：光电体积描记术的制作方法
本發明涉及光电体积描记术并更具体地涉及用于测量人体或动物体 内的脉搏率、呼吸率以及血液成分的方法和设备。
词语"体积描记术"(plethysmography )是希臘词语"Plethysmos，和 "graph"的组合其中"Plethysmos"表示增加，"graph"表示记录体积描记 器(plethysmograph)是一种用来测量体内血容量的变化的仪器、方法或设 备。光电体积描记术(以丅也称为"PPG")借助光的使用来测量容量的变
化因此光电体积描记器(photoplethysmograph )是4吏用光来进行这些测 量的仪器、方法或设备。
尽管一般假定人体或动物體不透光但大多数的软组织会透射并反射 可见光辐射以及近红外辐射两种辐射。因此如果光被投射到皮肤的区域， 并在光与皮肤、血液以及其他组织相互作用后检测到出射光则可观测到 与血容量有关的光强随时间变化的改变，即通常所说的体积描记图此随 时间变化嘚光强信号取决于多个因素，包括测量部位处组织和血液的光学
性质以及光源波长信号产生的原因在于，血液吸收光而且被吸收的光 嘚量、以及被检测到的剩余光的强度的变化是与被照射的血液的体积相关 的。流动在组织中的血容量的变化引起了体积描记图的变化
此技术由Hertzman在1937年提出。他第一个使用了术语光电体积描 记术(photoplethysmography)并提出得到的体积描记图表示皮肤的脉管中
体积描记图通常是关于其AC分量和DC分量來描述的。假定非搏动 血液、骨骼和组织的光吸收恒定且引起DC分量DC分量表示传感器下 方的非搏动血液的体积，加上从皮肤、骨骼以及其怹组织反射和散射的光 AC分量由传感器下方的血容量的瞬时变化引起的随时间变化的光吸收引 起。心血管调节、血压调节、体温调节以及呼吸作用可引起血容量的变化
因此，体积描记图可以被分析用来确定关于如下参数的信息如脉搏率、
28 ( 1989 ) 257-269 )中 详细描述。也可分析体积描记圖以确定血液成分脉搏血氧测定法(pulse oximetry)就是一种这样的技术，其确定血液中氧的相对含量通过使用 光电体积描记术也可测量其他的血液成汾。
存在两种模式的光电体积描记术透射模式和反射模式。透射模式中 光源位于组织的一侧，而光电检测器设置在另一侧与光源相對。透射模 式的使用限于组织足够薄以允许光传播的区域例如人类对象的手指、脚 訨以及耳垂。
在反射才莫式中光源和光电检测器并排设置。进入组织的光被反射 且在光电检测器中检测到其中的一部分。此光源-检测器结构更为通用且 允许在几乎任何组织区域进行测量。然而反射模式的应用比透射更难设 计，因为信号电平在大多数有效波长下明显更低因此，必须将相当多的 注意力用于最大化信噪仳所以，最常见的PPG传感器使用透射模式并 限于光能通过组织的位置。
因为光电检测器被用来测量来自光源的光光电体积描记器也可響应 于来自其他光源的干扰信号，例如荧光照明灯和计算机显示器传感器必 须也响应于通过组织传播的光的变化，也就是体积描记图這些生理变化 包括直流和25Hz之间的频率分量。然而期望传感器不响应环境光噪声。 相应地光电体积描记器应在感兴趣的带宽内检测体积描记图的同时，抑 制环境光噪声
第二种千扰源是其他的电气设备。其他的电气设备能够产生光电体积 描记器可检测到的射频信号期望朂小化系统对这种性质的干扰源的灵敏 度。
第三种干扰源是由光电体积描记器本身产生的电噪声这种噪声可由
li电子器件产生，可包括热噪声、闪烁噪声、散粒噪声以及噪声尖峰例如， 在才莫数转换器中由遗漏码产生的谐波同样期望最小化系统对来自这些源 的干扰的灵敏度。
一种用于减少由这三种干扰源产生的噪声的已知技术是使用在一频 率下调制的载波来驱动传感器的光源且所述频率不是环境光、電射频信 号或光电体积描记器系统噪声中的已有频率或主频率。这可使用方波通 过它的启动和停止，来调制传感器的光源而完成检测箌的信号随后被带 通滤波，以衰减感兴趣的频率范围之外的千扰随后的解调会恢复体积描 记图。
一般说来任何周期信号都可用来调制咣源，例如正弦波
尽管在现有技术中存在调制光的光电体积描记术，但在该方法怎样被 应用特别是在用于衰减噪声或去除噪声以及解調的适当的信号调节
(signal conditioning )电路方面，还是有严格的限制举例来说，EP0335357、 EP0314324、 WO0144780和W公开了调制光的光电体积描记术 然而，它们使用的解调方法和装置要求调制和解调载波相位同步同步定 时中的误差会将噪声增加到解调信号中(定时抖动或相位噪声)。现有技 术还不能充分利用带通滤波器的特性去除环境千扰光而是仍然依靠分离
的通道来测量环境光，而后将之从信号减去而这进一步增加了复杂性， 并认为在衰减干扰方面效率较低这些限制降低了对来自源的宽带噪声和 窄带噪声的抗干扰性，例如荧光照明灯、计算机显示器、日光、白炽灯、 电RF干扰、熱噪声、闪烁噪声以及散粒噪声
现有技术中的另 一个限制是用于反射模式传感器的波长的选择。反射 模式和透射模式的传感器使用的光源都在光语的红及/或红外部分波长一 般在600nm到1000nm之间。然而因为红色以及红外波长的光不易被血 液吸收，所以红/红外反射传感器不能很好嘚工作这导致反射信号的低调 制(low modulation),并因此导致AC分量4艮小。因此与透射探测装置
文中已表明，如果反射模式传感器使用波长在500nm到600nm之间的光(綠光)则可记录较大的体积描记图AC分量振幅。
在WO 中描述了 一种连续的非调制绿光光电体积描记器 然而，此发明的目的是反射式脉搏血氧測定法(reflectance pulse oximetry ) 而专利没有阐明制造适合于测量体积描记图AC和DC分量的可靠的光电 体积描记器的必要步骤。这样的绿光传感器对可靠地检测AC分量将昰必 要的例如心率，甚至极小且未被此系统检测到的呼吸信号
—文中，描述了一种 调制光的反射式光电体积描记器其使用开关型乘法器在+1和_ 1之间系 统地改变信号路径的增益。这等效于使调制信号与方波混频来恢复体积 描记图。然而与前述的其他现有技术类似，此方法需要调制载波和解调 的本机振荡器信号同相
本发明的目的是提供一种改进的体积描记器。
根据一个方面本发明提供了一种光电体積描记设备，其包括
光源其用于照射目标物体；
调制器，其用于驱动光源以使得输出强度作为在调制频率下的调制
检测器，其用于接收来自目标物体的光并产生作为接收到的光的强 度的函数的电输出；
解调器，其用于接收;^全测器输出所述解调器具有本机振荡器并产苼 表示调制信号及其任何边带的解调输出，其中所述解调器对调制信号和解 调器的振荡器之间的任何相差都不敏感；以及
用于根据解调输絀产生信号的装置所述信号指示作为时间的函数的 血容量及/或血液成分。
根据另一个方面本发明提供了一种产生体积描记图的方法，其包括步骤
使用光源照射目标物体；
使用调制器驱动光源以使得输出强度作为在调制频率下的调制信号 的函数而变化；
使用检测器接收來自目标物体的光，并产生作为接收到的光的强度的 函数的电输出；
在解调器中接收检测器输出所述解调器具有本机振荡器并产生表示 調制信号及其任何边带的解调输出，其中所述解调器对调制信号和解调器 的振荡器之间的任何相差都不敏感；以及
根据解调输出产生信号所述信号指示作为时间的函数的血容量及/ 或血液成分。
根据另一个方面本发明提供了一种光电体积描记设备，其包括 一个或更多个光源每一个光源都用于照射目标物体的一部分；
一个或更多个调制器，其用于驱动光源以使得每一个光源的输出强
度作为在调制频率下嘚调制信号的函数而变化；
一个或更多个^r测器，其用于接收来自目标物体的光并产生作为接 收到的光的强度的函数的一个或多个电输出；
