TW201628550A - 在可穿戴裝置中的極低功率連續心率感測 - Google Patents
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Abstract
可提供系統及方法，用於：壓電膜，回應於壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號，以及類比前端，耦合至壓電膜，其中類比前端基於激發訊號產生第一量測訊號。另外，心率監測器可耦合至類比前端，其中心率監測器基於第一量測訊號產生心率量測。於一例中，類比前端包含單級放大器。
Description
本發明的實施方式係關於心率感測。特別是，實施方式係關於在可穿戴裝置中的極低功率連續心率感測。
可穿戴心率感測器典型地可配置光體積描記(PPG)技術，其中，一或多個發光二極體(LED)照亮穿戴者的皮膚且量測從皮膚反射的光的改變作為血流脈搏的函數。雖然這種方法在特定環境下是合適的，然而仍有許多進步的空間。例如，驅動LED可能涉及相對大量的功率消耗，其可能對於電池壽命有負面衝擊，特別是在可穿戴感測器中。此外，量測血流脈搏的反射光的準確性可能依膚色及肌肉組織灌注而不同。
10‧‧‧系統
12‧‧‧腕帶
13‧‧‧伸展感測器
14‧‧‧壓電膜
16‧‧‧皮膚
18‧‧‧電子外殼
20‧‧‧類比前端
22‧‧‧心率監測器
24‧‧‧使用者介面
26‧‧‧類比前端
28‧‧‧壓電膜
30‧‧‧放大器
31‧‧‧量測訊號
32‧‧‧光學模組
34‧‧‧活動等級監測器
36‧‧‧加速度計
38‧‧‧方法
40‧‧‧方塊
42‧‧‧方塊
44‧‧‧方塊
46‧‧‧方塊
48‧‧‧方塊
50‧‧‧方塊
所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀以下的說明書及所附申請專利範圍及參照以下的圖式後，實施
方式的許多優點將會變得明顯，其中：圖1A及1B分別為根據實施方式的可穿戴系統的例子的側視及端視的截面圖；圖2為根據實施方式的類比前端的例子的示意圖；圖3為根據實施方式的量測訊號的例子的圖；並且圖4為根據實施方式的產生連續心率量測的方法的例子的流程圖。
現在轉至圖1A及1B，顯示可穿戴系統10。在所示的例子中，可穿戴系統10被穿戴在個人的手腕上以進行心率量測。可穿戴系統10可替代地組態為穿戴在身體的其它部位上，例如，頭、頸及身體的其它部位，其中可在皮膚偵測到血流脈搏(例如，皮下組織的接近動脈側)。一般而言，可穿戴系統10的腕帶12可包含壓電膜14(或小壓電元件的陣列)，具有一或多個暴露於可穿戴系統10的內部區域的表面，使得壓電膜14的表面與手腕的皮膚16直接接觸或透過另外的絕緣膜的層接觸。此處可交換地使用的詞語「壓電膜」及「小壓電感測器的陣列」。因為穿戴者的在皮膚16下的血流脈搏，壓電膜14可回應於壓電膜14的表面上的壓力變化而產生激發訊號；如將更詳細討論的，壓電膜14可避免關於以下的疑
慮：功率消耗、電池壽命、膚色、肌肉組織灌注等。
電子外殼18可耦合至腕帶12，其中所示的電子外殼18包含類比前端20，耦合至壓電膜14。類比前端20可基於從壓電膜14的激發訊號產生第一量測訊號。所示的電子外殼18亦包含心率監測器22，耦合至類比前端20，其中心率監測器22可基於第一量測訊號產生心率量測。此外，使用者介面24(例如，顯示器，揚聲器)耦合至心率監測器22，可輸出用於外部觀測的心率量測。
特別注意的是，所示的壓電膜14以無任何外部電源，例如電池，的方式產生激發訊號。因此，可穿戴系統10可具有相對低的功率消耗。的確，可穿戴系統10的低功率運作能力可使產生連續心率量測而無對於電池壽命的疑慮。此外，因為所示的壓電膜14不依靠光學量測，由可穿戴系統10作出的心率量測可不依膚色或肌肉組之灌注不同。
圖2顯示用以產生量測訊號的類比前端26的一可能的實施方式。類比前端26可容易取代類比前端20(圖1A)，如所討論的。於所示的例子中，壓電膜28可容易取代壓電膜14(圖1)，壓電膜28產生激發訊號，此激發訊號為因為血流脈搏而施加於壓電膜14的表面上的壓力變化的函數。訊號放大器30(例如，運算放大器)，具有操作電壓(Vop)及參考電壓(Vref)，可產生類比量測訊號，此類比量測訊號與激發訊號及參考電壓之間的電壓差成比例。除了所示的放大器30的相對較低的
功率需求，藉由所示的方式，可達成較少的部件及較小的印刷電路板(PCB)空間的使用。雖然所示的放大器30係單階放大器，類比前端26亦可替代地包含多階放大器。圖3顯示由類比前端26產生量測訊號31的例子。
