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1. (CN107735019) A sensor system and method which makes use of multiple ppg sensors
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利用多个PPG传感器的传感器系统和方法


技术领域
本发明涉及PPG传感器的领域,并且具体涉及利用多个PPG传感器的传感器系统和方法。具体地,本发明涉及使用多个PPG传感器来确定在患者中产生的脉搏延迟。
背景技术
脉搏波速度(PWV)是脉搏在动脉内行进的速度。已知PWV是动脉硬度的量度,并且也与血压(或者是平均动脉压力(MAP)或者是脉搏压力(PP))相关。能够根据脉搏传导时间(PTT;血液脉搏从心脏行进到特定位置所花费的时间)、或者更一般地根据脉搏延迟(PD;身体上的两个不同位置的PTT的差)来计算PWV。出于本说明书的目的,PD和PTT是能互换的并且它们每个可以被用于提供关于PWV的指示。所述脉搏延迟是源自同一心跳的在身体上的不同位置处的两个脉搏传导时间之间的差。
通常,PWV测量要么是使用导管探头侵入性地进行的要么是使用压力测量法在皮肤上进行的。通过测量脉搏到达身体上的一个位置(诸如上臂)处与另一位置(诸如腕部)处之间的时间差,能够确定速度。
进行这种测量的一种无创的方式将是使用光电体积描记(PPG)传感器。这些传感器测量身体的体积变化。
脉搏血氧计是基于PPG的传感器的常见范例。脉搏血氧计的目的是探测患者的血液的氧饱和度。尽管这样的传感器的目的是获得血氧饱和度的量度,但是其也探测皮肤中血液体积的变化,并且由此执行PGG感测。通过探测血液体积的变化,获得与脉搏相对应的周期性信号。PPG传感器,诸如脉搏血氧计,因此常常被用于提供脉搏率的量度。
PPG传感器包含至少一个LED以及一个光传感器。LED和传感器被放置为使得LED将光指向到用户的皮肤中,所述光被反射或透射并且由所述传感器来探测。其中,通过皮肤内的血液的灌注来确定所反射/透射的光的量。
PPG传感器例如包括红色LED、近红外LED以及光探测器二极管。所述传感器通常被配置有直接在患者的皮肤上、通常在指端(手指或脚趾)或耳垂上的LED和光探测器二极管。
患者上的其他位置也可以是适合的,包括前额、鼻子或者面部的其他部分、腕部、胸部、鼻中隔、鼻翼、耳道、和/或口腔的内部,诸如脸颊或舌头。
LED以不同的波长发射光,所述光通过患者的皮肤的血管床被扩散并且由光探测器二极管来接收。测量在所述波长中的每个波长处的变化的吸收度,允许所述传感器确定仅由于脉动的动脉血(不包括例如静脉血、皮肤、骨骼、肌肉和脂肪)造成的吸收。得到的PPG信号然后可以被分析。
可以使用用于获得PPG数据的系统的其他更简单的版本,包括具有一个或多个波长的单光源的版本。光的吸收或反射被脉动的动脉血体积调制并且使用光探测器设备来探测。
在透射式脉搏血氧计中,传感器设备被放置在患者的身体的薄的部分上。反射式脉搏血氧计可以被用作透射式脉搏血氧计的替代。该方法不要求人的身体的薄的部分,并且因此也适于更普遍的应用,诸如脚、前额和胸部。
例如PPG传感器的基础设计具有特定光输出频率(例如,128Hz),光源以所述频率脉动。光学传感器的采样频率更高,例如为256Hz,使得其在光源激活期间并且在光源激活之间进行测量。这允许所述系统在来自LED的发射光与环境光之间进行区分,并且由此从在光源脉冲期间接收的信号中滤除环境光。
在其他已知的方案中,能够从相机图像获得PPG数据,其中,环境光和/或额外的光源被用于照射诸如皮肤的组织。因此,甚至能够在距所述组织的一定距离处来执行PPG测量,其中,所述光源和/或探测器不与所述组织相接触,诸如在基于相机的测量的情况下。
可以以一个或多个波长来获得PPG数据,诸如通常在1个与10个之间的任意数量的波长,但是甚至可以使用超过10个波长。
用于获得诸如脉搏血氧数据的PPG数据的装置和技术在本领域中是已知的,并且实际上许多不同的PPG传感器是商业可用的。例如,它们在用于在锻炼期间测量心率的设备中被使用。
该已知的技术可以被用于测量PD。已知的设备具有针对给定时间段测量和记录PPG信号的能力,在此之后,所述数据能够从所述设备下载,并且被分析以计算PD。
