una unidad 202 de procesamiento y transmision de datos.
Esta unidad 202 esta conformada ventajosamente como una unidad microprocesadora que esta adecuadamente programada y, por lo tanto, comprende ventajosamente un procesador 203 que recibe las senales procedentes del dispositivo 10, 110, una memoria 204 de programa, una memoria 205 de datos y una unidad 206 de transmision que estan conectadas al procesador 203.
La unidad 202 puede estar incorporada en el dispositivo 201 remoto o puede estar disenada completamente o en parte como un dispositivo independiente y tambien puede comprender sistemas conocidos para introducir ordenes y para visualizar datos e informacion (por ejemplo por medio de una pantalla de visualization tactil).
La unidad 202 puede estar disenada para comunicar (ventajosamente a traves de una conexion telefonica inalambrica o movil para conexion a Internet) con un servidor 208 remoto, el cual a su vez puede estar en comunicacion con uno o mas terminales 209.
De esta manera los datos fisiologicos procesados o preprocesados por el dispositivo 201 se pueden enviar (tambien despues de procesamiento adicional por el servidor 208) a un terminal 209 de visualizacion y control remoto. De esta forma es posible un examen remoto de una persona que lleve puesto el dispositivo 201. Los datos procesados por el servidor (o tambien por el terminal 209 remoto tras su accionamiento por parte de un operador) se pueden enviar a la unidad 202 para su visualizacion local, por ejemplo, por la citada persona sobre la cual se esta realizando la medicion.
Las senales 15, 128 y 127 se pueden enviar directamente a la unidad 202 o pueden pasar a traves de una interfaz 207 de comunicacion conocida por si misma (del tipo cableado o ventajosamente del tipo inalambrico).
En el caso de una conexion inalambrica, el detector 10, 110, junto con la interfaz 207 de comunicacion apropiada, se puede incorporar en un pequeno dispositivo portatil (por ejemplo con la forma de un reloj de pulsera) que se comunica de forma inalambrica con la unidad 202 de procesamiento y comunicacion, que se guarda en un bolsillo o que se lleva en la mano.
La Figura 6 muestra una realization ventajosa del dispositivo 201 de acuerdo con la Figura 5. En esta realization el detector 10, 110 esta disenado con la forma de un dispositivo 210 para ser llevado en la muneca, con los sensores opticos situados en una cara pensada para ser colocada en contacto con la piel cuando el dispositivo se fija a la muneca por medio de una correa 211. Preferiblemente, los sensores electricos estan situados en la propia correa. Ventajosamente, se puede proporcionar un anillo 212 de sellado alrededor de los sensores opticos y dicho anillo se presiona contra la piel e impide la entrada de luz ambiente y/o de humedad externa en el area monitorizada por los sensores.
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El dispositivo 210 se comunica de forma inalambrica (por ejemplo a traves de la interfaz 207 ventajosamente de tipo Bluetooth de baja energia) con un terminal inteligente (tal como ventajosamente un telefono inteligente o una tableta) el cual, por medio de programacion apropiada, la cual se puede imaginar ahora facilmente, realiza las funciones de una unidad 202 de procesamiento y comunicaciones. El terminal puede a su vez comunicarse con Internet o con la red de telefonia movil de manera inalambrica como se ha mencionado anteriormente, en caso de que sea necesario procesamiento o visualizacion remotos de los datos.
La introduccion de ordenes y la visualizacion de information localmente se pueden realizar facilmente por medio de una pantalla tactil 213 del terminal 202.
Una aplicacion interesante del sistema mostrado en las Figuras 5 y/o 6 puede ser la de indicar a la persona que lleva puesto el dispositivo 210 y/o a un operador remoto por medio del terminal 209 diferentes parametros fisiologicos tales como el estado de estres, el nivel de actividad fisica y condition fisica, la calidad del sueno, el nivel de excitation, etc. Estos parametros se pueden determinar basandose en las senales detectadas por el dispositivo 210. El operador tambien puede recibir los datos procedentes de una pluralidad de detectores remotos que lleven puestos varias personas.
