使用光調制測量生理數據的系統和方法

專利名稱：使用光調制測量生理數據的系統和方法
使用光調制測量生理數據的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種測量裝置，特別涉及非接觸式測量-個體生理數據的裝置。
背景技術：
醫用測量設備已經廣泛用于監測我們身體的生命參數。光電容積脈搏波描記法(PPG)是一種設備發出光信號到活體組織并分析光吸收度的一種無創檢測活體生理數據的方法。脈搏血氧儀是一個這種測量設備的例子。當血液流經動脈靜脈時，它利用紅光和紅外光在血液里的不同吸收比，直接監測人體血液里的血氧飽和度。通過使用不同波長的不同光吸收量，可以設計其他的PPG設備來測量不同的生理信號。但是，大部分的PPG設備都是接觸式的，直接接觸人體的皮膚。為了確保有一個良 好和穩固的接觸，這種設備都會施加一定的壓力以夾住或貼(粘附)在身體的某一部位。這會使人體不舒服，比如監測嬰兒的生理數據，甚至會使嬰兒不安，導致測量不準確。如果夾緊的力量不夠，那么使用中的設備很可能從皮膚處滑落。這會導致測量偏差。但是，非接觸式的PPG設備可以不需要接觸人體而進行測量。在一些情況下，人體甚至沒有察覺到正在進行測量。人體可以處于平靜或心情舒適的狀態，或者繼續他或她的正常活動。那么測量結果就能反映人體在正常狀態下的實際生理情況。另一方面，對于非接觸式的運行，檢測器接收到的吸收信號要弱一些，因為隨著人體到檢測器的光學距離的增加，信號強度會大大下降。

發明內容鑒于以上背景，本發明目的是提供一種替代的裝置和方法去測量生理數據，并具有改善的靈敏度和設計。因此，一方面本發明是人體生理數據的測量裝置，包括(a)光調制單元；(b)光檢測單元；(C)信號處理單元。光調制單元通過在一個或多個預定的頻率上調制至少一個光源，產生至少一個調制光信號。每個調制光信號有不同的波長并照射到身體上。然后被身體的生理信號調節以產生一個復合的分光光度光信號(spectrophotometric lightsignal)。光檢測單元接收該復合的分光光度光信號并將其轉換成電信號。信號處理單元用于將該電信號轉換成數字信號，并得到該數字信號的頻譜。它還跟蹤該頻譜的至少一個主頻峰值(dominant spectral peak),并識別出各個主頻峰值附近頻譜的至少一個次頻峰值(minor spectral peak)。最后,根據一個或多個主頻峰值和相應的次頻峰值的測量結果，確定生理數據。在本發明一個示例性實施例中，光調制單元包括一個在預定頻率上將光源開和關的電路。在另一個示例性實施例中，光調制單元包括一個轉輪。該轉輪是不透光的，且包括至少一個中空區域，使得當轉輪以一個預定頻率旋轉時從一個或多個光源發出的光線間歇性地穿過或被阻礙。按這種方式，光線被調制。調制頻率取決于轉輪預定的頻率，和轉輪上中空區域的數量，用于某些特定的光源。在另一個典型實施例里，該裝置發出紅光和紅外光，紅光在一個預定義頻率上被調制，紅外光在另一個預定義頻率上被調制。在另一個實施例里，光源是環境光，且轉輪的中空區域連接一個顏色濾鏡，其僅允許特定波長的光穿過。在一個實施例里，紅光或紅外光顏色濾鏡被用來產生期望的調制光信號。在另一個實施例里，光調制單元包含一個靜態圓盤以及一個轉輪，靜態圓盤上有至少一個顏色濾鏡，轉輪有至少一個中空區域。靜態圓盤連接到轉輪。轉輪以一個預定頻率旋轉，并且靜態圓盤是靜止的，其中各個顏色濾鏡和對應的中空區域在轉輪旋轉時沿著光 軸間歇性地對齊，使得從光源發出的光間歇性地穿過和被阻擋，從而以預定義頻率被調制。在另一個實施例里，信號處理單元還包含一個模數轉換器、一個中央處理單元和存儲器。處理單元執行一個存儲在存儲器里的嵌入式程序來確定生理數據。生理數據包括心率、心率變易、呼吸系統信息、血色素水平、動脈硬化指數、心輸出量、血氧濃度或其任何組合。