專利名稱：用于測量生物信號的探測器及包括其的生物信號測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量生物信號的探測器以及一種包括該探測器的生物信號測量系統(tǒng)。
背景技術：
如同人體的新陳代謝因人而異一樣，不同個體的搏動(即，脈搏)和血壓也是不同的。另外，對于同一個受檢者身上的多個測量位置甚至同一測量位置，在不同的測量時間和受檢者的身體狀態(tài)下測量，測得的血液組成、血量、搏動強度也是不同的。因此，需要能夠提供受檢者準確生物信息的可靠的生物信號測量裝置。這樣的測量裝置可能是一種提供如光學體積描記圖(photoplethysmogram)信息的探測器。
在生物信號檢測點測量時，不應使接受生物信號測量的患者產(chǎn)生壓迫感，但應該允許從病人身體中能夠測得衰弱的生物信號。由于這些原因，生物信號通常從病人手指上測量得到。
搏動是最常測量的生物信號。到達指尖的血管的彈性、血液循環(huán)狀態(tài)、低血壓等都可以通過對指尖的搏動測量中得到。另外，動脈以及周邊的血管的病癥也可以在早期被診斷出來。
測量用于反映心臟跳動狀態(tài)、血管狀態(tài)、血液循環(huán)狀態(tài)的搏動的方法可以分成血壓測量法和光學體積描記圖法。血壓測量方法是指采用一種非侵害的傳感器來測量血管中的血壓變化。光學體積描記圖法是指利用通過受檢者身體的預定位置的光強度來測量周邊血管中的血量變化。
通常，受檢者的光學體積描記圖可以通過一個探測器在該受檢者的手指上測量得到。然而，人們并不知道受檢者的指甲是否準確地接觸到常規(guī)探測器的光源。更明確地說，光可能會輻射到皮膚的某個點上，而不是在指甲上，這樣噪音也許會包含在光學體積描記圖的結果中。雖然指甲或許可以接觸到光源，但如果指甲與光源之間接觸的壓力不足，外界光或外部環(huán)境還會產(chǎn)生噪音組分，即，如果該壓力不是處在一個正確的范圍內，會導致不可靠的診斷結果。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種用于測量生物信號的探測器，利用該探測器可使得由于外部光源產(chǎn)生的噪音和/或受檢者移動產(chǎn)生的在測得的如光學體積描記圖(PPG)波形這一生物信號的噪音減少到最小，且提高了生物信噪比以保證更為可靠的測量結果。本發(fā)明同時提供了一種包括上述探測器的生物信號測量系統(tǒng)。
依照本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種用于光學體積描記圖(PPG)測量法中的探測器，它包括光源單元，該光源單元包括接觸待測目標上的一個指定點并發(fā)光到該指定點上的光源；置于光源單元的對面的光電探測器單元，該光電探測器單元用于接收從光源單元發(fā)射出并通過待測物傳輸?shù)墓?；具有用于容納待測物空間的主體，該主體中，光源單元和光電探測器單元處于同一光軸上；以及連接在主體上用于通過光源單元向待測物施壓的施壓單元。該光源單元還可以包括發(fā)光二極管作為光源。該光電探測器單元還可以包括用于將光電探測器單元檢測到的光轉換成電信號的光電轉換器。
在本發(fā)明的一個實施例中，施壓單元可以放置成與光源單元、光電探測器單元所處的光軸對齊。該施壓單元可以包括連接在光源單元上表面的螺母，該螺母可以在垂直方向移動，并包括與該螺母連接的螺釘。該探測器還可以包括置于螺母和光源單元之間的散熱盤。該探測器還可以包括置于螺母和光源單元之間的彈性件。該探測器還可以包括置于彈性件和光源單元之間的散熱盤。
或者，施壓單元可以包括具有水平部分和垂直部分的結構，其中，當該主體中沒有待測物時該水平部分接觸該主體的上表面，而當待測物插入該主體時該水平部分在該主體的上表面上方突起，其中該結構的垂直部分以垂直方向與該結構的水平部分連接，并且該垂直部分的一端通過該主體的上水平部分中的通孔連接在光源單元上；以及彈性件，其置于該主體與該光源單元之間環(huán)繞著該結構的垂直部分，這樣就可以在該主體和該光源單元上施加彈力。
或者，施壓單元可以包括具有足夠的重量給待測物施壓的結構，該結構具有水平部分和垂直部分。其中該結構的垂直部分以垂直方向與該結構的水平部分連接，并且該垂直部分的一端通過該主體的上水平部分中的通孔連接在該光源單元上。
