TWI763655B - 脈衝式血氧計系統和電路、及光體積變化描述（ｐｐｇ）測量的方法 - Google Patents

脈衝式血氧計系統和電路、及光體積變化描述（ｐｐｇ）測量的方法

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Abstract

光體積變化描述(PPG)測量包含基於根據固定樣式產生的取樣而使用壓縮感測。脈衝式血氧計電路根據固定樣式而驅動LED，以產生稀疏測量的壓縮感測取樣矩陣。固定樣式可以是二元級數。PPG訊號重建包含零填補取樣矩陣。

Description

脈衝式血氧計系統和電路、及光體積變化描述(PPG)測量的方法
本發明之揭示大致上係有關感測裝置，更特別而言係有關根據壓縮感測稀疏取樣而操作的穿戴式PPG(光體積變化描述)系統。
計算技術及感測器裝置的進步激勵穿戴感測器及個人計算系統更多的技術整合。對於從攜帶及/或穿載時足夠小及不引人注目之裝置中取得合理準確的生物特徵量測資料，這些技術提供了希望。生物特徵量測資料對於健康監控、以及運動表現監視特別有用。生物特徵量測資料對於身份驗證也有用，例如實施雙驗證的資料。但是，在設計及實施會產生可使用的生物特徵量測資料之真實系統時，傳統上會遭遇很多限制。
舉例而言，脈衝式血氧計是使用光學脈衝、或是光體積變化描述(PPG)來測量體積變化描述之裝置。脈衝式血氧計會發出LED(發光二極體)脈衝以測量脈搏。脈搏提供心電圖(EKG)良好的心率測量替代。脈衝式血氧計也提供血壓評估、以及血氧飽合度評估。因此，感測穿戴式感測 器的連續PPG訊號能夠即時監控自由生活條件下的心率、血壓、及/或血氧飽合。自由生活條件意指目標從事其活動時遭遇到的真實生活情境，而不是僅在受控環境下取得測量。不連續方式的PPG訊號感測無法提供可從連續監控取得的資訊。
但是，設計可穿戴脈衝式血氧計之習知方式會造成耗電需求的系統，這造成不良的電池壽命。根據這些習知方式，須在延長電池壽命與恢復準確的PPG訊號之間做取捨。典型地，延長電池壽命的技術會犧牲PPG訊號準確度，以及，嘗試取得更佳的PPG訊號準確度也會導致電池消耗而使得PPG不適用於長時間連續感測。依傳統32Hz PPG設計，LED脈衝會消耗約80%的系統電力。
因此，32Hz連續運行的傳統PPG系統具有令人無法接受的電池壽命。一個省電提議是以智慧型取樣演繹法，用較低的速率來取樣。但是，習知的智慧型取樣演繹法要求使用機載(on-board)亂數產生器，因而消耗可觀的電力。智慧型取樣雖然節省LED電力，但是會增加其它用電，其限制了整體系統省電量。結果是系統仍然具有不好的電池效能。
一種脈衝式血氧計系統，包括：發光二極體(LED)，用以發射光脈衝；光偵測器，用以基於該等LED光脈衝與目標之光干擾的偵測而產生光體積變化描述(PPG)取樣；以及介面電路，用以控制從該LED到該目標之該等光脈衝的觸發，以致使該LED以固定排程來觸發，而致使該光偵測器基於該等光脈衝的壓縮感測而以低取樣同調性產生非均勻間隔的PPG取樣用於PPG訊號重建，其 中，該固定排程能夠可被選取而對不同的目標產生不同數目的取樣，以及，該介面電路係要被預先配置有選取的固定排程，其包含根據基於該目標之二元式幾何級數排程而觸發該等LED光脈衝。
100‧‧‧系統
110‧‧‧感測器組件
112‧‧‧發光二極體
114‧‧‧光偵測器
120‧‧‧前端
150‧‧‧後端
200‧‧‧系統
202‧‧‧感測器節點
204‧‧‧閘道器
800‧‧‧系統
900‧‧‧裝置
下述說明包含本發明的實施例實施之舉例說明的顯示。應瞭解，圖式是舉例說明而非限定。如同此處使用般，述及一或更多個「實施例」應被視為說明包含於本發明的至少一實施中的特定特點、結構、及/或特徵。因此，例如於此出現「在一個實施例中」或是「在替代實施例中」等詞語時係說明本發明各式各樣的實施例及實施，不一定意指相同實施例。但是，它們也不一定互斥。
圖1是具有根據稀疏測量樣式而執行取樣及PPG訊號重建之PPG系統的系統實施例之方塊圖。
圖2是用於從稀疏測量矩陣重建PPG訊號的系統實施例的方塊圖。
圖3A是依取樣序列對映之壓縮感測重建矩陣的實施例表示。
圖3B是零填補壓縮感測重建矩陣的實施例表示。
圖4A-4C是根據受控環境中壓縮感測重建之恢復的PPG訊號的實施例之圖示。
圖5A-5C是根據雜訊環境中壓縮感測重建之恢復的PPG訊號的實施例之圖示。
圖6A-6D是根據壓縮感測PPG訊號重建之實施例的PPG測量系統取得的省電圖示。
圖7A是流程圖，顯示用以產生用於壓縮感測PPG訊號重建的稀疏測量矩陣之處理實施例。
圖7B是流程圖，顯示施加壓縮感測至用於PPG訊號重建的稀疏測量矩陣之處理實施例。
圖8是計算系統實施例的方塊圖，壓縮感測PPG訊號重建系統實施於其中。
圖9是行動裝置實施例的方塊圖，壓縮感測PPG訊號重建系統實施於其中。
接下來說明某些細節及實施，包含顯示下述某些或全部實施例之圖形說明，以及討論此處呈現的發明概念之其它可能的實施例或實施。
如同此處所述般，脈衝式血氧計系統根據固定樣式而產生光體積變化描述(PPG)訊號取樣。基於所產生的取樣稀疏矩陣，脈衝式血氧計系統施加壓縮感測。壓縮感測意指取樣系統中的資料壓縮，其中，以充份資料次取樣輸入訊號而以可接受的準確度來實施訊號恢復。次取樣意指以低於奈奎斯(Nyquist)率的取樣率來取樣輸入訊號。將瞭解到，奈奎斯率意指以需要恢復的資料頻率至少二倍之頻率來取樣輸入訊號的取樣率。隨著奈奎斯取樣，系統可以需要恢復的資料之頻率下最小損失來重建訊號。
藉由以低於傳統32Hz連續取樣的速率來觸發脈衝式血氧計的LED(發光二極體)，壓縮感測可以提供高度電力效率取樣及重建。根據壓縮感測的使用，脈衝式血氧計系統可以次取樣PPG測量及恢復32Hz PPG訊號。更具體而言，在一個實施例中，脈衝式血氧計電路可以根據固定樣式來驅動LED，以產生稀疏測量的壓縮感測取樣矩陣。在一個實施例中，脈衝式血氧計系統分成分開的感測器及處 理器元件，並且，壓縮感測可以控制感測器的功率效率。
習知的PPG測量涉及連續取樣的使用。與連續取樣相較的一個省電設計涉及隨機取樣的使用。隨機取樣矩陣可以滿足壓縮感測充份的數學特性而致使能夠恢復訊號。但是，隨機取樣對於穿載式裝置不是良好的匹配。隨機取樣要求在感測器有機載亂數產生器，其非但沒有效率並且消耗顯著的電量。如同此處所述，脈衝式血氧計系統可以對於PPG訊號的壓縮感測重建施加固定的取樣排程。在一個實施例中，根據利用PPG訊號中固有的稀疏性之觸發排程，脈衝式血氧計電路產生PPG測量取樣。
觸發排程或觸發序列或樣式係意指藉由脈衝式血氧計的LED而造成之一系列的脈衝。將瞭解，光偵測器會偵測目標光干擾以回應LED的光脈衝。目標干擾意指來自LED的光會被目標物所吸收及/或散射，在光偵測器之光偵測可以測量發自LED的光脈衝有多少光抵達光偵測器。因此，光偵測器產生代表PPG資訊的取樣之測量。根據經過目標組織的血液搏動，光偵測將隨著來自相同LED脈衝輸出而均勻變化。因此，各脈衝上來自LED之一致的功率輸出將會根據導因於血液搏動之不同目標干擾而在光偵測器處造成不同的光偵測。光偵測因而能夠代表對應於觸動序列的取樣序列。光偵測器測量可以提供用於稀疏測量或取樣矩陣的資料，系統從此資料可以計算PPG訊號重建。
