專利名稱：光電體積描記術(shù)的制作方法
光電體積描記術(shù)
本發(fā)明涉及光電體積描記術(shù)，并更具體地涉及用于測量人體或動物體 內(nèi)的脈搏率、呼吸率以及血液成分的方法和設(shè)備。
詞語"體積描記術(shù)"(plethysmography )是希臘詞語"Plethysmos，，和 "graph"的組合，其中"Plethysmos"表示增加，"graph"表示記錄。體積描記 器(plethysmograph)是一種用來測量體內(nèi)血容量的變化的儀器、方法或設(shè) 備。光電體積描記術(shù)(以下也稱為"PPG")借助光的使用來測量容量的變 化，因此光電體積描記器(photoplethysmograph )是4吏用光來進行這些測 量的儀器、方法或設(shè)備。
盡管一般假定人體或動物體不透光，但大多數(shù)的軟組織會透射并反射 可見光輻射以及近紅外輻射兩種輻射。因此，如果光被投射到皮膚的區(qū)域， 并在光與皮膚、血液以及其他組織相互作用后檢測到出射光，則可觀測到 與血容量有關(guān)的光強隨時間變化的改變，即通常所說的體積描記圖。此隨 時間變化的光強信號取決于多個因素，包括測量部位處組織和血液的光學(xué) 性質(zhì)以及光源波長。信號產(chǎn)生的原因在于，血液吸收光，而且被吸收的光 的量、以及被檢測到的剩余光的強度的變化是與被照射的血液的體積相關(guān) 的。流動在組織中的血容量的變化引起了體積描記圖的變化。
此技術(shù)由Hertzman在1937年提出。他第一個使用了術(shù)語光電體積描 記術(shù)(photoplethysmography)，并提出得到的體積描記圖表示皮膚的脈管中
血液的體積變化。
體積描記圖通常是關(guān)于其AC分量和DC分量來描述的。假定非搏動 血液、骨骼和組織的光吸收恒定且引起DC分量。DC分量表示傳感器下 方的非搏動血液的體積，加上從皮膚、骨骼以及其他組織反射和散射的光。 AC分量由傳感器下方的血容量的瞬時變化引起的隨時間變化的光吸收引 起。心血管調(diào)節(jié)、血壓調(diào)節(jié)、體溫調(diào)節(jié)以及呼吸作用可引起血容量的變化。 因此，體積描記圖可以被分析用來確定關(guān)于如下參數(shù)的信息，如脈搏率、
呼吸率、血壓、灌注、心搏量以及呼吸潮氣量(respiratory tidal volume )。 這些可^f皮觀測為體積描記圖中AC分量和DC分量的周期性和非周期性的 振巾縣變4b。 這已在Kamal等人的"5^z力尸/7o op/e^)ASWogra;7/^ — <3 rev/ew" (Computer Methods and Programs in Biomedicine， 28 ( 1989 ) 257-269 )中 詳細描述。也可分析體積描記圖以確定血液成分。脈搏血氧測定法(pulse oximetry)就是一種這樣的技術(shù)，其確定血液中氧的相對含量。通過使用 光電體積描記術(shù)也可測量其他的血液成分。
存在兩種模式的光電體積描記術(shù)，透射模式和反射模式。透射模式中， 光源位于組織的一側(cè)，而光電檢測器設(shè)置在另一側(cè)，與光源相對。透射模 式的使用限于組織足夠薄以允許光傳播的區(qū)域，例如人類對象的手指、腳 訨以及耳垂。
在反射才莫式中，光源和光電檢測器并排設(shè)置。進入組織的光被反射， 且在光電檢測器中檢測到其中的一部分。此光源-檢測器結(jié)構(gòu)更為通用，且 允許在幾乎任何組織區(qū)域進行測量。然而，反射模式的應(yīng)用比透射更難設(shè) 計，因為信號電平在大多數(shù)有效波長下明顯更低。因此，必須將相當(dāng)多的 注意力用于最大化信噪比。所以，最常見的PPG傳感器使用透射模式，并 限于光能通過組織的位置。
因為光電檢測器被用來測量來自光源的光，光電體積描記器也可響應(yīng) 于來自其他光源的干擾信號，例如熒光照明燈和計算機顯示器。傳感器必 須也響應(yīng)于通過組織傳播的光的變化，也就是體積描記圖。這些生理變化 包括直流和25Hz之間的頻率分量。然而，期望傳感器不響應(yīng)環(huán)境光噪聲。 相應(yīng)地，光電體積描記器應(yīng)在感興趣的帶寬內(nèi)檢測體積描記圖的同時，抑 制環(huán)境光噪聲。
第二種千擾源是其他的電氣設(shè)備。其他的電氣設(shè)備能夠產(chǎn)生光電體積 描記器可檢測到的射頻信號。期望最小化系統(tǒng)對這種性質(zhì)的干擾源的靈敏 度。
第三種干擾源是由光電體積描記器本身產(chǎn)生的電噪聲。這種噪聲可由
li電子器件產(chǎn)生，可包括熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲以及噪聲尖峰，例如， 在才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器中由遺漏碼產(chǎn)生的諧波。同樣期望最小化系統(tǒng)對來自這些源 的干擾的靈敏度。
一種用于減少由這三種干擾源產(chǎn)生的噪聲的已知技術(shù)是使用在一頻 率下調(diào)制的載波來驅(qū)動傳感器的光源，且所述頻率不是環(huán)境光、電射頻信 號或光電體積描記器系統(tǒng)噪聲中的已有頻率或主頻率。這可使用方波，通 過它的啟動和停止，來調(diào)制傳感器的光源而完成。檢測到的信號隨后被帶 通濾波，以衰減感興趣的頻率范圍之外的千擾。隨后的解調(diào)會恢復(fù)體積描 記圖。
一般說來，任何周期信號都可用來調(diào)制光源，例如正弦波。
盡管在現(xiàn)有技術(shù)中存在調(diào)制光的光電體積描記術(shù)，但在該方法怎樣被 應(yīng)用，特別是在用于衰減噪聲或去除噪聲以及解調(diào)的適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)
(signal conditioning )電路方面，還是有嚴格的限制。舉例來說，EP0335357、 EP0314324、 WO0144780和W09846125公開了調(diào)制光的光電體積描記術(shù)。 然而，它們使用的解調(diào)方法和裝置要求調(diào)制和解調(diào)載波相位同步。同步定 時中的誤差會將噪聲增加到解調(diào)信號中(定時抖動或相位噪聲)?，F(xiàn)有技 術(shù)還不能充分利用帶通濾波器的特性去除環(huán)境千擾光，而是仍然依靠分離 的通道來測量環(huán)境光，而后將之從信號減去，而這進一步增加了復(fù)雜性， 并認為在衰減干擾方面效率較低。這些限制降低了對來自源的寬帶噪聲和 窄帶噪聲的抗干擾性，例如熒光照明燈、計算機顯示器、日光、白熾燈、 電RF干擾、熱噪聲、閃爍噪聲以及散粒噪聲。
現(xiàn)有技術(shù)中的另 一個限制是用于反射模式傳感器的波長的選擇。反射 模式和透射模式的傳感器使用的光源都在光語的紅及/或紅外部分，波長一 般在600nm到1000nm之間。然而，因為紅色以及紅外波長的光不易被血 液吸收，所以紅/紅外反射傳感器不能很好的工作。這導(dǎo)致反射信號的低調(diào) 制(low modulation),并因此導(dǎo)致AC分量4艮小。因此，與透射探測裝置 相比，紅/紅外反射探測裝置給出的結(jié)果較差。在WeijaCui等人的"/ Mw Wey7ectowce o/脅O(i Zl^sw as a Fwwc/7ow o/丄/加胎ve/ewgt/T (IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Volume 37, No 6, June 1996 ) — 文中已表明，如果反射模式傳感器使用波長在500nm到600nm之間的光(綠光)，則可記錄較大的體積描記圖AC分量振幅。
在WO 9822018A1中描述了 一種連續(xù)的非調(diào)制綠光光電體積描記器。 然而，此發(fā)明的目的是反射式脈搏血氧測定法(reflectance pulse oximetry )， 而專利沒有闡明制造適合于測量體積描記圖AC和DC分量的可靠的光電 體積描記器的必要步驟。這樣的綠光傳感器對可靠地檢測AC分量將是必 要的，例如心率，甚至極小且未被此系統(tǒng)檢測到的呼吸信號。
在Benten等人的 '7她grafed ，c/2ra"ows脫e/ver c/w""e/ /or o/ ,/ca/ /w^rwmewto"ow a/^/z'c<2do/ ，，( Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering, Volume 3100, 75-88， 1997) —文中，描述了一種 調(diào)制光的反射式光電體積描記器，其使用開關(guān)型乘法器在+1和_ 1之間系 統(tǒng)地改變信號路徑的增益。這等效于使調(diào)制信號與方波混頻，來恢復(fù)體積 描記圖。然而，與前述的其他現(xiàn)有技術(shù)類似，此方法需要調(diào)制載波和解調(diào) 的本機振蕩器信號同相。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的體積描記器。
根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了一種光電體積描記設(shè)備，其包括
光源，其用于照射目標(biāo)物體；
調(diào)制器，其用于驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制
信號的函數(shù)而變化；
檢測器，其用于接收來自目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接收到的光的強 度的函數(shù)的電輸出；
解調(diào)器，其用于接收;^全測器輸出，所述解調(diào)器具有本機振蕩器并產(chǎn)生 表示調(diào)制信號及其任何邊帶的解調(diào)輸出，其中所述解調(diào)器對調(diào)制信號和解 調(diào)器的振蕩器之間的任何相差都不敏感；以及
用于根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函數(shù)的 血容量及/或血液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生體積描記圖的方法，其包括步驟
使用光源照射目標(biāo)物體；
使用調(diào)制器驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號 的函數(shù)而變化；
使用檢測器接收來自目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接收到的光的強度的 函數(shù)的電輸出；
在解調(diào)器中接收檢測器輸出，所述解調(diào)器具有本機振蕩器并產(chǎn)生表示 調(diào)制信號及其任何邊帶的解調(diào)輸出，其中所述解調(diào)器對調(diào)制信號和解調(diào)器 的振蕩器之間的任何相差都不敏感；以及
