Способ и устройство измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения

Группа изобретений относится к способам и устройствам для измерения ЧСС, а также к носимым устройствам измерения ЧСС, содержащим такие измерительные устройства. Устройство для измерения ЧСС содержит источник света, фотодетекторы, блок преобразования и вычислительный блок. Фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно. Источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему. Блок преобразования содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и АЦП. При этом освещают участок тела когерентным светом. Детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Устраняют частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов. Преобразуют посредством ТИУ аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения. Преобразуют посредством АЦП аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал. Вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала. Вычисляют ЧСС по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала. Достигается упрощение конструкции и уменьшение размеров устройства, не требующего жесткой фиксации на теле человека, за счет отсутствия датчиков, измеряющих движение измерительного устройства относительно участка тела, на котором оно закреплено, что также упрощает обработку сигналов, поскольку отсутствует необходимость обрабатывать сигналы датчиков движения для устранения артефактов движения. 6 н. и 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к измерению частоты сердечных сокращений с использованием носимых устройств и, в частности, к способу измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения и устройству измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения, которое может быть встроено в различные носимые устройства, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.

Описание предшествующего уровня техники

[0002] Существуют устройства измерения частоты сердечных сокращений на основе фотоплетизмографии (ФПГ) или электрокардиографии (ЭКГ), которые обеспечивают точное измерение в неподвижном состоянии человека. Существуют также устройства измерения частоты сердечных сокращений на основе ФПГ или ЭКГ, встроенные в носимые устройства, которые обеспечивают измерение при движении человека. Однако измерение частоты сердечных сокращений носимым устройством при движении человека может быть неточным из-за артефактов движения, вызванных перемещением устройства относительно части тела человека, на которое надето носимое устройство. Артефакты движения вносят искажения в сигнал измерения и результат измерения получается неточным. В настоящих носимых устройствах для устранения влияния артефактов движения применяется либо жесткая фиксация устройства на теле, либо носимые устройства дополнительно содержат датчики, измеряющие движение, и артефакты движения компенсируются на основании измерений этих датчиков.

[0003] Жесткая фиксация устройства измерения частоты сердечных сокращений на теле вызывает неудобства ношения этого устройства, а дополнительные датчики и схемы для компенсации артефактов движения увеличивают размер и вес устройства, кроме того, усложняют конструкцию устройства и усложняют обработку сигналов.

[0004] В предшествующем уровне техники известны технические решения для измерения частоты сердечных сокращений.

[0005] Патент США US4476875A, выданный 16.10.1984 и озаглавленный «METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING FLOW MOTIONS IN A FLUID», предлагает техническое решение, в котором участок тела освещают монохроматическим светом лазера, свет, рассеянный от частиц в жидкости и от любых окружающих стационарных структур, передается по отдельности на два отдельных фотоприемника. Из выходного сигнала каждого фотодетектора выводится сигнал, содержащий компоненты частоты биений, возникающие в результате интерференции между компонентами света, принимаемыми фотодетектором, которые имеют разные частоты из-за доплеровского сдвига частоты света, рассеянного движущимися частицами. Два сигнала, полученные таким образом из выходных сигналов двух фотодетекторов, вычитаются друг из друга, и сигнал, полученный в результате этого вычитания, используется в качестве меры движения потока в жидкости. В этом техническом решении в дифференциальную схему включены не сами фотодетекторы, а блоки устройства, включая усилители и аналоговые фильтры. Такое решение повышает требования к элементам электрической схемы, таким как линейность и стабильность усилителей, идентичность электрических характеристик всех элементов, включенных в дифференциальную схему. Кроме того, не раскрыта балансная схема расположения фотодетекторов относительно источника света, т.е. равенство расстояний от источника света до каждого фотодетектора и равенство параметров фотодетекторов, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д. В этом техническом решении используется оптоволокно и много блоков обработки сигналов, поэтому это техническое решение имеет большие размеры и вес и предназначено для стационарных измерений и не пригодно для встраивания в носимые устройства.