該探測器還可以包括電連接到該探測器上的施壓中止按鈕，以允許受檢者或是操作者通過該按鈕停止施壓單元施壓。
依照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種生物信號測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括探測器，在該探測器中，發(fā)射到待測物的預定位置上并通過該物體傳遞的光被檢測到；用于控制探測器的操作以及記錄和分析從探測器得到的信號的控制器；用于顯示探測器被測光強度的被測光強度顯示單元；連接到被測光強度顯示單元、用于顯示從受檢者測量到的生物信號的生物信號顯示單元。其中探測器包括光源單元，該光源單元包括與待測物預定位置接觸并且向該預定位置發(fā)光的光源；面向光源單元用于接收光源單元發(fā)射并經(jīng)過待測物傳遞的光的光電探測器單元；具有用于容納待測物的空間的主體，在該主體中，光源單元和光電探測器單元置于同一光軸上；以及連接在主體上用于通過光源單元向待測物施壓的施壓單元。
生物信號顯示單元可以為顯示從待測物得到的光學體積描記圖(PPG)波形的光學體積描記圖(PPG)顯示單元。該控制器最好是微處理器。這個系統(tǒng)還可以包括模擬-數(shù)字轉換器(ADC)，可編程邏輯器件(PLD)，或者用于記錄測得的PPG波形的處理器。
當使用上述本發(fā)明中的探測器和生物信號測定系統(tǒng)時，能夠使在PPG波形測量中由于受檢者移動或者是外部因素(如外部光線)所帶來的噪音減少到最小。因此，測得的PPG波形會有較高的信噪比，也更加可靠。


本發(fā)明的上述以及其它方面、特點和優(yōu)點將參考附圖，通過對具體的典型實施例的描述令本領域普通技術人員更加清晰。
圖1為本發(fā)明一個實施例中的光學體積描述圖(PPG)測量系統(tǒng)的框架圖；圖2為如圖1所示探測器的第一實施例的截面圖；圖3為如圖1所示探測器的第二實施例的截面圖；
圖4為受檢者的手指插入其中時，圖3所示探測器的截面圖；圖5為如圖1所示探測器的第三實施例的截面圖；圖6為受檢者的手指插入其中時，圖5所示探測器的截面圖；圖7為如圖1所示探測器的第四實施例的截面圖；圖8為受檢者的手指插入其中時，圖7所示探測器的截面圖；圖9到圖11為與被測光強度成比例的電壓-時間關系圖，該圖顯示在圖1所示的被測光強度顯示單元上；圖12為一個流程圖，該圖描述了圖1所示系統(tǒng)中的光源單元和光電探測器單元間距離減少的過程，以及其中測量PPG波的過程；以及圖13到圖16為在不同條件下測量并顯示在圖1所示的PPG顯示單元上的典型的光學體積描記圖。
具體實施例方式
2002年8月2日申請的名為“用于測量生物信號的探測器和帶有該探測器的生物信號測量系統(tǒng)”的韓國專利No.2002-45802在此完全引入作為參考。
以下將參考附圖所示的本發(fā)明典型實施例，對本發(fā)明作充分地說明。本發(fā)明可以不同的形式實施，但不應被解釋成僅限于這里提出的實施例。當然，這里提供實施例以將本發(fā)明徹底和完全地公開，并將發(fā)明的范圍全部轉達給本領域熟練技術人員。在附圖中，為清楚地說明，各層和區(qū)域的厚度被放大。全文中相同數(shù)字表示相同的部件。
為了得到受檢者生理狀態(tài)或血液組成的精確分析，對于受檢者的具有高性噪比的生物信號(如光學體積描記圖(PPG)波)的檢測必須優(yōu)于其他因素。例如，光學體積描記圖需要使受檢者移動產(chǎn)生的噪音(以下稱移動噪音)和各種外界環(huán)境因素如外界光產(chǎn)生的噪音(以下稱外部噪音)最小化。另外，個體差異也需加以考慮。
在本發(fā)明所示的探測器中，可以調節(jié)位于發(fā)射測量光的光源以及檢測從光源發(fā)射并通過待測物傳輸?shù)墓獾墓怆娞綔y器之間的距離以降低移動噪音、外部噪音和個體差異(如待測物厚度或硬度)的影響。本發(fā)明的探測器將在下面進行詳細描述。雖然，使用探測器檢測的生物信號已經(jīng)描述為如下所述的PPG波，但是采用本發(fā)明的探測器可以檢測其它任意的生物信號。