En este punto es evidente como se han alcanzado los objetos predefinidos. Utilizando los metodos y los dispositivos de acuerdo con la invention es posible obtener senales precisas y fiables en muchas condiciones en las que existe perturbation. Por ejemplo, es posible cambiar el modo de funcionamiento del sistema, elegir el color de la luz dependiendo de las condiciones externas y del estado y el tipo de piel, al mismo tiempo que tambien se conmuta entre modo de absorcion y modo de fluorescencia.
Un monitor de ritmo cardiaco de acuerdo con la presente description puede comprender ventajosamente un sistema sensor en contacto con la piel y que comunica con un sistema de procesamiento central. Ademas, el sistema sensor puede comprender uno o mas sistemas de detection optica para medir las variaciones en el volumen sanguineo utilizando los principios fisicos de absorcion y/o de fluorescencia. Los sistemas opticos comprenden ventajosamente uno o mas emisores de luz (LEDs) de banda ancha y uno o mas receptores de luz de banda ancha y uno o mas filtros monocromadores sintonizables que estan conectados a emisores de luz, a receptores de luz o a ambos, para seleccionar una cierta longitud de onda.
Debido a los principios descritos, si es necesario, es posible eliminar el efecto de deformation de los tejidos sobre el tiempo de propagation de la sangre. La velocidad de propagation es alterada parcialmente por el propio latido, pero mas aun por el estiramiento de los tejidos. Haciendo un uso apropiado de la senal obtenida por medio del sistema descrito es posible eliminar un componente de ruido adicional. Ademas, si es necesario, es posible eliminar el efecto del movimiento “macroscopico” medido por los acelerometros. Tambien es posible utilizar de forma efectiva emisores de alta luminosidad.
Obviamente la descripcion proporcionada anteriormente de realizaciones que aplican los principios innovadores de la presente descripcion se proporciona a modo de ejemplo de estos principios innovadores y, por lo tanto, no se debe considerar limitativa del alcance de los derechos reivindicados en este documento.
Por ejemplo, los diferentes bloques de procesamiento descritos anteriormente como independientes tambien se pueden combinar entre si en un unico bloque de procesamiento (por ejemplo una unidad microcontroladora apropiadamente programada) como puede imaginar ahora facilmente la persona con experiencia en la tecnica. Por ejemplo, el bloque 14 del detector 10 o los dos detectores 10a y 10b tambien se pueden disenar como un unico bloque de procesamiento, el cual tambien puede comprender el bloque 120 y, posiblemente, los bloques 124 y 126. Ventajosamente, los diferentes bloques se pueden realizar por medio de algoritmos que comprenden al menos uno de los siguientes: un algoritmo para controlar los sistemas de deteccion optica y recibir senales procedentes de los sistemas de deteccion optica durante el modo de absorcion; un algoritmo para controlar los sistemas de deteccion optica y recibir senales procedentes de los sistemas de deteccion optica durante el modo de fluorescencia; un algoritmo para controlar el sistema para deteccion de la conductividad electrica de la piel y para recibir senales procedentes del sistema para detectar la conductividad electrica de la piel; un algoritmo para controlar el sistema para detectar la aceleracion (o movimiento mecanico) y para recibir senales procedentes del sistema de deteccion de aceleracion.
Estos algoritmos se pueden realizar por medio de un programa apropiado que puede ser ejecutado por el procesador contenido en el dispositivo de acuerdo con la invencion, como puede imaginar una persona con experiencia en la tecnica sobre la base de la presente descripcion. Ventajosamente, los filtros pueden ser todos filtros numericos adaptativos.
En el caso de transmision remota tambien es posible contemplar un algoritmo para codificar senales recibidas procedentes del dispositivo o dispositivos de deteccion, para transmision de las mismas a traves del transmisor- receptor del dispositivo a la unidad de procesamiento externa, y un algoritmo para decodificar senales recibidas a traves del transmisor-receptor procedentes de la unidad de procesamiento externa. Partes de programa adicionales pueden gestionar ordenes de estado para controlar un emisor de luz de estado (por ejemplo un LED) en una interfaz de usuario del dispositivo.
Gracias al sistema que utiliza filtros seleccionables para las longitudes de onda de la luz, tambien es posible utilizar, comparar y procesar senales obtenidas a mas de dos longitudes de onda (por ejemplo azul, verde, infrarrojo) para optimizar aspectos concretos de la operacion de deteccion.
