CN1929890A - 脉冲血氧计中的led正向电压估计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于确定一脉冲血氧计中的LED的正向电压是否在预定范围内的装置和方法。这可通过测量通过LED的电流并且知道用于LED的脉冲宽度调制器(PWM)驱动信号的工作周期来完成。

Description

脉冲血氧计中的LED正向电压估计
技术领域
本发明涉及血氧计，且更特定而言，本发明涉及控制LED电压。
背景技术
脉冲血氧定量法通常用于测量各种血液化学特征，包括(但不限于)：动脉血液中血红蛋白的血氧饱和度、供应给组织的个别血液脉动的体积，和对应于患者的每一次心跳的血液脉动率。使用非侵入性传感器来完成这些特征的测量，所述传感器将光散射而穿过患者组织中有血液灌注到组织的一部分，且光电地感测组织中光的吸收。所吸收的光的量接着用于计算被测量的血液成分的量。
选择散射过组织的光以具有一个或一个以上的波长，其由血液吸收且吸收数量表示血液中的血液成分的量。散射过组织的所传输的光的量将根据组织中血液成分的变化量和相关的光吸收而改变。根据用于测量血氧饱和度的已知技术，为测量血氧含量，所述传感器通常具有适用于产生至少两种不同波长的光的光源，及对于这些波长敏感的光电检测器。
已知的非侵入性传感器包括紧固到身体的一部分(如，手指，耳朵或头皮)的装置。在动物和人类中，这些身体部分的组织灌注有血液，且组织表面易于由传感器接近。
通常为发光二极管(LED)的光源，需要由电流驱动以激活它们。为了确定传感器故障(如开路或短路的LED)，可测量通过LED的电流。通常，这可利用反馈电阻器完成，可测量在所述反馈电阻器上的电压以确定是否有任何电流在流动。如果无电流流动，那么认为是开路连接。
发明内容
本发明提供一种用于确定脉冲血氧计中的LED的正向电压是否在预定范围内的装置和方法。这可通过测量通过LED的电流并且也通过知道用于LED的脉冲宽度调制器(PWM)驱动信号的工作周期来完成。
在一个实施例中，在一预定范围内的正向电压的确定是在一处理器内完成，如果正向电压在所述范围外，那么所述处理器提供一误差信号。所述误差信号可指示(例如)LED传感器中短路或开路连接。
在一个实施例中，处理器包括一比例积分(PI)回路，其由对应于实际电流与期望传递到LED的电流之间的差异的误差电流产生PWM信号。
为了进一步理解本发明的性质和优点，可参考结合附图所说明的以下实施方式。
附图说明
图1是并入本发明的血氧计的方框图。
图2是根据本发明的一实施例的LED驱动电路的电路图。
图3和图4是分别说明对于本发明的一实施例中的LED而言，正向电压与电流的关系曲线图形和PWM工作周期与功率的关系曲线图形。
具体实施方式
图1说明并入本发明的血氧定量法系统的实施例。传感器10包括红光LED和红外LED以及光电检测器。电缆12将它们连接到电路板14。LED驱动接口16提供LED驱动电流。从传感器所接收的光电流提供到I-V接口18。IR电压和红光电压接着提供到并入本发明的∑-Δ接口20。∑-Δ接口20的输出提供到包括一10位A/D转换器的微控制器22。微控制器22包括用于程序的闪存和用于数据的SRAM存储器。血氧计还包括连接到闪存26的微处理器芯片24。最后，使用时钟28，且提供用于传感器10中数字校准的接口30。独立主机32接收经处理的信息，且接收线34上的模拟信号以提供模拟显示。
LED驱动电路
图2是根据本发明的一实施例的LED驱动电路的电路图，其形成图1的LED驱动接口16的一部分。一电压调节器36提供一与整个血氧计电路的电源电压分离的电压。在线38上提供4.5伏信号的输出，其中电平是由电阻器R89和R90的反馈电阻分压器设置。线38上的电压提供到FET晶体管Q11且提供给电感器L6。通过电感器16的电流由开关40提供给电容器C65和C66中的一个，其中所述电容器C65和C66分别存储用于红光LED和IR LED的电荷。线42上的红光/IR控制信号在血氧计处理器的控制下选择开关位置。线44上的控制信号LED PWM门控控制晶体管开关Q11的开关。
