CN109793510A - 阵列式生理检测系统及生理检测装置 - Google Patents

Abstract

一种生理检测系统，所述生理检测系统包含阵列式传感器以及处理单元。所述阵列式传感器可用于输出阵列式变化信号，所述处理单元用于根据所述阵列式变化信号建立三维能量分布并具以判断不同微循环状态。

Description

阵列式生理检测系统及生理检测装置

技术领域

本发明说明有关一种生理检测系统，更特别有关一种可检测至少三个维度生理特征的阵列式生理检测系统及其运作方法。

背景技术

目前，可携式电子装置(portable electronic device)及穿戴式电子装置(wearable electronic device)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进。

同时，身体健康成为现代忙碌的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至可携式电子装置及穿戴式电子装置上，以符合用户的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明说明提出一种阵列式生理检测系统及其运作方法，其至少可检测并记录用户的三个维度以上的生理特征。

本发明说明提供一种阵列式生理检测系统及其运作方法，其通过多个感测像素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。

本发明说明还提供一种阵列式生理检测系统及其运作方法，其可记录不同被检测组织区域的三维生理特征分布随时间的变化，并据以判断不同微循环状态。

本发明说明提供一种生理检测装置，包含光源模块、感光阵列、显示器以及处理单元。所述光源用于用于发出第一波长的光照明皮肤区域。所述感光阵列用于检测来自所述皮肤区域的出射光并输出多个PPG信号。所述显示器用于显示所述生理检测装置的检测结果。所述处理单元用于将所述多个PPG信号转换为三维能量分布、辨识所述三维能量分布中的环状式样及当确认所述环状式样时，控制所述显示器显示所述生理检测装置已经就绪的信息。

本发明说明还提供一种生理检测系统，包含第一阵列式PPG检测器、第二阵列式PPG检测器、显示器以及处理单元。所述第一阵列式PPG检测器用于产生多个第一PPG信号。所述第二阵列式PPG检测器用于产生多个第二PPG信号。所述显示器用于显示所述生理检测系统的检测结果。所述处理单元用于将所述多个第一PPG信号及所述多个第二PPG信号分别转换为第一三维能量分布及第二三维能量分布、比较所述第一三维能量分布及所述第二三维能量分布与能量阈值、计算所述第一三维能量分布中能量值大于所述能量阈值的第一区域及所述第二三维能量分布中能量值大于所述能量阈值的第二区域以及当所述第一区域与所述第二区域的差异变化大于变化阈值时，控制所述显示器显示警示信息。

本发明说明还提供一种生理检测装置，包含光源模块、感光阵列以及处理单元。所述光源模块包含多个发光二极管，并用于以所述多个发光二极管中的不同组发光二极管发出第一波长的光照明组织区域。所述感光阵列用于检测来自所述组织区域的出射光并输出多个PPG信号。所述处理单元用于将所述多个PPG信号转换为三维能量分布，在点亮第一组发光二极管时获得的所述三维能量分布中辨识环状式样，及当所述三维能量分布中没有辨识出所述环状式样时，控制第二组发光二极管点亮。

本发明说明实施例的阵列式生理检测系统及其运作方法中，还可建立表示生理特征分布的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。

为了让本发明说明的上述和其他目的、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，于本发明说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此先述明。

附图说明

图1为本发明说明实施例的生理检测系统获得浅层微循环血管涨缩变化的流程图；

图2A为本发明说明实施例的生理检测系统获取的图像帧及其观测窗口的示意图；

图2B为本发明说明实施例的生理检测系统获取的多个图像帧的亮度变化的示意图；

图2C为本发明说明实施例的生理检测系统求得的微循环血管涨缩变化信号的频谱图；

图2D为本发明说明实施例的生理检测系统求得的目前心跳频率下多个像素区域的能量分布的示意图；

图3A为本发明说明实施例的生理检测系统所检测的变化量变化的示意图；

图3B为本发明说明实施例的生理检测系统所检测的平均值变化的示意图；

图4为本发明说明实施例的生理检测系统的示意图；

图5为本发明说明实施例的生理检测系统的运作方法的流程图。

图6A及6B为本发明说明实施例的生理检测所检测的525纳米光的三维能量分布的示意图；

图7A及7B为本发明说明实施例的生理检测所检测的880纳米光的三维能量分布的示意图；

图8为本发明说明另一实施例的生理检测装置的示意图；及

图9为本发明说明再一实施例的生理检测系统的方框图。

具体实施方式

以下说明内容包含本发明说明的实施方式，以便理解本发明说明如何应用于实际状况。须注意的是，在以下图式中，与本发明说明技术无关的部分已省略，同时为彰显组件之间的关系，图式里各组件之间的比例与真实的组件之间的比例并不一定相同。

请参照图1所示，其为本发明说明一实施例的阵列式生理检测系统获得浅层微循环血管涨缩变化的流程图。阵列式生理检测系统用于通过皮肤表面检测身体组织的浅层微循环血管涨缩变化的三维能量分布，以帮助使用者对自身健康的监测。此外，本发明说明实施例的阵列式生理检测系统可应用于可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，也即微循环信息随时间的变化。藉此，所得到的监测数据可搭配于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。

首先，阵列式生理检测系统读取多个像素区域输出的多个浅层微循环血管涨缩变化信号，如步骤101所示，例如光体积变化描述波形(PPG)信号。为了获取多个像素的浅层微循环血管涨缩变化信号，生理检测系统需要取得真皮层(dermis)的血管涨缩变化信号以表示微循环数据。举例而言，可以使用光学检测方式来达成，藉由使用特定波长的光线，使得光线能够穿透表皮层(epidermis)但却不会穿过真皮层，然后利用感光阵列来检测皮肤区域内的微循环血管涨缩变化信号；其中，感光阵列包含多个感光像素，每一个感光像素都可以产生一个微循环血管涨缩变化信号，其各种统计数值可以提供给后续应用。

