TWI541004B - 光學生理訊號量測裝置以及訊號處理方法 - Google Patents

Description

光學生理訊號量測裝置以及訊號處理方法

本揭露是有關於一種量測裝置以及訊號處理方法，且特別是有關於一種用於量測光學生理訊號的光學生理訊號量測裝置以及相關的訊號處理方法。

能夠正確地評估病患動脈中氧合(oxygenation)程度對於了解有缺氧或呼吸功能障礙的病人之狀況是非常重要的。光學生理訊號量測裝置中的血氧濃度量測裝置是用來量測人體動脈血液中帶氧血紅素之飽和濃度。1970年代在急診加護單位中，開始以抽取病患的動脈血液來進行動脈血液氣體分析，以得到血液中的氧分壓及二氧化碳分壓來評估病患的氧氣傳輸及供給狀況。由於抽取動脈血液是侵入式的量測方式，且在需要連續監測病人的狀況下，需要重複地抽血，不僅造成病人的痛苦，亦增加了檢查之時間及成本。

非侵入式血氧濃度量測裝置不同於抽血採樣分析的量測 方式，而是利用光脈衝式調變技術，藉由雙波長光源，照射人體血管密集處，藉由帶氧血紅素及去氧血紅素在吸收光譜上的差異，形成兩個穿透光強度不同之波長，同時根據血氧濃度的計算理論以求得光學生理訊號。

血氧濃度量測裝置的發展最早可回溯至1940年代，而至1980年代，結合傳統的光學血氧計和體積描記術(plethymography)獲得非侵入式光學血氧濃度理論模型，且成功的運用手指探頭設計穿透式的光脈衝血氧濃度量測裝置。

光學原理應用在人體及生理訊號的量測可達到非侵入式量測的目的，由於非侵入式量測不僅可以降低受試者量測時的痛苦，而且利用光學量測的方式，可以避免直接以電訊號接觸人體，提高量測的安全性。此外，光學量測可以避免量測訊號受到人體之體電位及外界電訊號的干擾，提高量測的準確性。一般非侵入式光學量測其量測部位為手指，若量測過程中移動手指或身體，將造成光學量測信號飄移，假如晃動程度過大，甚至會造成劇烈變動的動作干擾(motion artifact)。

再者，目前已有利用耳垂量測光學生理訊號的產品，但常見應用於活動力不大的嬰兒或是需要持續臥床且沒有甚麼大動作的病患，並不適合應用在活動中的成人使用。

本揭露提供一種可在個體行動中，量測待測物的光學生 理訊號的光學生理訊號量測裝置。

本揭露提供一種可降低待測物因為行動而產生之干擾的訊號處理方法。

本揭露的光學生理訊號量測裝置包括一載具、至少兩組感測單元以及訊號處理單元。感測單元設置於載具上，且第一感測單元與第二感測單元之間呈空間幾何關係，例如各個感測單元之間分別具有特定夾角，其中每一感測單元包括光源以及光接收器，且光源具有至少紅外光以及紅光兩種波長。訊號處理單元設置於載具內，包括加速度感測單元，且訊號處理單元並與感測單元進行電性連接，用於將感測單元測得之訊號調解成紅外光訊號及紅光訊號，當個體移動造成動作干擾時，各個紅外光訊號包含靜態量測的紅外光訊號以及動作干擾訊號，各個紅光訊號包含靜態量測的紅光訊號以及動作干擾訊號，且來自同一感測單元的紅外光訊號及紅光訊號具有相似的動作干擾訊號，依各個感測單元的空間幾何對應關係，使來自不同的感測單元的動作干擾訊號，彼此間呈線性或接近線性關係，此外，為減少動作干擾誤判，可根據加速度感測單元的感測結果決定是否對動作干擾訊號進行處理。

本揭露的訊號處理方法包括使用光學生理訊號量測裝置對待測物進行量測；將光學生理訊號量測裝置的各個感測單元所各自得到的訊號進行處理；訊號處理單元判斷待測物的晃動是否超過預定值；若晃動超過預定值時，各個感測單元所得到的各個 紅外光訊號及各個紅光訊號，依各個感測單元之對應空間幾何關係，將各個紅外光訊號及各個紅光訊號進行相對應調整，以降低動作干擾，並獲得待測物的光學生理訊號。

