一种光学信号检测与处理方法与装置与流程

1.本发明涉及人体健康监测设备领域，更具体而言，涉及一种光学信号检测与处理方法与装置。


背景技术：

2.血氧饱和度(oxygen saturation，spo2)和心率(heart rate,hr)是两个非常重要的人体参数，对它们的实时检测可以帮助人们随时了解自己的身体状况。一定程度上能够避免由于心血管疾病和心肺功能不足等因素引起的意外事件的发生。特别是血氧饱和度的实时监测已成为判断人体供氧状况以及人体呼吸系统和循环系统是否正常的一个重要指标。通过光学探测的生理信号，例如ppg信号光电容积脉搏波(photoplethysmographic,ppg)信号来监测spo2，光学探测的生理信号中包含诸如心率和血氧等的很多人体生理信息，利用光电容积脉搏波信号提取心率和血氧得到了广泛的应用。出于便利性的考虑，内置电池或采用干电池的小型化和便携化的生理信号光学设备的普及越来越广泛。例如，可以采用指套式光电感测器来测量血氧饱和度。测量时，只需将感测器套在人手指上，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，使用例如波长660nm的红光和940nm的近红外光作为射入光源，测定通过组织床的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度，仪器即可显示人体血氧饱和度，为临床提供了一种连续无损伤血氧测量仪器。
3.便携式光学设备一般使用电池，为了确保续航时间，在设备从手指脱落时都会进入休眠或低功耗状态。目前，例如对于spo2这种光学设备来判断人体组织脱落的基本方案，主要有生理信号特征判断方案和监测光照强度判断脱落状态的方案。但这两者的方案中，要么需要的设备的低功耗运算单元进行耗能较多的复杂计算，占用便携设备宝贵的运算资源；要么要保持发光器件的发光来进行判断，仍然会消耗较多的电量。对于监测光照强度的方案来说，在脱落的情况下，光学设备仍然正常发光，仅仅是把发光强度降低。该方案的led需要一直处于发光状态，这样就不适合电池供电等低功耗产品。对于使用分析生理信号的方案来说，也不适合低功耗产品，因为在生理分析的过程中会涉及到大量的数据计算，一般低功耗的mcu，也并不适合进行大量的数据计算，这样不单单会浪费操作时间，还会消耗一定的电量。此外，对于监测光照强度的方案来说，如果特意去遮挡接收器，这个时候设备可能会错误的识别成插入了手指，开始监测工作。从而影响监测结果的精确度。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的不足和缺陷，本公开文本提出了一种用于spo2光学设备的脱落检测方法。
5.在根据本发明的一个方面，在所述光学设备工作过程中通过光电传感器在人体组织血管中检测血液容积变化而得到光学探测的生理信号，所述方法包括在所述光学设备的计算模块内执行如下步骤：
6.设置一个数据缓冲区，该数据缓冲区能够储存至少3个预定时间单位的光学探测
的生理信号；
7.采集和计算步骤，将采集到的光学探测的生理信号的各个dc分量存入所述数据缓冲区，对所述dc分量的值求方差，获得第一波形参考指标值；
8.比对步骤；将第一波形参考指标值与预存的基准指标值范围进行比对；
9.判定步骤，若第一波形参考指标值大于所述基准指标值的最大值，则输出设备脱落的信号；若第一波形参考指标值不大于所述基准指标值的最大值，继续采集新的光学探测的生理信号，然后执行采集和计算步骤。
10.优选地，在根据本公开内容的脱落检测方法中，所述方法还可以包括在光学设备的计算模块内还执行如下步骤：设置一个环形缓冲区；对光学探测的生理信号进行滤波，计算出光学探测的生理信号中ac分量的在预定时间单位内的波形的峰峰值；然后将所得的峰峰值缓存在所述环形缓存区中；将所述环形缓冲区内的数据求方差，将该方差作为第二参考指标值；将所述第二参考指标值与偏量基准值进行比对，如果所述第二参考指标值大于所述偏量基准值；则输出设备脱落的信号。
11.在根据本发明的脱落检测方法的一个具体方式中，所述基准指标值范围为100至3000；所述第二参考指标值为3000。
12.优选地，在根据本发明的脱落检测方法中，每个预定时间单位可以是相同的，且大于1.5秒。
