ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫХ ФУНКЦИЙ
OPTICAL VITAL SIGNS SENSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к оптическому датчику показателей жизненно важных функций и способу его работы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известно использование оптических датчиков частоты сердечных сокращений для мониторинга или регистрации показателей жизненно важных функций, таких как частота сердечных сокращений пользователя. Такой датчик частоты сердечных сокращений может быть основан на фотоплетизмографическом (ФПГ) датчике и может использоваться для выполнения объемных измерений частей тела. С помощью пульсоксиметров обнаруживают изменения поглощения света в коже человека, и с помощью таких измерений может быть определена частота сердечных сокращений или другие показатели жизненно важных функций пользователя. Датчик ФПГ содержит источник света, такой как светоизлучающий диод (СИД), который излучает свет в кожу пользователя. Излученный свет рассеивается в коже и по меньшей мере частично поглощается кровью. Часть света выходит из кожи и может быть зарегистрирована фотодиодом. Количество света, зарегистрированное фотодиодом, может указывать на объем крови в коже пользователя. Датчик ФПГ может выполнять мониторинг перфузии крови в слое дермы и подкожной ткани кожи посредством измерения поглощения на определенной длине волны. Если причиной изменения объема крови является бьющееся сердце, рассеянный свет, отражающийся от кожи пользователя, также изменяется. Поэтому, выполняя мониторинг светового сигнала, обнаруженного посредством фотодиода, можно определить пульс в коже пользователя и, следовательно, частоту сердечных сокращений.
Иными словами, информация о состоянии сердечно-сосудистой системы, такой как насыщение крови кислородом, частота сердечных сокращений и частота дыхательных движений, может быть получена бесконтактным способом с помощью датчика ФПГ. Однако датчики ФПГ могут быть чувствительными к искажениям сигнала, вызванным движением.
В EP 2116183 B1 раскрыто размещаемое на ухе оптоэлектрическое устройство для мониторинга сердечно-сосудистой системы, которое содержит два устройства, излучающих инфракрасный свет на двух разных длинах волн, который обнаруживается двумя парами фотодиодов. Кроме того, указанное устройство содержит датчик движения для обнаружения движения пользователя. Если пользователь находится в состоянии покоя или двигается слишком неравномерно, один из датчиков параметров сердечно-сосудистой системы может быть выключен. Однако использование двух различных диодов, излучающих свет, увеличивает потребление датчиком электропитания.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение создания оптического датчика показателей жизненно важных функций, способного эффективно регистрировать показатели жизненно важных функций пользователя, в частности, когда пользователь находится в движении, но при этом потреблять меньше электроэнергии.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, предложен оптический датчик показателей жизненно важных функций, который содержит по меньшей мере один источник света, имеющий по меньшей мере один главный и по меньшей мере один вспомогательный световые блоки, каждый из которых выполнен с возможностью генерирования света, направляемого на кожу пользователя. Главный световой блок приводится в действие, когда включается оптический датчик показателей жизненно важных функций. Оптический датчик показателей жизненно важных функций также содержит по меньшей мере один блок фотоприемника, имеющий по меньшей мере один фотодиод, выполненный с возможностью обнаружения света, который служит признаком прохождения через кожу или отражения от кожи пользователя света от указанного по меньшей мере одного главного и по меньшей мере одного вспомогательного световых блоков. Оптический датчик показателей жизненно важных функций также содержит по меньшей мере один датчик движения, выполненный с возможностью обнаружения движения пользователя, блок измерения периодичности, выполненный с возможностью анализа выходного сигнала по меньшей мере одного датчика движения для обнаружения периодичности в его выходном сигнале, и блок управления, выполненный с возможностью управления работой по меньшей мере одного главного и вспомогательного световых блоков. Блок управления выполнен с возможностью приведения в действие по меньшей мере одного вспомогательного светового блока в дополнение к указанному по меньшей мере одному главному световому блоку, если блок измерения периодичности не обнаруживает периодичность в выходном сигнале датчика движения. Следовательно, главный световой блок (например, зеленый) приведен в действие всегда, в то время как вспомогательный световой блок приводится в действие только в случае необходимости, например, для усиления устойчивости сигнала. Если с помощью выходного сигнала датчика движения можно удалить любые артефакты движения, тогда вспомогательные световые блоки не приводятся в действие. Однако, если артефакты движения не устраняются при использовании только информации от датчика движения, в таком случае приводятся в действие вспомогательные световые блоки, и используется также выходной сигнал фотоприемника, соответствующий свету от вспомогательного светового блока.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, блок управления содержит блок удаления артефактов движения, который выполнен с возможностью удаления артефактов движения из выходного сигнала блока фотоприемника на основе выходного сигнала по меньшей мере одного датчика движения и выходного сигнала по меньшей мере одного блока фотоприемника исходя из света от указанного по меньшей мере одного вспомогательного светового блока, когда приведен в действие по меньшей мере один вспомогательный световой блок.