專利名稱：用于生理脈沖測量的光學輸入信號的運動消除的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及信號處理領域。更明確地說，本發(fā)明涉及能夠提供使用者在體育鍛煉或其它活動期間的脈率的精確測量顯示的脈率監(jiān)視器。
背景技術：
由于身體運動產(chǎn)生的假象，例如，當人正在奔跑或正在以別的方式參加身體活動或鍛煉的時候，因此在手腕上的活動的人的脈率的的精確的測量是錯綜復雜的。所以，目前市場中的脈率監(jiān)視器都利用戴在心臟附近的胸帶，以便把鍛煉所產(chǎn)生的運動的影響減到最小。身體運動所產(chǎn)生的假象是用脈率傳感器作為掩蓋正在測量的心率脈沖信號的“噪音”探測的。為了減輕這些假象的影響，盡可能在保留需要的脈沖信號的同時把大部分出現(xiàn)在脈率頻帶中的噪音信號濾掉和刪除是必不可少的。
感興趣的信號是通過把近紅外區(qū)的光源傳輸?shù)浇M織中和測量返回的信號強度產(chǎn)生的。通常，使用兩個或四個強度不同的發(fā)光二極管(LED)以便建立最佳的光學窗口。返回信號強度將被組織中的毛細血流調(diào)制并且將隨著受試者的生理脈沖改變。這是已被很好地理解而且建立了多年來已應用于脈沖監(jiān)控設備的主構架。因為相對低的信號強度和相對高的“噪音”含量，所以在并非接近心臟的位置測知脈率是不成功的。信號強度低能歸因于許多因素，包括皮膚和頭發(fā)密度的變化、血管化方面的變化和光學對準。此外，在嘗試測知脈率的時候收到的信號包括一些通常能被歸類“噪音”的成份。這些高的“噪音”水平是加到在幾乎所有電系統(tǒng)里面出現(xiàn)的經(jīng)典噪音來源之上的而且主要包括固有的光學噪音來源、干擾光源和運動假象。
為了舉例說明，圖1A描繪感興趣的信號。圖1B描繪運動假象、干擾光源、隨機噪音等等所引起的噪音。作為例子，圖1C舉例說明感興趣的信號怎樣由于信號強度低被噪音掩蓋。
盡管傳統(tǒng)的信號處理技術可能能夠減少“頻帶之外的”噪音；換句話說，在感興趣的頻率范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)噪音，但是它們是對解決模仿感興趣的信號和非隨機的其最大的共同點是運動的噪音問題的挑戰(zhàn)。
各種不同的脈率探測系統(tǒng)在技術上是已知的。授權給Barlow，Jr.等人的美國專利第4,338,950號揭示一種由包含用來探測脈率的壓電傳感器和用來探測身體活動期間的身體運動的加速度計的安裝在手腕上的單元組成的儀器。該儀器進一步包括用來把身體運動成份從信號中減去因此得到真實的心搏信號的處理器。
授權給Mathews的美國專利第5,431,170號揭示一種可以在身體活動期間戴在手腕或手上的裝置。這種裝置包括一個測量脈沖的光敏元件和用來測量運動的光敏元件或加速度計。Mathews揭示一種噪音消除電路，該電路采用來自這些敏感元件的數(shù)值提供沒有計步器振動或噪音的真實脈沖信號。
授權給Bryars等人的美國專利第5,807,267號揭示一種能與顯示使用者在體育鍛煉期間的心臟脈率的腕表組合在單一單元中的裝置。初級壓電傳感器探測使用者的心率脈沖，而背景壓電傳感器探測來自局部身體運動的噪音。把來自這個背景傳感器的信號以數(shù)字方式從初級脈沖傳感器中減去，因此依其所述減少了隨機身體噪音的影響。
授權給Aoshima等人的美國專利第6,099,478號揭示一種包括LED、光敏晶體管或壓電傳聲器的脈沖波探測裝置。身體運動探測裝置使用加速度傳感器探測身體運動。Aoshima等人揭示脈沖波提取裝置減去兩個傳感器的輸出給出精確的脈率。受讓人相關的美國專利第5,776,070號提供類似的揭示。