在一個實施例中，取樣序列是根據功率定理。舉例而 言，在一個實施例中，脈衝式血氧計會依二元級數(binary progression)排程而發出LED脈衝，根據二元幾何級數而間隔的測量，產生取樣矩陣。使用二元序列(binary sequence)會產生最少數目的可能取樣。二元序列提供具有低取樣同調性的固定樣式，且不要求使用亂數產生器。雖然於此討論二元序列，但是，將瞭解也可以替代地使用不要求亂數產生、及也滿足壓縮感測的數學特性的其它固定序列。相信二元序列提供稀疏取樣矩陣，但是，較不稀疏的取樣矩陣也可以比習知的方法節省顯著的電力。因此，二元序列將被視為非限定取樣。一般而言，脈衝式血氧計系統會根據用於壓縮感測重建的固定排程而產生稀疏取樣。
在一個實施例中，固定排程是根據2i的二元級數，其中，i是取樣數{0,1,2,…}。除了滿足壓縮感測的特性之外，如此之取樣序列還提供改良的恢復。在一個實施例中，壓縮感測訊號恢復或重建會根據例如離散傅立葉轉換表示、離散餘弦轉換、或其它轉換等離散轉換稀疏基礎表示來執行計算。在取樣矩陣中的二元樣式能夠在頻域中達成二元式恢復。在一個實施例中，PPG訊號重建處理包含零填補取樣矩陣。於下提供零填補的更多細節，簡而言之，零填補以更多處理為代價而提供更準確的恢復。但是，二元頻域恢復的簡化可以證明導因於零填補之增加的處理之正當性。
根據用於壓縮感測PPG訊號恢復之固定序列稀疏取 樣矩陣的脈衝式血氧計可提供適用於隨時隨地或自由生活系統中的PPG監督架構。稀疏取樣顯著地降低取樣要求，以及，節省足夠的電力以防止電池耗損太快。在一個實施例中，架構包含產生測量取樣的穿戴式感測器與執行訊號恢復的計算或處理元件相分開。此二元件可以經由有線及/或無線通訊而相結合。此架構提供簡單的感測節點，能夠在系統晶片(SOC)設計上實施。SOC可以與本地或遠端處理器互連以對取樣執行訊號處理。
圖1是具有根據稀疏測量樣式而執行取樣及PPG訊號重建之PPG系統的系統實施例之方塊圖。系統100提供脈衝式血氧計或PPG監控系統的一個實例。目標102代表人體目標或是PPG監控。系統100藉由對目標102發出LED光脈衝而監控，以及在光偵測器中測量來自目標的光。
系統100包含感測器組件110，感測器組件110包含一或更多個LED 112及一或更多個光偵測器(PD)114。將瞭解，LED 112代表視系統100的應用而發出不同型式的光之不同型式的LED。舉例而言，對於某些系統，LED 112發射將被反射離開目標102的綠光。因此，PD 114可以偵測反射光。在另一實施例中，LED 112發射將穿透目標102的皮膚之紅光及/或紅外光。因此，PD 114可以偵測穿過目標102的光。不論是散射離開目標102的表面或是光穿過目標102都被稱為目標102光脈衝干擾。假使有多個LED 112，則這些LED可以具有彼此不同的型式。 取決於系統100的實施，也可以使用不同的PD型式以與不同的LED型式互補。
感測器110代表與目標102直接介接的硬體組件。前端120代表驅動LED 112及自PD 114接收輸入訊號之電路或SOC組件。在一個實施例中，前端120係指類比前端或AFE。前端120可意指使感測器與後端150或其它處理單元介接的介面電路。在一個實施例中，前端120包含傳送(TX)路徑130及接收(RX)路徑140。
在一個實施例中，TX路徑130包含脈衝控制132，特別意指根據用於壓縮感測(CS)重建的樣式而致使LED 112發射光脈衝之脈衝控制電路及/或邏輯。在一個實施例中，脈衝控制132包含執行脈衝排程所需的前端120上的邏輯及/或儲存。在一個實施例中，脈衝控制132經由通訊(comm)介面122而從後端150接收資料及/或命令。舉例而言，在一個實施中，後端150提供脈衝序列給脈衝控制132。TX路徑130包含驅動器134以產生致使LED 112發射它的光所需的電壓及/或電流。脈衝控制132致使驅動器134操作以使LED 112根據用於PPG測量的固定樣式發出脈衝。
在一個實施例中，RX路徑140包含放大器(amp)142以接收及放大來自PD 114的類比訊號。當PD 114偵測光時，其會產生輸出。典型上，PD 114會輸出依根據偵測器接收到的光強度的電流變化之訊號。因此，放大器142典型上是或包含轉換阻抗放大器(TIA)，將依電流輸出變 化的訊號輸換成依電壓位準變化的訊號。在一個實施例中，RX路徑140包含類比至數位轉換器(ADC)144，其能將類比訊號轉換成數位表示(1及0表示法)。在一個實施例中，ADC 144將放大器142的輸出轉換成數位表示。數位取樣被視為用於訊號恢復的資料點或測量資料。
根據感測器裝置，通常在「原始(raw)」訊號或「原始資料」與不是「原始」的資料之間作區別。原始資料意指純測量表示的資料。因此，原始資料意指感測器裝置或感測器電路產生的真正類比電壓及/或電流位準。但是，假使類比版本簡單地轉換成測量的數位表示，原始資料也意指資料的數位表示。將瞭解，處理器或控制器無法處理類比訊號，但是，使用二元數位表示來計算。因此，從一個觀點而言，雖然被轉換成數位表示的訊號可被視為在電路設備對資料操作以將其轉換成數位形式的情形中被處理，但是，一般仍然將資料視為僅被轉換成數位表示的原始資料。不是原始的資料會經由某計算或處理而被解譯或插入(interpolate)，且為純測量資料以外的某表示。
在一個實施例中，前端120提供原始測量資料給後端150以用於處理。雖然未具體顯示於系統100中，但是，前端120包含緩衝器或儲存器以儲存一系列測量資料。系統100的實施將會決定測量緩衝器的大小。在一個實施例中，前端120僅儲存後續可由後端150為了時序而解譯的測量。因此，在脈衝控制132經由驅動器134而致使LED 112以二元幾何級數產生時間上分開的脈衝之實施中，PD 114測量LED 112產生的各脈衝之反射，然後由放大器142及ADC 144轉換成數位表示。即使樣品之間以不同的時間量分開，各數位測量仍可被儲存於後續的緩衝登錄中。後端150知道前端120及感測器110使用的取樣樣式，並且，執行知道取樣系列的各連續取樣的時序之計算。
在一個實施例中，後端150經由通訊介面152而與前端120介接，通訊介面152通訊地耦合至通訊介面122。通訊耦合意指在通訊鏈路上的組件之間交換資訊。在一個實施例中，通訊鏈路包含有線連接。在一個實施例中，通訊鏈路包含無線連接。在一個實施例中，通訊介面122是或包含發射器或收發器或其它通訊鏈路。在一個實施例中，通訊介面122是或包含無線電電路，產生無線訊號給對應的通訊介面152。此無線電電路包含例如藍芽訊號或其它RF(射頻)訊號。
在一個實施例中，後端150是與裝納前端120及感測器110的實體裝置分開。舉例而言，在一個實施例中，前端120及感測器110係實施於SOC上，SOC束縛於目標102的手腕、手臂、胸、或其它部份而以LED 112及PD 114面對目標的皮膚。後端150包含另一裝置中的處理設備，例如手錶、電話、或其它處理單元或具有處理單元的裝置。此處理單元可為目標102的個人區域網路的部份。在一個實施例中，感測器110產生測量資訊，前端120會將測量資訊緩衝及送至後端150。然後，後端150處理測 量資訊以取出PPG訊號資訊。
經由驅動器134，脈衝控制132不均勻地觸動一或更多個LED 112。在一個實施例中，LED 112平均約5-6Hz發出脈衝，PD 114及RX路徑140從這些脈衝產生對應的測量。根據LED 112的5-6Hz脈衝，系統100在處理器160施加壓縮的感測重建以使PPG訊號恢復成宛如以32Hz取樣。但是，不用與以32Hz連續監控的習知系統一樣使用很多的電力(例如，固定排程，用以使LED發出脈衝，每秒產生32取樣)，如同參考圖6A-6D之下述更詳細說明般，對於系統100，LED的耗電量對應地降低且邊緣節點(例如，前端120及感測器110)的整體系統耗電降低約68%。將瞭解，相對於習知的系統，系統100中具有較少的測量，所以，用於通訊介面122的傳輸功率可以降低約5X(例如，5至6取樣而不是32取樣)。