多个解调器，每一个解调器都用于接收电输出中的一个或多个电输 出并产生表示^^皮调制光源中的一个^f皮调制光源的调制信号及其任何邊带 的解调输出，以由此产生对应于多个光源及/或多个检测器的多个解调输 出；以及
用于对于每一个解调器输出根据解调输出产生体积描記图信号的装 置所述信号指示作为时间的函数的血容量及/或血液成分。
根据另一个方面本发明提供了一种产生体积描记图的方法，其包括 步骤
使用一个或更多个光源照射目标物体的一部分； 使用一个或更多个调制器驱动光源以使得每一个光源的输出强度作为在调制频率下的调制信号的函数而变化；
使用一个或更多个检测器接收来自目标物体的光，并产生一个或更多
个作为接收到的光的强度的函数的电輸出；
使用多个解调器接收电输出中的一个或多个电输出每一个解调器都 产生表示被调制光源中的 一个被调制光源的调制信号及其任何邊带的解 调输出，以由此产生对应于多个光源的多个解调输出；以及
对于像素阵列的每一个解调器输出根据解调输出产生体积描记图信 號，所述体积描记图信号指示作为时间的函数的血容量及/或血液成分
根据另一个方面，本发明提供了一种用于非接触式使用(non-contact use)的光电体积描记设备其包括
光源，其用于通过第一偏振滤光片照射目标物体；
调制器其用于驱动光源，以使得输出强度作为在调制频率下的调制 信号的函数而变化；
检测器其用于通过第二偏振滤光片接收来自目标物体的光，第二偏 振滤光片具有与第一偏振滤光片不同的偏振态所述检测器适于产生作为 接收到的光的强度的函数的电输出；
解调器，其用于接收检测器输出并产生表示调制信号及其任何边带 的解调輸出；以及
用于根据解调输出产生信号的装置，所述信号指示作为时间的函数的 血容量及/或血液成分
根据另一个方面，本发明提供了一種产生光电体积描记图的方法其 包括步骤
使用光源通过第一偏振滤光片照射目标物体；
使用调制器驱动光源，以使得输出强度作为在调淛频率下的调制信号 的函数而变化；
使用检测器通过第二偏振滤光片接收来自目标物体的光第二偏振滤 光片具有与第一偏振滤光片不同嘚偏振态，所述检测器产生作为接收到的光的强度的函数的电输出；
使用解调器接收检测器输出并产生表示调制信号及其任何边带的解
根据解调输出产生信号，该信号指示作为时间的函数的血容量及/或血
根据另一个方面本发明提供了一种用于非接触式使用的光电体积描
咣源，其用于使用波长小于600nm的光辐射照射目标物体；
调制器其用于驱动光源，以使得输出强度作为在调制频率下的调制 信号的函数而变囮；
检测器其用于接收来自目标物体的光并适于产生作为接收到的光的 强度的函数的电输出，光源与检测器布置成在基底(substrate)上横向地 相互鄰近以使得它们的有效表面(active surface)可实质上朝向目标体 的表面上的相同位置；
解调器，其用于接收检测器输出并产生表示调制信号及其任何邊带 的解调输出；以及
用于根据解调输出产生信号的装置，所述信号指示作为时间的函数的 血容量及/或血液成分
根据另一个方面，本发奣提供了一种产生光电体积描记图的方法其 包括步骤
使用来自光源的波长小于600nm的光辐射照射目标物体；
使用调制器驱动光源，以使得输絀强度作为在调制频率下的调制信号 的函数而变化；
使用检测器接收来自目标物体的光以产生作为接收到的光的强度的 函数的电输出，咣源与检测器布置成在基底上横向地相互邻近以使得它们 的有效表面可实质上朝向目标体的表面上的相同位置；
使用解调器接收检测器输絀并产生表示调制信号及其任何边带的解调输出；以及
根据解调输出产生信号，所述信号指示作为时间的函数的血容量及/ 或血液成分
夲发明提供了一种调制光的光电体积描记设备。在选定的实施方式
中所述设备结合调制光、带通滤波以及IQ解调的特征，给出灌注组织 (perfuse tissue )的體积描记图当所述设备用在反射模式中时，使用在光 谱的蓝及/或绿部分的光所述光给出较大的脉动信号(pulsatile signal)以 及提高的信噪比。
当光电体積描记设备在透射模式中使用时本发明的选定的实施方式 通过降低噪声来提供改进的可靠性。另外当光电体积描记设备在反射才莫 式Φ使用时，选择在光语的蓝;SJ或绿部分(即波长在400nm到600nm之 间的)的光通过降低噪声和增加AC分量信号振幅，提供改进的可靠性
选定的实施方式可應用到不同的光电体积描记术4支术，包括单波长光 电体积描记术、多波长光电体积描记术、像素阵列光电体积描记术以及非 接触式光电体積描记术
现将以举例的方式且参考附图描述本发明的实施方式，附图中
图1是单波长光电体积描记设备的原理框图2是适合在图1的光电体积描记设备中使用的解调器的原理框图3是多波长光电体积描记设备的原理框图4是像素阵列光电体积描记设备的示意性的平面图5a是具有偏振滤咣片的非接触式光电体积描记设备的示意性侧视
图5b是用于图7的反射模式光电体积描记设备的偏振滤光片的平面
图6是单波长光电体积描记设備的原理框图7是反射模式光电体积描记设备的示意性的平面图、侧视图以及端 视17图8是适合在这里描述的光电体积描记设备中使用的跨阻放夶器的电
路图9是适合在这里描述的光电体积描记设备中使用的带通滤波器电路 的电路图10是适合在这里描述的光电体积描记设备中使用的光源驱动器电 i咯的电if各图11是示出适合在这里描述的光电体积描记设备中使用的解调算法 的过程流程图12是适合在这里描述的光电体积描记设备Φ使用的光源亮度控制 回路的原理框图13a是显示光电体积描记设备的组合的AC和DC输出的光电体积
描记图13b是显示图13a的放大的AC分量的光电体积描记圖； 图14a是显示组合的脉动和呼吸信号的光电体积描记图； 图14b是只显示图14a的呼吸信号的光电体积描记图； 图15a是只显示呼吸信号的光电体积描記图15b是通过口腔热敏电阻器(oral thermistor)测量的对应的呼吸信
图16是使用波长510nm的绿光源记录的光电体积描记图17是使用波长644nm的红光源记录的光电体积描记图18昰适合在图1的光电体积描记设备中使用的可替换的解调器的 原理框图19是适合在图1的光电体积描记设备中使用的可替换的解调器的 原理框图20昰适合在图1的光电体积描记设备中使用的可替换的解调器的 原理框图
18单波长光电体积描记设备
参考图1，光电体积描记设备100包括驱动器电蕗101所述驱动器 电路被耦合以使用调制的驱动信号向光源102提供能量，以使得光源的输 出强度作为具有特定的调制频率(fm)和调制振幅的调制信號(Ml(t)) 的函数而变化因此，驱动光源的波形是调制载波以其频率和振幅为特 征。
光源102配置成照射目标物体103例如人体或动物体的组织区域。 光源102优选地包括一个或多个发光装置每一个发光装置具有给定的波 长或波长范围。
光电检测器104配置成在光与目标物体103相互作用后接收来自目 标物体103的光。决定于光源102、目标物体103和光电检测器104的相 对位置此接收到的光可以是穿过目标物体透射的一个或多个光、从目标 粅体表面反射的光以及从目标物体内的结构或流体散射A/或反射的光。光 电检测器将产生电流该电流是入射到其有效区域的光量的函数，唎如与 入射到其有效区域的光量成比例
可提供检测器105，以将来自光电检测器104的电流转换成与电流成 比例的电压检测器105可包含放大器(未顯示)。该放大器的增益可在 大于调制频率的频率处滚降(rollo任)通过精心的设计，检测器105和放 大器可以最小化耦合到它们的带通滤波器106的输入端的噪声广义上来 讲，可通过任何能够接收来自目标物体的光并产生成接收到的光的强度的
函数的电输出的检测器来提供光电检测器104囷检测器105的功能。
可提供带通滤波器106用于衰减感兴趣的带宽之外的信号。优选滤 波器带宽以调制频率fm为中心且足够宽以使由体积描记圖调幅引起的调 制载波和边带通过，而足够窄以衰减千扰与噪声的频率分量为减少噪声， 带通滤波器106的带宽应尽量窄带通滤波器106的带寬只需要足够使体 积描记图的上下边带通过就可， 一般为但不限于50Hz带通滤波器106可
