生理信號處理電路和方法

生理信號處理電路和方法
【專利摘要】本發明提供一種生理信號處理電路和方法。生理信號處理電路包含放大器、模數轉換器以及生理特征檢測電路。放大器用于放大用戶的模擬生理信號以提供放大信號。模數轉換器耦合于放大器，并用于將放大信號轉換為數字信號。生理特征檢測電路耦合于模數轉換器，并用于由數字信號中檢測用戶的生理特征以便提供輸出信號。本發明的生理信號處理電路至少具有減少數據傳輸量、減少內存使用和減少處理器計算和功耗的優點。因此，本發明適合應用于包含有限電力電池的多種移動電子設備。
【專利說明】
生理信號處理電路和方法
技術領域
[0001]本發明通常涉及一種生理信號處理，尤其涉及一種生理信號處理電路和方法。
【背景技術】
[0002]由于技術進步，移動電子設備在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。一些移動電子設備，比如智能運動手環，可以自動采集用戶的生理數據，并將數據傳輸到其他設備以便進一步處理。然而，低功耗、低計算復雜度和低數據處理量是移動設備的一些值得期待的特性。存在著設計一種新穎的生理信號處理設備以便克服這些問題的需求。

【發明內容】

[0003]有鑒于此，本發明提供一種生理信號處理電路和方法。
[0004]在一個典型實施例中，公開內容針對生理信號處理設備，包括:放大器，放大用戶的模擬生理信號以提供放大信號;模數轉換器，耦合于放大器，并將放大信號轉換為數字信號;生理特征檢測電路，耦合于模數轉換器，并由數字信號中檢測用戶的生理特征以便提供輸出信號。
[0005]在一些實施例中，模擬生理信號為光電容積圖信號或心電圖信號。在一些實施例中，輸出信號包括兩個連續心跳之間的周期和有關心跳的特定時間點之一。在一些實施例中，輸出信號的數據率低于數字信號的數據率。在一些實施例中，用戶的生理特征為心率、心跳間隔和心跳時刻之一。在一些實施例中，生理信號處理電路進一步包括:處理器；用于存儲輸出信號的數據存儲單元，其中，當觸發條件發生時，處理器被觸發以處理存儲于數據存儲單元中的輸出信號。在一些實施例中，其中，生理特征檢測電路包括:濾波器，對數字信號進行濾波以在第一信號域中提供濾波信號；后置濾波處理電路，處理濾波信號以在第二信號域中提供中間信號。在一些實施例中，生理特征檢測器進一步包括:峰值檢測電路，在中間信號中檢測局部峰值以提供多個數據點；決策電路，選擇多個數據點的一部分作為多個心跳點，其中多個心跳點用于產生輸出信號。在一些實施例中，生理特征檢測電路進一步耦合于數據傳輸單元以通過有線或無線通信鏈路將輸出信號傳輸至設備。在一些實施例中，生理特征檢測電路進一步耦合于用于存儲輸出信號的數據存儲單元，比如靜態隨機存取存儲器或動態隨機存取存儲器。在一些實施例中，輸出信號的數據率小于數字信號的數據率的0.03倍。
[0006]在另一典型實施例中，公開內容針對用于處理生理信號的方法，包括步驟:放大用戶的模擬生理信號以提供放大信號；將放大信號轉換為數字信號；由數字信號中檢測用戶的生理特征以便提供輸出信號。
[0007]本發明的生理信號處理電路至少具有減少數據傳輸量、減少內存使用和減少處理器計算和功耗的優點。因此，本發明適合應用于包含有限電力電池的多種移動電子設備。
【附圖說明】
[0008]本發明可以通過閱讀隨后的詳細說明和根據附圖給出的示例而被更好地理解，其中:
[0009]圖1是根據本發明實施例的生理信號處理電路的圖示；
[0010 ]圖2是根據本發明實施例的處理電路的圖示；
[0011]圖3A是根據本發明實施例的數字信號波形的圖示；
[0012]圖3B是根據本發明實施例的濾波信號和中間信號的波形的圖形；
[0013]圖3C是根據本發明實施例的輸出信號的選擇和生成的圖示；
[0014]圖4是根據本發明實施例的可穿戴設備的圖示；
[0015]圖5是根據本發明實施例的用于處理生理信號的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0016]為了闡述本發明的目的、特征和優點，以下詳細展示本發明的實施例和附圖。
