ЛАЗЕРНЫЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ДАТЧИК ЖИВОЙ ТКАНИ
LASER DOPPLER LIVING TISSUE SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам измерения показателей жизнедеятельности, и более конкретно к миниатюрному измерительному устройству (датчику) для бесконтактного обнаружения живой ткани субъекта на основании распознавания кровотока посредством лазерной допплеровской флоуметрии (LDF).
Уровень техники
В настоящее время активно разрабатываются технологии для бесконтактного обнаружения живой ткани субъекта (пользователя), применяемые, в частности, в конструкции носимых устройств, таких как, например, смарт-часы, электронные браслеты и т.п. Получаемые данные о показателях жизнедеятельности субъекта включают в себя, в качестве неограничивающего примера, данные о частоте сердечных сокращений (пульсе), о насыщении крови кислородом, о кровяном давлении и т.п. Устройство обнаружения живой ткани, реализующее такие технологии, имеет различные применения, в частности медицинские (для дистанционного контроля состояния показателей жизнедеятельности пациента), спортивные (для определения различных параметров, связанных с физической активностью субъекта), и всевозможные применения, связанные с определением того, что носимое устройство надето на соответствующую часть тела пользователя.
Существующие в настоящее время технологии бесконтактного обнаружения живой ткани и показателей жизнедеятельности субъекта основаны, в частности, на фотоплетизмографии (PPG). Однако такие технологии имеют ряд недостатков, среди которых долгое время реакции, высокое энергопотребление, наличие выраженных артефактов, вызываемых, в частности, движением субъекта, и возможность «обмана» устройства в отношении того, что носимое устройство надето на соответствующую часть тела субъекта.
Долгое время реакции в технологиях, основанных на фотоплетизмографии, объясняется тем, что при использовании сигнала PPG (т.е. фактически сигнала, отражающего сердцебиение субъекта) в качестве характеристики показателей жизнедеятельности субъекта для определения наличия/отсутствия живой ткани необходимо отслеживание сигнала по меньшей мере в течение 1-2 периодов сигнала PPG. Учитывая, что обычно частота сердечных сокращений человека составляет 60-100 в минуту, минимальное время отслеживания должно составлять от 0,6 до 2 с. Однако пользователем устройства такой промежуток времени воспринимается как слишком долгий.
Обычный светодиод для PPG потребляет 10-100 мА. Ввиду высокого энергопотребления время работы соответствующего датчика должно быть сокращено до минимума, что отрицательно сказывается, в частности, на применениях датчика, связанных с обеспечением безопасности.
Артефакты, вызванные движением, снижают точность обнаружения живой ткани субъекта при помощи PPG. Кроме того, поскольку сигнал PPG по существу отражает лишь большую или меньшую интенсивность света, возвращаемого на детектор, датчик PPG легко «обмануть», сымитировав наличие сердцебиения путем возвратно-поступательного перемещения отражающего предмета под датчиком.
В источнике US 6173197 (Moor Instruments Limited, опубликовано 09.01.2001) раскрыто устройство для измерения микроваскулярного кровотока в тканях, включающее в себя источник монохромного оптического излучения для излучения монохромного оптического излучения на участок тканей тела субъекта, фотодетектор для сбора оптического излучения, рассеиваемого на облучаемом участке тканей, процессор для обработки электрических выходных сигналов фотодетектора, вычисления спектра мощности фототоков, формируемых при обнаружении лазерного излучения, рассеиваемого статичной тканью, и лазерного излучения с допплеровским уширением, рассеиваемого движущимися кровяными клетками, и регистрации среднего допплеровского частотного сдвига. Устройство дополнительно измеряет и записывает интенсивность обнаруживаемого рассеянного оптического излучения, отфильтровывает шум в виде артефактов движения. По существу, данное известное решение представляет собой базовую конфигурацию системы лазерной допплеровской флоуметрии (LDF). К недостаткам данного известного решения можно отнести необходимость использования сложной зондовой системы.
В источнике WO 2007/122375 (THE UNIVERSITY OF NOTTINGHAM, опубликовано 01.11.2007) раскрыто фотоплетизмографическое (PPG) устройство, включающее в себя источник оптического излучения для освещения целевого объекта. Источник оптического излучения возбуждается модулятором таким образом, чтобы интенсивность выходного оптического излучения изменялась в зависимости от модулирующего сигнала с частотой модуляции. Детектор принимает оптическое излучение от целевого объекта и формирует электрический выходной сигнал в зависимости от интенсивности принимаемого оптического излучения. Демодулятор с локальным осциллятором принимает выходной сигнал детектора и формирует демодулированный выходной сигнал, представляющий модулирующий сигнал. Демодулятор нечувствителен к какой-либо разности фаз между модулирующим сигналом и осциллятором демодулятора. На основании демодулированного выходного сигнала формируется сигнал, указывающий на объем крови в зависимости от времени и/или состав крови. Может быть предусмотрено несколько демодуляторов для извлечения сигналов из множества источников оптического излучения с различными длинами волн или из массива детекторов. Устройство PPG может работать в передающем режиме или в режиме отражения. В режиме отражения устройство может использовать зеленый участок оптического спектра и поляризационные фильтры. По существу, данное решение представляет собой базовую конфигурацию устройства фотоплетизмографии (PPG). К недостаткам данного известного решения можно отнести необходимость отслеживания нескольких периодов сигнала (нескольких ударов сердца) для обнаружения живой ткани субъекта по сердцебиению.
