ES2621429T3

ES2621429T3 - Aparato y método de sensor de fotopletismografía

Info

Publication number: ES2621429T3
Application number: ES15731553.2T
Authority: ES
Inventors: Olaf Thomas Johan Antonie Vermeulen; Koen GEENEN
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2035-06-19
Also published as: US20170042435A1; US9775528B2; WO2016000986A1; CN105491943B; CN105491943A; EP3016582A1; PL3016582T3; JP6455994B2; RU2016102719A; EP3016582B1; JP2016529932A; RU2653834C2

Abstract

Un aparato (200, 300) sensor de fotopletismografía que comprende: - una unidad (210, 310) de fuente lumínica configurada para generar una primera señal (210a, 310a) lumínica; - una unidad (230, 330) fotodetectora configurada para observar una segunda señal (220a, 320a) lumínica, donde dicha segunda señal (220a, 320a) lumínica es indicativa de una absorción de dicha primera señal (210a, 310a) lumínica en un objetivo (220, 320), en el que dicha unidad (230, 330) fotodetectora está configurada además para emitir una señal de salida de fotodetector en respuesta a la observación de dicha segunda señal (220a, 320a) lumínica; y - un bucle (201, 301) de retroalimentación de compensación de la luz ambiental que comprende una unidad (260, 360) de seguimiento y retención configurada para recibir dicha señal de salida del fotodetector; en el que dicho aparato (200, 300) sensor de fotopletismografía está configurado para comparar una señal de salida de dicha unidad (260, 360) de seguimiento y retención con una señal de referencia (VR), y en el que dicho bucle (201, 301) de retroalimentación de compensación lumínica ambiental comprende una primera unidad (250, 350) de amplificación configurada para proporcionar una corriente de compensación basada en dicha comparación con la unidad (260, 360) de seguimiento y retención.

Description

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DESCRIPCION

Aparato y metodo de sensor de fotopletismograffa Campo de la invencion

La invencion se refiere a un aparato sensor de fotopletismograffa, un metodo de sensor de fotopletismograffa y un programa de ordenador para sensor de fotopletismograffa.

Antecedentes de la invencion

La fotopletismograffa (PPG) se refiere a la adquisicion de una medicion volumetrica de un organo por medios opticos. Frecuentemente, se utilizan ox^etros de pulso, que detectan cambios en las propiedades de absorcion lummica de la piel humana. Tfpicamente, un sensor PPG transmisivo o reflexivo de sangre monitoriza la perfusion de sangre a la dermis y al tejido subcutaneo de la piel a traves de la medicion de absorcion a una longitud de onda espedfica. Ademas de la luz que se origina en la sangre, hay una porcion mucho mayor lummica detectada, que se origina en el tejido y la luz ambiental.

Las senales de fotopletismograffa comprenden una senal de CA muy pequena (el pletismograma real) encima de una senal de desplazamiento de CC de gran tamano (no deseada). La senal de compensacion de corriente continua comprende senales procedentes de la piel y el tejido, y de una parte considerable lummica ambiental. Desafortunadamente, la cantidad lummica ambiental detectada no es constante, sino que vana debido a condiciones cambiantes de la luz ambiental y debido a artefactos de movimiento (causados, por ejemplo, por el acoplamiento entre el sensor de fotopletismograffa y la piel). La velocidad temporal de cambio de la luz ambiental detectada incluye frecuencias en la banda de frecuencia de fotopletismograffa de interes. Esto impide la filtracion simple del dominio de frecuencia, porque la filtracion de estas frecuencias (con la intencion de suprimir la luz ambiental detectada) tambien filtrana (o suprimina significativamente) las frecuencias de la banda de frecuencia de fotopletismograffa de interes.

Mecanismos conocidos actualmente para el rechazo de la luz ambiental incluyen, por ejemplo, circuitos de restauracion de CC, que muestrean la luz ambiental periodicamente cuando la luz de excitacion de fotopletismograffa (tal como, por ejemplo, un diodo de iluminacion, LED) se apaga temporalmente. En un intervalo de tiempo diferente (por ejemplo, cuando se enciende el LED) se toma una muestra que contiene tanto la senal ambiental como la senal de fotopletismograffa. Al sustraer la senal con la luz de excitacion de fotopletismograffa desactivada de la senal con la luz de excitacion de fotopletismograffa encendida, se obtiene una senal de fotopletismograffa "corregida por compensacion", que no presenta interferencia lummica ambiental. Tfpicamente, este muestreo se realiza despues de que un amplificador de transimpedancia (TIA) haya convertido y amplificado la fotocorriente generada por el detector en un voltaje. Alternativamente y/o adicionalmente, este muestreo se realiza completamente en el dominio digital despues de que la senal ha sido procesada por un convertidor analogico a digital (ADC).

Una serie de problemas y desventajas estan presentes en sensores de fotopletismograffa convencionales. En primer lugar, la cantidad lummica ambiental detectada puede ser considerable. Esto significa que al disenar el amplificador, se debe reservar una cierta cantidad del rango dinamico disponible para detectar apropiadamente la luz ambiental, dando como resultado un diseno de amplificador suboptimo.