[0006] Международная патентная заявка WO 2007/122375А1, опубликованная 01.11.2007 и озаглавленная «PHOTOPLETHYSMOGRAPHY», предлагает устройство фотоплетизмографии, которое включает в себя источник света для освещения целевого объекта. Модулятор управляет источником света таким образом, что выходная интенсивность изменяется в зависимости от сигнала модуляции на частоте модуляции. Детектор получает свет от целевого объекта и генерирует электрический выходной сигнал в зависимости от интенсивности полученного света. Демодулятор с локальным генератором получает выходной сигнал детектора и создает демодулированный выходной сигнал, представляющий собой сигнал модуляции. Демодулятор нечувствителен к любой разнице фаз между сигналом модуляции и генератором демодулятора. Из демодулированного выходного сигнала генерируется сигнал, характеризующий объем крови как функцию времени и/или состава крови. Может быть обеспечено несколько демодуляторов для получения сигналов от нескольких источников света с разными длинами волн или от массива детекторов. Плетизмограф может работать в режиме пропускания или в режиме отражения. В режиме отражения устройство может использовать зеленую часть оптического спектра и поляризационные фильтры. Это техническое решение предназначено для измерений в неподвижном состоянии, поскольку оно не устраняет артефакты движения, искажающий измерительный сигнал. Кроме того, устройство фотоплетизмографии не пригодно для встраивания в носимые устройства из-за сложности конструкции устройства и невозможности компенсировать артефакты движения.

[0007] Патент США US10849513B2, выданный 01.12.2020 и озаглавленный «SENSING AT LEAST ONE BIOLOGICAL PARAMETER, E.G., HEART RATE OR HEART RATE VARIABILITY OF A SUBJECT», предлагает устройство для определения по меньшей мере одного биологического параметра (например, частоты сердечных сокращений, изменения сердечного ритма) субъекта, причем устройство содержит контактную поверхность, выполненную с возможностью приведения в контакт с поверхностью кожи субъекта. Устройство содержит по меньшей мере один источник света для освещения поверхности кожи через контактную поверхность вдоль оптической оси источника света с освещением, включающим по меньшей мере одну длину волны, и по меньшей мере один детектор для обнаружения отклика упомянутого освещения по меньшей мере на упомянутой длине волны, от поверхности кожи через контактную поверхность вдоль оптической оси детектора и подачи сигналов, сконфигурированных для определения упомянутого биологического параметра на его основе, при этом упомянутая оптическая ось освещения образует с упомянутой контактной поверхностью острый угол прилегания. Это устройство не компенсирует артефакты движения и требует жесткой фиксации на участке тела.

[0008] Заявка на патент США US20100298657A1, опубликованная 25.11.2010 и озаглавленная «METHOD FOR CONTINUOUSLY MONITORING A PATIENT USING A BODY-WORN DEVICE AND ASSOCIATED SYSTEM FOR ALARMS/ALERTS», предлагает носимый на теле монитор, который измеряет жизненные показатели пациента (например, артериальное давление, SpO2, частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и температуру) и одновременно характеризует состояние его активности (например, отдых, ходьба, судороги, падение). Носимый на теле монитор обрабатывает эту информацию, чтобы свести к минимуму искажение основных показателей жизнедеятельности артефактами, связанными с движением. Программная среда генерирует сигналы оповещения на основе пороговых значений, которые либо заранее заданы, либо определяются в режиме реального времени. Конструкция дополнительно включает в себя ряд «эвристических» правил, которые учитывают состояние активности и движения пациента и соответствующим образом обрабатывают жизненные показатели. Эти правила, например, указывают на то, что ходячий пациент, вероятно, дышит и имеет регулярный пульс, даже если его жизненно важные показатели, искаженные движением, говорят об обратном. Это техническое решение включает в себя несколько датчиков, детектирующих движение, для компенсации движения части тела человека. А также оно требует дополнительных сложных вычислений для компенсации движения части тела человека.

[0009] Существующие в настоящее время устройства для измерения частоты сердечных сокращений имеют следующие недостатки. Известные устройства для измерения частоты сердечных сокращений либо предназначены для измерения в неподвижном состоянии, либо требуют жесткой фиксации устройства на теле или имеют сложную конструкцию с дополнительными датчиками, детектирующими движение части тела человека.

[0010] Требуется измерительное устройство, способное обеспечить точное измерение частоты сердечных сокращений даже в условиях интенсивного движения без жесткой фиксации измерительного устройства на теле, малых размеров, простой конструкции и без сложной обработки сигналов. Настоящее изобретение создано для устранения вышеописанных недостатков и для обеспечения нижеописанных преимуществ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции, уменьшение размеров и упрощение обработки сигналов устройства измерения частоты сердечных сокращений с подавлением артефактов движения, не требующего жесткой фиксации на теле человека, и которое можно встроить в различные носимые устройства, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.

