CN104739422B - 光学生理信号测量装置以及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种光学生理信号测量装置以及信号处理方法。信号处理方法包括使用光学生理信号测量装置对待测物进行测量；将光学生理信号测量装置的各组感测单元所各自得到的信号进行处理；信号处理单元判断待测物的晃动是否超过预定值；若晃动超过预定值时，各组感测单元所得到的各个红外光信号及各个红光信号依各组感测单元的对应空间几何关系，将各个红外光信号及各个红光信号进行相对应调整，以降低动作干扰信号，并获得待测物的光学生理信号。

Description

光学生理信号测量装置以及信号处理方法

技术领域

本揭露涉及一种测量装置以及信号处理方法，且特别涉及一种用于测量光学生理信号的光学生理信号测量装置以及相关的信号处理方法。

背景技术

能够正确地评估病患动脉中氧合(oxygenation)程度对于了解有缺氧或呼吸功能障碍的病人的状况是非常重要的。光学生理信号测量装置中的血氧浓度测量装置是用来测量人体动脉血液中带氧血红素的饱和浓度。1970年代在急诊加护单位中，开始以抽取病患的动脉血液来进行动脉血液气体分析，以得到血液中的氧分压及二氧化碳分压来评估病患的氧气传输及供给状况。由于抽取动脉血液是侵入式的测量方式，且在需要连续监测病人的状况下，需要重复地抽血，不仅造成病人的痛苦，亦增加了检查的时间及成本。

非侵入式血氧浓度测量装置不同于抽血采样分析的测量方式，而是利用光脉冲式调制技术，藉由双波长光源，照射人体血管密集处，藉由带氧血红素及去氧血红素在吸收光谱上的差异，形成两个穿透光强度不同的波长，同时根据血氧浓度的计算理论以求得光学生理信号。

血氧浓度测量装置的发展最早可回溯至1940年代，而至1980年代，结合传统的光学血氧计和体积描记术(plethymography)获得非侵入式光学血氧浓度理论模型，且成功地运用手指探头设计穿透式的光脉冲血氧浓度测量装置。

光学原理应用在人体及生理信号的测量可达到非侵入式测量的目的，由于非侵入式测量不仅可以降低受试者测量时的痛苦，而且利用光学测量的方式，可以避免直接以电信号接触人体，提高测量的安全性。此外，光学测量可以避免测量信号受到人体的体电位及外界电信号的干扰，提高测量的准确性。一般非侵入式光学测量其测量部位为手指，若测量过程中移动手指或身体，将造成光学测量信号飘移，假如晃动程度过大，甚至会造成剧烈变动的动作干扰(motion artifact)。

再者，目前已有利用耳垂测量光学生理信号的产品，但常见应用于活动力不大的婴儿或是需要持续卧床且没有甚么大动作的病患，并不适合应用在活动中的成人使用。

发明内容

本揭露提供一种可在个体移动中，测量待测物的光学生理信号的光学生理信号测量装置。

本揭露提供一种可降低待测物因为移动而产生的干扰的信号处理方法。

本揭露的光学生理信号测量装置包括载具、至少两组感测单元以及信号处理单元。感测单元设置于载具上，且第一感测单元与第二感测单元之间呈空间几何关系，例如各个感测单元之间分别具有特定夹角，其中每一感测单元包括光源以及光接收器，且光源具有至少红外光以及红光两种波长。信号处理单元设置于载具内，包括加速度感测单元，且信号处理单元并与感测单元进行电性连接，用于将感测单元测得的信号调解成红外光信号及红光信号，当个体移动造成动作干扰时，各个红外光信号包含静态测量的红外光信号以及动作干扰信号，各个红光信号包含静态测量的红光信号以及动作干扰信号，且来自同一感测单元的红外光信号及红光信号具有相似的动作干扰信号，依各个感测单元的空间几何对应关系，使来自不同的感测单元的动作干扰信号，彼此间呈线性或接近线性关系，此外，为减少动作干扰误判，可根据加速度感测单元的感测结果决定是否对动作干扰信号进行处理。

