人身穿戴式多光學(xué)傳感器心率測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人身穿戴式心率傳感器，特別是涉及一種基于光電容積描記法的 傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在相關(guān)技術(shù)被討論之前，它可能有助于闡明下文將使用的某些術(shù)語(yǔ)的定義。
[0003] 本文中使用的術(shù)語(yǔ)「光源」指的是可能包括任何可以發(fā)出期望強(qiáng)度及波長(zhǎng)的光線 的組件，例如一發(fā)光二極管(LED)，以及術(shù)語(yǔ)光檢測(cè)器指的是可能包括任何能夠檢測(cè)和測(cè)量 所述物光源所發(fā)出的光線的組件，例如發(fā)光二極管或光敏三極管。通常情況下，光源的期望 波長(zhǎng)為350-1100納米的范圍內(nèi)。
[0004] 本文中使用的術(shù)語(yǔ)「光電容積描記法」或「PPG」被定義為通過(guò)利用器官組織的透射 光的痕跡來(lái)分析器官的生理參數(shù)。
[0005] 本文中使用的術(shù)語(yǔ)「反射光電容積」或「反射PPG」被定義為基于測(cè)量穿過(guò)組織并作 為光源反射回組織的相同側(cè)的光強(qiáng)度。
[0006] 光電容積在現(xiàn)有的本領(lǐng)域中使用于測(cè)量心率。心率可藉由分析在透射PPG的透射 光或反射PPG的反射光來(lái)偵測(cè)。在組織中的血液量變化會(huì)改變光的吸收、反射或散射，所以 所測(cè)量的反射光或透射光會(huì)隨心臟循環(huán)而變化。因此，心臟速率可以從測(cè)得的反射或透射 光通過(guò)信號(hào)分析來(lái)導(dǎo)出。
[0007] 光在生物組織中的穿透深度通常會(huì)受到限制。因此，透射PPG通常被設(shè)計(jì)在人體的 相對(duì)薄的部分，如指尖或耳垂來(lái)操作。這個(gè)缺點(diǎn)限制了透射PPG對(duì)心率的活動(dòng)測(cè)量的應(yīng)用。 反射PPG的量測(cè)則不受此限，理論上可以在身體任何部分的皮膚表面進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例中，解決了 PPG傳感器的作動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致不希望的噪聲和不準(zhǔn)確 的心臟速率測(cè)量而影響靈敏度的問(wèn)題。本發(fā)明的實(shí)施例提供一種多感應(yīng)方式，并結(jié)合驗(yàn)證 流程，考慮到輸入信號(hào)的比率而提供了更強(qiáng)大的PPG傳感器，用以于心臟速率測(cè)量目的中相 較于當(dāng)前基于PPG傳感器更為可用。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例，一加速度計(jì)可以在此被進(jìn)一步用于增加質(zhì)量和所述心率 測(cè)量裝置的心率測(cè)量正確性。所述加速度計(jì)的運(yùn)用有利于至少下列三個(gè)方式：測(cè)量人活動(dòng) 程度的穿戴感測(cè)裝置、檢測(cè)所述活動(dòng)的一變化率以及獲得穿戴所述心率測(cè)量裝置的人的傳 遞函數(shù)。然后，一處理器可以使用由所述加速度計(jì)所收集的數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地校正光學(xué)測(cè)量。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例，一種基于光電容積描記法用以量測(cè)心率的傳感器被提 供，所述傳感器利用兩個(gè)或兩個(gè)以上的光源和兩個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器，其中一處理器用以分 析交叉量測(cè)以及不同光線之間的比率和對(duì)應(yīng)的反射。更精確地說(shuō)，所述傳感器可能包括一 第一光源與一第二光源，用以分別通過(guò)一第一光線與一第二光線照明一身體組織；以及一 第一光檢測(cè)器與一第二光檢測(cè)器，各用以檢測(cè)光線，所述光線包括通過(guò)所述身體組織傳送 的部分第一光線與部分第二光線；以及一處理器，具有一模擬測(cè)量單元，并用以接收下列讀 數(shù)，包括：由兩個(gè)傳感器感測(cè)到的和來(lái)自兩個(gè)光源的光強(qiáng)度的任意組合；以及基于由兩種光 源中的每一個(gè)所發(fā)送和由兩個(gè)檢測(cè)器中的每一個(gè)所測(cè)量的光的部分的比率計(jì)算一組織吸 收測(cè)量值。
