TWI381823B - 脈搏感測器 - Google Patents

Description

脈搏感測器

本發明係有關於一種脈搏感測器，特別是有關於一種經由光偵測器感測使用者身體組織因血液流動使光訊號改變以感測使用者脈搏之脈搏感測器。

有各種方法用來感測人體之脈搏訊號，光脈搏感測器為習用裝置之一。此種感測器包含一個光發射器及一個光偵測器，用以感測經由人體組織因血液流動使光訊號改變而取出人體之脈搏訊號。為抑制由光偵測器所測得之訊號中來自週遭之背景訊號，對於光脈搏感測器之運作甚為重要。在授予Lanny L. Lewyn之美國專利第4,258,719號案中，非同步之週邊訊號刪除電路被用於脈搏速度量測系統。此電路包含一個儲存電容器，耦合在一個分離汲極場效電晶體之閘極及源極電極之間，已在紅外線(infra-red)載子脈衝之間儲存等效週邊光電流之電荷，而在紅外線脈衝時從光二極體之輸出電流抵消週邊光電流。由於對比於要抵消電流之紅外線脈衝之短期間，電容器儲存之電荷是被長時間積存電流所平均掉，因此週邊光電流將不完全被抵消，原因是週邊光電流係隨時間在變化。

本發明之目的在提供一種具有改進之週邊光源抵消電路之脈搏感測器。

為達成上述目的，本發明之第一觀點在教導一種脈搏感測器，自人體之血液脈動感測脈搏訊號，包含：時脈產生手段，以週期性提供週期在0.5毫秒至20毫秒間之第一脈衝，及在第一脈衝無效間隔時程內，範圍在20微秒至200微秒之有效間隔時程t2之第二脈衝，及在第一脈衝無效間隔時程內，有效間隔時程t2 之第三脈衝，第三脈衝有效間隔時程緊接第二脈衝有效間隔時程之終點開始，以及在第一脈衝無效間隔時程內且在第二脈衝之無效間隔時程內，範圍在20微秒至200微秒之有效間隔時程t4 之第四脈衝，第四脈衝之有效間隔時程緊接於第三脈衝之有效間隔時程之終點開始；一個發光二極體(LED)，於第二脈衝之有效間隔時程內供發射脈衝光至人體組織；一個光偵測器，提供偵測電流訊號，以響應接收之光訊號，此光訊號源於脈衝光及週邊光訊號並被流過人體組織之血液脈動所調變；一個第一電容器；一個第一開關，連接於第一電容器之兩端，於第一脈衝有效間隔時程內使第一電容器放電至零；訊號感測手段，於第二脈衝有效間隔時程內，以相應於偵測電流訊號之電荷充電於該第一電容器，並於第三脈衝有效間隔時程內，以相應於偵測電流訊號之電荷自第一電容器放電，以抵消先前儲存於第一電容器之週邊光訊號相關之電荷，及提供第一電壓訊號，此訊號相應於抵消週邊光訊號後儲存於第一電容器之血液脈動訊號之電荷；一個第二電容器；訊號取樣手段，於第四脈衝有效間隔時程內，供儲存第一電壓訊號於第二電容器，並提供與儲存於第二電容器包含血液脈動訊號電壓成正比之第二電壓訊號；響應於包含於第二電壓訊號電壓之血液脈動訊號，提供脈搏訊號給脈搏感測器之輸出之手段；一個電源調節器，提供固定電壓源給脈搏感測器之電路。

本發明之第二觀點在教導一種脈搏感測器之訊號感測器，包含：一個第一運算放大器，其負輸入端連接至一個參考電壓源；一個第一p通道場效電晶體，源極連接至固定電壓源，閘極連接至第一運算放大器之輸出端，汲極連接至運算放大器之正輸入端及光偵測器之輸出，以提供相應於光偵測器之電流之第一電流參考電壓給第一運算放大器之輸出端；一個第二p通道場效電晶體，源極連接至固定電壓源，閘極連接至第一運算放大器之輸出端以一個固定比例提供正比於光偵測器之電流之第一參考電流供汲極輸出；一個第三p通道場效電晶體，源極連接至固定電壓源，閘極連接至第一運算放大器之輸出端以同一固定比例提供正比於光偵測器之電流之第二參考電流供汲極輸出；一個第一n通道場效電晶體，源極連接至系統電源供應器之接地，閘極及汲極皆連接至第二p通道場效電晶體之汲極以於汲極提供相應於第一參考電流之第二電流參考電壓一個第二n通道場效電晶體，源極連接至系統電源供應器之接地，閘極連接至第一n通道場效電晶體之汲極以1:1之比例提供相應於第一參考電流之第三參考電流；一個第二運算放大器，其正輸入端連接至參考電壓源，輸出端連接至第一電容器之一端，負輸入端連接至第一電容器之另一端，以於第二脈衝之有效間隔時程內，將第二參考電流之電荷，經由連接於第三p通道場效電晶體之汲極及其負輸入端之第二開關充電於第一電容器，並將第三參考電流之電荷，於該第三脈衝之有效間隔時程內，自第一電容器經由連接於第二n通道場效電晶體之汲極及其負輸入端之第三開關放電，並於輸出端提供第一電壓訊號。

