使用多通道PPG信号的运动伪影降低的制作方法

本发明涉及用于从光电体积描记数据提取期望的生命信号的数据处理设备，所述生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量。其还涉及光电体积描记设备，涉及用于从光电体积描记数据提取期望的生命信号的数据处理方法，并且涉及计算机程序，所述生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量。

背景技术：

关于心血管状态的信息，例如，血氧饱合度、心率和呼吸率可以使用诸如接触传感器的传感器或诸如相机的远程传感器通过光电体积描记术(PPG)来非侵扰性地采集。使用远程传感器的PPG技术也被称为远程PPG。

不管使用接触传感器还是远程传感器，PPG技术易受运动诱导的信号失真影响，所述信号失真被叠加到期望的生命信号上。由PPG确认的信号的失真也来源于对象的运动。表示检测到的PPG信号的PPG数据中的运动伪影降低是挑战性的任务，因为运动分量的贡献经常比期望的生命体征的共线超出的一个数量。所述伪影造成有错误的解读并且使对心血管参数的估计的准确性和可靠性劣化。

在多个研究中，相关联的PPG设置通常在需要对象不运动的情况下操作。该不足限制了实际应用环境(例如，医院和运动)中该技术的性能。

US 2013/0070792 A1公开了用于对生理信号进行去噪的方法。使用独立分量分析(ICA)来将包括至少两个信号通道(channel)的信号(例如，生理信号)分解成至少两个独立分量。然后，独立分量(IC)去噪被应用于使用与所述至少两个信号通道相关联的统计度量来估计所述至少两个独立分量中的哪个属于信号空间以及所述至少两个独立分量中的哪个属于噪声空间。通过在信号中保留所述至少两个独立分量的属于信号空间的仅一个或多个独立分量来生成所述信号的降噪的版本。

WO 2014/020463 A1描述了用于从由对象发射或反射的电磁辐射来提取生理信息的设备和方法。接收从检测到的电磁辐射导出的数据流。所述数据流包括指示各频谱部分的信号样本的第一序列。所述数据流被分裂成配准的信号样本的至少两个推导出的交错的序列。所述推导出的交错的序列中的每个表示定义的频谱部分并且包括在时间上间隔开的指示性信号样本。在考虑邻近的指示性信号样本的情况下生成人造样本，从而至少部分地替换指示性信号样本之间的空白空间。以此方式，生成了经补充的数据流。

WO 2013/038326 A1涉及用于从远程地检测到的特性信号来提取信息的设备和方法。接收能够从由客体发射的或反射的电磁辐射导出的数据流。该数据流包括连续或离散的特性信号，其包括生理信息和扰动信号部分。所述生理信息表示至少一个至少部分周期性生命信号。所述扰动信号部分表示对象运动部分和/或非指示性反射部分中的至少一个。所述数据流的相关频率带被分裂成至少两个定义的子带，包括特性信号的确定的部分，其中每个表示潜在地感兴趣的定义的时间频率部分。所述子带被优化以导出经优化的子带，经优化的子带至少部分指示生命信号的存在。至少两个经优化的子带被组合以构成经优化的经处理的信号。

WO 99/32030涉及通过在信号处理之前移除运动伪影的PPG中的伪影降低。公开了一种方法，包括以下步骤：以至少第一和第二不同的波长来在组织处发射电磁辐射；在其己经透射组织通过或者在组织内被反射之后接收处于不同波长处的辐射；提供至少第一和第二信号，其是接收到的第一和第二辐射波长的对数量度并且将所述第二信号从所述第一信号减去；移除相减的结果的DC分量并且将AC分量提供给数字采样器件；并且处理所述数字样本以便提供表示组织的性质的期望的值。

US 2002/0077536 A1公开了用于分析被建模为包含初级和次级部分的两个测量的信号的方法和装置。系数将根据模型将所述两个信号相关。在一个实施例中，所述方法涉及利用评价多个可能的信号系数的变换，以便找到合适的系数。备选地，所述方法涉及使用统计函数或者傅立叶变换和窗口技术来确定与所述两个测量的信号有关的系数。所述方法被用在血氧定量法测量中。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供实现PPG数据的改进的运动伪影降低的数据处理设备。

本发明的另一目的是提供实现确认的PPG数据的改进的运动伪影降低的PPG装置。

本发明的另一目的是提供实现PPG数据的改进的运动伪影降低的数据处理方法。

本发明的又一目的是提供实现PPG数据的改进的运动伪影降低的计算机程序。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于从传感器数据提取期望的生命信号的数据处理设备，所述期望的生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量，所述传感器数据包括时间依赖的第一传感器数据并且包括时间依赖的第二传感器数据，所述时间依赖的第一传感器数据包括生理信息分量和至少一个运动伪影分量，所述时间依赖的第二传感器数据指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。所述数据处理设备包括：

-分解单元，其被配置为接收所述第二传感器数据，将所述第二传感器数据分解为经分解的传感器数据的至少两个分量，并且基于经分解的第二传感器数据来提供在至少两个不同的运动参考数据通道中的运动参考数据的至少两个不同的集合，以及

-伪影移除单元，其被配置为接收所述第一传感器数据和所述至少两个不同的运动参考数据通道并且被配置为确定并在所述伪影移除单元的输出部处提供所述生命信号(V)，所述生命信号是根据所述第一传感器数据和所述运动参考数据通道中的至少两个的运动参考数据的组合形成的。

