CN1950027A - 用于检测血流的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测受试者指尖(20)或其他身体部位血流的方法和设备，其中多普勒频移测量光束辐射(18)被红血球反射并再次进入激光二极管(10)的激光腔内，从而使其操作发生改变，这种改变可代表血流。可将该设备结合到指纹传感器中用作“活体的”的检测器。

Description

用于检测血流的设备和方法

本发明涉及用于检测用户身体一部分处存在的皮下静脉中的血流的方法及设备，其中将辐射对准用户的身体部分，从而接受并分析所反射的辐射。

众所周知的生物统计学方法存在于身份确认和识别，其以指纹、虹膜、脸的图像或语音的记录为基础。这些识别系统利用了将个体与其他个体区分开的独一无二的特性。例如，在美国专利No.4,393,366所描述的设置中，将眼睛的多种特性用作识别的基础。然而，人们已经知道这种类型的设置易于受到伪造的影响，例如，通过在人眼上方重叠虹膜图像。另一种已知的设置利用了指纹，人们已经知道指纹是特定人的特征——即使是同样的双胞胎也具有不同的图案。无论如何每个已知类型的身份确认和识别在方便和侵扰性(intrusiveness)方面既有优点又有缺点。指纹技术由于它们的用户界面友好和方便性尤其受到欢迎。然而，这种技术很容易受到伪造的影响，原因主要有两点。第一，指纹容易被复制(例如，在凝胶或其他类似物品中)，第二它们相对容易被“盗窃”，甚至在传统指纹传感器上的瞬间也可导致错误的确认。

人们已经发现皮下血管图案是个体的特征并且手掌内血液-静脉图案可用作独一无二“指纹”这一事实已经在美国专利No.5,787,185中有所阐述。美国专利No.4,699,149描述了用于鉴别个人的设备，其中用户的身体部分用能透射皮肤的辐射进行照射，并且借助于例如不同的温度测量，或使用诸如核磁共振或脉冲的声监控之类的技术来检测血管的位置。

然而，通过利用伪装或无生命的指纹这些种类的系统也容易受到伪造的影响。

因此，本发明的目的是减少上面所略述的问题，并提供用于检测皮下血管内血流的设备。

根据本发明，提供用于检测在部分用户身体的血流的设备，该设备包含至少一个激光器，该激光器具有激光腔，用于产生聚焦或会聚于所述用户身体部分的表皮下一点的测量光束，其中被所述用户的身体部分处皮下静脉内的血流所反射的至少一些测量光束辐射再次进入所述激光腔，该设备进一步包含用于测量由再次进入所述激光腔的反射测量光束辐射和所述激光腔内光波的干涉所引起的所述激光腔操作的变化的装置，以及用于提供表示所述变化的电信号的装置，所述变化含有与所述用户身体部分处所述皮下静脉中的血流有关的数据。

本发明扩展到包括如上面所定义的检测血流设备的心率监测仪。

还有，根据本发明，提供一种用于检测用户身体一部分血流的方法，该方法包含利用至少一台具有激光腔的激光器产生被布置成聚焦或会聚于所述用户身体部分表皮下一点的测量光束，其中至少一些被所述用户身体部分皮下静脉内的血流所反射的测量光束辐射再次进入所述激光腔中，该方法进一步包含测量由再次进入所述激光腔的反射测量光束辐射和所述激光腔内光波的干涉所引起的所述激光腔操作改变，并且提供代表所述改变的电信号，所述改变含有与所述用户身体部分处所述皮下静脉内血流有关的数据。

可提供用于测量激光腔阻抗变化的装置。可选择地，该测量装置可以包括用于检测由激光器发出的辐射的辐射检测器。

在一个实施例中，可提供用于检测在所述用户身体部分内多个位置血流的装置。例如，可提供多个测量装置(例如一维或二维阵列)。可选地，或另外，可提供用于引起测量光束和用户身体部分之间相对移动的装置。当然，以其最简单的形式，这可以具有用该设备扫描用户身体部分的能力和/或允许用户在装置的整个测量区域移动例如他们的手指尖的能力。

该测量光束可包含红外辐射，并且优选地该设备被设置及构造成在多个方向上检测血流。在一个例示性的实施例中，可以产生反射辐射的光谱并且该设备更佳地包含用于检测反射测量光束辐射的光谱宽度的装置以在多个方向上鉴别血流。

