CN105796051A - 三维生理检测系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生理检测系统及其操作方法，该系统包含影像传感器、转换单元、获取单元以及处理单元。所述影像传感器包含多个像素，该多个像素分别用于输出光体积变化信号。所述转换单元用于将多个像素区域的多个光体积变化信号转换为多个频域信号。所述获取单元用于相对所述多个像素区域分别获取所述多个频域信号的频谱能量值。所述处理单元用于根据所述多个频谱能量值建立三维能量分布。

Description

三维生理检测系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种生理检测系统，尤其地，涉及一种可检测至少三个维度生理特征的生理检测系统及其操作方法。

背景技术

目前，便携式电子装置(portableelectronicdevice)及穿戴式电子装置(wearableelectronicdevice)已成为生活中不可或缺的电子产品，其功能也随着人们生活型态的改变而不断地演化。

同时，身体健康成为现代忙碌生活中人人所关心的问题，因此生理检测功能也开始逐渐被应用在便携式电子装置及穿戴式电子装置上以符合使用者的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种生理检测系统及其操作方法，其至少可检测并记录使用者的三个维度以上的生理特征。

本发明提供一种生理检测系统及其操作方法，其通过多个像素区域分别检测不同被检测组织区域的生理特征，以产生三维生理特征分布。

本发明还提供一种生理检测系统及其操作方法，其可长时间记录不同被检测组织区域的三维生理特征分布的生理特征变化，以实现长期监测的功能。

本发明提供一种生理检测系统，包含影像传感器、转换单元、获取单元以及处理单元。所述影像传感器包含多个像素，该多个像素分别用于输出光体积变化信号。所述转换单元用于将多个像素区域的多个光体积变化信号转换为多个频域信号。所述获取单元用于相对所述多个像素区域分别获取所述多个频域信号的频谱能量值。所述处理单元用于根据所述多个频谱能量值建立三维能量分布。

本发明还提供一种生理检测系统的操作方法，包含下列步骤：读取多个像素区域输出的多个光体积变化信号；将所述多个光体积变化信号转换至频域；相对所述多个像素区域分别获取峰值频谱能量值；以及根据所述多个峰值频谱能量值建立三维能量分布。

本发明另提供一种生理检测系统的操作方法，包含下列步骤：读取多个像素区域输出的多个光体积变化信号；将同一帧中所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的空间和；根据所述光体积变化信号的空间和决定基准频率；计算所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号与所述基准频率相关的单点离散傅立叶转换以相对所述多个像素区域分别产生基频频谱能量值；以及根据所述多个基频频谱能量值建立三维能量分布。

本发明实施例的生理检测系统及其操作方法中，还可建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化，以形成四维生理检测系统。

为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明的说明中，相同的元件以相同的符号表示，于此先述明。

附图说明

图1为本发明一实施例的生理检测系统的框图。

图2为本发明一实施例的生理检测系统的操作方法的框图。

图3为图2的生理检测系统的操作方法的流程图。

图4为本发明另一实施例的生理检测系统的操作方法的框图。

图5为图4的生理检测系统的操作方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，其为本发明一实施例的生理检测系统的框图。生理检测系统1用于通过肌肤表面(例如此处以手指9为例进行说明，但并不以此为限)检测身体组织的光体积变化信号(PPGsignal)的三维能量分布；其中，所述三维能量分布可用于解析被检测部位的组织信息，例如微循环信息(microcirculationinformation)，以帮助使用者对自身健康的监测。此外，本发明实施例的生理检测系统1可应用于便携式电子装置或穿戴式电子装置以实现随身式生理监测装置，并适合长期进行自我监测。例如，可长期监测所述三维能量分布随时间的三维能量变化，例如微循环信息随时间的变化。藉此，所得到的监测数据可搭配在医疗机构进行的短期健康检查的检测结果，以得到高信赖度的生理状态信息。

在一实施例中，所述生理检测系统1包含光源11、影像传感器(此处以感测阵列为例显示)12、转换单元15、获取单元17以及处理单元19。在某些实施例中，所述生理检测系统1还可包含时间降频单元141及空间降频单元142(举例详述如后)，以降低所处理的数据量。在某些实施例中，所述获取单元17可包含在所述处理单元19中，例如所述获取单元17可为所述处理单元19所执行的程序或内建的电路，并无特定限制。

