CN109788919B - 光学生命体征传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学生命体征传感器，其包括：PPG传感器(100)；预处理单元(130)，其调整采样率或每样本的脉冲数量；处理单元(140)，其基于预处理单元的输出信号来运行至少一个处理算法；以及传感器控制单元(150)。所述传感器控制单元被配置为通过调整采样率和/或每样本的脉冲数量来控制PPG传感器。

Description

光学生命体征传感器
技术领域
本发明涉及一种用于监测用户的生命体征的光学生命体征传感器。
背景技术
如光学心率传感器的心率传感器被公知为监测或检测生命体征，如用户的心率。这样的心率传感器可以基于光体积描记(PPG)传感器，并且可以用于采集体积器官测量结果。借助于脉搏血氧计，可以检测人皮肤的光吸收的变化，并且基于这些测量结果，可以确定用户的心率或其他生命体征。PPG传感器包括光源，如正将光发射到用户的皮肤中的发光二极管(LED)。发射的光在皮肤中散射并且至少部分地由血液吸收。光的部分离开皮肤，并且可以由光检测器捕获。由光检测器捕获的光的量可以是用户的皮肤内的血容量的指示。因此，PPG传感器可以通过特定波长处的吸收测量结果来监测皮肤的真皮和皮下组织中的血液的灌注。如果血容量由于脉动心脏而改变，则从用户的皮肤返回的散射光也在变化。因此，通过借助于光检测器监测检测到的光信号，可以确定用户在其皮肤内的脉搏以及因此心率。此外，可以确定血液的化合物，如氧合血红蛋白或去氧血红蛋白以及氧饱和度。
PPG传感器可以实施在例如智能手表中，并且可以放置为与用户的皮肤直接接触。然而，如果PPG传感器不再与用户的皮肤直接接触，例如，如果已经发生皮肤接触的丢失，则光检测器的输出不能够用于检测用户的生命体征。
用户的生命体征可以是用户的心率、呼吸率、核心温度和血压。
US 2016/029898公开了一种具有相对于用户的活动的改变来改变信号频率/采样率的处理器的光学生命体征传感器。
US 2013/0172767公开了一种具有PPG传感器、预处理单元、处理单元和传感器控制单元的光学生命体征传感器。
US 2004/0181133 A1公开了一种具有PPG传感器、预处理单元、处理单元和传感器控制单元的光学生命体征传感器。
US 2014/0135612 A1公开了一种具有PPG传感器、预处理单元、处理单元和传感器控制单元的光学生命体征传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学生命体征传感器，其允许用户的生命体征的经改进的检测或者估计。
该目的由被配置为测量并且确定用户的生命体征的光学生命体征传感器解决。所述光学生命体征传感器包括PPG传感器，其具有用于生成被引导朝向用户的皮肤的光的光源，以及光检测器单元，其被配置为检测光。所述光指示在用户的皮肤中或者从用户的皮肤发射的光的反射。所述光源的光具有样本频率、幅度、每样本的脉冲数量和占空比。所述光学生命体征传感器包括被耦合到所述传感器的输出部的预处理单元。所述预处理单元将具有第一样本频率和每样本的第一脉冲数量的来自所述PPG传感器的输出信号转换为具有第二样本频率和每样本的第二脉冲数量的输出信号以便中和或者均衡样本频率或者每样本的脉冲数量的任何改变。所述光学生命体征传感器还包括处理单元，所述处理单元被耦合到预处理单元，以用于基于所述预处理单元的输出信号来处理至少一个处理算法。所述光学生命体征传感器还包括传感器控制单元，所述传感器控制单元被配置为通过调整采样率或者样本频率和/或每样本的脉冲数量或者占空比来控制所述PPG传感器的操作。
根据本发明的另一方面，所述预处理单元包括缩放器，所述缩放器从传感器控制单元接收每样本的脉冲数量并且被配置为将所述PPG传感器的所述输出信号乘以与样本中的脉冲数量成反比的因子。所述预处理单元还包括向下采样器，所述向下采样器将所述PPG传感器的所述输出信号的采样率调整到所述向下采样器从所述传感器控制单元接收的期望的采样率。
