CN108606801B - 一种ppg技术多光谱肤色标定与功耗优化装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PPG技术的多光谱肤色标定与功耗优化装置，包括检测装置本体；所述检测装置本体包括LED、PD和处理器；所述LED和PD设置于检测装置本体面向待测目标的同一侧；所述处理器依次通过LED时序控制器、LED驱动器与LED控制连接；所述PD依次通过跨导放大器、带通滤波器、模数转化器与处理器通讯连接；相比传统方法解决了两大难题：一是利用双色光标定皮肤肤色，利用波长较长的光如红外光克服了深色皮肤无法顺利采集的问题，使装置能适应更多的用户群体，显著提升了用户感受；二是提出了一种动态调整调节PPG检测参数的方法，从而以最快速度进入工作响应状态，同时采用最佳的性能功耗比来采集数据，显著提高了检测装置的续航能力。
Description
技术领域
本发明涉及只能穿戴设备领域，尤其涉及一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化装置及工作方法。
背景技术
使用容积描计波PPG技术检测血氧饱和度已经是医疗器械上常用的生命体征信号检测功能，目前已经广泛使用。PPG检测技术从传感器布局上看主要有两种：一种是医疗仪器上用的经典的透射式检测技术，另外一种是目前穿戴式产品上使用的反射式检测技术。所谓的透射是指的发光二极管(LED)和光电二极管(PD)在组织的异侧，透射经过组织的光线被组织或者血液部分吸收，检测到的PPG信号随着脉动有规律的变化；所谓的反射是指的LED和PD在同一侧，因此PD检测到的是经组织部分吸收和发射的光线。透射式检测技术一般是用于血氧饱和度检测，传感器放置的位置是指甲或耳垂等通透性较好的地方，这些位置的毛细血管比较多、皮肤角质层薄、皮肤颜色浅而且毛发较少，因此一般用于对信号质量有较高要求的场合，如医疗设备。反射式检测技术相对于透射式检测光路不唯一，大部分的光被散射损失，因此信号质量相对较差，但反射式检测具有很大的放置灵活性，在目前的穿戴式产品上得到了广泛应用，具有极高的市场价值。
作为基于光电检测原理的应用，反射式PPG技术本身具有显著的优点：
1.非侵入式的检测方法，不需要电极；
2.由于是分析局部组织的光电吸收或者反射情况，可以在单手上实现检测，用户感受较好；
但缺点也非常明显：
1.光电式检测受人体体表环境的影响很大，例如黑皮肤、毛发较多以及文身等情况；比如黑色会吸收大部分的光强，毛发会发射光，文身改变了组织特性；因此，在某些条件下检测PPG尚且很难，更不用说需要跟多波形细节的应用如血氧饱和度；
2.容易引起部分用户(例如黑皮肤、多毛以及文身等)的不满，造成设备区分对待客户的误解；因为不是每个客户都明白检测的原理，而且设备提供商也可能很难跟客户解释清楚，特别是普通消费类产品；
3.容积描计波容易受到外界干扰导致波形失真严重从而影响识别效果；最明显的是环境光的干扰、本身设备的漏光干扰以及用户运动造成的干扰；
在便携式小体积的***设计上，特别是穿戴式健康检测设备，由于使用环境的多样性，用户群分散，我们需要可靠性和鲁棒性更高的产品设计来保证产品的一致性，这对产品设计的要求很高。
另外，功耗也是衡量该类产品的重要指标，它直接关系到用户的感受问题，特别是连续心率监控的场合比如健身、跑步、马拉松、睡眠监测等，这些场合需要连续的心率检测而同时还需要保持较低的功耗，因此如何快速找到合适的参数优化功耗并能根据环境的变化自适应改变参数是产品设计需要考虑的问题，从***的角度讲除了上述问题还存在下面的难题：
1.人体组织的灌注指数(PI,Perfusion Index)，PI＝AC/DC即信号的有效交流成分与直流偏移的比值，PI随环境温度和姿态的影响很大，一般来说我们希望PI值越大越好。这很容易理解，温度高或者身体运动预热后身体的血气交互变好，即此时的交流PPG信号变得更好；此外，姿态的变化也会引起血液的灌注变化，比如甩手、坐下、起立等情况；那么一次设定好的参数难以适应环境的变化，比如在室内温度高的场合开始了跑步，出门后天气冷原有的参数很难适合，或者跑步热身后人体内部热起来后信号也会变好，这都需要参数自适应调整以确保在采集到信号的前提下使用最低的功耗；
2.***器件的不一致性，主要体现在LED的电流与发射光强之间的不一致以及设备光学设计上的误差，这都会间接导致光强的不一致性，影响检测结果；
