CN107704107B

CN107704107B - 生理检测装置及其操作方法

Info

Publication number: CN107704107B
Application number: CN201710426911.4A
Authority: CN
Inventors: 古人豪; 陈信嘉; 沙格拉曼; 林荣泰
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2037-06-08
Also published as: CN107704107A

Abstract

一种生理检测装置，包含光源、图像传感器以及处理单元。所述光源以突发模式照明皮肤表面。所述图像传感器以取样频率接收所述皮肤表面下方的皮肤组织的出射光以依序产生图像帧。所述处理单元用以控制所述光源及所述图像传感器，并根据当所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征。所述生理检测装置透过采用所述突发模式以节省整体耗能。

Description

生理检测装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种生理检测，特别涉及一种采用突发模式以降低耗能的生理检测装置及其操作方法。

背景技术

由于无线光学鼠标不具有连接主机的信号线，因而大幅提升了其操作便利性，尤其作为移动电脑的输入装置时，更是逐渐取代了传统的有线鼠标。然而，无线光学鼠标一般包含光源、数字信号处理器(Digital Signal Processor)、图像传感器和无线传输单元等主动元件，其整体电能消耗量大，因而具有电池使用寿命不足的问题。

为了解决此问题，已知可以通过改变图像传感器的图像获取频率和曝光时间的方式来降低无线光学鼠标的消耗电能；然而在实际使用中，此种方式至少具有下列问题：由于图像传感器的曝光时间会随着光学鼠标的移动速度而改变，导致所获取图像的整体亮度会产生较大变动，而具有较差的稳定性。

另一种已知降低无线光学鼠标耗能的方式为改变光源的发光频率。例如参照图1所示，根据无线光学鼠标的位移量，光源的发光频率例如可分别固定为3000张/秒、1500张/秒或1000张/秒。然而，这种操作方式中，每种发光频率仍然会消耗不同的电流，例如高速模式消耗的电流可以是低速模式的3倍。

此外，生理检测装置已逐渐应用于可携式电子装置及穿戴式电子装置上，如何降低其耗能是一个重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种透过采用突发发光(burst light emission)以降低耗能的生理检测装置及其操作方法。

为达上述目的，本发明提供一种生理检测装置，包含图像传感器、光源以及处理单元。所述图像传感器以取样频率接收皮肤表面下方的皮肤组织的出射光，以产生图像帧。所述光源以突发模式照明所述皮肤表面，其中，所述突发模式中，所述光源相对N张图像帧连续地点亮，接着相对M张帧期间连续地熄灭。所述处理单元用以控制所述光源及所述图像传感器并根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征。

本发明还提供一种生理检测装置，包含图像传感器、光源以及处理单元。所述图像传感器以取样频率接收皮肤表面下方的皮肤组织的出射光，以产生图像帧。所述光源以突发模式照明所述皮肤表面，其中，所述突发模式中，所述光源相对N张图像帧连续地点亮，接着相对M张帧期间连续地熄灭。所述处理单元用以控制所述光源及所述图像传感器并根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征及运动状态参数。

本发明还提供一种生理检测装置的操作方法，该操作方法包含下列步骤：以图像传感器利用取样频率接收皮肤表面下方的皮肤组织的出射光，以产生图像帧；以光源相对N张图像帧连续地点亮以照明所述皮肤表面，接着相对M张帧期间连续地熄灭；以及以处理单元根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征。

本发明实施方式中，所述光源对应于N张图像帧连续地点亮，接着对应于M张图像帧连续地熄灭，其中N和M为整数。

一种实施方式中，所述位移检测装置还包含传输界面单元以报告率输出所述位移量和所述预估位移量，其中(M+N)优选小于等于所述光源的一帧率除以所述报告率所得的商；且N优选大于等于4。

一种实施方式中，所述处理单元还计算所述N张图像帧的图像品质，当所述图像品质不佳(例如低于品质阈值)时，增加N的数值。

附图说明

图1示出已知光学鼠标的图像获取和光源点亮的示意图。

图2A示出本发明实施方式的位移检测装置的示意图。

图2B示出本发明实施方式的位移检测装置的方框图。

图3A示出本发明实施方式的位移检测装置的光源的不同速度模式。

图3B示出本发明实施方式的位移检测装置计算最大可检测位移量的示意图。

图3C示出本发明实施方式的位移检测装置中，有效帧率和相对应的最大可检测速度。

图4A示出本发明实施方式的位移检测装置的图像获取和光源点亮的示意图。

图4B示出本发明实施方式的位移检测装置中，光源的每秒点亮次数和相对应的最大可检测速度。

图5A-5B示出本发明实施方式的位移检测装置的操作方法的流程图。

图6示出本发明实施方式的生理检测装置的方框图。

图7示出本发明实施方式的生理检测装置所检测的光体积变化讯号的示意图。

图8A及8B示出本发明实施方式的生理检测装置的使用状态。

图9示出本发明实施方式的生理检测装置的操作示意图。

图10示出本发明实施方式的生理检测装置转换光体积变化讯号所得的频域数据的示意图。

图11示出本发明实施方式的生理检测装置的操作方法的流程图。

图12示出本发明实施方式的生理特征变化的示意图。

附图标记说明

600 生理检测装置

61 光源

62 图像传感器

63 处理单元

631 存储单元

64 传输界面单元

65 加速度计

69 显示装置

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显，下文将配合附图作详细说明。在本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，在此先说明。

