Датчик показателей жизненно важных функций и способ измерения показателей жизненно важных функций пользователя - RU2680190C1
Код документа: RU2680190C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к датчику показателей жизненно важных функций, а также к способу измерения показателей жизненно важных функций пользователя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Оптические датчики частоты сердечных сокращений широко известны в области мониторинга или регистрации показателей жизненно важных функций, например частоты сердечных сокращений, пользователя. Такой датчик частоты сердечных сокращений может быть основан на применении фотоплетизмографического (ФПГ, PPG) датчика и может использоваться для измерения величины объема органа. При помощи оптических пульсовых датчиков или пульсовых оксиметров регистрируют изменения поглощения света кожей человека, и на основе этих измеренных значений может быть определена частота сердечных сокращений или другие показатели жизненно важных функций пользователя. ФПГ-датчики содержат источник света, подобный светоизлучающему диоду (СИД), который излучает свет в кожу пользователя. Излучаемый свет рассеивается в коже и по меньшей мере частично поглощается кровью. Часть света выходит из кожи и может захватываться фотодетектором. Количество света, захватываемого фотодетектором, может представлять собой показатель объема кровенаполнения кожи пользователя. ФПГ-датчик может осуществлять мониторинг перфузии крови в дерме и жировой клетчатке кожи посредством измерения поглощения света конкретной длины волны. Если объем крови вследствие сердечных сокращений изменяется, рассеянный свет, который возвращается назад от кожи пользователя, также изменяется. Таким образом, осуществляя мониторинг сигнала регистрируемого света посредством фотодетектора, можно определить пульс в тканях кожи пользователя и, следовательно, частоту сердечных сокращений. Кроме того, если используются по меньшей мере два цвета, могут быть определены такие соединения в крови, как оксигемоглобин и дезоксигемоглобин, а также насыщение крови кислородом.
Импульсный сигнал сердечного ритма может быть зарегистрирован с использованием фотоплетизмографии (ФПГ), которая измеряет изменение объема крови в ткани человека. В ФПГ-датчике для излучения света на кожу пользователя используются светоизлучающие диоды, например, с длинами волн от 520 нм (зеленый) до 850 нм (инфракрасный). При ФПГ-измерении проходного типа используют свет в диапазоне длин волн 650-850 нм, а для ФПГ-измерения отражающего типа используется свет в диапазоне 520-570 нм.
Свет рассеивается в коже пользователя, при этом часть света поглощается кровью. Отраженный свет выходит из кожи и может быть зарегистрирован фотодиодом. Таким образом, выходной сигнал фотодиода может указывать на объем крови, а также на его изменение, то есть на пульс в коже пользователя.
На фиг. 1 представлен график, показывающий выходной сигнал ФПГ-датчика без движения в соответствии с предшествующим уровнем техники. На графике частота сердечных сокращений или импульсный сигнал является четко определяемыми.
Однако при наличии движения выходной сигнал ФПГ-датчика может быть искажен.
На фиг. 2 показан выходной сигнал ФПГ-датчика в соответствии с предшествующим уровнем техники без движения и при наличии движения. На фиг. 2 показано выходное напряжение V ФПГ-датчика в зависимости от времени. В области А1, также как и в области A3, движение отсутствует. Однако в области А2 движение присутствует. Как можно видеть, в области А2 импульсные сигналы сложнее определить из-за влияния движения. Большая часть артефактов в области А2 обусловлена кровенаполнением вен пользователя, поскольку давление крови в венах ниже.
В US 7727159 В2 раскрыт ФПГ-датчик, выполненный с возможностью коррекции артефактов движения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание датчика показателей жизненно важных функций с увеличенным отношением сигнал/шум путем устранения артефактов движения в выходном сигнале датчика показателей жизненно важных функций.
Согласно аспекту настоящего изобретения предложен оптический датчик показателей жизненно важных функций для измерения или определения показателей жизненно важных функций пользователя. Оптический датчик показателей жизненно важных функций может быть фотоплетизмографическим датчиком (ФПГ). Источник света выполнен с возможностью генерирования по меньшей мере трех длин волн, направленных на кожу пользователя. Датчик также содержит блок фотодетектора, выполненный с возможностью определения интенсивности света по меньшей мере для трех длин волн, причем указанный свет характеризует отражение света, направленного на кожу пользователя или от нее. Датчик также содержит блок коррекции движения, выполненный с возможностью корректировки артефактов движения по интенсивности света, определенной фотодетектором, путем вычитания интенсивности света, определенной для второй длины волны, из среднего значений интенсивности света, определенных для первой длины волны и для третьей длины волны. Первая, вторая и третья длины волн имеют величину приблизительно около 550 нм. Вторая длина волны равноудалена от первой и второй длин волн. В качестве примера первая длина волны составляет 530 нм, вторая длина волны составляет 550 нм, и третья длина волны составляет 570 нм.