Ademas, si la substraccion de la senal ambiental se realiza en el dominio digital (es decir, despues de la conversion analogica-a-digital), entonces tiene que reservarse un numero de bits ADC para la luz ambiental. Sin embargo, la reserva de bits ADC para la luz ambiental limita la resolucion disponible para las senales de fotopletismograffa.

Sin embargo, si la substraccion se realiza directamente despues del procesamiento por el TIA, se necesita un circuito de muestreo y retencion para retener el valor ambiental (es decir, el valor de medicion correspondiente a la luz ambiental) hasta el siguiente penodo de muestreo de senal de fotopletismograffa. La precision de ganancia de esta senal de muestreo y retencion determina la eficacia de la compensacion.

Una opcion para tratar los problemas de los sensores fotopletismograficos convencionales es emplear una etapa de calibracion de fabrica del elemento de muestreo y retencion. Sin embargo, este paso adicional de calibracion de fabrica anade costes de fabricacion y, por lo tanto, es menos preferible.

El documento US 7740591 describe un sensor de pletismograffa. Este sensor comprende un circuito de cancelacion lummica ambiental que recibe la salida de amplificadores diferenciales de transimpedancia. El circuito de cancelacion lummica ambiental funciona de la siguiente manera: cuando el circuito de control de temporizacion tiene apagados los LED rojo e IR, la luz ambiental es la unica luz que el sensor tiene para una salida. La luz ambiental es muestreada, y el valor de la senal se mantiene en un condensador conectado a tierra usando un FET. Cuando se apaga el FET, el valor almacenado en el condensador se utiliza en la trayectoria de la cuerda de senal roja e IR. Este valor almacenado en el condensador elimina el error de la luz ambiental.

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US6381479B1 describe un sistema para proporcionar un rechazo de senal DC y baja frecuencia mejorado en un instrumento de medicion fotopletismografico. El sistema se utiliza en un instrumento de medicion que incluye al menos dos fuentes de senal para transmitir senales lummicas al menos a dos longitudes de onda a traves de un tejido de un sujeto de prueba y un detector para convertir senales lummicas transmitidas a traves del tejido en una senal de salida del detector. El sistema incluye una restauracion de CC que elimina los componentes de senal de CC y de baja frecuencia de la senal de salida del detector antes de su amplificacion para evitar saturar la senal de salida amplificada con la componente de senal de baja frecuencia. La restauracion de CC esta configurada para retirar continuamente el componente de senal de baja frecuencia de la senal de detector durante intervalos oscuros cuando se desactivan las fuentes de senal, asf como durante intervalos lummica cuando se activa una de las fuentes de senal. En una realizacion, la restauracion de CC se realiza en forma de un circuito de restauracion de CC que comprende un amplificador de transimpedancia que recibe la senal de salida del detector y produce una senal de salida del amplificador y un bucle de retroalimentacion del integrador que recibe la senal de salida amplificada y produce una corriente de polarizacion, en el que la corriente de polarizacion se usa para sustraer componentes de senal de CC y de baja frecuencia de la senal de salida del detector antes de la amplificacion de la senal del detector por el amplificador.

Resumen de la invencion

Un objeto de la presente invencion es proporcionar un aparato sensor de fotopletismograffa mejorado, un metodo de sensor de fotopletismograffa mejorado y un programa de ordenador de sensor de fotopletismograffa mejorado que superen los problemas asociados con los sensores de PPG de la tecnica anterior.

En un primer aspecto de la invencion, se proporciona un aparato sensor de fotopletismograffa que comprende una unidad de fuente lummica configurada para generar una primera senal lummica; y una unidad fotodetectora configurada para observar una segunda senal lummica, en la que dicha segunda senal lummica es indicativa de una absorcion de dicha primera senal lummica en un objetivo en el que dicha unidad fotodetectora esta configurada adicionalmente para emitir una senal de salida del fotodetector en respuesta a la observacion de dicha segunda luz senal. El aparato comprende ademas un bucle de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental que comprende una unidad de seguimiento y retencion configurada para recibir una senal de salida de fotodetector. El aparato esta configurado para comparar una senal de salida de dicha unidad de seguimiento y retencion con una senal de referencia y el bucle de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental comprende una primera unidad de amplificacion configurada para proporcionar una corriente de compensacion basada en dicha comparacion con la unidad de rastreo y retencion.