根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生信號，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/ 或血液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種光電體積描記設(shè)備，其包括 一個或更多個光源，每一個光源都用于照射目標(biāo)物體的一部分；
一個或更多個調(diào)制器，其用于驅(qū)動光源，以使得每一個光源的輸出強
度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；
一個或更多個^r測器，其用于接收來自目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接 收到的光的強度的函數(shù)的一個或多個電輸出；
多個解調(diào)器，每一個解調(diào)器都用于接收電輸出中的一個或多個電輸 出，并產(chǎn)生表示^^皮調(diào)制光源中的一個^f皮調(diào)制光源的調(diào)制信號及其任何邊帶 的解調(diào)輸出，以由此產(chǎn)生對應(yīng)于多個光源及/或多個檢測器的多個解調(diào)輸 出；以及
用于對于每一個解調(diào)器輸出根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生體積描記圖信號的裝 置，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生體積描記圖的方法，其包括 步驟
使用一個或更多個光源照射目標(biāo)物體的一部分； 使用一個或更多個調(diào)制器驅(qū)動光源，以使得每一個光源的輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；
使用一個或更多個檢測器接收來自目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生一個或更多
個作為接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出；
使用多個解調(diào)器接收電輸出中的一個或多個電輸出，每一個解調(diào)器都 產(chǎn)生表示被調(diào)制光源中的 一個被調(diào)制光源的調(diào)制信號及其任何邊帶的解 調(diào)輸出，以由此產(chǎn)生對應(yīng)于多個光源的多個解調(diào)輸出；以及
對于像素陣列的每一個解調(diào)器輸出，根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生體積描記圖信 號，所述體積描記圖信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種用于非接觸式使用(non-contact use)的光電體積描記設(shè)備，其包括
光源，其用于通過第一偏振濾光片照射目標(biāo)物體；
調(diào)制器，其用于驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制 信號的函數(shù)而變化；
檢測器，其用于通過第二偏振濾光片接收來自目標(biāo)物體的光，第二偏 振濾光片具有與第一偏振濾光片不同的偏振態(tài)，所述檢測器適于產(chǎn)生作為 接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出；
解調(diào)器，其用于接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示調(diào)制信號及其任何邊帶 的解調(diào)輸出；以及
用于根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函數(shù)的 血容量及/或血液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生光電體積描記圖的方法，其 包括步驟
使用光源通過第一偏振濾光片照射目標(biāo)物體；
使用調(diào)制器驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號 的函數(shù)而變化；
使用檢測器通過第二偏振濾光片接收來自目標(biāo)物體的光，第二偏振濾 光片具有與第一偏振濾光片不同的偏振態(tài)，所述檢測器產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出；
使用解調(diào)器接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示調(diào)制信號及其任何邊帶的解
調(diào)輸出；以及
根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生信號，該信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血
液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種用于非接觸式使用的光電體積描
記設(shè)備，其包括
光源，其用于使用波長小于600nm的光輻射照射目標(biāo)物體；
調(diào)制器，其用于驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制 信號的函數(shù)而變化；
檢測器，其用于接收來自目標(biāo)物體的光并適于產(chǎn)生作為接收到的光的 強度的函數(shù)的電輸出，光源與檢測器布置成在基底(substrate)上橫向地 相互鄰近，以使得它們的有效表面(active surface)可實質(zhì)上朝向目標(biāo)體 的表面上的相同位置；
解調(diào)器，其用于接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示調(diào)制信號及其任何邊帶 的解調(diào)輸出；以及
用于根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函數(shù)的 血容量及/或血液成分。
根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生光電體積描記圖的方法，其 包括步驟
使用來自光源的波長小于600nm的光輻射照射目標(biāo)物體；
使用調(diào)制器驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號 的函數(shù)而變化；
使用檢測器接收來自目標(biāo)物體的光，以產(chǎn)生作為接收到的光的強度的 函數(shù)的電輸出，光源與檢測器布置成在基底上橫向地相互鄰近以使得它們 的有效表面可實質(zhì)上朝向目標(biāo)體的表面上的相同位置；
使用解調(diào)器接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示調(diào)制信號及其任何邊帶的解調(diào)輸出；以及
根據(jù)解調(diào)輸出產(chǎn)生信號，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/ 或血液成分。
本發(fā)明提供了一種調(diào)制光的光電體積描記設(shè)備。在選定的實施方式
中，所述設(shè)備結(jié)合調(diào)制光、帶通濾波以及IQ解調(diào)的特征，給出灌注組織 (perfuse tissue )的體積描記圖。當(dāng)所述設(shè)備用在反射模式中時，使用在光 譜的藍及/或綠部分的光，所述光給出較大的脈動信號(pulsatile signal)以 及提高的信噪比。
當(dāng)光電體積描記設(shè)備在透射模式中使用時，本發(fā)明的選定的實施方式 通過降低噪聲來提供改進的可靠性。另外，當(dāng)光電體積描記設(shè)備在反射才莫 式中使用時，選擇在光語的藍;SJ或綠部分(即波長在400nm到600nm之 間的)的光，通過降低噪聲和增加AC分量信號振幅，提供改進的可靠性。
選定的實施方式可應(yīng)用到不同的光電體積描記術(shù)4支術(shù)，包括單波長光 電體積描記術(shù)、多波長光電體積描記術(shù)、像素陣列光電體積描記術(shù)以及非 接觸式光電體積描記術(shù)。
現(xiàn)將以舉例的方式且參考附圖描述本發(fā)明的實施方式，附圖中


圖1是單波長光電體積描記設(shè)備的原理框圖2是適合在圖1的光電體積描記設(shè)備中使用的解調(diào)器的原理框圖3是多波長光電體積描記設(shè)備的原理框圖4是像素陣列光電體積描記設(shè)備的示意性的平面圖5a是具有偏振濾光片的非接觸式光電體積描記設(shè)備的示意性側(cè)視
圖5b是用于圖7的反射模式光電體積描記設(shè)備的偏振濾光片的平面
圖6是單波長光電體積描記設(shè)備的原理框圖7是反射模式光電體積描記設(shè)備的示意性的平面圖、側(cè)視圖以及端 視17圖8是適合在這里描述的光電體積描記設(shè)備中使用的跨阻放大器的電
路圖9是適合在這里描述的光電體積描記設(shè)備中使用的帶通濾波器電路 的電路圖10是適合在這里描述的光電體積描記設(shè)備中使用的光源驅(qū)動器電 i咯的電if各圖11是示出適合在這里描述的光電體積描記設(shè)備中使用的解調(diào)算法 的過程流程圖12是適合在這里描述的光電體積描記設(shè)備中使用的光源亮度控制 回路的原理框圖13a是顯示光電體積描記設(shè)備的組合的AC和DC輸出的光電體積 描記圖13b是顯示圖13a的放大的AC分量的光電體積描記圖； 圖14a是顯示組合的脈動和呼吸信號的光電體積描記圖； 圖14b是只顯示圖14a的呼吸信號的光電體積描記圖； 圖15a是只顯示呼吸信號的光電體積描記圖15b是通過口腔熱敏電阻器(oral thermistor)測量的對應(yīng)的呼吸信
號；
圖16是使用波長510nm的綠光源記錄的光電體積描記圖17是使用波長644nm的紅光源記錄的光電體積描記圖18是適合在圖1的光電體積描記設(shè)備中使用的可替換的解調(diào)器的 原理框圖19是適合在圖1的光電體積描記設(shè)備中使用的可替換的解調(diào)器的 原理框圖20是適合在圖1的光電體積描記設(shè)備中使用的可替換的解調(diào)器的 原理框圖。
18單波長光電體積描記設(shè)備
參考圖1，光電體積描記設(shè)備100包括驅(qū)動器電路101，所述驅(qū)動器 電路被耦合以使用調(diào)制的驅(qū)動信號向光源102提供能量，以使得光源的輸 出強度作為具有特定的調(diào)制頻率(fm)和調(diào)制振幅的調(diào)制信號(Ml(t)) 的函數(shù)而變化。因此，驅(qū)動光源的波形是調(diào)制載波，以其頻率和振幅為特 征。
光源102配置成照射目標(biāo)物體103，例如人體或動物體的組織區(qū)域。 光源102優(yōu)選地包括一個或多個發(fā)光裝置，每一個發(fā)光裝置具有給定的波 長或波長范圍。