在另一個實施例里，該裝置以非接觸式運行。其還包含一個光收集單元，用于指示復合分光光度光信號到光檢測單元。光收集單元可以包括(a) —個或多個透鏡、(b) —個或多個反射鏡、(C)波導、(d)光纖或(e)以上任何組合。光檢測單元包含從光二極管、光電倍增管、CMOS和CXD陣列里挑選出的一個裝置。依照本發明的另一個方面，裝置用來測量個體生理數據，其包含與以上相同的光調制單元、光檢測單元、和信號處理單元。裝置還可以包含之前所述的光收集單元。主要區別是環境光首先入射到個體上，然后被個體的生理信號調節。被調節的光信號被反射到光調制單元。后者還使用前述裝置和技術調制被調節的光信號。如之前所述，產生的復合分光光度光信號被發送到光檢測單元，并以相同方式由信號處理單元進行處理。另一方面，本發明是一個用來確定個體生理數據的方法。本方法包括以下步驟
(a)通過以至少一個預定義頻率調制至少一個光源，產生至少一個調制光信號，每個至少一個調制光信號有不同的波長；(b)檢測一個復合分光光度光信號，并將復合分光光度光信號轉換成電信號，由此復合分光光度光信號是在個體的生理信號被一個或多個調制光信號調節時產生的；(C)將電信號轉換成數字信號；(d)獲取數字信號的頻譜；(e)在頻譜上跟蹤至少一個主頻峰值,每個主頻峰值對應每個至少一個預定義頻率；(f)從各個主頻峰值附近的頻譜上找出一個或多個次頻峰值；和(g)從各個主頻峰值和對應次頻峰值確定生理數據。在另一個實施例里，本方法的確定步驟(g)還包含計算在各個主頻峰值的上邊帶的一個次頻峰值和下邊帶上的另一個次頻峰值的平均值。本發明有許多優點。首先，本發明使用基于傅里葉變換的鎖相技術來計算結果。調制頻率和相位是自動跟蹤的。無需獲得參考信號來解調，并且可以省略相應的濾波電路。因此，能夠縮小本裝置的尺寸，從而使得本裝置更加便攜式。此外，本發明的靈敏度更高，能夠以無接觸模式使用。本發明的另一個優點是，即使當環境光被使用作為光源，本裝置也可以很好地運行。本發明不會妨礙或干擾用戶，特別是用來測量嬰兒的生理數據。
圖Ia是描述以主動模式運行的整個系統的基本構想的模塊圖。圖Ib是描述以被動模式運行的整個系統的基本構想的模塊圖。圖2分別顯示依照本發明一個實施例的載波信號、信息信號和調制信號的波形。圖3顯示當光穿入血動脈時光吸收的各個部分。圖4a顯示本發明一個實施例的在時域上檢測的信號的一個實際波形。圖4b顯示依照本發明一個實施例的在傅里葉變換之后檢測到的信號的振幅。圖5是本發明一個實施例的第一實施。圖6是本發明一個實施例的第二實施。圖7是本發明一個實施例的第三實施。圖8顯示本發明一個實施例具有不同構造的各種轉輪。圖9是本發明一個實施例的第四實施。圖10顯示依照本發明一個實施例轉輪調制的另一種構造。圖11顯示在一個實施例里實施本發明光檢測單元和信號處理單元的簡單電路。圖12顯示本發明基于傅里葉變換的鎖相測量算法的流程圖。圖13描述本發明可以被設置以在不同環境里運行的一些實施例。
具體實施方式在此和權利要求中使用的“包括”是指包括以下元素但不排除其他。“連接”是指通過一個或多個電裝置或機械裝置直接或間接地電連接或機械連接，除非有其他聲明。而且，“鎖定”是指在一個相當高的頻率上調制一個信號然后在一個接近調制頻率的具有鎖定相位的窄帶寬內捕獲它，以減小寬帶噪聲。在一個實施例中，它還指在一個亮背景下檢測一個小的光信號。在此描述的實施例披露了捕獲和分析人體生理數據的方法，并能以多種方式實施。具體地，以下披露了一種主動模式結構和一種被動模式結構。基于本披露的教導，本領域技術人員也可以實現其他結構或變體，但是它們仍應視為在本發明的范圍內。參見圖la，顯示了整個系統運行在主動模式下的基本方框圖。它包括至少一個光源10，其發出至少一個光束到光調制單元20。后者調制一個或多個光束以產生至少一個調制光信號。