举例来说，可以使用波长525纳米(nm)的光线，皮肤穿透深度低于1毫米(mm)。在不同的身体部位，可以使用不同波长的光线，以探知在真皮层活动的微循环血管变化状态。由于真皮层的深度大约介于1-3毫米，因此光线波长优选选择为无法穿透3毫米深度，例如300-940纳米。

接着，生理检测系统根据所述等微循环血管涨缩变化信号建立三维能量分布，如步骤102所示；其中，所述三维能量分布指频谱能量分布。此步骤中，由于各像素所检测到的微循环血管涨缩变化信号的能量包含各种不同的频率，因此可以选定其中一个频率来进行数据分析。一实施例中，可以先利用所述等微循环血管涨缩变化信号估算出目前心跳，再以此为基础，搜集每一个像素在此心跳频率之下的振幅信号的振幅变化数值，来代表浅层微循环血管的涨缩变化。

由于浅层微循环血管的涨缩变化跟随着心脏跳动而产生，因此像素的振幅变化在心跳频率或者其倍数频率会比在其他的频率上更为明显，以利进行后续的分析。

接着，根据所述能量分布的特性参数判断生理状态，如步骤103所示。在这个步骤中，可以根据能量分布的各种特性，例如振幅变化、平均数值、心跳频率等特性来估测生理状态。在其后说明里会描述如何根据特性参数来判断生理特征。

接着，可提供生理状态警示给使用者，如步骤104所示，以便使用者可以据此调整作息与活动内容。

图2A-2D为本发明说明实施例的阵列式生理检测系统获得浅层微循环血管涨缩变化的示意图。以光学式生理检测系统为例，图2A为所获取的图像帧及其观测窗口(WOI)的示意图；其中，所述观测窗口WOI的尺寸及位置可调整。图2B为多个图像帧(例如显示为6秒内)或所述多个图像帧的观测窗口的亮度变化的示意图；其中，所述亮度变化反应微循环血管的涨缩变化。图2C为浅层微循环血管涨缩变化信号的频谱图，其将图2B的亮度变化(即浅层微循环血管涨缩变化信号)转换至频率所得，并显示有目前心跳频率。图2D为目前心跳频率下，多个像素区域分别获得的能量值所组合成的阵列式变化示意图，即振幅分布；其中，柱状高度表示相对所述目前心跳频率的频谱能量。通过图2D可以明了每一个像素区域所获得的检测结果(即能量值)会产生变化的，此变化状态便可以代表生理特征的变化(例如真皮层中微血管的分布及运作等)，详述如下。必须说明的是，图2D中每个像素的幅度是一个像素的能量值或多个像素的平均能量值。

本发明说明可利用不同微循环状态，来估算运动状态。例如可将不同微循环状态分为四个状态，分别是运动前状态I、热身完毕状态II、运动中状态III、运动后冷却状态IV，举例说明如下：

请同时参照图3A及3B，图3A为本发明说明实施例的生理检测系统所检测的变化量变化的示意图；图3B为本发明说明实施例的生理检测系统所检测的平均值变化的示意图。

当使用者处于运动前状态I时，振幅信号的振幅变化(A)不高，但振幅信号的平均数值(B)很高。

当使用者处于热身完毕状态II时，振幅信号的振幅变化(A)逐渐升高，但振幅信号的平均数值(B)开始下降。当振幅信号的平均数值(B)低于热身平均阀值(例如THa1)时，代表热身完毕；或者，当振幅信号的平均数值(B)低于热身阀值(例如THa1)且振幅信号的振幅变化(A)高于热身变化阀值(例如THv1)时，代表热身完毕。

当使用者处于运动中状态III时，振幅信号的振幅变化(A)维持在高数值，但平均数值(B)降至一个相对低的水平。当振幅信号的平均数值(B)低于运动平均阀值(例如THa2)时，代表处于运动状态当中；或者，当振幅信号的平均数值(B)低于运动阀值(例如THa2)且振幅信号的振幅变化(A)高于运动变化阀值(例如THv2)时，代表处于运动状态当中。

当使用者处于运动后冷却状态IV时，振幅信号的振幅变化(A)逐渐降低，振幅信号的平均数值(B)开始升高，当平均数值(B)恢复到超过冷却平均阀值(例如THa3)时，代表冷却完毕；或者，当平均数值(B)恢复到超过冷却平均阀值(例如THa3)且振幅信号的振幅变化(A)恢复到低于冷却平均阀值(例如THv3)时，代表冷却完毕。

必须说明的是，虽然图3A-3B中显示四个微循环状态、三个变化阀值及三个平均阀值，其仅用于说明而非用于限定本发明说明，微循环状态、变化阀值及平均阀值的数量及数值根据不同应用而定。

请参照图4所示，其为本发明说明一实施例的阵列式生理检测系统400的示意图。阵列式生理检测系统400用于检测皮肤微循环的变化，并包含光源41、感光阵列43以及处理单元45。

所述光源41可为同调光源、非同调光源或部分同调光源，例如发光二极管、雷射二极管等。所述光源41用于提供光线L照射皮肤区域，且所述光线穿透至所述皮肤区域的真皮层。必须说明的是，本发明说明的阵列式生理检测系统400仅用于检测真皮层内的微循环血管变化状态而不检测真皮层的下的皮下组织中其他组织状态，故选择适当光波长方能达成所述功效。因此，所述光源41的波长选择为不穿透至所述皮肤区域的真皮层的皮下组织，例如所述光源波长选择介于300-940纳米。

