CN101627902B - 基于环境光的低功耗、高精度光电容积描记信号前端处理模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电容积描记信号前端处理模块，包括第一光电接收器、第二光电接收器、第一光电容积描记信号前端处理电路、第二光电容积描记信号前端处理电路、第一传输电路、第二传输电路、比较电路、LED控制电路、LED。当环境光线充足，信号质量好时，利用环境光线作为光源，LED关闭。当环境光线不足，信号质量差时，利用环境光线和LED作为光源。光电容积描记信号前端处理电路的输出可以为自适应滤波提供输入。所述光电容积描记信号前端处理模块具有低功耗、高精度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学信号处理领域，尤其涉及一种光电容积描记信号前端处理模块。
背景技术
光电容积描记信号(PPG)在人体血压、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的无创检测中都有很好的应用前景。而PPG信号前端处理模块是这些穿戴式无创检测仪器的重要组成部分。
穿戴式医疗仪器要求低功耗，从而降低系统散热、减小电池体积、延长电池使用寿命。无论是集成电路还是分立电路，设计者的精力大部分都集中于降低电路本身的功耗。实际上，LED的功耗已经占系统总功耗的很大部分。因此，为进一步降低功耗，必须降低LED的功耗。采用脉冲方式控制LED可以降低LED的功耗，进而降低系统的功耗。但是，当环境光线充足时，仍然使用LED作为光源的话，也是一种能源浪费。
另外，运动伪差及噪声的干扰也是PPG信号测量和处理中需要解决的重要问题。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种功耗更低、精度更高的光电容积描记信号前端处理模块。
一种光电容积描记信号前端处理模块，包括第一光电接收器、第二光电接收器、第一光电容积描记信号前端处理电路、第二光电容积描记信号前端处理电路、第一传输电路、第二传输电路、比较电路、LED控制电路、LED；所述第一光电接收器用于接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号；所述第二光电接收器用于接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；所述第一光电容积描记信号前端处理电路用于处理第一电信号；所述第二光电容积描记信号前端处理电路用于处理第二电信号；所述比较电路用于将第一光电容积描记信号前端处理电路的输出与设定的阈值进行比较；当第一光电容积描记信号前端处理电路的输出大于设定的阈值时，比较电路分别向第一传输电路和第二传输电路发出第一控制信号，此时，第一传输电路输出第一输出信号，第二传输电路输出第二输出信号；当第一光电容积描记信号前端处理电路的输出小于设定的阈值时，比较电路向LED控制电路发出第二控制信号，LED控制电路相应开启LED。
优选的，所述第一输出信号和/或第二输出信号用于为自适应滤波器提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
另外，还提供一种光电容积描记信号前端处理模块，包括第一光电接收器、第二光电接收器、第一光电容积描记信号前端处理电路、第二光电容积描记信号前端处理电路、第一传输电路、第二传输电路、比较电路、LED控制电路、LED；所述第一光电接收器用于接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号；所述第二光电接收器用于接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；所述第一光电容积描记信号前端处理电路用于处理第一电信号，以及得到第一电信号的信噪比；所述第二光电容积描记信号前端处理电路用于处理第二电信号；所述比较电路用于将第一光电容积描记信号前端处理电路的输出与设定的阈值进行比较；当第一光电容积描记信号前端处理电路的第一电信号大于设定的阈值，且第一电信号的性噪比大于设定的阈值时，比较电路分别向第一传输电路和第二传输电路发出第一控制信号；此时，第一传输电路输出第一输出信号，第二传输电路输出第二输出信号；当第一光电容积描记信号前端处理电路的第一电信号的性噪比小于设定的阈值时，比较电路向LED控制电路发出第二控制信号，LED控制电路相应开启LED。
优选的，所述第一输出信号和/或第二输出信号用于为自适应滤波器提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
此外，还提供一种光电容积描记信号前端处理方法，包括：接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号；接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；处理第一电信号；处理第二电信号；将第一电信号与设定的阈值进行比较；若第一电信号大于设定的阈值，则输出第一控制信号；若第一电信号小于设定的阈值，则输出第二控制信号。
另外，还提供一种光电容积描记信号前端处理方法，还包括：接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号和第一电信号的信噪比；接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；处理第一电信号；处理第二电信号；将第一电信号和第一电信号的性噪比分别与设定的阈值进行比较；若第一电信号大于设定的阈值，且第一电信号的信噪比大于设定的阈值，则输出第一控制信号；若第一电信号的性噪比小于设定的阈值，则输出第二控制信号。
上述光电容积描记信号前端处理模块通过判断光电容积描记信号前端处理电路的输出是否符合比较电路设定的条件，当环境光线充足、信号强时，利用环境光线作为光源；当环境光线不足、信号弱时，开启LED，利用LED与环境光线共同作为光源，从而可以有效的降低功耗。并且，第一及第二输出电路的输出为自适应滤波器提供输入信号，从而消除运动伪差及噪声带来的误差。
附图说明
图1是PPG信号前端处理模块在穿戴式医疗仪器中的应用示意图。
图2是PPG信号前端处理模块的电路结构图。
图3是PPG信号前端处理模块第一实施方式的第一种情况的示意图。
图4是PPG信号前端处理模块第一实施方式的第二种情况的示意图。
图5是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第一种情况的示意图。
图6是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第二种情况的示意图。