包含放大器(未显示)以提供附加的增益。带通滤波器106和放夶器优选
19地设计成最小化下一级即解调器107的输入端的噪声应认识到，不必总
是提供带通滤波器106但如果使用带通滤波器，可能导致信噪仳(SNR) 增力口
在图2中详细显示了解调器107的优选的设置。解调器107适于解调 带通滤波器106的输出并因此根据从目标物体接收到的检测光，恢复体 積描记图优选的解调器107使用 一种对调制载波与解调载波之间的相差 不敏感的方法。换句话说如在后面将要阐明的，解调器对调制信号囷解 调器中的振荡器之间的任何相差都不敏感因此，没有必要在调制和解调 过程之间保持预定的相位关系
解调器107可包括用于将调制信號Ml(t)分离(split)到两个通道的多 路转换器210。第一通道处理第一调制输入信号Ml(t)a而第二通道处理 第二调制输入信号Ml(t)b。第一调制输入信号Ml(t)a与第一解调器夲机 振荡器(LO)信号204的输出Dl(t)—起被提供为第一乘法器201的输 入。本机振荡器信号204的频率优选为实质上等于调制信号的频率并因
此等于输入信號Ml(t)的调制载波频率。Ml(t)a与第一LO信号204乘法 运算的结果是I ("同相")信号在第二通道中，使用乘法器206第二 调制输入信号与第二解调器本机振荡器(LO)信號相乘，所述的第二解调 器本机振荡器(LO )信号同样具有优选为实质上等于调制信号频率的频率 然而，使用移相器205,使第二解调器LO信号相对于苐一解调器LO信号
相移第一解调器LO和第二解调器LO之间的相差优选为90度。Ml(t)b 与第二解调器LO信号乘法运算的结果是Q ("正交相位")信号应该理 解，本機振荡器尽管显示为产生正弦波输出但也可以产生所需频率的其 他波形。
分离的I信号和Q信号优选为分别在滤波器元件202和207中单独地 低通滤波以去除不需要的谐波和乘法运算过程的积。可选择地可分别 在抽取器203和208中抽取生成的信号，以减少采样率此抽取过程的结 果是I'信號和Q'信号。
I'信号和Q'信号可在混频器209中反多路转换(demultiplex)成一个信 号以提供解调的体积描记图Sl(t)。反多路转换过程可包括确定I'信号和Q'信号的平方的囷的平方根的算法或电路
在提供的解调器仍对调制信号和解调器中的振荡器之间的任何相差
都不敏感的情况下，可修改图2的解调器设置图18到20显示了可替换 的配置，每一个配置都提供两个通道其中在第一通道中，将检测器输出 和与检测器输出具有第一相位关系的本机振蕩器混频而在第二通道中， 将检测器输出和与检测器输出具有第二相位关系的本机振荡器混频如在 图2中，第一和第二相位的关系优选為具有90度的相差
通过观察附图可以看到，这能够采用以下方式实现通过使用公共的 本机振荡器204、 1804、 1904、 2004向具有不同的相对相移元件205、 1905a、 1905b、 2005 (图2、 19和20)的两个通道提供输入，或通过使用 公共的本机振荡器但在一个或两个通道中提供有相位延迟元件1805 (图 18)，以延迟信号Ml(t)a和Ml(t)b中的一个或兩个信号并由此在其间产
可提供一种检测和衰减谐波相关的窄带噪声的装置。此装置可以是有 适应性的以使得干扰特性的变化可纟皮檢测到，且滤波(或者其他抑制手 段)适应于保持信噪比
可提供一种闭环控制装置，以使光源102保持在足够检测体积描记图 的亮度在图12中显礻了这种控制回路1200的原理框图。对于与图l中 所显示的元件类似的元件给出了对应的参考数字。检测到的、经过带通 滤波的调制载波D-BPF-Ml(t)的振幅可被测量并通过反馈路径中的信号 调节电路1201处理，随后与比较器1202中的参考值或值的范围比较接
着误差信号可产生，并且可通过前向蕗径中的信号调节电路或算法1203 处理通过使用此技术，由驱动器电路产生的波形的幅度可^^史调整以保 证检测到的载波幅度落在给定的范圍内，或接近参考值举例来说，这将 保证如果从目标物体接收了过多的光则检测器不会饱和，或者如果从目
标物体103接收了太少的光吔不会检测不到体积描记图。因此从广义的方面来说，反馈控制回路1200提供了一种装置的实例该装置用于使
光源102的输出强度保持为检测器输出的函数，并保持在足够维持根据解 调输出Sl(t)检测体积描记图的水平
图3示出了光电体积描记设备300，该装置包括两个或更多的光源 302、 304,用於将两个或更多的不同波长下的光发射到目标物体(例如 试验中的组织)。光检测器306适于检测从目标物体接收到的光例如当 光电体积描记設备处于透射模式中时，透过目标物体透射的光或当光电 体积描记设备在反射模式中使用时，从目标物体反射的光分别提供驱动 器电蕗301、
303，以使用被调制的驱动信号Ml(t)和M2(t)向每一个光源 302、 304提供能量驱动信号Ml(t)和M2(t)具有选定的频率和振幅下的调 制。虽然只示出了两个驱动器和光源但应该理解， 一般可以使用多个驱 动器和光源每一个光源可由一个或多个在单波长、给定波长或波长范围 内发射光的光发射器组成。每一个光源的波形的频率可与用来向其他光源
提供能量的波形的频率不同此波形是调制的载波，并以其频率和振幅为 特征各个光源鈳以可选择地具有分离的相关联的驱动器电路。每一个光 源可以可选择地具有不同的波长
提供光电检测器306，以在光与目标物体305 (例如人体戓动物体的 组织)相互作用后检测光光电检测器306将产生与入射到其有效区域的 光量成比例的电 流。
可提供检测器307 ,以将来自光电检测器306的电鋶转换成与电流成 比例的电压检测器307可包含放大器(未显示)。该;坎大器的增益可在 大于最高调制频率的频率处滚降通过精心的设计，检測器和放大器可以 最小化带通滤波器308的输入端的噪声并因此最大化信噪比。
可提供带通滤波器308,用于衰减感兴趣的带宽之外的信号优选濾 波器带宽，以使得滤波器的低滚降低于最低调制载波频率而滤波器的高滚 降高于最高调制载波频率在最高和最低调制载波频率以及最高和最低滤波器滚降之间的带宽，应该足够宽以使得由体积描记图调幅引起的调制载 波和边带通过但应足够窄以衰减干扰与噪声的频率汾量。为减少噪声 滤波器的带宽应尽量窄。滤波器的带宽只需要具有足够的范围使最高调
制载波的上边带和最低调制载波的下边带通過。 一般高于最高调制载波频
率25Hz到低于最低调制载波频率25Hz的范围是适当的带通滤波器可包 含提供附加的增益的放大器(未显示)。带通滤波器和放大器优选地设计 成最小化下一级的输入端的噪声可包括滤波器，例如梳状滤波器或滑动 平均滤波器以提供在基频的倍数频率下具有衰减至零或大幅衰减的频率 响应。这些滤波器可被设计为衰减干扰源的基波和谐波
提供多个解调器309和310，用于解调带通滤波器的输出以恢复每
一个调制载波频率下或每一个光波长下的体积描记图。优选地解调器使 用对每一个调制载波和解调本机振荡器之间的相差不敏感的解调的方法，
例如结合图2描述的方法因此，如前所述的没有必要在调制和解调过
程之间保持预定的相位关系。
在此情况下每┅个解调器将具有本机振荡器Dl(t)和D2(t)，本机振 荡器Dl(t)和D2(t)优选地具有分别与对应的调制载波Ml(t)和M2(t)相同的 频率
此多波长光电体积描记设备的输出是多個体积描记图Sl(t)和S2(t)。 每一个体积描记图是用来测试组织的光的给定波长下的体积描记图应该
理解，尽管已经以一个波长由光源302提供而另一個波长由光源303提供 的两个波长的实例描述了多波长光电体积描记器但可修改本发明以通过 增加附加的驱动器、光源和解调器来^f吏用两个鉯上的波长。这些调制的多 个波长不仅允许选择光波长来获得对于脉搏率和呼吸率的检测来说最优 的SNR,还允许进行比率测量以确定血液成分因此，在广义的方面光
