TW201110569A

TW201110569A - Method and apparatus for under-sampled acquisition and transmission of photoplethysmograph (PPG) data and reconstruction of full band PPG data at the receiver

Info

Publication number: TW201110569A
Application number: TW098132585A
Authority: TW
Inventors: Harinath Garudadri; Pawan Kumar Baheti
Original assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-03-16
Also published as: JP5415544B2; JP2012504022A; WO2010036894A3; US11819343B2; US20210169426A1; US20190125271A1; KR20110076971A; US10939873B2; CN102165698A; EP3672084A1; CN102165698B; EP2345165A2; US10213164B2; WO2010036894A2; KR101271577B1; KR20120123158A; KR101271574B1; US20100082302A1

Description

201110569 六、發明說明：根據專利法規定的優先權請求本專利申請案請求於2008年9月26曰提出申請的臨時申請No. 61/100,654和於2008年9月29曰提出申請的臨時申請No. 61/101,056的優先權，其被轉讓給其受讓人，並藉以藉由參考明確地併入本文。【發明所屬之技術領域】本案的特定方案整體上涉及信號處理，更具體的，涉及用於信號的低取樣獲取、傳輸和重建的方法。【先前技術】壓縮感測（c S )是新興的信號處理概念，其中可以使用比香農/尼奎斯特取樣定理所提出顯著地少許多的感測器測里值來回復具有任意咼解析度的信號。這在被感測的信號在特定域中固有的是可壓縮的或稀疏的情況下是可能的。考慮具有Μ個非零頻譜成分的一類有限頻寬的信號，其中 /2，fS疋建議的取樣速率，例如尼奎斯特取樣速率。傳統上，這種信號能夠在獲得之後進行壓縮，以實現更有效的傳輸及 /或儲存。在C S架構中，獲取處理（即，感人、1 α /則）可以與源壓縮相組口’並可以與信號的稀疏本質盔關 4貝…關。然而，在接收機端會需 201110569 要這個稀疏性資訊，以便執行信號重建。通f將在α架構中的測量值定義爲信號與隨機基礎函數的内乘積。如果在接收機可以獲得至少2.Μ個採樣’則就可以準確地恢復這此作號，雖然在接收機處存在某些額外的運算複雜性。這在人體域網（Wy area⑽work，ΒΑΝ)中是有用#，因爲將運算複雜性轉移到具有靈活功率預算的節點，以便增加在ΒΑν 中所用的感測器的使用壽命。 CS範例可以用於與信號探測/分類、成像、資料壓縮和磁共振成像（MRI)有關的應用。報道了 cs在改進的信號保真度和較好的識別性能方面的優點。在本案中，提出了基於a 的信號處理，用於在護理和健康應用的BAN内提供低1功率的感測器。 BAN在護理應用中的重要方案是在感測器（即發射機）與聚集ϋ(即接》欠機）之間提供可靠的通訊鏈路，同時使感測器功率和通訊等待時間最小。以前報道了包括多中繼段無線網路在内可以觀測到高達50%的封包遺失率。然而，可以藉由使用服務品質（QoS )感知網路來改進封包遺失性能。可以應用雙通道方案，其中可以保留一條通道用於緊急警告訊息。結果，可以實現5%到25%的較低封包遺失率。然而，封包遺失率會隨著網路擁塞而增大。此外，研究了在BAN情況中的前向糾錯（FEC)編碼的實用。藉由使用FEC方案，對於在秒數量級上的通訊等待時間可以觀測到較小的殘餘封包遺失率。此外，研究了在通用封包式無線電服務（GPRS )鏈路上的心電圖（ECG )信號的 201110569 傳輸’對於在秒數量級上的福％竺a 士上的通戒專待時間獲得了較小的遺失率0使用FEC的優點县丨^/由疋以增加傳輪頻寬和感測器複雜性爲代價的0另一方面，盘, /、 EC方案相比，基於重傳的技術具有較小的頻寬相失，但由於愛要力；34 44- ilfe 於而要在發射機處緩衝封包，因此感測器的複雜性相當大。還在尤彻《土、c 士存在〃往返時間成正比的等待時間損失。、因^此本領域中需要一種方法其在發射機處具有較低頻寬管理貞擔和較低運算複雜性，從而實現較長的感測器壽命’同時不會損害給定封包遺失率〜〜匕m天手it况下的特定應用的目標品質度量。【發明内容】特定方案提供了一種用於信號處理的方法。所述方法整體上包括以下步驟：在—^ ^ * Μ 「^ ^ 隹衷置處產生非均勻的取樣實例 (sampling instance);以及在多個所述非均勻的取樣實例期間感測信號的採樣。特定方案提供了一種用於信號處理的裝置。所述裝置整 . 體上包括：産生器，被配置爲産生非均勻的取樣實例；以及 -感測器，被配置爲在多個所述非均勻的取樣實例期間感測信號的採樣。特定方案提供了一種用於信號處理的裝置。所述裝置整體上包括：用於産生非均勻的取樣實例的構件；以及用於在多個所述非均勻的取樣實例期間感測信號的採樣的構件。 201110569 特定方案提供了一種用於信號處理的電腦程式產品。所述電腦程式產品包括具有指令的電腦可讀取媒體，所述指令可執打以：產生非均勻的取樣實例；並在多個所述非均勻的取樣實例期間感測信號的採樣。特定方案提供了一種感測設備。所述感測設備整體上包 k 括’産生器，被配置爲產生非均勻的取樣實例；感測器，被 1 配置爲至少在多個所述非均勻的取樣實例期間感測信號的採樣；以及發射機，被配置爲發送所述感測的採樣。特定方案提供了一種用於信號處理的方法。所述方法整體上包括以下步驟：在—裝置處接收從另一裝置發送信號的採樣，決疋一組非均勻的取樣實例，其中在所述另一裴置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；並且使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號。特定方案提供了一種用於信號處理的裝置。所述裝置整 .體上包括.接收機，被配置爲接收從另一裝置發送的信號的採樣；被配置爲決定一組非均勻的取樣實例的電路，其中在所述另一裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；以及重建器，被配置爲使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號。特定方案提供了一種用於信號處理的裝置。所述裝置整體上包括：用於接收從另一裝置發送的信號的採樣的構件· 用於決定-組非均勾的取樣實例的構件，其中在所述另一裝置處是在該組非均句的取樣實例期間對信號進行取樣；以及 201110569 用於使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號的構件。特定方案提供了一種用於信號處理的電腦程式産品。所述電腦程式產品包括具有指令的電腦可讀取媒體，所述指令可執行以：接收從一裝置發送的信號的採樣；決定一組非均句的取樣實例’其中在所述裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；並且使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號。特定方案提供了一種耳機。所述耳機整體上包括：接收機，被配置爲接收從一裝置發送的信號的採樣；被配置爲決疋一組非均勻的取樣實例的電路，其中在所述裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣的，重建器被配置爲使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號；以及換能器，被配置爲根據所述重建的信號來提供音頻輸出。特定方案提供了-種手錶。所述手錄整體上包括：接收機’被配置爲接收從—裝置發送的信號的採樣；被配置爲決 ^組非均勻的取樣實例的電路，其中在所述裝置處是在該 =均勻的《實例期間對信號進行取樣；重建器，被配置樣：=斤決定的該組非均句的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號；以人的信號來提供指示。彳）1面’被配置爲根據所述重建特定方案提供了— 括.連接器；接收機，種監控設備。所述監控設備整體上包被配置爲藉由所述連接器接收從一裝 201110569 置發送的信冑的採樣；被西己置爲決定一組非均句的取樣實例的電路’其中在所述裝置處是在該組非均句的取樣實例期間對信號進行取樣；重建器’被配置爲使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從所述接收的採樣中重建所述信號；以及用戶介面，被配置爲根據所述重建的信號來提供指示。特定方案提供了一種用於信號處理的方法❶所述方法整體上包括以下步驟：在多個非均句的取樣實例期間開啓光源；並且在所述多個非均勻的取樣實例之間關閉所述光源。特定方案提供了一種用於信號處理的裝置。所述裝置整體上包括：開啓電路，被配置爲在多個非均勻的取樣實例期間開啓光源；以及關閉電路，被配置爲在所述多個非均句的取樣實例之間關閉所述光源。特定方案提供了一種用於信號處理的裝置。所述裝置整體上包括：用於在多個非均勻的取樣實例期間開啓光源的構件；以及用於在所述多個非均句的取樣實例之間關閉所述光源的構件。特定方案提供了-種用於信號處理的電腦程式産品。所述電腦程式產品包括具有指令的電腦可讀取媒體，所述指令可執行以：在多個非均勾的取樣實例期間開啓光源；並：：所述多個非均勻的取樣實例之間關閉所述光源。特定方案提供了-種感測㈣。所述感測設備整體上包括：開啓電路，被配置爲在多個非均句的取樣實例期間開啓光源；感測器’被配置爲在所述多個非均勻的取樣實例期；感測信號的採樣；以及關閉電路，被配置爲在所述多個非二 201110569 勻的取樣實例之間關閉所述光源。【實施方式】下文中參考附圖更充分地說明本案的各種方案。然而，本案可以料同形式體現，並且*應解釋爲局限於在本案通篇中提出的任何具體結構或功能。相反，提供的是使得本案全面和完整’並完整地向本領域技藝人㈣達本案的範圍。根據本文的教導，本領域技藝人士應案的範圍旨在覆蓋本文公開的本案的任何方案，無論是獨立於本案的任何其他方案實施的方案還是與之相結合實施的方案。例如’可以使用本文提出的任意數量的方案來實現裝置或實施方法。另外，本案㈣圍旨在覆蓋作爲本文閣述的本案的各個方案的補充或者替代本文闡述的本案的各個方案而使用其他結構、功能或結構及功能來實現的裝置或方法應理解本文公開的本案的任何方案都可以由請求項辛的一或多個要素來體現。本文使用詞語「示例性的」表示充當實例、例子或舉例說明本文中被描述爲「示例性的」任何方案並非必然解釋爲對於其他方案而言是優選的或是有優勢的。儘管本文描述了多個具體方案，但這些方案的許多變化和置換也屬於本案的範圍内。儘管提及了優選方案的一些益處和優點，但本案的範圍不是旨在局限於具體的益處、使用或 # 相反’本案的方案旨在廣泛地應用於不同無線技 10 201110569 術、系統結構、網路和傳輸協定’其中的一些在優選方案的附圖和以下的描述中作爲示例加以示出。詳細描述和附圖對於本案僅是示例性的，而不是限制性的，本案的範圍由所附請求項及其均等物來定義。示例性無線通訊系統，本文描述的技術可以用於各種寬頻無線通訊系統中，包括基於正交多工方案和信號載波傳輸的通訊系統。這種通訊系統的不例包括正交分頻多工存取（〇FDma )系統、單載波分頻多工存取（SC_FDMA )、分碼多工存取（CDMA )等等。 OFDMA系統使用正交分頻多工（〇FDM )，它是將總系統頻寬分割爲多個正交的次載波的調制技術。這些次載波也可以稱爲音調（tone )、頻段（bin )等。使用OFDM，每一個次載波都可以以資料單獨地進行調制。SC FDMA系統可以使用交錯的FDMA (IFDMA)來在分布在系統頻寬上的多個次載波上進行發送，使用局部FDMA ( LFDMA )來在一區塊相鄰-人載波上進行發送，或者使用增强FDMA ( EFDMA )來在 . 多區塊相鄰次載波上進行發送。通常，在頻域中以〇fDM及 ί 在時域中以SC_FDMA發送調制符號。CDMA系統使用擴展頻譜技術和編碼方案，其中爲每一個發射機（即，用戶）分配代碼，以便允許在相同實體通道上多工多個用戶。基於正交多工方案的通訊系統的一個具體示例是 WiMAX系統。wiMAX代表微波存取全球互操作，它是在遠距離上提供高吞吐量寬頻連接的一種基於標準的寬頻無線 201110569 技術。當前存在兩種主要的WiMAX應用：固定WiMAX和行動WiMAX。例如，固定wiMAX應用是一點對多點的，能夠實現對家庭和商業的寬頻存取。行動WiMAX以寬頻速度 k供蜂巢網路的完全行動性。

