压缩感测稀疏采样光电容积描记图（PPG）测量制造技术

光电容积描记图(PPG)测量包括基于根据固定模式生成的样本的压缩感测的使用。脉动式血氧计电路可以根据该固定模式驱动LED以产生稀疏测量的压缩感测样本矩阵。该固定模式可以是二进制级数。PPG信号重建可以包括对样本矩阵进行零填充。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压缩感测稀疏采样光电容积描记图（PPG）测量相关申请本申请依据35U.S.C.365(c)要求于2016年4月2日提交的题为“压缩感测稀疏采样光电容积描记图(PPG)测量”(COMPRESSIVESENSINGSPARSESAMPLINGPHOTOPLETHYSMOGRAM(PPG)MEASUREMENT)的美国申请第15/089,501号的优先权。
描述总体涉及传感器设备，并且更具体的描述涉及基于压缩感测稀疏采样来操作的可穿戴PPG(光电容积描记图)系统。版权通知/许可本专利文献公开的部分可包含作为受版权保护的素材。版权所有者不反对任何人对出现在专利和商标局的专利文件或记录中的专利文献或专利公开的摹本复制，但无论如何保留对版权的所有权利。版权通知适用于下文和所附附图中描述的所有数据，并适用于下面描述的任何软件：版权2016，英特尔公司，版权所有。
技术介绍
计算技术和传感器设备的进步鼓励在可穿戴传感器和个人计算系统中结合更多技术。这类技术提供了从足够小且不显眼以便于携带和/或佩戴的设备获得合理精确的生物特征数据的希望。生物特征数据尤其关注健康和身体状态监测以及运动表现监测。生物特征数据对于身份验证也是有用的，诸如用于实现双因素认证的数据。然而，在设计和实现生成可用生物特征数据的实际系统时，传统上存在许多限制。例如，脉动式血氧计是使用光脉冲或光电容积描记图(PPG)测量容积描记图的设备。脉动式血氧计使LED(发光二极管)发出脉冲以便测量血液脉动。血液脉动提供了心电图(或心电图(EKG))的良好心率测量替代方案。脉动式血氧计还可以提供血压估计以及血氧饱和度水平估计。因此，可穿戴传感器中的连续PPG信号感测可以实现对自由生活条件下的心率、血压和/或氧饱和度的实时监测。自由生活条件是指当受试者进行他或她的活动时遇到的现实生活场景，而不是仅在受控环境中获得测量。非连续方式下的PPG信号感测不提供可从连续监测获得的信息。然而，设计可穿戴脉动式血氧计的传统方法导致具有功耗要求的系统，该功耗要求导致差的电池寿命。利用这种传统方法，在延长电池寿命和恢复准确的PPG信号之间存在取舍。通常，延长电池寿命的技术牺牲了PPG信号准确度，并且试图获得更好的PPG信号准确度会导致电池耗尽，这使得PPG不适合长时间连续感测。在传统的32HzPPG设计中，LED脉冲消耗大约80％的系统功率。因此，以32Hz连续运行的传统PPG系统具无法接受的电池寿命。节省功率的一个提议是利用智能采样算法以较低的速率进行采样。然而，传统的智能采样算法需要使用机载随机数发生器，因此消耗相当大的功率。智能采样节省了LED功率，但增加了其他功率使用，这限制了节省的总体系统功率的量。结果是仍然具有差的电池性能的系统。附图说明以下描述包括对附图的讨论，这些附图具有通过本专利技术的实施例的实现的示例的方式给出的例示。这些附图应被理解成作为示例，而不是作为限制。如此处所使用的，对一个或多个“实施例”的引用应被理解成描述本专利技术的至少一个实现中所包括的特定特征、结构、和/或特性。因此，此处出现的诸如“在一个实施例中”或“在替换实施例中”之类的短语描述本专利技术的各种实施例和实现，并且不一定全部指代同一实施例。然而，它们也不一定是相互排他的。图1是具有PPG系统的系统的实施例的框图，该PPG系统基于稀疏测量模式执行采样和PPG信号重构。图2是用于从稀疏测量矩阵重构PPG信号的系统的实施例的框图。图3A是压缩感测重构矩阵的实施例的表示，其具有采样序列的映射。图3B是零填充压缩感测重构矩阵的实施例的表示。图4A-图4C是根据受控环境中的压缩感测重构的恢复的PPG信号的实施例的图解表示。图5A-图5C是根据有噪声的环境中的压缩感测重构的恢复的PPG信号的实施例的图解表示。图6A-图6D是根据压缩感测PPG信号重构的实施例的PPG测量系统获得的功率节省的图解表示。图7A是用于生成用于压缩感测PPG信号重构的稀疏测量矩阵的过程的实施例的流程图。图7B是用于将压缩感测应用于稀疏测量矩阵以进行PPG信号重构的过程的实施例的流程图。图8是其中可以实现压缩感测PPG信号重构系统的计算系统的实施例的框图。图9是其中可以实现压缩感测PPG信号重构系统的移动设备的实施例的框图。以下是对某些细节和实现的描述，包括对可描绘部分或全部下述实施例的附图的描述，以及对此处呈现的专利技术概念的其它潜在实施例或实现的讨论。具体实施方式如本文所述，脉动式血氧计系统根据固定模式生成光电容积描记图(PPG)信号样本。脉动式血氧计系统基于所生成的样本的稀疏矩阵来应用压缩感测。压缩感测指的是采样系统中的数据压缩，其中用足够的数据对输入信号进行二次采样以便执行具有可接受的准确度的信号恢复。。二次采样是指以低于奈奎斯特速率对输入信号进行采样。可以理解，奈奎斯特速率是指以希望恢复的数据的频率的至少两倍的频率对输入信号进行采样的采样率。利用奈奎斯特采样，系统可以以低于希望恢复的数据的频率的最小损耗来重构信号。压缩感测可以通过以比传统的32Hz连续采样更慢的速率切换(toggle)脉动式血氧计的LED(发光二极管)来提供高功率效率的采样和重构。基于压缩感测的使用，脉动式血氧计系统可以对PPG测量进行二次采样并恢复32HzPPG信号。更具体地，在一个实施例中，脉动式血氧计电路可以根据固定模式驱动LED以便产生稀疏测量的压缩感测样本矩阵。在一个实施例中，脉动式血氧计系统被分成单独的传感器和处理器元件，并且压缩感测可以控制传感器的功率效率。传统的PPG测量涉及使用连续采样。与连续采样相比，设计用于节省功率的一种方法涉及使用随机采样。