後端150包含處理器160，處理器160顯示為包含取樣控制162及CS重建邏輯164。處理器160可為或包含任何型式的處理單元以執行重建計算。在一個實施例中，處理器160包含數位訊號處理器。在一個實施例中，處理器160包含微控制器。在一個實施例中，處理器160包含中央處理單元。處理器160可為專用處理裝置的一部份，或是多用途或通用裝置的處理器。
取樣控制162代表已知用於感測器110的取樣排程之後端150的另一組件及/或處理器160內的邏輯。在一個實施例中，取樣控制162提供一或更多個命令或訊號給前 端120以使前端能夠根據排程來驅動感測器110。在一個實施例中，取樣控制162僅代表在處理器知道取樣排程，取樣排程使得處理器160能夠從接收自前端120的測量來計算PPG訊號。
重建邏輯164代表處理器160內用以從接收到的取樣執行PPG訊號恢復之邏輯。在一個實施例中，前端120產生及發送測量系列給後端150。即使是取樣系列，當知道取樣排程時，由取樣表示的測量系列代表稀疏測量矩陣。因此，根據稀疏取樣(例如，沒有測量資料用於其之各箱32Hz訊號)，當用於PPG訊號重建的矩陣將需要在包含未被佔據的區域中的零時，由前端120傳送的資料可以被視為取樣矩陣。在一個實施例中，未被視為有任何矩陣直到處理器160(或後端150的另一組件)從接收到的取樣資料產生矩陣時為止，例如藉由根據取樣排程而將測量資料表示成稀疏測量矩陣。
在一個實施例中，以計算弱但能源上有效率的包含感測器100及前端120之感測器節點實施、以及包含後端150之計算較強的處理器節點來實施系統100。感測器節點產生用於壓縮感測重建的測量。處理器節點會將原始訊號完全地恢復，且不必設計成如感測器節點一樣低電力。典型上，處理器節點或閘道裝置將包含較大的電池。在一個實施例中，重建邏輯164實施CS為基礎的訊號重建演繹法。在一個實施例中，感測器節點實施時域中不均勻的觸發測量序列，並且，處理器160藉由重建邏輯164而經 由CS為基礎的訊號重建演繹法，以稀疏傅立葉基礎重建PPG訊號資訊。當感測器節點以根據2的次方序列之取樣間的時間間隔來捕捉測量時，系統100會比其它技術要求更少的取樣。系統100甚至以例如隨機取樣等其它標準的壓縮感測取樣編碼設計所要求的取樣數的1/4至1/2來實施訊號恢復。在一個實施例中，系統100施加相同的LED觸發/取樣樣式或排程遍及所有取樣窗。此固定樣式取樣與例如習知的CS為基礎的方式中以特別的嵌入邏輯動態地改變用於各窗的取樣相反。
圖2是用以從稀疏測量矩陣重建PPG訊號的系統實施例的方塊圖。系統200提供根據圖1的系統100的實施例之脈衝式血氧計系統的一個實例。系統100提供簡化的系統硬體的一種表示，而系統200顯示根據此處所述的任何實施例之PPG測量系統的資料處理管線的簡化表示。系統200具體地顯示感測器節點202及閘道器204。感測器節點202意指經由與目標互動而產生測量資料之硬體元件。閘道器204係指接收測量資料及從測量資料執行PPG訊號恢復的處理單元。在一個實施例中，感測器節點202及閘道器204是相同的實體裝置的部份。在一個實施例中，感測器節點202及閘道器204是二個分開的實體裝置的部份，且通訊上相耦合的。
感測器節點202被視為資料處理器的「擷取」側，意指其產生用以恢復PPG訊號的測量資料。閘道器204被視為資料處理的「處理」側或是重建側。在一個實施例 中，系統200代表不對稱系統架構。在不對稱系統架構中，感測器節點202由於具有低計算能力以節省電力而在計算上受限。閘道器204計算上不受限制，且可以執行訊號重建所需的計算。
在一個實施例中，感測器節點202包含執行LED觸發序列212，以產生擷取LED的不均勻觸發。LED觸發序列可為或包含邏輯或編碼器以捕捉頻帶限制的PPG訊號中的主頻率中的大部份。在一個實施例中，LED觸發序列致使LED根據觸發序列而發出光脈衝，根據觸發序列的時序而產生測量資料系列。因此，在壓縮的感測分析中，LED觸發序列可以被視為編碼器邏輯或是稀疏測量矩陣。圖3A提供實施成LED觸發序列的觸發序列矩陣之一個實例。
感測器節點202使LED根據序列214發出脈衝。光脈衝會受目標干擾，216，以及，光偵測器測量光，218。根據LED脈衝的時序(在時域中的資料)，光偵測器對應地產生時域中的測量資料。測量代表要填充稀疏測量矩陣的資料。在一個實施例中，感測器節點202的AFE將測量轉換成數位資料取樣，220，用以發送給閘道器204。
在系統200的一個實施例中，所有的資料處理由閘道器204所處理。因此，感測器節點202可以將測量資料轉換成數位格式，但是，未對資料執行任何前置處理。因此，感測器節點202會發送原始資料給閘道器202。不會為了過濾、校正雜訊、或是其它處理作業的原因而處理原 始資料。藉由少數的原始資料取樣，從感測器節點202至閘道器204的傳輸是較低功率且簡化。此外，在閘道器204的資料緩衝及管線會被簡化。在一個實施例中，感測器節點202會在每一個測量被取得及轉換成數位表示時，將其發送。在一個實施例中，感測器節點202將資料緩衝及將其批次地發送至閘道器204。
在一個實施例中，在閘道器204，閘道器執行L1-norm式重建。在一個實施例中，閘道器204以零填補自感測器節點202收到的資料測量。此作業被視為施加零填補的解碼器222之閘道器202。閘道器202因而包含填補邏輯以強化L1-norm恢復演繹法的箱解析度。零填補使得閘道器204上的處理或計算邏輯(例如，處理器或處理單元)能夠在重建期間更準確地區域化頻率係數。在一個實施例中，處理器執行L1-norm稀疏矩陣重建224，以恢復PPG訊號。經由重建，處理器產生奈奎斯(Nyquist)PPG訊號226，意指具有與根據奈奎斯取樣產生的PPG訊號幾乎相同的資料之PPG訊號表示。
PPG訊號重建或訊號恢復意指計算頻率係數。在一個實施例中，PPG訊號重建包含根據例如用於測量矩陣的FFT(快速傅立葉轉換)等傅立葉轉換的計算性能。瞭解PPG訊號的重建會包含根據如同稀疏間隔訊號測量所標示之訊號的稀疏基礎表示的計算。訊號測量應包含足夠的頻率資訊以恢復頻率係數來產生訊號的表示。零填補可以是稀疏基礎表示測量的填補。
為了計算用於頻率成分的正確係數以取得訊號的準確表示，處理器需要區域化至右箱、或是矩陣內的右行之測量資料的配置。將瞭解，PPG訊號的「奈奎斯」表示包含32Hz訊號，典型上包含32個頻帶、或是具有1Hz間隔的32箱。對非零填補的測量資料之計算提供準確的配置，但是未具有很好的粒度。零填補致使處理器增加箱的數目，這接著增加用於相同訊號的箱間隔，或是產生用於恢復訊號資訊之更寬的計算範圍。增加的箱數目會增加L1-norm計算的計算成本，但是提供更準確的最後結果。
因此，系統200可以高度電力有效率的方式，以高重建準確度從稀疏測量來恢復原始的PPG訊號。LED觸發排程可容易地嵌於資源有限的感測器節點202上，而且也是高度電力有效率的。
