本申請(qǐng)要求于2014年8月4日提交的標(biāo)題為“TRACKING SLOW VARYING FREQUENCY IN A NOISY ENVIRONMENT AND APPLICATIONS IN HEALTHCARE”的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)序列No.14/450,433的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)整體上通過(guò)引用被結(jié)合于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，具體而言涉及用于在嘈雜環(huán)境中跟蹤緩慢移動(dòng)的頻率的數(shù)字信號(hào)處理。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代電子在醫(yī)療保健中是普遍存在的。例如，監(jiān)測(cè)裝備系統(tǒng)常常設(shè)有用以感測(cè)、測(cè)量和監(jiān)測(cè)生物的電子部件和算法。監(jiān)測(cè)裝備可以測(cè)量生命體征，諸如呼吸速率、血液中的氧水平、心率等。監(jiān)測(cè)裝備不僅在臨床設(shè)置中使用，而且監(jiān)測(cè)裝備也常常在運(yùn)動(dòng)裝備和消費(fèi)電子設(shè)備中使用。

由許多監(jiān)測(cè)裝備執(zhí)行的一個(gè)重要測(cè)量是心率，通常以每分鐘的心跳(BPM)來(lái)測(cè)量。運(yùn)動(dòng)員使用心率監(jiān)測(cè)器來(lái)獲得關(guān)于鍛煉的即時(shí)反饋，而健康護(hù)理專業(yè)人員使用心率監(jiān)測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)患者的健康?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有許多可用的測(cè)量心率的解決方案。例如，電子心率監(jiān)測(cè)器可以以胸帶和手表的形式找到。但是，由于這些監(jiān)視器的傳感器所提供的信號(hào)中存在大量的噪聲，這些電子心率監(jiān)測(cè)器常常不是非常準(zhǔn)確。噪聲常常由移動(dòng)的用戶和監(jiān)測(cè)器與用戶之間缺乏牢固接觸引起。嘈雜的環(huán)境常常導(dǎo)致缺乏BPM輸出，或者不規(guī)律/異常的BPM輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

心率監(jiān)測(cè)器被嘈雜的傳感器數(shù)據(jù)困擾，這使得監(jiān)測(cè)器難以輸出恒定準(zhǔn)確的心率讀數(shù)。為了解決噪聲的問(wèn)題，一些監(jiān)測(cè)器盲目地丟棄太嘈雜的傳感器數(shù)據(jù)，并停止產(chǎn)生心率讀數(shù)。在一些情況下，如果監(jiān)測(cè)器不丟棄嘈雜的傳感器數(shù)據(jù)，則嘈雜的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)造成不規(guī)律的心率讀數(shù)。其結(jié)果是，嘈雜的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的心率讀數(shù)或根本沒(méi)有心率讀數(shù)。本公開(kāi)內(nèi)容描述了一種用于通過(guò)評(píng)估輸入信號(hào)的頻率信息是否類似心跳來(lái)限制輸入信號(hào)(即，確定輸入信號(hào)的一部分是否有可能導(dǎo)致準(zhǔn)確的心率讀數(shù))的改進(jìn)技術(shù)。所得到的改進(jìn)的心率監(jiān)測(cè)器對(duì)于在嘈雜的環(huán)境中跟蹤心率是魯棒的。

附圖說(shuō)明

為了提供對(duì)本公開(kāi)內(nèi)容及其特征和優(yōu)點(diǎn)的更完整的理解，結(jié)合附圖參考以下描述，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分，其中：

圖1示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的說(shuō)明性心率監(jiān)測(cè)裝置和鄰近該心率監(jiān)測(cè)器的生物的一部分。

圖2示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的心率監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)圖；

圖3示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的用于在嘈雜環(huán)境中跟蹤由一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的方法的示例性流程圖；

圖4示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的用于在嘈雜環(huán)境中跟蹤由一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的更詳細(xì)方法的示例性流程圖；

圖5示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的在用于限制輸入信號(hào)的改進(jìn)機(jī)構(gòu)中可用的可能的心跳限制器和信號(hào)限制器；

圖6A-C示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的用于在嘈雜環(huán)境中跟蹤由一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的方法的示例性實(shí)現(xiàn)；

圖7A-B分別示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的具有微小噪聲的相對(duì)良好的數(shù)據(jù)集以及通過(guò)對(duì)這種數(shù)據(jù)集應(yīng)用用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的示例性結(jié)果；

圖8A-B分別示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的具有大噪聲的數(shù)據(jù)集以及通過(guò)對(duì)這種數(shù)據(jù)集應(yīng)用用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的示例性結(jié)果；及

圖9A-B分別示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有表現(xiàn)出飽和度和大量噪聲的數(shù)據(jù)的一部分的數(shù)據(jù)以及通過(guò)對(duì)這種數(shù)據(jù)集應(yīng)用用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的示例性結(jié)果。

具體實(shí)施方式

了解心率監(jiān)測(cè)器的嘈雜環(huán)境的問(wèn)題

心率監(jiān)測(cè)器常常鄰近生物的皮膚提供。監(jiān)測(cè)器通過(guò)感測(cè)與心率監(jiān)測(cè)器鄰近的皮膚的一個(gè)或多個(gè)方面來(lái)被動(dòng)地跟蹤或測(cè)量心率。由于這種測(cè)量的被動(dòng)本質(zhì)，傳感器數(shù)據(jù)會(huì)受到嚴(yán)重影響心率監(jiān)測(cè)器確定準(zhǔn)確心跳的能力的許多噪聲源的影響。這些源可以包括對(duì)傳感器的外部干擾、傳感器和/或心率監(jiān)測(cè)器的內(nèi)部噪聲、造成傳感器測(cè)量皮膚各方面的能力中斷的運(yùn)動(dòng)，等等。此外，心率監(jiān)測(cè)器受到不同生物的皮膚的變化性以及在心率監(jiān)測(cè)器使用期間皮膚和環(huán)境的變化性的影響。所有這些不同的來(lái)源和問(wèn)題對(duì)心率監(jiān)測(cè)器提取準(zhǔn)確心率的能力都具有不利影響。

本公開(kāi)內(nèi)容描述了使用光源和光學(xué)傳感器來(lái)測(cè)量生物的心率的心率監(jiān)測(cè)器所面臨的一些具體挑戰(zhàn)。圖1示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的說(shuō)明性心率監(jiān)測(cè)裝置和鄰近該心率監(jiān)測(cè)器的生物的一部分。特別地，該圖示出了示出監(jiān)測(cè)裝置與生物的該部分的空間關(guān)系的橫截面。在這個(gè)示例性心率監(jiān)測(cè)設(shè)置中，使用光體積描記法(PPG)的方法，其中基于當(dāng)血液通過(guò)動(dòng)脈被推動(dòng)時(shí)皮膚中的光吸收的變化來(lái)被動(dòng)地或間接地測(cè)量心率。如果由光學(xué)傳感器104提供的信號(hào)不具有大量噪聲，則可以觀察到由于當(dāng)血液通過(guò)動(dòng)脈被泵送時(shí)血液體積的變化而導(dǎo)致的信號(hào)中的脈沖。然后，信號(hào)中的脈沖可以用于提取心率。

本文所述的心率監(jiān)測(cè)裝置不限于圖1中所示的特定示例。雖然本公開(kāi)內(nèi)容沒(méi)有詳細(xì)描述其它類型的心率監(jiān)測(cè)器，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這些挑戰(zhàn)也適用于其它類型的心率監(jiān)測(cè)器或者提供心率監(jiān)測(cè)功能的其它類型的設(shè)備，或者甚至利用其它類型的感測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)備。此外，在本公開(kāi)內(nèi)容的上下文中，隨著時(shí)間的推移測(cè)量、跟隨、提取、確定或感測(cè)心率(或一些其它緩慢變化的頻率)的持續(xù)過(guò)程被稱為“跟蹤緩慢變化的頻率”。

具體而言，圖1示出了具有光源102和光學(xué)傳感器104的示例性心率監(jiān)測(cè)裝置。光源可以發(fā)射在適于應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。在一些實(shí)施例中，光源102和光學(xué)傳感器102可以單獨(dú)提供，或者光源102可以被偏置，以作為光學(xué)傳感器104執(zhí)行。例如，紅色LED可以用作紅色光源和紅光檢測(cè)器。在一些實(shí)施例中，光源103和光學(xué)傳感器104可以彼此靠近地在心率監(jiān)測(cè)裝置的外殼或構(gòu)件中提供，或者以其中光學(xué)傳感器104可以測(cè)量由生物的部分106對(duì)光(如由光源103生成的)的吸收的任何合適構(gòu)造提供。光源將光照射到生物106的部分106上，并且光學(xué)傳感器104測(cè)量光學(xué)傳感器104附近的光，其可以包括從部分106反射的光和環(huán)境光。生物的各個(gè)部分都可以用作部分106，例如手指、手臂、前額、耳朵、胸部、腿、腳趾等，只要可以相對(duì)容易地測(cè)量血液體積的變化即可。在一些情況下，部分106可以在生物的身體的內(nèi)部。

一般而言，如果心率監(jiān)測(cè)裝置可以牢固地固定到生物的部分106并且在使用期間保持與部分106的相對(duì)穩(wěn)定的接觸，則由光學(xué)傳感器提供的輸入信號(hào)將表現(xiàn)出非常小的噪聲并且可以容易地提取心率。但是，在許多場(chǎng)景中，心率監(jiān)測(cè)裝置沒(méi)有牢固地固定到部分106(即使對(duì)于使用涉及帶子(band)、綁帶(strap)、粘合劑或其它合適附件的部分108)，或者將裝置牢固地粘附或附連到部分106對(duì)于生物來(lái)說(shuō)是不期望的或不舒適的。在這些場(chǎng)景中，由光學(xué)傳感器104提供的信號(hào)通常受到來(lái)自環(huán)境光的噪聲、由心率監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)或者由一些其它噪聲源造成的偽像的影響。因此，在這些非理想的場(chǎng)景中(即，在嘈雜環(huán)境中)正確檢測(cè)心率會(huì)是具有挑戰(zhàn)性的。試圖基于嘈雜的信號(hào)檢測(cè)心率會(huì)導(dǎo)致不規(guī)律或錯(cuò)誤的心率讀數(shù)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些心率監(jiān)測(cè)裝置包括如果數(shù)據(jù)被認(rèn)為不可用于跟蹤心率就丟棄數(shù)據(jù)的某些部分的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以包括測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)110，以評(píng)估輸入信號(hào)是否有可能由于心率確定所依賴的運(yùn)動(dòng)偽像而過(guò)度降級(jí)。在那些情況下，當(dāng)加速度計(jì)110感測(cè)到太多運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)讀數(shù)會(huì)使得裝置丟棄數(shù)據(jù)或使用加速度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)心率。這對(duì)于經(jīng)歷大量加速度(例如，在體育環(huán)境(setting)中)的心率監(jiān)測(cè)裝置來(lái)說(shuō)會(huì)是有問(wèn)題的，用戶將簡(jiǎn)單地不具有心率輸出，或者準(zhǔn)確的心率輸出在使用中的大量時(shí)間期間都不可用。對(duì)于這種裝置的甚至更加微妙的問(wèn)題是信號(hào)數(shù)據(jù)的被盲目丟棄的部分對(duì)于心率檢測(cè)仍然足夠好，但盲目丟棄的部分不再用于跟蹤。