Источник US 2019/0095602 (Apple Inc., опубликовано 28.03.2019) раскрыт способ аутентификации пользователя носимого электронного устройства, который включает в себя испускание оптического излучения на верхнюю сторону предплечья пользователя вблизи запястья; прием посредством светлопольной камеры отраженного оптического излучения от верхней стороны предплечья пользователя; формирование изображения светового поля из упомянутого отраженного оптического излучения; выполнение операции синтетической фокусировки изображения светового поля для построения по меньшей мере одного изображения по меньшей мере одного слоя поверхности предплечья вблизи запястья; извлечение набора признаков из упомянутого по меньшей мере одного изображения; определение того, соответствует ли упомянутый набор признаков опорному набору признаков; и аутентификацию пользователя на основании упомянутого соответствия. В некоторых вариантах выполнения способ может дополнительно включать в себя компенсацию поворота светлопольной камеры перед выполнением операции синтетической фокусировки или в процессе этой операции. В известном решении для аутентификации пользователя и обнаружения живой ткани используются признаки из разных фокальных плоскостей. К недостаткам данного известного решения можно отнести необходимость использования компактной светлопольной камеры при том, что в настоящее время светлопольные камеры столь малых размеров не являются коммерчески доступными.
В источнике WO2008/103897 (Honeywell International Inc., опубликован 28.08.2008) описано устройство для обнаружения присутствия человеческой ткани, включающее в себя источник освещения для обеспечения кодированного излучения в первой и второй полосах частот инфракрасного (ИК) спектра, причем излучение первой полосы частот отражается от кожи, а излучение второй полосы частот поглощается кожей. Детектор принимает излучение в упомянутых полосах частот после его попадания на кожу, и выдает кодированный сигнал, указывающий на наличие или отсутствие излучения в каждой из двух полос частот. Процессор декодирует упомянутый сигнал, обрабатывает его и указывает на присутствие человеческой ткани (кожи), если ИК излучение в первой полосе частот присутствует, а ИК излучение во второй полосе частот отсутствует. Таким образом, данное известное решение обеспечивает анализ пропускания и поглощения излучения в двух полосах частот оптического спектра. К недостаткам данного известного решения можно отнести сложную конструкцию приемника излучения, а также неустойчивость его работы к артефактам, вызываемым движением субъекта (далее также называемым артефактами движения).
По существу, к решению задачи обнаружения живой ткани, а также определения некоторых показателей жизнедеятельности субъекта, как показано выше, могут применяться подходы, основанные на фотоплетизмографии (PPG) и лазерной доплеровской флоуметрии (LDF). Как указано выше, к недостаткам методов, основанных на PPG, можно отнести относительно невысокое быстродействие (в частности, для принятия решения о наличии/отсутствии живой ткани необходимо отслеживание по меньшей мере двух сердцебиений, то есть около 2 секунд). В отличие от PPG, в LDF сигнал формируется за счет обнаружения кровотока, а не сердцебиения, при этом частота, с которой формируется сигнал, в LDF больше приблизительно в 1000 раз, что обеспечивает значительно более высокое быстродействие.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
С учетом рассмотренного выше уровня техники, техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в создании способа и устройства для обнаружения живой ткани субъекта методом LDF, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:
- безопасность для глаз субъекта,
- низкое энергопотребление,
- малые размеры устройства,
- короткое время отклика (высокое быстродействие),
- высокое соотношение «сигнал/шум» (SNR) при использовании источника излучения с низким энергопотреблением.
Задача изобретения состоит в создании компактного датчика для обнаружения живой ткани субъекта с коротким временем отклика, устойчивого к артефактам движения и намеренным манипуляциям устройством, в состав которого включен датчик согласно изобретению.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении точности и быстроты обнаружения живой ткани субъекта. Кроме того, повышается надежность обеспечения безопасности пользования носимым устройством, в котором используется способ и/или устройство согласно изобретению, и достоверность измерений показателей жизнедеятельности субъекта посредством носимого устройства, в котором используется способ и/или устройство согласно изобретению.
В первом аспекте вышеуказанная задача решается устройством для обнаружения живой ткани субъекта, содержащим: источник оптического излучения, выполненный с возможностью испускания оптического излучения на ткань субъекта; фотодетектор, выполненный с возможностью приема оптического излучения, отраженного от ткани субъекта, и оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта, причем оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, имеет доплеровский сдвиг по отношению к оптическому излучению, отраженному от ткани субъекта, причем фотодетектор выполнен с возможностью формирования высокочастотного доплеровского сигнала на основании упомянутого доплеровского сдвига; блок обнаружения, выполненный с возможностью приема высокочастотного доплеровского сигнала от фотодетектора и преобразования его в низкочастотный сигнал; и вычислительный блок, выполненный с возможностью определения наличия живой ткани на основании низкочастотного сигнала от блока обнаружения посредством вычисления параметров низкочастотного сигнала и сравнения вычисленных параметров низкочастотного сигнала с соответствующими опорными значениями.
