TWI334342B - Portable instrument provided with an optical device for measuring a physiological quantity and means for transmitting and/or receiving data - Google Patents

Description

1334342 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種可攜式器具，包含—用以量測特 別是心跳之生理學量的光學裝置，及用以傳輸和/或接受 資料之機構，此一光學裝置包含至少一光源，用以使—部 份有機組織受到光線照射，及至少一光感受器，用以偵測 在有機組織中傳播之後的光發射強度。 【先前技術】 該可攜式器具均爲已知的。這些可攜式器具均被特別 是應用以經由光學機構偵測心跳及/或病人血液中的氧氣 水平。這些器具有多種形式，自被置於人體身上區域的夾 持式（典型地夾持在手指末端上、耳垂上、或任何其他人 體之充份被血液注入的四肢），至具有類似於腕錶之外觀 的被穿戴在手腕上之裝置均有。 在應用以量測心跳之範圍內，光學裝置被應用以產生 合適地照明一部份有機組織（典型爲皮膚），且包含一或 數個光感受器，用以偵測在有機組織中傳播之後的由光學 裝置產生之光發射強度。血流脈搏的變化會導致吸收光學 裝置產生的光發射之變化，該吸收變化的頻率係基本上相 對應於心跳脈搏的頻率。偵測在有機組織中傳播之後的光 發射強度，及適合地處理量測信號，可擷取心跳之指示。 使用於此一形式之應用的光學裝置均相當簡單’且典型的 由一或數個準按時（quasi-punctual)光源所構成。其典 -5- (2) (2)1334342 型爲在已定波長範圍內發射之LED (發光二極體），並結 合一或數個典型爲光電二極體之光感受器。 除了量測所需生理學量之功能外，配有前述形式之# 學裝置的可攜式器具，通常亦均配設用以傳輸和/或接g 資料之機構。特別的，發射機構均典型地提供以下載於例 如爲運動活動期間的活動階段或於一健康診斷期間所量測 及貯存在可攜式器具中的資料至一外部端子。此外，接受 機構可被提供以上載組態資料在可攜式器具中，例如爲諸 如心跳値之最小與最大的供所量測生理學量用之極限値， 使用者希望保持其之心跳於該二値之間。自可攜式器具傳 輸或被可攜式器具接受的資料，可相關或不需相關於所量 測之生理學量。 資料之傳輸及/或接受可由直接纜線聯結所執行，或 較佳的，經由例如爲音響、光學、感應或無線電頻率形式 之無線通訊機構。 專利號碼 US 4;674,743、EP 0 842 635 及 US 5,776,056 揭示多種可攜式器具，均設有用以量測生理學量之前述形 式的光學裝置及光學資料通訊機構。但這些文件揭示應用 差別光學裝置之解決方式。 如前所述，其他已知之解決方式依賴音響.、感應 '或 無線電頻率形式之通訊機構。例如，專利號碼 EP 0 94 0 1 1 9 ' US 5,8 1 0,73 6 ' US 5,622，]80或 WO 99/41647 及 EP ] 101 4 39。 所有前述習知技術的解決方式，包含應用光學通訊機 -6 - (3) (3)1334342 橇的解決方式，均具有要求特定額外需求的缺點，其影響 了可攜式器具的製造成本，且不可避免地需要結合的空間 。因而’在製造成本與小型化上，這些解決方式均不佳。 本發明之目的係提出一前述形式的可攜式器具，與習 知技術的解決方式相較，允許可攜式器具可縮小尺寸且減 少製造成本。 【發明內容】 因而’本發明係有關於一可攜式器具，其之特色均發 佈於申請專利範圍第1項中。 本發明之有利的實施例形成獨立申請專利範圍主旨。 依據所建議之解決方式，本發明因而建議使用通常被 應用爲供量測生理學量之機構的光學裝置爲資料傳輸機構 和/或資料接受機構。更精確言之，光學裝置的至少一光 源被使用以傳輸資料至一外部單位，和/或光學裝置的至 少一光感受器被使用以接受來自外部單位傳輸之資料。 