Согласно аспекту изобретения вторая длина волны соответствует сумме первой и третьей длин волн, деленной на 2. Если выбрать соответственно первую, вторую и третью длину волны, это обеспечит легкую и эффективную коррекцию артефактов движения.
Согласно еще одному аспекту изобретения вторая длина волны соответствует приблизительно 550 нм. Соответственно, первая длина волны может составлять 530 нм, а третья длина волны может составлять 570 нм. Альтернативно, первая длина волны может составлять 540 нм, а третья длина волны может составлять 560 нм.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ измерения или определения показателей жизненно важных функций пользователя оптическим датчиком показателей жизненно важных функций, который выполнен с возможностью измерения или определения показателей жизненно важных функций пользователя. Оптический датчик показателей жизненно важных функций представляет собой ФПГ-датчик. Свет генерируют по меньшей мере с тремя длинами волн и направляют на кожу пользователя. Интенсивность света, характеризующая отражение света, излученного на кожу пользователя или с нее, обнаруживают по меньшей мере для трех длин волн. Артефакты движения корректируют по регистрируемому свету путем вычитания интенсивности света, определенной для второй длины волны, из среднего значений интенсивности света, определенных для первой длины волны и для третьей длины волны. Первая, вторая и третья длины волн имеют величину приблизительно около 550 нм. Вторая длина волны равноудалена от первой и третьей длин волн.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложена компьютерная программа для мониторинга частоты сердечных сокращений пользователя в оптическом датчике показателей жизненно важных функций, как определено выше. Компьютерная программа содержит средства программного кода, обусловливающие выполнение оптическим датчиком показателей жизненно важных функций этапов способа измерения или определения показателей жизненно важных функций пользователя, когда компьютерная программа запущена на компьютере, управляющем оптическим датчиком показателей жизненно важных функций, или если компьютерная программа запущена в оптическом датчике показателей жизненно важных функций.
Согласно другому аспекту изобретения датчик показателей жизненно важных функций содержит ФПГ-датчик на основе светоизлучающего диода. Свет светоизлучающего диода проходит в ткань кожи пользователя, отражается и некоторая его часть может достигать фотодетектора. Выходной сигнал фотодетектора можно использовать для контроля объемной доли крови и соединений крови, таких как оксигемоглобин и дезоксигемоглобин. В частности, величина поглощения или отражения света от СИД-источника света может быть использована для определения частоты сердечных сокращений, а также объемной доли крови или соединений крови. Частота сердечных сокращений связана с объемной долей крови. Кроме того, согласно изобретению ФПГ-датчик является, соответственно, оптическим датчиком, обеспечивающим возможность неинвазивного измерения показателей жизненно важных функций пользователя.
Согласно другому аспекту изобретения ФПГ-датчик предназначен для измерения или определения частоты сердечных сокращений пользователя. ФПГ-датчик содержит по меньшей мере один источник света, например, СИД и по меньшей мере один фотодетектор, например, фотодиод. Сигнал, полученный фотодиодом, обрабатывается для определения частоты сердечных сокращений пользователя. Чтобы скорректировать любые артефакты движения, которые создаются движением пользователя во время ношения ФПГ-датчика, ФПГ-датчик излучает свет с тремя различными длинами волн, которые равно удалены друг от друга и имеют величину приблизительно около 550 нм. Для удаления артефактов движения из выходных сигналов фотодетектора, выходной сигнал фотодетектора и вторая длина волны вычитают из среднего выходного сигнала фотодетектора при первой и третьей длинах волн.