В одном или более вариантах выполнения блок обнаружения содержит аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью аналого-цифрового преобразования высокочастотного доплеровского сигнала. Блок обнаружения может быть выполнен с возможностью смешивания оптического излучения, отраженного от ткани субъекта, и оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта. Блок обнаружения может дополнительно содержать фильтр низких частот, фильтр высоких частот или полосовой фильтр.
Источник оптического излучения может быть выполнен в виде источника когерентного оптического излучения, такого как лазерный диод. Фотодетектор может быть выполнен в виде фотодиода или гетеродинного детектора.
Во втором аспекте изобретения вышеуказанная задача решается способом обнаружения живой ткани субъекта, содержащим этапы, на которых: испускают оптическое излучение на ткань субъекта; принимают оптическое излучение, отраженное от ткани субъекта, и оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, причем оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, имеет доплеровский сдвиг по отношению к оптическому излучению, отраженному от ткани субъекта, формируют высокочастотный доплеровский сигнал на основании упомянутого доплеровского сдвига, преобразуют высокочастотный доплеровский сигнал в низкочастотный сигнал, вычисляют параметры низкочастотного сигнала, сравнивают вычисленные параметры низкочастотного сигнала с соответствующими опорными значениями, и определяют наличие или отсутствие живой ткани субъекта на основании упомянутого сравнения.
В одном или более вариантах выполнения преобразование высокочастотного доплеровского сигнала в низкочастотный сигнал содержит этап, на котором выполняют аналого-цифровое преобразование высокочастотного доплеровского сигнала в низкочастотный сигнал. Аналого-цифровое преобразование высокочастотного доплеровского сигнала может содержать этап, на котором формируют огибающую высокочастотного доплеровского сигнала.
В одном или более вариантах выполнения высокочастотный доплеровский сигнал получают посредством смешивания оптического излучения, отраженного от ткани субъекта, и оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта. Преобразование высокочастотного доплеровского сигнала в низкочастотный сигнал может содержать по меньшей мере одно из: выполнения фильтрации высоких частот по отношению к высокочастотному доплеровскому сигналу; выполнения фильтрации низких частот по отношению к высокочастотному доплеровскому сигналу; и выполнения полосовой фильтрации по отношению к высокочастотному доплеровскому сигналу.
Еще в одном аспекте изобретения вышеуказанная задача решается носимым пользовательским устройством, содержащим устройство для обнаружения живой ткани субъекта по вышеуказанному первому аспекту.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема работы устройства для обнаружения живой ткани субъекта согласно изобретению и его основные компоненты.
На Фиг. 2 показан график, иллюстрирующий сигнал лазерной доплеровской флоуметрии (LDF), получаемый в устройстве для обнаружения живой ткани субъекта согласно изобретению.
На Фиг. 3 показаны графики, иллюстрирующие отражение частот в одном или более вариантах выполнения изобретения.
На Фиг. 4 показана блок-схема способа по одному из вариантов выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
В основе настоящего изобретения лежит использование датчика лазерной доплеровской флоуметрии (LDF) для обнаружения живой ткани субъекта. В общем случае, принцип работы датчика LDF основан на облучении участка кожи субъекта лазером и анализе параметров интерференции между излучением, рассеиваемым кровотоком, и излучением, рассеиваемым окружающими тканями.
Под понятием «кровоток» в настоящем изобретении понимается в основном процесс движения клеток крови. Это движение отличается, во первых, характерной скоростью движения крови у человека в капиллярах (допплеровский сдвиг напрямую зависит от этой скорости) и, во вторых, суммарной мощностью рассеянного клетками кровью излучения (количество крови влияет на амплитуду сигнала). Из-за вполне определенных параметров скорости тока крови и количества крови принимаемый от клеток крови сигнал имеет характерный вид (в отличие от микродвижений, ток и количество крови в запястье довольно постоянны), что позволяет проще отличить кровоток от движений или тока других физиологических жидкостей. Например, при движениях мышц движется обычно большой массив ткани целиком, скорость такого движения непостоянна, а при движении лимфы ее количество, и, особенно, скорость ее движения значительно отличаются от подобных параметров крови, вследствие чего амплитуда сигнала и допплеровский сдвиг для мышц и лимфы существенно другие.
