下文所描述的实施例涉及对生物计量数据的测量。一些实施例涉及光体积描记传感器。
背景技术：
最近消费者对个人健康的关注已导致在市场上提供多种个人健康监测装置。直到最近，此类装置趋向于使用起来为复杂的且通常经设计以供与一种活动一起使用，例如，自行车旅行计算机。
最近，个人健康监测装置(本文中还称为“生物计量追踪”或“生物计量监测”装置)已扩展以追踪穿戴者的多个度量。举例来说，乐活公司(fitbit,inc.)生产可具有若干个特征及元件(例如显示器、电池、传感器、无线通信能力、电源及接口按钮)的若干种生物计量追踪装置以及用于将这些装置附接到口袋或衣服的其它部分或者附接到穿戴者的身体部分(封装于小体积内)的机构，所述装置经配置以追踪(除其它之外)步数、距离、卡路里消耗、活跃分钟数、海拔(例如，如在楼层或阶梯中所测量)、速度、步幅等等。
为追踪这些度量，这些装置可使用多种传感器来收集、处理及显示各种各样的数据。用于一些生物计量追踪装置中的一种类型的传感器为心率传感器。这些心率传感器通常通过将光发射到用户的皮肤中且接着在所发射光与用户的皮肤相互作用之后测量往回反射或漫射的光而操作。
技术实现要素：
一些实施例涉及一种用于在监测血流的性质的监测装置中处理光体积描记(“ppg”)信号的装置、方法及/或存储处理器可执行过程步骤的计算机可读媒体。在一些实施例中，所述处理包含获得表示具有非脉动(例如，dc)分量及脉动分量(例如，ac)的所检测光信号的第一数字信号。依据对所述非脉动分量的估计产生偏移控制信号，且在从所述所检测光信号减去所述偏移控制信号并对所述经减去后的信号应用增益之后产生第二数字信号。产生从所述增益及以下各项中的一或多者计算的经重构信号：(i)所述第一数字信号，以及(ii)所述第二数字信号及所述偏移控制信号。
在一些实施例中，产生所述偏移控制信号的包含：选择所述偏移控制信号的值，使得在从所述第一数字信号减去所述偏移控制信号且由增益进行调整之后产生的所述第二数字信号不超过范围阈值。所述偏移控制信号可通过以下步骤产生：选择初始值，确定减去所述偏移控制信号且接着由所述增益进行调整的所述第一数字信号不超过范围阈值；选择所述偏移控制信号的后续值，且确定由所述偏移控制信号的所述后续值及增益调整的所述第一数字信号不超过所述范围阈值。
在一些实施例中，所述监测装置可包含用以产生源光信号的多个光发射器。与所述监测装置相关联的控制单元可在光发射器之间进行切换以产生所述源光信号。所述多个光发射器可包含在不同波长区域(例如，红色、绿色及红外区域)中发射源光的发射器。
在一些实施例中，可提供支持两种操作模式以测量血流的不同性质的监测装置。举例来说，在一些实施例中，所述装置可允许测量心率及血氧合水平两者。在一些实施例中，一种用于在监测装置中处理光体积描记(ppg)信号的方法包含：接收选择所述监测装置的操作模式的信号。切换组件经操作以在第一操作模式中选择第一光源且在第二操作模式中选择第二光源。操作所述第一光源及所述第二光源中的选定一者以产生源光信号。获得所检测光信号的第一数字表示，且至少部分地基于选定操作模式而产生第二数字信号。将所述第二数字信号提供到处理器以用于测量血流的性质。在一些实施例中，所述第一操作模式是用以测量心率的模式且第二操作模式是用以测量血氧合水平的模式。在一些实施例中，当选择第一操作模式时，停用偏移控制组件，且当选择第二操作模式时，所述偏移控制组件经启用以允许减去所检测光信号的dc分量。
如本文中所描述的实施例提供若干个优点。举例来说，实施例提供具有经减少成本的监测装置，所述监测装置可高效地提取及分辨ppg信号的脉动分量，从而允许对ppg信号的经改进处理。在一些情形中，实施例在不使用高分辨率模/数(“adc”)转换器或过取样技术(其可为昂贵的且消耗额外电力)的情况下提供此经改进处理。此外，实施例允许较快处理及信号获取时间。
通过参考以下详细描述及所附图式可获得对一些实施例的较完整理解。
附图说明