可以选择测量光束辐射的波长以便穿透用户身体部分的表皮到达预定的深度。可选地，或另外地，可以提供用于将测量光束辐射聚焦或会聚于用户身体部分的表皮下的上面所述点的光学装置。

可以提供成像装置，用于由电信号生成存在于用户身体部分中对应于此处所检测的血流的一个或多个静脉的图像。

在一个实施例中，用户身体部分可包含指尖，并且本发明扩展到包括如上面定义的用于检测血流设备的指纹检测系统。可将该设备与已知的指纹检测系统结合以简单地提供一种“活体(liveness)”检测器，即，如果不存在血流，则该指尖不是活体的。

可以提供用于从所检测的血流中确定用户心率的装置，以及事实上，如上所述，本发明扩展到包括如上面定义的用于检测血流设备的心率监测仪。

从在此所描述的实施例中以及参考在此所描述的实施例的说明，本发明的这些及其他方面将变得很明白。

现在将仅通过一个例子并参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是根据本发明的例示性实施例的血流检测器的示意图；和

图2是根据本发明另一例示性实施例的血流检测器的示意图，其中采用一维或二维阵列的多普勒传感器。

为了实现检测血流的目的，在本发明中利用激光器二极管中被称为“自混合”的现象。这一现象用于已知设置中以检测在光学输入设备中指尖相对于传感器的移动，如国际专利申请No.WO02/37410中详细描述的，其中检测指尖的移动以实现鼠标垫的类似功能。

在已知的设置中，提供具有激光腔的二极管激光器，用于发射激光束或测量光束。在它的上部，该设备提供有透明窗口，越过该窗口移动一物体，例如人的手指。将一透镜，例如平凸透镜设置在二极管激光器和该窗口之间。这一透镜将激光束聚焦到透明窗口的上侧或其附近。如果物体存在于该位置，则其散射正在测量的光束。一部分正在测量的光束的辐射在照明光束方向上被散射并且这部分辐射被激光二极管发射表面上的透镜会聚而再次进入到这一激光器的腔中。再次进入二极管激光器腔中的辐射引起激光器增益的变化从而引起由激光器所发射的辐射强度的变化。正是这一现象被称为二极管激光器中的自混合效应。

激光器所发射的辐射强度的变化可以由为此目的所提供的光电二极管检测，该二极管将辐射变化转换成电信号，并且提供电子电路用于处理这一电信号。

物体相对于测量光束的移动使得辐射被反射从而经历了多普勒频移。这意味着这一辐射频率改变或意味着发生了频率偏移。这一频率偏移取决于物体移动的速度并且在几kHz到几MHz的量级。再次进入激光腔的频率偏移辐射与光波或者该腔内所产生的辐射发生干涉，即在这一腔内发生自混合效应。根据光波和再次进入腔内的辐射之间相位偏移量，该干涉可以是相长干涉或者是负干涉，即激光辐射的强度周期性地增加或者减少。以这一方式所产生的激光辐射调制的频率正好等于腔内光波的频率与再次进入腔内的多普勒频移辐射的频率之间的差值。该频率差值是几kHz到几MHz的量级因而易于检测。自混合效应和多普勒频移的结合造成了激光腔性能的变化；特别是它的增益或光放大的变化。例如，可测量激光腔的阻抗或由激光所发射的辐射强度，并且不但能评估物体相对于传感器的移动量(即，行进的距离)，而且还能确定移动方向，如国际专利申请No.WO02/37410中所详细描述的。

利用同样的原理，根据本发明，通过将激光光束聚焦更深到例如用户手指皮肤(即，表皮下面)，可检测那里皮下血管中的血流。红血球的移动给反射的(红外)激光所需的多普勒频移以在激光腔中引起上述的自混合效应。

参考附图的图1，在第一种例示性的利用激光器多普勒频移检测血流的单像素系统中，具有激光二极管10、监测二极管12、分束器14和用于将激光二极管10所发射的辐射光束18聚焦到受试者指尖20表皮下一点的聚焦透镜16。反射回来并再次进入激光二极管10的激光腔内的相干光将导致由激光反馈和自混合所引起的激光器的可测量强度调制，其可用监测二极管12进行测量并以上述方式进行处理。