授權給Odagiri等人的美國專利第6,129,676號揭示一種能裝配在腕式表帶之中在活動(例如，奔跑)期間使用的脈率監(jiān)視器。該腕式表帶包括一個探測動作噪音的加速度傳感器和一個探測脈沖的壓電傳聲器。當探測到不變的運動(例如，奔跑)的時候，把動作噪音頻譜從圖6A-C所描繪的脈沖波頻譜中減去。奔跑速度和距離也可以獲得。美國專利第5,697,374和6,023,662號提供相似的揭示。
授權給Amano等人的美國專利第6,361,501 B1號揭示一種由有手表結(jié)構的裝置主體和脈沖波探測傳感器單元形成的脈沖波診斷裝置。身體運動成份去除器把經(jīng)過校正身體運動數(shù)據(jù)從經(jīng)過校正的脈沖波數(shù)據(jù)中減去。身體運動波是用加速度傳感器探測的。這個裝置可以與計步器合并。
授權給Goldreich的美國專利申請公開第2005/0116820 A1號揭示一種裝在手腕上探測脈率的裝置。振動傳感器是壓電陶瓷傳感器，該傳感器測量手腕的運動并且可以包括一個加速度計。生理傳感器探測血壓脈率而且可能是光纖。周圍環(huán)境傳感器也可能存在。
無論前面引證的參考文獻的精確價值、特征和優(yōu)點是什么，它們之中沒有一個實現(xiàn)或完成本發(fā)明的目的。由于這些理由，提供一種在體育鍛煉和其它活動期間精確地測量脈率的改進的裝置和方法是符合需要的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目標是提供一種精確地監(jiān)控和探測脈率的裝置和方法。
更具體地說，本發(fā)明的一個目標是提供一種考慮到適當?shù)爻ス鈱W信號中的固有的光學噪音來源、干擾環(huán)境光源和運動假象的解決辦法，尤其是在劇烈的身體活動之下。
本發(fā)明的另一個目標是提供一種能從代表圖1C所示的脈沖和噪音假象的復合體的信號區(qū)分噪音假象和個體真實脈搏的脈率監(jiān)視器。
這些和其它的目標是依照本發(fā)明實現(xiàn)的，用來測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的系統(tǒng)和方法包括有一個或多個能夠把光源傳輸?shù)缴眢w組織中的輻射體、周來接受來自該身體組織的反射光并且產(chǎn)生指示該反射光的光電探測器輸出信號的光電探測器、用來測量個體的規(guī)律運動并且產(chǎn)生指示該規(guī)律運動的加速度計輸出信號的加速度計、用來測量個體的無規(guī)律運動并且產(chǎn)生指示所述無規(guī)律運動的壓電傳感器輸出信號的接觸型運動傳感器、以及用來接受光電探測器輸出信號、加速度計輸出信號接觸型運動傳感器輸出信號并且確定個體的脈率的微處理器，其中所述脈率是通過調(diào)節(jié)光電探測器輸出信號和除去由個體的規(guī)律運動和無規(guī)律運動引起的經(jīng)過調(diào)節(jié)的光電探測器輸出的某些部分確定的。


圖1A舉例說明需要測量的光學信號。
圖1B舉例說明通常由運動引起的噪音。
圖1C舉例說明組合的光學信號和噪音。
圖2A圖解地舉例說明依照本發(fā)明的脈率傳感器。
圖2B舉例說明依照本發(fā)明封裝在手表組件中的脈率傳感器。
圖3舉例說明依照本發(fā)明用于光學信號的信號調(diào)節(jié)程序。
圖4舉例說明依照本發(fā)明描繪運動辨別程序的流程表。
圖5舉例說明依照本發(fā)明描繪計算脈率所遵從的步驟的流程表。
具體實施方法盡管這項發(fā)明是用優(yōu)選實施方案舉例說明和描述的，但是該裝置可能是以許多不同的配置、形式和材料生產(chǎn)的。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案被描繪在附圖中并且將在下文中予以詳細的描述，應該理解此揭示將被看作是本發(fā)明的原則的一個例證和有關它的構架的功能說明書，而不傾向于把本發(fā)明局限于這個舉例說明的實施方案。熟悉這項技術的人將在本發(fā)明的范圍內(nèi)想象出許多其它可能的變化。