依据对如附图中所图解说明的以下说明书的考量，将易于明了实施例的构造及使用，在附图中相似参考编号指定相似部件且其中：
图1是根据一些实施例的装置的俯视透视图；
图2是根据一些实施例的装置的仰视透视图；
图3是根据一些实施例的装置的框图；
图4是依照一些实施例的传感器的框图；
图5是依照一些实施例的传感器的组件的框图；
图6a到6c是图解说明依照一些实施例的如由图4及5的装置处理的光体积描记(“ppg”)信号的图式；
图7是图解说明依照一些实施例的如由图4及5的装置处理的ppg信号的图式；且
图8是图解说明依照一些实施例的经重构ppg信号的图式。
具体实施方式
提供以下描述以使得所属领域的技术人员能够做出并使用所描述实施例。然而，各种修改将保持为所属领域的技术人员所易于明了。现在将参考附图描述特定实例以便提供对各种特征的介绍。实施例不限于此实例的特征或描述。
如上文所论述，利用本文中所论述的方法及/或电路的监测装置可用于收集并监测生物计量信息。在图1中展示此监测装置100的实例。根据所图解说明实施例，装置100可穿戴于用户的手腕上。装置100包含显示器140，所述显示器可包括任何适合类型的显示屏且可基于生物计量及由装置100检测、收集、监测或以其它方式产生的其它数据而显示图形指示符。装置100可包含一或多个按钮180，所述一或多个按钮可由用户操纵以提供到装置100的输入。显示器140还可并入有一或多个输入装置(例如触摸屏)。带190可缠绕在手腕上且可使用一或多个固定元件195(例如，钩与环、扣钩、形状记忆元件、磁体)固定。装置100的形状及配置是可在其内部署本发明的实施例的一个实例性配置。本文中所陈述的监测装置以及ppg传感器系统及方法可以合意结果用于具有各种各样的形状及配置的装置中，且图1及图2中所图解说明的形状及配置是出于说明性目的。
图2是装置100的仰视图，其展示传感器组件210及电力接口220。传感器组件210可包含受益于与用户的皮肤组织紧密接近及/或接触的传感器。此类传感器可包含ppg传感器(例如，心率、脉搏血氧计等等)、湿度、温度及/或电容触摸传感器(例如，用以检测装置何时被穿戴)。电力接口220可与对接站或其它电源介接以接收电荷以用于对定位于装置100内的电池进行充电。虽然为简单起见而展示单个传感器组件210，但可提供多个传感器组件。此外，尽管在图2中将传感器组件210图解说明为从装置100稍微突出，但其它实施例可在不使用明显突出的情况下将传感器放置为接近于用户。
本文中将进一步详细地描述特定类别或类型的传感器—“ppg”或“光体积描记”传感器的特征。ppg传感器(例如心率监测器或脉搏血氧计)使用基于光的技术来感测如由心脏的泵送动作控制的脉动血流。ppg传感器可用于测量用户的心率、血氧合及其它生物计量参数。在图1及图2中所展示的装置100中，传感器组件210可遮蔽或相关联于一或多个光源(例如，光电二极管、发光二极管或“led”)及光检测器以及对应控制电路(例如，如下文进一步所描述)。在一些情形中，可使用光管来将光源或检测器与用户的皮肤组织的表面光学连接。在皮肤下面，来自光源的光散射于身体中的血液中，所述光中的一些光可往回散射或反射到定位于传感器组件210后面的光电检测器中。在一些实施例中，如本文中将进一步描述，传感器组件210可经定形状及形成以改进传感器的操作。举例来说，在一些实施例中，传感器组件210可利用透光结构来改进ppg传感器的性能。举例来说，透光结构可包含由不透明材料组成的掩模，所述掩模限制光源及/或检测器中的一者、一些或全部的孔径。以此方式，透光结构可选择性地界定或控制用户的身体的光被发射到其中及/或从其检测到的优先体积。
图3是根据一些实施例的监测系统300的框图。依照一些实施例，系统300可经操作以控制对生物计量数据的收集及使用。在一些情形中，监测系统300可实施图1及2中所展示的装置100的内部特征。
