CN114812761B - 基于光学信号的外力测量系统及其测量方法 - Google Patents

基于光学信号的外力测量系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光学信号的外力测量系统及外力测量方法，其中外力测量系统包括壳体、光体积变化描记图电路以及转换电路。壳体的第一侧接受外力且壳体的第二侧接触皮肤。光体积变化描记图电路以及转换电路设于壳体内。光体积变化描记图电路发射光线至皮肤且收集来自皮肤的反射光。光体积变化描记图电路将反射光的照度转换为光体积变化描记图信号的直流信号值。转换电路将直流信号值转换为外力测量值。

Description

基于光学信号的外力测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量系统及其测量方法，特别是涉及一种应用光学信号的外力测量系统及其测量方法。
背景技术
由于高龄化社会的来临，越来越多人注重自己的健康状况，希望能有方便携带的装置可随时监控自己的健康状况。光体积变化描记图法(Photoplethysmography，简称PPG)广泛地使用在测量心跳且应用于携带型装置，例如手表。关于光体积变化描记图法(Photoplethysmography，简称PPG)测量心跳的原理，简单来说，就是通过光学信号去检测活体组织中的血液容积变化，再根据血液容积变化推算出使用者的心跳次数。
一些消费者为了知道每日摄取的营养素以及卡路里是否足够或是超量，会利用电子秤去测量食物的重量，再根据测量到的重量去推算食物所涵盖的营养素含量以及卡路里。然而，电子秤的重量让消费者无法随时地携带。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种基于光学信号的外力测量系统，其特征在于，包括：一壳体、一光体积变化描记图电路以及一转换电路。壳体的第一侧用于接受外力且壳体的第二侧用于接触皮肤。光体积变化描记图电路以及转换电路设于壳体内。光体积变化描记图电路发射光束至皮肤且收集来自皮肤的反射光。光体积变化描记图电路将反射光的照度转换为光体积变化描记图信号的直流信号值。转换电路电性连接于光体积变化描记图电路且将直流信号值转换为外力测量值。
优选地，该壳体的该第二侧包含有一接触界面，该接触界面为一凸面玻璃，而该凸面玻璃接触该皮肤。
优选地，该转换电路包含一微控制电路以及一存储电路，该微控制电路电性连接于该存储电路，该存储电路存储一外力演算法，而该外力演算法包含一外力测量范围，而该外力测量值位于该外力测量范围内。
本发明还公开了一种基于光学信号的外力测量方法，通过一外力测量系统来执行，该外力测量系统包含一壳体、一光体积变化描记图电路以及一转换电路，其特征在于，该外力测量方法包括:该壳体接受一外力且该壳体的一接触界面接触于一皮肤；该光体积变化描记图电路发射一光线至该皮肤；该光体积变化描记图电路接受来自该皮肤的一反射光；该光体积变化描记图电路将该反射光的一照度转换为一光体积变化描记图信号的一直流信号值；以及该转换电路根据多个外力演算法之一将该直流信号值转换为一外力测量值。
优选地，该外力测量方法更包括在将该反射光的该照度转换为该直流信号值之后以及将直流信号值转换为该外力测量值之前，提供多个不同大小的测试外力于该壳体；取得分别对应于所述测试外力的多个测试光体积变化描记图信号；对所述测试外力及所述测试光体积变化描记图信号进行一线性回归分析以产生一测试曲线；以及从所述外力演算法之中找出与该测试曲线的一变化趋势相符者。
优选地，该壳体以及该外力使该皮肤的一表面形成一凹陷深度，而该直流信号值正比于该凹陷深度。
优选地，所述外力演算法分别包含不同的外力测量范围。
优选地，该外力测量方法更包括判断所述外力演算法之一所对应的该外力测量范围是否符合一预期测量范围，当该外力测量范围不符合该预期测量范围时，提供多笔不同的校正外力于该壳体；取得分别对应于所述校正外力的多个校正光体积变化描记图信号；以及根据所述校正外力以及所述校正光体积变化描记图信号去校正该外力演算法。
优选地，当该外力测量范围符合该预期测量范围时，依序提供多笔不同的训练外力于该壳体；取得分别对应于所述训练外力的多笔训练光体积变化描记图信号；对所述训练外力及所述训练光体积变化描记图信号进行一线性回归分析以建立一个新的外力演算法。