圖2A舉例說明依照本發(fā)明的脈率傳感器101。輻射體102(例如，LED，發(fā)光二極管)把近紅外(IR)區(qū)的光源傳輸?shù)缴眢w組織和諸如紅外反射傳感器104之類的光電探測器之中，后者接受來自該組織的反射光。脈率傳感器101使用分析人體體積換置的紅外光學程序來探測和儲存指示心率的脈率數(shù)據(jù)。脈率傳感器101還包括一個探測使用者的周期性的或持續(xù)不變的運動的加速度計108(優(yōu)選二維的加速度計，非必選地選擇三維的加速度計)和一個測量使用者的不協(xié)調(diào)的或無規(guī)律的運動和其它影響光脈沖的與運動有關的來源的接觸型運動傳感器106。接觸型運動傳感器可能是壓電傳感器或有能力測量無規(guī)律運動(例如，振動)的其它類型的傳感器。加速度計或光學傳感器的輸出也可能被用作計步器或步數(shù)計114的輸入。微處理器110完成有關來自光電探測器104的脈沖信號的信號調(diào)節(jié)功能以及完成來自加速度計108和壓電傳感器106的信號的抽樣和濾波。脈率探測器112通過使用微處理器110收到的經(jīng)過調(diào)節(jié)的光學脈沖信號、來自加速度計108和壓電傳感器106的經(jīng)過濾波的信號計算使用者的脈率。盡管脈率探測器112被展示為微處理器110的一部分，然而，人們將會理解這些也可能是分立的器件。
脈率傳感器101可能在本發(fā)明的一個實施方案中被封裝在圖2B所示的有非必選的可再次充電的電池的手表組件120中。然而，其它可能包含標準手表功能(包括時間/日期和秒表/定時器)的載體/組件被設想為可供本發(fā)明使用的，例如，垂飾、珠寶、手鐲、臂章、隨身聽，等等。這些其它的載體可能被放置在個體手臂上的任何地方或在垂飾的情況下戴在個體的脖子周圍。依照本發(fā)明，脈率傳感器也可能包括通過執(zhí)行軟件啟動加載程序更新固件的能力。其它的增添物可能包括諸如通用串行總線(USB)端口或射頻接收器/發(fā)射器之類的通信組件，以便自動地把數(shù)據(jù)上傳到入口網(wǎng)站。此外，脈率傳感器可能包括射頻標識(RFID)以便獨一無二地識別賣給入口網(wǎng)站的每個手表。
依照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，脈率傳感器由包括一個或多個發(fā)光二極管的發(fā)光體、光學接收器、活躍的信號調(diào)節(jié)、加速度計和壓電傳感器以及微處理器組成。微處理器通過自動調(diào)節(jié)發(fā)光二極管輸出維持最佳的信號強度、控制接收信號的放大和自動地除去接收信號的直流偏壓控制加到光學傳感器上的活躍的信號調(diào)節(jié)。經(jīng)過調(diào)節(jié)的光學傳感器輸出、加速度計輸出和壓電傳感器輸出作為給兩個不同的脈率計算器的輸入被抽樣，其中一個計算器在沒有運動存在時使用，而另一個在有運動存在時使用。壓電傳感器用來探測無規(guī)律的運動而加速度計用來探測周期性運動。
如同下面進一步描述的那樣，由于手臂運動和皮膚振動造成的脈率信號降級是通過控制信號增強、波形精細化和信號噪音抑制的算法的組合減少的。
參照圖3，依照本發(fā)明舉例說明實現(xiàn)光電探測器10的脈沖信號輸出的信號調(diào)節(jié)的程序。來自光電探測器10(該探測器可能是紅外反射傳感器)的脈沖信號輸出經(jīng)過低通濾波器12濾波之后提供給包括內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的微處理器110的輸入端1。當然，模數(shù)轉(zhuǎn)換器14也可能是與微處理器110分開的器件。通過這種連接，微處理器110能夠監(jiān)控來自光電探測器10的輸出和確定對于把光學信號傳輸?shù)缴眢w組織中的紅外發(fā)光二極管16適當?shù)膹姸?。