PPG传感器及其操作方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年6月17日在韩国知识产权局递交的题为“ppg传感器及其操作方法”的韩国专利申请no.10-2019-0071376的优先权，其通过引用的方式整体并入本文。

实施例涉及光电容积脉搏波(ppg)传感器及其操作方法。

背景技术：

光电容积脉搏波(ppg)传感器使用cmos图像传感器(cis)从由血流反射的光中获取ppg信号。ppg传感器通常安装在诸如智能手表的可穿戴设备或诸如无线耳机的小型设备上。

技术实现要素：

实施例涉及一种光电容积脉搏波(ppg)传感器，包括：像素阵列，所述像素阵列收集光；像素采样器，所述像素采样器将通过像素阵列收集的光转换为多个像素数据；有效区域确定器，所述有效区域确定器基于所述像素数据确定所述像素阵列的有效区域和非有效区域；电力控制器，所述电力控制器能够操作以切断对所述像素阵列的所述非有效区域的供电；以及ppg数据生成器，所述ppg数据生成器根据所述像素数据中的与所述有效区域相对应的像素数据生成ppg数据。

实施例还涉及一种光电容积脉搏波(ppg)传感器，包括：像素阵列，所述像素阵列收集光；像素采样器，所述像素采样器将通过像素阵列收集的光转换为多个像素数据；光量确定器，所述光量确定器基于针对像素数据收集的光的量确定是否切断供电；电力控制器，所述电力控制器可操作以根据来自所述光量确定器的命令切断对所述像素阵列的供电；以及ppg数据生成器，所述ppg数据生成器根据所述像素数据来生成ppg数据。

实施例还涉及一种操作光电容积脉搏波(ppg)传感器的方法，所述方法包括：将通过像素阵列收集的光转换为多个像素数据；基于所述像素数据确定所述像素阵列的有效区域和非有效区域；切断对所述像素阵列的所述非有效区域的供电；以及根据所述像素数据中的与所述有效区域相对应的像素数据生成ppg数据。

实施例还涉及一种光电容积脉搏波图(ppg)系统，包括：光源；ppg传感器，被布置为接收由所述光源发射的并从用户的皮肤反射的光；以及应用，从所述ppg传感器接收ppg数据。ppg传感器可以包括：像素阵列，所述像素阵列收集从所述用户的皮肤反射的光；像素采样器，所述像素采样器将通过像素阵列收集的光转换为多个像素数据；有效区域确定器，所述有效区域确定器基于所述像素数据确定所述像素阵列的有效区域和非有效区域；电力控制器，所述电力控制器可操作以切断对所述像素阵列的所述非有效区域的供电；以及ppg数据生成器，所述ppg数据生成器根据所述像素数据中的与所述有效区域相对应的像素数据生成ppg数据。

附图说明

通过参考附图详细描述示例实施例，特征对于本领域技术人员将变得清楚，在附图中：

图1示出了根据示例实施例的光电容积脉搏波(ppg)感测设备；

图2和图3是根据示例实施例的用于解释有效区域确定器的示图；

图4至图6是根据示例实施例的用于解释电力控制器的示图；

图7示出了根据示例实施例的操作ppg传感器的方法；

图8是用于解释确定根据示例实施例的ppg传感器的有效区域的示例结果的示图；以及

图9是用于解释使用根据示例实施例的ppg传感器的示例的示图。

具体实施方式

图1示出了根据示例实施例的光电容积脉搏波(ppg)感测设备。

参考图1，根据示例实施例的ppg感测设备1可以包括ppg传感器10和应用15。

ppg感测设备1可以通过以短距离向皮肤照射光来测量血流变化。ppg感测设备1可以安装在诸如智能手表或健身带的可穿戴设备、或者诸如无线耳机的小型设备上，并且可以被用于测量例如心率。当ppg传感器10通过测量血流变化来生成ppg数据时，应用15可以通过利用ppg数据来实现各种功能。

ppg传感器10可以包括像素阵列100、像素光量信号获取器110、定时发生器120、光量确定器130、有效区域确定器140、数据处理器150、ppg数据生成器160和电力控制器170。像素阵列100可以通过诸如透镜的光学系统来收集光。

