CN115670416A - 心率血氧监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种心率血氧监测装置，该心率血氧监测装置可利用二环境光校正数字模拟转换器，可快速校正环境光产生的杂讯，对于光学测量方式，可提供较准确的心率及血氧数值。
Description
技术领域
本发明涉及一种心率血氧监测装置，特别涉及一种具环境光校正功能的心率血氧监测装置。
背景技术
智能穿戴装置能方便地测量使用者的生理数据，利于实时地监测健康状况，目前智能穿戴装置测量生理数据的方法多以非侵入式的光学感测为主，适用于测量脉搏和血氧浓度。
心脏收缩将血液打入血管后舒张，使得血管的血量会呈现规律的周期变化，称为脉搏，测量脉搏即可量得心率。一般(体循环)，心脏在收缩时将富含氧气的打入血管，血液中带氧血红素(HbO2)和不带氧血红素(Hb)数量随之发生周期性的改变。带氧血红素(HbO2)和不带氧血红素(Hb)的光的吸收率不同，特别是是红光及红外光。将一定量红光及红外光打入穿透皮肤，部分被带氧血红素(HbO2)和不带氧血红素(Hb)，部分被反射而被光感测器捕捉，随脉搏而产生特定的光讯号脉动波形，能够用来测量心率以及血氧浓度，称为光电容积图(Photoplethysmography,PPG)，如图1所示。光电容积图(PPG)包含交流分量(ACcomponent)讯号及直流分量(DC component)讯号，依DC 和AC振幅的比较，可推算出血氧浓度。
心率血氧监测装置具有发光元件、感光元件/光二极管(Photodiode)以及控制模组，其中发光元件与感光元件设置在夹指装置或身体贴附装置。发光元件的发射光进入体内，部分被带氧血红素(HbO2)和不带氧血红素(Hb)吸收以及部份反射后，被感光元件 /光二极管捕捉。
但环境光以及皮肤表层、动脉血管周边组织、骨胳或静脉等反射非预期的反射光，亦会被感光元件/光二极管吸收，影响测量结果。本发明针对环境光(Ambient light)所造成的干扰，提出解决方案。
发明内容
本发明提供快速降低环境光干扰的解决方案。
为达上述目的，本发明提供一种心率血氧监测装置，包含：
一红光发光元件受一红光驱动器驱动发出红光检测光，一红外光发光元件受一红外光驱动器驱动发出一红外光检测光；
一光接收模组通过一第一切换单元连接至一模拟前端模组，用以感测光并产生一感测模拟信号；
一模拟数字转换器，通过一第二切换单元连接至该模拟前端模组，用以将该感测模拟讯号转换成一操作数字讯号；
一同步序向模拟数字转换器，通过一第三切换单元连接至该模拟前端模组，用以将该感测模拟讯号转换成一校正数字讯号；
一数字信号处理器连接该模拟数字转换器以及该同步序向模拟数字转换器，用以将该校正数字讯号以及该操作数字讯号分别转换成一校正参数与一测量数据；
一第一环境光校正数字模拟转换器，通过一第四切换单元连接至该光接收模组，用以将一环境光校正模拟讯号传输至该光接收模组；
一时序控制器连接并驱动该红光驱动器、该红外光驱动器驱动以及该第一环境光校正数字模拟转换器；以及
一微控制器连接该数字信号处理器以及该时序控制器，用以控制信号处理，以及切换该第一切换单元、该第二切换单元、该第三切换单元以及该第四切换单元用以转换系统进入一操作模式或一校正模式，其中红光检测光以及红外光检测光可进入人体而部分被吸收以及部分被反射，而得以测量一血氧浓度值。
本发明心率血氧监测装置可提供医疗级测量。
本发明心率血氧监测装置可整合于穿戴式装置。
附图说明
图1为心率血氧的光电容积图。
图2为本发明一实施例的心率血氧监测装置的元件配置图。
图3为本发明一实施例的环境光讯号的校正时序图。
图4为本发明一实施例的测量数据处理方法流程图。
图5为本发明一实施例的生理数据分析方法流程图。
符号说明：
10 本发明监测装置
20 待测物
30 检测光
31 反射光
101 数据处理器
102 状态机器
103 微控制器
104 时序控制器
105 第一环境光校正数字模拟转换器
106 第二环境光校正数字模拟转换器
107 红光驱动器
108 红外光驱动器
109 红光单元