光電檢測器104配置成在光與目標(biāo)物體103相互作用后，接收來自目 標(biāo)物體103的光。決定于光源102、目標(biāo)物體103和光電檢測器104的相 對位置，此接收到的光可以是穿過目標(biāo)物體透射的一個或多個光、從目標(biāo) 物體表面反射的光以及從目標(biāo)物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)或流體散射A/或反射的光。光 電檢測器將產(chǎn)生電流，該電流是入射到其有效區(qū)域的光量的函數(shù)，例如與 入射到其有效區(qū)域的光量成比例。
可提供檢測器105，以將來自光電檢測器104的電流轉(zhuǎn)換成與電流成 比例的電壓。檢測器105可包含放大器(未顯示)。該放大器的增益可在 大于調(diào)制頻率的頻率處滾降(rollo任)。通過精心的設(shè)計，檢測器105和放 大器可以最小化耦合到它們的帶通濾波器106的輸入端的噪聲。廣義上來 講，可通過任何能夠接收來自目標(biāo)物體的光并產(chǎn)生成接收到的光的強度的 函數(shù)的電輸出的檢測器，來提供光電檢測器104和檢測器105的功能。
可提供帶通濾波器106，用于衰減感興趣的帶寬之外的信號。優(yōu)選濾 波器帶寬以調(diào)制頻率fm為中心，且足夠?qū)捯允褂审w積描記圖調(diào)幅引起的調(diào) 制載波和邊帶通過，而足夠窄以衰減千擾與噪聲的頻率分量。為減少噪聲， 帶通濾波器106的帶寬應(yīng)盡量窄。帶通濾波器106的帶寬只需要足夠使體 積描記圖的上下邊帶通過就可， 一般為但不限于50Hz。帶通濾波器106可 包含放大器(未顯示)以提供附加的增益。帶通濾波器106和放大器優(yōu)選
19地設(shè)計成最小化下一級即解調(diào)器107的輸入端的噪聲。應(yīng)認識到，不必總
是提供帶通濾波器106，但如果使用帶通濾波器，可能導(dǎo)致信噪比(SNR) 增力口。
在圖2中詳細顯示了解調(diào)器107的優(yōu)選的設(shè)置。解調(diào)器107適于解調(diào) 帶通濾波器106的輸出，并因此根據(jù)從目標(biāo)物體接收到的檢測光，恢復(fù)體 積描記圖。優(yōu)選的解調(diào)器107使用 一種對調(diào)制載波與解調(diào)載波之間的相差 不敏感的方法。換句話說，如在后面將要闡明的，解調(diào)器對調(diào)制信號和解 調(diào)器中的振蕩器之間的任何相差都不敏感。因此，沒有必要在調(diào)制和解調(diào) 過程之間保持預(yù)定的相位關(guān)系。
解調(diào)器107可包括用于將調(diào)制信號Ml(t)分離(split)到兩個通道的多 路轉(zhuǎn)換器210。第一通道處理第一調(diào)制輸入信號Ml(t)a，而第二通道處理 第二調(diào)制輸入信號Ml(t)b。第一調(diào)制輸入信號Ml(t)a與第一解調(diào)器本機 振蕩器(LO)信號204的輸出Dl(t)—起，被提供為第一乘法器201的輸 入。本機振蕩器信號204的頻率優(yōu)選為實質(zhì)上等于調(diào)制信號的頻率，并因 此等于輸入信號Ml(t)的調(diào)制載波頻率。Ml(t)a與第一LO信號204乘法 運算的結(jié)果是I ("同相")信號。在第二通道中，使用乘法器206，第二 調(diào)制輸入信號與第二解調(diào)器本機振蕩器(LO)信號相乘，所述的第二解調(diào) 器本機振蕩器(LO )信號同樣具有優(yōu)選為實質(zhì)上等于調(diào)制信號頻率的頻率。 然而，使用移相器205,使第二解調(diào)器LO信號相對于第一解調(diào)器LO信號 相移。第一解調(diào)器LO和第二解調(diào)器LO之間的相差優(yōu)選為90度。Ml(t)b 與第二解調(diào)器LO信號乘法運算的結(jié)果是Q ("正交相位")信號。應(yīng)該理 解，本機振蕩器盡管顯示為產(chǎn)生正弦波輸出，但也可以產(chǎn)生所需頻率的其 他波形。
分離的I信號和Q信號優(yōu)選為分別在濾波器元件202和207中單獨地 低通濾波，以去除不需要的諧波和乘法運算過程的積。可選擇地，可分別 在抽取器203和208中抽取生成的信號，以減少采樣率。此抽取過程的結(jié) 果是I'信號和Q'信號。
I'信號和Q'信號可在混頻器209中反多路轉(zhuǎn)換(demultiplex)成一個信 號，以提供解調(diào)的體積描記圖Sl(t)。反多路轉(zhuǎn)換過程可包括確定I'信號和Q'信號的平方的和的平方根的算法或電路。
在提供的解調(diào)器仍對調(diào)制信號和解調(diào)器中的振蕩器之間的任何相差
都不敏感的情況下，可修改圖2的解調(diào)器設(shè)置。圖18到20顯示了可替換 的配置，每一個配置都提供兩個通道，其中在第一通道中，將檢測器輸出 和與檢測器輸出具有第一相位關(guān)系的本機振蕩器混頻，而在第二通道中， 將檢測器輸出和與檢測器輸出具有第二相位關(guān)系的本機振蕩器混頻。如在 圖2中，第一和第二相位的關(guān)系優(yōu)選為具有90度的相差。
通過觀察附圖可以看到，這能夠采用以下方式實現(xiàn)通過使用公共的 本機振蕩器204、 1804、 1904、 2004，向具有不同的相對相移元件205、 1905a、 1905b、 2005 (圖2、 19和20)的兩個通道提供輸入，或通過使用 公共的本機振蕩器，但在一個或兩個通道中提供有相位延遲元件1805 (圖 18)，以延遲信號Ml(t)a和Ml(t)b中的一個或兩個信號，并由此在其間產(chǎn) 生相對相移。圖20也示出了由元件202、 207 (或1802、 1807、 1902、 1907 )進行的濾波，可以可替換地在混頻器209、 1809、 1909、 2009之后 由濾波器2002進行。類似地，也可以在混頻器209、 1809、 1909、 2009 之后進4于抽耳又。
可提供一種檢測和衰減諧波相關(guān)的窄帶噪聲的裝置。此裝置可以是有 適應(yīng)性的，以使得干擾特性的變化可纟皮檢測到，且濾波(或者其他抑制手 段)適應(yīng)于保持信噪比。
可提供一種閉環(huán)控制裝置，以使光源102保持在足夠檢測體積描記圖 的亮度。在圖12中顯示了這種控制回路1200的原理框圖。對于與圖l中 所顯示的元件類似的元件，給出了對應(yīng)的參考數(shù)字。檢測到的、經(jīng)過帶通 濾波的調(diào)制載波D-BPF-Ml(t)的振幅，可被測量并通過反饋路徑中的信號 調(diào)節(jié)電路1201處理，隨后與比較器1202中的參考值或值的范圍比較。接 著誤差信號可產(chǎn)生，并且可通過前向路徑中的信號調(diào)節(jié)電路或算法1203 處理。通過使用此技術(shù)，由驅(qū)動器電路產(chǎn)生的波形的幅度可^^史調(diào)整，以保 證檢測到的載波幅度落在給定的范圍內(nèi)，或接近參考值。舉例來說，這將 保證如果從目標(biāo)物體接收了過多的光，則檢測器不會飽和，或者如果從目 標(biāo)物體103接收了太少的光，也不會檢測不到體積描記圖。因此，從廣義的方面來說，反饋控制回路1200提供了一種裝置的實例，該裝置用于使
光源102的輸出強度保持為檢測器輸出的函數(shù)，并保持在足夠維持根據(jù)解 調(diào)輸出Sl(t)檢測體積描記圖的水平。
多波長光電體積描記術(shù)
圖3示出了光電體積描記設(shè)備300，該裝置包括兩個或更多的光源 302、 304,用于將兩個或更多的不同波長下的光發(fā)射到目標(biāo)物體(例如， 試驗中的組織)。光檢測器306適于檢測從目標(biāo)物體接收到的光，例如當(dāng) 光電體積描記設(shè)備處于透射模式中時，透過目標(biāo)物體透射的光，或當(dāng)光電 體積描記設(shè)備在反射模式中使用時，從目標(biāo)物體反射的光。分別提供驅(qū)動 器電路301、 303，以使用被調(diào)制的驅(qū)動信號Ml(t)和M2(t)向每一個光源 302、 304提供能量，驅(qū)動信號Ml(t)和M2(t)具有選定的頻率和振幅下的調(diào) 制。雖然只示出了兩個驅(qū)動器和光源，但應(yīng)該理解， 一般可以使用多個驅(qū) 動器和光源。每一個光源可由一個或多個在單波長、給定波長或波長范圍 內(nèi)發(fā)射光的光發(fā)射器組成。每一個光源的波形的頻率可與用來向其他光源 提供能量的波形的頻率不同。此波形是調(diào)制的載波，并以其頻率和振幅為 特征。各個光源可以可選擇地具有分離的相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器電路。每一個光 源可以可選擇地具有不同的波長。
提供光電檢測器306，以在光與目標(biāo)物體305 (例如人體或動物體的 組織)相互作用后檢測光。光電檢測器306將產(chǎn)生與入射到其有效區(qū)域的 光量成比例的電 流。
可提供檢測器307 ,以將來自光電檢測器306的電流轉(zhuǎn)換成與電流成 比例的電壓。檢測器307可包含放大器(未顯示)。該;坎大器的增益可在 大于最高調(diào)制頻率的頻率處滾降。通過精心的設(shè)計，檢測器和放大器可以 最小化帶通濾波器308的輸入端的噪聲，并因此最大化信噪比。
可提供帶通濾波器308,用于衰減感興趣的帶寬之外的信號。優(yōu)選濾 波器帶寬，以使得濾波器的低滾降低于最低調(diào)制載波頻率而濾波器的高滾 降高于最高調(diào)制載波頻率。在最高和最低調(diào)制載波頻率以及最高和最低濾波器滾降之間的帶寬，應(yīng)該足夠?qū)捯允沟糜审w積描記圖調(diào)幅引起的調(diào)制載 波和邊帶通過，但應(yīng)足夠窄以衰減干擾與噪聲的頻率分量。為減少噪聲， 濾波器的帶寬應(yīng)盡量窄。濾波器的帶寬只需要具有足夠的范圍，使最高調(diào) 制載波的上邊帶和最低調(diào)制載波的下邊帶通過。 一般高于最高調(diào)制載波頻
率25Hz到低于最低調(diào)制載波頻率25Hz的范圍是適當(dāng)?shù)?。帶通濾波器可包 含提供附加的增益的放大器(未顯示)。帶通濾波器和放大器優(yōu)選地設(shè)計 成最小化下一級的輸入端的噪聲?？砂V波器，例如梳狀濾波器或滑動 平均濾波器，以提供在基頻的倍數(shù)頻率下具有衰減至零或大幅衰減的頻率 響應(yīng)。這些濾波器可被設(shè)計為衰減干擾源的基波和諧波。
提供多個解調(diào)器309和310，用于解調(diào)帶通濾波器的輸出，以恢復(fù)每
一個調(diào)制載波頻率下或每一個光波長下的體積描記圖。優(yōu)選地，解調(diào)器使 用對每一個調(diào)制載波和解調(diào)本機振蕩器之間的相差不敏感的解調(diào)的方法，
例如結(jié)合圖2描述的方法。因此，如前所述的，沒有必要在調(diào)制和解調(diào)過
程之間保持預(yù)定的相位關(guān)系。
在此情況下，每一個解調(diào)器將具有本機振蕩器Dl(t)和D2(t)，本機振 蕩器Dl(t)和D2(t)優(yōu)選地具有分別與對應(yīng)的調(diào)制載波Ml(t)和M2(t)相同的 頻率。
