专利名称：用于光电容积描记器(ppg)数据的欠采样获取和传输及在接收机处的全频带ppg数据的重 ...的制作方法
技术领域：
本申请的特定方案总体上涉及信号处理，更具体的，涉及用于信号的欠采样获取、 传输和重建的方法。
背景技术：
压缩感测(CS)是新兴的信号处理概念，其中，可以使用比香农/尼奎斯特 (Shannon/Nyquist)采样定理所提出的少得多的传感器测量值来回复具有任意高分辨率的信号。这在被感测的信号在特定域中固有的是可压缩的或稀疏的情况下是可能的。考虑具有M个非零频谱成分的一类有限带宽的信号，其中，M<<fs/2，fs是建议的采样速率，例如尼奎斯特采样速率。传统上，这种信号能够在获得之后进行压缩，以实现更有效的传输和/ 或存储。在CS架构中，获取处理(S卩，感测)可以与源压缩相组合，并可以与信号的稀疏本质无关。然而，在接收机端会需要这个稀疏性信息，以便执行信号重建。通常将在CS架构中的测量值定义为信号与随机基础函数的内积。如果在接收机可以获得至少2 ·Μ个样本， 则就可以准确地恢复这些信号，虽然在接收机处存在某些额外的运算复杂性。这在体域网 (body area network, BAN)中是有用的，因为将运算复杂性转移到具有灵活功率预算的节点，以便增加在BAN中所用的传感器的使用寿命。CS范例可以用于与信号探测/分类、成像、数据压缩和磁共振成像(MRI)有关的应用。报道了 CS在改进的信号保真度和较好的识别性能方面的优点。在本申请中，提出了基于CS的信号处理，用于在护理和健康应用的BAN内提供低功率的传感器。BAN在护理应用中的重要方案是在传感器(即发射机)与聚集器(即接收机)之间提供可靠的通信链路，同时使传感器功率和通信等待时间最小。以前报道了包括多跳无线网络在内可以观测到高达50%的分组丢失率。然而，可以通过使用服务质量(QoS)感知网络来改进分组丢失性能。可以应用双信道方案，其中，可以保留一条信道用于紧急警告消息。结果，可以实现5%到25%的较低分组丢失率。然而，分组丢失率会随着网络拥塞而增大。此外，研究了在BAN情况中的前向纠错(FEC)编码的实用。通过使用FEC方案，对于在秒数量级上的通信等待时间可以观测到较小的残余分组丢失率。此外，研究了在通用分组无线业务(GPRS)链路上的心电图(ECG)信号的传输，对于在秒数量级上的通信等待时间获得了较小的丢失率。使用FEC的优点是以增加传输带宽和传感器复杂性为代价的。另一方面，与FEC方案相比，基于重传的技术具有较小的带宽损失，但由于需要在发射机处缓冲分组，因此传感器的复杂性相当大。还存在与往返时间成正比的等待时间损失。因此，本领域中需要一种方法，其在发射机处具有较低带宽开销和较低运算复杂性，从而实现较长的传感器寿命，同时不会损害给定分组丢失率情况下的特定应用的目标
质量度量。
发明内容
特定方案提供了一种用于信号处理的方法。所述方法总体上包括以下步骤在一装置处产生非均勻的采样时间(sampling instance)；以及在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本。特定方案提供了一种用于信号处理的装置。所述装置总体上包括产生器，被配置为产生非均勻的采样时间；以及传感器，被配置为在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本。特定方案提供了一种用于信号处理的装置。所述装置总体上包括用于产生非均勻的采样时间的模块；以及用于在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本的模块。特定方案提供了一种用于信号处理的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括具有指令的计算机可读介质，所述指令可执行以产生非均勻的采样时间；并在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本。特定方案提供了一种感测设备。所述感测设备总体上包括产生器，被配置为产生非均勻的采样时间；传感器，被配置为至少在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本；以及发射机，被配置为发送所述感测的样本。特定方案提供了一种用于信号处理的方法。所述方法总体上包括以下步骤在一装置处接收从另一装置发送信号的样本；确定一组非均勻的采样时间，其中，在所述另一装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；并且使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号。特定方案提供了一种用于信号处理的装置。所述装置总体上包括接收机，被配置为接收从另一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中， 在所述另一装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；以及重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号。特定方案提供了一种用于信号处理的装置。所述装置总体上包括用于接收从另一装置发送的信号的样本的模块；用于确定一组非均勻的采样时间的模块，其中，在所述另一装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；以及用于使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号的模块。特定方案提供了一种用于信号处理的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括具有指令的计算机可读介质，所述指令可执行以接收从一装置发送的信号的样本；确定一组非均勻的采样时间，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；并且使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号。