本发明的第一方面的数据处理设备是基于以下认识的：可以通过使用第一和第二传感器数据的组合来获得具有强地降低的由于运动伪影的失真的生命信号。此外，所述数据处理设备使用以下额外的认识：组合可以基于将第二传感器信号分解为经分解的传感器数据的至少两个分量而特别好的实现该效果，所述第二传感器数据指示在一个或多个空间维度上的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。

所述数据处理设备的另外的优点是其不需要使用先前记录的传感器数据(或者换言之，传感器数据历史)来降低所述第一传感器数据中的运动伪影。以这种方式，其特别是区分于己知的自适应滤波技术，所述自适应滤波技术需要参考最近的过去以进行对当前传感器数据的滤波的适应。然而，在存在传感器数据的不可预测的、即时的变化(其可以由感兴趣对象(例如，用户或患者)执行的快速加速运动引起)时，对传感器数据历史的这样的参考导致关于运动伪影的期望的移移除的劣质的滤波结果。相比之下，本发明的数据处理在该方面具有改进的性能并且因此特别适合于中与PPG装置结合操作以用于医院或运动中。这样一来，本发明的第一方面的数据处理设备形成了在医学环境以及日常生活中的PPG装置的增加的使用的关键。

如根据PPG技术本身己知的，被感测区域例如是感兴趣对象的皮肤的区域。被感测区域可以还包括布置于感兴趣对象的皮肤之下的组织和血管，特别是在使用透射的电磁辐射时。

在下文中，将描述数据处理设备的实施例。

所述数据处理设备的实施例被配置为被配置为将进入的时间依赖的传感器数据构建为包含关于预定的时间跨度的传感器数据的帧，其中，所述分解单元被配置为在逐帧的基础上来分解所述第二传感器数据，并且所述伪影移除单元被配置为在逐帧的基础上来确定所述第一传感器数据和所述运动参考数据的所述组合。不同实施例中，帧可以在时间上交叠或者将数据严格分开在不相交的时间间隔中。在特别适于实时处理的实施例中，帧可以表示进入的传感器数据和来自最近的过去的多个秒的传感器数据的级联。

传感器数据，例如PPG数据和/或加速度计数据的帧因此被理解为包含关于时间基础的预定间隔(时间窗)的时间依赖的传感器数据的数据结构。例如，帧可以覆盖多个秒，尤其是小于10秒，优选地小于5秒，并且例如至少2秒。这些给出的值是示范性的并且可以取决于传感器数据的采样率而变化。

在该实施例中，具体而言，没有参考先前(即在当前处理的帧之前)记录的传感器数据来在分解单元中分解当前帧。因为分解单元处理第二传感器数据，因此其优选地不接收或者其忽略关于给定的帧的第一传感器数据。

优选地，在这样的实施例中，所述伪影移除单元也被配置为使用所述第一传感器数据和由所述分解单元提供的至少两个不同的运动参考数据在逐帧的基础上来执行其操作，所述至少两个不同的运动参考数据属于给定的帧。

第一方面的数据处理设备尤其适于实时地执行进入的传感器数据的数据处理的实施方式。所述数据处理设备的实施例被配置为实时地执行所描述的数据处理。

所述第一传感器数据和所述运动参考数据通道中的至少两个的运动参考数据的组合，其在一个实施例中是由伪影移除单元确定和提供的，在一个实施例中是线性组合。所述第一传感器数据和所述运动参考数据通道中的至少两个的运动参考数据的其他形式的组合是可能的并且形成不同的实施例。

在一个实施例中，所述第一传感器数据是PPG数据，所述PPG数据指示至少一个第一频谱通道中的从被感测区域反射的或者透射通过所述被感测区域的电磁辐射的量，所述至少一个第一频谱通道对被感测区域中的血液体积变化敏感。优选地，所述至少一个第一频谱通道包括具有500nm与600nm之间的波长的电磁辐射。在该实施例的一些变型中，所述至少一个第一频谱通道覆盖在530nm与570nm之间或者在540nm与560nm之间的频谱间隔中的波长。优选实施例包括550nm的波长，其提供对血液体积变化的特别高的灵敏度。

依赖于被用于记录所述第二传感器数据的(一种或多种)技术，所述第二传感器数据，其如所提及地指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度，可以被接收为指示一个或多个不同的量。以下将描述实施例的两个示范性组。

在实施例中的一个组，所述第二传感器数据也是PPG数据。在一个这样的实施例中，所述第二传感器数据包括PPG数据，所述PPG数据指示至少一个第二频谱通道中的从被感测区域反射的或者透射通过所述被感测区域的电磁辐射的量，相比于所述第一频谱通道，所述至少一个第二频谱通道对被感测区域中的血液体积变化较不敏感。所述第二频谱通道可以例如包含在650nm的波长周围(例如，610-700nm)的波长间隔，其具有由于皮肤中的血液体积变化的相对较低的搏动。在该类型的其他实施例中，所述PPG数据包含在多于一个第二频谱通道，例如两个或三个频谱通道，中的第二传感器数据。除了覆盖650nm的波长周围的波长间隔的提及的合适的频谱通道之外，另外的频谱通道可以被包括在第二传感器数据中，其覆盖短于550nm的中心波长，例如450nm的中心波长，周围的波长间隔。

在实施例的第二组中，所述第二传感器数据包括加速度计数据，其指示定位于感兴趣对象的被感测区域中的加速度计的位置、速度或加速度的变化。

包括不同类型的数据，例如所述至少一个第二频谱通道中的PPG数据和加速度计数据的第二传感器数据在一个实施例中被使用，其允许进一步增加由要由分解单元确定的运动参考数据提供的运动信息的可靠性。