优选地，该外力测量方法更包括判断所述外力演算法之一所对应的该外力测量范围是否符合一预期测量范围，当该外力测量范围不符合该预期测量范围时，校正该接触界面的一曲率半径。
本发明的其中一有益效果在于，根据本发明所提供的外力测量系统及其测量方法，无须任何电子秤，直接经由测量到的皮肤的光体积变化描记图信号，便可准确的计算出壳体上所承受的外力。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明的基于光学信号的外力测量系统应用于一电子装置的一实施例的示意图。
图2为图1的外力测量系统的功能方框图。
图3为图2的外力测量系统的测量方法的第一实施例的流程图。
图4为图2的外力测量系统的测量方法的第二实施例的流程图。
图5为校正外力测量系统所存储的外力演算法以及建立新的外力演算法于外力测量系统的一实施例的流程图。
图6为校正外力测量系统所存储的外力演算法以及建立新的外力演算法于外力测量系统的另一实施例的流程图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所提供有关“基于光学信号的外力测量系统及其测量方法”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所提供的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所提供的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
图1为本发明的基于光学信号的外力测量系统应用于一电子装置的一实施例的示意图，而图2为图1的外力测量系统的功能方框图。共同参阅图1及图2，外力测量系统A可应用于各种穿戴装置或移动通讯装置，其中穿戴装置例如为智能手环或智能手表，而移动通讯装置例如为智能手机。关于图1的实施例，外力测量系统A应用于穿戴装置。
共同参阅图1及图2，外力测量系统A包含有一壳体1，壳体1远离使用者的皮肤的一侧包含有一承载面101，而承载面101用于接受一外力。关于前述的外力可以包含多种态样，举例来说，外力可为使用者自己施予承载面101的压力，或者外力可为放置于承载面101的物体的重量，后续提及的外力均以放置于承载面101上的食物的重量为例。
壳体1靠近使用者的皮肤的另一侧包含有一接触界面103，而接触界面103为具有一曲率半径的凸面玻璃。
图2为图1的外力测量系统A的功能方框图。共同参阅图1及图2，外力测量系统A更包含一光体积变化描记图(Photoplethysmography，简称PPG)电路2以及一转换电路3，而光体积变化描记图电路2以及转换电路3设于壳体1内。光体积变化描记图电路2包含一驱动电路201、一发光元件203、一光侦测器205以及一光信号处理电路207。驱动电路201电性连接于发光元件203且用于致能或禁能发光元件203，而发光元件203例如为发光二极管。
上述的发光元件203以及光侦测器205的数量仅为示范例，发光元件203以及光侦测器205亦可为多个。
发光元件203朝向使用者的皮肤，当发光元件203被驱动电路201致能时，发光元件203朝向皮肤发射光线。发光元件203发射的光线穿透皮肤并进入皮肤组织及皮肤内的血管。皮肤的血管吸收光线的部分光子，而其余未被吸收的光子被血管反射且射出皮肤之外而形成反射光。
光侦测器205接受来自皮肤的反射光，光信号处理电路207电性连接于光侦测器205，光信号处理电路207包含有一转阻转换器(TIA)、一可编程增益放大器(PGA)、一滤波器以及一模拟-数字转换器，光信号处理电路207读取来自皮肤的反射光的照度且将反射光的照度转换为光体积变化描记图(PPG)信号的数值，其中光体积变化描记图信号的数值包含有直流信号值以及交流信号值。
转换电路3包含有一微控制电路301以及一存储电路303，微控制电路301电性连接于光信号处理电路207以及存储电路303，而存储电路303存储多个分别外力演算法，每一外力演算法对应不同外力测量范围。当外力为食物的重量时，外力演算法即重量演算法，而外力测量范围即为重量测量范围。
微控制电路301判断使用者体质且根据使用者体质从所述外力演算法之中择一，接着微控制电路301根据所选择的外力演算法，将光信号处理电路207所输出的光体积变化描记图信号的直流信号值转换为外力测量值。