一旦电容器被充电，那么线44上的控制信号关闭开关Q11，并且将来自电容器C65或C66的电流通过开关40和电感器L6分别通过晶体管Q5和Q6提供到红光阳极线46或IR阳极线48。一信号“红光门控”接通晶体管Q5，而当其反向时“/红光门控”关闭晶体管Q7。这就将通过红光阳极线46的电流提供给背对背的LED 50，其中电流通过IR阳极返回到晶体管Q8，且通过电阻器R10到达大地。晶体管Q8由信号“/IR门控”接通，而这一信号的反向“IR门控”关闭晶体管Q6。当驱动IR阳极时所述信号翻转，其中“IR门控”和“红光门控”信号以及它们的反向改变状态，使得电流通过晶体管Q6提供到IR阳极48，并且通过红光阳极46和晶体管Q7返回到电阻器R10和大地。读取“LED电流感测”信号是用于与本发明不相关的校准目的。
当将来自电容器C65或C66的电流通过电感器L6提供到LED，并且在需要时切断所述电流时，晶体管Q11接通，使得在过渡期间的剩余电流可转储到电容器C64中。这解决FET晶体管开关并非为瞬时的事实。接着，C64通过Q11和电感器L6将其电流转储到重新充电时的电容器中。
电阻器R38和电容器C67是并联连接到电感器L6来防止信号尖峰，并且提供一个平滑过渡。连接到电感器L6的是具有一个由线54上的LED取样保持信号控制的开关52的取样电路，以对信号进行取样并且将其通过放大器56提供到由处理器读取的线58上的“LED电流”信号。积分电容器C68为放大器56提供反馈。一开关60响应于“清除LED取样”信号以操作开关以在取样之间使电容器短路。
操作放大器56在4.5伏和大地之间操作。因此，将稍微高于大地电压的参考电压(0.2伏)提供为引脚3的参考电压。
取样与保持电路测量电容器C69与电感器L6之间的节点T18处的电压，以确定电流。电容器C69是电容器C65和C66的值的1/1000。因此，通过C69提供比例电流，所述比例电流通过开关52注入到积分电容器C68中，以提供可在线58上的放大器56的输出处测量的电压。在线58上由处理器测量的电压用作一个反馈，其中所述处理器改变传递到晶体管Q11的脉冲的宽度，以选择性地改变传递到电容器65和66的能量的量，并且随后最终放电到LED 50中。在处理器内部的PI(比例积分)回路随后控制PWM信号，所述PWM信号控制Q11。这允许对LED强度进行精确控制，从而允许其最大化(如果需要)，而不会超过期望限度。
图的左下方展示一个“4.5V LED禁用”信号，其由微处理器使用以在特定情况下关闭电压调节器36。例如，如果LED线上存在问题，那么寻找在插入的新传感器中的短路的诊断将关闭电压调节器。
LED电压确定
图3和图4说明本发明者所发现的特性，其允许研究本发明。图3是LED正向电压与LED电流的关系曲线图形。三个不同的图形产生三条不同的线，所述三条线针对不同类型的负载(IR LED、红光LED和具有串联的二极管和电阻器的功能测试器(SRC))具有不同的斜率。如图可见，单独测量电流不指示LED的正向电压是多少，除非还知道负载的类型且已存储了如图3中所示的曲线。
图4说明作为用于驱动LED的脉冲宽度经调制的驱动信号的LED PWM工作周期的曲线。这相对于水平轴上的功率(LED电压乘LED电流)绘制在垂直轴上。如图可见，对于所绘制的四种不同类型的LED或SRC装置，所述曲线几乎一致具有几乎一致的斜率。根据这个认识，本发明者确定：如果知道PWM工作周期和电流，那么可确定电压。电流是从图2中的线58(提供给处理器的LED电流信号)获得。处理器本身产生PWM信号，且因此处理器在不知道LED类型的情况下具有需要用于计算特定LED的LED电压的两条信息。通过使用图4中的信息(其展示工作周期与在LED中消耗的功率成比例，且其比例值是常数)，可得出正向电压。
在一个实施例中，使用PI(比例积分)回路产生PWM信号。这个回路采取以下所陈述的形式等式：
y＝Ae(t)+B∫e(t)dt
其中：
A和B是常数
e＝误差信号，期望电流与实际电流之间的差异
y＝PWM信号
在一个实施例中，将由处理器产生的PWM工作周期提供到一存储图4的图形中的数据的查找表。查找表将产生所消耗的功率作为输出。接着这个值可由线58上所提供的LED电流除。除得的结果将是LED的正向电压。