特定方案提供了一种耳机。所述耳机总体上包括接收机，被配置为接收从一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的，重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号；以及换能器，被配置为根据所述重建的信号来提供音频输出。特定方案提供了一种手表。所述手表总体上包括接收机，被配置为接收从一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号；以及用户界面，被配置为根据所述重建的信号来提供指示。特定方案提供了一种监控设备。所述监控设备总体上包括连接器；接收机，被配置为通过所述连接器接收从一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号； 以及用户界面，被配置为根据所述重建的信号来提供指示。特定方案提供了一种用于信号处理的方法。所述方法总体上包括以下步骤在多个非均勻的采样时间期间开启光源；并且在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。特定方案提供了一种用于信号处理的装置。所述装置总体上包括开启电路，被配置为在多个非均勻的采样时间期间开启光源；以及关闭电路，被配置为在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。特定方案提供了一种用于信号处理的装置。所述装置总体上包括用于在多个非均勻的采样时间期间开启光源的模块；以及用于在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源的模块。特定方案提供了一种用于信号处理的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括具有指令的计算机可读介质，所述指令可执行以在多个非均勻的采样时间期间开启光源； 并且在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。特定方案提供了一种感测设备。所述感测设备总体上包括开启电路，被配置为在多个非均勻的采样时间期间开启光源；传感器，被配置为在所述多个非均勻的采样时间期间感测信号的样本；以及关闭电路，被配置为在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
所以通过参考多个方案可以获得详细地理解本申请的上述特征的方式、以上概述的更具体的描述，在附图中示出了其中一些方案。然而应当注意，附图仅示出了本申请的特定典型方案，因此不应认为是其范围的限制，因为本描述承认其它等效的方案。图1示出了根据本申请的特定方案的示例性无线通信系统。图2示出了根据本申请的特定方案的可以用于无线设备中的各种组件。图3示出了根据本申请的特定方案的可以用于无线通信系统中的示例性发射机和示例性接收机。
图4示出了根据本申请的特定方案的示例性体域网(BAN)。图5示出了根据本申请的特定方案的用于BAN内的传感器阵列的示例性方框图。图6示出了根据本申请的特定方案的用于BAN内的聚集器的示例性方框图。图7示出了根据本申请的特定方案的时域光电容积描记器(PPG)信号及其频谱的示例。图8示出了根据本申请的特定方案的时域心电图(ECG)信号及其频谱的示例。图9示出了根据本申请的特定方案的PPG信号的频谱的另一个示例。图10示出了根据本申请的特定方案的PPG信号的示例及其在Gabor空间中的变换。图11示出了根据本申请的特定方案，对于使用不同欠采样比值(under-sampling ratio，USR)获得的重建信号的比较。图12示出了根据本申请的特定方案，对于基于用于不同USR的压缩感测 (compressed sensing, CS)架构的心率(HR)估计的比较。图13示出了根据本申请的特定方案，对于基于用于不同USR的CS架构的PPG信号重建的比较。图14示出了根据本申请的特定方案的基于ECG和PPG信号峰值的脉冲到达时间 (PAT)和HR的示例性测量值。图15示出了根据本申请的特定方案的用于收缩压(SBP)估计误差和舒张压(DBP) 估计误差的标准偏差。图16示出了根据本申请的特定方案的基于CS的分组丢失隐藏(PLC)方法的示例性操作。图16A示出了能够执行图16中所示操作的示例性组件。图17示出了根据本申请的特定方案的示例性ECG信号，其在Gabor空间中的变换及该ECG信号的预编码形式。图18示出了根据本申请的特定方案的基于交织的CS-PLC方法的示例性操作。图18A示出了能够执行图18中所示的操作的示例性组件。图19示出了根据本申请的特定方案，对于不同数量的传输分组，CS-PLC的示例性均方根误差(RMSE)性能的曲线图。图20示出了根据本申请的特定方案的使用CS-PLC方法和没有PLC的方案的信号重建的示例。图21示出了根据本申请的特定方案的用于各种PLC方案的示例性归一化RMSE性能的曲线图。图22示出了根据本申请的特定方案的用于各种PLC方案的心跳检测性能比较。图23示出了根据本申请的特定方案的使用CS-PLC方案的恢复的音频信号的示例。图24示出了根据本申请的特定方案的使用CS-PLC方案的恢复的音频信号的另一个示例。图25示出了根据本申请的特定方案的用于欠采样获取和重建的示例性操作。图25A示出了能够执行图25中所示的操作的示例性组件。
图26示出了根据本申请的特定方案的传感器和重建器的示例性方框图。图27示出了根据本申请的特定方案的在非均勻的采样时间感测的信号的示例。图28示出了根据本申请的特定方案的用于对在传感器处的光源进行开启和关闭的示例性操作。图28A示出了能够执行图28中所示的操作的示例性组件。
