CN111200966A - 用于确定生理变化的光电体积描记(ppg)装置及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置(100)，包括：光源，用以发射光信号，所述光信号具有依赖于皮肤特征的可变强度；第一和第二光电检测器(130)，其可操作为检测对所述光信号的反射，以提供组合的电流信号；以及信号处理电路，其可操作以将所述电流信号转换为PPG信号，用于确定所述生理变化。

Description

用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置及方法
技术领域
本发明涉及用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置及方法。
背景技术
光电体积描记(photoplethysmography，PPG)是指利用光来获取体积描记图(plethysmogram)，该体积描记图是器官的体积测量。PPG是一种检测组织的微血管床中的血量变化的简单且低成本的技术。虽然PPG由于其实施方便且成本低廉而被广泛地应用于医疗领域，但是利用已知的PPG技术所获取的测量结果通常精度较低，这是因为PPG技术无法有效地处理诸如用户皮肤色调/颜色、用户运动、环境光和环境温度等因素。为了减少这些因素的影响，现有的硬件通常采用涉及复杂电路的复杂设计。
需要提供用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置和方法，以解决现有技术中的至少一个缺点和/或用以为公众提供有用的选择。
发明内容
根据一个方面，提供有用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置，包括：光源，其可操作以发射光信号，所述光信号具有依赖于皮肤特征的可变强度；第一和第二光电检测器，其可操作为检测对所述光信号的反射，以提供组合的电流信号；以及信号处理电路，其可操作以将所述电流信号转换为PPG信号，用于确定所述生理变化。
所描述的实施例是特别有益的。由于光信号的强度依赖于皮肤特征，因此可以对光信号进行调节，以节约电力或改善所产生的PPG信号的信噪比。此外，通过利用单个光源，可以获得更小的形状因数。与现有的需要多个光源的系统相比，利用单个光源，由光发射所产生的热和功耗更低。此外，该装置可以实现更小的占用空间(footprint)，而不影响所期望的光发射率。
所述光信号的强度范围可以为1900MCD至3000MCD。优选地，所述光源由1mA至20mA范围内的驱动电流来驱动，以提供光信号。所述皮肤特征可以是皮肤颜色(例如取决于色素沉着或纹身色料)。对于较深的皮肤颜色，可以通过增加驱动电流来获得更高的光强度，从而改善所产生的PPG信号的信噪比。例如，对于较深的皮肤颜色，该装置可以被配置为使得驱动电流在13mA至20mA的范围内变化来提供光源。对于较浅的皮肤颜色，可以通过减小驱动电流来获得更低的光强度，从而节约电力并且降低因皮肤对光的较高敏感性所导致的皮肤损伤的风险。所述皮肤特征也可以是，例如，皮肤深度和皮肤纹理。皮肤深度可能与毛发相对于皮肤的分布有关。皮肤纹理可能与因年龄和性别所导致的弹性蛋白的变化有关。PPG技术允许一定的光穿透至一定的皮肤深度。存在这种技术的两种变体。在一种变体(透射)中，检测穿过感兴趣的身体部分(例如手指)的光。在另一种变体(反射)中，检测被感兴趣的身体部分(例如，手腕)反射的光。
该装置还可以包括与所述光源相关联的低信号晶体管。例如，低信号晶体管形成提供该驱动电流的驱动电路的一部分或者与该驱动电路相关联。所述低信号晶体管用于高分辨率的电流。
优选地，所述光源可操作为在ON(接通)和OFF(关断)状态之间交替变化，以发射所述光信号。处于OFF状态的光源消耗很少电力或不消耗电力。此外，为了根据皮肤特征来调整光强度，可以使用可变驱动电流来驱动所述光源，如上面所描述的。
所述信号处理电路可以被配置为提供0.6Hz至8Hz的通带，用于对与所述电流信号有关的电压信号进行滤波，以提供所述PPG信号。这种特定的通带对应于表示与PPG状态特别相关的信息的一部分电流信号。
优选地，所述信号处理电路包括：高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)，它们协作以提供所述通带，用于过滤不需要的频率分量。所述信号处理电路还可以包括：截止频率范围为100Hz至2000Hz的另一LPF。所述信号处理电路还可以包括：被布置在所述HPF和其中一个所述LPF之间的电压跟随器。信号处理电路还可以包括：被布置在所述HPF和其中一个所述LPF之间的放大器。
根据另一方面，提供有信号处理电路，其被配置为提供0.6Hz至8Hz的通带，用于对与由光电检测器提供的电流信号有关的电压信号进行滤波，以提供PPG信号。
根据另一方面，提供有用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)方法，包括：利用光源来发射光信号，所述光信号具有依赖于皮肤特征的可变强度；利用第一和第二光电检测器来检测对所述光信号的反射，以提供组合的电流信号；以及利用信号处理电路将所述电流信号转换为PPG信号，用于确定所述生理变化。
