耳戴式生命體征監視器的制造方法
【專利摘要】用于監視生命體征的方法和監視器。在一個實施方式中，生命體征監視器包括：殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；以及電子模塊，用于測量生命體征。用于測量生命體征的電子模塊位于殼體中，并且包括與處理器通信的多個生命體征感測模塊。多個感測模塊包括選自以下的模塊中的至少兩個模塊：心沖擊（BCG）模塊、光電容積描記（PPG）模塊、加速度計模塊、溫度測量模塊、以及心電圖（ECG）模塊。在一個實施方式中，處理器響應于來自多個生命體征感測模塊的信號計算其他生命體征。
【專利說明】耳戴式生命體征監視器
【技術領域】
[0001]本發明涉及生理學監視器領域，并且更特別地，涉及用于測量生命體征的可佩戴式裝置。
【背景技術】
[0002]在看護老年人、病人、和傷員時，監視生命體征是一個重要環節。監視不僅為佩戴者的疾病病因提供了診斷線索，在佩戴者的病情惡化時，還提供了預先告警。
[0003]另外，健康的人通常希望在其運動時測量特定生命體征，以便即時的以及在一段時間內追蹤其自身的身體狀況。這樣的監視器為用戶提供了反饋并且幫助識別特定疾病的風險。
[0004]為了監視生命體征，在諸如醫院的受控環境中通常使用多種昂貴的專業裝置。這些裝置的體積和成本使得其不適合家庭使用。然而，為了降低醫療成本并幫助患者更快地恢復，通常期望將患者從醫院護理轉移到家庭護理。很多時候，這需要長時間的租用昂貴的設備。另外，用于在家庭中測量不同生命體征的傳感器體積龐大并且在佩戴者進行他的或她的正常活動時難以佩戴。
[0005]需要一種裝置，其允許在不使用昂貴的大件感測裝置的情況下監視佩戴者的生命體征，并允許佩戴者能夠進行其正常的活動。本發明解決了這一問題。

【發明內容】

[0006]在一個方面，本發明涉及用于佩戴在耳朵附近的生命體征監視器。在一個實施方式中，生命體征監視器包括:殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；電子模塊，用于測量生命體征。在一個實施方式中，用于測量生命體征的電子模塊位于殼體中，并且包括與處理器通信的多個生命體征感測模塊。該多個生命體征感測模塊包括選自以下模塊中的至少兩個模塊:心沖擊(BCG)模塊、光電容積描記(PPG)模塊(photoplethysmographic module)、加速度計模塊、溫度測量模塊、以及心電圖(ECG)模塊。在一個實施方式中，處理器響應于來自多個生命體征感測模塊的信號計算其他生命體征。在另一實施方式中，處理器從ECG模塊、BCG模塊、或PPG模塊測量心率。在另一實施方式中，處理器從ECG模塊、BCG模塊、或PPG模塊測量呼吸率。在另一實施方式中，處理器響應于來自加速度計模塊的信號確定方向和運動。在一個實施方式中，處理器響應于來自BCG模塊的信號測量心博量。在另一實施方式中，處理器響應于來自BCG模塊的信號導出心輸出量。在又一實施方式中，處理器響應于來自ECG模塊和BCG模塊的信號計算血壓。在又一實施方式中，處理器響應于來自ECG模塊和PPG模塊的信號計算血壓。在一個實施方式中，處理器響應于來自PPG模塊的信號計算血氧合。在另一實施方式中，處理器響應于來自溫度測量模塊的信號測量溫度。在另一實施方式中，處理器響應于來自ECG模塊和BCG模塊的信號計算射血前期的變化。
[0007]在另一實施方式中，電子模塊進一步包括播放模塊，用于響應于所測量和所計算的生命體征，向用戶提供信息。在一個實施方式中，播放模塊響應于可接受范圍外的所測量和所計算的生命體征向用戶提供信息。在一個實施方式中，播放模塊提供聽覺信息。在另一實施方式中，電子模塊進一步包括用于保存所記錄的數據的存儲模塊。在另一實施方式中，電子模塊進一步包括用于向基站發送數據的無線通信模塊。在另一實施方式中，基站響應于所測量和所計算的生命體征向用戶提供反饋。在另一實施方式中，基站響應于可接受范圍外的所測量和所計算的生命體征向用戶提供信息。在另一實施方式中，基站基于所測量和所計算的生命體征控制電子模塊的操作。在另一實施方式中，響應于ECG信號、BCG信號、PPG信號、以及加速數據中的一個或多個，處理器執行心率、呼吸率、和血壓中的一個或多個的誤差檢測。
[0008]在另一實施方式中，監視器進一步包括開關，響應于ECG數據，處理器使用該開關來打開和關閉BCG模塊和PPG模塊，以降低功耗。在另一實施方式中，監視器進一步包括開關，響應于BCG數據，處理器使用該開關來打開和關閉PPG模塊，以降低功耗。在另一實施方式中，監視器包括開關，響應于加速度計數據，處理器使用該開關來打開和關閉ECG模塊、BCG模塊、或PPG模塊，以降低功耗。在另一實施方式中，監視器使用ECG信號和BCG信號的互相關、或者ECG信號和PPG信號的互相關計算血壓。在另一實施方式中，監視器使用ECG信號、BCG信號、和PPG信號中的兩個的互相關計算心率。
