本發(fā)明涉及用于對組織的體積變化進行光學感測的方法和裝置的領(lǐng)域，例如-但不限于-對體積描記圖的光學采集。

背景技術(shù)：

光電體積描記(PPG)是對體積描記圖的光學采集，所述體積描記圖是對組織的體積變化的測量。PPG常常涉及血液體積的變化，使得PPG有時能夠被解釋為血液體積的PPG。

常規(guī)反射式PPG傳感器通過特定波長處的吸收測量來監(jiān)測血液到皮膚的真皮和皮下組織的灌注。除了源自于血液的光之外，檢測到的更大的部分源自于組織和/或血液混漿。

圖1示出了兩種典型的常規(guī)PPG實施方式形式。圖1的左側(cè)部分示出了反射式實施方式的范例，其具有光學發(fā)射器10(例如，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管等)以及光學接收器20(例如，光檢測器、光電二極管、光電晶體管等)。由光學發(fā)射器10發(fā)出的光在患者或用戶的指尖100的皮膚部分處被反射并且然后在光學接收器20處被接收作為PPG信號。圖1的右側(cè)部分示出了傳遞式實施方式的范例，其中，由光學發(fā)射器10發(fā)出的光透射通過患者的耳朵110的組織部分，并且然后在作為光學接收器的光檢測器20處被接收作為PPG信號。

PPG信號包括非常小的交流電(AC)信號分量(實際體積描記圖)，以及非常大的不想要的偏移，其通常并且不正確地被稱為DC(直流)信號。該DC偏移通常包括低頻(LF)分量，所述低頻分量包括不源自于患者或用戶的血液的大的部分的背散射光、環(huán)境光(如果未濾波的話)、以由例如運動引起的兩者的變化。LF分量的頻率分量可以包括與要被測量的AC信號相同的頻率，從而排除了任何頻率域濾波。常規(guī)PPG傳感器因此通常一起測量兩者信號并且使用信號處理算法來分離不同的分量。

PPG信號的以上分量導致降低的可用動態(tài)范圍的問題，因為信號處理解決方案(例如模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)等)的主要部分被浪費在對不想要的DC和LF分量進行采樣上。

此外，運動引入了在不想要的DC和LF分量中的大的變化，這引起PPG傳感器中由于運動偽跡的主要問題。因此，額外的運動傳感器(例如三維(3D)加速度計或者額外的光學傳感器)被用于常規(guī)PPG傳感器中的偽跡抑制，這造成PPG傳感器設備的增加的復雜度。

克服以上問題的常規(guī)建議大部分是基于測量實際運動并且補償測量的PPG信號(其有希望包括相同的運動偽跡)。通常，3D加速度計己被建議作為合適的運動傳感器，但是也己經(jīng)提出額外的假PPG傳感器的使用。這些假PPG傳感器使用例如紅外(IR)波長(其中，血液己知(基本上)不具有吸收)，但是皮膚組織具有。這些假PPG傳感器因此測量一種運動偽跡，所述運動偽跡被用于補償實際PPG傳感器中的不想要的運動偽跡。關(guān)于這種補償?shù)膯栴}是假PPG信號的次級波長越不同于實際PPG信號的初級波長，光傳播通過的組織的光學參數(shù)的差異就越大。例如，IR光將比更短的初級波長更深地傳播進到組織中。因此，由假PPG信號的所述次級波長感測到的“運動”是基于相比于實際PPG信號的初級波長相當不同的體積的。這需要額外的補償，并且因此增加了復雜性。

此外，使用3D傳感器的補償?shù)娜秉c是它們是昂貴的、相對大的并且使用額外的電源。再次，必須實施復雜的補償算法，其需要更多的處理能力。

因此，在常規(guī)PPG傳感器中，不想要的DC和LF分量在A/D轉(zhuǎn)換之后通過合適的信號處理來移除。常規(guī)PPG傳感器因此通常一起測量兩者信號并且使用信號處理算法來分離不同的分量。

作為常規(guī)PPG傳感器的另一范例，US2003/036685公開了一種生理信號監(jiān)測系統(tǒng)，其中，具有光學輻射源的兩個PPG傳感器被用于提供兩個不同的功能。首先，他們被用作SpO2傳感器，其中，兩個分離的波長(紅和紅外)被用于估計Hb氧飽和度(即，SpO2)。一個波長(880nm)處吸收系數(shù)是接近相同的，并且一個(658nm)處吸收系數(shù)非常地不同。第二，它們基于兩個輸出信號之間的互相關(guān)而被用作脈搏波速度傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供用于測量組織的體積變化的改進的方法，借助于其，針對PPG信號的更大的動態(tài)范圍變得可用，并且能夠防止在接收器側(cè)的用于補償不想要的DC和LF分量的額外的信號處理算法。

該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置和根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法來實現(xiàn)的。