参照图2A和2B所示，图2A示出本发明实施方式的位移检测装置的示意图，图2B示出本发明实施方式的位移检测装置的方框图，其中位移检测装置10虽示出为光学鼠标，但本发明并不限于此；例如，位移检测装置10也可以是光学手指鼠标。

所述位移检测装置10包含光源101、光源控制单元102、图像传感器103、存储单元104、处理单元105和传输界面单元106；其它实施方式中，所述位移检测装置10还可包含光学元件107，该光学元件107用于调整所述光源101的照明范围，和光学元件108，该光学元件108用于调整所述图像传感器103的感光效率。

所述图像传感器103例如可以是CCD图像传感器、CMOS图像传感器或其它用于获取图像数据的传感装置，其以固定的取样频率获取图像帧。

所述光源101例如可以是发光二极管或激光二极管，以至少一个速度模式发出红外光或不可见光，用于提供所述图像传感器103获取图像帧时所需的光，例如此处是通过所述位移检测装置10的壳体100的底面上的开孔H照明工作表面S。此外，当所述位移检测装置10为光学手指鼠标时，所述光源101则用于照明手指表面。

所述光源控制单元102用于控制所述光源101以不同的速度模式以至少一个发光频率点亮或连续熄灭；例如在被选定的速度模式下控制所述光源101对应于(可同步或不同步)所述图像传感器103的取样频率发光，以对应于N张图像帧连续地点亮后，接着对应于M张图像帧连续地熄灭，如此反复操作以在所述M张图像帧期间节省光源101的耗能，其中不同速度模式下所述光源101的每秒点亮次数优选设计为相同(详述于后)。

所述存储单元104耦接所述处理单元105，用于储存位移量(速度)阈值、品质阈值和其它系统参数。

所述处理单元105例如可根据两张图像间的相关性(correlation)来计算位移量或移动速度，并比对目前位移量与所述位移量阈值(或目前移动速度和所述速度阈值)，并根据比较结果通过所述光源控制单元102对所述光源101进行控制，以进行不同速度模式的切换；其中，所述处理单元105只要是能够处理数字图像数据的处理器即可，例如数字信号处理器(DSP)，并无特定限制。本发明实施方式中，所述处理单元105根据所述光源101点亮时所获取的图像帧计算位移量，来作为所述光源101熄灭期间的预估位移量。例如一种实施方式中，所述处理单元105可以根据所述N张图像帧计算位移量或平均位移量，以作为所述M张图像帧期间的预估位移量，这样就不需要在M张图像帧期间计算位移量；亦即，所述光源101熄灭期间所获取的图像帧可予以舍弃。所述处理单元105还可以根据所述位移量进行所述速度模式的切换。此外，所述处理单元105还可以决定N的数值，例如计算所述N张图像帧的图像品质，当所述图像品质低于品质阈值时增加N的数值；亦即，当图像品质不佳时优选连续获取较多有效图像帧以避免求出错误的预估阈值；其中，所述图像品质的定义已为已知，故于此不再赘述。此外，所述处理单元105还可以通过所述光源控制单元102控制所述光源101在低速模式比高速模式具有较大的N值。

所述传输界面单元106以报告率(report rate)将动作信息(例如，位移量、平均位移量或移动速度)和预估动作信息(例如，预估位移量、预估平均位移量或预估移动速度)有线或无线地输出到外部电子装置，例如电脑系统或包含显示单元的电子系统，以进行相对应的控制；其中，所述传输界面单元106例如可以是有线或无线传输界面，其报告率例如为125张/秒或120张/秒，但本发明并不限于此。

首先，说明本发明的位移检测装置10中，所述光源101的不同速度模式。例如参照图3A所示，其示出本发明实施方式中，所述图像传感器103的图像获取和所述光源101的三种速度模式的示意图，其中每种速度模式均对应有发光频率。例如本实施方式中，假设图像取样周期＝1/3000秒、高速模式的发光周期＝1/3000秒、中速模式的发光周期＝1/1500秒，低速模式的发光周期＝1/1000秒；其中所述发光周期为所述图像取样周期的整数倍并形成同步，亦即在所述图像传感器103的图像获取期间，所述光源101提供获取图像帧时所需的光。藉此，虽然所述图像传感器103以固定的图像取样周期获取图像，但由于所述光源101受到所述光源控制单元102的控制而并非相对每次图像帧获取时均点亮，因此所述图像传感器13所获取的有效图像受到所述光源101的发光周期所控制；其中，所述有效图像例如为图3A中实线箭头(表示光源发光)所表示的，而虚线箭头表示光源并未发光而使得图像传感器103无法获取到有效图像(即获取无效图像)。所述处理单元105则基于所述图像传感器103所获取的有效图像进行位移量和移动速度的计算。可以了解的是，图3A中所公开的图像取样周期(或取样频率)、发光周期(或发光频率)的数值仅为示例性，并非用于限定本发明。