[0009]在另一方面，本發明涉及一種PPG監視裝置。在一個實施方式中，PPG監視裝置包括:殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；以及位于殼體中的PPG模塊。PPG模塊包括:兩個具有不同波長的光源，被設置為向佩戴者耳朵附近的皮膚傳輸光；至少一個光電二極管，被設置為接收上述皮膚反射的光；以及第一放大器，與光電二極管通信，并提供第一放大器輸出信號。在另一實施方式中，PPG監視裝置包括與第一放大器通信的解調電路，其后面是采樣和保持電路。在另一實施方式中，PPG監視裝置包括具有不同于其他光源的波長的第三光源和第四光源。在另一實施方式中，PPG監視裝置包括與第一放大器通信的高通濾波器和第二放大器。在另一實施方式中，PPG監視裝置包括與第二放大器通信的采樣和保持電路。在PPG監視裝置的另一實施方式中，差分放大器與第一放大器通信，減去DC分量，并提供 發送到第二增益放大器的AC分量。在另一實施方式中，PPG監視裝置進一步包括與第一放大器通信的低通濾波器和高通濾波器。在另一實施方式中，其后面是解調器和低通濾波器的帶通濾波器與第一放大器通信。在PPG監視裝置的另一實施方式中，高通濾波器、低通濾波器、和帶通濾波器在軟件中實現。
[0010]本發明的另一方面涉及BCG監視裝置。在一個實施方式中，該BCG監視裝置包括具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀的殼體，并具有:兩個電容性電極，其放置在佩戴者頭部的乳突區中，以將機械運動轉換成電信號來感測頭部運動；以及位于殼體中的BCG模塊。在另一實施方式中,BCG監視器包括:差分信號放大器,其具有輸出端和兩個輸入端，每個輸入端都與對應的一個電容電極通信；以及模數轉換器，與差分信號放大器的輸出端通信。在另一實施方式中，BCG監視裝置進一步包括第三電極，其位于佩戴者的頭部的乳突區，以減少共模干擾信號。
[0011]在另一實施方式中，BCG監視裝置進一步包括與差分信號放大器的輸出端通信以減少干擾信號的濾波器。在另一實施方式中，BCG監視裝置進一步包括覆蓋兩個電容性電極的電屏蔽附加層，以減少干擾信號。在另一實施方式中，BCG監視裝置進一步包括感測頭部運動的加速度計。
[0012]本發明的另一方面涉及ECG監視裝置。在一個實施方式中，ECG監視裝置包括:殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；兩個干燥或基于凝膠的電極，設置在佩戴者頭部的乳突區，以感測ECG信號；以及位于殼體中的ECG模塊。在一個實施方式中，ECG模塊包括:差分信號放大器，具有輸出端和兩個輸入端，每個輸入端都與對應的一個干燥或基于凝膠的電極通信；以及模數轉換器，與差分信號放大器的輸出端通信。在另一實施方式中，ECG監視裝置進一步包括第三電極，其位于佩戴者頭部的乳突區，以減少共模干擾信號。在另一實施方式中，ECG監視裝置進一步包括濾波器，其與差分放大器的輸出端通信，以減少干擾信號。
[0013]本發明的另一方面涉及監視用戶的PPG的方法。在一個實施方式中，該方法包括以下步驟:設置殼體，該殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀。該殼體包括:至少兩個光源；光電二極管；與至少一個光電二極管通信并提供放大輸出信號的第一放大器；以及與放大輸出信號通信的模數轉換器。該方法還包括:將來自每個光源的光以交替的方式傳輸到佩戴者乳突區的皮膚；通過光電二極管接收從佩戴者頭部的乳突區的皮膚、組織、和骨骼反射的光；響應于從皮膚、組織、和骨骼反射的光，通過第一放大器放大通過光電二極管生成的信號，以生成放大輸出信號；以及濾波放大輸出信號以減少干擾。在PPG方法的另一實施方式中，在軟件中執行信號濾波。
[0014]本發明的另一方面涉及用于監視BCG的方法。在一個實施方式中，該方法包括:在佩戴者頭部的乳突區設置兩個電容電極，以通過將機械運動轉換成電信號來感測頭部運動；并且設置殼體，該殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀。在一個實施方式中，殼體包括:差分信號放大器，具有輸出端和兩個輸入端，每個輸入端都與兩個電容電極中對應的一個電氣通信，并且輸出端與模數轉換器通信。在一個實施方式中，BCG方法進一步包括以下步驟:通過在佩戴者頭部的乳突區中放置干燥電極來減少共模干擾信號。在另一實施方式中，BCG方法進一步包括濾波差分放大器的輸出信號，以減少干擾信號。
[0015]本發明的另一方面涉及用于監視BCG的另一方法。在一個實施方式中，用于測量BCG的方法包括以下步驟:設置包括感測頭部運動的加速度計的殼體，該殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀。在另一實施方式中，BCG方法進一步包括濾波加速度計的輸出，以減少干擾信號。