IEEE 802_16χ是新興的標準組織，其定義用於固定和行動寬頻無線存取（BWA)系統的空中介面。IEEE 802.16x在 2004年5月批准了用於固定BWA系統的「IEEE P802.16d/D5-2004」’並在2005年10月公布了用於行動BWA 系統的「IEEE P802.16e/D12」。IEEE 802.16 的最新版本，「IEEE P802.1 6Rev2/D8 December 2008」，草案標準，現在合併了來自IEEE 802.16e和勘誤表（corrigendum)的資料。該標準定義了四個不同貫體層（PHY )和一個媒體存取控制 (MAC )層。這四個實體層中的OFDM和OFDMA實體層分別在固定BWA和行動BWA領域中最普遍。本文的教導可以包含（例如，在其内實現或由其執行）在各種有線或無線裝置（例如，節點）中。在一些方案中，根據本文的教導實現的節點可以包括存取點或存取終端。存取點（「AP」）可以包括、實現爲或者被稱爲節點b、無線網路控制器（「RN C」）、eNodeB、基地台控制器（r BSC」）、基礎收發機站（「BTS」）、基地台（「bs」）、收發機功能實體（「TF」）、無線電路由器、無線電收發機、基本服務集（「BSS」）、擴展服務集（「ESS」）、無線電基地台 (「RBS」）’或者一些其他的術語。存取終端（「AT」）可以包括 '實現爲或者被稱爲存取 [S] 12 201110569 終端、用戶站、用戶單元、行動站、遠端站、遠端終端、用戶終端、用戶代理、用戶設備、用戶裝^，或者一些其他的術語《在一些實現方式中，存取終端可以包括蜂巢式電話、無線電話、對話啟動協定（「SIP」）冑話、無、線本地迴路 (「WLL」）站、個人數位助理（「pDA」）、具有無線連接能力的手持設備，或者連接到無線數據機的一些其他適合的處理設備。因此，本文教導的一或多個方案可以包含在電話（例如，蜂巢式電話或智慧型電話）、電腦（例如，膝上型電腦）、攜帶型通訊設備、攜帶型計算設備（例如，個人數位助理）' 娛樂設備（例如，音樂或視頻設備，或者衛星無線電接收機）、全球定位系統設備、或者被配置線或有線媒體進行通訊的任何其他適合的設備中。在一些方案中，節點是無線節點。這種無線節點例如可以提供經由有線或無線通訊鏈路對或到網路（例如，諸如網際網路或蜂巢網路的廣域網路）的連通性。圖1示出了可以在其中使用本案的方案的無線通訊系統 100的示例。無線通訊系統100可以是寬頻無線通訊系統。無線通sfl系統1 00可以爲多個細胞服務區J 〇2提供通訊，每 —個細胞服務區都由一個基地台1〇4服務。基地台1〇4可以是與用戶終端106進行通訊的固定站。基地台1〇4可以或可稱爲存取點、節點B或一些其他術語。圖1示出了散布遍及系統1 〇〇的多個用戶終端丨〇6。用戶終端106可以是固定的（即靜止的）或移動的。用戶終端 106可以或可稱爲遠端站、存取終端、終端、用戶單元、行 ] 13 201110569 以是無線設備，諸手持設備、無線數動站、站、用彳裝置等。用戶終端106可如蜂巢式電話、個人數位助理（)、據機、膝上型電腦、個人電腦等。可以將多種演算法和方法用於在無線通訊系统⑽中在基地台104與用戶終端106之間的傳輸。例如，可以根據 OFDM/OFDMA技術在基地纟1G4與用戶終端1()6之間發送和接收信號。如果是這種情況，就可以將無線通訊系統ι〇〇稱爲OFDM/OFDMA系、、统。或者，可以根據CDMA技術在基地台104與用戶終端106之間發送和接收信號。如果是這種情況，就可以將無線通訊系統i 〇〇稱爲CDMA系統。可以將用於從基地台1 〇4到用戶終端丨〇6的傳輸的通訊鏈路稱爲下行鏈路（DL ) 1 08 ’將用於從用戶終端1 〇6到基地台104的傳輸的通訊鏈路稱爲上行鏈路（ul) 11〇。或者，可以將下行鏈路108稱爲前向鏈路或前向通道，可以將上行鏈路110稱爲反向鏈路或反向通道。可以將細胞服務區102分割爲多個扇區11 2。扇區112是在細胞服務區1 02内的實體覆蓋區域。在無線通訊系統1 00 内的基地台1 04可以利用能夠將功率流集中在細胞服務區 1 02的某個特定扇區112内的天線。可以將這種天線稱爲定向天線。圖2示出了可以用於無線設備202中的多個元件，無線設備202可以在無線通訊系統1〇〇内使用。無線設備202是可以被配置爲實施本文所述的各種方法的設備的示例。無線設備202可以是基地台104或用戶終端1〇6。 201110569 無線設備202可以包括處理器2〇4，其控制無線設備2〇2 的操作。還可以將處理器204稱爲中央處理單元（cpu )。記憶體206可以包括唯讀記憶體（R〇M )和隨機存取記憶體 (RAM)，其向處理器204提供指令和資料。記憶體2〇6的一部分還可以包括非揮發性隨機存取記憶體（NRAM ) ^處 *理器204通常根據儲存在記憶體206内的程式指令來執行邏 *輯和數學運算。記憶體中的指令可以執行來實施本文所述的方法。無線設備202還可以包括外殼2〇8，其可以包括發射機 210和接收機212，以允許在無線設備2〇2與遠端地點之間的資料發送與接收。可以將發射機210和接收機212合併到收發機214中。天線216可以附著在外殼2〇8上，並電耦合到收發機214。無線設備2〇2還可以包括（未示出）多個發射機、多個接收機、多個收發機，及/或多個天線。無線設備202還可以包括信號檢測器2丨8，它可以用於檢測並量化由收發機214接收到的信號的位準。信號檢測器218 可以按照總能量、每個符號每個次載波的能量、功率譜密产 . 和其他信號來檢測這種信號。無線設備202還可以包括數位 i k號處理器（DSP) 220，用於處理信號。無線設備202的多個元件可以由匯流排系統222耦人在一起’除了資料匯流排之外，匯流排系統222還可以包括電源匯流排、控制信號匯流排和狀態信號匯流排。圖3示出了可以在利用〇fdM/OFDMA的無線通訊系統 1〇〇内使用的發射機302的示例。發射機302的多個部分可 201110569 以實現在無線a又備202的發射機210中。發射機302可以實現在基地台104中，用於在下行鏈路1〇8上向用戶終端1〇6 發送資料306。發射機302還可以實現在用戶終端1〇6中，用於在上行鏈路110上向基地台104發送資料3〇6。將要發送的資料306顯示爲用作串聯_並聯（s/p )轉換器 308的輸入。S/P轉換器3〇8可以將發送資料分割爲m個並行資料串流3 I 0。隨後可以將這N個並行資料串流3丨〇用作映射器3丨2的輸入。映射器3 12可以將這N個並行資料串流3丨〇映射到n 個群集點上。可以用諸如二相移相鍵控（BpSK)、正交移相鍵控（QPSK)、8相移相鍵控（8pSK)、正交調幅（qam) 等的一些調制群集來進行映射。因此，映射器3i2可以輸出 N個並行符號串流316，每—個符號串流316都對應於快速傅立葉逆變換（IFFT) 32G的N個正交次載波中的—個。這 N個並行符號串流3丨6是在頻域中呈現的並可以由元件320轉換爲N個並行時域採樣串流318。現在將提供與術睹有關的簡要注釋，一， .， | 只、j in Ίΐέί 行調制等於在頻域中❹個調制符號，所述Ν個調制符號於在頻域中的Ν映射和心ifft，所述Ν映射和ν點^ 等於在時域中的一個（有用的）〇fdm符號，所述一個（用的）OFDM 4號等於在時域中的N個採樣。時域中的一 FDM符號Ns等於Ncp (每個符號的揭環字首（^ 數）N (每個〇FDM符號的有用採樣數）。可以由並聯·串聯（P/s )轉換器324將n個並行時域 16 201110569 樣串流318轉換爲OFDM/OFDMA符號串流322。循環字首插入元件326可以在OFDM/OFDMA符號串流322中的連續的OFDM/OFDMA符號之間插入CP。隨後可以由射頻（RF ) 前端328將CP插入元件326的輸出升頻轉換到預期的發射頻帶。天線3 3 0隨後可以發射所産生的信號3 22。圖3還示出了可以在利用OFDM/OFDMA的無線設備202 内使用的接收機304的示例。接收機3〇4的多個部分可以實現在無線設備202的接收機212中。接收機304可以實現在用戶終端106中，用於在下行鏈路ι〇8上從基地台ι〇4接收資料306。接收機304還可以實現在基地台1〇4中，用於在上行鏈路110上從用戶終端1〇6接收資料3〇6。所發送的信號3 3 2顯示爲藉由無線通道3 3 4傳輸。當由天線330接收到號332’時，可以由RF前端328,將接收信號332’降頻轉換到基帶信號。cp去除元件326，隨後可以去除由cp插入元件326插入在〇fdm/〇fdma符號之間的. 可以將cp去除元件326,的輸出提供給s/p轉換器Μ#，。 S/P轉換器324’可以冑〇FDM/〇FDMA#號串流似，劃分爲 N個並仃時域錢串流318，，其每—個都對應於則固正交次載波令的自。快速傅立葉變換（FFT)元件32G，可以將這 N個並灯時域符號_流318，變換到頻域並㈣域符號串流316，。亚订頻去映射器作的逆操作， 308’可以將這匕12,可以執行由映射器312執行的符號映射操從而輸出N個並行f料串流31()，。p/s轉換器 N個並行資料串流31q，合併爲單個資料奉流 17 201110569 306’。理論上，這個資料串流3〇6,對應於被提供作爲發射機 302的輸入的資料3〇6。注意，元件3〇8,、31〇,、312，、316，、 320’、3 18’和324’都可以存在於基帶處理器34〇，中。人體域網概念 ^ 圖4示出了人體域網（BAN) 400的示例，其對應於圖i .中所不的無線系統100。人體域網代表用於諸如爲了診斷目的的連續監控、慢性病的藥效等等之類的護理應用的有前景的概念。 BAN可以由幾個獲取電路組成。每一個獲取電路都可以包括無線感測器，其感測一或多個生命體徵並將它們傳輸到聚集器（即，存取終端），例如行動手機、無線手錶，或者個人資料助理（PDA)。用於獲得各種生物醫學信號並藉由無線通道將它們發送到聚集器410的感測器4〇2、4〇4、4〇6 和408可以具有與存取點1〇4相同的功能。圖5示出了生物醫學感測器51 Oa-5〗 Ok的陣列的方塊圖，其中生物醫學感測器510a-510k可以對應於BAN 400内的感測器4〇2_4〇8。每一個感測器510a-510k都可以是圖2的發射機21〇和圖3的發射機302的示例β 圖4中示出的聚集器410可以接收並處理藉由無線通道從感測器402-408發送的各種生物醫學信號。聚集器41〇可以是行動手機或PDA’並可以具有與圖i的行動設備1〇6相同的功能。圖6示出了聚集器610的詳細方塊圖，其中聚集器610可以對應於BAN 4〇0内的聚集器41〇。聚集器61〇可 18 201110569 以是圖2的接收機2 12和圖3的接收機3〇4的示例。希望在BAN中所使用的感測器是非插入式的並且是耐用的。在本案令可以考慮光脈波計（PPG )和心電圖（ECG ) 信號，來說明用於感測器信號處理的壓縮感測（CS )技術的益處。PPG、ECG和機能感測（activity sensing)涵蓋了大 • 部分人中的很大比例的慢性病’因此爲BAN中的無線技術以 { • 及具有無線區域網路（W AN )連通性的行動設備提供了相當大的機會。脉搏氧飽和度儀感測器可以產生PPG波形，其能夠對血氧（也稱爲Sp〇2)進行連續監控’血氧是包括肺和呼吸在内的肺部系統的一個關鍵指標。血液將氧氣、營養和化學藥品運送到身體細胞’以便確保它們的存活、適當地工作，並去除細胞廢物。在診斷、外科手術、長期監控等的臨床背景下，大量使用了 SP〇2。圖7示出了時域PPG信號及其頻譜的示例。