当所述生理检测系统1应用于在便携式电子装置或穿戴式电子装置时，为了节省装置耗能，所述光源11、所述影像传感器12、所述时间降频单元141及所述空间降频单元142可包含在影像感测芯片(chip)中；而所述转换单元15、所述获取单元17及所述处理单元19可包含在生理检测装置外部的主机(host)中；其中，所述生理检测装置包含所述影像感测芯片并与所述主机例如通过有线或无线的方式进行通讯。然而，根据不同应用，所述生理检测系统1的所有组件可均包含在所述影像感测芯片中，并无特定限制。

所述光源11用于照明肌肤表面，以使所发出的光穿过人体体组织并由所述影像传感器12所接收。例如，图1示出所述光源11用于照明手指9的肌肤表面，所述光源11所发出的光穿过所述手指9的内部组织后，由所述影像传感器12所接收。所述光源11所发出的光是适于被人体组织吸收的光，例如红光光束(波长约660纳米)或红外光光束(波长约910纳米)。由于带氧血红素(oxyhemoglobin)及脱氧血红素(Deoxyheamoglobin)对特定光谱具有不同吸收率，因此穿过人体组织的光会随着心跳而呈现强弱变化。所述影像传感器12检测此强弱变化的光所输出的电信号可称为光体积变化信号(PPGsignal)；其中，光体积变化信号的波形已为公知，故于此不再赘述。

必须说明的是，虽然图1所示为反射式生理检测系统(即所述光源11与所述影像传感器12位于肌肤表面的同一侧)，然而并不以此为限，本发明实施例的生理检测系统1也可适用于穿透式生理检测系统(即所述光源11与所述影像传感器12位于肌肤表面的不同侧)，并无特定限制。

所述影像传感器12优选为主动式影像传感器，例如包含互补金属氧化物半导体影像传感器(CMOSimagesensor)，其具有包含多个像素的感测阵列。所述多个像素用于检测穿过人体组织的强弱变化的光，并分别输出的光体积变化信号。在某些实施例中，所述影像传感器12的感测阵列可被区分为多个像素区域且所述多个像素区域中的每一者包含多个像素。所述影像传感器12可用于将所述多个像素区域中每一者的所述多个像素的光体积变化信号相加以分别输出光体积变化信号之和(sumofPPGsignals)，藉以增加信号强度并减少运算量。例如，所述影像传感器12可为包含320×256像素的感测阵列，所述影像传感器12的8×8个像素可被区分为像素区域，以将所述感测阵列区分为40×32个像素区域。

在某些实施例中，所述影像传感器12可计算模拟光体积变化信号之和或数字光体积变化信号之和，以作为所述光体积变化信号之和。例如，所述影像传感器12还可包含模拟数字转换单元(ADC)用以将模拟信号转换为数字信号。在一实施例中，所述影像传感器12可在所述模拟数字转换单元前利用电路的方式将所述多个像素区域中每一者的所述多个像素的光体积变化信号相加以产生多个光体积变化信号之和后，所述模拟数字转换单元再用以将所述多个光体积变化信号之和转换为数字信号。在另一实施例中，该模拟数字转换单元先将所述影像传感器12的每一像素输出的模拟光体积变化信号转换为数字光体积变化信号后，再利用软件的方式进行相加以产生多个光体积变化信号之和。

然而，在其它实施例中，所述影像传感器12也可输出每一像素的光体积变化信号，而不将感测阵列进行分割且不计算上述光体积变化信号之和。

所述转换单元15用于将多个像素区域的多个光体积变化信号转换为多个频域信号(举例详述于后)。在本实施例中，当所述影像传感器12中的多个像素不被区分为像素区域时，该像素区域则为单一像素；而当所述影像传感器12中的多个像素被区分为像素区域时，该像素区域则包含多个像素。换句话说，本发明说明中，该像素区域包含至少一个像素。

所述获取单元17用于相对所述多个像素区域分别获取所述多个频域信号的频谱能量值(举例详述于后)，并输出至所述处理单元19。所述处理单元19则用于根据所述多个频谱能量值建立三维能量分布；其中，该三维能量分布相对每一像素区域均具有一能量值。在某些实施例中，所述处理单元19还可将来自所述获取单元17的能量值进行内插(interpolation)处理，以增加三维能量分布的分辨率。此外，该生理检测系统1还可包含存储单元(未示出)，该处理单元19还可建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化并储存于所述存储单元中，以作为四维生理信息(4Dphysiologicalinformation)。