其他实施例中，光源模块可具有多个光源，例如525纳米、880纳米及606纳米等不同波长的光源，以得到从人体反射光及散射光的不同结果。例如，当使用525纳米的短波长光源时，三维能量分布的结果会相应施加于人体的物理压力而呈现环状式样(arc-likepattern)。该环状式样可用于评断是否系统已被使用者适当的穿戴。

使用300至940纳米中的短波长光源可造成人体更显著的吸收变化，其推测为造成如图6A-6B的环状式样的一个原因。使用300-940纳米中的长波长光源可在高压状态下呈现三维能量分布的强检测结果，故系统可在不同情况(紧密穿戴或宽松穿戴)下切换至不同光源以得到良好的三维能量分布。例如，图7A及图7B为使用长波长光照射时的三维能量分布的示意图，其中没有观测到清楚的环状式样。

所述感光阵列43优选为主动式图像感测阵列，例如CMOS图像传感器，如此可根据取样结果实时选择观测窗口WOI(如图2A所示)的尺寸及位置，例如根据图像质量或亮度分布等决定所述观测窗口WOI，而所述感光阵列43中所述观测窗口WOI以外的像素数据可不被所述感光阵列43输出。所述感光阵列43包含多个感光像素，所述多个感光像素中每一者用于连续检测经过所述皮肤区域的真皮层的出射光，以输出多个亮度信号作为PPG信号(即浅层微循环血管涨缩变化信号)，如图2B所示亮度变化信号。某些实施例中，所述多个亮度信号为数字信号，也即所述感光阵列43可包含模拟数字转换器(ADC)用于进行模拟-数字转换。

所述处理单元45用于将相对所述多个感光像素的所述多个亮度变化信号(即PPG信号)转换为频域数据(如图2C所示)，藉以形成微循环血管涨缩变化的三维能量分布(如图2D所示)。所述处理单元45还计算所述多个频域数据的变化量及平均值，以根据所述变化量的变化(例如图3A)及所述平均值的变化(例如图3B)判断不同微循环状态。所述处理单元45例如可为数字信号处理器(DSP)、中央处理器(CPU)、微控制器(MCU)等可用于计算感测阵列所输出的数据的装置，并无特定限制。

所述处理单元45可利用软件、硬件、韧体或其组合完成上述运算。例如，所述处理单元45可包含频域转换模块451、心跳计算模块452、变化计算模块453、平均计算模块454、比较单元455以及储存单元456。可以了解的是，图4以不同组件说明不同运算功能，然而由于该些组件均位于所述处理单元45内，故该些组件所进行的运算即为所述处理单元45所执行的运算。此外，所述处理单元45内还可包含其他运算功能，例如滤波、放大等，本发明说明中省略了其他不直接相关功能的说明。

例如，所述感光阵列43的每一感光像素均输出随时间变化的亮度信号作为PPG信号(如图2B所示)，所述处理单元45用于根据多个所述PPG信号计算心跳频率。

一实施例中，所述频域转换模块451将相对每一感光像素的PPG信号(如图2B所示)转换至频域以产生频域数据(如图2C所示)，所述心跳计算模块452根据相对所述多个感光像素中每一者的所述频域数据计算估测心跳频率，并将相对所述多个感光像素的多个所述估测心跳频率之中统计量最高的估测心跳频率作为所述心跳频率。也即，相对所述多个感光像素中每一者均可算出估测心跳频率，当计算出某一估测心跳频率的感光像素的数目最多时，则以所述估测心跳频率作为心跳频率。藉此，可降低噪声干扰所导致的错误而增加计算正确度。

另一实施例中，所述处理单元45计算所述感光阵列43输出的每一图像帧中(或所述观测窗口内)所有或部分的所述多个感光像素的所述多个亮度信号的亮度和，并根据相对多个图像帧的多个亮度和计算所述心跳频率。也即，本实施例中，所述处理单元45相对每一图像帧求得亮度和，多个图像帧则可求得亮度和变化以作为PPG信号，如图2B所示。本实施例中，所述心跳计算模块452可直接在时域(time domain)计算心跳频率，例如计算图2B中时间间隔THR的倒数；或者，所述频域转换模块451先将亮度和变化转换至频域以产生频域数据，如图2C所示，接着所述心跳计算模块452根据所述频域数据计算心跳频率，如图2C中频谱能量值最高者。换句话说，本发明说明中，图2B可表示单一感光像素输出的亮度变化或多个图像帧输出的亮度和变化；图2C可表示单一感光像素输出的亮度变化的频域数据或多个图像帧输出的亮度和变化的频域数据，端视不同应用而定。本发明说明中，所述时域-频率转换可以适当频域转换算法进行，例如快速傅立叶，并无特定限制。

所述心跳频率决定后，所述变化计算模块453可相对所述多个感光像素中每一者产生位于所述心跳频率的频谱能量值，以形成三维能量分布或能量集合，如图2D所示。所述变化计算模块453计算所述三维能量分布或能量集合的能量变化量以作为振幅变化数值，例如计算相邻像素能量间的差的总和、每一像素能量与平均能量的差的总和、能量集合的变化数(variance)等，只要能计算出表示所述三维能量分布或能量集合各能量成份(components)间的变化即可，并无特别限制。本实施例中，所述变化量为所述心跳频率的频谱能量变化量。

