心率路径优化器的制造方法
【技术领域】
[0001]本申请一般地涉及光电体积描记图(PPG)信号的处理以及用于确定在采样时间间隔内的各个时间的最可能的心率。
【背景技术】
[0002]光电体积描记图(PPG)信号可以从脉搏血氧仪获得，脉搏血氧仪利用发光器和光传感器来测量血液到用户的皮肤的灌注。由于运动(例如，加速)伪像，PPG信号可能因噪声而受损。也就是说，用户的身体的移动可能使皮肤和脉管系统扩张和收缩，将加速伪像引入到PPG信号中。虽然这样的加速伪像可以被至少部分地补偿，但是即使在这样的部分补偿之后，仍存在确定精确的心率测量的问题。当在时间间隔内的采样时间被呈现各种心率值时，通常难以确定对于每个采样时间最可能的心率，以及因此难以确定对于每个采样时间最可能的心率路径，所述最可能的心率路径考虑到全部时间间隔期间的从一个采样时间到下一个采样时间的多个可能的候选路径。
【发明内容】
[0003]光电体积描记图(PPG)信号可以从脉搏血氧仪获得，脉搏血氧仪利用发光器和光传感器来测量血液到用户的皮肤的灌注。由于运动伪像，尤其是由加速引起的伪像，PPG信号可能因噪声而受损。也就是说，用户的身体的移动可能使皮肤和脉管系统扩张和收缩，将噪声引入到信号中。为了解决运动伪像的存在，本公开的例子可以利用测量用户的移动的加速度计和与加速度计信号组合的PPG信号的信号处理来至少部分地补偿不想要的伪像。
[0004]虽然大多数加速伪像可以被考虑并且被补偿，但是它们有时难以完全消除。因此，因为可能难以确定时间间隔(例如锻炼时间间隔)期间的多个采样时间的精确的心率值，所以仍存在问题。
[0005]根据本公开的一些例子，可以数字化时域PPG和加速度信号，并且通过利用傅立叶变换(诸如快速傅立叶变换)提供频谱图来将该时域PPG和加速度信号变换到频域中。频率f的给定傅立叶系数的幅值(绝对值)表示该频率f在时域信号中的出现的概率。因此，最高傅立叶系数幅值的标识对应于频率f的频谱图中的峰值，并且对应于具有该频率f的最可能的心率。
[0006]每个采样时间段的心率的精确标识通常通过检查后续数据并且鉴于该后续数据重新估计早先确定的心率来改进。因此，早先的数据可以被视为候选心率，这些候选心率暂时被确定用于后来确认或选择更正确的心率。给定时间段期间的一系列候选心率呈现候选心率路径。根据本文中所公开的例子，可以根据某些规则来估计心率路径以确定最可能的心率路径，因此通过回溯，在暂时确定的候选心率之中做出心率的最可能的选择。用于估计候选心率路径的规则涉及与路径所取的傅立叶系数幅值的和成比例的路径的奖励(使得最可能的频率，即，心率被选择)以及对于与连续的采样时间之间的心率变化成比例的路径的惩罚(使得连续的采样时间之间的心率的大的跳跃的可能性较低)。
【附图说明】
[0007]图1示出在本公开的各种例子中使用的心率测量和路径优化设备的整体框图；
[0008]图2是示出根据所公开的各种例子的用于确定心率和路径优化的数据流程和计算步骤的整体流程图；
[0009]图3是根据某些例子的心率频谱图的三维图示；
[0010]图4是图3的频谱图到频率轴上的二维投影，该二维投影示出根据本公开的各种例子的心率分量和伪像分量两者；
[0011]图5是根据本公开的各种例子的示出由加速度计测量的加速伪像的加速度频谱图的三维图示；
[0012]图6是根据本公开的各种例子的补偿图5的加速伪像之后的心率频谱图的三维图示;
[0013]图7是示出加速伪像峰值的曲线图，并且用于描述根据本公开的各种例子的各种伪像补偿方法；
[0014]图8是类似于图4的曲线图，但是示出根据本公开的各种例子的伪像补偿技术的应用；
