CN115251868A - 心律检测装置及生理检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种心律检测装置，包含检测单元用于检测单一个多色光源照射肤下组织后的出射光，以输出多个波长相关的多个光检测信号。心律检测装置还包含处理器用以使用所述多个波长相关的所述多个光检测信号消除运动噪声，以得到干净的心律信号。

Description

心律检测装置及生理检测装置
本申请是申请号为201910292687.3、申请日为2019年4月12日、名称为“心律检测装置及其运作方法、生理检测装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明有关一种生理检测，更特别有关一种使用多波长的光来消除肌肉运动所产生的运动噪声的心律检测装置及其运作方法。
背景技术
传统上心律检测可以通过分析ECG来进行，但侦测ECG需要使用两个电极，于操作上并不方便。因此，进年来兴起利用光学方式进行心律检测，光学式心律检测器可适用于可携式及穿戴式电子装置。
已知光学式生理检测会受到检测装置与肤面之间的相对运动的影响。特别是当光学检测装置应用于穿戴式装置时，使用者喜好用于检测运动时的心律变化，因而存在检测准确度受到噪声影响而降低的情形。
一种已知的去噪方式是将光学式生理检测装置搭配加速度检测器同时运作，并使用加速度检测器检测的结果对光学式生理检测装置的检测结果进行去噪，以提高检测精确度。然而，这种去噪方式并无法消除单存肌肉动作所产生的噪声，例如使用者的手臂并未挥动而仅是手腕或手指动作。如此，加速度检测器并无法产生可用的检测结果以供去噪。
此外，目前的生理检测领域并未提及上述单纯肌肉运动所产生的噪声对检测结果的影响，也未涉及如何消除这种运动噪声(motion artifact)。
有鉴于此，有需要提供一种能消除受检测皮肤区域下方的肌肉运动所产生的运动噪声，以提高检测精度的生理检测装置。
发明内容
本发明提供一种心律检测装置及其运作方法，其针对多色光的预定强度分布及所述多色光的目前多检测信号进行向量运算，以消除所检测的光体积变化描述波形(PPG)信号中的运动噪声。
本发明还提出一种高检测效率且低耗能的生理检测装置。
本发明提供一种心律检测装置，包含至少一个光源、光检测器以及处理器。所述至少一个光源的每一者用于发出多波长光照明使用者的肤面。所述光检测器包含检测单元用于检测所述肤面的出射光并输出相对所述多波长光的不同色光相关的多个光检测信号。所述处理器用于将所述多个光检测信号与预存的所述不同色光的强度分布进行向量运算，以消除运动噪声。
本发明还提供一种生理检测装置，包含白光光源、模制结构以及像素阵列。所述白光光源发出色温2800K至3200K的白光。所述模制结构形成于所述白光光源上，用于限制所述白光的发射角介于60度至80度之间。所述像素阵列覆盖有波长570纳米至610纳米的滤光层，用于过滤所述白光。
本发明实施例中，光检测器用于检测多波长光源照明皮下组织所反射及散射的光。所述多波长光源可以是白光发光二极管或白光激光二极管。所述多波长光源还可以是由发出不同波长光的多个发光二极管晶粒或多个激光二极管晶粒所形成，且不同晶粒之间的距离优选为低于2000微米，以使发射光经过大致相同的肌纤维或肌束。所述不同晶粒例如形成于同一基板上。
本发明实施例中，优选是使用单一像素阵列相对多波长光源操作。所述单一像素阵列的像素之间的距离优选为小于2000微米，以接收来自大致相同的肌纤维或肌束的出射光。
本发明实施例中，当多波长光源为白光光源时，光检测器的像素阵列上可覆盖多色滤光层来达到检测不同色光的目的。当多波长光源为多个不同色光的晶粒所形成时，光检测器的像素阵列之上不覆盖不同色光的滤光层，通过分时点亮不同色光的晶粒，亦能达到检测不同色光的目的。
本发明实施例中，最少使用2种波长的光，且不同光波长的波长差优选为大于25纳米，以达到良好的去噪效果。然而，当仅使用两种波长的光时，波长差愈大愈好，例如优选为大于50纳米。