紅外發(fā)光二極管16的強度是能使用來自微處理器110里面的數(shù)模轉(zhuǎn)換器18(再一次，數(shù)模轉(zhuǎn)換器18也可能是與微處理器110分開的器件)的輸出8而可編程的。如同下面進一步討論的那樣，微處理器110里面的內(nèi)部閉環(huán)控制功能使用在輸入端1來自光電探測器10的反饋維持紅外發(fā)光二極管16的適當強度以便控制輸出8。使用這個控制功能，來自光電探測器10的輸出信號處在適合于直流補償和其它相關功能的范圍。此外，這個強度控制允許微處理器110考慮到不同的環(huán)境和生理條件(包括變化的環(huán)境照明水平、長期的血流變化和不同使用者的不同反應)周期性地調(diào)節(jié)該系統(tǒng)。為了減少固有的噪音，來自光電探測器10的脈沖信號通過大約10Hz的低通濾波器12濾波。
來自光電探測器10的脈沖信號通常包括表現(xiàn)總的血流量的大的直流分量和表現(xiàn)真實脈沖的小的交流分量。因為精確地測量真實脈沖是令人想要的，所以包括交流分量的補充放大和直流分量的補償?shù)幕钴S的信號調(diào)節(jié)是必需的。直流分量的補償發(fā)生在兩個階段。第一階段是使用放大器28完成的，為的是實現(xiàn)固定的信號增益。這個第一階段的輸出在輸入端2提供給微處理器110。第二階段是可編程的增益階段，利用第二放大器30把它的輸出在所示的輸入端3提供給微處理器110。以輸出7展示的固定直流補償電壓將從濾波器12提供的經(jīng)過濾波的脈沖信號中減去。放大器28有固定的增益而且把它的輸出在輸入端2提供給微處理器110。由放大器28提供的放大和直流調(diào)節(jié)把它輸出的信號水平移到第二運算放大器30的中間范圍而且考慮到放大的第二階段。與第二放大器30相關的放大增益32是可編程的，以便考慮到對于處理不同的脈沖強度必不可少的調(diào)節(jié)。為了維持信號的完整性，增益32被微處理器110定期地調(diào)節(jié)。來自輸出端6的可編程的直流補償信號也被微處理器110加到第二放大器30上。就是在這個第二階段期間傳感器信號被有效地放大。輸出端6的可編程的直流補償是用第一階段增益信號的每個樣本或模數(shù)傳轉(zhuǎn)換器的輸入2調(diào)節(jié)的。微處理器計算光學脈沖信號的直流數(shù)值，而且使用輸出6作為在放大器30的輸入端的基準應用那個數(shù)值。這是一種精細的調(diào)節(jié)而且考慮到脈沖信號在運動期間和之后的快速恢復。當有效放大加到第二放大器32的輸入信號上的時候，可編程的直流補償進一步幫助把信號集中在放大器輸入端，而且防止第二放大器32在使用者的運動周期期間飽和。因此，脈沖能在運動周期期間被更精確地跟蹤。
再一次參照圖4，用來控制直流補償信號6和發(fā)光體補給信號8的步驟將在下面描述。
1)光學傳感器輸出信號、第一放大器輸出信號和第二放大器輸出信號都在圖2所示的輸入端1、2和3被過分抽樣，以產(chǎn)生樣本x1(i)、x2(i)、x3(i)，其中i代表第i個樣本。
2)這些信號全部被濾波以便以較低的抽樣率產(chǎn)生比較平滑的信號。更明確地說，被過分抽樣的信號依照下式處理smoothx1(i)＝(1/X)*∑j＝iXx1(i)；X＝點數(shù)smoothx2(i)＝(1/X)*∑j＝iXx2(i)；X＝點數(shù)smoothx3(i)＝(1/X)*∑j＝iXx3(i)；X＝點數(shù)經(jīng)過濾波的樣本信號(smoothx1(j))被用于針對信號8的發(fā)光體自動控制。經(jīng)過濾波的第一放大器輸出信號(smoothx2(j))和經(jīng)過濾波的第二放大器輸出信號(smoothx3(j))被分別用于針對信號6的自動直流補償和脈沖探測。