因此，具有被定位于要被測量的期望的物質(zhì)(例如血液)的吸收曲線的更陡的部分并且因此處于實質(zhì)不同的值處的特定波長的一個或多個光學輻射源、兩個或更多個光學輻射檢測器以及至少一個濾波器被提出，以在放大和A/D轉(zhuǎn)換之前移除不想要的DC或LF偏移并且從而降低對信號處理技術(shù)和特定電子器件的需要。更少的處理導致更便宜的微處理器和降低的功耗，從而降低復雜性以及相關(guān)的材料清單(BOM)并且增加的電池壽命。此外，不需要額外的傳感器，這進一步降低了花費、復雜性和供應電流，同時增加了信號保真度。因為本發(fā)明移除了運動信號，因而運動偽跡被消除(或者至少大幅衰減)。

根據(jù)第一選項，可以提供調(diào)制器，其用于以預定頻率調(diào)制異相的所述第一光學信號和所述第二光學信號的幅度，其中，所述至少一個濾波器包括電容器或DC恢復回路，以用于移除作為所述第一部分和所述第二部分的不想要的分量的DC分量。因此，能夠通過簡單地打開和關(guān)閉第一和第二光學信號并且對檢測器輸出信號的AC分量進行濾波來移除不想要的DC和LF分量。更具體而言，不想要的偏移信號也將被調(diào)制，但是其調(diào)制幅度將顯著地更小或者降低(由于斜率差異)。

根據(jù)能夠與第一選項組合的第二選項，能夠從琥珀色或藍色波長區(qū)域選擇第一和第二波長。

根據(jù)能夠與第一或第二選項組合的第三選項，可以提供另外的調(diào)制器，其用于通過不同于所述預定頻率的另外的預定頻率來調(diào)制所述第一光學信號和所述第二光學信號的幅度，以因此引入所述第一光學信號和所述第二光學信號的強度的不平衡，從而獲得所述第一部分和所述第二部分中的運動分量。這提供了這樣的優(yōu)點：所提出的感測裝置也可以被用作運動檢測器。

根據(jù)能夠與第一至第三選項中的任何組合的第四選項，所述至少一個濾波器可以包括：第一帶通濾波器，其用于對所述第一波長進行濾波并且用于向所述至少一個光學輻射檢測器中的第一光學輻射檢測器供應經(jīng)濾波的輸出信號；以及第二帶通濾波器，其用于對所述第二波長進行濾波并且用于向所述至少一個光學輻射檢測器中的第二光學輻射檢測器供應經(jīng)濾波的輸出信號，并且其中，所述裝置還適于將由所述第一光學輻射檢測器和所述第二光學輻射檢測器生成的電輸出信號彼此相減，以抑制不想要的分量。由于第一和第二電輸出信號被相減的事實，因此能夠抑制不想要的DC分量并且有要被測量的物質(zhì)(例如，血液)的特定吸收特性生成的期望的AC分量能夠在放大及后續(xù)信號處理之前在非常早的處理階段處被提取。

根據(jù)能夠與第一至第四選項中的任何組合的第五選項，所述至少一個光學輻射源可以包括用于生成所述第一光學信號的第一光學輻射源和用于生成所述第二光學信號的第二光學輻射源，其中，所述裝置還可以包括反饋回路，所述反饋回路用于響應于檢測到的不想要的分量的剩余量而控制所述第一光學輻射源和所述第二光學輻射源。因此，能夠由所述反饋回路來自動地校正第一和第二光學信號之間的任何不平衡，所述反饋回路用作用于抵消傳感器輸出部處的任何剩余的不想要的DC分量的DC抵消回路。

根據(jù)能夠與第一至第五選項中的任何組合的第六選項，可以提供可控電流分配器，其用于基于由反饋回路響應于檢測到的不想要的分量的剩余量而生成的控制信號來調(diào)節(jié)所述第一光學輻射檢測器和所述第二光學輻射檢測器的電輸出信號的比率。因此，能夠提供備選DC抵消回路，其適于基于傳感器輸出信號中的剩余DC分量來調(diào)節(jié)檢測器電流的比率。

根據(jù)能夠與第一至第六選項中的任何組合的第七選項，切換式積分放大器可以被提供，其用于放大經(jīng)相減的電輸出信號的得到的信號。因此，能夠獲得具有優(yōu)異的信噪比的大的放大。在第七選項的特定范例中，所述切換式積分放大器可以被提供在電流到時間轉(zhuǎn)換器電路中。因此，常規(guī)ADC不再是必要的。

