用于补偿生命体征监测中的非线性效应的监测设备和方法

摘要

本发明涉及一种监测设备(10)，包括：光源(14)，其用于将光发射到生物的身体部分(12)中；光传感器(18)，其用于接收包括环境光分量(30)和产生于所述发射的光与所述身体部分(12)的相互作用的测量光分量(32)的光(16)，并且用于生成输出信号(34)，其中，传递函数描述所述输出信号(34)与所接收的光之间的关系；环境光取消单元(20)，其用于将所述输出信号(34)分离为对应于所述环境光分量(30)的第一信号部分(36)和对应于所述测量光分量(32)的第二信号部分(38)；以及环境光调制移除单元(22)，其用于通过基于所述传递函数(f)和所述第一信号部分(36)对所述第二信号部分(38)进行解调来补偿所述环境光分量(30)的变化，以生成测量信号(40)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测设备和一种监测方法以及一种包括监测设备的用 于监测生物的生命体征的装置。

背景技术

人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者血氧饱和度，用 作人的当前状态的指标并且用作严重医学事件的强大预测器。出于该原因， 生命体征在住院患者和门诊患者护理设置中，在家或者在进一步健康、休 闲和健身设置中广泛地被监测。

测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常涉及对器官 或身体部分的体积改变的测量，并且尤其涉及对由于随每个心跳穿过对象 的身体的心血管脉搏波的体积改变的检测。

光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区或者感兴趣体积的光反射率或 者透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液与周围组 织相比吸收更多光，因此血液体积中的随着每个心跳的变化对应地影响透 射或者反射率。除关于心率的信息之外，PPG波形能够包括可归因于诸如 呼吸的另外的生理现象的信息。通过评估在不同波长(通常是红色或者红 外的)处的透射率和/或反射率，血氧饱和度能够被确定。

用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度的典型脉搏血氧计包括作 为光源的红色LED和红外LED以及用于检测已经被发射通过患者组织(即， 通过被包括在身体部分中的组织)的光的一个光电二极管。市场上可购得 的脉搏血氧计在红色波长处的测量与红外波长处的测量之间快速切换，并 且因此在两个不同波长处测量组织的相同区或者体积的透射率。这被称为 时分复用。在每个波长处的关于时间的透射率给出针对红色和红外波长的 PPG波形。

关于PPG的一个问题在于，环境光能够泄露到传感器中并且干扰测量 结果。该环境光可以源自于太阳或电灯(其可以发射净频率处的光)。另一 问题在于，噪声(尤其是低频噪声(例如，1/f噪声)而且高频噪声)也干 扰测量。而且，电磁干扰也可以干扰测量结果。

在WO2013/0190423A1，公开了光电体积描记设备和方法。所公开的 设备包括：光源，其用于将光脉冲发射到生物的组织中；光传感器，其用 于接收来自所述组织的光并且生成传感器信号；滤波器单元，其用于对所 述传感器信号进行滤波，所述滤波器单元包括用于生成同相滤波器信号的 切换的同相低通滤波器和用于生成异相滤波器信号的切换的异相低通滤波 器；控制单元，其用于控制所述光源和所述滤波器单元，使得同相滤波器 仅在第二时间段期间接通，同时光源接通，并且异相滤波器在第一时间段 和第三时间段期间接通，同时光源关闭；减法单元，其用于从同相滤波器 信号减去异相滤波器信号。

然而，尤其是关于准确度和可靠性，特别地如果环境光水平变得更高 (例如由于手表设备的情况下的较窄的腕带)和/或如果LED水平变得更低 以便节省功率，在PPG生命体征检测和生命体征监测的领域中还存在改进 的空间。

发明内容

本发明的目标是提供一种进一步改进对潜在地干扰环境光效应的操纵 的监测设备和监测方法。本发明的另外的目标是提供一种用于监测生物的 生命体征的装置。

在本发明的第一方面中，呈现了一种监测设备，包括：

-光源，其用于将光发射到生物的身体部分中；

-光传感器，其用于接收包括环境光分量和产生于所发射的光与所述身体 部分的相互作用的测量光分量的光，并且用于生成输出信号，其中，传递 函数描述所述输出信号与所接收的光之间的关系；

