RU2786614C1 - Method and device for measuring heart rate with suppression of motion artifacts - Google Patents

Method and device for measuring heart rate with suppression of motion artifacts Download PDF

Info

Publication number
RU2786614C1
RU2786614C1 RU2022104036A RU2022104036A RU2786614C1 RU 2786614 C1 RU2786614 C1 RU 2786614C1 RU 2022104036 A RU2022104036 A RU 2022104036A RU 2022104036 A RU2022104036 A RU 2022104036A RU 2786614 C1 RU2786614 C1 RU 2786614C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photodetectors
analog
difference signal
heart rate
digital
Prior art date
Application number
RU2022104036A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Кирилл Геннадьевич Беляев
Вячеслав Сергеевич ХОЛОБУРДИН
Дмитрий Игоревич Чернаков
Владимир Михайлович Семёнов
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to PCT/KR2022/013902 priority Critical patent/WO2023158043A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2786614C1 publication Critical patent/RU2786614C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: heart rate measurement.
SUBSTANCE: group of inventions relates to methods and devices for measuring heart rate, as well as to wearable heart rate measuring devices containing such measuring devices. The heart rate measuring device contains a light source, photodetectors, a conversion unit and a computing unit. The photodetectors in each pair of photodetectors are connected counter-parallel. The light source and photodetectors form a balanced optical circuit. The conversion unit contains a transimpedance amplifier (TIA) and an ADC. At the same time, a part of the body is illuminated with coherent light. The light scattered by the tissues of the body area and blood particles is detected. The frequency component of motion artifacts in the analog difference signal of the photocurrent is eliminated by subtracting the analog signal of the photocurrent detected by one photodetector from a pair of photodetectors from the analog signal of the photocurrent detected by another photodetector from a pair of photodetectors. The analog difference signal of the photocurrent is converted by TIA into an analog voltage difference signal. An analog voltage difference signal is converted by ADC into a digital difference signal. The envelope of the digital difference signal is computed. The heart rate is calculated from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.
EFFECT: present invention enables to simplify the design and reduce the size of the device, which does not require rigid fixation on the human body, is achieved due to the absence of sensors measuring the movement of the measuring device relative to the part of the body on which it is fixed, which also simplifies signal processing, since there is no need to process motion sensor signals to eliminate motion artifacts. The present invention enables to calculate the heart rate.
11 cl, 13 dwg

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к измерению частоты сердечных сокращений с использованием носимых устройств и, в частности, к способу измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения и устройству измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения, которое может быть встроено в различные носимые устройства, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.[0001] The present invention relates generally to heart rate measurement using wearable devices, and more particularly to a motion artifact suppression heart rate measurement method and a motion artifact suppression heart rate measurement device that can be incorporated into various wearable devices, such as smart watches, fitness bracelets, etc.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Prior Art

[0002] Существуют устройства измерения частоты сердечных сокращений на основе фотоплетизмографии (ФПГ) или электрокардиографии (ЭКГ), которые обеспечивают точное измерение в неподвижном состоянии человека. Существуют также устройства измерения частоты сердечных сокращений на основе ФПГ или ЭКГ, встроенные в носимые устройства, которые обеспечивают измерение при движении человека. Однако измерение частоты сердечных сокращений носимым устройством при движении человека может быть неточным из-за артефактов движения, вызванных перемещением устройства относительно части тела человека, на которое надето носимое устройство. Артефакты движения вносят искажения в сигнал измерения и результат измерения получается неточным. В настоящих носимых устройствах для устранения влияния артефактов движения применяется либо жесткая фиксация устройства на теле, либо носимые устройства дополнительно содержат датчики, измеряющие движение, и артефакты движения компенсируются на основании измерений этих датчиков. [0002] There are devices for measuring heart rate based on photoplethysmography (PPG) or electrocardiography (ECG), which provide an accurate measurement in a stationary state of a person. There are also PPG or ECG based heart rate measurement devices built into wearable devices that provide measurement while the person is moving. However, the wearable device's heart rate measurement while the person is moving can be inaccurate due to motion artifacts caused by the movement of the device relative to the body part of the person wearing the wearable device. Motion artifacts introduce distortions into the measurement signal and the measurement result is inaccurate. In the present wearable devices, to eliminate the influence of motion artifacts, either a rigid fixation of the device on the body is used, or the wearable devices additionally contain sensors that measure motion, and motion artifacts are compensated based on the measurements of these sensors.

[0003] Жесткая фиксация устройства измерения частоты сердечных сокращений на теле вызывает неудобства ношения этого устройства, а дополнительные датчики и схемы для компенсации артефактов движения увеличивают размер и вес устройства, кроме того, усложняют конструкцию устройства и усложняют обработку сигналов. [0003] Rigid fixation of the heart rate measurement device on the body causes the inconvenience of wearing this device, and additional sensors and circuits to compensate for motion artifacts increase the size and weight of the device, in addition, complicate the design of the device and complicate signal processing.

[0004] В предшествующем уровне техники известны технические решения для измерения частоты сердечных сокращений.[0004] In the prior art, technical solutions for measuring heart rate are known.

[0005] Патент США US4476875A, выданный 16.10.1984 и озаглавленный «METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING FLOW MOTIONS IN A FLUID», предлагает техническое решение, в котором участок тела освещают монохроматическим светом лазера, свет, рассеянный от частиц в жидкости и от любых окружающих стационарных структур, передается по отдельности на два отдельных фотоприемника. Из выходного сигнала каждого фотодетектора выводится сигнал, содержащий компоненты частоты биений, возникающие в результате интерференции между компонентами света, принимаемыми фотодетектором, которые имеют разные частоты из-за доплеровского сдвига частоты света, рассеянного движущимися частицами. Два сигнала, полученные таким образом из выходных сигналов двух фотодетекторов, вычитаются друг из друга, и сигнал, полученный в результате этого вычитания, используется в качестве меры движения потока в жидкости. В этом техническом решении в дифференциальную схему включены не сами фотодетекторы, а блоки устройства, включая усилители и аналоговые фильтры. Такое решение повышает требования к элементам электрической схемы, таким как линейность и стабильность усилителей, идентичность электрических характеристик всех элементов, включенных в дифференциальную схему. Кроме того, не раскрыта балансная схема расположения фотодетекторов относительно источника света, т.е. равенство расстояний от источника света до каждого фотодетектора и равенство параметров фотодетекторов, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д. В этом техническом решении используется оптоволокно и много блоков обработки сигналов, поэтому это техническое решение имеет большие размеры и вес и предназначено для стационарных измерений и не пригодно для встраивания в носимые устройства.[0005] US Patent US4476875A, issued 10/16/1984 and entitled "METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING FLOW MOTIONS IN A FLUID", proposes a solution in which a body area is illuminated with monochromatic laser light, light scattered from particles in the liquid and from any surrounding stationary structures is transmitted separately to two separate photodetectors. From the output signal of each photodetector, a signal is output containing beat frequency components resulting from interference between light components received by the photodetector that have different frequencies due to the Doppler frequency shift of the light scattered by the moving particles. The two signals obtained in this way from the output signals of the two photodetectors are subtracted from each other, and the signal resulting from this subtraction is used as a measure of the movement of the flow in the liquid. In this technical solution, not the photodetectors themselves are included in the differential circuit, but the device blocks, including amplifiers and analog filters. Such a solution increases the requirements for the elements of the electrical circuit, such as the linearity and stability of amplifiers, the identity of the electrical characteristics of all elements included in the differential circuit. In addition, a balanced arrangement of photodetectors relative to the light source is not disclosed, i.e. equality of distances from the light source to each photodetector and equality of photodetector parameters, such as sensitivity, detection area, etc. This solution uses optical fiber and many signal processing units, so this solution is large and heavy and is intended for stationary measurements and is not suitable for embedding in wearable devices.