皮肤血管的收缩和扩张都会影响光线于皮肤组织中的透射路径或反射路径。光体积变化描记图信号的直流信号值取决于在光线于皮肤组织中传递时，被皮肤组织以及血管吸收、反射和散射的状况。当外力测量系统A的壳体1与皮肤之间的贴合面积增加时，皮肤所接收的光通量增加，降低光线被接触界面103与皮肤之间的空气反射的机率，以及增加光体积变化描记图信号的直流信号值。
图3为图2的外力测量系统A的外力测量方法的第一实施例的流程图，如图3所示，在步骤S301，壳体1的接触界面103接触于使用者的皮肤，接着步骤S303。在步骤S303，放置待测物于壳体1的承载面101，其中待测物的重量即为外力，接着步骤S305。在步骤S305，光体积变化描记图电路2的发光元件203朝使用者的皮肤发射光线，接着步骤S307。在步骤S307，光体积变化描记图电路2的光侦测器205接收来自皮肤的反射光，接着步骤S309。
在步骤S309，光体积变化描记图电路2的光信号处理电路207将反射光的照度转换为光体积变化描记图信号的直流信号值，接着步骤S311。在步骤S311，转换电路3根据外力演算法将光体积变化描记图信号PPG的直流信号值转换外力测量值，其中外力演算法系根据多笔不同的外力及分别对应所述外力的多笔光体积变化描记图信号进行一线性回归分析所建立，而外力测量值即为壳体1的承载面101所承载的待测物的重量。
举例来说，表1显示了多笔皮肤的凹陷深度及其对应的光体积变化描记图信号的直流信号值、及其对应的光体积变化描记图信号的交流信号值。当凹陷深度为0.1mm时，使用者尚未施及任何外力于壳体1的承载面101。当没有任何外力施及于壳体1的承载面101时，光体积变化描记图电路2所产生的光体积变化描记图信号的直流信号值以及交流信号值分别为43.12以及1.673，而交流信号值/直流信号值的比值为0.039。
(表1)
符合上述八笔数据的演算法为：Y＝-45.043*X2+59.567*X+38.154，其中X为凹陷深度，Y为光体积变化描记图信号的直流信号值，由已知的直流信号值可推算出凹陷深度，再进一步由凹陷深度推算出壳体1的承载面101所承载的物体的重量。上述演算法为二次曲线，当X＝0.66时，Y＝57.85为最大值，因此上述演算法的凹陷深度的合理测量范围为0.1mm～0.66mm。
从第二笔数据至第八笔数据，壳体1的承载面101所承载的物体的重量逐渐增加。当皮肤的凹陷深度为0.2mm，光体积变化描记图信号的直流信号值及交流信号值分别为48.538及1.837，而交流信号值/直流信号值的比值为0.038。当皮肤的凹陷深度为0.3mm，光体积变化描记图信号的直流信号值及交流信号值分别为52.685及1.931，而交流信号值/直流信号值的比值为0.037。由此可知，当壳体1的承载面101所承载的物体的重量越重时，皮肤的凹陷深度越深。当皮肤的凹陷深度越深时，壳体1的接触界面103与皮肤之间的贴合面积越大。当接触界面103与皮肤之间的贴合面积越大时，光体积变化描记图电路2所产生的光体积变化描记图信号的直流信号值也越大。此外，当光体积变化描记图信号的直流信号值随着皮肤的凹陷深度增加时，直流信号值/交流信号值的比值的变化百分率持续低于2％，借此也证实光体积变化描记图电路2的准确性。
图4为图2的外力测量系统A的外力测量方法的第二实施例的流程图，如图4所示，在步骤S401，壳体1的接触界面103接触于使用者的皮肤，接着步骤S403。在步骤S403，放置待测物于壳体1的承载面101，接着步骤S405。在步骤S405，光体积变化描记图电路2的发光元件203朝使用者的皮肤发射光线，接着步骤S407。在步骤S407，光体积变化描记图电路2的光侦测器205接收来自皮肤的反射光，接着步骤S409。
在步骤S409，光体积变化描记图电路2的光信号处理电路207将反射光的照度转换为光体积变化描记图信号(PPG)的直流信号值，接着步骤S411。在步骤S411，提供多个不同的测试外力于壳体1的承载面101，接着步骤S413。在步骤S413，取得分别对应于所述测试外力的多个测试光体积变化描记图信号，接着步骤S415。在步骤S415，将所述测试外力及所述测试光体积变化描记图信号进行线性回归分析以产生一测试曲线。
