一种PPG传感器、生理参数传感器及智能可穿戴设备的制作方法

一种ppg传感器、生理参数传感器及智能可穿戴设备
技术领域
1.本技术涉及智能终端技术领域，具体涉及一种ppg传感器、生理参数传感器及智能可穿戴设备。


背景技术：

2.随着智能终端技术的发展，智能可穿戴设备在监测人体相关生理参数上取得了巨大应用。智能可穿戴设备如智能手表、智能手环等加入了测量各种生理参数特别是血液相关参数的功能。其中，无损伤测量技术特别是通过光学测量手段来获得血液流动特点、血液参数和/或进行血液分析的技术取得了巨大应用。基于光学的血液测量装置一般包括发射端和检测端，并且紧贴在用户身体的一部分如手腕、手指、耳朵、前额、脸颊或者眼球，由发射端将光辐射透射到身体该部分中或者通过身体该部分反射，然后由检测端检测被身体该部分衰减后的光从而得到测量信号。这些测量信号可以用于分析并确定生理参数如血氧饱和度和脉搏等。基于光学的血液测量技术所依赖的原理是，光经过身体该部分时可以被吸收、反射或者折射从而造成衰减。其中，身体该部分包括皮肤、肌肉、骨骼、脂肪、色素等成分，光因这些成分而导致的衰减通常是不变的或者被认为在测量期间是基本不变的，而血管里特别是动脉血管里的血液的流动会导致光的衰减发生变化。这一点体现在测量信号中可以分成时不变的直流电(direct current，dc)信号和时变的交流电(alternating current，ac)信号，通过提取测量信号中的ac信号可以获得血液流动特点、血液参数和/或进行血液分析。例如，光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，ppg)测量经过人体血管和组织反射、吸收后的衰减光，得到容积脉搏波的血流变化，从而描记出血管的搏动状态并测量脉搏波速度。再例如，脉搏血氧测定法(pulse oximetry)利用动脉血对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理，通过检测血液对光吸收量的变化而测量血氧饱和度，也就是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比。
3.ppg测量以及ppg传感器的原理是通过发射器如发光二极管(light emitting diode，led)发出的光经人体特定部位如手腕处的血液和组织反射后再被传感器如光敏二极管(photodiode，pd)接收，通过检测经人体反射回来的光线(例如对光电转换后的电信号进行分析)可以获得上述的ac信号并进而检测血氧或者心率等生理参数。其中，ppg传感器的测量精度以及检测效果受到ac信号相对于dc信号的比值(也称之为调制深度)影响，实际中ac信号相对于dc信号的比值一般不到千分之一，而且还收到各种噪声的影响，例如背景噪声、电子电路扰动及器件状态偏移等因素也会带来负面影响。为此，需要提高ac信号相对于dc信号的比值以及提高系统的信噪比(signal noise ratio，snr)。
4.现有技术中，中国专利申请公布号cn 105748053a公开了利用两个摄像头分别获取同一个脉搏波的两路ppg信号，再通过两路ppg信号上的时域特征点对应的时间点之间的差值或者差值的平均值推算出脉搏波传递时间(pulse transit time，ptt)，接着基于两个摄像头的预设距离计算出脉搏波传递速度(pulse wave velocity，pwv)，从而提高了ptt和pwv的获取精度；还公开了利用不同波长如红光(red)绿光(green)和蓝光(blue)三路ppg信
号，从中选择两路信号或者三路信号的平均值或者选择snr最大的一路信号作为目标ppg信号。国际申请号pct/cn2018/091071及其pct申请公布号wo 2019/237281a1公开了利用不同的pd与led之间的距离各自对应不同的应用场景下对功耗和ac信号相对于dc信号的比值的需求，设计pd与led之间的布局以使得pd与led之间的距离有长距离和短距离，例如其中示出了三个均为rgb三合一的led和两个pd，从而形成共计18条光线通路，包括12条长距离通路和6条短距离通路，并且通过对18条光线通路上的反射光强设置不同权重或者通过12条长距离通路之间的信号差异来提高检测精度。然而，上述现有技术并没有充分考虑到脉搏波传递方向所带来的影响，也没有考虑测量部位的动脉走向所带来的影响，仅仅只是通过对不同光线通路上的反射光强进行取平均值或者加权或者求差值等做法来提高测量精度。取决于脉搏波传递方向或者动脉走向与特定的pd与led之间的布局的相对方位，例如脉搏波传递方向与作为比较对象的两条光线通路各自的相对方位，可能导致较差的测量效果并且这种负面影响很难通过后期的平均值或加权等算法进行弥补。并且，ppg测量用于人体不同的部位，各个部位也有不同的动脉分布和走向，每个用户作为个体在同一部位也有各自的不同情况，这些因素都会影响最终的测量精度。
5.为此，需要一种ppg传感器、生理参数传感器及智能可穿戴设备，不仅能考虑脉搏波传递方向或者动脉走向对ppg测量的影响，还能灵活应对复杂多变的应用场景，包括适用于人体不同的部位和不同用户的个体差异。


技术实现要素：

6.本技术实施例为了解决不仅能考虑脉搏波传递方向或者动脉走向对ppg测量的影响，还能灵活应对复杂多变的应用场景，包括适用于人体不同的部位和不同用户的个体差异，这样的技术难题，通过提供了一种ppg传感器、生理参数传感器及智能可穿戴设备，从而实现了改进ppg测量结果和提高测量精度。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种ppg传感器。所述ppg传感器包括：传感器序列，其中，所述传感器序列包括至少三个发射器/检测器组，所述至少三个发射器/检测器组被选择性激活以提供至少三路ppg信号，所述至少三路ppg信号与被激活的发射器/检测器组一一对应；和处理器。其中，所述处理器用于接收所述至少三路ppg信号并提供所述ppg传感器的输出结果，所述ppg传感器的输出结果至少包括脉搏波传递方向。其中，所述脉搏波传递方向根据所述至少三路ppg信号之间的相位差以及所述ppg传感器的布局确定，所述ppg传感器的布局根据所述被激活的发射器/检测器组确定。