[0006] Международная патентная заявка WO 2007/122375А1, опубликованная 01.11.2007 и озаглавленная «PHOTOPLETHYSMOGRAPHY», предлагает устройство фотоплетизмографии, которое включает в себя источник света для освещения целевого объекта. Модулятор управляет источником света таким образом, что выходная интенсивность изменяется в зависимости от сигнала модуляции на частоте модуляции. Детектор получает свет от целевого объекта и генерирует электрический выходной сигнал в зависимости от интенсивности полученного света. Демодулятор с локальным генератором получает выходной сигнал детектора и создает демодулированный выходной сигнал, представляющий собой сигнал модуляции. Демодулятор нечувствителен к любой разнице фаз между сигналом модуляции и генератором демодулятора. Из демодулированного выходного сигнала генерируется сигнал, характеризующий объем крови как функцию времени и/или состава крови. Может быть обеспечено несколько демодуляторов для получения сигналов от нескольких источников света с разными длинами волн или от массива детекторов. Плетизмограф может работать в режиме пропускания или в режиме отражения. В режиме отражения устройство может использовать зеленую часть оптического спектра и поляризационные фильтры. Это техническое решение предназначено для измерений в неподвижном состоянии, поскольку оно не устраняет артефакты движения, искажающий измерительный сигнал. Кроме того, устройство фотоплетизмографии не пригодно для встраивания в носимые устройства из-за сложности конструкции устройства и невозможности компенсировать артефакты движения. [0006] International patent application WO 2007/122375A1, published Nov. 01, 2007 and titled "PHOTOPLETHYSMOGRAPHY", proposes a photoplethysmography device that includes a light source for illuminating a target object. The modulator controls the light source so that the output intensity changes depending on the modulation signal at the modulation frequency. The detector receives light from a target and generates an electrical output depending on the intensity of the light received. A demodulator with a local oscillator receives the output of the detector and produces a demodulated output, which is the modulation signal. The demodulator is insensitive to any phase difference between the modulation signal and the demodulator oscillator. From the demodulated output signal, a signal is generated that characterizes the volume of blood as a function of time and/or blood composition. Multiple demodulators may be provided to receive signals from multiple light sources at different wavelengths or from an array of detectors. The plethysmograph can operate in transmission or reflection mode. In reflection mode, the device can use the green part of the optical spectrum and polarizing filters. This technical solution is intended for measurements in a stationary state, since it does not eliminate motion artifacts that distort the measurement signal. In addition, the photoplethysmography device is not suitable for embedding in wearable devices due to the complexity of the design of the device and the inability to compensate for motion artifacts.

[0007] Патент США US10849513B2, выданный 01.12.2020 и озаглавленный «SENSING AT LEAST ONE BIOLOGICAL PARAMETER, E.G., HEART RATE OR HEART RATE VARIABILITY OF A SUBJECT», предлагает устройство для определения по меньшей мере одного биологического параметра (например, частоты сердечных сокращений, изменения сердечного ритма) субъекта, причем устройство содержит контактную поверхность, выполненную с возможностью приведения в контакт с поверхностью кожи субъекта. Устройство содержит по меньшей мере один источник света для освещения поверхности кожи через контактную поверхность вдоль оптической оси источника света с освещением, включающим по меньшей мере одну длину волны, и по меньшей мере один детектор для обнаружения отклика упомянутого освещения по меньшей мере на упомянутой длине волны, от поверхности кожи через контактную поверхность вдоль оптической оси детектора и подачи сигналов, сконфигурированных для определения упомянутого биологического параметра на его основе, при этом упомянутая оптическая ось освещения образует с упомянутой контактной поверхностью острый угол прилегания. Это устройство не компенсирует артефакты движения и требует жесткой фиксации на участке тела.[0007] US Patent US10849513B2, issued 12/01/2020 and entitled "SENSING AT LEAST ONE BIOLOGICAL PARAMETER, E.G., HEART RATE OR HEART RATE VARIABILITY OF A SUBJECT", proposes a device for determining at least one biological parameter (for example, heart rate , changes in heart rate) of the subject, and the device includes a contact surface configured to be brought into contact with the skin surface of the subject. The device contains at least one light source for illuminating the skin surface through the contact surface along the optical axis of the light source with illumination including at least one wavelength, and at least one detector for detecting the response of said illumination at least at the said wavelength, from the skin surface through the contact surface along the optical axis of the detector and the supply of signals configured to determine the said biological parameter based on it, while the said optical illumination axis forms an acute contact angle with the said contact surface. This device does not compensate for motion artifacts and requires rigid fixation on the body area.

[0008] Заявка на патент США US20100298657A1, опубликованная 25.11.2010 и озаглавленная «METHOD FOR CONTINUOUSLY MONITORING A PATIENT USING A BODY-WORN DEVICE AND ASSOCIATED SYSTEM FOR ALARMS/ALERTS», предлагает носимый на теле монитор, который измеряет жизненные показатели пациента (например, артериальное давление, SpO2, частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и температуру) и одновременно характеризует состояние его активности (например, отдых, ходьба, судороги, падение). Носимый на теле монитор обрабатывает эту информацию, чтобы свести к минимуму искажение основных показателей жизнедеятельности артефактами, связанными с движением. Программная среда генерирует сигналы оповещения на основе пороговых значений, которые либо заранее заданы, либо определяются в режиме реального времени. Конструкция дополнительно включает в себя ряд «эвристических» правил, которые учитывают состояние активности и движения пациента и соответствующим образом обрабатывают жизненные показатели. Эти правила, например, указывают на то, что ходячий пациент, вероятно, дышит и имеет регулярный пульс, даже если его жизненно важные показатели, искаженные движением, говорят об обратном. Это техническое решение включает в себя несколько датчиков, детектирующих движение, для компенсации движения части тела человека. А также оно требует дополнительных сложных вычислений для компенсации движения части тела человека. [0008] US Patent Application US20100298657A1 published 11/25/2010 entitled "METHOD FOR CONTINUOUSLY MONITORING A PATIENT USING A BODY-WORN DEVICE AND ASSOCIATED SYSTEM FOR ALARMS/ALERTS" proposes a body-worn monitor that measures a patient's vital signs (e.g. , blood pressure, SpO2, heart rate, respiratory rate and temperature) and at the same time characterizes the state of his activity (for example, rest, walking, cramps, falling). The body-worn monitor processes this information to minimize the distortion of vital signs by movement-related artifacts. The software environment generates alerts based on thresholds that are either predefined or determined in real time. The design further includes a set of "heuristic" rules that take into account the patient's activity and movement state and process vital signs accordingly. These rules, for example, indicate that a walking patient is likely to be breathing and having a regular pulse, even if their motion-corrupted vitals indicate otherwise. This technical solution includes several motion-detecting sensors to compensate for the movement of a part of the human body. And also it requires additional complex calculations to compensate for the movement of a part of the human body.

[0009] Существующие в настоящее время устройства для измерения частоты сердечных сокращений имеют следующие недостатки. Известные устройства для измерения частоты сердечных сокращений либо предназначены для измерения в неподвижном состоянии, либо требуют жесткой фиксации устройства на теле или имеют сложную конструкцию с дополнительными датчиками, детектирующими движение части тела человека. [0009] Current devices for measuring heart rate have the following disadvantages. Known devices for measuring heart rate are either designed to measure in a stationary state, or require a rigid fixation of the device on the body, or have a complex design with additional sensors that detect the movement of a part of the human body.

[0010] Требуется измерительное устройство, способное обеспечить точное измерение частоты сердечных сокращений даже в условиях интенсивного движения без жесткой фиксации измерительного устройства на теле, малых размеров, простой конструкции и без сложной обработки сигналов. Настоящее изобретение создано для устранения вышеописанных недостатков и для обеспечения нижеописанных преимуществ.[0010] There is a need for a measurement device capable of providing accurate heart rate measurement even under heavy traffic conditions without rigid fixation of the measurement device on the body, small size, simple structure, and without complex signal processing. The present invention has been made to overcome the disadvantages described above and to provide the advantages described below.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0011] Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции, уменьшение размеров и упрощение обработки сигналов устройства измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения, не требующего жесткой фиксации на теле человека, и которое можно встроить в различные носимые устройства, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д. [0011] The aim of the present invention is to simplify the design, reduce the size and simplify the signal processing of a heart rate measurement device with motion artifact suppression that does not require a rigid fixation on the human body, and which can be embedded in various wearable devices, for example, smart watches, fitness bracelet, etc.

[0012] Один аспект настоящего изобретения обеспечивает способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых: освещают участок тела когерентным светом, излученным источником света; детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, по меньшей мере одной парой фотодетекторов, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему; устраняют частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов; преобразуют трансимпедансным усилителем (ТИУ) аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения; преобразуют аналого-цифровым преобразователем (АЦП) аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал; вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала; и вычисляют частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.[0012] One aspect of the present invention provides a method for measuring heart rate, comprising the steps of: illuminating a body area with coherent light emitted from a light source; detecting light scattered by the tissues of the body area and blood particles, at least one pair of photodetectors, wherein the photodetectors in each pair of photodetectors are connected in anti-parallel, and the light source and photodetectors form a balanced optical circuit; removing a frequency component from motion artifacts in the analog photocurrent difference signal by subtracting the analog photocurrent signal detected by one photodetector of the pair of photodetectors from the analog photocurrent signal detected by the other photodetector of the pair of photodetectors; convert transimpedance amplifier (TIU) analog differential photocurrent signal into an analog differential voltage signal; converting the analog-to-digital converter (ADC) analog voltage difference signal into a digital difference signal; calculating the envelope of the digital difference signal; and calculating the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.

