一种采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统及方法与流程

1.本发明涉及一种采用非相干光源的可见光传感系统，特别涉及利用调制电信号的发光二极管产生非相干可见光，以此光源进行光电脉搏波检测的应用领域。


背景技术：

2.智能医疗是我国未来的大战略，也是通信技术和计算机技术等信息类技术发展到一定阶段的重点应用领域，在智能医疗中，都把重心落在以可穿戴为表现形式的移动健康(包括心率、血氧、血压、血糖和温度)监测管理。目前，可穿戴移动健康测量领域，仍存在许多问题，这使得血液成分和心率参数检测的研究更具有重要意义。
3.血液成分的无创检测，不仅对各种疾病的诊断，糖尿病、贫血等慢性疾病的管理，围手术期或急诊患者的监护具有重要意义，还可以实现疾病的早期筛查，节省医疗资源，促进环保。与此同时，经济发展和生活水平的提升促使普通民众对健康的关注程度和健康信息获取的有效性不断提高，为了提升人们的生活品质，必须有效的预防心血管疾病，而心血管疾病的威胁性决定了连续监测包括心率、血压、血氧和血液黏度等生理参数的必要性。
4.当前，在血液成分的无创检测和连续动态生理参数监测方面，光电容积脉搏波描记法(ppg)及其相关技术，是重要的技术手段，吸引了国内外众多研究人员的注意，并产生了大量的研究成果。光电容积脉搏波描记法(ppg)由hertzman于1938年首次提出，是一种通过输入光在皮肤组织中发生反射或者透射而携带出的皮下血液信息，来评价皮肤组织血流灌注有关信息的方法。由于心脏的搏动，会有部分血液通过各级动脉逐级流入指端，使得指端小动脉网发生扩张。经过毛细血管前扩约肌进入毛细血管床的血液会在发生养料交换后通过流入静脉而返回心脏。毛细血管括约肌对血液流动的阻力较大，且毛细血管床有足够的容积会衰减小动脉的搏动。一般情况下认为，仅有小动脉发生脉动，而毛细血管、静脉和其他组织不发生搏动。根据ppg方法得到的探测光功率随时间的改变如图1所示。
5.文献1提出了一种基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法，研究提出了将光电容积脉搏波归一化的思想，根据归一化脉搏波模型建立了心血管系统参数提取和舒张压计算方法，并应用该方法设计了一种软硬件结合的无创连续血压测量系统。
6.文献2采用了动态光谱方法进行血液成分的无创检测，该方法基于透射的光电容积脉搏波，利用动脉充盈程度对光谱吸收的改变来直接提取多个波长下反映动脉血液成分的光密度，从理论上降低了个体差异和测量条件的影响，相比其他方法具有显著的优势。文献中获取不同血红蛋白浓度下的动态光谱值，并计算与血红蛋白浓度的相关系数，从而验证了动态光谱方法的可行性
7.文献3，选取523nm绿光、660nm红光和810nm红外的组合光谱作为探测光源，并在结构设计中引入“目”型槽结构消除环境光干扰，提高测量信号信噪比。在传统广义形态学去除基线漂移算法的基础上进行改进，实现一种简化的基线漂移去除算法。
8.这些文献都是基于光电容积脉搏波描记法，展开的研究，但是，光电容积脉搏波描
记法得到的信号较弱，在检测系统和方法方面仍然需要提出新的方案。正是由于上述原因，基于电光和声光方法的动脉信号检测技术是当前医用设备发展的一个关键研究课题。
9.参考文献：
10.1.李顶立，基于脉搏波的无创连续血压测量方法研究，博士学位论文，单位：浙江大学，完成时间：2008年4月。
11.2.周梅，提高动态光谱信噪比的方法及应用，博士学位论文，单位：天津大学，完成时间：2014年5月。
12.3.李皙茹，基于光电容积描记法的人体生理参数动态测量技术研究，博士学位论文，单位：中国科学技术大学，完成时间：2017年5月。