本揭露的信号处理方法包括使用光学生理信号测量装置对待测物进行测量；将光学生理信号测量装置的各个感测单元所各自得到的信号进行处理；信号处理单元判断待测物的晃动是否超过预定值；若晃动超过预定值时，各个感测单元所得到的各个红外光信号及各个红光信号，依各个感测单元的对应空间几何关系，将各个红外光信号及各个红光信号进行相对应调整，以降低动作干扰，并获得待测物的光学生理信号。

基于上述，本揭露的光学生理信号测量装置中使用至少两组以上的感测单元，且至少两组感测单元之间呈空间几何关系，同时搭配加速度感测单元，因此藉由使用此光学生理信号测量装置的测量方法，可经由所测量出来的信号互相呈相对应的关系解析出因为晃动而产生的动作干扰信号并且降低动作干扰信号，以获得更为精确的光学生理信号。

为让本揭露的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A及图1B为光学生理信号测量装置不同视角的示意图。

图2为光学生理信号测量装置应用的示意图。

图3为使用光学生理信号测量装置对待测物进行测量的示意图。

图4为两个传感器的检测方向与晃动方向的示意图。

图5为使用此光学生理信号测量装置进行信号处理方法的流程步骤。

图6为使用者以下巴为旋转中心，固定下巴而以脸的长度为半径头部做沿着圆周左右晃动的示意图。

图7为于X、Y、Z方向上加速度感测单元检测出加速度与时间的关系图。

图8为从不同感测单元得到经处理后的两组红外光信号及红光信号与时间的关系图。

图9为将从两组感测单元所获得的信号处理并且整合之后解析出来的光学生理信号与时间的关系图。

图10为降低动作干扰后的红外光信号以及红光信号与时间的关系图。

图11为另一实施方式中，待测物以其脖子为旋转轴，而头部左右晃动的示意图。

图12为于X、Y、Z方向上加速度感测单元检测出加速度与时间的关系图。

图13为从不同传感器所得到的经处理后两组红外光信号及红光信号与时间的关系图。

图14为将从两组感测单元所获得的信号处理并且整合之后解析出来的光学生理信号与时间的关系图。

图15为降低动作干扰后的红外光信号以及红光信号与时间的关系图。

【符号说明】

100：光学生理信号测量装置

110：载具

112：锥部分

112a：水平面

112b：斜面

114：柱体部分

120：感测单元/第一感测单元

130：感测单元/第二感测单元

122、132：光源

124、134：光接收器

140：信号处理单元

142：天线

144：电路板

146：加速度感测单元

148：电池

150：耳挂

160：弹性突起

200：头戴式耳罩

210：耳罩

S：待测物

Set1、Set2、Set3、Set4：信号组

IR1、IR2、N_IR*、IR*：红外光信号

Red1、Red2N_Red*、Red*：红光信号

具体实施方式

下面将参照附图以更全面地叙述本揭露的各实施例。本揭露的各实施例也可表现为许多不同的形态，而不应理解为局限于本文所列举的实施例。确切地讲，提供这些实施例是为了使揭露的内容更透彻更完整，且将各实施例的概念全面传达给本领域技术人员。在这些附图中，为清楚起见，各层或各区域的厚度被放大。

为了便于叙述，本文会使用与空间有关的术语(如“在……下方”、“在……下面”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”等等)来叙述如图所示的一个元件或结构特征相对于其他元件或结构特征的关系。对于正在使用或正在操作的装置或设备而言，与空间有关的术语除了包含如图所示的方位外，也包含不同的方位。举例而言，若将图式中的装置或设备翻转，则原本位于其他元件或结构特征“下面”或“下方”的元件将变成位于其他元件或结构特征的“上方”。因此，作为示范的术语“下方”可包含上方和下方这两种方位，取决于基准点。设备也可采用其他方式定位(旋转90度或其他方位)，且按相同方式来理解本文所用的与空间有关的解说词。