[0012] Один аспект настоящего изобретения обеспечивает способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых: освещают участок тела когерентным светом, излученным источником света; детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, по меньшей мере одной парой фотодетекторов, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему; устраняют частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов; преобразуют трансимпедансным усилителем (ТИУ) аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения; преобразуют аналого-цифровым преобразователем (АЦП) аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал; вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала; и вычисляют частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

[0013] Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее: источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом; по меньшей мере одну пару фотодетекторов, выполненных с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему для устранения частотной составляющей от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов; блок преобразования, содержащий трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и выполненный с возможностью преобразования аналогового разностного сигнала фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП; вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления огибающей цифрового разностного сигнала, и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

[0014] В одном дополнительном аспекте устройство содержит две пары фотодетекторов, причем две пары фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока, при этом блок преобразования, выполнен с возможностью преобразования суммированного аналогового разностного сигнала фототока в суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования суммированного аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП.

[0015] В другом дополнительном аспекте устройство содержит более двух пар фотодетекторов, причем более двух пар фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока.

[0016] В еще одном дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.

[0017] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений согласно любому варианту осуществления.

[0018] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых: освещают участок тела когерентным светом, излученным источником света; детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, множеством фотодетекторов, состоящим из первого подмножества фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, по меньшей мере один фотодетектор подключен к отдельному блоку преобразования, содержащему трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему; преобразуют ТИУ аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами, в аналоговые сигналы напряжения; преобразуют АЦП аналоговые сигналы напряжения в цифровые сигналы; устраняют частотную составляющую от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока первого подмножества фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока второго подмножества фотодетекторов; вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала; и вычисляют частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

[0019] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее: источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом; множество фотодетекторов, состоящее из первого подмножества фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему, при этом множество фотодетекторов выполнено с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови; по меньшей мере два блока преобразования, каждый из которых содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом каждый блок преобразования подключен к по меньшей мере одному фотодетектору, каждый блок преобразования выполнен с возможностью преобразования аналогового сигнала фототока, детектированного по меньшей мере одним фотодетектором, в аналоговый сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового сигнала напряжения в цифровой сигнал с помощью АЦП; вычислительный блок, выполненный с возможностью устранения частотной составляющей от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных первым подмножеством фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных вторым подмножеством фотодетекторов, вычисления огибающей цифрового разностного сигнала, и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

[0020] В одном дополнительном аспекте устройство содержит первое параллельное соединение из первого подмножества фотодетекторов; и второе параллельное соединение из второго подмножества фотодетекторов, при этом один блок преобразования подключен к первому параллельному соединению, а другой блок преобразования подключен ко второму параллельному соединению.

[0021] В другом дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.

[0022] Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений согласно любому варианту осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0023] Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0024] Фиг. 1 схематично иллюстрирует процесс детектирования частоты сердечных сокращений.

[0025] Фиг. 2 является схематично иллюстрирует балансную оптическую схему.

[0026] Фиг. 3 иллюстрирует аналоговые сигналы, детектированные фотодетекторами.

[0027] Фиг. 4 иллюстрирует аналоговый разностный сигнал.

[0028] Фиг. 5 иллюстрирует цифровой разностный сигнал и его огибающую.

[0029] Фиг. 6 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0030] Фиг. 7 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0031] Фиг. 8 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0032] Фиг. 9 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0033] Фиг. 10 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0034] Фиг. 11 является блок-схемой устройства для измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0035] Фиг. 12 является блок-схемой последовательности операций способа измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0036] Фиг. 13 является блок-схемой последовательности операций способа измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0037] В последующем описании, если не указано иное, одни и те же ссылочные позиции используются для одних и тех же элементов, когда они изображены на разных чертежах, и их параллельное описание не приводится.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0038] Нижеследующее описание со ссылкой на прилагаемые чертежи приведено, чтобы облегчить полное понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заданного формулой изобретения, и его эквивалентов. Описание включает в себя различные конкретные подробности, чтобы облегчить такое понимание, но данные подробности следует считать только примерными. Соответственно, специалисты в данной области техники обнаружат, что можно разработать различные изменения и модификации различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, описания общеизвестных функций и конструкций могут быть исключены для ясности и краткости.

