PPG检测电路以及生物特征检测系统的制作方法

ppg检测电路以及生物特征检测系统
技术领域
1.本技术实施例涉及光电容积描记(photoplethysmogram,ppg)检测电路，尤其涉及一种能够动态调整增益的ppg检测电路以及生物特征检测系统。


背景技术：

2.随着穿戴式设备的发展，越来越多的穿戴式设备(例如，智能手表、手环等)集成了ppg检测功能，以使用户能够随时随地、便捷地实现生物特征检测，例如血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、微循环外周血管脉率、呼吸率和呼吸容量等生物特征的检测。其中，ppg前端处理模块是穿戴式无创检测设备的重要组成部分，但是穿戴式设备的设计及配戴方式往往不如正规的医疗器材来的严谨。因此，如何在这样的应用场景下提高ppg前端处理模块的精度，已成为本领域亟需解决的问题之一。


技术实现要素：

3.本技术的目的之一在于公开一种ppg检测电路以及生物特征检测系统，来解决上述问题。
4.第一方面，本技术的一实施例公开了一种ppg检测电路，所述ppg检测电路耦接至光发射器以及光接收器，用以感测待检测对象的生物特征并产生感测结果，所述ppg检测电路包括：驱动器，用于驱动所述光发射器对所述待检测对象发出前导光脉冲以及主光脉冲，其中所述前导光脉冲以及所述主光脉冲照射至所述待检测对象后产生反射前导光脉冲以及反射主光脉冲，所述光接收器接收所述反射前导光脉冲以及所述反射主光脉冲并对应地产生第一信号以及第二信号；放大器，耦接至所述光接收器，用于依据预设增益值将所述第一信号转换为第一放大信号，以及依据动态增益值将所述第二信号转换为第二放大信号；模拟数字转换器，耦接至所述放大器，用于将所述第一放大信号以及所述第二放大信号转换为第一数字信号以及第二数字信号；增益控制器，用于依据所述第一数字信号得到所述动态增益值；归一化器，用于依据所述动态增益值归一化所述第二数字信号，以产生第二归一化信号；以及数据处理单元，用于依据所述第二归一化信号产生所述感测结果。
5.作为一种可选的实施方式，所述放大器具有多个增益值，且所述预设增益值为所述多个增益值中最小或次小的增益值。
6.作为一种可选的实施方式，所述增益控制器依据所述第一放大信号与第一阈值、第二阈值的相对大小关系，来选择所述多个增益值中的一个作为所述动态增益值，其中所述第二阈值大于所述第一阈值。
7.作为一种可选的实施方式，所述驱动器驱动所述光发射器周期性地发出所述主光脉冲，以及在发出各所述主光脉冲之前，选择性地发出所述前导光脉冲。
8.作为一种可选的实施方式，所述驱动器驱动所述光发射器在每次发出所述主光脉冲之前，皆发出所述前导光脉冲。
9.作为一种可选的实施方式，所述光接收器在接收所述反射前导光脉冲以及所述反
射主光脉冲之间，还接收第一环境光并对应地产生第三信号。
10.作为一种可选的实施方式，所述放大器还依据所述动态增益值将所述第三信号转换为第三放大信号，所述模拟数字转换器还将所述第三放大信号转换为第三数字信号。
11.作为一种可选的实施方式，所述归一化器还依据所述动态增益值归一化所述第三数字信号以产生第三归一化信号，以及所述数据处理单元还依据所述第二归一化信号以及所述第三归一化信号产生所述感测结果。
12.作为一种可选的实施方式，所述光接收器在接收所述反射主光脉冲之后，还接收第二环境光并对应地产生第四信号。
13.作为一种可选的实施方式，所述放大器还依据所述动态增益值将所述第四信号转换为第四放大信号，所述模拟数字转换器还将所述第四放大信号转换为第四数字信号，以及所述数据处理单元还依据所述第二数字信号、所述第三数字信号以及所述第四数字信号产生所述感测结果。
14.作为一种可选的实施方式，所述归一化器还依据所述动态增益值归一化所述第四数字信号以产生第四归一化信号，以及所述数据处理单元依据所述第二归一化信号、所述第三归一化信号以及所述第四归一化信号产生所述感测结果。
15.作为一种可选的实施方式，所述光接收器进一步包含多个光电转换器，所述放大器为电流电压转换器；所述前导光脉冲的脉冲宽度小于所述主光脉冲的脉冲宽度。
16.第二方面，本技术的一实施例公开了一种生物特征检测系统，包括：如第一方面或第一方面的任一可选的实施方式所述的ppg检测电路；光发射器；以及光接收器。