一些心率監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)評(píng)估信號(hào)質(zhì)量(例如，頻譜域中的頻譜峰有多清晰)來(lái)丟棄被認(rèn)為太嘈雜的信號(hào)的部分。這可以有助于去除信號(hào)的嘈雜部分，但是未被丟棄的數(shù)據(jù)對(duì)于心跳跟蹤并不總是可靠的。雖然這種裝置可以丟棄太嘈雜的信號(hào)的一部分，但是表現(xiàn)出用于跟蹤心跳的清晰頻譜峰的輸入信號(hào)的某些部分仍然會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的心跳讀數(shù)，因?yàn)榍逦姆蹇赡苁沁\(yùn)動(dòng)偽像或者影響心率檢測(cè)的其它偽像源的結(jié)果。例如，輸入信號(hào)中被運(yùn)動(dòng)偽像降級(jí)但具有清晰頻譜峰的一部分會(huì)使得心率跟蹤機(jī)構(gòu)跟蹤到對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)偽像而不是真實(shí)心率的頻率。

用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)系統(tǒng)和方法

上面提到的心率監(jiān)測(cè)裝置的問(wèn)題源于具有用于丟棄輸入數(shù)據(jù)的粗略機(jī)構(gòu)。換句話說(shuō)，上面提到的裝置的失敗是由于粗略機(jī)構(gòu)不能以細(xì)微差別的方式精確地區(qū)分好信號(hào)、壞信號(hào)和有些差的信號(hào)而造成的。本公開(kāi)內(nèi)容描述了一種改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)，其減輕了上面提到的一些問(wèn)題。改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)更細(xì)微并且可以使輸入信號(hào)能夠以這樣一種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使在存在噪聲的情況下也允許跟蹤器更好地跟蹤心率。通過(guò)對(duì)“限制”機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，心率監(jiān)測(cè)裝置可以在嘈雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更魯棒的性能。改進(jìn)的“限制”機(jī)構(gòu)可以增加輸入信號(hào)中可用數(shù)據(jù)的量，由此提高心率輸出的準(zhǔn)確度和一致性。此外，改進(jìn)的“限制”機(jī)構(gòu)可以通過(guò)提供更好和更可用的輸入信號(hào)來(lái)提高用于跟蹤心跳的跟蹤機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確度。

改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)充分利用心率的特性來(lái)更好地確定應(yīng)當(dāng)丟棄或衰減輸入信號(hào)的哪些部分。具體而言，改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)旨在基于以下見(jiàn)解來(lái)保持輸入信號(hào)中類似心跳的那部分：

·心率通常不會(huì)消失；

·心率變化緩慢，即，心率隨時(shí)間相對(duì)緩慢地變化；及

·心率通常限制在0.5Hz-3.5Hz。

特別地，改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)充分利用與心跳的緩慢變化方面相關(guān)的最新見(jiàn)解來(lái)衰減/丟棄不表現(xiàn)出緩慢變化的頻率的數(shù)據(jù)樣本。所得到的限制機(jī)構(gòu)能夠更好地限制輸入信號(hào)并提高心率跟蹤的準(zhǔn)確度。以下段落進(jìn)一步詳細(xì)描述如何實(shí)施并且實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)。

示例性改進(jìn)的心率監(jiān)測(cè)裝置和方法

圖2示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的心率監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)提供了用于實(shí)現(xiàn)或啟用用于跟蹤在嘈雜環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)傳感器所提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的方法的部分的布置。類似于圖1，該裝置包括光源102、光學(xué)傳感器104。光源可以是發(fā)光二極管(LED)，或用于發(fā)射光的任何合適的部件。依賴于應(yīng)用，由光源102發(fā)射的用于測(cè)量心率(例如，血液體積)的光可以是任何合適的波長(zhǎng)。該裝置可以包括發(fā)射一定范圍的波長(zhǎng)的光的多個(gè)光源。光學(xué)傳感器104可以是與光源102相同的設(shè)備，或者光學(xué)傳感器104在光源102附近提供，以測(cè)量光學(xué)傳感器104附近的光，例如，為了測(cè)量由光源102發(fā)射的光的在皮膚中的吸收，以實(shí)現(xiàn)PPG。可選地，該裝置可以包括加速度計(jì)110，以測(cè)量整個(gè)裝置的加速度。此外，該裝置可以包括其它傳感器202或其它類型的傳感器，這些傳感器可以提供信息以輔助限制和/或心率跟蹤?？梢蕴峁┘呻娐?04，以驅(qū)動(dòng)光源102并提供模擬前端204，以接收由光學(xué)傳感器104、加速度計(jì)110和其它傳感器202提供的信號(hào)。在一些實(shí)施例中，模擬前端204可以(如果期望)將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本。模擬前端可以與處理器206通信，以提供數(shù)據(jù)樣本，處理器206將處理這些數(shù)據(jù)樣本，以跟蹤緩慢變化的頻率，例如心跳。

處理器206可以包括用于處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率的特定于若干具體應(yīng)用的部分或模塊。處理器206可以包括專門(mén)布置成處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率的電子電路。處理器206包括專門(mén)布置成處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率的可編程邏輯門(mén)。處理器206可以是設(shè)有用以跟蹤緩慢變化的頻率的特定于應(yīng)用的組件的數(shù)字信號(hào)處理器，和/或處理器可以執(zhí)行(存儲(chǔ)在非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的)具體指令，用于執(zhí)行跟蹤緩慢變化的頻率的方法。圖3示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的這種(例如，圖2中所示的裝置可以使用處理器206實(shí)現(xiàn)的)方法的示例性流程圖，用于跟蹤由嘈雜環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率。在高級(jí)別，該方法包括限制部件302、信號(hào)調(diào)節(jié)部件304(依賴于限制部件)和跟蹤部件306(依賴于限制部件302和/或信號(hào)調(diào)節(jié)部件304)。該方法可以繼續(xù)回到限制部件302，以處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本流中的其它數(shù)據(jù)樣本。

參考圖2和圖3，處理器206的部分可以包括以下一個(gè)或多個(gè)：限制器208、信號(hào)調(diào)節(jié)器210、跟蹤器212和重建器216，例如為了實(shí)現(xiàn)圖3中所示的方法。

限制器208實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)相關(guān)的功能(對(duì)應(yīng)于圖3中所示的方法的限制部件302)，例如，包括在向跟蹤器212提供數(shù)據(jù)樣本之前確定輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的特定部分是否要提供給跟蹤器212，或者輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的特定部分是否應(yīng)當(dāng)被衰減或?yàn)V波的(一個(gè)或多個(gè))決定。

信號(hào)調(diào)節(jié)器210實(shí)現(xiàn)與基于限制器208中的(一個(gè)或多個(gè))決定來(lái)處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本以準(zhǔn)備供跟蹤器212進(jìn)一步處理的數(shù)據(jù)樣本相關(guān)的功能(對(duì)應(yīng)于圖3中所示的方法的信號(hào)調(diào)節(jié)部件304)。例如，信號(hào)調(diào)節(jié)器210可以以某種方式對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行濾波(或者對(duì)數(shù)據(jù)樣本應(yīng)用濾波器)、對(duì)數(shù)據(jù)樣本應(yīng)用掩碼、衰減某些數(shù)據(jù)樣本、修改某些數(shù)據(jù)樣本的值，和/或從特定的傳感器中選擇某些數(shù)據(jù)樣本供進(jìn)一步處理。信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程可以依賴于限制器208的(一個(gè)或多個(gè))輸出。

跟蹤器212基于來(lái)自信號(hào)調(diào)節(jié)器210的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)與跟蹤緩慢變化的頻率(例如，心跳)相關(guān)的功能(對(duì)應(yīng)于圖3中所示的方法的跟蹤部件306)。換句話說(shuō)，跟蹤器連續(xù)地監(jiān)測(cè)進(jìn)入的數(shù)據(jù)樣本(原始數(shù)據(jù)或者由信號(hào)調(diào)節(jié)器210提供的)，并嘗試連續(xù)地確定在來(lái)自傳感器的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的頻率?？梢越?jīng)由輸出214(例如，揚(yáng)聲器、顯示器、觸覺(jué)輸出設(shè)備等)向用戶提供跟蹤器212的輸出，例如所確定的按每分鐘的心跳的心率。

重建器216可以實(shí)現(xiàn)與(重新)構(gòu)建或合成緩慢變化的頻率(例如，心跳)的時(shí)域表示相關(guān)的功能。基于輸入信號(hào)的頻率信息，重建器216可以人為地生成具有緩慢變化的頻率的輸入信號(hào)的更干凈的版本(本文稱為“重建的信號(hào)”)。重建的信號(hào)可以在許多應(yīng)用中是有用的。例如，重建的信號(hào)可以被提供給輸出214用于顯示。重建的信號(hào)還可以被保存，用于以后的處理和/或觀看。一般而言，重建的信號(hào)對(duì)于讓用戶在視覺(jué)上和分析地評(píng)估生物的健康會(huì)是有用的，其中移除了不相關(guān)的噪聲成分。例如，重建的信號(hào)可以輔助醫(yī)療保健專業(yè)人員評(píng)估生物是否具有與心臟和動(dòng)脈健康相關(guān)的任何底層條件。這種重建的信號(hào)可以通過(guò)首先使用限制器208、信號(hào)調(diào)節(jié)器210和跟蹤器來(lái)跟蹤緩慢變化的頻率而生成。在這個(gè)過(guò)程期間，可以獲得改進(jìn)的數(shù)據(jù)樣本的頻率信息。對(duì)應(yīng)于心跳的頻率(被跟蹤的緩慢變化的頻率)的頻率信息的峰或部分可以被隔離，其中去除在該峰或部分之外的頻率信息，包括信號(hào)的高次諧波。然后，重建器216可以對(duì)隔離的峰應(yīng)用逆頻率變換(例如，快速傅里葉逆變換)，以獲得重建的信號(hào)。