如图2及图3所示，图2为本发明一实施例的生理检测系统的操作方法的框图，而图3为图2的生理检测系统的操作方法的流程图。在本实施例中，所述影像传感器12显示为包含感测阵列121及加法单元123；其中，所述加法单元123用于将多个像素区域包含的多个像素的光体积变化信号相加以输出光体积变化信号之和，换句话说，所述影像传感器12输出多个光体积变化信号之和。如前所述，所述加法单元123可以硬件或软件的方式实现，并无特定限制。此外，当所述影像传感器12的多个像素不被区分为像素区域时，所述加法单元123可不予实施。

本实施例的操作方法包含下列步骤：读取多个像素区域输出的多个光体积变化信号(步骤S31)；将所述多个光体积变化信号转换至频域(步骤S32)；相对所述多个像素区域分别获取峰值频谱能量值(步骤S33)；以及根据所述多个峰值频谱能量值建立三维能量分布(步骤S34)。

步骤S31：所述影像传感器12相对所述光源11的发光连续获取影像，例如以一帧率(framerate)获取影像。所述感测阵列121的多个像素检测预设时间内穿过人体组织的光以分别输出光体积变化信号；其中，所述预设时间例如可根据多个影像传感器12的帧率以及所述转换单元15计算时所需的数据量决定，例如5～10秒，但并不以此为限。如前所述，所述影像传感器12可输出每一像素所感测的光体积变化信号或利用所述加法单元123计算并输出多个光体积变化信号之和，视其应用而定。

步骤S32：所述转换单元15用于读取所述多个光体积变化信号(或光体积变化信号之和)，并将所述多个像素区域(例如此处显示为像素区域1～像素区域N)的光体积变化信号之和分别进行快速傅立叶转换(FFT)以产生多个频域信号Sf(如图2所示)；其中，所述多个频域信号Sf在心跳频率处会出现一峰值频谱能量值。在一实施例中，所述转换单元15可对所述多个像素区域1511～151N分别计算1024点的快速傅立叶转换。

步骤S33：所述获取单元17接收所述多个频域信号Sf，并用于相对所述多个像素区域1511～151N分别获取峰值频谱能量值。

步骤S34：最后，所述处理单元19可根据所述多个峰值频谱能量值建立三维能量分布，例如直接将所述多个峰值频谱能量值分布在二维空间上，或者可将所述多个峰值频谱能量值的偏移或比例分布在二维空间上。在某些实施例中，所述处理单元19还可进一步建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化并进行储存。

在某些实施例中，为避免噪声影响(例如皮肤表面相对所述影像传感器12发生移动时)而造成错误，所述处理单元19还可根据所述多个峰值频谱能量值相关的多个峰值频谱频率计算多个心跳值(例如N个心跳值)，并根据所述多个心跳值的分布峰值(distributionpeak)决定输出心跳值。例如，当计算出心跳值为65的像素区域的个数最多时，则判定心跳值65为正确心跳值而予以输出。

在本实施例中，所述三维能量分布或所述三维能量变化例如可输出至显示器进行显示，或提供至其它装置执行相应处理，视其应用而定。

如图4及图5所示，图4为本发明另一实施例的生理检测系统的操作方法的框图，而图5为图4的生理检测系统的操作方法的流程图。相比于图2～3，本实施例的操作方法应用于所述影像传感器运行在高速帧率(例如3,000帧/秒)时，用于减少频域转换时的运算量。在本实施例中，所述加法单元123同样可根据不同实施例而选择性地实施。

本实施例的操作方法包含下列步骤：读取多个像素区域输出的多个光体积变化信号(步骤S51)；将同一帧中所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的空间和(步骤S52)；根据所述光体积变化信号的空间和决定基准频率(步骤S53)；计算所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号与所述基准频率相关的单点离散傅立叶转换以相对所述多个像素区域分别产生基频频谱能量值(步骤S54)；以及根据所述多个基频频谱能量值建立三维能量分布(步骤S55)。

步骤S51：所述影像传感器12相对所述光源11的发光连续获取影像，例如以一帧率获取影像。所述感测阵列121的多个像素检测预设时间内穿过人体组织的光以分别输出光体积变化信号。如前所述，所述影像传感器12可输出每一像素所感测的光体积变化信号或利用所述加法单元123计算并输出多个光体积变化信号之和，视其应用而定。