17.本技术提供的ppg检测电路以及生物特征检测系统能够提高模拟数字转换器的可用摆幅利用率，进而提升ppg检测电路的感测结果的信噪比snr。
附图说明
18.图1是本技术提供的生物特征检测系统的实施例的示意图。
19.图2为本技术提供的生物特征检测系统依据第一实施例操作时的时序图。
20.图3为本技术提供的生物特征检测系统的增益控制器的实施例的流程图。
21.图4为本技术提供的生物特征检测系统依据第二实施例操作时的时序图。
22.图5为本技术提供的生物特征检测系统依据第三实施例操作时的时序图。
23.图6为本技术提供的生物特征检测系统应用在电子装置的实施例的示意图。
具体实施方式
24.生物特征检测系统在利用光电容积描记(photoplethysmogram,ppg)法测量脉搏周期或血氧饱和度时，会利用光线照射皮肤以侦测真皮与皮下组织血液灌注的容积变化量，当血液灌注的容积发生变化时，对光的吸收量也会发生变化，便可从测量到的反射光的强弱获得皮下血液容积描记图，以反应出心率与血氧饱和度状态。由于反射光是随时变化的，因此系统往往需要后端的主控制器实时地监测接收到的信号状态并调整增益以达到最优的信号效果；对于后端的数据处理单元来说，这种调控的效率是很低的，一是需要分出资源来监控数据变化的情况；二是实时性较差，在数据出现问题之后才来得及调控增益；三是在增益调整区间信号会出现断层。
25.本技术通过在主光脉冲之前额外发出前导光脉冲，来使增益控制器得以先行调整出最适合用于后续的主光脉冲的增益。由于所述增益控制器设置于后端的数据处理单元之前，因此能够降低后端的数据处理单元的负担，并提升实时性。另外，本技术还可通过归一化器来对进入后端的数据处理单元之前的数据进行归一化，改善了增益调整区间信号出现断层的问题。总的来说，本技术的实施例可降低生物特征检测系统的功耗并提高其检测准确度。
26.图1是本技术提供的生物特征检测系统的实施例的功能方框示意图。生物特征检测系统100包含了ppg检测电路102、光发射器104和光接收器106。ppg检测电路102耦接至光发射器104以及光接收器106，用于控制光发射器104与光接收器106以感测待检测对象101(例如人体的手腕)的生物特征，如人体的血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、微循环外周血管脉率、呼吸率和呼吸容量等，并产生感测结果sr。在某些实施例中，光发射器104可以包含发光二极管(light emitting diode,led)，光接收器106可以包含光电转换器，例如光电二极管(photo-diode,pd)，但本技术不以此为限。
27.ppg检测电路102包括驱动器108、放大器110、模拟数字转换器112、增益控制器114、归一化器116以及数据处理单元118。其中，驱动器108用于发出驱动信号tx，以驱动光发射器104对待检测对象101产生入射光el至待检测对象101并形成带有生物信息的反射光rl。光接收器106用于传感接收光，以产生电流信号rxi至放大器110，所述接收光即包括带有生物信息的反射光rl，然而，若生物特征检测系统100和待检测对象101之间具有空隙，会造成漏光并使所述接收光包括环境光al。
28.请一并参阅图2，图2为本技术提供的生物特征检测系统依据第一实施例操作时的时序图，其中绘示了驱动器108发出的驱动信号tx的时序图，以及对应时间范围内，光接收器106产生的电流信号rxi的时序图和放大器110依据电流信号rxi产生的放大信号rxv。在本技术中，驱动器108会周期性地产生主信号(例如图2的主信号204及主信号208)来驱动光发射器104周期性地发出主光脉冲，以及在发出各主信号之前，选择性地发出前导信号(例如图2的前导信号202及前导信号206)来驱动光发射器104在发出各主光脉冲之前选择性地发出前导光脉冲。举例来说，驱动器108可以驱动光发射器104在每次发出主光脉冲之前，皆发出前导光脉冲；驱动器108也可以驱动光发射器104每发出n次主光脉冲只发出一次前导光脉冲，其中n为正整数。