8.第一方面所描述的技术方案，实现了改进ppg测量结果和提高测量精度。
9.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述至少三个发射器/检测器组中的任意两个发射器/检测器组之间具有不同的发射器或者不同的检测器或者发射器和检测器均不同。
10.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述至少三个发射器/检测器组包括：由一个发射器和三个检测器分别组成的三个发射器/检测器组，或者，由一个检测器和三个发射器分别组成的三个发射器/检测器组，或者，由两个发射器和两个检测器分别组成的四个发射器/检测器组。
11.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述发
射器是led，所述检测器是pd。
12.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器的输出结果还包括脉搏波传递时间ptt或者脉搏波传递速度pwv。
13.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器的布局根据所述被激活的发射器/检测器组确定，包括：根据所述被激活的发射器/检测器组确定多条光线通路以及所述多条光线通路各自的中点，所述ppg传感器的布局包括所述多条光线通路各自的中点所组成的多边形的边长和内角。
14.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器的布局根据所述被激活的发射器/检测器组确定，包括：根据所述被激活的发射器/检测器组确定多条光线通路以及所述多条光线通路各自的中点，所述ppg传感器的布局包括所述多条光线通路各自的中点之间的距离及相对方位。
15.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述传感器序列所包括的所有发射器/检测器组在所述ppg传感器上的位置预先设定。
16.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器还包括：光场分布补偿模块，其中，所述光场分布补偿模块与所述传感器序列通信地连接，所述光场分布补偿模块根据所述被激活的发射器/检测器组的发射光场和接收光场之间的重叠情况来计算所述被激活的发射器/检测器组的光场分布补偿结果。
17.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述光场分布补偿模块还根据至少以下之一来计算所述被激活的发射器/检测器组的光场分布补偿结果：所述被激活的发射器/检测器组的发射光的波长、所述被激活的发射器/检测器组的发射角、所述被激活的发射器/检测器组的接收角、所述ppg传感器的测量区域的弯曲程度。
18.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器的布局根据所述被激活的发射器/检测器组确定，包括：根据所述被激活的发射器/检测器组确定多条光线通路以及所述多条光线通路各自的中点，所述光场分布补偿模块或者所述处理器根据所述被激活的发射器/检测器组的光场分布补偿结果以及所述多条光线通路各自的中点来计算所述多条光线通路各自的有效采样地点，所述ppg传感器的布局包括所述多条光线通路各自的有效采样地点之间的空间关系。
19.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述多条光线通路各自的有效采样地点之间的空间关系包括所述多条光线通路各自的有效采样地点所组成的多边形的边长和内角，或者，所述多条光线通路各自的有效采样地点的距离及相对方位。
20.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器还包括：采样速度调整模块，其中，所述采样速度调整模块与所述传感器序列通信地连接，所述采样速度调整模块用于根据所述被激活的发射器/检测器组来调整采样频率。
21.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述处理器是基于深度机器学习模型来提供所述ppg传感器的输出结果，所述深度机器学习模型被训练用于根据所述至少三路ppg信号之间的相位差以及所述ppg传感器的布局来计算所
述脉搏波传递方向。
22.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器还包括：预设生理模型库，其中，所述预设生理模型库提供人体特定部位的动脉血管走向趋势的模型给所述深度机器学习模型。
23.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器还包括：用户模型库，其中，所述用户模型库基于所述ppg传感器的历史数据提供特定用户的动脉血管走向趋势的模型给所述深度机器学习模型。
24.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器还包括：用户模型更新模块，其中，所述用户模型更新模块用于根据所述ppg传感器的输出结果更新所述用户模型库。
25.根据第一方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述ppg传感器的测量区域位于手腕、手指、耳朵、前额、脸颊或者眼球。
26.第二方面，本技术实施例提供了一种生理参数传感器。所述生理参数传感器包括根据第一方面中任一项所述的ppg传感器，所述生理参数传感器根据所述脉搏波传递方向来确定生理参数。
27.根据第二方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述生理参数是血液相关参数，所述血液相关参数包括以下至少一种：血压，血红蛋白浓度，脉搏，血氧饱和度，呼吸频率，血流灌注指数，血流反应性，高铁血红蛋白，碳氧血红蛋白，胆黄素，氧气含量、血脂以及血糖。