参照图3A和3B所示，接着说明所述处理单元105在两张有效图像之间所能检测的最大可检测位移量和最大可检测速度。一种实施方式中，所述图像传感器103相对所述光源101的点亮获取两张有效图像，例如第一图像20和第二图像30。所述处理单元105在所述第一图像20选定参考搜索框21，并于所述第二图像30选定搜索框31。所述处理单元105接着计算所述参考搜索框21与所述搜索框31间的距离以作为所述位移检测装置10检测的目前位移量。为了简化说明，图3B中仅考虑X轴方向位移(即图中水平方向)，实际操作时所述位移量可包含X轴方向分量和Y轴方向分量。最大可检测位移量是根据所述参考搜索框21位于所述第一图像20的最左侧和所述搜索框31位于所述第二图像30最右侧的情形计算而得到的。此实施方式中，假设每张图像帧具有16×16个像素(即图像传感器的传感阵列尺寸)，所述搜索框31和所述参考搜索框21假设为8×8个像素，则所述处理单元105在连续两张有效图像间的最大可检测位移量为8个像素距离(即最大可检测像素数目)。由于所述最大可检测位移量由每张帧的尺寸决定，因而不受所述光源101的发光频率影响，亦即所述最大可检测位移量在所述光源101的各种速度模式下均相同。

由此可知，当所述位移检测装置10在连续两张有效图像间的位移量超过8个像素距离时，所述光源101必须缩短发光周期，这样所述处理单元105才能够检测到位移量；换句话说，当所述位移检测装置10的位移量超过所述最大可检测位移量时，所述处理单元105无法计算所述位移量，因而必须缩短光源101的发光周期以使所述位移检测装置10正常操作。因此，所述处理单元105可以根据所计算的位移量(例如前述位移量)控制所述光源101进入不同速度模式，例如高速模式、中速模式或低速模式。可以了解的是，本说明所举出所有数值设定仅为本发明的一种实施方式，并非用于限定本发明。

然而，不同速度模式下的最大可检测速度并不相同。例如，假设每个像素尺寸为40×40微米，则每种模式下的最大可检测速度＝最大可检测像素数目×每个像素尺寸×帧率。因此，高速模式的最大可检测速度＝8×40×3000＝37.8英寸/秒(IPS)；同理，中速和低速模式的最大可检测速度在图3C中示出，其中有效帧率为所述光源101的发光周期的倒数。

为了进一步降低位移检测装置10的光源101的耗能，本发明进而使高速模式和中速模式中光源的每秒点亮次数相等于低速模式，因此所述光源101可以最低的每秒点亮次数点亮，以有效降低耗能。

参照图4A所示，其示出本发明实施方式的位移检测装置10的图像获取和光源点亮的示意图。首先决定所述光源101的速度模式，所述图像传感器103以固定的取样频率(例如每秒3000张)获取图像帧，所述光源101则同步于所述取样频率连续地点亮。所述处理单元105根据所述图像传感器103所获取的图像帧计算位移量，并根据所述位移量与至少一个位移量阈值的比较结果决定速度模式，例如高速、中速或低速模式。接着，所述处理单元105通知所述光源控制单元102以选择的速度模式控制所述光源101以不同发光方式发光，例如对应于N张图像帧连续地点亮以使所述图像传感器103在所述N张图像帧期间得以连续获取N张有效图像，接着控制所述光源101对应于M张图像帧连续地熄灭，因而所述图像传感器103在所述M张图像帧期间无法获取有效图像。例如图4A中，I₁表示对应于N张图像帧的有效图像，I₂表示对应于M张图像帧的无效图像；例如图4A中，高速模式中所述光源101连续点亮4张后，接着连续8张不点亮；中速模式中所述光源101连续点亮8张后，接着连续4张不点亮；低速模式中所述光源101则维持固定发光频率点亮。可以了解的是，图4A中所述光源101的点亮(N)和熄灭(M)的张数仅为示例性，并非用于限定本发明。

所述处理单元105根据有效图像计算位移量，例如根据所述N张图像帧计算位移量或平均位移量，将所述位移量作为所述M张图像帧期间的预估位移量。优选地，所述N的数目大于等于4，以使得所述处理单元105能够正确估测M张图像帧期间的所述估测位移量。一种实施方式中，低速模式下N的数值大于高速模式下N的数值，以增加系统稳定性。此外，由于M张图像帧期间的长短受到所述传输界面单元106的报告率的限制，因此所述M张图像帧期间优选低于8毫秒(报告率为125次/秒时)，或者(M+N)优选低于所述光源101的帧率(此处所述帧率指速度模式下所述光源101正常两张连续点亮时间间隔的倒数)与所述报告率相除所得的商，以避免无法正确计算所述位移量；例如当报告率为125次/秒，高速模式下(M+N)优选低于25，中速模式下(M+N)优选低于13，其中所述数值仅为示例性。

参照图4B所示，通过上述操作方法，所述光源101的每秒点亮次数均为1000张，因此每种速度模式下所述光源101的耗电流均相同，且总耗能比图3A更低。此外，由于所述图像传感器103在N张图像帧期间仍然是根据原来的帧率进行取样，故最大可检测速度仍可以维持与图3C相同。

本发明实施方式的位移检测装置的操作方法包含下列步骤：利用图像传感器以取样频率获取图像帧；控制光源以至少一个发光频率点亮或连续熄灭；和利用处理单元根据所述光源点亮时所获取图像帧计算位移量来作为所述光源熄灭期间的预估位移量。