具体实施例方式下文中参考附图更充分地说明本申请的各种方案。然而，本申请可以以不同形式体现，并且不应解释为局限于在本申请通篇中提出的任何具体结构或功能。相反，提供这些方案的目的是使得本申请全面和完整，并完整地向本领域技术人员传达本申请的范围。根据本文的教导，本领域技术人员应意识到本申请的范围旨在覆盖本文公开的本申请的任何方案，无论是独立于本申请的任何其它方案实施的方案还是与之相结合实施的方案。例如， 可以使用本文提出的任意数量的方案来实现装置或实施方法。另外，本申请的范围旨在覆盖作为本文阐述的本申请的各个方案的补充或者替代本文阐述的本申请的各个方案而使用其它结构、功能或结构及功能来实现的装置或方法。应理解，本文公开的本申请的任何方案都可以由权利要求中的一个或多个要素来体现。本文使用词语“示例性的”表示充当实例、例子或举例说明。本文中被描述为“示例性的”任何方案并非必然解释为对于其它方案而言是优选的或是有优势的。尽管本文描述了多个具体方案，但这些方案的许多变化和置换也属于本申请的范围内。尽管提及了优选方案的一些益处和优点，但本申请的范围不是旨在局限于具体的益处、使用或目标。相反，本申请的方案旨在广泛地应用于不同无线技术、系统结构、网络和传输协议，其中的一些在优选方案的附图和以下的描述中作为示例加以示出。详细描述和附图对于本申请仅是示例性的，而不是限制性的，本申请的范围由所附权利要求及其等价物来定义。示例性无线通信系统本文描述的技术可以用于各种宽带无线通信系统中，包括基于正交复用方案和信号载波传输的通信系统。这种通信系统的示例包括正交频分多址(OFDMA)系统、单载波频分多址(SC-FDMA)、码分多址(CDMA)等等。OFDMA系统使用正交频分复用(OFDM)， 它是将总系统带宽分割为多个正交的子载波的调制技术。这些子载波也可以称为音调 (tone)、频段(bin)等。使用0FDM，每一个子载波都可以以数据单独地进行调制。SC-FDMA 系统可以使用交织的FDMA(IFDMA)来在分布在系统带宽上的多个子载波上进行发送，使用集中式FDMA(localized FDMA, LFDMA)来在一块相邻子载波上进行发送，或者使用增强FDMA(EFDMA)来在多块相邻子载波上进行发送。通常，在频域中以OFDM及在时域中以 SC-FDMA发送调制符号。CDMA系统使用扩展频谱技术和编码方案，其中，为每一个发射机 (即，用户)分配代码，以便允许在相同物理信道上复用多个用户。基于正交复用方案的通信系统的一个具体示例是WiMAX系统。WiMAX代表微波接入全球互操作，它是在远距离上提供高吞吐量宽带连接的一种基于标准的宽带无线技术。 当前存在两种主要的WiMAX应用固定WiMAX和移动WiMAX。例如，固定WiMAX应用是一点对多点的，能够实现对家庭和商业的宽带接入。移动WiMAX以宽带速度提供蜂窝网络的完全移动性。IEEE 802. 16x是新兴的标准组织，其定义用于固定和移动宽带无线接入(BWA)系统的空中接口。IEEE 802. 16x在2004年5月批准了用于固定BWA系统的“IEEE P802. 16d/ D5-2004”，并在 2005 年 10 月公布了用于移动 BWA 系统的“IEEE P802. 16e/D12”。IEEE 802. 16的最新版本，“IEEEP802. 16Rev2/D8December 2008”，草案标准，现在合并了来自 IEEE 802. 16e和勘误表(corrigendum)的资料。该标准定义了四个不同物理层(PHY)和一个介质接入控制(MAC)层。这四个物理层中的OFDM和OFDMA物理层分别在固定BWA和移动BWA领域中最普遍。本文的教导可以包含(例如，在其内实现或由其执行)在各种有线或无线装置 (例如，节点)中。在一些方案中，根据本文的教导实现的节点可以包括接入点或接入终端。接入点(“AP”)可以包括、实现为或者被称为节点B、无线网络控制器(“RNC”)、 eNodeB、基站控制器(“BSC”)、基础收发机站(“BTS”)、基站(“BS”)、收发机功能实体 (“TF”)、无线电路由器、无线电收发机、基本服务集(“BSS”)、扩展服务集(“ESS”)、无线电基站(“RBS”)，或者一些其它的术语。接入终端(“AT”)可以包括、实现为或者被称为接入终端、用户站、用户单元、移动站、远程站、远程终端、用户终端、用户代理、用户设备、用户装置，或者一些其它的术语。在一些实现方式中，接入终端可以包括蜂窝电话、无绳电话、会话发起协议(“SIP”)电话、无线本地环路(“m^L”)站、个人数字助理(“PDA”)、具有无线连接能力的手持设备，或者连接到无线调制解调器的一些其他适合的处理设备。因此，本文教导的一个或多个方案可以包含在电话(例如，蜂窝电话或智能电话)、计算机(例如，膝上型电脑)、便携式通信设备、 便携式计算设备(例如，个人数字助理)、娱乐设备(例如，音乐或视频设备，或者卫星无线电接收机)、全球定位系统设备、或者被配置为经由无线或有线介质进行通信的任何其它适合的设备中。在一些方案中，节点是无线节点。这种无线节点例如可以提供经由有线或无线通信链路对或到网络(例如，诸如互联网或蜂窝网络的广域网)的连通性。图1示出了可以在其中使用本申请的方案的无线通信系统100的示例。无线通信系统100可以是宽带无线通信系统。无线通信系统100可以为多个小区102提供通信，每一个小区都由一个基站104服务。基站104可以是与用户终端106进行通信的固定站。基站104可以可替换地称为接入点、节点B或一些其它术语。图1示出了散布遍及系统100的多个用户终端106。用户终端106可以是固定的 (即静止的)或移动的。用户终端106可以可替换地称为远程站、接入终端、终端、用户单元、移动站、站、用户装置等。用户终端106可以是无线设备，诸如蜂窝电话、个人数字助理 (PDA)、手持设备、无线调制解调器、膝上型电脑、个人计算机等。可以将多种算法和方法用于在无线通信系统100中在基站104与用户终端106之间的传输。例如，可以根据0FDM/0FDMA技术在基站104与用户终端106之间发送和接收信号。如果是这种情况，就可以将无线通信系统100称为0FDM/0FDMA系统。可替换的，可以根据CDMA技术在基站104与用户终端106之间发送和接收信号。