用于计算PD的这些设备的一个限制在于:其将要求被定位在身体上的相距一定距离处的两个单元。
出现的一个问题在于需要测量两个设备之间的准确的时间同步。通常,记录设备的内部时钟(即,所述时钟被用于将输出数据与记录所述数据的实际时间相链接)要么由用户手动地设置,要么当从所述设备配置/下载数据时从计算机设置。这种情况的限制在于:如果手动地设置,时钟例如仅精确到分钟水平,并且当经由计算机设置时精确到秒水平。为了获得准确的PD测量结果,有必要给出达到微秒水平的准确度的脉搏波的到达时间。为了获得该水平的准确度,需要在两个PPG设备之间的精确的同步。
当两个PPG设备具有独立的时钟时,它们将不可避免地相对于彼此漂移。为了使得能够使用标准的和独立的PPG传感器,希望的解决方案将不要求在所述设备之间的电气通信。它们例如使用其自身的打开/关闭按钮来独立地开始。当然,在实践中不能够在完全相同的时间手动地启动这两个设备。此外,期望避免在PPG设备上运行任何不必要的过程。
尽管使用完全集成的系统将能够同步(例如,基于微处理器时钟),但是需要使得独立的PPG传感器一起的使用以实现多个同步的测量(例如,针对PD测量)的解决方案。
发明内容
根据本发明的第一方面的范例提供了一种传感器系统,包括:
第一PPG传感器,其具有第一光源和第一光学探测器;
第二PPG传感器,其具有第二光源和第二光学探测器;
监测系统,其适于监测对第一光学校准信号的探测,其中,所述第一光学校准信号适于由所述第一PPG传感器的所述第一光学探测器来探测并且由所述第二光源来生成,其中,所述监测系统适于执行所述第一PPG传感器与所述第二PPG传感器之间的时间校准。
所述PPG传感器例如是反射式PPG传感器。
该系统利用两个PPG传感器。为了使得这些传感器是独立的单元,而非被完全集成到组合系统中,提供了一种用于提供时间校准的监测系统。基于使用所述PPG传感器对信号的探测,所述信号包括一些已知的绝对计时信息,能够监测每个PPG传感器的随时间的行为,并且因此能够进行校准。
在该布置中,所述第二PPG传感器向所述第一PPG传感器提供校准信号。所述第二PPG传感器然后可以在其自己的数据中(例如,在存储器或者在流数据中的)标记其发送校准信号的时间,或者其可以同时探测其自身的光学信号。
可以提供确认已经接收到校准信号的确认信号。然而,这样的确认也可以通过诸如使用蓝牙的无线通信来完成。
所述监测系统也可以用于监测对第二光学校准信号的探测,其中,所述第二光学校准信号用于由第二PPG传感器进行的探测,并且由所述第一光源生成。
所述第二光学校准信号例如也用作确认信号。
所述计时校准可以实时地进行,或者,其可以作为对所存储的PPG传感器记录的数据的两个集合的分析的部分。
个体PPG传感器可以在不参考任何具体外部时间参考的情况下提供连续监测。当这样的传感器例如被设计用于脉搏率监测或者用于随时间的血氧测量,不需要关于任何外部计时参考的大的准确度。替代地,记录数据的时间被简单地链接到内部时钟。
所述监测系统用于监测对所述第一光学校准信号与所述第二光学校准信号的探测。
用于由所述第一PPG传感器探测的所述第一光学校准信号是由所述第二光源来生成的,并且用于由所述第二PPG传感器探测的所述第二光学校准信号是由所述第一光源来生成的。
以此方式,利用被光学耦合到所述第二光学探测器的所述第一光源并且利用被光学耦合到所述第一光学探测器的所述第二光源进行校准测量。
在这种情况下,存在一个PPG传感器的光源与另一PPG传感器的探测器之间的光学路径。通过范例的方式,所述第一光源可以将能识别的信号发送至所述第二探测器,所述第二探测器然后使用所述第二光源将其(在已知的延迟之后)返回到所述第一探测器。通过分析探测到的信号,并且尤其是它们的计时,能够计算时间偏移。当随后组合来自这两个传感器的所接收的信号时,该计时偏移然后能够被用于使得在两个PPG传感器轨迹之间的相对绝对计时是已知的。该相对计时然后使得能够分析轨迹的对。
注意,除了已知的延迟之外,不需要绝对时间值。
所述校准系统可以适于利用被定位为相互抵靠的所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器来执行校准。在这种情况下,在光源与(另一PPG传感器)的探测器之间的光学路径是简单的直接光学连接。