此多波長光電體積描記設(shè)備的輸出是多個體積描記圖Sl(t)和S2(t)。 每一個體積描記圖是用來測試組織的光的給定波長下的體積描記圖。應(yīng)該
理解，盡管已經(jīng)以一個波長由光源302提供而另一個波長由光源303提供 的兩個波長的實例描述了多波長光電體積描記器，但可修改本發(fā)明以通過 增加附加的驅(qū)動器、光源和解調(diào)器來^f吏用兩個以上的波長。這些調(diào)制的多 個波長不僅允許選擇光波長來獲得對于脈搏率和呼吸率的檢測來說最優(yōu) 的SNR,還允許進行比率測量以確定血液成分。因此，在廣義的方面，光 電體積描記設(shè)備可提供一種裝置，所述的裝置用于從解調(diào)輸出Sl(t)、 S2(t) 中自動選擇一個輸出，且該輸出對于待從體積描記圖提取的數(shù)據(jù)來說提供 了最佳SNR。
如上面結(jié)合圖12所述，也可用閉環(huán)控制來使每一個光源保持在給定 的亮度?？墒褂霉怆姍z測器、檢測器、帶通濾波器以及解調(diào)器的組合，來形成 多像素光電體積描記器成像設(shè)備的 一 個像素。這樣的陣列可制造為微芯 片，在該微芯片上進行像素和模擬或數(shù)字信號處理。
圖4顯示了一個小型(4x4)像素陣列光電體積描記設(shè)備400的示意 性平面圖，所述設(shè)備400包括16個像素401。應(yīng)該理解，如有需要，陣列 可遠大于該設(shè)備的陣列。
每一個像素401優(yōu)選地包括光電檢測器、檢測器電路、帶通濾波器以 及解調(diào)器。這樣的設(shè)備提供16個同時的(并行的)體積描記圖，通過來 自組織的光照射陣列中每一個像素而檢測到。陣列不一定是方形的。例如， 陣列可包括4 x 16個像素，或1 x 256個像素等。每一個像素可響應(yīng)于來 自用公共調(diào)制頻率調(diào)制的公共光源的光?？商鎿Q地，每一個像素可與各個 獨立驅(qū)動的光源相對應(yīng)，這使得可針對每一個像素使用不同的調(diào)制頻率。 可替換地，每一個像素可與相應(yīng)的光源相對應(yīng)，而所有光源都使用公共的 調(diào)制信號驅(qū)動。
通過使用前述處理的幾個并行通道，檢測器的陣列開啟了信號處理的 全新方面。像素陣列使得能夠形成來自目標(biāo)物體的血液參數(shù)(例如脈搏率、 呼吸率以及血液成分)的空間映射?？刹⑿刑幚矶嗤ǖ溃纱嗽试S使用仲 裁機制(arbitration scheme)來選定最優(yōu)的SNR。另外，可通過例如獨立 分量分析、主分量分析或盲源分離來處理多通道，以在基波信號被淹沒在 噪聲或其他千擾信號中時，提取出基波信號。由此有可能在使用多于一個 的波長時，產(chǎn)生穩(wěn)健的脈搏率和呼吸率測量結(jié)果以及空間血液成分測量結(jié) 果。也可使用獨立分量分析等來減少移動偽像。移動偽像通常對于光電體 積描記器系統(tǒng)來說是一個嚴重的問題Smith和Hayes已經(jīng)描述了移動偽 j象的問題以及減少移動偽像的其他方法(Matthew J. Hayes and Peter R. Smith,n ^c"o/7 / /2o啤/"一腳grap///，. Applied Optics, Vol. 37, No. 31, November 1998 )。
24在模擬域或數(shù)字域中在芯片上或芯片外實現(xiàn)的信號處理裝置根據(jù)每 一個像素分析體積描記圖，該信號處理裝置可被實現(xiàn)以提取出呼吸率、脈 搏率、血液成分等。
一般說來，可對每一個像素進行預(yù)處理和后處理，由
此允許使用全場的(fullfield)、空間信號處理算法。
非接觸式光電體積描記術(shù)
上面描述的單波長光電體積描記設(shè)備、多波長光電體積描記設(shè)備以及 像素陣列光電體積描記設(shè)備中，每一種設(shè)備都可在非接觸式反射模式中使 用。
在光電體積描記術(shù)中，光電^r測器104與目標(biāo)物體"l妻觸，例如與組織 表面接觸。大部分來自源102的光由組織表面反射，但由于光電檢測器104 與組織接觸，此表面反射的光不被4企測到。小部分光穿過組織并與組織相 互作用，且隨后入射到光電檢測器，這小部分光在光電檢測器中被檢測、 放大并處理，從而產(chǎn)生體積描記圖信號。
在非接觸式光電體積描記術(shù)中，光電檢測器104不與組織接觸。這導(dǎo) 致檢測到較大部分的在組織表面反射的光以及穿過組織的光。此刻檢測到 的信號包括由反射光引起的非常大的DC偏移，其上疊加了小得多的體積 描記圖信號。從組織表面反射的光沒有與血液相互作用，因而不包括對體 積描記圖有用的信息。
應(yīng)認識到，由組織表面反射引起的DC偏移將減小光電體積描記器的 動態(tài)范圍。因此，在使用非接觸式光電體積描記器時，濾掉反射光是有益 的。此過程可使用偏振濾光片來完成。
偏振濾光片使沿給定軸偏振的光選擇性地偏振或濾波。此偏光性 (polarity)在光祐反射時保留，但在光祐_散射時喪失。如果入射在組織上 的光被偏振化，在表面反射的光保留此偏光性，且所述在表面反射的光可 通過定位成其偏光性與入射光的偏光性成90度角的濾光片被衰減。然而，
，并因此通過水
25參考圖5，第一偏振濾光片504使來自調(diào)制光源501的光沿著給定的 偏振軸Pl偏振。偏振光朝向目標(biāo)物體503， 乂人目標(biāo)物體503上， 一部分光 乂人表面一皮反射，而一部分光從目標(biāo)物體內(nèi)#皮散射。
第二偏振濾光片505設(shè)置在從目標(biāo)物體接收光的檢測器502的前方。 第二偏振濾光片具有偏振軸P2，并衰減入射到光電檢測器的偏振光。當(dāng)?shù)?二偏振濾光片505的偏振軸P2與偏振光的軸成90度角(正交)時，衰減 程度最大。因此，優(yōu)選地設(shè)置第一和第二偏振濾光片504、 505， 以使得 它們各自的偏振軸P1、 P2相互正交。這樣，保留其偏振性的、從表面反 射的光相當(dāng)大地或完全地被衰減，而從目標(biāo)物體內(nèi)的媒介散射且喪失了偏 振態(tài)的光的衰減明顯減少。
上面描述的裝置可顯著衰減由環(huán)境光源(例如由熒光燈、計算機顯示 器以及白熾燈泡產(chǎn)生的環(huán)境光源)造成的窄帶千擾、電磁干擾以及光電體 積描記術(shù)的設(shè)備和方法固有的噪聲尖峰，例如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的諧 波?？蛇x擇調(diào)制頻率和解調(diào)頻率以避免這些干擾的諧波，以及結(jié)合濾波來 衰減該裝置固有的寬帶噪聲，包括白噪聲、閃爍噪聲以及散粒噪聲。
在圖2的設(shè)置中，不必要知道或保持調(diào)制載波與解調(diào)本機振蕩器之間 的相位關(guān)系，原因是解調(diào)過程對兩者之間的相差不敏感。因此，不必要校 準或考慮由信號調(diào)節(jié)電路或組織中的光傳播引起的檢測信號中的任何恒 定的相位延遲。
還應(yīng)認識到，可以不同的形式體現(xiàn):汰術(shù)特征。例如，在適當(dāng)?shù)那闆r下， 驅(qū)動器電路、光源、光電檢測器、檢測器、帶通濾波器以及解調(diào)過程，可 被實現(xiàn)為數(shù)字信號處理算法、定制的模擬集成電路、離散的模擬電子組件， 或被實現(xiàn)為模擬信號處理功能和數(shù)字信號處理功能的組合。
進一步的修改將是對檢測器電路的輸出進行采樣，以及在數(shù)字信號 處理器或微處理器上，將帶通濾波器、解調(diào)器以及信號處理作為部分信號 處理算法來實現(xiàn)。
進一步的修改將是在微芯片上，將光電檢測器、檢測器、帶通濾波 器、解調(diào)器以及信號處理器作為VLSI混合信號設(shè)計來實現(xiàn)。變量(Variant)和噪聲管理
可使用這些特征的每一個特征的所有的或一些的組合，來制造期望的 系統(tǒng)，以使得信號能夠與噪聲分離。然而，應(yīng)該在光源的傳遞和接收的光 信號的收集方面進行精心設(shè)計。例如，在總的光電流中檢測到的光電體積 描記圖電流量相當(dāng)小，而因此設(shè)計得不好的前端可能產(chǎn)生失真的信號或噪 聲中被淹沒的信號。應(yīng)通過被屏蔽且不與接收光電二極管線路(receiving photodiode connection)并排布置的電纜，向光源傳遞脈沖電壓。如果此情 況發(fā)生，則在光電檢測器中可引起等于I = CdV/dt的位移電流。
取決于光源功率的大小，檢測器尺寸以及電壓變化率將建立所允許的 耦合電容的最大值。保證引入的位移電流限制在一般不大于檢測電流的 1%,是有益的設(shè)計原則。
其他的設(shè)計標(biāo)準可如下所示
a) 輸入偏置電流應(yīng)小于沖全測到的DC光級(light level)的~1 % 。
b) 電壓和電流噪聲應(yīng)小于由檢測到的DC光級設(shè)定的散粒噪聲。
c) 應(yīng)選擇跨阻放大器，以使其1//拐角頻率小于調(diào)制載波頻率。
d) 可轉(zhuǎn)換(slew)載波上升和下降時間以減少耦合；
e) 可遵守有益的PCB設(shè)計原則，以避免信號從高功率噪聲分量耦合 到敏感的傳感器前端，特別是跨阻放大器?？墒褂枚鄬覲CB,使電源和接 地回路盡量短，并因此最小化地彈(ground bounce )以及其他形式的噪聲 耦合。多層PCB設(shè)計可用于反射探測裝置，以減少位移電流從光源電壓脈 沖到接收光電二極管線路的耦合。
接下來是一個示例性結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)該注意到，這不是唯一的結(jié)構(gòu)， 因為這些特征中的一些或所有的特征的組合可產(chǎn)生有益的設(shè)計。
實施例
圖6是示出優(yōu)選的光電體積描記設(shè)備600的結(jié)構(gòu)的原理框圖，該設(shè)備600包括驅(qū)動器電路601，驅(qū)動器電路601用于以調(diào)制的載波信號驅(qū)動光 源602,以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化。光 源照射目標(biāo)物體603，而從目標(biāo)物體返回的光由光電檢測器604接收，以 產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的電信號。檢測器605將光電檢測器604 的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓信號。該電壓信號由帶通濾波器606濾波，并在模 數(shù)轉(zhuǎn)換器607中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。解調(diào)器608 (可以是結(jié)合圖2描述的類 型)具有本機振蕩器信號Dl(t),該信號優(yōu)選為與驅(qū)動器電路601的調(diào)制信 號Ml(t)的頻率實質(zhì)相同。使用塊平均濾波器(block average filter) 609產(chǎn) 生輸出體積描記圖Sl①。