[0015]图9A例示根据本公开的各种例子的使用6个点的心率(HR)路径优化算法；
[0016]图9B例示根据本公开的各种例子的使用6个点的HR路径优化算法；
[0017]图9C例示根据本公开的各种例子的使用12个点的HR路径优化算法；
[0018]图10A示出根据本公开的各种例子的用于图9A的6点路径优化算法的路径长度的总结；
[0019]图10B示出根据本公开的各种例子的用于图9B的9点路径优化算法的路径长度的总结；
[0020]图10C示出根据本公开的各种例子的用于图9C的12点路径优化算法的路径长度的总结；
[0021]图11示出根据本公开的各种例子的用于使用先前确定的最佳候选路径确定总路径的对应表；
[0022]图12是示出根据本公开的各种例子的用于确定并输出心率和在锻炼时间段结束时确定的最佳路径的程序步骤的流程图；
[0023]图13是示出根据本公开的各种例子的用于确定并输出心率和在锻炼时间段期间的每个采样时间确定的最佳路径的程序步骤的流程图；
[0024]图14是示出根据本公开的各种例子的用于确定并输出锻炼时间段期间的每个采样时间的心率的程序步骤的流程图；
[0025]图15是示出根据本公开的各种例子的用于计算心率路径优化的奖励/惩罚算法的细节的流程图；以及
[0026]图16是例示根据本公开的例子的可以在任何便携式或非便携式设备内实施的系统架构的例子的框图。
【具体实施方式】
[0027]在以下的例子描述中，参照形成其一部分的附图，在附图中，以例示说明的方式示出了可以实施的特定例子。要理解，可以使用其它例子，并且在不脱离所公开的例子的范围的情况下，可以进行结构改变。
[0028]光电体积描记图(PPG)信号可以从脉搏血氧仪获得，脉搏血氧仪利用发光器和光传感器来测量血液到用户的皮肤的灌注。然而，由于运动伪像，尤其是由加速引起的伪像，PPG信号可能因噪声而受损。也就是说，用户的身体的移动可能使皮肤和脉管系统扩张和收缩，将噪声引入到信号中。为了解决运动伪像的存在，本公开的例子利用测量用户的移动的加速度计和与加速度计信号组合的PPG信号的信号处理来至少部分地补偿不想要的伪像。
[0029]图1是本公开的一些例子的整体框图，并且可以看到例示了发光器2、光传感器4、A/D转换器4a、加速度计6、处理器8以及I/O单元10。这些设备可以合并在用户佩戴或握住的(诸如固定到用户的皮肤(例如肢体)或者以其它方式附连到用户所穿的一件衣服的)物理设备12内，发光器2和光传感器4位于邻近用户的皮肤。可替代地，设备12可以整个地或部分地合并在智能电话内，以使得用户可以以使下述光束从用户的皮肤反射回到位于智能电话本身内的光传感器的方式握住智能电话。除了其它可能性之外，来自发光器2的光的一部分可以被皮肤、脉管系统和/或血液吸收，并且一部分可以反射回到与发光器位于一处的光传感器4。光传感器4可以坐置在与血液脉搏波平行的线上，并且来自传感器4的信号可以包括由于脉搏波而导致的心率(HR)信号。
[0030]加速度计6可以提供指示用户的加速移动的时域加速度输出信号。例如，设备12可以被佩戴在用户的手腕上，并且加速度计输出信号可以指示由用户做出的臂移动(即，臂摆动)。