ECG疋用於評價心血管系統的另一個重要生命體徵。心臟是最努力工作的身體部分之一，其每分鐘泵送大約6公升的血液通過人體。在每一個心動周期中產生的電信號構成了 . ECG，並且其易於由Ag/AgCl電極感測器擷取。EC(3通常在 : 用於診斷與心臟有關的疾病的臨床背景下使用，並且對ECG 的連續監控可以實現許多慢性疾病的早期診斷。圖8示出了時域ECG信號及其頻譜的示例。血壓（BP)疋具有極大臨床價值的另一個生命體徵。可以用ECG和PPG信號來估計收縮壓（SBp)和舒張壓（DBp)。 19 201110569 所提出的方法的概述本案的特定方安、止方案涉及用於減小脉搏惫功耗的方法。商辈旳捕^ 寻氧飽和度儀感測器的 Π業脉搏氧飽和度儀通常級的功率。紅在4 Λ *曰4耗2〇-6〇mW數量

、·色和紅外發光二極體（L 部分。對ppr )占這個功率的大 ρ刀丨PPG感測器的高效功率 1 cmW孤# 干又T j以使這個功耗降低到 • ; ~個給定的均勻取樣速率，1 U、& I # Λ, nn /L. <干可以減小與LED發先相關的工作週期。在1 5» . .. ”最佳化方案中可以使用快速檢測盗洋較间的時鐘頻率〇因， J 乂在Γ.·Λ持續時間中開啓中’和71分別表示獲得每一個换媒路ν + -個才木樣所必需的取樣速率和發光持續時間。 PPG.信號在譜域中可以是稀疏的，因此是可壓縮的。這可以實現使用壓縮感測（cs)架構來獲得ppG信號。可以在非均勻（即’隨機的）時間間隔上取樣ppG信號但具有平均取樣速率d CS方法中，取樣速率可以比均勻取樣速率乂小得多。係數乂 π可以稱爲低取樣比值（usr )。會注意到，由於僅會在r./t./USR (而不是Γ乂）持續時間中點亮 LED，廷個取樣方法會實現用於ρρ(3獲取的脉搏氧飽和度儀的功耗的減小（即’大約除以係數USR)。與低通濾波及在乂. /USR處進行取樣相比，基於cS的方法的益處在於不會遺失高於人/USR的信號内容。類似的，可以以高USR獲得在高頻處的窄頻信號。圖9示出了在乂 =l25Hz 處取樣的PPG信號的示例性頻譜。可以觀察到，如果僅將低通濾波器用於PPG信號並在USR爲40的XMOd.iMHz處進行取樣，就會遺失相當多的頻譜内容。 3 20 201110569 使用cs架構的另一 1固盈處在於’測量值可以與在重建時使用的變換空間無關，、所迷變換空間包括如在傳統尼奎斯特速率的取樣中的傅立苹* 曰莱工間。爲了重建PPG信號的近似值，彳s架構可以以增大在接收機側的運算管理負擔爲代價’轉換爲在感測器側實現相當大的功率節省。同樣讓人感興趣的是針對—個給定任務來評價接收機的複雜度’因爲所需”算可能要在行動手機或舰上進行。 [j如。跳率（HR )估計任務可以無需來自CS採樣的 L號的中間表不’因此對於諸如ppG信號重建和估計之類的任務而§ ，後端處理的複雜度就會是不同的。可以使用用於重病特別護理的多參數智慧監控（) 資料庫來證明HR和BP的估計精度在具有不同職值的cs 架構中不會受損。MIMIC資料庫由跨度超過24小時的來自歲個血液動力學不穩定物件（即，其ECG、PPG和BP圖形在個給疋觀察時間段期間會發生改變的物件）的ECG、PPG 和BP的同時記錄組成。本案的特定方案支援將CS架構用於在信號傳輸期間減小封包遺失。這是可行的，因爲可以配備接收機以便依據稀疏表示來重建信號。考慮從感測模組到聚集器的生物醫學信號的無線傳輸。例如，可以用隨機投影（例如，Rademacher模式）對原始ECG資料進行編碼，並對所得到的隨機係數進行封包以便藉由空中進行傳輸。編碼的ECG信號的稀疏本質可以允許使用這些隨機係數的子集來執行重建，其中該子集的基數可以取決於稀疏性資 ) 21 201110569 訊。這暗示儘管由於通道錯誤而眚游决向逍失了 —些封包，但在接收機處仍可以重建ECG信號並執杆hr彳士斗 ^ v 狐业巩仃HR估计。這個方法的益處在於無需進行重傳’從而在咸消丨哭卢香：日社U列盗處實現了較低的等待時間和較簡單的協定堆疊。另—個顯著的方面在於，可以根據通道狀況來修改隨機投影的數量（即，遷縮感測頻寬）。基於壓縮感測的獲取和重建圖26示出了用於生物醫學信號的感測和重建的示例性方塊圖。用於獲得諸如PPG信號之類的生物醫學信號的感測器 2602可以包括二個主要元件：LED 26〇6、光電檢測器261〇和分別用於LED和光電檢測器的發光序列和取樣序列26〇4 和2612。LED 2606可以發出具有在6〇〇nm到1〇〇〇nm之間的波長的光’它還包括光譜中的紅色和紅外部分。來自LEd 2606的光會從組織2608 (例如，人手指或耳朵，如圖26所示）發射/反射’並可以在光電檢測器261〇上收集。在光電檢測器處所測量的對應於LED的平均强度的比率.可以用於決定血液中的氧含量（Sp〇2)。因此，Sp〇2可以是PPG信號的平均值（DC成分）的函數β 可以用由種子産生器2614根據規定的低取樣比值（USR) 261 6而産生的隨機種子來獲得發光序列26〇4和取樣序列 2612。可以在傳輸之前向媒體存取控制/實體層（Mac/phY) 處理2620發送來自光電檢測器2610的取樣資料2618。經處理的採樣隨後可以進行封包，並由一或多個天線2622發射。在接收機側’如圖26所示，可以在一或多個天線2624 22 201110569 處接收到發送的採樣，並由MAC/PHY方塊2626谁— ,i^· t~T 理。酼後可以將資科傳送到重建器期，用於獲得原始感測的生物醫學信號。爲了準確地進行重建，會f要用於產生取樣序列2632的隨機種子産生器263〇與感測器的隨機種子産生器在本案的一個方案中，可以藉由使用例如用於小範數的改進的Gabor稀疏基正則化向量（m〇difiedGab〇r 一 basis regularizing vect〇r f〇r 〇_n〇rm) 2638 來將基於梯度的稀疏重建2636應用於取樣的資料2634。隨後可以由單元 2642將估計的信號264〇用於特定任務的處理，以便獲得例如血壓估計值、血氧水平和心跳率。可以由單元2648將實際信號2644與目標信號2646進行比較，以便更新用於産生取樣實例的USR。在單元2650的輸出處的更新後的獄值 2652可以由隨機種子產生器263〇使用，並可以被反饋回感測器，用於修改感測器的USR 2616。除了 USR，還可以向感測器發送其他反饋資訊，以便修改一些其他參數，例如：在感測器處的多個測量值、測量值矩陣的係數、所發送的信號採樣的數量以及在每一個所發送的封包中的採樣數量。在（與紅色或紅外LED相關的）ppG波形中的變化 (modulation)可以與暫態的血流有關。可以將暫態心跳率 (HR )估計爲在波形峰值之間的距離的倒數。用於led的發光序列可以取決於ppG信號的預期取樣速率。其可以採用均勻的尼奎斯特取樣速率。此外，會注意到，LED的頻繁發光會造成脉搏氧飽和度儀感測器的相當大的功耗。 ] 23 201110569 本案的特定方案支援利用PPG信號的稀疏本質並進行較少的測量，以便節省感測器功率。可以將Gabor基（Gabor basis )用作變換空間，其包括具有由不同尺度的高斯窗函數限制的時間支援的各種余弦波。將原始取樣的PPG信號用N維向量X來表示，稀疏域變換基用NxN矩陣W來表示。可以將矩陣w的（i,y)項給出爲：

[WL cos 2π(/ - lX_7. -1)、 . 2N , y.exp wN~2

等式（1 )的項可以與Gabor基中的高斯核心的寬度相關聯。可以正規化矩陣W的每一行，以使得相應的/2範數等於1，並且可以將矩陣w稱爲稀疏基（sparse basis)。可以將PPG信號X投影到該稀疏基上，以產生在Gab〇r變換空間中的相應的N維表示，其可以給出爲： 2) y = W· 圖1〇示出了根據本案的特定方案的一小段ppG信號以及在Gabor變換空間中的相應的表示y的示例。圖示出了在125Ηζ處取樣的8秒的段（即，總共.刪個採樣）。可以觀察到，信號Χ在變換域中是稀疏的並是可壓縮的，並且在絕對量值方面大約有3G個大於U的係數表示大部分p p G:號？生可以位於與N相比維數低得多的空間中，因此PPG信號是可壓縮的。 [S] 24 201110569 因此’可以利用CS原理’其允許進行κ<<Ν次測量（即對原始資料進行嚴重低取樣）’並仍能夠以高保真度來估叶 X。如果信號X是明顯稀疏的且在變換空間中僅具有Μ個非零元素，那麼從X中隨機選擇個採樣就極有可能提供足夠的資訊來實現以零誤差進行信號重建。在實際情形下，該信號從不會是真正稀疏的，一些資訊内容會存在於整個變換空間中。然而，量值大於^的重要成分的數量會比Ν小得多，其中f <<wax(y)。在圖1〇中，£的值是0.2。這個方法可以擴展到χ不是明顯稀疏的情況，並且該CS範例仍保持有效。然而’重建誤差不會精確地等於零。窃可以以數學方式來表示對χ的感測程序。讓ρ表示κ維向量’該Κ維向量包含多個唯一性的項（{列如，隨機選擇的》且每一個元素都在1盘Ν之間。3含其士间&基本上可以提供Κ個隨機位置來從X中谐姐t 、擇兀素。可以在感測器本地處或接收機處産生用於構建向量P的窝|激产吐从絲7 的亂數産生的種子。該種子可以是基於在通訊鏈路安+ A i i 旦疋中所使用的密鑰。從X中獲得的K維測 1值向篁r可以記爲：

-中Η表示尺謂測量值矩陣。依據等式f 2、由P的第’矩陣H的第i行可以是全零向量，且在由P的第1個元素所給定的構中，可以收置處疋1。會注意到，在C S架 J 1^將測量信+ Μ 疋義爲包含多個隨機獨立且相同分 25 201110569 布（u_d)的元素的矩陣。在預先不知道輸入信號在時域中是稀疏的還是在變換域中是稀疏的情況下，這個測量值矩陣是必需的。可以將匹配追踪（MP )演算法用於丞於測量值向量r的信號重建。MP㈣表示-種貪婪演算法，其藉由做出局部最佳化決策來叠代地構造信號的近似值。可以藉由定義維的修改基V = H_W以使得V = [Vl.，.Vw]，來進行Mp演算法的初始化，其中'是V的第]列向量，，可以將殘差初始化爲r。…近似值卜績y(即Λ〇相同1可以將叠代計數器初始化爲i = i。 %與V的内乘積最大的列此後，可以在V中找到使殘差向量： arg 〈ΓΆ