Следует понимать, что предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения также может быть комбинация зависимых пунктов формулы изобретения или вышеуказанных вариантов осуществления или аспектов с соответствующими независимыми пунктами формулы изобретения.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны и будут объяснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанный(е) в представленном ниже описании.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На следующих чертежах:
на фиг. 1 показан график выходного сигнала ФПГ-датчика в соответствии с предшествующим уровнем техники,
на фиг. 2 показан выходной сигнал ФПГ-датчика в соответствии с предшествующим уровнем техники,
на фиг. 3 в целом показан принцип работы датчика показателей жизненно важных функций согласно одному аспекту изобретения,
на фиг. 4 представлен график, показывающий интенсивность света, отраженного от кожи пользователя согласно одному аспекту изобретения,
на фиг. 5 представлен график, показывающий зависимость амплитуды выходного сигнала от длины волны света от ФПГ-датчика,
на фиг. 6 представлен график, показывающий спектр света, отраженного кровью, а также спектр света, отраженного сухожилием пользователя,
на фиг. 7 показана блок-схема оптического датчика показателей жизненно важных функций согласно одному аспекту изобретения, и
на фиг. 8 показан график выходного сигнала ФПГ-датчика без коррекции движения и с коррекцией движения согласно одному аспекту изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 3 в целом показан принцип работы датчика показателей жизненно важных функций. На фиг. 3 датчик 100 частоты сердечных сокращений со своей контактной поверхностью 101 расположен или размещен, например, на руке пользователя. Датчик показателей жизненно важных функций может быть выполнен на основе фотоплетизмографического ФПГ-датчика. Контактная поверхность 101 может быть размещена непосредственно на коже 1000 пользователя. Датчик 100 частоты сердечных сокращений содержит по меньшей мере один источник 110 света и по меньшей мере один фотодетектор 120. Источник 110 света излучает свет, например, через контактную поверхность 101 на кожу 1000 или в ткань кожи пользователя. Некоторая часть света отражается и отраженный свет может быть зарегистрирован фотодетектором 120. Некоторая часть света может проходить через ткань пользователя и регистрироваться фотодетектором 120. На основе отраженного света могут быть определены показатели жизненно важных функций пользователя, например, частота сердечных сокращений. Блок 130 коррекции движения выполнен с возможностью корректировки артефактов движения выходного сигнала по меньшей мере одного фотодетектора 120, для улучшения отношения сигнал/шум и определения частоты сердечных сокращений или других показателей жизненно важных функций пользователя.
Выходной сигнал ФПГ-датчика указывает на движение крови по сосудам пользователя. Качество выходного сигнала ФПГ-датчика может зависеть от скорости потока крови, морфологии кожи и температуры кожи. Кроме того, оптические потери в ФПГ-датчике также могут оказывать влияние на качество выходного сигнала ФПГ-датчика. Оптическая эффективность ФПГ-датчика может зависеть от потерь на отражение, при прохождении света из одной среды в другую. Кроме того, рассеяние света на поверхности кожи пользователя также может влиять на оптическую эффективность ФПГ-датчика.
ФПГ-датчик или оптический датчик показателей жизненно важных функций согласно одному аспекту изобретения могут быть реализованы как наручные устройства (например, часы или смарт-часы). Оптический датчик показателей жизненно важных функций может быть реализован в виде устройства, которое носится за ухом пользователя, например, как слуховой аппарат.
В некоторых случаях ФПГ-датчик согласно изобретению также может быть реализован в виде неинвазивного датчика, не имеющего контакта или бесконтактного датчика. Такой бесконтактный датчик может содержать по меньшей мере два (не имеющих контакта) оптических волокна (одно оптическое волокно в качестве передатчика или источника света и одно оптическое волокно в качестве приемника) и может использоваться для определения показателей жизненно важных функций пользователя.
На фиг. 4 представлен график, показывающий интенсивность света, отраженного от кожи пользователя, согласно одному аспекту изобретения. На фиг. 4 спектр света I, отраженного от кожи 1000 пользователя, изображен в зависимости от длины волны W(нм). Однако амплитуда отраженного света может изменяться из-за пульсации крови, а также движения пользователя или перемещения ФПГ-датчика относительно пользователя.
На фиг. 5 представлен график, показывающий зависимость амплитуды РА выходного сигнала от длины волны W(нм) света от ФПГ-датчика. На фиг. 5 показана амплитуда отраженного света в связи с движением ФПГ2, а также амплитуда отраженного света в связи с импульсом ФПГ1 в зависимости от длины волны.
Как можно видеть на фиг. 5, амплитуда импульсов является особенно высокой и заметной при длинах волн около 550 нм.
На фиг. 6 представлен график, показывающий спектр света, отраженного кровью, а также спектр света, отраженного сухожилием пользователя. На фиг. 6 верхняя кривая показывает зависимость спектра света I при отражении кровью пользователя. Нижняя кривая показывает спектр света I при отражении сухожилием пользователя. В то время как свет, отраженный кровью, имеет два различимых пика, свет, отраженный сухожилием, имеет график спектра, почти соответствующий линейному снижению при увеличении длины волны W(нм).