如果是这种情况，就可以将无线通信系统100称为CDMA系统。可以将用于从基站104到用户终端106的传输的通信链路称为下行链路(DL) 108， 将用于从用户终端106到基站104的传输的通信链路称为上行链路(UL) 110。可替换的，可以将下行链路108称为前向链路或前向信道，可以将上行链路110称为反向链路或反向信道。可以将小区102分割为多个扇区112。扇区112是在小区102内的物理覆盖区域。 在无线通信系统100内的基站104可以利用能够将功率流集中在小区102的某个特定扇区 112内的天线。可以将这种天线称为定向天线。图2示出了可以用于无线设备202中的多个组件，无线设备202可以在无线通信系统100内使用。无线设备202是可以被配置为实施本文所述的各种方法的设备的示例。 无线设备202可以是基站104或用户终端106。无线设备202可以包括处理器204，其控制无线设备202的操作。还可以将处理器 204称为中央处理单元(CPU)。存储器206可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器 (RAM)，其向处理器204提供指令和数据。存储器206的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(NRAM)。处理器204通常根据存储在存储器206内的程序指令来执行逻辑和数学运算。存储器206中的指令可以执行来实施本文所述的方法。无线设备202还可以包括外壳208，其可以包括发射机210和接收机212，以允许在无线设备202与远程地点之间的数据发送与接收。可以将发射机210和接收机212合并到收发机214中。天线216可以附着在外壳208上，并电耦合到收发机214。无线设备202 还可以包括(未示出)多个发射机、多个接收机、多个收发机，和/或多个天线。无线设备202还可以包括信号检测器218，它可以用于检测并量化由收发机214接收到的信号的电平。信号检测器218可以按照总能量、每个符号每个子载波的能量、功率谱密度和其它信号来检测这种信号。无线设备202还可以包括数字信号处理器(DSP) 220，用于处理信号。无线设备202的多个组件可以由总线系统222耦合在一起，除了数据总线之外，总线系统222还可以包括电源总线、控制信号总线和状态信号总线。图3示出了可以在利用0FDM/0FDMA的无线通信系统100内使用的发射机302的示例。发射机302的多个部分可以实现在无线设备202的发射机210中。发射机302可以实现在基站104中，用于在下行链路108上向用户终端106发送数据306。发射机302还可以实现在用户终端106中，用于在上行链路110上向基站104发送数据306。将要发送的数据306显示为用作串并(S/P)转换器308的输入。S/P转换器308 可以将发送数据分割为M个并行数据流310。随后可以将这N个并行数据流310用作映射器312的输入。映射器312可以将这N个并行数据流310映射到N个星座点上。可以用诸如二相相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、8相相移键控(8PSK)、正交调幅(QAM)等的一些调制星座来进行映射。因此， 映射器312可以输出N个并行符号流316，每一个符号流316都对应于快速傅立叶逆变换 (IFFT) 320的N个正交子载波中的一个。这N个并行符号流316是在频域中呈现的，并可以由IFFT组件320转换为N个并行时域样本流318。现在将提供与术语有关的简要注释。在频域中的N个并行调制等于在频域中的N 个调制符号，所述N个调制符号等于在频域中的N映射和N点IFFT，所述N映射和N点IFFT 等于在时域中的一个(有用的)OFDM符号，所述一个(有用的)OFDM符号等于在时域中的 N个样本。时域中的一个OFDM符号Ns等于N。P(每个OFDM符号的循环前缀(CP)数)+N(每个OFDM符号的有用样本数)。可以由并串(ρ/S)转换器3M将N个并行时域样本流318转换为0FDM/0FDMA符号流322。循环前缀插入组件3 可以在0FDM/0FDMA符号流322中的连续的0FDM/0FDMA 符号之间插入CP。随后可以由射频(RF)前端3 将CP插入组件3 的输出上变频到预期的发射频带。天线330随后可以发射所产生的信号322。图3还示出了可以在利用0FDM/0FDMA的无线设备202内使用的接收机304的示例。接收机304的多个部分可以实现在无线设备202的接收机212中。接收机304可以实现在用户终端106中，用于在下行链路108上从基站104接收数据306。接收机304还可以实现在基站104中，用于在上行链路110上从用户终端106接收数据306。所发送的信号332显示为通过无线信道334传输。当由天线330’接收到信号332’ 时，可以由RF前端328’将接收信号332’下变频到基带信号。CP去除组件326’随后可以去除由CP插入组件3 插入在0FDM/0FDMA符号之间的CP。可以将CP去除组件326’的输出提供给S/P转换器324’。S/P转换器324’可以将0FDM/0FDMA符号流322’划分为N个并行时域符号流318’，其每一个都对应于N个正交子载波中的一个。快速傅立叶变换(FFT)组件320’可以将这N个并行时域符号流318’变换到频域，并输出N个并行频域符号流316’。去映射器312’可以执行由映射器312执行的符号映射操作的逆操作，从而输出N 个并行数据流310’。Ρ/S转换器308’可以将这N个并行数据流310’合并为单个数据流 306’。理论上，这个数据流306’对应于被提供作为发射机302的输入的数据306。注意，元件308，、310，、312，、316，、320，、318，和324，都可以存在于基带处理器340，中。体域网概念图4示出了体域网(BAN)400的示例，其对应于图1中所示的无线系统100。体域网代表用于诸如为了诊断目的的连续监控、慢性病的药效等等之类的护理应用的有前景的概念。 