-环境光取消单元，其用于将所述输出信号分离为对应于所述环境光分量 的第一信号部分和对应于所述测量光分量的第二信号部分；以及

-环境光调制移除单元，其用于通过基于所述传递函数和所述第一信号部 分对所述第二信号部分进行解调来补偿所述环境光分量的变化，以生成测 量信号。

在本发明的另一方面中，呈现了一种对应的监测方法，包括以下步骤：

-将光发射到生物的身体部分中；

-接收包括环境光分量和产生于所发射的光与所述身体部分的相互作用 的测量光分量的光，并且用于生成输出信号，其中，传递函数描述所述输 出信号与所接收的光之间的关系；

-将所述输出信号分离为对应于所述环境光分量的第一信号部分和对应 于所述测量光分量的第二信号部分；并且

-通过基于所述传递函数和所述第一信号部分对所述第二信号部分进行 解调来补偿所述环境光分量的变化，以生成测量信号。

在本发明的又一方面中，呈现了一种用于监测生物的生命体征的装置， 所述装置包括：

-如本文所公开的监测设备；以及

-处理单元，其用于从所述测量信号导出关于所述生物的生命体征的信 息。

在本发明的又一个方面中，提供了一种包括程序代码模块的计算机程 序，所述程序代码模块用于，当所述计算机程序在计算机上执行时，令所 述计算机执行本文公开的方法的步骤，并且提供了一种在其中存储有计算 机程序产品的非暂态计算机可读记录介质，所述计算机程序产品当由计算 机处理器运行时，令本文公开的方法被执行。

本发明的优选实施例定义在从属权利要求中。应当理解，请求保护的 方法、装置、计算机程序和介质与请求保护的并且如在从属权利要求中定 义的设备具有相似和/或相同的优选实施例。

本发明旨在改进测量信号上的环境光的环境光效应和水平变化的补 偿。各种监测设备(例如PPG设备)依赖于光与生物的身体部分(即身体 部分中的组织或血液)的相互作用的评价。为此，光源将光发射到生物的 身体部分中并且光传感器在其已经与该身体部分相互作用之后捕获光。从 而，可能的是，执行反射式测量，即于在所述身体部分处反射之后评价光， 或者执行透射式测量，即于在透射通过所述身体部分之后评价光。

确保所述光传感器与所述身体部分的光紧密连接常常是困难的。因此， 除由所述光源所发射并且已经与所述身体部分相互作用的所述光外，至少 一些环境光也结束于所述光传感器的所述输出信号中。该环境光可以影响 所述测量信号并且使从所述测量信号导出关于生命体征的信息更困难或不 可能。

为了补偿该效应，环境光取消单元用在根据本发明的监测设备中以用 于将所述输出信号分裂为对应于所述环境光分量的第一信号部分和对应于 被包括在所述信号中的实际期望的测量光分量的第二部分。所述第二信号 部分然后可以实际对应于所述测量光分量自身或针对其的估计。

然而，环境光还以第二方式干扰由所述光传感器所生成的所述输出信 号。由所述光源所发射的光由所述环境光调制。因此，给定水平的光对光 传感器的所述输出信号的所述影响针对不同水平的环境光可以不同。这意 指取决于所述环境光分量，所述相同测量光分量能够导致不同的第二信号 部分。如果所述第二信号部分要被评价以便获得测量信号(从其的生命体 征信息的另外的评价和导出)，则该效应需要被补偿。如果传递函数(即， 描述所述光传感器的输入(接收的光)和输出(输出信号)之间的关系的 函数是非线性函数，则这尤其重要。

本发明的环境光调制移除单元补偿该效应。通过计算特定环境光水平 处的环境光的影响并且基于该影响校准针对所述第二信号部分确定的值， 对所述第二信号部分进行解调。

在本文中，所述环境光分量是指由环境光源引起的由所述光传感器捕 获的光的分数(即所述环境光水平)。能够通过日光或通过所述监测设备附 近的人工光源引起环境光。所述光传感器将不仅捕获期望的光而且至少一 些环境光。所述环境光水平(即在生物附近的环境光的强度)影响环境光 分量(除所述监测设备的壳体的形状外)。

所述测量光分量是指从在该发射的光已经与所述身体部分相互作用之 的由光源发射的光产生的捕获的光的强度。所述光传感器接收光并且提供 描述所述环境光分量和所述测量光分量的总和的强度值。因此，对于所述 光传感器而言在所述两个分量之间进行区分通常是不可能的。

信号对应于连续或时间离散序列值或一个单个值(针对时间的特定 点)。所述光传感器的输出信号是所测量的强度的模拟或数字表示。因此， 所述输出信号包括产生于所述测量光分量的部分(第二信号部分)和产生 于所述环境光分量的部分(第一信号部分)。

