TWI475976B

TWI475976B - 量測裝置

Info

Publication number: TWI475976B
Application number: TW101117962A
Authority: TW
Inventors: You Ming Chiu
Original assignee: You Ming Chiu
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2015-03-11
Also published as: TW201347729A; US20130310677A1; EP2666409A1

Description

量測裝置

本發明提供一種量測裝置，特別是一種量測受測者之脈波信號以及心電信號之裝置，藉此獲得身體不同部位之血壓值以及脈波傳導速率，以作為動脈硬化之風險機率的指標。

隨著社會的高齡化，年老人口逐漸增加，對於醫療設備的需求亦大幅增加，使得醫療資源供不應求大型醫院經常人滿為患。再者，生活壓力的增加使得現代人罹患心血管疾病機率也提高，其中，動脈硬化與高血壓為最常見的症狀。因此，動脈硬化與血壓的自我檢測裝置已逐漸成為醫療產業發展的重要目標。藉由自我檢測的方式，個人能夠隨時監控自己的健康狀況，並能減少醫療資源浪費。

市面上家用型的血壓計已相當普及，然而動脈硬化檢測儀器仍相當昂貴並且不易操作，以歐姆龍為例，必須同時量測四肢的脈波才能計算出作為作為動脈硬化之風險機率指標的脈波傳導速率(pulse wave velocity，PWV)，因而不易攜帶及普及。另雖亦有研究使用心電信號與脈波信號來得到脈波傳導速率，但使用上仍須設定位置等資訊，並不方便而且可能因為設定錯誤導致誤判。有鑑於此本發明提供一種方便攜帶與操作的儀器，並獲得脈波傳導速率。

本發明提供一種量測裝置，用以於量測模式下量測受測者之特定部位的脈波信號。此量測裝置包括一殼體、一感測器、一第一電極、一第二電極、一第一類比前端電路、一第二類比前端電路、記憶體、以及處理器。殼體具有一第一側面以及與第一側面相對之一第二側面。在量測模式下，第一側面面向受測者之特定部位。感測器配置在第一側面，且於量測模式下感測特定部位之一血管脈波波形以產生脈波信號。第一電極配置在第一側面，且於量測模式下產生一第一電位信號。第二電極於量測模式下產生一第二電位信號。第一類比前端電路耦接感測器，且於量測模式下將脈波信號數位化以產生一數位脈波信號。第二類比前端電路耦接第一電極與第二電極，且於量測模式下根據第一電位信號以及第二電位信號間之電位差以作為一心電信號，並將此心電信號數位化。記憶體儲存數位脈波信號以及心電信號。處理器於量測模式下判斷心電信號之極性，以指示特定部位位於受測者身體之一左部分或一右部分。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1A圖係表示根據本發明實施例之量測裝置的外觀，而第1B圖係表示第1A圖中量測裝置之側面圖。參閱第1A與1B圖，從外觀來看，量測裝置1包括外接子裝置 2、殼體10、感測器11、電極12~13、顯示器15、連接埠16、電源開關17、以及環帶18(第1B圖未顯示環帶18)。殼體10配置在環帶18上。殼體10具有一內側面以及一外側面。當量測裝置1放置在受測者19之特定部位(例如手腕或小腿等肢體)以量測生理訊號時，可透過該環帶18將量測裝置繫在受測者之特定部位，此時，殼體10之內側面是面向受測者的特定部位。感測器11與電極12配置在殼體10之內側面，而電極13與顯示器15配置在殼體10之外側面。連接埠16配置在殼體10之一邊緣，例如下邊緣；電源開關17配置在殼體10之另一邊緣，例如上邊緣。第1A與1B圖之實施例中，連接埠16與電源開關17位在殼體10上之位置僅為一示範例。在其他實施例中，連接埠16與電源開關17可配置在殼體10之同一邊緣。

