專利名稱：基于環(huán)境光的低功耗、高精度光電容積描記信號(hào)前端處理模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種光電容積描記信號(hào)前端 處理模塊。
背景技術(shù)：
光電容積描記信號(hào)(PPG)在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、 微循環(huán)外周血管脈率、呼吸率和呼吸容量等的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)中都有很好的應(yīng)用前 景。而PPG信號(hào)前端處理模塊是這些穿戴式無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀器的重要組成部分。
穿戴式醫(yī)療儀器要求低功耗，從而降低系統(tǒng)散熱、減小電池體積、延長(zhǎng)電 池使用壽命。無(wú)論是集成電路還是分立電路，設(shè)計(jì)者的精力大部分都集中于降 低電路本身的功耗。實(shí)際上，LED的功耗已經(jīng)占系統(tǒng)總功耗的很大部分。因 此，為進(jìn)一步降低功耗，必須降低LED的功耗。采用脈沖方式控制LED可以降 低LED的功耗，進(jìn)而降低系統(tǒng)的功耗。但是，當(dāng)環(huán)境光線充足時(shí)，仍然使用 LED作為光源的話，也是一種能源浪費(fèi)。
另外，運(yùn)動(dòng)偽差及噪聲的千擾也是PPG信號(hào)測(cè)量和處理中需要解決的重要 問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種功耗更低、精度更高的光電容 積描記信號(hào)前端處理;f莫塊。
一種光電容積描記信號(hào)前端處理模塊，包括第一光電接收器、第二光電接 收器、第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路、第二光電容積描記信號(hào)前端處理 電路、第一傳輸電路、第二傳輸電路、比較電路、LED控制電路、LED;所述 第一光電接收器用于接收經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第一電信號(hào)；所述第 二光電接收器用于接收未經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第二電信號(hào)；所述第
一光電容積描記信號(hào)前端處理電路用于處理第一電信號(hào)；所述第二光電容積描記信號(hào)前端處理電路用于處理第二電信號(hào)；所述比較電路用于將第一光電容積 描記信號(hào)前端處理電路的輸出與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；當(dāng)?shù)谝还怆娙莘e描記信 號(hào)前端處理電路的輸出大于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電路分別向第一傳輸電^各和第 二傳輸電路發(fā)出第一控制信號(hào)，此時(shí)，第一傳輸電路輸出第一輸出信號(hào)，第二 傳輸電路輸出第二輸出信號(hào)；當(dāng)?shù)谝还怆娙莘e描記信號(hào)前端處理電路的輸出小 于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電路向LED控制電路發(fā)出第二控制信號(hào)，LED控制電路 相應(yīng)開啟LED。
優(yōu)選的，所述第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路還用于得到第一電信號(hào) 的信噪比；所述比較電路還用于將第一電信號(hào)的信噪比與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較； 當(dāng)?shù)谝浑娦盘?hào)大于設(shè)定的閾值，且第一電信號(hào)的信噪比大于設(shè)定的閾值時(shí)，比 較電路輸出第一控制信號(hào)；當(dāng)?shù)谝浑娦盘?hào)的信噪比小于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電 路輸出第二控制信號(hào)。
優(yōu)選的，所述第一輸出信號(hào)和/或第二輸出信號(hào)用于為自適應(yīng)濾波器提供輸 入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪聲。
此外，還提供一種光電容積描記信號(hào)前端處理方法，包括接收經(jīng)人體透 射或反射的光，并輸出第一電信號(hào)；接收未經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第 二電信號(hào)；處理第一電信號(hào)；處理第二電信號(hào)；將第一電信號(hào)與設(shè)定的閾值進(jìn) 行比較；若第一電信號(hào)大于設(shè)定的閾值，則輸出第一控制信號(hào)；若第一電信號(hào) 小于設(shè)定的閾值，則輸出第二控制信號(hào)。
優(yōu)選的，還包括輸出第一電信號(hào)的信噪比；將第一電信號(hào)的信噪比與設(shè) 定的閾值進(jìn)行比較；若第一電信號(hào)大于設(shè)定的閾值，且第一電信號(hào)的信噪比大 于設(shè)定的閾值，則輸出第一控制信號(hào)；若第一電信號(hào)的信噪比小于設(shè)定的閾值， 則輸出第二控制信號(hào)。
上述光電容積描記信號(hào)前端處理模塊通過(guò)判斷光電容積描記信號(hào)前端處理 電路的輸出是否符合比較電路設(shè)定的條件，當(dāng)環(huán)境光線充足、信號(hào)強(qiáng)時(shí)，利用 環(huán)境光線作為光源；當(dāng)環(huán)境光線不足、信號(hào)弱時(shí)，開啟LED,利用LED與環(huán)境 光線共同作為光源，從而可以有效的降低功耗。并且，第一及第二輸出電路的輸出為自適應(yīng)濾波器提供輸入信號(hào)，從而消除運(yùn)動(dòng)偽差及噪聲帶來(lái)的誤差。