本發明之以上及其他目的及優點參考以下之參照圖示及最佳實施例之說明而更易完全瞭解。

本發明之較佳具體實施例顯示於第1至6圖。

請參考第1圖，脈搏感測器10 包含一個電源調節器11 ，為脈搏感測器中之電路提供一個固定電壓源20 。一個時脈產生器12 產生控制訊號給LED驅動器13 及訊號感測器15 。一個光發射及偵測器14 接收來自LED驅動器13 之驅動訊號27 ，並輸出光訊號33 給訊號感測器15 。一個訊號放大器16 在訊號感測器15 之後，用以放大感測到之訊號68 而訊號放大器16 之輸出訊號之高頻訊號69 被低通濾波器17 過濾。一個脈衝感測器18 置於最後一級以自濾波後之訊號70 感測出脈搏訊號71 。

請參考第2圖，時脈產生器12 包含一個振盪器81 及一個系統控制訊號產生器82 。振盪器81 產生固定之頻率時脈訊號83 供系統控制訊號產生器82 產生四個系統控制訊號，包括第一控制訊號21 、第二控制訊號22 、第三控制訊號23 及第四控制訊號24 。四個系統控制訊號之時序顯示於第3圖。四個系統控制訊號係具有相同週期之週期性脈衝訊號，而為具有不同比率之高位準訊號及低位準訊號。四個系統控制訊號間之相位為固定。

LED驅動器13 之詳細電路顯示於第4圖。PMOS場效電晶體25 之閘極連接至第二控制訊號22 。當第二控制訊號22 為低位準時，PMOS場效電晶體25 被接通，而第二控制訊號22 為高位準時，PMOS場效電晶體25 被切斷。PMOS場效電晶體25 之源極連接至固定電壓源20 ，而PMOS場效電晶體25 之汲極連接至電阻26 之一個端點。自LED驅動器13 輸出之驅動訊號27 則連接至電阻26 之另一端點。

如第5圖所示，發光二極體(LED)28 備用於發射光，而感光電晶體29 則用作脈搏感測器10 之光感測器，此為一例。LED28 之陽極連接至光發射及偵測器14 之輸入以接收驅動訊號27 。LED28 之陰極連接至脈搏感測器10 之電源供應之接地。當PMOS場效電晶體25 被接通，自LED驅動器13 輸出之驅動訊號27 將提供固定之電壓及固定之電流給LED28 ，而具有固定強度之光線31 自LED28 向人體之手指30 發射。當反射光線32 被感光電晶體29 接收時，光訊號33 自感光電晶體29 之集極輸出至訊號感測器15 。光訊號33 為感光電晶體29 響應於反射光線32 之強度所產生之光電流。反射光線32 之強度與自LED28 發射之光線31 及週邊光線(未圖示)有關，兩者皆為流過人體之手指30 之血液脈衝所調變。當第二控制訊號22 為高位準時，光線31 不自LED28 發射，光訊號33 僅響應於週邊光線。