[0016]本發明的另一方面涉及監視ECG的方法。在一個實施方式中，該方法包括以下步驟:在佩戴者頭部的乳突區設置兩個電極；在用戶耳朵附近設置殼體，該殼體包括:信號放大器，其具有輸入端和其每個都與對應的一個電極通信的兩個輸入端；以及與放大器的輸出通信的模數轉換器。在另一實施方式中，ECG方法進一步包括以下步驟:在佩戴者頭部的乳突區設置第三電極并且使用第三電極來減少共模干擾信號。在另一方面，ECG方法進一步包括濾波差分放大器的輸出以減少干擾信號的步驟。在另一實施方式中，使用來自加速度計模塊的活動數據來校正ECG信號、BCG信號、和PPG信號中的一個或多個的活動偽像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]參照以下描述的附圖，可以更好地理解本發明的目標和特征。附圖未必按比例繪制；相反，重點是說明本發明的原理。在附圖中，在各視圖中始終使用標號來指示特定的部分。在引入與本公開相關的附圖時，這些附圖是基于本公開內的單個基準展開的。
[0018]圖1a和b是位于患者耳朵后面的本發明的裝置的實施方式的示意圖；
[0019]圖2是本發明系統實施方式的電子模塊的實施方式的框圖；
[0020]圖3是本發明的ECG模塊的實施方式的框圖；
[0021]圖4是本發明的BCG模塊的實施方式的框圖；
[0022]圖5是本發明的PPG模塊的實施方式的框圖；
[0023]圖5A是本發明的PPG模塊的另一實施方式的框圖；
[0024]圖6是用于確定用戶血液中的氧飽和度的方法的一個實施方式的步驟的流程圖；
[0025]圖7是將心率波形互相關以獲得心率測量的方法的實施方式的流程圖；
[0026]圖8A和8B是分別互相關ECG模塊的輸出以及BCG模塊和PPG模塊的輸出以獲得血壓的方法的實施方式的流程圖；
[0027]圖9是用戶 心率測量期間的誤差檢測方法的一個實施方式的步驟的流程圖；
[0028]圖10是用戶呼吸率測量期間的誤差檢測方法的一個實施方式的步驟的流程圖；
[0029]圖1lAUlB和IlC是用戶血壓測量的誤差檢測方法的一個實施方式的步驟的流程圖；
[0030]圖12到圖14是省電方法的實施方式的流程圖；以及
[0031]圖15是從各種波形中去除活動偽像的方法的框圖。
【具體實施方式】
[0032]以下的描述參考附圖，附圖使出了本發明的特定實施方式。可以有其他實施方式，并且在不背離本發明的精神和范圍的情況下，可以對實施方式作出修改。因此，以下的詳細描述無意限制本發明。相反，本發明的范圍由所附權利要求限定。
[0033]參照圖1a和b，簡單地介紹，描述了兩個實施方式，其中，裝置殼體2裝配在佩戴者耳后，并且由位于患者耳道中的耳塞4或者裝配在佩戴者耳朵上的耳夾4’固定到位。在所示出的實施方式中，電極導線6延伸超過殼體2，并且附著到安裝在佩戴者耳后、靠近佩戴者的乳突的電極。在另一實施方式中，電極內置于殼體2中，并且不延伸超過殼體2。
[0034]參照圖2，系統10的一個實施方式的電子器件包括與內存18電氣通信的處理器14以及兩個以上的專用數據模塊，該專用數據模塊包括但不限于心電圖(ECG)模塊22、心沖擊(BCG)模塊26、光電容積描記(PPG)模塊30、加速度計模塊34、以及溫度傳感器模塊
38。處理器14在內存18中存儲來自模塊的數據并且處理該數據以導出其他的生命體征。處理器14可選地包括數字濾波軟件44，用于在從模塊接收的信號沒有被預濾波的情況下使用，以減小干擾。處理器14可選地與播放模塊42 (其可以包括或者就是聲音播放器)、為用戶提供反饋的模塊46、以及無線模塊50 (全部由虛線所示)進行通信。另外，如果使用了無線模塊50，則到無線模塊50的數據可以直接傳輸到基站54或者通信到web60以用于到基站54的通信。
[0035]單獨考慮每個感測模塊，圖3中更詳細地示出了 ECG模塊22。在其最簡單的形式中，ECG模塊包括電極70，其可以是干燥或基于凝膠的。電極的輸出是到差分放大器74的一個輸入。第二電極70’的輸出是到差分放大器74的第二輸入。差分放大器74的輸出又是到模數(Α/D)轉換器78的輸入。A/D78的數字化波形輸出82通過數字通信信道通信到處理器14。
[0036]在另一實施方式中，模擬濾波器86、86’可以緊跟在第一和第二電極70、70’之后或者在差分放大器74之后(86”)放置在電路中。模擬濾波器86、86’、86”是去除DC和電力線干擾的陷波濾波器。在一個實施方式中，ECG電極70、70’的輸出輸入到對應的緩沖放大器92、92’，其輸出端連接至其對應的活性電極屏蔽96、96’，以減小來自環境的干擾。
[0037]在一個實施方式中，每個ECG電極的輸出是到信號平均器96的輸入，信號平均器96的輸出是共模信號，該共模信號是到負增益放大器100的輸入。負增益放大器100的共模放大輸出連接至可選的干燥或基于凝膠的電極104，以減小共模干擾。
[0038]類似地，圖4中示出了 BCG模塊26的一個實施方式。在該實施方式中，兩個BCG電極150、150’生成輸出信號,該輸出信號是到差分放大器154的輸入信號，差分放大器154的輸出是到Α/D轉換器158的輸入信號。A/D158的數字輸出被傳輸到處理器14作為數字化的數字BCG波形162。在一些實施方式中,模擬濾波器166、166’放置在每個電極150、150’之后或者差分放大器154之后(166”)。在一個實施方式中,BCG電極150、150’的輸出信號是到對應的緩沖放大器170、170’的輸入信號，緩沖放大器170、170’的輸出端連接至其對應的活性電極屏蔽174、174’。