圖1是PPG信號(hào)前端處理模塊在穿戴式醫(yī)療儀器中的應(yīng)用示意圖。 圖2是PPG信號(hào)前端處理模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3是PPG信號(hào)前端處理模塊第一實(shí)施方式的第一種情況的示意圖。 圖4是PPG信號(hào)前端處理模塊第一實(shí)施方式的第二種情況的示意圖。 圖5是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第一種情況的示意圖。 圖6是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第二種情況的示意圖。 圖7是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第三種情況的示意圖。 圖8是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第四種情況的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是PPG信號(hào)前端處理模塊在穿戴式醫(yī)療儀器中的應(yīng)用示意圖。PPG信 號(hào)前端處理模塊1可以安裝在基于PPG信號(hào)處理的具有生理參數(shù)測(cè)量功能的指 環(huán)2、基于PPG信號(hào)處理的具有生理參數(shù)測(cè)量功能的衣服3、基于PPG信號(hào)處 理的具有生理參數(shù)測(cè)量及顯示功能的手表5或基于PPG信號(hào)處理的具有生理參 數(shù)測(cè)量及顯示功能的手機(jī)6。處理后的PPG信號(hào)以無(wú)線發(fā)送的方式傳送至數(shù)據(jù) 處理和顯示終端4。低功耗、高精度PPG信號(hào)前端處理4莫塊可以用分立元件或 集成電路實(shí)現(xiàn)。
圖2是PPG信號(hào)前端處理模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。PPG信號(hào)前端處理模塊包括 第一PPG信號(hào)前端處理電路101、第一傳輸電路102、第二PPG信號(hào)前端處理 電路103、第二傳輸電路104、比較電路105、 LED控制電路106、第一光電接 收器107、第二光電接收器108、 LED 109、自適應(yīng)濾波器IIO。
比較電路105選取合適的閾值T,保證LED 109工作時(shí)，PPG信號(hào)經(jīng)前端 處理電路處理后的輸出值大于T。
圖3是PPG信號(hào)前端處理模塊第一實(shí)施方式的第一種情況的示意圖。環(huán)境光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射由第一光電接收器107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電接收 器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第一PPG信號(hào)前端處理電路101處理，得到PPG信 號(hào)T,a。未經(jīng)人體透射或反射的環(huán)境光線由第二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng) 第二光電接收器108轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二PPG前端處理電路103處理，得 到PPG信號(hào)Tlb。比較電路105將T,a與閾值T進(jìn)行比傘文，若Tla>T，比較電^各 105發(fā)出第一控制信號(hào)，控制第一傳輸電路102和第二傳輸電路104工作，Tla 及T,b分別從第一傳輸電路102和第二傳輸電路104輸出。此輸出信號(hào)為自適應(yīng) 濾波器110提供輸入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪 聲。
圖4是PPG信號(hào)前端處理模塊第一實(shí)施方式的第二種情況的示意圖。環(huán)境 光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射后由第一光電接收器107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電接 收器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第一PPG信號(hào)前端處理電鴻dOl處理，得到T,a。 未經(jīng)人體的環(huán)境光線由第二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng)第二光電接收器108 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二PPG前端處理電路103處理，得到T化。比較電路105 將T,a與閾值T進(jìn)行比較，若T^T,說(shuō)明環(huán)境光線不足，比較電路發(fā)出第二控 制信號(hào)控制LED控制電路106工作，LED控制電路106開啟LED 109,由LED 109與環(huán)境光線共同作為光源。
環(huán)境光線和LED 109發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射后由第一光電接收器 107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電接收器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第一PPG信號(hào)前 端處理電路101處理，得到T^。未經(jīng)透射或反射的環(huán)境光線和LED 109發(fā)出的 光線由第二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng)第二光電接收器108轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 后，經(jīng)第二PPG前端處理電路103處理，得到T2b。比較電路105將T2a與閾值 T進(jìn)行比較，若T2a>T，比較電路105發(fā)出第一控制信號(hào)，控制第一傳輸電路 102和第二傳輸電路104工作，T2a及T2b分別從第一傳輸電路102和第二傳輸電 路104輸出。同時(shí)，LED 109開啟條件不滿足，LED109關(guān)閉，由環(huán)境光提供光 源。此后，從第一種情況起，重復(fù)前面的過(guò)程。輸出信號(hào)可為自適應(yīng)濾波器 IIO提供輸入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪聲。設(shè)定LED控制電路106有N種工作狀態(tài)，可以控制LED 109的N種亮度。 比較電路中有兩個(gè)比較模塊， 一個(gè)與第一實(shí)施方式相同，比較經(jīng)PPG信號(hào)前端 處理電路處理的PPG信號(hào)輸出值，另 一個(gè)比較經(jīng)PPG信號(hào)前端處理電路處理的 PPG信號(hào)的信噪比(SNR)。兩個(gè)比較模塊的閾值分別為T和SNR。
