CN117084675A - 基于亮度调节的提升ppg传感器测量精度的方法、系统、电子设备及存储介质 - Google Patents

基于亮度调节的提升ppg传感器测量精度的方法、系统、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法、系统、电子设备及存储介质，属于光学传感器测量技术领域。该方法的执行过程为：调整PPG传感器的光源产生最大亮度；判断在当前亮度下光电探测器是否达到饱和光功率：若未达到，则将光源的当前亮度作为测量亮度；若达到，降低光源亮度，直至光电探测器退出饱和，获得测量亮度。利用在光电探测器不饱和情况下，尽可能提高光源亮度的方法，以获取深层动脉细节信息，进而保证测量精度。

Description

基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法、系统、电子 设备及存储介质
技术领域
本发明涉及一种传感器高精度测量方法，具体涉及一种基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，属于光学传感器测量技术领域。
背景技术
光体积变化描记图法(Photoplethysmography，简称PPG)是借助光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。采用该方法的传感器为PPG传感器，PPG传感器包括光源和光电探测器(Photo Detector)。当LED将一定波长的光束照射到指端皮肤表面后，每次心跳时，血管的收缩和扩张都会影响光的透射(例如在透射PPG中，通过指尖的光线)或光的反射(例如在反射PPG中，来自手腕表面附近的光线)。
当光线透过皮肤组织然后再反射到光电探测器时，光照会有一定的衰减。肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织对光的吸收是基本不变的(前提是测量部位没有大幅度的运动)；但动脉不同，由于动脉里有血液的脉动，因此对光的吸收会有所变化。当我们把光转换成电信号时，由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号；提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点；其测量原理如图1所示。
现有技术中在采用PPG传感器进行测量时，为了低功耗需求，都尽可能地降低PPG传感器中LED的亮度，但由此会导致无法获取足够细节的动脉信号，影响PPG传感器的测量精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，利用在光电探测器不饱和情况下，尽可能提高光源亮度的方法，以获取深层动脉细节信息，进而保证测量精度。
基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，具体的：
调整PPG传感器的光源产生最大亮度；
判断在当前亮度下光电探测器是否达到饱和光功率：
若未达到，则将光源的当前亮度作为测量亮度；
若达到，降低光源亮度，直至光电探测器退出饱和，获得测量亮度。
作为本发明的一种优选方式：判断之前，调整光电探测器至最大的动态响应范围。
作为本发明的一种优选方式：光源的最大亮度为所述光源自身的最大亮度或设定范围内的最大亮度。
作为本发明的一种优选方式：该方法用于初始启用所述PPG传感器时，获得并记忆光源的测量亮度；再次启用所述PPG传感器时，直接采用记忆的测量亮度。
作为本发明的一种优选方式：降低光源亮度时，按设定规律降低光源亮度。
作为本发明的一种优选方式：将光源亮度设计为两个以上档位，随着档位的降低光源亮度递减或递增。
作为本发明的一种优选方式：在所述PPG传感器中设置两个以上光源形成光源单元，通过光源的组合实现最大亮度以及降低亮度。
作为本发明的一种优选方式：所述光源单元中的各光源为单一亮度光源或可变亮度光源。
作为本发明的一种优选方式：所述光源单元中包括红光、绿光、红外中的一种以上光源。
作为本发明的一种优选方式：分别获得所述光源单元中各不同光源的测量亮度。
此外，本发明提供一种生理信号测量装置，装置上设置有上述PPG传感器；所述装置在进行生理信号采集时，所述PPG传感器执行确定光源测量亮度的工作。
此外，本发明提供一种基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的系统，所述PPG传感器包括光源和光电探测器；该系统包括：调节模块、信号输出模块和判断模块；
所述调节模块，用于调节PPG传感器中的光源亮度；需要确定测量亮度时，所述调节模块将光源调整到最大亮度；
所述信号输出模块，用于在调节模块完成光源亮度调节后，从光电探测器获取PPG信号，输出给判断模块；
所述判断模块，用于依据所接收的PPG信号，判断此时光电探测器的光功率是否达到饱和光功率；若未达到饱和光功率，则将光源的当前亮度确定为测量亮度；若达到饱和光功率，则向所述调节模块发送亮度下调信号；