实施例的另外的组提供由分解单元所采用的信号分解技术的不同的实施方式。在下文中，将描述四个示范性组。再次，实施例的组合，即，不同的信号分解技术的组合是可能的。

在实施例的第一个这样的组中，所述分解单元被配置对所述第二传感器数据关于其频率分量或相位分量进行滤波，从而以所述第二传感器数据的至少两个各自的频率分量或至少两个各自的分量的形式来提供经分解的第二传感器数据的至少两个分量。在该第一组的一个实施例中，所述第二传感器数据被分解为在至少两个不同的运动参考数据通道中的运动参考数据的至少两个不同的集合，其方式为使得所述通道对应于不同的频率区域以降低运动伪影。通过这种形式的分解，所确定的运动参考数据允许不仅降低那些最主导的运动伪影，例如，第二传感器数据的最强的谐波分量，而且也能够降低其他伪影，例如，由所述第二传感器数据的较弱的谐波引起的那些。己经示出为良好工作的分解单元的特定实施方式包括接收所述第二传感器数据的低通滤波器。在运动参考数据的一个通道中提供的经低通滤波的信号因此覆盖所述第二传感器数据的较低的频率范围。在该实施例的一种形式中，所述分解单元还被配置为通过计算所述第二传感器数据和关于在时间基础中的相同的点的经低通滤波的运动参考数据之间的差异，来确定运动参考数据的第二通道，其覆盖所述第二传感器数据的较高的频率范围。作为应用范例，在具有强的周期性移动的身体运动(例如，慢跑)中，所述运动伪影的第一和第二谐波是主导的并且在心率迹线的范围中。使用应用于加速度计数据形式的第二传感器数据的所描述的方法的数据处理设备的实施方式已经示出为有效地降低这两个谐波并且允许恢复心率迹线，其可以被用于可靠地确定心率。

在实施例的第二个这样的组(其可以被理解为该第一组的特定情况)中，其中，其提供不同的相位分量，所述分解单元包括希尔伯特变换级，其接收第二传感器数据或者所述第二传感器数据的频率分量或相位分量中的一个作为输入数据，并且所述分解单元被配置为在其输出部处提供形成所述输入数据的希尔伯特变换的希尔伯特变换数据。实施例的该组是基于这样的认识的：相位中的移位可以跨(一个或多个)PPG信号之间的频率发生，从而导致产生较不优的伪影降低的运动参考数据。为解决该问题，运动参考信号被馈送到希尔伯特变换级以生成额外的信号，其跨频率在相位上被移位-π/2弧度。希尔伯特变换数据和原始第二传感器数据可以然后被提供为对伪影降低单元的输入。这允许补偿跨(一个或多个)PPG信号之间的频率的相位的移位并且因此获得伪影降低，其不受这样的不期望的相位效应影响。

在实施例的第三个这样的组中，所述分解单元包括奇异谱分析单元，其被配置为使用奇异谱分析(SSA)将作为时间的函数的所述第二传感器数据分解为不同分量的和，所述不同分量形成所述经分解的第二传感器数据的至少两个分量。SSA将所述第二传感器数据分解为多个参考数据通道，其包括振荡分量，变化的趋势和噪声。由这些通道表示的分量的和再次得到原始信号。取决于特征值谱，不同的实施例使用与原始的第一和第二传感器数据结合的不同数量的重建分量，以用于伪影降低。以下将参考附图进一步描述根据实施例的该组的特定范例。

在实施例的第四个这样的组中，其中，所述第二传感器数据形成样本的序列，每个样本被分配给基于时间的值的序列中的各自的一个，所述分解单元被配置为通过根据所述第二传感器数据生成多个时间移位的分量来分解所述第二传感器数据，每个时间移位的分量是通过将到所述基于时间的值的所述分配移位各自的预定数量的样本来根据所述第二传感器数确定的。例如，八个信号的分解是通过将形成所述第二传感器数据的PPG数据移位-4、-3、-2、-1、1、2、3以及4个样本而实现的。在己经证实为良好工作的另一范例中，所述分解单元被配置为根据PPG数据形式的第二传感器数据通过将其移位-7、-5、-3、-1、1、3、5以及7个样本来生成时间移位的分量。

实施例的这四组中的不同实施例的所描述不同类型的信号分解的组合是可能的，并且允许更进一步增加数据处理设备的性能。根据不同实施例的选定的组合，这样的实施例包括信号分解的不同级。这可以例如通过在分解单元中顺序地布置不同类型的信号分解的两个或更多个不同的级来实施。

在下文中，将描述伪影移除单元的不同实施例。

有利地，所述伪影移除单元被配置为使用边界条件来确定经历所述组合的各自的频谱和运动参考数据通道的个体权重，这要求：权重向量形成指示所述生命信号到预先存储的归一化的相关性向量的对应性的对应性量度的最优结果，所述权重向量具有作为其向量分量的要被选择用于所述组合的所述频谱通道和所述运动参考数据通道的所述个体权重。

本发明的第二方面由用于确定期望的生命信号的装置形成，所述生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量，所述装置包括：

-发射器单元，其包括至少一个发射器，所述至少一个发射器被配置为在至少一个频谱通道中发射电磁辐射，所述至少一个频谱通道允许确定所述生理信息分量；

-传感器单元，其被配置为确认并且在其输出部处提供第一传感器数据，所述第一传感器数据指示在至少一个频谱通道中的作为时间的函数的从感兴趣对象的被感测区域反射的或者透射通过所述被感测区域的电磁辐射的量，所述电磁辐射包括生理信息分量和在所述电磁频谱的各自的频谱区域中的至少一个运动伪影分量，并且所述传感器单元被配置为确认第二传感器数据，所述第二传感器数据指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的所述被感测区域的位置、速度或加速度；以及