28.根据第二方面的技术方案的一种可能的实现方式，所述生理参数是色素相关参数，所述色素相关参数包括色素分布图、色素干扰、或者色素相关背景噪声。
29.第三方面，本技术实施例提供了一种智能可穿戴设备。所述智能可穿戴设备包括根据第一方面中任一项所述的ppg传感器，所述智能可穿戴设备根据所述ppg传感器的输出结果来提供医疗监测结果。
30.根据第三方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述医疗监测结果是基于血液相关参数，所述血液相关参数根据所述ppg传感器的输出结果确定，所述血液相关参数包括以下至少一种：血压，血红蛋白浓度，脉搏，血氧饱和度，呼吸频率，血流灌注指数，血流反应性，高铁血红蛋白，碳氧血红蛋白，胆黄素，氧气含量、血脂以及血糖。
31.根据第三方面的技术方案的一种可能的实现方式，本技术实施例还提供了所述医疗监测结果是基于色素相关参数，所述色素相关参数根据所述ppg传感器的输出结果确定，所述色素相关参数包括色素分布图、色素干扰、或者色素相关背景噪声。
附图说明
32.为了说明本技术实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本技术实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
33.图1示出了本技术实施例提供的ppg传感器的布局的示意图。
34.图2示出了本技术实施例提供的利用图1所示的ppg传感器测量脉搏波传递方向的示意图。
35.图3示出了本技术实施例提供的另一种实施方式的ppg传感器的布局的示意图。
36.图4示出了本技术实施例提供的用于ppg传感器的传感器序列的示意图。
37.图5示出了本技术实施例提供的结合光场分布补偿的ppg传感器的结构示意图。
38.图6示出了本技术实施例提供的另一种实施方式的ppg传感器的结构框图。
具体实施方式
39.本技术实施例为了解决不仅能考虑脉搏波传递方向或者动脉走向对ppg测量的影响，还能灵活应对复杂多变的应用场景，包括适用于人体不同的部位和不同用户的个体差异，这样的技术难题，提供了一种ppg传感器、生理参数传感器及智能可穿戴设备。所述ppg传感器包括：传感器序列，其中，所述传感器序列包括至少三个发射器/检测器组，所述至少三个发射器/检测器组被选择性激活以提供至少三路ppg信号，所述至少三路ppg信号与被激活的发射器/检测器组一一对应；和处理器。其中，所述处理器用于接收所述至少三路ppg信号并提供所述ppg传感器的输出结果，所述ppg传感器的输出结果至少包括脉搏波传递方向。其中，所述脉搏波传递方向根据所述至少三路ppg信号之间的相位差以及所述ppg传感器的布局确定，所述ppg传感器的布局根据所述被激活的发射器/检测器组确定。如此，实现了改进ppg测量结果和提高测量精度。
40.本技术实施例可用于以下应用场景，包括但是不限于，任意通过皮肤进行的生理检测，例如通过光容积图或者脉搏波测量血压、血红蛋白浓度、脉搏、血氧饱和度、呼吸频率、血流灌注指数、血流反应性、高铁血红蛋白、碳氧血红蛋白、胆黄素、氧气含量等，或者通过测量脉搏波传输时间或者测量不同波长的脉搏波幅度或者测量脉搏波相位等来测量上述生理参数或者任意合适的人体相关生理参数。
41.本技术实施例可以依据具体应用环境进行调整和改进，此处不做具体限定。
42.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术的实施例进行描述。
43.请参阅图1，图1示出了本技术实施例提供的ppg传感器的布局的示意图。如图1所示，ppg传感器100包括一个发射器102和三个检测器分别为检测器110、检测器112和检测器114。这里，发射器102指的是任意发射光的电子器件，或者说任意适合的光源。这里发射器102所发射的光或者称发射光或者入射光，应理解为一般意义上的电磁辐射并且包括以下频率或波长的辐射，例如可见光、红外线以及紫外线等或者例如常用于ppg测量的红光、绿光及蓝光等。发射器102可以是任意适合于产生一种或者多种波长的光源，例如发光二极管led，只要该光源能满足本技术实施例所描述的具体功能和特征。发射器102可以只发射一种特定波长的光，例如以特定波长为中心波长且具有较小线宽。发射器102还可以发射多种波长，例如发射第一种波长和第二种波长且第二种波长不同于第一种波长。发射器102可以发射的波长包括例如400纳米(nanometer，nm)、2000nm、甚至大于10000nm，以及任意适合用于ppg测量或者光学相干断层扫描技术(optical coherencetomography，oct)或者基于光学传感技术的医学检测技术的波长，例如可见光(如红光、绿光及蓝光等)、红外线以及紫外线等。检测器110、检测器112和检测器114配置为检测发射器102所发射的光，特别是发射器102所发射的光经人体反射回来的光线，并且这些检测器自身或者通过与其它必要的电路或器件的结合可以将检测到的光转换为相应的ppg信号。检测器110、检测器112和检测器
114可以采用任意合适的检测手段，例如光敏二极管pd、光敏电阻器(photoresistor)、光电晶体管(phototransistor)、光电转换器等等。ppg信号的检测原理可以参考上述ppg测量原理和现有技术，在此不再赘述。应当理解的是，任意合适的ppg测量方法和ppg信号检测方法都可以适用于本技术，在此不做具体限定，并且本技术旨在覆盖在申请之日后所提出的ppg测量方法和ppg信号检测方法，只要其基本原理属于光电容积脉搏波描记法ppg测量或者说光容积图(photoplethysmogram)的范畴。