所述调节模块，进一步在接收到所述亮度下调信号后，降低光源亮度。
作为本发明的一种优选方式，该系统还包括显示模块，用于实时显示光电探测器获取的PPG信号。
有益效果：
(1)本发明提供的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，摒弃传统的对光源亮度从低到高进行调节的方式，而是采用从高到低调节的方式，以找到能令光电传感器不饱和的最大亮度，将该最大亮度作为测量亮度；在该测量亮度下进行测量能够提高PPG传感器所测量信号的幅值，由此来获取更多深层动脉细节信息。
(2)考虑光电探测器的动态响应范围会影响其饱和光功率(动态响应范围越小越容易达到饱和光功率)，在初始时将光电探测器设定为最大的动态响应范围，由此能够在满足光电探测器最大动态响应的范围内，尽可能提高LED的驱动电流，以获取深层动脉细节信息。
(3)通过设置亮度档位的方式能够方便对光源亮度进行调节。
(4)采用设置两个以上光源形成光源单元，通过光源的组合实现最大亮度以及降低亮度，在对光源亮度调节时直接关闭其中一个或多个光源即可或同时对多个光源进行亮度调整；且能够使用单一亮度光源。
(5)光源单元中包括红光、绿光、红外中的一种以上光源，使用时可分别获得各不同光源的测量亮度，然后依据实际使用需求选择所用的光源。
(6)将具有该方法的PPG传感器用在生理信号测量装置上，由于该PPG传感器能够获取更多的深层动脉信息，由此能通过PPG传感器来进行血压的测量，扩大了PPG传感器的应用领域(传统PPG传感器只能应用于心率或者血氧的测量)。
附图说明
图1为PPG传感器工作原理图；
图2为实施例1中基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法逻辑图；
图3为实施例2中基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法逻辑图；
图4为PPG传感器采用本发明的测量方法测得的信号幅值(图4中的(a))与采用传统方法测得的信号幅值(图4中的(b))对比示意图。
图5为基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的系统的组成图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，该方法用于获得PPG传感器的测量亮度，使得在该测量亮度下能够有效提高PPG传感器所测量信号的幅值，以获取更多深层动脉细节信息。
PPG传感器包含至少一个光源以及一个光电探测器(PD)。光源和光电探测器被放置为使得光源将光指向到用户的皮肤中，光被反射或透射并且由光电探测器探测。
如图2所示，基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法为：
步骤1：调整PPG传感器的光源到设定的最大亮度；
这里的最大亮度可以是光源本身的最大亮度，也可以是根据需要设置某一个范围的最大亮度，该亮度范围可以根据输入的人体特征(例如皮肤颜色、地区)进行选择、记忆。
步骤2：光源照射在生命体的探测部位上，反射光进入光电探测器进行采集；
在该步骤中，光电探测器采集反射光，形成PPG信号；当光电探测器未饱和时，PPG信号为图1所示的正常波形，若光电探测器饱和(即达到了光电探测器的最大测量范围，此时信号即使有更大的波动，但光电探测器已无法进行分辨，依旧显示其最大值)，则PPG信号为直线形式的饱和波形。
步骤3：判断当前亮度下光电探测器是否达到饱和光功率：如果饱和，执行步骤5，如果未饱和，执行步骤4；
这里的判断可以由集成在PPG传感器中的软件进行判断，也可以由光电探测器将形成的PPG信号发送给外部控制单元进行判断，判断依据为：光电探测器在设定时间段内的输出信号始终为其最大值。
步骤4：光电探测器未饱和，说明此时光电探测器能够正常工作，则将光源的当前亮度作为测量亮度。
步骤5：光电探测器饱和，说明此时光源亮度太高，需要对光源亮度进行调节；直至光电探测器退出饱和，获得测量亮度。
本步骤中，对光源亮度进行调节是指下调光源亮度；对光源亮度的调节可以采用调节光源电流或占空比的方式。
光源例如但不限于绿光、红光、红外等。
采用上述方法能够在光电探测器不饱和前提下，尽可能提高光源的测量亮度，以获取深层动脉细节信息。
上述用于获得PPG传感器测量亮度的步骤通常在PPG传感器初始启用时进行，并记忆获得的测量亮度；后续再次启用时，光源亮度直接采用记忆的测量亮度。
若再次启用时，直接采用记忆的测量亮度导致电探测器饱和，则下调光源亮度，直至光电探测器退出饱和，重新获得测量亮度并记忆；若在重新获得的测量亮度下，输出的信号幅值不满足设定要求(输出的信号幅值过低，无法获得深层动脉细节信息)，则重新执行上述步骤1-步骤5，获得测量亮度并记忆；
若再次启用时，虽然光电探测器没有饱和，但输出的信号幅值不满足设定要求(输出的信号幅值过低，无法获得深层动脉细节信息)，则提升光源亮度，直至输出的信号幅值满足设定要求；若多次提升光源亮度后，输出的信号幅值仍不满足设定要求，则重新执行上述步骤1-步骤5，获得测量亮度并记忆。