根據(jù)能夠與第一至第七選項中的任何組合的第八選項，所述至少一個光學輻射源可以適于生成第三波長的第三光學信號，其中，所述第一光學波長、所述第二光學波長和所述第三光學波長被選擇，使得所述其他物質(zhì)在所述第二波長處的波長依賴性吸收系數(shù)的值等于所述其他物質(zhì)在所述第一波長和所述第三波長處的波長依賴性吸收系數(shù)的值的平均，其中，所述至少一個濾波器包括第一濾波器以及第二濾波器，所述第一濾波器用于僅對所述第二波長進行濾波并且用于向所述至少一個光學輻射檢測器中的第一光學輻射檢測器供應經(jīng)濾波的輸出信號，所述第二濾波器用于僅對所述第一波長和所述第三波長進行濾波并且用于向所述至少一個光學輻射檢測器中的第二光學輻射檢測器供應經(jīng)濾波的輸出信號，并且其中，所述裝置適于將由所述第一光學輻射檢測器和所述第二光學輻射檢測器生成的電輸出信號彼此相減以抑制所述不想要的分量。該第八選項提供了另外的備選方案，用于在放大及后續(xù)信號處理之前早期抑制不想要的DC或LF分量。通過合適地選擇三個光學信號的波長，能夠通過簡單地對檢測器的電輸出信號進行相減來抑制不想要的分量。

在第八選項的特定范例中，可以按尺寸和/或靈敏度來對第一和第二光學輻射檢測器(D1、D2)進行縮放。該措施確保了不想要的分量被可靠地抑制。

應該注意，以上裝置可以基于具有分立的硬件部件的分立的硬件電路、集成芯片或者芯片模塊的布置，或者基于由軟件例程或程序控制的信號處理設備或芯片來實施。

應該理解，根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置和根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法可以具有相似和/或相同的優(yōu)選實施例，尤其是如從屬權(quán)利要求中所定義的。

應該理解，本發(fā)明的優(yōu)選實施例也能夠是從屬權(quán)利要求或以上實施例與相應的獨立權(quán)利要求的任何組合。

本發(fā)明的這些和其他方面將根據(jù)下文描述的實施例而顯而易見，并且將參考下文描述的實施例得到闡述。

附圖說明

在以下附圖中：

圖1示出了針對PPG傳感器的兩種典型的常規(guī)實施方式形式；

圖2示出了指示包括血液和皮膚的各種材料的波長依賴性吸收系數(shù)的曲線圖；

圖3示出了根據(jù)第一實施例的PPG傳感器設備的操作原理；

圖4示出了根據(jù)第一實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖；

圖5示出了根據(jù)第二實施例的PPG傳感器設備的操作原理；

圖6示出了根據(jù)第二實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖；

圖7示出了根據(jù)第二實施例的發(fā)光二極管的示范性發(fā)射光譜和合適的帶通濾波器的濾波器特性；

圖8示出了根據(jù)第三實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖；

圖9示出了根據(jù)第四實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖；

圖10示出了適于在根據(jù)第四實施例的PPG傳感器設備中使用的切換式積分放大器的示意性電路圖；

圖11示出了適于在根據(jù)第四實施例的PPG傳感器設備中使用的電流到時間轉(zhuǎn)換器的示意性電路圖；

圖12示出了指示用在第五實施例中的血液和組織的波長依賴性吸收系數(shù)和鄰近地分離的波長的值的曲線圖；

圖13示出了根據(jù)第五實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖；并且

圖14示出了用在第五實施例中的帶通濾波器和陷波濾波器的濾波器特性。

具體實施方式

現(xiàn)在基于用于心率監(jiān)測的具有小的并且有效率的感測前端的PPG傳感器設備來描述本發(fā)明的實施例。

根據(jù)第一實施例，由被測變量中的不想要的頻率分量引起的干擾通過使用調(diào)制來減輕。引入的調(diào)制會以不同的效率將測量變量和干擾轉(zhuǎn)移到不同的頻率區(qū)域，并且因此將允許以降低的干擾通過同步檢測來測量所述測量變量。應該指出，以上調(diào)制當然也將影響干擾，例如，黑色素吸收也將被調(diào)制。然而，由于陡峭的斜率差異，調(diào)制的信號中的干擾的幅度將比測量變量的低得多。

在PPG傳感器設備的情況下，測量變量對應于由血液體積對發(fā)出的光的吸收，并且對該信號的調(diào)制能夠通過使用兩個(或更多個)交替的波長來實現(xiàn)，每個交替的波長具有針對血液的不同的吸收值。如以上所提及，使用不同的波長具有運動偽跡被拾取的缺點，因為通過其光傳播到血管和從血管傳播的組織的吸收和散射參數(shù)也是波長依賴的。因此，選定的波長針對運動偽跡應該是相同的或者至少相似的，同時仍然具有針對血液的不同的吸收系數(shù)。在特定的小的波長區(qū)域中實現(xiàn)了接近的近似。