[0017]圖1是根據本發明實施例的生理信號處理電路100的圖示。如圖1所示，生理信號處理電路100至少包含放大器(AMP) 110，模數轉換器(ADC) 120和生理特征檢測電路130。生理信號處理電路100可以為應用于移動設備中的獨立的集成電路(IC)芯片，所述移動設備比如為智能手機、平板電腦、筆記本電腦或可穿戴設備。放大器110用于放大用戶的模擬生理信號SI以提供放大信號S2。模擬生理信號SI可以為與人體相關的自然信號，比如心跳、脈搏或血壓，其可能已經被其他電路預處理過。例如，模擬生理信號SI可以為光電容積圖(PPG)信號或心電圖(ECG)信號。模數轉換器120耦合于放大器110，且用于執行采樣處理并將放大信號S2轉換為數字信號S3。例如，數字信號S3可以包含原始數據，比如代表心跳時間和幅度的多個比特。生理特征檢測電路130耦合于模數轉換器120，且用于由數字信號S3中檢測用戶的生理特征以便提供輸出信號S7。輸出信號S7為有益的用戶生理特征。例如，用戶生理特征可以為心率、心跳間隔和心跳時刻之一。輸出信號S7還可以例如包含兩個連續心跳之間的周期和有關心跳的特定時間點之一。此外，兩個相鄰心跳之間的周期可以進一步通過使用除法器(未示出)被轉換為心率。由于輸出信號S7是通過處理數字信號S3而生成的，輸出信號S7內需要傳輸的數據量得以顯著地減少，輸出信號S7的數據率大大低于未處理數字信號S3的數據率。生理信號處理電路100可以傳輸輸出信號S7至其他外部設備，而非傳輸包含原始數據的原始數字信號S3，以便所需數據率和功耗可以被有效改善。生理信號處理電路100的生理特征檢測電路130可以幫助減少外部設備的計算負擔。外部設備可以例如處理器。一方面，處理器可以以更低的數據率而消耗更少的功率。另一方面，由于生理特征檢測電路130執行處理器的一些工作，處理器可以進入一些休眠模式以節約更多的功率。生理信號處理電路100的詳細操作將在隨后的附圖和實施例中描述。應當理解這些實施例僅為示例性的，它們并非用于限制本發明的范圍。
[0018]圖2為根據本發明實施例的生理特征檢測電路130的圖示。在圖2的實施例中，生理特征檢測電路130包含一個或多個以下部件:濾波器132、后置濾波處理電路134、峰值檢測電路136和決策電路138。圖3A為根據本發明實施例的數字信號S3波形的圖示。在模擬生理信號SI被放大和數字化之后，生成的數字信號S3包含與人體生理信息相關的原始數據。例如，如果模擬生理信號SI為光電容積圖(PPG)信號或心電圖(ECG)信號，數字信號S3的原始數據可以包含代表時域波形的多比特，所述時域波形包含正被監測的人體心跳的直流電(DC)幅度和交流電(AC)幅度。
[0019]濾波器132用于對數字信號S3進行濾波并在第一信號域中提供濾波信號S4。例如，濾波器132可以用(數字)低通濾波器來實現，且濾波信號S4可以僅包含數字信號S3的低頻成分。例如，濾波器132可以用低通濾波器和高通濾波器的組合來實現，且濾波信號S4可以僅包含數字信號S3的中間頻率成分。第一信號域可以為第一時域，所述第一時域包含信號幅度信息。低通濾波器可以移除高頻噪聲。高通濾波器可以移除低頻DC變化，并減少信號比特數目。例如，如果數字信號S3具有16比特，濾波信號S4可以僅具有12比特。后置濾波處理電路134用于處理濾波信號S4并在第二信號域中提供中間信號S5。例如，后置濾波處理電路134用微分單元來實現，且中間信號S5可以包含濾波信號S4的一階導數或二階導數。第二信號域可以為第二時域，所述第二時域包含信號斜率、信號最大點、信號最小點和/或信號絕對值的信息。圖3B是根據本發明實施例的濾波信號S4和中間信號S5的波形的圖形。應當理解，實際上濾波信號S4和中間信號S5的波形為數字和離散的，它們以模擬和連續的方式來表示以便讀者可以更容易地理解。在圖3B的實施例中，中間信號S5為濾波信號S4的一階導數。在可選實施例中，可以做出調整以便中間信號S5為一階導數的絕對值或濾波信號S4的二階導數。
[0020]峰值檢測電路136用于在中間信號S5中檢測局部峰值，并用于提供多數據點S6。請參考圖3B。每個數據點S6可以等同于各自的中間信號S5的局部最大或最小點。通常，中間信號S5的局部最大點可以代表心臟的收縮點，且這些點可以通過峰值檢測電路136來采集以便形成數據點S6。