对于具有该PPG传感器的穿戴式生理信号测量装置，若PPG传感器重新执行上述步骤1-步骤5后，输出的信号幅值仍不满足设定要求(无法获得深层动脉细节信息)，则提示用户重新佩戴该装置，然后重启该穿戴式生理信号测量装置，重启后，PPG传感器再次重新执行上述步骤1-步骤5，获得测量亮度并记忆。
实施例2：
本实施例进一步考虑光电探测器的动态响应范围会影响其饱和光功率(动态响应范围越小越容易达到饱和光功率)，在上述实施例1的基础上，本实施例中在测试最初将光电探测器的动态响应范围设置为最大，基于此，如图3所示，基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法为：
步骤1：调整PPG传感器的光源到设定的最大亮度；将光电探测器设定为最大的动态响应范围；
步骤2：光源照射在生命体的探测部位上，反射光进入光电探测器进行采集；
步骤3：判断当前亮度下光电探测器是否达到饱和光功率：如果饱和，执行步骤5，如果未饱和，执行步骤4；
步骤4：光电探测器未饱和，说明此时光电探测器能够正常工作，则将光源的当前亮度作为测量亮度。
步骤5：光电探测器饱和，说明此时光源亮度太高，需要对光源亮度进行调节；直至光电探测器退出饱和，获得测量亮度。
由此能够在满足光电探测器最大动态响应的范围内，尽可能提高光源的测量亮度，以获取深层动脉细节信息。
如图4中的(a)所示，采用上述方法后测量得到的PPG幅值在20000左右，而采用传统的测量方案，如图4中的(b)所示，测量得到的PPG幅值在5000左右；即采用本实施例中的方法PPG信号幅值增长了25％，从而保留了更多的深层动脉细节信息。
实施例3：
在上述实施例1或实施例2的基础上，在对光源亮度进行调整时，按设定规律降低光源亮度；如预先将光源亮度设计为四个档位，第四档位对应光源的最大亮度，然后随着档位的降低光源亮度递减。由此在初始时，直接将光源设置为第四档位，然后判断光电探测器是否达到饱和光功率，由此来寻找光电探测器不饱和前提下对应的光源最大测量档位；后续在光电探测器动态响应不变的基础上，采用该PPG传感器进行测量时，直接将光源调整到对应的光源最大测量档位即可。
进一步，可将光源亮度设计宽档和窄档两种档位，宽档用于亮度的粗调，窄档用于亮度的精调；这里的宽档和窄档对应的为每档光源的驱动电流所跨度的范围。对光源亮度进行调节时，先按照宽档进行亮度下调，直至光电探测器退出饱和，退出饱和后，再按照窄档进行亮度上调(前提为光电探测器不饱和)，以选择更合适的档位。
实施例4：
在上述实施例1或实施例2的基础上，设置多个光源形成光源单元，如设置四个单一亮度的光源形成光源单元；初始时，将四个光源均打开，此时光源单元亮度最大，然后判断在该亮度下光电探测器是否达到饱和光功率，若此时光电探测器未达到饱和光功率，则直接将光源单元的当前亮度作为其测量亮度；若此时光电探测器达到饱和光功率，则直接关闭其中一个光源，以降低光源单元的亮度，然后重新判断光电探测器否达到饱和光功率即可。
本实施例中各光源可选用单一亮度光源，也可选用亮度可调光源；当选用亮度可调光源，在下调光源单元的亮度时，即可对光源单元中的一个光源进行亮度调节，也可分别或同时对光源单元中的多个光源的亮度进行调节。
实施例5：
在上述实施例4的基础上，光源单元中的各光源可以相同，也可以不同(如两个绿光光源，两个红光光源)；各光源可以是不同波长，也可以是相同波长；可以是同样强度，也可以是不同强度。
如光源单元中包括了红光、绿光以及红外等多种不同的光源，则在初次启用时，采用轮询的方式，对各光源实施上述实施例1中的步骤，以获得各光源的测量亮度。
实施例6：
本实施例给出了一种基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的系统，如图5所示，该测量系统包括：调节模块、信号输出模块和判断模块。
其中调节模块用于光源亮度的调节；需要确定光源的测量亮度时，调节模块先将光源调整到最大亮度；
信号输出模块用于在调节模块完成光源亮度调节后，从光电探测器获取PPG信号，输出给判断模块；在输出模块中可以设置显示模块，以实时显示光电探测器测量的PPG信号；
判断模块用于依据接收到的PPG信号，判断此时光电探测器的光功率是否达到饱和光功率；若此时光电探测器未达到饱和光功率，则将光源的当前亮度作为测量亮度；若此时光电探测器达到饱和光功率，则向调节模块发送亮度调节信号，通过调节模块重新进行光源亮度的调节，以降低光源亮度。
上述的各模块可以用通用的计算装置来实现，可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，能够将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。
实施例7：
在上述实施例6的基础上，调节模块、信号输出模块和判断模块可以直接设置在PPG传感器上或设置在具有该PPG传感器的生理信号测量装置上；或部分设置在PPG传感器上，部分设置在具有该PPG传感器的生理信号测量装置上。