El dispositivo de acuerdo con la presente descripcion (por ejemplo en su configuracion de dispositivo 210) tambien 5 puede comprender elementos adicionales utiles para funcionamiento practico tales como un emisor de luz (LED) de estado de tres colores conectado al procesador para indicar el estado del sistema y un pulsador conectado al procesador remoto para interaccionar con el dispositivo de deteccion. El estado indicado por el indicador de estado puede ser al menos uno de los siguientes: energla de la baterla baja, carga de la baterla, modo de obtencion de datos. El dispositivo tambien puede comprender un puerto para recargar una baterla interna.
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    REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo de deteccion de pulso cardiaco que comprende al menos una unidad (10, 10a, 10b) sensora por reflexion optica configurada para ser colocada sobre la piel (13) de una persona, incluyendo la al menos una unidad sensora optica un emisor (11) de luz y un correspondiente receptor (12) de luz, estando configurado el emisor de luz para emitir luz sobre la piel de la persona, estando configurado el receptor de luz para recibir la luz reflejada por la piel y convertirla en una senal electrica,
    caracterizado por que la unidad sensora optica incluye ademas filtros (16, 17) opticos electricamente ajustables conectados al emisor, al receptor, o a ambos, para seleccionar, tras el accionamiento, una longitud de onda deseada de la luz emitida sobre la piel de la persona, de la luz que puede ser recibida por el receptor de luz, o ambas.
  2. 2. El dispositivo de deteccion de pulso cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual los filtros (16, 17) opticos electricamente ajustables incluyen monocromadores de Fabry-Perot.
  3. 3. El dispositivo de deteccion de pulso cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas un bloque (14) de procesamiento configurado para recibir la senal electrica procedente del receptor de luz y para controlar los filtros (16, 17) opticos electricamente ajustables para seleccionar de forma alternativa
    un primer modo en el cual la senal electrica es una primera senal electrica que depende de la variation en volumen sangulneo utilizando los principios flsicos de absorcion; y
    un segundo modo en el cual la senal electrica es una segunda senal electrica que depende de la variacion en volumen sangulneo utilizando los principios flsicos de fluorescencia,
    estando ademas el bloque de procesamiento configurado para procesar la primera senal electrica y la segunda senal electrica para obtener una senal (15) que representa el ritmo cardiaco.
  4. 4. El dispositivo de deteccion de ritmo cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas un bloque (14) de procesamiento configurado para recibir la senal electrica procedente del receptor de luz y para controlar los filtros (16, 17) opticos electricamente ajustables para optimizar la amplitud de la senal electrica.
  5. 5. El dispositivo de deteccion de pulso cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende dos unidades (10a, 10b) sensoras opticas situadas a una distancia la una de la otra, y un bloque (120) de procesamiento de senal conectado a las unidades sensoras opticas,
    estando el bloque de procesamiento de senal configurado para estimar un tiempo de propagation del pulso sangulneo entre las dos unidades sensoras opticas,
    estando el bloque de procesamiento de senal configurado para modificar la senal (15a, 15b) detectada por al menos una de las dos unidades sensoras opticas dependiendo de variaciones en el tiempo de propagacion del pulso sangulneo estimado.
  6. 6. El dispositivo de deteccion de ritmo cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas:
    un sistema (122, 123, 124) de deteccion electrica configurado para medir la respuesta galvanica de la piel; y
    un bloque (126) de procesamiento configurado para obtener, a partir de la medicion de respuesta galvanica de la piel, una senal (125) que depende del pulso cardiaco de la persona, y para combinar esta senal con la senal detectada por la al menos una unidad sensora optica.
  7. 7. El dispositivo de deteccion de pulso cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas un sistema (19) configurado para medir la aceleracion del dispositivo, y un bloque (14, 126) de procesamiento configurado para, basandose en la aceleracion medida, modificar la senal detectada por la al menos una unidad sensora optica.
  8. 8. El dispositivo de deteccion de pulso cardiaco de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas un bloque (14) de procesamiento configurado para recibir y procesar la senal electrica procedente del receptor (12), y un elemento (18) de alimentation de energla para el emisor (11) de la al menos una unidad sensora optica, estando el elemento de alimentacion de energla configurado para recibir ordenes procedentes del bloque de procesamiento para modificar la luminosidad del emisor para mantener la luz recibida procedente de la piel por encima de un umbral mlnimo predefinido.