参照图4A和5A所示，例如一种实施方式中，本发明的位移检测装置的操作方法可以包含下列步骤：利用所述图像传感器103以固定的取样频率获取图像帧(步骤S₁₁)；控制所述光源101以发光频率发光，以对应于N张图像帧连续地点亮，使所述图像传感器103连续获取N张有效图像帧；接着对应于M张图像帧连续地熄灭，以节省所述M张图像帧期间所述光源101的耗能(步骤S₁₂)；和利用所述处理单元105根据所述N张有效图像帧计算位移量来作为所述M张图像帧期间的预估位移量(步骤S₁₃)。本实施方式中，N优选大于等于4。所述操作方法还可包含下列步骤：利用所述传输界面单元106以报告率输出所述位移量和所述预估位移量，其中(M+N)小于等于所述光源101的帧率除以所述报告率所得的商，以避免得到错误位移量(步骤S₁₄)；和利用所述处理单元105根据所述N张图像帧计算图像品质，当所述图像品质低于品质阈值时增加N的数值，以增加计算精确度(步骤S₁₅)。

本发明另一实施方式的位移检测装置的操作方法包含下列步骤：利用图像传感器以取样频率获取图像帧；利用光源同步于所述取样频率连续地点亮；利用处理单元根据所述图像传感器所获取的图像帧计算位移量并据以决定所述光源的速度模式；控制所述光源以所述速度模式点亮或连续熄灭；和利用所述处理单元根据所述光源点亮时所获取图像帧计算位移量来作为所述光源熄灭期间的预估位移量。

参照图4A和5B所示，例如一种实施方式中，所述位移检测装置的光源101具有多个速度模式，本发明的位移检测装置的操作方法可以包含下列步骤：利用所述图像传感器103以固定的取样频率获取图像帧(步骤S₂₁)；利用所述光源101同步于所述取样频率连续地点亮(步骤S₂₂)；利用所述处理单元105根据所述图像传感器103所获取的图像帧计算位移量并据以决定所述光源101的速度模式(步骤S₂₃)；控制所述光源101以所述速度模式发光，以对应于N张图像帧连续地点亮，使所述图像传感器103连续获取N张有效图像帧；接着对应于M张图像帧连续地熄灭，以节省所述M张图像帧期间所述光源101的耗能(步骤S₂₄)；和利用所述处理单元105根据所述N张有效图像帧计算位移量来作为所述M张图像帧期间的预估位移量(步骤S₂₅)。此实施方式中，所述处理单元105还可根据所述位移量即时切换所述速度模式。本实施方式中，低速模式下N的数值优选大于高速模式下N的数值，以增加系统稳定性。同样地，N优选大于等于4，以增加计算所述位移量的精确度。本实施方式还可包含下列步骤：利用所述传输界面单元106以报告率输出所述位移量和所述预估位移量，其中(M+N)小于等于所述光源101的帧率除以所述报告率所得的商，以避免得到错误的位移量(步骤S₂₆)；和利用所述处理单元105根据所述N张图像帧计算图像品质，且当所述图像品质低于品质阈值时增加N的数值，以增加计算精确度(步骤S₂₇)。必须说明的是，步骤S₂₂中光源101可以以任意速度模式连续点亮，例如连续点亮2-3张或3张以上。本发明实施方式中，所述有效图像帧指相对光源点亮时所被获取的图像帧。

本发明实施方式中，所述光源101对应于N张图像帧连续地点亮后，接着对应于M张图像帧连续地熄灭；所述处理单元105根据所述光源101点亮时所获取的图像帧计算位移量，将所述位移量作为参考位移量，所述参考位移量可以作为所述光源熄灭期间的位移量。

上述位移检测装置所使用的突发模式亦可应用于光学式生理检测装置，藉以降低模拟电路(analog circuit)的整体耗能。一般而言，光学式生理检测装置撷取每张有效图像帧前，会先撷取一张预操作图像以使模拟开关的运作达到稳定并可用于自动曝光收敛(AE convergence)，所述预操作图像虽然不用以计算生理特征但会增加整体耗能。本发明透过采用突发模式，于短时间内(即突发期间)连续撷取有效图像帧并于较长时间停止撷取图像帧，以降低产生预操作图像的次数(亦即仅于每一个突发期间之前产生一张预操作图像)。藉此，可有效降低模拟电路的耗能。

请参照图6所示，其为本发明实施方式的生理检测装置600的方框图。所述生理检测装置600包含光源61、图像传感器62、处理单元63以及传输界面单元64。某些实施方式中，所述生理检测装置600还包含显示装置69用以显示所述生理检测装置600的检测结果，例如脉搏、呼吸率、血压、血氧浓度等生理特征。某些实施方式中，所述生理检测装置600的传输界面单元64用以与外部显示装置69有线或无线地耦接，以输出所述生理检测装置600的检测结果至所述外部显示装置69进行实时显示。亦即，所述显示装置69可包含或不包含于所述生理检测装置600内，端视其应用而定。有线及无线传输技术已为已知，故于此不再赘述。

所述显示装置69例如可为液晶显示器、电浆显示器、有机发光二极管显示器、投影机等可用以显示图像者，并无特定限制，只要能够透过显示屏以图形、文字或数字显示上述生理特征即可。其他实施方式中，所述显示装置69例如包含扬声器，该扬声器透过声音提示上述生理特征。