La presente invencion propone medir una senal fotopletismografica sin interferencia lummica ambiental. Las senales lummica ambiental son rechazadas proporcionando una corriente de compensacion en la entrada de la unidad de seguimiento de rastreos directamente o a traves, por ejemplo, de un amplificador de transimpedancia. La corriente de compensacion se controla preferiblemente a traves de un bucle cerrado, sin interferir con la operacion de bajo ciclo de trabajo de la unidad de fuente lummica (tal como, por ejemplo, un LED de excitacion de fotopletismograffa). En otras palabras, la presente invencion propone superar los problemas anotados anteriormente restando una corriente de compensacion directamente a la entrada del amplificador. Esta corriente se controla a traves de un bucle de retroalimentacion que garantiza que no entrara corriente lummica ambiental en el TIA. Esto elimina los problemas antes mencionados. Dicha unidad de seguimiento y retencion comprende preferiblemente un circuito de seguimiento y retencion. Mediante el empleo de una unidad de seguimiento y retencion, es decir, preferiblemente un circuito de seguimiento y retencion, la presente invencion es apropiada para un tipo lummica ambiental "de tipo CA", tal como, por ejemplo, luz artificial y luz solar, durante la operacion. El termino "tipo lummica ambiental AC" tal como se usa en la presente memoria significa que, por ejemplo, durante la operacion, la intensidad de la luz ambiental vaffa (por ejemplo, porque el corredor esta balanceando su brazo periodicamente mientras se esta ejecutando) dando por resultado una corriente alterna que es observada por el fotodetector, la corriente alterna puede ser periodica, pero no es necesariamente el caso. Tambien se cubren los cambios escalonados que pueden ser causados, por ejemplo, por un salto del usuario. Por lo tanto, es preferible un circuito de seguimiento y retencion, por ejemplo, un circuito de integracion y retencion, en el que el diodo emisor lummica se pulsa con un ciclo de trabajo lo mas bajo posible. En consecuencia, la luz ambiental se integra durante un periodo elegido para utilizar esa historia para compensacion durante un periodo de medicion corto. Se observa que los circuitos de integracion y retencion no se integran necesariamente durante largos peffodos. El tiempo de integracion se puede elegir tan corto como se desee. Sin embargo, la parte de integracion implica una accion de filtro de paso bajo y, por lo tanto, es menos adecuada para un tipo lummica ambiental AC. El uso de una accion de integracion en el bucle de retroalimentacion negativa implica asegurar un error de cero de CC porque cualquier senal de CC no nula aumentara la senal de error por integracion. Esto no se puede lograr con una topologfa de seguimiento y retencion, porque alff el error solo puede llegar a cero en la amplificacion infinita. En el presente caso, sin embargo, no es necesario tener un error de CC cero. Por el contrario, la luz ambiental debe atenuarse lo mas posible para liberar el rango dinamico. Ademas, al proporcionar un bucle de retroalimentacion de correccion de la luz ambiental que esta (preferiblemente siempre, es decir, permanentemente) cerrado, la parte de la senal de seguimiento es siempre insignificantemente pequena dentro del bucle. Como las senales PPG son pequenas (especialmente en sensores PPG de modo reflectante), los niveles lummica ambiental pueden ser relativamente altos. Si la parte ambiental de la corriente no fuese substrafda

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continuamente, un amplificador (tal como, por ejemplo, un amplificador de transimpedancia) que recibe luz de dicha unidad fotodetectora tendffa que asentarse a grandes pasos lummica ambiental durante cada ciclo de correccion. En la presente configuracion, este no es el caso. La presente realizacion permite asf relajar los requisitos dinamicos en el aparato sensor PPG. Los sensores PPG suelen emplear al menos un amplificador. Sin embargo, un sensor PPG tambien puede utilizar un fototransistor en lugar de un fotodiodo. Un fototransistor tiene ganancia y por lo tanto es un amplificador aunque no siempre es explfcitamente visible como amplificador si se lo ve como el detector. Lo mismo es cierto para cualquier otro detector de fotos con ganancia interna.

En una realizacion preferida adicional, dicha primera unidad de amplificacion comprende un amplificador transconductancia. Dado que dicha primera unidad de amplificacion comprende un amplificador de transconductancia, la diferencia entre la senal de salida de la unidad de seguimiento y la senal de referencia se convierte preferiblemente en una corriente de compensacion por medio de dicho amplificador de transconductancia. Como consecuencia, es posible sustraer la corriente de compensacion ya en la entrada del segundo amplificador. En otra realizacion preferida, en la que dicho amplificador de transconductancia comprende una resistencia y/o una fuente de corriente controlada por voltaje. Por definicion, la trans conductancia es la redproca de la resistencia y por lo tanto tiene la dimension de la corriente dividida por el voltaje, o en otras palabras, una corriente que depende de un voltaje (es decir, una fuente de corriente controlada por voltaje).

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende un convertidor analogico a digital configurado para recibir la senal de salida de dicha segunda unidad de amplificacion. En la practica, los sensores PPG y SpO2 modernos tienen un extremo frontal analogico seguido por una parte de procesamiento digital y por lo tanto requieren un ADC.

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende ademas una unidad de excitacion de fuente lummica configurada para controlar dicha unidad de fuente lummica. Preferiblemente, la unidad de fuente lummica comprende un LED pulsado. El empleo de LEDs pulsados es preferible para los dispositivos portatiles por razones de ahorro de bateffa y el muestreo ambiental. El empleo de LEDs pulsados es preferible ademas para dispositivos medicos con respecto al muestreo ambiental y tambien debido a razones secuenciales de color en sensores de SpO2.

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende ademas un detector smcrono. Mediante el empleo de un detector smcrono, la luz ambiental que no es sincronica con la senal lummica emitida desde dicha unidad de fuente lummica es preferiblemente cancelada o al menos suprimida.