44.发射器102和检测器110、检测器112以及检测器114分别形成了三条光线通路，这三条光线通路意味着发射器102所发射的光或者说发射光场与相应的检测器所检测到的光或者说检测光场二者之间的汇合点在与该检测器对应的光线通路上。例如，发射器102与检测器110之间的光线通路上有位置m1，位置m1代表了发射器102的发射光场与检测器110的检测光场之间的汇合点，也就是发射器102和检测器110之间的有效测量地点或者有效采样地点。这意味着，检测器110所记录的ppg信号是在位置m1处进行采样得到的，这里采样频率由发射器102的脉冲速率和检测器110的检测性能决定。从光场分布的角度来说，位置m1是发射器102的发射光场与检测器110的检测光场之间最大重叠区域。位置m1受到多种因素的影响，包括发射器102和检测器110之间的距离，所检测的人体部位的弯曲程度，发射器102的发射角和检测器110的接收角，以及发射光的波长等。一般情况，可以假设发射器102与检测器110的连线的中点处有最大光场分布也就是说是位置m1。在图1所示的实施例中，位置m1应理解为发射器102与检测器110的连线的中点处，下面会详细说明如何结合光场分布等因素进一步确定在何处记录的ppg信号。类似地，位置m2应理解为发射器102与检测器114的连线的终点处，检测器114所记录的ppg信号在位置m2处进行采样得到；位置m3应理解为发射器102与检测器112的连线的终点处，检测器112所记录的ppg信号在位置m3处进行采样得到。
45.请继续参阅图1，将位置m1、位置m2和位置m3这三处连线得到的三角形，具有三个边d1、d2和d3，以及以位置m1为顶点的内角a1，以位置m2为顶点的内角a2和以位置m3为顶点的内角a3。根据位置m1、位置m2和位置m3而确定的三角形，包括其三个边和三个内角，或者任意等效的数学表述或几何描述，可以理解为位置m1、位置m2和位置m3这三处之间的相对意义上的空间关系。并且，上面假设了位置m1、位置m2和位置m3是发射器102分别与检测器110、检测器114和检测器112之间的连线的各自的中点，因此位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系也就是发射器102与检测器110、检测器114和检测器112之间的空间关系。因此，ppg传感器100的布局，也就是ppg传感器100所包括的任意数量的发射器和任意数量的检测器之间的距离和方位等信息，或者说彼此之间的相对坐标等，可以用来确定位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系。因此，位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系由ppg传感器100的布局确定。
46.应当理解的是，图1中所示的ppg传感器100包括一个发射器和三个检测器，或者说图1中所示出的布局包括一个发射器分别与三个检测器之间所组成的三个检测组，每个检测组对应一个发射器与一个检测器的组合且测量一路ppg信号，并且不同检测组之间至少有不同的发射器或者不同的检测器。在一种可能的实施方式中，结合上述的ppg测量原理可知，也可以通过三个发射器与一个检测器之间所组成的三个检测组来达到类似效果也就是测量出三路ppg信号。具体地，可以将图1中所示的发射器102替换成检测器，将检测器110、
检测器114和检测器112分别替换成三个发射器。这种三个发射器与一个检测器的组合需要通过时分或者频分方式或者其它合适方式来避免不同路的ppg信号出现混淆。在另一种可能的实施方式中，还可以通过三对的成对的发射器和检测器，每一对成对的发射器和检测器是一个检测组并测量一路ppg信号，可以通过不同的波长来避免不同检测组各自测量的ppg信号出现混淆。因此，ppg传感器100的布局可以有多种可能的变化和组合，图1中所示出的只是一种示例，其它可能的组合，只要能提供三路ppg信号，则这三路ppg信号各自的测量地点对应图1中所示出的三个位置m1、m2和m3，就应理解为落入图1所示的ppg传感器100所公开的范围。在一种可能的实施方式中，图1所示的ppg传感器100可以包括多个发射器/检测器，这些多个发射器/检测器包括三个检测组，其中任意两个检测组之间有不同的发射器或者检测器，三个检测组各自提供三路彼此独立的ppg信号。在另一种可能的实施方式中，图1所示的ppg传感器100可以包括多个发射器/检测器的布局，并且提供三路彼此独立的ppg信号。三路彼此独立的ppg信号与图1中所示的三个位置m1、m2和m3分别对应，每个位置标识了与该位置对应的ppg信号的测量地点或者说与该位置对应的ppg信号的发射器/检测器的连线中点。下面会详细说明在考虑光场分布等因素后如何进一步确定ppg信号的测量地点。
47.出于表述简洁的需要，下面的实施例及附图仅示意性示出了三个位置m1、m2和m3或者其它位置，但是结合上述说明，这些位置各自对应的是检测组或者发射器/检测器的组合，并且对应任意合适的ppg传感器100的布局，例如包括至少3个的led光源和至少1个的检测器的ppg传感器。下面说明如何利用图1的ppg传感器100的布局测量脉搏波传递方向。
48.请参阅图2，图2示出了本技术实施例提供的利用图1所示的ppg传感器测量脉搏波传递方向的示意图。出于表述简洁，图2仅示出了三个位置m1、m2和m3，分别对应图1的ppg传感器所测量的三路ppg信号。图2还示出了位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系，包括三个边d1、d2和d3，以及以位置m1为顶点的内角a1，以位置m2为顶点的内角a2和以位置m3为顶点的内角a3。图2还示出了血液流动方向l1和l2。血液流动方向l1和l2也可以表示被测量部位的动脉分布和走向。如上所述，三个位置m1、m2和m3分别对应三路ppg信号各自的采样地点，也就说三路ppg信号分别在三个位置m1、m2和m3处采样得到。结合与人体动脉分布有关的生理常识可知，当测量部位比较小或者说用于ppg测量的区域足够小时，在该区域内会有一条动脉血管或者动脉血管分支，或者说在该区域内对测量结果产生主要影响的是在单一的动脉血管内传递的脉搏波。ppg传感器在该区域的测量效果，包括上述的ac信号相对于dc信号的比值以及系统snr，主要取决于沿着该单一动脉管壁传播的脉搏波的测量效果，因此需要考虑到该单一动脉血管的走向与ppg传感器的布局特别是其中的采样地点分布之间的关系。