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, по меньшей мере один главный световой блок излучает зеленый свет и по меньшей мере один вспомогательный блок излучает красный, желтый или инфракрасный свет.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, блок управления выполнен с возможностью приведения в действие по меньшей мере одного вспомогательного светового блока с заданной задержкой, если блок измерения периодичности обнаружил периодичность в выходном сигнале по меньшей мере одного датчика движения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, главный световой блок выполнен с возможностью излучения зеленого света. Чтобы определить состояние покоя человека, выходной сигнал фотодиода, обнаруживающего зеленый свет от главного светового блока, может быть проанализирован для определения структуры. Если состояние покоя человека было таким образом определено, тогда вспомогательные датчики могут быть выключены.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ работы оптического датчика показателей жизненно важных функций, имеющего по меньшей мере один источник света с указанным по меньшей мере одним главным и по меньшей мере одним вспомогательным световыми блоками, по меньшей мере один блок фотоприемника с указанным по меньшей мере одним фотоприемником и датчиком движения. Главный световой блок приводят в действие для направления света на кожу пользователя, когда включен оптический датчик показателей жизненно важных функций. Обнаруживают свет, который служит признаком прохождения через кожу или отражения от кожи пользователя света от указанного по меньшей мере одного главного и/или по меньшей мере одного вспомогательного световых блоков. Движение пользователя обнаруживают датчиком движения. Выходной сигнал по меньшей мере одного датчика движения анализируют для обнаружения периодичности выходного сигнала. Выполняют управление работой по меньшей мере одного главного и/или по меньшей мере одного вспомогательного световых блоков. По меньшей мере один вспомогательный световой блок приводят в действие дополнительно к указанному по меньшей мере одному главному световому блоку, если не обнаружена периодичность в выходном сигнале датчика движения.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, оптический датчик показателей жизненно важных функций содержит акселерометр или датчик движения для обнаружения движения пользователя, а также по меньшей мере два датчика ФПГ, каждый из которых содержит источник света и по меньшей мере один фотоприемник. Один датчик является главным датчиком и может работать, например, с зеленым светом. Другой датчик является вспомогательным датчиком и может работать со светом другого цвета, например красным, синим, желтым или инфракрасным светом. Исходя из результатов измерения акселерометра, из выходного сигнала датчиков ФПГ могут быть эффективно удалены, в частности, артефакты движения вследствие периодического движения датчиков, например, при ходьбе, беге или езде на велосипеде. Причиной является значительная корреляция между артефактами движения в выходном сигнале датчика ФПГ и выходным сигналом акселерометра. С другой стороны, артефакты движения, вызванные апериодическим движением, и артефакты движения, которые не могут быть зарегистрированы акселерометром (изменения контакта между датчиком и кожей или движения сухожилий под кожей эффективно удалить нельзя), можно удалить после приведения в действие вспомогательного датчика ФПГ.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, по меньшей мере один дополнительный датчик ФПГ, например, работающий на разных цветах, или излучение от другого датчика может использоваться для компенсации артефактов движения этого типа. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, сигналы многоканальных ФПГ и сигналы акселерометра могут быть использованы для уменьшения артефактов движения в выходном сигнале датчика ФПГ, благодаря чему весь процесс измерения становится более надежным. Недостатком использования нескольких источников света и/или нескольких длин волн является увеличение потребления питания и сокращение срока службы батареи.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, дополнительные датчики ФПГ могут быть выключены или деактивированы, если выходного сигнала акселерометра достаточно для удаления артефактов из выходного сигнала датчиков ФПГ, когда такие артефакты являются результатом движения.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, некоторые из датчиков ФПГ могут быть выключены или деактивированы, если данные акселерометра являются достаточно хорошими для обеспечения удаления артефактов движения из выходного сигнала все еще приведенного в действие датчика ФПГ. Соответственно, один датчик ФПГ как главный датчик, например, работающий с зеленым светом, может быть приведен в действие на протяжении всего процесса измерения, а дополнительные датчики ФПГ могут быть приведены в действие или включены в том случае, когда данные акселерометра являются недостаточными для обеспечения требуемого удаления артефактов движения в выходных сигналах датчика ФПГ или датчиков ФПГ.
Следует понимать, что предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения является также сочетанием зависимых пунктов формулы изобретения или вышеупомянутых вариантов реализации или аспектов и соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.