13.根据本公开内容的另一方面，提出了一种光学信号检测与处理装置，该装置的计算模块内运行前述的光学信号检测与处理方法。
14.还提出了一种用于spo2光学设备的节能方法，光学设备的计算模块内应用前述的用于所述的脱落检测方法；所述光学设备被设置为以省电模式运行，在所述省电模式下，所述光学设备的发射器和接收器全部处于断电状态，并且接收器和发射器以预定的时间间隔启动一次，读取当前的光学探测的生理信号的直流偏量dc值；当所述直流偏量dc值在预定的范围，则结束所述省电模式，转为正常模式：持续打开发射器并开启接收器电源，开始正常的数据采集和处理；如果不在正常范围内，则继续保持在省电模式。
15.优选地，在根据本公开内容的节能方法中，接收器和发射器每间隔1秒启动一次。
16.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
17.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
19.图1示出了spo2光学设备的不同状态下的光学探测的生理信号波形；其中图1(a)示出了正常工作状态下的光学探测的生理信号波形，图1(b)和图1(c)分别示出了设备脱落时从光学探测的生理信号波形；
20.图2示出了根据本公开内容的用于spo2光学设备的脱落检测方法的一个具体方式的步骤示意图；
21.图3示出了根据本公开内容的用于spo2光学设备的脱落检测方法的一个优选具体方式的步骤示意图；
22.图4示出了根据本公开内容的用于spo2光学设备的一个实施例的省电模式和正常模式的切换示意图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
24.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的补正和方法，本领域公知的spo2监测相关的技术内容，以及光学探测的生理信号(例如光电容积脉搏波形(photoplethysmograph,ppg)信号处理的技术内容，如无特殊说明，与本领域技术人员所公知的一致。
25.在本领域中公知的是，基于光学探测的生理信号，spo2(血氧饱和度)数值只要遵循特定的算法计算公式，便可计算出来。但同时也要识别到人体组织是否接触到设备，如果没有这个脱离识别措施的话，即使是脱落状态，也是有可能计算出看起来貌似合理的spo2数值，从而干扰正常的监测数值和精度。因此，对spo2设备进行脱落检测至关重要。
26.在现有已知的spo2光学设备中，用于判断人体组织脱落的方案，主要有生理信号特征判断和监测光照强度判断等。
27.通过生理信号特征判断脱落状态，在spo2监测中，光学探测的生理信号包括交流(ac)分量和直流分量(dc)，通过数据分析ac分量，来判断光学探测的生理信号波形是否正常，以此来判断人体组织脱落状态。如附图图1(a)中，示出了良好的光学探测的生理信号的ac分量波形。
28.在通过监测光照强度判断脱落状态的方案中，例如在插电式的生理仪的血氧功能监测模块中，生理仪的血氧部分的血氧指夹，在脱落的情况下，指夹还是在正常发光。生理仪并不会把光灭掉而是会把发光的强度变弱。然后通过光电二极管检测到的光照强度，来判断脱落状态。
29.上述的解决方案，对于采用电池的便携式设备中，均存在耗电较多的问题。对于使用分析生理信号的方案来说，也不适合低功耗产品，因为在生理分析的过程中会涉及到大量的数据计算，一般低功耗的mcu(微控制单元microcontroller unit；mcu)，也并不适合进行大量的数据计算，这样不单单会占用计算芯片单元的算力，浪费操作时间，还会消耗一定的电量。例如对于，在型号为nrf52832的低功率mcu中，内存仍然较小(共512kb闪存)，优化脱落检测计算方式，更有利于提高设备整体的性能和续航时间。
30.本公开内容提出了一种用于spo2光学设备的脱落检测方法，该方法包括评估光学探测的生理信号波形的稳定程度和评估dc偏量。
31.在根据本发明的一个方面，在所述光学设备工作过程中通过光电传感器在人体组织血管中检测血液容积变化而得到光学探测的生理信号，所述方法包括在所述光学设备的
计算模块内执行如下步骤：
32.设置一个数据缓冲区，该数据缓冲区能够储存至少3个预定时间单位的光学探测的生理信号；