本文所用的术语只是为了叙述具体实施例，而非意图限制实施例。如本文所用的单数形式“一”、“一种”及“所述”也应包括多个形式，除非文中另行明确指出。更容易理解的是，若本文使用术语“包括”和/或“包含”，则表明存在着指定的结构特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但并不排除存在或增加一个或一个以上的其他结构特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其群组。

图1A及图1B为光学生理信号测量装置的不同视角的示意图。请同时参考图1A及图1B，光学生理信号测量装置100包括一载具110、至少两组感测单元120、130以及一信号处理单元140。两组感测单元120、130在下文中，可能会以第一感测单元120、第二感测单元130来做说明以方便区分。第一感测单元120、第二感测单元130设置在载具110上，且第一感测单元120与第二感测单元130之间夹一θ角，其中θ角的角度范围介于0度～180度。举例来说，本实施例的载具110具有锥部分112以及柱体部分114，其中锥部分112是沿着柱体部分114的长度方向从柱体部分114延伸出来且锥部分112与柱体部分114在侧视方向上共有一水平面112a(在截面方向上为共有一弧面)，而锥部分112还具有一斜面112b，且此斜面112b与水平面112a夹θ角，而至少一个第一感测单元120是设置在水平面112a上且至少另一个第二感测单元130设置在斜面112b上。每一个感测单元120、130包括对应一个光源122、132以及对应的一个光接收器124、134，其中光源122、132例如是具有两种以上波长的发光二极管(LED)，而光接收器124、134例如是感光二极管(photodiode)。当设置在水平面112a或者斜面112b上的感测单元120、130是多个的时候，光源122、132跟光接收器124、134是呈矩阵的方式交错排列，例如：在同一行或是同一列上，光源122、132与光接收器124、134交错排列；或者光源122、132、光接收器124、134各排成一行(或一列)，且一行(或一列)的光源122、132与一行(或一列)的光接收器124、134交错排列。

本实施例的信号处理单元140包括天线142、电路板144以及加速度感测单元146，其中天线142、电路板144以及加速度感测单元146皆设置在载具110内并且彼此电连接，而第一感测单元120、第二感测单元130也与电路板144电连接。本实施例的加速度感测单元146可以是加速规或陀螺仪或其他可用以测量加速度的元件，并不以加速规为限。另外，可更在载具110中设置电池148以供电给信号处理单元140，或者也可以是利用设置电线以连接至外部电源的方式达到供电的目的。

图2为光学生理信号测量装置应用的示意图，而图3为使用光学生理信号测量装置对待测物进行测量的示意图。请同时参考图1A、图2及图3，本实施例的光学生理信号测量装置100为耳道式的光学生理信号测量装置，应用于测量时，是将此光学生理信号测量装置100置入待测物S的耳朵中。为了方便使用，因此可以将此光学生理信号测量装置100设置有耳挂150的方式(如图1B示)以方便挂在待测物S的耳朵上，或是整合在头戴式耳罩200的一侧(如图2示)，而头戴式耳罩200的另外一侧210可以是用来罩住耳朵的耳罩，可用以辅助使头戴式耳罩200固定在待测物S的头上的效果。

另外，在第一感测单元120、第二感测单元130上面可更设置弹性突起160，其可以增加光学生理信号测量装置100与待测物S的耳道之间的摩擦，以达到固定光学生理信号测量装置100，同时还可提升测量精准度。

图4为两个感测单元的检测方向与晃动方向的示意图，而图5为使用此光学生理信号测量装置进行信号处理方法的步骤图。请同时参考图1A、图1B、图3及图4，以本实施例的光学生理信号测量装置100具有两组感测单元120、130为例说明，当使用此光学生理信号测量装置100时，让待测物S戴上头戴式耳罩200一预定时间以进行测量。进行测量时，光源122、132会以朝向载具110的相反方向将光线射出。当光线穿透待测物S的血液灌流组织，光接收器124、134会接收由待测物S反射后或穿透待测物S后的信号，并且将从各个光接收器124、134所各自接收的信号回传给信号处理单元140进行处理，处理成红外光信号和红光信号，如步骤S110。此时，加速度感测单元146检测待测物S在进行测量的预定时间内是否有晃动，并且判断待测物S的晃动是否超过预定值，如步骤S120。详细来说，信号处理单元140将加速度感测单元146所检测到的晃动的结果进行处理，处理成可供电路判读的信号。

