TWI529381B - 訊號獲取電路及方法、脈衝血氧測定法感測器以及獲取在其中之想要訊號的方法 - Google Patents

Description

訊號獲取電路及方法、脈衝血氧測定法感測器以及獲取 在其中之想要訊號的方法

本發明係關於訊號處理領域，且特別地係關於在不想要的訊號出現下偵測想要訊號的訊號獲取電路，例如在脈衝血氧測定法感測器中。

脈衝血氧測定法係為一種允許監控病人血紅素氧化的非侵入性方法。感測器會被放置在病人身體的薄部份上，通常是指尖或耳垂。不同波長的光線(紅色與紅外線)會被連續地從一側通到另一側上的光二極體。兩波長中每一個的吸收度變化會被測量，以允許決定單獨起因於脈衝化動脈血液的吸收度。

傳統地，在脈衝血氧測定法感測器中，發光二極體(LED)會以與發光二極體取樣速率相同的速率來閃光。就能夠移除室內光工藝品的脈衝血氧測定法系統而言，此速率需要至少100/120赫茲，亦即，在基礎室內光的尼奎斯特(Nyquist)頻率(50/60赫茲)以上，且更可能的是在200/240赫茲以上，其所產生的第一諧波經常是佔支配性的組成。例如參見Maximilian Hauske等人所提出的〝在自由空間光電系統上的人工發光界面〞，EMO’09/Kyoto，2009，第21頁P3-1。

所取得的訊號完全描述想要與不想要室內光資訊兩者，其係並且允許使用數位過濾來分開兩者。在那閃光速 率，LED會考慮脈衝血氧測定法感測器的大部分功率耗損，其係大約10毫瓦。假如室內光線的諧波同樣必須被移除的話(例如在螢光的情形中，第二與第三諧波是明顯的)，取樣速率則必須增加，其係在功率耗損上具有相同效能。

只要感測器的功率耗損不是關鍵性參數，上述實施則是最簡單的。此一實施的實例係產生於圖1。這包含接收時脈訊號1的除以2計數器。這會通過反相器而到脈衝產生器，以驅動紅色LED，並且直接到脈衝產生器，以驅動紅外線LED。

該訊號係由光偵測器拾取，其係並且經由延遲線、通過放大器而到該時脈訊號所驅動的類比至數位轉換器(ADC)。ADC的輸出會前進到解多工器，其係會分開紅色與紅外線組成。解多工器的輸出會通過濾波器，以移除該背景照明IL。

該系統的時序圖係顯示於圖2。在該圖式中，軌跡1顯示該系統的基礎時脈，軌跡2與3顯示紅色與紅外線的LED時序如何各別地從基礎時脈產生，軌跡4與5各別顯示紅色與紅外線LED驅動脈衝，軌跡6顯示在不想要室內光訊號頂部上的感應紅色與紅外線訊號，且軌跡7顯示該取樣時間基礎，在本情形中為延遲基礎時脈以及指出在哪裡取得樣本的ADC觸發器(垂直虛線)。

就戴無線感測器或簡單SpO2監測器的身體而言，在此一計畫中LED的功率耗損會太大，以致於無法由譬如硬幣電池的小電池充電，並仍維持一可接受的壽命。

根據本發明提供有一訊號獲取電路，其係用來偵測在包含想要訊號與不想要訊號之複合訊號中的想要訊號，在此，在不想要訊號中的最高頻率會高於在想要訊號中的最高頻率，其係包含一感測器，用來偵測該複合訊號；一類比至數位轉換器，用來以至少等於Nyquist速率的高速率來取樣該複合訊號，以用於在不想要訊號中的最高頻率；一濾波器，用來從該複合訊號減去不想要訊號；以及其係會被架構，以致於類比至數位轉換器能夠輸出第一組成，其係包含以至少等於想要訊號之Nyquist速率但卻小於高速率之低速率來取樣之想要訊號與不想要訊號之總合，以及第二組成，其係包含以高速率來取樣的不想要訊號。