3)發(fā)光體16的自動控制以在輸入端1的經(jīng)過濾波的第二放大器輸出信號為基礎，而且根據(jù)周期被應用于下列各項。
a)如果smooth1(j)＞預期的范圍，則減少針對信號8的輸出。
b)如果smooth1(j)＜預期的范圍，則增加針對信號8的輸出。
4)直流補償依下列各項按平滑濾波器的更新率加給輸出端6。
a)如果smooth3(j)＞(smooth3(j)的最大值-閾值)，則直流補償(j)＝smooth2(j)b)如果smooth3(j)＜(smooth3(j)的最小值+閾值)，則直流補償(j)＝smooth2(j)c)否則直流補償(j)＝直流補償(j-1)。
在運動周期期間，微處理器針對輸出6為直流補償應用的信號與使用者的運動是相關的。因此，直流補償也能被用作圖5所示的運動指示器。在步驟404中首先分析直流補償信號，然后在步驟406中使用這項分析來探測運動。如果直流補償是穩(wěn)定的或沒有變化，這表明沒有運動，于是下面描述的峰值探測算法410被用來計算脈率412。這將考慮到脈率在運動周期之后的快速恢復。如果直流補償正在改正信號，這表明有運動存在，于是下面描述的基于頻率的算法408被用來計算脈率412。
直流補償(j)信號被用于方框406中的運動辨別而且決定是使用峰值探測算法(例如，在沒有運動的周期期間)還是假設頻率分析是必不可少的(例如，在運動周期期間)。換句話說，直流補償(j)信號被用來決定是應用方框408中的峰值探測算法還是應用方框410中的頻率分析來確定脈率。更明確地說，如果直流補償(j)沒有在過去的正在測量脈率的3×(1/脈率)秒里沒有改變，則使用下面描述的峰值探測算法。如果直流補償(j)在過去的正在測量脈率的3×(1/脈率)秒里已經(jīng)改變，則使用下面描述的頻率分析算法。峰值探測依下列各項進行計算1)作為diff1(i)＝smoothx2(i)-smoothx2(i-1)計算的一階導數(shù)是在經(jīng)過濾波的信號上獲得的。
2)二階導數(shù)，diff2(i)＝diff1(i)-diff1(i-1)，是依據(jù)一階導數(shù)計算的。
3)峰值探測是使用一階導數(shù)和二階導數(shù)分析的，為的是找出經(jīng)過濾波的信號里面的峰值。
如果diff1(i)＝0而且diff2(i)＜0，那么峰值(i)＝i如果diff1(i)≠0而且diff2(i)＞0，那么峰值(i)＝0。
其中非零數(shù)值指出經(jīng)過濾波的信號中的峰，而零表明沒有峰。
4)瞬時脈率是作為經(jīng)過濾波的信號的峰值之間的差在方框412中計算的。
瞬時脈率(i)＝抽樣率(hz)/周期(峰值(i)-前一個非零峰值(i))*60秒/分鐘。
回到圖3，該脈沖探測系統(tǒng)還包括加速度計20和壓電傳感器22。來自加速度計20和壓電傳感器22的信號在抽樣之前先分別通過在模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端5和4的低通濾波器24、26濾波。加速度計20被用于運動緩解快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)算法，而壓電傳感器是圖4所示的無規(guī)律運動的指示器。一般地說，加速度計20和壓電傳感器22被用來除去來自使用者運動期間出現(xiàn)的光學傳感器輸出的運動假象。當使用壓電傳感器22探測到可觀的無規(guī)律的或瞬間的運動的時候，該信息被用來按時域完成光學傳感器輸出的濾波，以致該信號在無規(guī)律運動504期間不被用于脈率計算。為了提供更穩(wěn)定的脈率輸出，可以將附加的濾波應用于瞬時脈率。周期性運動是通過分析頻域505中的加速度計輸出信號探測的，而這個信息被用來產(chǎn)生帶阻濾波器，該帶阻濾波器適用于頻域506中的光學傳感器輸出。