[0013] Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее: источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом; по меньшей мере одну пару фотодетекторов, выполненных с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему для устранения частотной составляющей от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов; блок преобразования, содержащий трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и выполненный с возможностью преобразования аналогового разностного сигнала фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП; вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления огибающей цифрового разностного сигнала, и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.[0013] Another aspect of the present invention provides a device for measuring heart rate, comprising: a light source configured to illuminate a portion of the body with coherent light; at least one pair of photodetectors configured to detect light scattered by the tissues of the body area and blood particles, while the photodetectors in each pair of photodetectors are connected in anti-parallel, and the light source and photodetectors form a balanced optical circuit to eliminate the frequency component from motion artifacts in an analog photocurrent difference signal by subtracting an analog photocurrent signal detected by one photodetector of the photodetector pair from an analog photocurrent signal detected by another photodetector of the photodetector pair; a conversion unit containing a transimpedance amplifier (TIA) and an analog-to-digital converter (ADC) and configured to convert the analog photocurrent difference signal into an analog voltage difference signal using the TIA and convert the analog voltage difference signal into a digital difference signal using the ADC; a computing unit configured to calculate the envelope of the digital difference signal, and calculate the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.

[0014] В одном дополнительном аспекте устройство содержит две пары фотодетекторов, причем две пары фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока, при этом блок преобразования, выполнен с возможностью преобразования суммированного аналогового разностного сигнала фототока в суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования суммированного аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП.[0014] In one additional aspect, the apparatus comprises two pairs of photodetectors, wherein the two pairs of photodetectors are connected in parallel to produce a summed analog photocurrent difference signal, wherein the conversion unit is configured to convert the summed analog photocurrent difference signal into a summed analog voltage difference signal using the TIA and converting the summed analog voltage difference signal into a digital difference signal using the ADC.

[0015] В другом дополнительном аспекте устройство содержит более двух пар фотодетекторов, причем более двух пар фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока.[0015] In another additional aspect, the device comprises more than two pairs of photodetectors, with more than two pairs of photodetectors connected in parallel to obtain a summed analog photocurrent difference signal.

[0016] В еще одном дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.[0016] In another additional aspect, the device further comprises a converging lens in front of the light source and each photodetector.

[0017] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений согласно любому варианту осуществления.[0017] Yet another aspect of the present invention provides a wearable heart rate monitor comprising a heart rate monitor according to any embodiment.

[0018] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых: освещают участок тела когерентным светом, излученным источником света; детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, множеством фотодетекторов, состоящим из первого подмножества фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, по меньшей мере один фотодетектор подключен к отдельному блоку преобразования, содержащему трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему; преобразуют ТИУ аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами, в аналоговые сигналы напряжения; преобразуют АЦП аналоговые сигналы напряжения в цифровые сигналы; устраняют частотную составляющую от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока первого подмножества фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока второго подмножества фотодетекторов; вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала; и вычисляют частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.[0018] Another aspect of the present invention provides a method for measuring heart rate, comprising the steps of: illuminating a body area with coherent light emitted by a light source; light scattered by the tissues of the body area and blood particles is detected by a plurality of photodetectors, consisting of the first subset of photodetectors connected in one direction, and the second subset of photodetectors connected in the second direction, opposite to the first direction, at least one photodetector is connected to a separate conversion unit, containing a transimpedance amplifier (TIU) and an analog-to-digital converter (ADC), and a light source and photodetectors form a balanced optical circuit; converting the TIA analog photocurrent signals detected by the photodetectors into analog voltage signals; convert the ADC analog voltage signals into digital signals; removing a frequency component from motion artifacts in the digital difference signal by subtracting the digital signals derived from the analog photocurrent signals of the first subset of photodetectors from the digital signals derived from the analog photocurrent signals of the second subset of photodetectors; calculating the envelope of the digital difference signal; and calculating the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.

[0019] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее: источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом; множество фотодетекторов, состоящее из первого подмножества фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему, при этом множество фотодетекторов выполнено с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови; по меньшей мере два блока преобразования, каждый из которых содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом каждый блок преобразования подключен к по меньшей мере одному фотодетектору, каждый блок преобразования выполнен с возможностью преобразования аналогового сигнала фототока, детектированного по меньшей мере одним фотодетектором, в аналоговый сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового сигнала напряжения в цифровой сигнал с помощью АЦП; вычислительный блок, выполненный с возможностью устранения частотной составляющей от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных первым подмножеством фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных вторым подмножеством фотодетекторов, вычисления огибающей цифрового разностного сигнала, и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала. [0019] Another aspect of the present invention provides a device for measuring heart rate, comprising: a light source configured to illuminate a portion of the body with coherent light; a plurality of photodetectors, consisting of a first subset of photodetectors connected in one direction and a second subset of photodetectors connected in a second direction opposite to the first direction, and a light source and photodetectors form a balanced optical scheme, wherein the plurality of photodetectors is configured to detect light scattered by tissues body area and blood particles; at least two conversion units, each of which contains a transimpedance amplifier (TIA) and an analog-to-digital converter (ADC), while each conversion unit is connected to at least one photodetector, each conversion unit is configured to convert an analog photocurrent signal detected at least one photodetector, into an analog voltage signal using a TIA and converting the analog voltage signal into a digital signal using an ADC; a computing unit configured to eliminate the frequency component from motion artifacts in the digital difference signal by subtracting digital signals obtained by at least one conversion unit from analog photocurrent signals detected by the first subset of photodetectors from digital signals obtained by at least one conversion unit from analog photocurrent signals detected by the second subset of photodetectors, calculating the envelope of the digital difference signal, and calculating the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.

[0020] В одном дополнительном аспекте устройство содержит первое параллельное соединение из первого подмножества фотодетекторов; и второе параллельное соединение из второго подмножества фотодетекторов, при этом один блок преобразования подключен к первому параллельному соединению, а другой блок преобразования подключен ко второму параллельному соединению.[0020] In one additional aspect, the device includes a first parallel connection of the first subset of photodetectors; and a second parallel connection from the second subset of photodetectors, wherein one conversion unit is connected to the first parallel connection and the other conversion unit is connected to the second parallel connection.

[0021] В другом дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.[0021] In another additional aspect, the device further comprises a converging lens in front of the light source and each photodetector.

[0022] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений согласно любому варианту осуществления.[0022] Yet another aspect of the present invention provides a wearable heart rate monitor comprising a heart rate monitor according to any embodiment.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0023] Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:[0023] The above and other aspects, features and advantages of the present invention will be better understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

[0024] Фиг. 1 схематично иллюстрирует процесс детектирования частоты сердечных сокращений. [0024] FIG. 1 schematically illustrates a heart rate detection process.

[0025] Фиг. 2 является схематично иллюстрирует балансную оптическую схему.[0025] FIG. 2 is a schematic illustration of a balanced optical design.

[0026] Фиг. 3 иллюстрирует аналоговые сигналы, детектированные фотодетекторами.[0026] FIG. 3 illustrates analog signals detected by photodetectors.

[0027] Фиг. 4 иллюстрирует аналоговый разностный сигнал. [0027] FIG. 4 illustrates an analog difference signal.

[0028] Фиг. 5 иллюстрирует цифровой разностный сигнал и его огибающую.[0028] FIG. 5 illustrates a digital difference signal and its envelope.

[0029] Фиг. 6 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0029] FIG. 6 is a block diagram of a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

[0030] Фиг. 7 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0030] FIG. 7 is a block diagram of a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

[0031] Фиг. 8 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0031] FIG. 8 is a block diagram of a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

[0032] Фиг. 9 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0032] FIG. 9 is a block diagram of a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

[0033] Фиг. 10 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0033] FIG. 10 is a block diagram of a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

[0034] Фиг. 11 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0034] FIG. 11 is a block diagram of a heart rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

[0035] Фиг. 12 является блок-схемой последовательности операций способа измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0035] FIG. 12 is a flowchart of a heart rate measurement method according to an embodiment of the present invention.

[0036] Фиг. 13 является блок-схемой последовательности операций способа измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения. [0036] FIG. 13 is a flowchart of a heart rate measurement method according to an embodiment of the present invention.