步骤S417，微控制电路301将测试曲线与存储于存储电路303中的多个外力演算法进行比对。在步骤S419，微控制电路301判断测试曲线是否与所述外力演算法之一相符。当测试曲线与所述外力演算法之一相符时，接着步骤S421。当测试曲线未与所述外力演算法之一相符时，接着步骤S423。详言之，所述外力演算法分别对应于不同参考曲线，而每个参考曲线具有不同的变化趋势。微控制电路301将这些参考曲线依序与测试曲线进行比对，且找出与测试曲线的变化趋势最为相符的参考曲线。当测试曲线与所述外力演算法之一相符时，表示测试曲线的变化趋势近似于所述参考曲线之一的变化趋势。
在步骤S421，根据相符于测试曲线的外力演算法将光体积变化描记图信号PPG的直流信号值转换为外力测量值，其中外力测量值即为壳体1的承载面101所承载的待测物的重量。
在步骤S423，壳体1的显示界面显示提示信息。简言之，根据显示界面所显示的提示信息，提醒使用者目前的外力测量系统A尚未建立有适合使用者体质的外力演算法。
图5为校正外力测量系统A所存储的外力演算法以及建立新的外力演算法于外力测量系统的一实施例的流程图。如图5所示，在步骤S501，查询存储于外力测量系统A中的一外力演算法的外力测量范围，接着步骤S503。在步骤S503，判断外力测量范围是否相符于预期测量范围。当外力测量范围未相符于预期测量范围时，接着步骤S505。
在步骤S505，依序提供多笔不同校正外力于外力测量系统A的壳体1的承载面101，其中所述不同的校正外力位于外力测量范围之外且位于预期测量范围之内。举例来说，外力测量系统A的外力测量范围为0～7克，但是使用者所需的预期测量范围为0～10克。由于外力测量范围小于预期测量范围，必须提供超过外力测量范围的外力去校正外力测量系统A。举例来说，使用者持续增加壳体1的承载面101所承载的物体重量，而壳体1的承载面101所承载的物体重量分别为8克、9克及10克。
在步骤S503，当外力测量范围相符于预期测量范围时，接着步骤S507。在步骤S507，壳体1的接触界面103接触于其他使用者的皮肤，接着步骤S509。在步骤S509，依序提供多笔不同的训练外力于壳体1的承载面101，其中所述训练外力的数值都位于预期测量范围内，接着步骤S511。在步骤S511，取得多笔对应于所述训练外力的训练光体积变化描记图信号，其中每一训练光体积变化描记图信号包含一直流信号值。接着步骤S513。在步骤S513，对所述训练外力及所述训练光体积变化描记图信号的所述直流信号值进行线性回归分析以建立新的外力演算法于外力测量系统A。
在步骤S505之后，接着步骤S515。在步骤S515，取得多笔对应于所述校正外力的校正光体积变化描记图信号，其中每一校正光体积变化描记图信号包含一直流信号值，接着步骤S517。在步骤S517，根据所述校正外力以及所述校正光体积变化描记图信号的所述直流信号值去校正外力演算法，接着返回步骤S501。
图6为校正外力测量系统A所存储的外力演算法以及建立新的外力演算法于外力测量系统的另一实施例的流程图。如图6所示，在步骤S601，查询存储于外力测量系统A中的一外力演算法的外力测量范围，接着步骤S603。在步骤S603，判断外力测量范围是否相符于预期测量范围。当外力测量范围未相符于预期测量范围时，接着步骤S605。在步骤S605，校正壳体1的接触界面103的曲率半径，以使外力测量范围符合预期测量范围。
当外力测量范围相符于预期测量范围时，接着步骤S607。在步骤S607，壳体1的接触界面103接触于其他使用者的皮肤，接着步骤S609。在步骤S609，依序提供多笔不同的训练外力于壳体1的承载面101，其中所述训练外力的值都位于预期测量范围内，接着步骤S611。在步骤S611，取得多笔对应于所述训练外力的训练光体积变化描记图信号，其中每一训练光体积变化描记图信号包含一直流信号值。接着步骤S613。在步骤S613，对所述训练外力及所述训练光体积变化描记图信号的所述直流信号值进行线性回归分析以建立新的外力演算法于外力测量系统A。
[实施例的有益效果]：
本发明的其中一有益效果在于，通过本发明所提供的外力测量系统及其测量方法，使用者可以直接应用于穿戴装置的外力测量系统，直接经由皮肤的光体积变化描记图信号，估算出穿戴装置的壳体上所承载的外力。当穿戴装置的壳体上承载有食物时，通过皮肤的光体积变化描记图信号，可以估算出食物的重量。如此一来，使用者根据食物的重量，可进一步推算出食物的各种营养素含量以及卡路里是否充足，不需携带电子秤也可随时检测食物的营养素含量以及卡路里大小是否适合目前身体的健康状况。