限制器208、信號(hào)調(diào)節(jié)器210、跟蹤器212和重建器216可以包括用于執(zhí)行它們的對(duì)應(yīng)功能的手段。用于執(zhí)行功能的數(shù)據(jù)和/或指令可以在存儲(chǔ)器218(其可以是非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì))中存儲(chǔ)和維持。在一些實(shí)施例中，限制器208(對(duì)應(yīng)于圖3中所示的方法的限制部件302)可以影響在跟蹤器212(對(duì)應(yīng)于圖中3所示的方法的跟蹤部件306)中執(zhí)行的處理。這個(gè)特征由具有虛線的箭頭表示。圖2中所示的裝置僅僅是心率裝置的示例，可以設(shè)想，可以提供其它合適的布置，以實(shí)現(xiàn)用于跟蹤由嘈雜的環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法。

圖4示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的用于跟蹤由嘈雜環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的更詳細(xì)方法的示例性流程圖。用于跟蹤由嘈雜的環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的重要方面之一是限制何時(shí)輸入信號(hào)表現(xiàn)出緩慢移動(dòng)的頻率時(shí)(或者何時(shí)輸入不表現(xiàn)出緩慢移動(dòng)的頻率)的能力。這個(gè)方面有利地防止跟蹤機(jī)構(gòu)鎖定到與心跳不相關(guān)的其它頻率，即，不是緩慢變化的或者不是從之前跟蹤的緩慢變化的頻率平穩(wěn)流動(dòng)的(常常與其它噪聲源或偽像關(guān)聯(lián)的)其它頻率上。

具體方法包括接收第一輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本(方框402)。第一輸入信號(hào)可以由光學(xué)傳感器生成，并且在一些情況下，第一輸入信號(hào)由模擬前端處理，以產(chǎn)生第一輸入信號(hào)的(數(shù)字)數(shù)據(jù)樣本。數(shù)據(jù)樣本由處理器接收用于限制。在這個(gè)具體方法中，限制包括確定是否存在緩慢變化的頻率。具體而言，該具體方法還包括基于第一輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本提取第一輸入信號(hào)的時(shí)間-序列頻率信息(方框404)。例如，頻率變換被應(yīng)用到數(shù)據(jù)樣本的一部分，以獲得頻率信息(關(guān)于一定范圍的頻率和用于該頻率范圍的振幅)。頻率信息的突出分量(例如，諧波、峰或具有大振幅的頻率)可以指示輸入信號(hào)中的周期性信號(hào)的頻率，諸如心率。此外，該具體方法包括確定頻率信息是否在時(shí)間-序列中表現(xiàn)出不連續(xù)性(菱形框406)。

充分利用心率緩慢變化的見(jiàn)解，檢查頻率信息，例如在時(shí)間-序列頻率信息中觀察到的突出分量，以(隨時(shí)間)確定是否存在緩慢變化的頻率。時(shí)間-序列頻率信息中的不連續(xù)或中斷可以指示頻率信息中的突出分量更有可能是不與心跳關(guān)聯(lián)的其它源的證據(jù)。

這種見(jiàn)解允許以更智能的方式執(zhí)行對(duì)緩慢變化的頻率的跟蹤，其中該方法可以基于頻率信息是否表現(xiàn)出不連續(xù)性來(lái)處理數(shù)據(jù)樣本，以跟蹤緩慢變化的頻率。如果在時(shí)間-序列頻率信息中觀察到不連續(xù)性(突出分量在短時(shí)間內(nèi)從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率，即，頻率不是緩慢變化的)，則該方法可以執(zhí)行對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的信號(hào)調(diào)節(jié)，以便在跟蹤緩慢變化的頻率(方框408)之前濾波、移除或掩蔽可能不與心跳關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的部分(方框410)。如果在時(shí)間-序列頻率信息中觀察不到(尖銳的)不連續(xù)性(突出分量?jī)H在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)從一個(gè)頻率變到另一個(gè)頻率，或者說(shuō)頻率是緩慢變化的)，則該方法繼續(xù)執(zhí)行緩慢變化的頻率的跟蹤(方框408)。

這種改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是其防止具有不同頻率的其它信號(hào)或噪聲源被錯(cuò)誤地檢測(cè)為緩慢變化的頻率(即，心跳)的能力。限制允許適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)，以準(zhǔn)備可以導(dǎo)致更好的跟蹤的數(shù)據(jù)樣本。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)在數(shù)據(jù)樣本被處理以跟蹤緩慢變化的頻率之前濾波、移除、衰減、修改或移除數(shù)據(jù)樣本的某些不期望的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。

雖然關(guān)于表示心跳的緩慢變化的頻率描述了本文所述的許多示例，但是可以設(shè)想，該方法可以在用于跟蹤其它類型的緩慢變化的頻率的其它場(chǎng)景中(例如，具有不突然改變或跳躍的頻率的現(xiàn)象或事件)適用。此外，雖然本文的示例是利用由一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)來(lái)描述的，但是可以設(shè)想，該方法可以用于跟蹤在由其它類型的傳感器生成的信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率，其中傳感器包括但不限于：光學(xué)傳感器、音頻傳感器、電容式傳感器、磁傳感器、化學(xué)傳感器、濕度傳感器、水分傳感器、壓力傳感器和生物傳感器。

心跳限制器和信號(hào)限制器

除了充分利用心率的緩慢變化的頻率，還有幾種其它方法來(lái)改善限制(以便在跟蹤之前啟用數(shù)據(jù)樣本的更好的信號(hào)調(diào)節(jié))。廣義地說(shuō)，限制器可以智能地識(shí)別輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本中將更有可能導(dǎo)致心跳的準(zhǔn)確和一致跟蹤的部分。當(dāng)單獨(dú)或組合使用時(shí)，使用限制器做出的決定可以在數(shù)據(jù)樣本被跟蹤器處理之前(即，在嘗試提取或確定對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的頻率之前)控制數(shù)據(jù)樣本的信號(hào)調(diào)節(jié)。其結(jié)果是，限制器可以改進(jìn)提供給跟蹤器的數(shù)據(jù)樣本的質(zhì)量，并且在存在噪聲的情況下跟蹤將變得更加魯棒。

圖5示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的在用于限制輸入信號(hào)的改進(jìn)機(jī)構(gòu)中可用的可能的心跳限制器和信號(hào)限制器。心跳限制器充分利用心跳的特性來(lái)評(píng)估一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)多有可能具有心跳，并且信號(hào)限制器從一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)推斷一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)是否被噪聲和/或偽像過(guò)度破壞，以使能心率能夠被準(zhǔn)確和一致地跟蹤。心跳限制器和信號(hào)限制器的分類是不確定的，因?yàn)橐恍┬奶拗破骺梢耘c信號(hào)限制器相關(guān)。

可以使用多個(gè)限制器來(lái)處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本，以評(píng)估數(shù)據(jù)樣本是否適于跟蹤或控制信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)如何處理數(shù)據(jù)樣本，以準(zhǔn)備它們進(jìn)行跟蹤。如果期望，則一個(gè)或多個(gè)限制器也可以控制跟蹤過(guò)程。來(lái)自限制器的輸出可以使用AND運(yùn)算符、OR運(yùn)算符、投票機(jī)構(gòu)、加權(quán)投票機(jī)構(gòu)、決策樹(shù)、用于分類數(shù)據(jù)樣本是好還是壞的人工智能算法、用于組合來(lái)自限制器的輸出的任何合適的組合機(jī)構(gòu)等等。輸出可以使數(shù)據(jù)樣本的某些部分被掩蔽或衰減，或者使數(shù)據(jù)樣本以某種方式被濾波，以準(zhǔn)備數(shù)據(jù)樣本用于跟蹤。在一些情況下，限制器的輸出在被提供給信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程之前不組合在一起，而是作為輸入或參數(shù)被饋送到信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程，以控制這種過(guò)程。

心跳限制器：隨時(shí)間緩慢變化的頻率

在一個(gè)示例中，改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)包括用于確定時(shí)間-序列頻率信息是否表現(xiàn)出不連續(xù)性，或者相反地，時(shí)間-序列頻率信息是否隨時(shí)間表現(xiàn)出緩慢變化的頻率的限制器(“緩慢變化？”506)(例如，使用關(guān)于圖4所述的方法)。這個(gè)限制器涉及圖4中所述的方法。檢測(cè)頻率信息中的不連續(xù)性(即，檢測(cè)已經(jīng)緩慢變化的突出頻率中的突變或大變化)是數(shù)據(jù)樣本有可能包括與心跳無(wú)關(guān)的信號(hào)分量的良好指示。響應(yīng)于該限制，整體跟蹤方法可以包括在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前對(duì)與頻率信息中的不連續(xù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或移除該部分(為了更好地調(diào)節(jié)信號(hào)用于跟蹤)。

在一些實(shí)現(xiàn)中，“緩慢變化？”限制器506可以通過(guò)確定數(shù)據(jù)樣本的第一窗口的頻率信息和數(shù)據(jù)樣本的第二窗口的頻率信息來(lái)提取第一輸入信號(hào)的時(shí)間-序列頻率信息。依賴于實(shí)現(xiàn)，窗口可以(高度)重疊或?qū)嵸|(zhì)上彼此相鄰。此外，限制機(jī)構(gòu)可以通過(guò)確定數(shù)據(jù)樣本的第一窗口的頻率信息與數(shù)據(jù)樣本的第二窗口的頻率信息之間的差異是否大于閾值來(lái)確定頻率信息是否在時(shí)間-序列中表現(xiàn)出不連續(xù)性。例如，限制器可以計(jì)算第一窗口的頻率信息的一個(gè)突出分量與第二窗口的頻率信息的一個(gè)突出分量之間的差異，以評(píng)估該差值是否大于閾值。

閾值可以以不同的方式提供。閾值可以基于過(guò)去的測(cè)試數(shù)據(jù)憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)先確定。在一些情況下，閾值是自適應(yīng)的，例如，閾值可以基于與時(shí)間-序列頻率信息中的突出分量關(guān)聯(lián)的過(guò)去頻率的平均值和/或與時(shí)間-序列頻率信息中的突出分量關(guān)聯(lián)的過(guò)去頻率的變化。自適應(yīng)閾值可以有利地基于與時(shí)間-序列頻率信息的突出分量關(guān)聯(lián)的過(guò)去頻率中的過(guò)去變化來(lái)估計(jì)頻率的變化是否不連續(xù)性太大。閾值可以基于一個(gè)或多個(gè)因素或用戶輸入可參數(shù)化。

心跳限制器：感興趣的合理頻帶

在一個(gè)示例中，改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)包括用于確定頻率信息是否包括在表示該方法正在跟蹤的緩慢變化的頻率(即，心跳)的預(yù)期頻率范圍之外的突出分量的限制器(“在正常心臟頻率之內(nèi)嗎？”508)。通常，心率在0.5赫茲至3.5赫茲之間(在一些情況下，其可以高達(dá)4或5赫茲)。如果輸入信號(hào)的頻率信息具有在感興趣的合理頻帶之外的突出分量，則很有可能數(shù)據(jù)樣本不具有可跟蹤的心跳。