当判读待测物S的晃动并未超过预定值时，则表示在预定时间内，待测物S并没有晃动或者是晃动的范围很小而可忽略，因此可不使用降低移动干扰处理的方法，并直接计算待测物S的光学生理信号，其中上述的预定值的范围例如介于12mg至300mg，但并不以此为限，可依照所欲测量的光学生理信号的种类来设定预定值的范围。本揭露中的光学生理信号测量装置100例如为血氧浓度测量装置，而其所测量出来的光学生理信号例如为待测物(生物体)的血氧浓度值。以下的测量是以两个感测单元120、130为例子做说明，但本领域人员应知，感测单元的数量并不以两个为限制。

图6为使用者以下巴为旋转中心，固定下巴而以脸的长度为半径头部做沿着圆周左右晃动的示意图，而图7为于X、Y、Z方向上加速度感测单元检测出加速度与时间的关系图，其中线条X1为X方向上的加速度与时间的变化、线条Y1为Y方向上的加速度与时间的变化、且线条Z1为Z方向上的加速度与时间的变化。请同时参考图5、图6及图7，第一感测单元120、第二感测单元130分别测得两组信号Set1、Set2，其中从第一感测单元120而来的经处理的红外光信号IR1、红光信号Red1(示于图8的Set1)以及从第二感测单元130而来的红外光信号IR2、红光信号Red2(示于图8的Set2)。

将红外光信号IR1、红光信号Red1、红外光信号IR2、红光信号Red2进行正规化，如图5的步骤S130，其中将红外光信号IR1正规化的方法包括挑选红外光信号IR1的最大值为1，而最小值为0，然后使其余的红外光信号IR1的数值等比例调整而获得正规化后的红外光信号N_IR1。以相同的方式，将红光信号Red1、红外光信号IR2及红光信号Red2正规化成红光信号N_Red1、红外光信号N_IR2及红光信号N_Red2。

图9为将从两组感测单元所获得的信号处理后解析出来的光学生理信号与时间的关系图。由图9可以看出，待测物S的晃动会造成光学生理信号有急速的改变。因此，在将由传感器120所检测到的信号解析并且整合后的信号Set1以及由另一传感器130所检测到的信号解析并且整合后的信号Set2中移除因为待测物S晃动而造成的错误，便可以获得新的信号New(如图4示)，如图5的步骤S140。简单来说，即是将红外光信号N_IR1及红外光信号N_IR2去除动作干扰信号，且将红光信号N_Red1及红光信号N_Red2去除动作干扰信号。详细来说，经由光学生理信号测量装置100中彼此间夹θ角的两组感测单元120、130而同时获得的经处理的红外光信号IR1及红外光信号IR2呈线性或是接近线性的关系，而红光信号Red1、红光信号Red2也是呈线性或是接近线性的关系。以两组感测单元120、130之间所夹的θ角为45度为例子说明，藉由从不同的感测单元所得到的信号呈线性或是接近线性的关系，因此可以经由关系式：

N_IR*＝(N_IR1-N_IR2)cos45°………(1)

以从红外光信号N_IR1、红外光信号N_IR2，获得降低动作干扰信号后的新的红外光信号N_IR*；同样的，也可以经由关系式：

N_IR*＝(N_Red1-N_Red2)cos45°………(2)

以从红光信号N_Red1、红光信号N_Red2获得降低动作干扰信号后的新的红光信号N_Red*。附带一提的是，由于两组感测单元120、130并不一定会以如图4示的共圆心的方式配置，因此可经由信号间的空间关系的倾角变化去除动作干扰信号后进行补偿以产生新的信号New，由这个新产生的信号New去作解析可以获得更为准确的检测结果，而这个补偿机制称之为空间几何关系补偿。