Эти и другие аспекты данного изобретения станут понятными при изучении варианта(ов) реализации, описанного ниже в данном документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На приведенных ниже чертежах:
на фиг. 1 показан в целом принцип работы оптического датчика показателей жизненно важных функций,
на фиг. 2 показана блок-схема оптического датчика показателей жизненно важных функций в соответствии с аспектом настоящего изобретения, и
на фиг. 3 показана блок-схема оптического датчика показателей жизненно важных функций в соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан в целом принцип работы оптического датчика частоты сердечных сокращений. На фиг. 1 датчик частоты сердечных сокращений размещен на руке пользователя. Датчик 100 частоты сердечных сокращений содержит источник 110 света и фотоприемник 120, которые расположены на фиксированном расстоянии. Источник 110 света излучает свет на кожу 1000 пользователя. Часть излученного света отражается от поверхности кожи и может быть обнаружена фотоприемником 120. Оптический датчик частоты сердечных сокращений может быть реализован как датчик ФПГ.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, предложен оптический датчик показателей жизненно важных функций на основе датчика ФПГ. Такой датчик ФПГ показан на фиг. 1. Источник 110 света излучает свет на кожу или в кожу 1000 пользователя, часть этого света отражается, и отраженный свет может быть обнаружен фотоприемником 120. Выходной сигнал фотоприемника может быть проанализирован для определения частоты сердечных сокращений или других показателей жизненно важных функций пользователя.
Датчик ФПГ или оптический датчик показателей жизненно важных функций в соответствии с аспектом настоящего изобретения может быть реализован как надеваемое на запястье устройство, такое как интеллектуальные наручные часы или устройство с зажимом для пальца. Датчик ФПГ по настоящему изобретению пригоден для ношения и работает от батареи. Кроме того, оптический датчик показателей жизненно важных функций в соответствии с аспектом настоящего изобретения может также быть реализован как устройство, которое, например, носится пользователем за ухом или на любой другой части тела при условии, что оптический датчик показателей жизненно важных функций будет гарантированно находиться непосредственно на коже 1000 пользователя.
На фиг. 2 показана блок-схема оптического датчика показателей жизненно важных функций в соответствии с аспектом настоящего изобретения. Оптический датчик 100 показателей жизненно важных функций содержит источник 110 света и фотоприемник 120. Источник 110 света излучает свет на кожу или в кожу 1000 пользователя в определенном положении, а фотоприемник 120 выполнен с возможностью обнаружения отраженного или прошедшего света.
Источник света может содержать несколько световых блоков 111, 112, которые могут быть реализованы, например, как световые диоды СИД или лазерные диоды и могут излучать свет разного цвета. В частности, предусмотрены по меньшей мере один главный световой блок 111 и по меньшей мере один вспомогательный световой блок 112. Фотоприемник 120 может содержать по меньшей мере один фотодиод 121, 122, который служит для обнаружения света, отраженного от кожи 1000 или прошедшего сквозь кожу 1000 пользователя.
Оптический датчик 100 показателей жизненно важных функций также содержит блок 140 управления, который может управлять работой источника 110 света и/или фотоприемника 120. Оптический датчик 100 показателей жизненно важных функций 100 также содержит акселерометр или датчик 130 движения. Блок 140 управления может принимать выходной сигнал фотоприемника 120. Блок 140 управления может также принимать выходной сигнал датчика 130 движения. В качестве необязательного условия, оптический датчик 100 показателей жизненно важных функций 100 может дополнительно содержать дисплей 160 для отображения показателей жизненно важных функций, таких как частота сердечных сокращений пользователя. Блок 140 управления может содержать блок 141 оценки частоты сердечных сокращений, блок 142 удаления артефактов движения, блок 143 измерения периодичности и блок 144 переключения.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, главный и вспомогательный световые блоки 111, 112 излучают свет разной длины волны, так что генерируются два независимых выходных сигнала фотодиодов фотоприемника. Два разных световых сигнала от главного и вспомогательного световых блоков 111, 112 предпочтительно могут быть разделены в фотоприемнике 120. Эту операцию можно выполнить с помощью двух разных фотодиодов или с помощью временного мультиплексирования сигналов. Главный и вспомогательный световые блоки 111, 112 могут излучать прерывистый свет. Обнаружение такого света фотоприемником 120 может быть синхронизировано с излучаемым прерывистым светом. Таким образом, независимо могут быть обнаружены два цвета.
На фиг. 3 показана блок-схема оптического датчика показателей жизненно важных функций в соответствии с аспектом настоящего изобретения. Здесь главный световой блок 111 и по меньшей мере один вспомогательный световой блок 112 показаны вместе с датчиком 130 движения.