-根据本发明的第一方面或者本文中描述的其实施例中的一个的数据处理设备。

本发明的第二方面的装置共享本发明的第一方面的数据处理设备的优点。所述装置有利地基于光电体积描记PPG技术。

特别适于在日常生活和运动中使用的所述装置的实施例利用在不同频谱范围内取得的PPG信号。这样的设备可以特别地为紧凑的。在这样的实施例中，所述发射器单元额外地被配置为在至少一个第二频谱通道中发射电磁辐射，所述至少一个第二频谱通道相比于所述第一频谱通道对被感测区域中的血液体积的变化较不敏感。所述传感器单元额外地被配置为确认PPG数据，所述PPG数据指示在至少一个第二频谱通道中的从被感测区域反射的或者透射通过被感测区域的电磁辐射的量。

对PPG数据的额外的频谱通道而言备选地或额外地，其他实施例提供加速度计作为所述传感器单元的部分。基于半导体器技术的加速度计现今在手持式设备中被广泛地使用并且可以以非常紧凑的尺寸被提供。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于从传感器数据提取期望的生命信号的数据处理方法，所述期望的生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量，所述数据处理方法包括：

-接收传感器数据，所述传感器数据包括时间依赖的第一传感器数据并且包括时间依赖的第二传感器数据，所述时间依赖的第一传感器数据包括所述生理信息分量和至少一个运动伪影分量，所述时间依赖的第二传感器数据指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度，

-将所述第二传感器数据分解为经分解的传感器数据的至少两个分量，并且基于经分解的第二传感器数据来提供在至少两个不同的运动参考数据通道中的运动参考数据的至少两个不同的集合，并且

-确定并且提供所述生命信号作为输出，所述生命信号是根据所述第一传感器数据和所述运动参考数据通道中的至少两个的运动参考数据的组合形成的。

本发明的第三方面的数据处理方法共享本发明的第一方面的数据处理设备的优点。

根据本发明的实施例，所述方法还包括确认传感器数据，所述传感器数据包括时间依赖的第一传感器数据并且包括时间依赖的第二传感器数据，所述时间依赖的第一传感器数据包括所述生理信息分量和至少一个运动伪影分量，所述时间依赖的第二传感器数据指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。

本发明的第四方面的操作方法共享本发明的第一方面的数据处理设备的优点。

在本发明的第四方面中，一种包括程序代码单元的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码单元用于令所述计算机执行本发明的第三方面或者本文中描述的其实施例中的一个的数据处理方法的步骤。

应该理解，如本发明的第一方面或者权利要求1所述的数据处理设备、如本发明的第二方面或者权利要求9所述的PPG装置、如本发明的第三方面或者权利要求13所述的数据处理方法、如本发明的第四方面或者权利要求14所述的操作方法以及如本发明的第五方面或者权利要求15所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，尤其是如在从属权利要求中所定义的。

附图说明

在附图中：

图1示出了数据处理设备的第一实施例的方框图；

图2示出了数据处理设备的第二实施例的方框图；

图3示出了用在数据处理设备的第一或第二实施例中的分解单元的第一变型的方框图；

图4示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例中的分解单元的第二变型的方框图；

图5示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例中的分解单元的第三变型的方框图；

图6示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例中的分解单元的第四变型的方框图；

图7示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例中的伪影移除单元的实施例的方框图；

图8示出了根据本发明的实施例的PPG装置的方框图；

图9示出了根据本发明的数据处理方法的实施例的流程图；并且

图10示出了用于操作根据本发明的PPG装置的实施例的流程图。

具体实施方式

以下描述的本发明的不同方面的实施例涉及在光电体积描记中的应用。过去，PPG己被广范地使用，例如用于估计心血管参数。该技术关于其他技术己经是优选的，所述其他技术例如为用于心电图描记(EEG)的胸带或者电子听诊器，因为后两者通常被认为降低舒适度和可用性。然而，感兴趣对象(即用户或者患者)在PPG测量期间的运动生成测量的PPG信号中的运动伪影。所述伪影造成错误的解读并且使对心血管参数的估计的准确性和可靠性劣化。以下描述的实施例实现这些运动伪影的特别好的降低或者完全移除。

图1示出了数据处理设备100的第一实施例的方框图。所述数据处理设备服务于从包括PPG数据的第一传感器数据提取期望的生命信号，所述期望的生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量。

PPG数据是在其被提供给数据处理设备之前通过PPG测量获得的数据。PPG数据例如可以以由诸如光电二极管或者相机的光学传感器生成的传感器数据的形式来提供，并且指示作为时间的函数的由光发射器(例如，LED或激光二极管)发射并且从感兴趣对象的被感测区域反射或者(取决于测量设置)透射通过所述被感测区域的探测到的光的量。被感测区域可以是感兴趣对象的皮肤的区域。例如，被感测区域可以是手指的或者耳垂的皮肤的区域。

然而，本实施例仅关注所提供的PPG数据的处理，以便实现运动伪影降低或移除。

数据处理设备100的本示范性实施例使用以三种不同并且分离的数据流的形式提供的PPG数据，其在图1中被标记为PPG1、PPG2、和PPG3。PPG数据的不同的流表示在三个频谱通道中，亦即在电磁频谱的三个频谱间隔中并行(同步地)获取的PPG测量。更具体而言，第一PPG数据流PPG1，其被提供到数据处理设备，包括在第一频谱通道中测量的PPG数据，所述PPG数据包括期望的生理信息分量以及在电磁频谱的各自的频谱区域中的至少一个运动伪影。数据处理设备的目的是从测量的PPG数据提取期望的生理信息分量，其由本申请称为生命信号的物体来表示。然而，所述生命信号被叠加有运动伪影，并且在一些情况下可以由PPG数据中存在的运动伪影所隐藏。