外接子裝置2可選擇性地連接連接埠16。參閱第1A與1B圖，外接子裝置2包括電極14、控制鈕140、以及傳輸線141。當欲使用外接子裝置2時，傳輸線141與連接埠16連接。在一實施例中，連接埠16為符合USB規範之連接埠。

當量測裝置1之電源開關17開啟且量測裝置1繫在受測者之一特定部位時，量測裝置1進入至量測模式。感測器11以及電極12~14之每一者係用來接觸受測者身體之一部位。感測器11係用來感測受測者被接觸部位的血管脈波波形，以產生脈波信號S11並經由數位化處理儲存於記憶體24(顯示於第2圖)，處理器25(顯示於第2圖)根據此脈波信號S11計算而得到血壓值(blood pressure，BP)。在此實施例中，感測器11可以壓力感測器或光感測器來實施。電極12~14之每一者係用來感測受測者被接觸部位的電信號，以產生對應之電位信號S12、S13、S14(顯示於第2以及3圖)。在此實施例中，電極12~14接觸受測者被接觸部位的皮膚。

當欲量測受測者之特定部位的生理訊號時，本發明之量測裝置1可透過環帶18而繫在受測者身體的特定部位，例如之左部分之上肢體或下肢體(如左手腕或左小腿)，或者繫在受測者身體之右部分之上肢體或下肢體(如右手腕或右小腿)。舉例來說，當量測裝置1透過環帶18而繫在受測者身體之左部分的一上肢體(左手腕)時，配置在殼體10之內側面的感測器11與電極12接觸該上肢體。此時，配置在殼體10之外側面的電極13接觸受測者身體之右手(右手指接觸電極13)。在此情況下，外接子裝置2沒有連接連接埠16。在另一種情況下，當量測裝置1透過環帶18而繫在受測者身體之左部分的一下肢體(左小腿)時，配置在殼體10之內側面的感測器11與電極12接觸該下肢體。此時，外接子裝置2連接連接埠16，且電極14接觸受測者身體之右手(右手握住電極14)，而電極13不會接觸受測者因此並不作用。

以下將詳細說明本發明實施例之量測裝置1的詳細架構與操作。

第2圖係表示量測裝置1之方塊圖。在第2圖中示的殼體10、感測器11、電極12~13、顯示器15、連接埠16、以及電源開關17為從量測裝置1外觀可看到的裝置或元件。參閱第2圖，量測裝置1還包括配置在殼體10內的多工器20、偵測電路21、類比前端電路22與23、記憶體24、以及處理器25。第2圖沒有顯示電源開關17以及環帶18，但其已顯示於第1A圖中。

多工器20具有兩輸入端IN20與IN21以及輸出端OUT20。輸入端IN20耦接電極13，而輸入端IN21連接連接埠16之一接腳P160(連接埠16之接腳的連接狀況將於後文詳細敘述)。多工器20受控於偵測信號S21，以選擇性地將輸入端IN20或IN21之信號傳送至輸出端OUT20，以作為電位信號S20。偵測信號S21係由偵測電路S21所產生。在量測模式下，偵測電路21偵測外接子裝置2是否連接連接埠16，且根據偵測結果來產生偵測信號S21。當偵測電路21偵測到外接子裝置2沒有連接連接埠16時，多工器20根據偵測信號S21將來自電極13之電位信號S13傳送至輸出端OUT20，以作為電位信號S20。舉例來說，參閱第2圖，於量測模式，在外接子裝置2沒有連接連接埠16的情況下，量測裝置1透過環帶18而繫在受測者身體之左部分上肢體(例如左手腕，稱為特定部位)，且配置在殼體10之內側面的感測器11與電極12接觸該上肢體以分別產生脈波信號S11以及電位信號S12。此時，配置在殼體10之外側面的電極13接觸受測者身體之右手指，以產生電位信號S13。多工器20則根據偵測信號S21將來自電極13之電位信號S13傳送至輸出端OUT20作為電位信號S20。

