TWI486147B - 即時生理信號量測及回饋系統 - Google Patents

Description

即時生理信號量測及回饋系統

本發明係與一種生理信號量測裝置有關，特別是與一種即時的光體積變化描述波形之生理信號量測及回饋系統有關。

為了量測光體積變化描述波形之生理信號，習知之生理信號量測裝置係採用一彈簧夾結構，以將一感測模組夾固於一使用者之手指上。彈簧夾結構具有兩夾片及一彈性件，兩夾片係利用彈性件作為一樞結點，且感測模組具有一發光二極體及一光接收器，發光二極體及光接收器係分別設置於兩夾片上。當彈簧夾結構夾固於手指上時，設置於兩夾片之一上的發光二極體將位於手指之一側，而設置於兩夾片之另一者上的光接收器將位於手指之另一側。發光二極體會發射一光源來穿透手指，由於手指中血液的變化，穿透手指後之光源將會有不同亮度的變化，由光接收器接收亮度產生變化之光源後，感測模組可以感測得到例如光體積變化描述波形的使用者之生理信號，並且將生理信號量測裝置配設於生理監視器上，以供照護人員觀察使用者之生理信號和生理參數。

然而，上述彈簧夾結構係採用夾固方式，來將感測模組固定於使用者之手指上，由於彈簧夾結構易受拉扯，或是因使用者移動手指等動作，而使得感測模組脫落。此外，生理監視器之體積過大，僅適用於臨床醫療用，並不適用於日常生活中。為了改善上述問題，近年來有業者將光體積變化描述波形之感測模組，配置於一採用戒指結構之生理信號量測 裝置上，以改善彈簧夾結構易脫落的缺點。不過，此戒指結構會受到不同使用者的限制，因每一使用者的手指尺寸不同，而使得戒指結構無法貼緊使用者之手指，進而影響到感測模組的感測。

由於上述配置感測模組之生理信號量測裝置，皆係採固定於使用者之手指的方式來作量測，使其常容易因使用者之手部動作而影響量測結果，亦或影響到使用者日常生活中的行為動作。為了避免上述影響，台灣發明專利公告第201036591號之心律變異度之量測耳機，係將感測模組裝設於一耳機結構中。然而，上述專利係採用反射式感測模組，光接收器所接收的發光二極體之亮度相對於穿透式感測模組來得小，因此感測模組所量測的光體積變化描述波形之生理信號也亦易於受到雜訊干擾。

因此，如何改善上述習知之生理信號感測模組容易因使用者運動而產生雜訊干擾的缺點，並且消除雜訊干擾，以減少信號處理所需之耗電量，是本技術領域亟欲解決之問題。

本發明之一目的在於提供一種即時生理信號量測及回饋系統，其所具有之一感測模組可藉由磁性單元而可更穩固地佩戴於使用者身上，且感測模組感測一運動中的使用者之生理信號時，可有效降低移動時所產生的雜訊。

本發明之另一目的在於提供一回饋平台，其可根據上述感測模組所接收之生理參數的異常與否，而提供使用者一警示效果，並讓照護人員得以了解使用者之生理參數及一座標位置，以供照護人員進行看護。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為了達到上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例的一種即時生理信號量測及回饋系統，包括一感測模組、一信號處理模組及一回饋平台。

感測模組適於佩戴於一使用者之一身體部位上，其包括一第一磁性單元及一第二磁性單元。第一磁性單元具有一發光二極體，第二磁性單元具有一感光元件，其中在第一磁性單元隔著身體部位與第二磁性單元相吸而固定時，發光二極體會發射一光線並可穿透身體部位，感光元件會接收穿透身體部位之光線，進而產生一第一電信號。在一實施例中，感測模組包括一重力感測加速器，當感測模組晃動時，將觸發重力感測加速器而產生一第三電信號。