根据另一方面，提供有光电体积描记(PPG)监测装置，包括：第一信号处理器，其被配置为将来自MCU端口的命令提供至数模转换器电路，以与光驱动器进行通信；至少一个光源，其被配置以产生并发射光信号；光检测器单元，其具有至少两个光电检测器，所述至少两个光电检测器被配置以从所述至少一个光源重新获取(retrieve)光，其中所述至少一个光源指示出电流信号；第二信号处理器，其被配置为将所述电流信号转换为电压信号；所述至少一个光源具有光驱动器，所述光驱动器被配置成低信号晶体管，用于提供从所述光驱动器到所述至少一个光源的电流控制；第三信号处理器，其被配置为提供截止频率。
所述装置可以包括：至少一个电压跟随器，所述至少一个电压跟随器被配置为与所述第二信号处理器进行通信，以保持电压输出电平。
优选地，所述至少一个电压跟随器与至少一个增益放大器进行通信，其中所述至少一个增益放大器还与所述第三信号处理器进行通信，以放大至期望增益。
所述期望增益可以为75或150。
优选地，所述截止频率在0.6Hz至8.0Hz之间。所述第三信号处理器可以是带通滤波器。所述低信号晶体管可以是NPN型。所述至少一个光源可以是绿色的。
根据另一方面，提供有光电体积描记(PPG)监测方法，包括：通过光源单元来产生光信号；通过至少两个光电检测器来观测该光信号，其中所述光信号指示出对电流信号的吸附；以及将所述电流信号转换为电压信号，其中所述电压信号的模拟信号被处理以对该模拟信号进行放大和滤波。
该方法还可以包括：利用至少一个电压跟随器来保持所述电压信号的电压输出电平。优选地，所述至少一个电压跟随器与至少一个增益放大器进行通信，以利用所述至少一个增益放大器来放大期望增益。
还包括：基于跨阻抗放大器将所述电流信号转换为所述电压信号。
可以设想将与一个方面有关的特征应用至其他方面。
附图说明
下面将参考附图来描述示例性实施例，其中相同的部件由相同的附图标记来表示。在这些附图中：
图1是根据本发明的实施例的用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置的系统框图；
图2是图1的装置的一些部件之间的信号通信流程图；
图3是根据本发明的另一实施例的用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置的系统框图；
图4是图3的装置的部件之间的信号通信流程图；
图5是与图1的装置的光源相关联的驱动电路的电路图；
图6是图1的装置的光电检测器对的电路图；
图7是与图1的装置的光电检测器相关联的跨阻抗放大器的电路图；
图8是示出了图1的装置中的一部分的电路图，该部分包括低通滤波器和相关联的电压跟随器；
图9是图1的装置的一个改型的电路图，其中不具有低通滤波器和电压跟随器；
图10示出了图3的装置的一部分的电路图，该部分包括采样保持开关；
图11(a)至图11(c)示出了DC信号的幅值与时间的关系的线形图；
图12(a)至图12(c)示出了AC信号的幅值与时间的关系的线形图；
图13示出了针对不同测试对象利用图1的装置和利用常规装置所获取的SNR测量结果；
图14示出了针对图1的装置的信号处理电路所获取的瞬态响应的测量结果；
图15(a)和图15(b)分别示出了在不具有和具有图1的装置中的LPF的情况下的PPG信号的时域测量结果；
图16(a)和图16(b)分别示出了在不具有和具有LPF的情况下的图15中的PPG信号的频域(FFT)测量结果；
图17是图1的装置的一些部件之间的信号通信的另一流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置100的系统框图。所述装置100包括：发光二极管(LED)110、模拟开关120、多个光电检测器130、跨阻抗放大器(transimpedance amplifier，TIA)140、第一低通滤波器(LPF)150、电压跟随器160、高通滤波器(HPF)170、放大器180、以及第二LPF 190。图2示出了部件110至190中的一些部件之间的信号通信的示例流程。图17示出了部件110至190中的一些部件之间的信号通信的另一示例流程。在该实施例中，装置100可穿戴在用户的手腕部分上。部件140至190部分地或全部地形成信号处理电路。
装置100可以采用任何合适的形式，例如可穿戴设备(例如，佩戴在手腕上)或不可穿戴设备。可替代地，装置100也可以在任何合适的设备(例如智能手机设备)中实施或者形成任何合适的设备的一部分。装置100被配置为执行根据本发明的一个实施例的用于确定生理变化的方法。
参考图5，作为光源的LED 110由驱动电流驱动，其中所述驱动电流由驱动电路111(参见图5的电路图)提供，以根据控制信号(“MCU控制信号”)来发射光信号，其中所述控制信号由主通信单元(MCU，未示出)经由数模转换器(DAC)113来提供(另见图17)。已发射的光信号具有505nm(纳米)至535nm之间的波长，更特别地，具有515nm至525nm之间的波长。