然后該一個或多個調制光信號照射到個體22上，其可以是人或動物。該調制光信號進一步被即將被測量的生理信號調節，產生一個復合的分光光度光信號。然后被一個光收集單元24聚集，再進入一個光檢測單元26。光檢測單元26將光信號轉換為電信號，然后再由信號處理單元28進行處理。在計算該生理數據之后，結果顯示在顯示單元30上，和/或存儲在一個外部設備32里。根據要測量的生理數據，需要的調制光信號的數量是不同的。應該注意，顯示單元30、外部設備32和光收集單元24都是可選的部件，為了實施在本發明，可以需要它們，也可以不需要它們，取決于應用環境和用戶需求。圖Ib顯示本發明的另一個實施例，其運行在被動模式下。圖Ia和圖Ib的區別是，在圖Ib中光調制單元20位于個體22之后，在圖Ia中光調制單元20位于個體22之前。換句話說，主動模式下，光束首先被光調制單元20調制然后再被個體的生理信號調節(圖la)，而在被動模式下，光首先被生理信號調節然后被調制(圖lb)。除了這個，光流(opticalflow)和運行原理都是一樣的。應該注意，在圖Ib中光源10可以使環境光。因此，執行本發明被動模式的裝置不需要包括一個產生光束的部件。在以下段落中，一個以主動模式運行的血氧計作為示例性的實施例來闡述本發明。這個特定的應用利用了這樣的事實當紅光和紅外光穿過或從個體22的身體反射時，它們有不同的吸收率。因此，紅光和紅外光用作為這個例子中的光輸入。在一個實施例中，紅光的波長是660nm，而紅外光的波長是940nm。根據血量變化之脈動成分的紅光吸收對紅外光吸收的比率，可以得到血氧飽和度。在另一個實施例中，光調制單元20在不同的預定頻率上如80Hz和300Hz，調制紅光和紅外光，而得到兩個調制光信號。在又一個實施例中，預定的頻率可以是任何數值，但是它們不能一個是另一個的倍數。這兩個調制光信號可以是不同的波形(如方波、正弦波)，取決于偏好和需求。該調制的紅光和調制的紅外光可以被認為是各自頻率為80Hz和300Hz的載波信號。為便于描述，該調制的紅光和調制的紅外光被當作是正弦波，如圖2a。該調制的紅光和調制的紅外光的登市是
R=A1cos2 η f^t;和IR=A2cos2 ji f2t;
其中R和IR分別是調制的紅光和調制的紅外光,A1和A2分別是紅光和紅外光的波幅；f!和f2分別是紅光和紅外光的調制頻率。然后這兩個載波發射到個體22上。在一個透射式脈搏血氧計(TPO)里，這兩個載波信號通常是發射到個體的附屬器官(如手指、耳垂或鼻柱)的一側上，而光檢測單元26則在另一側接收衰減的載波信號。對于反射式脈搏血氧計(RP0)，光檢測單元26檢測組織的反射光，因此其和光調制單元20都位于同一側。而且，本發明可以以接觸模式或非接觸模式運行。在接觸模式，光調制單元20和/或光檢測單元26可以接觸個體皮膚，而在非接觸模式，這兩個單元都不接觸個體皮膚。當調制的光信號照射到個體22的動脈組織時，該調制光信號的強度被該組織、骨結構、還有脈動的動脈血減弱。衰減量取決于入射光的波長，而且對紅光和紅外光也是不同的，血液的氧氣飽和度也是不同的。圖3顯示一個實施例中由光檢測單元26檢測到信號的各種分量。如圖3所示，光信號的大部分(吸收25)被個體22的皮膚、骨頭和組織吸收了。圖中部的吸收27是靜脈血吸收。圖的上部顯示了動脈血的吸收。吸收可以分為兩部分因為非脈動動脈血的吸收(參見DC部分29)和因為脈動動脈血的吸收(參見AC部分31)。AC部分31的波形有一個頻率在O. 5-4Hz左右的主正弦分量。這是個體22的脈動頻率。為簡便及方便描述，AC部分31 (脈動波)可以近似為圖2b所示的正弦波。因此紅光和紅外光的脈動波的等式可以寫為
RP= δ JC0S2 τι f0t; (I)
IRP= δ 2cos2 τι f0t;