如果確定存在運動，使用圖4所示的頻率算法。經(jīng)受頻率分析的信號是步驟501中的經(jīng)平滑處理的第一放大器輸出信號(smoothx2)和經(jīng)平滑處理的第二放大器輸出信號(smoothx3)。來自加速度計20和直流補償?shù)男盘栐诓襟E503也提供，為的是能完成進一步的頻率分析。頻率分析可以包括上述信號的全部或子集。將分析各個頻率區(qū)間，以便確定是否存在運動頻率。再者，運動頻率是用加速度計輸出或直流補償信號確定的。然后，這些運動頻率將從傳感器信號、smoothx2和smoothx3中除去，以便依下列各項考慮脈率的辨別a)把十秒窗口濾波器應用于smoothx2、smoothx3、加速度計和直流補償；b)在步驟504如果探測到該時域中有無規(guī)律運動，則除去必要的數(shù)據(jù)；c)在步驟505中把頻率變換應用于開窗的smoothx2、smoothx3、加速度計和直流補償?shù)娜炕蜃蛹?；d)在步驟506完成所有信號的范圍從0.5Hz到4Hz的帶通濾波；e)識別smoothx2、smoothx3、加速度計和直流補償中的頻率峰值；f)使用來自直流補償?shù)募铀俣扔嫷哪切╊l率峰值確定在步驟506使用帶阻濾波器從smoothx2和smoothx3中剔除的頻率；g)從smoothx3中除去那些并非與smoothx2共同的峰值；以及
h)脈率等于smoothx3中的最低的頻率峰值(方框507)，如果沒有峰值保持不變，則不更新脈率。
預期本發(fā)明也可能被當作步數(shù)計使用。為了使用脈率監(jiān)視器腕表作為步數(shù)計，來自雙軸加速度計的數(shù)據(jù)被濾除。如果探測到的運動是“走”，即，步行，應用于Y軸加速度計數(shù)據(jù)的濾波器應該是應用于X軸加速度計數(shù)據(jù)的一半。峰值探測(即，探測來自X加速度計和Y加速度計的信號的峰值之間的間隔)被用來確定運動的基本頻率。峰值是使用上述的一階導數(shù)和二階導數(shù)法探測的。
脈率是使用數(shù)字信號輸出的，該數(shù)字信號按脈率的速率躍遷。步數(shù)計是使用數(shù)字信號輸出的，該數(shù)字信號每探測到一步躍遷一次。
至此已經(jīng)依照本發(fā)明揭示了在生理脈沖測量中有效地落實的光學輸入信號的運動消除的系統(tǒng)和方法。盡管各種不同的優(yōu)選實施方案已被展示和描述，但是人們將理解這樣的揭示沒有限制本發(fā)明的意圖，而是打算包括所有落在權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的修改方案和替代結(jié)構。
權利要求
1.一種用來測量個體的生理學參數(shù)的脈率傳感器，該脈率傳感器包括用來發(fā)射光源到身體組織中的輻射體；用來接受來自所述身體組織的反射光并且產(chǎn)生指示反射光的光電探測器輸出信號的光電探測器；用來測量個體的規(guī)律運動并且產(chǎn)生指示該規(guī)律運動的加速度計輸出信號的加速度計；用來測量使用者的無規(guī)律運動并且產(chǎn)生指示所述無規(guī)律運動的接觸型運動傳感器輸出信號的接觸型運動傳感器；以及用來接受光電探測器輸出信號、加速度計輸出信號和接觸型運動傳感器輸出信號并且確定個體脈率的微處理器，其中所述脈率是通過調(diào)節(jié)光電探測器輸出信號和除去由個體的規(guī)律運動和無規(guī)律運動引起的部分光電探測器輸出來確定的。
2.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述發(fā)射的光源位于近紅外區(qū)。
3.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述輻射體包括許多發(fā)光二極管。
4.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述光電探測器是紅外反射傳感器。