[0037] В последующем описании, если не указано иное, одни и те же ссылочные позиции используются для одних и тех же элементов, когда они изображены на разных чертежах, и их параллельное описание не приводится.[0037] In the following description, unless otherwise indicated, the same reference numbers are used for the same elements when they are shown in different drawings, and their parallel description is not given.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE PRESENT INVENTION

[0038] Нижеследующее описание со ссылкой на прилагаемые чертежи приведено, чтобы облегчить полное понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заданного формулой изобретения, и его эквивалентов. Описание включает в себя различные конкретные подробности, чтобы облегчить такое понимание, но данные подробности следует считать только примерными. Соответственно, специалисты в данной области техники обнаружат, что можно разработать различные изменения и модификации различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, описания общеизвестных функций и конструкций могут быть исключены для ясности и краткости.[0038] The following description with reference to the accompanying drawings is provided to facilitate a thorough understanding of various embodiments of the present invention as defined by the claims and their equivalents. The description includes various specific details to facilitate such understanding, but these details should be considered exemplary only. Accordingly, those skilled in the art will find that various variations and modifications of the various embodiments described herein can be made without departing from the scope of the present invention. In addition, descriptions of well-known functions and constructions may be omitted for the sake of clarity and brevity.

[0039] Термины и формулировки, используемые в последующем описании и формуле изобретения не ограничены библиографическим значениями, а просто использованы создателем настоящего изобретения, чтобы обеспечить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что последующее описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается только для иллюстрации.[0039] The terms and language used in the following description and claims are not limited to bibliographical meanings, but are simply used by the creator of the present invention to provide a clear and consistent understanding of the present invention. Accordingly, it will be clear to those skilled in the art that the following description of various embodiments of the present invention is provided for purposes of illustration only.

[0040] Следует понимать, что формы единственного числа включают в себя множественность, если контекст явно не указывает иное.[0040] It should be understood that the singular forms include plurality, unless the context clearly indicates otherwise.

[0041] Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящей заявке, означают присутствие изложенных признаков, значений, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, значений, операций, элементов, компонентов и/или их групп.[0041] Additionally, it should be understood that the terms "comprises", "comprising", "includes" and / or "including", when used in this application, means the presence of the set forth features, values, operations, elements and/or components, but do not exclude the presence or addition of one or more other features, values, operations, elements, components and/or groups thereof.

[0042] Фиг. 1 иллюстрирует процесс фотоплетизмографии, используемый для измерения частоты сердечных сокращений в настоящем изобретении. Источник света 101 освещает участок тела когерентным светом, а по меньшей мере два фотодетектора 102 детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Интенсивность детектируемого света, а, следовательно, величина сигнала фотодетектора, пропорциональна изменению объема крови в исследуемом участке тела при сокращении и расслаблении сердечной мышцы. Чем больше крови в сосуде, т. е. чем больше в нем эритроцитов, рассеивающих свет, тем сильнее отражается от них свет и больше величина сигнала фотодетектора. На фиг. 1 изображено только два фотодетектора 102, однако настоящее изобретение не ограничено двумя фотодетекторами 102 и устройство для измерения частоты сердечных сокращений согласно настоящему изобретению может содержать более двух фотодетекторов 102. [0042] FIG. 1 illustrates the photoplethysmography process used to measure heart rate in the present invention. The light source 101 illuminates the body area with coherent light, and at least two photodetectors 102 detect light scattered by the tissues of the body area and blood particles. The intensity of the detected light, and, consequently, the magnitude of the photodetector signal, is proportional to the change in blood volume in the studied area of the body during contraction and relaxation of the heart muscle. The more blood in the vessel, i.e., the more erythrocytes in it that scatter light, the stronger the light is reflected from them and the greater the value of the photodetector signal. In FIG. 1, only two photodetectors 102 are shown, however, the present invention is not limited to two photodetectors 102, and the heart rate measuring apparatus of the present invention may include more than two photodetectors 102.

[0043] В настоящем изобретении предпочтительно использовать источник когерентного света малых размеров, например, лазерный светодиод, в качестве источника света 101. Однако настоящее изобретение не ограничено лазерным светодиодом, источник света 101 может быть любым источником когерентного света, который имеет размеры, позволяющие встроить его в носимое устройство, такое как интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.[0043] In the present invention, it is preferable to use a small-sized coherent light source, such as a laser LED, as the light source 101. However, the present invention is not limited to a laser LED, the light source 101 may be any coherent light source that is sized to be embedded into a wearable device such as a smart watch, fitness bracelet, etc.

[0044] В качестве фотодетекторов 102 могут использоваться любые фотодетекторы, работающие в фотодиодном режиме, выходным сигналом которых является сигнал тока. Два или более фотодетекторов 102 подключены встречно-параллельно для обеспечения дифференциальной схемы подключения фотодетекторов 102. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему. [0044] The photodetectors 102 can be any photodetectors operating in the photodiode mode, the output of which is a current signal. Two or more photodetectors 102 are connected back-to-back to provide a differential circuit for connecting photodetectors 102. Light source 101 and photodetectors 102 form a balanced optical circuit.

[0045] Фиг. 2 схематично иллюстрирует балансную оптическую схему. Балансная оптическая схема представляет собой расположение фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101, как показано пунктирной окружностью на фиг. 2, и фотодетекторы 102 имеют одинаковые параметры, такие как чувствительность, площадь детектирования и т.д. Например, фотодетекторы 102 могут быть расположены симметрично относительно источника света 101. Симметричное расположение фотодетекторов 102 позволяет лучше устранять артефакты движения, возникающие в разных направлениях перемещения устройства 100 относительно участка тела, в котором производится измерение. Однако изобретение не ограничено симметричным расположением фотодетекторов 102 относительно источника света 101, основным условием является расположение фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101. Балансная оптическая схема за счет расположения фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101 и одинаковых параметров всех фотодетекторов 102, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д., обеспечивает получение сигналов от всех фотодетекторов 102 с одной и той же частотной составляющей от артефактов движения. [0045] FIG. 2 schematically illustrates a balanced optical design. The balanced optical design is the arrangement of the photodetectors 102 at equal distances from the light source 101, as shown by the dotted circle in FIG. 2 and the photodetectors 102 have the same parameters such as sensitivity, detection area, and so on. For example, the photodetectors 102 may be arranged symmetrically with respect to the light source 101. The symmetrical arrangement of the photodetectors 102 can better eliminate motion artifacts that occur in different directions of movement of the device 100 relative to the area of the body in which the measurement is made. However, the invention is not limited to the symmetrical arrangement of the photodetectors 102 relative to the light source 101, the main condition is the location of the photodetectors 102 at the same distance from the light source 101. such as sensitivity, detection area, etc., provides signals from all photodetectors 102 with the same frequency component from motion artifacts.

[0046] Фиг. 3-5 схематично иллюстрируют сигналы фотодетекторов 102 до и после преобразования. [0046] FIG. 3-5 schematically illustrate the signals from photodetectors 102 before and after conversion.

[0047] Фиг. 3 иллюстрирует аналоговые сигналы, детектированные фотодетекторами 102. Для простоты объяснения на фиг. 3 показаны только два аналоговых сигнала от двух фотодетекторов 102, подключенных встречно-параллельно. Один аналоговый сигнал изображен сплошной кривой линией, а другой аналоговый сигнал изображен точечной кривой линией. Однако количество сигналов в настоящем изобретении может быть равно количеству фотодетекторов 102. Частотная составляющая от артефактов движения в сигналах фотодетекторов 102 обозначена пунктирной кривой линией. Частотная составляющая от артефактов движения, вносится в сигналы фотодетекторов 102 вследствие перемещения устройства для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, в котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений. Частота колебаний частотной составляющей от артефактов движения сигналов фотодетекторов 102 задается частотой перемещений устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, в котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений. Для упрощения иллюстрации аналоговых сигналов, детектированных фотодетекторами 102, частотная составляющая от артефактов движения показана плавной кривой линией. Однако в реальности частотная составляющая от артефактов движения имеет переменную частоту колебаний в зависимости от частоты перемещений устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, в котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, поскольку перемещения устройства 100 могут происходить в разных направлениях и с разной частотой. На разных участках детектированного сигнала частотная составляющая от артефактов движения может иметь частоту колебаний такую же как частота сердечных сокращений, большую или меньшую, чем частота сердечных сокращений. Поэтому частотная составляющая от артефактов движения не может быть устранена фильтрацией детектированного сигнала. Уровень детектирования обозначен штрихпунктирной прямой линией. Уровень детектирования задается заранее так, чтобы учитывать все сердечные сокращения, например, при выполнении измерения без перемещения устройства для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, т.е. когда частотная составляющая от артефактов движения не вносится в сигналы фотодетекторов. Как показано в средней части графика сигналов фотодетекторов 102, не все сердечные сокращения детектируются из-за влияния частотной составляющей от артефактов движения. [0047] FIG. 3 illustrates analog signals detected by photodetectors 102. For ease of explanation, FIG. 3 shows only two analog signals from two photodetectors 102 connected in anti-parallel. One analog signal is shown as a solid curved line, and the other analog signal is shown as a dotted curved line. However, the number of signals in the present invention may be equal to the number of photodetectors 102. The frequency component from motion artifacts in the signals of photodetectors 102 is indicated by a dashed curved line. The frequency component from motion artifacts is introduced into the signals of the photodetectors 102 due to the movement of the heart rate measurement device relative to the area of the body in which the heart rate measurement is performed. The oscillation frequency of the frequency component from motion artifacts of the signals of the photodetectors 102 is set by the frequency of movement of the heart rate measurement device 100 relative to the area of the body in which the heart rate measurement is performed. To simplify the illustration of the analog signals detected by the photodetectors 102, the frequency component from motion artifacts is shown as a smooth curved line. However, in reality, the frequency component from motion artifacts has a variable frequency of oscillation depending on the frequency of movement of the device 100 for measuring heart rate relative to the area of the body in which the measurement of heart rate is performed, since the movements of the device 100 can occur in different directions and at different frequencies. In different parts of the detected signal, the frequency component from motion artifacts can have an oscillation frequency the same as the heart rate, higher or lower than the heart rate. Therefore, the frequency component from motion artifacts cannot be eliminated by filtering the detected signal. The detection level is indicated by a dash-dotted straight line. The detection level is set in advance so as to take into account all heartbeats, for example, when performing a measurement without moving the heart rate measuring device relative to the body area, i.e. when the frequency component from motion artifacts is not introduced into the photodetector signals. As shown in the middle portion of the photodetector waveform 102, not all heart beats are detected due to the influence of the frequency component from motion artifacts.