信号部分对应于信号的分数。通常，信号部分对应于描述各自的输入 光的强度的值。具体而言，本发明的光传感器的输出信号包括两个信号部 分：表示或对应于所述环境光分量的第一信号部分和表示或对应于所述测 量光分量的第二信号部分。所述信号部分结束于所述输出信号。

将信号分离可以尤其是指将(数字)信号的当前值划分为第一值和第 二值。这些第一值和第二值被称为部分。因此，信号部分可以具有与所述 原始信号相同的形式。每个信号部分指示比原始(输出)信号更低的光强 度。对信号部分进行解调(有时也被称为“调制”)对应于调节由该信号部 分表示的光强度。为此，借助于将常量或变量因子应用到所述第二信号部 分的计算或其他流程来计算所述测量信号是可能的。

所述传递函数是描述所述光传感器的性质的函数。通常，所述传递函 数将针对相同类型的不同的光传感器或多或少是恒定的。所述传递函数可 以在校准流程期间确定，其中，将预定义输入提供给所述光传感器并且所 述输出被测量以导出所述传递函数，或传递函数所述可以从所述传感器的 模型获得。所述传递函数或其导数可以存储在所述监测设备中。

如本文所使用的，所述光传感器可以不仅是指所述物理感测部件自身 (即，实际传感器)而且也可以包括其他部件，诸如用于放大基于所接收 的光由所述物理感测部件生成的信号的一个或多个放大器、滤波器和/或信 号整形部件。由所述光传感器生成的输出信号将被理解为被应用到所述环 境光取消单元的得到的信号。因此，所述传递函数包括所述输出信号的在 其到所述环境光取消单元的路径上的所有效应。尤其是，非线性传递函数 可以由用于放大由所述物理感测部件生成的信号的放大器而不是由所述物 理感测部件自身引起。本文所公开的所述设备和方法补偿直到所述环境光 取消单元的所述路径中的任何非线性效应。

本发明尤其得到以下优点：与先前的方法相比较，更好地补偿环境光 对所述测量结果的效应变为可能的。由本文描述的所述监测设备所提供的 所述测量信号可以用在用于监测生命体征的装置中。因此，由这样的装置 所提供的所述生命体征信息还可以具有较高的有效性。根据本发明的方面 的设备或方法在要求非常准确的生命体征信息的应用中可以是有利的。而 且，具有高水平的环境光的区中的应用针对使用本发明可以具有利益。

在第一实施例中，所述环境光调制移除单元被配置为确定所述传递函 数的导数。可以在针对所接收的光的特定强度值(例如，所述输出信号的 当前值、操作点)或针对范围(所导出的函数)的请求后确定该导数。所 述导数可以以表的形式或以计算说明书的形式存储。优点在于，更好地补 偿取决于所述传递函数的梯度的关于所述环境光水平的效应变为可能的。

在优选的实施例中，所述环境光调制移除单元被配置为通过将所述第 二信号部分乘以所述传递函数的所述导数的倒数来对所述第二信号部分进 行解调。通常，将由数值表示第二信号部分。能够将该数值乘以当前操作 点处的所述传递函数的所述导数的倒数。从而，能够补偿所述传递函数的 不同的梯度。因此，如果由于较高水平的环境光(较高的环境光分量)，所 述传递函数具有当前工作点中，即当前输出信号的水平处的较高的梯度， 这可以通过乘以所述传递函数的倒数来补偿。这得到以下优点：获得针对 所述环境光的分量的变化的效应和其对所述测量信号的影响的有效补偿变 为可能的。

在另一实施例中，所述环境光取消单元被配置为确定针对第一信号部 分分量的估计并且从所述输出信号减去所述估计以确定所述第二信号部 分。因此，针对第一信号部分的值的估计被减去，即所述输出信号的值减 少所述第一信号部分的所估计的值。可以例如通过当所述光源单元关闭时 即当测量光不存在(未接收到测量光分量)时的时间处确定所述输出信号 来获得该估计。然后，所述输出信号基本上对应于所述第一信号部分。能 够在WO2013/0190423A1中找到用于确定针对所述第一信号部分的估计的 一个可能方法，其中，公开了提供针对所述环境光的影响的估计和从所述 输出信号移除所述估计的电路。移除对应于所述环境光分量的所述信号部 分的估计具有能够有效地补偿由所述环境光所引起的干扰的优点。