所述心跳频率决定后，所述平均计算模块454可相对所述多个感光像素中每一者产生位于所述心跳频率的频谱能量值，以形成三维能量分布或能量集合，如图2D所示。所述平均计算模块454计算所述三维能量分布或能量集合的平均值以作为振幅平均值。本实施例中，所述平均值为所述心跳频率的频谱能量平均值。

图2D中的三维能量分布可用以计算并产生代表位置以供后续评断。例如，超过阈值的分布值可用以计算质心位置、重心位置或使用的分布值的中心位置。所述代表位置是根据用户的生理状态而改变，其中所述生理状态是与使用者的肢体动作或身心变化相关。

必须说明的是，虽然上述实施例中以所述变化计算模块453及所述平均计算模块454产生所述三维能量分布或能量集合来说明，然而本发明说明并不以此为限，所述三维能量分布或能量集合可由所述处理单元45所包含的其他模块来运算，例如所述频域转换模块451、所述心跳计算模块452等，并无特定限制。

某些实施例中，除了所述变化量的变化及所述平均值的变化外，所述处理单元45还可同时配合心跳频率判断所述不同微循环状态。也即，本发明说明中，所述处理单元45可根据变化量、平均值及心跳频率的变化的不同组合来判断不同微循环状态(microcirculation state)，例如前述的运动前状态、热身完毕状态、运动状态以及运动后冷却状态等，然而并不以此为限。

所述比较单元455可用于比较所述变化量与至少一个变化阈值(例如图3A的THv1-THv3)以判断不同微循环状态。所述比较单元455可用于比较所述平均值与至少一个平均阈值(例如图3B的THa1-THa3)以判断不同微循环状态。所述比较单元455可用于比较心跳频率与至少一个心跳阈值以判断不同微循环状态。所述阈值可事先储存于所述储存单元456中；其中，所述储存单元456例如可为已知内存，并无特定限制。

请参照图5所示，其为本发明说明实施例的阵列式生理检测系统的运作方法，用于通过多个感光像素检测皮肤微循环的变化。所述运作方法包含下列步骤：利用光源提供光线照射皮肤区域并穿透至所述皮肤区域的真皮层(步骤S51)；利用每一感光像素连续检测经过所述皮肤区域的所述真皮层的出射光以分别输出亮度变化信号(步骤S52)；转换相对每一感光像素的所述亮度变化信号为频域数据(步骤S53)；计算相对所述多个感光像素的所述多个频域数据的变化量及/或平均值(步骤S54)；根据所述变化量及/或所述平均值的变化判断微循环状态(步骤S55)。

请同时参照图2A-2D、3A-3B及4-5所示，本运作方法的实施方式说明如下。

步骤S51：所述光源41提供光线L照射皮肤区域并穿透至所述皮肤区域的真皮层。如前所述，所述光线L的波长选择为不穿透至皮下组织，因此多个感光像素仅检测微循环血管的数据而不检测皮下组织的数据。

步骤S52：所述感光阵列43的每一感光像素连续检测经过所述皮肤区域的真皮层的出射光以分别输出亮度变化信号，如图2B的PPG信号。因此，所述感光阵列43输出的PPG信号的数目与有效像素数目相同。

步骤S53：所述处理单元45则转换相对每一感光像素的所述亮度变化信号为频域数据，如图2C所示。因此，所产生的频域数据的数目同样与有效像素数目相同。

步骤S54：所述处理单元45接着计算相对所述多个感光像素的所述多个频域数据的变化量及/或平均值。如前所述，由于所述多个频域数据位于心跳频率或其倍频的特征较为明显。因此，计算所述变化量及/或所述平均值前，所述处理单元45先根据所述多个亮度变化信号计算心跳频率，如前述可于时域直接计算或于频域以不同方式计算，并产生位于所述心跳频率的三维能量分布或能量集合，如图2D所示。接着，所述处理单元45可根据所述三维能量分布或能量集合计算所述心跳频率的频谱能量平均值及/或所述心跳频率的频谱能量变化量；其中，所述变化量的计算已说明如前，故于此不再赘述。

步骤S55：所述处理单元45可根据所述变化量及/或所述平均值随时间的变化判断微循环状态；其中，判断的方式例如为比较所述变化量与至少一个变化阈值及/或比较所述平均值与至少一个平均阈值，例如图3A-3B所示者。

如前所述，某些实施例中，所述处理单元45还可搭配心跳频率随时间的变化来判断所述微循环状态。

最后，所述处理单元45可通过不同方式提示使用者所判断的微循环状态，例如通过图像、声音等，并无特定限制。

综上所述，本发明说明并不依据最大心跳率的百分比以及使用者自觉判断来判断运动状态，而是依据与血液流动分布相关的皮肤浅层微循环血管变化来达成；其中，所述皮肤浅层微循环血管变化的数据例如以感光阵列的多个感光像素连续检测经过真皮层的出射光所输出的多个亮度信号呈现，所述亮度信号的变化可称为光体积变化描述波形(PPG)信号。

如前例所述，当所述平均值降低为小于热身平均阈值(例如THa1)及/或所述变化量增加为大于热身变化阈值(例如THv1)时，所述处理单元45判断进入所述热身完毕状态。当所述平均值进而降低为小于运动平均阈值(例如THa2)及/或所述变化量进而增加为大于运动变化阈值(例如THv2)时，所述处理单元45判断进入所述运动状态。当所述平均值从所述运动平均阈值以下增加为大于冷却平均阈值(例如THa3)及/或从所述运动变化阈值以上减少为小于冷却变化阈值(例如THv3)时，所述处理单元45则判断进入所述运动后冷却状态。此外，不同状态与阈值的比较根据不同应用而定。