[0011] 這些附加及/或其他本發(fā)明的方面及/或優(yōu)點(diǎn)將闡述于后述的詳細(xì)描述中。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 為了讓本發(fā)明能更明顯易懂，并為了闡述其如何實(shí)現(xiàn)，純粹以例示的方式呈現(xiàn)下 文的詳細(xì)說(shuō)明，附圖中類似的標(biāo)號(hào)表示相應(yīng)的組件或部分。在附圖中：
[0013] 圖1為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例的心率傳感裝置示意圖；
[0014] 圖2為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中一系統(tǒng)用以接收、處理并呈現(xiàn)至一使用者基于所 述心率傳感裝置所收到信號(hào)的心率讀數(shù)的方塊示意圖；
[0015] 圖3A及圖3B為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中一附件單元用以將所述傳感裝置貼附于 一被測(cè)組織的各別局部截面示意圖及局部等距視圖；
[0016] 圖4為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中包括所述心率傳感裝置及處理單元的頭盔系統(tǒng) 示意圖；
[0017] 圖5為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中一太陽(yáng)鏡系統(tǒng)用以提供所述心率傳感裝置、信號(hào) 處理及數(shù)據(jù)顯示管理單元的示意圖；
[0018] 圖6為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中一游泳鏡系統(tǒng)用以提供所述心率傳感裝置、信號(hào) 處理及數(shù)據(jù)顯示管理單元的示意圖；
[0019] 圖7為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中一心率量測(cè)與顯示系統(tǒng)的示意圖；以及
[0020] 圖8為根據(jù)本發(fā)明部分實(shí)施例中一心率量測(cè)與顯示系統(tǒng)的示意圖。
[0021] 具體的細(xì)節(jié)將于【具體實(shí)施方式】中被闡述以便提供本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的徹 底理解本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 參考【具體實(shí)施方式】并配合附圖，要強(qiáng)調(diào)的是所示的細(xì)節(jié)為例示目的，且僅僅是為 了探討本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并且提供被認(rèn)為是呈現(xiàn)本發(fā)明的原理和概念方面上最有用和 容易理解的描述。在此方面，沒(méi)有試圖更詳細(xì)地顯示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而是就本發(fā)明必要 的基本架構(gòu)進(jìn)行敘述。本發(fā)明由附圖中所示和說(shuō)明書中幾種形式的【具體實(shí)施方式】所描述的 內(nèi)容使本領(lǐng)域技術(shù)人員體現(xiàn)本發(fā)明。
[0023] 詳細(xì)解釋本發(fā)明實(shí)施方式之前，需要理解的是本發(fā)明實(shí)施方式及及附圖中詳細(xì)的 組件配置及建構(gòu)并非用以限制本發(fā)明。本發(fā)明能以不同的實(shí)施方式在細(xì)節(jié)上加以變化。并 且，本發(fā)明提供的各實(shí)施方式及附圖不應(yīng)被理解為限制本發(fā)明。
[0024]心率量測(cè)裝置使用在反射PPG已是現(xiàn)有技術(shù)。一現(xiàn)有技術(shù)中使用反射PPG的量測(cè)裝 置通常以光線由一光源通過(guò)活體組織的皮膚的光強(qiáng)度量測(cè)為基礎(chǔ)。現(xiàn)有的裝置無(wú)法呈現(xiàn)多 個(gè)光源結(jié)合多個(gè)傳感器用以量測(cè)心率的組成結(jié)構(gòu)。
[0025]僅使用一個(gè)光源和只有一個(gè)光檢測(cè)器的嚴(yán)重缺點(diǎn)是由待測(cè)組織與量測(cè)裝置監(jiān)的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)使人工制品產(chǎn)生的高敏感度。由光源傳送的光強(qiáng)度Iph在通過(guò)一被測(cè)的材料/組織 后由光檢測(cè)器接收，可以通過(guò)式（1)定義如下：
[0026]
(!)