訊號感測器15 詳細電路顯示於第6圖，光訊號33 從PMOS場效電晶體44 之汲極為進入訊號感測器15 。PMOS場效電晶體44 之源極連接至固定電壓源20 ，而PMOS場效電晶體44 之閘極連接至運算放大器42 之輸出端43 。運算放大器42 之負輸入端連接至參考電壓源41 ，此電壓源為參考電壓產生器40 之輸出。運算放大器42 之正輸入端連接至PMOS場效電晶體44 之汲極以形成運算放大器42 之反饋回路。參考電壓源41 之電壓水準是被設計在與固定電壓源20 之電壓水準成固定比率。固定電壓源20 之一半電壓水準為參考電壓源41 之最佳值。PMOS場效電晶體44 汲極之電壓將追隨參考電壓源41 之電壓，因而在PMOS場效電晶體44 之源極與汲極之電壓為一固定電壓。因為在運算放大器42 之輸出端43 之電壓訊號係響應於PMOS場效電晶體44 之汲極電流，因而在運算放大器42 之輸出端43 之電壓訊號將響應於光訊號33 。PMOS場效電晶體45 之閘極及PMOS場效電晶體51 之閘極連接至運算放大器42 之輸出端43 。PMOS場效電晶體45 之源極及PMOS場效電晶體51 之源極連接至固定電壓源20 。PMOS場效電晶體45 之汲極連接至NMOS場效電晶體47 之汲極。NMOS場效電晶體47 之閘極及NMOS場效電晶體49 之閘極於接點48 連接至NMOS場效電晶體47 之汲極。NMOS場效電晶體47 之源極及NMOS場效電晶體49 之源極連接至脈搏感測器10 之電源供應之接地。NMOS場效電晶體49 之汲極連接至NMOS場效電晶體50 之源極，而PMOS場效電晶體51 之汲極連接至PMOS場效電晶體52 之源極。PMOS場效電晶體52 之汲極及NMOS場效電晶體50 之汲極連接至運算放大器59 之負輸入端。運算放大器59 之正輸入端連接至參考電壓源41 。電容器62 之一端及開關63 之一端連接至運算放大器59 之負輸入端61 。電容器62 之另一端及開關63 之另一端連接至運算放大器59 之輸出端60 。電容器66 之一端及開關64 之一端連接至運算放大器65 之負輸入端67 。開關64 之另一端連接至運算放大器59 之輸出端60 ，而電容器66 之另一端連接至脈搏感測器10 之電源供應之接地。運算放大器65 之輸出端接至運算放大器65 之負輸入端。如此，運算放大器65 之功能為一個緩衝放大器(unit gain buffer)。第一控制訊號21 係輸入至開關63 之控制端，而第四控制訊號24 係輸入至開關64 之控制端。第二控制訊號22 係輸入至PMOS場效電晶體52 之閘極，而第三控制訊號23 係輸入至NMOS場效電晶體50 之閘極。

當第一控制訊號21 為高位準時，開關63 接通，原來儲存於電容器62 之電荷被放電至零電位。於第一控制訊號21 自高位準變為低位準後，經過短期間t21 ，第二控制訊號22 自高位準變為低位準。當第二控制訊號22 為低位準時，PMOS場效電晶體52 將導通，電流54 自PMOS場效電晶體52 之汲極輸出。由於第一控制訊號21 及第三控制訊號23 皆為低位準，因此開關63 及NMOS場效電晶體50 為斷路，使流過電容器62 之電流58 等於電流54 。自PMOS場效電晶體51 之汲極輸出之電流53 係依PMOS場效電晶體51 及PMOS場效電晶體44 之閘極大小之比值而與光訊號33 成比例。較佳之比值為1比4。PMOS場效電晶體51 之閘極大小為PMOS場效電晶體44 之閘極大小之四分之一。PMOS場效電晶體45 之閘極大小與PMOS場效電晶體51 之閘極大小一樣，自PMOS場效電晶體45 之汲極輸出之電流46 與電流53 有相同之值。由於電流46 流入NMOS場效電晶體47 之汲極，因此接點48 之電壓訊號是相應於電流46 。NMOS場效電晶體49 之閘極大小與NMOS場效電晶體47 之閘極大小一樣，由接點48 之電壓訊號之控制，等於電流46 之電流55 將進入NMOS場效電晶體49 之汲極。由於電流54 等於電流53 ，因此電流58 以1比4之比例正比於光訊號33 。由電流58 充電於電容器62 之電荷在此期間包含相關於光線31 及週邊光線之脈搏訊號。

第二控制訊號22 在低位準經過短期間t22 後，變為高位準，而同一時間第三控制訊號23 自低位準變為高位準，因此PMOS場效電晶體52 斷路而NMOS場效電晶體50 為導通。電流54 成為零而電流56 進入NMOS場效電晶體50 之汲極。然後電流58 由電流54 變為電流56 。由於電流56 等於進入NMOS場效電晶體50 汲極之電流55 ，因而電流58 亦以1比4之比例與光訊號33 成正比。由於LED28 被切斷而電流58 流經電容器62 之方向反向，因此在此期間被電流58 從電容器62 放電出來之電荷僅包含相關於週邊光線之脈搏訊號。