尤其是，由所述第一频谱通道所覆盖的频谱区域包括在540nm与560nm之间的波长区域，所述波长区域提供对血液体积变化的特别高的灵敏度。针对所述第一频谱通道的合适的频谱区域例如是530到570nm。然而，也可以使用比此更窄的频谱通道。所述第一频谱通道与在520与600nm之间的频谱区域的血液的已知特性光学吸收和反射特征越好地交叠，形成所述第一频谱通道的PPG数据PPG1的信噪比就越好。

因此，在权利要求书的用语中，覆盖所述第一频谱通道的第一PPG数据流PPG1提供第一传感器数据。

假定要在本实施例中提供的PPG数据还包括两个其他数据流，第二PPG数据流PPG2和第三PPG数据流PPG3，其表示在第二和第三频谱通道中测量的PPG数据。所述第二和第三频谱通道被选择为相比于所述第一频谱通道提供对在被感测区域中的血液体积变化的较不敏感的PPG数据。合适的值例如是覆盖基本上在650nm周围(例如，610-700nm)的波长的频谱通道。该频谱通道提供由于皮肤中的血液体积变化的低的搏动。另一合适的较不敏感频谱通道覆盖基本上在450nm周围的波长。因为在第二和第三频谱通道中提供的PPG数据对血液体积变化的灵敏度较不敏感，因此PPG数据PPG2和PPG3包括相对较少的生理信息分量和相对更多的至少一个运动伪影分量，其指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。

因此，在权利要求书的用语中，第二频谱通道中的PPG数据PPG2和第三频谱通道中的PPG数据PPG3形成第二传感器数据。

数据处理设备100在接口102中接收三个不同的PPG数据流PPG1到PPG3。接口可以通过适合接收PPG数据的任何类型的数据接口来实施。应该指出，PPG数据不需要经由接口102的三个分离的输入端口来提供。在变型中，包括三个不同的PPG数据流PPG1到PPG3的PPG数据被提供给更小数量的输入端口，例如以包含三个PPG数据流PPG1到PPG3的单个数据流的形式。在这种情况下，接口102被合适地配置为分离PPG数据流PPG1到PPG3。

在接口102的下游，分解单元104仅接收第二传感器数据，即，PPG数据流PPG2和PPG3。分解单元104包括两个并行的分解级104.1和104.2。第一分解级104.1接收第二PPG数据流PPG2，并且第三分解级104.2接收第三PPG数据流PPG3。分解单元104被配置为将所述第二传感器数据分解为经分解的传感器数据的至少两个分量，并且被配置为基于经分解的第二传感器数据来在至少两个不同的运动参考数据通道中提供运动参考数据的至少两个不同的集合。运动参考数据可以与经分解的第二传感器数据相同。

尤其是，在本实施例中，运动参考数据由分解单元104以2m数量的运动参考数据流的形式来提供，其中，m是正整数。分解级104.1和104.2中的每个提供m数量的运动参考数据流，其针对由所述第一分解级104.1提供的那些运动参考数据流被标记MR11、MR12…MR1m，并且针对由所述第二分解级104.2提供的那些运动参考数据流被标记MR21、MR22…MR2m。所述运动参考数据流与所述第一PPG数据流PPG1包含相似的运动伪影，然而，没有由于血液体积变化的分量(其可以被称为心搏分量)或者仅该类型的弱的分量。以下将在参考图3至图6所描述的不同实施例的背景下进一步解释分解单元104.1和分解级104.2以及104.3的更多细节。

运动参考数据流被提供给伪影移除单元106。伪影移除单元也接收第一传感器数据，亦即，三个PPG数据流PPG1到PPG3。伪影移除单元106被配置为确定并且在其输出部处提供从组合形成的信号V，所述组合在本非限制性范例中是频谱通道中的至少一个与所述运动参考数据通道中的至少一个的线性组合。

运动伪影通常具有在能量上不同的谐波。在伪影降低单元106中使用所述第二传感器数据的分解以创建更多的自由度，其中，从所述第一传感器数据PPG1中移除伪影。使用更多的自由度解决了具有不同的能量的谐波的问题。运动伪影降低可以例如通过从所述第一PPG数据流PPG1中减去组合(例如所生成的运动参考数据的线性组合)来实现。

数据处理设备100中的处理尤其是在逐帧的基础上完成的实施例。这提供了这样的优点：仅基于当前处理的(帧)PPG数据来实现运动伪影降低或移除，而不必参考例如还需要访问先前处理的PPG数据的自适应机制。

进入的PPG数据例如首先被窗口化为多个秒的分段。因此，在图1的实施例的变型中，接口单元额外地包括帧单元，其被配置为接收进入的时间依赖的PPG数据并且被配置为将其分区为表示覆盖预定时间间隔(如例如多个秒)的各自的PPG数据的分段的帧。