其中RP和IRP分別是紅光脈動波和紅外光脈動波；δ i和δ 2分別是紅光脈動波和紅外光脈動波的波幅；f。是被測組織處的脈動頻率。在非接觸運行模式下，由光檢測單元26接收到的復合的分光光度光信號是更弱的。這可以從下表中見到，該表格比較了一個實驗結果中的接觸式和非接觸式運行的信號強度權利要求
1.一種測量個體生理數據的裝置，包括 a)光調制單元，其通過以至少一個預定義頻率調制至少一個光源，產生至少一個調制光信號，所述至少一個調制光信號是在照射到所述個體之前產生的，每個所述至少一個調制光信號有不同的波長； b)光檢測單元，用來接收一個復合分光光度光信號，并將所述復合分光光度光信號轉換成一個電信號，所述復合分光光度光信號是在所述個體的生理信號被所述至少一個調制光信號調節時產生的；和 c)信號處理單元，用于 i)將所述電信號轉換成數字信號； ii)獲取所述數字信號的頻譜； iii)跟蹤所述頻譜的至少一個主頻峰值，每個所述主頻峰值對應每個所述至少一個預定義頻率； iv)從所述至少一個主頻峰值的附近找出所述頻譜的至少一個次頻峰值。
v)從所述至少一個主頻峰值和所述至少一個次頻峰值確定所述生理數據。
2.如權利要求I所述的裝置，其中所述光調制單元包括一個電子電路，其以所述至少一個預定義頻率開啟和關閉所述至少一個光源。
3.如權利要求I所述的裝置，其中所述至少一個調制光信號還包括第一調制光信號，其以第一預定義頻率發出紅光，和第二調制光信號，其以第二預定義頻率發出紅外光。
4.如權利要求I所述的裝置，其中所述光調制單元包括一個轉輪，所述轉輪是不透光的且包括至少一個中空區域以允許光穿過，所述轉輪以一個預定頻率旋轉，使得從所述至少一個光源發出的光間歇性地穿過和被阻擋，從而以所述至少一個預定義頻率被調制，所述預定義頻率是所述預定頻率的整數倍。
5.如權利要求4所述的裝置，其中所述至少一個中空區域連接一個顏色濾鏡，其僅允許特定波長的光穿過。
6.如權利要求5所述的裝置，其中所述至少一個光源是環境光。
7.如權利要求I所述的裝置，其中所述光調制單元，包括 a)一個靜態圓盤，其上有至少一個顏色濾鏡，其僅允許特定波長的光穿過；和 b)一個轉輪，其有至少一個中空區域。
所述靜態圓盤連接到所述轉輪，所述轉輪以一個預定頻率旋轉，所述靜態圓盤是靜止的，其中所述至少一個顏色濾鏡和所述至少一個中空區域在所述轉輪旋轉時沿著光軸間歇性地對齊，使得從所述至少一個光源發出的光間歇性地穿過和被阻擋，從而以所述至少一個預定義頻率被調制，所述預定義頻率是所述預定頻率的整數倍。
8.如權利要求I所述的裝置，其中所述信號處理單元還包括一個模數轉換器、一個中央處理單元和存儲器，所述處理單元執行存儲在所述存儲器里的嵌入式程序以確定所述生理數據。
9.如權利要求I所述的裝置，其中所述生理數據是心率、心率變異、呼吸系統信息、血色素水平、動脈硬化指數、心輸出量、血氧飽和度、或其任何組合。
10.如權利要求I所述的裝置，還包含一個光收集單元，以便所述裝置能夠在非接觸環境里運行，所述光收集單元是一個光纖、一個透鏡、一個反射鏡或一個波導，用來指示所述復合分光光度光信號到所述光檢測單元。
11.如權利要求I所述的裝置，其中所述光檢測單元選自光二極管、光電倍增管、CMOS陣列、CCD陣列。
12.—種用來測量個體生理數據的裝置，包括 a)光調制單元，其通過以至少一個預定義頻率調制從所述個體反射的周圍光，而產生至少一個調制光信號，每個所述至少一個調制光信號有不同的波長； b)光檢測單元，用于接收一個復合分光光度光信號，并將所述復合分光光度光信號轉換成電信號，所述復合分光光度光信號是在所述個體的生理信號被所述至少一個調制光信號調節時產生的；和 c)處理單元，用于從所述電信號確定所述生理數據。