[0039] Термины и формулировки, используемые в последующем описании и формуле изобретения не ограничены библиографическим значениями, а просто использованы создателем настоящего изобретения, чтобы обеспечить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что последующее описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается только для иллюстрации.

[0040] Следует понимать, что формы единственного числа включают в себя множественность, если контекст явно не указывает иное.

[0041] Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящей заявке, означают присутствие изложенных признаков, значений, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, значений, операций, элементов, компонентов и/или их групп.

[0042] Фиг. 1 иллюстрирует процесс фотоплетизмографии, используемый для измерения частоты сердечных сокращений в настоящем изобретении. Источник света 101 освещает участок тела когерентным светом, а по меньшей мере два фотодетектора 102 детектируют свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Интенсивность детектируемого света, а, следовательно, величина сигнала фотодетектора, пропорциональна изменению объема крови в исследуемом участке тела при сокращении и расслаблении сердечной мышцы. Чем больше крови в сосуде, т. е. чем больше в нем эритроцитов, рассеивающих свет, тем сильнее отражается от них свет и больше величина сигнала фотодетектора. На фиг. 1 изображено только два фотодетектора 102, однако настоящее изобретение не ограничено двумя фотодетекторами 102 и устройство для измерения частоты сердечных сокращений согласно настоящему изобретению может содержать более двух фотодетекторов 102.

[0043] В настоящем изобретении предпочтительно использовать источник когерентного света малых размеров, например, лазерный светодиод, в качестве источника света 101. Однако настоящее изобретение не ограничено лазерным светодиодом, источник света 101 может быть любым источником когерентного света, который имеет размеры, позволяющие встроить его в носимое устройство, такое как интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.

[0044] В качестве фотодетекторов 102 могут использоваться любые фотодетекторы, работающие в фотодиодном режиме, выходным сигналом которых является сигнал тока. Два или более фотодетекторов 102 подключены встречно-параллельно для обеспечения дифференциальной схемы подключения фотодетекторов 102. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему.

[0045] Фиг. 2 схематично иллюстрирует балансную оптическую схему. Балансная оптическая схема представляет собой расположение фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101, как показано пунктирной окружностью на фиг. 2, и фотодетекторы 102 имеют одинаковые параметры, такие как чувствительность, площадь детектирования и т.д. Например, фотодетекторы 102 могут быть расположены симметрично относительно источника света 101. Симметричное расположение фотодетекторов 102 позволяет лучше устранять артефакты движения, возникающие в разных направлениях перемещения устройства 100 относительно участка тела, в котором производится измерение. Однако изобретение не ограничено симметричным расположением фотодетекторов 102 относительно источника света 101, основным условием является расположение фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101. Балансная оптическая схема за счет расположения фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101 и одинаковых параметров всех фотодетекторов 102, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д., обеспечивает получение сигналов от всех фотодетекторов 102 с одной и той же частотной составляющей от артефактов движения.

[0046] Фиг. 3-5 схематично иллюстрируют сигналы фотодетекторов 102 до и после преобразования.

[0047] Фиг. 3 иллюстрирует аналоговые сигналы, детектированные фотодетекторами 102. Для простоты объяснения на фиг. 3 показаны только два аналоговых сигнала от двух фотодетекторов 102, подключенных встречно-параллельно. Один аналоговый сигнал изображен сплошной кривой линией, а другой аналоговый сигнал изображен точечной кривой линией. Однако количество сигналов в настоящем изобретении может быть равно количеству фотодетекторов 102. Частотная составляющая от артефактов движения в сигналах фотодетекторов 102 обозначена пунктирной кривой линией. Частотная составляющая от артефактов движения, вносится в сигналы фотодетекторов 102 вследствие перемещения устройства для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, в котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений. Частота колебаний частотной составляющей от артефактов движения сигналов фотодетекторов 102 задается частотой перемещений устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, в котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений. Для упрощения иллюстрации аналоговых сигналов, детектированных фотодетекторами 102, частотная составляющая от артефактов движения показана плавной кривой линией. Однако в реальности частотная составляющая от артефактов движения имеет переменную частоту колебаний в зависимости от частоты перемещений устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, в котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, поскольку перемещения устройства 100 могут происходить в разных направлениях и с разной частотой. На разных участках детектированного сигнала частотная составляющая от артефактов движения может иметь частоту колебаний такую же как частота сердечных сокращений, большую или меньшую, чем частота сердечных сокращений. Поэтому частотная составляющая от артефактов движения не может быть устранена фильтрацией детектированного сигнала. Уровень детектирования обозначен штрихпунктирной прямой линией. Уровень детектирования задается заранее так, чтобы учитывать все сердечные сокращения, например, при выполнении измерения без перемещения устройства для измерения частоты сердечных сокращений относительно участка тела, т.е. когда частотная составляющая от артефактов движения не вносится в сигналы фотодетекторов. Как показано в средней части графика сигналов фотодетекторов 102, не все сердечные сокращения детектируются из-за влияния частотной составляющей от артефактов движения.