如图3所展示，系统300包含一或多个处理单元310(例如，硬件元件(例如处理器核心及/或处理线程)、离散或集成逻辑及/或一或多个状态机及/或现场可编程门阵列(或者其组合))。在一些情形中，一或多个处理单元310经配置以执行处理器可执行程序代码以致使装置300如本文中所描述而操作，且存储器320用于存储程序代码及任何其它适合数据。存储器320可包括安装于对应接口(例如，usb端口)中的一或多个固定磁盘、固态随机存取存储器及/或可装卸媒体(例如，拇指驱动器)。
显示接口330提供与显示器340的通信，所述显示器可包括用于对已知或变得已知的信息的视觉呈现的任何系统。根据一些实施例，显示器340可包括用于将用户输入接收到系统300中的触摸屏。图1中所展示的显示器140是显示器340的实例。
一或多个处理单元310可执行存储于存储器320中的处理器可执行程序代码以致使系统300处理传感器数据、控制传感器及相关组件的操作且如本文中所论述而执行操作。在一些实施例中，处理单元310可配置为处理器核心、存储器以及可编程输入及输出外围装置且可在本文中称为微控制器(或“mcu”)。根据一些实施例，系统300包括集成装置，例如但不限于可穿戴单元(例如，围绕用户的手腕(例如图1及2中所展示的装置100)、围绕用户的颈部、附接到耳垂或插入于耳朵中(例如，耳塞)、置于环上等等)或另一便携式单元(例如，智能电话、专用音乐播放器、钥匙坠(fob))。在一些实施例中，系统300的元件可体现于单独装置(例如包含元件310、320及330的服务器装置(例如，桌上型计算机)以及包含显示器340的终端装置(例如，手表))中。系统300可执行除本文中归于此的功能之外的功能且可包含其操作所必需的任何元件。
系统300的一些实施例包含具有适于耦合到用户的身体的物理大小及形状的便携式监测装置，此允许用户执行常见或典型用户活动(举例来说，包含所有种类及类型的运动)而不妨碍用户执行此类活动。此装置的实例是图1的装置100。便携式监测装置可包含在此类常见或典型用户活动期间促进将所述装置耦合或贴附到用户的机构(举例来说，夹具、绑带及/或系带)。
系统300进一步包含用于与一或多个传感器360交换数据的一或多个传感器接口350。传感器360可包括用于获取包含生物计量监测数据的数据的任何传感器。传感器360的实例包含但不限于加速度计、光传感器、罗盘、切换器、计步器、血氧传感器、陀螺仪、磁力计、全球定位系统装置、接近传感器、压力传感器(例如，测高仪)及心率传感器。传感器360中的一或多者可共享共用硬件及/或软件组件。
如图3中所展示，根据一些实施例，用户370经图示以指示用户370影响由一或多个传感器360中的一或多者获取的数据。举例来说，一或多个传感器360可基于用户370的物理活动产生数据。此外，传感器360中的一或多者可经由与用户的直接接触(举例来说，在心率、皮肤温度及/或血氧监测期间)产生数据。
现在参考图4，其中展示可用作图3中的装置300的多个传感器360中的一者的传感器400的实例性框图，如下文进一步所描述，传感器400的实施例可经操作或配置以用作光学心率传感器及血氧合传感器两者。如图4中所展示，传感器400包含朝向用户的皮肤组织发射光的一或多个光源410，且其中此光从用户的皮肤/内部组织的反射及/或漫射由一或多个光检测器420感测，来自所述一或多个光检测器的信号随后由一或多个模/数转换器(“adc”)432、434(分别称为“adc1”及“adc2”)数字化。
一般来说，ppg信号是用于感测血管的体积改变的光学且非侵入性获得的信号。光源410在所关注组织(例如，图4中所展示的皮肤)处发射且光检测器420经放置以测量所透射或所反射光。取决于光源410的波长，可确定关于人的信息(例如心率及血氧合)。
举例来说，光源410可为经配置以产生以一波长的光的一或多个光电二极管。举例来说，光电二极管可提供为光源410且经配置以在红色、红外或绿色区域(分别660nm、940nm及528nm)中产生光。如本文中将进一步所描述，传感器400可配置有以红外及红色波长操作以用于获得血氧测量(例如，操作为spo2传感器)的一或多个光源410。可提供在绿色波长区域中操作以用作心率传感器的一或多个额外光源410。