根据本发明的另一方面，所述传感器控制单元适于从所述处理单元接收至少一个信噪比要求并且确定采样率和/或每样本的脉冲数量以实现所需的信噪比。
根据本发明的方面，提供了一种利用光学生命体征传感器测量或确定用户的生命体征的方法，所述光学生命体征传感器被配置为测量或确定用户的生命体征。所述光学生命体征传感器是PPG传感器，其具有：接触表面；至少一个光源，其用于生成被引导朝向所述用户的皮肤的光；以及至少一个光检测器单元，其被配置为检测指示在所述用户的皮肤中或者从所述用户的皮肤发射的光的反射的光。所述PPG传感器的输出信号具有采样率、幅度、每样本的脉冲数量和占空比。来自所述至少一个光源的光被发射向所述用户的皮肤并且反射光由光检测器检测。具有第一样本频率和第一脉冲数量的来自所述PPG传感器的输出信号被转换为具有第二样本频率和每样本的第二脉冲数量的输出信号，以便中和或者均衡样本频率或者脉冲数量的任何改变。
根据本发明的方面，提供了一种计算机程序产品，其包括：计算机可读存储器，其存储计算机程序代码模块，以用于使所述光学生命体征执行如上文所描述的测量或确定用户的生命体征的步骤。
根据本发明的方面，所述生命体征传感器包括基于LED的PPG传感器。LED光穿透所述用户的皮肤、被反射并且其中的一些可以到达光检测器。所述光检测器的输出可以被用于监测血容量分数和血液化合物，如氧合和去氧血红蛋白。具体地，来自所述LED光源的光的吸收或者反射的量可以被用于确定心率以及血容量分数或者血液化合物。心率涉及血容量分数。此外，根据本发明的PPG传感器因此是允许用户的生命体征的无创测量的光学传感器。
应当理解，本发明的优选的实施例还可以是从属权利要求或者以上实施例或者方面与相应独立权利要求的组合。
本发明的这些和其他方面将根据在下文中所描述的(一个或多个)实施例而显而易见并且参考在下文中所描述的(一个或多个)实施例得到阐述。
附图说明
在以下附图中：
图1示出了根据本发明的光学生命体征传感器的示意性表示；
图2示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的示意性框图；
图3示出了图2的PPG传感器的示意性框图；
图4示出了指示PPG传感器102的输出信号的图形；
图5示出了预处理单元130的框图；并且
图6示出了指示传感器的输出信号的时间感的图形。
具体实施方式
图1示出了光学生命体征传感器的操作原理的基本表示。在图1中，光学生命体征传感器(例如，具有其接触表面101的心率传感器100)被布置或者被放置在例如用户的手臂上。接触表面101可以(直接)被放置到用户的皮肤1000上。心率传感器100包括PPG传感器102，PPG传感器102包括至少一个光源110和至少一个光检测器120。光源110经由接触表面101将光发射到用户的皮肤1000上或中。光中的一些被反射并且反射光可以由光检测器120检测到。一些光可以透射通过用户的组织并且由光检测器120检测到。基于反射光，可以确定用户的生命体征，如心率。
图2示出了根据本发明的方面的光学生命体征传感器的示意性框图。光学生命体征传感器100包括PPG传感器102、预处理单元130、处理单元140和传感器控制单元150。PPG传感器102生成具有信噪比、输出功率、放大器增益、样本频率和构成样本的光脉冲数量(备选地光的占空比)的信号。PPG传感器102的操作由传感器控制单元150控制。换言之，传感器控制单元150设置光功率、放大器增益、样本频率和/或PPG传感器102的光的占空比。预处理单元130用于中和或者均衡样本频率或者每样本的光脉冲数量的任何改变。预处理单元130被耦合到处理单元140，处理单元140可以处理接收到的数据。具体地，若干处理算法可以由处理单元140运行。预处理单元130用于将具有第一样本频率和每样本的第一脉冲数量的来自传感器102的输出信号转换为具有第二样本频率和每样本的第二脉冲数量的输出信号。具体地，预处理单元130可以输出每样本的一个值而不管LED脉冲数量并且可以用于移除样本频率和/或光脉冲数量的任何改变，使得处理单元与任何这样的改变解耦。因此，处理单元140将不注意到传感器102的输出信号的样本频率、占空比和脉冲数量的任何改变。