图7是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第三种情况的示意图。
图8是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第四种情况的示意图。
具体实施方式
图1是PPG信号前端处理模块在穿戴式医疗仪器中的应用示意图。PPG信号前端处理模块1可以安装在基于PPG信号处理的具有生理参数测量功能的指环2、基于PPG信号处理的具有生理参数测量功能的衣服3、基于PPG信号处理的具有生理参数测量及显示功能的手表5或基于PPG信号处理的具有生理参数测量及显示功能的手机6。处理后的PPG信号以无线发送的方式传送至数据处理和显示终端4。低功耗、高精度PPG信号前端处理模块可以用分立元件或集成电路实现。
图2是PPG信号前端处理模块的电路结构图。PPG信号前端处理模块包括第一PPG信号前端处理电路101、第一传输电路102、第二PPG信号前端处理电路103、第二传输电路104、比较电路105、LED控制电路106、第一光电接收器107、第二光电接收器108、LED 109、自适应滤波器110。
比较电路105选取合适的阈值T，保证LED 109工作时，PPG信号经前端处理电路处理后的输出值大于T。
图3是PPG信号前端处理模块第一实施方式的第一种情况的示意图。环境光线经过人体透射或反射由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到PPG信号T1a。未经人体透射或反射的环境光线由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到PPG信号T1b。比较电路105将T1a与阈值T进行比较，若T1a＞T，比较电路105发出第一控制信号，控制第一传输电路102和第二传输电路104工作，T1a及T1b分别从第一传输电路102和第二传输电路104输出。此输出信号为自适应滤波器110提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
图4是PPG信号前端处理模块第一实施方式的第二种情况的示意图。环境光线经过人体透射或反射后由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到T1a。未经人体的环境光线由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到T1b。比较电路105将T1a与阈值T进行比较，若T1a＜T，说明环境光线不足，比较电路发出第二控制信号控制LED控制电路106工作，LED控制电路106开启LED 109，由LED109与环境光线共同作为光源。
环境光线和LED 109发出的光线经过人体透射或反射后由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到T2a。未经透射或反射的环境光线和LED109发出的光线由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到T2b。比较电路105将T2a与阈值T进行比较，若T2a＞T，比较电路105发出第一控制信号，控制第一传输电路102和第二传输电路104工作，T2a及T2b分别从第一传输电路102和第二传输电路104输出。同时，LED 109开启条件不满足，LED 109关闭，由环境光提供光源。此后，从第一种情况起，重复前面的过程。输出信号可为自适应滤波器110提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
设定LED控制电路106有N种工作状态，可以控制LED 109的N种亮度。比较电路中有两个比较模块，一个与第一实施方式相同，比较经PPG信号前端处理电路处理的PPG信号输出值，另一个比较经PPG信号前端处理电路处理的PPG信号的信噪比(SNR)。两个比较模块的阈值分别为T和SNR。
图5是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第一种情况的示意图。环境光线经过人体透射或反射后由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到T1a。未经人体透射或反射的环境光线由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到T1b。比较电路105将T1a与阈值T比较，若T1a＞T，再比较信噪比，若SNR1a＞SNR，产生第一控制信号，控制第一传输电路102和第二传输电路104工作，T1a及T1b分别从第一传输电路102和第二传输电路104输出。输出信号可为自适应滤波器110提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
图6是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第二种情况的示意图。若T1a＞T，而SNR1a＜SNR，比较电路产生控制信号S1，控制LED控制电路106工作，LED控制电路处于状态1，使LED 109处于亮度1，由LED 109和环境光线共同作为光源。LED 109发出的光线和环境光线经过人体透射或反射后由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，此电信号经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到T2a。未经人体透射或反射的LED 109发出的光线和环境光线直接由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到T2b。重复前面的比较，直到Tna＞T且SNRna＞SNR，比较电路105发出第一控制信号，控制第一传输电路102和第二传输电路104工作，Tna及Tnb分别从第一传输电路102和第二传输电路104输出。同时，LED 109开启条件不满足，LED109关闭，由环境光提供光源。此后，重复前面的过程。输出信号可为自适应滤波器110提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