BAN可以由几个获取电路组成。每一个获取电路都可以包括无线传感器，其感测一个或多个生命体征并将它们传输到聚集器(即，接入终端)，例如移动手机、无线手表，或者个人数据助理(PDA)。用于获得各种生物医学信号并通过无线信道将它们发送到聚集器 410的传感器402、404、406和408可以具有与接入点104相同的功能。图5示出了生物医学传感器510a-510k的阵列的方框图，其中生物医学传感器510a-510k可以对应于BAN 400 内的传感器402-408。每一个传感器510a-510k都可以是图2的发射机210和图3的发射机302的示例。图4中示出的聚集器410可以接收并处理通过无线信道从传感器402-408发送的各种生物医学信号。聚集器410可以是移动手机或PDA，并可以具有与图1的移动设备106 相同的功能。图6示出了聚集器610的详细方框图，其中聚集器610可以对应于BAN 400 内的聚集器410。聚集器610可以是图2的接收机212和图3的接收机304的示例。希望在BAN中所使用的传感器是非插入式的并且是耐用的。在本申请中可以考虑光电容积描记器(PPG)和心电图(ECG)信号，来说明用于传感器信号处理的压缩感测(CS) 技术的益处。PPG、ECG和机能感测(activity sensing)涵盖了大部分人中的很大比例的慢性病，因此为BAN中的无线技术以及具有无线区域网(WAN)连通性的移动设备提供了相当大的机会。脉搏氧饱和度仪传感器可以产生PPG波形，其能够对血氧(也称为进行连续监控，血氧是包括肺和呼吸在内的肺部系统的一个关键指标。血液将氧气、营养和化学药品运送到身体细胞，以便确保它们的存活、适当地工作，并去除细胞废物。在诊断、外科手术、 长期监控等的临床背景下，大量使用了 $02。图7示出了时域PPG信号及其频谱的示例。ECG是用于评价心血管系统的另一个重要生命体征。心脏是最努力工作的身体部分之一，其每分钟泵送大约6公升的血液通过人体。在每一个心动周期中产生的电信号构成了 ECG，并且其易于由Ag/AgCl电极传感器捕获。ECG通常在用于诊断与心脏有关的疾病的临床背景下使用，并且对ECG的连续监控可以实现许多慢性疾病的早期诊断。图8示出了时域ECG信号及其频谱的示例。血压(BP)是具有极大临床价值的另一个生命体征。可以用ECG和PPG信号来估计收缩压(SBP)和舒张压(DBP)。所提出的方法的概述本申请的特定方案涉及用于减小脉搏氧饱和度仪传感器的功耗的方法。商业脉搏氧饱和度仪通常会消耗20-60mW数量级的功率。红色和红外发光二极管(LED)占这个功率的大部分。对PPG传感器的高效功率设计可以使这个功耗降低到1.5mW。对于一个给定的均勻采样速率，可以减小与LED发光相关的占空比。在其他优化方案中可以使用快速检测器和较高的时钟频率。因此，可以在T *仁持续时间中开启LED，其中，4和T分别表示获得每一个样本所必需的采样速率和发光持续时间。PPG信号在谱域中可以是稀疏的，因此是可压缩的。这可以实现使用压缩感测 (CS)架构来获得PPG信号。可以在非均勻(即，随机的)时间间隔上采样PPG信号，但具有平均采样速率Fs。在CS方法中，采样速率Fs可以比均勻采样速率4小得多。系数fs/Fs 可以称为欠采样比值(USR)。会注意到，由于仅会在T · fs/USR(而不是T · fs)持续时间中点亮LED，这个采样方法会实现用于PPG获取的脉搏氧饱和度仪的功耗的减小(即，大约除以系数USR)。与低通滤波及在fs/USR处进行采样相比，基于CS的方法的益处在于不会丢失高于fs/USR的信号内容。类似的，可以以高USR获得在高频处的窄带信号。图9示出了在仁 =125Hz处采样的PPG信号的示例性频谱。可以观察到，如果仅将低通滤波器用于PPG信号并在USR为40的fs/40 = 3. 125Hz处进行采样，就会丢失相当多的频谱内容。使用CS架构的另一个益处在于，测量值可以与在重建时使用的变换空间无关，所述变换空间包括如在传统尼奎斯特速率的采样中的傅立叶空间。为了重建PPG信号的近似值，CS测量架构可以以增大在接收机侧的运算开销为代价，转换为在传感器侧实现相当大的功率节省。同样让人感兴趣的是针对一个给定任务来评价接收机的复杂度，因为所需的计算可能要在移动手机或PDA上进行。例如，心率(HR)估计任务可以无需来自CS样本的PPG 信号的中间表示，因此对于诸如PPG信号重建和HR估计之类的任务而言，后端处理的复杂度就会是不同的。可以使用用于重病特别护理的多参数智能监控(MIMIC)数据库来证明HR和BP的估计精度在具有不同USR值的CS架构中不会受损。MIMIC数据库由跨度超过M小时的来自几个血液动力学不稳定对象(即，其ECG、PPG和BP图形在一个给定观察时间段期间会发生改变的对象)的ECG、PPG和BP的同时记录组成。本申请的特定方案支持将CS架构用于在信号传输期间减小分组丢失。这是可行的，因为可以配备接收机以便依据稀疏表示来重建信号。考虑从感测模块到聚集器的生物医学信号的无线传输。例如，可以用随机投影(例如，Rademacher模式)对原始ECG数据进行编码，并对所得到的随机系数进行分组以便通过空中进行传输。编码的ECG信号的稀疏本质可以允许使用这些随机系数的子集来执行重建，其中，该子集的基数可以取决于稀疏性信息。这暗示尽管由于信道错误而丢失了一些分组，但在接收机处仍可以重建ECG信号并执行HR估计。这个方法的益处在于无需进行重传，从而在传感器处实现了较低的等待时间和较简单的协议栈。另一个显著的方面在于，可以根据信道状况来调整随机投影的数量(即，压缩感测带宽)。基于压缩感测的获取和重建图沈示出了用于生物医学信号的感测和重建的示例性方框图。用于获得诸如PPG 信号之类的生物医学信号的传感器沈02可以包括三个主要组件LED 2606、光电检测器沈10和分别用于LED和光电检测器的发光序列和采样序列沈04和沈12。LED沈06可以发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光，它还包括光谱中的红色和红外部分。