步骤S52：在本实施例中，所述生理检测系统1还可包含空间降频单元142用以将同一帧中所述多个像素区域输出的光体积变化信号相加，以根据所述预设时间的多个帧产生光体积变化信号的空间和PPGs。例如，所述影像传感器12输出的每一帧F包含N个像素区域P₁～P_N，所述空间降频单元142则用于将每一帧F的所有像素区域P₁～P_N的灰阶值相加(也即将每一帧F的所有像素的灰阶值相加)。

步骤S53：所述转换单元15用于根据所述光体积变化信号的空间和PPGs决定基准频率fr。在一实施例中，所述转换单元15可在时域(timedomain)直接根据所述光体积变化信号的空间和PPGs而决定所述基准频率fr，例如计算光体积变化信号的空间和PPGs的最大值之间或最小值之间的时间的倒数(reciprocal)。在另一实施例中，所述转换单元15可将所述光体积变化信号的空间和PPGs转换至频域后，再根据峰值频谱频率而决定所述基准频率fr。例如，所述转换单元15可对所述光体积变化信号之和PPGs计算1024点的快速傅立叶转换，并求得位于频谱峰值的峰值频谱频率以作为所述基准频率fr。例如，图4显示所述转换单元15还包含决定单元152，该决定单元152用于计算所述光体积变化信号的空间和PPGs的频域信号Sf并决定其峰值频谱频率。

步骤S54：所述转换单元15计算所述多个像素区域的光体积变化信号与所述基准频率fr相关的单点离散傅立叶转换(single-pointDFT)，以相对所述多个像素区域1511～151N分别产生基频频谱能量值。

步骤S55：最后，所述获取单元17获取所述多个基频频谱能量值后将其传至所述处理单元19。所述处理单元19则根据所述多个基频频谱能量值建立三维能量分布，并可进一步建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化并进行储存。

此外，上述两实施例中还可包含时间降频单元141用于将不同帧的相对应像素区域的光体积变化信号相加以分别产生光体积变化信号的时间和PPGt。例如，图4显示帧F₁～F_M，所述时间降频单元141可将多张(例如每150张)帧的像素区域1511的光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的时间和、将所述多个帧的像素区域1512的光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的时间和、…、将所述多个帧的像素区域151N的光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的时间和。所述转换单元15则用于将所述多个像素区域1511～151N的光体积变化信号的时间和PPGt转换至频域。例如图2的实施例中，所述转换单元15用于计算所述多个像素区域1511～151N的光体积变化信号的时间和PPGt的快速傅立叶转换。例如图4的实施例中，所述转换单元15用于计算所述多个像素区域1511～151N的光体积变化信号的时间和PPGt与所述基准频率fr相关的单点离散复立叶转换。藉此，可有效将低所述转换单元15的数据运算量。必须说明的是，若图2还包含时间降频单元，其电连接于所述影像传感器12。

在某些实施例中，所述转换单元15所处理的数据量可根据预估的生理数值的变化趋势而降低。例如，当所述转换单元15将光体积变化信号转换至频域时，可根据峰值频率(spectrumpeakfrequency)的先前变化趋势，预估未来的峰值频率的范围，而选择执行快速傅立叶转换时所使用的点数(numberofpoints)，例如从1024点降低为256点，藉以增加反应速度并降低数据处理量。

在某些实施例中，所述生理检测系统1还可根据所述影像传感器12所输出的检测信号，例如一个帧的光体积变化信号的平均值，执行自动曝光功能(autoexposurefunction)，以增加检测精确度。例如当所述平均值低于第一阈值时，则增加曝光时间、光强度和/或光圈等；而当所述平均值高于第二阈值时，则减少曝光时间、光强度和/或光圈等。

必须说明的是，上述各实施例中所举例的数值，例如像素个数、像素区域个数、快速傅立叶的点数、帧率等，仅用以说明，并非用于限定本发明，其实际数值可根据不同应用而决定，并无特定限制。

综上所述，目前生理检测功能已逐渐被应用至各式便携式电子装置及穿戴式电子装置。因此，本发明提出一种生理检测系统(图1)及其操作方法(图2～5)，其可根据多个像素区域输出的多个光体积变化信号建立三维能量分布，并可纪录所述三维能量分布随时间的三维能量变化，藉以实现随身式三维生理监测装置。

虽然本发明已通过上述实例公开，但是其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当以所附权利要求书的范围所限定的范围为准。

Claims (20)