目前的硅集成技术使得单像素检测器的尺寸能够做得非常小，并且相应地可将多个这种检测器集成到一个单一集成电路中以形成例如一维或二维阵列。以这种方式，仅在血液流过这些静脉时，能产生考虑的位于指尖内血管或静脉的图像(因为正是由这样的血流引起的移动产生必要的多普勒频移)。当然，将明白的是，这一血液静脉图形，虽然对于每个人来说也是独一无二并且是特有的，但它不会象普通的指纹那样遗留在诸如酒杯、桌子或钥匙上。但是，这也意味着由上述血液静脉图形所提供的所谓“指纹”是很难被“盗窃”的。

这样，如上面所解释的，利用具有阵列和指尖相对移动(用检测器扫描静止的指尖或者将指尖在整个静止阵列中移动)的一维阵列单像素检测器，或者利用二维阵列检测器(在该情形中，指尖可相对于阵列简单地放置并且当执行所需测量时两者都可保持静止)，可以产生考虑的受试者身体一块区域(在该情况下，为指尖)静脉中血流的完整图像。在另一例示性的实施例中，虽然利用相对于激光二极管适当放置的单个光电二极管可获得足够的血流测量，但是关于单个测量光束可以设置多个光电二极管以检测由受试者皮肤下不同静脉层所反射的光引起的激光腔内的变化。

本领域的技术人员将会明白，如果图1设置的二极管激光器10是边缘发射二极管激光器，则不必用分束器14，因为将监测二极管12定位在激光二极管10的后面并且一部分光向后发射。然而，在VCSEL(垂直腔表面发射激光器)的情形中，没有光向后发射。因此，可将VCSEL和分离的光电二极管放置在一个外罩中，并且虽然不需要使用分束器，但是外罩输出窗口被设置和构造成将光反射到监测二极管上。

本发明本身可用于提供指纹传感器系统，它的防伪能力强。另外，将诸如附图的图1中示意性说明的系统集成到传统的指纹传感器中，形成一种更强的防御安全侵袭和/或伪造的指纹传感器系统。在这种情况中，可将本发明的系统简单地用作“活体”检测器，并且可将测量光束的光斑理想地定位在指纹的图像区域中，这可例如通过使用光学分束器或者通过将活体检测器和指纹传感器集成到一个单一芯片上来实现。

有关本发明的优点有很多，并且包括活体检测器是无接触、且检测受试者皮肤内部和下面血流的事实。可将图1的系统小型化，因此能将其做的很小并且成本很低。可将激光二极管10、监测二极管12和信号处理器集成到硅上，并且所需的透镜例如可粘到芯片的顶部。这样，可将这种小型的“活体”检测器相对简单地集成到目前固态指纹传感器中。

此外，利用传统的指纹感应技术，可以相当容易地制造伪造(呆板)的指纹。然而，模仿皮肤内部和下面的血流更困难。(试图)模仿移动的血细胞的一种方式是通过整个指纹的移动。然而，在这种情形下，指纹的图像也在移动，这可明显地由指纹传感器本身检测到。最可能的结果是由于上述移动，指纹图像变得模糊从而指纹识别失败。

侵袭或被篡改传统指纹识别系统的另一方式是通过移动伪造指纹样品之上的第二层。如果导致激光光谱峰值偏移的这种简单、单一方向的移动由活体检测器所检测并且伪造指纹足够的薄，则这种伪造可能会成功。为了阻止和战胜这种侵袭，可设置和构造在活体检测器中采用的信号处理使得它能区分单一方向的移动和许多不同方向的移动，许多不同方向的移动是更加典型的静脉网络中的血流。通常，这种多个移动将导致激光光谱峰值变宽，这实际上可在瞬间被检测到。这样，本发明的系统(通过相对简单地进行信号处理)可以区别简单地造成激光光谱峰值偏移的单独、一个方向的移动(在伪造的情况下)和在真正、活体指纹的情况下多个移动的更复杂图案，在后一种情形下，可测定激光光谱峰值变宽。

参考附图的图2，在用于通过激光器多普勒频移检测血流的第二种例示的、多像素系统中，设置有一维或二维阵列的VCSEL二极管10a-10n(在一维阵列的情况下编号为vcsel 1......N，或者在二维阵列的情况下编号为vcsel1*1......n*m)，以及用于将激光二极管10所发射的辐射光束18聚焦到受试者指尖表皮24下的像平面22的聚焦透镜16。反射回来并再次进入激光二极管10a-n的激光腔内的相干光将导致由取决于静脉26中血流的激光反馈和自混合所造成的激光可测量强度调制，其强度调制可用上述方式进行测量和处理。