通過(guò)在提取輸入信號(hào)的時(shí)間-序列頻率信息之前用濾波器處理數(shù)據(jù)樣本以實(shí)質(zhì)上衰減在對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的緩慢變化的頻率的感興趣的合理頻帶之外的信號(hào)成分(或者應(yīng)用掩蔽處理以實(shí)現(xiàn)類似的效果)，這個(gè)限制器可以與信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)合。濾波器可以是低通濾波器(例如，傳遞在從0-3.5赫茲、0-4赫茲、0-4.5赫茲或其類似變體的帶寬中的信號(hào))或帶通濾波器(例如，傳遞在從0.5-3.5赫茲、0.5-4赫茲、0-4.5赫茲或其類似變體的帶寬中的信號(hào))。用于衰減在感興趣的合理頻帶之外的信號(hào)的濾波器的類型可以依賴于應(yīng)用而變化。此外，感興趣的合理頻帶可以依賴于應(yīng)用而變化。在一個(gè)示例中，感興趣的合理頻帶包括0.5赫茲至3.5赫茲的頻帶(或者包括0.5赫茲至3.5赫茲之間的頻率)，其適于保持更有可能與心跳關(guān)聯(lián)的頻率成分。

信號(hào)限制器：加速度計(jì)輔助的限制

如果提供加速度計(jì)作為心率監(jiān)測(cè)裝置的一部分，則有可能基于加速度計(jì)數(shù)據(jù)的頻率信息推斷關(guān)于由光學(xué)傳感器提供的輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的信息。例如，即使當(dāng)存在大量運(yùn)動(dòng)時(shí)，也有可能確定數(shù)據(jù)樣本是否仍然可用于跟蹤。雖然一些監(jiān)測(cè)裝置假設(shè)如果存在大量運(yùn)動(dòng)就沒(méi)有來(lái)自光學(xué)傳感器的輸入信號(hào)可用，但是現(xiàn)實(shí)并不是簡(jiǎn)單地如此，因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器在運(yùn)動(dòng)的情況下仍然可以報(bào)告一些可用的信號(hào)，尤其是如果光學(xué)傳感器的輸入信號(hào)中來(lái)自運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)發(fā)生在與心率預(yù)期的合理頻率(0.5-3.5赫茲)不同的頻率處。為此，改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定由光學(xué)傳感器提供的輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本是否報(bào)告太多可被跟蹤器使用的運(yùn)動(dòng)或者是否輸入信號(hào)因?yàn)闆](méi)有受到運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)重影響而仍然可被跟蹤器使用的限制器(“ACC頻率與LED頻率重疊？”限制器510)。

當(dāng)加速度計(jì)已經(jīng)檢測(cè)到大量運(yùn)動(dòng)時(shí)，不是簡(jiǎn)單地丟棄數(shù)據(jù)樣本的一部分，而是限制器確定在由光學(xué)傳感器提供的輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的頻率信息與由加速度計(jì)提供的輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的頻率信息之間是否存在共有的分量/諧波。如果與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的頻率信息的突出分量也出現(xiàn)在與光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的頻率信息中，則跟蹤器可能錯(cuò)誤地跟蹤到該突出分量上，這可能是運(yùn)動(dòng)偽像而不是真實(shí)心跳的結(jié)果。因此，用于跟蹤的方法可以包括接收指示一個(gè)或多個(gè)傳感器的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本，并且基于指示運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本提取時(shí)間-序列運(yùn)動(dòng)頻率信息。當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)結(jié)合時(shí)，該方法還包括：如果對(duì)應(yīng)于特定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)頻率信息具有與相同特定時(shí)間的頻率信息共有的一個(gè)或多個(gè)分量，則在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前，對(duì)與該相同特定時(shí)間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或者移除該部分。

信號(hào)限制器：異常

有時(shí)候，傳感器或支持傳感器的其它電子產(chǎn)品中的噪聲、誤差或故障會(huì)生成異常值。改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定哪些數(shù)據(jù)樣本太異常的限制器(“異常？”限制器512)。如果數(shù)據(jù)樣本大于預(yù)定閾值，則可以認(rèn)為它們是異常的。預(yù)定閾值可以基于傳感器能夠生成的值的已知范圍來(lái)建立。例如，閾值可以設(shè)置用于確定數(shù)據(jù)值何時(shí)太高或太低或者何時(shí)數(shù)據(jù)值超出預(yù)定的預(yù)期值范圍時(shí)的絕對(duì)邊界。例如，如果傳感器被評(píng)定為僅生成在-10到+10之間的值，則值100是異常的(例如，基于+10的閾值，或+10加減合理范圍的可接受誤差)。

具體而言，限制器可以檢查數(shù)據(jù)樣本的值，并且基于諸如閾值的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估特定的數(shù)據(jù)樣本是否異常(例如，具有可能由噪聲或某種其它偽像造成的值)。例如，數(shù)據(jù)樣本的某些值是不尋常的并且有可能指示數(shù)據(jù)值中的錯(cuò)誤。如果數(shù)據(jù)樣本具有超過(guò)閾值或低于閾值的值，則確定數(shù)據(jù)樣本與異常條件關(guān)聯(lián)。當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)結(jié)合時(shí)，用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法還包括在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤合理范圍之前對(duì)指示一個(gè)或多個(gè)傳感器的異常條件的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或者移除該部分。例如，異常數(shù)據(jù)樣本可以被移除，或者用正常值或之前/后續(xù)的值替換。

信號(hào)限制器：飽和

改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定數(shù)據(jù)樣本何時(shí)看起來(lái)處于飽和的限制器(“飽和？”限制器514)。飽和會(huì)由于傳感器和電子電路的底層物理特性而發(fā)生。當(dāng)發(fā)生飽和時(shí)，輸入信號(hào)將看起來(lái)是“平坦的線”并且看起來(lái)是失真的。例如，數(shù)據(jù)樣本可以包括以下值序列：[1,2,2,3,4,5,4,5,6,7,9,9,9,9,9,9,9,6,7,6,5,4,4,4,3,2,4]。9的序列看起來(lái)指示飽和條件。當(dāng)輸入信號(hào)飽和時(shí)，數(shù)據(jù)樣本有可能不提供用于跟蹤的任何良好信息。

為了將數(shù)據(jù)樣本限制為飽和，限制器可以檢查數(shù)據(jù)樣本的值。例如，限制器可以檢查數(shù)據(jù)值是否對(duì)于一段時(shí)間(或?qū)τ诙鄠€(gè)樣本)沒(méi)有改變。如果數(shù)據(jù)值對(duì)于一段時(shí)間沒(méi)有改變，則有可能輸入信號(hào)飽和?；陲柡蜆?biāo)準(zhǔn)，限制器可以評(píng)估特定的數(shù)據(jù)樣本是否與飽和條件關(guān)聯(lián)。當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)結(jié)合時(shí)，用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法還包括在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前對(duì)指示一個(gè)或多個(gè)傳感器的飽和條件的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或者移除該部分。

信號(hào)限制器：跳躍(或偏移)

改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定數(shù)據(jù)樣本何時(shí)看起來(lái)突然改變并且對(duì)于一段時(shí)間保持漂移一個(gè)偏移的限制器(“跳躍？”限制器515)。例如，數(shù)據(jù)樣本可以包括以下值序列：[1,1,1,2,3,2,1,27,29,28,27,28,27,28,3,2,2,1,2,3,4]。值序列[27,29,28,27,28,27,28]看起來(lái)具有不同于序列[1,1,1,2,3,2,1]和[3,2,2,1,2,3,4]的偏移。來(lái)自感測(cè)心率的傳感器的沒(méi)有大量噪聲或偽像的理想信號(hào)應(yīng)當(dāng)相對(duì)緩慢地變化并且平滑，并且不突然地經(jīng)歷值的偏移。為此，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本的值跳到另一個(gè)偏移達(dá)一段時(shí)間時(shí)，在沒(méi)有任何信號(hào)調(diào)節(jié)的情況下，數(shù)據(jù)樣本可能不提供用于跟蹤的任何良好信息。

為了將數(shù)據(jù)樣本限制為在偏移中具有漂移或跳躍，限制器可以檢查數(shù)據(jù)樣本的值。例如，限制器可以對(duì)于多個(gè)樣本檢查數(shù)據(jù)樣本之間的(一個(gè)或多個(gè))差異是否太高(或者超過(guò)某個(gè)閾值或者超過(guò)允許的變化量)。在一些情況下，限制器可以檢查數(shù)據(jù)樣本的某些相鄰或高度非重疊的窗口以及數(shù)據(jù)樣本的那些窗口的平均值，以評(píng)估數(shù)據(jù)樣本的值是否漂移了偏移。如果觀察到的偏移大于預(yù)定閾值，則可能輸入信號(hào)被破壞。

當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)結(jié)合時(shí)，該方法可以包括在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前對(duì)與超過(guò)預(yù)定閾值的偏移關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或移除該部分。例如，可以漂移數(shù)據(jù)樣本的值，以移除偏移中的跳躍。在另一個(gè)實(shí)例中，可以應(yīng)用低通濾波器或平滑濾波器來(lái)衰減數(shù)據(jù)值中的偏移量變化的量值。設(shè)想移除跳躍的其它方式。根據(jù)上面的示例，通過(guò)人工移除(例如，由偽像造成的)偏移，值序列[27,29,28,27,28,27,28]可以變成[3,5,4,3,4,3,4](減去偏移量24)或[4,6,5,4,5,4,5](減去偏移量23)。

信號(hào)限制器：太大或太小

改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定數(shù)據(jù)樣本何時(shí)看起來(lái)太大或太小的限制器(“太大或太小？”限制器516)。來(lái)自感測(cè)心率的傳感器的理想信號(hào)應(yīng)當(dāng)基于過(guò)去或后續(xù)的數(shù)據(jù)樣本的值落在合理值的范圍內(nèi)。為此，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本的值具有在該范圍之外的值或者距離數(shù)據(jù)樣本的平均值太遠(yuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)樣本可能不提供用于跟蹤的任何良好信息，因?yàn)閿?shù)據(jù)樣本可能被噪聲或某個(gè)其它偽像破壞。合理值的范圍可以依賴于之前和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)樣本的值而變化，并且該范圍可以基于測(cè)試數(shù)據(jù)憑經(jīng)驗(yàn)確定。該范圍還可以基于之前和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)樣本的窗口的平均值來(lái)確定。

為了將數(shù)據(jù)樣本限制為太大或太小，限制器可以檢查數(shù)據(jù)樣本的值。例如，限制器可以檢查數(shù)據(jù)樣本的值是否落在基于之前和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)樣本計(jì)算的期望值的范圍之外。在一些情況下，限制器可以確定數(shù)據(jù)樣本的值與預(yù)期平均值之間的差異是否高于閾值。如果數(shù)據(jù)樣本的值落在范圍(從之前和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)樣本計(jì)算的預(yù)期范圍)之外，則可能輸入信號(hào)被破壞。當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)結(jié)合時(shí)，用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法可以包括在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前對(duì)在預(yù)期值范圍之外的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或者移除該部分。在一些情況下，遮蔽或?yàn)V波可以用預(yù)期的平均值替換在預(yù)期值范圍之外的數(shù)據(jù)樣本。