圖2示出了指示紫外、可見和紅外范圍內(nèi)的最相關(guān)的材料或物質(zhì)的吸收系數(shù)(μ[cm^-1])的波長依賴性特性(即，吸收曲線)的示意性曲線圖。更具體而言，示出了皮膚(SK)、全血(BD)、黑素體(MEL)以及表皮(EPI)的特性。應該指出，圖2中示出的血液的吸收曲線是基于150gr Hb/l的典型的血紅蛋白濃度的。血液(BLD)的吸收曲線包括兩個感興趣的區(qū)。這些是在可見光的光譜的光學藍色和琥珀色/紅色區(qū)域中的具有高斜率(即，高dμ/dλ)的區(qū)。在這些中，后者范圍(～600nm)具有最高的斜率、最大的范圍，并且更重要地，皮膚(SK)對光的吸收在那里達到了其最小斜率以及最小值。因此，選擇這個區(qū)域中兩個非常接近的波長將不會拾取任何顯著的運動偽跡，同時仍提供好的PPG信號。更具體而言，圖2的曲線圖示出了不同的生物發(fā)色團的吸收譜。血液由氧合血紅蛋白(HbO2)的吸收譜來表示，因為對于普通的健康人，血氧飽合度在>90％的量級并且因此去氧血紅蛋白的影響將是極小的。根據(jù)曲線圖，清楚的是，針對PPG傳感器，主要擾動可能來源于黑色素吸收。因為更長的光學路徑長度，皮膚中的吸收的比血液中的高得多，從而造成大的DC(LF)分量，其在想要的PPG信號的100倍的量級上。該吸收也是運動偽跡的主要原因，因為通過皮膚的光學路徑長度的任何改變將比任何PPG信號大得多。

根據(jù)第一實施例，皮膚信號(并且因此運動偽跡的主要原因)能夠通過提供兩個光源而被移除或者至少抑制，所述兩個光源生成以上提及的兩個波長并且其被異相驅(qū)動，使得所檢測的PPG信號由預定頻率f調(diào)制。因為PPG信號現(xiàn)在己經(jīng)被轉(zhuǎn)移到更高的頻率，因此其能夠例如使用鎖定放大器而被AC檢測，而不由另外的麻煩的DC/LF擾動所干擾。

鎖定放大器(也被己知為相位敏感檢測器)是能夠從具有極度嘈雜的環(huán)境中提取具有己知的載波的信號的類型的放大器。本質(zhì)上，鎖定放大器取得輸入信號，將其乘以參考信號(從內(nèi)部振蕩器或者外部源提供的)，并且在指定時間上對其進行積分，所述指定時間通常在毫秒到幾秒的量級上。得到的信號是DC信號，其中，來自與參考信號不在相同的頻率上的任何信號的貢獻被衰減到接近零。與參考信號具有相同的頻率的信號的異相分量也被衰減(因為正弦函數(shù)正交于相同頻率的余弦函數(shù))，使得鎖定放大器是相位敏感檢測器。其本質(zhì)上是零差檢測器，跟隨有低通濾波器，所述低通濾波器常常在截止頻率和濾波器級上是可調(diào)節(jié)的。鎖定放大器可以使用模擬頻率混合器和RC濾波器以用于解調(diào)，或者它們可以通過快速數(shù)字信號處理來實施，例如在場可編程門控陣列(FPGA)上。

根據(jù)第一實施例的解決方案的額外的益處是想要的信號現(xiàn)在嚴格地是AC信號并且因此可以是AC耦合的，從而移除任何DC分量。這提供了更高的動態(tài)范圍并且因此使得能夠使用ADC的低的多的分辨率。

因此，根據(jù)第一實施例的PPG傳感器包括：具有不同的但是非常接近的波長的兩個光源、用于異相驅(qū)動兩個光源并且具有頻率f的振蕩器、一個或多個光檢測器以及AC耦合放大器。

具有略微不同的發(fā)射波長的兩個光源能夠例如被實施為具有來自相同類型但是來自不同顏色分箱的兩個LED。備選地，能夠使用兩個相同的LED，每個具有略微不同的帶通濾波器(BPF)。LED(或者兩者濾波器的帶通濾通器)被選擇為使得它們的發(fā)射波長在組織中具有(盡可能好的)相等的散射和吸收參數(shù)并且被定位于圖2的血液吸收曲線的陡峭的部分。例如，在可見光的光譜的約600nm的琥珀色/紅色區(qū)域或者在藍色區(qū)域中，其中，吸收曲線的斜率是非常陡的(注意，在圖2中使用了對數(shù)標尺)。

圖3示出了第一實施例下面的操作的原理。兩個幾乎相等的光源LED1和LED2被異相驅(qū)動并且利用由通過振蕩器50生成的信號的預定頻率f。由光源LED1和LED2發(fā)出的激勵光EXC將導致非常陡的血液吸收曲線(HbO2)的兩個不同部分處的交替的樣本，使得由光電二極管D1在光學接收側(cè)生成調(diào)制的AC類型的PPG信號。所獲得的AC PPG信號然后能夠經(jīng)由電容器C1被AC耦合到包括放大器和ADC的電子電路30，從而移除任何DC部分(包括不想要的DC和LF分量，例如環(huán)境光)并且提供僅填充有有用的PPG信號分量的大的動態(tài)范圍。有用的PPG信號然后由鎖定放大器40檢測，鎖定放大器40從振蕩器50接收其參考信號。