[0048] Фиг. 4 иллюстрирует аналоговый разностный сигнал, полученный вычитанием сигналов фотодетекторов 102 вследствие подключения фотодетекторов 102 в дифференциальной схеме. Разностный сигнал показан сплошной кривой линией. Поскольку фотодетекторы 102 и источник света 101 образуют балансную оптическую схему, частотная составляющая от артефактов движения во всех сигналах фотодетекторов 102 будет одинаковая и при вычитании сигналов сокращается, как показано пунктирной прямой линией, проходящей через значение 0 по вертикальной оси графика. Следовательно, устраняется влияние артефактов движения, и все сердечные сокращения могут быть детектированы по уровню детектирования, обозначенному штрихпунктирной прямой линией.

[0049] Фиг. 5 иллюстрирует цифровой разностный сигнал и его огибающую. Для улучшения точности детектирования сердечных сокращений аналоговый разностный сигнал фототока фотодетекторов 102 преобразуют в аналоговый разностный сигнал напряжения, чтобы увеличить соотношение сигнал-шум, и аналоговый разностный сигнал напряжения преобразуют в цифровой разностный сигнал. Затем вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала, например, с помощью преобразования Гилберта, цифрового низкочастотного фильтра и т.д. Огибающая показана пунктирной кривой линией. В настоящем изобретении может быть использован любой известный способ вычисления огибающей цифрового сигнала. Способы вычисления огибающей цифрового сигнала известны в уровне техники и поэтому их описание опущено. Уровень детектирования обозначен штрихпунктирной прямой линией. Частота сердечных сокращений вычисляется по пикам огибающей цифрового разностного сигнала, которые достигают уровня детектирования или превышают его. Горизонтальная ось на графике представляет собой время в секундах и, следовательно, возможно подсчитать количество пиков, которые достигают уровня детектирования или превышают его, за некоторое время, т.е. вычислить частоту сердечных сокращений. Например, на фиг. 5 изображено 3 пика за 3 секунды, следовательно, частота сердечных сокращений, показанная на фиг. 5 составляет 60 биений сердца в минуту.

[0050] Фиг. 3-5 иллюстрируют только один из порядков обработки сигналов в настоящем изобретении. В настоящем изобретении также возможно сначала аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами 102, преобразовать в аналоговые сигналы напряжения, аналоговые сигналы напряжения преобразовать в цифровые сигналы, а затем цифровой разностный сигнал получить посредством вычитания цифровых сигналов и вычислить его огибающую.

[0051] В дальнейшем, различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.

[0052] На фиг. 12 показана блок-схема последовательности операций способа 200 измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0053] На этапе S201 участок тела освещают когерентным светом, излученным источником света 101.

[0054] На этапе S202 свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, детектируют по меньшей мере одной парой фотодетекторов 102. Фотодетекторы 102 в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему.

[0055] На этапе S203 частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока устраняют посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102.

[0056] На этапе S204 аналоговый разностный сигнал фототока, полученный на этапе S203, преобразуют в аналоговый разностный сигнал напряжения трансимпедансным усилителем (ТИУ).

[0057] На этапе S205 аналоговый разностный сигнал напряжения, полученный на этапе S204, преобразуют в цифровой разностный сигнал аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

[0058] На этапе S206 вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала, полученного на этапе S205.