电体积描记设备可提供一种装置，所述的装置用于从解调输出Sl(t)、 S2(t) 中自动选择一个输出且该输出对于待从体积描记图提取的数据来说提供 了最佳SNR。
如上面结合图12所述也可用闭环控制来使每一个光源保持在给定 的亮度。可使用光电检测器、检测器、带通滤波器以及解调器的组合来形成 多像素光电体积描记器成像设备的 一 个像素。这样的阵列可制造为微芯 片在该微芯片上进行像素和模拟或数字信号处理。
图4显示了一个小型(4x4)像素阵列光电体积描记设备400的示意 性平面图所述设备400包括16个像素401。应该理解如有需要，陣列 可远大于该设备的阵列
每一个像素401优选地包括光电检测器、检测器电路、带通滤波器以 及解调器。这样的设备提供16个同时的(并行的)體积描记图通过来 自组织的光照射阵列中每一个像素而检测到。阵列不一定是方形的例如， 阵列可包括4 x 16个像素或1 x 256个像素等。每一个潒素可响应于来 自用公共调制频率调制的公共光源的光可替换地，每一个像素可与各个
独立驱动的光源相对应这使得可针对每一个像素使用不同的调制频率。 可替换地每一个像素可与相应的光源相对应，而所有光源都使用公共的 调制信号驱动
通过使用前述处理的几個并行通道，检测器的阵列开启了信号处理的 全新方面像素阵列使得能够形成来自目标物体的血液参数(例如脉搏率、 呼吸率以及血液成汾)的空间映射。可并行处理多通道由此允许使用仲 裁机制(arbitration scheme)来选定最优的SNR。另外可通过例如独立 分量分析、主分量分析或盲源分离来处悝多通道，以在基波信号被淹没在
噪声或其他千扰信号中时提取出基波信号。由此有可能在使用多于一个 的波长时产生稳健的脉搏率囷呼吸率测量结果以及空间血液成分测量结 果。也可使用独立分量分析等来减少移动伪像移动伪像通常对于光电体 积描记器系统来说是┅个严重的问题Smith和Hayes已经描述了移动伪 j象的问题以及减少移动伪像的其他方法(Matthew J. Hayes and Peter R. Smith,n
24在模拟域或数字域中在芯片上或芯片外实现的信号处理装置根據每 一个像素分析体积描记图，该信号处理装置可被实现以提取出呼吸率、脉 搏率、血液成分等
一般说来，可对每一个像素进行预处理囷后处理由
此允许使用全场的(fullfield)、空间信号处理算法。
非接触式光电体积描记术
上面描述的单波长光电体积描记设备、多波长光电体积描記设备以及 像素阵列光电体积描记设备中每一种设备都可在非接触式反射模式中使 用。
在光电体积描记术中光电^r测器104与目标物体"l妻触，例如与组织 表面接触大部分来自源102的光由组织表面反射，但由于光电检测器104 与组织接触此表面反射的光不被4企测到。小部分光穿过組织并与组织相 互作用且随后入射到光电检测器，这小部分光在光电检测器中被检测、 放大并处理从而产生体积描记图信号。
在非接觸式光电体积描记术中光电检测器104不与组织接触。这导 致检测到较大部分的在组织表面反射的光以及穿过组织的光此刻检测到 的信号包括由反射光引起的非常大的DC偏移，其上叠加了小得多的体积 描记图信号从组织表面反射的光没有与血液相互作用，因而不包括对体 积描记图有用的信息
应认识到，由组织表面反射引起的DC偏移将减小光电体积描记器的 动态范围因此，在使用非接触式光电体积描记器时滤掉反射光是有益 的。此过程可使用偏振滤光片来完成
偏振滤光片使沿给定轴偏振的光选择性地偏振或滤波。此偏光性 (polarity)在光祐反射时保留但在光祐_散射时丧失。如果入射在组织上 的光被偏振化在表面反射的光保留此偏光性，且所述在表面反射的光可 通过定位成其偏咣性与入射光的偏光性成90度角的滤光片被衰减然而，
25参考图5第一偏振滤光片504使来自调制光源501的光沿着给定的 偏振轴Pl偏振。偏振光朝向目标物体503 乂人目标物体503上， 一部分光 乂人表面一皮反射而一部分光从目标物体内#皮散射。
第二偏振滤光片505设置在从目标物体接收光的檢测器502的前方 第二偏振滤光片具有偏振轴P2，并衰减入射到光电检测器的偏振光当第 二偏振滤光片505的偏振轴P2与偏振光的轴成90度角(正交)时，衰减 程度最大因此，优选地设置第一和第二偏振滤光片504、 505 以使得 它们各自的偏振轴P1、 P2相互正交。这样保留其偏振性的、从表面反
射的光相当大地或完全地被衰减，而从目标物体内的媒介散射且丧失了偏 振态的光的衰减明显减少
上面描述的装置可显著衰减由环境光源(例如由荧光灯、计算机显示 器以及白炽灯泡产生的环境光源)造成的窄带千扰、电磁干扰以及光电体 积描记术的设备和方法固有的噪声尖峰，例如在模数转换器中产生的谐 波可选择调制频率和解调频率以避免这些干扰的谐波，以及结合滤波来 衰减该装置固有的宽带噪声包括白噪声、闪烁噪声以及散粒噪声。
在图2的设置中不必要知道或保持调制载波与解调本机振荡器之间 的相位关系，原因是解调过程对兩者之间的相差不敏感因此，不必要校 准或考虑由信号调节电路或组织中的光传播引起的检测信号中的任何恒 定的相位延迟
还应认识箌，可以不同的形式体现:汰术特征例如，在适当的情况下 驱动器电路、光源、光电检测器、检测器、带通滤波器以及解调过程，可 被實现为数字信号处理算法、定制的模拟集成电路、离散的模拟电子组件 或被实现为模拟信号处理功能和数字信号处理功能的组合。
进一步的修改将是对检测器电路的输出进行采样以及在数字信号 处理器或微处理器上，将带通滤波器、解调器以及信号处理作为部分信号 处悝算法来实现
进一步的修改将是在微芯片上，将光电检测器、检测器、带通滤波 器、解调器以及信号处理器作为VLSI混合信号设计来实现變量(Variant)和噪声管理
可使用这些特征的每一个特征的所有的或一些的组合，来制造期望的 系统以使得信号能够与噪声分离。然而应该在光源的传递和接收的光 信号的收集方面进行精心设计。例如在总的光电流中检测到的光电体积 描记图电流量相当小，而因此设计得不好的湔端可能产生失真的信号或噪 声中被淹没的信号应通过被屏蔽且不与接收光电二极管线路(receiving photodiode
connection)并排布置的电缆，向光源传递脉冲电压如果此情 况发生，则在光电检测器中可引起等于I = CdV/dt的位移电流
取决于光源功率的大小，检测器尺寸以及电压变化率将建立所允许的 耦合电容的朂大值保证引入的位移电流限制在一般不大于检测电流的 1%,是有益的设计原则。
其他的设计标准可如下所示
b) 电压和电流噪声应小于由检测箌的DC光级设定的散粒噪声
c) 应选择跨阻放大器，以使其1//拐角频率小于调制载波频率
d) 可转换(slew)载波上升和下降时间以减少耦合；
e) 可遵守有益嘚PCB设计原则，以避免信号从高功率噪声分量耦合 到敏感的传感器前端特别是跨阻放大器。可使用多层PCB,使电源和接 地回路尽量短并因此朂小化地弹(ground bounce )以及其他形式的噪声 耦合。多层PCB设计可用于反射探测装置以减少位移电流从光源电压脉 冲到接收光电二极管线路的耦合。
接丅来是一个示例性结构然而，应该注意到这不是唯一的结构， 因为这些特征中的一些或所有的特征的组合可产生有益的设计
图6是示絀优选的光电体积描记设备600的结构的原理框图，该设备600包括驱动器电路601驱动器电路601用于以调制的载波信号驱动光 源602,以使得输出强度作为茬调制频率下的调制信号的函数而变化。光 源照射目标物体603而从目标物体返回的光由光电检测器604接收，以 产生作为接收到的光的强度的函数的电信号检测器605将光电检测器604
的电流输出转换成电压信号。该电压信号由带通滤波器606滤波并在模 数转换器607中转换成数字信号。解調器608 (可以是结合图2描述的类 型)具有本机振荡器信号Dl(t),该信号优选为与驱动器电路601的调制信 号Ml(t)的频率实质相同使用块平均滤波器(block average filter) 609产 生输出体積描记图Sl①。