可以使用交叠添加流程来实现由伪影移除单元进行的帧处理之后的进入的PPG数据流的重建。这是公知的技术并且因此此处将不更加详细地描述。

在描述了分解单元104的不同实施例之后，以下将进一步描述伪影移除单元106的功能和操作的细节，尤其是参考图7的实施例。

图1的实施例的变型接收覆盖仅两个频谱通道的PPG数据，例如由PPG数据流PPG1和PPG2、或者PPG1和PPG3所提供的。在一个这样的变型中，分解单元104可以仅包括一个分解级。然而，如以下进一步更加详细地描述的，分解级的数量不需要与由分解单元104所接收的数据流的数量严格对应。尤其是，分解级的数量可以大于接收到的数据流的数量，从而提供更大数量的运动参考数据流。可以顺序地布置实施不同类型的分解的分解级并且因此向进入的数据流顺序地应用两种不同形式的分解。

图1的实施例的另一变型将在以下参考图2来描述。图2示出了数据处理设备200的第二实施例的方框图。数据处理设备200在许多方面中对应于图1中的。尤其是，其也包含接口202，分解单元204以及伪影移除单元206。

如在图1的实施例中，所述第一传感器数据包括所述第一PPG数据流PPG1。在本实施例的变型中，如参考图1所描述的覆盖第二和第三频谱通道的数据流PPG2和PPG3也被提供为所述第一传感器数据的额外的分量，并且因此，类似于第一PPG数据流，也从接口202被直接路由到伪影移除单元206。这些变型利用以下事实：第二和第三数据流PPG2和PPG3通常包含至少一些期望的生理信息。由于这些数据流PPG2和PPG3是任选地提供的，因而对应的数据流连接由图2中的虚线来指示。

相比于图1的实施例，数据处理设备200接收采取运动数据的三个不同的流M1、M2、和M3的形式的第二传感器数据，其是通过不同于PPG的技术来测量的。这样的运动数据可以例如使用诸如加速度计的传感器来确定，所述加速度计提供关于位置、速度和/或加速度的数据。

数据处理设备200的分解单元204包括三个分解级204.1到204.3，它们中的每个提供基于进入的运动数据的一个各自的流的运动参考数据。第一分解级204.1使用运动数据M1以提供采取m运动参考数据流MR11、MR12…MR1m的形式的经分解的第二传感器数据。第二分解级204.2使用运动数据M2以提供采取m运动参考数据流MR21、MR22…MR2m的形式的经分解的第二传感器数据。第三分解级204.3使用运动数据M2以提供采取m运动参考数据流MR31、MR32…MR3m的形式的经分解的第二传感器数据。因此，总数为3m的运动参考数据流由分解单元204输出并且由伪影移除单元206接收。

由数据处理设备200执行的数据处理下面将在以下实施例的背景下更详细地描述。

图3至图6的以下描述涉及图1和图2中提供的分解级104.1、104.2或204.1到204.3的不同变型。这些变型不意在作为备选。相反，它们可以被组合以获益。分解单元可以包括不同类型的分解级和分解单元的选择或级联。此外，对以下变型的使用不限于由数据处理设备100和200形成的这两个特定示范性实施例。此外，以下说明中使用的第二传感器数据的范例不意在作为任何种类的限制。

图3示出了用在数据处理设备的第一或第二实施例中的分解级300的第一变型的方框图。分解单元300被配置为对作为时间的函数的第二传感器数据关于其频率分量进行滤波，从而以第二传感器数据的两个各自的频率分量的形式提供作为时间的函数的经分解的第二传感器数据的至少两个分量。为此，分解单元300包括低通滤波器302。作为非限制性范例，第二传感器数据由在图2的背景下提及的运动数据M1形成。低通滤波器302接收时间依赖的运动数据M1并且在其输出部处仅提供所述运动数据的低频分量，同时高频分量被低通滤波器302阻挡。

为了确定合适的阈值频率，应该考虑源于移动的谐波。例如，由慢跑引起的运动伪影呈现周期性分量，其位于约80bpm(80/60Hz)周围并且具有160bpm(160/60Hz)处的倍频分量。在这种情况下，合适的阈值频率可以在80与160bpm之间被选择，例如在120bpm(120/60Hz)处。

经低通滤波的运动数据被提供为运动参考数据的第一集合MR11。在不同的级304的输出部处提供运动参考数据的第二集合MR12，其在其输入部处接收运动数据M1和在低通滤波器302的输出部处提供的经低通滤波的运动数据并且将其输出提供为依赖于两个输入之间的差异的量。运动参考数据的该第二集合M12因此被用于在更高的频率范围中操作。因此，运动数据M1以如下的方式被分解级300分解为运动参考数据的两个集合MR11和MR12：使得数据被“强制”在不同的频率区域中操作以降低运动伪影。

没有该分解，运动信号仅可以降低最显著的那些运动伪影，例如最强的谐波，而不能够降低其他伪影，例如，较弱的谐波。在具有强的周期性移动的锻炼(例如，慢跑)中，所述运动伪影的第一和第二谐波是显著的并且在心率迹线的范围中。使用与加速度计信号组合的该方法有效地降低了这两个谐波。

图4示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例的分解单元中的分解级400的第二变型的方框图。相位中的移位可以跨所述第一传感器数据(即PPG传感器数据的一个或多个通道)与运动数据之间的频率而发生。该不期望的效果产生了欠佳的伪影降低。为解决该问题，使用希尔伯特变换级402。希尔伯特变换级402接收第二传感器数据作为输入数据，如在图4中通过范例的方式针对运动数据M1所示出。在变型中，第二传感器数据的频率分量或相位分量中的一个(参考，图3的实施例)被提供为对希尔伯特变换级402的输入。亦即，在该变型中，希尔伯特变换级402与低通滤波器302或差异级304顺序地布置。