3.很多人使用信号的直流指标来确定信号的强弱，这种调试方法很快但主要有两个问题：一、直流信号的大小跟信号的灌注指数PI无关，有可能直流很高但交流很差；二、由于LED光强与驱动电流关系不线性而且器件间偏差大，只看直流信号大小不利于功耗优化；
4.使用交流部分来确定、优化参数虽然合理但是速度太慢，由于交流的变化频率与人体的脉率一致，考虑到心率过缓的情况要获得三个以上的脉搏波至少需要5秒的时间，这是不能接受的，而且在这期间用户的动作也会大大干扰检测的效果。
综上所述，当前应用于穿戴式消费类产品上的PPG检测还存在不同肤色兼容性以及续航能力等问题。所以有必要发明一种可以适应多种肤色、有效优化功耗的PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以适应多种肤色、有效优化功耗的PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化装置。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化装置，包括检测装置本体；所述检测装置本体包括LED、PD和处理器；所述LED和PD设置于检测装置本体面向待测目标的一侧；所述处理器依次通过LED时序控制器、LED驱动器与LED控制连接；所述PD依次通过跨导放大器、带通滤波器、模数转化器与处理器通讯连接。
进一步地，所述检测装置本体还包括PCB板和上盖板；所述LED和PD安装在PCB板上；所述上盖板设置在待测目标的皮肤与LED、PD之间；所述上盖板两面镀有增透膜；
所述LED和PD之间设置有隔离件；所述隔离件为不透明材质制成；所述隔离件的高度与上盖板、PCB板之间的距离相等。
进一步地，所述LED包括第一发光单元和第二发光单元；所述第一发光单元内设置有绿光LED；所述第二发光单元内复合设置有红光LED和红外光LED。
进一步地，所述处理器还分别与加速度传感器、蓝牙模块通讯连接；所述处理器与温度传感器通讯连接；所述温度传感器设置在检测装置本体面向待测目标的一侧，与待测目标的皮肤接触。
一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化的方法：包括以下步骤；
步骤一，初始化电路的配置，设置PPG时序；
步骤二，去除暗电流影响；将LED关闭，测试没有光照的前提下PD的暗电流并保存，之后的检测数据均减去这个值；
步骤三，去除环境光影响；令LED在第一和第四个检测周期的关闭，在第二和第三个检测周期打开；导入PD四个周期的相应检测数据，则环境光数据AL＝X1+X4，去除环境光数据X＝X2+X3-X1-X4；其中，X1表示第一周期的检测数据，X2表示第二周期的检测数据，X3表示第三周期的检测数据，X4表示第四周期的检测数据；
步骤四，利用多光谱扫描目标获得并绘制CTR曲线；
步骤五，根据CTR曲线的阈值及多光谱间CTR比值的关系判断出目标是否为人体组织；若判断不是人体组织，则可以进一步识别目标种类；若判断是人体组织，则需要进一步标定肤色类型，并调用对应的发光单元进行后续检测；
步骤六，测量目标组织的CTR(电流转换比)和底噪NoiseCircuit；
CTR＝IPD/ILED；IPD是光电二极管PD读到的电流值，ILED是设定的LED驱动电流的大小；
步骤七，假定参数SNRAC(交流部分的信噪比)和PI(灌注指数)，计算出LED所需要的电流ILED；
步骤八，开始运行电路；
步骤九，在运行过程中实时获得PI值以及SNRAC，将所获得数值反馈到电路中继续优化PI值和SNR AC值直至稳定。
有益效果：本发明的一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化装置，包括检测装置本体；所述检测装置本体包括LED、PD和处理器；所述LED和PD设置于检测装置本体面向待测目标的一侧；所述处理器依次通过LED时序控制器、LED驱动器与LED控制连接；所述PD依次通过跨导放大器、带通滤波器、模数转化器与处理器通讯连接；相比传统方法解决了两大难题：一是利用双色光标定皮肤肤色，利用波长较长的光如红外光克服了深色皮肤无法顺利采集的问题，使装置能适应更多的用户群体，显著提升了用户感受；二是提出了一种动态调整调节PPG检测参数的方法，从而以最快速度进入工作响应状态，同时采用最佳的性能功耗比来采集数据，显著提高了检测装置的续航能力。
附图说明
附图1为肤色标定与功耗优化装置整体架构图；
附图2为PPG传感器布局示意图；