来自LED 2606的光会从组织沈08 (例如，人手指或耳朵，如图沈所示)发射/反射，并可以在光电检测器沈10上收集。在光电检测器处所测量的对应于LED的平均强度的比率可以用于确定血液中的氧含量(&02)。因此，可以是PPG信号的平均值(DC成分)的函数。可以用由种子产生器沈14根据规定的欠采样比值(USR)沈16而产生的随机种子来获得发光序列2604和采样序列沈12。可以在传输之前向媒体接入控制/物理层(MAC/ PHY)处理沈20发送来自光电检测器沈10的采样数据沈18。经处理的样本随后可以进行分组，并由一个或多个天线2622发射。在接收机侧，如图沈所示，可以在一个或多个天线沈对处接收到发送的样本，并由MAC/PHY块沈沈进行处理。随后可以将数据传送到重建器沈观，用于获得原始感测的生物医学信号。为了准确地进行重建，会需要用于产生采样序列沈32的随机种子产生器沈30 与传感器的随机种子产生器2614同步。在本申请的一个方案中，可以通过使用例如用于I1-范数的改进的Gabor稀疏基 IE贝 11化向量(modified—Gabor sparsity basis regularizing vector for I1-Horm) 2638, 来将基于梯度的稀疏重建2636应用于采样的数据沈34。随后可以由单元沈42将估计的信号沈40用于特定任务的处理，以便获得例如血压估计值、血氧水平和心率。可以由单元 2648将实际信号沈44与目标信号沈46进行比较，以便更新用于产生采样时间的USR。在单元沈50的输出处的更新后的USR值沈52可以由随机种子产生器沈30使用，并可以被反馈回传感器，用于调整传感器的USR 2616。除了 USR，还可以向传感器发送其他反馈信息， 以便调整一些其它参数，例如在传感器处的多个测量值、测量值矩阵的系数、所发送的信号样本的数量以及在每一个所发送的分组中的样本数量。在(与红色或红外LED相关的)PPG波形中的变化(modulation)可以与瞬时的血流有关。可以将瞬时心率0 )估计为在波形峰值之间的距离的倒数。用于LED的发光序列可以取决于PPG信号的预期采样速率。其可以采用均勻的尼奎斯特采样速率。此外，会
17注意到，LED的频繁发光会造成脉搏氧饱和度仪传感器的相当大的功耗。本申请的特定方案支持利用PPG信号的稀疏本质并进行较少的测量，以便节省传感器功率。可以将feibor基(Gabor basis)用作变换空间，其包括具有由不同尺度的高斯窗函数限制的时间支持的各种余弦波。将原始采样的PPG信号用N维向量χ来表示，稀疏域变换基用NX N矩阵W来表示。 可以将矩阵W的(i，j)项给出为
r π「24+-1)(/+-ι)) { -ι)2{]-Ν/2)2λΜ权利要求
1.一种用于信号处理的方法，包括以下步骤 在一装置处产生非均勻的采样时间；并且在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在所述装置处在所述多个非均勻的采样时间期间开启光源；并且在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
3.如权利要求2所述的方法，其中，开启所述光源包括在所述多个非均勻的采样时间期间开启一个或多个发光二极管(LED)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，每一个LED都发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光。
5.如权利要求1所述的方法，其中，产生所述非均勻的采样时间包括根据种子来产生所述非均勻的采样时间。
6.如权利要求5所述的方法，其中，将相同的非均勻的采样时间用于感测所述信号的样本以及用于由另一装置重建所述信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中，基于在所述装置与所述另一装置之间的通信链路的安全性协议中所使用的密钥来产生所述种子。
8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤对所述信号的感测样本进行分组，以获得所述感测样本的至少一个分组；并且通过无线信道发送所述至少一个分组。
9.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤 接收与所述非均勻的采样时间有关的反馈信息；并且根据所述接收的反馈信息来调整所述非均勻的采样时间。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述接收的反馈信息包括与所述信号的重建有关的系数和至少一个参数，并且其中，调整所述非均勻的采样时间包括调整欠采样比值或所述采样时间的数量中的至少一个。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述信号包括光电容积描记器(PPG)信号或心电图(ECG)信号。
12.一种用于信号处理的装置，包括 产生器，被配置为产生非均勻的采样时间；以及传感器，被配置为在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本。
13.如权利要求12所述的装置，还包括 光源；开启电路，被配置为在所述多个非均勻的采样时间期间开启所述光源；以及关闭电路，被配置为在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管(LED)， 并且其中，所述开启电路被配置为在所述多个非均勻的采样时间期间开启所述一个或多个 LED。
15.如权利要求14所述的装置，其中，每一个LED都发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光。
16.如权利要求12所述的装置，其中，被配置为产生非均勻的采样时间的所述产生器包括被配置为根据种子来产生所述非均勻的采样时间的电路。
17.如权利要求16所述的装置，其中，将相同的非均勻的采样时间用于感测所述信号的样本以及用于由另一装置重建所述信号。