在示例实施例中，像素阵列100可以被实现为光电二极管阵列。像素阵列100可以是有源像素传感器(aps)阵列，并且可以包括具有各种结构的像素。例如，像素阵列100可以被实现为其中一个像素包括三个晶体管和一个光电二极管的三晶体管有源像素传感器(3-traps)或其中一个像素包括四个晶体管和一个光电二极管的4-traps。

像素阵列可以具有多行和多列。像素光量信号获取器110可以通过启用或禁用构成像素阵列100的行中的特定行，来选择或不选择(例如，取消选择)该特定行。

像素光量信号获取器110可以对通过像素阵列100收集的光进行采样并提供相应的像素数据。像素光量信号获取器110可以包括以下项中的一个或多个：可以用于去除在读出像素时生成的噪声的相关双采样器(cds)、可以用于将模拟像素信号转换为数字数据的模数转换器(adc)以及可以用于将由光电二极管生成的光电流转换为电信号的跨阻放大器(tia)。

在另一示例实施例中，像素阵列100可以被实现为数字像素传感器阵列，该数字像素传感器阵列具有执行模数转换的数字像素传感器的阵列。数字像素传感器阵列可以在每个像素中包括adc和数字存储器中的一个或多个，并且可以立即将根据通过光学系统收集的光而生成的电信号转换为数字信号，并将该数字信号存储在数字存储器中。因此，数字像素传感器可以输出数字信号而不是电压信号。

当像素阵列100被实现为数字像素传感器阵列时，像素光量信号获取器110的内部配置可以不同于当像素阵列100被实现为aps阵列时像素光量信号获取器110的内部配置。类似于像素阵列100被实现为aps阵列的情况，像素光量信号获取器110可以通过启用或禁用构成像素阵列100的行中的特定行来选择或不选择(例如，取消选择)该特定行。

定时发生器120可以通过启用或禁用构成像素阵列100的列中的特定列，来选择或不选择(例如，取消选择)该特定列。定时发生器120可以与像素光量信号获取器110一起操作和使用，以选择或不选择(例如，取消选择)像素阵列100中的特定像素。因此，像素光量信号获取器110和定时发生器120可以通过启用或禁用构成像素阵列100的多个像素中的特定像素所在的行和列来选择或不选择(例如，取消选择)该特定像素。

电力控制器170可以向像素阵列100供电或者切断对像素阵列100的供电。例如，电力控制器170可以通过与光量确定器130或有效区域确定器140一起操作来切断对整个像素阵列100或像素阵列100的一部分的供电，如下面进一步详细描述的。

当电力控制器170切断对像素阵列100的一部分的供电时，电力控制器170可以通过控制像素光量信号获取器110来切断对与特定行相对应的像素的供电；可以通过控制定时发生器120来切断对与特定列相对应的像素的供电；或者可以通过使用像素光量信号获取器110和定时发生器120两者来仅切断对特定像素的供电。

光量确定器130可以基于针对多个像素数据所收集的光的量来确定是否切断对像素阵列100的供电。当光量确定器130确定要切断对像素阵列100的供电时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断向像素阵列100的所有像素的供电。然后，电力控制器170可以根据来自光量确定器130的命令来切断对像素阵列100的供电。

例如，当像素数据中的全部或至少一些的值超过预定的第一光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。这里，当特定像素数据的值超过预定的第一光量参考值时，这可以指示由于该像素数据的光是饱和的，所以该像素数据不能用于获取ppg数据。因此，预定的第一光量参考值可以被设置为从统计角度和/或凭经验确定的用于确定像素数据的光是否饱和的值。

当所有像素数据的值都超过第一光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。在另一实施方式中，当像素数据中的一些的值超过第一光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。在后一种情况下，当例如80％的像素数据的值超过第一光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。

在另一示例中，当像素数据中的全部或至少一些的值小于预定的第二光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。这里，当特定像素数据的值小于预定的第二光量参考值时，这可以指示由于该像素数据的光较低，所以该像素数据不能用于获取ppg数据。因此，预定的第二光量参考值可以被设置为从统计角度和/或凭经验确定的用于确定像素数据的光是否较低的值。

当所有像素数据的值都小于第二光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。在另一实施方式中，当像素数据中的一些的值小于第二光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。在后一种情况下，当例如75％的像素数据的值小于第二光量参考值时，光量确定器130可以向电力控制器170发送命令以切断对整个像素阵列100的供电。

