光電容積脈搏波傳感器裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光電容積脈搏波傳感器裝置、光電容積脈搏波傳感器方法W及光電容 積脈搏波傳感器計算機程序。
【背景技術(shù)】
[0002] 光電容積脈搏波(PPG)是指通過光學(xué)構(gòu)件獲得體積器官測量。常常采用脈搏血氧 計，其檢測人類皮膚的光吸收性質(zhì)的改變。典型地，透射或反射血液PPG傳感器通過特定波 長處的吸收測量來監(jiān)視血液向皮膚的真皮和皮下組織的灌注。除了源自血液的光之外，檢 測到的光有遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大一部分源自組織和環(huán)境光。
[0003] 光電容積脈搏波信號包括非常大的（不想要的)DC偏移信號上的非常小的AC信號 (實際體積描記圖）dDC偏移信號包括源自皮膚和組織W及源自環(huán)境光的相當(dāng)大部分的信 號。不幸的是，所檢測到的環(huán)境光的量不是恒定的，而是由于改變的環(huán)境光條件和由于運動 偽像(例如由光電容積脈搏波傳感器與皮膚之間的禪合導(dǎo)致)而變化。所檢測到的環(huán)境光的 時間改變速率包括感興趣的光電容積脈搏波頻帶中的頻率。運阻礙簡單頻域濾波，因為濾 出運些頻率(希望抑制所檢測到的環(huán)境光)還將對感興趣的光電容積脈搏波頻帶的頻率進 行濾波(或者明顯抑制）。
[0004] 用于環(huán)境光抵制的當(dāng)前已知機制包括例如DC恢復(fù)電路，其在臨時關(guān)斷光電容積脈 搏波激勵燈(諸如例如發(fā)光二極管LED)時對環(huán)境光進行周期性采樣。在不同的時隙（例如當(dāng) 接通L邸時)取得包含環(huán)境和光電容積脈搏波信號二者的樣本。通過從在接通光電容積脈搏 波激勵燈的情況下的信號減去在關(guān)斷光電容積脈搏波激勵燈的情況下的信號，獲得"經(jīng)偏 移校正"的光電容積脈搏波信號，其不展現(xiàn)出來自環(huán)境光的干擾。典型地，該采樣在互阻抗 放大器(TIA)已經(jīng)將檢測器所生成的光電流轉(zhuǎn)換成電壓并且放大之后進行?？商鎿Q地和/或 此外，該采樣在信號已經(jīng)由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)處理之后完全在數(shù)字域中進行。
[000引在常規(guī)光電容積脈搏波傳感器中存在數(shù)個問題和缺點。首先，所檢測到的環(huán)境光 的量可W相當(dāng)大。運意味著當(dāng)設(shè)計放大器時，必須保留某個量的可用動態(tài)范圍W用于適當(dāng) 地檢測環(huán)境光，從而造成欠佳的放大器設(shè)計。
[0006] 此外，如果環(huán)境光的減法在數(shù)字域中進行（即在模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換之后），則必須保 留數(shù)個ADC位W用于環(huán)境光。然而保留用于環(huán)境光的ADC位限制可用于光電容積脈搏波信號 的分辨率。
[0007] 然而，如果減法直接在通過TIA的處理之后進行，需要采樣和保持電路來保持環(huán)境 值(即對應(yīng)于環(huán)境光的測量值)直到光電容積脈搏波信號的下一采樣周期。該采樣和保持信 號的增益精度確定補償效力。
[0008] 解決常規(guī)光電容積脈搏波傳感器的問題的一個選項是采用采樣和保持元件的工 廠校準(zhǔn)步驟。然而，運樣的附加工廠校準(zhǔn)步驟添加制造成本并且因而不太優(yōu)選。
[0009] US 7740591公開了一種光電容積脈搏波傳感器。該傳感器包括接收互阻抗差分放 大器的輸出的環(huán)境光消除電路。環(huán)境光消除電路操作如下：當(dāng)時序控制電路使紅色和IR L抓二者關(guān)斷時，環(huán)境光是傳感器所具有的用于輸出的僅有光。對環(huán)境光進行采樣，并且將 信號值保持在使用FET連結(jié)到地的電容器中。當(dāng)FET關(guān)斷時，存儲在電容器中的值使用在紅 色和IR信號串的路徑中。電容器中的該存儲值移除環(huán)境光的誤差。
