使用光调制测量生理数据的系统和方法技术方案

本发明专利技术披露了一种用来测量个体生理数据的装置。本装置包括一个光调制单元、一个光检测单元和一个信号处理单元。本发明专利技术能够以主动模式或被动模式运行来测量心率、呼吸系统信息、血色素水平、心输出量或血氧饱和浓度等。基于傅里叶变换的锁相技术被用于探测生理信号，即使该信号很微弱亦能获得可靠的结果。另外，环境光可以被用作光源来完成测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量装置，特别涉及非接触式测量-个体生理数据的装置。
技术介绍
医用测量设备已经广泛用于监测我们身体的生命参数。光电容积脉搏波描记法(PPG)是一种设备发出光信号到活体组织并分析光吸收度的一种无创检测活体生理数据的方法。脉搏血氧仪是一个这种测量设备的例子。当血液流经动脉静脉时，它利用红光和红外光在血液里的不同吸收比，直接监测人体血液里的血氧饱和度。通过使用不同波长的不同光吸收量，可以设计其他的PPG设备来测量不同的生理信号。但是，大部分的PPG设备都是接触式的，直接接触人体的皮肤。为了确保有一个良 好和稳固的接触，这种设备都会施加一定的压力以夹住或贴(粘附)在身体的某一部位。这会使人体不舒服，比如监测婴儿的生理数据，甚至会使婴儿不安，导致测量不准确。如果夹紧的力量不够，那么使用中的设备很可能从皮肤处滑落。这会导致测量偏差。但是，非接触式的PPG设备可以不需要接触人体而进行测量。在一些情况下，人体甚至没有察觉到正在进行测量。人体可以处于平静或心情舒适的状态，或者继续他或她的正常活动。那么测量结果就能反映人体在正常状态下的实际生理情况。另一方面，对于非接触式的运行，检测器接收到的吸收信号要弱一些，因为随着人体到检测器的光学距离的增加，信号强度会大大下降。
技术实现思路
鉴于以上背景，本专利技术目的是提供一种替代的装置和方法去测量生理数据，并具有改善的灵敏度和设计。因此，一方面本专利技术是人体生理数据的测量装置，包括(a)光调制单元；(b)光检测单元；(C)信号处理单元。光调制单元通过在一个或多个预定的频率上调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号。每个调制光信号有不同的波长并照射到身体上。然后被身体的生理信号调节以产生一个复合的分光光度光信号(spectrophotometric lightsignal)。光检测单元接收该复合的分光光度光信号并将其转换成电信号。信号处理单元用于将该电信号转换成数字信号，并得到该数字信号的频谱。它还跟踪该频谱的至少一个主频峰值(dominant spectral peak),并识别出各个主频峰值附近频谱的至少一个次频峰值(minor spectral peak)。最后,根据一个或多个主频峰值和相应的次频峰值的测量结果，确定生理数据。在本专利技术一个示例性实施例中，光调制单元包括一个在预定频率上将光源开和关的电路。在另一个示例性实施例中，光调制单元包括一个转轮。该转轮是不透光的，且包括至少一个中空区域，使得当转轮以一个预定频率旋转时从一个或多个光源发出的光线间歇性地穿过或被阻碍。按这种方式，光线被调制。调制频率取决于转轮预定的频率，和转轮上中空区域的数量，用于某些特定的光源。在另一个典型实施例里，该装置发出红光和红外光，红光在一个预定义频率上被调制，红外光在另一个预定义频率上被调制。在另一个实施例里，光源是环境光，且转轮的中空区域连接一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过。在一个实施例里，红光或红外光颜色滤镜被用来产生期望的调制光信号。在另一个实施例里，光调制单元包含一个静态圆盘以及一个转轮，静态圆盘上有至少一个颜色滤镜，转轮有至少一个中空区域。静态圆盘连接到转轮。