>ι j V 丨丨厶2

隨後可以更新殘差，並可以按如 (rM,Vn) 下來估計係數向量y V. *·,· = ΓΜ —— =y„, + V. 6)

以定義4.=¾ ,IHL 定義的演算法步驟。到由專式（5 )和（6 ) 此後，可以遞增叠代計數值i，並可且△'〜，那麼就可以重複由等式（4) 否則，△ = 且？ ^·，並且演算法可以前進 3 26 201110569 定義的步驟。最後，獲得的原始估計值。項m表示允許用於重建的叠代次數的上限，項—義了收斂標準。在MP演算法背後的直覺是雙重的。在：：的步驟中，演算法都嘗試找到v 火、殘差r最强烈相關的列’隨後可以從r中減去這列的影燮這。曰 k彳固肩异法本質上是貪婪的，因爲在每-步驟中它都會在投影空間w中估計原始信號X的最主要成分。還會注意到，Mp演算法的主要複雜性在於等式（4)中，其對單次叠代耗費了〇(欠μ次數學運算。本案的特定方案使用了基於梯度投影的稀疏重建 (gradient-projecti〇n based sparse rec〇nstrucU〇n，…方法來從測量值向量r中獲得重建信號。這個方法可以藉由在不受任何約束的情況下使變換空間中的資料保真度項J即，誤差的G範數）和乙範數（稀疏性的測量值）共同最小來估计原始信號X。在本案中提出了藉由使用加權的。範數來改進這個最佳化問題。可以將重建演算法給出爲： 7 ^||ηχ-γ|2+γ|;|[4^·χ],.| 其中f是用於在變換空間中爲計算稀疏性測量值（即，Λ範數）而提供係數的相對重要性的Ν維向量。量ί是非負·參數，其表示在代價函數中的G範數和範數的相對權重。項⑺和 [w ·χ],·分別表示向量f和[W. X丨的第i個元素。向量f的第i個元素由以下給出：

27 201110569 [f 1 _ [w-x](. + 其中σ是一個較小的正則化參數。置Χ表不原始信號向量X的整體平均值，並可以藉由求訓練丨深不例向置的平均值來對其進行估計。MIMIC資料庫中的— 町個奴可U用於估計又，隨後可以從以下所述的實驗性確認中排除該段。圖25示出了根據本案的特定方案的示例性操作2谓，用於在感測器側的低取樣獲取和在接收機側的重建。圖Μ示出了用於在感測器處開啓和關閉光源的示例性操作2綱。在 2510處，可以根據隨機種子在感測器處産生非均勻的取樣實例。在252G處’可以在多個非均句的取樣實例期間感測信號的採樣。S 2810處，在感測器處可以例如藉由在多個所産生的非均勻的取樣實例期間開啓一或多個led來開啓所述光源，在2820處，可以在所述多個非均句的取樣實例之間關閉所述光源。隨後可以對信號的感測採樣進行封包，以獲得感測採樣的至少一個封包，並可以藉由無線通道發送所獲得的至少一個封包。在2530處，可以在重建器處從感測器接收信號的採樣。在2540處，可以在重建器處決定一組非均勻的取樣實例，其中在感測器處是在該組非均勻的取樣實例期間按照所述隨機種子而對信號進行取樣的。在一個方案中，可以基於在感測器與重建器之間的通訊鏈路的安全性協定中所使用的在、鑰’來在重建器處産生用於非均勻取樣序列的種子。 28 201110569 在另一個方案中’可以在感測器處決定用於非均勻取樣序列的種子，並將其傳送到重建器（即，傳送到接收機）。在再另一個方案中，可以在接收機處決定用於非均勻取樣序列的種子，並將其傳送到感測器。在2550處’可以例如根據由等式（7) — (8)定義的改進的GPSR演算法，使用所決定的非均勻取樣序列來從所接收的採樣中重建信號。非均勻的取樣實例可以與信號的接收採樣同步，以便實、現信號的準確重建。可以藉由將在重建期間所觀察到的資訊經由反饋機制傳送到感測器，來使用該觀察資訊（例如，以下至少一個：與重建的信號有關的係數、在傳輸期間遺失的封包數量、通道信噪比或變數2和7 )修改各種感測器參數 (例如，USR、測量值K的數量、信號N的所發送採樣的數量、在每一個所發送的封包P中的信號的採樣數量和測量值矩陣H)。隨後’在感測器處可以根據接收到的反饋資訊，來修改非均勻的取樣實例。在本案中提供了基於CS方法産生的一些重建示例。可以在以125HZ取樣的MIMIC資料庫中選擇8秒的段（即， N=1000個採樣）^可以想起，CS採樣數是κ，其將低取樣比值（USR)定義爲Ν/Κ。圖11示出了對於USR爲1〇、2〇和30的情況而獲得的CS_PPG信號重建的示例，並且Mp叠代次數m的上限等於500。曲線111〇表示均句取樣的原始信號，曲線Π20、1130和1140分別表示對於1〇、汕和川的職值的重建信號。目27示出了 *峨爲4〇的情況下在非均句的取樣實例感測的信號的示例。將取樣實例顯示爲竪 S 1 29 201110569 線0 可以從圖1 1觀察到，信號的完整性一直到USR爲20都可以报好地保持，並且隨後開始下降。然而，會注意到即使在高USR (即USR值爲30)的情況下，也可以报好地保持信號峰值位置。在此情況下，可以將LED功耗（作爲ppG 信號獲取的一部分）極大地減小了係數USR倍，因爲LED 可以在短得多的持續時間内點亮，具體地，僅在r</usr秒而不是在广人秒内點亮。心跳率和PPG重建可以從專式（1 )和（2 )想起，係數向量y的每一個元素都可以近似地表示取樣信號χ的余弦（具有特定頻率）的强度。還會注意到，PPG信號本質上是振盪的，其主要頻率與HR信號成正比。因此，可以根據cs重建*估計hr信號， CS重建f可以藉由Mp演算法來獲得，如：

HR 说·、ηηαχ - (9) 其中〜，[Η是向量s的第j個元素，表示每分鐘跳動的單位。可以主思到’由等式（9 )提供的HR估計值可以是在# J 秒的持續時間中獲得的j π α * 60 fs 的千均值。此外，該估計值的解析度可 1如給出，對於# =咖且Λ= 125Hz的情況，它等於 30 201110569 3.75吻《。可以觀察到，可以以更小的N來改進這個解析度，並且對於7V = 1000的選擇是任意的。用於HR估計的MP演算法的複雜性可以與PPG重建的複雜性進行比較。可以考慮圖1 〇中所示的示例性ppG信號段，對於該信號段，、„等於23，這意味著所估計的HR是 82.56/^。此外，可以想起，Mp演算法在本質上是貪婪的，這意味著可以在初次叠代中估計在投影空間w中的pPG信號的主要成分。在此情況下，兩個最主要的成分可以是DC 成分和具有對應於HR的頻率的余弦。因此，希望在Mp演算法的幾次叠代内獲得HR的可靠估計值’這也意味著不必産生對完整PPG信號的中間表示。另方面，會需要爲k戒重建任務而在投影空間w中重建更多的係數，這也導致基於MP的後端處理的叠代次數大量増加。可以注意到，MP演算法的m次叠代大約會耗費 0(心尺_A〇次數學運算。因此，在與ppG信號重建相比時，hr 估計（例如，依據CS測量值）在接收機處會需要較少的計算複雜性。此外，可以想起，與N維信號χ相對應的cs採樣數量可以是Κ，其將低取樣比值（USR)定義爲Ν/κ。在增大的USR的情況下，會預期到在接收機處的計算複雜性增以便獲得特疋的性能級別。這表示在感測器功率（在發射機處的較少的測量）與在聚集器功率（在接收機處的更多的叠代和計算）之間的折衷。可以引入對於HR估計和ppG信號重建的性能度量。對 31 201110569 於HR估計’該度量可以是被定義爲的均方根誤差（RMSE )。對於ppg重建的度量可以是被定義β Vi-fl 馬一二{|x|} 的正規化RMSE。項对.]表示針對ppG信號的各種實現X和不同測量值基數Η而求Monte-Carlo平均值的預期運算元。可以從MIMIC資料庫中取得PPG信號實現χ。可以如等式（” 提出的，從原始信號χ中提取真實的心跳率。可以將每一個信號段X取爲8秒長並以1 2 5 Hz取樣。圖12示出了相對於USR爲1〇和20時基於MP的後端處理叠代次數m而言的HR估計RMSE。可以觀察到，rmse 隨著m的增大而減小，因爲估計精度隨著叠代次數的增大而改善。此外，獲得特定RMSE所需的叠代次數會隨著usr的增大而增大。可以注意到，在m=5〇時，HR估計尺聰等於其小於分別針對咖爲1(Μσ 20的情況而考慮的解析度 3.75bmp 和 4bmp 〇因此’爲了在峨爲10時獲得！〜的Hp估計反職，需要約在每秒 6 2 5 0 0 f) 叙曰An 、/ 5000 -人數量級上的數學運算（即， Ν 125HZ)。類似的，對於在USR=l〇時以請把心重建信號，會需要約在每秒3875000 .欠數旦纽上的數學運算（即，‘…弘 :5:〇=里級 )N ) 知·思未者所述的估計方法能夠由當前智慧型電話或舰中的計算資源來處理。㈣示出了相料職爲1Q和2q時的演算法叠代次數 m而§的正規化重建 ΡΜςρ 建RMSE。可以觀察到，Rmse 的增大而減小。然而，會嘗道署m 霄，思到，與HR估計RMSE相反， 3 32 201110569 這個減小是隨著m而漸進的。這是因爲，與在hr估計情況下的單一主要成分相反，重建任務會需要對在稀疏空間w中的多個係數的估計。因此’接收機的複雜性會取決於USR值、感興趣的任務和預期的性能級別《對於諸如HR估計任務之類的特定任務 • 而言，可能無需PPG信號的中間表示（這會需要完整的重 * 建）。而且，人們在重建期間可以監控MP演算法中定義的變數s和：r的值。這個資訊可以用於修改在感測器側的USR 的值以適應於信號變化。無套囊式（CUFFLESS)血壓估計可以用脉搏達到時間（PAT )和心跳率（HR )來估計sbp 和DBP，其中可以將pAT定義爲在ECG波形中的准隨機信號峰值與PPG波形中相應峰值之間的延遲。圖14示出了根據一個不例性ECG與ppG波形的pat和hr的定義。在血壓（BP)估計演算法中包含的第一個步驟可以是分割ECG和PPG信號，以便可以信號中提取感興趣的峰值及其他點。第二個步驟可以是依據pAT和HR估計。 —可以藉由使用在8取與15Hz之間的低通濾波器，之後進灯平方，然後在具有可變持續時間的段中進行處理來完成 =CG分割。初始段的持續時間可以是2秒。對於每一個段，可以》十算閾值’並可以定位所有高於這個間值的峰值。隨 L β 、去除在0.17秒距離内的所有峰值，總是保留具有最而振幅的峰信β g Υ \ …了刀。丨J PPG信號，可以分析在兩個連續 33 201110569 ECG峰值之間的段。可以藉由檢視每一段内的最大值點和最小值點來檢測峰值和榖值。爲了在任意時刻提供可靠的PAT 和HR估計值，就需要在附近的信號峰值也是可靠的。可以如下表述BP估計模型： SBP = αχ · PAT + bx · HR + DBP^a^PAT + b^HR^c2 ( l〇) 其中可以在訓練程序期間估計校準參數6，和c,，/=1,2，並在每一個重新校準機會中使用遞迴最小二乘法（RLs)演算法對其進行修改。在本案的一個方案中，可以每—個小時執行一次重新校準。重新校準的持續時間實質上意味著會需要以頻繁程度來估計或修改模型參數。在實際應用十會需要該重新校準步驟，以便解決偏離和漂移。會希望重新校準的時間段較長，以便可以在較長的時間段中以無套囊的方式連續地且非侵入式地測量血壓。較爲頻繁的重新校準可以減小Bp估計誤差，而較爲不頻繁的重新校準會使得系統更經得起日常使用的檢驗。提供了使用CS-PPG的BP估計的結果，並將其與使用尼奎斯特-PPG的結果進行比較。例如，可以將來自mimic資料庫的對應於13個病人的記錄用於這個評價，其中該記錄的長度平均在38小時的數量級上。可以使用基於梯度投影的稀疏”（GPSR)方法來爲整個病人記錄産生cs_ppG。 34 201110569 圖15示出了基於對所拇山了所鈥出的方法的ECG和CS_PPg信號的使用的BP估計結果。對於ppG信號的基於a架構的測罝，可以將USR的值取爲4()。從Βρ0^ μ 的是計算報告/產生ΒΡ估計值的頻率。可以引人項〜作爲使用CS.PPG和尼奎斯特侧基線演算法在每分鐘産生的 BP估計值的平均數。圖1 5還示出了以及 SBP和DBP估計誤差的標準偏差在腹爲40的情況下尼奎斯特-PPG和CS_PPG的〜。用於 BP估計的醫療器械發展協f ( AAMI)要求指出，誤差的標準偏差對於SBP和DBP兩者而言都必須低於8mmHg。可以從圖15觀察到料SBP和贿估彳誤差的平均標準偏差可、·！於8mmHg。而且，在與尼奎斯特_ppG相比時，藉由使用CS PPG不會降低精度。在這個示例性模擬中，相比於使用尼奎斯特-PPG的每分鐘平均51次Bp估計纟職爲4〇時可以每分鐘估計平均8 85次BP測量值。

