УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЕЙСТВИЯ ДАТЧИКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИИ Российский патент 2018 года по МПК A61B5/24 A61B5/295 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройству датчика фотоплетизмографии, способу действия датчика фотоплетизмографии и к компьютерной программе датчика фотоплетизмографии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фотоплетизмография (PPG) относится к получению результата измерения объемного органа оптическими средствами. Для этой цели часто используются пульсоксиметры, обнаруживающие изменения свойств поглощения света человеческой кожей. Как правило, датчик PPG проходящей или отражающей крови контролирует перфузию крови к дерме и подкожной ткани кожи посредством измерения поглощения на определенной длине волны. Помимо света, идущего от крови, существует гораздо большая часть обнаруженного света, который берет начало от ткани и окружающего света.

Сигналы фотоплетизмографии содержат очень малый сигнал переменного тока (AC) (фактической плетизмограммы) поверх очень большого (нежелательного) сигнала смещения постоянного тока (DC). Сигнал смещения постоянного тока содержит сигналы, берущие начало от кожи и ткани и от значительной части окружающего света. К сожалению, количество обнаруженного окружающего света не является постоянным, а изменяется за счет изменения условий рассеяния света и из-за артефактов движения (вызванных, например, связью между датчиком фотоплетизмографии и кожей). Мгновенная скорость изменения обнаруженного окружающего света содержит частоты в интересующей полосе частот фотоплетизмографии. Это не позволяет осуществлять простую фильтрацию в частотной области, поскольку фильтрация этих частот (в надежде на подавление обнаруженного окружающего света) также будет фильтровать (или значительно подавлять) сигналы на частотах в интересующей полосе частот фотоплетизмографии.

Известные в настоящее время механизмы удаления окружающего света содержат, например, схемы восстановления постоянной составляющей, которые периодически делают выборку окружающего света, когда возбуждающий свет фотоплетизмографии (такой, например, как свет светодиода, LED) временно выключается. В другом временном интервале (например, когда светодиод включен) берется выборка, которая содержит как сигнал окружающего света, так и сигнал фотоплетизмографии. Вычитая сигнал при выключенном свете возбуждения фотоплетизмографии из сигнала с включенным светом возбуждения фотоплетизмографии, получают "скорректированный по смещению" сигнал фотоплетизмографии, на который не накладывается помеха от окружающего света. Обычно эта выборка делается после того, как трансимпедансный усилитель (transimpedance amplifier, TIA) усилил фототок, формируемый детектором, и преобразовал его в напряжение. Альтернативно и/или дополнительно, эта выборка делается полностью в цифровом виде после того, как сигнал был обработан аналого-цифровым преобразователем (analog-to-digital converter, ADC).

Традиционные датчики фотоплетизмографии имеют много проблем и недостатков. Во-первых, количество обнаруживаемого окружающего света может быть значительным. Это означает, что при проектировании усилителя должна резервироваться определенная величина доступного динамического диапазона для должного обнаружения окружающего света, что в результате приводит к субоптимальному осуществлению усилителя.

Дополнительно, если вычитание сигнала от окружающего света делается в цифровом виде (то есть, после аналого-цифрового преобразования), то для окружающего света необходимо резервировать большое количество ADC-битов. Резервирование ADC-битов для окружающего света, однако, ограничивает разрешающую способность, доступную для сигналов фотоплетизмографии.

Однако, если вычитание делается непосредственно после обработки посредством TIA, то необходима схема выборки-запоминания, чтобы сохранять значение окружающего света (то есть, измеренное значение, соответствующее окружающему свету) до следующего периода выборки сигнала фотоплетизмографии. Точность усиления этого сигнала выборки-запоминания определяет эффективность компенсации.

Один из вариантов решения проблем традиционных датчиков фотоплетизмографии заключается в использовании этапа заводской калибровки элемента выборки-запоминания. Такой дополнительный этап заводской калибровки однако повышает производственные затраты и поэтому менее предпочтителен.

Документ US 7740591 раскрывает датчик плетизмографии. Этот датчик содержит схему исключения окружающего света, которая принимает выходные сигналы дифференциальных трансимпедансных усилителей. Схема исключения окружающего света действует следующим образом: когда схема временного управления выключает красный и инфракрасный светодиоды, окружающий свет является единственным светом, сигнал которого выводится датчиком. Для окружающего света делается выборка и значение сигнала хранится в конденсаторе, связанном с заземлением через полевой транзистор (FET). Когда FET выключен, значение, хранящееся в конденсаторе, используется в цепи прохождения сигналов красного цвета и инфракрасного сигнала. Эта хранящееся в конденсаторе значение удаляет ошибку, вносимую окружающим светом.