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende ademas una unidad de excitacion de fuente lummica configurada para controlar dicha unidad de fuente lummica y en la que dicho detector smcrono esta configurado para operar de forma sincronica con dicha unidad de excitacion de fuente lummica. Teniendo dicho detector smcrono y dicha unidad excitadora de fuente lummica funcionando de forma sincronica, dicho aparato sensor de fotopletismograffa esta configurado preferiblemente de modo que solamente la luz ambiental que es smcrona con la luz de dicha unidad de fuente lummica contribuye con una senal de fondo a la luz reflejada desde dicho objetivo. Por el contrario, la luz que no es sincronica con la senal lummica emitida desde dicha unidad de fuente lummica es preferiblemente cancelada o al menos suprimida.

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende un convertidor analogico a digital configurado para recibir la senal de salida de dicho detector smcrono. Emplear un convertidor analogico a digital en combinacion con dicho detector smcrono es preferible por las siguientes razones. Un detector smcrono puede ser implementado en el dominio analogico o digital. Su uso en el dominio analogico tiene la ventaja de que despues de la deteccion smcrona (que preferiblemente incluye el filtro de paso bajo), el ancho de banda se limita a lo que se necesita (por ejemplo, aproximadamente 15 Hz) y se ha eliminado toda interferencia asmcrona. Esto significa que se puede usar un ADC de baja velocidad y alta resolucion. Si el SD se realiza en el dominio digital, entonces los requisitos de ancho de banda son mayores (dependiendo de la frecuencia del pulso LED) y por lo tanto la conversion aD sera mas cara y/o menos precisa. Ademas, la interferencia asmcrona todavfa esta presente y debe considerarse en la seleccion de ADC. La ventaja de implementar un detector smcrono en el dominio digital implica una mayor flexibilidad (porque es software y/o programable) y, debido a que se necesitan menos componentes externos. Otras ventajas de implementar un detector smcrono en el dominio digital se refieren a un tamano menor y un consumo de potencia potencialmente menor.

En otra realizacion preferida, dicho detector smcrono comprende un rectificador smcrono seguido por un filtro de paso bajo. En otra realizacion preferida, dicho rectificador smcrono multiplica la senal con +1 o -1.

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende ademas un microcontrolador configurado para ajustar dicha senal de referencia. Los casos de uso ffpicos para ajustar la senal de referencia incluyen compensacion de desplazamiento o cambio de nivel, por ejemplo en el rango ADC. La senal de salida corregida "activara/desactivara" dicha senal de referencia. Esto significa que con el LED apagado, la salida de la segunda unidad de amplificacion sera la senal de referencia. Con el LED encendido, sera mayor o menor dependiendo de la direccion (es decir, de la conexion) del fotodiodo. La desviacion de 0V preferiblemente se elegiffa

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para circuitos de alimentacion individuales (tales como, por ejemplo, dispositivos accionados por batenas) para cambiar de nivel la senal por encima de la referencia (0 V).

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende una unidad de sustraccion. Empleando una unidad de sustraccion, se puede determinar la diferencia entre dicha senal de referencia y dicha senal de salida de dicha unidad de seguimiento y retencion.

En una realizacion preferida adicional, dicha unidad fotodetectora comprende un fotodiodo y/o transistor.

En una realizacion preferida adicional, el aparato sensor de fotopletismograffa comprende ademas una segunda unidad de amplificacion para amplificar una suma de la corriente de compensacion y la senal de salida del fotodetector y para suministrar una senal amplificada a una entrada de la unidad de seguimiento y retencion. La segunda unidad de amplificacion puede comprender un amplificador de transimpedancia. Las disposiciones estandar de amplificadores de transimpedancia se pueden encontrar, por ejemplo, en el libro "Photodiode Amplifiers: Op Amp Solutions", Mcgraw Hill Book Co (1995) de J. Graeme.

En una realizacion preferida adicional, dicho aparato sensor de fotopletismograffa comprende ademas un circuito de muestreo y retencion configurado para almacenar una senal emitida por dicho amplificador de transimpedancia. Preferiblemente, la unidad de fuente lummica (tal como, por ejemplo, un LED) se acciona con un ciclo de trabajo bajo para ahorrar energfa de la batena. Esto significa que solo hay un corto penodo disponible para el muestreo de la senal real de fotopletismograffa. Un circuito de muestreo y retencion ampliara este tiempo. Sin embargo, muchos ADC modernos (normalmente denominados ADCs de muestreo) ya incluyen un componente de muestreo y retencion. Por lo tanto, incluir un circuito de muestreo y retencion proporcionara una ventaja, por ejemplo, en caso de que se desee evitar el uso de un ADC para ahorrar costes y/o espacio utilizando el hardware ya presente en un microcontrolador. Existen varias posibilidades conocidas para construir un ADC (de baja velocidad) usando un microcontrolador. Una posibilidad se refiere a la construccion de un SAR-ADC utilizando la salida analogica de un microcontrolador en combinacion con su comparador de voltaje.

En una realizacion preferida adicional, dicha fuente lummica comprende un diodo emisor lummica. Otros tipos de fuentes lummica pueden incluir laseres semiconductores/VCSELs.