使用多于一個(gè)光學(xué)傳感器

用于測(cè)量用于PPG的輸入信號(hào)的波長(zhǎng)可以跨越從藍(lán)色到紅外的波長(zhǎng)。在經(jīng)典的應(yīng)用中，使用兩種顏色(常常為660nm和940nm)的LED用于測(cè)量血氧飽和度。這些設(shè)備大批量生產(chǎn)并且容易獲得。在還有另一個(gè)應(yīng)用中，簡(jiǎn)單的單色LED(比如說(shuō)940nm)可以用于通過(guò)測(cè)量返回信號(hào)中的周期性變化來(lái)測(cè)量心率。在一些情況下，使用綠色LED來(lái)拾取由手腕上的血流引起的吸收變化。

不同波長(zhǎng)的光不同地從皮膚反射(由于色素沉著和皺紋，以及皮膚的其它特征)，并且不同的光學(xué)傳感器在感測(cè)從皮膚反射的光時(shí)在存在運(yùn)動(dòng)的情況下傾于表現(xiàn)不同。基于這種見(jiàn)解，有可能推斷關(guān)于運(yùn)動(dòng)的存在和/或輸入信號(hào)的質(zhì)量的信息。還有可能基于該見(jiàn)解來(lái)改進(jìn)要由跟蹤器處理的數(shù)據(jù)樣本?？梢允褂镁哂胁煌ㄩL(zhǎng)的多個(gè)光源(例如，紅色LED和綠色LED)。例如，通過(guò)感測(cè)這些光源并檢查用于檢測(cè)具有相應(yīng)波長(zhǎng)的光的光學(xué)傳感器的輸入信號(hào)或者來(lái)自寬帶光學(xué)傳感器的輸入信號(hào)的光譜的不同部分之間的差異，有可能推斷輸入信號(hào)的某些數(shù)據(jù)樣本是否可能已經(jīng)受到運(yùn)動(dòng)或某種其它偽像的影響。

廣義地說(shuō)，如果不同類型的光學(xué)傳感器在各種條件下(或一般來(lái)說(shuō))的不同特性和行為是已知的，則可以提供內(nèi)部一致的模型?；趦?nèi)部一致的模型，可以推斷關(guān)于傳感器的信號(hào)或環(huán)境的信息。推斷可以輔助限制器評(píng)估是否應(yīng)當(dāng)移除數(shù)據(jù)樣本的某些部分。該推斷也可以輔助信號(hào)調(diào)節(jié)，以指定應(yīng)當(dāng)如何處理數(shù)據(jù)樣本以改進(jìn)跟蹤。這可以包括以某種方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。在一些情況下，該推斷還可以向跟蹤器發(fā)信號(hào)通知不同地執(zhí)行跟蹤。

在一些情況下，多個(gè)光學(xué)傳感器的使用可以通過(guò)移除或減去光學(xué)傳感器之間的共有全局特性來(lái)改善跟蹤，以更好地跟蹤緩慢變化的頻率。在一些情況下，內(nèi)部一致的模型可以規(guī)定被跟蹤的緩慢變化的頻率(例如，被跟蹤的心率)對(duì)于多個(gè)傳感器應(yīng)當(dāng)基本相同(例如，紅色LED應(yīng)當(dāng)與綠色LED測(cè)量相同的心率)。以下段落描述可以用于改善緩慢變化的頻率的跟蹤的一些示例性內(nèi)部一致模型。

信號(hào)限制器：提供具有不同信號(hào)質(zhì)量的輸入信號(hào)的多個(gè)光學(xué)傳感器

改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用以評(píng)估來(lái)自不同光學(xué)傳感器的輸入信號(hào)之間的信號(hào)質(zhì)量的差異的限制器(“不同信號(hào)質(zhì)量”限制器518)。由某些光學(xué)傳感器提供的一些輸入信號(hào)在存在運(yùn)動(dòng)時(shí)趨于更快地降級(jí)。例如，當(dāng)存在運(yùn)動(dòng)并且使用紅色LED和綠色LED時(shí)，來(lái)自紅色LED的輸入信號(hào)將比來(lái)自綠色LED的輸入信號(hào)降級(jí)得更快。如果檢測(cè)到這種條件，則限制器可以推斷運(yùn)動(dòng)存在，并且信號(hào)調(diào)節(jié)可以采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作或者跟蹤可以基于推斷而適應(yīng)。

基于這個(gè)推斷，用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法可以包括接收第二輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本，其中第一輸入信號(hào)由具有第一信號(hào)質(zhì)量的第一光學(xué)傳感器提供，在存在運(yùn)動(dòng)或噪聲源的情況下，第一信號(hào)質(zhì)量與由第二光學(xué)傳感器提供的第二輸入信號(hào)的第二信號(hào)質(zhì)量不同。限制器可以確定第一輸入信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量與第二輸入信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量對(duì)于特定的時(shí)間是否實(shí)質(zhì)上不同。例如，限制器可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入信號(hào)的信噪比或者噪聲級(jí)別的某個(gè)其它指示符。跟蹤器可以基于第一輸入信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量和第二輸入信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量是否對(duì)于特定時(shí)間實(shí)質(zhì)上不同來(lái)處理數(shù)據(jù)樣本，以跟蹤緩慢變化的頻率。例如，如果跟蹤器具有不同的操作模式，則跟蹤器可以切換到更適合于在存在運(yùn)動(dòng)的情況下處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的操作模式或者針對(duì)運(yùn)動(dòng)偽像更魯棒的操作模式。在另一個(gè)實(shí)例中，跟蹤器可以使用來(lái)自更好的輸入信號(hào)(具有更高的信號(hào)質(zhì)量或更高的信噪比)的數(shù)據(jù)樣本來(lái)進(jìn)行跟蹤。在另一個(gè)實(shí)例中，兩個(gè)輸入信號(hào)之間的信號(hào)質(zhì)量的差異的檢測(cè)可以使得與信號(hào)質(zhì)量不同時(shí)的時(shí)段關(guān)聯(lián)的某些數(shù)據(jù)樣本以某種方式被濾波、遮蔽或衰減。

信號(hào)限制器：具有共有分量的多個(gè)光學(xué)傳感器

一般而言，與不同波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)的不同光學(xué)傳感器響應(yīng)于小的移動(dòng)(例如，由于皮膚上的皺紋或毛發(fā)，皮膚中特定波長(zhǎng)的固有不同吸收率)而具有不同的行為。但是，不同光學(xué)傳感器的行為應(yīng)當(dāng)響應(yīng)于大的全局移動(dòng)(例如，兩個(gè)光學(xué)傳感器同時(shí)經(jīng)歷的更大的移動(dòng))具有一致的行為。良好的跟蹤器可以在存在小移動(dòng)的情況下檢測(cè)緩慢變化的頻率，但是跟蹤器在存在大的全局移動(dòng)的情況下可能不能很好地執(zhí)行，因?yàn)閬?lái)自光學(xué)傳感器的信號(hào)不可能是非常有意義的。如果在由例如紅色LED提供的一個(gè)輸入信號(hào)的頻率信息中和在由例如綠色LED提供的另一個(gè)輸入信號(hào)的頻率信息中存在共有的突出分量，則存在于頻率信息中的共有突出分量更有可能是由于大的全局移動(dòng)造成的，并且不可能與心率關(guān)聯(lián)。

充分利用這個(gè)見(jiàn)解，改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定在兩個(gè)不同的輸入信號(hào)之間是否存在共有分量的限制器(“共有分量”限制器520)。如果檢測(cè)到這種條件，則限制器可以推斷運(yùn)動(dòng)存在，并且信號(hào)調(diào)節(jié)可以采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作或者跟蹤可以基于該推斷而修改。用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法可以包括接收第二輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本，其中第一輸入信號(hào)由用于感測(cè)第一帶寬的第一光學(xué)傳感器提供，并且第二輸入信號(hào)由用于感測(cè)不同于第一帶寬的第二帶寬的第二光學(xué)傳感器提供。限制器可以基于第二輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本提取時(shí)間-序列頻率信息，并且評(píng)估在來(lái)自兩個(gè)不同輸入信號(hào)的頻率信息之間是否存在共有分量。例如，紅色LED和綠色LED可以用于生成感測(cè)不同波長(zhǎng)的光的兩個(gè)不同的輸入信號(hào)。

當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)組合時(shí)，該方法可以包括,如果對(duì)應(yīng)于特定時(shí)間的第一輸入信號(hào)的頻率信息具有與對(duì)應(yīng)于相同特定時(shí)間的第二輸入信號(hào)的頻率信息共同的一個(gè)或多個(gè)分量，則在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前對(duì)于相同特定時(shí)間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或者移除該部分。在一些情況下，跟蹤器可以基于對(duì)應(yīng)于特定時(shí)間的第一輸入信號(hào)的頻率信息是否具有與對(duì)應(yīng)于相同特定時(shí)間的第二輸入信號(hào)的頻率信息共同的一個(gè)或多個(gè)分量來(lái)處理數(shù)據(jù)樣本，以跟蹤緩慢變化的頻率。例如，如果跟蹤器具有不同的操作模式，則跟蹤器可以切換到更適于在存在運(yùn)動(dòng)的情況下處理輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本的操作模式。在另一個(gè)實(shí)例中，可以向跟蹤器提供信號(hào)，以便不對(duì)一個(gè)或多個(gè)共同分量更新緩慢變化的頻率，因?yàn)樗鼈兛赡懿慌c跟蹤器旨在跟蹤的緩慢變化的頻率關(guān)聯(lián)。

信號(hào)限制器：清晰的峰

改進(jìn)的限制機(jī)構(gòu)可以包括用于確定信號(hào)是否具有足夠低的噪聲以供跟蹤的限制器(“清晰的峰”限制器522)。跟蹤常常依賴于找到并跟蹤頻域中的突出分量，并且如果頻率信息不具有清晰的峰，則執(zhí)行跟蹤的能力降級(jí)。如果檢測(cè)到這種情況，則限制器可以推斷輸入信號(hào)太嘈雜，并且信號(hào)調(diào)節(jié)可以采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作或者跟蹤可以基于該推斷而修改。用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法可以包括確定在第一輸入信號(hào)的頻率信息中的峰是否足夠尖銳或清晰。例如，頻率信息中的峰的銳度可以與銳度閾值進(jìn)行比較。在一些情況下，峰的個(gè)數(shù)可以被計(jì)數(shù)，以評(píng)估是否存在太多的小峰，這也是輸入信號(hào)中存在大量噪聲的指示。