[0027]其中，
[0028] ILED為光源強(qiáng)度；
[0029] KLEDept為被測(cè)材料/組織的光源光學(xué)耦合系數(shù)，它決定來(lái)自光源的光進(jìn)入材料/組 織后的強(qiáng)度衰減量；
[0030] KPHepl為光檢測(cè)器的光源光學(xué)耦合系數(shù)，它決定來(lái)自光源的光進(jìn)入光檢測(cè)器后的強(qiáng) 度衰減量；
[0031] KskinL(t)為在一被測(cè)組織中，如皮膚，光線通過(guò)距離L的吸收值；
[0032] L為所述光源至所述光檢測(cè)器的距離；
[0033] t為時(shí)間。
[0034] 正如從式（1)可知，當(dāng)光源強(qiáng)度和光學(xué)耦合系數(shù)是穩(wěn)定的，光強(qiáng)度IPH(t)代表一穩(wěn) 定的PPG信號(hào)，其正比于KskinL(t)，具有比例系數(shù)為I LEDXKLEDeptXKPHepi。若人工制品的移動(dòng) 存在，則上述是不正確的。
[0035]光源和光檢測(cè)器的光耦合系數(shù)在耦合區(qū)對(duì)于壓力值非常敏感，由于壓力的變化將 使它們的值產(chǎn)生改變（由于人工制品移動(dòng)的影響）。這些頻率范圍的變化通常相關(guān)于或非常 相關(guān)于心臟速率。這些變化的程度相對(duì)比單純PPG信號(hào)的變化較大。壓力穩(wěn)定可提高PPG量 測(cè)質(zhì)量。
[0036]耦合系數(shù)值強(qiáng)烈依賴于在耦合區(qū)的壓力大小。在低壓力的情況下，人工制品移動(dòng) 引發(fā)的改變會(huì)使耦合系數(shù)產(chǎn)生的巨大變化，而導(dǎo)致空氣層存在耦合區(qū)的結(jié)果。當(dāng)耦合壓力 高時(shí)，對(duì)于移動(dòng)的人工制品來(lái)說(shuō)耦合系數(shù)的敏感度將大幅降低。這可能是因?yàn)閮煞N不同的 原因。第一個(gè)原因是耦合系數(shù)的相對(duì)變化由壓力變化來(lái)相對(duì)定義。相對(duì)壓力?> 其變 化取決于在人工制品移動(dòng)加速度，可以通過(guò)式(2)定義如下：
[0037] p = (P〇±m(xù)Xa)/ao
[0038] (2)
[0039] 其中，
[0040] Po為正常壓力值；
[0041 ] m為運(yùn)動(dòng)中組件的質(zhì)量。
[0042]由式(2)可知，壓力Ρο越大，相對(duì)壓力p的變化越小。
[0043]第二個(gè)原因是優(yōu)選為耦合區(qū)域中沒(méi)有空氣存在于裝置和被測(cè)組織之間。
[0044]遺憾的是，向所述耦合區(qū)域施加高的壓力值對(duì)使用者來(lái)說(shuō)是不方便的。此外，過(guò)高 的壓力可能會(huì)嚴(yán)重中斷測(cè)量區(qū)中的血液流動(dòng)甚至完全阻斷它，特別是對(duì)血壓過(guò)低的人。 [0045]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，兩個(gè)光檢測(cè)器的感測(cè)實(shí)施方式中，其也可以被認(rèn)為是 一個(gè)參考光檢測(cè)器的方案，對(duì)于人工制品的影響更穩(wěn)定。所述方案包括兩個(gè)光檢測(cè)器與一 光源。光線由所述光源發(fā)出，通過(guò)一被測(cè)組織如皮膚后可能會(huì)傳送到光檢測(cè)器1與光檢測(cè)器 2〇
[0046]由所述光檢測(cè)器1所接收到的光強(qiáng)度IPH1可以通過(guò)式(3)定義如下：
[0047]
[0048] 由所述光檢測(cè)器2所接收到的光強(qiáng)度IPH2可以通過(guò)式(4)定義如下：
[0049]
[0050] 其中，
[0051] KskinLi，KskinL2為在一被測(cè)組織中，如皮膚，光線分別通過(guò)距離L1與距離L2的吸收 值；
[0052] L1、L2為光源分別至光檢測(cè)器1與光檢測(cè)2的距離。
[0053] 由式(3)與式(4)得到式(5)如下：
[0054]
[0055]