在脈衝血氧測定法領域中，本發明特別有用，雖然將令人理解的是，它具有以下所討論之更一般的應用。為了方便，本發明將在脈衝血氧測定法領域中被當作例證。

將令人理解的是，用語〝電路〞係以最普遍的意思來使用，其係並且包括例如使用訊號處理器的軟體實施。

本發明係部份依據該實施，在脈衝血氧測定法感測器中，從此而得到血液血氧測定法的光體積描繪圖訊號，其係會被包含在5赫茲帶寬內，亦即，在室內光基礎以下的數量級，且從該事實，LED不需要捕捉周圍光線資訊。LED快閃速率因此不需要與取樣速率相同。10赫茲的快閃速率是足夠的，亦即光體積描繪圖訊號的Nyquist速率。基本 上，快閃速率將小於20赫茲。

該取樣必須使得有關不想要光訊號的足夠資訊會在LED不開啟的時間內被獲取。藉由將LED閃光(在功率耗損中的主要組成)與發光二極體取樣去除關聯，大約10的功率節省因子則可得到。將令人理解的是，此原理可更一般地被應用到任何情況，在此，想要的訊號會比不想要訊號具有更低的頻帶寬。

本發明同樣提供一種脈衝血氧測定法感測器，其係包含：至少兩光源；一脈衝產生器配置，用來以低速率來相繼地加脈衝給該光源，該低速率至少等於光體積描繪圖訊號的Nyquist速率但卻小於至少等於欲被移除之周圍光線之最高頻率之Nyquist速率的高速率；一光偵測器，用來在人工周圍光線出現之下，偵測來自該光源的光脈衝；一類比-至-數位轉換器(ADC)，其係以高速率觸發，以用來將光偵測器的輸出轉換成數位格式，其中該類比-至-數位轉換器輸出一複合輸出訊號，其具有包含在以低速率取樣之周圍光線出現之下、來自光脈衝之訊號的第一組成以及包含以高速率取樣之周圍光線訊號的第二組成；一解多工器，用來分隔該些訊號；以及一濾波器，在該解多工器下游，用來在周圍光線出現之下，從來自光脈衝的每一訊號，減去周圍光線訊號。

在一種實施例中，一對光源會被提供，但卻會更多。基本上，第一組成將包含訊號Red+IL、以及IR+IL，在此Red+IL係為來自紅色光源加周圍光線的想要訊號，且其係 會彼此獨立，以及IR+IL，在此IR係為來自紅外線光源的訊號。這些訊號當然彼此獨立。

圖3的脈衝血氧測定法感測器與圖1類似的係為，它具有由脈衝產生器12、13所驅動的IR與紅色LED10、11。該光訊號係由光偵測器14所拾取並且經由延遲線20通過放大器15而到時脈訊號1所驅動的ADC16。在一般意義中，包含LED10、11與光偵測器14的組件可被共同地視為脈衝血氧測定法感測器。

時脈訊號1同樣地會通過除以N計數器22，在此N係為整數，例如10。除以N計數器22的輸出會直接通到IRLED的脈衝產生器13並且經過n^＊Ts延遲線21，在此Ts係為基礎時脈週期，且1≦n≦N-1。

ADC的輸出會通到解多工器18，其係會產生三訊號RED+IL、IR+IL、與IL，在此IL係為背景照明。藉由從其他兩個減去訊號IL，濾波器19隨後可移除背景照明。

誠如在圖2的情形中，在圖4中，軌跡1顯示系統的基礎時脈，軌跡2與3顯示紅色與IR LED時序如何各別地從該基礎時脈產生，軌跡4與5各別顯示紅色與IR LED驅動脈衝，軌跡6顯示在不想要室內光訊號頂部上的感應Red與IR訊號(暗與亮灰脈衝)，且軌跡7顯示取樣時脈基礎，在此情形中為延遲基礎時脈，以及指出在何處擷取樣本的ADC觸發器(垂直虛線)。