Как правило, LDF применяется в медицинских приборах для точного измерения (<1%) параметров кровотока субъекта (в частности, скорости кровотока), для реализации чего используются лазеры с высокой стабильностью, специализированные аналого-цифровые преобразователи и т.п. Соответствующие медицинские устройства характеризуются высокой сложностью, большими габаритами и высоким энергопотреблением. Существуют более миниатюрные носимые устройства, специально предназначенные для дистанционного контроля скорости кровотока у пациентов. Предлагаемое изобретение сосредоточено на решении задачи обнаружении живой ткани и, в некоторых неограничивающих вариантах выполнения - также измерения частоты сердечных сокращений субъекта. Для этого предлагаемое изобретение реализовано в миниатюрном датчике, габариты и уровень энергопотребления которого позволяют встраивать датчик в многофункциональные носимые устройства, такие как, в качестве неограничивающего примера, смарт-часы, электронные браслеты и т.п.
Для решения этой задачи предлагаемое изобретение оптимизировано по сравнению с существующими решениями на основе LDF, применяемыми в медицине. В предлагаемом изобретении не требуется высокоточное измерение скорости кровотока, и по существу данных, формируемых в изобретении, должно быть достаточно для быстрого различения живой и неживой ткани.
Обращаясь к Фиг. 1, в первом аспекте изобретение реализовано в виде устройства для обнаружения живой ткани субъекта, содержащего источник оптического излучения, фотодетектор 100, блок 110 обнаружения и вычислительный блок 120.
Источник оптического излучения выполнен с возможностью испускания оптического излучения на ткань субъекта, облучая участок ткани субъекта, такой как, в качестве неограничивающего примера, область запястья в случае реализации устройства согласно изобретению в составе носимого пользовательского устройства, такого как смарт-часы или электронный браслет. В качестве неограничивающего примера, источник оптического излучения может представлять собой лазерный диод, выполненный с возможностью испускания когерентного оптического излучения с длиной волны в диапазоне от приблизительно 630 до приблизительно 860 нм, предпочтительно около 850 нм. В качестве альтернативы источник оптического излучения может быть выполнен в виде любого другого источника, дающего когерентное излучение, такого как лазер на кристалле, волоконный источник, газовый источник и т.п.
Когерентное оптическое излучение, испускаемое источником оптического излучения на ткань субъекта, отражается от кожи субъекта и от кровотока (потока клеток крови по кровеносным сосудам). При этом оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, имеет доплеровский сдвиг по отношению к оптическому излучению, отраженному от ткани субъекта. По существу, этот доплеровский сдвиг является признаком, отличающим живую ткань от любой другой («неживой») поверхности в соответствии с изобретательским замыслом. В случае «неживой» поверхности все когерентное оптическое излучение будет отражаться от поверхности без упомянутого доплеровского сдвига.
Фотодетектор 100 выполнен с возможностью приема (обнаружения) оптического излучения, отраженного от ткани субъекта, и оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта. Кроме того, фотодетектор 100 выполнен с возможностью обнаружения доплеровского сдвига оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта, по отношению к оптическому излучению, отраженному от ткани субъекта. В контексте настоящего изобретения доплеровский сдвиг оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта, выражается в некотором смещении частоты и/или длины волны оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта, по отношению к оптическому излучению, отраженному от ткани субъекта. При этом оптическое излучение, отраженное от ткани субъекта, возвращается на фотодетектор 100 по существу с той же частотой и/или длиной волны, с которой оно излучалось. Это обусловлено тем, что ткань может рассматриваться по существу как поверхность, находящаяся в состоянии покоя, в то время как кровоток характеризуется движением клеток крови по кровеносным сосудам, на которое, к тому же, влияет, в частности, сердцебиение субъекта.
Оптическое излучение, отраженное от ткани субъекта, и оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, интерферируют на фотодетекторе 100, при этом фотодетектор 100 выдает электрический сигнал в диапазоне, соответствующем разности частот между оптическим излучением, отраженным от ткани, и оптическим излучением, отраженным от кровотока.
Таким образом, на основании обнаруженного доплеровского сдвига фотодетектор 100 выполнен с возможностью вывода электрического сигнала, называемого далее высокочастотным доплеровским сигналом. Упомянутый высокочастотный доплеровский сигнал имеет частоту, в качестве неограничивающего примера, в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 кГц, что в общем соответствует частоте колебаний, формируемых кровотоком субъекта. Высокочастотный доплеровский сигнал в контексте настоящего изобретения проиллюстрирован на Фиг. 2.
В одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения высокочастотный доплеровский сигнал получается в фотодетекторе 100 посредством смешивания оптического излучения, отраженного от ткани субъекта, и оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта. В одном или более неограничивающих вариантах выполнения фотодетектор может быть выполнен в виде фотодиода или гетеродинного детектора. В качестве альтернативы, фотодетектор 100 может быть выполнен в виде фоторезистора и фототранзистора.
Далее, как показано на Фиг. 1, блок 110 обнаружения выполнен с возможностью приема высокочастотного доплеровского сигнала от фотодетектора 100 и преобразования его в низкочастотный сигнал, посредством, в частности, переноса частот из высокочастотного диапазона (1-10 кГц, как указано выше) в низкочастотный диапазон (в качестве неограничивающего примера, приблизительно менее 1 кГц), и аналого-цифрового преобразования сигнала. Для этого в одном или более неограничивающих вариантах выполнения блок 110 обнаружения содержит фильтр высоких частот и низкочастотный аналого-цифровой преобразователь.