參考附圖1，依據(jù)本發(fā)明一個實施例的PPG測量系統(tǒng)包括具有施壓單元、光源單元和光電探測器單元的探測器10。在實施過程中，施壓單元向插入探測器的待測物施加預定大小的壓力，光源單元發(fā)射光用于PPG的測量，正對著光源單元放置的光電探測器單元檢測通過待測物傳遞的光。PPG測量系統(tǒng)還包括微處理器20，被測光強度顯示單元30，以及PPG波顯示單元40。微處理器20控制探測器10的操作并記錄分析從探測器10輸出的信號。被測光強度顯示單元30通過微處理器20連接到探測器10上，在微處理器20的控制下顯示與探測器10的光電探測器單元所探測得到的光強度成比例的電壓圖。PPG波顯示單元40連接到被測光強度顯示單元30并在微處理器20的控制下顯示由探測器10測量得到的光學體積描述圖。
與經(jīng)由一個測量位置傳輸并被光電探測器單元所被測光強度(以下稱為傳輸光強度(即，被測光強度))成比例的電壓顯示在被測光強度顯示單元30上，并且同直接從光源單元發(fā)射出來的光的強度(即，發(fā)射光強度)不同。傳輸光強度提供了位于光路上的受檢者的生物組織信息，例如，關于組織中血管的直徑信息，以及血管中的血量、血液成分等。受檢者的組織變化，例如血管直徑的變化，血量的變化，受血管內壓力變化的影響。受檢者的PPG波形可以通過測量這些變化得到。這樣，受檢測者組織中的變化和受檢者的PPG波形中的信息緊密相關。特別地，受檢測者的組織變化會導致對光(例如對近紅外光線)的吸收的變化以及傳輸光強度的變化。傳輸光強度的變化為受檢測者的PPG波形提供了信息。顯示在PPG波顯示單元40上的PPG波形是通過對傳輸光強度的分析得到的。
圖2到8描述了圖1所示的探測器10的各種實施例。
參考圖2，探測器10的第一實施例包括具有用于待測物62(例如手指)插入的空間的主體50，光源單元58，以及光電探測器單元60。主體50包括平行的上部分和下部分以及連接上部分和下部分的垂直部分。包括用于在靠近手指表皮的地方發(fā)射測量光的光源(如，發(fā)光二極管(LED))的光源單元58放置在主體50的上水平部分的預定位置。光源單元58的光源可以從主體的上水平部分朝向光電探測器單元60突出。最好將光源單元58突出到一個角度以使得待測物62(即，手指)插入探測器時能夠感知到他/她的指甲接觸到光源單元58。光電探測器單元60面向光源單元58放置于主體50的下水平部分上的預定位置。光電探測器單元60檢測從光源單元58發(fā)出并經(jīng)過待測物62傳輸?shù)墓?。光電探測器單元60包括將光電探測器單元60檢測到的光轉換成電信號的光電轉換器。光電探測器單元60和光源單元58最好放置于同一光軸上，即同軸排列。
為了檢測包含最少移動噪音和外部噪音的PPG波形，最好是使光源單元58和光電探測器單元60之間的距離最小，這樣光電探測器單元60就可以檢測具有最大交流電(AC)振幅的PPG波形。為此，當手指甲接觸到光源單元58突起的光源后，預定量但又不足以引起受檢者任何疼痛的壓力可以施加在受檢者的指甲上以減少光源單元58和光電探測器單元60之間的距離。為此，用于通過光源單元58向待測物62的指定部分施加預定量壓力的施壓單元53放置于光源單元58之上。另外，用于向外發(fā)散光源單元58引起的熱量的散熱盤56放置于施壓單元53和光源單元58之間。
施壓單元53包括螺釘52和螺母54，螺釘52和螺母54通過旋轉連接。當螺釘52轉動時，螺母54沿著連接光源單元58中心和光電探測器單元60的中心光軸垂直向下移動。可選地，螺釘52和螺母54也可以被組合成單一整體沿著光軸垂直移動。在這種情況下，當螺釘52和螺母54組合在一起沿著同一方向轉動時，螺釘54與構成主體50的內壁的攻絲部分(未示出)嚙合。施壓單元53可以由受檢者手動壓下，也可以在待測物62到達探測器的預定位置時自動嚙合。
當施壓單元53自動操作時，最好根據(jù)和施加的壓力相應的被測光強度以及光源單元58和光電探測器單元60之間距離的變化決定是否繼續(xù)施壓。由于待測物62是彈性可壓縮的，因此光源單元58和光電探測器單元60之間的距離一開始急劇下降，然后逐步變慢直至達到完全壓縮。當光源單元58和光電探測器單元60之間的距離恒定時，最好停止施壓單元53的操作并測量PPG波。然而，即使光源單元58和光電探測器單元60之間的距離達到恒定前，當顯示在被測光強度顯示單元30上的傳輸光強度達到最佳時，也可以停止施壓單元53的操作以便測量PPG波形。當施壓單元53設計成自動操作時，探測器還可以包括由微處理器20控制的用于感知由施壓單元53向待測物62施加的壓力量的壓力傳感器(未示出)，即能夠感知光源單元58和光電探測器單元60之間距離變化的傳感器。完成測量后，測得的PPG波通過模擬-數(shù)字轉換器(ADC)或可編程邏輯器件(PLD)或處理器來記錄。