於作業期間，光學裝置係有利地在一量測相位，其於 量測相位期間係操作爲用以量測生理學量之機構，與一通 訊相位之間轉換，其於通訊相位期間係操作爲資料傳輸及 /或接受機構，可攜式器具進一步包含記憶機構，於量測 相位期間，在傳輸資料之前貯存有關於該生理學量在一致 時間中的改變，且於通訊相位期間，將該資料傳輸至外部 單位。 依據一特別實施例，亦建議用以自動地啓動光學裝置 -7- (4) (4)1334342 之量測功能或資料傳輸/接受功能的機構。 所建議之解決方式因而具有最佳地使用已存在於可攜 式器具中之組件的優點，因而，減少製造成本，且有利於 較佳使用器具中的可用空間。 【實施方式】 現在將以僅爲非限制性顯示之方式提出多種實施例。 特別的，必須強調將顯示之實施例可有利地但非僅有地具 現在穿戴於手腕上的一器具中。其他之可攜式應用亦可被 較佳地使用。 圖]與2以純粹爲非限制性顯示挖出的用以量測生理學 量之可攜式器具的二實施例，二者均採用腕錶之類似形式 。因而’二者均包含形成在此一範圍中的中間部位之外殻 1 ’及以已知方式裝附至外殼1的腕帶2。顯示裝置3亦被裝 設在器具的前表面上，此一顯示裝置3僅示於圖1之範例中 。基本上’圖1與2的二範例之間的差異，係在應用以量測 所需生理學量（例如已提及之血液中含氧水平及心跳）之 光學裝置（由參考號碼4與5代表）的定位與組態。 在圖]中的範圍中’光學裝置4被置於接近顯示裝置3 的可攜式器具之前表面上。於此之光學裝置4包含與單一 光感支器42合作的單一光源41。如前所述，光源4】係在一 已決定波長範圍內（例如爲紅外線或任何其他適合波長範 圍）發射之典型的發光二極體（LED)，且光感受器42可 爲一光電一極體、一光電晶體、或任何其他之具有適合於 -8- (5) (5)1334342 光源41波長範反應的合適光學接受器。 依據圖1之範例，可以了解所需之生理學量之量測， 係例如將手指置於相對於光學裝置4的可攜式器具之前表 面上而執行。 在圖2之範例中，以參考號碼5代表之光學裝置係置於 益具之底部。與圖1之範例不同的，除了被置於可攜式器 具之底部的中央區域中之光源51以外，光學裝置包含對稱 地環境中央光源51放置的三光感受器52、53及54。使用被 安排環繞一或數個光源之數個光感受器大致上係較佳於圖 1的解決方法，基本上，係爲了確保較佳量測可靠性的目 的。在此一最後點上，爲使在用以量測心跳之光學系統上 獲致更豐富的資訊，應用至少二偵測管道，可參考文件號 碼EP 1 29 7 7 8 4 ’該文件顯示一類似於圖2之可攜式器具的 實施範例。 圖3係在腕帶被穿戴在手腕（圖中以參考號碼】〇代表 )上時，沿著腕帶之縱向方向取得的可攜式器具之橫剖面 。與圖1之範例不同的，於此之可攜式器具及其之光學裝 置5在器具被穿戴時’係永遠地被攜至與使用者的有機組 織接觸。光源51產生之發射光，係被安排用以足夠深地穿 透有機組織’使被注入所照明之有機組織的血流所調制。 在被光學裝置的光感受器52至54反射之後，偵測被調制 之發射光。 圖4係一方塊圖’顯示依據本發明的一實施例之可攜 式器具的主要構成組件。如圖所示，可攜式器具包含一被 -9- (6) (6)1334342 聯結至一控制電路7 1的光源6 1 (例如爲一LED或任何其他 之適合裝置），該電路71之作業係由一中央處理單位70所 控制’諸如一微處理器或微控制器。此一中央單位70亦設 有一顯示裝置73 (類比或數位形式）、記憶機構74 ( RAM 、ROM、EEPROM、FLASH或類似物）、及一計時系統75 ’用以確保中央單位70及其之周邊組件的作業之妥適計時 。此一計時系統75亦可完成時間鐘錶的習知時鐘功能。 中央處理單位7〇亦被聯結至用以偵測及量測所需生理 學量（特別是心跳）之電路72，此一電路72的功能係可被 與中央處理單位之功能整合。此一電路之功能已被簡短地 提及’且基本上係針對自結合的光感受器所偵測之光學信 號擷取相關於生理學量之資訊。在目前之情況中，一第一 光感受器62被經由放大機構63 (且如果需要，濾光機構） 聯結至偵測電路72。相關於所需之生理學量的資訊被傳輸 至中央單位70，特別是供被顯示在顯示裝置73上的目的， 及/或較佳地被貯存在記憶機構74中以供其次的診斷之用 〇 於此無須詳述用以量測生理學量的方法，因爲此一問 題並不直接地有關於本發明之主題。此外，存在多種的解 決方法來執行此一量測。