所述光源61例如为发光二极管或激光二极管，用以发出适于穿透人体组织且能够被人体组织吸收的光。例如，所述光源61的发射光的光波长为610纳米或910纳米，但并不以此为限。所述光源61用以照明皮肤表面S使光线穿过所述皮肤表面S下方的人体组织。优选地，所述生理检测装置600具有透明表面能够于操作时贴附于所述皮肤表面S以保护所述光源61，所述光源61则设置于所述透明表面内侧。所述透明表面例如以塑料或玻璃等透明材质所制作，并无特定限制。某些实施方式中，所述透明表面例如为导光件的表面，且所述导光件具有导引光路的功能。

本发明实施方式中，所述光源61以突发模式(burst mode)照明所述皮肤表面S。所述突发模式中，所述光源61相对N张图像帧连续地点亮，接着相对M张帧期间连续地熄灭；其中，N及M为正整数。例如图9中，所述光源61相对突发期间连续点亮5张图像，其中N＝5仅为例示，并非用以限定本发明。如图9所示，连续的所述N张图像帧位于报告时间的起始阶段而连续的所述M张帧期间位于所述报告时间的剩余阶段。

某些实施方式中，当所述生理检测装置600同时用以检测血氧浓度时，所述生理检测装置600可包含两光源用以分别发出不同波长的光；其中，检测血氧浓度的方法例如可参照本案申请人所共同拥有的美国专利申请第13/614,999号，其揭示内容在此并入以作为参考。

所述图像传感器62包含图像传感阵列(image sensor array)，例如互补式金属氧化物半导体传感器阵列(CMOS sensor array)，其具有多个像素。所述图像传感器62以取样频率(sampling rate)接收所述皮肤表面S下方的皮肤组织的出射光，以在突发期间依序产生图像帧，例如相对所述光源21点亮时输出有效图像帧I₁(参照图9)；其中，所述取样频率优选远大于心跳，以利于执行突发模式。假设每一个突发期间被撷取的第一张图像帧Ip为预操作图像，其一般用于自动曝光收敛及其他电路调整需求，而不用于计算心跳。所述图像传感器62并根据所述有效图像帧I₁产生光体积变化(PPG)讯号，如图7所示。图7中，PPG及PPG’表示不同时间所撷取同一个使用者的光体积变化信号。一种实施方式中，所述图像传感阵列的每一个像素可分别输出所述PPG信号。其他实施方式中，所述图像传感阵列的所有像素的强度总和或部分像素的强度总和可用作为所述PPG信号。同样地，所述图像传感器62设置于所述透明表面内侧。

利用图像传感阵列检测三维生理特征分布的方式例如可参照本案申请人所共同拥有的美国专利申请第14/955,463号，其揭示内容在此并入以作为参考。

某些实施方式中，所述图像传感器62可以单一光二极管(photodiode)取代，以根据不同时间的检测结果输出PPG信号。

请参照图8A～8B所示，其为本发明实施方式的生理检测装置的使用状态。所述生理检测装置600透过检测使用者的人体组织的PPG信号以分析并显示所述使用者的生理特征随时间的变化。因此，所述生理检测装置600可配置于任何适当位置以检测所述PPG信号，例如配置于所述使用者的腕部(如图8A所示)或手臂(如图8B所示)，但并不限于此。其他实施方式中，所述生理检测装置600例如可结合于可携式电子装置或穿戴式电子装置上，例如手环、臂环、指环、脚环、移动电话、耳机、个人数字助理等可与使用者的至少一部分皮肤表面接触者。此外，所述生理检测装置600亦可有线或无线地耦接医疗设备、家电设备、车辆、保全系统等。优选地，所述生理检测装置600所连接者具有显示装置用以实时地显示所述生理检测装置600的检测结果。

所述处理单元63例如为数字处理器(DSP)、微控制器(MCU)、中央处理器(CPU)或特定用途集成电路(ASIC)，其电性耦接所述光源61及所述图像传感器62，用以控制所述光源61及所述图像传感器62进行相对应运作(参照图9)。

一种实施方式中，所述处理单元63根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(即有效图像帧I₁)计算生理特征及图像品质、并根据所述图像品质调整N及M的数值；其中，所述生理特征例如包含脉搏、呼吸率、血压、血氧浓度等。根据PPG信号计算上述生理特征的方式可利用已知方式，本发明在于采用突发模式撷取用以产生PPG信号的图像帧。

请参照图9所示，其显示本发明实施方式的生理检测装置的操作示意图。所述图像传感器62以固定的取样频率(例如此处显示为10KHZ)依序产生图像帧。本实施方式中，所述光源61同步所述取样频率连续点亮五次(即N＝5)后，接着连续熄灭直到报告时间结束。如前所述，除了预操作图像，相对所述光源61被点亮时所撷取的图像帧在本发明中称为有效图像帧I₁。

所述传输界面单元64例如以报告率(例如20HZ，但不限于此)输出生理特征，亦即所述传输界面单元64每隔报告时间(例如此处显示为500ms，但不限于此)输出所述生理特征。一种实施方式中，所述N张图像帧相对于所述报告时间的起始期间(例如前五张图像帧)且N大于等于5，以期正确计算生理特征。

