基于拜尔滤镜的多光谱PPG设备及其应用的制作方法

本发明涉及一种光电容积脉搏波(photoplethsmography，简称为ppg)设备以及该设备的应用。

背景技术：

光电容积脉搏波(photoplethsmography，简称为ppg)已用于可穿戴的专业医疗设备(如手指血氧仪——fingeroximeter)监测心率、呼吸率和血氧饱和度等生理指标。其中，多光谱光电容积脉搏波(multi-wavelengthppg)的基础作用尤为重要，可同时监测不同波段下的脉搏波信号(ppg)。不同波段的脉搏波能反映出不同的人体生理特征，如绿光波段的心率信号最强；红外波段对血氧(bloodoxygensaturation)的变化最为敏感。不同波段信号(如蓝光和红外光)之间的信号相位差可计算脉搏波的传输时间(pulsetransittime)和血压。因此，在多个波段下(可见光和红外光)下同时摄取ppg信号有重要的医学意义和应用价值。此外，多光谱ppg(可见光和红外光)不仅增加了可测量的生理信号，而且增加了单个信号监测的鲁棒性，如通过多通道融合降噪的信号处理方法。

目前市面上较为成熟的可穿戴生理监测产品多为两类：(1)ecg：单纯通过ecg监测心率、心率变异性，但无法监测血氧饱和度(原理上不允许)。因此ecg在可监测的生理指标数量上有局限性。(2)ppg(如手指血氧仪，运动手环)：通过绿色波段监测心率，红色和红外双波段监测血氧饱和度。ppg信号容易受运动干扰和环境光干扰。

如图1所示，目前现有的多光谱ppg设备包括与波段数量相对应的光源1，例如图1所示有4个光源1，对应发出4束不同波段的光，4束不同波段的光的光谱如图2所示。4束不同波段的光输入人体皮肤2后从人体皮肤2反射(或投射出来)后，由光学传感器3接收。若需要在现有的多光谱ppg设备上增加额外波段或改变已有波段，需要增加或修改光源，重新设计光学硬件和芯片以及多通道信号的采集方式。同时，设备本身的体积也会随光源数量的增加而增加，使小型化、便携式的应用更为困难。而且，每次增加或修改光谱波段会带来人力、物力和时间成本上的消耗。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：传统多光谱ppg的光学构造(多个独立光源)不适合多波段的扩展和选择，而根据监测信号的具体需求，通常需要额外增加或修改光源，现有的多光源的模式限制了研究、开发和应用的自由度。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备，其特征在于，包括：

仅用于发出单束宽带白光的光源设备，光源设备发出的单束宽带白光射入人体皮肤；

拜尔滤镜，用于将从皮肤反射或透射的宽带白光分解为多束窄带波段的光，通过增加或改变拜尔滤镜颜色模式的方式来增加或切换波段以满足多光谱ppg对波段的具体需求；

光学传感器，用于接收从拜尔滤镜射出的多束窄带波段的光。

优选地，所述单束宽带白光的连续波段为450nm-950nm。

优选地，所述拜尔滤镜是排列在光传感元件的像素方格之上的颜色滤波阵列。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备的应用，其特征在于，应用在可便携式穿戴设备上。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备的应用，其特征在于，上述的基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备单独用于监测多项生理信号。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备的应用，其特征在于，上述的基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备与ecg和/或eeg一起用于监测多项生理信号。

本发明提出的基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备采用单光源模式，用滤镜阵列单束白光分解为不同的波段。根据对波段的具体需求，可通过增加或改变滤镜颜色模式的方式来增加或切换波段，很大程度上增加了多光谱监测的灵活性和自由度。在实际的研究和应用中，本发明能满足厂商用户对波段的不同需求，而且对滤镜的修改比对光源的修改更为方便简易，降低了人力物力和时间成本。本发明提供的技术方案属于光学硬件架构创新，容易检测是否在产品中被使用，具有实际应用和保护价值。