當施壓單元53設計成如上所述自動操作時，很重要的設計考慮是在壓縮過程中避免傷害受檢者。為此，優(yōu)先緩慢操作施壓單元53使得在壓縮過程中待測物感受到疼痛的時候可以迅速地反應。另外，PPG測量系統(tǒng)最好配置成當壓力作用過程中受檢者在測量位置上感覺到疼痛時，可以立刻停止施壓單元53的操作。通常，由施壓單元53施加的壓力水平和相應的疼痛感覺記錄在數(shù)據(jù)庫中，使得作為系統(tǒng)控制器的微處理器20自動停止施壓單元53的操作。
對于敏感的受檢者，PPG系統(tǒng)最好還包括使受檢者或者系統(tǒng)操作員可以迅速地停止對受檢者測量位置的壓縮的裝置。這樣的裝置可以包括連接在圖2所示的探測器上的第一施壓中止按鈕，該按鈕允許受檢者在必要的時候可以按下，以及/或者設置于系統(tǒng)控制面板中的第二施壓中止按鈕，該按鈕使得系統(tǒng)操作員在必要時可以按下。當?shù)谝换虻诙褐兄拱粹o被按下時，PPG測量系統(tǒng)優(yōu)先于其它信號對由第一或第二施壓中止按鈕產(chǎn)生的信號進行處理。
便于比較，施壓單元53的第一實施例的上述描述在后續(xù)其它施壓單元53的實施例描述中將會被引用。
可以使用各種施壓單元，圖3到圖8說明其它具有不同施壓單元實施例的探測器。
圖3中描述的探測器包括處于主體70的下水平部分的光電探測器單元80和處于主體70的上水平部分與光電探測器單元80相對的施壓單元71的第二實施例。施壓單元71的第二實施例包括螺釘72，螺母74和彈性件S1。螺釘72和螺母74與圖2中的施壓單元53的第一實施例中的螺釘52和螺母54類似。彈性件S1由螺母74和光源單元78之間的彈簧實施的。如圖4所示，當待測物62插入主體70后，壓力通過光源單元78作用到待測物62預定位置，如靠近手指的肉，彈性件S1提供緩沖功能。散熱盤76位于彈性件S1和光源單元78之間。光源單元78包括光源，例如LED，位于從主體的上水平部分朝光電探測器單元80伸出的施壓單元71的下方。光源單元78和散熱盤76分別與圖2中的光源單元58和散熱盤56類似。圖3中，附圖標記d表示突起的光源與光電探測器單元80之間的距離。
圖5和6示出的探測器包括與散熱盤96的頂表面接觸的施壓單元的第三實施例，散熱盤的底表面與光源單元98接觸。施壓單元的第三實施例中，光源單元98和光電探測器單元100最好是同軸。根據(jù)本發(fā)明第三實施例的施壓單元包括具有平行于主體90的上水平部分和由主體90的上水平部分向下延伸的垂直部分的結構92。結構92中向下垂直沿伸部分的第一端與散熱盤96的頂表面連接，與第一端相反的第二端與結構92的水平部分連接。彈性件S2繞在從主體90上水平部分底部突出的結構92的垂直部分的一部分上，并位于主體90上水平部分的底部和散熱盤96之間。
主體90的上水平部分中形成通孔94，結構92的垂直部分插入其中。彈性件S2是內徑至少等于通孔94直徑的彈簧。彈性件S2的上端接觸主體90上水平部分底部的通孔94的邊緣，其下端接觸散熱盤96的頂表面，這樣彈性件S2的彈力施加到主體90的上水平部分和散熱盤96。結構92的水平部分通過彈性件S2的彈力朝光電探測器單元100移動，從而與主體90上水平部分的頂表面緊密接觸。連接在散熱盤96底部表面的光源單元98從主體90上水平部分朝光電探測器單元100方向移開。如上所述，在待測物62插入探測器主體90之前，結構92通過彈性件S2與主體92的上水平部分接觸。
如圖6所示，當待測物62插入探測器主體90時，待測物62的手指甲附近的肉與光源單元98的光源接觸，并把光源單元98朝遠離光電探測器單元100的方向頂開。結果，彈性件S2被壓縮，結構92的垂直部分的上端突出于主體90的上水平部分。彈性件S2的彈力施加到位于光源單元98和光電探測器單元100的光軸上的待測物62，因此待測物62受壓。彈性件S2的彈力確保待測物62緊密地與光源單元98的光源和光電探測器單元100接觸，從而減少移動噪音和外部噪音的產(chǎn)生。