由LED 110发射的光信号可以具有根据手腕部分的皮肤特征而改变的强度。在本实施例中，所述皮肤特征是皮肤颜色，该皮肤颜色依赖于例如皮肤色素沉着或纹身色料。驱动电流范围为1mA(毫安)至20mA，并且光信号具有对应地范围为1900MCD(光通量的空间密度)至3000MCD的强度。装置100被配置为使得可变强度以及因此使得驱动电流依赖于皮肤特征。在本实施例中，皮肤颜色越深，驱动电流越大。对于较深的皮肤颜色，驱动电流可以在13mA至20mA的范围内变化。这种布置是有用的，因为由于皮肤颜色越深，已发射的光信号被皮肤所吸收的部分越多，这意味着已发射的光信号的更少部分被反射用于检测。通过增加驱动电流，可以增加光信号的强度，以获得所得的具有满足要求的信噪比(SNR)的PPG信号。可替代地，由于皮肤颜色越浅，已发射的光信号被吸收的部分越少，这意味着已发射的光信号的更多部分被反射。这允许使用较小的驱动电流来获得所得的具有满足要求的SNR的PPG信号，从而降低了功耗。
LED 110根据由MCU提供的控制信号在ON(接通)状态和OFF(关断)状态之间交替变化。在ON状态，LED 110发射具有如上面所描述的可变强度的光信号。在OFF状态，LED110不发射光。图5中，与LED 110相关联的低信号晶体管112被示出为用圆形标记。在该实施例中，低信号晶体管112形成驱动电路111的一部分，使得驱动电路111除了控制已发射的光信号的强度以外，还控制LED在ON状态和OFF状态之间的交替变化。在一个示例性配置中，ON状态和OFF状态分别具有1ms(毫秒)和11ms的持续时间。低信号晶体管被用于实现光信号的更宽的分辨率范围。如上面所描述的，在具有低信号晶体管的情况下，分辨率范围典型地在1900MCD至3000MCD的范围内。利用这种配置，在两个强度状态之间对应地交替变化的光信号可以由两个状态方波来表示。在其他实施例中，LED 110可以被控制为在不同强度水平的两个ON状态之间交替变化。
关于如图5所示出的低信号晶体管112，驱动电流用“ILED”标记，并且由来自DAC113的、用“Ib”标记的基极电流进行控制。低信号晶体管的直流增益“hFE”满足关系式：ILED＝hFE×Ib。基极电流流过用“R7”标记的电阻器，并且由DAC(其用“U3”标记)的电压(其用“VDAC”标记)进行控制，并且依赖于MCU的控制信号。当基极与发射极之间的电压差为0.7时，基极电流满足以下关系式：
Figure BDA0002425193670000051
因此，驱动电流由低信号晶体管的基极电流进行控制，并且是基极电流与DC增益值(典型地范围在100至250之间)的乘积。
在多个LED的实施例中，其中在任何给定时间需要激活一个以上的LED或者其中需要增加光信号强度，通过将相关联电阻器(例如，固定的电阻器)的电阻从3.3欧姆(Ω)降低至1欧姆(Ω)，可以使驱动信号的电压从3.3V(伏)增加至3.5V，这导致驱动电流从13mA变化至20mA。
图8示出了光电检测器130、TIA 140、第一LPF 150和电压跟随器160的电路表示。在该实施例中，光电检测器130包括第一光电检测器130a和第二光电检测器130b，如图6至图9所示出的。光电检测器130可操作为检测光信号的反射(即反射的部分)，以提供电流信号。当装置100被佩戴在手腕部分上时，LED 110向所述手腕部分发射光信号，并且光电检测器130a、130b检测来自所述手腕部分的光信号的反射。
信号处理电路可操作以将电流信号处理成PPG信号。更具体地，所述信号处理电路被配置为提供0.6Hz(赫兹)至8Hz的通带，用于将与电流信号有关的电压信号进行滤波，以提供PPG信号。
在该实施例中，TIA 140与光电检测器130a、130b相关联，以形成检测器子电路140A，并且可操作以将由光电检测器130a、130b提供的电流信号转换为电压信号。图7示出了与光电检测器130a、130b相关联的TIA 140的电路图。
第一LPF 150可操作为对超出预定截止频率的电压信号的频率分量进行滤波(例如，消除或抑制)，以输出第一滤波信号，其中所述预定截止频率的范围典型地为100Hz(6000bpm)至2000Hz(120000bpm)。在该实施例中，第一LPF 150的截止频率为2000Hz。第一LPF150被用于在信号放大之前对高频噪声进行滤波，其中该高频噪声保留有与切换信号(其在80Hz至100Hz之间)有关的信息。换句话说，如果使用截止频率为8Hz的LPF来代替第一LPF 150，则信号处理电路将不能响应所述切换信号(toggling signal)。当信号被放大之后，然后可以获取适当的PPG信号幅值。为此，为了改善所得PPG信号的SNR，可以使用8Hz的LPF(以下所讨论的)来去除频率超过8Hz的噪声分量。