[0039]在一個實施方式中，每個BCG電極150、150’的輸出是到平均器180的輸入，平均器180的輸出是到負增益放大器184的輸入。如上所述，負增益放大器184的輸出連接至第三干燥或基于凝膠的 電極188，以減小干擾。
[0040]參照圖5，PPG模塊30的實施方式包括光電檢測器200，其輸出是到跨阻放大器204的輸入。跨阻放大器204的輸出是Α/D轉換器212的輸入，Α/D轉換器212的PPG波形輸出被通信到處理器14。在一個實施方式中，跨阻放大器204的輸出是到解調器208的輸入。解調器用于分離來自下文中描述的LED照明器的紅色信號和紅外線信號，使得其可以被單獨濾波。解調器的兩個輸出信號是到兩個對應的模擬濾波器216、216’的輸入信號，并且模擬濾波器216、216’的輸出信號是到Α/D轉換器212的輸入。Α/D轉換器212的PPG波形輸出220再次被通信到處理器224。
[0041]參照圖5A，在另一實施方式中，跨阻放大器204的輸出是到帶通模擬濾波器217的輸入信號。帶通模擬濾波器216的輸出是到解調器208的輸入，并且解調器208的輸出又是到低通模擬濾波器219的輸入。低通模擬濾波器219的輸出信號是到Α/D轉換器212的輸入。Α/D轉換器212的PPG波形輸出220再次被通信到處理器224。
[0042]在不使用解調器208的情況下，從第一放大器直接獲得輸出，并將其傳輸到在軟件中對信號進行濾波和解調的處理器。
[0043]微處理器224還向多路復用器232提供輸出控制信號，以導通和斷開紅色和紅外線發光二極管236。微處理器224還向LED驅動器提供控制信號，以控制通過紅色和IR LED的電流。
[0044]通過獲得來自PPG模塊30的PPG波形信號并且檢測每個波長的波峰/波谷的振幅t匕(步驟30、34)來測量用戶的氧合(圖6)。然后處理這兩個比(步驟38)，以獲得這兩個比率之比(R)。然后計算(步驟42)氧飽和度，其等于校準常數(k4)減去[第二校準常數(k5)的(R)倍]。
[0045]在一個實施方式中，在門診導出校準常數(k4)和(k5)。在佩戴裝置時，佩戴者配備有放置在橈動脈中的動脈留置插管。獲取血液樣本并用CO-血氧儀(黃金標準血氧測量裝置)進行分析，以確定佩戴者的功能性血紅蛋白水平。一旦證實了功能性血紅蛋白水平高，則為佩戴者配備一個或多個血氧儀探頭。佩戴者呼吸氧氣/混合氣。該混合物首先富含氧氣，以確保佩戴者的血氧合是100%。然后從混合物中逐漸減少氧氣，并且一旦在每個水平都獲得了穩定的血氧儀讀數，則獲取血液樣本，以比較從血氧儀與實際血氧合生成的Rt匕。然后，通過使用血氧與R比的最佳擬合曲線來校準血氧儀，該最佳擬合曲線使用常數k4和k5。
[0046]在接收到來自各模塊的信號時，處理器14處理這些信號，以確定生命體征。例如，處理器14可以從來自ECG模塊22、BCG模塊26、和/或PPG模塊30的信號確定用戶的心率。在每種情況下，處理器14使用峰值檢測來確定來自ECG模塊22的信號、來自BCG模塊26的信號或來自PPG模塊30的信號中的峰值，這視情況而定。處理器14然后用六十秒除以兩個峰值之間的時間段，以獲得心率。
[0047]參照圖7，在另一實施方式中，使用時域的ECG、BCG、和PPG波形中的兩個的互相關來計算心率。在該實施方式中，兩個波形是互相關的(步驟100)。測量互相關結果中的相鄰峰值之間的平均時間(步驟104)，并且用六十秒除以相鄰峰值之間的平均時間來計算心率(步驟106)。通過檢測在一分鐘窗口內來自給定模塊的信號包絡的振動數，可以由處理器14從來自ECG模塊22、BCG模塊26、以及PPG模塊30的信號來確定用戶的呼吸率。
[0048]參照圖8A，通過互相關ECG和BCG波形(步驟150)并且確定最高峰值的時間延遲(步驟154)來計算用戶的血壓。將該時間延遲定義為RJ間隔，處理器14然后確定RJ間隔是否大于零并且小于 一除以心率(步驟158)。如果不滿足該條件，則直接丟棄數據(步驟162)。如果滿足了該條件，則記錄RJ間隔。通過使用校準參數k2_l和k2_2的線性內插/外推，計算血壓。
[0049]可選地，可以通過互相關ECG和PPG波形(步驟180)并且確定最高峰值的時間延遲(步驟184)來計算用戶的血壓(圖SB)。將該時間延遲定義為脈沖到達時間(PAT)，處理器14然后確定脈沖到達時間是否大于零并且小于一除以心率(步驟188)。如果不滿足該條件，則直接丟棄數據(步驟192)。如果滿足了該條件，則記錄PAT。通過使用校準參數k3_l和k3_2的線性內插/外推，計算血壓。
[0050]為了確定校準常數(k2和k3)，使用標準袖帶血壓測量方法測量佩戴者的收縮血壓(SBP)，并將這輸入裝置作為SBP-1。然后，同樣如上所述記錄記錄的RJ間隔(RJ-1)和脈沖到達時間PAT-1。然后，使用袖帶BP方法進行另一收縮血壓測量SBP-2，并且將SBP-2輸入裝置。SBP-2與SBP-1必須相差IOmmHg。如果SBP-2按要求與SBP-1不同，則還測量第二 RJ間隔(RJ-2)和脈沖到達時間PAT-2。