回到圖1A及1B，可使用複合壓電/光學的方案以達成更佳的準確性。如此，若系統10的穿戴者致力於較強的活動等級(例如，相對於靜態/中度活動的重度運動)，壓電膜14可易於感測動作產物。因此，所示的可穿戴系統10亦包含光學模組32(例如，光體積描記/PPG模組)，由活動等級監測器34耦合至心率監測器22。活動等級監測器34可回應於身體活動條件的符合而啟動光學模組32(例如，超過活動臨界)。
活動等級監測器34可基於從類比前端20及壓電膜14的第一量測訊號決定身體活動條件是否符合。因此，若第一量測訊號展示出電壓水平及/或擺動大於從血流脈搏所預期的大小，活動等級監測器34可得到符合身體活動條件的結論。活動等級監測器34亦可基於另外的訊號，例如從嵌於可穿戴系統10中的加速度計36的加速度計訊號，決定身體活動條件是否符合。
因此，當光學模組32啟動，光學模組32可產生第二量測訊號，其中當藉由活動等級監測器34從光學模組32接收第二量測訊號，所示的心率監測器22基於第二量測訊號產生心率量測。另一方面，若身體活動條件不符合，所示的活動等級監測器34停用光學模組32，且
基於從類比前端20的第一量測訊號作出心率量測，如所述的。因此，在靜態至中度活動期間(例如，個人的大部分時間)，壓電膜14可用於產生心率量測。
腕帶12可組態為確保壓電膜14相對於皮下組織中的動脈位置的適當的位置，以及壓電膜14及皮膚16之間的最佳壓力，以捕捉讀取。例如，壓電膜14可延伸圍繞腕帶12的內直徑的實質周邊，以增加接觸於接近動脈處作出的可能性。此外，腕帶12可包含伸展感測器13，例如，從導電彈性物及/或導電纖維製成，其致能腕帶12的伸展及張力，以及位置的監測。監測的資料可用於藉由，例如使用者介面24，傳達位置重置、緊化及/或鬆弛訊號至系統10的穿戴者。其它技術亦可使用於最佳化心率量測。
現在轉至圖4，顯示產生心率量測的方法38。可實施方法38作為儲存於機器或電腦可讀儲存媒介中的邏輯指令組中、可組態邏輯中、使用電路技術的固定功能性硬體邏輯中，或其任何組合，的一或多個模組。機器或電腦可讀儲存媒介例如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可程式ROM(PROM)、韌體、快閃記憶體等。可組態邏輯例如可程式邏輯陣列(PLA)、場可程式閘陣列(FPGA)、複雜可程式邏輯裝置(CPLD)。使用電路技術的固定功能性硬體邏輯例如特定應用積體電路(ASIC)、互補性金屬氧化半導體(CMOS)或電晶體-電晶體邏輯(TTL)技術。
所示的處理方塊40設置光學模組於停用狀態(例如，維持關閉)，其中身體活動的等級的估計可於方塊42作出。估計可使用從可穿戴系統的壓電膜及/或加速度計的訊號。所示的方塊44決定身體活動的等級是否超過特定的臨界(例如，符合身體活動條件)。若否，光學模組可維持在方塊46的停用狀態且從壓電膜的激發訊號可用於產生心率量測。方塊46可因此涉及使用壓電膜以回應於壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號且基於激發訊號產生量測訊號，如所討論的。僅有當符合身體活動條件，方塊48可啟動光學模組且從光學模組得到量測訊號。所示的方塊50基於從壓電膜的量測訊號或從光學模組的量測訊號計算且顯示心率量測。於任何例子，心率量測可為連續。
其它註記及例子：
範例1可包含一種設備，用以產生心率量測，包含：壓電膜，用以回應於該壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號；類比前端，耦合至該壓電膜，該類比前端用以基於該激發訊號產生第一量測訊號；心率監測器，耦合至該類比前端，該心率監測器用以基於該第一量測訊號產生連續心率量測；光學模組，耦合至該心率監測器；以及活動等級監測器，耦合至該光學模組，該活動等級監測器用以回應於身體活動條件的符合而啟動該光學模組，且回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組用以產生第二量
測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，該心率監測器用以基於該第二量測訊號產生該連續心率量測。
範例2可包含範例1的設備，其中該類比前端包含單級放大器。