[0048] Фиг. 4 иллюстрирует аналоговый разностный сигнал, полученный вычитанием сигналов фотодетекторов 102 вследствие подключения фотодетекторов 102 в дифференциальной схеме. Разностный сигнал показан сплошной кривой линией. Поскольку фотодетекторы 102 и источник света 101 образуют балансную оптическую схему, частотная составляющая от артефактов движения во всех сигналах фотодетекторов 102 будет одинаковая и при вычитании сигналов сокращается, как показано пунктирной прямой линией, проходящей через значение 0 по вертикальной оси графика. Следовательно, устраняется влияние артефактов движения, и все сердечные сокращения могут быть детектированы по уровню детектирования, обозначенному штрихпунктирной прямой линией.[0048] FIG. 4 illustrates the analog difference signal obtained by subtracting the signals of the photodetectors 102 due to the connection of the photodetectors 102 in a differential circuit. The difference signal is shown as a solid curved line. Since photodetectors 102 and light source 101 form a balanced optical circuit, the frequency component from motion artifacts in all photodetector 102 signals will be the same and will be reduced when the signals are subtracted, as shown by the dotted straight line passing through the value 0 on the vertical axis of the graph. Therefore, the effect of motion artifacts is eliminated, and all heartbeats can be detected at the detection level indicated by the dashed straight line.

[0049] Фиг. 5 иллюстрирует цифровой разностный сигнал и его огибающую. Для улучшения точности детектирования сердечных сокращений аналоговый разностный сигнал фототока фотодетекторов 102 преобразуют в аналоговый разностный сигнал напряжения, чтобы увеличить соотношение сигнал-шум, и аналоговый разностный сигнал напряжения преобразуют в цифровой разностный сигнал. Затем вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала, например, с помощью преобразования Гилберта, цифрового низкочастотного фильтра и т.д. Огибающая показана пунктирной кривой линией. В настоящем изобретении может быть использован любой известный способ вычисления огибающей цифрового сигнала. Способы вычисления огибающей цифрового сигнала известны в уровне техники и поэтому их описание опущено. Уровень детектирования обозначен штрихпунктирной прямой линией. Частота сердечных сокращений вычисляется по пикам огибающей цифрового разностного сигнала, которые достигают уровня детектирования или превышают его. Горизонтальная ось на графике представляет собой время в секундах и, следовательно, возможно подсчитать количество пиков, которые достигают уровня детектирования или превышают его, за некоторое время, т.е. вычислить частоту сердечных сокращений. Например, на фиг. 5 изображено 3 пика за 3 секунды, следовательно, частота сердечных сокращений, показанная на фиг. 5 составляет 60 биений сердца в минуту. [0049] FIG. 5 illustrates a digital difference signal and its envelope. To improve the accuracy of heart beat detection, the analog photocurrent difference signal of the photodetectors 102 is converted into an analog voltage difference signal to increase the signal-to-noise ratio, and the analog voltage difference signal is converted into a digital difference signal. The envelope of the digital difference signal is then calculated, for example, using a Gilbert transform, a digital low-pass filter, etc. The envelope is shown as a dashed curved line. Any known method for calculating the envelope of a digital signal can be used in the present invention. Methods for calculating the envelope of a digital signal are known in the art and therefore their description is omitted. The detection level is indicated by a dash-dotted straight line. The heart rate is calculated from the peaks in the digital difference envelope that reach or exceed the detection level. The horizontal axis in the graph represents time in seconds and therefore it is possible to count the number of peaks that reach or exceed the detection level over time, i.e. calculate heart rate. For example, in FIG. 5 shows 3 peaks in 3 seconds, hence the heart rate shown in FIG. 5 is 60 heartbeats per minute.

[0050] Фиг. 3-5 иллюстрируют только один из порядков обработки сигналов в настоящем изобретении. В настоящем изобретении также возможно сначала аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами 102, преобразовать в аналоговые сигналы напряжения, аналоговые сигналы напряжения преобразовать в цифровые сигналы, а затем цифровой разностный сигнал получить посредством вычитания цифровых сигналов и вычислить его огибающую. [0050] FIG. 3-5 illustrate just one of the signal processing orders in the present invention. In the present invention, it is also possible to first convert the analog photocurrent signals detected by the photodetectors 102 into analog voltage signals, convert the analog voltage signals into digital signals, and then obtain a digital difference signal by subtracting the digital signals and calculate its envelope.

[0051] В дальнейшем, различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. [0051] Hereinafter, various embodiments of the present invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings.

[0052] На фиг. 12 показана блок-схема последовательности операций способа 200 измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0052] In FIG. 12 shows a flowchart of a heart rate measurement method 200 according to an embodiment of the present invention.

[0053] На этапе S201 участок тела освещают когерентным светом, излученным источником света 101.[0053] In step S201, the body area is illuminated with coherent light emitted from the light source 101.

[0054] На этапе S202 свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, детектируют по меньшей мере одной парой фотодетекторов 102. Фотодетекторы 102 в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему.[0054] In step S202, light from the light source 101 scattered by the tissues of the body site and blood particles is detected by at least one pair of photodetectors 102. The photodetectors 102 in each pair of photodetectors are connected back-to-back. The light source 101 and photodetectors 102 form a balanced optical circuit.

[0055] На этапе S203 частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока устраняют посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102.[0055] In step S203, the frequency component from motion artifacts in the analog photocurrent difference signal is eliminated by subtracting the analog photocurrent signal detected by one photodetector 102 of the pair of photodetectors 102 from the analog photocurrent signal detected by the other photodetector 102 of the pair of photodetectors 102.

[0056] На этапе S204 аналоговый разностный сигнал фототока, полученный на этапе S203, преобразуют в аналоговый разностный сигнал напряжения трансимпедансным усилителем (ТИУ).[0056] In step S204, the analog photocurrent difference signal obtained in step S203 is converted into an analog voltage difference signal by a transimpedance amplifier (TIA).

[0057] На этапе S205 аналоговый разностный сигнал напряжения, полученный на этапе S204, преобразуют в цифровой разностный сигнал аналого-цифровым преобразователем (АЦП).[0057] In step S205, the analog voltage difference signal obtained in step S204 is converted into a digital difference signal by an analog-to-digital converter (ADC).

[0058] На этапе S206 вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала, полученного на этапе S205.[0058] In step S206, the envelope of the digital difference signal obtained in step S205 is calculated.

[0059] На этапе S207 частоту сердечных сокращений вычисляют по пикам огибающей цифрового разностного сигнала, вычисленной на этапе S206.[0059] In step S207, the heart rate is calculated from the peaks of the envelope of the digital difference signal calculated in step S206.

[0060] На фиг. 6-8 показаны блок-схемы вариантов осуществления устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений, которое выполняет способ 200 измерения частоты сердечных сокращений. Устройство 100 содержит источник света 101, по меньшей мере одну пару фотодетекторов 102, блок 103 преобразования и вычислительный блок 104.[0060] FIG. 6-8 show block diagrams of embodiments of a heart rate measurement device 100 that performs a heart rate measurement method 200 . The device 100 includes a light source 101, at least one pair of photodetectors 102, a conversion unit 103, and a computation unit 104.

