生命体征传感器和测量用户的生命体征的方法

摘要

PPG传感器发射在至少三个波长(Y

说明书

技术领域

本发明涉及生命体征传感器以及测量用户的生命体征的方法。

背景技术

众所周知，光学心率传感器可以监测或检测如用户的心率的生命体征。这样的心率传感器能够基于光体积描记(PPG)传感器，并且能够用于采集体积器官测量结果。借助于光学脉动传感器或脉搏血氧计来检测人体皮肤的光吸收的变化，并且能够基于这些测量结果来确定用户的心率或其他生命体征。PPG传感器包括像发光二极管(LED)的光源，所述光源将光发射到用户的皮肤中。所发射的光线被散射在皮肤中，并且至少部分被血液吸收。部分光线离开皮肤并且能够被光电检测器捕获。由光电检测器捕获的光量能够是对用户皮肤内部的血量的指示。因此，PPG传感器能够通过在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血液的灌注。如果由于脉动的心脏而使血量变化，则从用户的皮肤返回的散射光也在变化。因此，通过借助于光电检测器监测检测到的光信号，能够确定用户皮肤中的脉动并由此确定心率。此外，当使用至少两种颜色时，能够确定血液中的如氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的化合物以及血氧饱和度。

能够通过测量人体组织的血量变化的光体积描记PPG来检测心搏的脉动信号。在PPG传感器中，例如在520nm(绿色)与850nm(红外)之间的波长处的发光二极管用于将光发射到用户的皮肤上。利用在650-850nm波长范围处的光执行透射型PPG测量，而利用在520-570nm处的光执行反射型PPG感测。

光被散射在用户的皮肤上，并且一些光被血液吸收。反射光离开皮肤，并且能够被光电二极管检测到。光电二极管的输出信号因此能够是对血量以及血量变化的指示，即，对用户皮肤中的脉动的指示。

图1示出了指示根据现有技术的在没有移动的情况下PPG传感器的输出信号的曲线图。在该曲线图中，心率信号或脉动信号清晰可辨。

但是，在移动的情况下，PPG传感器的输出信号可能会失真。

图2示出了根据现有技术的在没有运动和存在运动的情况下PPG传感器的输出信号。在图2中，描绘出随时间的PPG传感器的输出电压V。在区域A1以及区域A3中，不存在运动。然而，在区域A2存在运动。在区域A2中能够看出，由于运动的影响而难以确定脉动信号。区域A2中的大部分伪影是由于用户的静脉中的血液导致的，这是因为静脉中的血压较小。

US 7727159B2公开了一种具有运动伪影校正能力的PPG传感器。

发明内容

本发明的目的是通过消除生命体征传感器的输出信号中的运动伪影来提供具有增大的信噪比的生命体征传感器。

根据本发明的一个方面，提供了一种测量或确定用户的生命体征的光学生命体征传感器。所述光学生命体征传感器能够是光体积描记传感器(PPG)。光源被配置为生成指向用户的皮肤的至少三个波长。所述传感器还包括光电检测器单元，所述光电检测器单元被配置为检测在所述至少三个波长处的光的强度，其中，所述光指示在所述用户的所述皮肤中或者从所述用户的所述皮肤发射的光的反射。所述传感器还包括运动校正单元，所述运动校正单元被配置为通过从在第一波长处检测到的光强度与在第三波长处检测到的光强度的平均结果中减去在第二波长处检测到的光强度而根据由所述光电检测器检测到的光强度来校正运动伪影。所述第一波长、所述第二波长和所述第三波长被大致布置在550nm附近。所述第二波长被布置在所述第一波长与所述第二波长之间的等距离的位置或波长处。作为范例，所述第一波长是530nm，所述第二波长是550nm，并且所述第三波长是570nm。

根据本发明的一个方面，所述第二波长对应于所述第一波长与所述第三波长之和除以2。如果相应地选择所述第一波长、所述第二波长和所述第三波长，则这得到容易和有效的运动伪影校正。

根据本发明的另外的方面，所述第二波长大致对应于550nm。相应地，所述第一波长可以是530nm，而所述第三波长是570nm。替代地，所述第一波长可以是540nm，而所述第三波长能够是560nm。

