CN113558596A - 量测生理特征的方法 - Google Patents
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Abstract
一种量测生理特征的方法。该量测生理特征的方法包括至少一发光单元、一影像感测电路及一处理电路，该至少一光线包含一第一光线成份及一第二光线成份；该一处理电路用以进行一偏移校正操作，以产生生理特征量测讯号；该处理电路采用对应不同波长信道的生理特征量测讯号，产生或估测出至少一直流偏移校正量，并根据该至少一直流偏移校正量，对该至少一生理特征量测讯号进行一直流偏移校正操作；对该至少一校正后之生理特征量测讯号进行计算，以估测得到一生理特征结果；其中估计该至少一光线成份之该至少一直流偏移校正量之步骤包含：于遮蔽环境光时量测一直流偏移作为该偏移校正操作所使用之一初步直流偏移校正量。
Description
技术领域
本发明系关于一种生理特征量测机制，尤指一种量测生理特征的方法。
背景技术
一般而言，传统的光体积描记法(Photoplethysmography，PPG)感测技术采用多波长侦测心跳讯号，但极易受到动作伪影(motion artifact)、光学感测系统本身及/或外部噪声的干扰影响，该些干扰易导致PPG讯号之估测产生偏移影响，致使心跳侦测错误，即便传统技术直接取两个不同波长的PPG讯号做比值处理，可以些微减轻部分噪声的干扰，然而始终无法解决光反射所造成之直流偏移的动作伪影、光学感测系统本身及/或外部噪声的干扰。
发明内容
因此，本发明之目的之一在于提供一种量测生理特征的方法，以解决先前技术所遇到的问题。
根据本发明实施例，其揭示了一种量测生理特征的方法。该方法包含：至少一发光单元，用以发射至少一光线，该至少一光线包含对应于一第一波长之一第一光线成份及对应于一第二波长之一第二光线成份，该第一波长不同于该第二波长；一影像感测电路，可因应于该至少一光线，感测产生至少一生理特征量测讯号；一处理电路，用以对于该至少一生理特征量测讯号进行一偏移校正操作，以产生至少一校正后之生理特征量测讯号；其中该处理电路采用对应不同波长信道的生理特征量测讯号，产生或估测出至少一直流偏移校正量，并根据该至少一直流偏移校正量，对该至少一生理特征量测讯号进行一直流偏移校正操作；以及，对该至少一校正后之生理特征量测讯号进行计算，以估测得到一生理特征结果；其中，估计该至少一光线成份之该至少一直流偏移校正量之步骤包含：于遮蔽环境光时量测一直流偏移作为该偏移校正操作所使用之一初步直流偏移校正量。
可选地，其中估计该至少一光线成份之该至少一直流偏移校正量之步骤另包含：通过逐步施加多个不同直流偏移测试量至该至少一光线成份所对应之至少一颜色通道，以产生多个不同的测试结果讯号；以及从该些不同的测试结果讯号，反推估测该直流偏移校正量。
可选地，其中逐步施加多个不同直流偏移测试量之步骤包含：通过一固定步阶大小来产生该些不同直流偏移测试量，或通过动态调整一步阶大小来产生该些不同直流偏移测试量。
可选地，其中从该些不同的测试结果讯号反推估测该直流偏移校正量的步骤包含；根据每一测试结果讯号之一频谱的一最大能量值以及一比值，产生一特定临界值；以及根据该每一测试结果讯号中超过该特定临界值之频率成份的一局部极值个数，从该些不同的测试结果讯号所对应之该些不同直流偏移量中，反推估测出该直流偏移校正量；其中当一特定测试结果讯号之一局部极值个数小于一特定个数时，系选取该特定测试结果讯号所对应之一直流偏移量作为该直流偏移校正量。
根据本发明实施例，主要优点在于能够解决传统技术的问题，提高光体积描记法传感器抵抗动作伪影的能力，增加心跳侦测的准确率，可针对多波长的偏移调校，来改善心跳侦测受到动作伪影的影响，例如通过取两个不同波长的光体积描记法讯号，分别移除动作噪声的直流偏移影响，再对移除直流偏移后之两个不同波长讯号进行比值处理或动作噪声扣除技巧，可以有效改善动作伪影的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例之用以量测生理特征之电子装置100的示意图；
图2为图1之电子装置进行偏移校正之测试结果讯号的一范例的FFT频谱示意图；
图3为图1之电子装置进行偏移校正之测试结果讯号的另一范例的FFT频谱示意图；