另一实施例中，本发明说明的生理检测装置，例如图4的400，还用于确认所述生理检测装置是否与肤面有良好的接触，以使得所述生理检测装置正常运作。已知的是，肤面与生理检测装置之间的相对运动会降低图像质量。因此，确认接触状态甚为重要。

例如参照图4，本实施例的生理检测装置400包含光源模块41、感光阵列43及处理单元45。此外，本实施例的生理检测装置400还包含显示器47(如图8所示)用于显示生理检测装置的检测结果，例如，显示警示信息、指示信息等。

本实施例中，光源模块41用于发出不同波长的光至皮肤下方的组织区域以检测所述组织区域的不同深度。如前所述，短波长可用于确认是否已经形成良好穿戴。例如，光源模块41发出第一波长的光，例如介于500纳米和550纳米之间，至欲量测的组织区域。

感光阵列43用于检测所述组织区域的出射光并输出多个PPG信号，每一个PPG信号如图2B所示。如前所述，本发明配置成一个像素输出一个PPG信号(如图2B所示)，或者多个像素输出一个平均PPG信号(如图2B所示)，例如以硬件电路计算而得。

处理单元45用于将所述多个PPG信号转换为三维能量分布，例如图2D所示、辨识所述三维能量分布中的环状式样、以及当该环状式样被确认时，例如图6A及6B所示，控制显示器47显示生理检测装置400已经就续(也即穿戴良好)的信息。产生三维能量分布的方式已说明于前。

一种非限定的实施方式中，所述环状式样包含至少一个环，该至少一个环是由三维能量分布中大于能量阈值的能量值所形成，例如图6A及6B中较浅颜色的峰值所形成。从图6A及图6B可看出一个以上的环。处理单元45还可以其他方法得到环，例如计算相邻像素的能量值的差值并找出三维能量分布中的区域极值以作为所述环。

然而，如果三维能量分布中不存在环状式样，则表示生理检测装置400没有穿戴好或足够贴紧以进行生理检测。因此，当无法确认出环状式样时，处理单元45还用于控制显示器47显示改变生理检测装置400的穿戴位置或松紧状态的信息。生理检测装置400配置成提供警示信息给使用者，直到环状式样被确认。在确认环状式样之后，生理检测装置400所检测的三维能量分布则视为包含有效数据。

如前所述，本发明说明的生理检测装置400能检测不同组织深度的浅层微循环。例如，处理单元45还用于控制光源模块41发出比所述第一波长还长的第二波长的发射光，以使得感光阵列43在所述环状式样确认之后，检测来自不同组织深度的出射光。一种非限定的实施例中，第二波长是介于850纳米与900纳米之间或介于590纳米与620纳米之间，并无特定限制。通过改变光波长及分析相对不同光波长的三维能量分布，能够得到被检测组织区域的更多细节信息。一种非限定的实施例中，处理单元45配置成控制显示器47显示改变光波长的信息以得到适合的三维能量分布。

例如，图7A及图7B为相对光源模块41发出的880纳米发射光的三维能量分布的示意图，此处使用480×480个像素的感光阵列，且每个像素尺寸为5微米×5微米。可看出图7A及图7B没有环状式样。这是因为当使用较长波长的光时，发射光穿过较多组织(包括浅层组织及较深层组织)，故三维能量分布反映了较复杂的数据。所侦测的与较长波长的光相关的三维能量分布需要较复杂的处理。因此，一种非限定的实施例中，为了简化处理，处理单元45并不用于在与第二波长的光相关的三维能量分布中辨识环状式样。也即，本发明说明中，处理单元45配置成用于根据较短波长光，例如第一波长，确认生理检测装置400是否适当穿戴，但不使用较长波长光，例如第二波长，判断穿戴状况。

此外，处理单元45还用于控制显示器47显示信息，该信息表示移动生理检测装置400的方向来获得有意义的数据。图7A及图7B是使用相同波长光并在不同时间点时，感光阵列43所检测的三维能量分布。该三维能量分布随着时间反复的在图7A及图7B之间变化。图中可看出在较低Y-轴的部分(大约在Y＝0到10)始终有不随时间变化的较高能量值，这可视为检测数据超过系统的可检测范围。因此，处理单元45通过显示器47通知使用者朝向正Y-轴方向(例如Y＝40)移动生理检测装置400以避免检测始终高能量值的区域。

其他实施例中，处理单元45计算质心位置、重心位置或三维能量分布的中心点。如果求得的位置不位于三维能量分布的中心，处理单元45控制显示器47指引使用者移动生理检测装置400以使得所述位置靠近三维能量分布的中心。也即，处理单元45配置成控制显示器47显示移动生理检测装置400的方向至预定区域，例如具有较多血管的区域的指引。

上述实施例中，当生理检测装置400没有适当穿戴时，生理检测装置400通知用户改变位置或以不同松紧度穿戴。

其他实施例中，生理检测装置400先进行自我调整，而且如果无法通过自我调整满足需求，例如检测出环状式样，才如前所述的通知用户调整位置或松紧度。参照图8，其为本发明另一实施例的生理检测装置400的示意图，其同样包含光源模块、感光阵列43以及处理单元45。本实施例中，生理检测装置400同样包含显示器47。

本实施例的光源模块包含多个发光二极管，例如图8显示发光二极管411至416。光源模块以所述多个发光二极管中的不同组发光二极管朝向组织区域发出第一波长的发射光，其中所述第一波长介于500纳米与550纳米之间。例如，第一组发光二极管包含发光二极管411至413。必须说明的是，发光二极管的数目和感光阵列的尺寸并不限于图8所示。