有效区域确定器140可以基于多个像素数据来区分像素阵列100的有效区域和非有效区域。有效区域确定器140可以向电力控制器170发送命令以切断对像素阵列100的一些像素(例如，与非有效区域相对应的像素阵列100的子集的像素)的供电。然后，电力控制器170可以根据来自有效区域确定器140的命令切断对像素阵列100的非有效区域的供电。

下面将参考图2至图6来描述关于有效区域确定器140如何区分像素阵列100的有效区域和非有效区域且电力控制器170如何切断对像素阵列100的非有效区域的供电的细节。

数据处理器150可以对多个像素数据执行各种图像处理操作。例如，数据处理器150可以对与像素阵列100的有效区域相对应的像素数据执行图像信号处理(isp)。图像信号处理的示例可以包括一般的成像处理操作，例如，插值、颜色校正、伽马校正、颜色空间转换、白平衡调节、曝光调节和处理或调节ppg数据所需的特殊操作。

ppg数据生成器160根据多个像素数据生成ppg数据。例如，ppg数据生成器160可以例如使用数字求和根据与像素阵列100的有效区域相对应的像素数据生成ppg数据。

在示例实施例中，ppg数据生成器160可以测量与像素阵列100的有效区域相对应的像素数据的信号质量，并且当所测量的信号质量保持在预定的质量参考值或更高的质量参考值时，根据与有效区域相对应的像素数据连续地生成ppg数据。如果由ppg数据生成器160测量的信号质量小于预定的质量参考值，则像素光量信号获取器110可以再次通过像素阵列100收集光并生成多个新的像素数据，并且有效区域确定器140可以基于新的像素数据来区分像素阵列100的有效区域和非有效区域。

应用15可以被实现为诸如电子电路的硬件、诸如应用程序的软件、或者使用从ppg传感器10接收的ppg数据执行各种功能的硬件和软件的组合。

在示例实施例中，像素光量信号获取器110可以通过根据由计时器生成的信号通过像素阵列100收集光，来生成多个像素数据。例如，像素光量信号获取器110可以通过根据在用户佩戴可穿戴设备或无线耳机时生成的信号或根据以预定间隔生成的信号通过像素阵列100收集光，来生成多个像素数据。

在示例实施例中，像素光量信号获取器110可以通过根据由外部传感器生成的信号通过像素阵列100收集光，来生成多个像素数据。例如，当确定由加速度传感器或接近传感器生成的感测值有意义时，像素光量信号获取器110可以通过经由像素阵列100收集光来生成多个像素数据。

在示例实施例中，像素光量信号获取器110可以通过根据用户信号通过像素阵列100收集光，来生成多个像素数据。例如，像素光量信号获取器110可以通过根据由用户的操控而生成的信号通过像素阵列100收集光，来生成多个像素数据。

图2和图3是根据示例实施例的用于解释有效区域确定器140的示图。

在图2中，(a)指示像素阵列100的一部分中的像素。为了便于描述，针对由整数1至10表示的光量示出了(a)中的像素数据。像素数据可以是例如从上述像素光量信号获取器110的adc输出的，或者可以对应于从数字像素传感器阵列输出的adc代码。

在图2中，(b)示出了针对与(a)中的像素数据值4至8相对应的像素而指示的有效区域。下面结合图3详细描述设置有效区域和非有效区域的示例。

在图2的(b)中，作为示例，与像素数据值4至8相对应的像素可以被确定为具有在获取ppg数据时有意义的值。其他像素(即，未标记为有效区域的像素，即，非有效区域)的像素数据值可以是1、2、3、9或10。可以确定与像素数据值1、2、3、9和10相对应的像素具有不能用于获取ppg数据的光值。

在图2中，(c)将其他像素(即，未被标记为有效区域的像素，即，非有效区域)示出为断电区域。由于包括在断电区域(即，非有效区域)中的像素不被认为提供在获取ppg数据时有用的值，因此可以切断对这些像素的供电，从而改善ppg传感器10的供电效率。

尽管在图2中作为示例逐个像素地切断了供电，但是电力控制器170可以根据具体的实现目的来切断对与特定行相对应的像素的供电和/或切断对与特定列相对应的像素的供电。例如，电力控制器170可以通过控制像素光量信号获取器110来启用包括在有效区域中的行并禁用包括在非有效区域中的行。当在一行中包括有效像素和非有效像素二者时，可以基于根据ppg感测设备1的操作策略的各种准则来决定将该行确定为是有效的还是非有效的，其中操作策略是根据具体实现目的确定的。作为简单示例，可以在ppg感测设备1中设置策略，使得当行中的有效像素的数量大于该行中的非有效像素的数量时该行被包括在有效区域中，且当行中的有效像素的数量小于该行中的非有效像素的数量时该行被包括在非有效区域中。