圖7示出了反射探測裝置700,其提供用于圖6的設(shè)備的光源和光電 檢測器。反射探測裝置700包括四個發(fā)光裝置702,用于發(fā)射單波長的調(diào) 制光信號以便照射測試中的組織。光電二極管704,可以是檢測器的陣列， 具有給定的有效區(qū)域703,該區(qū)域703用來4全測從測試中的組織反射回的 光。在圖5b中示出了合適的偏振濾光片元件510，其包含交叉的第一和第 二偏振濾光片元件511和512。當(dāng)探測裝置在非接觸式^^莫式中使用時，此 元件510放置在發(fā)光裝置702和光電二極管704的上部。從廣義的方面來 說，此設(shè)置提供的光源和檢測器的有效表面實質(zhì)上朝向目標(biāo)體的表面上的 相同位置。
發(fā)光裝置優(yōu)選為具有400nm到600nm之間的峰值光譜響應(yīng)的發(fā)光二 極管(LED)。 一般說來，基于研究中的組織的光學(xué)特性選定波長。此示例 性的光電體積描記設(shè)備700特別適合于測量人體的心率和呼吸率，因此基 于人體的組織和血液的光學(xué)性質(zhì)來選定波長，人體的組織和血液的光學(xué)性 質(zhì)在400nm到600nm之間顯示強烈的吸收特性。主要在500nm到600nm 之間的吸收光譜內(nèi)進行研究。然而，在440nm處也存在強烈的吸收光譜， 且在此波長附近工作的裝置也產(chǎn)生有利的結(jié)杲。更具體地說，存在三種形 式的反射探測裝置 一種反射探測裝置的LED具有512nm的峰值光譜響 應(yīng)； 一種反射探測裝置的LED具有562nm的峰值光譜響應(yīng)； 一種反射探 測裝置的LED具有574nm的峰值光譜響應(yīng)。這些都是優(yōu)選的波長，因為 它們在市場上可得到且是經(jīng)濟的，然而如果供給和經(jīng)濟狀況允許，也可使用其他的波長。特別優(yōu)選在500rnn到600nm之間的波長范圍，這是因為 盡管信號在500nm以下可以改善，^旦光的穿透深度減少，這在一些情況下 可導(dǎo)致到達皮膚微動脈內(nèi)的脈動血的光不充足。
LED和光電二極管并排安裝在四層的印刷電路板(PCB)上。使用屏 蔽的電源和信號電纜以及多層的PCB設(shè)計，改善了對噪聲拾取和電學(xué)串?dāng)_ 的抗擾性。光電二極管封裝件的高度優(yōu)選為大于LED的高度，以減少光在 有效區(qū)域上的直接耦合(光學(xué)串?dāng)_)。在LED 702和光電二極管有效區(qū)域 703之間的橫向間隔增加了光必須在組織中傳播的路徑長度，這改善了信 號。
通過來自驅(qū)動器電路601的調(diào)制載波，在給定頻率和振幅下激發(fā)光源。 驅(qū)動器電路601是使用如在圖10中所示的電流求和放大器實現(xiàn)的數(shù)模轉(zhuǎn) 換器。8位DAC輸入信號通過微型控制器產(chǎn)生，且通過電阻器1001表示 255個離散的振幅級。載波頻率由輸入信號^L計時(clocked)的速率確定。 輸出信號M(t)是給定載波頻率的方波，其振幅在0伏到運算放大器1002 的滿標(biāo)度輸出范圍之間變化。運算放大器1002的閉環(huán)電壓增益由電阻器 1003和1004的反相反饋系數(shù)(inverting feedback fraction)設(shè)定。這可被 調(diào)整以使得數(shù)字輸入255給出滿標(biāo)度的模擬輸出。
可使入射到光電二極管604的光通過衰減600nm以上波長的可見光濾 光器。濾光器可包含在光電二極管中，并設(shè)置在光電二極管的有效區(qū)域的 前方。光電二極管的峰值光語響應(yīng)優(yōu)選在500nm到600nm之間。更具體 地說，光電二極管的峰值光譜響應(yīng)可以是580nm。濾光器可滾降600nm以 上的光電二極管響應(yīng)，用于衰減來自大于此波長的光的干擾。
入射在光電二極管604上的光產(chǎn)生模擬電流。光電二極管的電流耦合 到電流電壓轉(zhuǎn)換器605,該電流電壓轉(zhuǎn)換器605可以是如圖8中示出的跨 阻放大器800?？缱璺糯笃?00優(yōu)選地設(shè)計成使其增益在調(diào)制頻率之上時 滾降。此低通濾波器響應(yīng)減少噪聲和混疊。設(shè)計放大器800，以使得反饋 電容器801盡量接近光電二極管結(jié)電容的值，這減小電壓噪聲增益。這必 須根據(jù)跨阻滾降(transimpedanceroll-off)和放大器穩(wěn)定性的要求而平衡， 放大器穩(wěn)定性受反饋電容器801和電阻器802的控制。
29盡管應(yīng)認識到，可使用Chebychev、 Butterworth以及其他的響應(yīng)，但 帶通濾波器606優(yōu)選為具有RC頻率響應(yīng)的有源Sallen-Key型。在圖9中 更詳細的顯示了示例性的濾波器900。盡管設(shè)計濾波器900使用運算放大 器906，但應(yīng)認識到，可通過其他的方法產(chǎn)生帶通濾波器頻率響應(yīng)。濾波 器900設(shè)計成具有與調(diào)制頻率盡可能接近的中心頻率，調(diào)制頻率在此實施 方式中是570Hz,并且選擇低容限元件(low tolerance component)幫助實 現(xiàn)此頻率。運算放大器的反相輸入反饋網(wǎng)絡(luò)907和908設(shè)定濾波器增益和 帶寬。此帶寬優(yōu)選地設(shè)計為給出盡量窄的帶寬，同時不使濾波器中心頻率 對元件901、 902、 903、 904以及905的容限過度敏感。濾波器的高通滾 降衰減在調(diào)制頻率以下的噪聲，而低通滾降衰減在調(diào)制頻率以上的噪聲， 還提供抗混疊(anti-alias)濾波。應(yīng)該i人識到，盡管在此實施例中帶通濾 波器響應(yīng)實現(xiàn)為單一的帶通濾波器，但其也可以通過單級或多級的分離的 高通濾波器和低通濾波器來實現(xiàn)。
帶通濾波器的輸出是表示載波調(diào)制的體積描記圖的模擬電壓。由于檢 測到的載波調(diào)制的體積描記圖已經(jīng)被帶通濾波且因此其高頻含量和低頻 含量被衰減，濾波器的輸出信號是頻率等于調(diào)制載波的基頻的正弦波。
通過解調(diào)帶通濾波的、載波調(diào)制的體積描記圖信號，恢復(fù)體積描記圖。 可使用數(shù)字信號處理來進行解調(diào)和其它信號調(diào)節(jié)。然而，對于形成雙通道 鎖定(lock-in)的每一個通道，所有這些處理都可使用諸如Gilbert cell I 和Q混頻器以及低通濾波器等電路在模擬域中實現(xiàn)。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器607 在帶通濾波器之后，用來對濾波器606的輸出端的模擬電壓采樣。應(yīng)注意 到，濾波器優(yōu)選為才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器607前的最后一級。這保證轉(zhuǎn)換器607接收 的是帶通濾波的噪聲，而不是在沒有限制頻率響應(yīng)的任何有源電路級的輸 出端存在的寬帶白噪聲和閃爍噪聲。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這將降低 在解調(diào)器608的輸出端出現(xiàn)的噪聲水平。
對于才莫數(shù)轉(zhuǎn)換和隨后的解調(diào)制，采樣率應(yīng)優(yōu)選為至少四倍于調(diào)制頻率 的多個整數(shù)倍。例如，釆樣率應(yīng)為4、 8、 12、 16等倍數(shù)的調(diào)制頻率。在 優(yōu)選的設(shè)置中，調(diào)制頻率是570Hz而采樣頻率是4560Hz:采樣頻率是調(diào) 制載波頻率的8倍(2x4)。釆樣頻率=11*4*調(diào)制頻率(其中n為整數(shù))
最小采樣頻率=4*調(diào)制頻率。
圖11顯示了在圖2的解調(diào)器中進行的示例性解調(diào)器算法的流程圖。如
前所述，解調(diào)器包括多路轉(zhuǎn)換器，用于將調(diào)制信號分離到兩個通道，以提 供第 一調(diào)制輸入信號和第二調(diào)制輸入信號。
考慮第一調(diào)制信號，其與第一解調(diào)器載波相乘。解調(diào)器本機振蕩器
(LO)是方波，方波的振幅為1，峰-峰振幅為2,并因此具有采樣值+1 和-1。方波的占空比是50%。方波的頻率等于調(diào)制載波頻率。在此實施例 中，調(diào)制頻率以及由此解調(diào)頻率都為570Hz，而釆樣率為4560Hz。因此， 解調(diào)波形包括8個采樣對應(yīng)于載波的正周期的四個+1值，以及對應(yīng)于載 波的負周期的四個-1值。因此，由采樣+1、 +1、 +1、 +1、 -1、 -1、 -1、 -l表示解調(diào)LO的一個周期，且此模式無窮地重復(fù)，以產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)字信 號。為使第一調(diào)制信號與第一解調(diào)器LO相乘并因此獲得I信號(步驟 1102)，調(diào)制信號的每一個測量值與解調(diào)器本機振蕩器信號的時間對應(yīng)值
(corresponding-in-time value )相乘用+1或—1乘以調(diào)制信號。4吏用乘以 +1和-1的乘法運算，使得處理在芯片上相對簡單，而且如果需要，這樣 的方法可容易地轉(zhuǎn)變?yōu)閱我患呻娐贰?br> 現(xiàn)考慮第二調(diào)制信號，其與第二解調(diào)器LO相乘。解調(diào)器LO是方波， 方波的振幅為1，峰-峰振幅為2,并因此具有采樣值+1和-1。方波的占 空比是50%。方波的頻率等于調(diào)制載波頻率。在此實施例中，調(diào)制頻率以 及由此解調(diào)頻率都為570Hz，而采樣率為4560Hz。因此，解調(diào)波形包括8 個采樣對應(yīng)于載波的正周期的四個+1值，以及對應(yīng)于載波的負周期的四 個-l值。然而，第二解調(diào)器載波相對于第一解調(diào)器載波相移90度。因此， 由釆樣-1、 -1、 +1、 +1、 +1、 +1、 -1、 -1表示解調(diào)載波的一個周期，且 此模式無窮地重復(fù)，以產(chǎn)生連續(xù)的解調(diào)LO。注意，這與上面給出的笫一 解調(diào)載波信號不相同，而是其90度相移的形式。為使第一調(diào)制信號與第 一解調(diào)器LO相乘并因此獲得Q信號，調(diào)制信號的每一個測量值與解調(diào)載 波信號的時間對應(yīng)值相乘(步驟1105 ):用+1或-1乘以它。
現(xiàn)在應(yīng)該認識到，在此使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字解調(diào)器的實施例中，需要在最少4倍調(diào)制頻率或4倍調(diào)制頻率的整數(shù)倍下，對帶通濾波的檢測信
號進行采樣，以使得通過將采樣的解調(diào)LO移動1/4周期而精確地實現(xiàn)90 度的相移。