En una realizacion preferida adicional, dicho detector smcrono comprende un amplificador de bloqueo digital. Preferiblemente, se puede implementar un detector smcrono como un rectificador smcrono (por ejemplo, que se multiplica sincronicamente por ±1) seguido por un filtro de paso bajo. Ademas, preferiblemente, un amplificador de bloqueo puede corresponder a un dispositivo que multiplica la senal de entrada con una referencia de coseno y seno smcrono (es decir, una componente en fase (I) y una componente en cuadratura (Q), seguida por un filtro de paso

bajo y un calculo de la amplitud . Debido a que implica un calculo, el bloqueo se implementa

preferiblemente en el dominio digital. En una realizacion preferida adicional, dicho detector smcrono esta dispuesto dentro de dicho microcontrolador. Es preferible disponer el detector smcrono dentro del microcontrolador debido a razones de espacio, menores costes y menos corriente de suministro. La realizacion preferida se utiliza preferiblemente en una implementacion de un detector smcrono analogico: En un detector smcrono que no utiliza demodulacion en cuadratura (es decir, cuando solo se realiza una rectificacion smcrona), el desplazamiento de fase entre la senal medida y la referencia se traduce preferiblemente en una DC en la salida. Puesto que este cambio de fase estara casi completamente fijado (por ejemplo, el impacto de la variacion de la longitud de la trayectoria optica no es significativo, debido a la velocidad de la luz), puede compensarse ajustando la senal de referencia (es decir, preferiblemente un voltaje de referencia).

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo de sensor de fotopletismograffa que comprende las etapas de

- generar una primera senal lummica por una unidad de fuente lummica;

- observar una segunda senal lummica por una unidad fotodetectora, en el que dicha segunda senal lummica es indicativa de una absorcion de dicha primera senal lummica en un objetivo;

- recibir, en respuesta a la observacion de dicha segunda senal lummica, una senal de salida de fotodetector por un bucle de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental que comprende una unidad de seguimiento y retencion y una unidad de amplificacion;

- comparar una senal de salida de la unidad de seguimiento y retencion con una senal de referencia, en el que dicha senal de salida de dicha unidad de seguimiento y retencion se basa en dicha senal de salida del fotodetector; y

- proporcionar una corriente de compensacion por la unidad de amplificacion a la unidad de seguimiento y retencion basada en dicha comparacion.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invencion, se proporciona un producto de programa de ordenador de sensor de fotopletismograffa que comprende una memoria legible por ordenador que almacena medios de codigo de programa de ordenador para hacer que el aparato sensor de fotopletismograffa lleve a cabo las etapas del metodo de sensor de fotopletismograffa, El programa de ordenador se ejecuta en un ordenador que controla el

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aparato sensor de fotopletismograffa.

Se entendera que el aparato sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 1, el metodo de sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 13 y el programa de ordenador de sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 14 tienen realizaciones preferidas similares y/o identicas, en particular, como se define en las reivindicaciones dependientes.

Se entendera que una realizacion preferida de la presente invencion tambien puede ser cualquier combinacion de las reivindicaciones dependientes o realizaciones anteriores con la reivindicacion independiente respectiva.

Estos y otros aspectos de la invencion seran evidentes y se explicaran con referencia a las realizaciones descritas a continuacion.

Breve descripcion de los dibujos En los siguientes dibujos:

La Fig. 1 ilustra el principio basico de la fotopletismograffa,

La Fig. La figura 2 muestra esquematicamente y a manera de ejemplo una realizacion de un aparato sensor de fotopletismograffa,

La Fig. 3 muestra esquematicamente y a manera de ejemplo otra realizacion de un aparato sensor de fotopletismograffa y

La Fig. 4 muestra esquematicamente y a manera de ejemplo una realizacion de un metodo de sensor de fotopletismograffa.

Descripcion detallada de realizaciones

La presente invencion se refiere a un aparato sensor de fotopletismograffa, un metodo de sensor de fotopletismograffa y un programa de ordenador con sensor de fotopletismograffa. Se propone medir una senal fotopletismografica sin interferencia lummica ambiental. Las senales lummica ambiental son rechazadas por sustraccion de una corriente de compensacion en la entrada de un amplificador de transimpedancia. La corriente de compensacion se controla mediante un bucle cerrado, sin interferir con el funcionamiento de ciclo de trabajo bajo de un LED de fotopletismograffa.

La Fig. 1 ilustra el principio basico de PPG. PPG se refiere a la adquisicion de una medicion volumetrica de organos por medios opticos. En el ejemplo 100 mostrado en la Fig. 1, un diodo lummico 110a emite luz hacia un dedo 120a humano. La luz es parcialmente absorbida y parcialmente reflejada por el dedo 120a. La luz reflejada se observa mediante el fotodiodo o transistor 130a. Ademas, en el ejemplo 100, un diodo 110b emisor lummico emite luz hacia un lobulo de la oreja 120b humana. La luz es parcialmente absorbida y parcialmente transmitida por el lobulo de la oreja 120b. La luz transmitida es observada por el fotodiodo o transistor 130b. La luz observada por el fotodiodo o transistor 130a, 130b es indicativa de la cantidad lummica absorbida dentro del objetivo 120a, 120b. La luz observada se puede utilizar para obtener informacion sobre la estructura objetivo.