又例如，电力控制器170可以通过控制定时发生器120来启用包括在像素阵列100的有效区域中的列并禁用包括在非有效区域中的列。当在一列中包括有效像素和非有效像素二者时，可以基于根据ppg感测设备1的操作策略的各种准则来决定将该列确定为是有效的还是非有效的，其中操作策略是根据具体实现目的确定的。作为简单示例，可以在ppg感测设备1中设置策略，使得当列中的75％或更多的像素是有效像素时该列被包括在有效区域中，且当列中的75％或更多的像素是非有效像素时该列被包括在非有效区域中。

参考图3，为了在像素阵列100中设置有效区域和非有效区域，有效区域确定器140可以基于多个像素数据来设置第一区间参考值x1和第二区间参考值x2。有效区域确定器140可以在有效区域中包括具有存在于第一区间参考值x1与第二区间参考值x2之间的值的像素数据，并且可以在非有效区域中包括具有不存在于第一区间参考值x1与第二区间参考值x2之间的值的像素数据。在图3所示的示例中，水平轴表示像素阵列100的每个像素可以具有的adc代码值，并且垂直轴表示像素阵列100中的与每个adc代码值相对应的像素的数目(即，频率)。

在示例实施例中，有效区域确定器140可以在ppg传感器10的操作期间动态地重置第一区间参考值x1和第二区间参考值x2。例如，如果均值位于远离右侧的位置，则有效区域确定器140可以通过将第二区间参考值x2乘以权重来将第二区间参考值x2向左移位。作为另一示例，有效区域确定器140可以通过将第一区间参考值x1和第二区间参考值x2中的至少一个乘以权重来将第一区间参考值x1或第二区间参考值x2向左或向右移位。

图4至图6是根据示例实施例的用于解释电力控制器的示图。

参考图4至图6，电力控制器170可以通过控制像素光量信号获取器110和定时发生器120来启用包括在像素阵列100的有效区域中的行和列并禁用包括在像素阵列100的非有效区域中的行和列。

例如，图5示出了针对示例情况的像素阵列100，在该示例情况中，像素阵列100的有效区域包括与第一行的第一列、第三列和第四列相对应的有效像素、与第二行的第一列、第三列和第四列相对应的像素、与第三行的第二列相对应的像素和与第四行的第一列、第二列和第四列相对应的像素。

在这种情况下，当像素光量信号获取器110选择第一行时，电力控制器170可以通过控制定时发生器120将输入到第一列、第三列和第四列的列启用信号设置为逻辑高并且将输入到第二列的列启用信号设置为逻辑低，从而切断对与第一行的第二列相对应的像素的供电。类似地，当像素光量信号获取器110选择第三行时，电力控制器170可以通过控制定时发生器120将输入到第二列的列启用信号设置为逻辑高并且将输入到第一列、第三列和第四列的列启用信号设置为逻辑低，从而切断对与第三行的第一列、第三列和第四列相对应的像素的供电。

图7示出了根据示例实施例的操作ppg传感器的方法。

参考图7，根据示例实施例的操作ppg传感器10的方法可以包括：获取用于确定像素阵列100的有效区域的数据(操作s701)。获取数据(操作s701)可以包括：将通过像素阵列100收集的光转换为多个像素数据。

另外，该方法可以包括：基于针对像素数据所收集的光的量来确定是否切断供电(操作s703)。在确定是否切断供电(操作s703)时，可以确定像素数据中的全部或至少一些的值是否超过预定的第一光量参考值。在确定是否切断供电(操作s703)时，可以确定像素数据中的全部或至少一些的值是否小于预定的第二光量参考值。

如果确定像素数据中的全部或至少一些的值超过预定的第一光量参考值或小于预定的第二光量参考值，则可以基于所述确定来切断对像素阵列100的供电(操作s707)。

如果确定像素数据中的全部或至少一些的值未超过预定的第一光量参考值且等于或大于预定的第二光量参考值，则可以基于像素数据来设置第一区间参考值x1和第二区间参考值x2(操作s705)。