圖3A是依取樣序列對映之壓縮感測重建矩陣的實施例表示。在一個實施例中，矩陣310(矩陣Φ)稱為編碼器邏輯，以稀疏測量矩陣表示。X代表概念上連續時域的PPG訊號。矩陣310的行代表取樣的瞬時(及對應於激發LED或使LED發出脈衝)。在矩陣310中的列數代表根據壓縮感測邏輯取得的取樣數目。相對於其它方式，取得的取樣數目顯著降低。測量矩陣310中的列儘由單一個「1」所佔據，以表示各測量的原始PPG取樣直接作為編碼值。因此，可將矩陣310視為是用以恢復PPG訊號的最稀疏編碼器。在一個實施例中，為了捕捉可能的最多資訊，矩陣310會將各列中的單一個「1」分配給測量矩陣 的特定行，其中，行索引形成幾何級數。
如矩陣310中所示般，個別測量的時間間隔對應於二元序列(2的次方)。間隔由取樣序列320更明確地指出。取樣序列320代表用於產生測量的固定排程。在一個實施例中，固定排程可根據將被測量的目標或人以及測量目的而調整。取決於將作何測量及測量目標為何，藉由調整將產生多少測量或是多少元件，可調整排程或序列320。當排程被調整時，根據目標及系統的實施，以適當排程預先配置系統。
在一個實施例中，取樣序列320是2i，其中，i是取樣數目。取樣330顯示根據取樣序列320取得的取樣，取樣si與在前的取樣以等於2(i-1)-1的零的數目相分開。因此，在一個實施例中，對於1秒的支援窗，取得的取樣次序是1、2、4、8、16、…。如同所示，取樣s2與取樣s1由1個0((2^(2-1))-1)分開，取樣s3與取樣s2由3個0((2^(3-1))-1)分開，等等。在一個實施例中，遍及所有取樣窗取樣排程320被固定(例如，每10-第二取樣窗，或其它取樣窗)。
在一個實施例中，Y代表子取樣的LED測量。在一個實施例中，感測器節點AFE經由藍芽LE，將Y經中直接傳送給閘道裝置，以及，閘道器重建整個PPG訊號。傳統的L1-norm恢復演繹法表示成：min{∥x∥1：Φ Ψ-1x=y}，其中，Φ代表稀疏測量矩陣或是訊號解碼器矩陣(例如，矩陣310)，Ψ-1代表稀疏基礎表示矩陣(例如，離 散傅立葉轉換(DFT)表示矩陣的倒轉)，y代表編碼訊號，x代表疏稀基礎之對應的恢復訊號。
圖3B是零填補壓縮感測重建矩陣的實施例表示。在一個實施例中，使用傳統的L1-norm恢復演繹法，閘道器無法以要求的準確度從例如矩陣310等極度稀疏矩陣恢復整個PPG訊號。矩陣340代表擴增的或零填補的解碼矩陣。由填補邏輯，從矩陣310產生矩陣340，可以增進以離散傅立葉基礎重建取樣不足的訊號之準確度。如同所示，矩陣340包含感測器節點測量矩陣部份342，以及，包含擴增的零填補部份344。雖然顯示八個零，但是，將瞭解零填補344包含任何數目的零。
矩陣340代表恢復期間提供增加的箱解析度之擴增稀疏測量矩陣，以及，顯著地降低重建錯誤。矩陣340可以表示成Φ-1，意指用於上述矩陣310的數學表示。在一個實施例中，閘道器側上的處理器實施如上所述的傳統恢復演繹法，但是，以Φ-1取代Φ。實驗顯示從用於32Hz PPG的100-400填補元件之填補尺寸範圍(窗支援=10s)提供最佳性能。要求的填補程度會隨著用於類似性能改良的取樣頻率而增加。
圖3A的編碼器矩陣310及圖3B的零填補編碼器矩陣340都是與DFT(離散傅立葉轉換)表示矩陣Ψ高度不同調。同調性意指多少資訊冗餘存在於取樣點或測量之措施。低同調性標示更多個測量訊號資訊是準確的資料。下述表格表示矩陣尺寸，以及，標示用於矩陣之「1」的同 調值。
Figure 106106541-A0202-12-0019-1
將瞭解填補意指將零值插入至稀疏測量矩陣中。插入零會增加解碼處理中的箱數目。箱數目意指箱寬度或積分範圍，意指要用於計算的元件數目。增加箱間隔會提供更細的微粒計算給箱的主葉外面的訊號資訊。增加箱間隔會造成更高的計算要求，但是，提供更準確的訊號恢復。
圖4A-4C是根據受控環境中壓縮感測重建之恢復的PPG訊號的實施例之圖示。在受控環境中，PPG訊號是在「乾淨的」環境中或者雜訊受控的環境中恢復。圖4A的圖形410包含訊號412，代表輸入的32Hz奈奎斯PPG訊號，其為以32Hz取樣的PPG訊號之形狀。從沿著y軸的振幅點測量的延著x軸之取樣數目，產生訊號412。根據此處所述的實施例，由系統原型執行圖形420的測量及圖形430的重建。如同所示，重建處理器對取樣不足的資料施加零填補。
圖4B的圖形420顯示訊號的取樣不足表示。取樣不足曲線422是由線連接的取樣點之圖形。圖形420也顯示相對於y軸上的振幅作圖的x軸上的取樣數目。觀察到圖形420包含比圖形410少5倍的取樣，顯示其為5X取樣 不足之事實。從曲線422上的取樣點也將觀察到如上所述之根據CS為基礎的測量矩陣而經由取樣排程觸發一或更多個LED，使得PPG訊號被不均勻地取樣不足。
圖4C的圖形430顯示訊號432，其代表藉由處理曲線422的測量資料而取得的重建訊號。更具體而言，重疊圖形410的訊號412的圖形，將訊號432繪成圖。在訊號412與432之間有一些分開的區域(在二個訊號線之間的白色空間)，但是，將觀察到訊號432多緊密地追蹤訊號412。以32Hz取樣取得訊號412，而以5X不足取樣取得訊號432，具有與訊號412幾乎相同的重建訊號表示，顯示如此處所述的系統恢復準確度。
圖5A-5C是根據雜訊環境中壓縮感測重建之恢復的PPG訊號的實施例的圖示。將瞭解，即使在雜訊條件下操作，所述的訊號處理管線應再生輸入訊號的形態。在雜訊環境中，從吵雜的訊號恢復PPG訊號。圖5A的圖形510包含訊號512，其代表輸入的32Hz奈奎斯PPG訊號，是以32Hz取樣的PPG訊號的形狀。訊號512是從沿著y軸的振幅點測量的延著x軸之取樣數目，產生訊號512。根據此處所述的實施例，由系統原型執行圖形520的測量及圖形530的重建。如同所示，重建處理器對取樣不足的資料施加零填補。
圖5B的圖形520顯示訊號的取樣不足表示。取樣不足圖點522是測量取樣點之作圖。圖形520也顯示相對於y軸上的振幅作圖的x軸上的取樣數目。將觀察到圖形 520包含比圖形510少5倍的取樣，顯示其為5X取樣不足之事實。從圖點522也將觀察到如上所述之根據CS為基礎的測量矩陣而經由取樣排程觸發一或更多個LED，使得PPG訊號被不均勻地取樣不足。
圖5C的圖形530顯示訊號532，其代表藉由處理圖點522的測量資料而取得的重建訊號。更具體而言，重疊圖形510的訊號512的圖，將訊號532作圖。相較於圖4C有關之上述所稱的「乾淨的」PPG訊號，在圖形530中，在訊號512與532之間會有分開區域(在二個訊號線之間的白色空間)，但是，將觀察到訊號532如何緊密地追蹤訊號512。以32Hz取樣，取得訊號512，以5X不足取樣，取得訊號532，即使當取樣是吵雜的訊號時，仍具有與訊號512幾乎相同的重建訊號表示，顯示如此處所述的系統恢復準確度。
圖6A-6D是根據壓縮感測PPG訊號重建之實施例的PPG測量系統取得的省電圖示。圖6A的圖形610顯示LED取樣不足比例(x軸)相對於誤差次數(y軸)之比較。更具體而言，曲線612顯示誤差次數相對於此處所述的壓縮感測PPG訊號重建之取樣不足比例。曲線614顯示誤差次數相對於習知的壓縮感測恢復技術之取樣不足比例，習知的壓縮感測恢復技術係使用隨機取樣而不是如同所述的固定樣式取樣。以也使用二元取樣序列及對訊號重建施加零填補之系統，產生圖形610中的特定曲線。將觀察到儘管取得較少取樣，此處所述的固定樣式取樣提供改良的誤 差表性。
圖6B的表格620顯示支持圖形610之表列結果。二個不同訊號要求作為測試條件。首先，要求系統重建32Hz PPG訊號，其次，要求系統重建100Hz PPG訊號。對於32Hz PPG訊號，根據此處所述的系統的一個實施例，對於2%誤差的心率資料，能夠從每秒6個LED取樣重建訊號。對於習知的CS技術，為了取得提供僅2%誤差的心率資料之訊號，其它系統會要求每秒12個取樣、或是二倍。