为了让本发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，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
图1是本发明实施例的心律检测装置的方框图；
图2A是本发明实施例的心律装置中配置光源与光检测器的示意图；
图2B是本发明另一实施例的心律装置中配置光源与光检测器的示意图；
图3A是本发明实施例的心律检测装置的运作方法的流程图；
图3B是本发明实施例的心律检测装置所检测的多个光检测信号的示意图；
图4是本发明实施例的心律检测装置所产生的向量运算后的数据的示意图；及
图5是本发明实施例的生理检测装置的白光光源及其上的模制结构的示意图。
附图标记说明
100 心律检测装置
11 多波长光源
13 光检测器
15 处理器
λ1、λ2…λM 光波长
PPG1、PPG2…PPGM 光检测信号
S 肤面
具体实施方式
本发明实施例的生理检测装置例如用于检测光体积变化描述波形(PPG)信号，并根据PPG信号计算心律并分析心律波形所反映的使用者状态。本发明的生理检测装置除了可消除装置与被测肤面之间的相对移动所产生的噪声，还能消除被测肤面下方的肌纤维或肌束的运动噪声(即使装置与被测肤面之间没有相对移动)，例如打字、活动手腕、手掌开合运动所造成。
请参照图1，其为本发明实施例的心律检测装置100的方框图。心律检测装置100包含至少一个多波长光源11、光检测器13以及处理器15；其中，光检测器13及处理器15例如形成于相同检测芯片中，但并不以此为限。一种非限定的实施方式中，多波长光源11、光检测器13及处理器15形成于同一封装结构中，并内建于穿戴式或可携式电子装置，例如手表、手机等。
多波长光源11例如包含发光二极管或激光二极管等。光检测器13例如包含CCD图像传感器或CMOS图像传感器等。处理器15例如包含数字处理器(DSP)、微控制器(MCU)、图形处理器(GPU)、中央处理器(CPU)或特定应用集成电路(ASIC)等。
所述至少一个多波长光源11的每一者用于发出多波长光(例如图1显示波长λ1、λ2…λM)照明使用者的肤面S；其中，该肤面S是根据心律检测装置100的配置位置而定，例如位于前臂、上臂等，并无特定限制。所述多波长光的波长范围视所需使用的波长个数而定，例如，计算心律时所需的不同色光相关的检测信号(举例说明于后)的数目越多，则使用较广的波长范围。如图1所示，虽然不同色光的穿透深度不同，但仍然会行经部分相同的组织区域。例如，所述不同色光的波长间距优选为至少25纳米，以使得检测信号之间具有足够差异。
所述光检测器13包含检测单元(例如图2A显示的单一像素阵列131)用于输出相对所述多波长的不同色光相关的多个光检测信号；其中，所述光检测信号称作PPG信号，例如图1显示光检测信号PPG1、PPG2…PPGM。由于身体组织对不同色光的吸收率不同，不同的光检测信号具有不同强度，例如参照图3B所示。
请同时参照图2A及图2B，其为本发明实施例的心律检测装置中，配置光源与光检测器的示意图。
一种非限定的实施例中，所述多波长光源11为白光光源。所述单一像素阵列131包含多个像素区域，例如图2A显示像素区域Aλ1至AλM。该多个像素区域Aλ1至AλM是通过于其上分别形成不同色光滤光层(相对λ1至λM)，以使所述单一像素阵列131的所述多个像素区域Aλ1至AλM输出所述不同色光相关的多个光检测信号(例如图1的PPG1、PPG2…PPGM)。例如，像素区域Aλ1输出PPG1、像素区域Aλ2输出PPG2、依此类推。
每个像素区域Aλ1至AλM包含一个或多个像素。一种非限定的实施方式中，每个像素区域具有大致相同的区域面积并进而具有相同的像素数目，但并不以此为限。当一个像素区域包含多个像素时，可以硬件电路或软件码将所述多个像素的光检测信号相加以输出光检测信号总和分别作为图1的光检测信号PPG1、PPG2…PPGM。