圖4示出了根據(jù)第一實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖，其中，具有相同的標示或附圖標記的部件具有與結(jié)合圖3所描述的相同的功能。兩者光源LED1和LED2具有相同的波長范圍(例如具有586nm的峰值波長的琥珀色光)。光源LED1和LED2的輸出光經(jīng)過相應的帶通濾波器BPF1和BPF2，其可以是標準的在售濾波器，具有例如580x10nm和595x10nm的特性，即，分別地，580nm和595nm的中心波長，以及10nm的帶寬。通過在生產(chǎn)期間調(diào)節(jié)LED電流來使兩者通帶的強度相等(固定值設置)。振蕩器50的頻率被選擇，使得實現(xiàn)與干擾的頻率的清楚分離。作為范例，可以使用高于100Hz的頻率，但是高于1kHz是優(yōu)選的。

任選地，兩個相同類型的光源LED1和LED2能夠由兩個不同的光源(其是相同類型的，但是鄰近顏色分箱近似等于對應地代替的濾波器的中心波長)來代替。鎖定放大器40能夠被實施于固件中，但是也可以使用模擬版本。

根據(jù)第一實施例的第一修改，兩個光源LED1和LED2可以由用于發(fā)射在藍色波長區(qū)域中的光的光源來代替，其也適于生成期望的AC型PPG信號。

根據(jù)對第一實施例的第二修改，由電容器C1進行的AC耦合可以利用DC恢復回路來代替，例如，電子電路30的放大器的輸入部處的校正電流的減去。供應該校正電流的電流源可以在反饋回路中以如下的方式被控制：使得放大器輸入部或輸出部處的DC值處于合適的水平(例如，零或任何其他合適的水平)處。

應該指出，濾波器BPF1和BPF2的兩者通帶中的強度應該至少接近相等以確保運動偽跡的拒絕率將會是最大的。優(yōu)選地，這兩個強度被選擇為具有小的差異，使得它們補償主干擾物質(zhì)(黑色素)的吸收中的差異，即，強度在選擇的波長范圍中應該具有黑色素的相反的斜率。備選地，它們能夠被選擇為具有相等的強度。光源LED1和LED2的強度能夠在生產(chǎn)時被調(diào)節(jié)，但是也能夠經(jīng)由相應的控制回路被調(diào)制。這提供了額外的優(yōu)點：PPG傳感器也可以被用作測量例如活動的運動傳感器。

根據(jù)第一實施例的第三修改，PPG傳感器設備能夠適于通過引入兩者波長強度中的不平衡來拾取選定的運動偽跡。該不平衡能夠以第二頻率f2被調(diào)制。

第三修改能夠等于對第一實施例的先前修改中的任何，但是此處光源LED1和LED2中的一個或兩者的幅度是以第二(不同的)頻率f2來調(diào)制的。因此，生成了兩個載波頻率，一個針對PPG信號并且一個針對PPG信號與運動偽跡的組合。兩個優(yōu)選地數(shù)字(固件)鎖定放大器然后被用于同步地檢測兩者信號。從第二信號減去縮放的PPG信號將然后得到純運動信號。該運動信號然后能夠被用于監(jiān)測活動。

圖5示出了根據(jù)第二實施例的PPG傳感器設備的操作原理；此處，提供了PPG傳感器結(jié)構(gòu)，其移除共模信號，而僅輸出差分信號。由于PPG信號通常不是差分信號，因此添加額外的措施來創(chuàng)建這樣的差分信號。第二實施例的PPG傳感器設備包括一個或多個光源以及兩個或更多個波長敏感光檢測器。

根據(jù)圖5，PPG傳感器設備包括兩個光檢測器，每個具有略微不同的波長敏感性。它們能夠例如利用在兩個光電二極管D1和D2前面的兩個帶通濾波器BPF1和BPF2來實施。兩者濾波器BPF1和BPF2的通帶被選擇為使得兩者通帶中的波長在組織中具有相等或者至少相似的散射和吸收參數(shù)。這確保了兩者檢測器輸入的該部分經(jīng)歷相等的散射和吸收，使得至少接近完美的共模(CM)信號被獲得。對于皮膚而言，這能夠例如在500-1000nm帶(參考圖2中的“SK”曲線)中實現(xiàn)。甚至在該非常寬的帶中，皮膚吸收不改變超過3到4的因子。針對上皮(EPI)的吸收的變化較大，但是仍遠低于血液的(例如在600nm周圍的小的帶中)。

此外，兩者濾波器BPF1和BPF2的通帶被選擇為使得它們被定位于血液吸收曲線的陡峭部分中(參見圖2中的“BLD”曲線)。例如，在600nm周圍，吸收曲線的斜率是非常陡峭的。兩個通帶之間非常小的差異然后將在兩個波長之間提供吸收系數(shù)上多于一個數(shù)量級的幅度差異，從而創(chuàng)建期望的差分PPG信號。