Документ US 6381479 B1 раскрывает систему улучшенного исключения постоянного тока и низкочастотного сигнала в устройстве для фотоплетизмографического измерения. Система используется в измерительном приборе, содержащем по меньшей мере два источника сигнала для пропускания световых сигналов по меньшей мере на двух длинах волн через ткань испытуемого пациента и детектор для преобразования световых сигналов, проходящих через ткань, в выходной сигнал детектора. Система содержит схему восстановления составляющей постоянного тока, которая удаляет составляющую постоянного тока и низкочастотные компоненты сигнала из выходного сигнала детектора перед его усилением, чтобы избежать насыщения усиленного выходного сигнала из-за низкочастотной составляющей сигнала. Восстановление постоянной составляющей тока выполняется с возможностью непрерывного удаления низкочастотной составляющей сигнала из сигнала детектора во время темных периодов, когда источники сигналов выключены, а также во время светлых периодов, когда один из источников сигнала включен. В одном из вариантов осуществления восстановление постоянной составляющей реализуется в форме схемы восстановления постоянной составляющей, которая содержит трансимпедансный усилитель, который принимает выходной сигнал детектора и создает выходной сигнал усилителя, и контур обратной связи интегратора, который принимает усиленный выходной сигнал и создает ток смещения, причем ток смещения используется для вычитания компонент постоянной составляющей и низкочастотного сигнала из выходного сигнала детектора до усиления сигнала детектора усилителем.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении улучшенного устройства датчика фотоплетизмографии, улучшенного способа действия датчика фотоплетизмографии и улучшенной компьютерной программы датчика фотоплетизмографии, которые решают проблемы, связанные с PPG-датчиками предшествующего уровня техники.

В первом варианте изобретения обеспечивается устройство датчика фотоплетизмографии, содержащее блок источника света, выполненный с возможностью формирования первого светового сигнала; и блок фотодетектора, выполненный с возможностью получения второго светового сигнала, где упомянутый второй световой сигнал является индикатором поглощения упомянутого первого светового сигнала в объекте, причем упомянутый блок фотодетектора дополнительно выполнен с возможностью вывода выходного сигнала фотодетектора в ответ на получение упомянутого второго светового сигнала. Устройство дополнительно содержит контур обратной связи компенсации окружающего света, содержащий блок слежения-запоминания, выполненный с возможностью приема выходного сигнала фотодетектора. Устройство выполнено с возможностью сравнения выходного сигнала упомянутого блока слежения-запоминания с опорным сигналом и контур обратной связи компенсации окружающего света содержит первый усилительный блок, выполненный с возможностью обеспечения тока компенсации, основываясь на упомянутом сравнении с выходным сигналом блока слежения-запоминания.