29.主信号204产生的主光脉冲和主信号208产生的主光脉冲经待检测对象101反射后分别被光接收器106接收，并对应地产生主电流信号214(下称信号214)以及主电流信号218(下称信号218)。前导信号202产生的前导光脉冲和前导信号206产生的前导光脉冲经待检测对象101反射后被光接收器106接收，并对应地产生前导电流信号212(下称信号212)以及前导电流信号216(下称信号216)。由于主光脉冲经待检测对象101反射后进入光接收器106的信号量是时变的，因此若能即时地依据上述的时变特征来对应改变放大器110的增益，便能总是最有效地利用模拟数字转换器112的可用摆幅，进而提升感测结果sr的信噪比snr。
30.由于主光脉冲经反射后进入光接收器106的信号量过大，容易导致饱和失真，而主光脉冲经反射后进入光接收器106的信号量过小，则容易被放大器110和模拟数字转换器112本身引入的噪声所淹没。因此，本技术通过探测前导光脉冲经反射后进入光接收器106的水平，来判断在后续接收主光脉冲时要使用多大的增益来进行放大，以得到最理想的效
果。
31.如图2所示，在本技术中，尽可能使信号212和信号214的时间接近，使衰减程度彼此接近；同样地，信号216和信号218的衰减程度也彼此接近。但信号212和信号218相隔较长时间，因此信号212和信号218的衰减程度差异较大，也就是说，前导信号配置得越密集(最密集的情况是主信号与前导信号的数量比例是1：1)，在增益的选择上会越准确。
32.在本实施例中，放大器110为电流电压转换器，且具有多个增益值。放大器110会依据相同的预设增益值来将所有的前导电流信号转换为放大后的电压信号。以图2来说，放大器110会依据相同的预设增益值来将信号212和信号216转换为放大信号222和放大信号226，举例来说，所述预设增益值为所述多个增益值中最小或次小的增益值。
33.放大信号222经过模拟数字转换器112后成为数字信号形式，并输入至增益控制器114，增益控制器114会据以得出动态增益值g1，并通知放大器110使用动态增益值g1来对紧接着信号212收到的信号214进行放大，以得到放大信号224。举例来说，增益控制器114可以依据放大信号222和第一阈值、第二阈值的相对大小关系，来选择所述多个增益值中的一个作为动态增益值g1，其中所述第二阈值大于所述第一阈值。相似地，放大信号226经过模拟数字转换器112后成为数字信号形式，并输入至增益控制器114，增益控制器114会据以得出动态增益值g2，并通知放大器110使用动态增益值g2来对紧接着信号216收到的信号218进行放大，以得到放大信号228。在图2的实施例中，由于放大信号222的幅值小于放大信号226的幅值，因此得到的动态增益值g1大于动态增益值g2，这样一来，便能使放大信号224和放大信号228的幅度具有相似的高电压水平。
34.在本实施例中，由于前导光脉冲的用途仅为得到动态增益值的大致水平，而非直接用于计算感测结果sr，因此其对于信噪比snr的要求不如主光脉冲来的高，故前导光脉冲的脉冲宽度可以小于主光脉冲的脉冲宽度以节省功耗。
35.图3为本技术提供的生物特征检测系统的增益控制器114的实施例的流程图。在步骤302中，增益控制器114会预先设定比例x＝1。接着在步骤304中，增益控制器114从模拟数字转换器112接收到对应驱动信号tx中的一个前导信号的数字信号，并将所述数字信号乘上比例x，并判断得到的积是否小于第一阈值。若是，则代表增益太小需要提高增益，因此进入步骤306来提高比例x一个单位后再回到步骤304重新判断。直到步骤304得到的积大于所述第一阈值，便可进入步骤308。
36.在步骤308中，增益控制器114判断所述数字信号乘上目前最新的比例x得到的积是否大于第二阈值。若是，则代表增益过大需要降低增益，因此进入步骤310来降低比例x一个单位后再回到步骤308重新判断。直到步骤308得到的积小于所述第二阈值，便可进入步骤312来将所述动态增益值设为所述预设增益值*比例x。
37.应注意的是，增益控制器114得到所述动态增益值的方法不限于图3得实施例，举例来说，亦可使用查找表的方式来得到所述动态增益值。