技术实现要素：
：
13.针对背景技术中的需求，本发明的目的在于提供一种采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统及方法。该方法在原理上不同于传统方法中利用发光二极管直接发光，并针对反射或透射信号进行检测。本发明将具有频率f1的电信号调制到发光二极管上，并接收从皮肤下面血管、血液或人体组织内传输过来的调制后的可见光信号，通过光电探测器将其转化为电信号，且该电信号包含两部分：a)携带动脉信息的低频信号，b)中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号。由于两部分信号在传输或散射过程中受到的干扰不同，因此，可以从这两部分信号中提取动脉信号。该方法和传统的光电容积脉搏波描记法(ppg)有一定差别，提供了新的检测维度，但可以兼容ppg的优点，可以用来探测心率、血压，以及血液相关的其它参数。与此同时，该方法可以和计算机领域的模式识别等新技术融合，提高探测信号的质量。
14.本发明的基本结构包括：
15.可见光发射模块(10)，包括led电源驱动电路，用来提供适合led或led阵列发光要求的稳定驱动电压，led射频信号发射机驱动电路，用来选择偏置电压v
bias
和单一频率的射频信号(20)，并将这两种信号之和调制到led灯珠或led灯珠阵列上，最终将调制后的非相干光发送至人的皮肤上；
16.单一频率的射频信号(20)s(t)，用来加载在led灯珠或led灯珠阵列上，以提供带调制的可见光波形，遇到皮肤下面的血管、血液或人体组织时，包含该单一频率射频信号的可见光，将会部分入射至可见光接收模块(30)，假设该单一频率为f1，信号幅度为v
ac
；
17.可见光接收模块(30)，包含光电探测器和相关放大电路，以及信号处理电路，用于接收从皮肤下面血管、血液或人体组织内传辅过来的可见光信号，并通过光电探测器将其转化为电信号，且该电信号包含两部分：a)携带动脉信息的低频信号m
a
(t)，b)中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号m
b
(t)v
ac
cos(2πf1t)；
18.信号处理模块(40)，按照传统ppg方法对a)部分信号进行处理，即对携带动脉信息的低频信号进行处理；同时对b)部分中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号进行解调，得到携带动脉信息的基带信号，结合a)部分信号进行处理的结果和b)部分信号处理的结果得到最终的动脉信号，从而得到心率、血压，以及血液相关的其它参数。
19.考虑到可见光波在人体器官中传输的距离限制，所述led灯珠可以是高功率led灯珠，用来发送较强的可见光信号，从而提高探测到的可见光信号的强度。
20.进一步，所述可见光发射模块(10)和可见光接收模块(30)可以位于手指两侧，此时接收的是透射信号，如图3所示；或可见光发射模块(10)和可见光接收模块(30)位于手指同侧，此时接收的是反射信号，如图2所示。
21.进一步，所述led光源可以是红光(r)led灯珠，或者绿光(g)led灯珠，或者蓝光(b)led灯珠，或者rgb三种颜色构成的白光led灯珠，用来发送不同波长的可见光信号，从而提高可见光通信探测下面血管、血液或人体组织内反射的可见光信号，并提升人体光电脉搏波检测的准确程度。
22.进一步，在本发明中可以按照如下方法得到最终的动脉信号进一步，在本发明中可以按照如下方法得到最终的动脉信号其中，m
a
(t)为从包含低频干扰的信号中提取的动脉信号，m
b
(t)为从包含高频干扰的信号中提取的动脉信号。
23.进一步，该系统还可以包括基于光电脉搏波的滤波算法(50)，该算法对来自低频信号m
a
(t)和中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号m
b
(t)v
ac
cos(2πf1t)分别进行处理，由此形成，动脉信号的m
a
(t)部分和m
b
(t)部分。所述光电脉搏波的滤波算法(50)可以包含人工神经网络，机器学习或者深度学习等人工智能类的算法。
24.进一步，可以调节led上所加载的偏置电压v
bias
，以此增强待提取的动脉信号，从而提高光电脉搏波检测的准确性。
25.进一步，可以调节led上所加载的射频信号幅度v
ac
，以此增强待提取的动脉信号，从而提高光电脉搏波检测的准确性。
26.进一步，在实验中可以得到可见光传输时射频损耗最小的调制频率f1，以此增强待提取的动脉信号，从而提高光电脉搏波检测的准确性。
27.进一步，为解决该方法人体差异性的问题，可以将每个用户每次测量的信息记录在计算机的数据库中，作为光电脉搏波的滤波算法(50)更新的依据，电脉搏波的滤波算法(50)则根据记录在数据库中的历史数据进行自适应调整。
附图说明
28.根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：
29.图1是光电容积脉搏波描记法(ppg)得到的包含动脉信号的图，该典型ppg信号含交流和直流部分。
30.图2是本发明的系统结构示意图，检测反射信号。
31.图3是本发明的系统结构示意图，检测透射信号。
具体实施方式
32.1，利用本发明系统与方法进行光电脉搏波检测的实施例：
33.本系统的基本构成为：可见光发射模块(10)，包括led电源驱动电路，用来提供适合led或led阵列发光要求的稳定驱动电压，led射频信号发射机驱动电路，用来选择偏置电压v
bias
和单一频率的射频信号(20)，并将这两种信号之和调制到led灯珠或led灯珠阵列上，最终将调制后的非相干光发送至人的皮肤上；
34.单一频率的射频信号(20)s(t)，用来加载在led灯珠或led灯珠阵列上，以提供带调制的可见光波形，遇到皮肤下面的血管、血液或人体组织时，包含该单一频率射频信号的可见光，将会部分入射至可见光接收模块(30)，假设该单一频率为f1，信号幅度为v
ac
；此处，f1＝10khz，v
ac
＝5vpp。
35.可见光接收模块(30)，包含光电探测器和相关放大电路，以及信号处理电路，用于接收从皮肤下面血管、血液或人体组织内传输过来的可见光信号，并通过光电探测器将其转化为电信号，且该电信号包含两部分：a)携带动脉信息的低频信号m
a