所述校准系统可以包括对接站(docking station),所述对接站提供在所述第一光源与所述第二光学探测器之间的第一光学耦合以及在所述第二光源与所述第一光学探测器之间的第二光学耦合。在光源与(另一PPG传感器的)探测器之间的光学路径再次是直接光学连接,但是其通过对接站而非通过将PPG传感器耦合在一起来实施。所述对接站可以使得用户更容易实现所要求的对齐。所述对接站例如包括光纤,所述光纤用于提供第一光学耦合和第二光学耦合或者否则可以使用镜面布置。
在替代的一组范例中,所述第一光学校准信号替代地由所述第一光源来生成并且所述第二光学校准信号替代地由所述第二光源来生成,并且所述系统包括对接站,所述对接站提供在所述第一光源与所述第一光学探测器之间的第一光学耦合以及在所述第二光源与所述第二光学探测器之间的第二光学耦合。
因此,替代将两个PPG传感器交叉耦合在一起,一个PPG传感器的探测器被用于探测来自同一PPG传感器的光源的光输出。
优选地,所述第一光学耦合和所述第二光学耦合具有利用同步的时间依赖性的光学功能。以此方式,如果能够根据探测到的信号来确定光学功能的属性,那么,绝对计时信息然后能够被分配到探测到的信号。这再次使得在两个PPG传感器输出之间的相对计时信息能够在它们随后被使用时获得。所述第一光学耦合和所述第二光学耦合可以包括具有随时间改变的反射特性的反射器。在光源与探测器之间的已知光学路径然后包括该时间变化的反射特性。
在替代的另一组范例中,替代地,存在对接站,所述对接站包括用于生成所述第一光学校准信号和所述第二光学校准信号的光源。在这种情况下,外部地生成所述光学同步信号。只要这些信号是同步的并且能够在光探测器输出中被探测到,则能够获得绝对时间差。
所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器例如每个包括脉搏血氧计。存在商业上可用的低成本设备。
所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器可以每个包括用于实施环境光补偿的处理器,通过所述处理器,将所述光源被关闭时所接收的光学探测器信号从所述光源被打开时接收的光学探测器信号中减去。所述监测系统然后可以适于在时间校准期间关闭所述环境光补偿。
根据本发明的另一方面的范例提供了一种脉冲延迟测量设备,包括:
如上文所定义的传感器系统;以及
控制器,其用于获得来自所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器的PPG信号,并且使用计时校准来导出脉冲延迟。
根据本发明的另一方面的范例提供了一种用于校准第一PPG传感器和第二PPG传感器的传感器校准方法,所述第一PPG传感器具有第一光源和第一光学探测器,并且所述第二PPG传感器具有第二光源和第二光学探测器,所述方法包括:
使用所述第二光源来生成第一光学校准信号;
将所述第二光源光学耦合到所述第一光学探测器;并且
执行所述第一PPG传感器与所述第二PPG传感器之间的时间校准,其中,通过以下操作来实现所述光学耦合:
将所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器定位为相互抵靠;或者
将所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器放置在对接站上,所述对接站提供所述第二光源与所述第一光学探测器之间的光学耦合。
该方法执行两个PPG传感器之间的计时校准,所述两个PPG传感器可以是独立的单元,在其之间没有通信,并且因此在其之间没有同步。
所述方法可以还包括:
使用所述第一光源来生成第二光学校准信号;并且
将所述第一光源光学耦合到所述第二光学探测器,
其中,将所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器放置在对接站上也提供在所述第一光源与所述第二光学探测器之间的光学耦合。
那么存在第一光学校准信号和第二光学校准信号,其均由PPG传感器中的一个来接收。
所述第一光学校准信号是使用所述第二光源来生成的,并且所述第二光学校准信号是使用所述第一光源来生成的。
以此方式,所述第一光源可以被光学耦合到所述第二光学探测器,并且所述第二光源可以被光学耦合到所述第一光学探测器。