38.图2中，时变的动态增益值可以使放大信号224和放大信号228的幅度具有相似的高电压水平，好处在于能够充分利用模拟数字转换器112的可用摆幅。但实际上后端的数据处理单元118在计算感测结果sr时，需要用到的是不被时变的动态增益值影响的数据，否则由于不同周期内放大器110的增益不同，导致不同周期内的数据值不连续，数据处理单元118难以准确地排除干扰，进而影响感测结果sr的准确度。图1的归一化器116设置于模拟数
字转换器112和数据处理单元118之间，用于依据增益控制器114产生的动态增益值，反向地抵消放大器110提供的动态增益值。具体来说，对应主信号的数字信号需要经过归一化器116处理后，才能被数据处理单元118使用于计算感测结果sr。
39.图4为本技术提供的生物特征检测系统依据第二实施例操作时的时序图。在此实施例中，采用一阶环境光抑制机制，其细节说明如下。图4中，光接收器106产生的电流信号rxi包含了信号212、信号214、信号216以及信号218。而在电流信号rxi中，除了信号212、信号214、信号216以及信号218之外的信号理想上为零，但实际上还可能会有少许环境光al所产生的背景噪声信号。在本实施例中，放大器110在产生放大信号222及放大信号224之间，额外产生放大信号223来代表环境光的采样值，其中放大信号223以及放大信号224是使用相同的动态增益值产生；相似地，使放大器110在产生放大信号226及放大信号228之间，额外产生放大信号227来代表环境光的采样值，其中放大信号227以及放大信号228是使用相同的动态增益值产生。放大信号223以及放大信号224经过数字化和归一化后分别形成归一化背景信号以及归一化主信号，数据处理单元118会将所述归一化主信号扣掉所述归一化背景信号来得到感测结果sr。对于放大信号227以及放大信号228来说，亦会使用相同的方式来得到不含背景噪声的感测结果sr，排除环境光的干扰，以提升生物特征检测系统100的检测准确度。
40.图5为本技术提供的生物特征检测系统依据第三实施例操作时的时序图。在此实施例中，采用二阶环境光抑制机制，其细节说明如下。在本实施例中，放大器110除了产生放大信号223来代表环境光的采样值以外，还在产生放大信号224之后，额外产生放大信号225来作为环境光的另一采样值，其中放大信号223、放大信号224以及放大信号225是使用相同的动态增益值产生；相似地，放大器110在产生放大信号228之后，还额外产生放大信号229来作为环境光的另一采样值，其中放大信号227、放大信号228以及放大信号229是使用相同的动态增益值产生的。放大信号223、放大信号224以及放大信号225经过数字化和归一化后分别形成归一化背景信号、归一化主信号以及另一归一化背景信号，数据处理单元118可以通过将所述归一化主信号扣掉所述两归一化背景信号的平均值来得到感测结果sr。对于放大信号227、放大信号228以及放大信号229来说，亦会使用相同的方式来得到不含背景噪声的感测结果sr，排除环境光的干扰，以提升生物特征检测系统100的准确度。
41.本技术中的ppg检测电路102可以通过芯片来实现，芯片可以是采用不同工艺实现的半导体芯片，且光发射器104以及光接收器106皆可设置于ppg检测电路102所在的芯片之外。但本技术不以此为限，在某些实施例中，光发射器104以及光接收器106亦可设置于ppg检测电路所在的芯片中。
42.图6为包括本技术提供的生物特征检测系统100应用在电子装置600的实施例的示意图。参照图6，电子装置600包括生物特征检测系统100。电子装置600可为穿戴式电子装置或者移动电子设备，例如智能手表、手环、戒指或其他任何智能穿戴设备，或者智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动电子设备。
43.综上所述，本技术的生物特征检测系统100能够探测前导光脉冲经检测对象反射后进入光接收器的水平，来判断在后续接收主光脉冲时需要使用多大的增益来进行放大，以最有效地利用模拟数字转换器的可用摆幅，进而提升感测结果的信噪比snr。
44.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技
术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本技术的保护范围之内。