18.如权利要求17所述的装置，其中，基于在所述装置与所述另一装置之间的通信链路的安全性协议中所使用的密钥来产生所述种子。
19.如权利要求12所述的装置，还包括被配置为对所述信号的感测样本进行分组，以获得所述感测样本的至少一个分组的电路；以及发射机，被配置为通过无线信道发送所述至少一个分组。
20.如权利要求12所述的装置，还包括接收机，被配置为接收与所述非均勻的采样时间有关的反馈信息；以及适配器，被配置为根据所述接收的反馈信息来调整所述非均勻的采样时间。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述接收的反馈信息包括与所述信号的重建有关的系数和至少一个参数，并且其中，调整所述非均勻的采样时间包括调整欠采样比值或所述采样时间的数量中的至少一个。
22.如权利要求12所述的装置，其中，所述信号包括光电容积描记器(PPG)信号或心电图(ECG)信号。
23.一种用于信号处理的装置，包括用于产生非均勻的采样时间的模块；以及用于在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本的模块。
24.如权利要求23所述的装置，还包括光源；用于在所述多个非均勻的采样时间期间开启所述光源的模块；以及用于在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源的模块。
25.如权利要求M所述的装置，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管(LED)，并且其中，用于开启所述光源的所述模块包括用于在所述多个非均勻的采样时间期间开启所述一个或多个LED的模块。
26.如权利要求25所述的装置，其中，每一个LED都发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光。
27.如权利要求23所述的装置，其中，用于产生非均勻的采样时间的所述模块包括用于根据种子来产生所述非均勻的采样时间的模块。
28.如权利要求27所述的装置，其中，将相同的非均勻的采样时间用于感测所述信号的样本以及用于由另一装置重建所述信号。
29.如权利要求观所述的装置，其中，基于在所述装置与所述另一装置之间的通信链路的安全性协议中所使用的密钥来产生所述种子。
30.如权利要求23所述的装置，还包括用于对所述信号的感测样本进行分组，以获得所述感测样本的至少一个分组的模块；以及用于通过无线信道发送所述至少一个分组的模块。
31.如权利要求23所述的装置，还包括用于接收与所述非均勻的采样时间有关的反馈信息的模块；以及用于根据所述接收的反馈信息来调整所述非均勻的采样时间的模块。
32.如权利要求31所述的装置，其中，所述接收的反馈信息包括与所述信号的重建有关的系数和至少一个参数，并且其中，调整所述非均勻的采样时间包括调整欠采样比值或所述采样时间的数量中的至少一个。
33.如权利要求23所述的装置，其中，所述信号包括光电容积描记器(PPG)信号或心电图(ECG)信号。
34.一种用于信号处理的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括具有指令的计算机可读介质，所述指令可执行以产生非均勻的采样时间；并且在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本。
35.一种感测设备，包括产生器，被配置为产生非均勻的采样时间；以及传感器，被配置为在多个所述非均勻的采样时间期间感测信号的样本；以及发射机，被配置为发送所述感测的样本。
36.一种用于信号处理的方法，包括以下步骤 在一装置处接收从另一装置发送的信号的样本；确定一组非均勻的采样时间，其中，在所述另一装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；并且使用所确定的该组非均勻的采样时间，来从所述接收的样本中重建所述信号。
37.如权利要求36所述的方法，其中，重建所述信号包括根据改进的基于梯度投影的稀疏重建(GPS 算法来重建所述信号。
38.如权利要求37所述的方法，其中，所述改进的GPSR算法包括使用加权因子，并且其中，所述加权因子包括原始信号的所估计的总体平均值。
39.如权利要求38所述的方法，其中，通过求一组训练信号的平均值来估计所述总体平均值。
40.如权利要求36所述的方法，其中，确定一组非均勻的采样时间包括以下步骤 根据种子来产生该组非均勻的采样时间。
41.如权利要求40所述的方法，其中，基于在涉及所述装置的通信链路的安全性协议中所使用的密钥来在所述装置处产生所述种子。
42.如权利要求41所述的方法，还包括以下步骤 将与所述种子有关的信息发送回所述另一装置。
43.一种用于信号处理的装置，包括接收机，被配置为接收从另一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述另一装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；以及重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间，来从所述接收的样本中重建所述信号。
44.如权利要求43所述的装置，其中，被配置为重建所述信号的所述重建器包括被配置为根据改进的基于梯度投影的稀疏重建(GPSR)算法来重建所述信号的电路。
45.如权利要求44所述的装置，其中，所述改进的GPSR算法包括使用加权因子，并且其中，所述加权因子包括原始信号的所估计的总体平均值。
46.如权利要求45所述的装置，其中，通过求一组训练信号的平均值来估计所述总体平均值。
47.如权利要求43所述的装置，其中，被配置为确定一组非均勻的采样时间的所述电路包括产生器，被配置为根据种子来产生该组非均勻的采样时间。
48.如权利要求47所述的装置，其中，基于在涉及所述装置的通信链路的安全性协议中所使用的密钥来在所述装置处产生所述种子。