49.如图2所示，当该动脉血管分布是沿着方向l1时，这意味着脉搏波传递方向也是大体上沿着方向l1。因此，在三个位置m1、m2和m3处采样得到的关于沿着方向l1传递的脉搏波的信号，彼此之间存在相位差，这些相位差是由方向l1相对于位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系而确定的。具体地，沿着方向l1传递的脉搏波，首先会抵达位置m3处，这体现在位置m3处对应的ppg信号上首先录得某个时域特征点例如ppg信号的峰值或者零值；同一脉搏波会经过第一传递时间后抵达位置m1处以及经过第二传递时间后抵达位置m2处，这体现在位置m1处对应的ppg信号和位置m2处对应的ppg信号分别相对于位置m3处对应的ppg信号
存在第一相位差和第二相位差。通过波形分析比较可知，在位置m3处对应的ppg信号上录得的某个时域特征点如峰值或者零值，会经过第一相位差后出现于在位置m1处对应的ppg信号上，以及经过第二相位差后出现于在位置m2处对应的ppg信号上。如此，通过在位置m1、位置m2和位置m3分别采样得到的共计三路ppg信号之间的波形分析比较和相位差分析，再结合位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系，就可以推算出该脉搏波的传递方向l1，进而可以根据推算出来的脉搏波的传递方向l1来改进ppg测量结果，提高测量精度。
50.另外，当脉搏波的传递方向发生些微变化时，例如图2中所示的方向l1发生些微的旋转或者角度变化，这些些微变化也会体现在与位置m1、位置m2和位置m3分别对应的三路ppg信号之间的相位差的变化。具体地，只要确定了同一脉搏波首先抵达的位置，如方向为l1的脉搏波首先抵达位置m3，再将首先抵达的位置m3对应的ppg信号作为参考ppg信号，再将另外两个位置m1和m2处各自对应的两路ppg信号分别作为第一目标ppg信号和第二目标ppg信号，通过比较参考ppg信号与第一目标ppg信号之间的相位差以及参考ppg信号与第二目标ppg信号之间的相位差，就可以推算出该脉搏波的传递方向l1并且捕捉方向l1发生的些微变化，从而有利于推算出脉搏波的传递方向。在一些示例性实施例中，还可以通过其它合适的数学工具或者几何理论来推算脉搏波的传递方向并捕捉脉搏波的传递方向发生的些微变化，这些也属于本技术旨在公开内容的一部分。
51.如图2所示，当动脉血管分布是沿着方向l2时，这意味着脉搏波传递方向也是大体上沿着方向l2。则沿着方向l2传递的脉搏波，首先会抵达位置m1处，则将位置m1对应的ppg信号作为参考ppg信号，再将位置m2和位置m3对应的两路ppg信号作为第一目标ppg信号和第二目标ppg信号，通过比较参考ppg信号与第一目标ppg信号之间的相位差以及参考ppg信号与第二目标ppg信号之间的相位差，就可以推算出该脉搏波的传递方向l2并且捕捉方向l2发生的些微变化，从而有利于推算出脉搏波的传递方向，改进ppg测量结果，提高测量精度。因此，当ppg传感器的测量区域发生变化时，测量区域内的动脉血管分布也会发生变化，例如当ppg传感器的测量地点从人体的左手手腕处变成右手手腕处，这样导致脉搏波的传递方向从l1变成l2。面对发生变化后的测量区域，可以选择三路ppg信号中的一路信号为参考ppg信号再将另外两路ppg信号作为第一目标ppg信号和第二目标ppg信号，进而通过比较参考ppg信号与第一目标ppg信号之间的相位差以及参考ppg信号与第二目标ppg信号之间的相位差。例如，当脉搏波的传递方向从l1变成l2，则将作为参考ppg信号的该路ppg信号从对应位置m3的ppg信号变成了对应位置m1的ppg信号。并且，选择参考ppg信号的标准，除了上述的以脉搏波首先抵达的采样地点所对应的ppg信号以外，还可以选择脉搏波最后抵达的采样地点所对应的ppg信号，这是因为推算脉搏波的传递方向需要的是其它两路ppg信号各自与作为基准的参考ppg信号之间的相位差。在一些示例性实施例中，还可以将三路ppg信号进行取平均值、加权求和或者其它数学处理后的结果作为参考ppg信号，这些具体的实现手段都是基于上述的基本原理，也就是通过在位置m1、位置m2和位置m3分别采样得到的共计三路ppg信号之间的波形分析比较和相位差分析，再结合位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系，来推算出脉搏波的传递方向。
52.应当理解的是，图2仅示出了三个位置m1、m2和m3，这可以通过任意的ppg传感器实现，只要该ppg传感器包括多个发射器/检测器的布局，并且提供三路彼此独立的ppg信号。三路彼此独立的ppg信号与三个位置m1、m2和m3分别对应，每个位置标识了与该位置对应的
ppg信号的测量地点或者说与该位置对应的ppg信号的发射器的发射光场与检测器的检测光场之间最大重叠区域。一般情况下，ppg信号的测量地点或称采样地点，也就是与该ppg信号对应的位置是发射器和检测器之间连线的中点或者说发射器和检测器所形成的光线通路的中点。下面会详细说明在考虑光场分布等因素后如何进一步确定ppg信号的测量地点。