在范例的替代集合中,所述第一光学校准信号可以替代地使用所述第一光源来生成,并且所述第二光学校准信号可以替代地使用所述第二光源来生成。
在这种情况下,通过以下操作,所述第一光源可以被光学耦合到所述第一光学探测器并且所述第二光源可以被光学耦合到所述第二光学探测器:
将所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器放置在对接站上,所述对接站提供所述第一光源与所述第一光学探测器之间的第一光学耦合以及所述第二光源与所述第二光学探测器之间的第二光学耦合,并且其中,所述方法包括利用同步的时间依赖性来控制所述第一光学耦合和所述第二光学耦合。
本发明也提供了一种脉冲延迟感测方法,包括:
使用如上所定义的方法来执行感测校准;并且
在所述感测校准之后,从所述第一PPG传感器和所述第二PPG传感器获得PPG信号,并且导出脉冲延迟。这继而可以被用于导出PWV测量结果,其可以是绝对的或相对的。
所述校准可以通过计算机程序来实施。
附图说明
参考附图,将仅通过范例的方式来对本发明的实施例进行描述,在附图中:
图1示出了已知的PPG传感器;
图2示出了使用多个PPG传感器的传感器布置的第一范例;
图3是用于解释所述计时校准可以如何进行的计时波形的集合;
图4示出了使用多个PPG传感器的传感器布置的第二范例;
图5示出了使用多个PPG传感器的传感器布置的第三范例;
图6示出了使用多个PPG传感器的传感器布置的第四范例;
图7示出了使用多个PPG传感器的传感器布置的第五范例;
图8示出了针对在同一时间在两个PPG传感器处接收的同步信号的计时图,但是具有不同的时钟域;
图9示出了图8的信号的交叉相关性;
图10示出了图9的交叉相关信号的部分放大;并且
图11示出了在上采样之后的图9的交叉相关信号的部分的放大。
具体实施方式
本发明提供了一种传感器系统,包括第一PPG传感器和第二PPG传感器。监测系统监测由第一探测器和第二探测器中的至少一个对光学校准信号的探测,用于执行所述第一PPG传感器与所述第二PPG传感器之间的时间校准。
该系统利用两个PPG传感器。为了使得这些传感器能够是独立的单元,而非被完全集成到组合系统中,提供了一种校准系统。基于探测到的光学信号,能够监测每个PPG传感器的随时间的行为,并且因此能够进行校准。
图1示出了已知的PPG传感器。
其包括光源10和光学探测器12。所述光源可以包括单个多波长光源,或者具有不同输出波长的多个光单元。所述传感器具有处理器14,并且其生成以随时间变化的PPG信号的形式的输出16。所述处理器包括内部时钟和存储器。所述输出可以被实时地提供,和/或其可以被记录和存储为在探测时段期间的随时间的轨迹。所存储的轨迹然后可以在监测时段结束之后被分析。
所述PPG传感器例如包括脉搏血氧计。可以对输出16进行解读以提供脉搏率。
本发明基于两个PPG传感器的组合,所述PPG传感器可以是在图1中所示的一般类型的PPG传感器。
图2示出了根据本发明的系统的第一范例。
第一PPG传感器20具有第一光源22和第一光学探测器24。
第二PPG传感器30具有第二光源32和第二光学探测器34。
每个PPG传感器具有其自己的处理器26、36,所述处理器生成PPG输出28、38。
在该范例中,校准系统包括控制器40,所述控制器40适于在一个或多个控制的时间处操作第一和第二光源22、32。控制器40与处理器26、36进行通信并且接收所述传感器信号。
监测由所述第一探测器和所述第二探测器进行的探测,并且在每个光源与其对应的探测器之间的光学路径是已知的。计时校准基于所监测的探测。
图2的版本具有被安装为相互抵靠的两个PPG传感器20、30,使得第一PPG传感器的光源22的输出被直接馈送到第二PPG传感器的探测器34,并且第二PPG传感器的光源32的输出被直接馈送到第一PPG传感器的探测器24。在每个传感器对之间的已知光学路径因此是直接光学耦合。
所述两个光学PPG传感器可以是独立的单元,而非被完全集成到组合系统中。不存在在其之间共享的计时信息。它们的输出28、38包括沿着时间轴改变的波形,但是两个传感器的时间轴不是同步的。
能够监测每个PPG传感器的随时间的行为,并且因此能够进行校准。
在图2的范例中,不要求两个PPG传感器自身之外的另外的硬件。可以以软件来实施校准控制器40。