在实施例中，所述传递函数是非线性函数。通常，即对于大多数光传 感器而言，所述传递函数是非线性函数。这样的非线性函数可以导致测量 光分量对所述输出信号的效应的实质性差异。这意指当所述环境光分量变 化时，所述第二信号部分针对相同测量光分量可以是基本上不同的。然后， 由本发明的所述环境光调制移除单元所提供的补偿是甚至更重要的。

在另一实施例中，上述监测设备还包括用于确定所述传递函数的校准 单元，其中，所述校准单元被配置为当暴露于预定义强度的校准光时，根 据所述光传感器的所述输出信号来确定校准值。这样的校准单元可以尤其 结合生成预定义光强度的光的光发射单元来使用。所述光传感器暴露于该 校准光。测量所定义的光强度，并且记录针对该预定义输入的所述光传感 器的输出(输出信号)(校准值或校准点)。这形成针对所述传递函数的基 础。可以由针对不同的单个值或范围的查找表来表示所述传递函数。还可 以由基于所述不同的测量点(校准值)的内插或由被调节到至少一个校准 值的模型函数表示所述传递函数。可以在第一次使用所述监测设备之前(即 在所述传感器或监测设备的生产期间)初始地或规则地或者在每次使用之 前执行所述校准。针对每个监测设备执行校准流程通常是有利的，因为所 述制造过程和/或材料容限的差异可能导致所述传递函数的大的偏差。

在优选的实施例中，所述校准单元被配置为将曲线拟合算法应用到多 个校准值。优选地，上面概述的校准流程中的所确定的值用作针对曲线拟 合方法的输入以导出所述传递函数。曲线拟合算法允许从多个测量点导出 连续的函数。因此，提供将函数值分配给所述输出信号的每个可能值的传 递函数变为可能。从而，使用连续增加的模型函数是尤其有利的。这可以 允许避免进一步的信息处理中的矛盾。可能的曲线拟合算法包括诸如最小 二乘法拟合等的方法。

在如上文所描述的监测设备的实施例中，所述光源被配置为发射光脉 冲；并且所述环境光取消单元被配置为基于在当所述光源关闭时的时间点 处的所述输出信号并且基于在当所述光源发射光时的时间点处的所述输出 信号来对所述输出信号进行分离。如果所述光源发射光脉冲，则能够利用 所述光源打开时的时间与所述光源关闭时的时间处的所述输出信号之间的 差异。因此，所述环境光分量是单独和与所述测量光分量一起测量的。这 对应于时分复用方法。该配置表示确定所述测量光分量的影响的有效的方 法。而且，脉动光源关于所述生命体征信息提取可以是有利的。

在优选的实施例中，所述监测设备还包括滤波单元，所述滤波单元被 配置为被配置为当所述光源发射光时利用第一低通滤波器对所述输出信号 进行滤波以生成第一经滤波的信号，并且当所述光源关闭时利用第二低通 滤波器对所述输出信号进行滤波以生成第二经滤波的信号；并且所述环境 光取消单元被配置为从所述第一经滤波的信号减去所述第二经滤波的信 号。从而，从所述输出信号减去所述环境光分量的影响(即所述第一信号 部分)以获得所述第二信号部分(或其估计)的(模拟或数字)信号处理 方法变为可能的。

在又一实施例中，所述监测设备还包括额外的环境光传感器，所述额 外的环境光传感器用于接收环境光并且用于生成环境光信号；并且所述环 境光取消单元被配置为基于从所生成的环境光信号导出的针对所述环境光 分量的估计来对所述输出信号进行分离。作为利用上文所概述的脉冲光源 的备选或者除了利用上文所概述的脉冲光源之外，还能够使用额外的环境 光传感器基于环境光水平的测量来单独获得针对所述环境光分量(而没有 所述测量光分量)的估计。然后，能够从(原始)光传感器的所述输出信 号(对应于所述环境光分量和所述测量光分量)减去(对应于所述环境光 分量)的所述环境光信号，以获得针对所述第二信号部分的估计。该实施 例的优点在于，不要求所述光源的脉冲操作。

在所述上文概述的监测设备的优选实施例中，所述光源被配置为发射 第一波长的光，并且还包括额外的光源，其用于发射与所述第一波长不同 的第二波长的光。通过包括发射不同波长处的光的两个光源，利用针对不 同波长的光的具有不同氧饱和的血液的所述吸收特性的差异变为可能的。 这允许获得关于所述患者的所述血氧饱和度的信息。通常，所述两个光源 将交替地(即依次脉冲)操作。然后，可以由一个光传感器捕获所述发射 光。