在圖4所示的取樣計畫中，可以基礎時脈速率來擷取樣本，在此實例中，其係為LED脈衝速率的十倍。圖4顯示一取樣計畫，在此，室內光訊號可在包含紅色與IR訊號之脈衝之間的週期中獲得。這些脈衝包含不想要周圍光線訊號，但是不像先前技藝，在這些脈衝之間被偵測的訊號僅僅會包含不想要周圍訊號，其係可被偵測並且藉由減法來移除。包含LED與光二極體組件的脈衝血氧測定法感測器會被有效地致能或者加閘，以藉由將LED10、11加脈衝來拾取包含LED光與周圍光線的複合訊號。

在圖4中，不想要光訊號會以紅色與IR樣本同相地被偵測。在一替代性取樣計畫中，此室內光訊號可與紅色以及紅外線取樣反相180度地獲得。

雖然本發明已經結合脈衝血氧測定法來說明，但是它卻可被應用在任何獲取系統，在此該取樣率係由不想要訊號所支配，在此不想要訊號的最高頻率會高於相關訊號的最高頻率，且在此能量會被消耗，以產生可由該系統觀察的想要訊號，基本上在感測器或部分感測器中。其他實例包括使用惠司同(Wheatstone)橋接電路的壓力或溫度感測器。在本實例中，從此一電路得到的訊號係為壓力或溫度電阻器、三獨立電阻器以及施加到電路之功率的組合。在本情形中，想要訊號，壓力，其係會受到在類比增益台中所注入的不想要訊號所污染。藉由使用脈衝產生器來啟動惠司同橋，以與脈衝血氧測定法感測器相同的方式、以比不想要訊號之取樣更低的速率，壓力訊號的取樣(不想要 訊號的污染)可被實施。所使用的另一種感測器係為充電麥克風。該麥克風係以間隔來充電，以允許本發明原理被施加，以移除不想要的干擾訊號。

圖5顯示此特性的一般性系統。由感測器30所拾取的想要訊號W，誠如在脈衝血氧測定法裝置的實例中所註解，其係由LED光源與發光二極體所組成，包含不想要訊號F。儘管想要訊號W可完全以取樣速率F_SW來代表之事實，達到濾波器32輸出的全部獲取則會在較高的取樣速率F_SU上進行，以便避免混淆不想要訊號，以便能夠將它從所獲取訊號移除並且擷取想要訊號。一旦更高頻率的不想要訊號已經被移除的話，在濾波器32的輸出上，該取樣速率可被減少到F_SW。此系統的時序圖會類似圖2。

圖6顯示實施本發明的此一般系統。在本情形中，想要訊號的感應現在會以較低的取樣速率F_SW來進行，其係至少等於想要訊號的Nyquist速率，但卻小於不想要訊號的Nyquist速率。因為在整個獲取製程中，這常常是最需要能量的步驟，所以整個功率耗損則會被大幅減少。

該取樣訊號現在具有兩組成：1)以取樣速率F_SW之想要與不想要訊號的總和、以及2)以取樣速率F_SU的不想要訊號。不想要訊號的取樣速率不需要規則化；它僅僅需要完成訊號理論的必要條件，以為了恢復想要訊號之目的而得到關於最初不想要訊號的充分資訊，以及如果有的話，由實施濾波器所強加的任何進一步必要條件。此陳述對想要訊號而言同樣正確。想要訊號的取樣速率不需規則，只 要它完成訊號理論的必要條件，以提供最初訊號的完整代表，並且符合實施該濾波器所加諸的任何必要條件。

周圍訊號的感應可以不同感測器來獨立地進行，並且以所示的加法器而被加到複合訊號，或者如在圖3實施例中的情形，相同感測器當然可偵測複合與不想要訊號兩者，在該情形中，該相加會發生在感測器中。在本情形中，用於複合訊號的低取樣速率可藉由以低速率將想要訊號的來源加脈衝而產生。