因此，圖5中示出的光檢測器配置將拒絕共模信號(因為在光二極管D1和D2中生成的兩個光電流將彼此相減)，并且電子電路30中的放大器的輸出將僅是源自于血液的想要的差分PPG信號。

圖6示出了根據(jù)第二實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖。

現(xiàn)今，PPG傳感器不僅是醫(yī)學設備，而且被實施于如運動手表的消費者產(chǎn)品中。這些需要低的零件計數(shù)，以及低的功耗。因此，期望僅使用一個光源來實施PPG傳感器。這能夠通過使用第二實施例的單個光源LED1(例如，具有合適的發(fā)射譜的LED或其他源)來實現(xiàn)。光源LED1的發(fā)射譜應該足夠?qū)捯园▋烧哌x定的通帶。因為LED的光譜寬度通常寬于20到30nm(半高寬)，因而這是容易實現(xiàn)的。如果選定的通帶是更加分開的，則能夠使用磷轉(zhuǎn)換LED(例如，白色、綠黃色或琥珀色)。

圖7示出了根據(jù)第二實施例的發(fā)光二極管的示范性發(fā)射光譜和合適的帶通濾波器BPF1和BPF2的濾波器特性。如從圖7能夠知悉的，濾波器BPF1和BPF2的相應通帶中的光的兩者“顏色”是LED光譜的部分。根據(jù)該圖，還清楚，代替于兩個帶通濾波器，能夠使用具有相等或接收相等的截止波長的短通和長通濾波器。

因此，兩者通帶之間的波長分離如此小以使得由光電二極管D1和D2檢測到的不源于血液的光經(jīng)歷了相同的吸收和散射。因此，由光電二極管D1和D2生成的針對光譜的這些部分的相應的電流I₁和I₂是相等的并且因此由電子電路30的放大器的輸出部的相減動作來抑制。然而，針對血液，兩者通帶中的吸收可觀地不同，并且這因此是差分信號(在其在兩者通帶上具有不同的強度的意義上)。通過相減動作，PPG信號分量被衰減少許，但是由于兩者之間的差異在量級中，因而這仍得到大的PPG信號。

圖8示出了根據(jù)第三實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖。

LED光譜具有容限，帶通濾波器的通帶也具有容限。在較大的容限處，PPG信號的DC分量的衰減能夠變得非常低。如果更緊的容限的代價變得太高，則問題能夠通過具有不同的發(fā)射波長的兩個光源LED1和LED2來解決。例如，相同類型但是具有不同的顏色分箱的兩個光源(例如，LED)。通過基于電子電路30的放大器的任何剩余DC輸出來經(jīng)由用于DC抵消的反饋回路60來控制兩個光源LED1和LED2的電流，平衡能夠被恢復，使得不想要的DC或LF分量的衰減是最大的。

圖9示出了根據(jù)第四實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖。

如上面己經(jīng)提及的，由于光源(例如，LED)和光學濾波器中的生產(chǎn)容限，因此對共模信號的拒絕能夠變得小于期望。該實施例經(jīng)由添加包括晶體管Q1和Q2的可控制電流分配器來解決該問題。假設兩個帶通濾波器BPF1和BPF2中的第二個BPF2具有更長的波長。這意味著，由第二光電二極管D2生成的電流I₃總是略微大于由第一光電二極管D1生成的電流I₁，因為血紅蛋白、皮膚和黑色素的吸收在HbO2吸收中在600nm周圍的大的坡度處都隨著波長的增加而減小。應指出，如果需要的話，可以通過提供更大的第二光電二極管D2或者通過略微降低第一帶通濾波器BPF1的通帶中的發(fā)送來強制這種情況。該分數(shù)更高光電流的DC分量(即，皮膚和黑色素吸收)能夠被用于通過利用電流分配器來分流該電流的特定百分比來補償生產(chǎn)容限。晶體管Q1和Q2之間的集電極電流之間的比率通過控制電壓U_comp根據(jù)以下來控制：

其中，V_T＝^k.T/_q≈26mV。

控制電壓U_comp由DC抵消反饋回路62基于電子電路30的放大器的輸出信號中的剩余DC分量來生成。

對于U_comp＝0V，晶體管Q1和Q2的兩個集電極電流之間的比率能夠被設置為1，使得第二光電二極管D2的光電流I₃的一半將被分流到接地。所述比率獨立于電流I3其自身的值，使得兩者光電二極管電流的共模分量中的平衡能夠利用控制電壓U_comp來控制。這能夠在生產(chǎn)期間以固定的電壓僅進行一次或者使用具有帶寬的DC抵消反饋回路62連續(xù)地進行，使得PPG不被影響。

由于指數(shù)關(guān)系，分配器比率將針對相對低的控制電壓飽合。例如，對于U_comp＝118.8mV，所述比率將己經(jīng)達到99％，使得電流I₃的僅1％被分流掉。該高的增益能夠通過添加發(fā)射器退化電阻來降低。