[0031]在操作中，发光器2可以将光束传送到用户的皮肤14，并且该光束可以被用户的皮肤14反射并且被光传感器4接收。光传感器4可以将该光转换为指示其强度的电信号。该电信号可以是模拟形式，并且可以被A/D转换器4a转换为数字形式。来自A/D转换器4a的数字信号可以是馈送给处理器8的时域PPG心率(HR)信号。加速度计6的输出还可以使用A/D转换器4b被转换为数字形式。处理器8可以从光传感器4接收数字化的HR信号，并且数字化加速度计6的加速度计输出信号，并且可以处理这些信号以将HR输出信号提供给I/O单元10。I/O单元10可以采取以下中的一个或多个的形式:存储设备、视觉显示器、可听信号器、与设备12构成整体的触摸屏、或其它输出指示器。I/O单元10可以在处理器8的程序控制下提供在时间段期间检测的心率的视觉(数字、表格、图形)或可听(合成语音或音调)形式的历史信息。作为一个非限制例子，可以显示视觉曲线图，该视觉曲线图示出在先前的固定时间间隔(例如，1小时)期间或者在锻炼时间段已经结束(如由来自用户的其指示确定)之后每5分钟计算的HR。I/O单元10还可以在处理器8的控制下提供先前的一个时间段或多个时间段期间的平均心率信息或心率的统计信息。作为另一例子，1/0单元10可以将当前心率值提供为在进行中的锻炼计划的过程期间周期性地(例如，每一秒)显示给用户的“实时”心率值。
[0032]I/O单元10可以经由有线或无线通信链路24耦合到远程单元18、触摸屏20和麦克风/扬声器22中的一个或多个。远程单元18可以是用户智能电话或者被用户方便地携带或佩戴的其它I/O设备，或者可以是远程计算机或数据服务器，诸如用户的家用计算机或用户的云存储设备。I/O单元10可以从远程单元18接收输入，或者可以通过触摸屏20和/或麦克风/扬声器22从用户接收输入。
[0033]图2是可以包含在图1的处理器8内或者可以由图1的控制器8控制的示例功能单元的框图。这些功能单元可以实现为分立硬件单元，诸如，举例来说，数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(AISC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或专用的快速傅立叶变换(FFT)集成电路。功能单元可以组合到一个或多个互连的设备中。可替代地，这些功能单元可以以被配置为操作可编程处理器的软件或固件的形式实现。此外，功能单元可以是分立的硬件、软件和固件的组合。
[0034]图2被看到包括滤波器30、频谱图计算单元32和34、加速度补偿单元36、后处理单元38、路径优化单元40、输出单元42以及时序和控制单元44。
[0035]滤波器单元30可以从图1的光传感器4接收(原始)PPG信号，光传感器4可以作为可佩戴设备12的PPG传感器进行操作。这些PPG信号可以是具有指示用户的心率(HR)的时域HR分量和时域伪像分量的时域HR信号。滤波器30可以例如是具有与30-480bpm (每分钟心跳数)相应的0.5-SHz的带通的三阶带通滤波器。滤波器30的一个目的可以是移除如下的信号，这些信号不具有落在对于各种预期的用户状况或活动水平下的心率监视预期的范围内或者该范围附近的频率分量。滤波器30的输出可以是过滤后的PPG信号，该信号可以被馈送到频谱图计算单元32。
[0036]频谱图计算单元32可以将从滤波器30输出的过滤后的PPG信号转换为频率，该转换可以使用快速傅立叶变换(FFT)来执行。频谱图计算单元32可以通过复共轭来获取FFT频率系数的绝对值以提供指示每个采样时间的频率系数的幅值的实值输出。因此，频谱图计算单元3的输出可以是频域HR(FDHR)信号幅值。采样时间可以例如是每秒。
[0037]以类似的方式，频谱图计算单元34可以使用快速傅立叶变换(FFT)来将来自图1的加速度计6的加速度计信号(x，y，z)转换到频域中，并且可以获取其绝对值以提供实值的系数幅值。因此，频谱图计算单元34的输出可以是频域加速度计(FDA)信号幅值。用于频谱图计算单元32和34两者的FFT可以例示由相同的硬件、固件和/或软