必须说明的是，虽然图2A显示基板10上配置4个白光光源111-114，但其是为了增加光检测器13能够检测到肌肉的运动噪声的机率。本发明的心律检测装置100是为了消除被检测肤面下方肌肉的微小运动的噪声，且发生运动的肌肉束是根据使用者的动作，例如手指移动等所决定。某些状况下，配置于光检测器13的像素阵列131第一方向的两相对侧的多波长光源111及113的发射光可使得像素阵列131检测到运动噪声而配置于光检测器13的像素阵列131第二方向的两相对侧的多波长光源112及114的发射光无法使得像素阵列131检测到运动噪声，或者相反，或者所有白光光源111至114的发射光皆可使得像素阵列131检测到运动噪声。
更详言之，只要一个白光光源的发射光所经过的组织发生活动，即可使得像素阵列131检测到运动噪声，因此使用一个白光光源即可，并不限定一定要配置多个多波长光源。也可选择配置多个白光光源环绕于像素阵列131的周围以提高检测机率。此外，由于相同肌纤维(muscle fibers)或肌束(muscle bundle)的组织范围很小，因此所述像素区域Aλ1至AλM的两两区域间距Dr优选小于2000微米，例如1500、1200、1000、800或600微米，以有效消除运动噪声。例如，当不同像素区域Aλ1至AλM是检测到不同肌纤维或肌束的出射光时，则会降低去噪的功效。因此，所述区域间距Dr并非仅是单纯的数值选择，而是存在其物理意义。
另一种非限定的实施例中，所述光检测器13的像素阵列131'并不区分为用以检测不同色光的多个像素区域，如图2B所示。不同色光相关的多个光检测信号是由多波长光源分时发出不同色光而检测。例如，所述多波长光源11可包含单一晶粒，通过控制其驱动参数(例如驱动电压或电流)或控制覆盖于所述单一晶粒上的可变彩色滤光件以改变其发出的光波长。或者，所述多波长光源11包含多个发光晶粒(例如图2B显示为Lλ1至LλM)用于发出所述多波长光。
如前所述，为了检测大致相同的肌纤维或肌束的出射光，每个多波长光源11中的多个发光晶粒Lλ1至LλM的晶粒间距dL优选小于2000微米，例如多个发光晶粒封装于相同模制(molding)内并位于相同基底层上，以使得多个发光晶粒的发射光穿过大致相同的肌纤维或肌束，方能有效消除微小运动噪声。同理，所述晶粒间距dL并非仅是单纯的数值选择，而是存在其物理意义。同样的，图2B中多个发光晶粒可仅设置于像素阵列131'的单一方向的单一侧、两侧或环绕于像素阵列131'的周围。
处理器15用于将多个目前光检测信号(工作模式下获得)与预存的所述不同色光的强度分布或比例(注册模式下获得)进行向量运算以消除运动噪声；其中，预存的所述不同色光的强度分布或比例是使用者静止(使被测皮肤下方的肌肉不动作)时，使用单一像素阵列131或131'检测所述不同色光相关的多个光检测信号PPG1、PPG2…PPGM的多个强度所获取并储存的。亦即，心律检测装置100还具有存储(包含挥发性和/或非挥发性存储)用于储存所述强度分布或比例以及运作时所需的算法及参数。
请参照图3A及3B所示，图3A为本发明实施例的心律检测装置的运作方法的流程图，其例如适用于图1-3的心律检测装置100；图3B是本发明实施例的心律检测装置所检测的多个光检测信号PPG1、PPG2…PPGM(对应波长λ1至λM)的示意图。本实施例的运作方法包含下列步骤：进入注册模式(步骤S31)；在所述注册模式下建立注册数据(步骤S32)；进入工作模式(步骤S33)；在所述工作模式下，将取样数据与所述注册数据进行向量运算(步骤S34)；以及根据所述向量运算后的数据计算心律(步骤S35)。
如前所述，所述注册模式例如是指使用者静止时的检测模式，例如图3B的静止期间内。例如，当使用者执行APP或按压心律检测装置100上的按键时，心律检测装置100即进入注册模式。此时，使用者配戴心律检测装置100的身体部位优选为完全静止，以记录不同色光相关的注册数据，其代表不存在运动噪声下，不同色光相关的光检测信号的强度分布或比例。