Сначала выполняется фильтрация высокочастотного доплеровского сигнала для устранения низкочастотной составляющей (в качестве неограничивающего примера, составляющей с частотой ниже 1/2 частоты дискретизации Fs (иначе, Fs/2)).
Дискретизация сигнала осуществляется посредством низкочастотного аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации Fs. Дискретизация позволяет осуществить отражение частот (алиасинг), при котором отфильтрованная высокочастотная составляющая с частотой F>Fs/2 отражается относительно частоты дискретизации Fs в низкочастотную область с частотой Fnew=Fs-F. Это обеспечивает возможность анализа сигнала, по существу соответствующего высокочастотному доплеровскому сигналу, в низкочастотном диапазоне (приблизительно около 1 кГц, как указано выше), что менее затратно в плане вычислительной мощности по сравнению с анализом непосредственно высокочастотного сигнала без упомянутого отражения (переноса, алиасинга) частот в низкочастотную область, но при этом обеспечивает достаточный объем данных, получаемых в виде высокочастотного доплеровского сигнала, по меньшей мере для решения главной задачи - обнаружения живой ткани.
Отражение частот в контексте изобретения проиллюстрировано на графиках Фиг. 3. На графике А показаны уровни сигнала для всех частот в получаемом сигнале. На графике В заштрихованная область обозначает ту область частотного спектра, которая пропускается через фильтр высоких частот, тонкой вертикальной линией обозначена частота дискретизации. На графике С показан результат отражения частот через частоту дискретизации.
Устраняемая низкочастотная составляющая по существу представляет собой низкочастотный шум, вызванный, в качестве неограничивающего примера, движениями руки субъекта, на которую надето носимое устройство, в котором реализовано настоящее изобретение. Это с достижением преимущества позволяет исключить артефакты движения, повышая точность обнаружения живой ткани.
Полученный в результате упомянутого аналого-цифрового преобразования низкочастотный (цифровой) сигнал далее передается в вычислительный блок 120, где вычисляются параметры низкочастотного сигнала, по которым в итоге определяется наличие или отсутствие живой ткани.
Вычислительный блок 120 выполнен с возможностью определения наличия живой ткани на основании низкочастотного сигнала от блока обнаружения посредством вычисления свойств низкочастотного сигнала и сравнения вычисленных свойств низкочастотного сигнала с соответствующими опорными значениями.
В одном или более неограничивающих вариантах выполнения низкочастотное сэмплирование (дискретизация) высокочастотного доплеровского сигнала осуществляется с использованием формирования огибающей высокочастотного доплеровского сигнала, показанной на Фиг. 2, для последующего измерения частоты сердечного ритма.
В некоторых неограничивающих вариантах выполнения изобретения фильтр высоких частот может быть исключен, или вместо него может использоваться фильтр низких частот. Такие варианты выполнения пригодны, в частности, для реализации изобретения в особенно миниатюрных носимых устройствах, таких как, в качестве неограничивающего примера, фитнес-браслеты. Исключение фильтра высоких частот сохранит в составе сигнала, поступающего на низкочастотный аналого-цифровой преобразователь, шумовую составляющую, вызванную механическими движениями устройства, но позволит при соответствующей обработке сигнала в вычислительном блоке получать некоторую дополнительную информацию, в частности, характеризующую показатели жизнедеятельности и/или психоэмоционального состояния субъекта.
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения изобретения вместо фильтра высоких частот может быть использован полосовой фильтр, который выполнен с возможностью исключения составляющих на всех частотах, кроме конкретных интересующих частот, в частности - кроме частот, близких к тем, которые характерны для кровотока субъекта. Это, в частности, обеспечивает улучшенное соотношение «сигнал/шум» (SNR), однако требует более сложной и, возможно, более крупногабаритной электронной схемы фильтра.
Обработка сигнала, принимаемого от низкочастотного аналого-цифрового преобразователя вычислительным блоком, осуществляется в соответствии со следующей последовательностью операций.
После оцифровки (аналого-цифрового преобразования) для сигнала, принимаемого вычислительным блоком 120, выполняется вычисление постоянного уровня сигнала и вычисление спектра сигнала, в частности вычисление уровней мощности сигнала в одном или более различных спектральных диапазонах.
Постоянный уровень сигнала в данном контексте представляет собой усредненный за длительное время (гораздо больше характерного периода LDF, например, за 100 миллисекунд) сигнал с фотодиода. Такое усреднение указывает на общую мощность отраженного сигнала и позволяет отделить объекты, по своей отражающей способности существенно отличающиеся от человеческой кожи (например, такие как металлы).