33.采集和计算步骤，将采集到的光学探测的生理信号的各个dc分量存入所述数据缓冲区，对所述dc分量的值求方差，获得第一波形参考指标值；
34.比对步骤；将第一波形参考指标值与预存的基准指标值范围进行比对；
35.判定步骤，若第一波形参考指标值大于所述基准指标值的最大值，则输出设备脱落的信号；若第一波形参考指标值不大于所述基准指标值的最大值，继续采集新的光学探测的生理信号，然后执行采集和计算步骤。
36.优选地，在根据本公开内容的脱落检测方法中，所述方法还可以包括在光学设备的计算模块内还执行如下步骤：设置一个环形缓冲区；对光学探测的生理信号进行滤波，计算出光学探测的生理信号中ac分量的在预定时间单位内的波形的峰峰值；然后将所得的峰峰值缓存在所述环形缓存区中；将所述环形缓冲区内的数据求方差，将该方差作为第二参考指标值；将所述第二参考指标值与偏量基准值进行比对，如果所述第二参考指标值大于所述偏量基准值；则输出设备脱落的信号。
37.在根据本发明的脱落检测方法的一个具体方式中，所述基准指标值范围为100至3000；所述第二参考指标值为：3000。
38.可以理解的是，所述第二参考指标值为的方差值也并不是一定是固定值或者固定范围的，比如环形缓冲区的长度如果延长一倍，那么一个数据的变化就不会产生太大的涟漪，方差也不会变化的很剧烈，范围自然会变小一些，视情况而定。比如环形缓冲区长度设定为5，方差正常范围也就在0～3000之间。
39.优选地，在根据本发明的脱落检测方法中，每个预定时间单位可以是相同的，且大于1.5秒。
40.根据本公开内容的另一方面，还提出了一种用于spo2光学设备的节能方法，光学设备的计算模块内应用前述的用于所述的脱落检测方法；所述光学设备被设置为以省电模式运行，在所述省电模式下，所述光学设备的发射器和接收器全部处于断电状态，并且接收器和发射器以预定的时间间隔启动一次，读取当前的光学探测的生理信号的直流偏量dc值；当所述直流偏量dc值在预定的范围，则结束所述省电模式，转为正常模式：持续打开发射器并开启接收器电源，开始正常的数据采集和处理；如果不在正常范围内，则继续保持在省电模式。
41.优选地，在根据本公开内容的节能方法中，接收器和发射器每间隔1秒启动一次。
42.例如，在根据公开内容的一个实施方式中，虽然评价光学探测的生理信号波形的好坏的方案有很多种，在本公开内容的实施方式中，仅仅评价光学探测的生理信号波形的稳定程度和波形的dc值大小既可以进行有效的脱落检测。
43.在一个实施例中，例如以指夹式spo2光学设备为例，可以在计算模块运行的代码中把光学探测的生理信号的ac(交流)分量值(表征复杂度)缓存到一个长度为3～5的时间单位的一个buf(缓冲区)中，然后每次得到一个新的ac分量值，就随时存放到buf中。然后对buf中的数据求方差。由此可以通过方差的值来评估波形的稳定程度。在本技术的技术方案中，不进行标准差的计算，由此可以减少一次开根号的计算，节省mcu的运算资源。
44.正常工作状态下的良好的光学探测的生理信号的波形如图1(a)所示，基于该波形计算得出的方差值为红色光信号在100～3000之间。
45.在设备脱落，例如在脱掉指夹的时候的波形，如图1(b)所示，此时计算出来的方差的值，红光、红外都远超3000。
46.进一步地，判断过程可以遵循如下原则：
47.通过上面的测试，可以依据指夹操作的各种情况，进行判断。如图1(c)所示，对光学探测的生理信号进行滤波，然后得到波形的峰峰值。然后可以把峰峰值缓存在一个ringbuf(环形缓存区)中，下一步再求一次ringbuf中元素的方差。在指夹不夹手指的时候，发射光是直射到接收器的。此时实际采集到的数据的直流偏量dc值是会非常大的，同样可以与方差一起以此为依据，进行脱落检测的判断。
48.可以理解的是，峰峰值的计算是要有时间窗口的，比如一个人的心跳频率大概为每分钟30～120次之间，因此可以把峰峰值的计算意见窗口设定为2秒，也就是说2秒内对于光学探测的生理信号而言肯定肯定会出现一次光学探测的生理信号的完整波形特征(最大值和最小值都会出现)。
49.如图4所示，spo2光学设备可以在省电模式下工作。正常模式中，可以进行正常的adc(模数转换器)数据采集和spo2数值的计算等操作，在这个时候，发射器的led灯珠和接收器pd管(光敏二极管)都是正常工作状态的，当然在这种模式下耗电也是在所难免。