[0051]將數據擬合到使用SBP-1、RJ-U SBP-2、和RJ-2的RJ間隔線性模型。之后，測量斜率(k2_l)和偏移(k2_2)參數。然后，將脈沖到達時間擬合到使用SBP-l、PAT-l、SBP-2、和PAT-2的線性模型。再次測量斜率(k3_l)和偏移(k3_2)參數。使用該數據，所有未來測量的RJ間隔都通過使用k2_l和k2_2的線性內插/外推被映射到SBP，并且所有未來測量的脈沖到達時間通過使用k3_l和k3_2的線性內插/外推被映射到SBP。
[0052]將心臟的射血前期(PEP)定義為從心臟的室間隔肌去極化到主動脈瓣打開之間的延遲。PEP可以用于確定心臟的收縮和肌肉健康。從ECG和BCG獲得的RJ間隔的相對變化可以用于趨近PEP的相對變化。
[0053]處理器14還從來自BCG模塊26的波形導出患者的相對心博量。處理器14檢測BCG波形中的峰值并且測量該峰值的振幅。通過加速度計值確定的佩戴者靜止時的心博量設置為等于BCG波形中的峰值振幅。相對于該靜止時的心博量，報告非靜止時的所有其他心博量。從用戶的相對心博量(如上所述)和用戶的心率導出患者的相對心輸出量。相對心輸出量等于相對心博量乘以心率。
[0054]參照圖9，為了確定在心率測量時是否有誤差，處理器14從諸如ECG模塊22、BCG模塊26、或PPG模塊30的心率信號的源獲得固定時間窗口內的波形數據。處理器14然后確定信噪比(S/N)是否足夠(步驟300)，并且如果不是，則將數據丟棄(步驟304)并收集其他數據。在一個實施方式中，如果信號水平是噪聲的大約1.5倍，則認為S/N比足夠。如果S/N比足夠，則對波形執行峰值檢測(步驟308)。在一個實施方式中，如果因為相比于前一時間窗口檢測了太多或太少的峰值(步驟312)，則該峰值檢測不是基本上無誤差，也將數據丟棄(步驟304)并收集其他數據。如果峰值檢測基本上無誤差，則進行心率計算(步驟316)。
[0055]類似地，參照圖10，為了確定在呼吸率測量中是否有誤差，處理器14從諸如ECG模塊22、BCG模塊26、或PPG模塊30的呼吸率信號的源獲得波形數據。如上所述，處理器14然后確定信噪比(S/N)是否足夠(步驟320)，如果不足夠，則丟棄數據(步驟324)并收集其他數據。如果S/N比足夠，則對波形執行包絡檢測(步驟328)。如上所述，如果包絡檢測不是基本上無誤差(步驟332)，則丟棄數據(步驟324)并收集其他數據。如果包絡檢測基本上無誤差，則進行呼吸率計算(步驟336)。
[0056]參照圖11 (A、B、C)，為了確定在血壓測量中是否有誤差，處理器14從諸如ECG模塊22、BCG模塊26、和PPG模塊30的心率信號的源獲得波形數據。處理器14然后確定信噪t匕(S/N)是否足夠(步驟350、350’、350”)，如果不足夠，則丟棄數據(步驟354、354’、354”)并收集其他數據。如果3/^比足夠，則對波形執行峰值檢測(步驟358、358’、358”)。如果峰值檢測不是基本上無誤差(步驟362、362’、362”)，則將數據丟棄(步驟304)并收集其他數據。如果峰值檢測基本上無誤差，則處理器14將來自ECG模塊22的峰值檢測信息用作到RJ間隔測量算法(步驟366)和脈沖到達時間測量算法(步驟370)的輸入。來自BCG模塊26的峰值檢測結果信號是到RJ間隔算法的第二輸入(步驟366)，而來自PPG模塊26的峰值檢測結果信號是到脈沖到達時間算法的第二輸入(步驟370)。處理器14然后計算血壓(步驟374)，其是從RJ間隔計算的血壓(bpl)的平均和從脈沖到達時間計算的血壓(bp2)的平均。
[0057]為了減小系統消耗的電量，在各種情況下，可以關閉多種模塊。在一個實施方式中(圖12)，ECG波形經歷峰值檢測(步驟400)。一旦檢測到峰值，就將BCG模塊關閉或者在已經關閉的情況下在一個時間段(tBra)內保持關閉(步驟408)。在該時間段(tBra)結束時，在一個時間段(tBa；2)內將BCG模塊打開(步驟412)，之后，再次將BCG模塊關閉。如果在時間段(tBa2)內檢測到峰值(步驟416)，則不需要重新校準(步驟427)，并且重復該循環，在BCG模塊保持關閉的時間內省電。另一方面，如果在BCG信號中沒有檢測到峰值，則期間BCG模塊關閉的時間段(tBra)太長，或者期間BCG模塊打開的時間段(tBa2)太短。在任何一種情形中，都改變這兩個時間段(步驟426)并且重復該過程。[0058]類似地，對于PPG模塊，一旦在ECG中檢測到峰值，就將PPG模塊關閉或者在已經關閉的情況下在一個時間段(tPPei)內保持關閉(步驟404)。在該時間段(tPra)結束時，在一個時間段(tprc2)內將PPG模塊打開(步驟418)，之后，再次將PPG模塊關閉。如果在時間段(tPPe2)內檢測到峰值(步驟422)，則不需要重新校準(步驟423)，并且重復該循環，在PPG模塊保持關閉的時間內省電。另一方面，如果在PPG信號中沒有檢測到峰值，則期間PPG模塊關閉的時間段(tPPei)太長，或者期間PPG模塊打開的時間段(tPPe2)太短。在任何一種情形中，都改變這兩個時間段(步驟430)并且重復該過程。