转轮以一个预定频率旋转，并且静态圆盘是静止的，其中各个颜色滤镜和对应的中空区域在转轮旋转时沿着光 轴间歇性地对齐，使得从光源发出的光间歇性地穿过和被阻挡，从而以预定义频率被调制。在另一个实施例里，信号处理单元还包含一个模数转换器、一个中央处理单元和存储器。处理单元执行一个存储在存储器里的嵌入式程序来确定生理数据。生理数据包括心率、心率变易、呼吸系统信息、血色素水平、动脉硬化指数、心输出量、血氧浓度或其任何组合。在另一个实施例里，该装置以非接触式运行。其还包含一个光收集单元，用于指示复合分光光度光信号到光检测单元。光收集单元可以包括(a) —个或多个透镜、(b) —个或多个反射镜、(C)波导、(d)光纤或(e)以上任何组合。光检测单元包含从光二极管、光电倍增管、CMOS和CXD阵列里挑选出的一个装置。依照本专利技术的另一个方面，装置用来测量个体生理数据，其包含与以上相同的光调制单元、光检测单元、和信号处理单元。装置还可以包含之前所述的光收集单元。主要区别是环境光首先入射到个体上，然后被个体的生理信号调节。被调节的光信号被反射到光调制单元。后者还使用前述装置和技术调制被调节的光信号。如之前所述，产生的复合分光光度光信号被发送到光检测单元，并以相同方式由信号处理单元进行处理。另一方面，本专利技术是一个用来确定个体生理数据的方法。本方法包括以下步骤(a)通过以至少一个预定义频率调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号，每个至少一个调制光信号有不同的波长；(b)检测一个复合分光光度光信号，并将复合分光光度光信号转换成电信号，由此复合分光光度光信号是在个体的生理信号被一个或多个调制光信号调节时产生的；(C)将电信号转换成数字信号；(d)获取数字信号的频谱；(e)在频谱上跟踪至少一个主频峰值,每个主频峰值对应每个至少一个预定义频率；(f)从各个主频峰值附近的频谱上找出一个或多个次频峰值；和(g)从各个主频峰值和对应次频峰值确定生理数据。在另一个实施例里，本方法的确定步骤(g)还包含计算在各个主频峰值的上边带的一个次频峰值和下边带上的另一个次频峰值的平均值。本专利技术有许多优点。首先，本专利技术使用基于傅里叶变换的锁相技术来计算结果。调制频率和相位是自动跟踪的。无需获得参考信号来解调，并且可以省略相应的滤波电路。因此，能够缩小本装置的尺寸，从而使得本装置更加便携式。此外，本专利技术的灵敏度更高，能够以无接触模式使用。本专利技术的另一个优点是，即使当环境光被使用作为光源，本装置也可以很好地运行。本专利技术不会妨碍或干扰用户，特别是用来测量婴儿的生理数据。附图说明图Ia是描述以主动模式运行的整个系统的基本构想的模块图。图Ib是描述以被动模式运行的整个系统的基本构想的模块图。图2分别显示依照本专利技术一个实施例的载波信号、信息信号和调制信号的波形。图3显示当光穿入血动脉时光吸收的各个部分。图4a显示本专利技术一个实施例的在时域上检测的信号的一个实际波形。图4b显示依照本专利技术一个实施例的在傅里叶变换之后检测到的信号的振幅。图5是本专利技术一个实施例的第一实施。图6是本专利技术一个实施例的第二实施。图7是本专利技术一个实施例的第三实施。图8显示本专利技术一个实施例具有不同构造的各种转轮。图9是本专利技术一个实施例的第四实施。图10显示依照本专利技术一个实施例转轮调制的另一种构造。图11显示在一个实施例里实施本专利技术光检测单元和信号处理单元的简单电路。图12显示本专利技术基于傅里叶变换的锁相测量算法的流程图。图13描述本专利技术可以被设置以在不同环境里运行的一些实施例。具体实施方式在此和权利要求中使用的“包括”是指包括以下元素但不排除其他。“连接”是指通过一个或多个电装置或机械装置直接或间接地电连接或机械连接，除非有其他声明。而且，“锁定”是指在一个相当高的频率上调制一个信号然后在一个接近调制频率的具有锁定相位的窄带宽内捕获它，以减小宽带噪声。在一个实施例中，它还指在一个亮背景下检测一个小的光信号。