信號處理模組係電性連接至感測模組，以接收第一電信號，且包括一運算放大單元、一轉換單元及一無線傳輸單元。運算放大單元係用以處理第一電信號，並產生一第二電信號。轉換單元係電性連接至運算放大單元，並將第二電信號轉換為一數位信號。無線傳輸單元係電性連接至轉換單元，並用以發射數位信號。

回饋平台則包括一無線接收單元、一即時處理單元及一警示單元。無線接收單元會接收來自無線傳輸單元之數位信號，而即時處理單元係訊號連接至無線接收單元，以運算數位信號並產生一生理參數。警示單元係電性連接即時處理單元，並根據生理參數而觸發一警示效果。

在一實施例中，數位信號具有一雜訊信號，即時處理單元包括一帶通濾波器、一平方放大器及一微分處理器。帶通濾波器用以消除雜訊信號，平方放大器會將消除雜訊信號後之數位信號放大，而微分處理器則將放大後之數位信號作微分處理，而產生一斜率值。即時處理單元更包括一波峰偵測單元及一心率計算單元。波峰偵測單元會根據斜率值，來計算所得到複數波峰值，心率計算單元則會根據每兩波峰值所出現之間的一時間差而得到一心率值。

在一實施例中，警示單元具有一參考值範圍，當生理參數大於參考值範圍或小於參考值範圍時，則警示單元會觸發警示效果。其中，警示效果包括一音效動作、一震動動作或一訊息提示。

在一實施例中，回饋平台包括一行動通訊裝置，且其係以訊號連接至一管控平台，管控平台包括一醫療中心。其中，回饋平台包括一定位系統及一行車記錄系統，定位系統具有一座標位置，行車記錄系統將紀錄一行車影像，且回饋平台會將座標位置、行車影像及生理參數傳送至管控平台。其中，行車影像包括一車內影像及一車外影像。

相較於習知，本發明實施例可以改變即時生理信號量測及回饋系統中之感測模組的結構，藉由第一磁性單元及第二磁性單元相吸的特性，而使得感測模組在掛戴於使用者身上時，能夠更穩固進而減少運動雜訊干擾，以有效改善感測模組所抓取之原始信號品質，而使得後端之信號處理模組所需處理之信號相對減少，且感測模組之結構配係設置於使用者之耳垂上，如同一藍芽耳機，而使其較不易影響日常生活活 動行為。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參考第一圖，其係為本發明實施例之即時生理信號量測及回饋系統的系統示意圖。一種即時生理信號監測及回饋系統，適於穩固地佩戴於一例如耳朵之身體部位上，而可有效減少移動時所產生的雜訊。即時生理信號量測及回饋系統包括一感測模組100、一信號處理模組200及一回饋平台300。其中，感測模組100及信號處理模組200係可例如裝設於一耳機結構10上，而適合於掛戴於一使用者U的耳朵上，進而達到方便佩帶之功能。信號處理模組200係訊號連接至例如一行動通訊裝置之回饋平台300，甚而可訊號連接至一例如一醫療中心之管控平台400，以達到警示使用者U或提醒醫療中心的照護人員之功效。

配合參照第二圖，其係為本發明實施例中之感測模組及信號處理模組的方塊示意圖。感測模組100包括一第一磁性單元110及一第二磁性單元120，第一磁性單元110具有一發光二極體111，而第二磁性單元120具有一感光元件121。在第一磁性單元110隔著身體部位與第二磁性單元120相吸而固定時，發光二極體111會發射一光線L並可穿透身體部位，感光元件121會接收穿透身體部位之光線L，進而產生 一第一電信號S1。

在一實施例中，如第三圖所示，其係為感測模組的結構示意圖。第一磁性單元110及第二磁性單元120皆係為磁環，其中磁環之材料係採用釹磁鐵(Neodymium magnet)，其主要係由釹、鐵與硼所構成，並具有永久的強磁力。發光二極體111及感光元件121係分別配置於第一磁性單元110及第二磁性單元120中，其中發光二極體111可以例如為一紅外光發光二極體(IR LED)。