基於上述，本揭露的光學生理訊號量測裝置中使用至少兩組以上的感測單元，且至少兩組感測單元之間呈空間幾何關係，同時搭配加速度感測單元，因此藉由使用此光學生理訊號量測裝置的量測方法，可經由所量測出來的訊號互相呈相對應的關係解析出因為晃動而產生的動作干擾訊號並且降低動作干擾訊號，以獲得更為精確的光學生理訊號。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧光學生理訊號量測裝置

110‧‧‧載具

112‧‧‧錐部分

112a‧‧‧水平面

112b‧‧‧斜面

114‧‧‧柱體部分

120‧‧‧感測單元/第一感測單元

130‧‧‧感測單元/第二感測單元

122、132‧‧‧光源

124、134‧‧‧光接收器

140‧‧‧訊號處理單元

142‧‧‧天線

144‧‧‧電路板

146‧‧‧加速度感測單元

148‧‧‧電池

150‧‧‧耳掛

160‧‧‧彈性突起

200‧‧‧頭戴式耳罩

210‧‧‧耳罩

S‧‧‧待測物

Set 1、Set 2、Set 3、Set 4‧‧‧訊號組

IR 1、IR2、N_IR *、IR*‧‧‧紅外光訊號

Red1、Red2、N_Red*、Red*‧‧‧紅光訊號

圖1A及圖1B為光學生理訊號量測裝置不同視角的示意圖。

圖2為光學生理訊號量測裝置應用的示意圖。

圖3為使用光學生理訊號量測裝置對待測物進行量測的示意圖。

圖4為兩個感測單元的偵測方向與晃動方向的示意圖。

圖5為使用此光學生理訊號量測裝置進行訊號處理方法的流程步驟。

圖6為使用者以下巴為旋轉中心，固定下巴而以臉的長度為 半徑頭部做沿著圓周左右晃動的示意圖。

圖7為於X、Y、Z方向上加速度感測單元偵測出加速度與時間的關係圖。

圖8為從不同感測單元得到經處理後之兩組紅外光訊號及紅光訊號與時間的關係圖。

圖9為將從兩組感測單元所獲得的訊號處理並且整合之後解析出來的光學生理訊號與時間的關係圖。

圖10為降低動作干擾後的紅外光訊號以及紅光訊號與時間的關係圖。

圖11為另一實施方式中，待測物以其脖子為旋轉軸，而頭部左右晃動的示意圖。

圖12為於X、Y、Z方向上加速度感測單元偵測出加速度與時間的關係圖。

圖13為從不同感測單元所得到的經處理後兩組紅外光訊號及紅光訊號與時間的關係圖。

圖14為將從兩組感測單元所獲得的訊號處理並且整合之後解析出來的光學生理訊號與時間的關係圖。

圖15為降低動作干擾後的紅外光訊號以及紅光訊號與時間的關係圖。

下面將參照所附圖式以更全面地敍述本揭露的各實施 例。本揭露的各實施例也可表現為許多不同的形態，而不應理解為侷限於本文所列舉的實施例。確切地講，提供這些實施例是為了使揭露的內容更透徹更完整，且將各實施例之概念全面傳達給所屬技術領域中具有通常知識者。在這些圖式中，為清楚起見，各層或各區域的厚度被放大。

為了便於敍述，本文會使用與空間有關的術語(如“在……下方”、“在……下面”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”等等)來敍述如圖所示的一個元件或結構特徵相對於其他元件或結構特徵的關係。對於正在使用或正在操作的裝置或設備而言，與空間有關的術語除了包含如圖所示的方位外，也包含不同的方位。舉例而言，若將圖式中的裝置或設備翻轉，則原本位於其他元件或結構特徵“下面”或“下方”的元件將變成位於其他元件或結構特徵的“上方”。因此，作為示範的術語“下方”可包含上方和下方這兩種方位，取決於基準點。設備也可採用其他方式定位(旋轉90度或其他方位)，且按相同方式來理解本文所用的與空間有關的解說詞。

本文所用的術語只是為了敍述具體實施例，而非意圖限制實施例。如本文所用的單數形式“一”、“一種”及“所述”也應包括複數形式，除非文中另行明確指出。更容易理解的是，若本文使用術語“包括”及/或“包含”，則表明存在著指定的結構特徵、整體、步驟、操作、元件及/或構件，但並不排除存在或增加一個或一個以上的其他結構特徵、整體、步驟、操作、元件、 構件及/或其群組。