利用以此方式耦合的设备,能够由用户或者能够通过其他手段来触发同步过程。
在同步期间,所述PPG传感器中的一个(或两者)被控制以产生已知的测试信号,所述测试信号稍后能够被分析以用于时间校正。该信号可以采取“呼叫和响应”的形式,其中,第一设备20产生已知光模式,所述已知光模式由第二设备30来探测。当第二设备30接收该模式时,其继而产生具有已知时间延迟的已知模式。当结合彼此来分析从两个设备捕获的数据时,所述信号中的同步模式将是明显的,并且时间偏移能够被计算。
以此方式,光学同步模式能够被用于使来自两个设备的数据读数同步。该同步因此可以在已经做出读取之后而非实时地执行,或者其可以实时地执行。
通过执行在数据记录事件的开始和结束两者处的时间校准,不仅能够校正两个记录设备时钟之间的任何偏移,而且也能够计算或校正两个时钟之间的任何偏移。因此,同步可以发生于进行测量之前的给定时间段内或者在已经进行测量之后或者在这两者情况下。
替代具有能够操作第一光源22和第二光源32两者的一个控制器40,,控制器40也可以被连接到或者被集成在仅第一PPG传感器20中,而其他PPG传感器30可以具有其自己的控制器或者根本没有控制器。例如,通过按压PPG传感器20上的按钮,控制器可以操作第一光源22,使得其将以时间上的特定模式闪烁其光。在PPG传感器30的信号中,其可能被即刻读出,或者之后当分析所述数据时,该光模式能够被恢复。
图3示出了形成上文所解释的方法的简化示意图,并且示出了针对第一和第二光源LS1和LS2的时间轨迹以及针对第一和第二探测器D1和D2的探测到的信号。
图3(a)示出了用于确定时间时钟之间的延迟的初始脉冲的使用。
由第一光源LS1生成第一模式。这导致来自第二探测器D2的探测到的输出,并且这出现于作为第二PPG传感器的输出的所记录的轨迹。在已知延迟dl之后,所述第二PPG传感器发送由第一探测器D1接收的第二模式(其事实上可以与第一模式相同)。这出现在第一PPG传感器的记录的轨迹中。
在一个光源发射一模式与探测器对其进行探测之间的时间延迟或者可以是微不足道的,或者否则在分析轨迹时其可以被考虑。
由此得知在信号D2与D1之间的时间偏移的绝对值。以此方式,如果两个PPG传感器的本地时钟表示这些时间具有不正确的相对时间偏移,那么能够校准所述计时。时间点t1在所述第二PPG传感器的时间轴上,而时间点t2在所述第一PPG传感器的时间轴上。
轨迹D1和D2中的一个或另一个能够被时间偏移,以使得时间点t1与t2之间的时间差等于延迟d1,或者否则等于延迟d1加上LS2与D1(如果其是相关的)之间引入的延迟。
图3(a)的范例示出了能够如何基于单个同步动作来确定两个时钟之间的偏移。当也需要确定在两个时钟之间的偏移时,可以执行两个(或更多个)同步动作。
这在图3(b)中被示意性示出,其中,示出了相同的信号。这次,存在设备操作的开始处的第一同步操作,以及设备操作的结束处的第二同步。所述第一同步是如上文所描述的,而第二同步与在时间t3处的设备动作以及在(两个不同时钟域的)时间t4处对返回的信号的接收是相同的。相同的延迟d1给出了在两个时钟域(即,t2-t1不同于t4-t3,尽管d1是相同的)之间的不同的时间差。这是在两个时钟之间的相对偏移的结果。时间延迟d1在开始处和结束处看上去是不同的,因为其是在两个时钟域之间测量的时间差。
上文图2的范例通过将其背靠背放置而利用在两个PPG传感器之间的直接耦合。图4示出了以完全相同的方式工作但是使用对接站50的系统,所述对接站50提供在所述第一光源与所述第二光学探测器之间的第一光学耦合52以及在所述第二光源与所述第一光学探测器之间的第二光学耦合54。所述光学路径再次是例如使用光纤的直接光纤连接。然而,可以替代地使用镜面布置。
图5示出了一范例,其中,使用诸如耳夹或指夹的两个透射式PPG传感器20、30。所述夹子具有相应的LED 22、32以及如在上文范例中的光探测器24、34,但是它们用于安装在正在被检查的组织的相对侧。所述系统再次包括被动式对接站50,指夹和/或耳夹20、30被放置在所述被动式对接站50上。控制器操作第一传感器20的光源22以发送光信号。所述光进入所述对接站,其中,所述光被镜子55反射,在此之后,其到达第二传感器30的光探测器34。类似地,第二传感器30的LED 32被光学耦合到第一传感器20的光探测器24。