當使用者U將第一磁性單元110及第二磁性單元120分別放置於使用者U的一耳垂之兩側，第一磁性單元110及第二磁性單元120會相吸，進而可快速地且精準地將分別位於第一磁性單元110中的發光二極體111及第二磁性單元120中的感光元件121對準，並藉由磁力來夾住耳垂而使其固定於使用者U的耳朵上，並使得感測模組100更穩固，減少因為其之晃動帶來的雜訊，同時令本發明實施例之即時生理信號量測及回饋系統便於使用於日常生活中，而不致於影響到身體等其餘部位的動作。

信號處理模組200係電性連接至感測模組100，以接收第一電信號S1，並包括一運算放大單元210a-210d、一轉換單元220、一微處理器230及一無線傳輸單元240。運算放大單元係由一緩衝器210a、一高通濾波器210b、一低通濾波器210c及一增益器210d所組成，其係用以處理第一電信號S1，第一電信號S1在經過緩衝器210a、高通濾波器210b、低通濾波器210c及增益器210d處理後，會產生一第二電信號S2。轉換單元220可以例如為一類比/數位轉換器，電性連接 增益器210d，並將第二電信號S2轉換為一第一數位信號D。微處理器230係電性連接於無線傳輸單元240及轉換單元220之間，微處理器230會將第一數位信號D傳輸至無線傳輸單元240，並在藉由無線傳輸單元240而轉換為一第二數位信號D’後，以無線傳輸單元240將第二數位信號D’傳送至回饋平台300。

在一實施例中，信號處理模組200係為一系統單晶片(System-on-a-chip，SoC)，並且可以採用表面貼裝元件(Surface Mounted Devices，SMD)來減小其中之硬體電路的體積。請參照第三A及三B圖，感測模組100及信號處理模組200分別配置於不同的耳機結構中，第三A圖中之耳機結構10a可以例如為一藍芽耳機，第三B圖中之耳機結構10b可以例如為一後掛式運動耳機，其中感測模組100皆配設於鄰近耳機之音源端11a、11b處，以便於使用者在佩戴耳機時，可以使得感測模組100之第一磁性單元及第二磁性單元相吸而固定於耳垂上，而信號處理模組200則可配設於耳機之機身12a、12b上。

同時參照第二圖及第四圖，回饋平台300可以例如為一行動通訊裝置，其可以是手機、筆電或是平板電腦等，其包括一無線接收單元310、一即時處理單元320及一警示單元330。無線接收單元310會接收來自無線傳輸單元240之第二數位信號D’，並將第二數位信號D'再轉換為一第三數位信號D”，而即時處理單元320則係電性連接至無線接收單元310，以將第三數位信號D”加以運算，而產生一例如心率值、血氧濃度值等等之生理參數。

此外，感測模組100更包括一重力感測加速器122，重力感測加速器122係電性連接至信號處理模組200之轉換單元220。當感測模組100晃動時，將會觸發重力感測加速器122而產生一第三電信號S3，第三電信號S3經由轉換單元220及微處理器230處理後，藉由無線傳輸單元240而傳輸至回饋平台300進而傳送至管控平台400，其中第三電信號S3的數據可輔助回饋平台300進行運算，以減少使用者移動時所產生的雜訊，而得到更精確的生理參數。此外，第三電信號S3的數據可輔助管控平台400，來判斷使用者的姿勢及運動狀態等，使得位於管控平台400之照護人員得以得知使用者的姿勢及運動狀態是否有異常，而導致其生理參數的異常，進而得知使用者的生理狀況。

以下將針對即時處理單元320進行運算，而得到生理參數中心率值的步驟加以說明。配合參照第五圖，即時處理單元320包括一帶通濾波器321、一平方放大器322、一微分處理器323、一波峰偵測單元324及一心率計算單元325。帶通濾波器321係用以消除第三數位信號D”中的雜訊信號，平方放大器322則會將消除雜訊信號後之第三數位信號D”放大，而微分處理器323係將放大後之第三數位信號D”作微分處理，而產生一生理信號之一斜率值。波峰偵測單元324係根據斜率值，來得到第三數位信號D”所繪製之波形的複數波峰值，心率計算單元325會根據每兩波峰值出現之間的一時間差，來得到心率值HR。