在本案中$^出了基於CS的低功率解決方案，用於獲得 G仡號，而使用提出的CSppG方法又不會使hR和Bp估十精度支損。還表明了可以以任意高解析度來重建整個ppG 乜號”要獲得了至少尺2A/l〇gA7A/個採樣並且在接收機側有足夠可用的計算資源。基於壓縮感測的封包遺失隱藏在本案中處理了由於在發送機與接收機之間的較差通道狀况、擁塞和行動性所造成的封包遺失問題。尤其感興趣的 [S) 35 201110569 是利用生物醫學信號（即，PPG信號' eCG信號等）的稀疏本質’以便提高在通訊鏈路中相對於封包遺失的健全性。當藉由空中發送的信號在本質上是稀疏的（即，它具有冗余度）時’可以將封包遺失不嚴格地視爲由通道執行的壓縮。本案的特定方案支援基於CS的方法，以便在遠距離醫療中降低功耗並獲得ECG信號的健全通訊。相比於PPG信號， ECG信號在傅立葉/Gabor空間中是不太豨疏的。如圖1 7所示，在0·05Ηζ到40Hz頻帶記憶體在許多成分，這些成分可以被認爲是對於ECG信號而言在臨床上相關的。在本案中提出的基於CS的PLC方法也完全可以應用於ppg及其他信號’只要在接收機側有至少尤之個測量值可用於重建。可以假定可以從發送機（即’感測器）向接收機（即，聚集器）以封包方式無線發送資料。依據傳統術語，每一個封包都包含服務資料單元（SDU )和應用資料單元（ADU )。 ADU可以包含應用層的ecg有效負荷，可以將有效負荷定義爲包含通常具有8到12位的位解析度的ρ個ECG採樣。可乂假疋’在較低層中會遺漏具有通道誤差的SDU，在應用層中可以仏助於在正確接收到的封包的標頭中的序列編號攔位來決定遺失封包的位置。 ΊΓ以不以原始E C G採樣的形式來發送資料。作爲替代，可以對該資料執行應用層預編碼。這個想法是在發送之前藉由使用在等式（3 )中定義的隨機測量值矩陣H來對原始ECG L號進行預編碼。結果産生的預編碼資料可以用於構成個（即，多個）封包，隨後可以順序地將這些封包發送到接 36 201110569 收機^個操作可以確保在封包遺失的情況下，可以推導出與原始毡號有關的一些資訊。可以將基於cs的重建原理應用於接收到的資料，以便獲得ecg信號估計、hr估計等。這個程序類似於迴旋編碼，其中在被定義爲約束長度的—個較長時間期間上散布要發送的每—個資訊位元。以p表示在每個ADU中的採樣數量。可以從MIMIC資料庫中取得 ECG信號，並且取樣速率可以是乂= ι25Ηζ。圖16不出了根據本案的特定方案的用於基於cs的封包遺失隱藏（PLC)的示例性操作16〇〇。操作161〇 — 〖“ο可以在發送機（例如，諸如ppG感測器和ECG感測器的生物醫學感測器）處執行，而操作165〇_ 167〇可以在接收機（例如’行動手機或PDA)處執行。在1610處，獲得監控的生物醫學信號的採樣。例如，可以產生包括N個連續ECG採樣的向量x，其中# = 。此後，可以建立ΚχΝ維的測量值矩陣Η。在一個方案中’該矩陣Η 的元素可以從對稱Bernoulli分布朽卜尸—丨或^丨/2十獨立地選出。在另一個方案中，該測量值矩陣的行可以從2κ個沃爾什序列中隨機地選出。在再另一個方案中，該測量值矩陣的行可以從大小爲ΝχΝ的Haar矩陣中隨機地選出。在1620處，可選地，處理監控的生物醫學信號的獲得採樣’以獲得感興趣的經處理的信號。例如，如圖14所示， ECG和PPG k號可以用於獲得脈衝到達時間（pAT)和心跳率（HR)可變性，以及獲彳于血液中的氧含量。還可以將hr 可變性和PAT用於計算血壓，如等式（1〇)所定義的。在 ί S 1. 37 201110569 1 630處，可以使用該測量值矩陣對原始作妹

現X (例如，ECG 信號和PPG信號）或者經處理的信號（例如，ρΑτ、可變性、氧含量等）進行預編碼’以獲得預編媽信號。在1640處’可以對預編碼信號進行封包，以獲得預編碼信號的至少-個封包。例如，在發送前，可以將“固預編碼採樣封包到《 =尺//M固封包中。如果通道會遺失—些封包，那麼可以使用該監控的生物醫學作妹沾a & ^ 请子彳。就的基礎變換域稀疏性來從正確接收到的預編碼資料封包中重建下里逆原始k號。可以注意到’該重建的保真度會取決於封包遺失率和信號稀疏性結構。在M50處’可以藉由無線通道發送預編碼信號的所述，少-個封包。因爲可以預編碼並發送_ 在該系統甲引入W (或秒的恒定端對端等待時間1 以將參數K設定爲N (即，爲以）。可以想I對於ppG 獲取’可以將參數K叹定爲比N和杠桿作用稀疏性（^erage sparsity )小得多，以便節省獲取功率。在1660處’可以在聚隹哭老"— 莱盗處接收藉由無線通道發送的所述至少一個封包。在1670步处，可以決定在傳輸程序中受損或遺失的封包的索引。在】^ ^ 、 80處，這些索引隨後可以用於重建所發送的信號的原始採樣。感測器可以利用隨機種早沐立飛檀子來產生非均勻的取樣實例的序列。可以將這個隨機種子值專送到接收機，以便可以在重建程序中重新產生並使用該取樣膏、俅貫例序列。另一方面，接收機可以基於安全通訊中所使用的达、鑰來選擇隨機種子在此情況 S3 38 201110569 下，接收機可以通知感測器使用哪一個隨機種測器與接收機兩者處便在感馬'了以使用相同的取樣實例序列。以ΚχΚ維對角45 ττ + 士 ° 矩陣札來表示無線通道。s是包含被遺失且在應用層無法用於重建的封包的索引的集數可以表示遺失的封包的激旦^ v^ ^^ ^ ”口5的基匕的數里。可以如下疋義在對角矩 Η 中的元素： e