(t)，b)中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号m
b
(t)v
ac
cos(2πf1t)；
36.此处选择检测反射信号，即选择图2所示的结构图。此时led的光功率选择为5w。
37.信号处理模块(40)，按照传统ppg方法对a)部分信号进行处理，即对携带动脉信息的低频信号进行处理；同时对b)部分中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号进行解调，得到携带动脉信息的基带信号，结合a)部分信号进行处理的结果和b)部分信号处理的结果得到最终的动脉信号，从而得到心率、血压，以及血液相关的其它参数。
38.当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，包括：可见光发射模块(10)，包括led电源驱动电路，用来提供适合led或led阵列发光要求的稳定驱动电压，led射频信号发射机驱动电路，用来选择偏置电压v
bias
和单一频率的射频信号(20)，并将这两种信号之和调制到led灯珠或led灯珠阵列上，最终将调制后的非相干光发送至人的皮肤上；单一频率的射频信号(20)s(t)，用来加载在led灯珠或led灯珠阵列上，以提供带调制的可见光波形，遇到皮肤下面的血管、血液或人体组织时，包含该单一频率射频信号的可见光，将会部分入射至可见光接收模块(30)，假设该单一频率为f1，信号幅度为v
ac
；可见光接收模块(30)，包含光电探测器和相关放大电路，以及信号处理电路，用于接收从皮肤下面血管、血液或人体组织内传输过来的可见光信号，并通过光电探测器将其转化为电信号，且该电信号包含两部分：a)携带动脉信息的低频信号m
a
(t)，b)中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号m
b
(t)v
ac
cos(2πf1t)；信号处理模块(40)，按照传统ppg方法对a)部分信号进行处理，即对携带动脉信息的低频信号进行处理；同时对b)部分中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号进行解调，得到携带动脉信息的基带信号，结合a)部分信号进行处理的结果和b)部分信号处理的结果得到最终的动脉信号，从而得到心率、血压，以及血液相关的其它参数。2.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：所述可见光发射模块(10)和可见光接收模块(30)位于手指两侧，此时接收的是透射信号；或可见光发射模块(10)和可见光接收模块(30)位于手指同侧，此时接收的是反射信号。3.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：所述led光源可以是红光(r)led灯珠，或者绿光(g)led灯珠，或者蓝光(b)led灯珠，或者rgb三种颜色构成的白光led灯珠，用来发送不同波长的可见光信号，从而提高可见光通信探测下面血管、血液或人体组织内反射的可见光信号，并提升人体光电脉搏波检测的准确程度。4.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：可以按照如下方法得到最终的动脉信号可以按照如下方法得到最终的动脉信号其中，m
a
(t)为从包含低频干扰的信号中提取的动脉信号，m
b
(t)为从包含高频干扰的信号中提取的动脉信号。5.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：该系统还可以包括基于光电脉搏波的滤波算法(50)，该算法对来自低频信号m
a
(t)和中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号m
b
(t)v
ac
cos(2πf1t)分别进行处理，由此形成，动脉信号的m
a
(t)部分和m
b
(t)部分。6.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：
所述光电脉搏波的滤波算法(50)可以包含人工神经网络，机器学习或者深度学习等人工智能类的算法。7.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：可以调节led上所加载的偏置电压v
bias
，以此增强待提取的动脉信号，从而提高光电脉搏波检测的准确性。8.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：可以调节led上所加载的射频信号幅度v
ac
，以此增强待提取的动脉信号，从而提高光电脉搏波检测的准确性。9.如权利要求1所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：在实验中可以得到可见光传输时射频损耗最小的调制频率f1，以此增强待提取的动脉信号，从而提高光电脉搏波检测的准确性。10.如权利要求5所述的采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统，其特征在于：为解决该方法人体差异性的问题，可以将每个用户每次测量的信息记录在计算机的数据库中，作为光电脉搏波的滤波算法(50)更新的依据，电脉搏波的滤波算法(50)则根据记录在数据库中的历史数据进行自适应调整。
技术总结
本发明提供了一种采用调制电信号的非相干光源进行光电脉搏波检测的系统及方法。该方法在原理上不同于传统方法中利用发光二极管直接发光，并针对反射或透射信号进行检测。本发明将具有频率f1的电信号调制到发光二极管上，并接收从皮肤下面血管、血液或人体组织内传输过来的调制后的可见光信号，通过光电探测器将其转化为电信号，且该电信号包含两部分：a)携带动脉信息的低频信号，b)中心频率f1附近的携带动脉信息的高频信号。由于两部分信号在传输或散射过程中受到的干扰不同，因此，可以从这两部分信号中提取动脉信号。该方法和传统的光电容积脉搏波描记法有一定差别，提供了新的检测维度，可以用来探测心率、血压，以及血液相关的其它参数。相关的其它参数。相关的其它参数。


技术研发人员：桂林
受保护的技术使用者：裴璇
技术研发日：2019.12.31
技术公布日：2021/7/15