圖5是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第一種情況的示意圖。環(huán)境 光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射后由第一光電接收器107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電接 收器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第一PPG信號(hào)前端處理電路101處理，得到Th。 未經(jīng)人體透射或反射的環(huán)境光線由第二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng)第二光 電接收器108轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二PPG前端處理電路103處理，得到T化。 比較電路105將T,a與閾值T比較，若T^〉T，再比較信噪比，若SNR,一SNR, 產(chǎn)生第一控制信號(hào)，控制第一傳輸電路102和第二傳輸電路104工作，Th及T化 分別從第一傳輸電路102和第二傳輸電路104輸出。；愉出信號(hào)可為自適應(yīng)濾波 器110提供輸入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪聲。
圖6是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第二種情況的示意圖。若 Tla>T，而SNRla<SNR,比較電路產(chǎn)生控制信號(hào)S,,控制LED控制電路106工 作，LED控制電路處于狀態(tài)1，使LED 109處于亮度1,由LED109和環(huán)境光 線共同作為光源。LED 109發(fā)出的光線和環(huán)境光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射后由第 一光電接收器107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電接收器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，此電 信號(hào)經(jīng)第一PPG信號(hào)前端處理電路101處理，得到Th。未經(jīng)人體透射或反射的 LED 109發(fā)出的光線和環(huán)境光線直接由第二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng)第 二光電接收器108轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二PPG前端處理電路103處理，得到 T2b。重復(fù)前面的比較，直到Tna>T且SNRna>SNR,比較電路105發(fā)出第一控制
信號(hào)，控制第一傳輸電路102和第二傳輸電路104工作，Tna及T。b分別從第一
傳輸電路102和第二傳輸電路104輸出。同時(shí)，LED 109開啟條件不滿足，LED 109關(guān)閉，由環(huán)境光提供光源。此后，重復(fù)前面的過(guò)程。輸出信號(hào)可為自適應(yīng) 濾波器110提供輸入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪聲。圖7是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第三種情況的示意圖。環(huán)境 光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射后由第一光電接收器107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電接 收器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第一PPG信號(hào)前端處理電^各101處理，得到T,a。 未經(jīng)人體透射或反射的環(huán)境光線由第二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng)第二光 電接收器108轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二PPG前端處理電路103處理，得到T化。 比較電路105將T^與閾值T進(jìn)行比較，若丁13<1\說(shuō)明環(huán)境光線不足，比較電 路105發(fā)出控制信號(hào)S,，控制LED控制電路106工作，LED控制電路使LED 109處于狀態(tài)1,由LED 109和環(huán)境光線共同作為光源。LED 109發(fā)出的光和環(huán) 境光線經(jīng)過(guò)人體透射或反射后由第一光電接收器107接收，光信號(hào)經(jīng)第一光電 接收器107轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，此電信號(hào)經(jīng)第一 PPG信號(hào)前端處理電路101處 理，得到T&。未經(jīng)過(guò)人體反射或透射的LED 109發(fā)出的光和環(huán)境光線直接由第 二光電接收器108接收，光信號(hào)經(jīng)第二光電接收器108轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第 二 PPG前端處理電路103處理，得到T2b。比較電路105將T2a與閾值T比較， 若仍有T2a<T，比較電路105發(fā)出控制信號(hào)S2,控制LED控制電路106工作， LED控制電路106使LED 109處于狀態(tài)2,仍由LED 109和環(huán)境光線共同作為 光源。此后， 一直重復(fù)工作，直至第一PPG信號(hào)前端處理電路101的輸出信號(hào) Tma>T。然后再比較SNR,若SNRm^SNR，比較電路105發(fā)出第一控制信號(hào)，
控制第一傳輸電路102和第二傳輸電路104工作，T肌及T。b分別從第一傳輸電
路102和第二傳輸電路104輸出。同時(shí)，LED 109開啟條件不滿足，LED 109
關(guān)閉。此后，從第二實(shí)施方式的第一種情況起重復(fù)工作。輸出信號(hào)可為自適應(yīng)
濾波器110提供輸入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪 士尸。
圖8是PPG信號(hào)前端處理模塊第二實(shí)施方式的第四種情況的示意圖。在第 一 PPG信號(hào)前端處理電路101的輸出信號(hào)Tma>T后，若SNRma<SNR,繼續(xù)比 較，直至Tna>T且SNRna>SNR。 T肌及Tnb分別從第一傳輸電路102和第二傳輸 電路104輸出。同時(shí)，LED 109開啟條件不滿足，LED109關(guān)閉。此后，從第二 實(shí)施方式的第一種情況起，重復(fù)工作。輸出信號(hào)可為自適應(yīng)濾波器110提供輸入信號(hào)，以消除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪聲。