110 红外光单元
111 光接收模组
112 模拟前端模组
113 同步序向模拟数字转换器
114 模拟数字转换器
115 数据传输模组
116 蓝牙晶片模组
SW1 第一切换单元
SW2 第二切换单元
SW3 第三切换单元
SW4 第四切换单元
SW5 第五切换单元
Iambient_DAC1 第一环境光校正模拟讯号
Iambient_DAC2 第二环境光校正模拟讯号
Ione-cycle_ADC 校正数字讯号
S1100、S1200、S1300、S1400、S1500 步骤
S2100、S2200、S2310、S2311、S2320、S2321、S2410、S2420 步骤
具体实施方式
以下各实施例配合图式，用以说明本发明的精神，让本技术领域的人士能清楚理解本发明的技术，但非用以限制本发明的范围，本发明的专利权范围应由权利要求界定。特别强调，图式仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，部份细节可能也不完全绘出，以求图式的简洁。
心率血氧监测装置暴露在环境光(包含自然光以及照明设备等)下，或检测光被皮肤表层、动脉血管周边组织、骨胳或静脉等反射，会被监测装置的光二极管(Photodiode)吸收，进而产生杂讯影响测量结果。例如，当环境光发生改变或监测装置贴附位置改变，即需重新校正。
本发明针对环境光提出两种滤除环境光干扰的方法，一是粗略校正，另一是精细校正。当在光线变化不大的环境一段时间下，环境光的杂讯通常变化程度较低，采用粗略校正；相对的，若在光线变化快的环境下，采用精细校正。当然，精校正亦可应用于稳定环境光，但校正需较长的时间。
校正模式目的即在产生环境光数字信号。校正环境光的方法是不驱动发光元件，驱动感光元件，因此感测光源是环境光。接着将感测光转换成数字，即后续感测心率血氧需要滤除掉的环境光数字信号。本发明利用同步序向模拟数字转换器 (One-cycle-clockbaseADC)，可在一周期内，将一模拟电压转换成N位元(N-bit)信号，提高转换效率。本发明的一实施例采用4位元的同步序向模拟数字转换器。
操作模式下驱动发光元件及感光元件，利用环境光数字信号而直接从感测光中滤除(抵销)该环境光数字信号，无须如传统感测器，是由控制模组的计算修正，因此提高感测效率。
请参阅图2，为本发明心率血氧监测装置的元件配置图。本发明的心率血氧监测装置10包含：控制模组、发光模组、光接收模组111、模拟前端模组112(Analog front end,AFE)、同步序向模拟数字转换器113、模拟数字转换器114(ADC)、第一环境光校正数字模拟转换器105(Ambient light calibration DAC)以及第二环境光校正数字模拟转换器106。
控制模组包含数字讯号处理器(DSP)、微控制器103以及时序控制器104，数字讯号处理器包含数据处理器101以及状态机器102，数据处理器101包含低通滤波器 (Lowpassfilter)(图未示)。其中，微控制器103耦接于状态机器102与时序控制器104 之间，状态机器102连接于数据处理器101。
发光模组包含发光元件以及驱动器，其中发光元件包含红光单元109以及红外光单元110，驱动器包含红光驱动器107以及红外光驱动器108，其二驱动器分别耦接于红光单元109与时序控制器104之间及红外光单元110与时序控制器104之间，该二驱动器接受从时序控制器104输出的光控制讯号，可选择地同时驱动红光单元109 以及红外光单元110发出包含红光以及红外光的检测光30，或依序驱动红光单元109 或红外光单元110发出包含红光或红外光的检测光30。光控制讯号是脉冲信号，控制发光元件的发光时间及次数。
光接收模组111，例如光二极管，其周围不设置滤光片(non-coating,wide bandsilicon-base photo-diode)(图未示)，而能够接收不同颜色的光。光接收模组111收检测光30经待测物20反射的反射光31，并产生光感测讯号，其中待测物20为具搏动性的动脉血管(Pulsatile arterial blood)。