在第一組成中，想要訊號可被完全代表，但是不想要訊號可被化名。第二組成添加不想要訊號給遺失資訊，以允許濾波器將它從第一組成移除，並僅僅擷取想要訊號。

那些熟諳該技藝者應該理解，在此的任何方塊圖代表實施本發明原理之說明性電路的概念圖。本發明可在處理器上實施，其係可經由使用專屬硬體以及能夠相關於適當軟體來執行軟體的硬體所提供。當由處理器所提供時，該些功能可藉由單一專屬處理器、藉由單一共享處理器或藉由複數個各別處理器所提供，其中一些可共享。更者，用語〝處理器〞的詳細使用不應該被詮釋為專門意指能夠執行軟體的硬體，其係並且暗示性地包括、不受限於數位訊號處理器(DSP)硬體、網路處理器、特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘極陣列(FPGA)、用來儲存軟體的唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)以及非揮發性資料儲存。其他硬體，傳統與/或習慣性，亦可被包括在內。該用語電路在此可被使用來包含功能性方塊，其 係實際上可以軟體來實施。本發明同樣可以類比硬體來實施。

1‧‧‧時脈訊號

10‧‧‧紅外線發光二極體

11‧‧‧紅色發光二極體

12‧‧‧脈衝產生器

13‧‧‧脈衝產生器

14‧‧‧光偵測器

15‧‧‧放大器

16‧‧‧類比至數位轉換器

18‧‧‧解多工器

19‧‧‧濾波器

20‧‧‧延遲線

21‧‧‧n*Ts延遲線

22‧‧‧除以N計數器

30‧‧‧感測器

31‧‧‧數位至類比轉換器

32‧‧‧濾波器

本發明現將僅僅藉由實例參考附圖而更詳細地說明，其中：圖1係為先前技藝脈衝血氧測定法感測器的方塊圖；圖2係為在圖1所示電路的時序圖；圖3係為根據本發明實施例所設計之先前技藝脈衝血氧測定法感測器的方塊圖；圖4係為在圖3所示電路的時序圖；圖5顯示可應用本發明的一般性感測器系統；以及圖6顯示根據本發明所修改之圖5的一般性系統。

10‧‧‧紅外線發光二極體

11‧‧‧紅色發光二極體

12‧‧‧脈衝產生器

13‧‧‧脈衝產生器

14‧‧‧光偵測器

15‧‧‧放大器

16‧‧‧類比至數位轉換器

18‧‧‧解多工器

19‧‧‧濾波器

20‧‧‧延遲線

21‧‧‧n*Ts延遲線

22‧‧‧除以N計數器

Claims (28)