分別地，I信號和Q信號每一個都被低通濾波以去除不需要的諧波和 乘法運算過程的乘積，并^皮抽取以減少采樣率。這通過計算在8個采樣長 度的塊(block)中的每一個信號的總和來進行(步驟1103和1106)。對于 每一個通道，第一個8個采樣被求和，然后是第二個8個采樣被求和等等， 無窮地進行下去。應(yīng)該理解，這等同于在一個周期上對I信號和Q信號積 分。應(yīng)認識到，這是一個平均過程，該過程給出低通濾波器頻率響應(yīng)，并 因此衰減高頻乘法器乘積。還應(yīng)認識到，這是一個平均濾波器，其給出的 頻率響應(yīng)，在載波頻率的倍數(shù)頻率處具有大量的零響應(yīng)。這提供了對調(diào)制 載波諧波的良好的衰減。最后，應(yīng)認識到，在將8個采樣求和為一個采樣 時，該過程還起到抽取級的作用。此減少的釆樣率降低了后面的信號處理 階段的計算復(fù)雜性，并減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲基底，從而提高了信噪比。
經(jīng)濾波和抽取的I信號現(xiàn)稱為I'。經(jīng)濾波和抽取的Q信號現(xiàn)稱為Q'。
最后，I'和Q'信號被反多路轉(zhuǎn)換成一個信號解調(diào)的體積描記圖。每
一個r采樣與自身相乘而得到r2 (步驟1104 )。每一個Q'釆樣與自身相乘
而得到Q'2 (步驟1107 )。每一個1'2釆樣與其對應(yīng)的Q"采樣求和而得到 I'2+Q'2(步驟1108 )。對每一個求和的采樣取平方根(I'2+Q'2 )a5(步驟1109 ) 而得到體積描記圖采樣。
在示例性的光電體積描記設(shè)備600中的末級是塊平均濾波器609。塊 平均濾波器對19個采樣的連續(xù)塊求和(步驟1110)而得到一個釆樣。這 提供了平均濾波器和抽取器的功能，而其特點被用來衰減與諧波相關(guān)的噪 聲，特別是由60Hz計算機顯示器產(chǎn)生的噪聲。此平均濾波器具有的頻率 響應(yīng)在采樣頻率的倍數(shù)頻率下，給出零響應(yīng)(大幅衰減)。初始的4560Hz 的采樣頻率被抽取1/8，然后被抽取1/19，得到最終的采樣頻率30Hz。因 此，平均濾波器響應(yīng)在30Hz的倍數(shù)頻率下給出大幅衰減。
用570Hz的載波調(diào)制光源602。這使570Hz的載波位于540Hz ( 60Hz 的9次諧波)和600Hz (60Hz的10次諧波)的中間。在解調(diào)器的輸出端，這些諧波出現(xiàn)在30Hz處(所有其他的諧波出現(xiàn)在30Hz的偶數(shù)倍頻率處)。 塊平均濾波器609是衰減此干擾的簡單的方法。這個末級濾波的輸出(步 驟llll， 1112)是體積描記圖(Sl(t))。
應(yīng)認識到，最后的采樣率以及因此末級塊平均濾波器的頻率特點，將 取決于在解調(diào)器608和塊平均濾波器609中使用的抽取器比率。因此，這 些比率可^皮調(diào)整成通過塊平均濾波器給出對不同諧波的衰減。在下面的表 1中給出了調(diào)制載波頻率、采樣率和抽取率(decimation ratio )的值的范圍。 選擇調(diào)制載波頻率、采樣率和抽取率，來衰減給定的、有問題的刷新率 (refresh rate )。
刷新率 陶刷新率 諧波 (Hz)刷新率 諧波 (Hz)調(diào)制載波 頻率 (Hz)解調(diào)后 諧波 陶采樣率 (8x載波) (Hz)抽取率
60540600570304560152
70490560525354200120
72504576540364320120
75525600562.537.54500120
85510595552.542.54420104
在圖13中可以看到典型的輸出信號。圖13a顯示了組合的AC和DC 分量。圖13b顯示了放大的AC分量。較高的頻率周期性是測量對象的脈 搏率。較低的頻率周期性是測量對象的呼吸率，而呼吸率使用熱敏電阻探 測裝置(thermistor probe )驗證。確定脈搏率的算法通?？稍谖墨I中找到， 所述算法包括峰值檢測(peakdetection)等。
應(yīng)用
這里描述的體積描記設(shè)備的優(yōu)點是可靠的反射模式傳感器可用在以 前不適合進行光電體積描記圖檢測的許多身體部位。舉例來說，前額是在 惡劣條件下監(jiān)視必須戴安全帽的職員的非常方便的位置，例如在釆礦或化
33學(xué)處理行業(yè)中工作的職員。此設(shè)備可方便地設(shè)置在安全帽的帶子中或設(shè)置
在手表下的手腕上或身體上其他這樣方便的地方。在Branche等人的
De^g /"g a附ara6/e Pw/se (9x/膨t /c^ M'似"y4/ /7//c""om*" (IEEE 30th Annual Northeast Bioengineering Conference, Springfield, MA， United States, 2004)中描述了前額傳感器以及頭部放置位置。他們的論文報導(dǎo)了軍用的 帽式安裝的前額傳感器。
另一種惡劣環(huán)境是在醫(yī)院的用于需要復(fù)蘇的新生兒的產(chǎn)房中。在前額 上放置這樣的傳感器，允許醫(yī)師在連續(xù)地聽到指示脈搏率的可聽得見的嗶 嗶聲的同時，專注于新生兒的護理。這種裝置將特別適合于健康與安全領(lǐng) 域中的其他惡劣和常規(guī)的環(huán)境。另一方面，對于安裝在衣服中以用于社會、 家庭、運動和生物的應(yīng)用的軟應(yīng)用(soft application)也是存在的。
結(jié)果
圖13、 14和15顯示了使用前面描述的示例性的光電體積描記設(shè)備的 實驗的結(jié)果。使用光電體積描記器，通過照射對象的前額，記錄體積描記 圖。因此這些曲線圖顯示了前額的體積描記圖。
圖13a顯示了體積描記圖AC和DC分量。這是可以預(yù)計到的傳統(tǒng)的 體積描記圖信號。圖13b顯示了放大的AC分量。由動脈脈搏在傳感器下 傳播引起的脈動信號清晰可見。這被疊加在周期約為10秒的另一個較低 頻率的信號上。這是由對象吸氣和呼氣時血容量的變化而引起的呼吸信 號。在此實驗中，對象以比較恒定的速率和深度呼吸，每8秒吸氣和呼氣 一次。這可在10秒到60秒之間清楚地看到。
圖14a顯示了放大的體積描記圖AC分量。圖14b顯示了經(jīng)帶通濾波 衰減了脈動信號的AC分量。光電體積描記圖呼吸信號清晰可見。
圖15證實了此低頻AC信號是光電體積描記圖呼吸信號。圖15a顯示 了光電體積描記圖呼吸信號。圖15b顯示了來自口腔熱敏電阻器的信號。 此熱敏電阻器放置在對象呼吸所通過的塑料管中。在對象呼氣時，來自肺
34部的受身體溫暖的空氣引起溫度上升。在對象吸氣時，室內(nèi)較冷的空氣通 過熱敏電阻器被吸入，傳感器記錄溫度的下降。因此呼吸率可被測量，并 與光電體積描記圖信號相關(guān)聯(lián)，以驗證光電體積描記圖呼吸率信號。
對圖15a和15b的觀察和比較表明體積描記圖AC分量包含脈動和 呼吸兩者的信息，以及示例性的光電體積描記器能輕易地檢測到這些信 號。在本情況下，兩個信號應(yīng)該有180度的相差。這個微小的相位延遲是 由熱敏電阻器的熱電容引起的。
從廣義的方面來講，在此描述的光電體積描記設(shè)備的解調(diào)輸出(例如 體積描記圖Sl(t)), —般提供表示作為時間的函數(shù)的血容量的信號。這可 以使用技術(shù)人員已知的技術(shù)來分析。也可使用輸出來推斷出血液組分或血 液成分。假定檢測到的光強度的周期性上升和下降只是由動脈血流入組織 引起的。通過使用波峰和波谷測量法，可測量到由動脈血引起的衰減。如 果這在兩個不同光波長下進行，則可以使用已知的技術(shù)，估計氧飽和度(含 氧血與缺氧血的比率)。
綠光光電體積描記術(shù)
在用于確定相對血氧飽和度的脈搏血氧測定儀(pulse oximeter)中， 使用光電體積描記的技術(shù)。這些設(shè)備通常用在透射模式中用光照射組織 的區(qū)域，而檢測并處理在組織另一側(cè)的出射光以確定飽和百分率。此技術(shù) 限于足夠薄而使光能夠通過的皮膚區(qū)域，例如手指、腳趾和耳垂。
在透射模式的脈搏血氧測定法中，光波長的選擇是很重要的。從450nm 到600nm，之后從600nm到650nm,以及更大的波長，血液對光的吸收降 低一個數(shù)量級。此吸收是光子路徑長度和吸收系數(shù)的函數(shù)，且在透射模式 中，該吸收很大。此吸收特點的結(jié)果是450nm到600nm之間的光衰減很 大，其衰減的程度使得非常少的600nm以下波長的光通過附屬肢體，例如 手指、腳趾或耳垂。 一般使用650nm或更高波長的光。
類似地，對于光電體積描記術(shù)的大部分研究使用在透射模式下工作的 設(shè)備，并因此使用波長大于600nm的光。當(dāng)光電體積描記術(shù)在反射模式中使用時，路徑長度以及因此總吸收是 較小的。這是因為光不通過附屬肢體，而是從組織的表面層散射(或反射)
回到檢測器。這表示可以-使用450nm到600mn的光。然而，光強仍然4艮 低，而且有必要使用低噪聲檢測技術(shù)來獲得足夠的信噪比。
因為主要的吸收介質(zhì)是血液，所以使用被強烈吸收的波長的光是有益 的。這表示血容量的變化將在450nm到600nm之間比在600nm以及之上 引起相應(yīng)的但是更大的光強變化。所以，光振幅被血液調(diào)制到更大的程度， 且因此反射式光電體積描記圖信號的脈動分量在使用450nm到600nm之 間的光時比使用600nm以上的光時更大。這已由圖16和圖17示出。
圖16顯示了使用510nm波長的綠光的光電體積描記圖，而圖17顯示 了使用644nm波長的紅光的光電體積描記圖。兩幅圖中y軸的縮放比例是 相等的?？梢郧宄乜吹骄G光比紅光給出更大的脈動信號。由心搏引起的 脈沖(pulse)清晰可見，且相比使用紅光時具有更大的振幅，且信噪比相 應(yīng)地提高。
另外，由綠光得到的信號清楚地將呼吸信號顯示為低頻基線漂移。在 使用紅光時，不能容易地觀測到呼吸信號。
在此描述的許多特征可以容易地相互結(jié)合使用。
使用采用如結(jié)合圖2描述的正交解調(diào)的調(diào)制光，提供了幾個優(yōu)于現(xiàn)有 技術(shù)方法的優(yōu)勢，在所述的使用中，解調(diào)器對調(diào)制信號與解調(diào)器的振蕩器 之間的任何相差都不敏感。調(diào)制的光電體積描記圖信號可以在調(diào)制頻率下 -故帶通濾波，以有益地衰減DC環(huán)境光、100Hz熒光、60Hz計算機顯示器 光以及閃爍噪聲。因此，與使用DC(未調(diào)制)光或采用時隙檢測(timeslot detection)的調(diào)制光的現(xiàn)有技術(shù)方法比較，上述的方法較好地抑制了干擾， 其中所述的時隙檢測通常用在脈搏血氧測定儀中，用作一種紅色LED和紅 外LED之間進行時分多路轉(zhuǎn)換的方法。
正交解調(diào)同樣對調(diào)制載波與解調(diào)載波的相位之間的差別不敏感。這可 將解調(diào)過程簡化為簡單的算法，載波沒有必要同步。