[0061] Источник света 101 освещает участок тела, на котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, когерентным светом.[0061] The light source 101 illuminates the area of the body where heart rate measurement is performed with coherent light.

[0062] В одном варианте осуществления, показанном на фиг. 6, устройство 100 может содержать одну пару фотодетекторов 102. В другом варианте осуществления, показанном на фиг. 7, устройство 100 может содержать две пары фотодетекторов 102. В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг. 8, устройство 100 может содержать более двух пар фотодетекторов 102.[0062] In one embodiment, shown in FIG. 6, device 100 may include one pair of photodetectors 102. In another embodiment, shown in FIG. 7, device 100 may include two pairs of photodetectors 102. In yet another embodiment, shown in FIG. 8, device 100 may include more than two pairs of photodetectors 102.

[0063] По меньшей мере одна пара фотодетекторов 102 детектирует свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Фотодетекторы 102 в каждой паре фотодетекторов 102 соединены встречно-параллельно. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему. Балансная оптическая схема за счет расположения фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101 и одинаковых параметров всех фотодетекторов 102, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д., обеспечивает получение сигналов от всех фотодетекторов 102 с одной и той же частотной составляющей от артефактов движения. За счет подключения фотодетекторов 102 встречно-параллельно, т.е. в дифференциальной схеме, пара фотодетекторов 102 выдает аналоговый разностный сигнал фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102 из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102. Поскольку сигналы от всех фотодетекторов 102 имеют одну и ту же частотную составляющую от артефактов движения, то при вычитании сигналов устраняется частотная составляющая от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока.[0063] At least one pair of photodetectors 102 detects light from light source 101 scattered by body site tissues and blood particles. The photodetectors 102 in each pair of photodetectors 102 are connected back-to-back. The light source 101 and photodetectors 102 form a balanced optical circuit. The balanced optical scheme, due to the location of photodetectors 102 at the same distance from the light source 101 and the same parameters of all photodetectors 102, such as sensitivity, detection area, etc., provides signals from all photodetectors 102 with the same frequency component from artifacts movement. By connecting the photodetectors 102 in back-to-back, i. e. in a differential circuit, a pair of photodetectors 102 outputs an analog photocurrent difference signal by subtracting the analog photocurrent signal detected by one photodetector 102 of a pair of photodetectors 102 from the analog photocurrent signal detected by another photodetector 102 of a pair of photodetectors 102. Since the signals from all photodetectors 102 have the same the same frequency component from motion artifacts, then subtracting the signals eliminates the frequency component from motion artifacts in the analog differential photocurrent signal.

[0064] Блок 103 преобразования содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ТИУ преобразует аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения. АЦП преобразует аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал. [0064] The conversion unit 103 includes a transimpedance amplifier (TIA) and an analog-to-digital converter (ADC). The TIA converts the analog photocurrent difference signal into an analog voltage difference signal. The ADC converts the analog differential voltage signal into a digital differential signal.

[0065] Вычислительный блок 104 вычисляет огибающую цифрового разностного сигнала и вычисляет частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.[0065] The calculation unit 104 calculates the envelope of the digital difference signal and calculates the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.

[0066] Если устройство 100 содержит две или более пар фотодетекторов 102, как показано в вариантах осуществления на фиг. 7 и 8, пары фотодетекторов 102 соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока. Блок 103 преобразования преобразует суммированный аналоговый разностный сигнал фототока в суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразует суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП.[0066] If the device 100 includes two or more pairs of photodetectors 102, as shown in the embodiments of FIG. 7 and 8, pairs of photodetectors 102 are connected in parallel to produce a summed analog photocurrent difference signal. The converting unit 103 converts the summed analog photocurrent difference signal into a summed analog voltage difference signal with a TIA, and converts the summed analog voltage difference signal into a digital difference signal with an ADC.

[0067] На фиг. 11 частично показан еще один вариант осуществления устройства 100, в котором устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может дополнительно содержать собирающую линзу 105 перед источником света 101 и каждым фотодетектором 102. Собирающие линзы 105 позволяют получить более интенсивный сигнал и увеличить соотношение сигнал-шум обрабатываемых сигналов. [0067] FIG. 11 partially shows another embodiment of the device 100, in which the device 100 of all of the above embodiments may further include a converging lens 105 in front of the light source 101 and each photodetector 102. Converging lenses 105 allow you to get a stronger signal and increase the signal-to-noise ratio of the processed signals.

[0068] Устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может быть встроено в носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д. [0068] The device 100 of all of the above embodiments may be embedded in a wearable heart rate device such as a smart watch, a fitness bracelet, etc.

[0069] На фиг. 13 показана блок-схема последовательности операций способа 300 измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0069] FIG. 13 shows a flowchart of a heart rate measurement method 300 according to an embodiment of the present invention.

[0070] На этапе S301 участок тела освещают когерентным светом, излученным источником света 101.[0070] In step S301, the body area is illuminated with coherent light emitted from the light source 101.

[0071] На этапе S302 свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, детектируют множеством фотодетекторов 102. Множество фотодетекторов 102 состоит из первого подмножества фотодетекторов 102, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов 102, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, т.е. первое подмножество фотодетекторов 102 и второе подмножество фотодетекторов 102 образуют дифференциальную схему. По меньшей мере один фотодетектор 102 подключен к отдельному блоку 103 преобразования, содержащему ТИУ и АЦП. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему.[0071] In step S302, light from the light source 101 scattered by the tissues of the body site and blood particles is detected by a plurality of photodetectors 102. The plurality of photodetectors 102 consists of a first subset of photodetectors 102 connected in one direction and a second subset of photodetectors 102 connected in a second direction , opposite to the first direction, i.e. the first subset of photodetectors 102 and the second subset of photodetectors 102 form a differential circuit. At least one photodetector 102 is connected to a separate conversion unit 103 containing a TIA and an ADC. The light source 101 and photodetectors 102 form a balanced optical circuit.

[0072] На этапе S303 аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами 102, преобразуют ТИУ в аналоговые сигналы напряжения.[0072] In step S303, the analog photocurrent signals detected by the photodetectors 102 convert the TIA into analog voltage signals.

[0073] На этапе S304 аналоговые сигналы напряжения преобразуют АЦП в цифровые сигналы.[0073] In step S304, the analog voltage signals are converted by the ADC to digital signals.

[0074] На этапе S305 частотную составляющую от артефактов движения в цифровом разностном сигнале устраняют посредством вычитания цифровых сигналов, полученных на этапах S303 и S304 из аналоговых сигналов фототока первого подмножества фотодетекторов 102, из цифровых сигналов, полученных на этапах S303 и S304 из аналоговых сигналов фототока второго подмножества фотодетекторов 102.[0074] In step S305, the frequency component from motion artifacts in the digital difference signal is eliminated by subtracting the digital signals obtained in steps S303 and S304 from the analog photocurrent signals of the first subset of photodetectors 102 from the digital signals obtained in steps S303 and S304 from the analog photocurrent signals a second subset of photodetectors 102.

[0075] На этапе S306 вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала, полученного на этапе S305. [0075] In step S306, the envelope of the digital difference signal obtained in step S305 is calculated.

[0076] На этапе S307 частоту сердечных сокращений вычисляют по пикам огибающей цифрового разностного сигнала, вычисленной на этапе S306.[0076] In step S307, the heart rate is calculated from the peaks of the envelope of the digital difference signal calculated in step S306.

[0077] На фиг. 9-10 показаны блок-схемы вариантов осуществления устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений, которое выполняет способ 300 измерения частоты сердечных сокращений. Устройство 100 содержит источник света 101, множество фотодетекторов 102, по меньшей мере два блока 103 преобразования и вычислительный блок 104.[0077] FIG. 9-10 show block diagrams of embodiments of a heart rate measurement device 100 that performs a heart rate measurement method 300 . The device 100 includes a light source 101, a plurality of photodetectors 102, at least two conversion units 103, and a computing unit 104.

[0078] Источник света 101 освещает участок тела, на котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, когерентным светом.[0078] The light source 101 illuminates the area of the body where heart rate measurement is performed with coherent light.

[0079] Множество фотодетекторов 102 детектируют свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Множество фотодетекторов 102 состоит из первого подмножества фотодетекторов 102, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов 102, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему. Балансная оптическая схема за счет расположения фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101 и одинаковых параметров всех фотодетекторов 102, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д., обеспечивает получение сигналов от всех фотодетекторов 102 с одной и той же частотной составляющей от артефактов движения. [0079] A plurality of photodetectors 102 detect light from the light source 101 scattered by body site tissues and blood particles. The plurality of photodetectors 102 consists of a first subset of photodetectors 102 connected in one direction and a second subset of photodetectors 102 connected in a second direction opposite to the first direction. The light source 101 and photodetectors 102 form a balanced optical circuit. The balanced optical scheme, due to the location of photodetectors 102 at the same distance from the light source 101 and the same parameters of all photodetectors 102, such as sensitivity, detection area, etc., provides signals from all photodetectors 102 with the same frequency component from artifacts movement.