1. 一種用來在包含想要訊號與不想要訊號之複合訊號中偵測想要訊號之訊號獲取電路，其中在該不想要訊號中的最高頻率會比在該想要訊號中的最高頻率更高，該訊號獲取電路係包含：一第一感測器，配置成感測該複合訊號，該複合訊號係以一速率來感測，該速率至少等於該想要訊號中之最高頻率用的尼奎斯特(Nyquist)速率並且小於在該不想要訊號中之最高頻率用的尼奎斯特速率；一第二感測器，配置成以一速率來感測該不想要訊號而不是該想要訊號，該速率至少等於該不想要訊號中之最高頻率用的尼奎斯特速率；一類比至數位轉換器，配置成接收該第一感測器和該第二感測器的輸出，並且以一取樣速率來取樣該第一感測器和該第二感測器的經接收輸出，該取樣速率至少等於在該不想要訊號中之最高頻率用的尼奎斯特速率；一解多工器，配置成接收該類比至數位轉換器的輸出並且將代表該不想要訊號的一訊號從代表該複合訊號的一訊號分開地輸出；一濾波器，配置成從代表該複合訊號的該訊號減去代表該不想要訊號的該訊號，並藉此輸出代表該想要訊號的一訊號。
2. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其進一步包括一主動元件，該主動元件必須消耗能量以使得該想要訊 號可被該第一感測器觀察，該主動元件係在該第一感測器的感測速率時被給予能量。
3. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其中該第二感測器的感測係規則但卻間斷。
4. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其中該第二感測器的感測係不規則。
5. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其中該第一感測器和該第二感測器的感測係彼此同相。
6. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其中該第一感測器和該第二感測器的感測係彼此不同相。
7. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其中該第一感測器和該第二感測器係單一感測器。
8. 如申請專利範圍第1項之訊號獲取電路，其中該第一感測器和該第二感測器係單一感測器，且該訊號獲取電路進一步包括一主動元件，該主動元件必須消耗能量以使得該想要訊號可被該單一感測器觀察，該主動元件係在該第一感測器的感測速率時被給予能量，並且當該主動元件未被給予能量時，該單一感測器係該第二感測器。
9. 一種在包含想要訊號與不想要訊號之複合訊號中獲取該想要訊號的方法，其中在該不想要訊號中的最高頻率會高於在該想要訊號中的最高頻率，該方法係包含：以一低速率來感測該複合訊號，該低速率至少等於該想要訊號之Nyquist速率但卻小於至少等於該不想要訊號之Nyquist速率之高速率； 以該高速率來感測該不想要訊號；以及從該複合訊號減去經感測的該不想要訊號，以產生該想要訊號；其中該感測包含消耗能量以使該想要訊號可被觀察。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該複合訊號和該不想要訊號係在各別的感測器中進行感測。
11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該複合訊號和該不想要訊號係在單一感測器中進行感測。
12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該不想要訊號的感測係規則但卻間斷。
13. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該不想要訊號的感測係不規則。
14. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該複合訊號的感測與該不想要訊號的感測係同相。
15. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該複合訊號的感測與該不想要訊號的感測係不同相。