正交解調(diào)可容易地結(jié)合在此描述的多波長體積描記設(shè)備使用，以及結(jié)合像素陣列裝置、反射^^莫式裝置和綠光裝置使用。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，綠光光電體積描記術(shù)和正交解調(diào)的結(jié)合特別有利。綠光的 使用最大化了檢測到的光電體積描記圖信號的振幅，且對調(diào)制光進行帶通 濾波和正交解調(diào)將噪聲的影響最小化。因此，這種結(jié)合使信噪比最大化， 而這表示能夠以更高的可靠性來提取心率和呼吸率。對于心率檢測的情
況，這種結(jié)合將減少誤報(falsepositive )或遺漏心搏。對于呼吸信號的情 況，這種結(jié)合清晰地恢復(fù)先前很難檢測到的信號，且該項技術(shù)減少了誤報 和遺漏呼吸的次數(shù)。
因此，光電體積描記圖信號的信噪比的提高，改進了對信號中與心搏 和呼吸相關(guān)的特征的^r測，并因此改進了使用這些特征來確定心率和呼吸 率的任何算法的可靠性。
在各個附圖中，例如圖1-3、 6、 12以及18-20中，調(diào)制信號標(biāo)記為 Ml(t)和而解調(diào)信號標(biāo)記為Dl(t)，指示連續(xù)時域中的信號，即振幅作為時 間的函數(shù)而變化的模擬信號。應(yīng)該理解，例如，在微處理器中，可以使用 數(shù)字信號處理算法容易地實現(xiàn)描述的配置。在這種情況下，應(yīng)該理解，Ml、 Dl可以是離散的采樣信號M1 (n)和D1 (n)。類似地，在圖12中，功 能塊G(s)和B(s)可以由信號調(diào)節(jié)算法B(z) 1201和G(z) 1203表示。
其他的實施方式意在包含在附隨的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
3權(quán)利要求
1. 一種光電體積描記設(shè)備，其包括光源，其用于照射目標(biāo)物體；調(diào)制器，其用于驅(qū)動所述光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；檢測器，其用于接收來自所述目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出；解調(diào)器，其用于接收檢測器輸出，所述解調(diào)器具有本機振蕩器，且產(chǎn)生表示所述調(diào)制信號及其任何邊帶的解調(diào)輸出，其中所述解調(diào)器對所述調(diào)制信號和所述解調(diào)器的所述振蕩器之間的任何相差都不敏感；以及用于根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血液成分。
2. 如權(quán)利要求1所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述解調(diào)器包括第一通道，其適于將所述檢測器輸出與本機振蕩器的輸出混頻，以產(chǎn) 生第一相位信號輸出，所述本機振蕩器的輸出具有振蕩器頻率和相對于所 述檢測器輸出的第一相位；以及第二通道，其適于將所述檢測器輸出與本機振蕩器的輸出混頻，以產(chǎn) 生第二相位信號輸出，所述本機振蕩器的輸出具有所述振蕩器頻率和相對 于所述4全測器輸出的第二相位，所述第二相位不同于所述第 一相位，所述第 一相位信號輸出和所述第二相位信號輸出形成所述解調(diào)輸出。
3. 如權(quán)利要求2所述的光電體積描記設(shè)備，其中本機振蕩器頻率實 質(zhì)上等于所述調(diào)制頻率。
4. 如權(quán)利要求2所述的光電體積描記設(shè)備，包括單一的本機振蕩器， 所述單一的本機振蕩器具有用于在所述第一通道中進行混頻的第一相位輸出以及用于在所述第二通道中進行混頻的第二相位輸出。
5. 如權(quán)利要求4所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述第一相位輸出和所述第二相位輸出成實質(zhì)上90度的相對相角。
6. 如權(quán)利要求4所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述單一的本機振 蕩器的所述第 一相位輸出和所述第二相位輸出具有相同的相位，所述解調(diào) 器具有分離器和相移裝置，所述分離器用于將所述^^測器輸出分離成兩個 通道信號，所述相移裝置在至少一個通道中用于提供用作兩個通道的輸入 的分離的檢測器輸出信號之間的相移。
7. 如權(quán)利要求6所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述分離的檢測器 輸出信號之間的所述相移實質(zhì)上為90度。
8. 如權(quán)利要求2所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括低通濾波器， 以去除由混頻過程產(chǎn)生的在所述第 一通道和所述第二通道的所述第 一相 位輸出和所述第二相位輸出中的諧波。
9. 如權(quán)利要求1所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括反饋電路， 所述反饋電路適于調(diào)整所述光源的所述輸出強度作為所述檢測器輸出或 所述解調(diào)輸出的函數(shù)。
10. 如權(quán)利要求9所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述反饋電路適于 將所述光源的所述輸出強度保持在足以根據(jù)所述解調(diào)輸出保持體積描記 圖的檢測的水平。
11. 如權(quán)利要求1所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源的輸出處 于450nm到600nm之間的光譜的范圍內(nèi)。
12. 如權(quán)利要求1所迷的光電體積描記設(shè)備，包括第二光源，其用于使用波長與所述第一光源不同的光照射所述目標(biāo)物體，第二調(diào)制器，其用于驅(qū)動所述第二光源，以使得輸出強度作為第二調(diào) 制信號的函數(shù)而變化，以及第二解調(diào)器，其用于產(chǎn)生表示所述第二調(diào)制信號的第二解調(diào)輸出。
13. 如權(quán)利要求12所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述第二解調(diào)器對所述調(diào)制信號與所述第二解調(diào)器的本機振蕩器之間的任何相差都不敏 感。
14. 如權(quán)利要求12所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括用于根據(jù) 所述第二解調(diào)器輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血 容量及/或血液成分。
15. 如權(quán)利要求1所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括耦合在所述 ;險測器輸出和所述解調(diào)器的輸入之間的帶通濾波器，所述帶通濾波器具有 的通帶的寬度僅足以使所述檢測器輸出中的由體積描記圖調(diào)幅引起的所 述調(diào)制頻率以及任何邊帶通過。
16. 如權(quán)利要求15所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述通帶實質(zhì)上 被限于所述調(diào)制頻率的兩側(cè)25Hz。
17. 如權(quán)利要求1所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源和所述檢 測器設(shè)置成在基底上橫向地相互鄰近，以使得它們的有效表面可實質(zhì)上朝 向目標(biāo)體的表面上相同的位置。
18. —種產(chǎn)生體積描記圖的方法，其包括以下步驟 使用光源照射目標(biāo)物體；使用調(diào)制器驅(qū)動所述光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制 信號的函數(shù)而變化；使用檢測器接收來自所述目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接收到的光的強 度的函數(shù)的電輸出；在具有本機振蕩器的解調(diào)器中接收所述檢測器的輸出，并產(chǎn)生表示所 述調(diào)制信號及其任何邊帶的解調(diào)輸出，其中所述解調(diào)器對所迷調(diào)制信號和 所述解調(diào)器的所述振蕩器之間的任何相差都不敏感；以及根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生信號，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量 及/或血液成分。
19. 一種光電體積描記設(shè)備，其包括一個或更多個光源，每一個所述光源用于照射目標(biāo)物體的一部分；一個或更多個調(diào)制器，其用于驅(qū)動所述光源，以使得每一個所述光源的輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；一個或更多個檢測器，其用于接收來自所述目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的 一個或更多個電輸出；多個解調(diào)器，每一個所述解調(diào)器用于接收所述電輸出中的一個或更多 個電輸出，并產(chǎn)生表示被調(diào)制光源中的一個被調(diào)制光源的所述調(diào)制信號及 其任何邊帶的解調(diào)輸出，以由此產(chǎn)生對應(yīng)于多個光源^或多個檢測器的多 個解調(diào)輸出；以及用于針對每一個解調(diào)器輸出根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生體積描記圖信號 的裝置，所述體積描記圖信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血液成 分。
20. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，包括多個光源，每一 個所述光源都具有不同波長的光學(xué)輸出，所述多個解調(diào)器中的每一個解調(diào)
21. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括用于選擇 所述解調(diào)輸出中提供最佳信噪比的解調(diào)輸出的裝置。
22. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括用于根據(jù) 多個解調(diào)器輸出進行獨立分量分析、主分量分析及盲源分離中的一項或更 多項以提高信噪比的裝置。
23. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，包括多個光源，其中 所述多個光源被設(shè)置在基底上的像素陣列中。