图7示出了反射探测装置700,其提供用于图6的设备的光源和光电 检测器反射探测装置700包括四个发光装置702,用于发射单波长的调 制光信号以便照射测试中的組织。光电二极管704,可以是检测器的阵列 具有给定的有效区域703,该区域703用来4全测从测试中的组织反射回的 光。在图5b中礻出了合适的偏振滤光片元件510其包含交叉的第一和第
二偏振滤光片元件511和512。当探测装置在非接触式^^莫式中使用时此 元件510放置在发光装置702和光电二极管704的上部。从广义的方面来 说此设置提供的光源和检测器的有效表面实质上朝向目标体的表面上的 相同位置。
发光装置优選为具有400nm到600nm之间的峰值光谱响应的发光二 极管(LED) 一般说来，基于研究中的组织的光学特性选定波长此示例 性的光电体积描记设备700特别适匼于测量人体的心率和呼吸率，因此基 于人体的组织和血液的光学性质来选定波长人体的组织和血液的光学性 质在400nm到600nm之间显示强烈的吸收特性。主要在500nm到600nm
之间的吸收光谱内进行研究然而，在440nm处也存在强烈的吸收光谱 且在此波长附近工作的装置也产生有利的结杲。更具體地说存在三种形 式的反射探测装置 一种反射探测装置的LED具有512nm的峰值光谱响 应； 一种反射探测装置的LED具有562nm的峰值光谱响应； 一种反射探 測装置的LED具有574nm的峰值光谱响应。这些都是优选的波长因为
它们在市场上可得到且是经济的，然而如果供给和经济状况允许也可使用其怹的波长。特别优选在500rnn到600nm之间的波长范围这是因为 尽管信号在500nm以下可以改善，^旦光的穿透深度减少这在一些情况下 可导致到达皮肤微動脉内的脉动血的光不充足。
LED和光电二极管并排安装在四层的印刷电路板(PCB)上使用屏 蔽的电源和信号电缆以及多层的PCB设计，改善了对噪声拾取和电学串扰 的抗扰性光电二极管封装件的高度优选为大于LED的高度，以减少光在 有效区域上的直接耦合(光学串扰)在LED 702和光电二极管有效区域 703之间的横向间隔增加了光必须在组织中传播的路径长度，这改善了信 号
通过来自驱动器电路601的调制载波，在给定频率和振幅下激發光源 驱动器电路601是使用如在图10中所示的电流求和放大器实现的数模转 换器。8位DAC输入信号通过微型控制器产生且通过电阻器1001表示 255个离散的振幅级。载波频率由输入信号^L计时(clocked)的速率确定 输出信号M(t)是给定载波频率的方波，其振幅在0伏到运算放大器1002
的满标度输出范围之间变囮运算放大器1002的闭环电压增益由电阻器 1003和1004的反相反馈系数(inverting feedback fraction)设定。这可被 调整以使得数字输入255给出满标度的模拟输出
可使入射到光电二極管604的光通过衰减600nm以上波长的可见光滤 光器。滤光器可包含在光电二极管中并设置在光电二极管的有效区域的 前方。光电二极管的峰值咣语响应优选在500nm到600nm之间更具体 地说，光电二极管的峰值光谱响应可以是580nm滤光器可滚降600nm以 上的光电二极管响应，用于衰减来自大于此波長的光的干扰
入射在光电二极管604上的光产生模拟电流。光电二极管的电流耦合 到电流电压转换器605,该电流电压转换器605可以是如图8中示出的跨 阻放大器800跨阻放大器800优选地设计成使其增益在调制频率之上时 滚降。此低通滤波器响应减少噪声和混叠设计放大器800，以使得反馈 电嫆器801尽量接近光电二极管结电容的值这减小电压噪声增益。这必
须根据跨阻滚降(transimpedanceroll-off)和放大器稳定性的要求而平衡 放大器稳定性受反馈电嫆器801和电阻器802的控制。
29尽管应认识到可使用Chebychev、 Butterworth以及其他的响应，但 带通滤波器606优选为具有RC频率响应的有源Sallen-Key型在图9中 更详细的显示了示唎性的滤波器900。尽管设计滤波器900使用运算放大 器906但应认识到，可通过其他的方法产生带通滤波器频率响应滤波 器900设计成具有与调制频率尽可能接近的中心频率，调制频率在此实施
方式中是570Hz,并且选择低容限元件(low tolerance component)帮助实 现此频率运算放大器的反相输入反馈网络907和908设定滤波器增益和 带宽。此带宽优选地设计为给出尽量窄的带宽同时不使滤波器中心频率 对元件901、 902、 903、 904以及905的容限过度敏感。滤波器的高通滚 降衰减在调制频率以下的噪声而低通滚降衰减在调制频率以上的噪声，
还提供抗混叠(anti-alias)滤波应该i人识到，尽管在此实施例中带通滤 波器响應实现为单一的带通滤波器但其也可以通过单级或多级的分离的 高通滤波器和低通滤波器来实现。
带通滤波器的输出是表示载波调制的體积描记图的模拟电压由于检 测到的载波调制的体积描记图已经被带通滤波且因此其高频含量和低频 含量被衰减，滤波器的输出信号是頻率等于调制载波的基频的正弦波
通过解调带通滤波的、载波调制的体积描记图信号，恢复体积描记图 可使用数字信号处理来进行解調和其它信号调节。然而对于形成双通道 锁定(lock-in)的每一个通道，所有这些处理都可使用诸如Gilbert cell I 和Q混频器以及低通滤波器等电路在模拟域中实現因此，模数转换器607 在带通滤波器之后用来对滤波器606的输出端的模拟电压采样。应注意
到滤波器优选为才莫数转换器607前的最后一级。这保证转换器607接收 的是带通滤波的噪声而不是在没有限制频率响应的任何有源电路级的输 出端存在的宽带白噪声和闪烁噪声。本领域技术人员应该理解这将降低 在解调器608的输出端出现的噪声水平。
对于才莫数转换和随后的解调制采样率应优选为至少四倍于调制频率 嘚多个整数倍。例如釆样率应为4、 8、 12、 16等倍数的调制频率。在 优选的设置中调制频率是570Hz而采样频率是4560Hz:采样频率是调 制载波频率的8倍(2x4)。釆样频率=11*4*调制频率(其中n为整数)
最小采样频率=4*调制频率
图11显示了在图2的解调器中进行的示例性解调器算法的流程图。如
前所述解调器包括多路转换器，用于将调制信号分离到两个通道以提 供第 一调制输入信号和第二调制输入信号。
考虑第一调制信号其与第一解调器载波相乘。解调器本机振荡器
(LO)是方波方波的振幅为1，峰-峰振幅为2,并因此具有采样值+1 和-1方波的占空比是50%。方波的频率等于调制载波频率茬此实施例 中，调制频率以及由此解调频率都为570Hz而釆样率为4560Hz。因此 解调波形包括8个采样对应于载波的正周期的四个+1值，以及对应于载 波的负周期的四个-1值因此，由采样+1、 +1、 +1、 +1、 -1、 -1、 -1、
-l表示解调LO的一个周期且此模式无穷地重复，以产生连续的数字信 号为使第一调制信号与第一解调器LO相乘并因此获得I信号(步骤 1102)，调制信号的每一个测量值与解调器本机振荡器信号的时间对应值
(corresponding-in-time value )相乘用+1或—1乘以调制信号4吏用乘以 +1和-1的乘法运算，使得处理在芯片上相对简单而且如果需要，这样 的方法可容易地转变为单一集成电路
现考虑第二调制信号，其与第二解调器LO相乘解调器LO是方波， 方波的振幅为1峰-峰振幅为2,并因此具有采样值+1和-1。方波的占 空比是50%方波的频率等于调制载波频率。在此实施例中调制频率以 及由此解调频率都为570Hz，而采样率为4560Hz因此，解调波形包括8 个采样对应于载波的正周期的四个+1值以及对应于載波的负周期的四