當(dāng)與信號(hào)調(diào)節(jié)組合時(shí)，該方法可以包括，如果沒(méi)有檢測(cè)到峰，則在處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢變化的頻率之前對(duì)與相同特定時(shí)間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的一部分應(yīng)用濾波器或遮蔽或者移除該部分。在一些實(shí)現(xiàn)中，滑動(dòng)窗口方法可以用于獲得時(shí)間-序列頻率信息。具有特定數(shù)據(jù)樣本的每個(gè)滑動(dòng)窗口可以提供用于確定那個(gè)數(shù)據(jù)樣本是否與具有清晰的峰的頻率信息關(guān)聯(lián)的投票。為特定數(shù)據(jù)樣本累積的投票數(shù)可以用作確定數(shù)據(jù)樣本是否應(yīng)當(dāng)被遮蔽或衰減的限制器的一部分。投票數(shù)可以在確定數(shù)據(jù)樣本的一部分是否應(yīng)當(dāng)被遮蔽、過(guò)濾或衰減時(shí)使用。

用于心率監(jiān)測(cè)方法的示例性實(shí)現(xiàn)

圖6A-C示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的用于在嘈雜環(huán)境中跟蹤由一個(gè)或多個(gè)傳感器提供的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中存在的緩慢變化的頻率的方法的示例性實(shí)現(xiàn)。這個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)提供了圖5中所示的各種限制器可以如何組合以及數(shù)據(jù)樣本(一旦被調(diào)節(jié))可以如何被調(diào)節(jié)并隨后提供給跟蹤器以跟蹤緩慢移動(dòng)的頻率。

參考圖6A，可以看出，限制器的集合可以用于生成多個(gè)選擇信號(hào)“SEL”，以控制信號(hào)調(diào)節(jié)。選擇信號(hào)可以以任何合適的方式組合，諸如使用“組合”部件602(在圖6A中)和“組合”部件604(在圖6B中)?！敖M合”部件602可以包括以下任何一個(gè)或多個(gè)：AND運(yùn)算符、OR運(yùn)算符、投票機(jī)構(gòu)、加權(quán)投票機(jī)構(gòu)、決策樹(shù)、用于分類數(shù)據(jù)樣本是好還是壞的人工智能算法、用于組合來(lái)自限制器的輸出的任何合適的組合機(jī)構(gòu)等等?？梢允褂媒M合部件的其它配置，并且組合選擇信號(hào)的方式和拓?fù)湟部梢砸蕾囉趹?yīng)用而變化。選擇信號(hào)可以是二進(jìn)制值“0”和“1”，或者它可以取其它值(如得分)。選擇信號(hào)可以與輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本流中的特定數(shù)據(jù)樣本關(guān)聯(lián)，以指示數(shù)據(jù)樣本是否應(yīng)當(dāng)用于跟蹤。限制器的目的是從一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)查明(glean)是否需要信號(hào)調(diào)節(jié)來(lái)改進(jìn)由跟蹤器提供的數(shù)據(jù)樣本。限制器的另一個(gè)目的是通知跟蹤器如何最好地處理數(shù)據(jù)樣本以獲得最佳結(jié)果。廣義地說(shuō)，選擇信號(hào)可以用于控制信號(hào)調(diào)節(jié)和/或跟蹤器。

該實(shí)現(xiàn)可以包括用于對(duì)加速度計(jì)數(shù)據(jù)和光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行頻率分析的“用于確定重疊的頻率分析”部分606。“用于確定重疊的頻率分析”部分606對(duì)應(yīng)于圖5的“ACC.FREQ.OVERLAPS WITH LED FREQ.？”限制器510。如果加速度計(jì)數(shù)據(jù)中的頻率信息與光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)中的頻率信息具有共同/重疊分量，則“用于確定重疊的頻率分析”部分606可以生成選擇信號(hào)。選擇信號(hào)可以使某些數(shù)據(jù)樣本被遮蔽。

該實(shí)現(xiàn)可以包括用于(識(shí)別并)移除具有異常值的數(shù)據(jù)樣本的“異常點(diǎn)移除”部分608。“異常點(diǎn)移除”部分608對(duì)應(yīng)于圖5的“異常？”限制器512。“異常點(diǎn)移除”部分608可以(從光學(xué)傳感器)取得輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本，并且過(guò)濾、遮蔽或移除被認(rèn)為是異常的某些數(shù)據(jù)樣本。在一個(gè)實(shí)例中，異常點(diǎn)可以用具有正常量值的值來(lái)替換?！爱惓｜c(diǎn)移除”部分608的輸出可以包括要提供給另一個(gè)部分用于進(jìn)一步處理的數(shù)據(jù)樣本。

該實(shí)現(xiàn)可以包括用于識(shí)別與飽和條件關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)樣本的“飽和移除”部分610。“飽和移除”部分610對(duì)應(yīng)于圖5的“飽和？”限制器514?！帮柡鸵瞥辈糠?10可以確定數(shù)據(jù)樣本是否與飽和條件關(guān)聯(lián)，并且輸出選擇信號(hào)以指示這種條件。選擇信號(hào)可以使數(shù)據(jù)樣本被遮蔽。

該實(shí)現(xiàn)可以包括用于(識(shí)別并)移除表現(xiàn)出突然跳躍的數(shù)據(jù)樣本的“跳躍移除”部分612。“跳躍移除”部分612對(duì)應(yīng)于圖5的“跳躍？”限制器515。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，“跳躍移除”部分612取得來(lái)自“異常點(diǎn)移除”部分608的輸出，以進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)樣本，以產(chǎn)生具有偏移的偏移量被濾波、移除或衰減的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)樣本。

該實(shí)現(xiàn)可以包括“第一濾波器(帶通)”部分614，以處理數(shù)據(jù)樣本并且衰減在感興趣的合理頻帶之外的信號(hào)充分?！暗谝粸V波器(帶通)”部分614對(duì)應(yīng)于圖5的“在正常的心率頻率之內(nèi)？”限制器508?？梢允褂脦V波器來(lái)濾除不可能與心跳關(guān)聯(lián)的頻率，并且在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，濾波器將應(yīng)用到“跳躍移除”部分612的輸出。

該實(shí)現(xiàn)可以包括“大/小移除”部分616，以去除具有太大或太小的值的數(shù)據(jù)樣本?！按?小移除”部分616對(duì)應(yīng)于圖5的“太大或太小”限制器516。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，“大/小移除”部分616取得來(lái)自“第一濾波器(帶通)”部分614的輸出，并且通過(guò)生成選擇信號(hào)以使那些數(shù)據(jù)樣本被濾波、遮蔽或衰減而移除太大或太小的數(shù)據(jù)樣本。

圖6A中所見(jiàn)的部分的集合執(zhí)行限制和信號(hào)調(diào)節(jié)的混合，以處理光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)(即，輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本)，以準(zhǔn)備用于跟蹤的數(shù)據(jù)樣本。例如，該實(shí)現(xiàn)組合若干選擇信號(hào)(部分606、部分610和部分616的輸出)，以生成聚合選擇信號(hào)。參考圖6B，可以將聚合選擇信號(hào)提供給遮蔽618，遮蔽618將聚合選擇信號(hào)和來(lái)自“第一濾波器(帶通)”的輸出作為輸入。遮蔽618然后可以基于聚合選擇信號(hào)選擇性地遮蔽、衰減或移除某些數(shù)據(jù)樣本(即，來(lái)自“第一濾波器(帶通)”部分614的輸出)。有效地，遮蔽618可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)樣本的某些不期望的部分被移除或衰減的輸出。在一些實(shí)施例中，遮蔽618可以用具有以下一個(gè)或多個(gè)的信號(hào)調(diào)節(jié)器來(lái)代替：濾波、衰減和遮蔽功能。

從圖6B中可以看出，可以執(zhí)行進(jìn)一步的限制和信號(hào)調(diào)節(jié)，以進(jìn)一步改進(jìn)用于跟蹤的數(shù)據(jù)樣本。來(lái)自遮蔽618的輸出被提供給“第二濾波器(帶通)”部分620，以再次濾除在感興趣的合理頻帶之外的不期望的信號(hào)。提供這個(gè)“第二濾波器(帶通)”部分620主要是為了取得來(lái)自遮蔽618的輸出，并消除遮蔽618對(duì)數(shù)據(jù)樣本的影響，因?yàn)檎诒螘?huì)在數(shù)據(jù)樣本的頻率信息中造成某些高頻偽像。

該實(shí)現(xiàn)可以包括“用于確定清晰的峰/平滑度的FFT”部分622，以執(zhí)行在感興趣的合理頻帶內(nèi)的信號(hào)的頻域分析?！坝糜诖_定清晰的峰/平滑度的FFT”部分622對(duì)應(yīng)于圖5的兩個(gè)限制器：“清晰的峰？”限制器522和“緩慢變化？”限制器506。在一些實(shí)施例中，對(duì)數(shù)據(jù)樣本的滑動(dòng)窗執(zhí)行FFT(“快速傅立葉變換”)，并且對(duì)數(shù)據(jù)樣本的重疊或非重疊滑動(dòng)窗執(zhí)行多個(gè)FFT。通過(guò)對(duì)作為時(shí)域中的輸入信號(hào)的樣本的數(shù)據(jù)樣本的滑動(dòng)窗執(zhí)行多個(gè)FFT，從滑動(dòng)窗口生成的一系列FFT變?yōu)檩斎胄盘?hào)的時(shí)間-頻率表示。該時(shí)間-頻率表示包括輸入信號(hào)的時(shí)間-序列頻率信息，其中從滑動(dòng)窗口生成的頻率信息序列可以各自與特定的數(shù)據(jù)樣本或時(shí)間點(diǎn)關(guān)聯(lián)。依賴于應(yīng)用，除了FFT，還可以使用其它變換來(lái)將數(shù)據(jù)樣本的滑動(dòng)窗口變換到頻域?；瑒?dòng)窗口提供了獲得與瞬時(shí)數(shù)據(jù)樣本關(guān)聯(lián)的頻率信息的方式，并且特定數(shù)據(jù)樣本是其成員的每個(gè)滑動(dòng)窗口可以對(duì)特定數(shù)據(jù)樣本是否與具有清晰的峰的FFT關(guān)聯(lián)作出貢獻(xiàn)。來(lái)自滑動(dòng)窗口的貢獻(xiàn)可以被組合，以提供用于特定數(shù)據(jù)樣本的得分，并且閾值可以用于確定該得分是否高到足以保持?jǐn)?shù)據(jù)樣本用于跟蹤。