49.如权利要求48所述的装置，还包括发射机，被配置为将与所述种子有关的信息发送回所述另一装置。
50.一种用于信号处理的装置，包括用于接收从另一装置发送的信号的样本的模块；用于确定一组非均勻的采样时间的模块，其中，在所述另一装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；以及用于使用所确定的该组非均勻的采样时间，从所述接收的样本中重建所述信号的模块。
51.如权利要求50所述的装置，其中，用于重建所述信号的所述模块包括用于根据改进的基于梯度投影的稀疏重建(GPS 算法来重建所述信号的模块。
52.如权利要求51所述的装置，其中，所述改进的GPSR算法包括使用加权因子，并且其中，所述加权因子包括原始信号的所估计的总体平均值。
53.如权利要求52所述的装置，其中，通过求一组训练信号的平均值来估计所述总体平均值。
54.如权利要求50所述的装置，其中，用于确定一组非均勻的采样时间的所述模块包括用于根据种子来产生该组非均勻的采样时间的模块。
55.如权利要求M所述的装置，其中，基于在涉及所述装置的通信链路的安全性协议中所使用的密钥来在所述装置处产生所述种子。
56.如权利要求55所述的装置，还包括用于将与所述种子有关的信息发送回所述另一装置的模块。
57.一种用于信号处理的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括具有指令的计算机可读介质，所述指令可执行以接收从一装置发送的信号的样本；确定一组非均勻的采样时间，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；并且使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建信号。
58.一种耳机，包括接收机，被配置为接收从一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号；以及换能器，被配置为根据所述重建的信号来提供音频输出。
59.一种手表，包括接收机，被配置为接收从一装置发送的信号的样本；被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号；以及用户界面，被配置为根据所述重建的信号来提供指示。
60.一种监控设备，包括 连接器；接收机，被配置为通过所述连接器接收从一装置发送的信号的样本； 被配置为确定一组非均勻的采样时间的电路，其中，在所述装置处是在该组非均勻的采样时间期间对信号进行采样的；重建器，被配置为使用所确定的该组非均勻的采样时间来从所述接收的样本中重建所述信号；以及用户界面，被配置为根据所述重建的信号来提供指示。
61.一种用于信号处理的方法，包括以下步骤 在多个非均勻的采样时间期间开启光源；并且在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
62.如权利要求61所述的方法，其中，开启所述光源包括在所述多个非均勻的采样时间期间开启一个或多个发光二极管(LED)。
63.如权利要求62所述的方法，其中，每一个LED都发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光。
64.一种用于信号处理的装置，包括开启电路，被配置为在多个非均勻的采样时间期间开启光源；以及关闭电路，被配置为在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
65.如权利要求64所述的装置，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管(LED)， 并且其中，所述开启电路被配置为在所述多个非均勻的采样时间期间开启所述一个或多个 LED。
66.如权利要求65所述的装置，其中，每一个LED都发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光。
67.一种用于信号处理的装置，包括用于在多个非均勻的采样时间期间开启光源的模块；以及用于在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源的模块。
68.如权利要求61所述的装置，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管(LED)，并且其中，用于开启光源的所述模块包括用于在所述多个非均勻的采样时间期间开启所述一个或多个LED的模块。
69.如权利要求62所述的装置，其中，每一个LED都发出具有在600nm到IOOOnm之间的波长的光。
70.一种用于信号处理的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括具有指令的计算机可读介质，所述指令可执行以在多个非均勻的采样时间期间开启光源；以及在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
71.一种感测设备，包括开启电路，被配置为至少在多个非均勻的采样时间期间开启光源； 传感器，被配置为在所述多个非均勻的采样时间期间感测信号的样本；以及关闭电路，被配置为至少在所述多个非均勻的采样时间之间关闭所述光源。
全文摘要
本申请的特定方案涉及一种用于压缩感测(CS)的方法。CS是一种信号处理概念，其中，可以使用比香农/尼奎斯特采样定理所提出的少得多的传感器测量值来以任意高分辨率恢复信号。在本申请中，将CS架构应用于传感器信号处理，以便支持在用于护理和健康应用的体域网(BAN)中的低功率且鲁棒的传感器和可靠的通信。
文档编号H03M7/30GK102165698SQ200980137507
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月26日
发明者H·加鲁达德里, P·K·巴赫蒂 申请人:高通股份有限公司