53.请参阅图3，图3示出了本技术实施例提供的另一种实施方式的ppg传感器的布局的示意图。如图3所示，ppg传感器300包括一个发射器302和四个检测器分别为检测器310、检测器312、检测器314以及检测器316。其中，发射器302和检测器310、检测器312、检测器314以及检测器316分别形成了四条光线通路，并分别对应四个位置m1、m2、m3和m4。与图2中所示的三个位置m1、m2和m3不同的是，图3中多了一个位置m4，也多了一路ppg信号也就是发射器302和检测器316所组成的检测组所测量的ppg信号。图1和图2中的实施例描述了如何通过在位置m1、位置m2和位置m3分别采样得到的共计三路ppg信号之间的波形分析比较和相位差分析，再结合位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系，来推算出脉搏波的传递方向。类似地，在图3中，通过在位置m1、位置m2、位置m3和位置m4分别采样得到的共计四路ppg信号之间的波形分析比较和相位差分析，再结合位置m1、位置m2、位置m3和位置m4之间的空间关系，来推算出脉搏波的传递方向。这里，位置m1、位置m2、位置m3和位置m4之间的空间关系包括四个边d1、d2、d3和d4，以及以位置m1为顶点的内角a1，以位置m2为顶点的内角a2、以位置m3为顶点的内角a3和以位置m4为顶点的内角a4。因此，通过增加新的位置m4和对应的第四路ppg信号，图1和图2中所示的三角形的空间关系变成了图3中所示的四边形的空间关系。相应地，图3所示的ppg传感器300在选择参考ppg信号后，将另外三路ppg信号分别作为第一目标ppg信号、第二目标ppg信号和第三目标ppg信号，然后根据参考ppg信号与第一目标ppg信号之间的相位差、参考ppg信号与第二目标ppg信号之间的相位差以及参考ppg信号与第三目标ppg信号之间的相位差，可以推算出ppg传感器300的测量区域内的脉搏波传递方向，进而改进ppg测量结果，提高测量精度。应当理解的是，选择参考ppg信号的标准，除了上述的以脉搏波首先抵达的采样地点所对应的ppg信号以外，还可以选择脉搏波最后抵达的采样地点所对应的ppg信号，这是因为推算脉搏波的传递方向需要的是其它两路ppg信号各自与作为基准的参考ppg信号之间的相位差。在一些示例性实施例中，还可以将四路ppg信号进行取平均值、加权求和或者其它数学处理后的结果作为参考ppg信号。
54.结合图1、图2和图3，ppg传感器的布局可以包括至少三个检测组，每个检测组对应一个发射器与一个检测器的组合且测量一路ppg信号，并且不同检测组之间至少有不同的发射器或者不同的检测器。或者说，ppg传感器的布局可以包括至少能测量三路ppg信号的发射器/检测器的组合。更多的ppg信号意味着存在更多对应的ppg信号的采样地点或者测量地点。所有ppg信号各自对应的采样地点之间的空间关系，包括这些采样地点之间的距离和相对方位，例如表示为图2中所示的三角形的边长和内角以及图3中所示的四边形的边长和内角，可以根据ppg传感器的布局确定，一般情况下可以将ppg信号的采样地点视为与该ppg信号对应的发射器和检测器所形成的光线通路的中点。因此，本技术实施例所提供的ppg传感器可以具有如图1和图2所示的三个检测组和三路ppg信号，也可以具有如图3所示的四个检测组和四路ppg信号，在其它实施方式中还可以具有更多的检测组和更多路ppg信号，这些可以根据ppg传感器的布局确定。总体来说，更多的检测组和更多路的ppg信号，有助于提供更准确的脉搏波传递方向的推算结果，有利于改进测量精度。其中，随着增加更多
检测组和更多路ppg信号以及相应的采样地点，可以利用合适的数学工具或者几何理论例如针对多边形的几何理论等，还可以利用频域分析和多信号处理分析等技术，来推算脉搏波的传递方向并捕捉脉搏波的传递方向发生的些微变化。
55.请参阅图4，图4示出了本技术实施例提供的用于ppg传感器的传感器序列的示意图。图4所示的传感器序列400包括4x4共计16个发射器/检测器。传感器序列400还包括用黑色填充色标注出来的发射器/检测器402、404、406及410。根据实际需求，传感器序列400可以选择性的激活其中的若干个发射器/检测器从而形成不同的发射器/检测器的组合，如此也就形成了不同的ppg传感器的布局。在一种可能的实施方式中，假设存在同一个发射器(未示出)，而传感器序列400中包括的都是检测器，则传感器序列400可以激活检测器402、404和406从而形成第一布局，还可以激活检测器402、404和410从而形成第二布局。其中，第一布局和第二布局对应同一发射器，但是对应不同的检测器的组合。如此，通过激活不同的检测器，传感器序列400可以改变ppg传感器的布局，并因此改变了与ppg传感器的布局对应的采样地点之间的空间关系。传感器序列400还可以激活更多数量的检测器，例如同时激活检测器402、404、406及410。因此，通过预先设置传感器序列400，包括其中所包括的发射器/检测器的数量，预设位置和预设方位，再通过激活其中的若干个发射器/检测器从而形成不同的发射器/检测器的组合，如此也就形成了不同的ppg传感器的布局，有利于灵活调整与ppg传感器的布局对应的采样地点之间的空间关系，例如由这些采样地点所形成的多边形的边长和内角等。
56.请参阅图5，图5示出了本技术实施例提供的结合光场分布补偿的ppg传感器的结构示意图。如上所述，一般情况下，可以将ppg信号的采样地点视为与该ppg信号对应的发射器和检测器所形成的光线通路的中点，而为了达到更好的测量效果，需要结合光场分布补偿来选择发射器的发射光场与检测器的检测光场之间最大重叠区域。图5所示的位置m1、m2和m3是与图1中所示的位置m1、m2和m3一致，均表示与该位置对应的ppg信号的测量地点或者说与该位置对应的ppg信号的发射器/检测器的连线中点。图5中所示的位置n1、n2和n3则表示结合光场分布补偿后重新确定的采样地点。具体地，图5中所示的ppg传感器500包括发射器502和检测器510、检测器512以及检测器514。发射器502和检测器510、检测器512以及检测器514分别形成了三条光线通路。其中，发射器502与检测器510之间的光线通路上的中点是位置m1，而位置n1代表了发射器502的发射光场与检测器510的检测光场之间的汇合点，也就是发射器502和检测器510之间的采样地点。这意味着，检测器510所记录的ppg信号是在位置n1处进行采样得到的，这里采样频率由发射器502的脉冲速率和检测器510的检测性能决定。从光场分布的角度来说，位置n1是发射器502的发射光场与检测器510的检测光场之间最大重叠区域。作为采样地点的位置n1与作为光线通路中点的位置m1之间的距离，主要是受到光场分布影响，这受到多种因素的影响，包括所检测的人体部位的弯曲程度、发射器502的发射角和检测器510的接收角以及发射光的波长等。类似地，发射器502与检测器514之间的光线通路上的中点是位置m2，而位置n2代表了发射器502的发射光场与检测器514的检测光场之间的汇合点，也就是发射器502和检测器514之间的采样地点，这意味着检测器514所记录的ppg信号是在位置n2处进行采样得到的；发射器502与检测器512之间的光线通路上的中点是位置m3，而位置n3代表了发射器502的发射光场与检测器512的检测光场之间的汇合点，也就是发射器502和检测器512之间的采样地点，这意味着检测器512所记录