附图3为PPG信号构成示意图；
附图4为环境光检测消除示意图；
附图5为不同光谱扫描皮肤的CTR曲线图；
附图6为多光谱肤色标定与功耗优化方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化装置，包括检测装置本体13；所述检测装置本体13包括LED14、PD15和处理器9；所述LED14和PD15设置于检测装置本体13面向待测目标1的同一侧；所述处理器9依次通过LED时序控制器3、LED驱动器2与LED14控制连接；所述PD15依次通过跨导放大器4、带通滤波器5、模数转化器6与处理器9通讯连接。
所述检测装置本体13还包括PCB板16和上盖板17；所述LED14和PD15安装在PCB板16上；所述上盖板17设置在待测目标1的皮肤与LED14、PD15之间；所述上盖板17两面镀有增透膜，可以有效减少上下表面的光反射。
所述LED14和PD15之间设置有隔离件19；所述隔离件19为不透明材质制成；所述隔离件19的高度与上盖板17、PCB板16之间的距离相等。
所述LED14包括第一发光单元141和第二发光单元142；所述第一发光单元141内设置有绿光LED；所述第二发光单元142内复合设置有红光LED和红外光LED。
所述处理器9还分别与加速度传感器10、蓝牙模块11通讯连接；所述处理器9与温度传感器8通讯连接；所述温度传感器8设置在检测装置本体13面向待测目标1的一侧，与待测目标1的皮肤接触；
其中PPG采集电路的核心LED驱动2、LED时序控制3、跨导放大器4、带通滤波器5、数模转换器6以及状态机逻辑控制7可以用TI公司的集成芯片AFE4405完成，该芯片是针对PPG采集电路的高度集成芯片，只需要通过I2C或SPI接口与处理器连接就可以配置寄存器开启PPG信号采集，PPG信号直接通过数字接口输出到处理器，非常便利；处理器9和蓝牙模块11可以选取Nordic公司的BLE5.0 SOC芯片nRF52840或者选用TI公司的蓝牙SOC芯片CC2640；温度传感器8可以选用ADI公司的芯片级温度监测方案ADT7420；加速度传感器10可以选用ST公司的LIS3DH芯片，三轴加速度传感器芯片；
如附图1所示，跨导放大器4、带通滤波器5、数模转换器6、LED驱动2、LED时序控制3以及状态机逻辑控制7共同构成了信号调理部分；状态机逻辑控制器7负责协调各个单元的工作，如果使用分立器件电路的话它一般由处理器9承担，LED时序控制3按照编程好的时序由LED驱动2驱动发光二极管LED，这里的LED驱动2一般是多路的，可以同时驱动多个LED，这里为了为简单只列出一路；发光二极管发射光到待测目标1，与此同时光电二极管检测组织里返回的光信号转变为电流信号，然后经跨导放大器4将电流转换为电压信号，经带通滤波器5后给数模转换器6变成数字信号；为了配合PPG信号采集，设备同时集成了温度传感器8以及加速度传感器10，这里的温度传感器8并不是检测人体体温，而是采集体表的温度，用于标定PPG信号采集时的温度以及用于其他算法使用比如采集皮电活动时的算法补偿；加速度传感器10用于知道当前是否处于运动状态，运动会引起PPG信号较大的DC漂移影响判断；另外，设备还集成有蓝牙模块11用于和其它设备进行通信。
如附图2所示为PPG传感器布局示意图，这种结构将光电二极管置于中间，一般来说至少有一个光电二极管，两边分别放LED发光管二极管，一般来说至少有一种颜色LED，这里推荐至少使用两种颜色LED，LED1为绿光LED，LED2是红光LED，LED3是红外光LED，由于红光和红外光组合又是测量血氧饱和度的经典搭配，这里推荐选用二合一的LED器件以节约板上空间，左右的LED是对称的而且与PD在一条直线上，相同后缀的LED是同时驱动的而不同后缀LED是分时驱动的；因为红光及红外光的对于人体组织的穿透性比绿光好，所以它们对应的要求的LED到PD的距离也更大；根据常规穿戴装置的尺寸，这里由经验设置LED1到PD的距离为LED2/3到PD距离的两倍；即LED1的中心到中间PD有效感光区域的边沿距离为2-4mm，LED2/3中心导中间PD有效边沿距离为4-8mm；PD与LED区域需要使用隔离件19隔开，这样可以有效减少LED发出的光经上盖板17反射到PD上，反射的路径由图2所示的光路A经上盖板内表面反射回内部PD或者光路B经上盖板外表面反射回内部PD，这部分光强远大于正常的从人体组织里回来的信号(见光路C)，所以这里令隔离件19的高度与上盖板17、PCB板16之间的距离相等，也就是将隔离件19升高以填满上盖板17和PCB板16之间的空气间隙，这可以消除光路A引入的误差，通过降低上盖板厚度以及适当拉大LED和PD之间的距离可以消除光路B引入的误差。