第三控制訊號23 在高位準經過短期間t23 後，變為低位準，因此NMOS場效電晶體50 被切斷而電流56 為零。由於流經電容器62 之電流58 為零，存留於電容器62 之電荷Qc62 保持不變。短期間t22 及短期間t23 具有相同之期間。短期間t22 及短期間t23 之較佳期間為62微秒。因為期間短，在短期間t23 時光訊號33 內之週邊光訊號接近於在短期間t22 時光訊號33 內之週邊光訊號，因此週邊光訊號在短期間t22 充電於電容器62 之電荷於短期間t23 自電容器62 被放電。存留於電容器62 之電荷Qc62 僅包括光線31 帶有之脈搏訊號，因為週邊光訊號已被抵消。運算放大器59 之輸出端60 之電壓訊號成為直流參考電壓加上跨於電容器62 上帶有脈搏訊號之電壓。

當第三控制訊號23 自高位準變為低位準後，經過短期間t24 後，第四控制訊號24 將自低位準變為高位準。當第四控制訊號24 為高位準時，開關64 導通。運算放大器59 之輸出端60 之電壓訊號傳送至運算放大器65 之輸入端67 並儲存於電容器66 。第四控制訊號24 停留在高位準經過短期間t25 後，改變為低位準以使開關64 切斷。運算放大器65 輸出端之電壓訊號68 為僅帶有相關於光線31 之脈搏訊號之取樣及保持之訊號。當第四控制訊號24 自高位準變為低位準後，經過短期間t26 後，第一控制訊號21 自低位準變為高位準，開關63 導通，使電容器62 放電至零。第一控制訊號21 停留在高位準一段期間t27 後，變為低位準，使開關63 切斷並開始下一操作循環之訊號感測。操作一次之較佳週期為2毫秒，感測脈搏之取樣頻率為500Hz。

感測到之訊號68 以交流耦合方式傳送給訊號放大器16 ，因此在往後之步驟中，僅脈搏訊號被放大。自訊號放大器16 輸出之放大訊號69 被傳送到低通濾波器17 。因為脈搏之最大頻率為4Hz，此頻率遠較感測脈搏訊號之取樣頻率為低。具有一階之低通濾波器已足夠輸出圓滑之脈搏訊號。最後，自低通濾波器17 輸出之濾波後之訊號70 被傳送到脈衝感測器18 。脈衝感測器之電路可為具有參考電壓當作脈衝訊號之臨界值之電壓比較器。當輸入之濾波後之訊號70 較臨界值高，脈搏訊號71 被感測到並自脈衝感測器18 輸出。

本發明之脈搏感測器能夠從感測之光脈搏訊號抵消週邊光訊號獲得良好之結果並對脈搏感測訊號之感測有極大之幫助。

藉由以上較佳之具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實例來對本發明之範疇加以限制。相反的，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範疇內。

10．．．脈搏感測器

11．．．電源調節器

12．．．時脈產生器

13．．．LED驅動器

14．．．光發射及偵測器

15．．．訊號感測器

16．．．訊號放大器

17．．．低通濾波器

18．．．脈衝感測器

20．．．固定電壓源

21．．．第一控制訊號

22．．．第二控制訊號

23．．．第三控制訊號

24．．．第四控制訊號

25．．．PMOS場效電晶體

26．．．電阻

27．．．驅動訊號

28．．．LED

29．．．感光電晶體

30．．．手指

31．．．光線

32．．．反射光線

33．．．光訊號

24．．．第四控制訊號

40．．．參考電壓產生器

41．．．參考電壓源

42．．．運算放大器

43．．．輸出端

44．．．PMOS場效電晶體

45．．．PMOS場效電晶體

47．．．NMOS場效電晶體

48．．．接點

49．．．NMOS場效電晶體

50．．．NMOS場效電晶體

51．．．PMOS場效電晶體

52．．．PMOS場效電晶體

54．．．電流

55．．．電流

56．．．電流

58．．．電流

59．．．運算放大器

60．．．輸出端

61．．．負輸入端

62．．．電容器

63．．．開關

64．．．開關

65．．．運算放大器

66．．．電容器

67．．．負輸入端

68．．．感測到之訊號、電壓訊號

69．．．放大訊號

70．．．濾波後之訊號

71．．．脈搏訊號

81．．．振盪器

82．．．系統控制訊號產生器

第1圖係本發明之方塊圖。

第2圖係依據本發明之時脈產生器之方塊圖。

第3圖係依據本發明之系統控制訊號之時序圖。

第4圖係依據本發明之LED驅動器之電路圖。

第5圖係依據本發明之光發射及偵測器之示意圖。

第6圖係依據本發明之訊號感測器之電路圖。

10．．．脈搏感測器

11．．．電源調節器

12．．．時脈產生器

13．．．LED驅動器

14．．．光發射及偵測器

15．．．訊號感測器

16．．．訊號放大器

17．．．低通濾波器

18．．．脈衝感測器

20．．．固定電壓源

33．．．光訊號

68．．．感測到之訊號、電壓訊號

69．．．放大訊號

70．．．濾波後之訊號

71．．．脈搏訊號

Claims (2)