的ppg信号是在位置n3处进行采样得到的。如此，结合光场分布补偿，对图1、图2和图3中所示的以光线通路中点作为默认的ppg信号采样地点的做法进行了改进，将发射光场与检测光场的汇合点或者说最大重叠区域作为有效采样地点，并且以有效采样地点如图5中所示的位置n1、n2和n3之间的空间关系作为基础，来推算脉搏波的传递方向，从而提高测量精度。
57.具体地，有效采样地点可以通过以下方式确定：先根据ppg传感器的布局确定默认的采样地点也就是发射器/检测器的光线通路的中点，如图1中所示出的三个位置m1、m2和m3；再通过影响光场分布补偿的多种因素来计算光场分布补偿，包括ppg传感器的布局，默认采样地点的位置和方位，测量区域的弯曲程度(人体不同部位有不同弯曲程度)，发射器的发射角，检测器的接收角，提供入射光的光源的参数，入射光波长等等；根据计算出来的光场分布补偿来调整默认采样地点从而得到调整后的有效采样地点。根据上述各种因素来计算光场分布补偿，可以通过任意合适的科学工具例如光学分析工具，还可以通过深度机器学习技术结合预设模型来预测。光场分布补偿可以结合具体的ppg传感器的布局对每一个默认采样地点进行分别的单独的补偿，例如沿着光线通路改变其所处位置，或者位移一段距离。应当理解的是，图2中所示的利用默认采样地点如图2中位置m1、位置m2和位置m3之间的空间关系来预测脉搏波传递方向的方法，也适用于利用有效采样地点如图5中位置n1、位置n2和位置n3之间的空间关系，只需要在相关计算和公式中用有效采样地点来替代默认采样地点。也就是说，结合光场分布补偿的ppg传感器，其中所包括的多个发射器/检测器的布局且提供多路彼此独立的ppg信号，可以根据多个发射器/检测器的布局以及其它影响光场分布的因素，来确定每一路ppg信号的有效采样地点，并根据多个有效采样地点之间的空间关系以及对多路ppg信号的相位差和波形的分析，推算出脉搏波的传递方向，从而改进ppg测量结果，提高测量精度。
58.请参阅图6，图6示出了本技术实施例提供的另一种实施方式的ppg传感器的结构框图。如图6所示，ppg传感器600包括传感器序列602，光场分布补偿模块604，采样速度调整模块606，机器学习模型610，用户模型库620，用户模型更新模块622以及预设生理模型库630。其中，传感器序列602包括按照预设距离和方位而分布的多个发射器/检测器，传感器序列602通过选择性激活其中的发射器/检测器可以形成不同的发射器/检测器的组合，从而形成不同的ppg传感器的布局。因此，ppg传感器600通过传感器序列602而具有可调的布局，具体地ppg传感器600所提供的多路ppg信号与多个采样地点一一对应，而这些采样地点之间的空间关系是可调的。光场分布补偿模块604与传感器序列602通信地连接，从传感器序列602获得当前被激活的发射器/检测器，或者说获得当前的ppg传感器600的布局，从而参考图5所示的结合光场分布补偿的ppg传感器500，计算出与多路ppg信号对应的多个有效采样地点，并将有效采样点的信息发送给机器学习模型610。传感器序列602也将所采集到的多路ppg信号发送给机器学习模型610。采样速度调整模块606用于调整采样频率，具体地通过提高采样频率可以缩短采样地点之间的距离从而减小测量误差，但同时也可能增加资源损耗。采样速度调整模块606与传感器序列602通信地连接，从传感器序列602获得当前被激活的发射器/检测器，或者说获得当前的ppg传感器600的布局，并根据当前的ppg传感器600的布局调整采样频率从而减小测量误差。
59.机器学习模型610是已经训练好的人工智能模型，用于根据输入的各种信息来计
算脉搏波的传递方向并且根据多路ppg信号和所计算出来的脉搏波的传递方向来确定脉搏波传递时间ptt和脉搏波传递速度pwv，以及进一步计算出各种生理参数，包括但是不限于，血压，血红蛋白浓度，脉搏，血氧饱和度，呼吸频率，血流灌注指数，血流反应性，高铁血红蛋白，碳氧血红蛋白，胆黄素，氧气含量，血脂以及血糖。应当理解的是，在一种可能的实施方式中，机器学习模型610仅用来根据输入的各种信息来计算脉搏波的传递方向，并且根据多路ppg信号和所计算出来的脉搏波的传递方向来确定脉搏波传递时间ptt和脉搏波传递速度pwv。ppg传感器600还包括其它的模块(未示出)从机器学习模型610获得ptt和pwv，然后由其它的模块来完成生理参数的计算，例如专用集成电路或者基于可编程逻辑电路技术的芯片等。在另一种可能的实施方式中，机器学习模型610仅用来根据输入的各种信息来计算脉搏波的传递方向，并将计算出来的脉搏波的传递方向传输给ppg传感器600的其它的模块(未示出)，由其它的模块来计算ptt和pwv以及生理参数。总之，机器学习模型610至少配置为能计算测量区域的脉搏波的传递方向，或者说测量区域的动脉血管分布。
60.如上所述，机器学习模型610从传感器序列602获得多路ppg信号，从光场分布补偿模块604获得结合光场分布补偿后的多个有效采样地点，从采样速度调整模块获得与当前的ppg传感器600的布局对应的采样频率，然后机器学习模型610根据输入信号和已经训练好的人工智能模型，计算出脉搏波的传递方向。机器学习模型610的人工智能模型可以是基于任意合适的人工智能技术，例如深度机器学习技术，以及基于任意合适的机器学习框架和模型，例如深度卷积神经网络模型(deep neural network，dnn)，这些可以根据实际需求进行调整或者改进，在此不做具体限定。机器学习模型610可以指代用于执行机器学习算法或者人工智能模型的处理器、芯片、集成电路或者任意合适的电子器件。另外，处于加速计算的目的，机器学习模型610也可以不从光场分布补偿模块604获得结合光场分布补偿后的多个有效采样地点，而是从传感器序列602获得当前的ppg传感器600的布局并将默认的采样地点替代有效采样地点，也就是用上述的光线通路的中点来替代发射广场和接收光场的最大重叠区域。虽然这样会损失些测量精度，但是可以节省计算光场分布补偿的步骤，在某些情况下适合这样做来加速计算，例如当人体处于剧烈运动状态而测量区域变化剧烈时可能需要加速计算。