采用两种或两种以上波长的光源进行测试，主要有下面的优点：
1)用于克服不同皮肤条件下单一波长光源被吸收的问题，例如极黑的皮肤有可能吸收绝大多数的绿光，使用红光或者红外的效果会比较好；
2)克服毛发反光的影响，从原理上讲需要将LED和PD的距离拉大以减少毛发反光的影响。由于红光和红外光的波长较长，本身检测也需要拉大LED和PD的距离以获得较好的检测效果；
3)只是用信号的直流成分而不是交流成分，这种方法快速稳定；
4)通过多光谱扫描可以获得不同目标在不同光谱照射时的数据比例及幅值，进而分辨不同的物体，比如设备是戴在人手上，还是放在桌上、套在矿泉水瓶上甚至戴在玩具熊手上等等；
5)因为绿光对于多数皮肤的浅表反射性比较出色，所以目前市面上的手环等穿戴设备大多采用绿光作为检测光源以获得最佳的功耗性能，一旦到了暗环境下，绿光就会特别刺眼，对用户的睡眠等行为造成干扰；而采用多光谱检测的好处就在于，在晚间可以使用人眼不可见的红外光来进行检测，从而有效避免对用户的干扰。
如附图3所示为PPG信号构成示意图，PPG信号主要由交流分量和直流分量组成，交流分量反映的是血液中血气交互的情况或者血通量的变化情况。直流分量由三部分组成，一是来自设备的误差即环境光和内部结构反射的光；二是静脉血的透射光；三是经肌肉、骨骼反射的光。后两个是组织本身的DC信号，上述附图2中的隔离件19可以有效消除内部结构反光，但环境光引入的误差消除需要使用附图4的方法。
一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化的方法：包括以下步骤；
步骤一，初始化电路的配置，设置PPG时序；
步骤二，去除暗电流影响；将LED关闭，测试没有光照的前提下PD的暗电流并保存，之后的检测数据均减去这个值；
步骤三，去除环境光影响；如附图4所示，令LED在第一和第四个检测周期的关闭，在第二和第三个检测周期打开；导入PD四个周期的相应检测数据，则环境光数据AL＝X1+X4，去除环境光数据X＝X2+X3-X1-X4；其中，X1表示第一周期的检测数据，X2表示第二周期的检测数据，X3表示第三周期的检测数据，X4表示第四周期的检测数据；
步骤四，上述引起PPG信号直流DC部分的误差都被消除了以后，我们可以利用多光谱扫描目标绘制CTR曲线；如附图5所示为不同光谱扫描皮肤的CTR曲线图示例，CTR值与光学机构、光学器件的效率以及被测试对象有关，可以看到绿光几乎被黑皮肤吸收而红外光有明显的变化，因此两者结合有助于判定肤色类型以及目标是否为人体外的其他物体，具体实现是可以根据实验得出不同目标的判断规律；简单的判断逻辑如下：
由于绿光和红外光LED距PD的距离不同，如果目标是一个固定的反射面如桌面的话，绿光距PD较近产生的CTR要远大于红外；如果目标是人体的话，肤色越黑两种光测得的CTR差距越大；
由于绿光和红外光的波长不一样而且两者与PD的距离不一样，可以利用这个特性检测设备是远离还是接近目标，体现在信号变化上是红外在远距离就会有变化，而绿光只有到一定距离时才会剧烈变化；
标定的肤色一般不会用来告知用户，以免引起误解，但可以用来指导设备去做出相应调整；例如：
1)有助于设备快速优化参数配置；如果发现目标反射回来的信号很少，那么很可能是黑皮肤需要加大发射光强；如果发现目标反射回来的很强，那么很可能是毛发反光或者是皮肤很通透的类型，需要减少发射光强；
2)如果设备知道用户的肤色情况，可以主动地采取措施避免用户的“误解”，比如肤色歧视以及区别对待等问题；
3)针对某些具体用户，我们可以给出皮肤通透性的变化趋势，这可以反映用户皮肤肤色的变化或者是内部组织的变化；
步骤五，根据CTR曲线的阈值及多光谱间CTR比值的关系判断出目标是否为人体组织；若判断不是人体组织，则可以进一步识别目标种类；若判断是人体组织，则需要进一步标定肤色类型，并调用对应的发光单元进行后续检测；
步骤六，测量目标组织的CTR(电流转换比)和底噪NoiseCircuit，CTR和NoiseCircuit可以直接采集信号获得；
CTR＝IPD/ILED；IPD是光电二极管PD读到的电流值，ILED是设定的LED驱动电流的大小；
步骤七，假定参数SNRAC(交流部分的信噪比)和PI(灌注指数)，计算出LED所需要的电流ILED；