传感器控制单元150从处理单元140接收如由处理单元140中所处理的处理算法所需的信噪比。因此，传感器控制单元150将对传感器的样本频率和每样本的脉冲数量进行调整。传感器控制单元150因此还控制样本频率、采样率、脉冲数量和/或占空比的调整并且将这转发给预处理单元130。预处理单元130因此充当用于处理单元140的转换器，使得传感器102的输出处的样本频率、脉冲数量、占空比等的任何改变将不中断处理单元的处理。处理单元140将所需的信噪比传送到传感器控制单元150。传感器控制单元150对传感器进行配置，使得满足所需的信噪比。这可以通过调节四个参数(即，LED样本频率、每样本的LED脉冲数量、LED幅度和/或接收器增益)来执行。如果另一请求由算法处理之一做出，那么传感器控制单元可以选择通过调整LED样本频率和/或LED脉冲数量来满足所需的信噪比，以确保针对处理单元140的预处理单元130的输出信号未中断。
根据本发明的方面，传感器控制单元可以控制LED样本频率、每样本的LED脉冲数量(即，占空比)、LED幅度(或者LED功率)以及接收器增益。应当注意，LED幅度和接收器增益的调整能够导致信号的中断。根据本发明的方面，然而，在不中断处理单元的输出信号的情况下，可以对LED样本频率以及脉冲数量进行调整。为了实现这一点，控制单元组合来自不同的处理单元的请求。如果达到第一请求，那么控制通过使用所有四个参数使用所有自由度来设立传感器。在这种情况下，没有信号中断存在，因为没有其他处理算法正使用信号。然而，如果达到第二请求，那么必须选择传感器控制单元仅选择并且调整样本频率和脉冲数量，以便避免信号的任何中断。
根据本发明，传感器的样本可以包括多个脉冲。样本的样本值对应于个体脉冲的值的总和。样本具有采样率。
图3示出了图2的PPG传感器的示意性框图。PPG传感器102包括光源110、光检测器120、放大器103、模拟/数字转换器104和控制单元105。光源101可以包括若干LED。例如，光源可以包括两个绿色LED和一个红外IR LED。光检测器可以包括至少一个光电二极管。光检测器120的输出由放大器103放大。放大器103的输出可以直接或者间接地被耦合到模拟/数字转换器104，其转换放大器的输出。控制单元105用于控制光源110的操作。具体地，控制单元105可以调整光源中的LED的输出功率、增益、脉冲数量、样本频率和/或占空比。因此，传感器102由根据所需的配置的控制单元105控制。通过控制单元105，传感器的操作可以被调节为满足处理单元的要求。应当注意，输出功率、每样本的脉冲数量、放大器增益和采样率或者样本频率影响传感器的总体信噪比。
图4示出了指示传感器102的输出信号的图形。在图3中，样本频率是64Hz。如图3中所示，光检测器的输出信号的每个样本基于光源的脉冲数量。因此，一个样本对应于来自光源的n个脉冲。脉冲的幅度对应于LED的电流Iled。在图4中，描绘了若干光学采样位置OSL。因此，一个样本对应于n个脉冲。样本值然后对应于个体脉冲的值的总和。样本具有f样本的样本频率。样本频率可以在从32Hz至1042Hz的范围内。可以在爆发中发射构成一个样本的脉冲。脉冲方向是例如3μs。
图5示出了预处理单元130的框图。预处理单元130包括缩放器131和向下采样器132。缩放器131接收来自传感器102的输出和来自光源的光的脉冲数量n。向下缩放器132接收缩放器131的输出131a和传感器102的采样率SR。向下采样器132的输出132a被转发给处理单元140。
在缩放器131中，传感器102的输出信号乘以与样本中的脉冲数量n成反比的因子。向下采样器132将采样率调整到期望采样率SR，例如，32Hz。这可以由一系列向下采样器执行，每个将采样率以2的因子减小。因此，传感器102的采样率优选地是32Hz乘以2的幂。因此，采样率可以是32Hz、64Hz、128Hz等。