Настоящее изобретение предлагает измерять фотоплетизмографический сигнал без помехи, создаваемой окружающим светом. Сигналы окружающего света исключаются, обеспечивая ток компенсации на входе блока слежения-запоминания напрямую или, например, через трансимпедансный усилитель. Ток компенсации предпочтительно управляется через замкнутый контур без помех для работы блока источника света (такого, например, как светодиод возбуждения фотоплетизмографии) с малой продолжительностью включения. Другими словами, настоящее изобретение предлагает преодолеть упомянутые выше проблемы, вычитая ток компенсации непосредственно на входе усилителя. Этот ток управляется через контур обратной связи, обеспечивающий, что ток вследствие окружающего света не будет попадать в TIA. Это исключает упомянутые выше проблемы. Упомянутый блок слежения-запоминания предпочтительно содержит схему слежения-запоминания. Используя блок слежения-запоминания, то есть, предпочтительно, схему слежения-запоминания, настоящее изобретение является пригодным для окружающего света "типа переменного тока", такого, например, как искусственный свет и солнечный свет, которые появляются, например, во время бега. Термин "типа переменного тока", как он используется здесь, означает, например, что во время бега интенсивность окружающего света изменяется (например, из-за того, что бегун периодически машет руками при беге), приводя, таким образом, к переменному току, получаемому фотодетектором. Переменный ток может быть периодическим, но это не обязательно. Этот термин также охватывает шагообразные изменения, которые могут вызываться, например, прыжком пользователя. Схема слежения-запоминания, таким образом, предпочтительна, например, для схемы интегрирования-запоминания, где на светодиод подается импульс с насколько возможно малой продолжительностью. Соответственно, окружающий свет интегрируется в течение выбранного периода, чтобы использовать эти данные для компенсации в течение короткого периода измерения. Заметим, что схемы интегрирования-запоминания не обязательно интегрируют за длительные периоды. Время интегрирования может быть выбрано настолько коротким, насколько это желательно. Однако, часть интегрирования подразумевает действие фильтра нижних частот и поэтому менее пригодна для окружающего света "типа переменного тока". Использование операции интегрирования в контуре отрицательной обратной связи подразумевает нулевую ошибку по постоянному току, поскольку любой ненулевой сигнал постоянного тока будет увеличивать сигнал ошибки за счет интегрирования. Это не может быть достигнуто в топологии слежения-запоминания, потому что там ошибка может стать нулевой только при бесконечном усилении. В данном случае, однако, нет необходимости иметь нулевую ошибку по постоянному току. Скорее, окружающий свет должен ослабляться в максимально возможной степени, чтобы освободить динамический диапазон. Дополнительно, обеспечивая контур обратной связи, корректирующий окружающий свет, который (предпочтительно всегда, то есть, постоянно) замкнут, отслеживаемая часть сигнала всегда незначительно мала внутри контура. Поскольку PPG-сигналы имеют малое значение (особенно у PPG-датчиков, работающих в режиме отражения), уровни окружающего света могут быть относительно высокими. Если бы часть тока, связанная с окружающим светом, не вычиталась непрерывно, то усилитель (такой, например, как трансимпедансный усилитель), принимающий свет от упомянутого блока фотодетектора, должен был бы вводить большие ступенчатые изменения для окружающего света во время каждого цикла регулирования. В настоящей конфигурации, дело обстоит не так. Настоящий вариант осуществления, таким образом, позволяет смягчить динамические требования к устройству датчика PPG. Датчики PPG обычно используют по меньшей мере один усилитель. Однако, датчик PPG вместо фотодиода может также использовать фототранзистор. Фототранзистор имеет усилие и поэтому является усилителем, хотя его функция усиления не всегда явно видна, если Вы рассматриваете его как детектор. То же самое относится к любому другому фотодетектору с внутренним усилением.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, упомянутый усилительный блок содержит транскондуктивный усилитель. Поскольку упомянутый усилительный блок содержит транскондуктивный усилитель разность между выходным сигналом блока слежения-запоминания и опорным сигналом предпочтительно посредством упомянутого транскондуктивного усилителя преобразуется в ток компенсации. Как следствие, возможно вычитание тока компенсации уже на входе второго усилителя. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый транскондуктивный усилитель, содержит управляемый резистором и/или напряжением источник тока. По определению, активная междуэлектродная проводимость является величиной, обратной сопротивлению, и, таким образом, имеет размерность тока, деленного на напряжение или, другими словами, тока, зависящего от напряжения (то есть, управляемый напряжением источник тока).

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии содержит аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью приема выходного сигнала от упомянутого второго усилительного блока. Практически, современные датчики PPG и SpO₂ имеют аналоговый входной каскад с последующей цифровой обработкой и поэтому требуют ADC.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит блок приведения в действие источника света, выполненный с возможностью управления упомянутым блоком источника света. Предпочтительно, блок источника света содержит импульсный светодиод. Использование импульсных светодиодов предпочтительно для носимых устройств по причинам экономии батареи и осуществления выборки окружающего света. Использование импульсных светодиодов дополнительно предпочтительно для медицинских устройств в отношении осуществления выборки окружающего света и также в отношении причин, связанных с цветом, в датчиках SpO₂.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит синхронный детектор. Используя синхронный детектор, окружающий свет, который не синхронизирован с выходным световым сигналом от упомянутого блока источника света, предпочтительно удаляется или, по меньшей мере, подавляется.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит блок приведения в действие источника света, выполненный с возможностью управления упомянутым блоком источника света, и в котором упомянутый синхронный детектор выполнен с возможностью действия синхронно с упомянутым блоком приведения в действие источника света. Когда упомянутый синхронный детектор и упомянутый блок приведения в действие источника света действуют синхронно, упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии предпочтительно выполнено таким образом, что только окружающий свет, который синхронен со светом от упомянутого блока источника света, вносит фоновый сигнал в свет, отраженный от упомянутого объекта. Напротив, свет, который не синхронен с выходом светового сигнала от упомянутого блока источника света, предпочтительно удаляется или, по меньшей мере, подавляется.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии содержит аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью приема выходного сигнала упомянутого синхронного детектора. Использование аналого-цифрового преобразователя в сочетании с упомянутым синхронным детектором предпочтительно по следующим причинам. Синхронный детектор может быть осуществлен в аналоговом или в цифровом виде. Использование его в аналоговом виде имеет то преимущество, что после синхронного обнаружения (которое предпочтительно использует низкочастотный фильтр) ширина полосы ограничивается до той, которая необходима (например, приблизительно 15 Гц), и при которой все асинхронные помехи удаляются. Это означает, что может использоваться низкоскоростной ADC с высокой разрешающей способностью. Если синхронный детектор выполнен в цифровом виде, то тогда требования к ширине полосы выше (в зависимости от частоты импульсов светодиода) и, таким образом, аналого-цифровое преобразование будет более дорогостоящим и/или менее точным. Дополнительно, асинхронная помеха все еще присутствует и должна учитываться при выборе ADC. Преимущество реализации синхронного детектора в цифровом виде заключается в повышенной гибкости (потому что он является программным и/или программируемым) и то, что требуется меньше внешних компонент. Дополнительные преимущества осуществления синхронного детектора в цифровом виде относятся к меньшим размерам и потенциально к более низкому потреблению мощности.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый синхронный детектор содержит синхронный выпрямитель с последующим низкочастотным фильтром. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый синхронный выпрямитель умножает сигнал на +1 или на -1.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит микроконтроллер, выполненный с возможностью регулировки упомянутого опорного сигнала. К типичным примерам использования регулирования опорного сигнала относятся компенсация смещения или сдвиг уровня, например, в диапазоне ADC. Отрегулированный выходной сигнал будет зависеть от превышения упомянутого опорного сигнала. Это означает, что когда светодиод выключен, выходной сигнал второго усилительного блока будет равен опорному сигналу. При включенном светодиоде он будет выше или ниже опорного сигнала в зависимости от направления (то есть, схемы подключения) тока фотодиода. Отклонение от 0 В предпочтительно может быть выбрано для схем однополярного электропитания (таких как, например, устройства, работающие от батареи), чтобы сместить уровень сигнала выше опорного (0 В).