На фиг. 7 представлена блок-схема оптического датчика показателей жизненно важных функций согласно одному аспекту изобретения. Оптический датчик 100 показателей жизненно важных функций может содержать контактную поверхность 101, которая может находиться в непосредственном контакте с кожей 1000 пользователя. Оптический датчик показателей жизненно важных функций содержит источник 110 света, который может содержать три светоизлучающих диода 111-113. Указанные три светоизлучающих диода 111-113 могут излучать свет 111а, 112а, 113а с тремя различными длинами волн. Альтернативно, источник 110 может также содержать один настраиваемый светоизлучающий диод, который может излучать свет 111а, 112а, 113а с тремя различными длинами волн.
Кроме того, оптический датчик 100 показателей жизненно важных функций содержит блок 120 фотодетектора, выполненный с возможностью регистрировать отраженный свет 121а-123с. Источник 110 света может излучать свет 111а-113а с тремя длинами волн. Фотодетектор 120 может содержать три различных фотодиода 121-123, которые выполнены с возможностью регистрировать отраженный свет с тремя различными длинами волн 121а-123b. Выходной сигнал фотодетектора 120 направляется в блок 130 коррекции движения, который выполняет коррекцию влияния движения на выходные сигналы. Блок 130 коррекции движения служит для удаления артефактов движения из выходного сигнала фотодетектора.
Пусть, например тремя различными длинами волн являются Y1, Y2 и Y3. Данные три длины волны Y1-Y3 расположены на одном из максимумов вблизи значения 550 нм. Согласно одному аспекту изобретения выходной сигнал фотодетектора представляет собой сумму выходного сигнала фотодетектора, полученного в результате отражения света от крови В пользователя, и выходного сигнала фотодетектора, полученного в результате отражения света от сухожилий Т. Таким образом, выходной сигнал Ybt может представлять собой Yb+Yt, где индекс «b» соответствует крови, а индекс «t» соответствует сухожилиям. Если данное уравнение применить к трем точкам, получаются следующие результаты:
Как можно вывести из фиг. 6, координаты трех точек могут быть членами арифметического ряда, так что
Согласно одному аспекту изобретения, средняя длина волны равноудалена от первой и третьей длин волн, так что
Согласно одному аспекту изобретения коррекция влияния движения может основываться на следующей формуле:
Если уравнения 1-4 подставить в приведенное выше уравнение, можно видеть, что влияние сухожилий исключается, что в результате дает
Поскольку Y1b и Y3b практически равны друг другу, уравнение имеет следующий вид:
Соответственно, если использовать данную формулу, влияние сухожилий можно устранить, так что определяется только отраженный свет, обусловленный изменением крови.
Например, первая длина волны Y1 составляет 530 нм, вторая длина волны Y2 составляет 550 нм и третья длина волны Y3 составляет 570 нм.
Также возможны другие длины волн, если вторая длина волны равноудалена от первой и третьей длины волны. Другими словами, вторая длина волны лежит посередине между первой и третьей длинами волн.
На фиг. 8 представлен график выходного сигнала ФПГ-датчика без коррекции влияния движения и с коррекцией влияния движения согласно одному аспекту изобретения.
Другие вариации описанного варианта осуществления могут быть поняты и реализованы специалистом в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения на практике после ознакомления с чертежами, описанием и приложенной формулой изобретения.
В пунктах формулы изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а грамматические показатели единственного числа не исключают множественное число.
Отдельный блок или отдельное устройство может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в пунктах формулы изобретения. Сам факт того, что определенные меры перечислены в отдельных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что возможна успешная комбинация таких мер. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе информации, таком как оптическое запоминающее устройство или твердотельное запоминающее устройство, который поставляется вместе или как часть других аппаратных средств, но может также распространяться другими способами, например, через сеть Интернет или с использованием других проводных или беспроводных телекоммуникационных систем.
Все ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие ее объем.
Реферат
Группа изобретений относится к медицинской технике. ФПГ-датчик излучает свет по меньшей мере с тремя длинами волн (Y-Y) и регистрирует отраженный свет. ФПГ-датчик содержит блок коррекции движения для корректировки артефактов движения по зарегистрированным световым сигналам путем вычитания выходного сигнала зарегистрированного света со второй длиной волны (Y) из среднего для выходных сигналов зарегистрированного света с первой и третьей длиной волны (Y, Y). Три длины волн (Y-Y) имеют величину приблизительно около 550 нм. Вторая длина волны (Y) равноудалена от первой и третьей длин волн. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