範例3可包含範例1的設備，其中該活動等級監測器用以基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例4可包含範例1的設備，其中該活動等級監測器用以基於加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例5可包含一種可穿戴系統，包含：腕帶，包含有暴露於該腕帶的內部區域的表面的壓電膜，該壓電膜用以回應於該壓電膜的該表面上的壓力變化而產生激發訊號；電子外殼，耦合至該腕帶，該電子外殼包含：類比前端，耦合至該壓電膜，該類比前端用以基於該激發訊號產生第一量測訊號；心率監測器，耦合至該類比前端，該心率監測器用以基於該第一量測訊號產生心率量測；以及使用者介面，耦合至該心率監測器，該使用者介面用以輸出該心率量測。
範例6可包含範例5的可穿戴系統，其中該類比前端包含單級放大器。
範例7可包含範例5的可穿戴系統，更包含：光學模組，耦合至該心率監測器；以及活動等級監測
器，耦合至該光學模組，該活動等級監測器用以回應於身體活動條件的符合而啟動該光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組用以產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，該心率監測器用以基於該第二量測訊號產生該心率量測。
範例8可包含範例7的可穿戴系統，其中該活動等級監測器用以回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組。
範例9可包含範例7的可穿戴系統，其中該活動等級監測器用以基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例10可包含範例7的可穿戴系統，更包含加速度計，用以產生加速度計訊號，其中該活動等級監測器用以基於該加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例11可包含範例5至10中的任一範例的可穿戴系統，其中該心率量測係連續。
範例12可包含一種設備，用以產生心率量測，包含：壓電膜，用以回應於該壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號；類比前端，耦合至該壓電膜，該類比前端用以基於該激發訊號產生第一量測訊號；以及心率監測器，耦合至該類比前端，該心率監測器用以基於該第一量測訊號產生心率量測。
範例13可包含範例12的設備，其中該類比
前端包含單級放大器。
範例14可包含範例12的設備，更包含：光學模組，耦合至該心率監測器；以及活動等級監測器，耦合至該光學模組，該活動等級監測器用以回應於身體活動條件的符合而啟動該光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組用以產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，該心率監測器用以基於該第二量測訊號產生該心率量測。
範例15可包含範例14的設備，其中該活動等級監測器用以回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組。
範例16可包含範例14的設備，其中該活動等級監測器用以基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例17可包含範例14的設備，其中該活動等級監測器用以基於加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例18可包含範例12至17中的任一範例的設備，其中該心率量測係連續。
範例19可包含一種產生心率量測方法，包含：回應於壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號；基於該激發訊號產生第一量測訊號；以及基於該第一量測訊號產生心率量測。
範例20可包含範例19的方法，更包含使用
單級放大器以產生該第一量測訊號。
範例21可包含範例19的方法，更包含回應於身體活動條件的符合而啟動光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，基於該第二量測訊號產生該心率量測。
範例22可包含範例21的方法，更包含回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組。