  9. 9. Un metodo para detectar el pulso cardiaco de una persona que comprende:
    colocar al menos una unidad (10, 10a, 10b) sensora por reflexion optica sobre la piel (13) de una persona, incluyendo la al menos una unidad sensora optica un emisor (11) de luz y un correspondiente receptor (12) de luz, estando el emisor de luz configurado para emitir luz sobre la piel de la persona, estando el receptor de luz configurado para convertir la luz reflejada por la piel en una senal electrica;
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    emitir, mediante el emisor de luz, luz sobre la piel de la persona;
    recibir, mediante el receptor de luz, luz reflejada por la piel;
    convertir, mediante el receptor de luz, la luz recibida en una senal electrica; y
    recibir, mediante un bloque (14) de procesamiento de un dispositivo de deteccion del pulso cardiaco que comprende la al menos una unidad sensora optica, la senal electrica procedente del receptor de luz,
    caracterizado por que
    el dispositivo comprende ademas:
    un primer filtro (16) optico electricamente ajustable conectado al emisor de luz, para seleccionar, tras su accionamiento, una longitud de onda de la luz emitida sobre la piel; y
    un segundo filtro (17) optico electricamente ajustable conectado al receptor de luz, para seleccionar, tras su accionamiento, una longitud de onda de la luz que puede ser recibida por el receptor de luz; y
    el metodo comprende ademas:
    controlar, mediante el bloque procesamiento, los filtros (16, 17) opticos electricamente ajustables para seleccionar de forma alternativa un modo de absorcion, en el cual la senal electrica es una primera senal electrica que depende de la variacion en volumen sangulneo utilizando los principios flsicos de absorcion, y un modo de fluorescencia, en el cual la senal electrica es una segunda senal electrica que depende de la variacion en volumen sangulneo utilizando los principios flsicos de fluorescencia; y
    procesar, mediante el bloque procesamiento, la primera senal electrica y la segunda senal electrica para obtener una senal (15, 15a, 15b) que representa el pulso cardiaco.
  10. 10. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, que comprende ademas sintonizar dinamicamente las longitudes de onda de los filtros opticos electricamente ajustables para maximizar la primera senal electrica en el modo de absorcion y la segunda senal electrica en el modo de fluorescencia, respectivamente.
  11. 11. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, en el cual:
    la colocacion de al menos una unidad sensora de reflexion optica comprende situar dos unidades (10a, 10b) sensoras opticas a una distancia la una de la otra; y
    el metodo comprende ademas:
    recibir, mediante un bloque (120) de procesamiento de senal, las senales (15a, 15b) procedentes de ambas unidades (10a, 10b) sensoras opticas;
    estimar, mediante el bloque de procesamiento de senal, un tiempo de propagacion de pulso sangulneo entre las dos unidades sensoras opticas; y
    modificar, mediante el bloque de procesamiento de senal, la senal recibida procedente de al menos una de las unidades sensoras opticas dependiendo de variaciones en el tiempo de propagacion de pulso sangulneo estimado.
  12. 12. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, que comprende ademas:
    medir, mediante un sistema (19) configurado para medir la aceleracion del dispositivo, una senal de aceleracion tridimensional; y
    modificar, por medio de un filtro numerico adaptativo, la senal electrica detectada por la al menos una unidad sensora optica,
    basandose en la senal de aceleracion tridimensional.
  13. 13. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, que comprende ademas:
    medir una respuesta galvanica de la piel de la persona;
    obtener una senal (125) que depende del pulso cardiaco de la persona basandose en la respuesta galvanica medida; y
    combinar la senal (125) que depende del pulso cardiaco de la persona con la senal (15, 15a, 15b, 121) detectada por la al menos una unidad sensora optica.
  14. 14. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, que comprende ademas utilizar la senal (15, 15a, 15b, 121, 128) que representa el ritmo cardiaco de la persona para estimar uno o mas de los siguientes parametros fisiologicos de la persona: estado de estres, nivel de actividad flsica, condicion flsica, calidad del sueno, y nivel de excitacion.
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