[0080] Каждый из по меньшей мере двух блоков 103 преобразования содержит ТИУ и АЦП. Каждый блок 103 преобразования подключен к по меньшей мере одному фотодетектору 102. каждый блок 103 преобразования преобразует аналоговый сигнал фототока, детектированный по меньшей мере одним фотодетектором 102, в аналоговый сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразует аналоговый сигнал напряжения в цифровой сигнал с помощью АЦП.[0080] Each of the at least two conversion units 103 includes a TIE and an ADC. Each conversion unit 103 is connected to at least one photodetector 102. Each conversion unit 103 converts the analog photocurrent signal detected by at least one photodetector 102 into an analog voltage signal using a TIA, and converts the analog voltage signal into a digital signal using an ADC.

[0081] Вычислительный блок 104 вычисляет цифровой разностный сигнал посредством вычитания цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком 103 преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных первым подмножеством фотодетекторов 102, из цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком 103 преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных вторым подмножеством фотодетекторов. При вычитании цифровых сигналов устраняется частотная составляющая от артефактов движения в цифровом разностном сигнале, поскольку все сигналы имеют одну и ту же частотную составляющую от артефактов движения. Вычислительный блок 104 вычисляет огибающую цифрового разностного сигнала и вычисляет частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.[0081] The calculation unit 104 calculates a digital difference signal by subtracting the digital signals obtained by the at least one conversion unit 103 from the analog photocurrent signals detected by the first subset of the photodetectors 102 from the digital signals obtained by the at least one conversion unit 103 from the analog photocurrent signals detected by the second subset of photodetectors. Subtraction of digital signals removes the frequency component from motion artifacts in the digital difference signal because all signals have the same frequency component from motion artifacts. The calculation unit 104 calculates the envelope of the digital difference signal and calculates the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal.

[0082] В одном варианте осуществления, показанном на фиг. 9, в устройстве 100 количество блоков 103 преобразования равно количеству фотодетекторов 102. Один блок 103 преобразования подключен к одному фотодетектору 102.[0082] In one embodiment, shown in FIG. 9, in the device 100, the number of conversion units 103 is equal to the number of photodetectors 102. One conversion unit 103 is connected to one photodetector 102.

[0083] В другом варианте осуществления, показанном на фиг. 10, устройство 100 содержит первое параллельное соединение из первого подмножества фотодетекторов 102, второе параллельное соединение из второго подмножества фотодетекторов 102 и два блока 103 преобразования. Один блок 103 преобразования подключен к первому параллельному соединению из первого подмножества фотодетекторов 102, а другой блок 103 преобразования подключен ко второму параллельному соединению из второго подмножества фотодетекторов 102.[0083] In another embodiment shown in FIG. 10, device 100 includes a first parallel connection from a first subset of photodetectors 102, a second parallel connection from a second subset of photodetectors 102, and two conversion units 103. One conversion unit 103 is connected to the first parallel connection of the first subset of photodetectors 102, and the other conversion unit 103 is connected to the second parallel connection of the second subset of photodetectors 102.

[0084] На фиг. 11 частично показан еще один вариант осуществления устройства 100, в котором устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может дополнительно содержать собирающую линзу 105 перед источником света 101 и каждым фотодетектором 102. Собирающие линзы 105 позволяют получить более интенсивный сигнал и увеличить соотношение сигнал-шум обрабатываемых сигналов. [0084] FIG. 11 partially shows another embodiment of the device 100, in which the device 100 of all of the above embodiments may further include a converging lens 105 in front of the light source 101 and each photodetector 102. Converging lenses 105 allow you to get a stronger signal and increase the signal-to-noise ratio of the processed signals.

[0085] Устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может быть встроено в носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.[0085] The device 100 of all of the above embodiments may be embedded in a wearable heart rate device such as a smart watch, fitness bracelet, etc.

[0086] Вышеприведенные описания вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными, и модификации конфигурации и реализации не выходят за пределы объема настоящего описания. Например, хотя варианты осуществления изобретения описаны, в общем, в связи с фигурами 6-13, приведенные описания являются примерными. Хотя предмет изобретения описан на языке, характерном для конструктивных признаков или методологических операций, понятно, что предмет изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, не обязательно ограничен конкретными вышеописанными признаками или операциями. Более того, конкретные вышеописанные признаки и операции раскрыты как примерные формы реализации формулы изобретения. [0086] The above descriptions of embodiments of the invention are illustrative, and configuration and implementation modifications do not go beyond the scope of the present description. For example, while embodiments of the invention have been described generally in connection with Figures 6-13, the descriptions provided are exemplary. Although the subject matter has been described in terms of design features or methodological steps, it is to be understood that the subject matter defined by the appended claims is not necessarily limited to the specific features or steps described above. Moreover, the specific features and operations described above are disclosed as exemplary embodiments of the claims.

[0087] Соответственно предполагается, что объем вариантов осуществления изобретения ограничивается только нижеследующей формулой изобретения. [0087] Accordingly, the scope of the embodiments is intended to be limited only by the following claims.

Claims (39)

1. Способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых:1. A method for measuring heart rate, comprising the steps of: освещают (S201) участок тела когерентным светом, излученным источником света;illuminating (S201) the body portion with coherent light emitted from the light source; детектируют (S202) свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, по меньшей мере одной парой фотодетекторов, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему;detecting (S202) the light scattered by the tissues of the body area and blood particles, at least one pair of photodetectors, while the photodetectors in each pair of photodetectors are connected back-to-back, and the light source and photodetectors form a balanced optical circuit; устраняют (S203) частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов;removing (S203) a frequency component from motion artifacts in the analog photocurrent difference signal by subtracting the analog photocurrent signal detected by one photodetector of the photodetector pair from the analog photocurrent signal detected by the other photodetector of the photodetector pair; преобразуют (S204) трансимпедансным усилителем (ТИУ) аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения;converting (S204) a transimpedance amplifier (TIA) analog differential photocurrent signal into an analog differential voltage signal; преобразуют (S205) аналого-цифровым преобразователем (АЦП) аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал;converting (S205) analog-to-digital converter (ADC) analog voltage difference signal into a digital difference signal; вычисляют (S206) огибающую цифрового разностного сигнала; иcalculate (S206) the envelope of the digital difference signal; and вычисляют (S207) частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.calculating (S207) the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal. 2. Устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее:2. Device for measuring heart rate, containing: источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом;a light source configured to illuminate the body area with coherent light; по меньшей мере одну пару фотодетекторов, выполненных с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему для устранения частотной составляющей от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов;at least one pair of photodetectors configured to detect light scattered by the tissues of the body area and blood particles, while the photodetectors in each pair of photodetectors are connected in anti-parallel, and the light source and photodetectors form a balanced optical circuit to eliminate the frequency component from motion artifacts in an analog photocurrent difference signal by subtracting an analog photocurrent signal detected by one photodetector of the photodetector pair from an analog photocurrent signal detected by another photodetector of the photodetector pair; блок преобразования, содержащий трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и выполненный с возможностью преобразования аналогового разностного сигнала фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП;a conversion unit containing a transimpedance amplifier (TIA) and an analog-to-digital converter (ADC) and configured to convert the analog photocurrent difference signal into an analog voltage difference signal using the TIA and convert the analog voltage difference signal into a digital difference signal using the ADC; вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления огибающей цифрового разностного сигнала и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.a computing unit configured to calculate the envelope of the digital difference signal and calculate the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal. 3. Устройство по п. 2, содержащее: 3. The device according to claim 2, containing: две пары фотодетекторов, причем две пары фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока,two pairs of photodetectors, wherein two pairs of photodetectors are connected in parallel to obtain a summed analog photocurrent difference signal, при этом блок преобразования выполнен с возможностью преобразования суммированного аналогового разностного сигнала фототока в суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования суммированного аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП.wherein the conversion unit is configured to convert the summed analog difference signal of the photocurrent into a summed analog voltage difference signal using the TIA and convert the summed analog voltage difference signal into a digital difference signal using an ADC. 4. Устройство по п. 3, содержащее: 4. The device according to claim 3, containing: более двух пар фотодетекторов, причем более двух пар фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока.more than two pairs of photodetectors, more than two pairs of photodetectors connected in parallel to obtain a summed analog photocurrent difference signal. 5. Устройство по любому из пп. 2-4, дополнительно содержащее собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.5. The device according to any one of paragraphs. 2-4, further comprising a converging lens in front of the light source and each photodetector. 6. Носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений по любому из пп. 2-5.6. Wearable device for measuring heart rate, containing a device for measuring heart rate according to any one of paragraphs. 2-5. 7. Способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых:7. A method for measuring heart rate, comprising the steps of: освещают (S301) участок тела когерентным светом, излученным источником света;illuminating (S301) the body portion with coherent light emitted from the light source; детектируют (S302) свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, фотодетекторами, образующими первое подмножество фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второе подмножество фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, каждый блок преобразования из по меньшей мере двух блоков преобразования, содержащих трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключен к по меньшей мере одному фотодетектору из одного и того же подмножества фотодетекторов, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему;detecting (S302) the light scattered by the tissues of the body area and blood particles by photodetectors forming the first subset of photodetectors connected in one direction and the second subset of photodetectors connected in the second direction opposite to the first direction, each conversion unit of at least two conversion units containing a transimpedance amplifier (TIU) and an analog-to-digital converter (ADC), connected to at least one photodetector from the same subset of photodetectors, and the light source and photodetectors form a balanced optical circuit; преобразуют (S303) ТИУ аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами, в аналоговые сигналы напряжения;converting (S303) the TIA analog photocurrent signals detected by the photodetectors into analog voltage signals; преобразуют (S304) АЦП аналоговые сигналы напряжения в цифровые сигналы;converting (S304) the ADC analog voltage signals into digital signals; устраняют (S305) частотную составляющую от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока первого подмножества фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока второго подмножества фотодетекторов;removing (S305) a frequency component from motion artifacts in the digital difference signal by subtracting the digital signals obtained from the analog photocurrent signals of the first subset of photodetectors from the digital signals obtained from the analog photocurrent signals of the second subset of photodetectors; вычисляют (S306) огибающую цифрового разностного сигнала; иcalculate (S306) the envelope of the digital difference signal; and вычисляют (S307) частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.calculating (S307) the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal. 8. Устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее:8. Device for measuring heart rate, containing: источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом; a light source configured to illuminate the body area with coherent light; фотодетекторы, образующие первое подмножество фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второе подмножество фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему, при этом фотодетекторы выполнены с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови;photodetectors forming the first subset of photodetectors connected in one direction, and the second subset of photodetectors connected in the second direction opposite to the first direction, and the light source and photodetectors form a balanced optical scheme, while the photodetectors are configured to detect light scattered by the tissues of the body area and blood particles; по меньшей мере два блока преобразования, каждый из которых содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом каждый блок преобразования подключен к по меньшей мере одному фотодетектору из одного и того же подмножества фотодетекторов, каждый блок преобразования выполнен с возможностью преобразования аналогового сигнала фототока, детектированного по меньшей мере одним фотодетектором, в аналоговый сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового сигнала напряжения в цифровой сигнал с помощью АЦП;at least two conversion units, each of which contains a transimpedance amplifier (TIA) and an analog-to-digital converter (ADC), while each conversion unit is connected to at least one photodetector from the same subset of photodetectors, each conversion unit is made with the possibility of converting the analog signal of the photocurrent detected by at least one photodetector into an analog voltage signal using the TIA and converting the analog voltage signal into a digital signal using the ADC; вычислительный блок, выполненный с возможностью устранения частотной составляющей от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных первым подмножеством фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных вторым подмножеством фотодетекторов, вычисления огибающей цифрового разностного сигнала и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала. a computing unit configured to eliminate the frequency component from motion artifacts in the digital difference signal by subtracting digital signals obtained by at least one conversion unit from analog photocurrent signals detected by the first subset of photodetectors from digital signals obtained by at least one conversion unit from analog photocurrent signals detected by the second subset of photodetectors, calculating the envelope of the digital difference signal, and calculating the heart rate from the peaks of the calculated envelope of the digital difference signal. 9. Устройство по п. 8, содержащее:9. The device according to claim 8, containing: первое параллельное соединение из первого подмножества фотодетекторов; иthe first parallel connection of the first subset of photodetectors; and второе параллельное соединение из второго подмножества фотодетекторов,the second parallel connection from the second subset of photodetectors, при этом один блок преобразования подключен к первому параллельному соединению, а другой блок преобразования подключен ко второму параллельному соединению.wherein one conversion unit is connected to the first parallel connection and the other conversion unit is connected to the second parallel connection. 10. Устройство по любому из пп. 8, 9, дополнительно содержащее собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.10. The device according to any one of paragraphs. 8, 9, further comprising a converging lens in front of the light source and each photodetector. 11. Носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений по любому из пп. 8-10.11. Wearable device for measuring heart rate, containing a device for measuring heart rate according to any one of paragraphs. 8-10.
RU2022104036A 2022-02-16 2022-02-16 Method and device for measuring heart rate with suppression of motion artifacts RU2786614C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2022/013902 WO2023158043A1 (en) 2022-02-16 2022-09-16 Method and device for measuring heart rate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2786614C1 true RU2786614C1 (en) 2022-12-22

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008110788A1 (en) * 2007-03-15 2008-09-18 Imperial Innovations Limited Heart rate measurement
RU2620571C2 (en) * 2011-08-26 2017-05-26 Конинклейке Филипс Н.В. Signal detection with reduced distortion
EP3387990A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-17 IMEC vzw System and method for heart rate detection with motion artifact reduction
CN108937878A (en) * 2018-06-06 2018-12-07 北京邮电大学 A kind of method that pulse wave signal motion artifacts are eliminated
RU2680190C1 (en) * 2015-09-28 2019-02-18 Конинклейке Филипс Н.В. Sensor of indicators of vital important functions and method of measurement of indicators of vital life important functions of user
RU2701886C2 (en) * 2014-07-28 2019-10-02 Конинклейке Филипс Н.В. Heart rate monitoring system and method of determining user's warm-up state

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008110788A1 (en) * 2007-03-15 2008-09-18 Imperial Innovations Limited Heart rate measurement
RU2620571C2 (en) * 2011-08-26 2017-05-26 Конинклейке Филипс Н.В. Signal detection with reduced distortion
RU2701886C2 (en) * 2014-07-28 2019-10-02 Конинклейке Филипс Н.В. Heart rate monitoring system and method of determining user's warm-up state
RU2680190C1 (en) * 2015-09-28 2019-02-18 Конинклейке Филипс Н.В. Sensor of indicators of vital important functions and method of measurement of indicators of vital life important functions of user
EP3387990A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-17 IMEC vzw System and method for heart rate detection with motion artifact reduction
CN108937878A (en) * 2018-06-06 2018-12-07 北京邮电大学 A kind of method that pulse wave signal motion artifacts are eliminated

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nilsson Signal processor for laser Doppler tissue flowmeters
JP7061996B2 (en) Device for use in blood oxygen saturation measurement
JP4338242B2 (en) Device for reducing the level of an artifact signal in a physiological signal
US11350825B2 (en) Contactless system and method for measuring and continuously monitoring arterial blood pressure
EP0335357B1 (en) Improved method and apparatus for detecting optical pulses
CN100500083C (en) A signal processing method and device for signal-to-noise improvement
US4476875A (en) Method and apparatus for measuring flow motions in a fluid
JP3944448B2 (en) Blood measuring device
CN108937957B (en) Detection method, device and detection equipment
US20150305674A1 (en) Systems and Methods for Measuring Hydration in a Human Subject
CN106535753B (en) Optical heart rate sensor
Bathilde et al. Continuous heart rate monitoring system as an IoT edge device
GB2170972A (en) Monitor
CA2354064A1 (en) Direct to digital oximeter and method for calculating oxygenation levels
WO1994003102A1 (en) Optical monitor (oximeter, etc.) with motion artefact suppression
US10750956B2 (en) System and method for blood pressure measurement
US20180296168A1 (en) Non-invasive hemodynamic assessment via interrogation of biological tissue using a coherent light source
CN106037706A (en) Wearable device capable of monitoring heart rate based on photoplethysmography and monitoring method
TWI535415B (en) Method for monitoring a heart rate
JP2001198094A (en) Pulse rate detector
WO2019172569A1 (en) Photoplethysmography-based wearable blood pressure monitor and blood pressure monitoring method
Santos et al. Photoplethysmographic logger with contact force and hydrostatic pressure monitoring
RU2786614C1 (en) Method and device for measuring heart rate with suppression of motion artifacts
JP3359756B2 (en) Biological light measurement device
CN116269268A (en) High-precision continuous blood pressure measuring device and method