之后，再将新的红外光信号N_IR*及新的红外光信号N_Red*进行反正规化，如图5的步骤S150。此处所指的进行反正规化是指使新的红外光信号N_IR*的最大值与红外光信号IR1的最大值相等且使新的红外光信号N_IR*的最小值与红外光信号IR1的最小值相等，而其余的做等比例调整；且同样使新的红光信号N_Red*的最大值与红光信号Red1的最大值相等且使新的红光信号N_Red*的最小值与红光信号Red1的最小值相等，其余等比例调整，而得到反正规化后的红外光信号IR*以及红光信号Red*，如图10示，可获得降低动作干扰信号的光学生理信号，如图5的步骤S160。

图11为在另一实施方式中，待测物S以其脖子为旋转轴，而头部左右晃动的示意图。图12为在X、Y、Z方向上加速度感测单元检测出加速度与时间的关系图，其中线条X2为X方向上的加速度与时间的变化、线条Y2为Y方向上的加速度与时间的变化、且线条Z2为Z方向上的加速度与时间的变化。图13为从不同传感器所得到的经处理后两组红外光信号及红光信号与时间的关系图。请同时参考图11～图13，同样的，经由不同的传感器会获得两组(Set1及Set2)红外光信号及红光信号，其中红外光信号IR1、IR2呈线性关系或是接近线性关系，且红光信号Red1、Red2也呈线性关系或是接近线性关系。之后进行正规化、降低动作干扰信号、反正规化等等步骤，其中降低动作干扰信号如前所述，同样因为待测物S的晃动会造成光学生理信号有急速的改变，因此将由传感器120所检测到的信号解析并且整合后的信号Set1(如图14示)以及由另一传感器130所检测到的信号解析并且整合后的信号Set2(如图14示)中移除因为待测物S晃动而造成的错误，便可以获得新的信号IR*，Red*，进而获得如图15的降低动作干扰信号的光学生理信号。

附带一提的是，上述的光学生理信号测量装置并不仅局限于用于测量血氧浓度，光学生理信号测量装置也可以因应不同的需求而藉由改变所需的光源种类与数量，或导入其他相关参数(如血管内壁厚度、介质系数等)而用于测量待测物的其他生理现象，例如测量心率或是血中物质，如总血红素(Total hemoglobin)、一氧化碳血红素(Carboxyhemoglobin)或变性血红素(Methemoglobin)等。由此可知，上述的信号处理方法可应用在各种光学生理信号测量装置中，如此，即使待测物体在行进中，也能够藉由上述的信号处理方法降低移动而造成的干扰，而获得更为准确的测量结果。

综上所述，本揭露的光学生理信号测量装置是置于耳道中进行测量，方便使用。此光学生理信号测量装置可以结合耳机或是助听器，同时进行待测物的光学生理信号的分析与评估。又，此光学生理信号测量装置配合信号处理方法，特别针对待测物具有动作干扰时进行动作干扰信号的降低，可落实在待测物移动中进行光学生理信号测量。而所述的信号处理方法更可以应用在其他种类的光学生理信号测量装置中，同样可以达到降低移动而造成的干扰以获得准确测量结果的目的。

虽然本揭露已以实施例公开如上，然其并非用以限定本揭露，本领域技术人员，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本揭露的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (14)

1.一种光学生理信号测量装置，其特征在于包括：

载具；

至少两组光感测单元，设置在所述载具上，且所述光感测单元中的第一光感测单元与第二光感测单元之间夹θ角，所述θ角的角度范围介于0度～180度，其中每一所述光感测单元包括光源以及光接收器，且所述光源至少具有红外光以及红光两种波长，且每一所述光源同步发出红外光以及红光；以及