图6示出了针对反射式PPG传感器的范例,其不具有平的表面,和/或针对所述反射式PPG传感器,一个传感器的(一个或多个)光源不能如图2中容易地放置在另一个传感器的(一个或多个)光探测器的之上。在图6中,每个传感器20、30为腕表的形式,其在表盘的底部具有LED 22、32和光探测器32、34。在该范例中,每个传感器在中间具有一个光探测器24、34并且在侧面具有两个LED 22、32。
传感器20、30具有弯曲的底板,以适于抵靠着用户的腕部的皮肤。对接站50具有适于传感器20和30的曲率的形状。其具有透明的内部部分56和不透明的外部部分57。不透明的外部部分57防止环境光进入经由透明内部部分56发生的两个传感器之间的光学耦合。生成和处理所述光信号的方式类似于上文所描述的范例。
图2以及图4至图6的范例要求PPG传感器在一个时间发送脉冲,并且在稍后的时间接收脉冲(当光源被关闭时)。这针对PPG传感器的一些最基础的设计可能是不可能的。例如,所述传感器可以仅在打开所述光源时处理接收的样本。以此方式,执行环境光补偿,通过所述环境光补偿,将在所述光源被关闭时接收的光学探测器信号从在所述光源被打开时接收的光学探测器信号中减去。当所述光源被关闭时,预期所述设备仅看到环境光。在一些设计中,测量该环境光水平,在所述光源被打开时使得能够将其从传感器测量结果中滤除。因此,以上范例仅适合于特定类型的PPG传感器,其中,例如存在对接收到的光信号的连续监测。
任选地,一旦识别了光学校准信号,则可以临时关闭环境光补偿。该环境光补偿涉及将在所述光源被关闭时测量的光从在所述光源被打开时测量的光中减去。通过关闭环境光补偿,所述光学校准信号变得在PPG信号中直接可见。
因此,如果不存在环境光补偿,就能够在所述传感器的光源被关闭时由传感器来探测校准信号。例如,如果在所述光源被关闭的时段期间探测校准信号,那么可以关闭所述环境光补偿,使得所述校准信号能够在所述光源被打开时继续被探测。替代地,可以使用适当选取的校准信号,例如,在光打开和关闭时段期间具有不同校准信号水平的一个。这能够使用随机噪声信号或正弦校准信号来实现。
如果替代地仅在所述光源被关闭的时段期间分析所述校准信号,那么避免了由环境光补偿可能抵消所述补偿信号的问题。
以上范例利用两个校准信号,一个从第一PPG传感器发送到第二PPG传感器,而另一个从第二PPG传感器发送到第一PPG传感器。然而,在更为基础的实施方案中,仅一个传感器(例如,所述第二PPG传感器)提供对另一个(例如,第一PPG传感器)的校准信号。所述第二PPG传感器然后可以在其自己的数据中(例如,在存储器或者在流数据中的)标记其发送校准信号的时间,或者其可以同时探测其自己的光学信号。
以此方式,标记能够被设置在第二PPG传感器的数据中,以标记发送所述校准信号的时间(在所述校准信号的开始处,或者在所述校准信号中可识别的点处,或者在所述校准信号期间或之前或之后的任何点处,但是具有关于所述校准信号的已知计时)。
如果在所述第二PPG传感器与其自身的信号之间不存在光学耦合,则所述标记可以替代第二光学校准信号来使用。如上文所提到的,另一选项(替代标记其自己的数据或者从所述第一传感器接收第二校准信号)是所述第二PPG传感器也能够例如以参考图5所解释的方式来探测其自己的光学校准信号。确认信号也可以通过PPG传感器被发送以确认已经接收了所述校准信号。这可以是光学信号或者可以例如经由蓝牙来发送。
可以提供已经确认接收到校准信号的确认信号。然而,这样的确认也可以通过诸如使用蓝牙的无线通信来完成。
所述监测系统也可以被用于监测对第二光学校准信号的探测,其中,所述第二光学校准信号用于由第二PPG传感器的探测,并且由所述第一光源来生成。
所述第二光学校准信号例如也用作确认信号。
图7示出了范例,在所述范例中,所述PPG传感器再次被放置到对接站50上,而并非如在上文的范例中连接所述光学路径,所述设备被放置为使得其均面向可控制的反射器。第一PPG传感器20面向第一反射器58,并且第二PPG传感器30面向第二反射器59。它们可以是单个设备的区域。所述反射器(或者单个反射器)具有随时间可控的反射率。该方法的优点在于:其使得最基础的传感器PPG能够在无需调整的情况下使用。当打开所述光源时,能够做出传感器测量。