範例23可包含範例21的方法，更包含基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例24可包含範例21的方法，更包含基於加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
範例25可包含範例19至24中的任一範例的方法，其中該心率量測係連續。
範例26可包含裝置，用以產生心率量測，包含用於進行範例19至25中的任何範例，任何範例的組合或其次組合的手段。
因此，本案的技術可致使完成連續心率量測而無以下的疑慮：功率消耗、電池壽命、膚色、肌肉組織灌注等。此外，可達成較少部件及較少的PCB空間。
實施方式可應用於使用所有類型的半導體積體電路(“IC”)晶片。這些IC晶片的例子包含但不限於處理器、控制器、晶片組組件、可程式邏輯陣列(PLA)、記憶體晶片、網路晶片、系統單晶片
(SoC)、固態硬碟/反及(SSD/NAND)控制器特定應用積體電路(ASIC)等。此外，於一些圖式中，訊號導體線以線表示。有些可能不同，以更表示構成的訊號路徑，具有數字標示，以表示構成的訊號路徑的數量，及/或具有箭頭於一端或多端，以表示主要資訊流動方向。這，無論如何，不應以限縮的方式解釋。而是，這種添加的細節可用於與一或多個的範例實施方式連結，以促使更容易理解電路。任何代表的訊號線，不論具有額外資訊與否，可實際上包含一或多個的訊號線，此訊號線可往許多方向延伸且可以任何適合的訊號架構的類型實施，例如，數位或類比線以不同的配對實施，光纖線，及/或單端線。
例子的大小/模型/值/範圍可被提供，雖然實施方式不限於這些。當製程技術(例如，光刻)隨時間成熟，可以預期的是更小的裝置可以被製造。另外，為了簡化說明及討論，眾所皆知的至IC晶片的功率/接地連接及其它組件可或可不顯示於圖式中，因此不阻礙實施方式的特定觀點。此外，配置可以方塊圖的形式顯示，以避免阻礙實施方式，且亦鑒於關於此種方塊圖配置的特定方式的實施高度依賴實施實施方式的平台，即，此種特定方式應於所屬技術領域的範圍中。當為了敘述範例實施方式而提出特定的特徵(例如，電路)，對所屬技術領域中具有通常知識者而言應為明顯的是，實施方式可以沒有這些特定細節來實施，或是以這些特定細節的變化來實施。本說明書因此被認為是說明而非限制。
詞語「耦合」可用於此以表示所提組件之間任何類型的直接或非直接的關係，且可表示於電子的、機械的、流體的、光學的、電磁的、機電的或其它連接。此外，詞語「第一」、「第二」等可用於此，僅為了方便討論，而除非特別指定，不帶有任何特定的時間的或時序的含意。
如於本發明及申請專利範圍中使用的，列出的元件伴隨詞語「一或多個」敘述時，可表示列出的元件的任何組合。例如，詞語「A、B或C的一或多個」可表示A、B、C；A及B；A及C；B及C；或A、B及C。
所屬技術領域中具有通常知識者可從上述說明書理解實施方式的寬廣技術可以不同的形式實施。因此，當實施方式已與其特定的例子連結敘述，此實施方式的真實範圍不應被如此限縮，因為對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，研讀圖式、說明書及接下來的申請專利範圍，其它修改是明顯的。
10‧‧‧系統
12‧‧‧腕帶
13‧‧‧伸展感測器
14‧‧‧壓電膜
16‧‧‧皮膚
18‧‧‧電子外殼
20‧‧‧類比前端
22‧‧‧心率監測器
24‧‧‧使用者介面
32‧‧‧光學模組
34‧‧‧活動等級監測器
36‧‧‧加速度計
Claims (25)
- 一種設備，包含：壓電膜，用以回應於該壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號；類比前端，耦合至該壓電膜，該類比前端用以基於該激發訊號產生第一量測訊號；心率監測器，耦合至該類比前端，該心率監測器用以基於該第一量測訊號產生連續心率量測；光學模組，耦合至該心率監測器；以及活動等級監測器，耦合至該光學模組，該活動等級監測器用以回應於身體活動條件的符合而啟動該光學模組，且回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組用以產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，該心率監測器用以基於該第二量測訊號產生該連續心率量測。
- 如請求項第1項的設備，其中該類比前端包含單級放大器。