附图说明

图1为目前现有的多光谱ppg设备示意图；

图2为目前现有的多光谱ppg设备的光源光谱示意图；

图3为本发明提供的一种基于拜尔滤镜的多光谱ppg设备的结构示意图；

图4为本发明所使用的单束宽带白光的光谱示意图；

图5及图6示意了通过改变或增加拜尔滤镜的颜色模式，可任意将单束宽带白色波段分成不同的窄带波段，以满足多光谱ppg对波段数量和具体波段设置的需求。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明目的是取代现有多光谱ppg的多光源监测方式，提高对波段增加或修改的自由度和灵活度。本发明通过拜尔滤镜将单束宽带白光分为多个窄带波段，在分开的波段下对ppg进行同步测量。增加或更替波段只需改变拜尔滤镜的颜色模式即可，不需像传统方法一样增加或修改光源，节省研究开发中的人力物力和时间成本。

如图3所示，具体而言，本发明主要由以下三个模块构成：光源4、拜尔滤镜5及光学传感器3。

光源1：和如图1所示的传统方案采用多个独立(窄带)光源的方式不同，本发明使用单束宽带白光光源4，如图4所示，射出的光包括的连续波段为450nm-950nm(可见光和红外光)。

拜尔滤镜5：位于光学接收器一侧，拜尔滤镜5将从人体皮肤2反射(或透射)的宽带白光分解为多个窄带波段的光，之后再发送给光学传感器3。拜尔滤镜5是一种类似马赛克的滤色阵列，排列在光传感元件的像素方格之上。目前已广泛应用在摄像头等使用单晶片数位感光元件的成像设备以生成彩色图像。当白色光打入拜尔滤镜5后，会被拜尔滤镜5上预置的颜色滤波阵列分为不同的窄带光，之后再进入感光元件。通用rgb摄像头的滤色阵列为rggb(50％绿色，25％红色，25％蓝色)。根据所需监测的生理信号(心率、血氧或血压)，本发明可通过改变或增加滤镜的颜色模式，以满足多光谱ppg对波段(数量和位置)的需求，如图5及图6所示。例如：在血氧饱和度的监测下，需求为红光和红外光，本发明可将rggb的拜尔模式更改为r-ir1-ir2-ir3，即一个红色通道(650nm)，第一个红外通道(750nm)，第二个红外通道(900nm)和第三个红外通道(940nm)。

光学传感器3：和传统光学传感器类似，该部分采用一个光学传感器阵列。

本发明根本性地改变了多光谱的光学处理结构，使多光谱ppg的波段修改或增加更加方便简易。本发明采用拜尔滤镜(bayerfilter)将入射皮肤后的单束宽带白光分为多个窄带波段进行多波段ppg监测。更替或增加波段只需改变拜尔滤镜的颜色模式即可，可大幅提升设备的灵活度和自由度。和传统多光谱ppg设备相比，本发明不需要增加光源或修改硬件结构，只需改变滤镜即可完成对光谱的重置。且修改滤镜的时间成本和技术成本低廉，已广泛用于摄像头技术。本发明可支持多波段的ppg信号监测，具体波段的选择可由实际应用和具体需求决定。监测的多光谱ppg信号可用于计算多个生理指标，如心率、心率变异性、呼吸率、血氧饱和度、血压变化/血压等，实现连续、无创、动态的生理监测。本发明可用于专业医疗设备和保健产品，通过心率、呼吸、血氧与血压等生理指标的动态监测，从而应用于疾病预测(如新冠肺炎)、慢病管理(如睡眠呼吸暂停综合征(阻塞性，中枢神经性，混合性)、心血管疾病)、重症监护、老年人及新生儿等。

具体而言，本发明提供的技术方案适用于以下场景：

专业医疗设备：针对某类患者进行长期连续的生理监测和报告，如心血管疾病、心肺功能障碍/康复、睡眠呼吸暂停综合征(阻塞性，中枢神经性，混合性)，重症监护(icu)、心脏病监护(ccu)，术后监护等。

家用保健设备：为某类特殊人群或在特定场景下提供生理监测，如老年人、幼儿、打鼾者、慢病监测或有相关需求的群体。