盡管彈性件S2的壓縮力用在圖5和6的探測器中，但是彈性件S2的張力可以施加以壓縮待測物，例如把彈簧與結構92外部連接起來。
圖7和8示出了帶有第四實施例的施壓單元的探測器，在待測物插入探測器前后，該施壓單元利用重量向待測物的測量位置施壓。
參考圖7和圖8，探測器主體110的上水平部分具有通孔114，光源單元118和散熱盤116沿著通孔114上下移動。第四實施例的施壓單元112通過通孔114連接到散熱盤116上。第四實施例的施壓單元112是具有垂直部分和水平部分的結構，該垂直部分的第一端連接到散熱盤116上，而與第一端相對的第二端垂直延伸到通孔114外至主體110的上水平部分之上；水平部分與垂直部分的第二端連接，水平部分與主體110的上水平部分平行。第四實施例的施壓單元112和圖5、6中的結構92相似。施壓單元112的水平部分作為放置具有預定重量的重量元件122的平臺。如圖7所示，在重量元件122放置到主體110的上水平部分上之前，光源單元118并不從主體110向光電探測器單元120突起。然而，當待測物62插入探測器主體110的預定位置并且重量元件122置于第四實施例的施壓單元112的水平部分時，光源單元118朝著光電探測器單元120與重量元件122的重量成比例地突起。如果光源單元118沒有到達待測物62的測量位置，另加的第二重量元件(未示出)置于施壓單元112的水平部分上，進一步使光源單元118向光電探測器單元120突起。如果施加到接觸光源單元118的光源的待測物62的壓力不夠，則可以進一步將第三重量元件(未示出)放置在第二重量元件上。最好選用具有適合重量的第三重量元件時，考慮需要給待測物62施加的壓力。
現(xiàn)在參考圖9到圖11說明探針檢測的并且在圖1的被測光強度顯示單元30上顯示的光強度。在下面的說明中，假定插入探測器中的待測物是手指。圖9到11是采用五種發(fā)射不同波長光的光源(如LED)測量的與被測光強度成比例的電壓-時間的曲線圖。
圖9是在手指插入探測器前，與被測光強度成比例的電壓-時間的曲線圖。圖10是在手指插入探測器預定位置之后但壓力施加到手指上之前，與被測光強度成比例的電壓-時間的曲線圖。圖11是在壓力施加到插入探測器預定位置的手指之后，與被測光強度成比例的電壓-時間的曲線圖。
圖9到圖11中，X軸上的時間t1，t3，t5，t7和t9表示五個光源打開狀態(tài)下等長時間段。而時間t2，t4，t6，t8和t10表示相應的五個光源關閉狀態(tài)下等長的時間段。附圖標記G1，G2，G3，G4和G5表示來自于相應五個光源的發(fā)射光強度。
參考圖9，在手指插入探測器之前，被測光具有飽和的AC水平，以區(qū)域“A”表示。然而，如圖10所示，在手指插入探測器之后而未向手指施壓之前，被測光的AC水平落至對所用光的所有波長都具有固定水平的基線上。如圖11所示，當壓力施加到插入探測器中的手指上后，AC水平上升到高于圖10所示情況下的水平。結果表明，隨著光源單元和光電探測器單元間的距離減小，AC水平接近圖9的飽和水平。
比較圖10和11的曲線，很顯然，當預定量壓力施加到插入探測器中的手指上的給定位置并且光源單元和光電探測器單元之間的距離減小時，由手指移動產(chǎn)生的移動噪音和由外部因素(如外部光)產(chǎn)生的外部噪音減少。另外，由于被測光強度包括從手指得到的PPG波信息，圖11所示的結果還表明PPG波的AC水平增加，使得被測的PPG波具有較高的信噪比。
現(xiàn)在描述當壓力施加到插入探針的手指上時，在不引起受檢者疼痛的情況下，使光源單元和光電探測器單元之間的距離最小的過程。
參考圖12，步驟130中，手指插入探測器的預定位置。然后，步驟140中，利用探測器的施壓單元，將預定量壓力慢慢施加到插入的手指的測量位置。在此，手指的最好的測量位置是指甲周圍的肉。之所以建議該位置是因為同人體其它位置相比，指甲周圍的肉具有最少的骨頭和毛細血管。相應地，動脈血可以容易精確地從指甲周圍的肉上觀察到。步驟140中，為了更精確測量PPG波，給手指甲周圍的肉施壓是必要的。