图4为图1所示之处理电路的简要运作流程步骤图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 电子装置 | 120 | 处理电路 |
| 105 | 影像感测电路 | 1201 | 偏移量决定单元 |
| 110 | 发光单元 | 1202 | 动作噪声校正单元 |
| 115 | 光源控制器 | 1203 | 生理特征估测单元 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明的精神在于减少或避免动作伪影、光学感测系统本身及/或外部噪声对光体积描记法讯号之估测所造成的偏移影响，动作伪影主要肇因于使用者产生动作移动而造成生理特征感测的不准确，例如当使用者将一可侦测生理特征的手腕式电子装置穿戴于其手腕时，使用者轻微的打字动作已足可影响到该手腕式电子装置致使生理特征的感测不准确，光学感测系统本身所造成的偏移主要肇因于每一光学感测装置于组装时有些微差异而导致生理特征的感测不准确，此外，外部噪声的原因之一在于当光线进入皮肤反射要进入传感器时被传感器感到的外部噪声，该外部噪声亦将导致生理特征的感测不准确。以下本发明之电子装置及对应的方法能够减少或避免动作伪影、光学感测系统本身及/或外部噪声对光体积描记法讯号之估测所造成的偏移影响，尤其是减少或避免对光体积描记法讯号之估测所造成的直流偏移影响，通过估计并校正至少一光体积描记法讯号的偏移，令后续采用修正后之光体积描记法讯号来估测生理特征(例如心跳频率等)时可获得更精确的生理特征感测结果，不受到动作伪影、光学感测系统本身及/或外部噪声的干扰。以下详述本发明的实施方式。
请参照图1，所绘示为本发明一实施例用以量测生理特征之电子装置100 的示意图。电子装置100包含一影像感测电路105(例如一影像传感器数组)、至少一发光单元110、一光源控制器115及一处理电路120，实作上可以是一可携式电子装置或一穿戴式装置(例如智能手表或手环等)，处理电路120 包含偏移量决定单元1201、动作噪声校正单元1202及生理特征估测单元 1203。
光源控制器115例如一发光二极管控制器，用以控制该至少一发光单元 110，该至少一发光单元110例如发光二极管，用以发射至少一光线至电子装置100之用户人体皮肤表面，令使用者人体血液的红血球成份吸收所发射之光线，因不同光线之吸收率不同而反射成像于该影像感测电路105，以得到不同光线的光体积描记法(Photoplethysmography，PPG)讯号，据此估测计算用户的生理特征结果(例如心跳频率等)。实作上，该至少一发光单元110 例如包含一白光发光二极管单元或包含对应多个不同光线波长的发光二极管单元(例如红光及绿光发光二极管单元，此非本案的限制)，该白光发光二极管单元所发射之光线包含具有多个不同光线波长的光线成份，而该多个不同波长的发光二极管单元用以分别在不同时间点独立发射各自具有不同光线波长的光线成份至人体皮肤表面；上述该至少一发光单元110的可能实施方式均落入本案的范畴。
影像感测电路105用以感测具有不同光线波长的光线成份而产生不同的光体积描记法讯号，实作上，如果该发光单元110实作上仅包含白光发光二极管单元，则对应地影像感测电路105会采用一彩色滤波器数组(Color Filter Array，CFA)1051，该彩色滤波器数组1051包括有对应于不同的光线波长的多个颜色通道(color channel)，分别滤出具有不同光线波长的光线成份，例如分别滤出红光波长、绿光波长、蓝光波长的光线成份，影像感测电路105 再根据红光波长、绿光波长、蓝光波长的光线成份，分别成像产生不同的光体积描记法讯号。另外，如果该发光单元110实作上包含有对应不同光线波长(例如第一波长的红光及第二波长的绿光)的多个发光二极管单元，则对应地影像感测电路105无需采用彩色滤波器数组，影像感测电路105可在第一时间点根据红光发光二极管所产生之光线在被使用者人体血液吸收后成像的结果讯号来产生红光波长的光体积描记法讯号，以及在第二时间点根据绿光发光二极管所产生之光线在被使用者人体血液吸收后成像的结果讯号来产生绿光波长的光体积描记法讯号，这样即可根据不同波长的光线成份来分别产生不同的光体积描记法讯号；因此，因应于该发光单元110的设计不同，彩色滤波器数组1051是可选的(optional)，非本发明的限制。