24. 如權(quán)利要求23所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括用于形成 與所述^^素陣列中的所述光源的相對空間位置相關(guān)的、所述血容量及/或所 述血液成分的空間分布的映射的裝置。
25. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，包括多個光源，其中 所述光源;陂在不同的調(diào)制頻率下驅(qū)動。
26. 如權(quán)利要求25所述的光電體積描記設(shè)備，其中每一個所述解調(diào)器產(chǎn)生對應(yīng)于所述光源中的相應(yīng)光源的解調(diào)輸出。
27. 如權(quán)利要求20所述的光電體積描記設(shè)備，包括多個檢測器，每一個所述檢測器可操作以接收所述光源波長中的相應(yīng)波長的光，以及其中 每一個所述解調(diào)器產(chǎn)生對應(yīng)于所述光源中的相應(yīng)光源的解調(diào)輸出。
28. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，其中每一個所述解調(diào) 器都具有本機振蕩器，并產(chǎn)生表示相應(yīng)的調(diào)制信號的解調(diào)輸出，其中所述 解調(diào)器對相應(yīng)的調(diào)制信號與所述解調(diào)器的所述振蕩器之間的任何相差不 敏感。
29. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述一個或更多 個光源以及所述一個或更多個檢測器設(shè)置成在基底上橫向地相互鄰近，以 使得它們的有效表面可實質(zhì)上朝向目標(biāo)體的表面上的相同位置。
30. 如權(quán)利要求19所述的光電體積描記設(shè)備，包括多個檢測器以及 相應(yīng)的多個解調(diào)器，所述多個檢測器以及相應(yīng)的多個解調(diào)器中的每一個都 被設(shè)置在基底上的像素陣列中。
31. 如權(quán)利要求30所述的光電體積描記設(shè)備，進一步包括用于形成 與所述像素陣列中的所述檢測器的相對空間位置相關(guān)的所述血容量及/或 所述血液成分的空間分布的映射的裝置。
32. —種產(chǎn)生體積描記圖的方法，其包括以下步驟使用一個或更多個光源照射目標(biāo)物體的一部分；使用 一個或更多個調(diào)制器驅(qū)動所述光源，以使得每一個所述光源的輸 出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；使用一個或更多個檢測器接收來自所述目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接 收到的光的強度的函數(shù)的一個或更多個電輸出；使用多個解調(diào)器接收所述電輸出中的一個或更多個電輸出，每一個所 述解調(diào)器產(chǎn)生表示被調(diào)制光源中的一個被調(diào)制光源的所述調(diào)制信號及其 任何邊帶的解調(diào)輸出，以由此產(chǎn)生對應(yīng)于多個光源的多個解調(diào)輸出；以及對于像素陣列的每一個解調(diào)器輸出，根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生體積描記圖信號，所述體積描記圖信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血液成 分。
33. —種用于非接觸式使用的光電體積描記設(shè)備，其包括 光源，其用于通過第一偏振濾光片照射目標(biāo)物體；調(diào)制器，其用于驅(qū)動所述光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；檢測器，其用于通過第二偏振濾光片接收來自所述目標(biāo)物體的光，所 述第二偏振濾光片具有與所述第一偏振濾光片不同的偏振態(tài)，所述檢測器 適于產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出；解調(diào)器，其用于接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示所述調(diào)制信號及其任何 邊帶的解調(diào)輸出；以及用于根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函 數(shù)的血容量及/或血液成分。
34. 如權(quán)利要求33所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述第一偏振濾 光片與所述第二偏振濾光片^皮設(shè)置成它們的相對偏振態(tài)相互成90度。
35. 如權(quán)利要求33所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述檢測器具有 本機振蕩器并產(chǎn)生表示所述調(diào)制信號的解調(diào)輸出，其中所述解調(diào)器對所述 調(diào)制信號與所述解調(diào)器的所述振蕩器之間的任何相差都不敏感。
36. 如權(quán)利要求33所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源以及所 述檢測器設(shè)置成在基底上橫向地相互鄰近，以使得它們的有效表面可實質(zhì) 上朝向目標(biāo)體的表面上相同位置。
37. 如權(quán)利要求33所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源具有波 長小于600nm的光輸出。
38. 如權(quán)利要求37所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源具有波 長在440nm到574nm之間或在500nm到600nm之間的光輸出。
39. —種產(chǎn)生光電體積描記圖的方法，其包括以下步驟 使用光源通過第一偏振濾光片照射目標(biāo)物體；使用調(diào)制器驅(qū)動所述光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化；使用檢測器通過第二偏振濾光片接收來自所述目標(biāo)物體的光，所述第 二偏振濾光片具有與所述第一偏振濾光片不同的偏振態(tài)，所述檢測器產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出；使用解調(diào)器接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示所述調(diào)制信號及其任何邊帶 的解調(diào)輸出；以及根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生信號，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量 及/或血液成分。
40. —種用于非接觸式使用的光電體積描記設(shè)備，其包括光源，其用于使用波長小于600nm的光輻射來照射目標(biāo)物體；調(diào)制器，其用于驅(qū)動所述光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的 調(diào)制信號的函數(shù)而變化；檢測器，其用于接收來自所述目標(biāo)物體的光，并適于產(chǎn)生作為接收到 的光的強度的函數(shù)的電輸出，所述光源與所述4企測器設(shè)置成在基底上橫向 地相互鄰近，以使得它們的有效表面可實質(zhì)上朝向目標(biāo)體的表面上相同位 置；解調(diào)器，其用于接收4企測器輸出，并產(chǎn)生表示所述調(diào)制信號及其任何 邊帶的解調(diào)輸出；以及用于根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生信號的裝置，所述信號指示作為時間的函 數(shù)的血容量及/或血液成分。
41. 如權(quán)利要求40所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源適合于 使用波長在440nm到574nm之間或在500n到600nm之間的光輻射來照射 所述目標(biāo)物體。
42. 如權(quán)利要求40所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源適合于 通過第一偏振濾光片照射目標(biāo)物體，而所述檢測器適合于通過第二偏振濾 光片接收來自所迷目標(biāo)物體的光，所迷第二偏振濾光片具有與所述第一偏振濾光片不同的偏振態(tài)。
43. 如權(quán)利要求40所述的光電體積描記設(shè)備，其中所述光源以及所 述檢測器設(shè)置成在基底上橫向地相互鄰近，以使得它們的有效表面可實質(zhì) 上朝向目標(biāo)體的表面上相同位置。
44. 一種產(chǎn)生光電體積描記圖的方法，其包括步驟使用來自光源的波長小于600nm的光輻射來照射目標(biāo)物體；使用調(diào)制器驅(qū)動所述光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制 信號的函數(shù)而變化；使用檢測器接收來自所述目標(biāo)物體的光，以產(chǎn)生作為接收到的光的強 度的函數(shù)的電輸出，所述光源與所述檢測器設(shè)置成在基底上橫向地相互鄰使用解調(diào)器接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示所述調(diào)制信號及其任何邊帶 的解調(diào)輸出；以及根據(jù)所述解調(diào)輸出產(chǎn)生信號，所述信號指示作為時間的函數(shù)的血容量 及/或血液成分。
全文摘要
一種光電體積描記設(shè)備包括用于照射目標(biāo)物體的光源。調(diào)制器驅(qū)動光源，以使得輸出強度作為在調(diào)制頻率下的調(diào)制信號的函數(shù)而變化。檢測器接收來自目標(biāo)物體的光，并產(chǎn)生作為接收到的光的強度的函數(shù)的電輸出。具有本機振蕩器的解調(diào)器接收檢測器輸出，并產(chǎn)生表示調(diào)制信號的解調(diào)輸出。解調(diào)器對調(diào)制信號與解調(diào)器的振蕩器之間的任何相差都不敏感。根據(jù)解調(diào)輸出，產(chǎn)生信號，該信號指示作為時間的函數(shù)的血容量及/或血液成分。提供多個解調(diào)器，以從不同波長的多個光源，或從檢測器的陣列得到信號。體積描記器可在透射模式或反射模式下操作。在處于反射模式時，該設(shè)備可使用光譜的綠色部分，且可使用偏振濾光片。
文檔編號A61B5/00GK101484065SQ200780021586
公開日2009年7月15日 申請日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月11日
發(fā)明者尼古拉斯·邁爾斯, 巴里·海耶斯-吉爾, 約翰·克勞, 馬克·格魯伯 申請人:諾丁漢大學(xué)