[0021]決策電路138用于根據決策規則通過拾取數據點S6來生成輸出信號S7。輸出信號S7可以僅包含拾取的數據點S6 ο例如，決策電路138可以根據決策規則來選擇數據點S6的一部分作為多心跳點，且心跳點可以用于產生輸出信號S7。在一些實施例中，拾取的心跳點信息與其對應的時間信息相結合，以便每兩個數據點S6時間的時間間隔可以被計算。圖3C是根據本發明實施例的輸出信號S7的選擇和生成的圖示。在圖3C的實施例中，決策電路138的選擇過程和決策規則包含操作:(I)確定各個數據點S6是否高于閾值TH; (2)確定兩個相鄰數據點S6之間的各個間隔長于最短合理長度LL;以及(3)確定兩個相鄰數據點S6之間的各個間隔是否短于最長合理長度LH。如果前述條件(I)、(2)和(3)全部滿足，相應數據點S6的相應數據點將被確定為通過了拾取過程，并將被選擇為心跳點(及拾取的數據點)以便產生輸出信號S7。否則，相應數據點S6將被放棄且不形成輸出數據S7的任何部分。決策電路138用于移除明顯不合理的數據點S6。例如，由于正常人的心率具有大約每分鐘200跳的上邊界，兩個相鄰數據點S6之間的間隔小于0.3秒是明顯不合理的，且兩個相鄰數據點需要被再次拾取或僅僅放棄。此外，關于輸出信號S7的相應的S6可以用于更新閾值TH。例如，隨著S6幅度的增加，閾值TH可以被更新；這可以被表述為THnew = THcur+(magS6-THcur)*alpha，其中THnew為更新的TH值，Hcur為當前TH，magS6為關于輸出信號S7最新數據點的相應的S6的幅度，alpha為比例因子，例如0.5。這是因為數字信號S3的幅度可以由于一些環境變化而隨時間變化。隨著數字信號S3幅度的增加，輸出信號S6的幅度也增加；因此固定閾值TH可能在一些情況下產生低下的性能。
[0022]在可選實施例中，濾波器132和后置濾波處理電路134被結合為單一濾波器，且濾波信號S4、中間信號S5和數據點S6被當做單一內部信號。
[0023]圖4是根據本發明實施例的可穿戴設備400的圖示。本發明并不限制可穿戴設備400的類型。例如，可穿戴設備400可以為用于人體440的智能手表或運動腕帶。在圖4的實施例中，可穿戴設備400包含一個或多個以下部件:顯示設備450、電池460、生理信號處理電路470、光源480、光傳感器485、處理器490和數據傳輸單元495。顯示設備450可以為液晶顯示器(IXD)。電池460用于向可穿戴設備400中的每個部件提供電力。生理信號處理電路470的詳細結構和操作已經在圖1、2和3A-3C中作為生理信號處理電路100而詳細描述。與以上實施例的不同在于生理信號處理電路470進一步包含偏置控制器140。注意，生理信號處理電路470可以在獨立IC上制造或與圖4中所列出的其他部件結合。在一些實施例中，生理特征檢測電路130進一步耦合于數據存儲單元145，比如靜態隨機存取存儲器(SRAM)或動態隨機存取存儲器(DRAM)。數據存儲單元145是可選的，且用于臨時存儲輸出信號S7。當觸發條件發生時，處理器490被觸發以處理存儲于數據存儲單元145內的輸出信號S7。在一些實施例中，處理器490周期性地(例如每I分鐘)檢測數據存儲單元145的容量，并當數據存儲單元145的容量小于預定值時讀取存儲于數據存儲單元145內的數據。在可選實施例中，處理器490以特定頻率(例如每3分鐘)讀取存儲于數據存儲單元145內的數據。在其他實施例中，當數據存儲單元145通知處理490時，處理器490存儲于數據存儲單元145內的數據。
[0024]光源480由偏置控制器140控制，并用于向人體440發光。例如，光源480可以包含用于以預定頻率生成光的發光二極管(LED)。作為回應，光傳感器485用于接收來自人體440的反射或透射光，并生成模擬生理信號SI。例如，通過人體440(例如手指或手腕)的透射光可以在心動周期的心臟收縮期內具有相對較強的強度，而在心臟舒張期內具有相對較弱的強度。透射光可以由光傳感器485來檢測以便形成光電容積圖(PPG)信號(模擬生理信號SI)。生理信號處理電路470用于處理來自光傳感器485的模擬生理信號SI并生成輸出信號S7。處理器490可以獨立于生理信號處理電路470并用于進一步處理來自生理信號處理電路470的輸出信號。