一种实施方式中，当所有像素被同一个读取电路依序读取时，(N+M)为所述取样频率除以所述报告率及所述像素数目的乘积所得的商(quotient)，亦即(N+M)＝(取样频率)/(报告率×像素数目)。当所述图像传感器62为单一光二极管时，所述像素数目则为1；此时，图9的实施方式中，(N+M)＝10K/(20×1)＝500。亦即，每一个报告时间内，所述图像传感器62撷取5个图像信号；其中，第一个为预操作图像信号、第2～4个为有效图像信号而后的495个图像信号不被撷取。所述处理单元63则根据每一个报告时间的N个有效图像信号计算生理特征、图像品质及运动状态参数。当所述图像传感器62为包含2×2个像素的传感阵列时，所述像素数目则为4；此时，图9的实施方式中，(N+M)＝10K/(20×4)＝125。亦即，每一个报告时间内，所述图像传感器62撷取5张图像帧；其中，第一张为预操作图像、第2～4张为有效图像帧而后的120张图像帧不被撷取。所述处理单元63则根据每一个报告时间的N张有效图像帧计算生理特征、图像品质及运动状态参数。另一实施方式中，当所有像素被同时读取时，(N+M)为所述取样频率除以所述报告率所得的商，亦即(N+M)＝(取样频率)/(报告率)。

必须说明的是，此处所谓像素数目是指有效像素数目，其为所述传感阵列每一帧输出PPG信号的数目。例如，当所述传感阵列包含4×4个像素时，所述传感阵列可能以电路配置计算4组2×2个像素的灰阶值和以分别作为PPG信号，亦即每一帧只输出4个PPG信号。因此，此实施方式的像素数目为4而并非16。

一种实施方式中，所述处理单元63根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(例如有效图像帧I₁)在时域计算第一心跳数并在频域计算第二心跳数，并以所述第一心跳数与所述第二心跳数的差值表示所述图像品质。例如，所述处理单元63根据所述有效图像帧I₁求得如图7所示的PPG信号。所述处理单元63可直接在时域计算两峰值的时间倒数(例如1/Tp)以作为第一心跳数。所述处理单元63另可将所述PPG信号转换至频域，例如利用快速傅立叶变换(FFT)，但不限于此，以产生频率数据，如图10所示。所述处理单元63例如将所述主频频率(例如f4)作为第二心跳数。当所述第一心跳数与所述第二心跳数的差值介于预设范围时，表示图像品质良好，所述处理单元63可选择使用所储存的预设N值中较低的N值；反之，当所述第一心跳数与所述第二心跳数的差值超出所述预设范围时，表示所述主频频率f4可能为运动所产生的噪声，所述处理单元63可选择使用所储存的预设N值中较高的N值以提高撷取图像的可靠度。

另一实施方式中，所述处理单元63根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(即有效图像帧I₁)在频域求得主频频率f4的主频频谱能量A_f4，如图10所示。所述处理单元63并将所述主频频谱能量A_f4乘以小于1的预设比例(例如1/R，且R大于1)以得到能量阈值TH，并以频谱能量大于所述能量阈值TH的频率数目表示所述图像品质；其中，所述预设比例1/R可根据装置的灵敏度及抗噪能力决定。例如，图10中，所述预设比例选择为1/4，且大于所述能量阈值TH的频率数目为3(例如f3、f5、f6)。在图10的频域数据中，当所述频率数目愈高时，表示有效图像帧I₁所包含的噪声愈多，则图像品质愈低；反之，则表示图像品质愈高。所述处理单元63可被设定为当所述频率数目大于等于预设数目(例如2)时，选择使用所储存的预设N值中较高的N值或增加N值以提高撷取图像的可靠度；反之，所述处理单元63可选择使用所储存的预设N值中较低的N值或降低N值；其中，所述预设数目可根据不同应用而定。

另一实施方式中，所述处理单元63根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(即有效图像帧I₁)在频域求得主频频率f4的主频频谱能量A_f4，如图10所示。所述处理单元63并将所述主频频谱能量A_f4乘以小于1的预设比例(例如1/R)以得到能量阈值TH，并以频谱能量大于所述能量阈值TH的频率的频谱能量总和(例如，图10的主频、次高频及强噪声的能量和，或者次高频及强噪声的能量和)表示所述图像品质；其中，所述预设比例1/R可根据装置的灵敏度及抗噪能力决定。在图10的频域数据中，当所述频谱能量总和愈高时，表示有效图像帧I₁所包含的噪声愈多，则图像品质愈低；反之，则表示图像品质愈高。所述处理单元63可被设定为当所述频谱能量总和大于等于预设能量和时，选择使用所储存的预设N值中较高的N值或增加N值以提高撷取图像的可靠度；反之，所述处理单元63可选择使用所储存的预设N值中较低的N值或降低N值。必须说明的是，图10所显示噪声的名称，仅用以说明。

另一实施方式中，所述处理单元63根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(即有效图像帧I₁)计算生理特征及运动状态参数、并根据所述运动状态参数调整N及M的数值。本实施方式中，所述处理单元63可根据PPG信号或根据加速度计的输出计算所述运动状态参数。