上述量测到的光体积描记法讯号可用以估测生理特征，即为本发明所述的生理特征量测讯号。应注意，上述每一光体积描记法讯号可能发生偏移或没有偏移，因此在产生上述的生理特征量测讯号后，为了减少或避免动作伪影、光学感测系统本身及/或外部噪声对光体积描记法讯号之估测所造成的偏移影响，处理电路120接收上述至少一生理特征量测讯号并校正上述至少一生理特征量测讯号的偏移，产生校正后的生理特征量测讯号，再根据校正后的生理特征量测讯号来估算一生理特征结果(例如用户的心跳频率)。以下详述处理电路120的运作。
实作上，处理电路120包含偏移量决定单元1201、动作噪声校正单元1202 及生理特征估测单元1203，对于一生理特征量测讯号(亦即PPG讯号)而言，偏移量决定单元1201用以产生或估测该PPG讯号的一偏移校正量，动作噪声校正单元1202用以根据该偏移校正量来校正该PPG讯号的偏移，产生校正后的PPG讯号，之后生理特征估测单元1203根据该校正后的PPG讯号来估算例如用户心跳频率。上述操作可采用软件、硬件或软硬件的组合来实现，亦即上述处理电路120及其单元1201至1203可采用软件或硬件或软硬件的组合来实现，以软件实现来说，单元1201至1203为包含于一特定程序代码的软件单元，处理电路120例如为一处理器并用以执行该特定程序代码来进行上述的偏移校正操作及生理特征估算操作。以硬件实现的话，则上述单元可采用不同的电路组件来实现之；以上软/硬件组合的实现均属本发明的范畴。
偏移量决定单元1201产生或估测一PPG讯号之一偏移校正量的运作如下。处理电路120接收例如三个PPG讯号，例如分别对应于红光波长通道、绿光波长通道及蓝光波长信道(RGB信道，亦即不同光线成份)的PPG讯号，本实施例，为了准确估算直流偏移量，处理电路120可采用分别对应于两不同波长信道的两PPG讯号(例如是红光波长与绿光波长的PPG讯号，或是蓝光波长与绿光波长的PPG讯号)，进行生理特征估算操作，因此仅需要对两 PPG讯号进行偏移校正操作，并不需要对所有的PPG讯号进行偏移校正；然此不为本发明的限制，其他实施例也可对单一PPG讯号或是所有的PPG讯号进行偏移校正。
举例来说，对于校正制程变异或个别像素之增益值所导致之直流偏移量，处理电路120通过先撷取全黑的背景影像，此时个别像素所对应产生之感测值可视为是该直流偏移量，亦即，处理电路120控制电子装置100等效处于遮蔽环境光的环境，接着于遮蔽环境光时量测一PPG讯号，估算全黑环境下该PPG讯号之直流偏移量，作为校正该直流偏移的偏移校正量，据此校正制程变异或个别像素之增益值所导致之直流偏移量。
而对于校正动作伪影的直流偏移，系于不遮蔽环境光例如施加特定频率的动作伪影时进行，电子装置100例如置放于使用者的皮肤上并施加了特定频率或干扰的动作伪影，偏移量决定单元1201可通过逐步施加或调整多个不同直流偏移测试量至红光波长所对应的一颜色通道，产生对应于红光波长的多个不同的PPG测试结果讯号，从该些不同的PPG测试结果讯号，反推估测出红光波长之PPG讯号的一直流偏移校正量，动作噪声校正单元1202可使用该直流偏移校正量来对红光波长的PPG讯号执行一偏移校正，相似地，偏移量决定单元1201可通过逐步施加或调整多个不同直流偏移测试量至绿光波长所对应的一颜色通道，产生对应于绿光波长的多个不同PPG测试结果讯号，从该些不同的PPG测试结果讯号，反推估测出绿光波长之PPG讯号的一直流偏移校正量，并使用该直流偏移校正量来对绿光波长的PPG讯号执行一偏移校正。
上述施加或调整不同直流偏移测试量时，可通过一固定步阶大小(step size)来产生该些不同直流偏移测试量，或可通过动态调整一步阶大小来产生该些不同直流偏移测试量。其中，以固定步阶大小为例，其调整范围例如可选定从光学感测系统本身所造成之红光波长之初步直流偏移R_DC的负值的一半至该初步直流偏移之正值的一半，亦即-R_DC/2至R_DC/2，并以该调整范围的二十分之一的大小(亦即R_DC/20)作为固定步阶，进行直流偏移的测试调整。相似地，对于绿光波长及蓝光波长的测试调整，亦如同于上述操作，不再赘述。应注意，上述的范例说明仅为令读者更易明白本发明的实施方式，不为本发明的限制。