例如，處理器490可以獲得根據輸出信號S7的用戶(人體440)的生理特征。數據傳輸單元495耦合于生理信號處理電路470的生理特征檢測電路130，并用于將輸出信號S7通過有線或無線通信鏈路傳輸至外部設備(未示出)。例如，有線通信鏈路可以包含內部集成電路(I2C)總線或服務提供者接口(SPI)，無線通信鏈路可以包含藍牙或W1-Fi無線連接。當可穿戴設備用智能手表來實現，其可以檢測用戶的生理信號并將處理的數字信號傳輸至外部設備，以便外部設備可以以不同方式與用戶相互作用。例如，外部設備可以用作通過可穿戴設備400采集必要信息的睡眠監測器或用戶健康檢測器。由于可穿戴設備400僅傳輸已經處理過的輸出信號S7，可穿戴設備400和與其相關的外部設備之間的數據傳輸量被顯著減少，且整個系統的功耗也被改善。此外，由于處理器490不得不做出較少的計算，其可以被關閉或進入休眠模式以節約更多的電力。
[0025]圖5是根據本發明實施例的用于處理生理信號的方法的流程圖。在步驟510中，用戶的模擬生理信號被放大以提供放大信號。在步驟520中，放大信號被轉換為數字信號。在步驟530中，由數字信號中檢測用戶的生理特征以便提供輸出信號。應當理解，以上步驟無需按照順序執行，圖1-4實施例的一個或多個特征可以應用于圖5的方法。
[0026]本發明的生理信號處理電路包含處理電路，因此其可以處理復雜的原始數據(SP數字信號)并隨后傳輸處理數據(即輸出信號)。由于這種設計，被傳輸的數據量和整個系統的功耗都將被有效改善。例如，如果模數轉換器的采樣率為125Hz且每個采樣點以22比特記錄，沒有處理電路進行處理，所需的數據傳輸速率將為每秒2750(125 X 22 = 2750)比特。然而，如果采用本發明且僅傳輸處理數據，假定人體的心率最高為每分鐘200跳，且每個心跳以24比特記錄，所需的數據傳輸速率將為每秒80 (200 -^60X24 = 80)比特。換句話說，通過使用本發明，處理數據(即輸出數據)的數據率小于原始數據(即數字信號)的數據率的0.03倍。本發明的生理信號處理電路至少具有減少數據傳輸量、減少內存使用和減少處理器計算和功耗的優點。因此，本發明適合應用于包含有限電力電池的多種移動電子設備。
[0027]本發明的方法或特定方面或其中的部分可以采用包含在有形介質內的程序代碼(即可執行指令)的形式，比如軟盤、CD-ROMS、硬盤驅動器或其他任何機器可讀的存儲介質，其中，當程序代碼被載入并由機器(比如電腦)執行時，機器由此變為實施方法的裝置。方法也可以呈現為通過一些傳輸介質進行傳輸的程序代碼形式，比如電線或電纜，通過光纖或通過任何其他傳輸形式，其中當程序代碼被接收、載入并由機器(比如電腦)執行時，及其變為用于實施所公開方法的裝置。當在通用處理器上執行時，程序代碼與處理器相結合以提供獨特的裝置，所述獨特的裝置類似地操作特定應用邏輯電路。
[0028]在權利要求中使用順序術語(比如“第一”、“第二”、“第三”等)以修飾權利要求元素，其本身并不意味著一個權利要求元素相對于另一權利要求元素的任何優先級、優先序或順序，也不意味著所執行方法行為的時間順序，而是僅用作對具有特定名稱的一個權利要求元素與具有相同名稱(如果沒有使用順序術語)的另一權利要求元素的進行區分，以便區分這些權利要求元素。
[0029]然而，本發明通過示例和根據優選實施例而得以描述，其應當被理解為本發明并非受限于所公開的實施例。相反，其意于覆蓋不同修改和類似布置(因為對本領域技術人員是顯而易見的)。因此，待決權利要求的范圍應當符合寬泛的解釋以便包含所有此類修改和類似布置。
【主權項】