Далее упомянутые уровни мощности сигнала в одном или более различных спектральных диапазонах и постоянный уровень сравнивают с соответствующими опорными (пороговыми) значениями, которые заранее установлены для соответствующих уровней. Если упомянутые уровни мощности сигнала в одном или более различных спектральных диапазонах и постоянный уровень превышают соответствующие опорные (пороговые) значения, устанавливается, что ткань вблизи устройства обнаружения живой ткани согласно изобретению является живой тканью, то есть принадлежит живому субъекту. Если упомянутые уровни мощности сигнала в одном или более различных спектральных диапазонах и постоянный уровень ниже соответствующих опорных (пороговых) значений, устанавливается, что ткань вблизи устройства обнаружения живой ткани представляет собой неживой материал.
-14
-12
Опорные пороговые значения выбираются методом машинного обучения на большом наборе собранных и обработанных данных для живых и неживых объектов. Пороговые значения выбираются так, чтобы обеспечить максимально достоверное распознавание живой ткани при минимальном количестве ложных срабатываний на неживой ткани. Например, на прототипе датчика, мощность сигнала в диапазоне частот 450-500 Гц должна составлять 5.4*10-1.7*10 Вт.
В одном или более вариантах выполнения изобретения вместо измерения постоянного уровня сигнала может обнаруживаться (измеряться) сигнал с узким динамическим диапазоном. Это позволяет определять, находится ли сигнал, поступающий на вход вычислительного блока, в пределах динамического диапазона устройства согласно изобретению. Если сигнал, поступающий на вход вычислительного блока, находится за пределами динамического диапазона устройства (то есть, например, ниже нижнего предела или выше верхнего предела заранее установленного динамического диапазона), может быть установлено, что ткань вблизи устройства обнаружения живой ткани представляет собой неживой материал. В данном частном варианте выполнения устройства по настоящему изобретению требуется относительно невысокая сложность вычислений, в связи с чем может быть использована менее мощная схема вычислительного блока, и устройство согласно изобретению может быть с легкостью встроено в существующие носимые устройства.
В одном или более вариантах выполнения изобретения после сравнения уровней мощности сигнала в одном или более различных спектральных диапазонах и постоянного уровня сигнала с соответствующими опорными (пороговыми) значениями может быть дополнительно применен алгоритм так называемого «скользящего окна», который позволяет гибко регулировать требования к обнаружению живой ткани субъекта устройством согласно изобретению в зависимости от окружающих условий и/или конкретной текущей ситуации применения устройства обнаружения живой ткани согласно изобретению. В качестве неограничивающего примера требования к обнаружению живой ткани субъекта могут изменяться в зависимости от того, в каком режиме в данный момент работает носимое устройство, в которое встроено устройство согласно изобретению. Так, например, в одном режиме установление того, что ткань вблизи устройства обнаружения живой ткани представляет собой живую ткань субъекта, может осуществляться в случае, если в рамках заранее установленного периода времени (в качестве неограничивающего примера, 10 секунд) устройство, например, в течение 99% этого периода времени выдает указание на живую ткань субъекта. В другом режиме для установления того, что ткань вблизи устройства обнаружения живой ткани представляет собой живую ткань субъекта, может быть достаточно, чтобы устройство выдавало указание на живую ткань субъекта, например, в течение 70% или 80% того же или иного заранее установленного периода времени. В таком частном варианте выполнения изобретения обеспечивается дополнительная гибкость применения устройства согласно изобретению в различных режимах работы носимого устройства, например, для обеспечения дополнительной безопасности или удобства работы с устройством для пользователя. Кроме того, в таком варианте выполнения изобретения обеспечивается дополнительная устойчивость работы устройства к артефактам движения, однако при этом увеличивается время отклика устройства по сравнению с другими вариантами выполнения изобретения.
Кроме того, в одном или более частных вариантах выполнения изобретения в вычислительном блоке может не использоваться определение постоянного уровня сигнала. Это позволяет использовать определенные фильтры перед аналого-цифровым преобразованием сигнала, однако при этом усложняется алгоритм установления живой или неживой ткани, основанный на сравнении мощности сигнала в одном или более спектральных диапазонах с соответствующими пороговыми значениями. В частности, в таких вариантах выполнения может использоваться полосовой фильтр или фильтр высоких частот, которые могут исключать из фильтруемого сигнала как низкочастотную составляющую, так и постоянный уровень сигнала. Таким образом, в установлении живой или неживой ткани могут использоваться только значения мощности соответствующих спектральных диапазонов сигнала, что вызывает необходимость использования более сложного алгоритма. В частности, такой вариант выполнения изобретения пригоден в случаях, когда требуется высокое отношение «сигнал/шум» (SNR), в связи с чем необходимо применять, например, полосовой фильтр перед аналого-цифровым преобразованием сигнала.