图7是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第三种情况的示意图。环境光线经过人体透射或反射后由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到T1a。未经人体透射或反射的环境光线由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到T1b。比较电路105将T1a与阈值T进行比较，若T1a＜T，说明环境光线不足，比较电路105发出控制信号S1，控制LED控制电路106工作，LED控制电路使LED109处于状态1，由LED 109和环境光线共同作为光源。LED 109发出的光和环境光线经过人体透射或反射后由第一光电接收器107接收，光信号经第一光电接收器107转换为电信号后，此电信号经第一PPG信号前端处理电路101处理，得到T2a。未经过人体反射或透射的LED 109发出的光和环境光线直接由第二光电接收器108接收，光信号经第二光电接收器108转换为电信号后，经第二PPG前端处理电路103处理，得到T2b。比较电路105将T2a与阈值T比较，若仍有T2a＜T，比较电路105发出控制信号S2，控制LED控制电路106工作，LED控制电路106使LED 109处于状态2，仍由LED 109和环境光线共同作为光源。此后，一直重复工作，直至第一PPG信号前端处理电路101的输出信号Tma＞T。然后再比较SNR，若SNRma＞SNR，比较电路105发出第一控制信号，控制第一传输电路102和第二传输电路104工作，Tna及Tnb分别从第一传输电路102和第二传输电路104输出。同时，LED 109开启条件不满足，LED 109关闭。此后，从第二实施方式的第一种情况起重复工作。输出信号可为自适应滤波器110提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
图8是PPG信号前端处理模块第二实施方式的第四种情况的示意图。在第一PPG信号前端处理电路101的输出信号Tma＞T后，若SNRma＜SNR，继续比较，直至Tna＞T且SNRna＞SNR。Tna及Tnb分别从第一传输电路102和第二传输电路104输出。同时，LED 109开启条件不满足，LED 109关闭。此后，从第二实施方式的第一种情况起，重复工作。输出信号可为自适应滤波器110提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
上述PPG信号前端处理模块通过判断PPG信号是否符合比较电路设定的条件，当环境光线充足、信号强时，利用环境光线作为光源；当环境光线不足、信号弱时，开启LED，利用LED与环境光线共同作为光源。从而可以有效的降低功耗。
并且，上述PPG信号前端处理模块还通过判断PPG信号的信噪比是否符合比较电路设定的条件，只有符合设定的条件时才输出PPG信号，从而使输出的PPG信号具有较高的精度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种光电容积描记信号前端处理模块，其特征在于：包括第一光电接收器、第二光电接收器、第一光电容积描记信号前端处理电路、第二光电容积描记信号前端处理电路、第一传输电路、第二传输电路、比较电路、LED控制电路、LED；所述第一光电接收器用于接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号；所述第二光电接收器用于接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；所述第一光电容积描记信号前端处理电路用于处理第一电信号；所述第二光电容积描记信号前端处理电路用于处理第二电信号；所述比较电路用于将第一光电容积描记信号前端处理电路的输出与设定的阈值进行比较；当第一光电容积描记信号前端处理电路的输出大于设定的阈值时，比较电路分别向第一传输电路和第二传输电路发出第一控制信号，此时，第一传输电路输出第一输出信号，第二传输电路输出第二输出信号；当第一光电容积描记信号前端处理电路的输出小于设定的阈值时，比较电路向LED控制电路发出第二控制信号，LED控制电路相应开启LED。
2.根据权利要求1所述的光电容积描记信号前端处理模块，其特征在于：所述第一输出信号和/或第二输出信号用于为自适应滤波器提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
3.一种光电容积描记信号前端处理模块，其特征在于：包括第一光电接收器、第二光电接收器、第一光电容积描记信号前端处理电路、第二光电容积描记信号前端处理电路、第一传输电路、第二传输电路、比较电路、LED控制电路、LED；
所述第一光电接收器用于接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号；
所述第二光电接收器用于接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；
所述第一光电容积描记信号前端处理电路用于处理第一电信号，以及得到第一电信号的信噪比；
所述第二光电容积描记信号前端处理电路用于处理第二电信号；
所述比较电路用于将第一光电容积描记信号前端处理电路的输出与设定的阈值进行比较；
当第一光电容积描记信号前端处理电路的第一电信号大于设定的阈值，且第一电信号的性噪比大于设定的阈值时，比较电路分别向第一传输电路和第二传输电路发出第一控制信号；此时，第一传输电路输出第一输出信号，第二传输电路输出第二输出信号；
当第一光电容积描记信号前端处理电路的第一电信号的性噪比小于设定的阈值时，比较电路向LED控制电路发出第二控制信号，LED控制电路相应开启LED。
4.根据权利要求3所述的光电容积描记信号前端处理模块，其特征在于：所述第一输出信号和/或第二输出信号用于为自适应滤波器提供输入信号，以消除背景噪声、运动伪差、环境变化引起的噪声。
5.一种光电容积描记信号前端处理方法，包括：
接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号；
接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；
处理第一电信号；
处理第二电信号；
将第一电信号与设定的阈值进行比较；若第一电信号大于设定的阈值，则输出第一控制信号；若第一电信号小于设定的阈值，则输出第二控制信号。
6.一种光电容积描记信号前端处理方法，其特征在于：还包括：
接收经人体透射或反射的光，并输出第一电信号和第一电信号的信噪比；
接收未经人体透射或反射的光，并输出第二电信号；
处理第一电信号；
处理第二电信号；
将第一电信号和第一电信号的性噪比分别与设定的阈值进行比较；若第一电信号大于设定的阈值，且第一电信号的信噪比大于设定的阈值，则输出第一控制信号；若第一电信号的性噪比小于设定的阈值，则输出第二控制信号。
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Also Published As
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|---|---|
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