个-l值。然而第二解调器载波相对于第一解调器载波相移90度。因此 由釆样-1、 -1、 +1、 +1、 +1、 +1、 -1、 -1表示解调载波的一个周期，苴 此模式无穷地重复以产生连续的解调LO。注意这与上面给出的笫一 解调载波信号不相同，而是其90度相移的形式为使第一调制信号与苐 一解调器LO相乘并因此获得Q信号，调制信号的每一个测量值与解调载
波信号的时间对应值相乘(步骤1105 ):用+1或-1乘以它
现在应该认识到，在此使鼡模数转换器和数字解调器的实施例中需要在最少4倍调制频率或4倍调制频率的整数倍下，对带通滤波的检测信
号进行采样以使得通过將采样的解调LO移动1/4周期而精确地实现90 度的相移。
分别地I信号和Q信号每一个都被低通滤波以去除不需要的谐波和 乘法运算过程的乘积，并^皮抽取以减少采样率这通过计算在8个采样长 度的块(block)中的每一个信号的总和来进行(步骤1103和1106)。对于 每一个通道第一个8个采样被求和，然后昰第二个8个采样被求和等等 无穷地进行下去。应该理解这等同于在一个周期上对I信号和Q信号积
分。应认识到这是一个平均过程，该過程给出低通滤波器频率响应并 因此衰减高频乘法器乘积。还应认识到这是一个平均滤波器，其给出的 频率响应在载波频率的倍数頻率处具有大量的零响应。这提供了对调制 载波谐波的良好的衰减最后，应认识到在将8个采样求和为一个采样 时，该过程还起到抽取級的作用此减少的釆样率降低了后面的信号处理
阶段的计算复杂性，并减少了模数转换器噪声基底从而提高了信噪比。
经滤波和抽取嘚I信号现称为I'经滤波和抽取的Q信号现称为Q'。
最后I'和Q'信号被反多路转换成一个信号解调的体积描记图。每
一个r采样与自身相乘而得到r2 (步驟1104 )每一个Q'釆样与自身相乘
而得到Q'2 (步骤1107 )。每一个1'2釆样与其对应的Q"采样求和而得到 I'2+Q'2(步骤1108 )对每一个求和的采样取平方根(I'2+Q'2 )a5(步骤1109 ) 而得到体积描记圖采样。
在示例性的光电体积描记设备600中的末级是块平均滤波器609块 平均滤波器对19个采样的连续块求和(步骤1110)而得到一个釆样。这 提供了平均滤波器和抽取器的功能而其特点被用来衰减与谐波相关的噪 声，特别是由60Hz计算机显示器产生的噪声此平均滤波器具有的频率 响应在采样频率的倍数频率下，给出零响应(大幅衰减)初始的4560Hz
的采样频率被抽取1/8，然后被抽取1/19得到最终的采样频率30Hz。因 此平均滤波器响应在30Hz嘚倍数频率下给出大幅衰減。
用570Hz的载波调制光源602这使570Hz的载波位于540Hz ( 60Hz 的9次谐波)和600Hz (60Hz的10次谐波)的中间。在解调器的输出端这些谐波出现在30Hz处(所囿其他的谐波出现在30Hz的偶数倍频率处)。 块平均滤波器609是衰减此干扰的简单的方法这个末级滤波的输出(步 骤llll， 1112)是体积描记图(Sl(t))
应认识到，朂后的采样率以及因此末级块平均滤波器的频率特点将 取决于在解调器608和块平均滤波器609中使用的抽取器比率。因此这 些比率可^皮调整荿通过块平均滤波器给出对不同谐波的衰减。在下面的表 1中给出了调制载波频率、采样率和抽取率(decimation ratio )的值的范围 选择调制载波频率、采样率和抽取率，来衰减给定的、有问题的刷新率 (refresh rate )
刷新率 陶刷新率 谐波 (Hz)刷新率 谐波 (Hz)调制载波 频率 (Hz)解调后 谐波 陶采样率 (8x载波) (Hz)抽取率
在图13中可以看到典型的输出信号。图13a显示了组合的AC和DC 分量图13b显示了放大的AC分量。较高的频率周期性是测量对象的脉 搏率较低的频率周期性是测量對象的呼吸率，而呼吸率使用热敏电阻探 测装置(thermistor probe )验证确定脉搏率的算法通常可在文献中找到， 所述算法包括峰值检测(peakdetection)等
这里描述的体積描记设备的优点是可靠的反射模式传感器可用在以 前不适合进行光电体积描记图检测的许多身体部位。举例来说前额是在 恶劣条件下監视必须戴安全帽的职员的非常方便的位置，例如在釆矿或化
33学处理行业中工作的职员此设备可方便地设置在安全帽的带子中或设置
在掱表下的手腕上或身体上其他这样方便的地方。在Branche等人的
另一种恶劣环境是在医院的用于需要复苏的新生儿的产房中在前额 上放置这样嘚传感器，允许医师在连续地听到指示脉搏率的可听得见的哔 哔声的同时专注于新生儿的护理。这种装置将特别适合于健康与安全领 域Φ的其他恶劣和常规的环境另一方面，对于安装在衣服中以用于社会、 家庭、运动和生物的应用的软应用(soft application)也是存在的
图13、 14和15显示了使鼡前面描述的示例性的光电体积描记设备的 实验的结果。使用光电体积描记器通过照射对象的前额，记录体积描记 图因此这些曲线图顯示了前额的体积描记图。
图13a显示了体积描记图AC和DC分量这是可以预计到的传统的 体积描记图信号。图13b显示了放大的AC分量由动脉脉搏在傳感器下 传播引起的脉动信号清晰可见。这被叠加在周期约为10秒的另一个较低 频率的信号上这是由对象吸气和呼气时血容量的变化而引起的呼吸信 号。在此实验中对象以比较恒定的速率和深度呼吸，每8秒吸气和呼气 一次这可在10秒到60秒之间清楚地看到。
图14a显示了放大的體积描记图AC分量图14b显示了经带通滤波 衰减了脉动信号的AC分量。光电体积描记图呼吸信号清晰可见
图15证实了此低频AC信号是光电体积描记圖呼吸信号。图15a显示 了光电体积描记图呼吸信号图15b显示了来自口腔热敏电阻器的信号。 此热敏电阻器放置在对象呼吸所通过的塑料管中在对象呼气时，来自肺
34部的受身体温暖的空气引起温度上升在对象吸气时，室内较冷的空气通 过热敏电阻器被吸入传感器记录温度嘚下降。因此呼吸率可被测量并 与光电体积描记图信号相关联，以验证光电体积描记图呼吸率信号
对图15a和15b的观察和比较表明体积描记圖AC分量包含脉动和 呼吸两者的信息，以及示例性的光电体积描记器能轻易地检测到这些信 号在本情况下，两个信号应该有180度的相差这個微小的相位延迟是 由热敏电阻器的热电容引起的。
从广义的方面来讲在此描述的光电体积描记设备的解调输出(例如 体积描记图Sl(t)), —般提供表示作为时间的函数的血容量的信号。这可 以使用技术人员已知的技术来分析也可使用输出来推断出血液组分或血 液成分。假定检测箌的光强度的周期性上升和下降只是由动脉血流入组织 引起的通过使用波峰和波谷测量法，可测量到由动脉血引起的衰减如
果这在两個不同光波长下进行，则可以使用已知的技术估计氧饱和度(含 氧血与缺氧血的比率)。
在用于确定相对血氧饱和度的脉搏血氧测定仪(pulse oximeter)中 使用光电体积描记的技术。这些设备通常用在透射模式中用光照射组织 的区域而检测并处理在组织另一侧的出射光以确定饱和百分率。此技术 限于足够薄而使光能够通过的皮肤区域例如手指、脚趾和耳垂。
在透射模式的脉搏血氧测定法中光波长的选择是很重要的。从450nm 箌600nm之后从600nm到650nm,以及更大的波长，血液对光的吸收降 低一个数量级此吸收是光子路径长度和吸收系数的函数，且在透射模式 中该吸收很夶。此吸收特点的结果是450nm到600nm之间的光衰减很 大其衰减的程度使得非常少的600nm以下波长的光通过附属肢体，例如 手指、脚趾或耳垂
一般使鼡650nm或更高波长的光。
类似地对于光电体积描记术的大部分研究使用在透射模式下工作的 设备，并因此使用波长大于600nm的光当光电体积描記术在反射模式中使用时，路径长度以及因此总吸收是 较小的这是因为光不通过附属肢体，而是从组织的表面层散射(或反射)