模拟前端模组112包含积分器以及讯号放大器(图未示)，模拟前端模组111通过第一切换单元SW1连接至光接收模组111，用以接收光感测讯号，并输出模拟讯号。
同步序向模拟数字转换器113连接至状态机器102，以及通过第三切换单元SW3 连接至模拟前端模组112，用以接收模拟讯号，并输出校正数字讯号至状态机器102。模拟数字转换器114连接至数据处理器101，以及通过第二切换单元SW2连接至模拟前端模组112，用以接收模拟讯号，并输出操作数字讯号至数据处理器101。
第一环境光校正数字模拟转换器105以及第二环境光校正数字模拟转换器106 皆连接至时序控制器104，以及分别通过第四切换单元SW4以及第五切换单元SW5 连接至光接收模组111。其中，第一环境光校正数字模拟转换器105为进行粗校正，以及第二环境光校正数字模拟转换器106为进行精校正。
微控制器103连接第一至第五切换单元SW1～SW5，用以控制第一至第五切换单元SW1～SW5的开路或闭路。
当第一切换单元SW1、第三切换单元SW3以及第四切换单元SW4及/或第五切换单元SW5为闭路、第二切换单元SW2为开路且关闭发光模组时，使监测装置进入校正模式。特别说明，在校正模式中，第四切换单元SW4以及第五切换单元SW5 分别用以启用粗校正回路以及精校正回路。可选择启用粗校正回路或精校正回路；或者，先启用粗校正回路，再启用精校正回路。
在校正模式中，状态机器102接收从同步序向模拟数字转换器113输出的校正数字讯号，产生并储存校正参数；微控制器103通过校正参数产生第一环境光校正控制讯号及/或第二环境光校正控制讯号，输出至时序控制器104，时序控制器104输出第一环境光校正数字讯号及/或第二环境光校正数字讯号并分别由第一环境光校正数字模拟转换器105及/或第二环境光校正数字模拟转换器106转换为第一环境光校正模拟讯号(Iambient_DAC1)及/或第二环境光校正模拟讯号(Iambient_DAC2)至光接收模组111，校正数字讯号(Ione-cycle_ADC)随时脉周期从上限(Higher bound)逐步降低至低于下限(Lower bound)，消除大部分环境光杂讯，如图3所示。
在一实施例中，如图3所示，第二环境光校正模拟讯号(Iambient_DAC2)可在第一环境光校正模拟讯号(Iambient_DAC1)进行1～2个时脉周期后再加入，且第二环境光校正模拟讯号(Iambient_DAC2)可逐步增加进行精校正。
粗略校正与精细校正差异在于精细校正再度检验试环境光的滤除情况，如未到达滤除目标，会再次进入校正回路精细的环境光校正信号，逐步滤除环境光至达滤除目标。
完成校正后，监测装置进入操作模式，此时第三切换单元SW3为闭路(即circuitON)、第一切换单元SW1、第二切换单元SW2、第四切换单元SW4以及第五切换单元SW5为开路(即circuit OFF)且开启发光模组时。
操作模式下，数字讯号处理器(DSP)读取状态机器102的校正参数，通过时序控制器104控制环境光校正数字模拟转换器转，换成环境光校正讯号并传输至光接收模组111，从感测信号中滤除或降低环境干扰信号后，传输至模拟数字转换器114转换成操作数字讯号。接着，数据处理器101接收从模拟数字转换器114输出的操作数字讯号，转换成光电容积图并得以分析出心率及血氧，说明如下。
数据处理器101包含抽取滤波器(Decimation Filter)、有限脉冲响应滤波器(Finite impulse response Filter)与数字模拟转换器映射表修正电路(DAC Mappingtable correct circuit)。数字模拟转换器映射表修正电路(DAC Mapping table correctcircuit) 包含数字模拟转换器映射表以及修正电路。
测量心率以及血氧处理步骤，主要区分测量数据处理以及生理数据分析。前者是测量数据复原，目的是将利用修正数字代码修正测量数据；后者是生理数据分析，目的从数据中依据测量模型获取出心率以及血氧浓度，请参考图4及图5。
测量数据复原的流程参考图4，说明如下。