參閱第3圖，當偵測電路21偵測到外接子裝置2連接連接埠16時，多工器20根據偵測信號S21將來自電極14 之電位信號S14傳送至輸出端OUT20，以作為電位信號S20。舉例來說，於量測模式，在外接子裝置2連接連接埠16的情況下，量測裝置1透過環帶18而繫在受測者身體之左部分的一下肢體(例如左小腿，稱為特定部位)，且配置在殼體10之內側面的感測器11與電極12接觸該下肢體，以分別產生脈波信號S11以及電位信號S12。此時，電極14接觸受測者身體之上肢體(例如以右手握住外接子裝置2的電極14)以產生電位信號S14。多工器20則根據偵測信號S21將來自電極14之電位信號S14傳送至輸出端OUT20作為電位信號S20。

類比前端電路22接收來自感測器11之脈波信號S11，且對脈波信號S11進行數位化操作，例如放大、濾波、類比-數位轉換，以產生數位脈波信號S22。數位脈波信號S22則傳送至記憶體24儲存。類比前端電路23接收來自電極12之電位信號S12及來自多工器20之電位信號S20，且根據電位信號S12與S20間之電位差以產生心電信號S23。類比前端電路23接著對心電信號S23進行數位化操作，例如放大、濾波、類比-數位轉換。數位化後之心電信號S23則傳送至記憶體24儲存。

處理器25自記憶體24讀取數位脈波信號S22以及心電信號S23。在量測模式下，處理器25可先判斷心電信號S23是否處於一週期性穩定狀態。在此實施例中，處理器25可判斷心電信號S23是否重複出現QRS複波，藉以判斷心電信號S23是否處於週期性穩定狀態。當心電信號S23中重複出現QRS複波時，處理器25則判斷心電信號S23 處於週期性穩定狀態。

在處理器25判斷出心電信號S23處於週期性穩定狀態時，處理器25開始擷取心電信號S23上之參考時間點，並開始擷取脈波信號S11上之參考時間點。處理器25計算此兩參考時間點間之差以獲得脈波傳導時間(pulse transmission time，PTT)，以表示血壓的壓力波從心臟輸出至特定部位所花費的時間長度。第4圖係表示脈波信號S11、心電信號S23、以及受測者之主動脈血壓信號S40。當受測者心臟之主動脈瓣打開時，血液由心臟流至主動脈，此時主動脈之血壓開始上升，而肢體的血壓在一延遲時間後才開始上升。參閱第4圖，主動脈血壓信號S40於時間點T40開始上升，因此可得知，於時間T40時，血液開始從心臟流至主動脈。比照主動脈血壓信號S40與心電信號S23可得知，時間點T40為在心電信號S23之QRS複波之後心電信號S23經處理器25執行二次微分所獲得之二次微分值首次等於0的時間點。因此，在此實施例中，處理器25對心電信號S23做二次微分，且擷取心電信號S23之QRS複波之後，心電信號S23經二次微分後所獲得之二次微分值首次等於0的時間點做為參考時間點T40。

另外，處理器25擷取脈波信號S11開始出現上升波形時的時間點T41作為另一參考時間點。此上升波形表示特定部位之血壓上升。在此實施例中，處理器25對脈波信號S11做一次微分，且擷取在脈波信號S11之U點附近，脈波信號S11經一次微分所獲得之一次微分值等於0的時間點做為參考點T41。處理器25計算此參考時間點間T41與 T40之差以獲得脈波傳導時間。