В одном или более вариантах выполнения после аналого-цифрового преобразования сигнала вычислительный блок может быть выполнен с возможностью дополнительной обработки сигнала для получения других данных помимо определения живой/неживой ткани. В качестве неограничивающего примера, из сигнала, оцифрованного с частотой порядка 1 кГц как указано выше, могут быть получены данные о частоте сердечных сокращений, кровяном давлении, состоянии сердечно-сосудистой системы, психоэмоциональном состоянии субъекта и т.п. Данные параметры вычисляются методами машинного обучения (например, нейросетями) из принятого необработанного сигнала. Например, для обучения нейтосети используется большой набор размеченных данных, в котором присутствуют данные для людей с различными значениями кровяного давления. Параметрами, которыми оперирует нейросеть, могут быть, например, разность между максимальным и минимальным значением сигнала, средний шум (RMS), скорость нарастания сигнала при пульсе и т.д.
Для этих целей может дополнительно потребоваться регулировка положения устройства, в связи с чем может быть дополнительно предусмотрена возможность запроса у пользователя носимого устройства, в которое встроено устройство согласно изобретению, например, поднести устройство к одной из артерий на руке субъекта, через пользовательский интерфейс носимого устройства.
В одном или более вариантах выполнения источник оптического излучения и/или фотодетектор могут быть дополнены оптическими средствами фокусировки/сбора оптического излучения, такими как, в качестве неограничивающего примера, линзы, линзы Френеля, дифракционные оптические элементы (DOE). Это позволяет дополнительно повысить эффективность проникновения оптического излучения, испускаемого источником оптического излучения, внутрь ткани для обнаружения кровотока, и/или сбора оптического излучения, отраженного поверхностью ткани и/или кровотоком субъекта, соответственно. Кроме того, таким образом может быть обеспечено проникновение оптического излучения, испускаемого источником оптического излучения, в ткань субъекта на заранее установленную глубину. Это позволяет повысить интенсивность собираемого отраженного оптического излучения и/или отношение «сигнал/шум» (SNR) сигнала, однако требует наличия и совмещения дополнительных компонентов оптической системы.
Со ссылкой на Фиг. 4 далее поясняется способ обнаружения живой ткани субъекта, выполняемый устройством (датчиком) согласно изобретению. Следует отметить, что способ реализуется в устройстве (датчике) для обнаружения живой ткани, встроенном в носимое пользовательское устройство, такое как, в качестве неограничивающего примера, смарт-часы, фитнес-браслет, кольцо и т.п. Однако следует понимать, что данный перечень носимых устройств, в которых реализуется способ согласно изобретению, не является исчерпывающим, и возможна реализация изобретения также в более специализированных носимых пользовательских электронных устройствах, таких как, например, компьютер для подводного плавания, носимые устройства для занятий экстремальными видами спорта и т.п. Кроме того, следует понимать, что изобретение может быть реализовано как в существующих носимых пользовательских устройствах, например путем встраивания в конструкцию уже существующих смарт-часов, электронного браслета и т.п., так и в устройствах, которые могут быть созданы в будущем.
На этапе S1 испускают оптическое излучение на ткань субъекта. Для этого используется источник оптического излучения, выполненный с возможностью испускания оптического излучения на ткань субъекта, облучая участок ткани субъекта, такой как, в качестве неограничивающего примера, область запястья, расположенная под надетым на руку пользователя носимым устройством. В качестве неограничивающего примера, источник оптического излучения может представлять собой лазерный диод, выполненный с возможностью испускания когерентного оптического излучения.
На этапе S2 принимают оптическое излучение, отраженное от ткани субъекта, и оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, причем оптическое излучение, отраженное от кровотока субъекта, имеет доплеровский сдвиг по отношению к оптическому излучению, отраженному от ткани субъекта. Для этого используется фотодетектор (фотодиод), описанный выше в отношении устройства согласно изобретению. На основании доплеровского сдвига фотодетектор формирует высокочастотный доплеровский сигнал, который передается в блок обнаружения устройства согласно изобретению. В одном или более вариантах выполнения изобретения доплеровский сдвиг может получаться путем смешивания оптического излучения, отраженного от ткани субъекта, и оптического излучения, отраженного от кровотока субъекта.
На этапе S3 в блоке обнаружения преобразуют высокочастотный доплеровский сигнал в низкочастотный сигнал. Это преобразование осуществляется в частности, путем переноса частот из высокочастотного диапазона (1-10 кГц, как указано выше), соответствующего высокочастотному доплеровскому сигналу, в низкочастотный диапазон (в качестве неограничивающего примера, приблизительно менее 1 кГц). Далее выполняется аналого-цифровое преобразование сигнала.
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения этап S3 может содержать по меньшей мере один подэтап, на котором выполняется фильтрация высокочастотного доплеровского сигнала для устранения низкочастотной составляющей (в качестве неограничивающего примера, составляющей с частотой ниже 1/2 частоты дискретизации Fs (иначе, Fs/2)), при этом высокочастотная составляющая с частотой F>Fs/2 отражается относительно частоты дискретизации Fs в низкочастотную область с частотой Fnew=Fs-F.
На этапе S4 вычисляются параметры низкочастотного сигнала, по которым определяется наличие или отсутствие живой ткани. Для этого используется описанный выше вычислительный блок, принимающий низкочастотный (цифровой) сигнал от блока обнаружения. Как указано выше, это вычисление параметров может содержать, в частности, определение постоянного уровня (DC) сигнала и мощности сигнала в одном или более конкретных диапазонах частот.