本实施例的运作方法中，所述工作模式是指使用者在日常生活中配戴所述心律检测装置100量测心律的模式，例如图3B的活动期间内。工作模式同样可为使用者执行APP或按压按键后进入。若将在工作模式中检测而得的存在运动噪声下的不同色光相关的光检测信号投影回到预存的强度分布或比例，即能消除运动噪声。
请同时参照图1及图3A-3B，图3A的细节以下使用一个例子来说明。处理器例如包含归一化单元、滤波单元以及强度运算单元。
步骤S31-S32：注册模式中，处理器15控制多波长光源11照明使用者的第一肤面。此时，光检测器13的像素阵列131或131'检测所述第一肤面的出射光以产生不同色光相关的多个第一光检测信号，例如图3B所示的PPG1、PPG2…PPGM；其中，光检测器13可以固定或可调取样频率获取不同色光相关的多段取样数据(举例说明于后)。处理器15则利用不同色光相关的多段取样数据计算并储存注册数据，其反映不同色光的强度分布或比例。
例如，处理器15持续接收来自光检测器13的不同色光相关的多个第一光检测信号PPG1、PPG2…PPGM。本发明说明中，光检测器13检测的多个光检测信号中的每个光检测信号例如称为一个频道，且每个频道相关于多个不同色光的其中一个色光。处理器15在每个取样期间对所述多个第一光检测信号PPG1、PPG2…PPGM的每个频道取样不同时间点的预定数目(例如此处为L个)的取样点以作为一段取样数据。可以了解的是，此处的每个频道涵盖的光波长范围并不是单一波长，而是预定光波长范围，例如半高宽(FWHM)范围内的多个波长。
例如，处理器15在一个取样期间获取的M个频道的L个取样点可以M×L的矩阵表示以作为一段取样数据。随着时间的经过，处理器15在每个取样期间都获取一个M×L的矩阵，而在注册时间内对所述不同色光相关的多个第一光检测信号PPG1、PPG2…PPGM的每一频道取样多段取样数据(即注册时间包含多个取样期间)，而得到多个M×L的取样矩阵。
接着，处理器15的归一化单元对所述多个第一光检测信号的所述多段取样数据(即多个M×L的取样矩阵)的每段取样数据(即每个M×L的取样矩阵)进行归一化。例如，归一化的方式是将每个取样值的直流成分消除。
归一化后，处理器15可选择对归一化后的每段取样数据进行滤波。例如，处理器15的滤波单元使用0.5赫兹至3.5赫兹的带通数字滤波器对归一化后的每段取样值进行滤波。
接着，处理器15的强度计算单元计算所述每一频道在注册时间(为预定时间，例如30秒，但不限于此)内的所述多段取样数据(例如每秒取样20段取样数据，30秒则取样600段，但不限于此)的标准偏差的平均。首先，处理器15先计算所述注册时间中每段取样数据的标准偏差。接着，处理器15再计算每一频道的多段取样数据的多个标准偏差的平均。
处理器15最后可得到每个频道(例如此处为PPG1至PPG8)的平均值的强度分布以作为所述不同色光相关的所述注册数据。
处理器例如还包含运作于工作模式的向量运算单元。
步骤S33-S34：工作模式中，处理器15控制多波长光源11照明使用者的第二肤面；其中，所述第二肤面可相同或不同于注册模式的第一肤面。此时，光检测器13的像素阵列131或131'检测所述第二肤面的出射光以产生不同色光相关的多个第二光检测信号，例如图3B所示的PPG1、PPG2…PPGM。必须说明的是，光检测器13的像素阵列131或131'获取多个第一光检测信号与获取多个第二光检测信号的方式相同，仅是于不同模式(或称不同阶段或不同时间)获取而已。
处理器15同样在每个取样期间对所述多个第二光检测信号PPG1、PPG2…PPGM的每个频道取样不同时间点的预定数目(例如此处为L个)的取样点以作为一段取样数据。例如，处理器15同样可于每个取样期间获取一个M×L的取样矩阵；其中，处理器15获取M×L的取样矩阵的方式已说明于前，故于此不再赘述。