回到检测器这表示可以-使用450nm到600mn的光。然而光强仍然4艮 低，而且有必要使用低噪声检测技术来获得足够的信噪比
因为主要的吸收介质是血液，所鉯使用被强烈吸收的波长的光是有益 的这表示血容量的变化将在450nm到600nm之间比在600nm以及之上 引起相应的但是更大的光强变化。所以光振幅被血液调制到更大的程度， 且因此反射式光电体积描记图信号的脉动分量在使用450nm到600nm之 间的光时比使用600nm以上的光时更大这已由图16和图17示出。
圖16显示了使用510nm波长的绿光的光电体积描记图而图17显示 了使用644nm波长的红光的光电体积描记图。两幅图中y轴的缩放比例是 相等的可以清楚哋看到绿光比红光给出更大的脉动信号。由心搏引起的 脉冲(pulse)清晰可见且相比使用红光时具有更大的振幅，且信噪比相 应地提高
另外，甴绿光得到的信号清楚地将呼吸信号显示为低频基线漂移在 使用红光时，不能容易地观测到呼吸信号
在此描述的许多特征可以容易地楿互结合使用。
使用采用如结合图2描述的正交解调的调制光提供了几个优于现有 技术方法的优势，在所述的使用中解调器对调制信号與解调器的振荡器 之间的任何相差都不敏感。调制的光电体积描记图信号可以在调制频率下 -故带通滤波以有益地衰减DC环境光、100Hz荧光、60Hz计算机显示器 光以及闪烁噪声。因此与使用DC(未调制)光或采用时隙检测(timeslot
detection)的调制光的现有技术方法比较，上述的方法较好地抑制了干扰 其中所述的时隙检测通常用在脉搏血氧测定仪中，用作一种红色LED和红 外LED之间进行时分多路转换的方法
正交解调同样对调制载波与解调载波的楿位之间的差别不敏感。这可 将解调过程简化为简单的算法载波没有必要同步。
正交解调可容易地结合在此描述的多波长体积描记设备使用以及结合像素阵列装置、反射^^莫式装置和绿光装置使用。
已经发现绿光光电体积描记术和正交解调的结合特别有利。绿光的 使用朂大化了检测到的光电体积描记图信号的振幅且对调制光进行带通 滤波和正交解调将噪声的影响最小化。因此这种结合使信噪比最大囮， 而这表示能够以更高的可靠性来提取心率和呼吸率对于心率检测的情
况，这种结合将减少误报(falsepositive )或遗漏心搏对于呼吸信号的情 况，這种结合清晰地恢复先前很难检测到的信号且该项技术减少了误报 和遗漏呼吸的次数。
因此光电体积描记图信号的信噪比的提高，改進了对信号中与心搏 和呼吸相关的特征的^r测并因此改进了使用这些特征来确定心率和呼吸 率的任何算法的可靠性。
在各个附图中例如圖1-3、 6、 12以及18-20中，调制信号标记为 Ml(t)和而解调信号标记为Dl(t)指示连续时域中的信号，即振幅作为时 间的函数而变化的模拟信号应该理解，例洳在微处理器中，可以使用 数字信号处理算法容易地实现描述的配置在这种情况下，应该理解Ml、 Dl可以是离散的采样信号M1 (n)和D1 (n)。类似地在图12中，功
其他的实施方式意在包含在附随的权利要求的范围内
一种光电体积描记设备，其包括光源其用于照射目标物体；调制器，其用于驱动所述光源以使得输出强度作为在调制频率下的调制信号的函数而变化；检测器，其用于接收来自所述目标物体的光并产苼作为接收到的光的强度的函数的电输出；解调器，其用于接收检测器输出所述解调器具有本机振荡器，且产生表示所述调制信号及其任何边带的解调输出其中所述解调器对所述调制信号和所述解调器的所述振荡器之间的任何相差都不敏感；以及用于根据所述解调输出產生信号的装置，所述信号指示作为时间的函数的血容量及/或血液成分
2. 如权利要求1所述的光电体积描记设备，其中所述解调器包括第一通道其适于将所述检测器输出与本机振荡器的输出混频，以产 生第一相位信号输出所述本机振荡器的输出具有振荡器频率和相对于所 述检测器输出的第一相位；以及第二通道，其适于将所述检测器输出与本机振荡器的输出混频以产 生第二相位信号输出，所述本机振荡器的输出具有所述振荡器频率和相对
于所述4全测器输出的第二相位所述第二相位不同于所述第 一相位，所述第 一相位信号输出和所述第②相位信号输出形成所述解调输出
3. 如权利要求2所述的光电体积描记设备，其中本机振荡器频率实 质上等于所述调制频率
4. 如权利要求2所述的光电体积描记设备，包括单一的本机振荡器 所述单一的本机振荡器具有用于在所述第一通道中进行混频的第一相位输出以及用于在所述第二通道中进行混频的第二相位输出。
5. 如权利要求4所述的光电体积描记设备其中所述第一相位输出和所述第二相位输出成实质上90度嘚相对相角。
6. 如权利要求4所述的光电体积描记设备其中所述单一的本机振 荡器的所述第 一相位输出和所述第二相位输出具有相同的相位，所述解调 器具有分离器和相移装置所述分离器用于将所述^^测器输出分离成两个 通道信号，所述相移装置在至少一个通道中用于提供用莋两个通道的输入 的分离的检测器输出信号之间的相移
7. 如权利要求6所述的光电体积描记设备，其中所述分离的检测器 输出信号之间的所述相移实质上为90度
8. 如权利要求2所述的光电体积描记设备，进一步包括低通滤波器 以去除由混频过程产生的在所述第 一通道和所述第二通道的所述第 一相 位输出和所述第二相位输出中的谐波。
9. 如权利要求1所述的光电体积描记设备进一步包括反馈电路， 所述反馈电路适于調整所述光源的所述输出强度作为所述检测器输出或 所述解调输出的函数
10. 如权利要求9所述的光电体积描记设备，其中所述反馈电路适于 將所述光源的所述输出强度保持在足以根据所述解调输出保持体积描记 图的检测的水平
11. 如权利要求1所述的光电体积描记设备，其中所述咣源的输出处 于450nm到600nm之间的光谱的范围内
12. 如权利要求1所迷的光电体积描记设备，包括第二光源其用于使用波长与所述第一光源不同的光照射所述目标物体，第二调制器其用于驱动所述第二光源，以使得输出强度作为第二调 制信号的函数而变化以及第二解调器，其用于產生表示所述第二调制信号的第二解调输出
13. 如权利要求12所述的光电体积描记设备，其中所述第二解调器对所述调制信号与所述第二解调器的本机振荡器之间的任何相差都不敏 感
14. 如权利要求12所述的光电体积描记设备，进一步包括用于根据 所述第二解调器输出产生信号的装置所述信号指示作为时间的函数的血 容量及/或血液成分。
15. 如权利要求1所述的光电体积描记设备进一步包括耦合在所述 ;险测器输出和所述解调器的输入之间的带通滤波器，所述带通滤波器具有 的通带的宽度仅足以使所述检测器输出中的由体积描记图调幅引起的所 述调制频率以及任何边带通过
16. 如权利要求15所述的光电体积描记设备，其中所述通带实质上 被限于所述调制频率的两侧25Hz
17. 如权利要求1所述的光电体積描记设备，其中所述光源和所述检 测器设置成在基底上横向地相互邻近以使得它们的有效表面可实质上朝 向目标体的表面上相同的位置。
18. —种产生体积描记图的方法其包括以下步骤 使用光源照射目标物体；使用调制器驱动所述光源，以使得输出强度作为在调制频率下嘚调制 信号的函数而变化；使用检测器接收来自所述目标物体的光并产生作为接收到的光的强 度的函数的电输出；在具有本机振荡器的解调器中接收所述检测器的输出，并产生表示所 述调制信号及其任何边带的解调输出其中所述解调器对所迷调制信号和
所述解调器的所述振荡器之间的任何相差都不敏感；以及根据所述解调输出产生信号，所述信号指示作为时间的函数的血容量 及/或血液成分
19. 一种光电体積描记设备，其包括一个或更多个光源每一个所述光源用于照射目标物体的一部分；一个或更多个调制器，其用于驱动所述光源以使嘚每一个所述光源的输出强度作为在调制频率下的调制信号的函数而变化；一个或更多个检测器，其用于接收来自所述目标物体的光并產生作为接收到的光的强度的函数的 一个或更多个电输出；多个解调器，每一个所述解调器用于接收所述电输出中的一个或更多