[0059] На этапе S207 частоту сердечных сокращений вычисляют по пикам огибающей цифрового разностного сигнала, вычисленной на этапе S206.

[0060] На фиг. 6-8 показаны блок-схемы вариантов осуществления устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений, которое выполняет способ 200 измерения частоты сердечных сокращений. Устройство 100 содержит источник света 101, по меньшей мере одну пару фотодетекторов 102, блок 103 преобразования и вычислительный блок 104.

[0061] Источник света 101 освещает участок тела, на котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, когерентным светом.

[0062] В одном варианте осуществления, показанном на фиг. 6, устройство 100 может содержать одну пару фотодетекторов 102. В другом варианте осуществления, показанном на фиг. 7, устройство 100 может содержать две пары фотодетекторов 102. В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг. 8, устройство 100 может содержать более двух пар фотодетекторов 102.

[0063] По меньшей мере одна пара фотодетекторов 102 детектирует свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Фотодетекторы 102 в каждой паре фотодетекторов 102 соединены встречно-параллельно. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему. Балансная оптическая схема за счет расположения фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101 и одинаковых параметров всех фотодетекторов 102, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д., обеспечивает получение сигналов от всех фотодетекторов 102 с одной и той же частотной составляющей от артефактов движения. За счет подключения фотодетекторов 102 встречно-параллельно, т.е. в дифференциальной схеме, пара фотодетекторов 102 выдает аналоговый разностный сигнал фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102 из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором 102 из пары фотодетекторов 102. Поскольку сигналы от всех фотодетекторов 102 имеют одну и ту же частотную составляющую от артефактов движения, то при вычитании сигналов устраняется частотная составляющая от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока.

[0064] Блок 103 преобразования содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ТИУ преобразует аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения. АЦП преобразует аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал.

[0065] Вычислительный блок 104 вычисляет огибающую цифрового разностного сигнала и вычисляет частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

[0066] Если устройство 100 содержит две или более пар фотодетекторов 102, как показано в вариантах осуществления на фиг. 7 и 8, пары фотодетекторов 102 соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока. Блок 103 преобразования преобразует суммированный аналоговый разностный сигнал фототока в суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразует суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП.

[0067] На фиг. 11 частично показан еще один вариант осуществления устройства 100, в котором устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может дополнительно содержать собирающую линзу 105 перед источником света 101 и каждым фотодетектором 102. Собирающие линзы 105 позволяют получить более интенсивный сигнал и увеличить соотношение сигнал-шум обрабатываемых сигналов.

[0068] Устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может быть встроено в носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.

[0069] На фиг. 13 показана блок-схема последовательности операций способа 300 измерения частоты сердечных сокращений согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0070] На этапе S301 участок тела освещают когерентным светом, излученным источником света 101.

[0071] На этапе S302 свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, детектируют множеством фотодетекторов 102. Множество фотодетекторов 102 состоит из первого подмножества фотодетекторов 102, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов 102, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, т.е. первое подмножество фотодетекторов 102 и второе подмножество фотодетекторов 102 образуют дифференциальную схему. По меньшей мере один фотодетектор 102 подключен к отдельному блоку 103 преобразования, содержащему ТИУ и АЦП. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему.

[0072] На этапе S303 аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами 102, преобразуют ТИУ в аналоговые сигналы напряжения.

[0073] На этапе S304 аналоговые сигналы напряжения преобразуют АЦП в цифровые сигналы.

[0074] На этапе S305 частотную составляющую от артефактов движения в цифровом разностном сигнале устраняют посредством вычитания цифровых сигналов, полученных на этапах S303 и S304 из аналоговых сигналов фототока первого подмножества фотодетекторов 102, из цифровых сигналов, полученных на этапах S303 и S304 из аналоговых сигналов фототока второго подмножества фотодетекторов 102.

[0075] На этапе S306 вычисляют огибающую цифрового разностного сигнала, полученного на этапе S305.

[0076] На этапе S307 частоту сердечных сокращений вычисляют по пикам огибающей цифрового разностного сигнала, вычисленной на этапе S306.

[0077] На фиг. 9-10 показаны блок-схемы вариантов осуществления устройства 100 для измерения частоты сердечных сокращений, которое выполняет способ 300 измерения частоты сердечных сокращений. Устройство 100 содержит источник света 101, множество фотодетекторов 102, по меньшей мере два блока 103 преобразования и вычислительный блок 104.