处理器15的归一化单元接着对所述多个第二光检测信号PPG1、PPG2…PPGM的每段取样数据(即每个M×L的取样矩阵)进行归一化，处理器15的滤波单元对归一化后的每段取样数据进行滤波；其中，归一化及滤波的方式已说明如上，故于此不再赘述。必须说明的是，本发明的滤波单元是为了增加计算精确度而配置，滤波单元并非一定要实施。
接着，处理器15的向量运算单元将所述多个第二光检测信号的每段取样数据(例如RM×L)与所述注册数据进行向量运算，以消除运动噪声。例如，P表示向量运算后的数据。处理器15可在工作模式下，每经过一个取样期间，均输出一组心律数据P，例如图4的P1、P2、P3…，其已经消除了运动噪声。图4显示处理器15在连续时间(以n＝0,1,2…表示)输出多个向量运算后的数据P。每个数据组P数据数目与处理器15在每个取样期间的取样数目L相同。
本发明中，处理器15在注册模式取样多段取样数据(即多个M×L的矩阵)以建立注册数据，但在工作模式每个取样周期取样一段取样数据(即一个M×L的矩阵)以与所述注册数据进行向量运算。
可以了解的是，多个第一光检测信号与多个第二光检测信号的频道数目M相同，以利进行向量运算。一种非限定的实施方式中，注册模式中，处理器15可以使用较多频道数(例如，但不限于，相对于8种色光430纳米、460纳米、490纳米、515纳米、560纳米、615纳米、660纳米及695纳米的8个频道)建立注册数据，而在工作模式中使用较少频道数(例如，但不限于，相对于3种色光430纳米、560纳米及695纳米的3个频道)。处理器15从存储17读取注册数据时仅读取所需的数据即可。例如，工作模式中，当其中一组频道的结果不正确时(例如噪声仍然太高)，可以改变使用另一组频道，可增加、减少或维持使用频道的数目。其他实施例中，可以根据多个频道中，PPG信号的交流与直流成分的比值(称为PI值)来选择使用频道，其中，PI值越高表示组织对发射光的反应越佳。例如，使用PI值最高的频道搭配PI值最低的频道来进行去噪运算。
最后，工作模式中，处理器15使用所述向量运算后的数据P在时域或频率计算心律。例如，处理器15根据运算后的数据P中两个相邻峰值或其他对应转折点之间的时间差计算心律，或将运算后的数据P转换至频域后再据以计算心律。
一种非限定的实施例中，由于光检测器13的取样频率(或帧率)高于心律，为了增加信号强度，处理器15还可先将预定数目或预定时间内的向量运算后的数据P进行迭加运算后(例如P1+P2+P3+…，每段相加)，再以迭加运算后的数据和来计算心律。
必须说明的是，虽然上述运作方法中是将处理器15的运作分为多个功能方块为例说明，但各功能方块所执行的动作都可以考虑是处理器15以软件码和/或硬件码所执行的。
如前所述，注册数据是没有运动噪声下(例如图3B的静止期间内)，各色光相关的光检测信号的强度分布或比例。在实际使用且使用者在动作时(例如图3B的活动期间内)，第二光检测信号的取样矩阵RM×L中的数据强度受到噪声影响而偏离预存的强度分布或比例。本发明的向量运算是使取样矩阵RM×L的不同色光相关的强度投影至预存的强度分布或比例以消除运动噪声。
一种非限定的实施例中，本发明的心律检测装置还可包含显示器(未绘示)用以显示心律的数值和/或波形图。
必须说明的是，上述图3A的运作方法仅为适用于本发明实施例的心律检测装置100的一种实施方式，但并非用以限定本发明。心律检测装置100还可使用其他算法来消除噪声，只要光检测器13是检测大致相同的肌纤维或肌束的出射光即可，例如将不同色光相关的多个光检测信号进行相减运算，以消除运动噪声。
可以了解的是，上述各实施例中的数值，例如光波长、光源数目、取样数目、频道数目等仅为例示，并非用以限定本发明。
由于本领域技术人员已知白光光源效率不佳，因此生理检测系统不选用白光光源。同时，根据发光材料特性，发出570纳米至620纳米黄色的发光二极管难以实现高发光效率(即耗能较高)。因此，虽然在570纳米至620纳米的范围内，PPG信号的反应(即前述PI值)优于绿光，但由于绿光光源的发光效率较佳，因此牺牲PI值而选用发光效率较佳的绿光光源，以避免使用黄光光源而消耗太多电能。本发明为了同时提高PI值并节省耗能(即高发光效率)，一种实施例中，光源选用色温为介于2800K至3200K的白光光源，同时在光检测器的像素阵列上形成570纳米至620纳米的滤光层，用于过滤所述白光光源发出的白光，可同时达成高PI值及低耗能的目的。例如，在达到相同PI值的前提下，使用色温为介于2800K至3200K的白光发光二极管的发光效率约为使用绿光发光二极管或黄光发光二极管的3倍，具有明显的提升。