个电输出并产生表示被调制光源中的一个被调制光源的所述调制信号及 其任何边带的解调输出，以由此产生对应于多个光源^或多个检测器的多 个解调输出；以及用于针对每一个解调器输出根据所述解调输出产生体积描记图信号 的装置所述体积描记图信号指示作为时间的函数的血嫆量及/或血液成 分。
20. 如权利要求19所述的光电体积描记设备包括多个光源，每一 个所述光源都具有不同波长的光学输出所述多个解调器Φ的每一个解调
21. 如权利要求19所述的光电体积描记设备，进一步包括用于选择 所述解调输出中提供最佳信噪比的解调输出的装置
22. 如权利要求19所述的光电体积描记设备，进一步包括用于根据 多个解调器输出进行独立分量分析、主分量分析及盲源分离中的一项或更 多项以提高信噪比的装置
23. 如权利要求19所述的光电体积描记设备，包括多个光源其中 所述多个光源被设置在基底上的像素阵列中。
24. 如权利要求23所述的咣电体积描记设备进一步包括用于形成 与所述^^素阵列中的所述光源的相对空间位置相关的、所述血容量及/或所 述血液成分的空间分布的映射的装置。
25. 如权利要求19所述的光电体积描记设备包括多个光源，其中 所述光源;陂在不同的调制频率下驱动
26. 如权利要求25所述的光电体積描记设备，其中每一个所述解调器产生对应于所述光源中的相应光源的解调输出
27. 如权利要求20所述的光电体积描记设备，包括多个检测器每一个所述检测器可操作以接收所述光源波长中的相应波长的光，以及其中 每一个所述解调器产生对应于所述光源中的相应光源的解調输出
28. 如权利要求19所述的光电体积描记设备，其中每一个所述解调 器都具有本机振荡器并产生表示相应的调制信号的解调输出，其中所述 解调器对相应的调制信号与所述解调器的所述振荡器之间的任何相差不 敏感
29. 如权利要求19所述的光电体积描记设备，其中所述一个或哽多 个光源以及所述一个或更多个检测器设置成在基底上横向地相互邻近以 使得它们的有效表面可实质上朝向目标体的表面上的相同位置。
30. 如权利要求19所述的光电体积描记设备包括多个检测器以及 相应的多个解调器，所述多个检测器以及相应的多个解调器中的每一个都 被设置在基底上的像素阵列中
31. 如权利要求30所述的光电体积描记设备，进一步包括用于形成 与所述像素阵列中的所述检测器的相对空间位置相关的所述血容量及/或 所述血液成分的空间分布的映射的装置
32. —种产生体积描记图的方法，其包括以下步骤使用一个或更多个光源照射目标物体的一部分；使用 一个或更多个调制器驱动所述光源以使得每一个所述光源的输 出强度作为在调制频率下的调制信号的函数而變化；使用一个或更多个检测器接收来自所述目标物体的光，并产生作为接 收到的光的强度的函数的一个或更多个电输出；使用多个解调器接收所述电输出中的一个或更多个电输出每一个所
述解调器产生表示被调制光源中的一个被调制光源的所述调制信号及其 任何边带的解调输出，以由此产生对应于多个光源的多个解调输出；以及对于像素阵列的每一个解调器输出根据所述解调输出产生体积描记图信号，所述体积描记图信号指示作为时间的函数的血容量及/或血液成 分
33. —种用于非接触式使用的光电体积描记设备，其包括 光源其用于通過第一偏振滤光片照射目标物体；调制器，其用于驱动所述光源以使得输出强度作为在调制频率下的调制信号的函数而变化；检测器，其用于通过第二偏振滤光片接收来自所述目标物体的光所 述第二偏振滤光片具有与所述第一偏振滤光片不同的偏振态，所述检测器
适于產生作为接收到的光的强度的函数的电输出；解调器其用于接收检测器输出，并产生表示所述调制信号及其任何 边带的解调输出；以及鼡于根据所述解调输出产生信号的装置所述信号指示作为时间的函 数的血容量及/或血液成分。
34. 如权利要求33所述的光电体积描记设备其Φ所述第一偏振滤 光片与所述第二偏振滤光片^皮设置成它们的相对偏振态相互成90度。
35. 如权利要求33所述的光电体积描记设备其中所述检测器具有 本机振荡器并产生表示所述调制信号的解调输出，其中所述解调器对所述 调制信号与所述解调器的所述振荡器之间的任何相差都不敏感
36. 如权利要求33所述的光电体积描记设备，其中所述光源以及所 述检测器设置成在基底上横向地相互邻近以使得它们的有效表面可实質 上朝向目标体的表面上相同位置。
37. 如权利要求33所述的光电体积描记设备其中所述光源具有波 长小于600nm的光输出。
38. 如权利要求37所述的光电體积描记设备其中所述光源具有波 长在440nm到574nm之间或在500nm到600nm之间的光输出。
39. —种产生光电体积描记图的方法其包括以下步骤 使用光源通过第┅偏振滤光片照射目标物体；使用调制器驱动所述光源，以使得输出强度作为在调制频率下的调制信号的函数而变化；使用检测器通过第②偏振滤光片接收来自所述目标物体的光所述第
二偏振滤光片具有与所述第一偏振滤光片不同的偏振态，所述检测器产生作为接收到的咣的强度的函数的电输出；使用解调器接收检测器输出并产生表示所述调制信号及其任何边带 的解调输出；以及根据所述解调输出产生信号，所述信号指示作为时间的函数的血容量 及/或血液成分
40. —种用于非接触式使用的光电体积描记设备，其包括光源其用于使用波长尛于600nm的光辐射来照射目标物体；调制器，其用于驱动所述光源以使得输出强度作为在调制频率下的 调制信号的函数而变化；检测器，其鼡于接收来自所述目标物体的光并适于产生作为接收到 的光的强度的函数的电输出，所述光源与所述4企测器设置成在基底上横向 地相互鄰近以使得它们的有效表面可实质上朝向目标体的表面上相同位
置；解调器，其用于接收4企测器输出并产生表示所述调制信号及其任哬 边带的解调输出；以及用于根据所述解调输出产生信号的装置，所述信号指示作为时间的函 数的血容量及/或血液成分
41. 如权利要求40所述嘚光电体积描记设备，其中所述光源适合于 使用波长在440nm到574nm之间或在500n到600nm之间的光辐射来照射 所述目标物体
42. 如权利要求40所述的光电体积描记設备，其中所述光源适合于 通过第一偏振滤光片照射目标物体而所述检测器适合于通过第二偏振滤 光片接收来自所迷目标物体的光，所洣第二偏振滤光片具有与所述第一偏振滤光片不同的偏振态
43. 如权利要求40所述的光电体积描记设备，其中所述光源以及所 述检测器设置成茬基底上横向地相互邻近以使得它们的有效表面可实质 上朝向目标体的表面上相同位置。
44. 一种产生光电体积描记图的方法其包括步骤使用来自光源的波长小于600nm的光辐射来照射目标物体；使用调制器驱动所述光源，以使得输出强度作为在调制频率下的调制 信号的函数而变囮；使用检测器接收来自所述目标物体的光以产生作为接收到的光的强 度的函数的电输出，所述光源与所述检测器设置成在基底上横向哋相互邻使用解调器接收检测器输出并产生表示所述调制信号及其任何边带
的解调输出；以及根据所述解调输出产生信号，所述信号指礻作为时间的函数的血容量 及/或血液成分
一种光电体积描记设备包括用于照射目标物体的光源。调制器驱动光源以使得输出强度作为茬调制频率下的调制信号的函数而变化。检测器接收来自目标物体的光并产生作为接收到的光的强度的函数的电输出。具有本机振荡器嘚解调器接收检测器输出并产生表示调制信号的解调输出。解调器对调制信号与解调器的振荡器之间的任何相差都不敏感根据解调输絀，产生信号该信号指示作为时间的函数的血容量及/或血液成分。提供多个解调器以从不同波长的多个光源，或从检测器的阵列得到信号体积描记器可在透射模式或反射模式下操作。在处于反射模式时该设备可使用光谱的绿色部分，且可使用偏振滤光片
尼古拉斯·迈尔斯, 巴里·海耶斯-吉尔, 约翰·克劳, 马克·格鲁伯 申请人:诺丁汉大学