感光阵列43用于检测来自组织区域的出射光并输出多个PPG信号，例如每个信号如图2B所示。必须说明的是，感光阵列43与多个发光二极管411至416的配置并不限于图8所示，只要当点量不同组的发光二极管时，感光阵列43能够检测来自不同方向的出射光即可。

处理单元45用于将所述多个PPG信号转换为三维能量分布、在点亮第一组发光二极管时获得的三维能量分布中辨识环状式样、并当在所述三维能量分布中无法确认环状式样时控制第二组发光二极管，例如发光二极管414至416，发光。环状式样已说明于上，故于此不再赘述。

本实施例与前一实施例不同之处在于，当在与第一组发光二极管相关的三维能量分布中无法确认环状式样时，处理单元45改变另外的发光二极管群组照明组织区域，但同样使用第一波长。除了改变不同位置的发光二极管发光，处理单元45还选择在感光阵列43获取的图像帧中改变感兴趣窗口(例如图2A的WOI)，以获取适当的三维能量分布。如果通过自我调整，例如点量不同发光二极管或改变WOI，即能够检测到环状式样，处理器45则不控制显示器47显示信息来进行手动调整。

如前所述，如果自我调整行的通，生理检测装置400可用于检测不同组织深度的浅层微循环。也即，当在与第一组发光二极管相关的三维能量分布中确认存在环状式样时，处理器45还用于控制光源模块以比第一波长还长的第二波长发光。如前所述，第二波长选择介于850纳米与900纳米之间，或介于590纳米与620纳米之间，但并不限于此。

另一实施例中，生理检测系统包含两个生理检测装置，例如称为阵列式PPG检测器，以监控人体不同部位的浅层微循环。例如参照图9，其为本发明说明再一实施例的生理检测系统500的方框图。

生理检测系统500包含第一阵列式PPG检测器501、第二阵列式PPG检测器503、处理单元505以及显示器507。必须说明的是，虽然图9中显示处理单元505配置于第一阵列式PPG检测器501及第二阵列式PPG检测器503之外，本发明并不限于此。一种非限定的实施例中，处理单元505配置于第一阵列式PPG检测器501或第二阵列式PPG检测器503内部。

第一阵列式PPG检测器501及第二阵列式PPG检测器503包含类似于图4的感光阵列43。本实施例中，第一阵列式PPG检测器501用于产生多个第一PPG信号，且第二阵列式PPG检测器503用于产生多个第二PPG信号。感光阵列产生多个PPG信号(如图2B所示)的方式已说明如上。

例如，第一阵列式PPG检测器501包含第一光源模块及第一感光阵列。所述第一光源模块用于发出第一波长的光以照明第一组织区域。所述第一感光阵列用于检测来自所述第一组织区域的出射光并产生多个第一PPG信号。第二阵列式PPG检测器503包含第二光源模块及第二感光阵列。所述第二光源模块用于发出第二波长的光以照明第二组织区域。所述第二感光阵列用于检测来自所述第二组织区域的出射光并产生多个第二PPG信号。例如，所述第一波长介于500纳米与550纳米之间。

显示器507用于显示生理检测系统的检测结果。

处理单元505使用类似上述的方法将多个第一PPG信号及多个第二PPG信号分别转换为第一三维能量分布及第二三维能量分布。本实施例中，所述第一组织区域例如位于用户的手而所述第二组织区域例如位于用户的脚，并无特定限制，只要两个阵列式PPG检测器位于不同被检测的皮肤表面即可。例如，处理单元505比较第一三维能量分布与第二三维能量分布以决定是否手部或脚部的微循换变差了，例如长时间处于相同坐姿所造成。同理，在进行比较之前，处理单元505确认第一阵列式PPG检测器501及第二阵列式PPG检测器503是否穿戴良好。也即，处理单元505辨识第一三维能量分布及第二三维能量分布中的环状式样。当第一三维能量分布与第二三维能量分布两者分别包含环状式样时，表示生理检测系统500运作正常。

在第一三维能量分布与第二三维能量分布中均确认了环状式样之后，生理检测系统500还可持续监测第一三维能量分布与第二三维能量分布随时间的变化。

一种实施例中，处理单元505分别计算第一三维能量分布的第一平均值并计算第二三维能量分布的第二平均值。处理单元505还计算第一平均值与第二平均值的比值或差值，并监控所述比值或差值的变化。当所述比值或差值改变而超过变化阈值时，表示监测中的两个身体部位的微循环状态不同，此时处理器505配置成控制显示器507显示警示信号以通知用户活动身体。

另一实施例中，处理单元505比较第一三维能量分布及第二三维能量分布与能量阈值，且计算第一三维能量分布中能量大于所述能量阈值的第一区域及第二三维能量分布中能量大于所述能量阈值的第二区域。处理单元505监测所述第一区域与所述第二区域的比值或差值的变化，并当所述比值或差值改变而超过变化阈值时控制显示器507显示警示信号。

必须说明的是，本实施例的生理检测系统可包含两个以上的生理检测装置以监测不同的身体部位，且当所求得的多个三维能量分布之间不平衡或具有明显差异时，处理单元45控制显示器47进行提示。

其他实施例中，所述皮肤浅层微循环血管变化的数据可利用非光学式方式检测，例如多普勒(Doppler)检测，只要能符合分辨率要求即可，例如感测像素尺寸优选介于5×5μm-10×10μm，感测阵列尺寸优选介于240×240-480×480，并不限于光学检测方式。也即，不论生理检测系统是否包含光源，均包含感测阵列以及处理单元。所述感测阵列用于检测皮肤真皮层的阵列式微循环数据以同时反映不同皮肤区域状态；其中，所述感测阵列包含多个像素区域。于光学式检测中，所述多个像素区域则为感光像素；于其他检测方式中，所述多个像素区域为相对应感测像素。所述处理单元则用于根据所述阵列式微循环数据随时间的变化判断不同微循环状态；其中，所述变化例如包含所述微循环数据的变化量的变化以及平均值的变化。