例如，所述处理单元63根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(即有效图像帧I₁)产生光体积变化讯号，并以所述光体积变化讯号的波形变化作为所述运动状态参数。一般而言，当相同的使用者处于静止状态时，所述光体积变化讯号具有特定波形，且不同使用者的特定波形间可能稍有不同。根据此特性，可将所述特定波形的变化(例如计算不同时间的特定波形PPG及PPG’间的相关性或相似度)作为运动状态参数，当所述特定波形的变化超过预设变化值(例如PPG及PPG’的相关性或相似度低于预设值)时，则表示使用者进入运动状态；而当所述特定波形的变化未超过所述预设变化值(例如PPG及PPG’的相关性或相似度仍高于所述预设值)时，则表示使用者仍处于静止状态。

例如，所述生理检测装置600另包含加速度计65用以输出加速度信号Sg。所述加速度计65的种类并无特定限制，只要当所述使用者产生动作时可产生加速度信号Sg即可。既然所述加速度计65的加速度信号Sg反映使用者的活动，因此在本发明说明中所述加速度信号Sg(例如三维加速度的三个加速度值的至少其中之一者)可用作为运动状态参数。当所述加速度信号Sg超过预设加速度值时，则表示使用者进入运动状态；而当所述加速度信号Sg未超过所述预设加速度值时，则表示使用者仍处于静止状态。所述预设加速度值可根据装置灵敏度及抗噪能力以对应不同使用者分别预先设定及储存。

必须说明的是，本发明中的静止状态并非指使用者静止不动，而是指使用者的活动不足以影响所述生理检测装置600量测生理特征的准确性。当所述运动状态参数显示为运动中时，所述处理单元63选用所储存的预设N值中较大的N值或调高N值。当所述运动状态参数显示为静止中时，所述处理单元63选用所储存的预设N值中较小的N值或调低N值。

其他实施方式中，所述加速度计65亦可应用于上述根据图像品质调整N及M的数值的实施方式中。例如，所述处理单元63可先将所述加速度信号Sg转换至频域并求得至少一个运动频率，并从图10中的频域数据中去除或抑制与所述运动频率相关的频率值以消除噪声(即与所述运动频率相关的频率值被视为噪声)。所述处理单元63接着利用去噪后频域数据(即移除所述运动频率)再计算图像品质(例如计算前述频谱能量大于能量阈值TH的频率数目或频谱能量总和)，以确认是否调整N值。

请参照图11所示，其显示本发明实施方式的生理检测装置的操作方法的流程图，其可应用于如图6的生理检测装置600上。所述操作方法包含下列步骤：以图像传感器利用取样频率接收皮肤表面下方的皮肤组织的出射光，以依序产生图像帧(步骤S71)；以光源相对N张图像帧连续地点亮以照明所述皮肤表面，接着相对M张帧期间连续地熄灭(步骤S73)；以及以处理单元根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征并调整N及M的数值(步骤S75)。

步骤S71-S73：所述图像传感器62如图6、8A及8B所示配置于皮肤表面S上，并如图9所示以固定的取样频率接收所述皮肤表面S下方的皮肤组织的出射光，以相对所述光源61点亮时输出预操作图像Ip及有效图像帧I₁。图9的实施方式中，N＝5且M＝495，但并不以此为限。

步骤S75：所述处理单元63可根据所述光源61点亮时撷取的图像帧(即有效图像帧I₁)计算图像品质或运动状态参数。例如，所述处理单元63根据所述图像品质与至少一个品质阈值的比较结果调整N及M的数值；其中，所述图像品质已说明于前，故于此不再赘述。例如，所述处理单元63可当所述运动状态参数显示为运动中时，增加N值；而当所述运动状态参数显示为静止中时，降低N值；其中，所述运动状态参数已说明于前，故于此不再赘述。

本发明实施方式中，当所述处理单元63增加N值后计算的图像品质仍不介于预设品质范围，则另根据历史生理特征产生估测生理特征。例如参照图12，当使用者从静止状态进入运动状态(如前所述，可根据加速度信号Sg或PPG信号的波形判断)时，所述处理单元63增加N值(例如从N＝5调整为N＝9或17，但不限于此)。当N值增加后，根据有效图像帧I₁计算的图像品质仍不介于预设品质范围，表示已无法透过增加N值来有效提高图像品质；其中，所述预设品质范围内是预设为足以计算正确生理特征的范围。此时，所述处理单元63可根据利用先前图像品质介于所述预设品质范围时(例如期间T1)的有效图像帧I₁所计算的生理特征的变化趋势来预估图像品质不介于所述预设品质范围时(例如期间T2)的生理特征以作为估测生理特征。亦即，所述估测生理特征并非根据目前有效图像帧I₁计算而得，而是根据先前图像品质仍介于所述预设品质范围的有效图像帧I₁计算的生理特征的变化(例如期间T1’的曲线斜率或拟合方程式)所估测而得。

某些实施方式中，当所述处理单元63增加N值后所计算的所述图像品质仍不介于预设品质范围时，则不产生所述生理特征，例如所述处理单元63控制所述显示装置69显示“无法计算”等文字或图形。

本发明实施方式中，上述图像品质及运动状态参数及相对应的N、M值及阈值是于出货前预先储存于存储单元631中；其中，所述存储单元631可位于所述处理单元63内部或外部，并无特定限制，只要所述处理单元63能够存取所述存储单元631即可。所述存储单元631优选为非易失性存储单元。可以了解的是，在优选的方式中，当N值改变时，M值则相对应改变。某些实施方式中，所储存的N、M值及阈值可由使用者于操作时更新。