上述PPG信號(hào)前端處理模塊通過(guò)判斷PPG信號(hào)是否符合比較電路設(shè)定的條 件，當(dāng)環(huán)境光線充足、信號(hào)強(qiáng)時(shí)，利用環(huán)境光線作為光源；當(dāng)環(huán)境光線不足、 信號(hào)弱時(shí)，開啟LED，利用LED與環(huán)境光線共同作為光源。從而可以有效的降 低功耗。
并且，上述PPG信號(hào)前端處理模塊還通過(guò)判斷PPG信號(hào)的信噪比是否符合 比較電路設(shè)定的條件，只有符合設(shè)定的條件時(shí)才輸出PPG信號(hào)，從而使輸出的 PPG信號(hào)具有較高的精度。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳 細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前"t是下，還可以估丈出若干變 形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以 所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種光電容積描記信號(hào)前端處理模塊，其特征在于包括第一光電接收器、第二光電接收器、第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路、第二光電容積描記信號(hào)前端處理電路、第一傳輸電路、第二傳輸電路、比較電路、LED控制電路、LED；所述第一光電接收器用于接收經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第一電信號(hào)；所述第二光電接收器用于接收未經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第二電信號(hào)；所述第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路用于處理第一電信號(hào)；所述第二光電容積描記信號(hào)前端處理電路用于處理第二電信號(hào)；所述比較電路用于將第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路的輸出與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；當(dāng)?shù)谝还怆娙莘e描記信號(hào)前端處理電路的輸出大于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電路分別向第一傳輸電路和第二傳輸電路發(fā)出第一控制信號(hào)，此時(shí)，第一傳輸電路輸出第一輸出信號(hào)，第二傳輸電路輸出第二輸出信號(hào)；當(dāng)?shù)谝还怆娙莘e描記信號(hào)前端處理電路的輸出小于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電路向LED控制電路發(fā)出第二控制信號(hào)，LED控制電路相應(yīng)開啟LED。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電容積描記信號(hào)前端處理模塊，其特征在于 所述第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路還用于得到第一電信號(hào)的信噪比；所 述比較電路還用于將第一電信號(hào)的信噪比與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；當(dāng)?shù)谝浑娦?號(hào)大于設(shè)定的閾值，且第一電信號(hào)的信噪比大于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電路輸出 第一控制信號(hào)；當(dāng)?shù)谝浑娦盘?hào)的信噪比小于設(shè)定的閾值時(shí)，比較電路輸出第二 控制信號(hào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電容積描記信號(hào)前端處理模塊，其特征在于 所述第一輸出信號(hào)和/或第二輸出信號(hào)用于為自適應(yīng)濾波器提供輸入信號(hào)，以消 除背景噪聲、運(yùn)動(dòng)偽差、環(huán)境變化引起的噪聲。
4、 一種光電容積描記信號(hào)前端處理方法，包括 接收經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第一電信號(hào)； 接收未經(jīng)人體透射或反射的光，并輸出第二電信號(hào)； 處理第一電信號(hào)；處理第二電信號(hào)；將第一電信號(hào)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；若第一電信號(hào)大于設(shè)定的閾值，則 輸出第一控制信號(hào)；若第一電信號(hào)小于設(shè)定的閾值，則輸出第二控制信號(hào)。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電容積描記信號(hào)前端處理方法，其特征在于 還包括輸出第一電信號(hào)的信噪比；將第一電信號(hào)的信噪比與設(shè)定的闊值進(jìn)行比較；若第一電信號(hào)大于設(shè)定的 閾值，且第一電信號(hào)的信噪比大于設(shè)定的閾值，則輸出第一控制信號(hào)；若第一 電信號(hào)的信噪比小于設(shè)定的閾值，則輸出第二控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電容積描記信號(hào)前端處理模塊，包括第一光電接收器、第二光電接收器、第一光電容積描記信號(hào)前端處理電路、第二光電容積描記信號(hào)前端處理電路、第一傳輸電路、第二傳輸電路、比較電路、LED控制電路、LED。當(dāng)環(huán)境光線充足，信號(hào)質(zhì)量好時(shí)，利用環(huán)境光線作為光源，LED關(guān)閉。當(dāng)環(huán)境光線不足，信號(hào)質(zhì)量差時(shí)，利用環(huán)境光線和LED作為光源。光電容積描記信號(hào)前端處理電路的輸出可以為自適應(yīng)濾波提供輸入。所述光電容積描記信號(hào)前端處理模塊具有低功耗、高精度的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61B5/0295GK101627902SQ200910108688
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者張?jiān)? 嚴(yán) 李 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院;香港中文大學(xué)