- 如請求項第1項的設備，其中該活動等級監測器用以基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 如請求項第1項的設備，其中該活動等級監測器用以基於加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 一種可穿戴系統，包含：腕帶，包含壓電膜，用以回應於該壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號； 電子外殼，耦合至該腕帶，該電子外殼包含：類比前端，耦合至該壓電膜，該類比前端用以基於該激發訊號產生第一量測訊號；心率監測器，耦合至該類比前端，該心率監測器用以基於該第一量測訊號產生心率量測；以及使用者介面，耦合至該心率監測器，該使用者介面用以輸出該心率量測。
- 如請求項第5項的可穿戴系統，其中該類比前端包含單級放大器。
- 如請求項第5項的可穿戴系統，更包含：光學模組，耦合至該心率監測器；以及活動等級監測器，耦合至該光學模組，該活動等級監測器用以回應於身體活動條件的符合而啟動該光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組用以產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，該心率監測器用以基於該第二量測訊號產生該心率量測。
- 如請求項第7項的可穿戴系統，其中該活動等級監測器用以回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組。
- 如請求項第7項的可穿戴系統，其中該活動等級監測器用以基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 如請求項第7項的可穿戴系統，更包含加速度計，用以產生加速度計訊號，其中該活動等級監測器用以 基於該加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 如請求項第5項的可穿戴系統，其中該心率量測係連續。
- 一種設備，包含：壓電膜，用以回應於該壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號；類比前端，耦合至該壓電膜，該類比前端用以基於該激發訊號產生第一量測訊號；以及心率監測器，耦合至該類比前端，該心率監測器用以基於該第一量測訊號產生心率量測。
- 如請求項第12項的設備，其中該類比前端包含單級放大器。
- 如請求項第12項的設備，更包含：光學模組，耦合至該心率監測器；以及活動等級監測器，耦合至該光學模組，該活動等級監測器用以回應於身體活動條件的符合而啟動該光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組用以產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，該心率監測器用以基於該第二量測訊號產生該心率量測。
- 如請求項第14項的設備，其中該活動等級監測器用以回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組。
- 如請求項第14項的設備，其中該活動等級監測器用以基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符 合。
- 如請求項第14項的設備，其中該活動等級監測器用以基於加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 如請求項第12項的設備，其中該心率量測係連續。
- 一種方法，包含：回應於壓電膜的表面上的壓力變化而產生激發訊號；基於該激發訊號產生第一量測訊號；以及基於該第一量測訊號產生心率量測。
- 如請求項第19項的方法，更包含使用單級放大器以產生該第一量測訊號。
- 如請求項第19項的方法，更包含回應於身體活動條件的符合而啟動光學模組，其中當該光學模組啟動，該光學模組產生第二量測訊號，且其中當從該光學模組接收該第二量測訊號，基於該第二量測訊號產生該心率量測。
- 如請求項第21項的方法，更包含回應於該身體活動條件的不符合而停用該光學模組。
- 如請求項第21項的方法，更包含基於該第一量測訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 如請求項第21項的方法，更包含基於加速度計訊號決定該身體活動條件是否符合。
- 如請求項第21項的方法，其中該心率量測係連續。
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