步骤八，开始运行电路；
步骤九，在运行过程中实时获得PI值以及SNRAC，将所获得数值反馈到电路中继续优化PI值和SNR AC值直至稳定。
之所以要在步骤七中先假定一个SNRAC，是因为直接在线测量是效率很低的而且很费时间，至少需要几个有效的PPG波形才行，这就会严重拖慢整个装置的反应时间，不能及时给用户反馈；而预设SNRAC的值是一个最简单的办法，原因是所有的PPG相关的算法关心的都是SNRAC，因此在算法开发过程中我们自然知道算法能够接受的最低SNRAC值是多少，这里直接取算法经验值就好；对于PI，它是时变的值，在线测量的难度与SNRAC类似，但可以先取一个最差的值保证算法工作，比如我们目标人群的PI是0.05％～3％，初始阶段可以直接取最差值0.05％，让算法快速找到ILED的值并进入工作状态，然后随着样本数的增加再同步计算出PI和SNRAC的变化，然后将真实的PI和SNRAC代入上述求电流ILED的公式中以获得最优的配置；这是一种自动参数优化的方法，既能快速确定参数又能够根据环境的变化动态调整参数使得设备总是以最佳的参数以及最低的功耗采集数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化的方法：包括以下步骤；
步骤一，初始化电路的配置，设置PPG时序；
步骤二，去除暗电流影响；将LED关闭，测试没有光照的前提下PD的暗电流并保存，之后的检测数据均减去这个值；
步骤三，去除环境光影响；令LED(14)在第一和第四个检测周期的关闭，在第二和第三个检测周期打开；导入PD四个周期的相应检测数据，则环境光数据AL＝X1+X4，去除环境光数据X＝X2+X3-X1-X4；其中，X1表示第一周期的检测数据，X2表示第二周期的检测数据，X3表示第三周期的检测数据，X4表示第四周期的检测数据；
步骤四，利用多光谱扫描目标获得并绘制CTR曲线；
步骤五，根据CTR曲线的阈值及多光谱间CTR比值的关系判断出目标是否为人体组织；若判断不是人体组织，则可以进一步识别目标种类；若判断是人体组织，则需要进一步标定肤色类型，并调用对应的发光单元进行后续检测；
步骤六，测量目标组织的CTR(电流转换比)和底噪NoiseCircuit；
CTR＝IPD/ILED；IPD是光电二极管PD读到的电流值，ILED是设定的LED驱动电流的大小；
步骤七，假定参数SNRAC(交流部分的信噪比)和PI(灌注指数)，计算出LED所需要的电流ILED；
步骤八，开始运行电路；
步骤九，在运行过程中实时获得PI值以及SNRAC，将所获得数值反馈到电路中继续优化PI值和SNRAC值直至稳定。
2.一种基于权利要求1所述的PPG技术多光谱肤色标定与功耗优化的方法的优化装置，其特征在于：包括检测装置本体(13)；所述检测装置本体(13)包括LED(14)、PD(15)和处理器(9)；所述LED(14)和PD(15)设置于检测装置本体(13)面向待测目标(1)的一侧；所述处理器(9)依次通过LED时序控制器(3)、LED驱动器(2)与LED(14)控制连接；所述PD(15)依次通过跨导放大器(4)、带通滤波器(5)、模数转化器(6)与处理器(9)通讯连接。
3.根据权利要求2所述的优化装置，其特征在于：所述检测装置本体(13)还包括PCB板(16)和上盖板(17)；所述LED(14)和PD(15)安装在PCB板(16)上；所述上盖板(17)设置在待测目标(1)的皮肤与LED(14)、PD(15)之间；所述上盖板(17)两面镀有增透膜；
所述LED(14)和PD(15)之间设置有隔离件(19)；所述隔离件(19)为不透明材质制成；所述隔离件(19)的高度与上盖板(17)、PCB板(16)之间的距离相等。
4.根据权利要求2所述的优化装置，其特征在于：所述LED(14)包括第一发光单元(141)和第二发光单元(142)；所述第一发光单元(141)内设置有绿光LED；所述第二发光单元(142)内复合设置有红光LED和红外光LED。
5.根据权利要求2所述的优化装置，其特征在于：所述处理器(9)还分别与加速度传感器(10)、蓝牙模块(11)通讯连接；所述处理器(9)与温度传感器(8)通讯连接；所述温度传感器(8)设置在检测装置本体(13)面向待测目标(1)的一侧，与待测目标(1)的皮肤接触。
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