步骤S1100获取数字处理器的数据数据(DSP digital)，即取得修正参数。模拟数字转换器取样后，样本数据分成两路，一路由数字处理器取得该模拟数据信号的代码，此代码可用来计算出数字信号的数据代码，沿步骤S1200及S1300取得修正数据代码 ADCDAC_DC。另一路沿步骤S1400，从测量数据得出测量数字代码ADCAC。
步骤S1200查阅代码表取回修正数字代码的参数。如前述模拟数据信号的代码可计算出数字信号的数据代码，本发明例数字模拟转换器映射表中取回产生数字代码ADCDAC_DC的参数，如此加速转换效率。
步骤S1300产生数字代码ADCDAC_DC。
步骤S1400确认测量(操作)数字代码ADCAC，即等待测量数据。测量数字代码 ADCAC主要是经过率波以及周期平均，因数据干扰信号，如环境光等因素的干扰。
步骤S1500复原测量数据。利用前述所得修正数据代码ADCDAC_DC，利用修正电路(Correct Circuit)将整个信号还原，并且提高与得到足够的动态范围(Dynamic Range)，即可得到逼近正确的测量数字代码(数据资料)。例如12位元ADC和12位元DAC为例子，其表示如下：
ADCReal＝ADCAC+ADCDAC_DC。
在本实施例中，同时以红光及红外光做为发光元件，感光元件接收后，利用时序控制器104以分时多工(Time-Division Multiplexing)方式，提供红光及红外光的信号。数据处理器101利用上述测量数据复原的流程，分别处理红光与红外光接收电路数据(Receivercircuit data)，得到红光与红外光的相对应的模拟数字数字代码，其表示如下：
ADCRed_Real＝ADCRed_AC+ADCRed_DAC_DC；
ADCIR_Real＝ADCIR_AC+ADCIR_DAC_DC。
生理数据分析的流程参考图5，说明如下。
步骤S2100获取测量数据以取得光体积变化描记图(PPG)。数据处理器101接收从模拟数字转换器114输出的操作数字讯号，经过测数据复原处理，增益后可得到光体积变化描记图(PPG)。本实施例，整个系统增益大于120dB，且分别计算红光单元 109以及红外光单元110的光体积变化描记图的信号。
步骤S2200降低光体积变化描记图(PPG)信号的噪音。利用抽取滤波器与有限脉冲响应滤波器用来降低光体积变化描记图(PPG)信号的噪音，提高整个系统的讯号杂讯比(Signal to Noise Ratio)。
步骤S2310过零率及极点检测(zero-crossing measurement&peak detection)以获取心率变化，以及步骤S2311获得心律图。分析操作数据通过平均中线，以及过中线后达到极大/极小的数据，以描绘出其周期变化，即心律图。
步骤S2320分离操作数字讯号中的直流分量讯号以及交流分量讯号。交流分量讯号具一动态增益变化。本实施例即分别取得红光单元109的交流分量ACR与直流分量DCR，以及红外光单元110的交流分量ACIR与直流分量DCIR。步骤S2321计算血氧浓度。将直流分量讯号除以操作数字讯号得到血氧浓度值(SPO2)计算方式如下：
SPO2＝110-25R，
步骤S2410估算信噪比，目的在于分析所得到心率以及血氧的杂信(噪音)比，据此在步骤S2420产生调整参数，进一步让生理数据最佳化。
数据传输模组115包含FIFO(First Input First Output)与不同的介面，例如I2C与 SPI，可将模拟数字数字代码储存到FIFO，FIFO的宽度与FIFO的深度根据读出的数据结构和读出数据的由那些具体的要求来确定。
本发明监测装置10更包含数据传输模组115连接于数据处理器101，可将操作数字讯号、直流分量讯号、交流分量讯号及血氧浓度值以有线方式传输至蓝牙晶片模组116，然后利用蓝牙晶片以无线方式传输至具荧幕的外部电子装置，其中操作数字讯号、直流分量讯号、交流分量讯号及血氧浓度值可储存于状态机器102。