本发明说明可适用于经皮药物释放系统监测。经皮药物释放系统(transdermaldrug delivery system)是指药物在经皮肤给药后，以一定的速率通过皮肤，经过微循环血管吸收后，进入人体循环而产生药效的一种投药机制。好处是可以避免肝脏的首过反应以及肠胃道对于药物的破坏，进而可以达成减少投药次数、延长投药间的时间间隔、维持血液中有效血药浓度等效果，以提高疗效。

本发明说明可用于监测微循环血管对药物的吸收反应，当微循环血管的振幅变化升高同时心跳频率也增快时，可判定为经皮药物释放系统持续在作用当中。当微循环血管的振幅变化、心跳频率、振幅平均数值都回复过往的正常范围时，便可得知经皮药物释放系统已经作用完毕，可以进行后续的疗程，例如再次投药等等。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的投药状态，其可显示投药效果。

糖尿病患者的四肢容易发生的有动脉粥状硬化以及末梢神经病变等疾病。动脉粥状硬化会导致组织缺血与坏死，末梢神经病变会导致运动衰弱并且感觉丧失。由于微循环血管受到交感神经支配，因此监测微循环血管的变化，可以在早期警示糖尿病患者是否发生前述疾病。

本发明说明可以监测微循环血管的变化，当糖尿病患者的微循环血管显示其振幅变化与振幅平均数值随着时间降低，便可得知血管正逐渐失去功能。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的退化状态，其可显示病灶程度。

本发明说明也可在对患者施加外加刺激时，观察患者的微循环反应，例如观察患者有无末梢神经病变时，会施加外部冷热刺激，此时若微循环呈现振幅变化降低，同时心跳频率也不会升高时，便代表末梢神经不活跃，可能出现病变。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的反应状态，其可显示神经活跃度。

烧烫伤病患因为局部面积失去皮肤保护，容易出现低血容量性休克、微循环血管脆性与通透性增加等状况。由于此类状况发展快，因此如果抢救不及，可能出现多器官功能障碍综合症。利用本发明说明可以监测烧烫伤病患的末梢组织循环，藉此监测病患的病程变化，以避免更危险的状况发生。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的运作状态，其可显示病程变化。

高压氧治疗在临床上证明可有效改善放射线照射后的组织微循环，对于放射性骨坏死或者软组织坏死具有显着的疗效。患者在接受高压氧治疗时，可藉由本发明说明来监测治疗效果变化，当微循环血管的振幅变化增加，且心跳频率也增加时，代表微循环血管逐渐恢复活性，治疗逐渐发生效果。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的恢复状态，其可显示治疗效果。

休克是一种进行性的过程，当循环系统失去支持身体代谢能力，造成身体组织或者器官的血流灌注不足时，送到身体的氧气无法让各部分组织充分利用，以至于细胞代谢产生异常，引起细胞损伤或者死亡。当病患开始发生休克状态时，将引起微循环血管扩张，此时血液积蓄于微循环内，若无法有效排除，则可能导致严重的休克状况。

通过应用本发明说明，可以在对病患进行休克缓解处置时，同步观测是否发生效果。若一直显示微循环血管的振幅信号的平均数值相当高，且振幅信号的振幅变化不高，同时心跳频率持续维持在较高频率，则代表缓解处置尚未发生效果，反之亦然。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的恢复状态，其可显示缓解效果。

在运动过量的状态中典型的有热衰竭以及中暑反应。当人体处于这类状态下，皮肤血液循环会增加，此时心脏所输送出去的血液也要跟着增加。当血液不足的时候，体内的血液会重新分配，使内脏器官的血液循环减少，皮肤血液循环增加协助排汗，把体内的热散逸出去。配合在运动中使用本发明说明，可以在显示微循环血管的振幅信号的平均数值相当高，且振幅信号的振幅变化不高，同时心跳频率持续维持在较高频率时，适度提醒用户可能已经处于运动过量的状态下，而不适宜持续运动。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的血液分配状态，其可显示散热效果。

微循环具有调节组织血流量、供给细胞营养、排除代谢产物等功能，而局部血量多寡可以代表相对的温度变化，通过本发明说明，可以检测末梢组织微循环温度的相对变化，当局部组织的微循环血管振幅信号的平均数值高时，代表温度升高，反之亦然。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的温度状态，其可显示局部血量。

目前为止，仍没有有效的可以方便携带的末稍微循环血管检测产品可供自闭症患者/婴儿/宠物末梢组织交感神经检测。在微循环血管的动脉与小动脉的管壁由平滑肌构成，其受交感神经支配，其控制着微循环血管的开放与关闭，藉此来决定组织的血液供应量。通过本发明说明，可以藉由观察末稍微循环血管的变化趋势，来间接推测交感神经活性状态。当交感神经活跃时，微循环血管的变化趋势也会趋向活跃，反之亦然。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的供血状态，其可显示交感神经的活跃状态。

本发明说明也可应用在判断心脏功能或者全身性的血管缺损或硬化。将所有的浅层微血管涨缩变化信号整合为一个单一结果后，在不同频率之下会具有不同的能量。一般而言，代表能量的信号应该出现在心跳频率的倍频，同时信号能量会维持在一个正常的区间，这个区间因人而异，但针对同一个使用者，其随时间的变化性应该不会太大。因此，如果代表能量的信号出现在心跳频率的倍频以外的区间，又例如当随着时间流逝，信号的能量脱离正常的区间，则代表用户的心脏或者血管功能有异常，需要进行进一步检查。