此外，目前白光发光二极管的使用目的是用于空间照明而需要宽广发光角度，故其上未形成有光学结构以限制其发光角度。请参照图5所示，为了进一步优化检测效率，本发明在白光发光二极管上另形成塑料或玻璃的模制(molding)结构71覆盖基底层75上的晶粒73，以限制白光发光二极管的发光角θ介于60至80度之间，以进而提高系统效率。
综上所述，已知的生理检测装置仅能消除较为激烈运动时所造成的噪声，并无法消除微小肌肉运动(例如无法以加速度计检测出的运动)所产生的运动噪声。因此，本发明另提供一种心律检测装置(图1、2A-2B)及其运作方法(图3A)，其使用单一像素阵列检测多波长光源照明肤面下组织的反射及散射光，以产生不同波长光相关的多个光检测信号，并以肌肉运动对各波长光的光检测信号具有相同干扰为基础，使用不同波长的光检测信号互相消去运动噪声，例如进行相减或向量投影运算，以得到干净的心律波形。干净的心律波形可用以获得较准确的心律。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，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视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种心律检测装置，该心律检测装置包含：
至少一个光源，该至少一个光源的每一者用于发出多波长光照明使用者的肤面；
光检测器，该光检测器包含检测单元，该检测单元用于检测所述肤面的出射光并输出相对所述多波长光的不同色光相关的多个光检测信号；以及
处理器，该处理器用于将所述多个光检测信号与预存的所述不同色光的强度分布进行向量运算，以消除运动噪声。
2.根据权利要求1所述的心律检测装置，其中
所述至少一个光源的每一者为白光光源，且
所述检测单元是包含多个像素区域的单一像素阵列，所述多个像素区域的每一者上分别形成有所述不同色光其中之一的滤光层，以使所述单一像素阵列的所述多个像素区域输出所述不同色光相关的所述多个光检测信号。
3.根据权利要求2所述的心律检测装置，其中所述多个像素区域的区域间距小于2000微米。
4.根据权利要求1所述的心律检测装置，其中所述不同色光的波长间距至少25纳米。
5.根据权利要求1所述的心律检测装置，其中
所述光源包含多个晶粒用于发出所述多波长光，且
所述多个晶粒的晶粒间距小于2000微米。
6.根据权利要求1所述的心律检测装置，其中所述预存的所述不同色光的强度分布是当所述使用者静止时，使用所述检测单元所获取并储存的所述不同色光相关的所述多个光检测信号的多个强度。
7.根据权利要求1所述的心律检测装置，其中所述多个光检测信号的频道数目与所述预存的所述不同色光的强度分布的频道数目相同。
8.根据权利要求1所述的心律检测装置，包含两个多波长光源设置于所述光检测器的第一方向的两相对侧。
9.根据权利要求1所述的心律检测装置，包含四个多波长光源，其中
两个多波长光源设置于所述光检测器的第一方向的两相对侧，且
剩余的两个多波长光源设置于所述光检测器的第二方向的两相对侧。
10.一种生理检测装置，该生理检测装置包含：
白光光源，该白光光源发出色温2800K至3200K的白光；
模制结构，该模制结构形成于所述白光光源上，用于限制所述白光的发射角介于60度至80度之间；以及
像素阵列，该像素阵列覆盖有波长570纳米至610纳米的滤光层，用于过滤所述白光。
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