100Hz PPG訊號重建顯示技術規模達到更高頻率。如同所示，對於具有98%心率擷取準確度之訊號重建，習知的系統要求每秒22個取樣，而根據此處所述的系統實施例僅要求每秒11個取樣。一般而言，相較於習知的系統，在重建誤差(例如，圖6A的圖形610中所示的PRD%)及98%的心率擷取準確度(例如，圖6B的表格620中所示的HR%)之限制下，此處所述的系統降低LED觸發率高達2X-4X。
圖6C的圖形630顯示根據此處所述的系統實施例與習知的32Hz取樣系統之間的省電比較。圖形630的電力特徵顯示測試系統的真實結果。對於根據此處所述的實施例之系統實施例，條狀圖形632顯示總電力使用，並且，由PPG系統組件中斷電力使用。對於習知的連續取樣系統，條狀圖形634顯示總電力使用，以及，由PPG系統組件中斷電力使用。
BTLE(藍芽LE)代表用於從感測器節點發送至計算閘道器之無線電組件的電力使用，對於圖形630中的顯示，包含寬頻感測器實施至膝上型電腦閘道器。電腦電力代表用於感測器系統之計算組件(例如，微控制器)的電力。AFE電力代表用以驅動LED的電力及轉換偵測到的訊號成為數位表示。LED電力代表LED消耗的電量。
圖6D的表650顯示對應於圖形630的表列資訊。如同所示，相較於習知系統，此處所述的系統之LED電力減少是80%。相較於標準的32Hz PPG擷取系統，總感測器節點系統省電68%。因此，將瞭解PPG擷取系統具有顯著降低的資料擷取電力，但不會損失心率評估準確度。
圖7A是流程圖，顯示用以產生用於壓縮感測PPG訊號重建的稀疏測量矩陣之處理實施例。處理700顯示根據此處所述的感測器系統的實施例之感測器節點的PPG訊號測量作業。在一個實施例中，感測器系統取得LED觸發序列，702。在一個實施例中，以觸發序列預先程式化感測器節點。舉例而言，感測器節點包含一或更多個計算組件，觸發LED驅動器以根據固定的LED觸發序列操作。
驅動器驅動LED以根據固定樣式發射光脈衝，704。來自LED的光脈衝會被目標干擾以用於PPG測量，706。在一個實施例中，光脈衝穿透目標的皮膚。在一個實施例中，光脈衝自目標的皮膚表面反射。光偵測器會測量來自目標的光，708。在一個實施例中，AFE接收來自光偵測 器的光並將訊號放大並且將它們轉換成數位表示，710。將瞭解，遍及整個測量窗感測器節點取得PPG測量，這會產生對應於固定觸發排程的測量資料系列。測量資料系列在時域上可以是不均勻的，在取樣之間有不同的時序延遲。取樣系列對應於用於重建的稀疏取樣矩陣。
在一個實施例中，AFE一次傳送一個訊號給處理單元。在一個實施例中，AFE會緩衝多個測量並批次地傳送它們。在任何一個情形中，AFE傳送測量給處理器組件，用以從測量矩陣資料壓縮感測重建PPG訊號，712。在一個實施例中，AFE傳送原始測量資料給處理器。在一個實施例中，在發送資料給處理器之前，AFE會先產生測量矩陣。在一個實施例中，從感測器節點發送的測量資料，處理器產生測量矩陣。在一個實施例中，感測器節點及處理器節點是在分別的裝置中。
圖7B是流程圖，顯示施加壓縮感測至用於PPG訊號重建的稀疏測量矩陣之處理實施例。處理720代表用於PPG訊號重建的作業，可由PPG系統的處理器節點執行。處理器節點從感測器節點接收測量資料，722。在一個實施例中，處理器節點從接收的資料產生測量矩陣。在一個實施例中，處理器節點對測量矩陣執行零填補，724。零填補是根據上述的零填補，可以增進恢復的PPG訊號之品質。
在一個實施例中，根據離散轉換稀疏基礎表示，處理器節點執行計算，726。舉例而言，轉換可為或包含離散 傅立葉轉換、離散餘弦轉換、或其它轉換。根據用於重建及訊號評估的轉換，處理器節點執行計算。轉換可為L1-norm重建的部份。處理器執行L1-norm重建計算以產生頻率係數來指明PPG訊號，728。
圖8是計算系統實施例的方塊圖，壓縮感測PPG訊號重建系統可被實施於其中。系統800代表根據此處所述的任何實施例之計算裝置，根據此處所述的實施例，其可提供處理單元或閘道器。系統800包含膝上型電腦、桌上型電腦、伺服器、遊戲或娛樂控制系統、掃描器、影印機、印表機、路由器或交換裝置、或其它電子裝置。系統800包含處理器820，提供用於系統800的處理、作業管理、及指令執行。處理器820包含任何型式的微處理器、中央處理單元(CPU)、處理核心、或其它處理硬體以提供用於系統800的處理。處理器820控制系統800的整體作業，可為或包含一或更多個可編程通用或專用的微處理器、數位訊號處理器(DSP)、可編程控制器、特定應用積體電路(ASIC)、可編程邏輯裝置(PLD)等等、或這些裝置的組合。處理器820可以執行儲存在記憶體832中的資料及/或寫入或編輯儲存於記憶體832中的資料。
記憶體子系統830代表系統800的主記憶體，以及提供暫時儲存給要由處理器820所執行的碼、或是要用以執行常式的資料值。記憶體子系統830包含例如唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、一或更多個各式各樣的隨機存取記憶體(RAM)等一或更多個記憶體裝置、或是其它記憶體裝 置、或是這些裝置的組合。記憶體子系統830特別儲存及容納作業系統(OS)836以提供軟體平台給系統800中的指令執行。此外，從記憶體子系統830儲存及執行其它指令838以提供系統800的邏輯及處理。OS 836及指令838由處理器820執行。記憶體子系統830包含記憶體裝置832，以儲存資料、指令、程式、或其它項目於其中。在一個實施例中，記憶體子系統包含記憶體控制器834，其為用以產生及發出命令給記憶體裝置832的記憶體控制器。將瞭解記憶體控制器834可為處理器820的實體部份。
處理器820及記憶體子系統830係耦合至匯流排/匯流排系統810。匯流排810是代表由適當的橋接器、轉接器、及/或控制器連接的任何一或更多個分別的實體匯流排、通訊線/介面、及/或點對點連接的總稱。因此，匯流排810包含例如一或更多個系統匯流排、週邊組件互連(PCI)匯流排、超傳輸或工業標準架構(ISA)匯流排、小電腦系統介面(SCSI)匯流排、通用串列匯流排(USB)、或電機電子工程師學會(IEEE)標準1394匯流排(通常稱為「火線」)。匯流排810的匯流排也對應於網路介面850中的介面。
電源812耦合至匯流排810以提供電力給系統800的組件。在一個實施中，電源812包含AC對DC(交流電對直流電)轉接器以插入壁上插座。此AC電力可為可再生能源(例如，太陽電力)。在一個實施例中，電源812僅包含 DC電力，可由例如外部AC至DC轉換器等DC電源提供。在一個實施例中，電源812包含無線充電硬體以經由近接充電電場而充電。在一個實施例中，電源812包含內部電池或燃料電池源。
系統800也包含一或更多個輸入/輸出(I/O)介面840、網路介面850、一或更多個內部大量儲存裝置860、及耦合至匯流排810的週邊介面870。I/O介面840包含使用者藉以與系統800互動的一或更多個介面組件(例如，視訊、音訊、及/或文數字介面)。在一個實施例中，I/O介面840根據儲存在記憶體中的資料及/或由處理器820執行的作業而產生顯示。網路介面850提供系統800與遠端裝置(例如，伺服器、其它計算裝置)經由一或更多個網路通訊的能力。網路介面850包含乙太轉接器、無線互連組件、USB(通用串列匯流排)、或其它有線標準為基礎的或私有介面。網路介面850可以與遠端裝置交換資料，包含發送儲存在記憶體中的資料及/或接收要被儲存於記憶體中的資料。
