[发明专利]心率传感器及其自适应心跳锁环系统和方法

说明书

本发明提供了一种心率传感器及其自适应心跳锁环系统和方法，包括：频率数字转换器接收PPG时钟信号并转换为数字信号；除法器接收数字信号以及分频倍数，将数字信号除以分频倍数得到分频数字信号；数字滤波器滤除高频噪声后得到数字心率信号；心率微分器接收数字心率信号以及外部时钟信号，计算每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号；比较器比较心率变化率信号与临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号；窗口生成器接收数字心率信号，生成窗口信号；分频器接收分频器控制信号以及窗口信号，得到分频后的自适应窗口信号以及分频倍数后输出。本发明自适应地调整LED驱动器输出脉冲的占空比，使得LED的功耗显著降低。

技术领域

本发明涉及可穿戴人体信号监测技术领域，具体地，涉及一种心率传感器及其低功耗的自适应心跳锁环系统和方法。

背景技术

心率是最重要的健康信息之一，它反映了诸多心血管问题。24小时心率监测在人们的日常生活中有着广泛的需求。如何实现低功耗和可穿戴的心率传感器是可穿戴人体信号监测领域的关键问题。现有的心跳监测技术主要有以下几种方法，即心电图描记法(ECG)，心音描记法(PCG)，超声波检查法，光电容积描记法(PPG)。而光电容积描记法由于具有体积小、成本低、无电极等优点，已被广泛运用在智能手环等可穿戴设备上。

然而，在可穿戴设备中，电池容量是有限的，因此需要降低PPG芯片的功耗。在PPG芯片中，驱动LED发光消耗了绝大部分的功耗。为了延长传感器的使用周期就必须降低LED驱动器的功耗。对于降低LED驱动器的功耗，现有的技术主要有以下几种：

M.Atef,M.Wang,and G.Wang,“A fully integrated high-sensitivity widedynamic range ppg sensor with an integrated photodiode and an automaticdimming control led driver,”IEEE Sensors Journal,vol.18,no.2,pp.652–659,2018.中采用降低LED的占空比和脉冲重复频率的方式，这种方式能够将LED的有效占空比降低到1％，但LED仍然消耗了绝大部分的功耗。

P.V.Rajesh,J.M.Valero-Sarmiento et al.,“a 172μw compressive samplingphotoplethysmographic readout with embedded direct heart-rate and variabilityextraction from compressively sampled data,”IEEE International Solid-StateCircuits Conference(ISSCC),pp.386–387,2016.中采用压缩采样的方法，利用了PPG信号的稀疏性，将LED有效占空比降低到0.0125％，但是重构压缩采样信号需要消耗大量的功耗。

D.Jang and S.Cho,“A 43.4μw photoplethysmogram-based heart-rate sensorusing heart-beat-locked loop,”IEEE International Solid State CircuitsConference(ISSCC),pp.474–476,2018.中提出了心跳锁环技术，该技术能够生成窗口，预测并锁住每个PPG信号周期的峰值位置。LED只在窗口为高电平时打开，实现了0.0175％的占空比。虽然在现有的工作中，LED的打开时间显著降低，功耗也因此降低。但LED仍然消耗了PPG芯片中主要的功耗。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种心率传感器及其低功耗的自适应心跳锁环系统和方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种自适应心跳锁环系统，包括：心率计算器模块和自适应窗口生成器模块；其中：