希尔伯特变换级被配置为在其输出部处提供形成输入数据的希尔伯特变换的希尔伯特变换数据。这样，(额外的)运动参考数据被生成，其在相位上跨频率被移位-π/2弧度。然后，经希尔伯特变换的运动参考数据MR12和作为运动参考数据的另一集合MR12的原始运动数据M1被馈送级伪影降低单元，其中，其可以被用于生成通过θ弧度的运动参考信号的相位移位的版本。这是通过组合来实现的，例如经希尔伯特变换的信号MR12和其原始信号M1的线性组合。以下将参考图7对此更详细地对其进行解释。

图5示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例的分解单元中的分解级500的第三变型的方框图。分解级500包括奇异谱分析(SSA)单元，其被配置为使用SSA来将接收到的第二传感器数据(例如作为时间的函数的PPG数据PPG2和PPG3)分解为形成经分解的第二传感器数据的至少两个分量的不同分量的和。SSA将接收到的第二传感器数据分解为多个重建分量，其包括振荡分量、变化的趋势和噪声。这些分量的和再次得到原始信号。取决于特征值谱，多个重建分量被选择与原始信号组合，以用于伪影降低。

以下步骤被用于从运动参考信号的平均校正的分段计算重建分量，即s(n)，其中，n∈{1,...,N}。基于嵌入的维度K和定义L:＝N+1-K，在汉克尔形成单元502中形成L×K汉克尔矩阵S＝[s₀,s₁,...,s_K]。。此处，s_k是具有元素s_k:＝[s(k),s(k+1),...,s(k+L-1)]^T的列向量。基于所确定的汉克尔矩阵S，特征值确定单元504确定协方差矩阵S^TS的特征值λ₁≥λ≥...≥λ_K≥0和特征向量v₁,...,v_K。投影单元506将S投影到特征向量A:＝SV上，其中，A是包含作为列的主分量的a_k的矩阵并且V是具有作为列的特征向量v_k的矩阵。在分量重建单元508中通过确定以下来确定重建分量r_k(n)：

其中，对于1≥n≥M-1，(M_n,L_n,U_n)＝(1/n,1,n)对于M≥n≥K，(M_n,L_n,U_n)＝(1/M,1,M)，并且

对于K+1≥n≥N，(M_n,L_n,U_n)＝(1/(N-n+1),n-N+M,M)。

实验示出，本SSA实施例例如对于N＝128在16Hz的样本率并且K＝24处工作良好。应该指出，24样本的窗口长度包括心搏的至少一个完整周期。

图6示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例中的分解单元600的第四变型的方框图。在分解单元600中，第二传感器数据(例如在本范例中，第二PPG数据流PPG2)通过将PPG数据样本移位不同的样本量k，k∈Ζ，而被分解为运动参考数据的m个集合MR11、MR12、MR13…MR1m。为此，提供m个移位级，根据其，前三个移位级602、604、606和最后一个移位级在图6中被示出。例如，分解为八个信号是通过将PPG数据流PPG2移位-4、-3、-2、-1、1、2、3以及4个样本来实现的。实验中测试的实施例示出了伪影降低通过将PPG数据移位-7、-5、-3、-1、0、1、3、5和7个样本而良好地工作。零位移分量可以直接从第二PPG数据流PPG2获得并且因而不需要传递经过移位级。

在下文中，将解释在其各自的伪影移除单元上不同的另外的实施例。参考图7，其示出了用在根据本发明的数据处理设备的实施例中的伪影移除单元的实施例的方框图。出于以下描述的目的，期望的伪影降低的PPG信号被表示为s(t)，并且样本信号，即期望的伪影降低的PPG数据的集合，被指代为s(k)。

在伪影移除单元700的第一实施例中，权重w_i由权重确定级702针对接收到的第一传感器数据和运动参考数据来计算，使得伪影降低的采样的PPG数据在生命信号重建级704中被构建如下：

s(k)＝W₀x₀(k)+W₁x₁(k)+···+W_Lx_L(k)，

此处，L＝N·M，x₀(k)是第一传感器数据PPG1，并且x₁(k),...,x_K(k)是由分解单元提供的运动参考数据。权重W_i是通过求解线性方程组来计算的：

X^TXw＝b，

其中，X＝[x₀,x₁,...,x_L]是K×L矩阵，其中，x_i＝[x_i(1),x_i(2),...,x_i(K)]^T。向量w包含权重W_i，并且预先存储的归一化的相关性向量b(其被存储在存储器706中)表示向量x_i之中的先验地预测的归一化的相关性。

在一个变型中，在生命体征和运动参考信号之间预测针对零相关性的b＝[1,0...,0]。

伪影移除单元700的第二实施例(其具有与先前的实施例相同的总体结构并且因此将继续将参考图7进行描述)是基于图2的实施例的。在该变型中，更长的波长(例如，650nm)的额外的PPG数据PPG2被馈送到伪影降低模块中。该数据PPG2与包含类似的运动伪影的PPG1紧密相关，并且具有更低的搏动。如在图7的第一实施例中，通过求解线性方程组来计算权重。先验地预测的归一化的相关性向量是b＝[C,aC,0,...,0],||b||＝1,，其中，C提供期望的生命信号与PPG1之间的归一化的相关性，并且aC，a＜1，提供期望的生命信号与PPG2之间的归一化的相关性。在这种情况下x₀(t)和x₁(t)是包括PPG数据PPG1和PPG2的第一传感器数据并且x_l(t),l∈{2,...,L+1}是运动参考数据。实验己经示出，a＝0.1的值针对运动伪影降低良好地工作。参数C被用于将向量b归一化并且根据给定的值a和给定的范数来计算。在a＝0.1和L2范数的示范性情况下，