儲存器860可為或包含任何用於以非依電性方式儲存大量資料的傳統媒體，例如一或更多個磁性、固態、或光學式碟片、或組合。儲存器860以持久狀態固持碼或指令及資料862(亦即，即使中斷供電給系統800，值仍然會被固持)。儲存器860一般被視為是「記憶體」，但是，記憶體830是執行或操作的記憶體以提供指令給處理器820。儲存器860可為非依電性的，而記憶體830包含依 電性記憶體(亦即，假使中斷供電給系統800，則資料的值或狀態會是未定的)。
週邊介面870包含上述未具體述及的任何硬體介面。週邊一般意指相依地連接至系統800的裝置。相依連接是系統800提供軟體及/或硬體平台之連接，所述軟體及/或硬體平台是作業於其上執行，且使用者會與其互動。
在一個實施例中，系統800包含對PPG感測器880的介面。在一個實施例中，PPG感測器880直接耦合至處理器820。在一個實施例中，PPG感測器880經由週邊介面870或是系統800的其它連接而耦合至處理器820。根據此處所述任何實施例，PPG感測器880會產生稀疏測量矩陣資料取樣。PPG感測器880根據固定樣式測量資料。樣式可以是不均勻的。樣式可為二元級數序列。感測器傳送測量資料給處理器820，用於根據壓縮感測重建計算之PPG訊號恢復。系統800可以作為閘道裝置操作以根據稀疏矩陣執行計算。在一個實施例中，處理器820執行來自PPG感測器880的測量資料的零填補。
圖9是行動裝置實施例的方塊圖，壓縮感測PPG訊號重建系統被實施於其中。裝置900代表行動計算裝置，例如平板電腦、行動電話或智慧型電話、無線賦能電子閱讀器、穿戴式計算裝置、或其它行動裝置。將瞭解大致地顯示某些組件，此裝置的所有組件並未全部被顯示於裝置900中。
裝置900包含處理器910，以執行裝置900的主要處 理作業。處理器910包含一或更多個實體裝置，例如微處理器、應用處理器、微控制器、可編程邏輯裝置、或是其它處理機構。由處理器910執行的處理作業包含作業平台或作業系統的執行，應用及/或裝置功能會於作業平台或作業系統上執行。處理作業包含與使用人或其它裝置的I/O(輸入/輸出)有關的作業、與電力管理有關的作業、及/或與連接裝置900至另一裝置有關的作業。處理作業也包含與音訊I/O及/或顯示I/O有關的作業。處理器910可以執行儲存在記憶體中的資料及/或寫入或編輯儲存在記憶體中的資料。
在一個實施例中，裝置900包含音訊子系統920，代表提供音訊功能給計算裝置之相關硬體(例如，音訊硬體及音訊電路)及軟體(例如，驅動程式、編解碼)組件。音訊功能包含揚聲器及/或耳機輸出、以及麥克風輸入。用於這些功能的裝置可以被集成於裝置900中，或是連接至裝置900。在一個實施例中，藉由提供會由處理器910接收及處理的音頻命令，使用者與裝置900互動。
顯示子系統930代表提供視覺及/或觸覺顯示給使用者以與計算裝置互動的硬體(例如，顯示裝置)及軟體(例如，驅動程式)組件。顯示子系統930包含顯示介面932，其包含用以提供顯示給使用者的特定螢幕或硬體裝置。在一個實施例中，顯示介面932包含與處理器910分開的邏輯以執行與顯示有關的至少某處理。在一個實施例中，顯示子系統930包含觸控螢幕裝置，提供輸出及輸入給使用 者。在一個實施例中，顯示子系統930包含高清晰度(HD)顯示器，提供輸出給使用者。高清晰度意指具有約90PPI(每吋像素)或更大的像素密度之顯示器，以及，包含例如全HD(例如，980p)、網膜顯示器、4K(超高清晰度或UHD)、等等之格式。在一個實施例中，顯示子系統930根據儲存在記憶體中的資料及/或由處理器910執行的作業而產生顯示資訊。
I/O控制器940代表與使用者互動有關的硬體裝置及軟體組件。I/O控制器940可以操作以管理硬體，硬體是音頻子系統920及/或顯示子系統930的部份。此外，I/O控制器940顯示用於連接至裝置900之額外裝置的連接點，經由裝置900，使用者可以與系統互動。舉例而言，可以附接至裝置900的裝置包含麥克風裝置、揚聲器或立體聲系統、視訊系統或其它顯示裝置、鍵盤或小鍵盤裝置、或是例如讀卡機或其它裝置等特定應用的其它I/O裝置。
如上所述，I/O控制器940可以與音訊子系統920及/或顯示子系統930互動。舉例而言，經由麥克風或其它音訊裝置的輸入可以提供輸入或命令用於裝置900的一或更多個應用或功能。此外，可以提供音訊輸出，取代或增加至顯示輸出。在另一實例中，假使顯示子系統包含觸控螢幕，則顯示裝置也作為輸入裝置，至少部份地由I/O控制器940管理。在裝置900上也有其它的按鍵或開關以提供由I/O控制器940管理的I/O功能。
在一個實施例中，I/O控制器940管理例如加速計、相機、光感測器或其它環境感測器、陀羅儀、全球定位系統(GPS)、或是可包含於裝置900中的其它硬體。輸入可為直接使用者互動的一部份，以及提供環境輸入給系統來影響其作業(例如，過濾雜訊、調整顯示器亮度偵測、應用相機閃光燈、或其它特點)。
在一個實施例中，裝置900包含電力管理950，其管理電池電力使用、電池充電、及與省電作業有關的特點。電力管理950管理來自電源952的電力，提供電力給系統900的組件。在一個實施例中，電源952包含AC對DC(交流電對直流電)轉接器以插入至壁上插座。此AC電力可為再生能源(例如，太陽電力)。在一個實施例中，電源952僅包含DC電力，可由DC電源提供，例如外部AC對DC轉換器。在一個實施例中，電源952包含無線充電硬體以經由近接充電電場而充電。在一個實施例中，電源952包含內部電池或燃料電池源。
記憶體子系統960包含用於儲存資訊在裝置900中的記憶體裝置962。記憶體子系統960包含非依電性的(亦即，假使中斷供電給記憶體裝置，狀態仍然不變)及/或依電性的(亦即，假使中斷供電給記憶體裝置，則狀態會是未定的)。記憶體960可以儲存應用資料、使用者資料、音樂、相片、文件、或其它資料、以及與系統900的應用及功能的執行有關的系統資料(無論是否長期或暫時的)。在一個實施例中，記憶體子系統960包含記憶體控制器 964(也可被視為系統900的控制之一部份，以及，可能被視為處理器910的部份)。記憶體控制器964包含排程器以產生及發出命令給記憶體裝置962。
連接970包含硬體裝置(例如，無線及/或有線連接器以及通訊硬體)以及軟體組件(例如，驅動程式、協定堆疊)以使裝置900能夠與外部裝置通訊。外部裝置可以是分別的裝置，例如其它計算裝置、無線接取點或基地台、以及例如耳機、印表機、或其它裝置等週邊。在一個實施例中，系統900會與外部裝置交換資料，用於在記憶體中儲存及/或用於在顯示裝置上顯示。交換的資料可以包含要儲存於記憶體中的資料及/或已經儲存在記憶體中的資料，以讀取、寫入或編輯資料。
連接970可包含多個不同型式的連接。一般而言，裝置900係繪示有蜂巢式連接972及無線式連接974。蜂巢式連接972一般意指無線載波提供的蜂巢式網路連接，例如經由GSM(全球行動通訊系統)或變異或衍生、CDMA(分碼多接取)或變異或衍生、TDM(分時多工化)或變異或衍生、LTE(長程演進-也稱為「4G」)、或其它蜂巢式服務標準等提供。無線連接974意指非蜂巢式的無線連接，以及，包含個人區域網路(例如，藍芽)、區域網路(例如，WiFi)、及/或廣域網路(例如，WiMax)、或其它無線通訊。無線通訊意指使用經由非固態介質之調變的電磁輻射來傳送資料。有線通訊經由固態通訊介質而發生。