此外，在處理器25判斷出心電信號S23處於週期性穩定狀態時，處理器S23也開始偵測判斷心電信號S23之極性，藉此得知量測裝置1係配置在受測者身體之左部分還是右部分(即得知特定部位在在受測者身體之左部分的部位還是右部分)。舉例來說，當心電信號S23具有正極性時，處理器S23得知量測裝置1係配置在受測者身體之左部分；而當心電信號S23具有負極性時，處理器S23得知量測裝置1係配置在受測者身體之右部分。此外，處理器25也接收來自偵測電路21之偵測信號S21。根據上述可得知，偵測信號S21係指示外接子裝置2是否連接連接埠16。由於外接子裝置2僅當量測裝置1放置在下肢體才連接連接埠16，因此，偵測信號S21可指示量測裝置1係配置在受測者之上肢體或下肢體(即特定部位在受測者之上肢體或下肢體)。如此一來，在處理器25判斷出心電信號S23處於週期性穩定狀態時，處理器25根據心電信號S23之極性以及偵測信號S21來確定特定部位是受測者左部分之上肢體(如左手腕)、左部分之下肢體(如左小腿)、右部分之上肢體(如右手腕)、或右部分之下肢體(如右小腿)。

處理器25完成確定特定部位後，處理器25根據受測者之身高由標準身材比例(stand body proportion)公式來獲得特定部位與受測者心臟間血管的距離以作為量測距離。受測者已預先將其身高設定於量測裝置1中。處理器25接著將量測距離除以脈波傳導時間以獲得脈波傳導速率(pulse wave velocity)PWV。處理器25可將脈波傳導速率 PWV傳送至顯示器15而顯示於顯示器15。脈波傳導速率PWV為動脈硬化之風險機率的指標，因此受測者可根據脈波傳導速率PWV來得知其動脈硬化之風險機率。此外，顯示器15亦顯示量測裝置1之操作狀態，例如電池剩餘電力。

根據上述，脈波信號S11表示血壓，因此，在一實施例中，在處理器25判斷出心電信號S23處於週期性穩定狀態時，處理器25更可根據脈波信號S11之振幅來判斷受測者之血壓值BP。處理器25可將判斷獲得之血壓值BP傳送至顯示器15而顯示於顯示器15。由於處理器25根據心電信號S23之極性以及偵測信號S21來確定特定部位的位置，因此受測者或醫療人員可得知此血壓值BP係量測自受測者身體的哪一部位，藉此可更精確地對受測者進行診斷。

在一實施例中，處理器25具有一資料庫，其儲存複數脈波傳導速率參考值以及複數動脈硬化之風險機率參考值，且每一脈波傳導速率參考值對應一風險機率參考值。在處理器25獲得脈波傳導速率PWV後，可根據脈波傳導速率PWV之值來對資料庫進行查詢，以獲得對應之一風險機率參考值。處理器25可將獲得之風險機率參考值傳送至顯示器15，使得受測者可藉由顯示器15所顯示之數值可得知其動脈硬化之風險機率。此資料庫也可儲存複數振幅參考值以及血壓參考值。在處理器25獲得脈波信號S11之振幅後，依據此振幅來對資料庫進行查詢，以獲得對應之血壓值。此血壓值包括收縮壓值以及/或舒張壓值。結合血壓及脈波傳導速率PWV將可更全面評估受測者心血管疾病風險。

在上述實施例中，於量測模式下，當量測裝置1繫在受測者之一下肢體時，外接子裝置2需連接連接埠16。而在其他模式下，連接埠16可以與其他裝置連接。在一實施例中，當量測裝置1處於充電模式時，一外部電源連接連接埠16，以對量測裝置1充電。在另一實施例中，當量測裝置1處於資料傳輸模式時，一外部主機連接連接埠16,以使得量測裝置1之記憶體24所儲存的一次或多次量測資料，包括獲得該一或多次量測資料的時間、數位脈波信號S22、以及心電信號S23可傳送至該外部主機。