[0010] US6381479B1公開了一種用于提供光電容積脈搏波測量儀器中的改進的DC和低頻 信號抵制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)用在測量儀器中，所述測量儀器包括用于通過測試對象的組織傳 輸至少兩個波長處的光信號的至少兩個信號源和用于將通過組織傳輸?shù)墓庑盘栟D(zhuǎn)換成檢 測器輸出信號的檢測器。該系統(tǒng)包括DC恢復(fù)，其在檢測器輸出信號放大之前從檢測器輸出 信號移除DC和低頻信號分量W便避免利用低頻信號分量使經(jīng)放大的輸出信號飽和。DC恢復(fù) 配置成在信號源被去激活時的黑暗間隔期間W及在光源之一被激活時的明亮間隔期間從 檢測器信號連續(xù)移除低頻信號分量。在一個實施例中，DC恢復(fù)WDC恢復(fù)電路的形式被體現(xiàn)， 所述DC恢復(fù)電路包括接收檢測器輸出信號并且產(chǎn)生放大器輸出信號的互阻抗放大器和接 收經(jīng)放大的輸出信號并且產(chǎn)生偏置電流的積分器反饋回路，其中偏置電流用于在通過放大 器對檢測器信號的放大之前從檢測器輸出信號減去DC和低頻信號分量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種改進的光電容積脈搏波傳感器裝置、改進的光電容積脈 搏波傳感器方法和改進的光電容積脈搏波傳感器計算機程序，其克服與現(xiàn)有技術(shù)PPG傳感 器相關(guān)聯(lián)的問題。
[0012] 在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種光電容積脈搏波傳感器裝置，包括配置成生 成第一光信號的光源單元；W及配置成觀測第二光信號的光電檢測器單元，其中所述第二 光信號指示所述第一光信號在目標(biāo)中的吸收，其中所述光電檢測器單元還配置成響應(yīng)于觀 測到所述第二光信號而輸出光電檢測器輸出信號。裝置還包括環(huán)境光補償反饋回路，其包 括配置成接收光電檢測器輸出信號的追蹤和保持單元。裝置配置成比較所述追蹤和保持單 元的輸出信號與參考信號并且環(huán)境光補償反饋回路包括配置成基于所述比較而向追蹤和 保持單元提供補償電流的第一放大單元。
[0013] 本發(fā)明提出在沒有環(huán)境光干擾的情況下測量光電容積脈搏波信號。通過直接或經(jīng) 由例如互阻抗放大器在追蹤和保持單元的輸入處提供補償電流來抵制環(huán)境光信號。補償電 流優(yōu)選地經(jīng)由閉合回路來控制，而不干擾光源單元(諸如例如光電容積脈搏波激勵LED)的 低占空比操作。換言之，本發(fā)明提出通過直接在放大器的輸入處減去補償電流來克服W上 指出的問題。該電流經(jīng)由反饋回路來控制，其確保沒有環(huán)境光電流將進入TIA。運消除了前 述問題。所述追蹤和保持單元優(yōu)選地包括追蹤和保持電路。通過采用追蹤和保持單元，即優(yōu) 選地追蹤和保持電路，本發(fā)明良好地適合于"AC種類"的環(huán)境光，諸如例如人造光和日光，如 例如出現(xiàn)在跑步期間的那樣。如本文所使用的術(shù)語"AC種類的環(huán)境光"意指例如在跑步期 間，環(huán)境光強度變化(例如因為跑步者在跑步的同時周期性地?fù)]動他/她的手臂）從而導(dǎo)致 由光電檢測器觀測到交流電。交流電可W是周期性的，但是情況不必然是運樣?？赡芾缬?用戶的跳動導(dǎo)致的步進式改變也被涵蓋。追蹤和保持電路因而優(yōu)選為例如積分和保持電 路，其中W盡可能低的占空比對發(fā)光二極管施加脈沖。相應(yīng)地，環(huán)境光在所選周期期間積分 W便將該歷史用于短測量周期期間的補償。要指出的是，積分和保持電路不必在長周期內(nèi) 積分。積分時間可W選擇成所期望的那樣短。然而，積分部分暗示低通濾波器動作，并且因 而不太適合于"AC種類"的環(huán)境光。負(fù)反饋回路中的積分動作的使用暗示確保零DC誤差，因 為任何非零DC信號將通過積分而增加誤差信號。運不能利用追蹤和保持拓?fù)鋵崿F(xiàn)，因為在 那里誤差僅能夠在無窮放大處變?yōu)榱?。然而，在本情況中不必具有零DC誤差。而是，使環(huán)境 光盡可能多地衰減W騰出動態(tài)范圍。另外，通過提供(優(yōu)選地總是，即永久地)閉合的環(huán)境光 校正反饋回路，所追蹤的信號部分在回路內(nèi)總是微不足道地小。由于PPG信號小(尤其在反 射模式PPG傳感器中），環(huán)境光水平可W相對高。如果不連續(xù)地減去電流的環(huán)境部分，從所述 光電檢測器單元接收光的放大器(諸如例如互阻抗放大器)將必須在每一個校正循環(huán)期間 專注于大環(huán)境光步驟(step)。在本配置中，情況不是運樣。本實施例由此允許放松對PPG傳 感器裝置的動態(tài)要求。PPG傳