根据本发明的方面，缩放器131和向下采样器132可以在运行中操作，从而避免信号的中断。换言之，缩放器和向下采样器可以对采样率的改变或者期望改变作出反应。
图6示出了指示传感器的输出信号的时间感的图形。在图6中，描绘了传感器102的输出信号102a。在从t＝0到t＝8s的间隔中，LED脉冲数量是1。在从t＝8到t＝12s的间隔中，LED脉冲数量是2。在从t＝12到t＝24s的间隔中，LED脉冲数量是8。如可以从图6看到的，输出信号的幅度随着脉冲数量而增加。在图6的中间，描绘了缩放器131的输出信号131a。如可以看到的，仅采样率跨所描绘的区变化。实际上，采样率从左到右增加。
在图6中，还描绘了向下采样器132的输出信号132a。该信号132a是处理单元140的输入信号。如可以看到的，仅信噪比而非采样率变化。因此，该信号不是中断性的。
根据本发明的方面，处理单元140可以能够处理至少两个处理算法141、142。第一处理算法141可以与第二处理算法142不同。通常，每个处理单元141、142具有针对信噪比的要求。因此，这些要求被输出到传感器控制单元150，传感器控制单元150将调整传感器102的采样率。
预处理单元130的输出信号132a具有固定比例和固定采样率。根据本发明的方面，第一处理算法141可以被用于确定心率并且因此尤其是处理信号的脉动部分。第一处理算法141可以测量脉动信号的幅度，即信号的AC分量。应当注意，输出信号的该AC分量的幅度可以随时间变化，使得取决于幅度，所请求或者所需的信噪比可以增加或者减小。
第二处理算法142可以执行不同的处理。这样的处理可以例如是心搏间期处理算法，其能够不需要在严重运动的情况下的信号。在这样的情况下，信噪比可以被设置为零。
根据本发明的另一方面，处理算法可以被用于确定平均心率。这样的处理算法可以在某些运动状况下增加所需的信噪比。
根据本发明，如果处理算法停用，则处理单元可以将所请求的信噪比设置为零，其指示不需要信号。
传感器控制单元150从处理单元接收所需的信噪比。传感器控制单元150因此对传感器102的脉冲数量和/或采样率进行调整。优选地，这可以动态地完成。
根据本发明，传感器控制单元151可以包括查找表。表1公开了这样的查找表的范例。
Figure BDA0002012097300000071
Figure BDA0002012097300000081
该查找表包括期望的信噪比与脉冲数量以及采样率之间的关系。在该范例中，对于特定LED功率和接收器增益，描绘了信噪比的相关性，其中，四个参数中的两个是可用的，而其他两个参数是固定的。
作为范例，如果所需的信噪比是60dB，那么传感器控制单元150可以选择对应于61的信噪比的第三行，其中，脉冲数量是1并且采样率是128。所得功率是0.384mW。
根据本发明的方面，传感器控制单元150还可以能够实施动态非一致采样。换言之，传感器102的采样方案可以从一致采样动态地改变到非一致采样。在非一致采样中，传感器102的采样率可以随时间变化。较高采样率将局部增加信噪比。作为范例，这样的较高采样率可以针对其中预期心跳的间隔来选择。在心跳之间的其他间隔中，可以降低采样率。
生命体征传感器100可以被实施为PPG传感器或者可以包括PPG传感器。PPG传感器的输出信号给定关于用户的血管中的血液移动的指示。PPG传感器的输出信号的质量可以取决于血流速率、皮肤形态和皮肤温度。另外，PPG传感器中的光损耗还可以对PPG传感器的输出信号的质量具有影响。PPG传感器的光效率可以取决于当光从一个介质穿透到另一个中时的反射损耗。此外，用户的皮肤的表面处的光的散射也可以对PPG传感器的光效率具有影响。
根据本发明的方面的PPG传感器或光学生命体征传感器可以被实施为需要与用户的皮肤接触的设备，诸如腕戴式设备(如手表或智能手表)。