NcL 〇如果 p -1其他情况

S 11 1與r的預乘（pre_muitipiicati〇n)基本上可以提供成功接收到的預編碼資料採樣。可以將結果産生的向量表示爲其由He.H.x給出。如果集合s的基數，那麼這意味著在傳輸期間遺失了全部封包，在此情況下’可以將在接收機處的所估計信號設定爲θ β如果集合S的基數是〇 (即，札是單位矩陣），那麼這可以意味著沒有遺失封包。在此情況下，可以簡單地將ECG信號*估計爲H#.f，其中11#是11的僞逆矩陣。如果S的基數大於〇且小於n，那麼就可以使用前述的 MP演算法來根據接收到的向量f獲得信號估計值*。可以注思到，在這個具體情況下，需要用·Η來代替在Mp演算法中的項Η。在等式（1)中定義的Gabor基W可以用於在CS重建期間加强稀疏性。可以將這個特定的基於Cs的plC方案稱爲 LC圖1 5示出了一小段ECG信號X的示例及其在Gabor [S] 39 201110569 在圖17中還示出了變換空間中相應的表示y (即，W 由r = H.x提供的X的預編碼形式。可以注意到，在CS-PLr t， L方法内的預編碼可以包括„.户内乘積，並且每一個内乘積都需要在以數量級上的數學運算。因此，該預、編碼的複雜性在外2•叫數量級上。爲了減小:預編碼的複雜性，在本幸φ邊接+ 你个系甲退杈出了基於交錯的另一種基於cs 的PLC方法。圖18示出了根據本案的特定方案的用於基於交錯的 CS-PLC的示例性操作18〇〇。操作i8i〇— 185〇可以在發送機 (例如，諸如PPG感測器和ECG感測器的生物醫學信號感測益）處執行。操作1 860 — 1 890可以在接收機（例如行動手機或PDA)處執行。在1 8 1 〇處，可以獲得監控的生物醫學信號的採樣。在丨處，可以對規定數量的所獲得的採樣進行預編碼，以獲得一組預編碼採樣。在1830處，可以對該組預編碼採樣執行採樣級的父錯，以獲得交錯信號。在1處可以對交錯的信號進行封包以獲得交錯信號的至少—個封包。在1 85〇處，可以藉由無線通道發送交錯信號的所述至少一個封包。在i860處，可以接收藉由無線通道發送的所述至少一個封包51在1 870處，可以決定在傳輸期間受損或遺失的封包的索引。這些索引隨後可以用於重建所發送的信號的原始採樣。在1 8 8 0處’可以對所接收的信號進行解交錯，以獲得解父錯彳§號。最後，在1 890處’可以例如藉由使用MP演算法來處理解交錯信號，以便估計所發送的信號的原始採樣。 40 201110569 與圖Μ中所示的CS_PLC方案16〇〇相比的主要差別在於，現在可以對P個ECG採樣而不是個採樣執行預編碼，這將預編碼的複雜性減小了係數倍。這之後可以是對預編碼資料進行橫跨《·/>個採樣長度的採樣級交錯。儘管與圖Μ 的CS-PLC方案1600相比，可以在較短的持續時間内對原始 ECG資料進行預編碼，但交錯步驟183〇可以允許在較長的持續時間上散布信號資訊。交錯程序可以用於突發通道誤差的處理（即，連續地遺失多個封包）。還可以注意到，可以基於在接收機處的&、2和？的觀測值來修改參數usr、η、 Κ和Η以便獲仔在感測器壽命與重建保真度之間的最佳折衷。可以將所提出的CS-PLC方案與基於重傳的方法進行比較’其中可以對在接收機處沒有成功接收到的封包進行高達 k-Ι -人重傳嘗试。因此，k=1表示僅能夠從發送機發送一次資料’並且如果遺失了封包，那麼就可以由接收機將相應的芦號位置設定爲零。與前向糾錯（FEC)相比，重傳可以具^ 代俨的t ί但却疋以在感測器處的相當大的複雜性爲代^的’因爲會需要在料機處對封包進行緩衝。 ::待：間會較大，其正比於往返時W出於這: F、Α於較低功率的感測器而言，cs_pLc方法 FEC和基於重傳的方法的。、封二對包遺失率提供了上述各種plc方案的定量比較。封匕遺失率可以是通道妝示在傳輪勘… 4的一個指標，它可以表間遺失封包的比率。封包遺失率可以在…之 41 201110569 間，其中〇可以表示通道是乾# 疋乾孕的，而1可以表示通道是完全不可靠的。將在本素中趄也认本案中獒供的所有比較都在20,000個 Monte-Carlo通道實現上求平均值，、〜一 | •^值〇首先根據被疋義爲的正規化RMSE來評價pL( 方案的性能:項碎]表示在ECG信號的各種實現X和不同適 C實見Hc上求Monte-Carlo平均值的預期運算元。可以從以 i25Hz取㈣MIMIC資料庫中取得ecg信號實現X。圖19比較了對於不同參數值㈣cs pLc方案的正規化 R應性能。對於每—個所提出較量分析將〖的值設定爲每個封包2〇個採樣。所考慮的η的示例性值是5、1〇和 2〇’分別對應於0.8、1>6和2.4的等待時間。可以從圖Η 觀察到’正規化！1聰會隨著封包遺失率的增大而降級。這是可以預期的’因爲較高的封包遺失率意味著可在接收機處用於估計夭的可靠資料的數量減少了。此外，可以注意到，正規化的11職性能可以隨著封包數量n的增大而提高。使用較高的η’可以在較長的ECG信號持續時間上加强稀疏性’從而提高了重建保真度。圖20示出了在無線通道遺失了 4個封包的情況下在接收機處的示例性信號重建。在這個具體示例中，將η設定爲 15個封匕曲線2〇1〇表示原始信號。曲線2咖表示^傳輸方^其巾k=U即’單次傳輸），曲線2030表示基於CS_PLC 的仏號估計。在對應於曲線搬〇的1-傳輸方案中沒有包括 ί遺失隱g gp，如果遺失了封包，那麼就可以在接收機 42 201110569 處將零代入到適當的信號位置處。可以注意到，使用卜傳輸方案’在這個具體示例中會遺失兩個咖峰值而使用 CS-PLC則可以以高保真度估計完整的ECG信號。還可以注意到’在關鍵位置處遺失的信號内容對於像連續的取監控的醫學應用會具有嚴重的影響。 """二圖21不出了 CS-PLC方案、具有交錯的cs和重傳方案的對比。曲線2110和2120分別表示CS-PLC方案和「cs與交錯」方案。將η的值設定& t 扪值。又疋爲15個封包。可以注意到使用「CS與交錯」技術獲得的重建保真度完全可以盘以μ 方法相比。儘管在「CS與交錯」方案中可以在較小的信號支援上（即’在每—個封包内）執行預編碼，但交錯程序可以允許將資訊散布在則固採樣的長度上。使用「CS與交錯」技術的主要益處是減小了在感測器側的預編碼複雜性，感測側通常是功率更爲夸pg沾 # . 午更舄又限的一側。圖21中的曲線2130表示乂左思到，在10的中等封包遺失率的下，在RMSE性能方面，與CS PLC方案相比，！傳輸方法的性能會大約差5倍。别/ 在卜傳輸方案中可以使用先前提出的採樣級交錯。可以觀察到，使用交錯，對於1〇-2的封包遺失率，！傳輸方法的性能與CS-PLC相比會僅差3倍（曲線2M〇相對於曲線以10卜提供了對於不使用交錯的k傳輸方法中的RMSE性能。曲砼，,J ^ 曲線2250^60和217〇分別表示k=2 3 和4的情況。可以邀安觀察到，使用兩次或三次重傳，建RMSE t實規a丄< & J 乂杜里备大改進。然而，這會以增大的傳輪頻寬、 43 201110569 端對端系統等待時間和在感測器處的較高的協定複雜性爲代價。可以針對心跳檢測精度來比較以上提出的不同PLc方案。可以將這個量定義爲在ECG信號中正確識別的峰值的比率。忒值爲1 〇〇%可以表示理想的心跳檢測，而該值爲〇% 可以表示沒有心跳檢測。根據AAM1標準，如果心跳在可以預先從資料庫獲得的注釋心跳索引的i 5〇ms内，就可以認爲正確地檢測到心跳。圖22不出了對於根據本案的特定方案的各種pLc方案的心跳檢測性能對比。圖22令所示的用於M〇nte_Cad〇類比的假設參數與用於圖21中所示的模擬的參數相同。依據圖22 中所示的模擬結果存在幾個觀察結果。首先，心跳檢測率會如預期的隨著封包遺失率的增大而降低。其次，隨著重傳次數k的增加，k-傳輸方案的性能會提高。這再一次是以增大的傳輸頻寬和端對端系統等待時間爲代價而獲得的。第三，即使在非常高的封包遺失率的情況下，所提出的基於cs的 PLC方案（即，曲線2210和2220)的性能也會比3-傳輸方法表現更好。可以注意到，在〇 5的封包遺失率的情況下，與可以獲得87%的檢測精度的3_傳輸方法（即，曲線226〇) 相比’基於CS與交錯的PLC方法（即，曲線2220)可以獲得96%的檢測精度。使用單次傳輸和無交錯（即，曲線 2230)，在0.5的封包遺失率的情況下獲得的檢測精度可以等於55%。圖23 — 24不出了使用所提出的CS_PLC方案恢復的音頻 201110569 信號的示例。可以觀察到，對於非生物醫學信號，cs_pix 方案也可以提供足夠準確的估計結果。總之，在本案中提出了壓縮感測（cS)的不同應用，其與用於護理和健康應用的人體域網中的低功率且健全的感測器有關。證明了可以顯著地減小脉搏氧飽和度儀感測器的獲取功率，同時又不使其在臨床應用中的效用受損。具體而 έ，使用來自MIMIC資料庫中許多物件的長期資料，將基於 CS的獲取方法與尼奎斯特取樣進行比較，其表明hr和b P 估計可以滿足可接受的精度標準。基於CS的方法可以用於以在接收機處的額外複雜性爲代價’增加感測器的壽命。對於一個給定任務而言，在感測器側的低取樣與接收機的複雜性之間存在折衷。對於在ban 中的許多護理和健康應用，接收機的複雜性完全在當前行動手機和PDA平臺的能力内。諸如心跳率估計之類的應用無需完全重建，並且可以進一步減小接收機的複雜性。最後，對於存在封包遺失情況下進行健全的通訊，基於CS的信號處理具有益處。示出了重建精度隨著封包遺失率的增大而適度地減小。可以證明’即使在存在高封包遺失率狀況的情況下，也可以以高保真度恢復ECG信號。基於來自]viIMIC資料庫的ECG資料所提供的模擬可以證明即使在封包遺失率高達0.5的情況下，也可以保持高達96%的心跳檢測精度。可以由能夠執行相應功能的任何適合的模組來執行上述方法的各種操作。所述模組可以包括各種硬體及/或軟體元件及/或模組，包括但不限於：電路、專用積體電路（ASIC ) 45 201110569 或處理器。通常，在圖中示出了操作的情況下，這些操作會具有以相似編號標記的相應的配對手段功能元件。例如，在圖 16、18、25 和 28 中示出的方塊 i610_168〇、i81〇189〇、

2510-2550 和 2810-2820 對應於在圖 16A、18A、25A 和 28A 中不出的電路方塊1610A-1680A 、 1810A_1890A 、 2510A-2550A 和 2810A-2820A。如本文所用的，術語「決定」包含各種操作。例如，「決定」可以包括計算、運算、處理、推導、調查、檢視（例如，在表、資料庫或其他資料結構中檢視）、查明等等。此外，「決定」可以包括接收（例如，接收資訊）、存取（例如，存取記憶體中的資料）等等。此外，「決定」可以包括求解、選擇、選定、建立等等。 1至少— 。作爲示 c 、 a-b 、如本文所用的，指代由多個項構成的列表中的個」的短語是指這些項的任何組合例，「”…中的至少-個」旨在包括二員 a-c、b-c 和 a-b-c 〇上述方法的各種操作可以由糾以由此夠執行這些操作的任付 S的模組，例如各種硬體及來勃> 以ο 久4軟體兀件、電路及/或模組，執订H圖中所示的任何操作都可以由能夠執行士才呆作的相應的功能模組來執行。吳可以用通用處理器、數仿 4唬處理器（DSP)、專用電路C ASIC)、現場可裎彳寻用積程式閉陣列（FPGa )嗖去1 式邏輯裝置（PLD)、個）4者其他可 ⑺閘門或電晶體邏輯電路、彻體凡件，或者被設計爲執行個文所4功能的它們的任何 46 201110569 來實現或執行結合本案所述的各種示例電路。ϋ ® + 邏輯區塊、模組和 =何以是微處理器’但或者，該處理器可以機。處理:乂可獲付的處理益、控制器、微控制器或者狀態 =處理㈣可以實現爲計算裝置的組合，例如，和微處理态的組合、多個微處理器、處理w ^ 夕1u usp核心、—或多個微處理^合DSP核心’或者任何其他這種結構。體，合本案所述的方法或演算法的步驟可以直接包含在硬 “執行的軟體模組中，或者二者體模組可以位於本領域中巳知的任何軟以使用的儲存媒體的一…，儲存媒體中。可 (RAM)、唯讀記憶體（R〇。己隐體；昧閃圮憶體、EPROM印憶體、EEPR〇M記憶體、暫存器、硬碟 '可。己

H m ^ 杪除磁碟、CD-ROM *人可以包括單一指令，或者許多數指令，並可以分布在幾個不同代碼區段 ^ μ 一&於一不〖]程式之間和多個儲存媒體上種儲存媒體可以輕合到處理器 ^ -Η 3Α ^ 1之仔處理态可以從儲存媒體§貝取貝訊，並向該儲存媒體寫入資$ 媒體可以整合到處理器中。或者，儲存本文所公開的方法包括一或多個步驟或操作，用於實現所述的方法。在不背離請求〜丨月况下，方法的步及/或操作可以彼此互換。換句㈣，除非^ = 的特錢序，否則在不背離請求項的範圍的情況下，可2 改特定步驟及/或操作的順序及/或使用。々所述的功此可以在硬體、軟體、勤體或其任意現。如果在軟财實現，則所述功能μ作爲-條或多數Γ [S] 47 201110569 令儲存在電腦可讀& 的任何可用的媒健存媒體可以是可由電腦存取取媒體可以包括1:地而非限制性地’這種電腦可讀碟記㈣、磁八斗一、器或八他磁性儲存設備或者可用於以指々或貧料結構的形式承載 a戰及储存預期程式碼並且可由電腦子取的任意其他媒體。本文使用的磁片㈠⑷和光碟（心）包括緊致光碟（CD )、奸A+止r* )釦射先碟、光碟、數位多功能光碟 DVD )軟碟和藍光®光碟其中磁片常常以磁性方式複製資料’而光碟藉由鐳射以光學方式來複製資料。因此’特定的方案可以包括用於執行本文提出的操作的電腦程式產品。例如，這種電腦程式產品可以包括電腦可讀取媒體’該電腦可讀取媒體包括儲存（及/或編碼）在立上的指令’所述指令可由—或多個處判執行以便執行本文所述的操作。對於特定的方案，電腦程式產品可以包括封裝材料。還可以藉由傳輸媒體來發送軟體或指令。例如，如果使用同軸電镜、纖維光纜、雙絞線、數位用戶線路（dsl)或例如紅外、無線電和微波的無線技術將軟體從網站、词服器或其他遠端來源進行發送，則同軸電纜、纖維光纜、雙絞線°、 DSL或例如紅外、無線電和微波的無線技術包括在傳輸媒體的定義中。此外，應當理解，按照應用情況，可以由存取終端及/或存取點來下載及/或獲取用於執行本文所述的方法和技術的模組及/或其他適當的模組。例如，可以將這種設備耦合到伺服器以便於對用於執行本文所述方法的模組的傳送。或者， 48 201110569