在此描述的实施例披露了捕获和分析人体生理数据的方法，并能以多种方式实施。具体地，以下披露了一种主动模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2012.05.11 US 13/469,0941.一种测量个体生理数据的装置，包括 a)光调制单元，其通过以至少一个预定义频率调制至少一个光源，产生至少一个调制光信号，所述至少一个调制光信号是在照射到所述个体之前产生的，每个所述至少一个调制光信号有不同的波长； b)光检测单元，用来接收一个复合分光光度光信号，并将所述复合分光光度光信号转换成一个电信号，所述复合分光光度光信号是在所述个体的生理信号被所述至少一个调制光信号调节时产生的；和 c)信号处理单元，用于 i)将所述电信号转换成数字信号； ii)获取所述数字信号的频谱； iii)跟踪所述频谱的至少一个主频峰值，每个所述主频峰值对应每个所述至少一个预定义频率； iv)从所述至少一个主频峰值的附近找出所述频谱的至少一个次频峰值。v)从所述至少一个主频峰值和所述至少一个次频峰值确定所述生理数据。2.如权利要求I所述的装置，其中所述光调制单元包括一个电子电路，其以所述至少一个预定义频率开启和关闭所述至少一个光源。3.如权利要求I所述的装置，其中所述至少一个调制光信号还包括第一调制光信号，其以第一预定义频率发出红光，和第二调制光信号，其以第二预定义频率发出红外光。4.如权利要求I所述的装置，其中所述光调制单元包括一个转轮，所述转轮是不透光的且包括至少一个中空区域以允许光穿过，所述转轮以一个预定频率旋转，使得从所述至少一个光源发出的光间歇性地穿过和被阻挡，从而以所述至少一个预定义频率被调制，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。5.如权利要求4所述的装置，其中所述至少一个中空区域连接一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过。6.如权利要求5所述的装置，其中所述至少一个光源是环境光。7.如权利要求I所述的装置，其中所述光调制单元，包括 a)一个静态圆盘，其上有至少一个颜色滤镜，其仅允许特定波长的光穿过；和 b)一个转轮，其有至少一个中空区域。所述静态圆盘连接到所述转轮，所述转轮以一个预定频率旋转，所述静态圆盘是静止的，其中所述至少一个颜色滤镜和所述至少一个中空区域在所述转轮旋转时沿着光轴间歇性地对齐，使得从所述至少一个光源发出的光间歇性地穿过和被阻挡，从而以所述至少一个预定义频率被调制，所述预定义频率是所述预定频率的整数倍。8.如权利要求I所述的装置，其中所述信号处理单元还包括一个模数转换器、一个中央处理单元和存储器，所述处理单元执行存储在所述存储器里的嵌入式程序以确定所述生理数据。9.如权利要求I所述的装置，其中所述生理数据是心率、心率变异、呼吸系统信息、血色素水平、动脉硬化指数、心输出量、血氧饱和度、或其任何组合。10.如权利要求I所述的装置，还包含一个光收集单元，以便所述装置能够在非接触环境里运行，所述光收集单元是一个光纤、一个透镜、一个反射镜或一个波导，用来指示所述复合分光光度光信号到所述光检测单元。11.如权利要求I所述的装置，其中所述光检测单元选自光二极管、光电倍增管、CMOS阵列、CCD阵列。12.—种用来测量个体生理数据的装置，包括 a)光调制单元，其通过以至少一个预定义频率调制从所述个体反射的周围光，而产生至少一个调制光信号，每个所述至少一个调制光信号有不同的波长； b)光检测单元，用于接收一个复合分光光度光信...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱聿熹，郭嘉祥，张春，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：