在前述文件EP 1 297 7 8 4中已詳 盡描述用以量測心跳之特別有效之解決方法，其將於此結 合參考。 在圖4的實施範例中，爲使可經由其之光學裝置傳輸 及/或接受資料，可攜式器具在一方面進一步包含調制機 -10- (7) (7)1334342 構8 1 ’被聯結在中央單位70與光源的控制電路7 1之間，另 —方面包含解調機構82，被聯結在中央單位70與結合光感 受器62的放大機構63之間。 必須了解，調制機構8 1之目的係控制該控制電路7 ]， 以經由結合之光源6〗產生一調制光學信號。相同的，必須 了解’解調機構82之目的係相反地解碼被結合之光感受器 62擷取的調制光線信號。任何形式之調制可被使用於資料 傳輸及接受。其可爲習知的振幅、相位、頻率或脈碼調制 。此外，可採用各別調制以傳輸及接受資料，使淸楚地辨 識其是否爲一送入或送出發射。在任何情況中，光學信號 均依據將被傳輸之資料而調制。 在圖4中’必須注意，可攜式器具可包含多於一之光 源及/或多於一之光感受器。特別的，如圖4中的虛線所 示’—第二光感受器64及結合的放大機構65可被聯結至偵 測器72 ’偵測器72不必被聯結至解調機構82。相同的，第 三光感受器66及結合之放大機構67可被聯結至解調機構82 ，但無須被聯結至偵測器72。此一第三光感受器不會參與 偵測所需生理學量，而僅用於資料接收。 一般而言，在本發明之範圍內，必須注意，如果至少 一通常被使用以量測所需生理學量之光學裝置的光源或光 感受器，亦被個別地使用以傳輸或接受資料便已足夠。確 實’已希望經由僅使用一光源或光感受器來完成二功用， 而獲致減少製造成本與簡化構造之優點。亦必須注意，可 較佳地使用一特定光感受器以專用於量測生理學量，且— -11 - (8) (8)1334342 額外之光感受器於接受資料，此已經由限制敏感性而證實 可行。 在本發明之範疇內，其亦有利地提供該器具設有偵測 機構，用以自動地且選擇地啓動生理學量量測功能，或光 學裝置的資料傳輸/接受功能。 由第一範例，可攜式器具因而可包含第一偵測機構， 當光學裝置被攜至與有機組織接觸時，用以自動地啓動光 學裝置之生理學量量測功能。一有利之解決方式，係依據 被至少一光感受器所偵測之光發射強度，決定光學裝置是 否已接受有機組織。 由第二範例，可攜式器具亦可包含第二偵測機構，當 資料係被發射供可攜式器具之用時，用以自動地啓動光學 裝置之資料傳輸及/或接受功能。一有利之解決方式，係 依據被至少一光感受器所偵測之光發射強度，偵測資料是 否已被發射供可攜式器具之用。 再次參考圖4，因而亦有利地提供可攜式器具設有機 構90，用以偵測被一或數個光感受器所擷取之光發射強度 的水平。在實際應用中，當可攜式器具係在量測模式中操 作時，可區別被一外部單位自相同光感受器擷取之信號或 光學信號所傳輸的光學信號’被外部單位產生之光學信號 強度，可被調整至具有較高於生理學量量測期間之光學信 號平均水平的強度水平。 圖5經由一時間經過表槪略地顯示此一可能性，其中 ’以示範之方式添加一代表光學心跳量測的線，及一代表 -12- (9) (9)1334342 被一外部單位所傳輸之調制信號的線’這些信號之個別強 度被選擇實質上爲不同的。經由給予如圖所示之偵測低限 Vth，二形式之信號可因而被區別且可攜式器具被轉移成 爲合適之模式。 由此一原理開始，偵測器72或解調器82之選擇啓動可 被機構9 0執行。解調器8 2亦可被使用以解碼或偵測一被外 部單位傳輸之預定光學控制信號的存在。因而，依據可攜 式器具的已知順序編碼之第一光學控制信號，可被外部單 位傳輸以警告可攜式器具該資料（例如爲組態資料）將被 傳輸。相同的，依據可攜式器具的另一已知編碼順序編碼 之第二光學控制信號，可被傳輸至外部單位以要求可攜式 器具發出資料（例如有關於被貯存在記憶機構7.4中之一段 時間中的所測量生理學量之資料）。 如果在依據單獨擷取信號之強度的光學信號之間的差 別不充份’機構90可選擇地被安排以依據被外部單位所傳 輸之光學信號的獨特調制特色區別信號，例如依據所接受 信號之頻率分析，必須了解，亦可應用其他相等之機構。 最後’必須了解，在不離由申請專利範圍所界定之本 發明的範疇下’習於本技藝者可依據於本說明中所述之實 施例製成多種的修正及/或改善。