1.一种生理检测系统，包含：

影像传感器，包含多个像素，该多个像素分别用于输出光体积变化信号；

转换单元，用于将多个像素区域的多个光体积变化信号转换为多个频域信号；

获取单元，用于相对所述多个像素区域分别获取所述多个频域信号的频谱能量值；以及

处理单元，用于根据所述多个频谱能量值建立三维能量分布。

2.根据权利要求1所述的生理检测系统，其中所述处理单元还建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化。

3.根据权利要求1所述的生理检测系统，其中所述多个像素区域中的每一者包含多个像素，所述影像传感器还将所述多个像素区域中的每一者的所述多个像素的所述多个光体积变化信号相加以分别输出光体积变化信号之和。

4.根据权利要求3所述的生理检测系统，其中所述光体积变化信号之和为模拟光体积变化信号之和或数字光体积变化信号之和。

5.根据权利要求1所述的生理检测系统，其中

所述转换单元用于将所述多个光体积变化信号进行快速傅立叶转换(FFT)以产生所述多个频域信号，且

所述获取单元用于相对所述多个像素区域分别获取峰值频谱能量值。

6.根据权利要求1所述的生理检测系统，还包含：

空间降频单元，用于将同一帧中所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的空间和。

7.根据权利要求6所述的生理检测系统，其中

所述转换单元用于根据所述光体积变化信号的空间和决定基准频率，并计算所述多个像素区域的所述多个光体积变化信号与所述基准频率相关的单点离散傅立叶转换(single-pointDFT)以相对所述多个像素区域分别产生基频频谱能量值。

8.根据权利要求7所述的生理检测系统，还包含：

时间降频单元，用于将不同帧的相对应像素区域的光体积变化信号相加以分别产生光体积变化信号的时间和；其中，所述转换单元用于计算所述多个像素区域的所述多个光体积变化信号的时间和与所述基准频率相关的单点离散傅立叶转换。

9.根据权利要求8所述的生理检测系统，其中所述影像传感器、所述时间降频单元及所述空间降频单元包含在影像感测芯片中；而所述转换单元、所述获取单元及所述处理单元包含在主机中。

10.一种生理检测系统的操作方法，所述生理检测系统包含多个像素，该多个像素分别用于输出光体积变化信号，所述操作方法包含：

读取多个像素区域输出的多个光体积变化信号；

将所述多个光体积变化信号转换至频域；

相对所述多个像素区域分别获取峰值频谱能量值；以及

根据所述多个峰值频谱能量值建立三维能量分布。

11.根据权利要求10所述的操作方法，还包含：

建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化。

12.根据权利要求10所述的操作方法，还包含：

将所述多个像素区域中每一者包含的多个像素的所述多个光体积变化信号相加以输出光体积变化信号之和。

13.根据权利要求10所述的操作方法，其中所述多个光体积变化信号是利用快速傅立叶转换被转换至所述频域的。

14.根据权利要求10所述的操作方法，还包含：

根据与所述多个峰值频谱能量值相关的多个峰值频谱频率计算多个心跳值；

根据所述多个心跳值的分布峰值决定输出心跳值。

15.一种生理检测系统的操作方法，所述生理检测系统包含多个像素，该多个像素用于分别输出光体积变化信号，所述操作方法包含：

读取多个像素区域输出的多个光体积变化信号；

将同一帧中所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号相加以产生光体积变化信号的空间和；

根据所述光体积变化信号的空间和决定基准频率；

计算所述多个像素区域输出的所述多个光体积变化信号与所述基准频率相关的单点离散傅立叶转换以相对所述多个像素区域分别产生基频频谱能量值；以及

根据所述多个基频频谱能量值建立三维能量分布。

16.根据权利要求15所述的操作方法，其中计算所述单点离散傅立叶转换前还包含：

将不同帧的相对应像素区域的光体积变化信号相加。

17.根据权利要求15所述的操作方法，还包含：

建立所述三维能量分布随时间的三维能量变化。

18.根据权利要求15所述的操作方法，其中所述基准频率是在时域直接根据所述光体积变化信号的空间和而决定的。

19.根据权利要求15所述的操作方法，其中所述基准频率是将所述光体积变化信号的空间和转换为频域后根据峰值频谱频率而决定的。

20.根据权利要求15所述的操作方法，还包含：

将所述多个像素区域中每一者包含的多个像素的所述多个光体积变化信号相加以输出光体积变化信号之和。