在又一实施例中，所述光源和所述光传感器被配置为被布置在所述生 物的身体部分的相对侧上；并且所述光的所述测量光分量产生于通过所述 身体部分的所述发射光的透射。从而，透射式测量变为可能。光被发射到 身体部分中并且在所述身体部分的另一侧上被采集。因此，光必须与所述 身体部分(即其中的组织和血液)相互作用。透射式测量具有能够获得鲁 棒的输出信号的所述优点。

在另一实施例中，所述光源和所述光传感器被配置为被布置为面对所 述生物的身体部分；并且所述光的所述测量光分量产生于所述身体部分处 的所述发射光的反射。从而，反射式测量变为可能。光被发射到身体部分 中，与所述身体部分相互作用并且(部分地)被反射。反射的光借助于所 述光传感器被捕获并且被评价。如果透射式测量不可能，例如如果要检查 的身体部分对于发射的光而言太厚以致于不能被透射通过，则这是特别有 利的。

附图说明

本发明的这些和其他方面将根据下文描述的(一个或多个)实施例而 显而易见，并且参考下文描述的(一个或多个)实施例得到阐述。在以下 附图中：

图1示出了根据本发明的方面的监测设备；

图2示出了图示光传感器的光对输出特性(传递函数)的光的示意图；

图3示意性图示了根据本发明的信号处理方法；

图4示意性图示了根据本发明的监测设备的另一实施例；

图5示出了根据本发明的方面的用于监测生物的生命体征的装置；

图6示出了根据本发明的方面的用于监测生物的生命体征的装置的另 一实施例；并且

图7示意性图示了根据本发明的方面的监测方法。

具体实施方式

本发明涉及用于提供承载关于生物的生命体征的信息的测量信号的监 测设备。能够评价该测量信号以在处理单元中从其导出生命体征信息。该 处理单元可以被包括在监测设备中或是另一设备的部分。在本文中，用于 监测的装置涉及包括监测设备以及用于评价由监测设备提供的测量信号的 处理单元的装置。

图1在截面视图中图示了根据本发明的方面的监测设备10。所图示的 设备10对应于能够应用到人的手指12的夹子。在以下中，针对这样的手 指夹传感器的非限制性范例图示了本发明。然而，本发明的其他应用是可 能的，诸如在耳朵传感器、佩戴式传感器或任何其他可佩戴的(例如，手 表型设备、安全带)等中。

所图示的设备10包括光源14，所述光源将光发射到生物的身体部分 12中。在所图示的实施例中，身体部分对应于人的手指。光源14通常包括 LED。发射的光与手指12(或者更精确地，与手指中的组织和/或血液)相 互作用。在相互作用之后，借助于光传感器18来捕获发射的光。光传感器 18(有时也被称为前端或光电传感器)通常包括光电二极管。除发射的光 外，所接收的光16还包括环境光。在本文中，测量光分量描述所接收的光 的对应于已经与身体部分12相互作用并且由光传感器18接收的由光源14 发射的光的部分。环境光分量描述了所接收的光16的来自环境的部分。

光传感器18提供能够进一步被处理的(模拟或数字)输出信号。输出 信号通常对应于所接收的光16的光强度的读数。输出信号与光传感器暴露 于的光强度的关系被称为传递函数。传递函数描述了光传感器18的性质。

除如图1中所图示的透射式测量外，还可以利用反射式测量原理(即， 光传感器和光源布置在身体部分的相同侧并且反射的光的被捕获)。

根据本发明的监测设备10的优选的应用领域是血氧饱和度监测。在该 应用中，除光源14外，监测设备10通常包括额外光源，其发射与光源14 的光不同的波长的光。通常，使用红色LED和红外LED。两个LED通常 被脉冲(即交替地打开)以不彼此干扰。红色和红外光谱中的发射的光与 身体部分12中的血液相互作用。在该相互作用之后，由光传感器18捕获 光。血氧饱和度的改变导致血液的颜色的改变。尤其是如果使用两个不同 波长的光，则能够根据就评价所接收的光来获得关于该改变的信息。除血 氧饱和度外，能够从测量信号导出心跳和/或呼吸率。