步驟150中，向手指施壓時，圖9到圖11中所示的被測光強度通過被測光強度顯示單元得到監(jiān)控，以確定被測光強度是否達到指定水平。步驟150中，如果被測光強度已經(jīng)達到指定水平，此時光源盡可能地接近光電檢測單元而不傷害受檢者。步驟160中，停止對手指的施壓?？蛇x地，如果被測光強度還沒有達到該指定水平，則只要受檢者不感到疼痛，就可以增加施加在手指上的壓力。
如上所述，考慮到受檢者狀態(tài)和顯示于被測光顯示單元上的被測光強度，最好使光源單元與光電探測器單元之間的距離最小。
如果在步驟140和150中，檢測到由受檢者按下信號按鈕引起并經(jīng)探測器傳遞的施壓中止信號，該施壓中止信號將優(yōu)先于所有其它信號得到處理。如果受檢者突然中止對手指施加壓力，例如，由于受檢者感覺疼痛，過程回到初始步驟。步驟160中，被測光強度到達指定水平后，停止對手指施壓。步驟170中，讀取PPG波形。
通過對圖1的被測光強度顯示單元30顯示的光強度的分析來讀取PPG波。所顯示的光強度表明由光源單元向插入在光源單元和光電探測器單元間的手指發(fā)射的光和手指內部組成部分(如，血管和血液)之間的交互作用得到的光強度變化。光強度包括在入射到手指上的光線和手指內部組成部分之間相互交互的多種不同類型信息。手指血管粗細和血量引起PPG波峰和PPG波谷的變化。由于PPG波是周期性的，變化也是周期性的。相應地，通過手指傳輸?shù)墓獾膹姸纫哺鶕?jù)手指內部組成部分的狀態(tài)周期性變化。因此，PPG波形可以通過分析被測光強度而得到。
PPG波通過自動的程序在微處理器20的控制下讀取得到并顯示在PPG波顯示單元40上。
圖13到16為在不同情況下測量得到的光學體積描述圖。特別地，圖13為當手指插入到探測器，而光源單元保持在沒有向手指移動的狀態(tài)時測量得到的第一PPG波形B。圖14示出當光源單元向手指甲附近肉移動但沒有接觸時狀態(tài)下測量得到的第二PPG波形C。
對比圖13和圖14，圖13的第一PPG波形B中出現(xiàn)了比圖14中第二PPG波形C頻率更高的噪音。另外，第二PPG波形C中的臺肩C1比第一PPG波形B的臺肩B1更清楚和更尖銳。
從圖13和圖14的比較可見，與光源單元保持遠離手指相比，當光源單元向手指延伸時可以更準確地讀出更大幅值的PPG波形。
圖15為當手指插入探測器內，光源單元移動到剛剛接觸到手指附近的肉時狀態(tài)下測量的第三PPG波形D。圖16為當預定量壓力施加到手指附近的肉，進一步減少光源與光電探測器單元之間距離時的狀態(tài)下測量的第四PPG波形E。
比較圖15和圖16，圖16的第四PPG波形E中示出比圖15的第三PPG波形D中較低頻率的噪音。另外，第四PPG波形E中的臺肩E1要比第三PPG波形D中的臺肩D1更清晰和銳化。
即使光源單元和光電探測器單元之間的距離恒定，不同受檢者的PPG波形根據(jù)測量位置的厚度和硬度而不同。相應地，如上所述，當測量PPG波形時最好考慮個體差異。如果不考慮這種個體差異，可能會產(chǎn)生由于測量誤差引起的噪音。
被測光的AC水平包括待測物(如手指)的厚度和硬度信息。相應地，個體差異可以通過顯示在被測光強顯示單元30的與光強成比例的AC水平讀出。厚而硬的待測物比薄而柔軟的待測物被測光的AC水平低。
個體差異可以這樣減小當光源保持在初始位置狀態(tài)下，測量通過手指傳遞的光的初始AC水平，然后調整施加至手指的壓力大小，以將光強從初始AC水平減少了預定的百分比。另外，預定的百分比應該在不應通過施壓弄疼手指和引起動脈血管循環(huán)異常的范圍內調節(jié)。這樣，對于每個受檢者，根據(jù)測量位置的厚度和硬度不同而范圍不同。
如上所述，安裝在PPG波形測量系統(tǒng)中的根據(jù)本發(fā)明的探測器包括光源，該光源伸出靠近插入探測器的手指，以允許光準確地發(fā)射到指甲附近的肉上而與手指的尺寸、形狀無關。相應地，測量誤差引起的噪音可以在PPG波被測到之前去除。另外，根據(jù)本發(fā)明的探測器的光源被推，以擠壓受檢者的預定測量位置，并盡可能接近光電探測器單元，由此使形成的PPG波中因受檢者移動產(chǎn)生的噪音最小。