特別的，本發明並不偶 限於僅使用在一腕錶中’其亦可使用至任何其他的可攜式 應用中，不論是否穿戴在手腕上。 【圖式簡單說明】 -13- 1334342 do) 在i賣取下述之僅爲非限制性範例方式並由所附圖式顯 示的本發明之多數實施例的詳細說明，可更淸楚顯現出本 發明的其他特色與優點，其中： 圖]顯示採取一腕錶的類似形式之依據第一實施範 例所用以量測生理學量之可攜式器具顯示側上的立體圖， 其包含一被安排在器具之前表面上的光學裝置； 圖2顯示亦採取一腕錶的類似形式之依據第二實施 範例的用以量測生理學量之可攜式器具底部側上的立體圖 ’其包含一被安排在器具之底部中的光學裝置； 圖3係虽該^|具被穿戴在手腕上以量測生理學量時， 沿著腕帶之縱向方向取得的圖2之器具的橫剖面圖； 圖4係一方塊圖，顯示依據一實施範例的可攜式器具 之多數組件；及 圖5係一圖表，槪略地顯示如何自量測生理學量期間 擷取之光學信號區別被外部單位傳輸之光學信號，以供選 擇地啓動可撞式器具之適合操作模式的目標之用。 【主要元件符號說明】 1 外殼 2 腕帶 3 顯不裝置 4 光學裝置 5 光學裝置 10 手腕 -14- (11) (11)1334342 4 1 光源 42 光感受器 5 1 光源 52 光感受器 5 3 光感受器 54 光感受器 6 1 光源 62 第一光感受器 6 3 放大機構 64 第二光感受器 6 5 放大機構 66 第三光感受器 67 放大機構 7 0 中央處理單位 7 1 控制電路 72 偵測電路 7 3 顯示裝置 74 記憶機構 7 5 計時系統 81 調制機構 82 解調機構 90 機構

Vth偵測低限 t 時間 -15-

Claims (1)

1334342 拾、申請專利範圍 PfiH牛3A:第〇93115〇〇8號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國99年9月29日修正 1· 一種設有供量測生理學量之光學裝置的可攜式器 具，包含用以量測特別是心跳之生理學量的該光學裝置， 及用以發出及/或接受資料之機構，該光學裝置包含至少 一光源，用以使一部份有機組織受到光線照射，及至少一 光感受器，用以偵測在該有機組織中傳播之後的光發射強 度， 其中該光學裝置亦形成用以發出及/或接受資料的該 機構，該至少一光源及/或該至少一光感受器被安排以個 別地發出資料至一外部單位或自該外部單位接受資料， 其中該光學裝置係在一量測相位與一通訊相位之間轉 換，其於該量測相位期間係操作爲供量測該生理學量之機 構，其於該通訊相位期間係操作爲資料發出及/或接受機 構， 該可攜式器具進一步包含用以貯存資料之記憶機構， 於該量測相位期間，在傳輸該資料之前記憶有關於該生理 學量在一段時間中的發展，且於通訊相位期間將之傳輸至 該外部單位。 2.如申請專利範圍第1項設有供量測生理學量之光學 裝置的可攜式器具，其中該光學裝置係被安排使得當該可 攜式器具被穿戴時，其被攜至永久地接觸有機組織，以使 1334342 操作爲用以量測該生理學量之機構，當該可攜式器具未被 穿戴時，該光學裝置被安排以操作爲資料發出及/或接受 機構。 3. 如申請專利範圍第1項設有供量測生理學量之光學 裝置的可攜式器具，其中該器具包含第一偵測機構，當該 光學裝置被攜至接觸有機組織時，用以自動地啓動該光學 裝置之生理學量量測功能。

4. 如申請專利範圍第3項設有供量測生理學量之光學 裝置的可攜式器具，其中該第一偵測機構依據被光學裝置 的至少一光感受器所偵測之光發射強度，決定該光學裝置 是否接觸有機組織。 5. 如申請專利範圍第3項設有供量測生理學量之光學 裝置的可攜式器具，其中該器具包含第二偵測機構，當資 料被發出至該可攜式器具時，用以自動地偵測該光學裝置 之資料發出及/或接受功能。 6. 如申請專利範圍第5項設有供量測生理學量之光學 裝置的可攜式器具，其中該第二偵測機構在依據被光學裝 置的至少一光感受器所偵測之光發射強度，偵測資料是否 被發出至可攜式器具。 7. 如申請專利範圍第5項設有供量測生理學量之光學 裝置的可攜式器具，其中該光學裝置的資料發出功能與資 料接受功能，均係依據由外部單位所傳輸之預定光學控制 信號而選擇。 -2-