本发明的心率血氧监测装置利用同步序向模拟数字转换器结合环境光校正数字模拟转换器，可快速校正环境光产生的杂讯，在不影响使用者操作习惯下，提供较准确的心率及血氧数值。另外，本发明的心率血氧监测装置可采用积体电路方式实作于一晶片上，具有微小化的特性。
因此，本发明的心率血氧监测装置可提供医疗级测量，作为独立的心律血氧仪或整合在医疗测量器材上，或者整合于穿戴装置上，提供即时监测的功能。
Claims (10)
1.一种心率血氧监测装置，其特征在于，包含：
一红光发光元件受一红光驱动器驱动发出红光检测光，一红外光发光元件受一红外光驱动器驱动发出一红外光检测光；
一光接收模组通过一第一切换单元连接至一模拟前端模组，用以感测光并产生一感测模拟信号；
一模拟数字转换器，通过一第二切换单元连接至该模拟前端模组，用以将该感测模拟讯号转换成一操作数字讯号；
一同步序向模拟数字转换器，通过一第三切换单元连接至该模拟前端模组，用以将该感测模拟讯号转换成一校正数字讯号；
一数字信号处理器连接该模拟数字转换器以及该同步序向模拟数字转换器，用以将该校正数字讯号以及该操作数字讯号分别转换成一校正参数与一测量数据；
一第一环境光校正数字模拟转换器，通过一第四切换单元连接至该光接收模组，用以将一环境光校正模拟讯号传输至该光接收模组；
一时序控制器连接并驱动该红光驱动器、该红外光驱动器驱动以及该第一环境光校正数字模拟转换器；以及
一微控制器连接该数字信号处理器以及该时序控制器，用以控制信号处理，以及切换该第一切换单元、该第二切换单元、该第三切换单元以及该第四切换单元用以转换系统进入一操作模式或一校正模式，其中红光检测光以及红外光检测光可进入人体而部分被吸收以及部分被反射，而得以测量一血氧浓度值。
2.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，该操作模式的定义是指该第一切换单元闭路、该第二切换单元闭路、该第三切换单元开路以及该第四切换单元闭路，该红光驱动器驱动开启红光发光元件，以及该红外光驱动器驱动开启红外光发光元件。
3.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，该校正模式的定义是指该第一切换单元闭路、该第二切换单元开路、该第三切换单元闭路以及该第四切换单元闭路，该红光驱动器驱动关闭红光发光元件，以及该红外光驱动器驱动关闭红外光发光元件。
4.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，更包含第二环境光校正数字模拟转换器，其中该第一环境光校正数字模拟转换器及该第二环境光校正数字模拟转换器分别用以提供一粗环境光校正模拟讯号以及一精密环境光校正模拟讯号。
5.如权利要求4所述的心率血氧监测装置，其特征在于，该第一环境光校正数字模拟转换器及该第二环境光校正数字模拟转换器同一时间仅择一开启。
6.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，该数字讯号处理器包含：
一状态机器，接收并储存该校正参数；以及
一数据处理器，接收该测量数据，以及分析心率以及血氧浓度值。
7.如权利要求6所述的心率血氧监测装置，其特征在于，该数据处理器包含
一抽取滤波器、一有限脉冲响应滤波器、一数字模拟转换器映射表以及一修正电路，其中该抽取滤波器以及该有限脉冲响应滤波器用来降低该测量数据的噪音，该数字模拟转换器映射表用储存一模拟数字转换修正数据，以及该修正电路依据该模拟数字转换修正数据修正该测量数据。
8.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，更包含一数据传输模组以及一蓝牙模组，用以将一操作数字讯号、一直流分量讯号、一交流分量讯号及该血氧浓度值传输至一外部电子装置。
9.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，属于一医疗级心率血氧监测装置或整合于一医疗测量仪。
10.如权利要求1所述的心率血氧监测装置，其特征在于，整合于一穿戴式装置。
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