例如,可以使用被动矩阵LCD显示器来实施所述反射器。通过随时间改变所述显示器的反射率,也将改变从光源反射到光探测器的光的量。通过同时对这两个PPG传感器这样做,能够探测在所记录的信号之间的时间偏移。具体地,所接收的信号提供自共同事件开始的绝对时间段(其是控制反射率开始的绝对时间)的量度。
能够根据探测到的信号来确定反射功能的属性,使得然后能够将绝对计时信息分配到探测到的信息。
在该范例中,第一光学耦合处在第一光源与第一光学探测器之间,并且第二光学耦合处在第二光源与所述第二光学探测器之间。因此,替代将两个PPG传感器耦合在一起,每个PPG传感器的探测器被用于探测来自相同PPG传感器的光源的光输出。
通过以上文所解释的方式实现计时校准,能够进行脉冲延迟测量。如在图2中所示的任选的控制器40可以提供脉冲延迟输出42。
另一种是方法是提供光源,所述光源向这两个PPG传感器提供同步脉冲序列。对所记录的轨迹中的该已知脉冲序列的探测使得能够确定相对计时。具体地,能够在每个PPG传感器的时钟域上识别已知脉冲序列的开始和/或结束。
能够使用在图7中所示的相同结构来应用该原理。然后,单元58和59被实施为递送同步的脉冲序列的光源,或者否则被实施为单个共享的光源。PPG传感器的对可以被对接以用于在捕获数据集之前和之后的同步测量,使得可以计算时间偏移和偏移漂移。
出于解释基本原理的目的来简化图3的波形。在实践中,典型PPG传感器的低采样频率将不允许以期望的准确度来直接(人类)测量时间延迟。替代地,需要信号处理从而以期望的准确度水平来导出时间延迟,其通常为大约数毫秒。
图8示出了单个幅度相对于时间的两条轨迹。每条轨迹在开始处具有约5秒的正常信号,跟随有2.4Hz同步脉冲的30秒时段,并且在结束处具有约15秒的正常信号。使用256Hz的采样频率来测量所述信号。
出于解释的目的,底部绘图已经被选择为滞后第一绘图474.6ms(以1024Hz采样频率的486个样本)。当查看原始绘图时能够看到该近似0.5s的滞后,但是,当然,不能够更为准确地手动确定所述滞后。
图9示出了两个信号的交叉相关性,其绘制所述交叉相关性对其之间的选定延迟。其以大约零延迟为中心。
图10示出了相同的交叉相关性函数,但是以放大的形式示出了函数的峰值,其中交叉相关性值相对于所述延迟被表达为样本的数量(即,被用于计算所述函数的样本差)。其指示所述峰值或者在121样本延迟或者在122样本延迟处(在Fs=256Hz,在472.7ms或476.6ms)。
因此,能够看到,所述交叉相关性函数使得能够以毫秒的准确度来确定所述延迟。
图11示出了与图10相同的交叉相关性峰值,但是在将两个输入信号上采样到1024Hz采样频率之后。所述峰值现在精确地在486采样延迟处,或者在474.6ms处(在Fs=1024Hz)。
同样对所述输入信号进行上采样,能够首先取得两个低采样率信号的交叉相关性,并且然后对结果进行上采样。输出将是相同的。
可以采用其他信号处理方法。因此,能够使用用于处理具有接近相同的内容但是被时间偏移的信号对的任何已知方法,其使得能够提取所述时间偏移。
该交叉相关性方法可以在所有以上范例中被使用,包括反射版本,其中,在两个信号中存在已知的幅度函数,但具有时间偏移。现在将理解,在图3中示意性示出的脉冲序列在实践中可以包括针对特定持续时间的已知频率的信号,但是其也可以包括具体脉冲序列或幅度函数。
可以使用另外的特征以将所述设备与测量诸如ECG的电信号的设备同步。在图6的范例中调制所述光学耦合的电信号例如可以被直接输出至ECG设备的正和负引线(或者被缩放以形成在EGC设备的信号范围内的适合的输出,诸如最大8mV峰-峰信号)。以此方式,也将在ECG信号中,与在光学信号中同时,示出校准信号。如果不仅仅要测量脉冲延迟,而且也要测量脉冲到达时间(PAT),这能够是非常有用的。
图6的范例利用受控的反射。然而,可以使用其他调制方法,诸如受控的透射率。这可能对透射式PPG传感器是感兴趣的,例如,基于可以夹在对接站(在该范例中为杆)的相对侧上的两个手指夹,所述对接站可以改变其透射性质,以便实施校准信号。可以使用液晶、因此再次使用显示技术来实施经改变的光学耦合。