La figura 2 muestra esquematicamente y de manera ejemplar una realizacion de un aparato sensor de fotopletismograffa 200. El LED 210 es encendido y apagado periodicamente por el controlador 215 de LED. Esto ahorra energfa, pero tambien permite muestrear luz ambiental cuando el LED 210 se apaga. La luz 210a emitida por el LED 210 se dirige hacia el tejido, tal como, en el ejemplo mostrado, la muneca humana 220. La luz 220a reflejada se observa mediante un fotodiodo 230. La luz 220a reflejada puede ser adicionalmente filtrada por un filtro 225 optico opcional. El fotodiodo 230 observara la interferencia procedente de la luz 221 ambiental. En el caso de que el LED 210 se conecte, el fotodiodo 230 generara de este modo una corriente combinada que comprende un componente LED Il y un componente luz ambiental Ia.

Los sensores actuales de PPG usan ffpicamente un circuito de muestreo y retencion para 'almacenar' una muestra ambiental. De este modo, una vez que se dispone de una senal PPG, se puede aplicar una etapa de correccion basandose en la muestra ambiental almacenada. En una realizacion preferida del aparato sensor de fotopletismograffa 200, se propone substraer directamente una corriente de compensacion Ia de la entrada en lugar de almacenar una muestra ambiental, a partir de la cual se deriva un nivel de fondo para corregir posteriormente la senal observada. Un circuito de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental cerrado 201 asegura que la salida de TIA 240 corresponde a un voltaje de referencia Vr. Manteniendo este procedimiento, tambien se compensara una senal PPG cuando el LED 210 este encendido. Por consiguiente, se propone emplear un circuito 260 de seguimiento y retencion para estabilizar el bucle de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental 201 cuando se toma una senal de PPG.

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El aparato 200 sensor de fotopletismograffa se puede describir como sigue:

Durante un primer periodo de tiempo, el diodo 210 emisor lummica se desactiva. El circuito 260 de seguimiento y retencion esta en “modo de rastreo”. Un elemento de seguimiento y retencion (o muestreo y retencion, SHA) almacena un valor analogico durante un cierto tiempo. De este modo, convierte una senal de tiempo continuo en una senal de tiempo discreta. Un integrar-y-retener no almacena la entrada en sf, pero almacena una integral de la entrada. (Los elementos de integrar y retener tambien se denominan elementos de integracion-muestreo-y- retencion). En el elemento de seguimiento y retencion, la salida sigue la entrada mientras esta en modo de rastreo. Cuando se cambia a modo de retencion, se mantiene el ultimo nivel de entrada. El elemento de integracion y retencion integra la senal de entrada durante el modo de integracion y almacena el valor integrado (no igual a la entrada) cuando se conmuta al modo de espera. La salida del circuito 260 de seguimiento y retencion se compara con el voltaje de referencia VR (que puede ser, por ejemplo, un voltaje cero o algun otro nivel de voltaje de CC deseado). La diferencia obtenida a partir de dicha comparacion (por ejemplo, obtenida mediante el circuito 255 sustractor) se convierte posteriormente en una corriente de compensacion por medio de una primera unidad 250 de amplificacion, que puede ser, por ejemplo, un amplificador 250 de transconductancia. Un amplificador 250 transconductor puede ser, por ejemplo, una fuente de corriente controlada por resistencia o voltaje, pero tambien son adecuados cualesquiera otros medios de amplificacion de transconductancia. El voltaje de referencia VR puede ser fijo o de controlado, por ejemplo por el microcontrolador 270.

En una segunda instancia en el tiempo, justo antes de activar el diodo 210 de encendido, el circuito 260 de seguimiento y retencion se conmuta a un modo de espera. En otras palabras, el ultimo nivel de entrada es retenido y se muestra la ultima muestra "rastreada" en el modo de rastreo. El bucle dentro del aparato 200 sensor de fotopletismograffa resta entonces el nivel ambiente actual durante un periodo de tiempo subsiguiente.

Durante dicho periodo de tiempo subsiguiente, el diodo 210 emisor lummica se enciende. El nivel ambiente almacenado se resta de la corriente combinada Il + Ia. Por consiguiente, solo se amplifica la senal PPG (es decir, Il), pero no la corriente procedente de la luz ambiental interferente (es decir, Ia), mediante una segunda unidad amplificadora 240, que puede ser, por ejemplo, un TIA. La senal PPG de salida resultante del amplificador 240 de transimpedancia puede almacenarse preferiblemente en un circuito opcional de muestreo y retencion. Alternativamente y/o adicionalmente, la senal PPG de salida resultante del amplificador 240 de transimpedancia puede convertirse directamente mediante el conversor 280 analogico-digital.