以上所提供的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求内。

Claims (9)

1.一种基于光学信号的外力测量系统，其特征在于，包括：
一壳体，该壳体的一第一侧为一承载面用于接受一外力且该壳体的一第二侧为一接触界面用于接触一皮肤，该接触界面为接触该皮肤的一凸面玻璃；
一光体积变化描记图电路，设于该壳体内，该光体积变化描记图电路发射一光束至该皮肤且收集来自该皮肤的一反射光，该光体积变化描记图电路将该反射光的一照度转换为一光体积变化描记图信号的一直流信号值；以及
一转换电路，电性连接于该光体积变化描记图电路；
当提供多个不同大小的测试外力于该壳体时，该转换电路取得分别对应于所述测试外力的多个测试光体积变化描记图信号；再对所述测试外力及所述测试光体积变化描记图信号进行一线性回归分析以产生一测试曲线，以及从多个外力演算法之中找出与该测试曲线的一变化趋势相符者；
该转换电路根据相符于该测试曲线的该外力演算法将该光体积变化描记图信号的该直流信号值对应该皮肤的一表面形成的一凹陷深度转换为一外力测量值，该外力测量值为该壳体的该承载面的一待测物的重量，该壳体以及该外力使该皮肤的该表面形成该凹陷深度，而该直流信号值正比于该凹陷深度。
2.如权利要求1所述的基于光学信号的外力测量系统，其特征在于，该外力演算法根据多笔不同的训练外力及分别对应所述多笔训练外力的多笔训练光体积变化描记图信号进行一线性回归分析所建立。
3.如权利要求1所述的基于光学信号的外力测量系统，其特征在于，该转换电路包含一微控制电路以及一存储电路，该微控制电路电性连接于该存储电路，该存储电路存储该外力演算法，而该外力演算法包含一外力测量范围，而该外力测量值位于该外力测量范围内。
4.一种基于光学信号的外力测量方法，通过一外力测量系统来执行，该外力测量系统包含一壳体、一光体积变化描记图电路以及一转换电路，其特征在于，该外力测量方法包括：
该壳体的一承载面接受一外力且该壳体的一接触界面接触于一皮肤，该接触界面为接触该皮肤的一凸面玻璃；
该光体积变化描记图电路发射一光线至该皮肤；
该光体积变化描记图电路接受来自该皮肤的一反射光；
该光体积变化描记图电路将该反射光的一照度转换为一光体积变化描记图信号的一直流信号值；
当提供多个不同大小的测试外力于该壳体时，取得分别对应于所述测试外力的多个测试光体积变化描记图信号；
对所述测试外力及所述测试光体积变化描记图信号进行一线性回归分析以产生一测试曲线，以及从多个外力演算法之中找出与该测试曲线的一变化趋势相符者；以及
该转换电路根据相符于该测试曲线的该外力演算法将该光体积变化描记图信号的该直流信号值对应该皮肤的一表面形成的一凹陷深度转换为一外力测量值，该外力测量值为该壳体的该承载面的一待测物的重量，该壳体以及该外力使该皮肤的该表面形成该凹陷深度，而该直流信号值正比于该凹陷深度。
5.如权利要求4所述的基于光学信号的外力测量方法，其特征在于，该凹陷深度正比于该壳体的该承载面所承载的该待测物的重量。
6.如权利要求4所述的基于光学信号的外力测量方法，其特征在于，所述外力演算法分别包含不同的外力测量范围。
7.如权利要求6所述的基于光学信号的外力测量方法，其特征在于，更包括：判断所述外力演算法之一所对应的该外力测量范围是否符合一预期测量范围，当该外力测量范围不符合该预期测量范围时，提供多笔不同的校正外力于该壳体；取得分别对应于所述校正外力的多个校正光体积变化描记图信号；以及根据所述校正外力以及所述校正光体积变化描记图信号去校正该外力演算法。
8.如权利要求7所述的基于光学信号的外力测量方法，其特征在于，当该外力测量范围符合该预期测量范围时，依序提供多笔不同的训练外力于该壳体；取得分别对应于所述训练外力的多笔训练光体积变化描记图信号；对所述训练外力及所述训练光体积变化描记图信号进行一线性回归分析以建立一个新的外力演算法。
9.如权利要求6所述的基于光学信号的外力测量方法，其特征在于，更包括：判断所述外力演算法之一所对应的该外力测量范围是否符合一预期测量范围，当该外力测量范围不符合该预期测量范围时，校正该接触界面的一曲率半径。
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