如图8的电路图所示出的，电压跟随器160可操作以接收由第一LPF 150提供的第一滤波信号，并且提供第一中间信号。电压跟随器160被配置为确保其电压输出(即第一中间信号)跟随其输入电压(即第一滤波信号)。这在本实施例中通过与TIA 140进行通信的电压跟随器160来实现。电压跟随器160包括非反相单位运算放大器。在一些实施例中，可能并不需要第一LPF 150和电压跟随器160，如图9所示出的。第一LPF 150与电压跟随器160进行协作以提供有源LPF 150A(例如，参见图2)。
HPF 170(例如，一阶有源高通滤波器)可操作为将低于预定截止频率的第一中间信号的频率分量进行滤波，以提供第二滤波信号，其中所述预定截止频率的范围典型地为0.6Hz(36bpm)至0.8Hz(48bpm)。在该实施例中，HPF 170的截止频率为0.6Hz。
接下来，放大器180可操作为对具有增益值的第二滤波信号进行滤波，以提供第二中间信号，其中所述增益值选自75和150。在其他实施例中，所述增益值可以是其他增益值。
第二LPF 190(例如，无源低通滤波器)可操作为对低于预定截止频率的第二中间信号的频率分量进行滤波，以提供第三滤波信号，其中所述预定截止频率的范围典型地为7.5Hz(450bpm)至8Hz(480bpm)。在该实施例中，第二LPF 190的截止频率为8Hz。所述第三滤波信号作为PPG信号。HPF 170与LPF 190协作以提供通带。
图3示出了根据本发明的另一实施例的用于确定生理变化的光电体积描记装置100’的系统框图。参考图10，装置100’与图1的装置100的不同之处在于，装置100’还包括：采样保持开关165、以及另一电压跟随器166。采样保持开关165被设置在电压跟随器166之前，用于在LED 110的切换操作期间减少LED 110的电压波动。电压跟随器166可以被考虑为形成采样保持开关165的一部分。根据实施方式，采样保持开关165可以与模拟开关120一起实施或者替代模拟开关120来实施。图8的电路的输出(标记为“模拟输出”(“Analog_Input”))由图10的电路来接收。图4示出了装置100’的部件110至190之间的信号通信的示例性流程。
应当注意的是，该装置100、100’可以包括其他电压跟随器，或者省略部分的或所有的电压跟随器160、166。例如，在不存在采样保持开关165的实施例中，可以省略电压跟随器166。本领域的读者将理解的是，可以以任何适当的方式使装置100、100’采用至少一个电压跟随器，以维持电压而不会产生任何放大效应。如上文所描述的，装置100、100’可以不具有电压跟随器。
图11(a)至图11(c)示出了在相应时间段内的DC(直流)信号的幅值与时间的关系的线形图。图12(a)至图12(c)示出了在相应时间段内的AC(交流)信号的幅值与时间的关系的线形图。图13示出了针对三个测试对象、利用光电检测器130所获取的信噪比(SNR)与利用具有单个光电检测器的常规布置所获取的SNR进行的对比。可以了解的是，使用两个光电检测器130a、130b使SNR得到了显著的改善。
图14示出了针对HPF 170所获取的瞬态响应的测量结果，所述HPF 170具有分别被设置为0.3Hz、0.5Hz和0.7Hz的截止频率。可以了解的是，当截止频率被设置为0.7Hz时，DC和其他低频分量可以被快速地去除，从而实现了用于信号处理电路(瞬态)的更快的响应特性。
图15(a)和图15(b)分别示出了在不具有和具有第二LPF 190的情况下的PPG信号的时域测量结果。图16(a)和图16(b)分别示出了在不具有和具有第二LPF 190的情况下的PPG信号的频域(FFT)测量结果。本领域技术人员将了解的是，高于8Hz和低于0.6Hz的频率分量(其可以被视为噪声分量)通过第二LPF 190被有效地去除或抑制。在图16(a)中，超过8Hz并且需要被去除的频率分量用矩形框来标记。随着噪声分量被去除，所得的PPG信号仅包括与解决一个或多个技术问题具体相关的频率分量。
其他的可替代的布置在下面描述。
滤波器150、170、190可以被适当的滤波电路所替代，该滤波电路被配置为提供0.6Hz至8Hz的通带。滤波器电路可以具有非反相和反相运算放大器。
本文所使用的术语“提供”及其衍生术语可以意为“生成”及其衍生术语。

Claims (25)

1.一种用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)装置，包括：
光源，其可操作以发射光信号，所述光信号具有依赖于皮肤特征的可变强度；
第一和第二光电检测器，其可操作为检测对所述光信号的反射，以提供组合的电流信号；以及