信号处理单元，设置在所述载具内，包括加速度感测单元，所述信号处理单元与所述光感测单元电连接，用于将所述光感测单元测得的信号处理成红外光信号及红光信号，各个所述红外光信号及各个所述红光信号包含动作干扰信号，且来自同一所述光感测单元的所述红外光信号及所述红光信号的所述动作干扰信号相似，而来自不同的所述光感测单元的同时获得的所述动作干扰信号彼此间呈线性或接近线性关系，其中根据所述加速度感测单元的感测结果决定是否对所述动作干扰信号进行处理，

其中对所述动作干扰信号进行处理包括将来自不同的所述光感测单元的同时获得的两组所述红光信号进行运算，而将来自不同的所述光感测单元的同时获得的所述红外光信号进行运算，再消除所述动作干扰信号以进行空间几何关系补偿。

2.如权利要求1所述的光学生理信号测量装置，其中所述信号处理单元包括天线以及电路板，皆设置在所述载具内且彼此电连接。

3.如权利要求2所述的光学生理信号测量装置，其中所述加速度感测单元包括加速规、陀螺仪。

4.一种信号处理方法，其特征在于包括：

提供光学生理信号测量装置对待测物进行测量，其中所述光学生理信号测量装置包括至少两组光感测单元，其中每一所述光感测单元的光源对所述待测物发射红外光及红光，其中所述两组光感测单元之间的夹角介于0度～180度，且每一所述光源同步发出所述红外光以及所述红光，而所述光感测单元的光接收器同时接收由所述待测物反射或穿透所述待测物的所述红外光及所述红光；

将各个所述光感测单元所各自得到的信号处理成红外光信号及红光信号；

所述信号处理单元根据处理后的信号判断所述待测物在预定时间内的晃动是否超过预定值；

当所述待测物的晃动超过所述预定值时，经由各个所述光感测单元所得到的各个所述红外光信号及各个所述红光信号包含动作干扰信号，且来自同一所述光感测单元的所述动作干扰信号相似，而来自不同的这些光感测单元的同时获得的所述动作干扰信号彼此间呈线性或接近线性关系；以及

移除所述动作干扰信号，

其中将来自不同的所述光感测单元的同时获得的两组所述红光信号进行运算，而将来自不同的所述光感测单元的同时获得的所述红外光信号进行运算，再消除所述动作干扰信号以进行空间几何关系补偿。

5.如权利要求4所述的信号处理方法，其中当所述待测物的晃动未超过所述预定值，则计算所述红外光信号及所述红光信号而得对应的光学生理信号。

6.如权利要求5所述的信号处理方法，其中未超过所述预定值表示在所述预定时间内，所述待测物无晃动或忽略所述待测物的晃动。

7.如权利要求4所述的信号处理方法，其中所述预定值的范围介于12mg至300mg。

8.如权利要求4所述的信号处理方法，在移除所述动作干扰信号之前，还包括在所述预定时间内将所得到的所述红外光信号及所述红光信号正规化。

9.如权利要求8所述的信号处理方法，其中使所述红外光信号正规化的方法包括：

使所述红外光信号的最大值为1，最小值为0，且其余的所述红外光信号数值等比例调整。

10.如权利要求8所述的信号处理方法，其中使所述红光信号正规化的方法包括：

使所述红光信号的最大值为1，最小值为0，且其余的所述红光信号数值等比例调整。

11.如权利要求10所述的信号处理方法，还包括将空间几何关系补偿后的所述红外光信号及所述红光信号进行反正规化。

12.如权利要求11所述的信号处理方法，其中对空间几何关系补偿后的所述红外光信号进行反正规化包括：

使空间几何关系补偿后的所述红外光信号的最大值等于处理后的所述红外光信号的最大值，其余的所述红外光信号等比例调整。

13.如权利要求11所述的信号处理方法，其中对空间几何关系补偿后的所述红光信号进行反正规化包括：

使空间几何关系补偿后的所述红光信号的最小值等于处理后的所述红光信号的最小值，其余的所述红光信号等比例调整。

14.如权利要求10所述的信号处理方法，其中空间几何关系补偿的方法包括计算各个所述光感测单元间的夹角及相对位置的至少其中之一。