可以獲取所述的各種方法。本文所^的方法和技術提供給設備的任何其他合適的技術。應當理解，請求項並不受限於上述的精確的結構和元 .RAM、ROM、諸如緊致光碟（cd ) )來提供本文所述的各種方法，以或k供到遠設備之後’存取終端及各種方法。此外，可以利用用於將。在不背離請求項的範圍的情況下 " π叼靶圍的情況下，可以在上述方法和裝操作和細節中進行各種更改、變化和改變。本案中的無線設備可卩包括各種元件，其根據由無線設

戴的無線設備可以包括無線耳機或無線手錶。例如，無線耳機可以包括換能器，其適於根據藉由接收機接收到的資料來提供《頻輸出。無線手錶可以包括用戶介面，其適於根據藉由接收機接收到的資料來提供指示。無線感測設備可以包括感測器’其適於提供要藉由發射機發送的資料。 <’、、線α備可以藉由根據或支援任何適合的無線通訊技術的一條或多條無線通訊鏈路進行通訊。例如，在一些方案中，無線設備可以與網路相連。在一些方案中，所述網路可以包括用超寬頻技術或一些其他適合的技術實現的個域網 (例如，支援在30米數量級上的無線覆蓋區域）或者人體域網（例如，支援在10米數量級上的無線覆蓋區域）。在

一些方案中’所述網路可以包括區域網路路或廣域網路。I *\\\ 線°又備可以支援或使用各種無線通訊技術、協定或標準中的 49 201110569 —或多個，例如，r

TDMA、〇FDM、OFDMA、WiMAX 和Wi-Fi。類也从 ^ 剌或多工方案中沾— 或多個。無線設備因此可以包括適當的疋件（例如，空由人 "面），以便使用上述或其他無線通訊技術建立一條或多條叙条…、線通讯鏈路並藉由這些無線通訊鏈路進行通訊。例如，执

°又備可以包括無線收發機，具有相關聯的發射機和接收機开K 。疋件（例如，發射機210或302和接收機212 或3〇4 L :所述發射機和接收機元件可以包括用於藉由無線、體進仃、訊的各種元4牛（例如’信號産生器和信號處理器）。本文的教導可以社人, 乂、、、。5 (例如，在其中實現或由其執行）在各種裝置（例如机供、 "又備）中。例如，本文教導的一或多個方案可以結合在_雷知^ , 「電話（例如，蜂巢式電話）'個人數位助理上「PDA」）或所謂的智慧型電話、娱樂設備（例如，包括曰樂播放器和視頻播放器在内的攜帶型媒體設備）、耳機（例如頭戴式耳機、耳塞式耳機等）、麥克風、醫學感測設備 (例如纟物測定感測器、心跳率監視器、計步器、EKG設備、智慧綳帶等）、用戶1/〇設備（例如，手錶、遙控器、電燈開關㉟盤、滑鼠等）、環境感測設備（例如，胎壓監 .器）可以從醫學或環境感測設備接收資料的監控設備（例如二桌上型電腦、行動電腦等）、護理點設備、助聽器、機 "或者任何其他適合的設備。監控設備還可以藉由與網路的連接來存取來自不同感測設備的資料。這些6又備可以具有不同的功率和資料要求。在一些方案 201110569 t本文的教導適於在低功率應衝的信號傳4 ,(仞如，藉由使用基於脈包括相對低工作週期模式…用，並可《支援高頻寬二料速率的各種資料速率(例如，藉⑽ 在一此方安 Ο, 設備(例如，存取二線sl::以包括用於通訊系統的存取無線通訊鏈路提供與另―:網:=例=以經由有線或巢網路之類的廣域網路）的連際網路或蜂另-個設備（例如，無線站）能夠 …備可以使他功能。另外，應理解，這兩個設備-些其攜帶型的，或者在一些情況下是相= ; = —是理解，I後讯错、萝At & f攜帶义的。此外，應 :線:備蝴藉由適當的通訊介面以 (例如，藉由有線連接）發送及/或接收資訊。【圖式簡單說明】特參考多個方案可以獲得詳細地理解本案的上述二=、以上概述的更具體的描述，在附圖中示出了 ΐ —案然而應當注意，附圖僅示$ 了 t " 方娈m 丨垔不出了本案的特定典型 /、，因此不應認爲是其範圍的限等效的方案。因爲本描述承認其他圖1示出了根據本案的料定古安系的特疋方案的示例性無線通訊系絲。圖2示出了根據本宰的特定 “·、的各種元件。案的特疋方案的可以用於無線設備令 51 201110569 圖3示出了根據本幸的特疋方案的可以用於無線通訊系統中.的示例性發射機和示例性接收機。圖出了根據本案的特定方案的示例性人體域網 (BAN)。圖5不出了根據本案的特定陣列的示例性方塊圖。方案的用於BAN内的感測器圖6示出了根據本荦的牯系的特疋方案的用於BAN内的聚集器的示例性方塊圖。圖7示出了根據本幸的胜〜 +茶的特疋方案的時域光脈波計（PPG ) 信號及其頻譜的示例。圖8示出了根據本案的特定方案的時域心電圖（)信號及其頻譜的示例。圖9不出了根據本案的特定方案的ppG信號的頻譜的另一個示例。圖10不出了根據本案的特定方案的ppG信號的示例及其在Gabor空間中的變換。圖11示出了根據本案的特定方案，對於使用不同低取樣比值（under-sampling ratio，USR )獲得的重建信號的比較。圖12示出了根據本案的特定方案，對於基於用於不同 USR的壓縮感測（compressed sensing，CS)架構的心跳率 (HR )估計的比較。圖13示出了根據本案的特定方案，對於基於用於不同 USR的CS架構的PPG信號重建的比較。圖14示出了根據本案的特定方案的基於ECG和PPG信 52 201110569 號峰值的脈衝到達時間（pAT)和hr的示例性測量值。圖1 5示出了根據本案的特定方案的用於收縮壓（sBp ) 估計誤差和舒張壓（DBP )估計誤差的標準偏差。圖16示出了根據本案的特定方案的基於cs的封包遺失隱藏（PLC )方法的示例性操作。圖16A示出了能夠執行圖16中所示操作的示例性元件。圖17示出了根據本案的特定方案的示例性ECG信號，其在Gabor空間中的變換及該ECG信號的預編碼形式。圖18示出了根據本案的特定方案的基於交錯的cspLc 方法的示例性操作。圖18A $出了能夠執行目18巾所示的操作的示例性元件。圖19示出了根據本案的特定方案，對於不同數量的傳輸封包，CS-PLC的示例性均方根誤差（賭如性能的曲線圖。圖20示出了根據本案的特定方案的使用cs_pLc方法和沒有PLC的方案的信號重建的示例。圖21示出了根據本案的特定方案的用於各種pLc方案的示例性正規化RMSE性能的曲線圖。圖22示出了根據太儺尽莱的特定方案的用於各種PLC方案的心跳檢測性能比較。圖23不出了根據本案的特定方案的使用cmc方案的恢復的音頻信號的示彳列。圖24不出了根據本案的特定方案的使用cm。方案的恢復的音頻信號的另一個示例。 [S] 53 201110569 圖25示出了根據本案的特定方案建的示例性操作。圖25A示出了能夠執行圖25中件。圖26不出了根據本案的特定方案 '例性方塊圖。 •圖27示出了根據本案的特定方案感测的彳§就的示例。圖28示出了根據本案的特定方案光源進行開啓和關閉的示例性操作。圖MA示出了能夠執行圖28中件。【主要元件符號說明】的用於低取樣獲取和重所示的操作的示例性元的感測器和重建器的示的在非均勻的取樣實例的用於對在感測器處的所示的操作的示例性 100 無線通訊系統 102 細胞服務區 104 基地台 106 用戶終端 202 無線設備 204 處理器 206 記憶體 208 外殼 210 發射機 54 201110569 212 接收機 214 收發機 216 天線 218 信號檢測器 222 匯流排系統 302 發射機 304 接收機 306 資料 3065 資料串流 3 10 資料串流 3 1(T 資料_流 3 12 映射器 3 12’ 去映射器 316 符號串流 316’ 符號串流 3 18 採樣串流 318? 符號串流 320 IFFT 320, FFT 322 符號串流 322J 符號串流 324 P/S 3245 S/P 326 循環字首插入 55 201110569 326, 循環字首去除 328, 3285 RF 330, 3305 天線 332 信號 332, 符號串流 334 無線通道 400 人體域網 402〜408 感測器 410 蜂巢式電話/PDA 510a 〜510k 感測器 610 聚集器 1600〜1680 操作 1600A〜1680A 電路 1800〜1890 操作 1810A-1890A 電路 2510〜2550 操作 2510A〜2550A 電路 2602 感測器 2604 發光序列 2606 紅色LED/紅外 2608 人手指/耳朵 2610 光電檢測器 2612 取樣序列 2614 隨機種子産生器 56 201110569

2616 USR 2618 取樣的資料 2620 控制/實體層（MAC/PHY)處理 2622 空中 2624 空中 2626 MAC/PHY 方塊 2628 重建器

2630 隨機種子産生器/USR 2632 取樣序列 2634 取樣的資料 2636 基於梯度投影的稀疏重建 263 8 用於1^-範數的改進的Gabor稀疏基/正則化向量 2640 信號估計 2642 特定任務的處理（例如，BP估計） 2644 實際的 2646 目標 2648 計算誤差

2650 更新 USR 2652 更新後的USR值 28 10-2820 操作 2810A-2820A 電路 57

Claims

201110569 七、申請專利範圍： 1、-種用於信號處理的方法，包括以下步驟：在一裝置處産生非均勻的取樣實例；並且在多個該非均勻的取樣實例期間感測一信號的採樣。 • 2、如請求項1之方法，還包括以下步驟： • 在該裝置處在該多個非均勻的取樣實例期間開啓一光源；益且在該多個非均勻的取樣實例之間關閉該光源。 3、如凊求項2之方法，其中開啓該光源的該步驟包括以下步驟·在該多個非均勻的取樣實例期間開啓一或多個發光二極體（LED)。 4如叫求項3之方法，其中每一個都發出具有在 600nm到1000nm之間的—波長的光。 • 5、如請求項1之方法’其中産生非均勻的取樣實例的該 •步驟包括以下步驟：根據一種子來産生該非均勻的取樣實例。求項5之方法，其中將相同的非均勻的取樣實例用於感測該信說的採樣以及用於由另一裝置重建該信號。 58 201110569 7、如請求項ό之方法之間的-通訊鏈路的’其中基於在該裝置與該另-裝置種子。 .王性協定中所使用的密鑰來産生該 8、如請求項丨之去’還包括以下步驟：對該彳§號的感測採梅少一個封包；並且 ^進仃封包，以獲得該感測採樣的至藉由-無線通道發送該至少一個封包。 9、如請求項1之士、+ 之方法，還包括以下步驟：接收與忒非均勻的取樣實例有關的反饋資訊；並且根據該接收的反饋資訊來修改該非均勻的取樣實例。 10、如請求項9之方法，其中該接收的反饋資訊包括：與該彳s號的重建有關的係數和至少一個參數，並且其中修改忒非均勻的取樣實例的該步驟包括以下步驟：修改一低取樣比值或數個該取樣實例中的至少一個。、如請求項1之方法，其中該信號包括··一光脈波計 (PPG )信號或一心電圖（ECG )信號。 U、一種用於信號處理的裝置，包括：一産生器，被配置爲產生非均勻的取樣實例；以及 59 201110569 一感測器，被配置爲在多個該非測一信號的採樣。均勻的取樣實例期間感 13、如請求項12之裝置，還包括：一光源，開啓一電路，被配置爲在該多間開啓該光源；以及一關閉電路’被配置爲在該多個非均句個非均勻的取樣實例期關閉該光源的取樣實例之間 :一或多個發置爲在該多個 14、如請求項13之裝置，其中該光源包括光二極體（led )，並且其中該開啓電路被配非均勻的取樣實例期間開啓該一或多個LED ^ LED都發出具有在 15、如請求項14之裝置，其中每一個 600nm到l〇〇〇nm之間的一波長的光。 16、如請求項12之裝置，其中被配置爲産生非均勻的取樣實例的該產生器包括：被配置爲根據一種子來産生該非均勻的取樣實例的—電路。 17、如請求項16之裝置，其中將相同的非均勻的取樣實例用於感測該信號的採樣以及用於由另一裝置重建該信號。