应当注意的是，上述实施例进行图示说明并不限制本发明，并且在不脱离如附加权利要求所定义的本发明范围的情况下，本领域的技术人员将能够设计许多可替代的实施例。在权利要求书中，放置在圆括号内的任何附图标记不得解释为对权利要求的限定。词语“包含”和“包括”等并不排出存在除了那些在任何权利要求或说明书整体上所列出的元件或步骤之外的元件或步骤。元件的单个引用并不排出这种元件的多个引用，反之亦然。本发明可通过包含若干截然不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机来实现。在列举若干装置的设备权利要求中，若干这些装置可由一个硬件及相同类型的硬件来体现。仅仅在相互不同的从属权利要求中引用某些测量的这一事实并不表示这些测量的结合就不具有优越性。

Claims (18)

1、用于检测用户身体一部分血流的设备，该设备包含至少一个激光器(10)，该激光器(10)具有一个激光腔，用于产生被布置成聚焦或会聚于所述用户身体部分(20)表皮下一点处的测量光束(18)，其中至少一些被所述用户身体部分(20)皮下静脉内的血流所反射的测量光束辐射再次进入所述激光腔中，该设备进一步包含测量装置(12)，其用于测量由再次进入所述激光腔的被反射的测量光束辐射和所述激光腔内光波的干涉所引起的所述激光腔操作的改变，以及用于提供代表所述改变的电信号的装置，所述改变含有与所述用户身体部分(20)处所述皮下静脉内血流有关的数据。

2、根据权利要求1的设备，其中所述测量装置(12)包含用于测量该激光腔阻抗变化的装置。

3、根据权利要求1的设备，其中所述测量装置(12)包含用于检测由所述激光器(10)发射的辐射的辐射检测器。

4、根据在前权利要求的任一项的设备，包含用于检测所述用户身体部分(20)中多个位置处的血流的装置。

5、根据权利要求4的设备，包含多个测量装置(12)，用于测量从所述用户身体部分(20)的多个各自位置反射的测量光束辐射再次进入所述激光腔所引起的所述激光腔操作的改变。

6、根据权利要求4的设备，包含用于引起所述测量光束(18)和所述用户身体部分(20)之间相对移动的装置。

7、根据在前权利要求的任一项的设备，其中所述测量光束(18)包含红外激光辐射。

8、根据在前权利要求的任一项的设备，被布置成在多个方向检测血流。

9、根据权利要求8的设备，进一步包含用于检测在多个方向上由所述血流引起的反射测量光束辐射的光谱峰值的宽度(或在此处的改变)的装置。

10、根据在前权利要求的任一项的设备，其中选择所述测量光束辐射(18)的波长使得穿透所述用户身体部分(20)的表皮到达预定的深度。

11、根据在前权利要求的任一项的设备，进一步包含用于将所述测量光束辐射(18)聚焦或会聚于所述用户身体部分(20)表皮下面所述点的光学装置(16)。

12、根据在前权利要求的任一项的设备，进一步包含成像装置，用于从所述电信号产生对应于所述被检测血流的所述用户身体部分(20)中存在的一个或多个静脉的图像。

13、一种包括根据在前权利要求的任一项设备的指纹检测系统。

14、根据权利要求1到12任一项的设备，进一步包含用于从所述被检测的血流确定用户心率的装置。

15、一种包括根据权利要求13的设备的心率监测仪。

16、一种用于检测用户身体一部分血流的方法，该方法包含利用至少一台具有激光腔的激光器(10)产生被布置成聚焦或会聚于所述用户身体部分(20)表皮下一点的测量光束(18)，其中至少一些被所述用户身体部分(20)皮下静脉内的血流所反射的测量光束辐射再次进入所述激光腔中，该方法进一步包含测量由再次进入所述激光腔的反射测量光束辐射和所述激光腔内光波的干涉所引起的所述激光腔操作改变，并且提供代表所述改变的电信号，所述改变含有与所述用户身体部分处所述皮下静脉内血流有关的数据。

17、根据权利要求16的方法，其中测量所述激光腔的阻抗。

18、根据权利要求16的方法，其中测量所述激光辐射的强度。

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