本发明的实施例允许传感器400以不同操作模式操作，此取决于是使用红外/红色波长还是绿色波长。举例来说，传感器可以用以辨别关于用户的心率的信息的模式操作(当操作绿色波长光源410时)且以用以辨别关于用户的血氧合的信息的模式操作(当操作红外及红色波长光源410时)。一般来说，红外及红色ppg信号两者的脉动分量与绿色波长信号的脉动分量相比弱得多且由于噪声而较易受不确定性。在红外及红色波长中，存在ppg信号的大偏移分量(本文中称为“非脉动”或“dc”分量)及脉动分量(本文中还称为“ac”分量)。举例来说，所检测ppg信号的ac分量可为小到信号的0.05％，留下高达99.95％的动态范围不可用。换句话说，在使用12位分辨率adc的传感器中，ppg信号的ac分量的最佳有效分辨率可为小于2个位。使用极高分辨率adc来达成ac分量的较高有效分辨率在许多传感器系统中(尤其在电力、成本及大小为重要的情况下)为不合意的。
为获得准确信号信息以供处理器(例如图3的处理器310)或微控制器(展示为mcu402)执行对所检测信号的处理，使用前端信号调节块430来处理由光检测器420检测的光信息，所述前端信号调节块与光检测器420直接介接且输出模拟ppg信号。将此ppg信号提供到adc432，所述adc配置有充足分辨率以测量ppg信号的非脉动(dc)分量(但针对脉动或ac分量可能不具有足够分辨率)。将此数字信号433(其可在本文中其它地方称为“第一数字信号”)提供到mcu402以用于处理。在接收到第一数字信号433后，mcu402即刻执行处理以产生偏移信号(如本文中将进一步所描述)。将所述偏移信号从mcu402提供到偏移移除级440。偏移移除级440从mcu402接收偏移信号且从信号530移除偏移值。mcu402计算偏移信号应为何值且将其提供到偏移移除级440以从来自adc432的信号移除偏移信号的值。一般来说，偏移移除级440将主要表示ppg信号的脉动(或ac)分量的经修改ppg信号提供到第二adc434以进行数字化且提供到mcu402以用于处理以确定所检测血氧合水平。在一些实施例中，mcu402包含存储控制及应用数据以及信号数据的存储器。在一些实施例中，mcu402将数据(例如数字信号433、偏移信号数据及从adc434接收的信号)存储于存储器中作为时间数列数据。举例来说，信号数据可经存储使得mcu402可重构ppg信号，如下文结合图7及8所进一步描述。
如上文所论述，依照一些实施例，可提供多个光源410(例如，包含不同波长的光源)。可使用一或多个光源控制件412来控制对不同光源的操作及选择(以及选定光源410的强度)。光源控制件412可通过从mcu402接收的控制信号而操作。举例来说，在一些实施例中，光源410可受控制以基于由mcu402选择的操作模式而启用光源410(且在一些实施例中，设定所要强度)。作为一个说明性实例，操作模式可为其中将检测光学心率的模式。在此模式中，可操作能够在绿色波长区域中产生光的一或多个光源410。作为另一说明性实例性，操作模式可为其中将进行血氧合测量的模式。在此模式中，可操作能够在红外波长区域中产生光的一或多个光源410以及能够在红色波长区域中产生光的一或多个光源410。在一些实施例中，mcu402可经操作以基于所要操作模式而在不同光源410及/或不同光检测器420之间进行切换。
光源控制模块412可由mcu402控制。mcu402从acd432、434中的一者或两者接收数字信号且可使用所述信息来产生控制信号(包含偏移控制信号以及用以操作光源控制件412及光源410的控制信号)。mcu402可基于从第一及/或第二acd(432、434)接收的操作信息而适应性地控制光源控制件412的操作，从而允许各种各样的操作控制。此外，在一些实施例中，mcu402可基于操作模式而控制是否操作第二acd434(例如，在一些实施例中，当传感器处于用以获得光学心率测量的操作模式中时，不操作第二acd434)。