1.一種生理信號處理電路，其特征在于，包括: 放大器，放大用戶的模擬生理信號以提供放大信號； 模數轉換器，耦合于所述放大器，并將所述放大信號轉換為數字信號；以及 生理特征檢測電路，耦合于所述模數轉換器，用于由所述數字信號中檢測所述用戶的生理特征以便提供輸出信號。2.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述模擬生理信號為光電容積圖信號或心電圖信號。3.如權利要求2所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述輸出信號包括兩個連續心跳之間的周期和有關心跳的特定時間點之一。4.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述輸出信號的數據率低于所述數字信號的數據率。5.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述用戶的生理特征為心率、心跳間隔和心跳時刻之一。6.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，進一步包括: 處理器；以及 數據存儲單元，用于存儲所述輸出信號，其中當觸發條件發生時，所述處理器被觸發以處理存儲于所述數據存儲單元中的所述輸出信號。7.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，生理特征檢測電路包括: 濾波器，對所述數字信號進行濾波以在第一信號域內提供濾波信號；以及 后置濾波處理電路，處理所述濾波信號以在第二信號域內提供中間信號。8.如權利要求7所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述生理特征檢測電路進一步包括: 峰值檢測電路，在所述中間信號中檢測局部峰值以提供多個數據點；以及 決策電路，選擇所述多個數據點的一部分作為多個心跳點，其中所述多個心跳點用于產生所述輸出信號。9.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述生理特征檢測電路進一步耦合于數據傳輸單元，以通過有線或無線通信鏈路將所述輸出信號傳輸至設備。10.如權利要求1所述的生理信號處理電路，其特征在于，所述輸出信號的數據率小于所述數字信號數據率的0.03倍。11.一種用于處理生理信號的方法，其特征在于，包括步驟: 放大用戶的模擬生理信號以提供放大信號； 將所述放大信號轉換為數字信號；以及 由所述數字信號中檢測所述用戶的生理特征以便提供輸出信號。12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述模擬生理信號為光電容積圖信號或心電圖信號。13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述輸出信號通知兩個相鄰心跳之間的周期和有關心跳的特定時間點之一。14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述輸出信號的數據率低于所述數字信號的數據率。15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述用戶的生理特征為心率、心跳間隔和心跳時刻之一。16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，進一步包括: 將所述輸出信號存儲至數據存儲單元內；以及 當觸發條件發生時，處理存儲于所述數據存儲單元中的所述輸出信號。17.如權利要求11所述的方法，其特征在于，進一步包括: 對所述數字信號進行濾波以在第一信號域內提供濾波信號；以及 處理所述濾波信號以在第二信號域內提供中間信號。18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，進一步包括 在所述中間信號中檢測局部峰值以提供多個數據點；以及 根據決策規則選擇所述多個數據點的一部分作為多個心跳點，其中 所述多個心跳點用于產生所述輸出信號。19.如權利要求11所述的方法，其特征在于，進一步包括: 通過有線或無線通信鏈路將所述輸出信號傳輸至設備。20.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述輸出信號的數據率小于所述數字信號數據率的0.03倍。
【文檔編號】A61B5/0205GK105877698SQ201610075771
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月3日
【發明人】古博文
【申請人】聯發科技股份有限公司