61.人体不同的部位通常有不同的动脉血管分布也就是有不同的脉搏波传递方向，通过机器学习模型610的多任务处理功能，可以利用作为输入数据的多路ppg信号、多个有效采样地点以及采样频率来计算出脉搏波的传递方向，还可以提供其它的输出数据如ptt和pwv等。考虑到人体上同一部位的动脉血管分布有一定的规律性和重复性，例如根据人体解剖学相关知识可知不同人的手腕处的动脉分段后的解剖图谱具有大致的走向趋势。另外，同一个用户一般是习惯性的将ppg传感器佩戴于固定的几个部位，例如左右手腕处或者耳朵及前额等部位，而位于这些部位的ppg传感器通常也在特定的几个测量区域进行测量，并且同一个用户在这些特定测量区域内的动脉走向也保持一定的一致性和规律性。因此，用户模型库620用于提供同一个用户的历史数据和计算模型给机器学习模型610，从而使得当ppg传感器600为同一个用户反复使用时可以提高计算速度和测量精度，而用户模型更新模块622则用于根据机器学习模型610所计算出来的结果更新用户模型库620，从而使得用户模型库620所记录的数据和模型更符合当前使用者的个体特征。用户模型更新模块622可以通过自监督学习等算法来实现自适应的更新数据和模型。预设生理模型库630则存储预设
的人体不同部位的动脉走向及脉搏波传递方向的生理模型，例如人体左手手腕处的生理模型，并将预设生理模型提供给机器学习模型610，用于根据预设生理模型进一步提高计算脉搏波传递方向的效率。
62.结合图1至图6，本技术实施例提供的ppg传感器，考虑到脉搏波传递方向或者动脉走向对ppg测量的影响，因此在测量多路ppg信号同时还获得与多路ppg信号对应的采样地点，并根据这些采样地点之间的空间关系和对多路ppg信号的波形分析和相位差分析来推算出脉搏波的传递方向，从而可以改进ppg测量结果和提高测量精度。并且，本技术实施例提供的ppg传感器还考虑到光场分布补偿，而通过例如图6所示的光场分布补偿模块604来获得结合光场分布补偿后的多个有效采样地点，从而改进测量效果。并且，本技术实施例提供的ppg传感器还通过提供可以选择性激活其中的发射器/检测器的传感器序列从而提供容易调整的布局(如图4所示的传感器序列400)，使得ppg传感器可以在应用中通过选择激活不同的发射器/检测器的组合来获得不同的布局，有利于改进测量效果。另外，本技术实施例提供的ppg传感器还考虑到采样频率的影响而提供采样速度调整模块，从而根据当前的ppg传感器的布局调整采样频率从而减小测量误差。另外，本技术实施例提供的ppg传感器还考虑到人体上同一部位的动脉血管分布有一定的规律性和重复性以及同一个用户的人体特征，提供用户模型库和预设生理模型，进一步提高计算脉搏波传递方向的效率。
63.本技术提供的具体实施例可以用硬件，软件，固件或固态逻辑电路中的任何一种或组合来实现，并且可以结合信号处理，控制和/或专用电路来实现。本技术具体实施例提供的设备或装置可以包括一个或多个处理器(例如，微处理器，控制器，数字信号处理器(dsp)，专用集成电路(asic)，现场可编程门阵列(fpga)等)，这些处理器处理各种计算机可执行指令从而控制设备或装置的操作。本技术具体实施例提供的设备或装置可以包括将各个组件耦合在一起的系统总线或数据传输系统。系统总线可以包括不同总线结构中的任何一种或不同总线结构的组合，例如存储器总线或存储器控制器，外围总线，通用串行总线和/或利用多种总线体系结构中的任何一种的处理器或本地总线。本技术具体实施例提供的设备或装置可以是单独提供，也可以是系统的一部分，也可以是其它设备或装置的一部分。
64.本技术提供的具体实施例可以包括计算机可读存储介质或与计算机可读存储介质相结合，例如能够提供非暂时性数据存储的一个或多个存储设备。计算机可读存储介质/存储设备可以被配置为保存数据，程序器和/或指令，这些数据，程序器和/或指令在由本技术具体实施例提供的设备或装置的处理器执行时使这些设备或装置实现有关操作。计算机可读存储介质/存储设备可以包括以下一个或多个特征：易失性，非易失性，动态，静态，可读/写，只读，随机访问，顺序访问，位置可寻址性，文件可寻址性和内容可寻址性。在一个或多个示例性实施例中，计算机可读存储介质/存储设备可以被集成到本技术具体实施例提供的设备或装置中或属于公共系统。计算机可读存储介质/存储设备可以包括光存储设备，半导体存储设备和/或磁存储设备等等，也可以包括随机存取存储器(ram)，闪存，只读存储器(rom)，可擦可编程只读存储器(eprom)，电可擦可编程只读存储器(eeprom)，寄存器，硬盘，可移动磁盘，可记录和/或可重写光盘(cd)，数字多功能光盘(dvd)，大容量存储介质设备或任何其他形式的合适存储介质。
65.以上是本技术实施例的实施方式，应当指出，本技术具体实施例描述的方法中的
步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。可以理解的是，本技术实施例以及附图所示的结构并不构成对有关装置或系统的具体限定。在本技术另一些实施例中，有关装置或系统可以包括比具体实施例和附图更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者具有不同的部件布置。本领域技术人员将理解，在不脱离本技术具体实施例的精神和范围的情况下，可以对具体实施例记载的方法和设备的布置，操作和细节进行各种修改或变化；在不脱离本技术实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本技术的保护范围。