如上文已经提到的该布置中的一个问题在于，通常，不仅从光源所发 射的光由光传感器18接收。取决于监测设备10的壳体的实施例，环境光 也由光传感器18接收。该环境光可以源自于日光或来自在人附近的人工光 源。通常，不同的时间处存在不同水平的环境光(环境光水平的变化)。取 决于存在环境光的波长和/或其波动(尤其是关于与心率可比较的频率处的 波动)，该环境光可以使从测量信号提取有意义的生命体征信息困难，因为 对应于期望的生命体征信息的测量信号的改变通常是小的。

因此，由光传感器18所检测的光包括环境光分量和测量光分量。这两 个分量结束于光传感器18的输出信号中。

为了补偿环境光对测量信号的影响，本发明提供环境光取消单元20和 环境光调制移除单元22。环境光取消单元20将由光传感器18提供的输出 信号分离为第一部分和第二部分，所述第一部分对应于环境光(环境光分 量)，所述第二部分对应于由光源14初始发射的光(测量光分量)。环境光 调制移除单元22还补偿产生于针对不同水平的环境光的光传感器18的不 同的敏感度的效应。因此，由环境光调制移除单元22生成的测量信号对应 于针对独立于环境光分量的测量光分量的量度。

环境光以两个方式结束于光传感器的输出信号中。一方面，如果没有 什么特殊之处完成，则其添加到输出信号。即使采集来自光源的相同量的 光，较高水平的环境光导致较高的输出信号水平。另一方面，环境光对LED 光进行调制。换言之：当暴露于另一水平的背景或环境光时，光传感器不 一定将相同量的(额外)光转换为相同的信号水平。解调信号部分(在环 境光调制移除单元22中)对应于移除该效应。

第一效应能够通过提供环境光取消单元20(还可以被称为环境光取消 电路)来补偿，所述环境光取消单元移除环境光的贡献。将输出信号分离 为对应于环境光分量的第一部分和对应于测量光分量的第二部分。这可以 例如由如WO2013/0190423A1中所呈现的减法完成。其中，呈现了利用以 下事实的电路：脉冲式光源允许在当光源关闭时的时间处获得环境光分量 的测量结果(在没有测量光分量的情况下)。然后，在当光源14关闭时的 时间处的光传感器18的输出信号可以从在当光源14打开时的时间处的输 出信号减去以获得针对对应于测量光分量的输出信号的信号部分(第二信 号部分)的估计。

换言之，环境光取消利用以下事实：LED(光源)的光是脉冲的，使 得存在在其期间仅环境光存在于光传感器处的时间区间和在其期间环境光 和来自光源的光的总和存在于光传感器处的其他时间区间。提供该功能性 的一个可能方法是取决于光源是否被打开，将不同的滤波器(尤其是不同 地配置的低通滤波器)应用到输出信号。能够根据其获得针对环境光分量 和对应的信号部分的估计。

在本发明的其他实施例中，还可以能够是，额外的光传感器提供针对 然后能够用作用于从输出信号移除环境光分量的基础的环境光分量的测量 结果。

在图2中还图示了第二效应。所图示的传递函数f描述了光传感器18 的输出特性。在x轴上，图示了输入光水平。光水平是指存在于光传感器 18处的光强度。例如，光水平可以对应于环境光分量和测量光分量的总和。 在y轴上，图示了得到的输出信号水平。该输出信号可以例如包括对应于 环境光分量的第一部分和对应于测量光分量的第二部分。在基于时间的视 图中，波动输入生成波动输出。一些波动可以例如可归因于脉动光源，其 他(通常较小的)改变可归因于生物的身体部分的改变，诸如导致变化的 吸收并且表示生物的生命体征信息的脉动血液。

传递函数f通常是连续增加函数。较高的光水平产生较高的输出信号水 平。图2中的所图示的非线性传递函数出于说明目的并且仅定性地图示了 光传感器的输入与输出之间的关系。其他光传感器可以具有不同的传递函 数。

如图2中图示的，环境光可以在A_低与A_高之间变化。而且，由于脉动 光源，因而输入光可以暂时增加P。因此，A表示环境光分量，并且P表示 测量光分量。然后，光传感器的输出信号在LED关闭时在f(A_低)与f(A _高)之间变化，并且在LED打开时在f(A_低)+P·f’(A_低)与f(A_高)+P·f’(A_高) 之间变化。f(A)表示对应于第一情况中的环境光分量的输出信号的信号 部分(第一信号部分)。’函数f’是传递函数f的导数。