根据本发明的另外的方面，提供了一种利用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是PPG传感器。生成指向用户的皮肤的并且在至少三个波长处的光。检测在所述至少三个波长处的光的强度，所述光指示在所述用户的所述皮肤中或从所述用户的所述皮肤发射的光的反射。通过从在第一波长处检测到的光强度与在所述第三波长处检测到的光强度的平均结果中减去在第二波长处检测到的光强度而根据检测到的光来校正运动伪影。所述第一波长、所述第二波长和所述第三波长被大致布置在550nm附近。所述第二波长被等距地布置在所述第一波长与所述第三波长之间。

根据本发明的另外的方面，提供了一种用于在如上所述的光学生命体征传感器中的监测用户的心率的计算机程序。所述计算机程序包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当所述计算机程序在控制所述光学生命体征传感器的计算机上运行时或当所述计算机程序在所述光学生命体征传感器上运行时使得所述光学生命体征传感器执行测量或确定用户的生命体征的方法的步骤。

根据本发明的一个方面，所述生命体征传感器包括基于LED的PPG传感器。LED光穿透用户的皮肤、被反射并且其中一些光能够到达光电检测器。所述光电检测器的输出能够用于监测血量分数和如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的血液化合物。具体地，来自LED光源的光的吸收量或反射量能够用于确定心率以及血量分数或血液化合物。心率与血量分数有关。此外，根据本发明的PPG传感器因此是允许对用户的生命体征的无创测量的光学传感器。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量或检测用户的心率的PPG传感器。所述PPG传感器包括诸如LED的至少一个光源以及诸如光电二极管的至少一个光电检测器。处理由所述光电二极管接收的信号以确定用户的心率。为了校正因用户在佩戴PPG传感器时运动而生成的任何运动伪影，由PPG传感器发射彼此等距并且被布置在550nm附近的三个不同波长处的光。为了从光电检测器的输出信号中去除运动伪影，从光电检测器在第一波长和第三波长处的平均输出信号中减去光电检测器在第二波长处的输出信号。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或上述实施例或各方面与各自的独立权利要求的组合。

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。

附图说明

在以下图中：

图1示出了根据现有技术的PPG传感器的输出信号的曲线图，

图2示出了根据现有技术的PPG传感器的输出信号，

图3示出了根据本发明的一个方面的生命体征传感器的操作原理的基本表示，

图4示出了根据本发明的一个方面的指示从用户的皮肤反射的光的强度的曲线图，

图5示出了指示输出信号的幅度与来自PPG传感器的光的波长的相关性的曲线图，

图6示出了指示由血液反射的光的光谱以及由用户的肌腱反射的光的光谱的曲线图，

图7示出了根据本发明的一个方面的光学生命体征传感器的框图，并且

图8示出了根据本发明的一个方面的没有运动校正和具有运动校正的PPG传感器的输出信号的曲线图。

具体实施方式

图3示出了生命体征传感器的操作原理的基本表示。在图3中，具有其接触表面101的心率传感器100被布置或被放置在例如用户的手臂上。生命体征传感器能够基于光体积描记PPG传感器。接触表面101能够被直接放置在用户的皮肤1000上。心率传感器100包括至少一个光源110和至少一个光电检测器120。光源110发射光例如经由接触表面101到用户的皮肤1000上或中。一些光被反射，并且反射光能够被光电检测器120检测到。一些光能够被传输通过用户的组织并且被光电检测器120检测到。基于反射光，能够确定诸如心率的用户的生命体征。运动校正单元130被配置为根据至少一个光电检测器120的输出来校正运动伪影，以提高信噪比并确定用户的心率或其他生命体征。

PPG传感器的输出信号给出对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能够取决于血流速率、皮肤形态和皮肤温度。另外，PPG传感器中的光学损耗也可能对PPG传感器的输出信号的质量产生影响。PPG传感器的光学效率能够取决于光从一种介质穿透进入另一种介质时的反射损耗。此外，用户的皮肤表面处的光的散射也可能对PPG传感器的光学效率产生影响。

