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 PDFInfo
- 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
Links
- 230000001629 suppression Effects 0.000 title description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 38
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 24
- 210000004369 Blood Anatomy 0.000 claims abstract description 18
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000001427 coherent Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 16
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 claims abstract description 14
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 210000003491 Skin Anatomy 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 238000002565 electrocardiography Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 210000003743 Erythrocytes Anatomy 0.000 description 1
- 208000007101 Muscle Cramp Diseases 0.000 description 1
- 206010028334 Muscle spasms Diseases 0.000 description 1
- 210000004165 Myocardium Anatomy 0.000 description 1
- 230000001154 acute Effects 0.000 description 1
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 230000036387 respiratory rate Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
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
[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
[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
[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
[0046] Фиг. 3-5 схематично иллюстрируют сигналы фотодетекторов 102 до и после преобразования. [0046] FIG. 3-5 schematically illustrate the signals from
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[0061] Источник света 101 освещает участок тела, на котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, когерентным светом.[0061] The
[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,
[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
[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
[0065] Вычислительный блок 104 вычисляет огибающую цифрового разностного сигнала и вычисляет частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.[0065] The
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[0078] Источник света 101 освещает участок тела, на котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, когерентным светом.[0078] The
[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
[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
[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
[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
[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,
[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
[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
[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)
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)
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)
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 |