60 201110569 18、如請求 , 、17之裝置，其中基於在該骏置與該另一裝置之間的-通訊鏈路的安全性協定中所使用的密鑰來産生該種子。 19、如請求項12之裝置，還包括：被配置爲對5亥仏號的感測採樣進行封包，以獲得該感測採樣的至少一個封包的一電路；以及發射機’被配置爲藉由一無線通道發送該至少一個封包。 20、如請求項12之裝置，還包括：一接收機’被配置爲接收與該非均勻的取樣實例有關的反饋資訊；以及一適配器’被配置爲根據該接收的反饋資訊來修改該非均勻的取樣實例。 21 '如請求項20之裝置，其中該接收的反饋資訊包括：與該信號的重建有關的係數和至少一個參數，並且其中修改該非均勻的取樣實例包括修改一低取樣比值或數個該取樣實例中的至少一個。 22、如請求項12之裝置，其中該信號包括：一光脈波計 (PPG )信號或一心電圖（ECG )信號。 23、一種信號處理的裝置，包括： 201110569 用於産生非均勻的取樣實例的構件；以及用於在多個該非均句的取樣實例期間感測一信號的採樣的構件。 24、如請求項23之裝置，還包括：一光源；用於在該多個非均勻的取樣實例期間開啓該光源的構件；以及用於在《玄夕個非均勻的取樣實例之間關閉該光源的構件。乃、如請求項24之裝置，其中該光源包括：一或多個發光二極體（LED) ’並且其中用於開啓該光源的該構件包括：用於在該多個非均勻的取樣實例期間開啓該-或多個LED 的構件。如研求項25之裝置，其中每一個lED都發出具有在 6〇〇nn^，j 100〇nm之間的一波長的光。 ^如句求項23之裝置，其中用於産生非均勻的取樣實例的遠構件包括：用於根據—種子來産生該非均勻的取樣實月求項27之裝置’其中將相同的非岣勻的取樣實 62 201110569 例用於感測該信號的採樣以及用於由另一裝置重建該信說。 29、如請求項28之震置’其中基於在^置*該另置之間的一通訊鏈路的安全性二、裂該種子。吓1更用的密鑰來產生 3〇、如請求項23之裝置，還包括：用於對該信號的感測採樣進行封包的至少一個封包的構件；以及獲奸该感測採樣的構件。用於藉由-無線通道發送該至少—個封包如請求項2 3 之裝置’還包括：用於接收與該非的句勻的取樣實例有關的反饋資訊的件；以及用於根據該接收的反饋資訊來修的構件。構改該非均勻的取樣實例 32、如請求項31之個參數，並且其中修改修改—低取樣比值或數個該取樣與該"，，、中該接收的反饋資訊包括就的董建有關的係數和至少該非均勻的取樣實例包括實例中的至少一個 3 3、如請求項2 3 pPG)信號或~ 裝置，其中該信號包括：一光脈波計心電圖（ECG)信號。 63 201110569 34 '種用於信號處理的電腦程式産品，該電腦程式産品包括具有指令的一電腦可讀取媒體，該等指令可執行以：產生非均勻的取樣實例；並且在^個該非均勻的取樣實例期間感測一信號的採樣。 j 5、一種感測設備，包括：産生器，被配置爲産生非均勻的取樣實例；以及感測益，被配置爲在多個該非均勻的取樣實例期間感測一信號的採樣；以及 -發射機，被配置爲發送該感測的採樣。種用於信號處理的方法，包括以下 … 〇从 p 夕/ 哪 · 在-裝置處接收從另—裝置發送的信號的採樣；決定-組非均句的取樣實例，其中在該另一裝置處是的取樣實例期間對信號進行取樣；並且檨中彳决疋的忒組非均勻的取樣實例，來從該接收的樣中重建該信號。 37、如請求項36之方法，i 以下步驟：根據一改…中重建該信號的該步驟以 ^ ^ ^ . .土於梯度投影的稀疏重建（GPSR 貝异法來重建該信號。進的GPSR演算法包巧、如請求項37之方法，其中該改 64 201110569 號的所括使用一加權因數，並且其中該吓隹四數包括原始作估計的整體平均值。 $ # 39、如請求項38之方法，其中 ^ a由求一組訓練信號的平均值來估叶該整體平均值。 0如明求項36之方法，其中決定加ΛΑ斗土决疋一組非均勻的取樣實例的S亥步驟包括以下步驟：根據一種子來産生該組非均句的取樣實例。 4卜如請求項4〇之方法，其中基於涉及在該裝置的—通㈣路的安全性協定中所使用的密錄，來在該裝置處産生該種子。 42如叫求項41之方法，還包括以下步驟：將與該種子有關的資訊發送回該另一裝置。 43 ' —種用於信號處理的裝置，包括：接收機’被配置爲接收從另一裝置發送的一信號的採樣；被配置爲決定一組非均勻的取樣實例的—電路，其中在。玄另一裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；以及 —重建器，被配置爲使用所決定的該組非均勻的取樣實 65 201110569 例，來從該接收的採樣中重建該信號。 44、如請求項43之裝置，其中被配置爲重建該信號的該重建益包括.被配置爲根據一改進的基於梯度投影的稀疏重建（GPSR)演算法來重建該信號的一電路。 45、如凊求項44之裝置，其中該改進的GpSR演算法包括使用加權因數，並且其中該加權因數包括原始信號的所估計的整體平均值。 46、如請求項45之裝置，其中藉由求一組訓練信號的平均值來估計該整體平均值。 47、如請求項43之裝置，其中被配置爲決定一組非均勻的取樣實例的該電路包括：產生器’被配置爲根據一種子來産生該組非均勻的取樣實例。 48、如請求項47之裝置，其中基於涉及在該裝置的一通訊鏈路的安全性協定中所使用的密鑰，來在該裝置處産生該 49、如請求項48之裝置，還包括：一發射機，被配置爲將與該種子有關的資訊發送回該另

66 201110569 一裝置。 50' —種用於信號處理的裝置，包括：用於接收從另一裝置發送的一信號的採樣的構件；用於決定一組非均勻的取樣實例的構件，其中在該另一裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；以及 •用於使用所決定的該組非均勻的取樣實例，從該接收的採樣中重建該信號的構件。 5 1、如請求項5 〇之裝置，其中用於重建該信號的該構件包括：用於根據一改進的基於梯度投影的稀疏重建（（}psR) 演算法來重建該信號的構件。

、如請求項5 1 括使用一加權因數，並且其估計的整體平均值。 53、如睛求項52之裝置，均值來估計該整體平均值。其中藉由求一組訓練信號的平種子來産生該組非均句 —組非均勻的取 54、如請求項5〇之裝置，樣實例的該構件包括：用於根據一藉·?·在在j·汾其中用於決定的取樣實例的構件。 67 201110569 55、如請求項54之裝置，其中基於涉及在該裝置的—通訊鏈路的安全性協定中所使用的密鑰，來在該裝置處生該 56 '如請求項55之裝置，還包括：用於將與該種子有關的資訊發送回該另—裝置的構件〇一檀用於信號處理的電腦程式産品，該電腦程式産品包括具有指令的一電腦可讀取媒體，該等指令可執行以：接收從一裝置發送的一信號的採樣；決定-組非均句的取樣實例，其中在該裝置處是在該組非均句的取樣實例期間對信號進行取樣；並且使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從該接收的中重建信號。一接收機，被配置爲接收從—联、 *裝置發送的-信號的採樣；被配置爲決定一组非均勻的取枵眚的取樣實例的一電路，其中在該裝置處是在該組非均勻的取揭眘取樣實例期間訝信號進行取樣，· —重建器，被配置爲使用所# .,Α π决疋的該組非均勻的取樣實例來從該接收的採樣中重建該信號；以及 —換能器，被配置爲根攄哕舌法& ^ 據°亥重建的信號來提供-音頻輪 SJ 68 201110569 59、一種手鎮，包括：一接收機，被配置爲彳| # 一 ^ ® 巧按收從衣罝發达的一信號的採樣；被配置爲決定一組非均勻的取樣實例的一電路其中在該裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；重建器被配置爲使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從該接收的採樣中重建該信號；以及一用戶介面，被配置爲根據該重建的信號來提供一指示。 60、一種監控設備，包括：一連接器；一接收機，被配置爲藉由該連接器接收從—裝置發送的一信號的採樣；一被配置爲決定一組非均勻的取樣實例的—電路，其中在該裝置處是在該組非均勻的取樣實例期間對信號進行取樣；一重建器’被配置爲使用所決定的該組非均勻的取樣實例來從該接收的採樣中重建該信號；以及用戶介面’被配置爲根據該重建的信號來提供一指示。 61、一種用於信號處理的方法，包括以下步驟：在多個非均勻的取樣實例期間開啓一光源；並且在該多個非均勻的取樣實例之間關閉該光源。 69 201110569 62、如請泉項61之方法以下步驟：在該多個非均勻光二極體（LED)。 ’其中開啓該光源的該步驟包括的取樣實例期間開啓一或多個發 63、如請求項62夕古& # ’’ V、中每—個led都發出具有在 600nm 到 l〇〇〇n 夕 „ nm之間的一波長的光。 64 ' 一種用於信號處理的震置，包括：。路被配置爲在多個非岣勻的取樣實例啓一光源；以及關閉電路，被配置爲在該多個非均句的取樣實例之關閉該光源。或多個發。亥開啓電路被配置爲在該多個 65、如請求項64之裝置，其中該光源包括：光二極體（LED)，並且其中非均勻的取樣實例期間開啓該-或多個LED。以及 67、—種用於信號處理的裝置，包括：用於在多個非均勻的取樣實例期間開啓一光源的構件；構用於在該多個非均句的取樣實例之間關閉該光源的 70 201110569 件0 一⑽、如請求項61之裝置’…光源包括：—或多個發光一極體（LED )’並且其中用於開啓該光源的該構件包括. 用於在該多個非均勻的取樣實例期間開啓該-或多個LEd 的構件。 69'如請求項62之裝置，其中每一個LED都發出具有在 600nm到lOOOnm之間的一波長的光。 70、一種用於信號處理的電腦程式産品，該電腦程式産品包括具有指令的一電腦可讀取媒體，該等指令可執行以. 在多個非均勻的取樣實例期間開啓一光源；以及在該多個非均勻的取樣實例之間關閉該光源。 71、一種感測設備，包括：一開啓電路’被配置爲至少在多個非均句的取樣實例期間開啓一光源； ’ 一感測器，被配置爲在該多個非均勻的取樣實例期間感測一信號的採樣，以及一關閉電路’被配置爲至少在該多個非的4 M说&办叶勺勾的取樣實例之間關閉該光源。 71