50.在省电模式下，发射器led灯珠和接收器pd管全部处于断电状态，并且pd管和led的红外灯珠可以每一秒启动一次，判断当前的直流偏量dc值的状态。如果dc值在正常的范围就认为手指插入指夹，此时可以持续打开红灯和红外的灯珠，并开启接收器pd管的电源，开始正常的数据采集和处理；如果不在正常范围内，则认为设备还是处于脱落的状态。
51.在根据本公开内容的节能低功耗管理方案中，每隔一秒检测一次。每次测leadoff的状态，第一步先进行dc值的检测，如果dc值属于预定的正常工作范围，再进行ac值(一段时间周期峰峰值的检测)稳定性的检测。如果第一步都不正确，则不再进行第二步骤的检测。
52.在设备脱落的情况，设备仍然被设置成每间隔1秒启动发射器的灯检测一下dc值，如果通过了会离开低功耗模式，进入采集数据模式，进而进一步检测ac值稳定性。如果都通过在彻底离开lead off状态，进入lead on状态。这里lead off就是脱落状态，血氧夹子没夹加上手指的状态。lead on就是血氧夹子加上手指的状态。
53.本公开文本的技术方案，能够以非常简单的方式，较低的功耗，准确判断设备的脱落，而且无需过多占用便携设备的运算资源，也不需要继续点亮发光元件，从而能使得光学设备具有更长的续航。
54.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
55.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光学信号检测与处理方法，在光学设备工作过程中通过光电传感器在人体组织血管中检测血液容积变化而得到光学探测的生理信号，其特征在于，所述方法包括在所述光学设备的计算模块内执行如下步骤：设置一个数据缓冲区，该数据缓冲区能够储存至少3个预定时间单位的光学探测的生理信号；采集和计算步骤，将采集到的光学探测的生理信号的各个dc分量存入所述数据缓冲区，对所述dc分量的值求方差，获得第一波形参考指标值；比对步骤；将所述第一波形参考指标值与预存的基准指标值范围进行比对；判定步骤，若所述第一波形参考指标值大于所述基准指标值的最大值，则输出设备脱落的信号；若所述第一波形参考指标值不大于所述基准指标值的最大值，继续采集新的光学探测的生理信号，然后执行所述采集和计算步骤。2.根据权利要求1所述的脱落检测方法，其特征在于，所述脱落检测方法还包括在所述光学设备的计算模块内还执行如下步骤：设置一个环形缓冲区；对光学探测的生理信号进行滤波，计算出光学探测的生理信号中ac分量的在预定时间单位内的波形的峰峰值；然后将所得的峰峰值缓存在所述环形缓存区中；将所述环形缓冲区内的数据求方差，将该方差作为第二参考指标值；将所述第二参考指标值与偏量基准值进行比对，如果所述第二参考指标值大于所述偏量基准值；则输出设备脱落的信号。3.根据权利要求2所述的脱落检测方法，其特征在于，所述基准指标值范围为100至3000；所述第二参考指标值为3000。4.根据权利要求1至3之一所述的脱落检测方法，其特征在于，每个所述预定时间单位大于1.5秒。5.一种光学信号检测与处理装置，其特征在于，该处理装置的计算模块内运行权利要求1至4中的任一项所述的方法。

技术总结
本发明提供一种光学信号检测与处理方法与装置，在光学设备工作过程中通过光电传感器在人体组织血管中检测血液容积变化而得到光学探测的生理信号，其特征在于，所述方法包括在所述光学设备的计算模块内执行如下步骤：设置一个数据缓冲区，该数据缓冲区能够储存至少3个预定时间单位的光学探测的生理信号；采集和计算步骤，将采集到的光学探测的生理信号的各个DC分量存入所述数据缓冲区，对所述DC分量的值求方差，获得第一波形参考指标值；比对步骤；将所述第一波形参考指标值与预存的基准指标值范围进行比对；判定步骤，若所述第一波形参考指标值大于所述基准指标值的最大值，则输出设备脱落的信号；若所述第一波形参考指标值不大于所述基准指标值的最大值，继续采集新的光学探测的生理信号，然后执行所述采集和计算步骤。步骤。步骤。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：北京津发科技股份有限公司
技术研发日：2022.12.31
技术公布日：2023/8/16