1. 一種脈搏感測器，自人體之血液脈動感測脈搏訊號，至少包含：時脈產生手段，以週期性提供週期在0.5毫秒至20毫秒間之第一脈衝，及在該第一脈衝無效間隔時程內，範圍在20微秒至200微秒之有效間隔時程t2 之第二脈衝，及在該第一脈衝無效間隔時程內，有效間隔時程t2 之第三脈衝，該第三脈衝有效間隔時程緊接該第二脈衝有效間隔時程之終點開始，以及在該第一脈衝無效間隔時程內且在該第二脈衝之無效間隔時程內，範圍在20微秒至200微秒之有效間隔時程t4 之第四脈衝，該第四脈衝之有效間隔時程於該第三脈衝之有效間隔時程之終點後開始；一個發光二極體(LED)，於該第二脈衝之有效間隔時程內供發射脈衝光至人體組織；一個光偵測器，提供偵測電流訊號，以響應接收之光訊號，此光訊號源於該脈衝光及週邊光訊號並被流過人體組織之血液脈動所調變；一個第一電容器；一個第一開關，連接於該第一電容器之兩端，於第一脈衝有效間隔時程內使該第一電容器放電至零；訊號感測手段，於第二脈衝有效間隔時程內，以相應於該偵測電流訊號之電荷充電於該第一電容器，並於第三脈衝有效間隔時程內，以相應於該偵測電流訊號之電荷自該第一電容器放電，以抵消先前儲存於該第一電容器之週邊光訊號相關之電荷，及提供第一電壓訊號，此訊號相應於抵消週邊光訊號後儲存於該第一電容器之血液脈動訊號之電荷；一個第二電容器；訊號取樣手段，於該第四脈衝有效間隔時程內，供儲存該第一電壓訊號於該第二電容器，並提供與儲存於該第二電容器包含血液脈動訊號電壓成正比之第二電壓訊號；響應於包含於該第二電壓訊號電壓之血液脈動訊號，提供脈搏訊號給該脈搏感測器之輸出之手段；一個電源調節器，提供固定電壓源給該脈搏感測器之電路。
2. 如申請專利範圍第1項之脈搏感測器，其中該訊號感測手段至少包含：一個第一運算放大器，其負輸入端連接至參考電壓源；一個第一p通道場效電晶體，源極連接至該固定電壓源，閘極連接至該第一運算放大器之輸出端，汲極連接至該運算放大器之正輸入端及光偵測器之輸出，以提供相應於該光偵測器之電流之第一電流參考電壓給該第一運算放大器之輸出端；一個第二p通道場效電晶體，源極連接至該固定電壓源，閘極連接至該第一運算放大器之輸出端以一個固定比例提供正比於該光偵測器之電流之第一參考電流供汲極輸出；一個第三p通道場效電晶體，源極連接至該參考電壓源，閘極連接至該第一運算放大器之輸出端以同一該固定比例提供正比於該光偵測器之電流之第二參考電流供汲極輸出；一個第一n通道場效電晶體，源極連接至系統電源供應器之接地，閘極及汲極皆連接至該第二p通道場效電晶體之汲極以於汲極提供相應於該第一參考電流之第二電流參考電壓一個第二n通道場效電晶體，源極連接至系統電源供應器之接地，閘極連接至該第一n通道場效電晶體之汲極以1:1之比例提供相應於該第一參考電流之第三參考電流供汲極輸出；一個第二運算放大器，其正輸入端連接至參考電壓源，輸出端連接至該第一電容器之一端，負輸入端連接至該第一電容器之另一端，以於該第二脈衝之有效間隔時程內，將該第二參考電流之電荷，經由連接於該第三p通道場效電晶體之汲極及其負輸入端之第二開關充電於該第一電容器，並將該第三參考電流之電荷，於該第三脈衝之有效間隔時程內，自該第一電容器經由連接於該第二n通道場效電晶體之汲極及其負輸入端之第三開關放電，並於輸出端提供該第一電壓訊號。