如果存在清晰的峰，則在“用于確定清晰的峰/平滑度的FFT”部分622中通過(guò)隨時(shí)間比較峰的頻率(即，具有清晰的峰的突出分量)來(lái)執(zhí)行分析的另一部件，以確定是否隨時(shí)間存在緩慢變化的頻率。這個(gè)分析的部件對(duì)應(yīng)于圖5的“緩慢變化？”限制器506?！坝糜诖_定清晰的峰/平滑度的FFT”部分622可以生成指示緩慢變化的頻率(即，心跳)存在或不存在的選擇信號(hào)。來(lái)自“用于確定清晰的峰/平滑度的FFT”部分622的選擇信號(hào)可以使用“組合”部件604與來(lái)自“組合”部件618的聚合選擇信號(hào)組合，以生成進(jìn)一步的聚合選擇信號(hào)。該進(jìn)一步的聚合選擇信號(hào)被提供給遮蔽624，以遮蔽或衰減在“第一濾波器(帶通)”部分614的輸出處生成的數(shù)據(jù)樣本的某些被選擇的部分，這些部分對(duì)于跟蹤是不期望的。遮蔽624的輸出是適于跟蹤的經(jīng)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)樣本流，其中經(jīng)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)樣本更有可能產(chǎn)生比來(lái)自光學(xué)傳感器的原始數(shù)據(jù)樣本流更緩慢變化的頻率的準(zhǔn)確跟蹤。在一些實(shí)施例中，遮蔽624可以用具有以下一個(gè)或多個(gè)的信號(hào)調(diào)節(jié)器來(lái)代替：濾波、衰減和遮蔽功能。

參考圖6C，遮蔽624的輸出被提供給“過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)”部分626，以基于經(jīng)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)樣本流來(lái)識(shí)別過(guò)零點(diǎn)。例如，部分626可以檢查值是否已經(jīng)從正值變?yōu)樨?fù)值，或者從負(fù)值變?yōu)檎?。其可以被?shí)現(xiàn)，以確定在除零之外的不同閾值處的其它類型的交叉?！斑^(guò)零點(diǎn)檢測(cè)”部分626的目的是獲得關(guān)于在數(shù)據(jù)樣本中存在的振蕩或脈沖的信息。處理數(shù)據(jù)樣本以跟蹤緩慢頻率還可以包括用于基于數(shù)據(jù)樣本的過(guò)零點(diǎn)信息確定間隔信息的“間隔生成”部分628。例如，相鄰脈沖用于計(jì)算相鄰脈沖之間的間隔信息。“間隔生成”部分628的輸出可以在數(shù)據(jù)樣本已被遮蔽時(shí)忽略某些間隔(即，部分628可以基于來(lái)自“組合”部件604的聚合選擇信號(hào)忽略某些間隔信息)。這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)樣本已被遮蔽的時(shí)段期間生成的間隔信息不是可用于跟蹤心跳的間隔的準(zhǔn)確表示。

在一些情況下，可以通過(guò)提供“異常點(diǎn)移除”部分630和“離群值移除”部分632對(duì)“間隔生成”部分628的輸出執(zhí)行調(diào)節(jié)。如果某個(gè)間隔信息被認(rèn)為是異常大或小，即，看起來(lái)不是具有0.5-3.5赫茲的頻率的心跳的間隔信息，則“異常點(diǎn)移除”部分630可以移除該間隔信息。如果某個(gè)間隔信息指示間隔信息中大的突然變化，則“離群值移除”部分632可以移除該間隔信息。心率被假設(shè)為緩慢變化，因此間隔信息不應(yīng)當(dāng)基于過(guò)去的間隔信息而劇烈變化?？梢曰谶^(guò)去和/或未來(lái)間隔信息計(jì)算平均值，以確定瞬時(shí)間隔信息是否是離群值。離群值可以被移除，以改進(jìn)跟蹤。在一些情況下，離群值可以用更合理的值(例如，之前和/或后續(xù)的間隔信息的平均值)替換。

間隔信息被提供給第一鎖相環(huán)(“第一PLL”634)，以基于由間隔信息建議的頻率信息(頻率為1/間隔)來(lái)跟蹤緩慢變化的頻率。間隔信息計(jì)算過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間量，并且充當(dāng)?shù)谝绘i相環(huán)可以跟蹤的標(biāo)稱頻率。第一鎖相環(huán)可以在跟隨在輸入間隔信息中存在的緩慢變化的頻率的同時(shí)跟蹤標(biāo)稱頻率。

如果“第一PLL”634的輸出具有一些異常輸出值，則“第一PLL”634還可以充當(dāng)限制器(除了是跟蹤器)。然后可以使用“基于跟蹤的限制器”636在提供第一鎖相環(huán)的輸出值作為第二鎖相環(huán)(“第二PLL”638)的輸入以繼續(xù)跟蹤緩慢變化的頻率之前移除或衰減由“第一PLL”634生成的異常輸出值?！暗诙LL”638的輸出是提取出的輸入信號(hào)中緩慢變化的頻率的頻率。如果緩慢變化的頻率是心率，則提取出的頻率可以按每分鐘的心跳(BPM)提供。

在一些實(shí)施例中，“第一PLL”634和/或“第二PLL”638中的跟蹤可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)限制器來(lái)改進(jìn)。例如，如果Y個(gè)樣本的一部分(在時(shí)域中)具有由檢查數(shù)據(jù)樣本的頻率信息的限制器確定的突出頻率分量(例如，0.8Hz)，則Y個(gè)樣本的部分可以被提供給具有圍繞該突出頻率分量的通帶(例如，0.5Hz和1.2Hz)的帶通濾波器，以進(jìn)一步清除信號(hào)和去除對(duì)跟蹤緩慢變化的頻率沒(méi)有貢獻(xiàn)的頻率分量。當(dāng)跟蹤緩慢變化的頻率時(shí)，這種經(jīng)濾波的數(shù)據(jù)對(duì)于讓PLL找出準(zhǔn)確的過(guò)零點(diǎn)來(lái)說(shuō)更干凈。

替代或補(bǔ)充跟蹤方法

鎖相環(huán)可以容易地實(shí)現(xiàn)，但是其它方法也有可能用于在嘈雜環(huán)境中跟蹤緩慢變化的頻率。例如，數(shù)據(jù)樣本的時(shí)間-頻率表示可以用于生成值的二維空間。使用數(shù)據(jù)樣本的高度重疊的窗口，該方法可以生成用于重疊窗口的頻率信息。用于每個(gè)重疊窗口的頻率信息可以例如被繪制為水平軸是頻率點(diǎn)(frequency bin)，垂直軸是窗口的時(shí)間片。具有心跳的理想輸入信號(hào)將看起來(lái)是在頻譜圖圖像中垂直延伸的連續(xù)輪廓。這種時(shí)間-頻率表示可以提供用于跟隨可以由頻率隨時(shí)間緩慢改變(即，在頻譜圖圖像中垂直延伸)的頻率信息中的峰形成的輪廓的基礎(chǔ)。可以使用輪廓跟蹤方法來(lái)檢測(cè)和跟隨峰，以識(shí)別和跟蹤數(shù)據(jù)樣本中存在的緩慢變化的頻率。在一些實(shí)施例中，用于跟蹤緩慢變化的頻率的方法包括基于數(shù)據(jù)樣本生成輸入信號(hào)的時(shí)間-頻率表示，以及跟蹤在時(shí)間-頻率表示中存在的一個(gè)或多個(gè)輪廓，以跟蹤緩慢變化的頻率。

在一些實(shí)施例中，任何合適的替代或補(bǔ)充跟蹤方法都可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)限制器來(lái)改進(jìn)。例如，如果Y個(gè)樣本的一部分(在時(shí)域中)具有由檢查數(shù)據(jù)樣本的頻率信息的限制器確定的突出頻率分量(例如，0.8Hz)，則Y個(gè)樣本的部分可以被提供給具有圍繞該突出頻率分量的通帶(例如，0.5Hz和1.2Hz)的帶通濾波器，以進(jìn)一步清除信號(hào)和去除對(duì)跟蹤緩慢變化的頻率沒(méi)有貢獻(xiàn)的頻率分量。當(dāng)跟蹤緩慢變化的頻率時(shí)，這種經(jīng)濾波的數(shù)據(jù)對(duì)于該方法來(lái)說(shuō)更干凈。

示例性結(jié)果

圖7A-B分別示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的具有微小噪聲的相對(duì)良好的數(shù)據(jù)集以及通過(guò)對(duì)這種數(shù)據(jù)集應(yīng)用用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的示例性結(jié)果。可以看出，改進(jìn)的方法可以針對(duì)具有小噪聲的數(shù)據(jù)集準(zhǔn)確地生成心率輸出。心跳輸出看起來(lái)平滑且緩慢變化。

圖8A-B分別示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容一些實(shí)施例的具有大噪聲的數(shù)據(jù)集以及通過(guò)對(duì)這種數(shù)據(jù)集應(yīng)用用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的示例性結(jié)果。雖然對(duì)于樣本2000-4400存在大量的噪聲，但是改進(jìn)的方法仍然能夠在嘈雜時(shí)段期間提取心率。

圖9A-B分別示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有表現(xiàn)出飽和度和大量噪聲的數(shù)據(jù)的一部分的數(shù)據(jù)以及通過(guò)對(duì)這種數(shù)據(jù)集應(yīng)用用于跟蹤緩慢變化的頻率的改進(jìn)方法的示例性結(jié)果。雖然存在更大量的失真和噪聲(特別是在數(shù)據(jù)集的前半部分中)，但是該方法能夠跟蹤并產(chǎn)生心率。

變體和實(shí)現(xiàn)

圖6A-C可以顯著變化，以實(shí)現(xiàn)等同或類似的結(jié)果，因此不應(yīng)當(dāng)被解釋為充分利用本文公開(kāi)的限制器的唯一可能的實(shí)現(xiàn)。此外，與其它傳感器相關(guān)的限制器(“不同信號(hào)質(zhì)量”限制器518和“共有分量？”限制器520)可以容易地將添加到圖6A-C中所示的實(shí)現(xiàn)。

本公開(kāi)內(nèi)容的許多特征涉及將輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本變換到頻域中，以執(zhí)行數(shù)據(jù)樣本的頻譜分析。這些特征不一定必須使用FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在一些應(yīng)用中，F(xiàn)FT的速度、可用性和較低的復(fù)雜度會(huì)是期望的。可用于提取輸入信號(hào)的頻率信息的其它可能的變換可以包括但不限于以下示例性變換中的一個(gè)或多個(gè)：小波變換、Hartley變換、余弦變換、正弦變換等等。

可以想到，心率監(jiān)測(cè)裝置可以在許多領(lǐng)域中提供，包括醫(yī)療裝備、安全監(jiān)測(cè)、患者監(jiān)測(cè)、保健裝備、醫(yī)療裝備、汽車(chē)裝備、航空航天裝備、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及運(yùn)動(dòng)裝備等。