[0078] Источник света 101 освещает участок тела, на котором выполняется измерение частоты сердечных сокращений, когерентным светом.

[0079] Множество фотодетекторов 102 детектируют свет от источника света 101, рассеянный тканями участка тела и частицами крови. Множество фотодетекторов 102 состоит из первого подмножества фотодетекторов 102, подключенных в одном направлении, и второго подмножества фотодетекторов 102, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению. Источник света 101 и фотодетекторы 102 образуют балансную оптическую схему. Балансная оптическая схема за счет расположения фотодетекторов 102 на одинаковом расстоянии от источника света 101 и одинаковых параметров всех фотодетекторов 102, таких как чувствительность, площадь детектирования и т.д., обеспечивает получение сигналов от всех фотодетекторов 102 с одной и той же частотной составляющей от артефактов движения.

[0080] Каждый из по меньшей мере двух блоков 103 преобразования содержит ТИУ и АЦП. Каждый блок 103 преобразования подключен к по меньшей мере одному фотодетектору 102. каждый блок 103 преобразования преобразует аналоговый сигнал фототока, детектированный по меньшей мере одним фотодетектором 102, в аналоговый сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразует аналоговый сигнал напряжения в цифровой сигнал с помощью АЦП.

[0081] Вычислительный блок 104 вычисляет цифровой разностный сигнал посредством вычитания цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком 103 преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных первым подмножеством фотодетекторов 102, из цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком 103 преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных вторым подмножеством фотодетекторов. При вычитании цифровых сигналов устраняется частотная составляющая от артефактов движения в цифровом разностном сигнале, поскольку все сигналы имеют одну и ту же частотную составляющую от артефактов движения. Вычислительный блок 104 вычисляет огибающую цифрового разностного сигнала и вычисляет частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

[0082] В одном варианте осуществления, показанном на фиг. 9, в устройстве 100 количество блоков 103 преобразования равно количеству фотодетекторов 102. Один блок 103 преобразования подключен к одному фотодетектору 102.

[0083] В другом варианте осуществления, показанном на фиг. 10, устройство 100 содержит первое параллельное соединение из первого подмножества фотодетекторов 102, второе параллельное соединение из второго подмножества фотодетекторов 102 и два блока 103 преобразования. Один блок 103 преобразования подключен к первому параллельному соединению из первого подмножества фотодетекторов 102, а другой блок 103 преобразования подключен ко второму параллельному соединению из второго подмножества фотодетекторов 102.

[0084] На фиг. 11 частично показан еще один вариант осуществления устройства 100, в котором устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может дополнительно содержать собирающую линзу 105 перед источником света 101 и каждым фотодетектором 102. Собирающие линзы 105 позволяют получить более интенсивный сигнал и увеличить соотношение сигнал-шум обрабатываемых сигналов.

[0085] Устройство 100 по всем выше приведенным вариантам осуществления может быть встроено в носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, например, интеллектуальные часы, фитнес-браслет и т.д.

[0086] Вышеприведенные описания вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными, и модификации конфигурации и реализации не выходят за пределы объема настоящего описания. Например, хотя варианты осуществления изобретения описаны, в общем, в связи с фигурами 6-13, приведенные описания являются примерными. Хотя предмет изобретения описан на языке, характерном для конструктивных признаков или методологических операций, понятно, что предмет изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, не обязательно ограничен конкретными вышеописанными признаками или операциями. Более того, конкретные вышеописанные признаки и операции раскрыты как примерные формы реализации формулы изобретения.

[0087] Соответственно предполагается, что объем вариантов осуществления изобретения ограничивается только нижеследующей формулой изобретения.

1. Способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых:

освещают (S201) участок тела когерентным светом, излученным источником света;

детектируют (S202) свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, по меньшей мере одной парой фотодетекторов, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему;

устраняют (S203) частотную составляющую от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов;

преобразуют (S204) трансимпедансным усилителем (ТИУ) аналоговый разностный сигнал фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения;

преобразуют (S205) аналого-цифровым преобразователем (АЦП) аналоговый разностный сигнал напряжения в цифровой разностный сигнал;

вычисляют (S206) огибающую цифрового разностного сигнала; и

вычисляют (S207) частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

2. Устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее:

источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом;

по меньшей мере одну пару фотодетекторов, выполненных с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови, при этом фотодетекторы в каждой паре фотодетекторов соединены встречно-параллельно, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему для устранения частотной составляющей от артефактов движения в аналоговом разностном сигнале фототока посредством вычитания аналогового сигнала фототока, детектированного одним фотодетектором из пары фотодетекторов, из аналогового сигнала фототока, детектированного другим фотодетектором из пары фотодетекторов;

блок преобразования, содержащий трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и выполненный с возможностью преобразования аналогового разностного сигнала фототока в аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП;

вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления огибающей цифрового разностного сигнала и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

3. Устройство по п. 2, содержащее:

две пары фотодетекторов, причем две пары фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока,

при этом блок преобразования выполнен с возможностью преобразования суммированного аналогового разностного сигнала фототока в суммированный аналоговый разностный сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования суммированного аналогового разностного сигнала напряжения в цифровой разностный сигнал с помощью АЦП.

4. Устройство по п. 3, содержащее:

более двух пар фотодетекторов, причем более двух пар фотодетекторов соединены параллельно для получения суммированного аналогового разностного сигнала фототока.

5. Устройство по любому из пп. 2-4, дополнительно содержащее собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.

6. Носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений по любому из пп. 2-5.

7. Способ измерения частоты сердечных сокращений, содержащий этапы, на которых:

освещают (S301) участок тела когерентным светом, излученным источником света;

детектируют (S302) свет, рассеянный тканями участка тела и частицами крови, фотодетекторами, образующими первое подмножество фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второе подмножество фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, каждый блок преобразования из по меньшей мере двух блоков преобразования, содержащих трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключен к по меньшей мере одному фотодетектору из одного и того же подмножества фотодетекторов, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему;

преобразуют (S303) ТИУ аналоговые сигналы фототока, детектированные фотодетекторами, в аналоговые сигналы напряжения;

преобразуют (S304) АЦП аналоговые сигналы напряжения в цифровые сигналы;

устраняют (S305) частотную составляющую от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока первого подмножества фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных из аналоговых сигналов фототока второго подмножества фотодетекторов;

вычисляют (S306) огибающую цифрового разностного сигнала; и

вычисляют (S307) частоту сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

8. Устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее:

источник света, выполненный с возможностью освещения участка тела когерентным светом;

фотодетекторы, образующие первое подмножество фотодетекторов, подключенных в одном направлении, и второе подмножество фотодетекторов, подключенных во втором направлении, противоположном первому направлению, и источник света и фотодетекторы образуют балансную оптическую схему, при этом фотодетекторы выполнены с возможностью детектирования света, рассеянного тканями участка тела и частицами крови;

по меньшей мере два блока преобразования, каждый из которых содержит трансимпедансный усилитель (ТИУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом каждый блок преобразования подключен к по меньшей мере одному фотодетектору из одного и того же подмножества фотодетекторов, каждый блок преобразования выполнен с возможностью преобразования аналогового сигнала фототока, детектированного по меньшей мере одним фотодетектором, в аналоговый сигнал напряжения с помощью ТИУ и преобразования аналогового сигнала напряжения в цифровой сигнал с помощью АЦП;

вычислительный блок, выполненный с возможностью устранения частотной составляющей от артефактов движения в цифровом разностном сигнале посредством вычитания цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных первым подмножеством фотодетекторов, из цифровых сигналов, полученных по меньшей мере одним блоком преобразования из аналоговых сигналов фототока, детектированных вторым подмножеством фотодетекторов, вычисления огибающей цифрового разностного сигнала и вычисления частоты сердечных сокращений по пикам вычисленной огибающей цифрового разностного сигнала.

9. Устройство по п. 8, содержащее:

первое параллельное соединение из первого подмножества фотодетекторов; и

второе параллельное соединение из второго подмножества фотодетекторов,

при этом один блок преобразования подключен к первому параллельному соединению, а другой блок преобразования подключен ко второму параллельному соединению.

10. Устройство по любому из пп. 8, 9, дополнительно содержащее собирающую линзу перед источником света и каждым фотодетектором.

11. Носимое устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее устройство для измерения частоты сердечных сокращений по любому из пп. 8-10.