在上述實施例中，偵測電路21係偵測外接子裝置2是否連接連接埠16。在一實施例中，偵測電路21可藉由偵測連接埠16上一特定接腳之電壓來偵測外接子裝置2是否連接連接埠16。舉例來說，連接埠16具有至少二個接腳(不包含電源接腳VDD及GND)，且外接子裝置2之傳輸線141具有與連接埠16一樣數目之接腳。如第2與3圖所示，連接埠16具有兩接腳P160與P161。多工器20之輸入端IN21耦接接腳P160。量測裝置1具有一上拉電阻器R10，其耦接於供電電壓VDD與接腳P161之間。此外，偵測電路21亦耦接接腳P161。參閱第3圖，外接子裝置2亦具有兩接腳P20與P21。外接子裝置2之電極14耦接接腳P20。外接子裝置2具有一下拉電阻R20，其耦接於接腳P21與接地之間。當在量測模式下外接子裝置2連接連接埠16時，外接子裝置2之接腳P20與P21分別耦接連接埠16之接腳P160與P161。此時，根據上拉電阻R10與下拉電阻R20 之電阻值於接腳P161得到一電壓。偵測電路21偵測到接腳P161具有此電壓時，則判斷外接子裝置2透過傳輸線141連接連接埠16，且自接腳P160獲取電位信號S14以傳送至多工器21之輸入端IN21。

參閱第5圖，在資料傳輸模式時，一外部主機3連接連接埠16。外部主機3亦具有與連接埠16一樣數目之接腳。如第5圖所示，外部主機3具有兩接腳P30與P31。此外，外部主機3包括一記憶體30以及一下拉電阻R30。此記憶體30耦接接腳P30，而下拉電阻R30，其耦接於接腳P31與接地之間。在資料傳輸模式時，根據上拉電阻R10與外部主機3之下拉電阻R30之電阻值於接腳P161得到另一電壓。偵測電路21偵測到接腳P161具有此另一電壓時，則判斷外部主機3連接連接埠16。根據上述可得知在此偵測方式下，偵測電路21可根據接腳P161之電壓來判斷耦接連接埠16之裝置是外接子裝置2或外部主機3。

在另一實施例中，在連接埠16旁間設置一機械開關。當外接子裝置2透過傳輸線141連接連接埠16時，此機械開關被觸碰而導通。此時，偵測電路21接收到來自機械開關之導通信號，以判斷外接子裝置2連接連接埠16。

在上述實施例中，電極13配置在殼體10之外側面。在另一實施例中，電極13係透過連接埠16耦接殼體10。如第6圖所示，連接埠16更包括接腳P162，電極16透過接腳P162耦接多工器20之輸入端IN20。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧量測裝置

2‧‧‧外接子裝置

3‧‧‧外部主機

10‧‧‧殼體

11‧‧‧感測器

12...14‧‧‧電極

15‧‧‧顯示器

16‧‧‧連接埠

17‧‧‧電源開關

18‧‧‧環帶

19‧‧‧受測者

20‧‧‧多工器

21‧‧‧偵測電路

22、23‧‧‧類比前端電路

24‧‧‧記憶體

25‧‧‧處理器

30‧‧‧記憶體

140‧‧‧控制鈕

141‧‧‧傳輸線

BP‧‧‧血壓值

P20、P21、P30、P31、P160、P161‧‧‧接腳

PTT‧‧‧脈波傳導時間

PWV‧‧‧脈波傳導速率

R10‧‧‧上拉電阻

R20、R30‧‧‧下拉電阻

S11‧‧‧脈波信號

S12...S14‧‧‧電位信號

S20‧‧‧電位信號

S22‧‧‧數位脈波信號

S23‧‧‧心電信號

S40‧‧‧主動脈血壓信號

T40、T41‧‧‧參考時間點

第1A圖表示根據本發明一實施例之量測裝置；第1B圖係表示第1A圖中量測裝置之側面圖。

第2圖表示當連接埠沒有連接一外接子裝置時量測裝置之示意方塊圖；第3圖表示當一外接子裝置連接連接埠時量測裝置之示意方塊圖；第4圖表示受測者之特定部位的脈波信號、心電信號、以及受測者之主動脈血壓信號；第5圖表示當一外部主機連接連接埠時量測裝置之示意方塊圖；以及第6圖係表示根據本發明另一實施例之量測裝置。