5.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述加速度計是二維加速度計。
6.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述傳感器封裝在基于手腕測知的手表組件中。
7.根據(jù)權利要求6的脈率傳感器，其中所述手表組件包括通用串行總線端口以自動上傳數(shù)據(jù)、射頻識別標簽以唯一地識別所述手表組件，其中所述手表組件有能力進一步接受固件更新。
8.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述接觸型運動傳感器包括壓電傳感器，所述接觸類型運動傳感器輸出信號包括壓電傳感器輸出信號。
9.一種測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，所述方法包括發(fā)射光源到身體組織中；接受來自所述身體組織的反射光，所述反射光指示使用者的全部脈管活動；測定使用者的規(guī)律運動；測定使用者的無規(guī)律運動；以及以收到的反射光為基礎通過除去使用者的實測規(guī)律運動和使用者的無規(guī)律運動所引起的部分計算所述使用者的脈率。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中所述發(fā)射的光是由發(fā)光體產(chǎn)生的，所述反射光是被光電探測器測量以產(chǎn)生脈沖信號，所述規(guī)律運動是用加速計測量的，而所述無規(guī)律運動是用壓電傳感器測量的，而且微處理器接受來自光電探測器、加速度計和壓電傳感器的信號以允許調(diào)節(jié)信號和計算脈率。
11.根據(jù)權利要求10的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述信號調(diào)節(jié)包括抽樣并濾波所述脈沖信號以產(chǎn)生濾波信號；把直流補償加到所述的濾波的信號上；以所述的直流補償信號為基礎辨別運動；以及如果沒有探測到運動，應用峰值探測算法計算所述的脈率，否則應用頻率分析算法計算所述的脈率。
12.根據(jù)權利要求11的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述峰值探測算法包括取所述濾波的信號的一階導數(shù)；依據(jù)所述一階導數(shù)計算二階導數(shù)；使用所述的一階導數(shù)和二階導數(shù)找出所述濾波信號的峰值；以及計算瞬間脈率作為所述濾波的信號的峰值之間的差額。
13.根據(jù)權利要求11的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述的直流補償信號和所述的加速度計信號經(jīng)受所述的頻率分析以確定運動頻率。
14.根據(jù)權利要求11的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述頻率分析算法是快速傅立葉變換算法。
15.根據(jù)權利要求11的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述運動頻率從所述脈沖信號中除去以允許辨別所述脈率。
16.根據(jù)權利要求9的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述的透射光源位于所述的近紅外區(qū)。
17.根據(jù)權利要求10的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述的輻射體包括許多發(fā)光二極管。
18.根據(jù)權利要求10的測量使用者在體育鍛煉或活動期間的脈率的方法，其中所述光電探測器是紅外反射傳感器。