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии содержит блок вычитающего устройства. Используя блок вычитающего устройства, можно определить разность между упомянутым опорным сигналом и упомянутый выходным сигналом упомянутого блока слежения-запоминания.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый блок фотодетектора содержит фотодиод и/или фототранзистор.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления устройство датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит второй усилительный блок для усиления суммы тока компенсации и выходного сигнала фотодетектора и для подачи усиленного сигнала на вход блока слежения-запоминания. Второй усилительный блок может содержать трансимпедансный усилитель. Стандартные схемы трансимпедансных усилителей, можно найти, например, в книге "Photodiode Amplifiers: Op Amp Solutions", Mcgraw Hill Book Co (1995) автора J.Graeme.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутое устройство датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит схему выборки-запоминания, выполненную с возможностью хранения сигнала с выхода упомянутого трансимпедансного усилителя. Предпочтительно, блок источника света (такой как, например, светодиод) приводится в действие с малой продолжительностью включения, чтобы экономить электропитание от батареи. Это означает, что существует только короткий период, доступный для осуществления выборки фактического сигнала фотоплетизмографии. Схема выборки-запоминания может увеличить это время. Однако, многие современные ADC (обычно называемый ADC с выборкой) уже содержат компонент выборки-запоминания. Поэтому введение схемы выборки-запоминания будет создавать преимущество, например, в случае, когда желательно избежать использования ADC, чтобы сэкономить в затратах и/или в пространстве при использовании аппаратурного обеспечения, уже присутствующего в микроконтроллере. Существует несколько известных возможностей построения (низкоскоростного) ADC, используя микроконтроллер. Одна из возможностей относится к построению SAR-ADC, используя аналоговый выходной микроконтроллер в сочетании с его компаратором напряжения.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый источник света содержит светодиод. Другие типы источников света могут содержать полупроводниковые лазеры /специализированные лазерные диоды VCSEL.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый синхронный детектор содержит цифровой синхронный усилитель. Предпочтительно, синхронный детектор может быть осуществлен как синхронный выпрямитель (например, с синхронным умножением на ±1) с последующим фильтром нижних частот. Дополнительно предпочтительно, синхронный усилитель может соответствовать устройству, которое умножает входной сигнал с опорой на синхронные косинусный и синусный сигналы (то есть, синфазную (I) и квадратурную (Q) компоненты) с последующей низкочастотной фильтрацией и вычислением амплитуды . Поскольку при этом используется вычисление, синхронность предпочтительно реализуется в цифровом виде. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления упомянутый синхронный детектор располагается внутри упомянутого микроконтроллера. Расположение синхронного детектора внутри микроконтроллера предпочтительно по причинам свободного пространства, снижения затрат и меньшего потребляемого тока. Предпочтительный вариант осуществления предпочтительно используется в реализации аналогового синхронного детектора: в синхронном детекторе, который не использует квадратурную демодуляцию (то есть, в котором выполняется только одно синхронное детектирование), сдвиг фаз между измеряемый сигналом и опорой предпочтительно преобразуется на выходе в смещение по постоянному току. Так как этот сдвиг фаз будет почти полностью постоянным (например, влияние изменения длины оптического пути незначительно из-за скорости света), он может компенсироваться, регулируя опорный сигнал (то есть, предпочтительно, опорное напряжение).

В соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения, обеспечивается способ действия датчика фотоплетизмографии, содержащий этапы, на которых

- формируют первый световой сигнал посредством блока источника света;

- получают второй световой сигнал посредством блока фотодетектора, причем упомянутый второй световой сигнал является индикатором поглощения упомянутого первого светового сигнала в объекте;

- принимают в ответ на результат получения упомянутого второго светового сигнала выходной сигнал фотодетектора посредством контура обратной связи компенсации окружающего света, содержащего блок слежения-запоминания и усилительный блок;

- сравнивают выходной сигнал блока слежения-запоминания с опорным сигналом, причем упомянутый выходной сигнал упомянутого блока слежения-запоминания основан на упомянутом выходном сигнале фотодетектора; и

- обеспечивают посредством усилительного блока ток компенсации для блока слежения-запоминания, основываясь на упомянутом сравнении.

В соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения, обеспечивается компьютерный программный продукт датчика фотоплетизмографии, содержащий средство компьютерной управляющей программы, хранящейся в считываемой компьютером памяти, чтобы заставить устройство датчика фотоплетизмографии выполнять этапы способа действия датчика фотоплетизмографии, когда компьютерная программа выполняется на компьютере, управляющем устройством датчика фотоплетизмографии.

Следует понимать, что устройство датчика фотоплетизмографии по п. 1 формулы изобретения, способ действия датчика фотоплетизмографии по п. 13 формулы изобретения и компьютерная программа датчика фотоплетизмографии по п. 14 формулы изобретения имеют схожие и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, как это определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может также быть любым сочетанием зависимых пунктов формулы изобретения или описанных выше вариантов осуществления с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.

Эти и другие варианты изобретения станут очевидны и будут объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные здесь далее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На последующих чертежах:

Фиг. 1 - основной принцип фотоплетизмографии,

Фиг. 2 - схематичное и примерное представление варианта осуществления устройства датчика фотоплетизмографии,

Фиг. 3 - схематичное и примерное представление другого варианта осуществления устройства датчика фотоплетизмографии, и

Фиг. 4 - схематичное и примерное представление варианта осуществления способа действия устройства датчика фотоплетизмографии.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству датчика фотоплетизмографии, способу действия датчика фотоплетизмографии и компьютерной программе датчика фотоплетизмографии. Предлагается измерять фотоплетизмографический сигнал без помехи, создаваемой окружающим светом. Сигналы окружающего света удаляются посредством вычитания тока компенсации на входе трансимпедансного усилителя. Ток компенсации управляется с помощью замкнутого контура без помех для работы светодиода фотоплетизмографии с малой продолжительностью включения.

На фиг. 1 представлен основной принцип PPG. PPG относится к получению результата измерения объемного органа оптическим средством. В примере 100, показанном на фиг. 1, светодиод 110a выводит свет в направлении человеческого пальца 120a. Свет частично поглощается и частично отражается пальцем 120a. Отраженный свет получают фотодиод или транзистор 130a. Дополнительно, в примере 100 светодиод 110b выводит свет в направлении мочки 120b человеческого уха. Свет частично поглощается и частично пропускается мочкой 120b уха. Пропущенный свет получает фотодиод или транзистор 130b. Свет, полученный фотодиодом или транзистором 130a, 130b, является индикатором количества света, поглощенного внутри объекта 120a, 120b. Полученный свет может, таким образом, использоваться для получения информации об объекте.

На фиг. 2 схематично и примерно показан вариант осуществления устройство 200 датчика фотоплетизмографии. Светодиод 210 периодически включается и выключается схемой 215 приведения в действие светодиода. Это экономит электроэнергию, а также позволяет производить выборку окружающего света, когда светодиод 210 выключен. Свет 210а, излучаемый светодиодом, направляется к ткани, такой как человеческое запястье 220 в показанном примере. Отраженный свет 220a получает фотодиод 230. Отраженный свет 220a может дополнительно фильтроваться дополнительным оптическим фильтром 225. В дополнение к отраженному свету 220a, фотодиод 230 будет получать помеху от окружающего света 221. Для случая, когда светодиод 210 включен, фотодиод 230 будет, таким образом, формировать объединенный ток, содержащий компоненту I_L от светодиода и компоненту I_A от окружающего света.