在一些情況下，心率監(jiān)測(cè)裝置可以在醫(yī)療環(huán)境中的專業(yè)醫(yī)療裝備中使用，諸如醫(yī)生的辦公室、急診室、醫(yī)院等。在一些情況下，心率監(jiān)測(cè)裝置可以在不太正式的環(huán)境中使用，諸如學(xué)校、健身房、家、辦公室、戶外、水下等。心率監(jiān)測(cè)裝置可以在消費(fèi)者保健產(chǎn)品中提供。

心率監(jiān)測(cè)裝置或其部分可以采取許多不同的形式。示例包括手表、戒指、腕帶、胸帶、頭帶、耳機(jī)、耳塞、夾鉗、夾子、衣服、袋子、鞋、護(hù)目鏡、帽子、外套、項(xiàng)鏈、可以粘附到生物、配件、便攜式設(shè)備的附件/貼片/條/墊子，等等。特別地，由于可穿戴設(shè)備的便攜性和心率監(jiān)測(cè)技術(shù)針對(duì)運(yùn)動(dòng)偽像的魯棒性，可穿戴技術(shù)(或者常常稱為“可穿戴設(shè)備”，即，意在由人或其它生物穿戴的電子設(shè)備)可以極大地充分利用本文公開(kāi)的心率監(jiān)測(cè)裝置的益處。即使在存在噪聲的情況下，可穿戴設(shè)備也可以有效地跟蹤心率。除了可穿戴設(shè)備，諸如移動(dòng)電話和平板電腦的便攜式或移動(dòng)設(shè)備也可以包括具有跟蹤功能的處理器、模擬前端、光源和光傳感器(或具有光源和光傳感器的擴(kuò)展(有線或無(wú)線))，以提供心率監(jiān)測(cè)裝置。用戶可以有利地使用普遍存在的移動(dòng)電話來(lái)進(jìn)行心率測(cè)量。此外，可以設(shè)想心率監(jiān)測(cè)裝置可以在有線或無(wú)線附件中使用，諸如袖口、夾子、綁帶、帶子、探針等，以感測(cè)生物的生理參數(shù)。這些附件可以連接到被配置為提供處理器和模擬前端的機(jī)器。模擬前端可以在附件中或機(jī)器中提供。

除了跟蹤心率，還可以提供心率監(jiān)測(cè)裝置來(lái)感測(cè)或測(cè)量諸如氧飽和度(SpO2)、血壓、呼吸率、活動(dòng)或運(yùn)動(dòng)等的其它生理參數(shù)。除了人，還可以提供心率監(jiān)測(cè)裝置來(lái)測(cè)量在感測(cè)諸如動(dòng)物、昆蟲(chóng)、植物、真菌等其它生物的信號(hào)中存在的緩慢跟蹤的頻率。

在上述實(shí)施例的討論中，電容器、時(shí)鐘、DFF、分頻器、電感器、電阻器、放大器、開(kāi)關(guān)、數(shù)字核心、晶體管和/或其它部件可以容易地被替換、替代或以其它方式修改，以便適應(yīng)特定的電路系統(tǒng)需要。而且，應(yīng)當(dāng)指出，補(bǔ)充電子設(shè)備、硬件、軟件等的使用為實(shí)現(xiàn)本公開(kāi)內(nèi)容的教導(dǎo)提供了同樣可行的選擇。例如，代替在數(shù)字域中處理信號(hào)，有可能提供可以在模擬域中處理信號(hào)的等效電子器件。

在一個(gè)示例實(shí)施例中，附圖的任何數(shù)量的電路可以在關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備的板上實(shí)現(xiàn)。板可以是能夠保持電子設(shè)備的內(nèi)部電子系統(tǒng)的各種部件并且還提供用于其它外圍設(shè)備的連接器的通用電路板。更具體而言，板可以提供系統(tǒng)的其它部件通過(guò)其可以電氣通信的電連接。基于特定的配置需要、處理需求、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等，任何合適的處理器(包括數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器、支持芯片集等)、計(jì)算機(jī)可讀非臨時(shí)性存儲(chǔ)器元件等可以適當(dāng)?shù)伛詈系桨?。諸如外部存儲(chǔ)裝置、附加傳感器、用于音頻/視頻顯示的控制器以及外圍設(shè)備的其它部件可以作為插入卡、經(jīng)由電纜附連到板，或者集成到板本身當(dāng)中。在各種實(shí)施例中，本文所述的功能可以以仿真形式實(shí)現(xiàn)為在布置在支持這些功能的結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)可配置(例如，可編程)元件內(nèi)運(yùn)行的軟件或固件。提供仿真的軟件或固件可以在包括允許處理器執(zhí)行那些功能的指令的非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上提供。在一些情況下，可以向處理器提供或在處理器中提供專用硬件以執(zhí)行那些功能。

在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，附圖的電路可以被實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立模塊(例如，具有被配置為執(zhí)行具體應(yīng)用或功能的關(guān)聯(lián)的部件和電路系統(tǒng)的設(shè)備)或者被實(shí)現(xiàn)為電子設(shè)備的專用硬件中的插件模塊。應(yīng)當(dāng)指出，本公開(kāi)內(nèi)容的特定實(shí)施例可以容易地或者部分地或者整體上包括在片上系統(tǒng)(SOC)封裝中。SOC表示將計(jì)算機(jī)或其它電子系統(tǒng)的部件集成到單個(gè)芯片中的IC。它可以包含數(shù)字、模擬、混合信號(hào)，以及常常射頻功能：所有這些都可以在單個(gè)芯片基板上提供。其它實(shí)施例可以包括多芯片模塊(MCM)，其具有位于單個(gè)電子封裝內(nèi)并且被配置為通過(guò)電子封裝彼此緊密交互的多個(gè)分離的IC。在各種其它實(shí)施例中，緩慢變化的頻率的跟蹤功能可以在專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和其它半導(dǎo)體芯片中的一個(gè)或多個(gè)硅核心中實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)當(dāng)指出，上面參考附圖討論的活動(dòng)適用于涉及信號(hào)處理的任何集成電路，特別是那些可以執(zhí)行專門(mén)軟件程序或算法的集成電路，其中一些集成電路可以與處理數(shù)字化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以跟蹤緩慢移動(dòng)的頻率關(guān)聯(lián)。某些實(shí)施例可以涉及多DSP信號(hào)處理、浮點(diǎn)處理、信號(hào)/控制處理、固定功能處理、微控制器應(yīng)用等。在某些上下文中，本文討論的特征可以應(yīng)用到醫(yī)療系統(tǒng)、科學(xué)儀器、無(wú)線和有線通信、雷達(dá)、工業(yè)過(guò)程控制、音頻和視頻裝備、電流感測(cè)、儀器(可以是高精度的)，以及其它基于數(shù)字處理的系統(tǒng)。而且，上面討論的某些實(shí)施例可以在用于醫(yī)學(xué)成像、患者監(jiān)測(cè)、醫(yī)療儀器和家庭保健的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中提供。這可以包括肺監(jiān)測(cè)器、心率監(jiān)測(cè)器、起搏器等。其它應(yīng)用可以涉及用于安全系統(tǒng)(例如，穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、駕駛員輔助系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、任何種類的信息娛樂(lè)和內(nèi)部應(yīng)用)的汽車(chē)技術(shù)。此外，動(dòng)力系統(tǒng)(例如，在混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛中)可以在電池監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)、報(bào)告控制、維護(hù)活動(dòng)等中使用高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品?？梢栽O(shè)想，這些應(yīng)用也可以利用所公開(kāi)的用于跟蹤慢移動(dòng)的頻率的改進(jìn)方法(例如，被抑制以在緩慢改變的頻率下移動(dòng)的跟蹤系統(tǒng))。在還有其它示例場(chǎng)景中，本公開(kāi)內(nèi)容的教導(dǎo)可以在包括過(guò)程控制系統(tǒng)的工業(yè)市場(chǎng)中使用，其旨在跟蹤緩慢移動(dòng)的頻率，以幫助驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)率、能量效率和可靠性。

應(yīng)當(dāng)指出，利用本文提供的眾多示例，可以依據(jù)兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)部分來(lái)描述交互。但是，這僅僅是為了清楚和示例的目的而進(jìn)行的。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，系統(tǒng)可以以任何合適的方式合并。沿著類似的設(shè)計(jì)替代方案，附圖的任何所示的部件、模塊和元件可以在各種可能的配置中組合，所有這些都清楚地在本說(shuō)明書(shū)的廣泛范圍內(nèi)。在某些情況下，可以通過(guò)僅參考有限數(shù)量的電氣元件來(lái)更容易地描述給定的流程集合的一個(gè)或多個(gè)功能。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，附圖及其教導(dǎo)的特征是容易擴(kuò)展的并且可以容納大量部件，以及更復(fù)雜/精密的布置和配置。相應(yīng)地，所提供的示例不應(yīng)當(dāng)限制范圍或抑制潛在地應(yīng)用于無(wú)數(shù)其它體系架構(gòu)的電路的廣泛教導(dǎo)。

應(yīng)當(dāng)指出，在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)包括在“一個(gè)實(shí)施例”、“示例實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“另一個(gè)實(shí)施例”、“各種實(shí)施例”、“其它實(shí)施例”、“替代實(shí)施例”中的各種特征(例如，元件、結(jié)構(gòu)、模塊、部件、步驟、操作、部分、特性等)意在指任何這種特征包括在本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，但是可以不必在相同的實(shí)施例中組合。

指出下面這一點(diǎn)也是重要的，與跟蹤緩慢變化的頻率相關(guān)的功能僅示出可以由圖中所示的系統(tǒng)執(zhí)行或在其內(nèi)部執(zhí)行的一些可能的跟蹤功能。這些操作中的一些可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被刪除或移除，或者這些操作可以被顯著地修改或改變，而不背離本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。此外，這些操作的定時(shí)可以相當(dāng)大地更改。前面的操作流程已經(jīng)被提供用于示例和討論的目的。通過(guò)本文描述的實(shí)施例，提供了基本的靈活性，因?yàn)樵诓槐畴x本公開(kāi)內(nèi)容的教導(dǎo)的情況下可以提供任何合適的布置、時(shí)間順序、配置和定時(shí)機(jī)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)指出，上述裝置的所有可選特征也可以關(guān)于本文所述的方法或過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且示例中的細(xì)節(jié)可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的任何地方使用。

在(上述)這些實(shí)例中的“用于…的裝置”可以包括(但不限于)使用本文所討論的任何合適的部件，連同任何合適的軟件、電路系統(tǒng)、集線器、計(jì)算機(jī)代碼、邏輯、算法、硬件、控制器、接口、鏈路、總線、通信路徑等。在第二示例中，系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器進(jìn)一步包括機(jī)器可讀指令，當(dāng)指令被執(zhí)行時(shí)，使得系統(tǒng)執(zhí)行上面討論的任何活動(dòng)。