像素数据中的具有存在于第一区间参考值x1与第二区间参考值x2之间的值的像素数据可以被包括在有效区域中，并且像素数据中的具有不存在于第一区间参考值x1与第二区间参考值x2之间的值的像素数据可以被包括在非有效区域中，从而区分像素阵列100的有效区域和非有效区域，并切断对非有效区域的供电(操作s709)。

切断对非有效区域的供电(操作s709)可以包括：启用包括在像素阵列100的有效区域中的行并禁用包括在非有效区域中的行，启用包括在像素阵列100的有效区域中的列并禁用包括在非有效区域中的列，或启用包括在像素阵列100的有效区域总的行和列并禁用包括在非有效区域中的行和列。

在示例实施例中，可以在ppg传感器10的操作期间动态地重置第一区间参考值x1和第二区间参考值x2。

接下来，可以根据像素数据中的与有效区域相对应的像素数据来生成ppg数据(操作s711)。

接下来，可以测量与有效区域相对应的像素数据的信号质量(操作s713)。当信号质量保持在预定的质量参考值或更高的质量参考值(在操作s715中为“是”)时，可以根据与有效区域相对应的像素数据连续地生成ppg数据。另一方面，当信号质量小于预定的质量参考值(在操作s715中为“否”)时，可以生成多个新的像素数据。

在示例实施例中，生成像素数据可以包括：通过根据由计时器生成的信号通过像素阵列100收集光来生成多个像素数据。

在示例实施例中，生成像素数据可以包括：通过根据由外部传感器生成的信号通过像素阵列100收集光来生成多个像素数据。

在示例实施例中，生成像素数据可以包括：通过根据用户信号通过像素阵列100收集光来生成多个像素数据。

该方法可以进一步包括：对与有效区域相对应的像素数据执行图像处理。

图8是用于解释确定根据示例实施例的ppg传感器10的有效区域的示例的示图。在图8中，横轴表示行，纵轴表示列，且图例表示像素值。

参考图8，像素阵列100的像素的大约一半包括在有效区域中，而另一半包括在非有效区域中。因此，由于如上所述地电力控制器170切断对非有效区域的供电，因此观察到了ppg传感器10的明显电力减小。

图9是用于解释使用根据示例实施例的ppg传感器的示例的示图。

参考图9，根据示例实施例的ppg传感器10可以与光源20一起使用。光源20可以是例如照亮用户的皮肤的发光二极管(led)。ppg传感器10可以是例如基于aps像素阵列的ppg传感器，其收集从皮肤反射的光，并且可以根据所收集的光获得ppg数据。ppg传感器10可以在处理器30(例如，应用处理器(ap))的控制下基于获取的图像信号来确定像素阵列100的有效区域和非有效区域，并且可以与诸如如上所述的加速度传感器或接近传感器的外部传感器40互连，和/或通过诸如蓝牙模块的通信设备50与其他设备互连。

通过总结和回顾，可以将ppg传感器设置为在提供非常有限的电力的环境中长时间运行。这样，实施例可以使ppg传感器的功耗最小化。实施例可以提供一种通过减小像素阵列的功耗来改善电力效率的ppg传感器及操作所述ppg传感器的方法。

如本领域技术人员将理解的，可以参考功能块、单元或模块来描述和/或示出本文的实施例的一些方面。块、单元或模块可以通过专用硬件实现或实现为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。实施例的块、单元或模块可以物理地分离成两个或更多个相互作用且分立的块、单元或模块，或者块、单元或模块可以物理地组合成更复杂的块、单元或模块。本领域技术人员将理解，这些块、单元或模块可以通过诸如逻辑电路、分立组件、微处理器、硬连线电路、存储器元件、布线连接等的电子(或光学)电路物理地实现，其中所述电子(或光学)电路可以使用基于半导体的制造技术或其他制造技术来形成。在块、单元或模块由微处理器等实现的情况下，它们可以使用软件(例如，微代码)来编程以执行本文讨论的各种功能，并且可以可选地由固件或软件驱动。

本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了特定术语，但是这些术语仅用于且应被解释为一般的描述性意义，而不是为了限制的目的。在一些实例中，如在提交本申请时本领域普通技术人员应认识到，除非另有明确说明，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件相结合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上的各种改变。