Датчики тока PPG обычно используют схему выборки-запоминания, чтобы "хранить" выборку окружающего света. Таким образом, когда сигнал PPG становится доступен, к нему может применяться этап коррекции, основываясь на сохраненной выборке окружающего света. В предпочтительном варианте осуществления устройства 200 датчика фотоплетизмографии предлагается непосредственно вычитать компенсирующий ток I_A из входного сигнала, а не сохранять выборку окружающего света, из которой получают фоновый уровень для последующей коррекции наблюдаемого сигнала. Закрытый контур 201 обратной связи компенсации окружающего света обеспечивает соответствие выходного сигнала TIA 240 опорному напряжению V_R. Поддерживая эту процедуру, сигнал PPG будет, таким образом, также компенсироваться, когда светодиод 210 включен. Соответственно, предлагается использовать схему 260 слежения-запоминания для поддержки контура 201 обратной связи компенсации окружающего света при получении сигнала PPG.

Устройство 200 датчика фотоплетизмографии может быть описано следующим образом:

В первом периоде времени светодиод 210 выключен, схема 260 слежения-запоминания 260 находится в режиме "слежения". Элемент слежения-запоминания (или выборки-запоминания, SHA) хранит аналоговое значение в течение определенного времени. Он, таким образом, преобразует непрерывный временной сигнал в дискретный временной сигнал. Схема интегрирования-запоминания хранит не сам входной сигнал, а хранит интеграл от входного сигнала. (Элементы интегрирования-запоминания также упоминаются как элементы "интегрирования-выборки-запоминания".) В элементе слежения-запоминания выходной сигнал следует за входным сигналом в то время, как находится в режиме слежения. При переключении в режим хранения сохраняется последний входной уровень. Элемент интегрирования-запоминания интегрирует входной сигнал во время режима интегрирования и хранит интегрированное значение (не равное входному сигналу), когда переключается в режим хранения. Выходной сигнал схемы 260 слежения-запоминания сравнивается с опорным напряжением V_R (которое может быть, например, нулевым напряжением или некоторым другим требуемым уровнем напряжения постоянного тока). Разность, полученная при упомянутом сравнении (например, полученная посредством схемы вычитающего устройства 255) затем преобразуется в ток компенсации посредством первого усилительного блока 250, который может быть, например, транскондуктивным усилителем 250. Транскондуктивный усилитель 250 может содержать, например, резистор и/или источник тока с контролируемым напряжением, но пригодно также любое другое транскондуктивное средство усиления. Опорное напряжение V_R может быть постоянным или управляемым, например, микроконтроллером 270.

Во второй момент времени, непосредственно перед включением светодиода 210, схема 260 слежения-запоминания переключается в режим "хранения". Другими словами, сохраняется последний входной уровень сигнала и выводится последняя выборка, "прослеженная" в режиме слежения. Контур внутри устройства 200 датчика Фотоплетизмографии затем вычитает текущий уровень окружающего освещения во время последующего периода времени.

Во время упомянутого последующего периода времени светодиод 210 включен. Хранящийся уровень окружающего освещения, таким образом, вычитается из совокупного тока I_L+I_A. В результате, только сигнал PPG (то есть, I_L), но не ток от помехового окружающего света (то есть, I_A), усиливается вторым усилительным блоком 240, который может быть, например, блоком типа TIA. Результирующий выходной сигнал PPG от трансимпедансного усилителя 240, может предпочтительно быть сохранен в необязательной схеме выборки-запоминания. Альтернативно и/или дополнительно, результирующий выходной сигнал PPG от трансимпедансного усилителя 240 может быть преобразован напрямую аналого-цифровым преобразователем 280.

В четвертый момент времени светодиод 210 снова выключается. Получающаяся в результате точка установки может затем рассматриваться как начальная точка для последующего повторения подавления окружающего света, переключая схему 260 слежения-хранения 260 снова в режим "хранения" и затем продолжая, как описано здесь выше. Заметим, что контур 201 обратной связи коррекции окружающего света предпочтительно всегда замкнут, благодаря следящей части схемы 260 слежения-запоминания. Следовательно, эта часть сигнала внутри контура всегда незначительно мала. А именно, так как сигналы PPG малы (особенно в режиме отражения датчиков PPG), уровни окружающего света могут быть относительно высокими. Если бы часть I_A тока, связанная с окружающим светом, не вычиталась непрерывно, то трансимпедансный усилитель 240 должен был бы регулировать большие ступенчатые изменения окружающего света во время каждого цикла коррекции. В настоящей конфигурации, дело обстоит не так. Настоящий вариант осуществления, таким образом, позволяет ослабить динамические требования к устройству 200 датчика фотоплетизмографии.