Блок 140 управления может также содержать блок 141 оценки частоты сердечных сокращений и блок 142 удаления артефактов движения. Блок 142 удаления артефактов движения может принимать выходной сигнал фотоприемника 120, который обнаруживает (отраженный) свет главного светового блока 111, который может быть реализован как датчик ФПГ, излучающий, например, зеленый свет. Блок 142 удаления артефактов движения может также принимать выходной сигнал датчика 130 движения. Блок 142 удаления артефактов движения служит для удаления артефактов выходного сигнала фотоприемника на основе света от первого светового блока 111 исходя из выходного сигнала датчика 130 движения.
Блок 140 управления также может содержать блок 143 измерения периодичности и блок 144 переключения. Блок 143 измерения периодичности предназначен для выявления периодического перемещения в выходном сигнале датчика 130 движения. Блок 144 переключения соединен с указанным по меньшей мере одним вспомогательным датчиком 112 и служит для приведения в действие или выключения вспомогательного светового блока 112. Блок 144 переключения принимает решение о включении или выключении по меньшей мере одного вспомогательного светового блока 112 исходя из выходного сигнала блока 143 измерения периодичности. Выходной сигнал блока 142 удаления артефактов движения соответствует выходному сигналу первого датчика ФПГ 111, но без артефакта движения, который удаляется блоком 142 удаления артефактов движения. Исходя из этих сигналов, блок 141 оценки частоты сердечных сокращений может определить или оценить частоту сердечных сокращений пользователя более эффективно и точно.
Блок 143 измерения периодичности определяет периодичность выходных сигналов датчика 130 движения. Исходя из этих результатов, приводится в действие или выключается по меньшей мере один вспомогательный световой блок 112. По меньшей мере один вспомогательный световой блок 112 может быть реализован как многоцветные СИДы и может излучать, например, красный, желтый и/или инфракрасный свет. В частности, блок 142 удаления артефактов движения хорошо работает с периодическими перемещениями или периодическим движением. Таким образом, дополнительный вспомогательный световой блок 112 не требуется и, следовательно, может оставаться выключенным, благодаря чему снижается потребление питания.
Если, однако, блок 143 измерения периодичности обнаружил апериодические перемещения или апериодическое движение, по меньшей мере один вспомогательный световой блок 112 может быть приведен в действие блоком 144 переключения, и выходной сигнал по меньшей мере одного вспомогательного светового блока 112 передается на блок 142 удаления артефактов движения. Такие апериодические перемещения могут возникать, например, когда отсутствует движение руки и, таким образом, нет сигнала акселерометра или есть только пониженный сигнал акселерометра.
Кроме того, следует отметить, что вспомогательные датчики ФПГ или световые блоки 112 могут быть многоканальными датчиками ФПГ, которые могут использоваться во время увеличения частоты сердечных сокращений, которое может возникать в начале периодического перемещения. В соответствии с аспектом настоящего изобретения, блок 144 переключения или блок 140 управления могут быть выполнены с возможностью ввода времени задержки при выключении вспомогательных датчиков 112 ФПГ, в частности, если в это же время было обнаружено периодическое движение. Если периодическое движение прекратилось, тогда по меньшей мере один вспомогательный датчик 112 ФПГ может быть приведен в действие, например, с помощью блока 144 переключения. Здесь артефакты движения удаляются с помощью комбинирования многоканальных датчиков ФПГ и сигналов акселерометра или датчика движения.
В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения, первый датчик ФПГ, который может излучать зеленый свет, может использоваться для обнаружения состояния покоя человека. Следует понимать, что выходной сигнал датчика ФПГ, использующего зеленый свет, может иметь характерную структуру. Если из выходного сигнала первого датчика ФПГ можно обнаружить, что человек находится в состоянии покоя, вспомогательные датчики ФПГ могут быть выключены.
Кроме того, если было установлено, что человек находится в состоянии покоя, например, с помощью выходного сигнала первого датчика ФПГ (зеленого датчика), блок 142 удаления артефактов движения может быть выключен.
Оптический датчик показателей жизненно важных функций в соответствии с аспектом настоящего изобретения может также содержать по меньшей мере два разных датчика ФПГ, каждый из которых имеет световой блок и по меньшей мере один фотодиод, при этом датчики ФПГ могут излучать свет разного цвета. В этом случае каждый из датчиков ФПГ может быть специализированным датчиком, имеющим по меньшей мере один световой блок и по меньшей мере один фотодиод.
Специалисты в области техники при выполнении заявленного изобретения после изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения смогут понять и выполнить изменения в раскрытых вариантах реализации.
В формуле изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль "a" или "an" не исключает множественное число.
Отдельный блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, приведенных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры перечислены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что не может использоваться комбинация таких мер для обеспечения преимущества. Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптическая запоминающая среда или твердотельная запоминающая среда, поставляемом вместе с другими аппаратными средствами или как их часть, но может также распространяться другим способом, например через сеть Интернет или по другим проводным или беспроводным системам связи.
Все ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие ее объем.