[0059]參照圖13，如果使用BCG信號而不是ECG信號來控制PPG模塊來省電，則過程與剛剛討論的過程類似。一旦在來自BCG模塊的信號中檢測到峰值(步驟500)，就將PPG模塊關閉或者在已經關閉的情況下在一個時間段(tPPe3)內保持關閉(步驟504)。在該時間段(tPPG3)結束時，在一個時間段(tPPG2)內將PPG模塊打開(步驟508)，之后，再次將PPG模塊關閉。如果在時間段(tPPe2)內檢測到峰值(步驟512)，則不需要重新校準(步驟513)，并且重復該循環，在PPG模塊保持關閉的時間內省電。另一方面，如果在PPG信號中沒有檢測到峰值，則期間PPG模塊關閉的時間段(tPPe3)太長，或者期間PPG模塊打開的時間段(tPPe2)太短。在任何一種情形中，都改變這兩個時間段(步驟516)并且重復該過程。
[0060]在第三實施方式(圖14)中，系統確定用戶的移動是否太快而不允許生命體征的精確測量。為此，檢查來自加速度計模塊34的數據，以確定患者移動的幅度是否太大而不能進行精確測量(步驟600)。如果情況并非如此，則將關閉的ECG、BCGjP PPG模塊中的任一個打開(步驟604)。此時，算法確定ECG波形(步驟608)、BCG波形(步驟612)、和PPG波形(步驟616)是否超過了一個或多個預定噪聲閾值。如果對于給定模塊事實如此，則該模塊關閉(步驟620、步驟624、步驟628)。否則，分別在步驟621、625、和629將ECG、BCG、和PPG模塊中的每個打開。
[0061]參照圖15，處理 器14可以使用來自加速度計34的活動數據300用自適應濾波器302從ECG模塊304、BCG模塊308、和/或PPG模塊312的波形去除活動偽像。然后每當計算要求波形時，使用所得到的校正的ECG316、BCG320、和PPG324波形。
[0062]應當明白，已經簡化了本發明的附圖和說明書，以說明與本發明的清楚理解相關的元件，同時為了清楚起見，省略了其他元件。然而，本領域普通技術人員將認識到，這些和其他元件可以是可取的。然而，由于這種元件在本領域中是公知的，并且其不利于更好地理解本發明，因此文中沒有提供這種元件的討論。應當理解，給出了附圖用于說明性目的，并不是作為構造圖紙。所省略的細節和修改或者替代實施方式在本領域普通技術人員的見識范圍內。
[0063]應當理解，在本發明的特定方面，單個部件可以用多個部件代替，并且多個部件可以用單個部件代替，以提供元件或結構或者執行給定的一個或多個功能。除非這種代替不可操作來執行本發明的特定實施方式，否則認為這種代替在本發明的范圍內。
[0064]文中給出的實例旨在說明本發明的潛在和【具體實施方式】。應當理解，實例旨在主要用于為本領域普通技術人員說明本發明。在不背離本發明的精神的情況下，對于文中描述的這些附圖或操作可以有變形。例如，在特定情形中，可以以不同順序來進行或執行方法步驟或操作，或者可以添加、刪除、或修改操作。
[0065]此外，已經描述了本發明的特殊實施方式用于說明本發明的目的而不是限制本發明的目的，本領域普通技術人員將會理解，在不背離如權利要求中描述的本發明的情況下，在本發明的原理和范圍內，可以對元件、步驟、結構、和/或部分的細節、材料、和布置作出各種變化。
[0066]在不背離所要求的本發明的精神和范圍的情況下，對于本領域普通技術人員來說，對于文中所描述的內容將會有變形、修改、和其他實現方式。因此，本發明不是由前文的說明性描述來限定，而是由所附的權利要求的精神和范圍限定。
【權利要求】
1.一種用于在耳朵附近佩戴的生命體征監視器，所述監視器包括: 殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；以及 電子模塊，用于測量生命體征，用于測量生命體征的所述電子模塊位于所述殼體中，并且包括: 多個生命體征感測模塊，所述多個生命體征感測模塊包括選自包括心沖擊(BCG)模塊、光電容積描記(PPG)模塊、加速度計模塊、溫度測量模塊以及心電圖(ECG)模塊的組的至少兩個模塊；以及 處理器，與所述多個生命體征感測模塊電通信，所述處理器響應于來自所述多個生命體征感測模塊的信號，計算其他的生命體征。
2.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器從所述心電圖模塊、所述心沖擊模塊、或所述光電容積描記模塊測量心率。
3.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器從所述心電圖模塊、所述心沖擊模塊、或所述光電容積描記模塊測量呼吸率。
4.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述加速度計模塊的信號確定方向和運動。
5.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述心沖擊模塊的信號測量心博量。
6.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述心沖擊模塊的信號導出心輸出量。·