週邊連接980包含硬體介面及連接器、以及軟體組件 (例如，驅動程式、協定堆疊)以作週邊連接。將瞭解，裝置900可以是週邊裝置(「至」982)至其它計算裝置、以及具有連接至其的週邊裝置(「來自」984)。裝置900通常具有「駐泊式」連接器以為了例如管理(例如，下載及/或上載、改變、同步)裝置900上的內容而連接至其它計算裝置。此外，駐泊式連接器允許裝置900能夠被連接至某些週邊，允許裝置900控制內容能夠被輸出至例如影音或其它系統。
除了專用的駐泊式連接器或其它專用連接硬體之外，裝置900可以經由一般或標準式連接器而形成週邊連接980。一般型式包含通用串列匯流(USB)連接器(包含任何數目的不同硬體介面)、包含迷你顯示埠(MDP)之顯示埠、高清晰度多媒體介面(HDMI)、火線、或其它型式。
在一個實施例中，系統900包含對PPG感測器990的介面。在一個實施例中，PPG感測器990直接耦合至處理器910。在一個實施例中，PPG感測器990經由連接970、週邊連接980、或系統900的其它連接而耦合至處理器910。根據此處所述的任何實施例，PPG感測器990產生稀疏測量矩陣資料取樣。根據固定樣式，PPG感測器測量資料。樣式可以是不均勻的。樣式可為二元級數序列。感測器傳送測量資料給處理器910，用於根據壓縮感測重建計算之PPG訊號恢復。系統900可以作為閘道裝置操作以根據稀疏矩陣來執行計算。在一個實施例中，處理器910執行來自PPG感測器990的測量資料的零填 補。
在一態樣中，脈衝式血氧計包含：發光二極體(LED)，用以發射用於光體積變化描述(PPG)測量的光脈衝；光偵測器，用以根據LED光脈衝受目標之光干擾的偵測而產生測量；以及，介面電路，用以根據固定排程以控制用於LED的光脈衝之觸發，以根據固定排程光脈衝的壓縮感測而致使光偵測器產生用於PPG訊號重建的測量。
在一個實施例中，固定排程能夠可被選取以對不同的目標產生不同數目的取樣，以及，介面電路由選取的固定排程預先配置。在一個實施例中，介面電路會控制光脈衝的觸發，包含根據基於目標之二元式幾何級數排程而觸發LED光脈衝。在一個實施例中，介面電路對於由光偵測器取樣的每一個取樣窗會根據相同的二元式幾何級數以觸發LED光脈衝。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以將固定排程表示成稀疏測量矩陣。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以根據離散傅立葉轉換稀疏基礎表示來執行重建。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以根據離散餘弦轉換稀疏基礎表示來執行重建。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以根據稀疏基礎表示來執行L1-norm恢復。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以在L1-norm恢復執行之前執行稀疏測量矩陣的零填補。在一個實施例中，又包括耦合至介面電路的處理器，處理器會執行PPG 訊號重建。在一個實施例中，脈衝式血氧計電路包括感測器裝置上的電路，又包括與感測器裝置分開的閘道裝置上的處理器，其中，感測器裝置及閘道裝置通訊地耦合在一起。在一個實施例中，感測器電路又包括通訊電路以將原始測量資料從用於閘道裝置的光偵測器傳送給閘道裝置，以執行PPG訊號重建。在一個實施例中，閘道裝置包括行動計算裝置。
在一個態樣中，脈衝器血氧計電路包含：驅動器，用以耦合至發光二極體(LED)，以及致使LED發射光脈衝以用於光體積變化描述(PPG)，包含根據固定排程以控制光脈衝的觸發；以及，類比對數位轉換器(ADC)，用以耦合至光偵測器以根據LED光脈衝與目標的光干擾之光偵測器的偵測而產生數位測量資料系列；其中，光偵測器用以根據固定排程而產生數位測量資料系列，以及，數位測量資料系列用於PPG訊號的壓縮感測重建。
在一個實施例中，固定排程能夠可被選取以對不同的目標產生不同數目的取樣，以及，介面電路由選取的固定排程預先配置。在一個實施例中，驅動器會控制光脈衝的觸發，包含根據基於目標之二元式幾何級數排程而觸發LED光脈衝。在一個實施例中，介面電路對於由光偵測器取樣的每一個取樣窗會根據相同的二元式幾何級數以觸發LED光脈衝。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以將固定排程表示成稀疏測量矩陣。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以根據離散傅立葉轉 換稀疏基礎表示來執行重建。在一個實施例中，PPG訊號重建又包括訊號處理器以根據離散餘弦轉換稀疏基礎表示來執行重建。在一個實施例中，PPG訊號的壓縮感測重建又包括根據PPG訊號的稀疏基礎表示之L1-norm恢復。在一個實施例中，PPG訊號的壓縮感測重建又包括在L1-norm恢復執行之前零填補測量矩陣。在一個實施例中，又包括傳送器以將測量資料系列傳送給處理器來執行PPG訊號的壓縮感測重建，其中，處理器設於與驅動器、ADC、及傳送器分開的電路裝置中。在一個實施例中，又包括耦合至介面電路的處理器，處理器會執行PPG訊號重建。在一個實施例中，感測器電路又包括通訊電路以將原始測量資料從用於閘道裝置的光偵測器傳送給閘道裝置，以執行PPG訊號重建。在一個實施例中，閘道裝置包括行動計算裝置。
在一個態樣中，用於光體積變化描述(PPG)測量的方法，包括：根據固定排程觸發發光二極體(LED)，以致使LED發射光脈衝至目標以用於光體積變化描述(PPG)測量；測量LED光脈衝受目標之光干擾；產生對應於固定排程的測量資料系列，測量系列對應於稀疏取樣矩陣中的登錄；傳送用於PPG訊號的壓縮感測重建的測量系列。在一個實施例中，根據固定排程觸發LED包括根據可選取的固定排程來觸發LED，可選取的固定排程是預配置以對不同目標產生不同數目的取樣。在一個實施例中，根據固定排程觸發LED包括根據二元式幾何級數而觸發 LED。在一個實施例中，根據二元式幾何級數觸發LED包括對於每一個取樣窗施加相同的二元式幾何級數。在一個實施例中，傳送測量系列包括發送測量系列給訊號處理器以將固定排程表示成稀疏測量矩陣。在一個實施例中，傳送測量系列包括發送測量系列給訊號處理器以根據離散傅立葉轉換稀疏表示來執行重建。在一個實施例中，傳送測量系列包括發送測量系列給訊號處理器以根據離散餘弦轉換稀疏表示來執行重建。在一個實施例中，傳送測量系列又包括傳送稀疏取樣矩陣給處理器，以用於根據PPG訊號的疏稀基礎表示之L1-norm恢復。在一個實施例中，又包括在L1-norm恢復執行之前，零填補稀疏取樣矩陣。在一個實施例中，傳送疏稀取樣矩陣用於PPG訊號的壓縮感測重建又包括傳送稀疏取樣矩陣給位於分開的電路裝置中的處理器。在一個實施例中，傳送測量系列又包括傳送原始測量資料給分開的電路裝置。在一個實施例中，分開的電路裝置包括行動計算裝置。
在一個態樣中，製造物件包括可讀取的儲存媒體，具有儲存於上的內容以致使作業執行來執行根據上述方法的態樣之任何實施例的光體積變化描述(PPG)測量方法。在一個態樣中，光體積變化描述(PPG)測量設備包含：機構，用於執行作業以執行根據上述方法的態樣之任何實施例的方法。