En una cuarta instancia en el tiempo, el diodo 210 emisor lummica se desconecta de nuevo. El ajuste resultante puede considerarse entonces como el punto de partida para una iteracion adicional de supresion lummica ambiental conmutando el circuito 260 de seguimiento y retencion en el "modo de rastreo" de nuevo y procediendo entonces como se ha indicado anteriormente. Se observa que el bucle de retroalimentacion de correccion lummica ambiental 201 esta preferiblemente siempre cerrado, debido a la parte de seguimiento del circuito 260 de seguimiento y retencion. Por consiguiente, esa parte de la senal es siempre insignificantemente pequena dentro del bucle. A saber, puesto que las senales PPG son pequenas (especialmente en sensores PPG de modo reflectante), los niveles lummica ambiental pueden ser relativamente altos. Si la parte ambiental Ia de la corriente no fuese substrafda continuamente, el amplificador 240 de transimpedancia tendna que asentarse a grandes pasos lummica ambiental durante cada ciclo de correccion. En la presente configuracion, este no es el caso. La presente realizacion permite asf relajar las exigencias dinamicas del aparato 200 sensor de fotopletismograffa.

La figura 3 muestra esquematicamente y de manera ejemplar otra realizacion de un aparato 300 sensor de fotopletismograffa. Los elementos 3xx mostrados en la Fig. 3 corresponden a los elementos 2xx numerados en la Fig. 2. En la realizacion mostrada en la Fig. 3, se coloca un detector 390 smcrono antes del convertidor 380 analogico-digital, para permitir el rechazo o supresion de interferencias adicionales (tales como, por ejemplo, desde 1/f ruido (es decir, ruido donde la densidad espectral de potencia Hz) es inversamente proporcional a la frecuencia f de la senal de ruido) del amplificador 340 transimpedancia, e interferencias externas no sincronizadas con la luz LED 310a). Las interferencias externas no sincronicas con la luz LED 310a pueden incluir, por ejemplo, corriente electromagnetica externa tal como, por ejemplo, interferencia de lmea electrica de 50/60 Hz recogida en otra parte del circuito (es decir, no parte de la fotocorriente). Por lo tanto, estas interferencias pueden ser rechazadas por el detector 390 smcrono. El detector 390 smcrono comprende preferiblemente un rectificador smcrono seguido por un filtro de paso bajo. El rectificador smcrono preferiblemente multiplica la senal con +1 o -1. Preferentemente, la rectificacion es smcrona con el control del LED 310, efectuandose el control mediante el controlador 315 de LED.

En una realizacion preferida adicional, el detector 390 smcrono puede ser implementado como un amplificador incorporado digital en el microcontrolador.

La figura 4 muestra esquematicamente y de manera ejemplar una realizacion de un metodo 400 de sensor de fotopletismograffa.

En la etapa 410, una primera senal 210a, 310a lummica es generada por una unidad de fuente lummica.

En la etapa 420, una segunda senal 220a, 320a lummica es observada por una unidad fotodetectora, en la que

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dicha segunda senal 220a, 320a lummica es indicativa de una absorcion de dicha primera senal 210a, 310a lummica en un objetivo 220, 320.

En la etapa 430, una senal de salida del fotodetector es recibida por un bucle (201, 301) de retroalimentacion de compensacion de la luz ambiental que comprende una unidad (260, 360) de seguimiento y retencion y una unidad (250, 350) de amplificacion en respuesta a la observacion de dicha segunda senal 220a, 320a lummica.

En la etapa 440, se compara una senal de salida de la unidad 260 y 360 de seguimiento y retencion con una senal de referencia VR, en la que dicha senal de salida de dicha unidad 260 y 360 de seguimiento y retencion se basa en dicha senal de salida del fotodetector.

En la etapa 450, la unidad (250, 350) de amplificacion proporciona a la unidad (260, 360) de seguimiento y retencion una corriente de compensacion basada en dicha comparacion.

La invencion se puede usar en sensores fotopletismograficos, y en particular como un extremo frontal fotopletismografico pequeno y eficiente. La invencion tambien puede usarse en otros sensores de oximetna de pulso, tales como, por ejemplo, sensores de SpO2.

Otras variantes de las realizaciones descritas pueden ser entendidas y efectuadas por los expertos en la tecnica en la practica de la invencion reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la descripcion y las reivindicaciones adjuntas.

En las reivindicaciones, la palabra "que comprende" no excluye otros elementos o etapas, y el artmulo indefinido "uno" o "una" no excluye una pluralidad.

Una unica unidad o dispositivo puede cumplir las funciones de varios artmulos enumerados en las reivindicaciones. El mero hecho de que determinadas medidas se reciten en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinacion de estas medidas no pueda utilizarse con ventaja.

Las determinaciones y/o el control del aparato sensor de fotopletismograffa de acuerdo con el metodo de sensor de fotopletismograffa descrito anteriormente se pueden implementar como medios de codigo de programa de un programa de ordenador y/o como hardware dedicado.

Un programa de ordenador puede almacenarse/distribuirse en un medio adecuado, tal como un medio de almacenamiento optico o un medio de estado solido, suministrado junto con o como parte de otro hardware, pero tambien puede distribuirse en otras formas, tales como a traves de Internet u otros sistemas de telecomunicaciones cableados o inalambricos.

Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe ser interpretado como limitativo del alcance.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa que comprende:

- una unidad (210, 310) de fuente lummica configurada para generar una primera senal (210a, 310a) lummica;

- una unidad (230, 330) fotodetectora configurada para observar una segunda senal (220a, 320a) lummica, donde dicha segunda senal (220a, 320a) lummica es indicativa de una absorcion de dicha primera senal (210a, 310a) lummica en un objetivo (220, 320), en el que dicha unidad (230, 330) fotodetectora esta configurada ademas para emitir una senal de salida de fotodetector en respuesta a la observacion de dicha segunda senal (220a, 320a) lummica; y

- un bucle (201, 301) de retroalimentacion de compensacion de la luz ambiental que comprende una unidad (260, 360) de seguimiento y retencion configurada para recibir dicha senal de salida del fotodetector;

en el que dicho aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa esta configurado para comparar una senal de salida de dicha unidad (260, 360) de seguimiento y retencion con una senal de referencia (VR), y en el que dicho bucle (201, 301) de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental comprende una primera unidad (250, 350) de amplificacion configurada para proporcionar una corriente de compensacion basada en dicha comparacion con la unidad (260, 360) de seguimiento y retencion.
2. El aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 1, que comprende ademas una segunda unidad (240, 340) de amplificacion para amplificar una suma de la corriente de compensacion y la senal de salida del fotodetector y para suministrar una senal amplificada a una entrada de la unidad (260) de seguimiento y retencion.
3. El aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 2, en donde dicha segunda unidad (240, 340) de amplificacion comprende un amplificador de transimpedancia.
4. Aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa segun la reivindicacion 1, en el que dicha primera unidad (250, 350) de amplificacion comprende un amplificador de transconductancia, en el que dicho amplificador (250, 350) de transconductancia comprende una resistencia y/o una fuente de corriente controlada por voltaje.
5. El aparato (200) sensor de fotopletismograffa segun la reivindicacion 2, en donde dicho aparato (200) sensor de fotopletismograffa comprende un convertidor (280) analogico a digital configurado para recibir una senal de salida de dicha segunda unidad (240) de amplificacion.
6. Aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 1, en donde dicho aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa comprende ademas una unidad (215, 315) de excitacion de fuente lummica configurada para controlar dicha unidad (210, 310) de fuente lummica.
7. El aparato (300) sensor de fotopletismograffa segun la reivindicacion 1, en donde dicho aparato (300) sensor de fotopletismograffa comprende ademas un detector (390) smcrono.
8. El aparato (300) sensor de fotopletismograffa segun la reivindicacion 7, en donde dicho aparato (300) sensor de fotopletismograffa comprende ademas una unidad (315) de excitacion de fuente lummica configurada para controlar dicha unidad (310) de fuente lummica y en el que dicho detector (390) smcrono esta configurado para operar de forma sincronica con dicha unidad (315) excitadora de fuente lummica.
9. El aparato (300) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 7, en donde dicho aparato (300) sensor de fotopletismograffa comprende un convertidor (380) analogo a digital configurado para recibir la senal de salida desde dicho detector (390) smcrono.
10. El aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa segun la reivindicacion 7, en donde dicho detector (390) smcrono comprende un rectificador smcrono seguido por un filtro de paso bajo.
11. El aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 10, en donde dicho rectificador smcrono multiplica la senal con +1 o -1.
12. El aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 1, en donde dicho aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa comprende ademas un microcontrolador (270, 370) configurado para ajustar dicha senal de referencia (VR).
13. Un metodo (400) sensor de fotopletismograffa que comprende las etapas de:

- generar (410) una primera senal (210a, 310a) lummica mediante una unidad de fuente lummica;

- observar (420) una segunda senal (220a, 320a) lummica por una unidad fotodetectora, en la que dicha segunda

senal (220a, 320a) lummica es indicativa de una absorcion de dicha primera senal (210a, 310a) lummica en un objetivo (220, 320);

- recibir (430), en respuesta a la observacion de dicha segunda senal (220a, 320a) lummica, una senal de salida de 5 fotodetector por un bucle (201, 301) de retroalimentacion de compensacion lummica ambiental que comprende una

unidad (260, 360) de seguimiento y retencion y una unidad (250, 350) amplificadora;

- comparar (440) una senal de salida de la unidad (260, 360) de seguimiento y retencion a una senal de referencia (VR), en el que dicha senal de salida de dicha unidad (260, 360) de seguimiento y retencion se basa en dicha senal

10 de salida del fotodetector; y

- proporcionar (450) una corriente de compensacion por la unidad (250, 350) de amplificacion a la unidad (260, 360) de seguimiento y retencion sobre la base de dicha comparacion.

15 14. Un producto de programa de ordenador de sensor de fotopletismograffa que comprende una memoria legible por

ordenador que almacena medios de codigo de programa de ordenador para hacer que el aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa segun se define en la reivindicacion 1 lleve a cabo las etapas del metodo (400) sensor de fotopletismograffa de la reivindicacion 13, cuando el programa de ordenador se ejecuta en un ordenador que controla el aparato (200, 300) sensor de fotopletismograffa.

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