现在将参考图5进一步详细地描述一些实施例的特征，图5是进一步详细地描绘图4的传感器装置的组件的框图。更特定来说，图5描绘允许产生用于提供到mcu520以用于血氧合分析及心率分析的进一步处理的信号的逻辑块及功能。如图5中所展示，传感器装置可具备若干个组件，包含一或多个光电二极管502、504及对应于所述光电二极管的一或多个信号调节组件506、508。尽管展示两组光电二极管502、504及信号调节组件506、508，但传感器可具备两组以上，如本文中将进一步所描述。传感器进一步包含mcu520或与所述mcu通信，所述mcu执行处理以控制传感器的组件且执行对由传感器产生的信号的处理。举例来说，mcu520可产生控制信号以操作多路复用器510，所述多路复用器允许对哪一光电二极管502、504用作信号源进行控制。举例来说，mcu520可发布控制信号以选择光电二极管502及信号调节块506作为源信号。
作为较特定说明性实例，mcu520可基于由监测装置的用户选择的操作模式而产生控制信号(例如，用户可选择操作监测装置以捕获光学心率测量，或用户可选择操作监测装置以捕获血氧测量)。举例来说，光电二极管502可为在绿色波长区域中操作的光电二极管，且光电二极管502(及相关联信号调节组件506)可通过来自mcu520(其通过多路复用器510选择所述信号源)的控制信号被启用。在以下论述中，将描述其中光电二极管502为绿色波长光电二极管且光电二极管504为以红外及红色波长操作并用于spo2测量的一组光电二极管的实施例。
一旦mcu520已选择ppg信号源(例如，光电二极管502或光电二极管504)，多路复用器510便可将来自选定信号源的ppg信号传递到周围移除组件512。ppg信号在图5上展示为信号s1(t)。信号s1(t)还作为输入提供到mcu520且用于如下文所描述的进一步处理。ppg信号s1(t)由adc(例如图4的第一级adc432)处理。一般来说，到mcu520的输入为ppg信号s1(t)的数字表示，所述数字表示表示一时间点的ppg信号(包含信号的ac分量及dc分量两者)。在图6a中展示ppg信号s1(t)的样本图解说明，其中随时间展示ppg信号的量值。如所展示，信号具有相对小量的信息(展示为区域602)、具有大偏移(展示为区域604)。
在一些实施例中，可使用周围移除组件512进一步处理ppg信号s1(t)，所述周围移除组件操作以移除信号的周围分量(但此处理为任选的且将不在本文中详细描述)。
已接收ppg信号s1(t)的数字表示的mcu520执行处理以产生偏移信号。所述偏移信号可由mcu520基于选定预定值而选择或确定，使得乘以增益、减去偏移值的信号s1(t)在传感器的adc的动态范围内。当s1(t)由mcu520接收时，偏移值可动态地更新。在一些实施例中，偏移值可经选择使得经调整信号高于预定或所计算最小值但还低于最大值(使得信号s1(t)在传感器的adc的动态范围内)。参考图6b，展示信号s1(t)减去偏移信号的样本图解说明。偏移信号作为输入提供到dc偏移信号缓冲器516以用于提供到dc减法组件514。dc偏移信号缓冲器516可包含用以基于来自mcu520的偏移信号产生适当偏移电压电平的数/模转换器(“dac”)。dc减法组件514产生第二ppg信号s2(t)，所述第二ppg信号s2(t)等效于第一信号(s1(t))乘以增益、减去dc偏移。换句话说，dc减法组件514的输出通常等效于ppg信号的保留有某一dc分量的ac分量。在图6c中展示信号s2(t)的表示。一般来说，偏移(图6b中所图解说明)经选择以允许应用增益(图6c中所应用)同时保持在系统的动态范围内。结果为具有较大ac分量的信号s2(t)。将信号s2(t)提供到第二adc(例如图4的adc434)以产生信号s2(t)的数字表示以用于提供到mcu520。