再參照第四圖，警示單元330係電性連接至即時處理單元320，並根據生理參數來觸發一警示效果，警示單元330 具有一參考值範圍，當例如心率值HR之生理參數，大於參考值範圍或小於參考值範圍時，警示單元330將會觸發警示效果。其中，警示效果包括行動通訊裝置中的一音效動作、一震動動作或一訊息提示。

如第六圖所示，其係為本發明另一實施例之即時生理信號量測及回饋系統的系統示意圖。回饋平台300可以例如是一行動通訊裝置，其係訊號連接至一管控平台400，管控平台400包括有一醫療中心。回饋平台300將會判斷所接收到的生理參數之數值是否為異常，若生理參數呈現一異常數值時，則回饋平台300將會啟動警示效果，並利用行動通訊裝置中的響鈴之音效動作及震動動作，來提醒使用者、路人或是緊急聯絡人。特別地是，回饋平台300包括一定位系統，其係藉由訊號連結至一網路地圖W，以使得定位系統取得一座標位置，同時回饋平台300會將座標位置及生理參數傳送至管控平台400。藉由將使用者的生理參數及座標位置傳送至管控平台400，將可使得位於管控平台400的醫療人員得以進一步判斷如何處理。

此外，回饋平台300可與一行車記錄系統作結合，當行車事故發生時，可藉由一駕駛者之生理參數的紀錄及一行車影像，來還原駕駛者當時的行車狀態，其中行車影像包括一車外影像以記錄車輛行進的狀況以及一車內影像以記錄駕駛者的狀況，尤其車內影像係用以紀錄駕駛者的臉部及肢體等影像。透過回饋平台300與管控平台400的訊號連接關係，回饋平台300藉由行動通訊網路將目前駕駛者之生理參數及行車影像，傳送至例如醫療中心的伺服器的遠端之管控平台 400，以供醫療中心的照護人員根據駕駛者之生理參數及行車影像進而評估駕駛者的生理狀況。當回饋平台300偵測到生理參數異常時，則會不斷地將包含駕駛者之心率值的正常範圍、生理參數之異常數值、生理參數之異常時間點，以及當時的座標位置等資訊傳輸至管控平台400。

綜上所述，上述實施例具有下列優點：

一、本發明可藉由兩磁性單元而穩固地吸附於使用者之耳垂上，進而減少感測模組所偵測之雜訊信號。

二、本發明可藉由將訊號連接至一回饋平台及一管控平台，而讓使用者及其他照護人員得以於第一時間知道使用者的生理參數及座標位置。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10、10a、10b‧‧‧耳機結構

11a、11b‧‧‧音源端

12a、12b‧‧‧(耳機之)機身

100‧‧‧感測模組

110‧‧‧第一磁性單元

111‧‧‧發光二極體

120‧‧‧第二磁性單元

121‧‧‧感光元件

122‧‧‧重力感測加速器

200‧‧‧信號處理模組

210a-210d‧‧‧運算放大單元

220‧‧‧轉換單元

230‧‧‧微處理器

240‧‧‧無線傳輸單元

300‧‧‧回饋平台

310‧‧‧無線接收單元

320‧‧‧即時處理單元

321‧‧‧帶通濾波器

322‧‧‧平方放大器

323‧‧‧微分處理器

324‧‧‧波峰偵測單元

325‧‧‧心率計算單元

330‧‧‧警示單元

400‧‧‧管控平台

D‧‧‧第一數位信號

D’‧‧‧第二數位信號

D”‧‧‧第三數位信號

HR‧‧‧心率值(生理參數)