此外，亦可统计并分析一或多个颜色通道的多个测试结果讯号之傅立叶变换函数的频谱，偏移量决定单元1201可采用傅立叶变换函数(例如快速傅立叶变换FFT)将每一测试结果讯号从时间域转换至频率域的频谱，根据每一测试结果讯号之一频谱的一最大能量值以及一比值，产生一特定临界值，以及根据该每一测试结果讯号中超过该特定临界值之频率成份的一局部极值个数，从多个不同的测试结果讯号所对应之多个不同直流偏移量中，反推估测出一特定光线波长之PPG讯号的一直流偏移校正量。当一特定测试结果讯号之一局部极值个数小于一特定个数时，偏移量决定单元1201选取该特定测试结果讯号所对应之一直流偏移量作为该直流偏移校正量。
参照图2，所绘示为图1之电子装置进行偏移校正之测试结果讯号的一范例的FFT频谱之时频分析示意图。如图2所示，X轴代表时间，Y轴代表FFT 频谱之能量强度数值(代表某频率的讯号能量强度)，水平虚线代表特定临界值TH，偏移量决定单元1201系先侦测得到该测试结果讯号之频谱的最大能量值位于A点，采用A点所对应的能量值以及一比值(例如1/4)而计算得到TH，亦即TH之数值为A点所对应的能量值除4，接着比对该测试结果讯号中超过该特定临界值TH之频率成份的一局部极值个数，可侦测到局部极值个数为2，如果该特定个数设定为4，则本次的测试结果讯号之局部极值个数为2并小于特定个数4，因此偏移量决定单元1201可选取本次使采用的该测试结果讯号所对应之直流偏移量作为该直流偏移校正量。
参照图3，所绘示为图1之电子装置进行偏移校正之测试结果讯号的另一范例的FFT频谱之时频分析示意图。如图3所示，X轴代表时间，Y轴代表 FFT频谱之能量强度数值(代表某频率的讯号能量强度)，水平虚线代表特定临界值TH，偏移量决定单元1201系先侦测得到该测试结果讯号之频谱的最大能量值位于A’点，采用A’点所对应的能量值以及一比值(例如1/4) 而计算得到TH，亦即TH之数值为A’点所对应的能量值除4，接着比对该测试结果讯号中超过该特定临界值TH之频率成份的一局部极值个数，可侦测到局部极值个数为8，如果该特定个数设定为4，则本次的测试结果讯号之局部极值个数为8并大于特定个数4，因此偏移量决定单元1201不会选取本次使采用的该测试结果讯号所对应之直流偏移量作为该直流偏移校正量。
当一测试结果讯号自时间域转换至频率域，该测试结果讯号之频谱的最大能量值之频率通常代表所估测的生理特征(即心跳频率)，在没有直流偏移干扰的理想情况，该最大能量值会数倍于其他频率成份的能量强度值，因此采用了一比值(例如1/4)来区分出该最大能量值之频率与其他能量强度的频率成份，而实际上亦采用了一特定个数的设定，判断当前的测试结果讯号所受到的直流偏移影响较大或是较小，例如图2所示之测试结果讯号，其超过该特定临界值TH之频率成份的局部极值个数为2，偏移量决定单元1201 可判定该测试结果讯号受到直流偏移的影响较小，如果没有其他测试结果讯号优于该测试结果讯号，则可选定该测试结果讯号所对应之直流偏移量作为直流偏移校正量。反之，如图3所示之测试结果讯号，其超过该特定临界值 TH之频率成份的局部极值个数为8，大于该特定个数4，偏移量决定单元1201 可判定该测试结果讯号受到直流偏移的影响较大，不选定该测试结果讯号所对应之直流偏移量作为直流偏移校正量。据此，偏移量决定单元1201可判别出不同测试结果讯号的优劣来决定最后所采用的直流偏移校正量。
应注意的是，偏移量决定单元1201进行频谱分析时，可只取正常心跳频率范围内之能量强度值进行统计分析，例如图2所示之频率f1至频率f2的范围。然此并非本案的限制。
当偏移量决定单元1201最终决定出直流偏移的校正量时，动作噪声校正单元1202则根据该校正量来调校以减少或消除所对应之一光线波长之PPG讯号的直流偏移，接着生理特征估测单元1203则根据两不同光线波长之校正后的PPG讯号来估测出心跳频率，实作上，生理特征估测单元1203可对两不同光线波长之校正后的PPG讯号个自进行色度空间转换，取两PPG讯号的对应色度值，计算两组色度讯号的一比值，再将该比值转换至频率域来判断心跳频率。例如，一实施例中，若偏移量决定单元1201分别决定出红光波长与绿光波长之颜色信道的生理特征量测讯号的两偏移校正量，则动作噪声校正单元1202采用红光波长与绿光波长之该两偏移校正量来减少或消除红光波长、绿光波长之PPG讯号的直流偏移，而生理特征估测单元1203则将校正后的红光波长、绿光波长之两PPG讯号分别进行色度空间转换，取两PPG讯号的对应色度值，计算两组色度讯号的比值，再将该比值转换至频率域来判断心跳频率。上述操作亦适用于蓝光波长与绿光波长的PPG讯号。