圖10示出了根據(jù)第四實施例的第一修改的PPG傳感器設備中使用的切換式積分放大器的示意性電路圖。此處，切換式積分放大器被用作電子電路30中的電流到電壓轉(zhuǎn)換器。切換式積分放大器包括第一和第二受控的開關(guān)S1和S2以及由第二開關(guān)SW2切換的具有積分反饋電容器C的運算放大器OP。

在移除了共模(“DC”)分量之后，得到的光電流主要是僅PPG信號并且因此是非常小的AC電流。這允許大的放大，所述放大能夠使用切換式積分跨阻抗放大器(代替于普通的互阻光電二極管放大器)以優(yōu)異的信噪比(SNR)來實現(xiàn)。這些SNR優(yōu)點能夠由于DC移除而在本發(fā)明的實施例中有利地被利用。

圖11示出了根據(jù)第四實施例的第二修改的PPG傳感器設備中使用的電流到時間轉(zhuǎn)換器的示意性電路圖。

圖10的經(jīng)修改的第四實施例能夠通過以下來增強：使切換式積分器起作用為電流到時間轉(zhuǎn)換器，從而也代替常規(guī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

切換式積分放大器的開關(guān)S1和S2由微控制器70控制，微控制器70還運行計時器80。當積分循環(huán)開始時，計時器80也被重置。積分器的輸出電壓隨著時間線性增加(即((I2-I1).t/C)。切換式積分放大器部分的積分操作持續(xù)進行，直到積分器的輸出電壓達到預定參考電壓水平V_ref，此時比較器CP中斷微控制器70和計時器80。計時器值然后與輸入電流相關(guān)，如I(t)＝Vref*C/t.因此，PPG信號能夠通過對積分循環(huán)的持續(xù)時間進行計數(shù)來測量。由于絕對準確性不是重要的，因而不需要電容器C和參考電壓水平Vref的準確值，只要保證足夠的短期穩(wěn)定性。由于多數(shù)現(xiàn)代微控制器被裝備有計數(shù)器或定時器并且有比較器，因而對第四實施例的該修改節(jié)省了ADC的花費，其通常在常規(guī)PPG傳感器中需要。

根據(jù)對第四實施例的第三修改，兩個帶通濾波器BPF1和BPF2由一個二色性射束分裂器替代，所述二色性射束分裂器是具有二色性光學包覆的光學設備，其將光的射束分裂為兩個射束。取決于其特性，反射對透射的比率將根據(jù)入射光的波長而變化。在這種情況下，環(huán)境光不被拒絕。因此，PPG傳感器應該被屏蔽，或者(一個或多個)光源能夠與鎖定放大器組合地被調(diào)制，如結(jié)合第一實施例所描述的。

圖12示出了指示用在第五實施例中的血液和組織的波長依賴性吸收系數(shù)和鄰近地分離的波長的值的曲線圖。

圖12的閉合指示PPG感測中兩個最重要的貢獻者，亦即氧合血紅蛋白(HbO2)和具有特定黑色素濃度的皮膚組織(MEL)的吸收譜，(此處，出于說明性目的示出了輕微著色的皮膚，但是對于更深色的皮膚，吸收能夠大于>100倍)。還指示了三個鄰近地分離的波長(λ₁<λ₂<λ₃)處的值。

三個波長λ₁、λ₂和λ₃被選擇為使得在λ₂處的組織吸收等于其他兩個組織吸收的平均(即，[μ_{a_組織}(λ₁)+μ_{a_組織}(λ₃)]/2＝μ_{a_組織}(λ₂))，而對于血液吸收當然不是這種情況。將λ₁和λ₃測量結(jié)果的平均從λ₂測量結(jié)果中減去現(xiàn)在將完全拒絕皮膚吸收的影響。并且由于[μ_{a_血液}(λ₁)+μ_{a_血液}(λ₃)]/2≠μ_{a_血液}(λ₂)，因而在接收端處的兩個光電二極管D1和D2處的相減將不會拒絕PPG信號。

盡管該范例是針對特定波長(例如576±6nm)示出的，但是應清楚，相關(guān)的光譜示出了更多的可能(例如，560nm、541nm等周圍)。重要的是(但不是強制的)選擇緊密接近的三個波長，因為所提出的方法不考慮皮膚的其他光學參數(shù)(例如，散射、各向異性和折射率)的波長依賴性。這些參數(shù)還將隨波長變化，使得更遠離地選擇波長還將導致被采樣并且被比較的不同的光學路徑，并且因此導致不想想的DC或LF分量(例如，運動偽跡)的更低的拒絕。

選擇緊密接近的波長提供了額外的優(yōu)點：它們能夠從單個源產(chǎn)生(例如，普通LED容易具有20到30nm的FWHM，使得其是針對該第五實施例的理想的源)。另一優(yōu)點是在波長是接近相等的時的檢測器靈敏度上的更少的偏離。