伪影移除单元700的第三实施例具有与先前的实施例相同的总体结构并且因此将继续将参考图7进行描述，并且也是基于图2的实施例的。除了PPG数据PPG1和PPG2，更短波长(例如，450nm)的另外的额外的PPG数据PPG3在该变型中被馈送到伪影降低模块中。如在第一和第二实施例中，预先存储的先验的相关性向量被使用，扩展有生命体征和PPG3之间的相关性：b＝[C,aC,bC,...,0],||b||＝1，其中，1＞b＞a。在这种情况下，x₀(t)、x₁(t)和x₂(t)对应于第一传感器数据，并且分别由PPG数据PPG1、PPG2、和PPG3形成。运动参考数据是x_l(t),l∈{3,...,L+2}。实验己经示出，a＝0.1和b＝0.5的值针对运动伪影降低良好地工作。

在其他变型中，可以使用表示多于三个不同的频谱通道的PPG数据的另外的集合。如在描述的实施例中，先验的相关性向量被构成，扩展有生命信号和PPG信号的(经分解的)集合之间的相关性。

在伪影移除单元700的第四实施例(其形成第一实施例的变型，具有相同的总体结构并且因此也将参考图7进行描述)中，矩阵X^TX的维度与伪影移除单元700的第一实施例相比较被降低一。在该实施例中，归一化的相关性向量是b＝[1,0,...,0]。对于这种情况，问题可以被公式化如下：

X^TXw＝b，

其中，X＝[x₁,...,x_L]并且b＝X^Tx₀。经伪影降低的PPG数据然后是：

s(k)＝x₀(k)-(w₁x₁(k)+···+w_Lx_L(k))。

在伪影移除单元的第五实施例(其在包括分解单元500的数据处理设备的实施例中被使用)中，可以使用图7的伪影移除单元700的相同的总体结构。实验示出，合适的预先存储的相关性向量[C,a₁C,a₂C,...a_nC]具有分量a₁＝c，a₂＝c·α₁,...a_n＝c·α_n+1，其中，α_i＝λ_i/λ₁，其中，λ_i是根据SSA方法计算的特征值。对于n＝5的情况，可以使用c≈1/20的值，以实现良好的运动伪影降低。

在伪影移除单元的第六实施例(其被用在具有使用图6中示出的类型的分解级的分解单元的数据处理设备的实施例中)中，归一化的相关性向量[C,a₁C,a₂C,...a_nC]可以如下被选择：其中，是等于x_i中的样本移位的数量，并且相位其中，F是以Hz为单位的脉冲率并且f是以Hz为单位的样本率。实验己经示出，该方法在c≈1/20，F＝2并且k_i＝[0,1,-1,3,-3,5,-5,7,-7]的情况下良好地工作。通过代替使用针对预期的脉冲率F的缺省值而根据当前帧来预测F进一步的改进可以是可能的。用于预测F的合适的参数例如指示根据当前帧估计的运动率。

图8示出了根据本发明的实施例的PPG装置800的方框图。所述PPG装置服务于确定期望的生命信号，所述期望的生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量。PPG装置800包括发射器单元802，所述发射器单元包括至少一个发射器，所述至少一个发射器被配置为在允许确定生理信息分量的至少一个频谱通道中发射电磁辐射。在PPG装置800中，操作在不同的频谱通道中的三个不同的光发射器由箭头802.1、802.2、803.3指示。

使用例如三个传感器804.1、804.2、804.3的传感器单元804被配置为确认并且在其输出部提供第一传感器数据PPG1，所述第一传感器数据指示在至少一个频谱通道中的作为时间的函数的从感兴趣对象的被感测区域反射的或者透射通过所述被感测区域的电磁辐射的量，所述电磁辐射包括生理信息分量和在电磁频谱的各自的频谱区域中的至少一个运动伪影分量，并且传感器单元804被配置为确认第二传感器数据PPG2、PPG3，所述第二传感器数据指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。根据本文中描述的数据处理设备的实施例中的一个，例如，参考以上图1至图7，PPG装置还包括数据处理设备806。

图9示出了根据本发明的数据处理方法900的实施例的流程图。数据处理方法900服务于从传感器数据提取期望的生命信号，所述期望的生命信号包含关于感兴趣对象的生理信息分量。

在步骤902中，接收传感器数据，其包括时间依赖的第一传感器数据，所述时间依赖的第一传感器数据包括生理信息分量和至少一个运动伪影分量。所述传感器数据还包括时间依赖的第二传感器数据，其指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。

在步骤904中，第二传感器数据被分解为经分解的传感器数据的至少两个分量。基于经分解的第二传感器数据，在至少两个不同的运动参考数据通道中提供运动参考数据的至少两个不同的集合。

在步骤906中，根据所述第一传感器数据和所述运动参考数据通道中的至少两个的运动参考数据的线性组合而形成的生命信号被确定并且被提供为输出。

图10示出了用于操作根据本发明的PPG装置的实施例的流程图。所述方法包括在步骤1002中确认传感器数据。如先前描述的，所述传感器数据包括时间依赖的第一传感器数据，所述第一传感器数据包括生理信息分量和至少一个运动伪影分量，并且所述传感器数包括时间依赖的第二传感器数据，所述第二传感器数据指示在一个或多个空间维度中的作为时间的函数的被感测区域的位置、速度或加速度。在步骤1004中，执行数据处理方法900。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个级或其他单元可以履行权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统分布。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。