举例而言，当代表能量的信号出现在心跳频率的倍频以外的区间，可能代表用户的心脏功能缺损，例如瓣膜缺损。当随着时间流逝，信号的能量超过正常区间甚多，可能代表使用者的血管硬化，因此心脏需要增大其输出的功率，来将血液运送到全身。换句话说，本发明说明的阵列式生理检测系统可通过三维频谱能量反映微循环的异常状态，其可显示心脏功能。

上述说明中，振幅变化指三维频谱能量的变化，而振幅平均数值指三维频谱能量的平均值；其中，三维频谱能量的分布类似于图2D。上述说明中，有效像素数目指该观测窗口WOI范围内的像素数目。本发明说明实施例中所举出的数值仅用于说明，并非用于限定本发明。

虽然本发明说明已通过前述实例披露，但是其并非用于限定本发明说明，任何本发明说明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明说明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明说明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种生理检测装置，包含：

光源模块，用于发出第一波长的光照明皮肤区域；

感光阵列，用于检测来自所述皮肤区域的出射光并输出多个PPG信号；

显示器，用于显示所述生理检测装置的检测结果；以及

处理单元，用于

将所述多个PPG信号转换为三维能量分布，

辨识所述三维能量分布中的环状式样，及

当确认所述环状式样时，控制所述显示器显示所述生理检测装置已经就绪的信息。

2.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中所述第一波长介于500纳米与550纳米之间。

3.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中当所述环状式样无法确认时，所述处理单元还用于控制所述显示器显示改变所述生理检测装置的位置或穿戴状态的信息。

4.根据权利要求1所述的生理检测装置，其中所述环状式样包含至少一环，该至少一环是由所述三维能量分布中大于能量阈值的能量值所形成。

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控制所述光源模块以大于所述第一波长的第二波长发光，以使所述感光阵列检测来自不同组织深度的出射光。

6.根据权利要求5所述的生理检测装置，其中所述第二波长介于850纳米与900纳米之间，或介于590纳米与620纳米之间。

7.根据权利要求5所述的生理检测装置，其中所述处理单元不用于根据所述第二波长的光相关的三维能量分布辨识所述环状式样。

8.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控制所述显示器显示移动所述生理检测装置的方向的信息。

9.一种生理检测系统，包含：

第一阵列式PPG检测器，用于产生多个第一PPG信号；

第二阵列式PPG检测器，用于产生多个第二PPG信号；

显示器，用于显示所述生理检测系统的检测结果；以及

处理单元，用于

将所述多个第一PPG信号及所述多个第二PPG信号分别转换为第一三维能量分布及第二三维能量分布，

比较所述第一三维能量分布及所述第二三维能量分布与能量阈值，

计算所述第一三维能量分布中能量值大于所述能量阈值的第一区域及所述第二三维能量分布中能量值大于所述能量阈值的第二区域，及

当所述第一区域与所述第二区域的差异变化大于变化阈值时，控制所述显示器显示警示信息。

10.根据权利要求9所述的生理检测系统，其中

所述第一阵列式PPG检测器包含：

第一光源模块，用于发出第一波长的光照明第一组织区域；及

第一感光阵列，用于检测来自所述第一组织区域的出射光并输出所述多个第一PPG信号；

所述第二阵列式PPG检测器包含：

第二光源模块，用于发出第二波长的光照明第二组织区域；及

第二感光阵列，用于检测来自所述第二组织区域的出射光并输出所述多个第二PPG信号。

11.根据权利要求10所述的生理检测系统，其中所述第一波长介于500纳米与550纳米之间。

12.根据权利要求11所述的生理检测系统，其中所述处理单元还用于辨识所述第一三维能量分布及所述第二三维能量分布中的环状式样。

13.根据权利要求10所述的生理检测系统，其中所述第一组织区域位于用户的手而所述第二组织区域位于所述用户的脚。

14.根据权利要求9所述的生理检测系统，其中所述处理单元内建于所述第一阵列式PPG检测器或所述第二阵列式PPG检测器中。

15.一种生理检测装置，包含：

光源模块，包含多个发光二极管，用于以所述多个发光二极管中的不同组发光二极管发出第一波长的光照明组织区域；

感光阵列，用于检测来自所述组织区域的出射光并输出多个PPG信号；以及

处理单元，用于

将所述多个PPG信号转换为三维能量分布，

在点亮第一组发光二极管时获得的所述三维能量分布中辨识环状式样，及

当所述三维能量分布中没有辨识出所述环状式样时，控制第二组发光二极管点亮。

16.根据权利要求15所述的生理检测装置，其中所述第一波长介于500纳米与550纳米之间。

17.根据权利要求15所述的生理检测装置，其中所述环状式样包含至少一环，该至少一环是由所述三维能量分布中大于能量阈值的能量值所形成。

18.根据权利要求15所述的生理检测装置，其中当在与所述第一组发光二极管相关的所述三维能量分布中辨识出所述环状式样时，所述处理单元还用于控制所述光源模块以大于所述第一波长的第二波长发光。

19.根据权利要求18所述的生理检测装置，其中所述第二波长介于850纳米与900纳米之间，或介于590纳米与620纳米之间。

20.根据权利要求15所述的生理检测装置，其中当所述三维能量分布中没有辨识出所述环状式样时，所述处理单元还改变所述感光阵列所获取的图像帧中的感兴趣窗口。