某些实施方式中，上述运动状态参数可用作为图像品质，因为当使用者进入运动状态时，图像品质通常会随之降低。某些实施方式中，上述图像品质可用以表示使用者状态。例如，当所述图像品质小于品质阈值时，所述处理单元63辨识所述使用者为运动中；反之，当所述图像品质大于所述品质阈值时，所述处理单元63辨识所述使用者为静止中。接着，则可根据上述的方式基于图像品质或运动状态参数来调整N及M的值。

综上所述，由于可携式电子装置或穿戴式电子装置的功能逐渐增加，因此需要降低其整体耗电量。本发明提出一种生理检测装置(图6)及其操作方法(图11)，其可应用于可携式电子装置或穿戴式电子装置并在图像传感器及光源皆采用所谓的突发模式，以有效降低操作时的整体耗能。

虽然本发明已以前述实施方式公开，然其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作各种更动与修改。因此本发明的保护范围应以所附的权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种生理检测装置，该生理检测装置包含：

图像传感器，以取样频率接收皮肤表面下方的皮肤组织的出射光，以产生图像帧；

光源，以突发模式照明所述皮肤表面，其中，所述突发模式中，所述光源相对N张图像帧连续地点亮，接着相对M张图像帧期间连续地熄灭；以及

处理单元，用以控制所述光源及所述图像传感器，并根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征，及根据所述图像帧的图像品质调整所述N及M的数值，

其中，所述处理单元根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧在时域计算第一心跳数并在频域计算第二心跳数，并以所述第一心跳数与所述第二心跳数的差值作为所述图像品质。

2.根据权利要求1所述的生理检测装置，还包含以报告率输出所述生理特征传输界面单元。

3.根据权利要求2所述的生理检测装置，其中所述图像传感器包含具有像素数目的传感阵列，(N+M)为所述取样频率除以所述报告率与所述像素数目的乘积所得的商。

4.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中所述处理单元还用于

根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧在频域求得主频频率的主频频谱能量，

将所述主频频谱能量乘以小于1的预设比例以得到能量阈值，以及

以频谱能量大于所述能量阈值的频率数目作为所述图像品质。

5.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中所述处理单元还用于

以频谱能量大于所述能量阈值的频率的频谱能量总和作为所述图像品质。

6.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中当所述处理单元增加N值后计算的所述图像品质仍不介于预设品质范围，则另根据历史生理特征产生估测生理特征。

7.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中所述N大于等于5。

8.一种生理检测装置，该生理检测装置包含：

处理单元，用以控制所述光源及所述图像传感器，并根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征及运动状态参数，根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧计算图像品质及根据所述图像品质调整所述N及M的数值，

其中，所述图像品质为根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧在时域计算的第一心跳数与在频域计算的第二心跳数的差值。

9.根据权利要求8所述的生理检测装置，其中所述处理单元还用以

根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧产生光体积变化讯号，以及

以所述光体积变化讯号的波形变化作为所述运动状态参数。

10.根据权利要求8所述的生理检测装置，还包含用以输出加速度信号的加速度计，所述处理单元还用以将所述加速度信号作为所述运动状态参数。

11.根据权利要求8所述的生理检测装置，其中，

当所述运动状态参数显示运动中时，所述处理单元使用所储存的预设N值中较大的N值；及

当所述运动状态参数显示静止中时，所述处理单元使用所储存的预设N值中较小的N值。

12.根据权利要求11所述的生理检测装置，其中

当所述处理单元增加N值后计算的所述图像品质仍不介于预设品质范围，则另根据历史生理特征产生估测生理特征。

13.根据权利要求8所述的生理检测装置，还包含以报告率输出所述生理特征的传输界面单元。

14.根据权利要求13所述的生理检测装置，其中所述图像传感器包含具有像素数目的传感阵列，所述处理单元还用以根据所述运动状态参数调整所述N及M的数值，其中(N+M)为所述取样频率除以所述报告率与所述像素数目的乘积所得的商。

15.根据权利要求8所述的生理检测装置，其中所述N大于等于5。

16.一种生理检测装置的操作方法，所述生理检测装置包含光源、图像传感器及处理单元，所述操作方法包含：

以所述图像传感器利用取样频率接收皮肤表面下方的皮肤组织的出射光，以产生图像帧；

以所述光源相对N张图像帧连续地点亮以照明所述皮肤表面，接着相对M张图像帧期间连续地熄灭；

以所述处理单元根据所述光源点亮时撷取的图像帧计算生理特征；

以所述处理单元根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧计算图像品质；以及

根据所述图像品质与至少一个品质阈值的比较结果调整所述N及M的数值，

17.根据权利要求16所述的操作方法，还包含：

以所述处理单元根据所述光源点亮时撷取的所述图像帧计算运动状态参数；

当所述运动状态参数显示运动中时，增加N值；以及

当所述运动状态参数显示静止中时，降低N值。

18.根据权利要求16所述的操作方法，还包含：

每隔报告时间输出所述生理特征，其中，所述N张图像帧相对于所述报告时间的起始期间且所述N大于等于5。