圖1A及圖1B為光學生理訊號量測裝置的不同視角的示意圖。請同時參考圖1A及圖1B，光學生理訊號量測裝置100包括一載具110、至少兩組感測單元120、130以及一訊號處理單元140。兩組感測單元120、130在下文中，可能會以第一感測單元120、第二感測單元130來做說明以方便區分。第一感測單元120、第二感測單元130設置在載具110上，且第一感測單元120與第二感測單元130之間夾一θ角，其中θ角的角度範圍介於0度~180度。舉例來說，本實施例的載具110具有錐部分112以及柱體部分114，其中錐部分112是沿著柱體部分114的長度方向從柱體部分114延伸出來且錐部分112與柱體部分114在側視方向上共有一水平面112a(在截面方向上為共有一弧面)，而錐部分112還具有一斜面112b，且此斜面112b與水平面112a夾θ角，而至少一個第一感測單元120是設置在水平面112a上且至少另一個第二感測單元130設置在斜面112b上。每一個感測單元120、130包括對應一個光源122、132以及對應的一個光接收器124、134，其中光源122、132例如是具有兩種以上波長的發光二極體(LED)，而光接收器124、134例如是感光二極體(photodiode)。當設置在水平面112a或者斜面112b上的感測單元120、130是多個的時候，光源122、132跟光接收器124、134是呈矩陣的方式交錯排列，例如：在同一行或是同一列上，光源122、132與光接收器124、134交錯排列；或者光源122、132、光接收器124、134各排成一行(或 一列)，且一行(或一列)的光源122、132與一行(或一列)的光接收器124、134交錯排列。

本實施例的訊號處理單元140包括天線142、電路板144以及加速度感測單元146，其中天線142、電路板144以及加速度感測單元146皆設置在載具110內並且彼此電連接，而第一感測單元120、第二感測單元130也與電路板144電連接。本實施例的加速度感測單元146可以是加速規或陀螺儀或其他可用以量測加速度的元件，並不以加速規為限。另外，可更在載具110中設置電池148以供電給訊號處理單元140，或者也可以是利用設置電線以連接至外部電源的方式達到供電的目的。

圖2為光學生理訊號量測裝置應用的示意圖，而圖3為使用光學生理訊號量測裝置對待測物進行量測的示意圖。請同時參考圖1A、圖2及圖3，本實施例的光學生理訊號量測裝置100為耳道式的光學生理訊號量測裝置，應用於量測時，是將此光學生理訊號量測裝置100置入待測物S的耳朵中。為了方便使用，因此可以將此光學生理訊號量測裝置100設置有耳掛150的方式(如圖1B示)以方便掛在待測物S的耳朵上，或是整合在頭戴式耳罩200的一側(如圖2示)，而頭戴式耳罩200的另外一側210可以是用來罩住耳朵的耳罩，可用以輔助使頭戴式耳罩200固定在待測物S的頭上的效果。

另外，在第一感測單元120、第二感測單元130上面可更設置彈性突起160，其可以增加光學生理訊號量測裝置100與待測 物S之耳道之間的摩擦，以達到固定光學生理訊號量測裝置100，同時還可提升測量精準度。

圖4為兩個感測單元的偵測方向與晃動方向的示意圖，而圖5為使用此光學生理訊號量測裝置進行訊號處理方法的步驟圖。請同時參考圖1A、圖1B、圖3及圖4，以本實施例的光學生理訊號量測裝置100具有兩組感測單元120、130為例說明，當使用此光學生理訊號量測裝置100時，讓待測物S戴上頭戴式耳罩200一預定時間以進行量測。進行量測時，光源122、132會以朝向載具110的相反方向將光線射出。當光線穿透待測物S的血液灌流組織，光接收器124、134會接收反射後的訊號，並且將從各個光接收器124、134所各自接收的訊號回傳給訊號處理單元140進行處理，處理成紅外光訊號和紅光訊號，如步驟S110。此時，加速度感測單元146偵測待測物S在進行量測的預定時間內是否有晃動，並且判斷待測物S的晃動是否超過預定值，如步驟S120。詳細來說，訊號處理單元140將加速度感測單元146所偵測到的晃動的結果進行處理，處理成可供電路判讀的訊號。