同时判断模块也可以设置在云端，信号输出模块从光电探测器获取的PPG信号可以上传至云端，通过云端的判断模块判断是否需要进行光源亮度的调节。
实施例8：
本实施例提供一种具有该PPG传感器的生理参数传感器或可穿戴设备，如智能手环或手表等；该可穿戴设备包括机体和佩戴带，机体内设置有PPG传感器。
实施例9：
本实施例提供一种电子设备，其包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时实现实施例1-实施例5的测量方法。
实施例10：
本实施例提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序该计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现实施例1-实施例5的测量方法。
存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (16)

1.基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：
调整PPG传感器的光源产生最大亮度；
判断在当前亮度下光电探测器是否达到饱和光功率：
若未达到，则将光源的当前亮度作为测量亮度；
若达到，降低光源亮度，直至光电探测器退出饱和，获得测量亮度。
2.如权利要求1所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：判断之前，调整光电探测器至最大的动态响应范围。
3.如权利要求1所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：光源的最大亮度为所述光源自身的最大亮度或设定范围内的最大亮度。
4.如权利要求1所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：该方法用于初始启用所述PPG传感器时，获得并记忆光源的测量亮度；再次启用所述PPG传感器时，直接采用记忆的测量亮度。
5.如权利要求1或2或3或4所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：降低光源亮度时，按设定规律降低光源亮度。
6.如权利要求1或2或3或4所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：将光源亮度设计为两个以上档位，随着档位的降低光源亮度递减或递增。
7.如权利要求1或2或3或4所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：在所述PPG传感器中设置两个以上光源形成光源单元，通过光源的组合实现最大亮度以及降低亮度。
8.如权利要求7所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：所述光源单元中的各光源为单一亮度光源或可变亮度光源。
9.如权利要求7所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：所述光源单元中包括红光、绿光、红外中的一种以上光源。
10.如权利要求9所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的方法，其特征在于：分别获得所述光源单元中各不同光源的测量亮度。
11.一种生理信号测量装置，其特征在于，装置上设置有如权利要求1-10任意一项所述的PPG传感器。
12.如权利要求11所述的生理信号测量装置，其特征在于，所述装置在进行生理信号采集时，所述PPG传感器执行确定光源测量亮度的工作。
13.基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的系统，所述PPG传感器包括光源和光电探测器；其特征在于：该系统包括：调节模块、信号输出模块和判断模块；
所述调节模块，用于调节PPG传感器中的光源亮度；需要确定测量亮度时，所述调节模块将光源调整到最大亮度；
所述信号输出模块，用于在调节模块完成光源亮度调节后，从光电探测器获取PPG信号，输出给判断模块；
所述判断模块，用于依据所接收的PPG信号，判断此时光电探测器的光功率是否达到饱和光功率；若未达到饱和光功率，则将光源的当前亮度确定为测量亮度；若达到饱和光功率，则向所述调节模块发送亮度下调信号；
所述调节模块，进一步在接收到所述亮度下调信号后，降低光源亮度。
14.如权利要求13所述的基于亮度调节的提升PPG传感器测量精度的系统，其特征在于：还包括显示模块，用于实时显示光电探测器获取的PPG信号。
15.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤。
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