На фиг. 3 схематично и примерно показан другой вариант осуществления устройства 300 датчика фотоплетизмографии. Элементам 3xx, показанным на фиг. 3, соответствуют элементы 2xx с подобными номерами, показанные на фиг. 2. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, синхронный детектор 390 установлен перед аналого-цифровым преобразователем 380, чтобы позволить удаление или подавление дополнительной помехи (такой как, например, шум на закону 1/f (то есть, шум, при котором энергетическая спектральная плотность (энергия или мощность на Гц) обратно пропорционально частоте f шумового сигнала) трансимпедансного усилителя 340 и внешние помехи не синхронны со светом 310а светодиода). Внешние помехи, не синхронные со светом 310a светодиода, могут содержать, например, внешний электромагнитный ток, такой как, например, 50/60-герцовую помеху от силовой линии, наведенную в любом месте в цепи (то есть, не являющуюся частью фототока). Эти помехи могут, следовательно, удаляться синхронным детектором 390. Синхронный детектор 390 предпочтительно содержит синхронный выпрямитель с последующим низкочастотным фильтром. Синхронный выпрямитель предпочтительно умножает сигнал на +1 или на -1. Выпрямление предпочтительно синхронно с управлением светодиодом 310, причем управление осуществляется посредством схемы 315 приведения в действие светодиода.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления синхронный детектор 390 может быть реализован в виде цифрового синхронного усилителя в микроконтроллере.

На фиг. 4 схематично и примерно показан вариант осуществления способа 400 датчика фотоплетизмографии.

На этапе 410 первый световой сигнал 210а, 310а формируется блоком источника света.

На этапе 420 второй световой сигнал 220a, 320a получает блок фотодетектора, в котором упомянутый второй световой сигнал 220a, 320a является индикатором поглощения упомянутого первого светового сигнала 210a, 310a в объекте 220, 320.

На этапе 430 выходной сигнал фотодетектора принимается контуром (201, 301) обратной связи компенсации окружающего света, содержащим блок (260, 360) слежения-запоминания и усилительный блок (250, 350), в ответ на получение упомянутого второго светового сигнала 220a, 320a.

На этапе 440 выходной сигнал блока 260, 360 слежения-запоминания сравнивается с опорным напряжением V_R, причем упомянутый выходной сигнал упомянутого блока 260, 360 слежения-запоминания основывается на упомянутом выходном сигнале фотодетектора.

На этапе 450 ток компенсации подается усилительным блоком (250, 350) на блок (260, 360) слежения-запоминания, основываясь на упомянутом сравнении.

Изобретение может использоваться в фотоплетизмографических датчиках и, в частности, как малый и эффективный фотоплетизмографический первый каскад. Изобретение может также использоваться в других импульсных оксиметрических датчиках, таких как, например, датчики SpО₂.

Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут стать понятны и быть реализованы специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия и добавленной формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов и единственное число не исключает множественное число.

Единый блок или устройство могут выполнять функции нескольких позиций, описанных в пунктах формулы изобретения. Простой факт, что определенные критерии приводятся во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что объединение этих критериев не может использоваться для достижения преимущества.

Определения и/или управление устройства датчика фотоплетизмографии в соответствии с описанным выше способом действия датчика фотоплетизмографии могут быть осуществлены как средство управляющей программы компьютерной программы и/или как специализированное аппаратурное обеспечение.

Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптический носитель или твердотельный носитель, обеспечиваемый вместе или как часть другого аппаратурного обеспечения, но может также распространяться в других формах, таких как через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи.

Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие ее объем.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к измерению объемного органа оптическими средствами. Устройство позволяет выполнить способ действия датчика фотоплетизмографии, который содержит этапы, на которых формируют первый световой сигнал посредством блока источника света. Получают второй световой сигнал посредством блока фотодетектора, причем упомянутый второй световой сигнал является индикатором поглощения упомянутого первого светового сигнала в объекте. Принимают в ответ на получение упомянутого второго светового сигнала выходной сигнал фотодетектора посредством контура обратной связи компенсации окружающего света, содержащего блок слежения-запоминания и усилительный блок. Сравнивают выходной сигнал блока слежения-запоминания с опорным сигналом (V_R), причем упомянутый выходной сигнал упомянутого блока слежения-запоминания основан на упомянутом выходном сигнале фотодетектора. Подают ток компенсации посредством усилительного блока на блок слежения-запоминания, основываясь на упомянутом сравнении. Считываемая компьютером память хранит кодовое средство компьютерной программы, чтобы предписывать устройству датчика фотоплетизмографии выполнять этапы способа действия датчика фотоплетизмографии, когда компьютерная программа запускается на компьютере, управляющем устройством датчика фотоплетизмографии. Группа изобретений позволяет измерять фотоплетизмографический сигнал без помехи, создаваемой окружающим светом. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии, содержащее:

- блок (210, 310) источника света, выполненный с возможностью формирования первого светового сигнала (210а, 310a);