19.根據(jù)權利要求1的脈率傳感器，其中所述微處理器通過把光電探測器輸出信號、加速度計輸出信號和壓電傳感器輸出信號變換到該頻域和除去不必要的頻率成份除去由個體的規(guī)律運動和無規(guī)律運動所引起的經(jīng)過調(diào)節(jié)的光電探測器輸出的某些部分。
20.根據(jù)權利要求1的脈率探測器，其中所述脈率是通過探測經(jīng)過調(diào)節(jié)的光電探測器輸出信號的峰值確定的。
21.一種用來測量個體脈率的脈率傳感器，包括用來發(fā)射光源到身體組織中的輻射體，所述輻射體光源的強度取決于強度控制信號；用來接受來自所述身體組織的反射光并且產(chǎn)生指示所述反射光的光電探測器輸出信號的光電探測器；用來測量個體的規(guī)律運動并且產(chǎn)生指示所述規(guī)律運動的加速度計輸出信號的加速度計；用來測量使用者的無規(guī)律運動并且產(chǎn)生指示所述無規(guī)律運動的接觸型運動傳感器輸出信號的接觸型運動傳感器；接受光電探測器輸出和參考輸入的第一放大器，所述第一放大器有第一放大輸出，該第一放大輸出提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的第一放大信號；用來接受經(jīng)過調(diào)節(jié)的第一放大信號、直流調(diào)節(jié)信號和變增益調(diào)節(jié)信號的第二放大器，所述第二放大器產(chǎn)生第二放大器輸出信號，該第二放大器輸出信號是基于所述直流調(diào)節(jié)信號進行直流調(diào)節(jié)的并且是基于變增益調(diào)節(jié)信號放大的；以及用來接受所述的光電探測器輸出信號、加速度計輸出信號、壓電傳感器輸出信號、經(jīng)過調(diào)節(jié)的第一放大信號和第二放大器輸出信號的微處理器，該微處理器產(chǎn)生強度控制信號以便提供適當?shù)妮椛潴w強度，產(chǎn)生直流調(diào)節(jié)信號以便適當?shù)卣{(diào)節(jié)第二放大器，產(chǎn)生變增益信號以便將適當?shù)脑鲆嫣峁┙o第二放大器，以及確定個體的脈率，其中所述脈率是通過監(jiān)控光電探測器輸出信號、第一放大器輸出信號和第二放大器輸出信號以及除去由個體的規(guī)律運動和無規(guī)律運動所引起的那些信號的部分確定的。
22.根據(jù)權利要求21的脈率傳感器，其中所述脈沖是在除去由個體的規(guī)律運動和無規(guī)律運動所引起的信號的部分之后通過探測第二放大器輸出信號的峰值確定的。
23.根據(jù)權利要求21的脈率傳感器，其中所述脈沖通過變換第二放大器輸出信號、加速度計輸出信號和接觸型運動傳感器輸出信號并且把在經(jīng)過變換的加速度計輸出信號、經(jīng)過變換的接觸型運動傳感器輸出信號中找出的那些頻率從經(jīng)過變換的第二放大器輸出信號中減去確定的，其中所述脈沖被確定等于現(xiàn)在的剩余頻率。
全文摘要
包括用來測量周期運動的加速度計(108)和用來探測無規(guī)律運動的壓電傳感器(106)的脈率傳感器(101)能夠通過解釋這些運動類型更精確地確定脈率。依照本發(fā)明的脈率傳感器由于不穩(wěn)定的運動通過控制信號升高、波形精細化和信號噪音抑制的算法組合減少脈率信號降級。
文檔編號A61B5/024GK101039617SQ200580034795
公開日2007年9月19日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權日2004年10月15日
發(fā)明者理查德·A·納澤瑞恩, 洛瑞·E·拉克, 蘇珊·S·阿爾費尼, 馬克·J·賓娜, 登·W·E·埃文斯, 保羅·哈瑞斯, 邁克爾·W·格阿特茲 申請人:普爾塞特拉瑟技術有限公司