如果从输出信号移除对应于环境光分量的信号部分(在环境光取消单 元中)，则因此输出在P·f’(A_低)与P·f’(A_高)之间变化。因此，如果传递函数 f是非线性的(其通常是该情况)，环境光取消单元的输出(即第二信号部 分)仍然取决于环境光分量。这在本文中被称为环境光调制。环境光调制 移除单元试图补偿该环境光调制。

环境光调制能够被定义为峰峰输出变化除以平均输出信号水平：

该关系是针对传递函数f的线性的测量。如果传递函数f的导数是线性 的，那么f’独立于环境光分量。然后，环境光调制是0。而且，关系还表示 针对环境调制的下限。关系的结果取决于f’(即f的非线性)、A_低和A_高(较 大的范围通常使得f’的变化更大)的变化，并且取决于P(较大的值通常使 得非线性效应平滑，而较小的P值使非线性效应更显著)。从而，P遵循光 源的功率。减少的功率使得非线性效应更显著。通常，要求总体环境光取 消≤60dB。

因此，如果监测设备暴露于可比较地高的环境光范围(大变化)，则环 境光调制移除是尤其重要的。然后，光传感器的光对输出特性(传递函数) 的影响可以变为占主导的。

本发明允许借助于环境光调制移除单元22补偿该效应。图3图示了本 发明的实施例中的数据处理。环境光分量30和测量光分量32(其对应于由 光源所发射的光)组合到在光传感器18(还可以被称为前端)中所接收的 光16。光传感器18将输出信号34提供给环境光取消单元20。该输出信号 34包括第一信号部分(即对应于环境光分量30的第一部分)和第二信号部 分(即对应于测量光分量32的第二部分)。环境光取消单元20将两个信号 部分分离。因此，环境光取消单元20的第一输出对应于第一信号部分36 (其表示环境光的影响)，并且第二输出对应于第二信号部分38(其表示在 与生物的身体部分相互作用之后光源的经调制的光)。基于传递函数f和第 一信号部分36，环境光调制移除单元22补偿环境光分量30的变化的效应 并且生成测量信号40(即，解调第二信号部分)。因此，该测量信号40直 接表示独立于当前存在环境光分量30的测量光分量32并且能够用作用于 生物的生命体征信息的提取的基础。

换言之，基于工作点(其由环境光分量A定义)中的传递函数f的导 数f’的倒数，处理环境光取消单元20的输出，即对应于环境光分量30的 第一信号部分36和对应于光源的经调制的光的第二信号部分38。测量信号 40对应于第二信号部分38除以f’(A)。由于第二信号部分38对应于测量光 分量P·f’(A)，因而这能够减少到P，其对应于实际的测量光分量32。因此， 环境光分量A的变化的效应被移除，并且表示P的测量信号被提供。

因此，通常在校准流程中确定所要求的传递函数f(其被要求计算导数 f’)。可以由设备10中的校准单元执行这样的校准流程。优选地，在设备 10的生产时间处执行校准流程。通常，人工光源被配置为提供不同强度处 的光(校准光)。测量光传感器的输出信号，并且计算至少一个校准值。因 此，校准值对应于值对校准光(光强度)和对应的输出信号。借助于模型 从至少一个校准值或借助于曲线拟合算法从多个校准值导出曲线f。然后， f’通过差分从f导出并且以某种形式(例如公式或表)存储在设备10中， 使得其能够被应用到不同水平的A以便执行上文所概述的处理。如果例如 f上的多项式曲线拟合被完成，则可以执行符号/分差分，并且来自拟合的函 数的系数可以被填充到针对导数f’的公式中(例如，f＝a·x^2，f’＝2·a·x， 即，函数f被拟合，从其跟随系数a，从其跟随f’)。

图4示意性地图示了根据本发明的设备的另外的实施例。其中，虚线 表示可以或可以不被包括在监测设备中或在根据本发明的用于监测生物的 生命体征的装置中。

除光源14(其将光发射到生物的身体部分12中)、光传感器18、环境 光取消单元20和环境光调制移除单元22外，还可以包括校准单元42。该 校准单元42执行上文概述的校准流程。

另外，可以包括滤波单元44。这样的滤波单元44可以尤其被配置为取 决于光源18是否发射光，借助于不同的滤波方法对输出信号进行滤波。在 优选实施例中，光源14被配置为发射脉冲光，即以脉冲的形式周期性地发 射光。发射光的时间段跟随有不发射光的时间段。然而，本发明的所有实 施例中不要求这一点。滤波单元44尤其允许执行WO2013/180423A1中所 呈现的环境光取消流程，如上文简要概述的。