此外，當使用包括本發(fā)明的探測器的PPG波測量系統(tǒng)時，能夠增大PPG波的信噪比。相應地，對PPG波的測量更準確，個體測量誤差也最小。具有最小噪音的PPG波可以利用施壓單元和被測光強度顯示單元更容易讀取到。當根據(jù)本發(fā)明的探測器應用于配備有光源用于非侵害性血液成分測量的指型探測器時，用于血液成分分析的理想PPG波形可以使用施壓單元得到。與不同手指厚度相應地最佳壓力水平可以存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便精確地對各個手指進行血液成分分析。
上述本發(fā)明的典型實施例只是用于解釋的目的而不是用于限定本發(fā)明的適用范圍。相應地，本領域的普通技術人員可以理解雖然上述探測器設計成只對手指周圍的肉施用壓力，本發(fā)明可選的探測器可以具有對插入探測器內的手指的上部分和下部分施壓的結構。另外，本發(fā)明的另一種可選的探測器可以具有遮蓋探測器主體的蓋帽，不具有手指插入孔以阻擋外部噪聲。本發(fā)明的可選的生物信號測量系統(tǒng)可以包括單個顯示單元，用于顯示光電探測器檢測到的光強度和PPG波。因而，本領域的技術人員可以理解，在不脫離如下述權利要求書所述的本發(fā)明的思想和范圍的前提下，可以進行各種形式和細節(jié)上的變化。
權利要求
1.一種用于光學體積描記圖測量中的探測器，包括光源單元，其包括與待測物的預定位置接觸并向該預定位置發(fā)射光的光源；光電探測器單元，其面向該光源單元設置，以接收從光源單元發(fā)射并通過該待測物傳送的光；主體，其具有用于容納待測物的空間，在該主體中，該光源單元和該光電探測器單元位于同一光軸上；以及施壓單元，其耦合到主體上用于通過該光源單元向待測物施壓。
2.如權利要求1所述的探測器，其中光源單元包括作為光源的發(fā)光二極管。
3.如權利要求1所述的探測器，其中光電探測器單元包括用于將光電探測器單元檢測到的光轉換成電信號的光電轉換器。
4.如權利要求1所述的探測器，其中施壓單元放置成和光源單元、光電探測器單元在同一光軸上。
5.如權利要求1所述的探測器，其中施壓單元包括螺母，其連接在該光源單元的上表面，在垂直方向移動；以及與該螺母耦合的螺釘。
6.如權利要求5所述的探測器，還包括該螺母和該光源單元之間的散熱盤。
7.如權利要求5所述的探測器，還包括該螺母和該光源單元之間的彈性件。
8.如權利要求7所述的探測器，還包括該彈性件和該光源單元之間的散熱盤。
9.如權利要求1所述的探測器，其中施壓單元包括具有水平部分和垂直部分的結構，其中，當主體中沒有待測物時該水平部分接觸主體的上表面，而當待測物插入主體時該水平部分突出于主體的上表面之上，并且其中該結構的垂直部分以垂直的方向與該結構的水平部分連接，并且該垂直部分的一端通過該主體的上水平部分中的通孔連接在光源上；以及彈性件，其在主體與光源單元之間圍繞結構的垂直部分，使得彈力施加在主體和光源單元上。
10.如權利要求9所述的探測器，其中彈性件是內徑至少等于通過主體的上水平部分延伸的通孔的直徑的彈簧。
11.如權利要求9所述的探測器，還包括該結構的垂直部分和該光源單元之間的散熱盤。
12.如權利要求1所述的探測器，其中施壓單元包括具有足夠的重量給待測物施壓的結構，該結構具有水平部分和垂直部分，其中該結構的垂直部分以垂直方向與該結構的水平部分連接，并且該垂直部分的一端通過該主體的上水平部分中的通孔連接在該光源單元上。
13.如權利要求12所述的探測器，還包括重量元件，其置于該結構的水平部分上，以增加通過光源單元施加給待測物的壓力量。
14.如權利要求12所述的探測器，還包括該結構的垂直部分和該光源單元之間的散熱盤。
15.如權利要求13所述的探測器，還包括該結構的垂直部分和該光源單元之間的散熱盤。
16.如權利要求1所述的探測器，還包括施壓中止按鈕，其電連接到該探測器上，以允許受檢者或操作者停止由施壓單元施壓。
17.一種生物信號測定系統(tǒng)，包括探測器，其中，光發(fā)射到待測物的預定位置上并檢測通過該待測物傳遞的光；控制器，其控制該探測器的操作以及記錄和分析從該探測器輸出的信號；被測光強度顯示單元，其顯示該探測器檢測到的光的強度；和生物信號顯示單元，其連接到被測光強度顯示單元，以顯示從待測物測量到的生物信號；其中探測器包括光源單元，其包括與待測物預定位置接觸并且向該預定位置發(fā)光的光源；光電探測器單元，其面向該光源單元設置用于接收光源單元發(fā)射并通過待測物傳遞的光；主體，其具有容納待測物的空間，在該主體中，該光源單元和該光電探測器單元位于同一光軸上；以及施壓單元，其耦合在該主體上用于通過該光源單元向待測物施壓。