或者，在另一实施例中，可消除查找表，且可对工作周期和电流进行比较。因为工作周期等于电流乘电压乘一个常数，所以可为工作周期/LED电流的比率产生上限和下限，以指示如LED中的短路或开路连接的条件。或者，可使用一系列的范围，其中外部范围指示短路或开路条件，且在一个实施例中，内部范围指示LED的期望操作范围。例如，对于具有弱脉冲信号的某些患者而言，血氧计可需要更强地驱动LED，使其接近其最大电流。
如所属领域的技术人员将了解，本发明可以其它特定形式体现，而不脱离本发明的本质特征。例如，可完全在硬件中进行正向电压的确定，而不在处理器中的软件中进行判定。因此，前述描述意在对以上权利要求书中所阐述的本发明的范畴进行说明而非限制。

Claims (10)

1.一种脉冲血氧计，其包含：
至少一个发光二极管(LED)驱动电路；
一电流测量电路，其用于测量一通过所述LED的电流；
一控制器，其用于产生一用于所述LED的脉冲宽度调制器(PWM)驱动信号；和
一处理器，其耦合到所述控制器且耦合到所述电流测量电路，所述处理器经配置以使用所述电流的一测量结果和所述PWM信号来确定所述LED的一正向电压是否在一预定范围内。
2.根据权利要求1所述的脉冲血氧计，其中所述处理器经配置以在所述正向电压在所述范围之外时提供一误差信号。
3.根据权利要求1所述的脉冲血氧计，其中所述处理器经配置以比较所述PWM驱动信号与所述电流的所述测量结果，以确定所述比率是否在一可接受的电压范围内。
4.根据权利要求1所述的脉冲血氧计，其中所述处理器包括一比例积分(PI)回路，所述比例积分(PI)回路由一反映所述电流的所述测量结果与一期望电流之间的一差异的电流误差信号产生所述PWM信号。
5.一种脉冲血氧计，其包含：
至少一个发光二极管(LED)驱动电路；
一电流测量电路，其用于测量一通过所述LED的电流；
一控制器，其用于产生一用于所述LED的脉冲宽度调制器(PWM)驱动信号；
一处理器，其耦合到所述控制器且耦合到所述电流测量电路，所述处理器经配置以通过比较所述PWM驱动信号与所述电流的一测量结果来判定所述比率是否在一可接受的电压范围内，从而使用所述电流的所述测量结果和所述PWM信号来确定所述LED的一正向电压是否在一预定范围内；
其中，所述处理器经配置以在所述正向电压在所述电压范围外时提供一误差信号；且
其中，所述处理器包括一比例积分(PI)回路，所述比例积分(PI)回路由一反映所述电流的所述测量结果与一期望电流之间的一差异的电流误差信号产生所述PWM信号。
6.一种用于操作一脉冲血氧计的方法，其包含：
使用至少一个发光二极管(LED)驱动电路提供一电流；
测量一通过所述LED的电流；
产生一用于所述LED的脉冲宽度调制器(PWM)驱动信号；和
使用所述电流的一测量结果和所述PWM信号来确定所述LED的一正向电压是否在一预定范围内。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含在所述正向电压在所述范围之外时提供一误差信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含比较所述PWM驱动信号与所述电流的所述测量结果，以确定所述比率是否在一可接受的电压范围内。
9.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含使用一比例积分(PI)回路，以由一反映所述电流的所述测量结果与一期望电流之间的一差异的电流误差信号产生所述PWM信号。
10.一种用于操作一脉冲血氧计的方法，其包含：
使用至少一个发光二极管(LED)驱动电路提供一电流；
测量一通过所述LED的电流；
产生一用于所述LED的脉冲宽度调制器(PWM)驱动信号；
通过比较所述PWM驱动信号与所述电流的一测量结果，以确定所述比率是否在一可接受的电压范围内，从而使用所述电流的所述测量结果和所述PWM信号来确定所述LED的一正向电压是否在一预定电压范围内；
在所述正向电压在所述电压范围外时提供一误差信号；和
使用一比例积分(PI)回路来由一反映所述电流的所述测量结果与一期望电流之间的一差异的电流误差信号产生所述PWM信号。
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