16. 一種脈衝血氧測定法感測器，包含：一第一光源和一第二光源；一脈衝產生器配置，用來以一低速率來相繼地加脈衝於該第一光源和該第二光源，該低速率至少等於一光體積描繪圖(photoplethysmogram)訊號的Nyquist速率，但卻比至少等於欲被移除之周圍光線之最高頻率用之Nyquist速率的高速率還低；一光偵測器，用來在人工周圍光線出現之下偵測來自 該第一光源和該第二光源的光脈衝，並且在該第一光源和該第二光源的光脈衝沒有出現之下偵測該周圍光線；一類比-至-數位轉換器(ADC)，其係以該高速率觸發，以用來獲取該光偵測器的輸出並予以轉換成數位格式，其中該類比-至-數位轉換器輸出一訊號，該訊號具有第一組成、第二組成以及第三組成，該第一組成包含以該低速率取樣之周圍光線出現下，來自經脈衝的該第一光源之訊號，該第二組成包含以該低速率取樣之周圍光線出現下，來自經脈衝的該第二光源之訊號，該第三組成包含以該高速率取樣之周圍光線訊號；一解多工器，用來將該第一組成、該第二組成和該第三組成分開為：代表經脈衝的該第一光源的一第一訊號；代表經脈衝的該第二光源的一第二訊號；和代表該周圍光線的一第三訊號；以及一濾波器，在該解多工器下游，用來從該第一訊號和該第二訊號每一者減去代表該周圍光線訊號的該第三訊號，用以輸出代表經脈衝的該第一光源的一第一輸出訊號和代表經脈衝的該第二光源的一第二輸出訊號。
17. 如申請專利範圍第16項之脈衝血氧測定法感測器，進一步包含用來接收基礎時脈訊號的一輸入，以及用來將該基礎時脈訊號除以N的除以N單元，在此N係為一整數，且其中該脈衝產生器配置包含用來驅動該第一光源以接收該除以N單元之輸出的第一脈衝產生器、以及用來 接收該除以N單元之輸出之延遲版本以用來驅動該第二光源的第二脈衝產生器、以及用來施加該基礎時脈訊號之延遲版本到該ADC之觸發器輸入的一延遲單元。
18. 如申請專利範圍第17項之脈衝血氧測定法感測器，其係被架構以致於在施加到第二脈衝產生器以前，被施加到該除以N單元之輸出的延遲係藉由運算式n*Ts給定，在此Ts係為基礎時脈週期，且n係在1≦n≦N-1範圍內。
19. 如申請專利範圍第18項之脈衝血氧測定法感測器，其係被架構以致於在從該第一光源和該第二光源的光脈衝沒有出現的情況下，該周圍光線在來自該第一光源和該第二光源之訊號之間的間隙中被轉換。
20. 如申請專利範圍第17項之脈衝血氧測定法感測器，其係被架構以致於在人工周圍光線出現時用來獲取從該第一光源和該第二光源的經偵測的光脈衝之ADC的觸發器會與在經脈衝光沒有出現時用來獲取該周圍光線的觸發器呈180度反相。
21. 如申請專利範圍第17項之脈衝血氧測定法感測器，其中該第一光源和該第二光源分別以紅色與紅外線波長發光且其中N=10，且其中該高速率大約等於基礎時脈速率，其係該第一光源和該第二光源的十倍。
22. 如申請專利範圍第17項之脈衝血氧測定法感測器，其中該低速率至少為10赫茲且小於100赫茲。
23. 一種獲取在脈衝血氧測定法感測器中之想要訊號的 方法，包含：以一第一速率將具有不同有效波長的一第一光源和一第二光源相繼地加脈衝，該第一速率至少等於一光體積描繪圖訊號的Nyquist速率，但卻小於一第二速率，該第二速率至少等於欲被移除之周圍光線之最高頻率用之Nyquist速率；在出現該周圍光線之下，偵測來自該第一光源和該第二光源的光脈衝，以及在不出現來自該第一光源和該第二光源的光脈衝之下，進一步偵測周圍光線，以產生一複合訊號；在以該第二速率觸發的一類比-至-數位轉換器中，獲得該複合訊號並予以轉換成數位格式，以產生一經轉換訊號，該經轉換訊號具有第一組成、第二組成以及第三組成，該第一組成代表在周圍光線出現時從該第一光源所偵測的光脈衝，該第二組成代表在周圍光線出現時從該第二光源所偵測的光脈衝，該第三組成代表在該第一光源和該第二光源的光脈衝沒有出現時所偵測到的周圍光線；將該等訊號的組成分隔；以及從該第一組成和該第二組成每一者減去該第三組成，用以輸出代表該第一光源的經脈衝的一第一輸出訊號和代表該第二光源的經脈衝的一第二輸出訊號。
24. 如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含接收一基礎時脈訊號，將該基礎時脈訊號除以N以產生一除訊號在此N係為整數，以及藉由該除訊號將該第一光源加脈衝 且藉由該除訊號的一延遲版本將該第二光源加脈衝，以及以該基礎時脈訊號的一延遲版本來觸發該類比-至-數位轉換器。
25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該第二光源係由藉由n*Ts延遲的除訊號來加脈衝，在此Ts係為基礎時脈週期，且n係在1≦n≦N-1範圍內。
26. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該周圍光線訊號係在來自該第一光源和該第二光源之訊號之間的間隙中被獲取。
27. 如申請專利範圍第23項之方法，其中用來獲取具有從該第一光源和該第二光源所偵測的光脈衝的該複合訊號之類比-至-數位轉換器的觸發器會與用來獲取該周圍光線的觸發器呈180度反相。
28. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該低速率至少為10赫茲且小於100赫茲。