信号处理电路，其可操作以将所述电流信号转换为PPG信号，用于确定所述生理变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光信号的强度范围为1900MCD至3000MCD。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光源由范围为13mA至20mA的驱动电流来驱动，以提供所述光信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述皮肤特征为皮肤颜色。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：与所述光源相关联的低信号晶体管。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光源可操作为在接通和关断状态之间交替变化，以发射所述光信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述信号处理电路被配置为提供0.6Hz至8Hz的通带，用于对与所述电流信号有关的电压信号进行滤波，以提供所述PPG信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述信号处理电路包括跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器可操作以将所述电流信号转换为所述电压信号。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中所述信号处理电路包括高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)，所述高通滤波器(HPF)和所述低通滤波器(LPF)协作以提供所述通带。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述信号处理电路还包括：截止频率范围为100Hz至2000Hz的另一LPF。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述信号处理电路还包括电压跟随器，所述电压跟随器被布置在所述HPF和其中一个所述LPF之间。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述信号处理电路还包括放大器，所述放大器被布置在所述HPF和其中一个所述LPF之间。
13.一种用于确定生理变化的光电体积描记(PPG)方法，包括：
利用光源来发射光信号，所述光信号具有依赖于皮肤特征的可变强度；
利用第一和第二光电检测器来检测对所述光信号的反射，以提供组合的电流信号；以及
利用信号处理电路将所述电流信号转换为PPG信号，用于确定所述生理变化。
14.一种光电体积描记(PPG)监测装置，包括：
第一信号处理器，其被配置为将来自MCU端口的命令提供至数模转换器电路，以与光驱动器进行通信；
至少一个光源，其被配置以产生并发射光信号；
光检测器单元，其具有至少两个光电检测器，所述至少两个光电检测器被配置以从所述至少一个光源重新获取光，其中所述至少一个光源指示出电流信号；
第二信号处理器，其被配置以将所述电流信号转换为电压信号；
所述至少一个光源具有光驱动器，所述光驱动器被配置为低信号晶体管，用于提供从所述光驱动器到所述至少一个光源的电流控制；
第三信号处理器，其被配置以提供截止频率。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括：至少一个电压跟随器，所述至少一个电压跟随器被配置为与所述第二信号处理器进行通信，以保持电压输出电平。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述至少一个电压跟随器与至少一个增益放大器进行通信，其中所述至少一个增益放大器还与所述第三信号处理器进行通信，以放大至期望增益。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述期望增益为75或160。
18.根据权利要求14所述的装置，其中，所述截止频率在0.6Hz至8.0Hz之间。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述第三信号处理器为带通滤波器。
20.根据权利要求14所述的装置，其中所述低信号晶体管是NPN型。
21.根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一个光源是绿色的。
22.一种光电体积描记(PPG)监测方法，包括：
通过光源单元来产生光信号；
通过至少两个光电检测器来观测所述光信号，其中所述光信号指示出电流信号的吸收；以及
将所述电流信号转换为电压信号，其中所述电压信号的模拟信号被处理以对所述模拟信号进行放大和滤波。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：利用至少一个电压跟随器来保持所述电压信号的电压输出电平。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述至少一个电压跟随器与至少一个增益放大器进行通信，以利用所述至少一个增益放大器来放大期望增益。
25.根据权利要求22所述的方法，还包括：基于跨阻抗放大器将所述电流信号转换为所述电压信号。
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