现在参考图7，其中随时间展示由mcu520处理的ppg信号的表示。在图7的顶部部分中，随时间展示信号s1(t)。如所展示，由mcu520确定的偏移可随时间变化，但经选择使得信号s2(t)不延伸超过系统的adc的动态范围。mcu520存储s1(t)、s2(t)、增益及偏移(t)的信号信息，且此信号信息与时间周期(所述信号信息针对其相关)相关联。用将每一时间周期分开的垂直线图解说明不同时间周期(具有级1adc图表中所展示的若干偏移值)。mcu520可接着执行处理以重构ppg信号。参考图8，mcu520可执行处理以构造ppg信号s3(t)，可依据s1(t)、s2(t)、增益及偏移(t)计算所述ppg信号s3(t)。一般来说，s3(t)等效于s1(t)乘以增益或s2(t)加上增益乘以偏移(t)。所得信号(s3(t))允许mcu520对具有较大分辨率的信号执行处理且无需昂贵高分辨率adc或过取样来分辨ppg信号的ac分量。以此方式，实施例为ppg信号提供较大分辨率，这是因为ppg信号的dc分量可在放大之前被减去。
此外，实施例允许关于不同类型的生物计量测量而操作监测装置。举例来说，与图4及5中所展示的实施例一致的装置可经操作以获得对于心率(其可使用以绿色波长操作的光电二极管)以及spo2(其可使用以红色及红外波长操作的光电二极管)两者的测量。依照一些实施例，dc减法组件514独立于使用哪一操作模式而操作。在一些实施例中，当装置以用以获得心率测量的模式操作时，启用以绿色波长操作的光电二极管502(或由多路复用器510选择光电二极管502作为ppg信号源)且将偏移控制信号设定为等于零。当装置以用以获得spo2测量的模式操作时，启用以红色及红外波长操作的光电二极管504(或由多路复用器510选择光电二极管504作为ppg信号源)且如上文所描述而确定偏移控制信号。此外，取决于选定操作模式，mcu520可经启用以重构信号s3(t)(如图8中所展示)或可停用信号重构。举例来说，当装置以spo2测量操作模式操作时，如上文所描述而确定偏移控制信号且mcu520经配置以执行信号重构。当装置以心率测量操作模式操作时，将偏移控制信号设定到零且mcu520经配置以不执行信号重构。以此方式，实施例允许使用相同组件的多个操作模式，而无需昂贵高分辨率adc来分辨信号的ac分量(尤其针对spo2操作模式)。
前述图式表示用于描述根据一些实施例的过程的逻辑架构，且实际实施方案可包含以其它方式布置的较多或不同组件。可连同其它实施例一起使用其它拓扑。此外，本文中所描述的每一系统可由经由任何数目个其它公共及/或私有网络通信的任何数目个装置实施。此类计算装置中的两者或两者以上可远离彼此而定位且可经由任何已知方式的网络及/或专用连接彼此通信。每一装置可包含适合于提供本文中所描述的功能以及任何其它功能的任何数目个硬件及/或软件元件。举例来说，用于一些实施例的实施方案中的任何计算装置可包含用以执行程序代码使得计算装置如本文中所描述而操作的处理器。
本文中所描述的模块及组件可以硬件、执行固件及/或软件指令的处理器或者其任何组合来实施。举例来说，处理模块的存储器部分可以一或多个存储器装置(例如以下各项中的一或多者：磁盘、光盘、随机存取存储器(ram)、视频ram、快闪存储器等)来实施。类似地，处理或控制模块(举例来说，例如图4的光源控制模块412)的处理单元可使用以下各项中的一或多者来实施：离散组件、集成电路、专用集成电路(asic)、可编程逻辑装置(pld)等。如果模块、处理器及/或处理单元使用执行固件及/或软件指令的处理器来实施，那么软件或固件指令可存储于任何计算机可读存储器中(例如存储于磁盘、光盘上、ram或rom或者快闪存储器、处理器的存储器(例如，高速缓冲存储器)等中)。执行固件及/或软件指令的处理器可包括通用处理器或专用处理器(例如数字信号处理器(dsp)、图形处理器等等)。
所属领域的技术人员将了解，上文所描述实施例的各种更改及修改可在不背离权利要求书的范围及精神的情况下配置。因此，将理解，可不同于如本文中所具体描述而实践权利要求书。