根据本发明的一个方面的PPG传感器或光学生命体征传感器能够被实施为手腕设备(如手表或智能手表)。光学生命体征传感器还能够被实施为佩戴在用户耳朵后面的设备，例如，像助听器一样。

任选地，根据本发明的PPG传感器也能够被实施为无创传感器、非接触式传感器或无接触式传感器。这样的无接触式传感器能够包括至少两个(非接触的)光纤(一条光纤作为发射器或光源，一条光纤作为接收器)，并且能够用于检测用户的生命体征。

图4示出了根据本发明的一个方面的指示从用户的皮肤反射的光的强度的曲线图。在图4中，在波长W(nm)上描绘了从用户的皮肤1000反射的光I的光谱。然而，由于血液的脉动以及用户的移动或PPG传感器与用户的相对移动，反射光的幅度可能会改变。

图5示出了指示输出信号的幅度PA与来自PPG传感器的光的波长W(nm)的相关性的曲线图。在图5中，在该波长上描绘了由运动PPG2引起的反射光的幅度以及由脉动PPG1引起的反射光的幅度。

从图5中能够看出，脉动的幅度在550nm附近的波长处特别高且不同。

图6示出了指示由血液反射的光的光谱以及由用户的肌腱反射的光的光谱的曲线图。在图6中，上面的曲线示出了由用户的血液反射的光I的光谱的相关性。下面的曲线示出由用户的肌腱反射的光I的光谱。虽然由血液反射的光具有两个不同的峰值，但是由肌腱反射的光线随着波长W(nm)的增大而大致线性地下降。

图7示出了根据本发明的一个方面的光学生命体征传感器的框图。光学生命体征传感器100可以包括接触表面101，所述接触表面101能够被放置为与用户的皮肤1000直接接触。光学生命体征传感器包括能够具有三个发光二极管111-113的光单元110。这三个发光二极管111-113可以发射三个不同波长处的光111a、112a、113a。替代地，光单元110还可以包括一个可调谐的发光二极管，其能够发射三个不同波长处的光111a、112a、113a。

光学生命体征传感器100还包括能够检测反射光121a-123c的光电检测器单元120。光单元110能够发射三个波长处的光111a-113a。光电检测器120可以包括能够检测三个不同波长处的反射光121a-123b的三个不同的光电二极管121-123。光电检测器120的输出被转发到正在对输出信号执行运动校正的运动校正单元130。运动校正130用于从光电检测器的输出信号中去除运动伪影。

三种不同波长可以是Y₁、Y₂和Y₃。这三个波长Y₁-Y₃被布置在550nm附近的峰值中的一个上。根据本发明的一个方面，光电检测器的输出信号是由来自用户的血液的反射光B以及来自肌腱的反射光T引起的光电检测器的输出信号的总和。因此，输出信号Y_bt能够是Y_b+Y_t，其中，索引“b”对应于血液，而索引“t”对应于肌腱。如果将该公式应用于三点，其结果如下：

Y_1bt＝Y_1b+Y_1t(1)

Y_2bt＝Y_2b+Y_2t(2)

Y_3bt＝Y_3b+Y_3t(3)

从图6中可以推导出，三点的坐标可以是一个等差级数的成员，使得：

根据本发明的一个方面，中间波长处于第一波长与第三波长之间的等距位置，使得：

根据本发明的一个方面，运动校正能够基于以下公式：

如果将公式1至4代入上面的公式中，可以看出，肌腱的影响被去除，这得到：

由于Y_1b和Y_3b几乎相互对应，因此公式如下：

Y＝Y_1b-Y_2b(8)

因此，如果使用该公式，则能够去除肌腱的影响，使得仅确定由于血液变化引起的反射光。

作为范例，第一波长Y₁是530nm，第二波长Y₂是550nm，第三波长Y₃是570nm。只要第二波长与第一波长和第三波长等距，其他波长也是可能的。换句话说，第二波长被布置在第一波长与第三波长的中间。

图8示出了根据本发明的一个方面的没有运动校正和具有运动校正的PPG传感器的输出信号的曲线图。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或设备可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。