而且，可以包括额外的光传感器46，其允许单独采集环境光分量(而 没有测量光分量)。这样的额外的光传感器46将通常空间地与光传感器18 分离地布置，使得其允许采集环境光以便在不由测量光分量干扰的情况下 获得针对存在于光传感器18处的环境光分量的估计。该额外的光传感器46 优选地包括光电二极管。

另外，设备10还可以包括额外的光源48。该额外的光源48可以尤其 包括LED，其发射与原始光源14不同的波长的光。在优选的实施例中，光 源14发射红光，并且额外的光源48发射红外光(即包括红外LED)。从而， 通过评价血液中的不同波长的光的吸收特性来执行生物的血氧饱和度的测 量变为可能。

在本发明的又一方面中，如图5中所图示的，呈现了用于监测生物的 生命体征的装置50。该装置50包括监测设备10以及处理单元52(也可以 被称为处理器)以从由监测设备所提供的测量信号提取生命体征信息。处 理单元52从测量信号提取生物的生命体征信息。为此，优选地，使用远程 光电体积描记法。所提取的生命体征信息尤其包括生物的血氧饱和度、心 率和呼吸率中的至少一个。

在图5中的图示的实施例中，处理单元与监测设备10空间地分离。然 而，在其他实施例中，将处理单元52实际地集成到设备10中也可以是可 能的。

可以借助于人机接口将所导出的生命体征信息提供给用户或临床医 师。为此，可以在装置50中提供无线或有线接口。备选地或者额外地，生 命体征信息可以直接地被传递到数据库和/或基于因特网的存储设备。

图6示出了根据本发明的方面的装置50’的另一优选的实施例。根据该 实施例，如上文所描述的监测设备和处理单元被集成到手表54中。优选地， 根据本发明的装置可以被实现为使用绿光的腕戴式心率传感器(例如MIO Alpha、AdidasMiCoach等等)。手表54与普通手表类似并且能够每天佩戴。 在该手表5中，光源和光传感器可以尤其被集成在表的背面以面对佩戴手 表54的人员的皮肤。处理单元可以被集成在表的壳体中。

这样的手表54可以佩戴在健身和生活方式应用领域中并且也在医学应 用领域中。手表54还可以包括额外的传感器(例如运动传感器、环境传感 器等等)、用于将信息显示给用户的显示器和/或其他接口部件(听觉、触觉 等等)，并且可以基于生物的所监测的生命体征提供警报功能。

在本发明的其他实施例中，环境光取消单元、环境光调制移除单元、 处理单元、校准单元和滤波单元可以部分或完全地被包括在一个或多个微 处理器设备(例如IC、ASIC、FPGA等等)中。以硬件和/或软件实施单元 的功能性中的一些或全部功能性可以是可能的。多个单元可以被组合为一 个单元。还可能的是，在实际上与监测设备空间地分离并且借助于有线或 无线接口连接到其的一个或多个单元中执行功能中的一些功能。

在图7中，示意性图示了根据本发明的方面的方法。方法包括借助于 诸如LED的光源发射光(步骤S10)的步骤。通过诸如光电二极管的光传 感器接收发射的光(步骤S12)。该光电二极管提供输出信号，所述输出信 号然后被分离(步骤S14)为对应于环境光分量的第一信号部分和对应于测 量光分量的第二信号部分。然后，补偿(步骤S16)环境光分量的变化的效 应以生成测量信号。

本发明的实施例可以使用在针对婴儿、幼儿和成人的医学生命体征监 测的背景下(例如在医院环境中)而且在健身和生活方式应用中或甚至针 对诸如动物的其他生物。能够从测量信号提取的生命体征信息尤其对应于 人的心率、呼吸率或血氧饱和度。

除所图示的手指夹外，本发明的实施例还可以采取要附接到其他身体 部分(耳朵或耳垂、脚趾等等)的不同的其他夹子的形式或采取衬垫的形 式。本发明可以甚至是所应用的远程监测设备，其用于远程地测量从身体 部分所反射的光或透射通过身体部分的光以用于通过被称为远程光电体积 描记法(其不要求与生物的身体部分物理接触)的公知技术导出PPG信号 (例如通过使用照相机)。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样 的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不 限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利 要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例 的其他变型。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一” 或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以履行权利要求书中所记 载的若干个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措 施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提 供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机 程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信 系统分布。

权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。