18.如權利要求17所述的生物信號測定系統(tǒng)，其中施壓單元放置成和光源單元、光電探測器單元在同一光軸上。
19.如權利要求17所述的生物信號測定系統(tǒng)，其中施壓單元包括螺母，其連接在該光源單元上表面，以在垂直方向移動；以及與該螺母耦合的螺釘。
20.如權利要求19所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括該螺母和該光源單元之間的散熱盤。
21.如權利要求19所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括該螺母和該光源單元之間的彈性件。
22.如權利要求21所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括該彈性件和該光源單元之間的散熱盤。
23.如權利要求17所述的生物信號測定系統(tǒng)，其中施壓單元包括具有水平部分和垂直部分的結構，其中，當主體中沒有待測物時該水平部分接觸主體的上表面，而當待測物插入主體時該水平部分突出于主體的上表面之上，并且其中該結構的垂直部分以垂直的方向與該結構的水平部分連接，并且該垂直部分的一端通過該主體的上水平部分中的通孔連接在光源上；以及彈性件，其在主體與光源單元之間圍繞結構的垂直部分，使得彈力施加在主體和光源單元上。
24.如權利要求23所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括該結構的垂直部分和該光源單元之間的散熱盤。
25.如權利要求17所述的生物信號測定系統(tǒng)，其中施壓單元包括具有足夠的重量給待測物施壓的結構，該結構具有水平部分和垂直部分，其中該結構的垂直部分以垂直方向與該結構的水平部分連接，并且該垂直部分的一端通過該主體的上水平部分中的通孔連接在該光源單元上。
26.如權利要求25所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括重量元件，其置于該結構的水平部分上，以增加通過光源單元施加給待測物的壓力量。
27.如權利要求25所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括該結構的垂直部分和該光源單元之間的散熱盤。
28.如權利要求26所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括該結構的垂直部分和該光源單元之間的散熱盤。
29.如權利要求17所述的生物信號測定系統(tǒng)，其中生物信號顯示單元為顯示來自于待測物的光學體積描記圖波形的光學體積描記圖顯示單元。
30.如權利要求17所述的生物信號測定系統(tǒng)，其中控制器為微處理器。
31.如權利要求29所述的生物信號測定系統(tǒng)，還包括選自于下面組中的裝置該裝置為模擬-數(shù)字轉換器、可編程邏輯器件或用于記錄測得的PPG波的處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量生物信號的探測器及包括其的生物信號測量系統(tǒng)。該探測器包括光源單元，其包括與待測物的預定位置接觸并向該預定位置發(fā)射光的光源；光電探測器單元，其面向該光源單元設置，以接收從光源單元發(fā)射并通過該待測物傳送的光；主體，其具有用于容納待測物的空間，在該主體中，該光源單元和該光電探測器單元位于同一光軸上；以及施壓單元，其耦合到主體上用于通過該光源單元向待測物施壓。生物信號測量系統(tǒng)包括上述探測器；控制探測器的操作并記錄和分析探測器輸出信號的控制器；顯示被測光的強度的被測光強度顯示單元；和生物信號顯示單元。
文檔編號A61B5/022GK1486674SQ03155660
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月4日 優(yōu)先權日2002年8月2日
發(fā)明者呂炯錫, 金泓植, 尹吉源 申請人:三星電子株式會社