[发明专利]长时间微功耗多光强近红外光测量方法

说明书

长时间微功耗多光强近红外光测量方法，采用不同光强分时发光方式，在保证测量要求的情况下有效降低系统平均功耗，用较低光强和较高频率获得需要高采样率采集的浅层信息，用较高光强和较低频率获得低频深层信息。为了进一步降低系统功耗，提出了采集过程中对光接收和放大电路的优化控制方案，在不需要进行数据采集时，相应部分进入低功耗模式。通过不同光强分时发光和光接收和放大电路的功耗优化，可显著降低整个测量过程中的能量消耗，满足能量有限情况下，利用近红外光进行长时间生理监测的需要。本发明方法可用于利用近红外光对人体进行长时间连续生理监测的可穿戴设备开发。

技术领域

本发明涉及生物医学测量领域，特别涉及长时间微功耗多光强近红外光测量方法。

背景技术

波长在650～950nm的近红外光(NIR)能穿透一定深度的人体组织，可用于对人体生理过程进行测量与监测。NIR测量相对于功能磁共振成像(fMRI)、计算机断层扫描(CT)等测量技术，具有无电离辐射、低成本、抗运动干扰能力强、可进行长时间连续测量等突出优点，在临床医学和生命科学等领域得到广泛应用。

NIR测量的基本原理是，人体内的不同物质对不同波长的光具有特定吸收和散射特性，当发光元件发出近红外光通过体表进入人体后向四面八方散开，部分光线在人体内部被吸收，未被吸收光线从体表射出，通过位于体表的光接收器可感知到。NIR的探测深度与发光元件和光接收器的直线距离及发光强度有关，直线距离较近的发光元件—光接收器对只能探测距体表较浅的部位，直线距离较远的发光元件—光接收器对可以探测距体表较深的部位。为了保证光接收器感知到信号有良好的信噪比，测量时必须要使NIR的发光强度足够强，以避免过度衰减。测量过程中，NIR近似按指数规律衰减，这意味着探测较深部位比探测较浅部位需要的光强要大得多。NIR测量有透射式和反射式两种方式，反射式可以用距发光元件不同距离的多个光接收器同时测量不同深度组织的生理信息。

目前，NIR技术主要应用于基础医学、临床医学和生命科学领域，在临床上一个典型应用是利用双波长近红外光测量动脉血随心脏搏动的变化，以大于100Hz的采样率采集动脉光容积波，以此为基础计算动脉血氧饱和度和心率。在基础医学和生命科学领域，一个典型应用是测量大脑皮层的血液动力学特性，由于血液动力学信号变化较为缓慢，可以用低于1Hz的采样率进行测量。当需要对于动脉血氧饱和度和大脑皮层血液动力学信号进行同时测量时，一般使用独立设备组合完成，而且往往不考虑功耗问题。

随着集成电路和互联网等技术的进步和发展，以及人们对健康问题的日益重视，近年来，用于医院和家庭的可穿戴健康监测装置呈现出前所未有的快速发展势头。由于利用近红外光可以测量包括体表动脉的血氧饱和度、心率、呼吸率、大脑皮层的血液动力学信号等多种生理信息，而且具有无电离辐射、低成本、抗运动干扰能力强、可进行长时间连续测量等突出优点，是开发可穿戴健康监测装置的理想选择(如可开发用于睡眠质量评价或睡眠呼吸暂停综合症诊断的连续监测装置)。但是，近红外光技术与其他技术相比，一个明显缺点是测量过程中需要发光(如测量大脑皮层的血液动力学信号时需要高达100mA的电流)，而可穿戴装置对体积要求十分苛刻且常常以长时间连续模式工作，供电电池一般选择能量十分有限的纽扣电池，如何优化测量过程中的能量消耗是开发相关产品需要解决的首要问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供长一种时间微功耗多光强近红外光测量方法，在用近红外光对人体进行长时间生理监测时，系统整体功耗中发光元件功耗占很大比例，为了同步测量不同深度组织信息并尽可能降低能量消耗，可以采用不同光强分时发光方式，如用较低光强和较高频率获得浅层信息，用较高光强和较低频率获得深层信息。测量过程中，系统主要功耗包括不同光强测量时发光元件的功耗，以及测量过程中光接收与放大电路的功耗，如公式1所示：