为了使读者易于了解本发明之操作，另将上述电子装置100的处理电路 120之运作流程步骤描述于图4，以有助于读者理解。倘若大体上可达到相同的结果，并不需要一定照图4所示之流程中的步骤顺序来进行，且图4所示之步骤不一定要连续进行，亦即其他步骤亦可插入其中：
步骤405：开始；
步骤410：令电子装置100处于遮蔽环境光的环境；
步骤415：测量全黑环境下PPG讯号之直流偏移量，作为初步偏移校正量；
步骤420A：分别逐步施加调整多个不同直流偏移测试量至两不同光线波长所对应的颜色通道，产生对应于不同光线波长的多个不同的PPG测试结果讯号；
步骤425A：从不同的PPG测试结果讯号，反推估测不同光线波长的直流偏移校正量；
步骤420B：根据每一PPG测试结果讯号之一频谱的一最大能量值以及一比值，产生一特定临界值；
步骤425B：比对该每一测试结果讯号中超过该特定临界值之频率成份的一局部极值个数，反推估测出一直流偏移校正量；
步骤430：决定两不同光线波长之最终偏移校正量，校正两不同光线波长的PPG讯号；
步骤435：对两不同光线波长之校正后的PPG讯号个自进行色度空间转换，取两PPG讯号的对应色度讯号值；以及
步骤440：计算两组色度讯号的一比值，再将该比值转换至频率域以判断用户心跳频率。
再者，实作上，上述的PPG讯号包含一矩阵值，于计算偏移校正量时，可分别通过以单一像素单元大小为单位(pixel-based)将感测像素值相加进行计算、通过以单一像素行大小为单位(column-based)将多个像素行的值进行相加来计算或是通过以整张图框大小为单位(frame-based)将整个图框的值进行相加来计算，举凡类似的实施变化均符合本发明的精神。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。
Claims (4)
1.一种量测生理特征的方法，其特征在于，包含：
至少一发光单元，用以发射至少一光线，该至少一光线包含对应于一第一波长之一第一光线成份及对应于一第二波长之一第二光线成份，该第一波长不同于该第二波长；
一影像感测电路，可因应于该至少一光线，感测产生至少一生理特征量测讯号；
一处理电路，用以对于该至少一生理特征量测讯号进行一偏移校正操作，以产生至少一校正后之生理特征量测讯号；其中该处理电路采用对应不同波长信道的生理特征量测讯号，产生或估测出至少一直流偏移校正量，并根据该至少一直流偏移校正量，对该至少一生理特征量测讯号进行一直流偏移校正操作；以及
对该至少一校正后之生理特征量测讯号进行计算，以估测得到一生理特征结果；
其中估计该至少一光线成份之该至少一直流偏移校正量之步骤包含：于遮蔽环境光时量测一直流偏移作为该偏移校正操作所使用之一初步直流偏移校正量。
2.如权利要求1所述的量测生理特征的方法，其特征在于，其中估计该至少一光线成份之该至少一直流偏移校正量之步骤另包含：
通过逐步施加多个不同直流偏移测试量至该至少一光线成份所对应之至少一颜色通道，以产生多个不同的测试结果讯号；以及
从该些不同的测试结果讯号，反推估测该直流偏移校正量。
3.如权利要求2所述的量测生理特征的方法，其特征在于，其中逐步施加多个不同直流偏移测试量之步骤包含：通过一固定步阶大小来产生该些不同直流偏移测试量，或通过动态调整一步阶大小来产生该些不同直流偏移测试量。
4.如权利要求2所述的量测生理特征的方法，其特征在于，其中从该些不同的测试结果讯号反推估测该直流偏移校正量的步骤包含；
根据每一测试结果讯号之一频谱的一最大能量值以及一比值，产生一特定临界值；以及
根据该每一测试结果讯号中超过该特定临界值之频率成份的一局部极值个数，从该些不同的测试结果讯号所对应之该些不同直流偏移量中，反推估测出该直流偏移校正量；
其中当一特定测试结果讯号之一局部极值个数小于一特定个数时，系选取该特定测试结果讯号所对应之一直流偏移量作为该直流偏移校正量。
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