随机采样矩阵可以满足压缩感测的足够的数学特性以便实现信号恢复。然而，随机采样对于可穿戴设备不是良好的匹配。随机采样需要传感器处的机载随机数发生器，其非但没有效率并且消耗大量功率。如本文所述，脉动式血氧计系统可以应用固定的采样排程(schedule)以用于PPG信号的压缩感测重构。在一个实施例中，脉动式血氧计电路根据利用PPG信号中的固有稀疏性的切换排程生成PPG测量样本。切换排程或切换序列或模式是指脉动式血氧计的LED的一系列脉冲。应当理解，光电检测器响应于LED的光脉冲来检测与目标的光干扰。对与目标的干扰或干扰目标的参考是指来自LED的光将被受试者吸收和/或散射的事实，并且光电检测器处的光检测可以测量有多少来自LED光脉冲的光到达光电检测器。因此，光电检测器生成表示PPG信息样本的测量。基于血液通过受试者组织的脉动，即使来自相同的LED脉冲输出，光检测也会变化。因此，基于由于血液脉动对受试者的不同干扰，在每个脉动上从LED输出的一致的功率将导致光电检测器处的不同光检测。因此，光检测可以表示对应于切换序列的采样序列。光电检测器测量提供稀疏测量或样本矩阵的数据，系统可以从中计算PPG信号重构。在一个实施例中，采样序列符合幂律。例如，在一个实施例中，脉动式血氧计以二进制级数排程使LED发出脉冲，其生成具有根据二进制几何级数间隔开的测量的样本矩阵。二进制序列的使用产生尽可能少量的样本。二进制序列提供具有低样本相干性的固定模式，并且不需要使用随机数发生器。虽然本文讨论了二进制序列，但应理解，可替代地使用不需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于光电容积描记图(PPG)测量的脉动式血氧计系统，包括：接口电路，所述接口电路包括：驱动器，所述驱动器耦合到发光二极管(LED)，并使所述LED发射光脉冲以用于光电容积描记图(PPG)测量，包括根据固定排程控制所述光脉冲的切换；以及模数转换器(ADC)，所述模数转换器耦合到光电检测器以基于由所述光电检测器检测到所述LED光脉冲与受试者的光干扰而生成一系列数字测量数据；其中所述光电检测器用于根据所述固定排程生成一系列数字测量数据，并且所述一系列数字测量数据用于PPG信号的压缩感测重构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.02 US 15/089,5011.一种用于光电容积描记图(PPG)测量的脉动式血氧计系统，包括：接口电路，所述接口电路包括：驱动器，所述驱动器耦合到发光二极管(LED)，并使所述LED发射光脉冲以用于光电容积描记图(PPG)测量，包括根据固定排程控制所述光脉冲的切换；以及模数转换器(ADC)，所述模数转换器耦合到光电检测器以基于由所述光电检测器检测到所述LED光脉冲与受试者的光干扰而生成一系列数字测量数据；其中所述光电检测器用于根据所述固定排程生成一系列数字测量数据，并且所述一系列数字测量数据用于PPG信号的压缩感测重构。2.如权利要求1所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述固定排程能够被选择以针对不同受试者生成不同数量的样本，并且所述接口电路将被预先配置有所选择的固定排程。3.如权利要求2所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述驱动器用于控制所述光脉冲的切换，包括根据基于所述受试者的基于二进制的几何级数排程来切换所述LED光脉冲。4.如权利要求3所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述接口电路用于根据针对所述光电检测器采样的每个采样窗口的相同的基于二进制的几何级数来切换所述LED光脉冲。5.如权利要求2所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述PPG信号重构还包括信号处理器，用于将所述固定排程表示为稀疏测量矩阵。6.如权利要求1至5中任一项所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述PPG信号重构还包括信号处理器，用于基于离散傅立叶变换稀疏基表示来执行重构。7.如权利要求1至6中任一项所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述PPG信号重构还包括信号处理器，用于基于离散余弦变换稀疏基表示来执行重构。8.如权利要求1至7中任一项所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述PPG信号的所述压缩感测重构还包括基于所述PPG信号的稀疏基表示的L1范数恢复。9.如权利要求8所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述PPG信号的所述压缩感测重构还包括在执行所述L1范数恢复之前对测量矩阵进行零填充。10.如权利要求1至9中任一项所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，还包括发射器，所述发射器用于将所述一系列测量数据发送到处理器以执行所述PPG信号的压缩感测重构，其中所述处理器位于与所述驱动器、ADC和发射器分离的电路设备中。11.如权利要求1至10中任一项所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，还包括耦合到所述接口电路的处理器，所述处理器用于执行所述PPG信号重构。12.如权利要求11所述的脉动式血氧计系统，其特征在于，所述传感器电路还包括通信电路，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·纳塔拉詹，D·达德希奇，K·兰甘纳坦，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US