7.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述心電圖模塊和所述心沖擊模塊的信號計算血壓。
8.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述心電圖模塊和所述光電容積描記模塊的信號計算血壓。
9.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述光電容積描記模塊的信號計算血氧合。
10.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述溫度測量模塊的信號測量溫度。
11.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述電子模塊進一步包括用于響應于所測量和所計算的生命體征向用戶提供信息的視覺或聽覺播放模塊。
12.根據權利要求11所述的監視器，其中，所述用戶是佩戴者。
13.根據權利要求11所述的監視器，其中，所述播放模塊響應于可接受范圍外的所測量和所計算的生命體征向所述用戶提供信息。
14.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述電子模塊進一步包括用于保存所記錄的數據的存儲模塊。
15.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述電子模塊進一步包括用于向基站發送數據的無線通信模塊。
16.根據權利要求15所述的監視器，其中，所述基站響應于所測量和所計算的生命體征向用戶提供反饋。
17.根據權利要求15所述的監視器，其中，所述基站響應于可接受范圍外的所測量和所計算的生命體征向用戶提供信息。
18.根據權利要求15所述的監視器，其中，所述基站基于所測量和所計算的生命體征控制所述電子模塊的操作。
19.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于來自所述心電圖模塊和所述心沖擊模塊的信號計算在射血前期中心臟的相對變化。
20.根據權利要求1所述的監視器，其中，所述處理器響應于所述心電圖信號、所述心沖擊信號和所述光電容積描記信號中的一個或多個，執行心率、呼吸率和血壓中的一個或多個的誤差檢測。
21.根據權利要求1所述的監視器，進一步包括在所述處理器的控制下，用于響應于心電圖數據打開和關閉所述心沖擊模塊和所述光電容積描記模塊以降低功耗的開關。
22.根據權利要求1所述的監視器，進一步包括在所述處理器的控制下，用于響應于心沖擊數據打開和關閉所述光電容積描記模塊以降低功耗的開關。
23.根據權利要求1所述的監視器，進一步包括在所述處理器的控制下，用于響應于加速度計數據打開和關閉所述心電圖模塊、所述心沖擊模塊、或所述光電容積描記模塊以降低功耗的開關。
24.根據權利要求1所述的監視器，其中，使用所述心電圖信號和所述心沖擊信號的互相關、或者所述心電圖信號和所述光電容積描記信號的互相關計算血壓。
25.根據權利要求1所述的監視器，其中，使用所述心電圖信號、所述心沖擊信號和所述光電容積描記信號中的兩個的互相關計算心率。
26.—種PPG監視裝置，包括: 殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；以及PPG模塊，位于所述殼體中，并且包括: 兩個具有不同波長的光源，被設置為向所述佩戴者耳朵附近的皮膚傳輸光； 光電二極管，被設置為接收從所述佩戴者耳朵附近的皮膚反射的光；以及 第一放大器，與所述光電二極管通信，并提供第一放大器輸出信號。
27.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，進一步包括與所述第一放大器通信的解調器電路。
28.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，進一步包括具有不同于所述其他光源的波長的第三光源和第四光源。
29.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，進一步包括高通濾波器和第二放大器，其中，所述第一放大器與所述高通濾波器以及所述第二放大器通信。
30.根據權利要求29所述的PPG監視裝置，進一步包括與所述第二放大器通信的采樣和保持電路。
31.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，其中，與所述第一放大器通信的差分放大器減去DC分量，并且提供發送到所述第二增益放大器的AC分量。
32.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，進一步包括與所述第一放大器通信的低通濾波器。
33.根據權利要求29所述的PPG監視裝置，其中，在軟件中實現所述高通濾波器。
34.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，進一步包括:具有不同波長的兩個額外光源，被選擇來監視功能性氧合血。