通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以履行权利要求中记载的若干项的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/被分布在适合的介质上，诸如与其他硬件一起提供或作为其部分提供的光学存储介质或固态介质上，而且计算机程序可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信***分布。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims (6)

1.一种被配置为测量或确定用户的生命体征的光学生命体征传感器(100)，包括：
光体积描记(PPG)传感器(102)，其具有：光源(110)，其被配置为生成被引导朝向所述用户的皮肤(1000)的光；以及光检测器单元(120)，其被配置为检测光，其中，所述光指示在所述用户的所述皮肤(1000)中或者从所述用户的所述皮肤(1000)发射的光的反射，
其中，所述PPG传感器(102)的输出信号具有采样率、幅度、每样本的脉冲数量和占空比，
预处理单元(130)，其被耦合到所述PPG传感器(102)的输出部，并且被配置为将来自所述PPG传感器(102)的具有第一样本频率和每样本的第一脉冲数量的输出信号转换为具有第二样本频率和每样本的第二脉冲数量的输出信号，以便中和或者均衡样本频率或者每样本的所述脉冲数量的任何改变，
处理单元(140)，其被耦合到所述预处理单元(130)，并且被配置为基于所述预处理单元(130)的输出信号来运行至少一个处理算法，以及
传感器控制单元(150)，其被配置为通过调整所述采样率(SR)和/或每样本的所述脉冲数量(n)来控制所述PPG传感器(102)的操作。
2.根据权利要求1所述的光学生命体征传感器(100)，其中，所述预处理单元(130)包括：缩放器(131)，其从所述传感器控制单元(150)接收每样本的脉冲数量，并且被配置为将所述PPG传感器(102)的所述输出信号乘以与样本中的所述脉冲数量n成反比的因子；以及向下采样器(132)，其将所述PPG传感器(102)的所述输出信号的所述采样率调整到所述向下采样器(132)从所述传感器控制单元(150)接收到的期望的采样率(SR)。
3.根据权利要求1或2所述的光学生命体征传感器(100)，其中，所述传感器控制单元(150)适于从所述处理单元(140)接收至少一个信噪比要求并且确定采样率和/或每样本的脉冲数量以实现所需的信噪比。
4.根据权利要求1所述的光学生命体征传感器(100)，其中，所述传感器控制单元(150)被配置为通过调整所述光源(110)的输出功率和/或所述PPG传感器(102)的接收器增益来控制所述PPG传感器(102)的所述操作。
5.一种利用光学生命体征传感器(100)来测量或确定用户的生命体征的方法，所述光学生命体征传感器被配置为测量或确定用户的生命体征，所述光学生命体征传感器是PPG传感器(102)，所述PPG传感器具有：接触表面(101)；至少一个光源(110)，其用于生成被引导朝向用户的皮肤(1000)的光；以及至少一个光检测器单元(120)，其被配置为检测指示在用户的所述皮肤(1000)中或者从用户的所述皮肤(1000)发射的光的反射的光，其中，所述PPG传感器(102)的输出信号具有采样率、幅度、每样本的脉冲数量和占空比，所述方法包括以下步骤：
从至少一个光源(110)朝向所述用户的所述皮肤(1000)发射光并且由所述至少一个光检测器单元(120)检测反射光，
由预处理单元(130)将来自所述PPG传感器(102)的具有第一样本频率和每样本的第一脉冲数量的输出信号转换为具有第二样本频率和每样本的第二脉冲数量的输出信号，以便中和或者均衡样本频率或者所述脉冲数量的任何改变，
基于所述预处理单元(130)的输出信号来处理至少一个处理算法，并且
通过调整所述采样率和/或每样本的所述脉冲数量来控制所述PPG传感器(102)的操作。
6.一种存储有计算机程序代码模块的计算机可读存储器，所述计算机程序代码模块用于使根据权利要求1所述的光学生命体征传感器执行根据权利要求5所述的测量或确定用户的生命体征的方法。
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