13.如權利要求12所述的裝置，其中所述光調制單元包括一個轉輪，其是不透光的，所述轉輪包括至少一個中空區域，其連接一個顏色濾鏡以允許特定波長的光穿過，所述轉輪以一個預定頻率旋轉，使得所述環境光以所述至少一個預定義頻率被調制，所述預定義頻率是所述預定頻率的整數倍。
14.如權利要求12所述的裝置，其中所述光調制單元包括 a)一個靜態圓盤，其上有至少一個顏色濾鏡，其僅允許特定波長的光穿過；和 b)一個轉輪，其有至少一個中空區域； 所述靜態圓盤連接到所述轉輪，所述轉輪以一個預定頻率旋轉，所述靜態圓盤是靜止的，其中所述至少一個顏色濾鏡和所述至少一個中空區域在所述轉輪旋轉時沿著光軸間歇性地對齊，使得所述環境光以所述至少一個預定義頻率被調制，所述預定義頻率是所述預定頻率的整數倍。
15.如權利要求12所述的裝置，其中所述處理單元用于 a)將所述電信號轉換成數字信號； b)獲取所述數字信號的頻譜； c)跟蹤在所述頻譜上的至少一個主頻峰值，每個所述主頻峰值對應每個所述至少一個預定義頻率； d)從所述至少一個主頻峰值的附近找出在所述頻譜上的至少一個次頻峰值；和 e)從所述至少一個主頻峰值和所述至少一個次頻峰值確定所述生理數據。
16.—個確定個體生理數據的方法，包括 a)通過在至少一個預定義頻率上調制至少一個光源，產生至少一個調制光信號，每個所述至少一個調制光信號有不同的波長； b)檢測一個復合分光光度光信號，并將所述復合分光光度光信號轉換成電信號，所述復合份光光度光信號是在所述個體的生理信號被所述至少一個調制光信號調節時產生的； c)將所述電信號轉換成數字信號； d)獲取所述數字信號的頻譜； e)跟蹤在所述頻譜上的至少一個主頻峰值，每個所述主頻峰值對應每個所述至少一個預定義頻率； f)從所述至少一個主頻峰值的附近找出在所述頻譜上的至少一個次頻峰值；和g)從所述至少一個主頻峰值和所述至少一個次頻峰值確定所述生理數據。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述步驟(a)包括在第一頻率上開啟和關閉第一光源以發出紅光，以及在第二頻率上開啟和關閉第二光源以發出紅外光。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述步驟(a)包括在一個預定頻率上旋轉轉輪，使得所述至少一個光源是在所述至少一個預定義頻率上被調制，所述轉輪是不透光的并包含至少一個中空區域，其連接一個顏色濾鏡，以允許特定波長的光穿過，所述預定義頻率是所述預定頻率的整數倍。
19.如權利要求16所述的方法，其中所述步驟(a)包括以一個預定頻率旋轉轉輪，并保持連接到所述轉輪的靜態圓盤是靜止的，以調制所述至少一個光源，所述靜態圓盤包括至少一個顏色濾鏡，其僅允許特定波長的光穿過；所述轉輪包含至少一個中空區域，其中所述至少一個顏色濾鏡和所述至少一個中空區域在所述轉輪旋轉時間歇性地對齊，所述預定義頻率是所述預定頻率的整數倍。
20.如權利要求16所述的方法，其中所述確定步驟還包括以下步驟計算第一次頻峰值和第二次頻峰值的平均值；所述第一次頻峰值是在所述至少一個主頻峰值的上邊帶上，而所述第二次頻峰值是在所述至少一個主頻峰值的下邊帶上。
全文摘要
本發明披露了一種用來測量個體生理數據的裝置。本裝置包括一個光調制單元、一個光檢測單元和一個信號處理單元。本發明能夠以主動模式或被動模式運行來測量心率、呼吸系統信息、血色素水平、心輸出量或血氧飽和濃度等。基于傅里葉變換的鎖相技術被用于探測生理信號，即使該信號很微弱亦能獲得可靠的結果。另外，環境光可以被用作光源來完成測量。
文檔編號A61B5/1455GK102697487SQ20121014979
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月11日
發明者張春, 朱聿熹, 郭嘉祥 申請人:香港應用科技研究院有限公司