35.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，進一步包括: 與所述第一放大器通信的帶通濾波器； 與所述帶通濾波器通信的解調器；以及 與所述解調器通信的低通濾波器。
36.根據權利要求26所述的PPG監視裝置，其中，在軟件中實現所述濾波器。
37.一種BCG監視裝置，包括: 殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；以及 兩個電容性電極，設置在佩戴者耳朵附近，以將機械運動轉換成電信號；以及 BCG模塊，位于所述殼體中，并且包括: 差分信號放大器，具有輸出端和兩個輸入端，每個輸入端都與對應的一個所述電容性電極通信；以及 模數轉換器，與所述差分信號放大器的所述輸出端通信。
38.根據權利要求37所述的BCG監視裝置，進一步包括:第三電極，位于佩戴者的頭部的乳突區，以減少共模干擾信號。
39.根據權利要求37所述的BCG監視裝置，進一步包括:濾波器，與所述差分信號放大器的所述輸出端通信，以減少干擾信號。
40.根據權利要求37所述的BCG監視裝置，進一步包括覆蓋所述兩個電容性電極的電屏蔽附加層，以減少干擾信號。
41.根據權利要求37所述的BCG監視裝置，進一步包括感測頭部運動的加速度計。
42.一種ECG監視裝置，包括: 殼體，具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；以及 兩個干燥或基于凝膠的電極，設置在佩戴者耳朵附近以檢測所述佩戴者的ECG ;以及 ECG模塊，位于所述殼體中，并且包括: 差分信號放大器，具有輸出端和兩個輸入端，每個輸入端都與對應的一個干燥或基于凝膠的電極通信；以及 模數轉換器，與所述差分信號放大器的所述輸出端通信。
43.根據權利要求42所述的ECG監視裝置，進一步包括:第三電極，位于佩戴者頭部的乳突區，以減少共模干擾信號。
44.根據權利要求42所述的ECG監視裝置，進一步包括:濾波器，與所述差分放大器的所述輸出端通信，以減少干擾信號。
45.一種監視用戶的PPG的方法，包括: 設置殼體，所述殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀；所述殼體包括: 至少兩個光源； 至少一個光電二極管； 與所述至少一個光電二極管通信并提供放大輸出信號的第一放大器；以及 與所述放大輸出信號通信的模數轉換器； 將來自每個所述光源的光以交替的方式傳輸到所述佩戴者乳突區的皮膚； 通過所述光電二極管接收從所述佩戴者頭部的乳突區的皮膚、組織和骨骼反射的光；響應于從所述皮膚、組織和骨骼反射的光，通過所述第一放大器放大由所述光電二極管生成的信號，以生成放大輸出信號；以及濾波所述放大輸出信號以減少干擾。
46.根據權利要求45所述的PPG方法，其中，在軟件中執行所述信號濾波。
47.一種用于監視BCG的方法，所述方法包括: 在佩戴者頭部的乳突區放置兩個電容性電極，以通過將機械運動轉換成電信號來感測頭部運動； 設置殼體，所述殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀，所述殼體包括:差分信號放大器，具有輸出端和兩個輸入端，每個輸入端都與所述兩個電容性電極中對應的一個電通信，并且所述輸出端與模數轉換器通信。
48.根據權利要求47所述的BCG方法，進一步包括以下步驟:通過在佩戴者頭部的乳突區中放置干燥電極來減少共模干擾信號。
49.根據權利要求47所述的BCG方法，進一步包括:濾波所述差分放大器的輸出信號，以減少干擾信號。
50.一種監視BCG的方法，所述方法包括: 設置殼體，所述殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀，所述殼體包括感測頭部運動的加速度計；以及感測用戶的頭部運動。
51.根據權利要求50所述的BCG方法，進一步包括:濾波所述加速度計的輸出，以減少干擾信號。
52.一種用于監視ECG的方法，所述方法包括: 在佩戴者頭部的乳突區中設置兩個電極； 設置殼體，所述殼體具有用于裝配在佩戴者耳朵附近的尺寸和形狀，所述殼體包含:信號放大器，具有兩個輸入端，每個所述輸入端都與對應的一個所述電極通信，所述放大器具有輸出端；以及 模數轉換器，與所述放大器的輸出通信。
53.根據權利要求52所述的ECG方法，進一步包括:在佩戴者頭部的乳突區設置第三電極并且使用所述第三電極來減少共模干擾信號。
54.根據權利要求52所述的ECG方法，進一步包括:濾波所述差分放大器的輸出，以減少干擾信號。
55.根據權利要求54所述的方法，其中，使用來自所述加速度計模塊的活動數據，校正所述ECG信號、所述BCG信號以及所述PPG信號中的一個或多個中的活動偽像。
【文檔編號】A61B5/024GK103596492SQ201180069445
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2011年6月22日 優先權日:2011年2月9日
【發明者】大衛·達·賀, 埃里克·S·威諾克, 查爾斯·G·索迪尼 申請人:麻省理工學院