На этапе S5 вычислительный блок сравнивает вычисленные параметры низкочастотного сигнала с соответствующими опорными значениями. В качестве опорных значений могут использоваться, в частности, заранее установленные пороговые значения постоянного уровня сигнала и мощности сигнала в одном или более конкретных диапазонах частот.
На этапе S6 вычислительный блок определяет наличие или отсутствие живой ткани субъекта на основании упомянутого сравнения вычисленные параметры низкочастотного сигнала с соответствующими опорными значениями.
При практической реализации способа и устройства согласно изобретению была продемонстрирована возможность реализации назначения изобретения (обнаружение живой ткани субъекта) с достижением технического результата (повышение точности и быстроты обнаружения живой ткани субъекта). В одном из примеров практической реализации изобретения устройство для обнаружения живой ткани субъекта было встроено в носимое пользовательское электронное устройство, а именно в доступные на рынке смарт-часы фирмы Samsung. Устройство согласно изобретению содержало источник оптического излучения, выполненный в виде лазерного диода, фотодетектор, выполненный в виде фотодиода, блок обнаружения, включающий в себя фильтр высоких частот и низкочастотный аналого-цифровой преобразователь, и вычислительный блок, реализованный в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).
Следует отметить, что реализация вычислительного блока в виде ПЛИС не ограничивает объем заявляемого изобретения, и в качестве вычислительного блока может также использоваться встроенный процессор носимого устройства (ARM), по меньшей мере один процессор общего назначения под управлением соответствующей программы, сохраненной на машиночитаемом носителе, и/или микропрограммного обеспечения, по меньшей мере один микропроцессор и т.п. Специалистам в данной области техники будут очевидны различные варианты реализации вычислительного блока, пригодные для использования в настоящем изобретении.
Фотодетектор выводил электрический сигнал, соответствующий обнаруживаемому доплеровскому сдвигу между оптическим излучением, отраженным от ткани, и оптическим излучением, отраженным от кровотока субъекта, с частотой в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 кГц, что в общем соответствовало частоте колебаний, формируемых кровотоком субъекта.
Дискретизация сигнала осуществлялась посредством низкочастотного аналого-цифрового преобразователя с отражением частот (алиасингом), при котором отфильтрованная высокочастотная составляющая отражалась относительно частоты дискретизации в низкочастотную область.
Вычислительный блок реализовывал алгоритм обработки, включающий в себя этапы вычисления спектра оцифрованного низкочастотного сигнала, измерения постоянного уровня сигнала, разделения низкочастотного сигнала на три спектральных диапазона, определения общей мощности сигнала в каждом из трех спектральных диапазонов и сравнения уровней мощности сигнала в каждом из трех спектральных диапазонов и постоянного уровня сигнала с соответствующими заранее установленными пороговыми значениями.
Устройство согласно изобретению было проверено в нескольких сценариях использования. В частности, носимое устройство, в которое было встроено устройство согласно изобретению, надевали на руку живого субъекта. Кроме того, носимое устройство снимали, клали на неподвижную поверхность, а также проверяли, надев носимое устройство на неодушевленный предмет, удерживаемый человеком. Проверка показала, что устройство определяло наличие живой ткани в 95% случаев, когда носимое устройство, в которое было встроено устройство согласно изобретению, было надето на руку субъекта, и не определяло наличие живой ткани в случае, если носимое устройство было снято с руки субъекта, лежало на неподвижной поверхности. Ложное определение живой ткани устройством происходило не более чем в 4% случаев.
Таким образом. была продемонстрирована возможность реализации назначения изобретения (обнаружение живой ткани субъекта) с достижением технического результата (повышение точности и быстроты обнаружения живой ткани субъекта).
Следует отметить, что устройство и способ обнаружения живой ткани пригодны для применения, в частности, в носимых устройствах, таких как упомянутые выше смарт-часы, электронные кольца, электронные браслеты, специализированные ручные компьютеры для спортсменов, аквалангистов и т.п., и обеспечивает достижение следующих полезных эффектов. Помимо обеспечения возможности собственно идентификации присутствия/отсутствия живой ткани субъекта вблизи устройства и определения некоторых показателей жизнедеятельности субъекта, таких как частота сердечных сокращений (ЧСС) и кровяное давление, изобретение эффективно в тех применениях, в которых необходимо быстрое определение того, надето ли носимое устройство на руку субъекта или снято. Например, в зависимости от того, надето ли носимое устройство на руку субъекта или снято, оно может оставаться зарегистрированным в учетной записи пользователя или выходить из нее. Это может использоваться, например, в приложениях, связанных с интернет-банкингом, платежными системами и т.п., повышая безопасность использования таких приложений, поскольку носимое устройство практически мгновенно выходит из соответствующей учетной записи, как только оно обнаруживает, что устройство снято с руки пользователя.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.