此處說明的流程圖提供不同處理動作序列的實例。流程圖標示要由軟體或韌體常式執行的作業、以及實體作 業。在一個實施例中，流程圖顯示有限狀態機(FSM)的狀態，有限狀態機(FSM)能以硬體及/或軟體實施。雖然以特定序列或順序顯示，但是，除非另外指明，否則，動作的次序是可以修改的。因此，所示的實施例應僅被視為舉例說明，且處理可以以不同次序執行，以及，某些動作可以平行執行。此外，在不同的實施例中，一或更多個動作可以被省略；因此，在每一個實施例中，並未要求所有動作。其它的處理流程是可能的。
於此說明各式各樣作業或功能以致於它們可以被說明成或界定成軟體碼、指令、配置、及/或資料。內容是可直接執行的(「物件」或「可執行」形式)、原始碼、或差異碼(「差值」、「修補」碼)。經由具有內容儲存於上的製造物件、或是經由操作通訊介面以經由通訊介面發送資料之方法，可以提供此處所述的實施例之軟體內容。機器可讀取的儲存媒體可致使機器執行所述的功能或作業，以及包含以可由機器(例如，計算裝置、電子系統、等等)存取的形式儲存資訊之任何機構，例如可記錄/不可記錄媒體(例如，唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置、等等)。通訊介面包含可與任何實體接線、無線、光學等等介質介接以傳輸至另一裝置的任何機構，例如記憶體匯流排介面、處理器匯流排介面、網際網路連接、碟片控制器、等等。藉由提供配置參數及/或發送訊號以使通訊介面準備提供說明軟體內容的資料訊號，而配置通訊介面。可以經 由發送給通訊介面的一或更多個命令或訊號，存取通訊介面。
此處說明的各種組件是用於執行所述的作業或功能的機構。此處說明的各組件包含軟體、硬體、或它們的組合。組件可實施成軟體模組、硬體模組、專用硬體(例如，特定應用硬體、特定應用積體電路(ASIC)、數位訊號處理器(DSP)、等等)、嵌入式控制器、實體電路、等等。
除了此處所述，在不悖離發明範圍之下，可以對揭示的本發明實施例及實施作不同的修改。因此，此處之說明及舉例應被視為說明性的而非限定的。本發明的範圍僅由後附申請專利範圍界定。
102:目標
110:感測器
112:發光二極體
114:光偵測器
120:前端
122:通訊介面
130:TX路徑
132:CS脈衝控制
134:驅動器
140:RX路徑
142:放大器
144:ADC
150:後端
152:通訊介面
160:處理器
162:取樣控制
164:CS重建邏輯

Claims (20)

  1. 一種脈衝式血氧計系統，包括：發光二極體(LED)，用以發射光脈衝；光偵測器，用以基於該等LED光脈衝與目標之光干擾的偵測而產生光體積變化描述(PPG)取樣；以及介面電路，用以控制從該LED到該目標之該等光脈衝的觸發，以致使該LED以固定排程來觸發，而致使該光偵測器基於該等光脈衝的壓縮感測而以低取樣同調性產生非均勻間隔的PPG取樣用於PPG訊號重建，其中，該固定排程能夠可被選取而對不同的目標產生不同數目的取樣，以及，該介面電路係要被預先配置有選取的固定排程，其包含根據基於該目標之二元式幾何級數排程而觸發該等LED光脈衝。
  2. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，其中，該介面電路係用以對於由該光偵測器所取樣的每一個取樣窗根據相同的二元式幾何級數來觸發該等LED光脈衝。
  3. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，其中，該PPG訊號重建又包括訊號處理器用以將該固定排程表示成稀疏測量矩陣。
  4. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，其中，該PPG訊號重建又包括訊號處理器用以基於離散傅立葉轉換稀疏基礎表示來執行重建。
  5. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，其 中，該PPG訊號重建又包括訊號處理器用以基於離散餘弦轉換稀疏基礎表示來執行重建。
  6. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，其中，該PPG訊號重建又包括訊號處理器用以基於稀疏基礎表示來執行L1-norm恢復。
  7. 如請求項6之脈衝式血氧計系統，其中，該PPG訊號重建又包括訊號處理器用以在實施該L1-norm恢復之前實施稀疏測量矩陣的零填補。
  8. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，又包括耦合至該介面電路的處理器，該處理器用以執行該PPG訊號重建。
  9. 如請求項1之脈衝式血氧計系統，其中，該脈衝式血氧計系統包括感測器裝置上的電路，且又包括與該感測器裝置分開之閘道裝置上的處理器，其中，該感測器裝置及該閘道裝置係通訊地耦合在一起。
  10. 如請求項9之脈衝式血氧計系統，其中，該感測器電路又包括通訊電路用以將原始測量資料從該光偵測器傳送給該閘道裝置，該閘道裝置的該處理器用以實施PPG訊號重建。
  11. 如請求項9之脈衝式血氧計系統，其中，該閘道裝置包括行動計算裝置。
  12. 一種脈衝器血氧計電路，包括：驅動器，用以耦合至發光二極體(LED)，以及致使該LED發射光脈衝，其包含根據二元式幾何級數而觸發該 LED光脈衝，且該光偵測器的每一個取樣窗有相同的二元式幾何級數，而以固定排程來控制該等光脈衝的觸發；以及，類比對數位轉換器(ADC)，用以耦合至光偵測器以基於該等LED光脈衝與目標的光干擾之光偵測器的偵測而以低取樣同調性產生具有非均勻間隔之取樣的數位光體積變化描述(PPG)取樣資料系列；其中，該光偵測器用以根據該固定排程而產生該數位取樣資料系列，並且，發射該數位取樣資料系列用於PPG訊號的壓縮感測重建。
  13. 如請求項12之脈衝式血氧計電路，其中，該PPG訊號的壓縮感測重建又包括基於該PPG訊號的稀疏基礎表示之L1-norm恢復。
  14. 如請求項13之脈衝式血氧計電路，其中，該PPG訊號的壓縮感測重建又包括在該L1-norm恢復的實施之前零填補測量矩陣。
  15. 如請求項12之脈衝式血氧計電路，又包括傳送器，以將該取樣資料系列傳送給處理器來實施該PPG訊號的壓縮感測重建，其中，該處理器係位於與該驅動器、ADC、及傳送器分開的電路裝置中。
  16. 一種光體積變化描述(PPG)測量的方法，包括：觸發發光二極體(LED)，以致使該LED按照二元式幾何級數的方式而以固定排程將光脈衝發射至目標； 測量該LED光脈衝與目標之光干擾；以低取樣同調性產生對應於該固定排程之具有非均勻間隔之取樣的PPG取樣系列，該取樣系列對應於稀疏取樣矩陣中的登錄；以及傳送用於該PPG訊號的壓縮感測重建的該測量系列。
  17. 如請求項16之方法，其中，基於二元式幾何級數而觸發該LED包括對每一個取樣窗施加相同的二元式幾何級數。
  18. 如請求項16之方法，其中，傳送該稀疏取樣矩陣用於該PPG訊號的壓縮感測重建又包括傳送該稀疏取樣矩陣給處理器，以用於基於該PPG訊號的疏稀基礎表示之L1-norm恢復。
  19. 如請求項18之方法，又包括在該L1-norm恢復的實施之前零填補該稀疏取樣矩陣。
  20. 如請求項16之方法，其中，傳送該疏稀取樣矩陣用於該PPG訊號的壓縮感測重建又包括傳送該稀疏取樣矩陣給位於分開的電路裝置中的處理器。
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