可以通过形成控制器40的一部分或者作为控制器40的一部分的计算机程序来实施所述校准(即,对时间滞后的提取)。能够以各种方式(利用软件和/或软件)来实施所述处理器,以执行所要求的各种功能。处理器是控制器的一个范例,其采用一个或多个微处理器,所述一个或多个微处理器可以使用软件(例如,伪代码)被编程为执行所要求的功能。然而,可以在采用处理器或在不采用处理器的情况下来实施控制器,并且也可以被实施为执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如,一个或多个被编程的微处理器以及相关联的电路)的组合。
可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的范例包括,但不限于:常规微处理器、专用集成电路(ASIC)以及现场可编程门阵列(FPGA)。
在各种实施方案中,处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联,诸如易失性和非易失性计算机存储器,诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。所述存储介质可以编码有一个或多个程序,所述一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器来执行时执行所要求的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内,或者可以是可转移的,诸如存储在所述存储介质上的一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中。
以上范例基于对两个PPG传感器的同步。然而,相同的方法可以被用于使来自超过两个传感器的信号同步。例如,三个或更多个传感器的集合可以使用对接站来菊花链接,或者否则可以存在三个或更多个可控制的反射器。
此外,以上范例基于对在两个PPG传感器处的同步信号的监测。可以仅存在需要被监测的一个光学同步信号。例如,可以在第一PPG传感器上按压按钮以发送光模式,从而出于校准目的由(第二PPG传感器)第二光学探测器来探测。那么,不必要使第二PPG传感器也发送光模式从而由第一光学传感器来探测。时间戳能够在按压按钮的时刻由所述第一光学探测器来捕获。然后,该时间戳用作对第一PPG传感器的时间校准,以与由第二PPG传感器测量的探测到的校准光模式相匹配。该方法也能够考虑在按压按钮与发送光模式之间的已知延迟。
本质上,所需要的是在每条探测器轨迹中的可识别的信号,其中,在那些两个可识别的信号之间的相对的绝对时间差是己知的。以上给出的各种范例提供了如何实施这一点的范例。
在测量循环的开始处的校准可以使时钟同步,但是通过在测量时段(如夜里8小时)的结束处执行第二校准,也能够补偿任何相对偏移。
如上文所解释的,本发明使得两条PPG轨迹能够相对于彼此被同步。这涉及在这两条轨迹中放置时间标记。通过将来自两个设备的这些时间标记相匹配,所述两个设备的时间基础然后能够相对于在两个独立的时钟之间的偏移和漂移来对齐。这例如涉及偏移所述轨迹的时间轴和/或伸缩所述时间轴。
针对两个设备的时钟之间的偏移和漂移校正,存在那些标记对中的至少两个标记对,并且发生时间轴的相对偏移和缩放。利用单个标记对,针对偏移的校准是可能的,其仅涉及所述时间轴相对于彼此的偏移。
以上范例使得能够确定PD。存在基于多个PPG测量结果(诸如动脉硬度)的其他可能的测量结果。本发明并不限于这两个范例,并且在需要使多个PPG信号同步时是能适用的。
所述PPG传感器例如可以利用相机闪光灯作为光源,并且利用相机图像传感器作为传感器设备。以此方式,利用在移动电话上运行的适当的应用,能够实施PPG传感器和PD传感器。
尽管在附图和前述描述中详细示例和描述了本发明,但是该示例和描述应当视为示例性或示范性的,而非限制性的;本发明不限于公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容和随附的权利要求,在实践所主张的发明时能够理解并实现所公开的实施例的各种变型。在权利要求书中,“包括”一词不排除其他元件或步骤,并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成在权利要求中所记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施,但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记均不应被解释为对范围的限制。