圖13示出了根據(jù)第五實施例的PPG傳感器設備的示意性方框圖。

第五實施例的PPG傳感器設備是使用一個光源LED1和兩個光檢測器(每個具有不同的波長敏感性)來構(gòu)建的。它們能夠例如利用在兩個光電二極管D1和D2前面的兩個不同的濾波器來實施。所述第一檢測器被裝備有帶通濾波器BPF并且所述第二檢測器被裝備有具有相反的帶拒絕(陷波)特性的陷波濾波器NO。因此帶通濾波的第一檢測器將測量中心波長區(qū)域(λ2)內(nèi)的信號分量，同時裝備有陷波濾波器的第二檢測器將測量在外部波長區(qū)域(λ1和λ3)內(nèi)的信號分量的加和。

第五實施例的光檢測器配置將拒絕共模信號，因為兩個光電流I1和I2將在電子電路30的輸入部處彼此減去，并且電子電路30的輸出將僅是源自血液的想要的差分PPG信號。因此，電子電路30的放大器僅需要放大PPG信號，釋放放大器和ADC的有價值的動態(tài)范圍。

圖14示出了在第五實施例中使用的帶通濾波器BPF和陷波濾波器NO的濾波器特性。

陷波濾波器NO的通帶的外邊界將由LED光源的光譜限制來形成。備選地，第二濾波器能夠具有雙帶通設計，這消除了源帶寬要求。

另外，檢測器的尺寸能夠被縮放為使得在第一光電二極管D1(λ2)中和第二光電二極管D2(λ1+λ3)中測得的組織吸收是相等的。通常，在第一光電二極管D1與第二光電二極管D2的兩倍一樣大時是這種情況。

為確保兩者信號來自相同的光學路徑，重要的是，兩個檢測器被物理地放置為盡可能緊密接近。這能夠通過使用射束分裂器來光學地實現(xiàn)。備選是圍繞光源的對稱定位。

另外，第五實施例的PPG傳感器設備也能夠被實施為具有三個檢測器(例如，第二光電二極管D2被實施為兩個分離的光電二極管)以及一個帶通濾波器(針對第一光電二極管D1)或者針對每個光電二極管的三個分離的帶通濾波器。

總結(jié)，己經(jīng)描述了用于測量組織變化信號(例如，PPG信號)的方法和裝置，其沒有大的DC或LF偏移，大的DC或LF偏移通常通過運動偽跡和/或動態(tài)范圍要求而限制傳感器準確性。所提出的解決方案是基于從擾動中分離PPG信號的。這能夠通過創(chuàng)建經(jīng)調(diào)制的PPG信號，或者通過創(chuàng)建差分PPG信號以及適于移除DC或LF分量的優(yōu)化的傳感器配置來實現(xiàn)。實施例的共同基礎(chǔ)是血液與其他運動源(例如，皮膚、黑色素等)之間的光譜差異。大的斜率差異直接用于創(chuàng)建共模(CM)和差模(DM)信號或者以不同的增益調(diào)制信號和干擾，或者吸收系數(shù)上具有不同的變化的光譜的不同部分也被用于創(chuàng)建CM/DM信號。關(guān)于特定吸收系數(shù)，可以在以下意義上理解實質(zhì)差異：相應的吸收系數(shù)之間的差異應該大于50cm^-1，同時第一與第二波長之間的差異應該不大于30nm，優(yōu)選地不大于20nm。該差異覆蓋使用大的藍光斜率，琥珀色光/紅光斜率以及血液的吸收曲線之間的更小的斜率。

盡管已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細圖示和描述了本發(fā)明，但是這樣的圖示和描述應當被認為是說明性或示范性的，而非限制性的。本發(fā)明不限于所公開的實施例。例如，盡管己經(jīng)結(jié)合透射型PPG傳感器描述了第一至第五實施例以及它們的修改，但是它們?nèi)恳材軌虮粚嵤榉瓷湫偷腜PG傳感器。

另外，所提出的第一至第五實施例的測量理念能夠應用于受不同材料的不同吸收特性影響的其他光學傳感器。

本領(lǐng)域技術(shù)人員通過研究附圖、公開內(nèi)容以及權(quán)利要求書，在實踐請求保護的本發(fā)明時能夠理解并且實現(xiàn)對所公開的實施例的其他變型。在權(quán)利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且詞語“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或其他單元可以履行權(quán)利要求書中所記載的若干個項目的功能。盡管在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。

以上描述詳述了本發(fā)明的特定實施例。然而，應認識到，不管前述在文字上是如何詳盡，本發(fā)明可以以多種方式來實踐，并且因此不限于所公開的實施例。應該指出，在描述本發(fā)明的特定特征或方面時對特定術(shù)語的使用不應被認為暗含該術(shù)語在本文中被重新定義為限制到包括與該術(shù)語相關(guān)聯(lián)的本發(fā)明的特征或方面的特定特性。

單個單元或設備可以履行權(quán)利要求書中所記載的若干個項目的功能。盡管在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。