L‧‧‧光線

S1‧‧‧第一電信號

S2‧‧‧第二電信號

S3‧‧‧第三電信號

U‧‧‧使用者

W‧‧‧網路地圖

第一圖，係為本發明實施例之即時生理信號量測及回饋系統的系統示意圖。

第二圖，係為本發明實施例中感測模組及信號處理模組的方塊示意圖。

第三圖，係為感測模組的結構示意圖。

第三A及三B圖，係為耳機結構之示意圖。

第四圖，係為信號處理模組與回饋平台之間信號傳遞的方塊示意圖。

第五圖，係為即時處理單元的方塊示意圖。

第六圖，係為本發明另一實施例之即時生理信號量測及回饋系統的系統示意圖。

10‧‧‧耳機結構

100‧‧‧感測模組

200‧‧‧信號處理模組

300‧‧‧回饋平台

400‧‧‧管控平台

U‧‧‧使用者

Claims (10)

1. 一種即時生理信號量測及回饋系統，其包括一感測模組，適於佩戴於一使用者之一身體部位上，其包括一第一磁環及一第二磁環，該第一磁環圍繞一發光二極體並與該發光二極體整合為一體，該第二磁環圍繞一感光元件並與該感光元件整合為一體，其中在該第一磁環隔著該身體部位與該第二磁環相吸而固定時，該發光二極體對準該感光元件，該發光二極體會發射一光線並可穿透該身體部位，該感光元件會接收穿透該身體部位之該光線，進而產生一第一電信號；一信號處理模組，其係電性連接至該感測模組，以接收該第一電信號，並處理該第一電信號而產生一第二電信號，且將該第二電信號轉換為一數位信號，並將該數位信號發射出去；以及一回饋平台，其係接收來自該信號處理模組之該數位信號，並針對該數位信號進行處理而產生一生理參數，該回饋平台會根據該生理參數來觸發一警示效果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該感測模組包括一重力感測加速器，當該感測模組晃動時，將會觸發該重力感測加速器而產生一第三電信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該信號處理模組係為一系統單晶片，且其係包括一運算放大單元、一轉換單元及一無線傳輸單元，該運算 放大單元係用於處理該第一電信號以產生該第二電信號，該轉換單元係電性連接至該運算放大單元，以將該第二電信號轉換為該數位信號，該無線傳輸單元係電性連接至該轉換單元，該無線傳輸單元係用以發射該數位信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該回饋平台包括一無線接收單元、一即時處理單元及一警示單元，該無線接收單元係用以接收該數位信號，該即時處理單元係訊號連接至該無線接收單元，該即時處理單元會根據該數位信號，來產生該生理參數，該警示單元係電性連接至該即時處理單元，該警示單元會根據該生理參數來觸發該警示效果。
5. 如申請專利範圍第4項所述之即時生理信號量測及回饋系統，該即時處理單元包括一帶通濾波器、一平方放大器及一微分處理器，該帶通濾波器係用以消除該數位信號中之一雜訊信號，該平方放大器會將該雜訊信號被消除後之該數位信號放大，該微分處理器會將放大後之該數位信號進行微分處理而產生一斜率值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該即時處理單元包括一波峰偵測單元以及一心率計算單元，該波峰偵測單元會根據該斜率值來運算得到複數波峰值，該心率計算單元則會根據每兩該波峰值所出現之間的一時間差來得到一心率值。
7. 如申請專利範圍第5項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該警示單元具有一參考值範圍，當該生理參數之數值係大於該參考值範圍或係小於該參考值範圍時，則該 警示單元會觸發該警示效果。
8. 如申請專利範圍第1項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該警示效果包括一音效動作、一震動動作或一訊息提示。
9. 如申請專利範圍第1項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該回饋平台包括一行動通訊裝置，且其係訊號連接至一管控平台，該管控平台包括一醫療中心。
10. 如申請專利範圍第9項所述之即時生理信號量測及回饋系統，其中該回饋平台包括一定位系統及一行車記錄系統，該定位系統具有一座標位置，該行車記錄系統將紀錄一行車影像，且該回饋平台會將該座標位置、該行車影像及該生理參數傳送至該管控平台，其中該行車影像包括一車內影像及一車外影像。