- блок (230, 330) фотодетектора, выполненный с возможностью получения второго светового сигнала (220a, 320a), где упомянутый второй световой сигнал (220a, 320a) является индикатором поглощения упомянутого первого светового сигнала (210а, 310а) в объекте (220, 320), причем упомянутый блок (230, 330) фотодетектора дополнительно выполнен с возможностью вывода выходного сигнала фотодетектора в ответ на получение упомянутого второго светового сигнала (220a, 320a); и

- контур (201, 301) обратной связи компенсации окружающего света, содержащий блок (260, 360) слежения-запоминания, выполненный с возможностью приема упомянутого выходного сигнала фотодетектора;

причем упомянутое устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии выполнено с возможностью сравнения выходного сигнала упомянутого блока (260, 360) слежения-запоминания с опорным сигналом (V_R) и причем упомянутый контур (201, 301) обратной связи компенсации окружающего света содержит первый усилительный блок (250, 350), выполненный с возможностью обеспечения тока компенсации, основываясь на упомянутом сравнении с выходным сигналом блока (260, 360) слежения-запоминания.

2. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 1, дополнительно содержащее второй усилительный блок (240, 340) для усиления суммы тока компенсации и выходного сигнала фотодетектора и для подачи усиленного сигнала на вход блока (260) слежения-запоминания.

3. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 2, в котором упомянутый второй усилительный блок (240, 340) содержит трансимпедансный усилитель.

4. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 1, в котором упомянутый первый усилительный блок (250, 350) содержит транскондуктивный усилитель, причем упомянутый транскондуктивный усилитель (250, 350) содержит резистор и/или источник тока с контролируемым напряжением.

5. Устройство (200) датчика фотоплетизмографии по п. 2, причем упомянутое устройство (200) датчика фотоплетизмографии содержит аналого-цифровой преобразователь (280), выполненный с возможностью приема выходного сигнала упомянутого второго усилительного блока (240).

6. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 1, причем упомянутое устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит блок (215, 315) приведения в действие источника света, выполненный с возможностью управления упомянутым блоком (210, 310) источника света.

7. Устройство (300) датчика фотоплетизмографии по п. 1, причем упомянутое устройство (300) датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит синхронный детектор (390).

8. Устройство (300) датчика фотоплетизмографии по п. 7, причем упомянутое устройство (300) датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит блок (315) приведения в действие источника света, выполненный с возможностью управления упомянутым блоком (310) источника света, и в котором упомянутый синхронный детектор (390) выполнен с возможностью синхронного действия с упомянутым блоком (315) приведения в действие источника света.

9. Устройство (300) датчика фотоплетизмографии по п. 7, причем упомянутое устройство (300) датчика фотоплетизмографии содержит аналого-цифровой преобразователь (380), выполненный с возможностью приема выходного сигнала упомянутого синхронного детектора (390).

10. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 7, в котором упомянутый синхронный детектор (390) содержит синхронный выпрямитель с последующим низкочастотным фильтром.

11. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 10, в котором упомянутый синхронный выпрямитель умножает сигнал на +1 или на -1.

12. Устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 1, причем упомянутое устройство (200, 300) датчика фотоплетизмографии дополнительно содержит микроконтроллер (270, 370), выполненный с возможностью регулирования упомянутого опорного сигнала (V_R).

13. Способ (400) действия датчика фотоплетизмографии, содержащий этапы, на которых

- формируют (410) первый световой сигнал (210a, 3Ida) посредством блока источника света;

- получают (420) второй световой сигнал (220a, 320a) посредством блока фотодетектора, причем упомянутый второй световой сигнал (220a, 320a) является индикатором поглощения упомянутого первого светового сигнала (210a, 310a) в объекте (220, 320);

- принимают (430) в ответ на получение упомянутого второго светового сигнала (220a, 320a) выходной сигнал фотодетектора посредством контура (201, 301) обратной связи компенсации окружающего света, содержащего блок (260, 360) слежения-запоминания (260, 360) и усилительный блок (250, 350);

- сравнивают (440) выходной сигнал блока (260, 360) слежения-запоминания с опорным сигналом (V_R), причем упомянутый выходной сигнал упомянутого блока (260, 360) слежения-запоминания основан на упомянутом выходном сигнале фотодетектора; и

- подают (450) ток компенсации посредством усилительного блока (250, 350) на блок (260, 360) слежения-запоминания, основываясь на упомянутом сравнении.

14. Считываемая компьютером память, хранящая кодовое средство компьютерной программы, чтобы предписывать устройству (200, 300) датчика фотоплетизмографии по п. 1 выполнять этапы способа (400) действия датчика фотоплетизмографии по п. 13, когда компьютерная программа запускается на компьютере, управляющем устройством (200, 300) датчика фотоплетизмографии.