當判讀待測物S的晃動並未超過預定值時，則表示在預定時間內，待測物S並沒有晃動或者是晃動的範圍很小而可忽略，因此可不使用降低移動干擾處理的方法，並直接計算待測物S的光學生理訊號，其中上述的預定值的範圍例如介於12mg至300mg，但並不以此為限，可依照所欲測量的光學生理訊號的種類來設定預定值的範圍。本揭露中的光學生理訊號量測裝置100例如 為血氧濃度量測裝置，而其所測量出來的光學生理訊號例如為待測物(生物體)的血氧濃度值。以下的量測是以兩個感測單元120、130為例子做說明，但本領域人員應知，感測單元的數量並不以兩個為限制。

圖6為使用者以下巴為旋轉中心，固定下巴而以臉的長度為半徑頭部做沿著圓周左右晃動的示意圖，而圖7為於X、Y、Z方向上加速度感測單元偵測出加速度與時間的關係圖，其中線條X1為X方向上的加速度與時間的變化、線條Y1為Y方向上的加速度與時間的變化、且線條Z1為Z方向上的加速度與時間的變化。請同時參考圖5、圖6及圖7，第一感測單元120、第二感測單元130分別測得兩組訊號Set 1、Set 2，其中從第一感測單元120而來的經處理的紅外光訊號IR1、紅光訊號Red1(示於圖8的Set 1)以及從第二感測單元130而來的紅外光訊號IR2、紅光訊號Red2(示於圖8的Set 2)。

將紅外光訊號IR1、紅光訊號Red1、紅外光訊號IR2、紅光訊號Red2進行正規化，如圖5的步驟S130，其中將紅外光訊號IR1正規化的方法包括挑選紅外光訊號IR1的最大值為1，而最小值為0，然後使其餘的紅外光訊號IR1的數值等比例調整而獲得正規化後的紅外光訊號N_IR1。以相同的方式，將紅光訊號Red1、紅外光訊號IR2及紅光訊號Red2正規化成紅光訊號N_Red1、紅外光訊號N_IR2及紅光訊號N_Red2。

圖9為將從兩組感測單元所獲得的訊號處理後解析出來 的光學生理訊號與時間的關係圖。由圖9可以看出，待測物S的晃動會造成光學生理訊號有急速的改變。因此，在將由感測單元120所偵測到的訊號解析並且整合後的訊號Set 1以及由另一感測單元130所偵測到的訊號解析並且整合後的訊號Set 2中移除因為待測物S晃動而造成的錯誤，便可以獲得新的訊號New(如圖4示)，如圖5的步驟S140。簡單來說，即是將紅外光訊號N_IR1及紅外光訊號N_IR2去除動作干擾訊號，且將紅光訊號N_Red1及紅光訊號N_Red2去除動作干擾訊號。詳細來說，經由光學生理訊號量測裝置100中彼此間夾θ角的兩組感測單元120、130而同時獲得的經處理的紅外光訊號IR1及紅外光訊號IR2呈線性或是接近線性的關係，而紅光訊號Red1、紅光訊號Red2也是呈線性或是接近線性的關係。以兩組感測單元120、130之間所夾的θ角為45度為例子說明，藉由從不同的感測單元所得到的訊號呈線性或是接近線性的關係，因此可以經由關係式：N_IR*=(N_IR1-N_IR2)cos 45°………(1)以從紅外光訊號N_IR1、紅外光訊號N_IR2，獲得降低動作干擾訊號後的新的紅外光訊號N_IR*；同樣的，亦可以經由關係式：N_Red*=(N_Red1-N_Red2)cos 45°………(2)以從紅光訊號N_Red1、紅光訊號N_Red2獲得降低動作干擾訊號後的新的紅光訊號N_Red*。附帶一提的是，由於兩組感測單元120、130並不一定會以如圖4示的共圓心的方式配置，因此可經由訊號間的空間關係的傾角變化去除動作干擾訊號後進行補償以 產生新的訊號New，由這個新產生的訊號New去作解析可以獲得更為準確的偵測結果，而這個補償機制稱之為空間幾何關係補償。

之後，再將新的紅外光訊號N_IR*及新的紅外光訊號N_Red*進行反正規化，如圖5的步驟S150。此處所指的進行反正規化是指使新的紅外光訊號N_IR*的最大值與紅外光訊號IR1的最大值相等且使新的紅外光訊號N_IR*的最小值與紅外光訊號IR1的最小值相等，而其餘的做等比例調整；且同樣使新的紅光訊號N_Red*的最大值與紅光訊號Red 1的最大值相等且使新的紅光訊號N_Red*的最小值與紅光訊號Red 1的最小值相等，其餘等比例調整，而得到反正規化後的紅外光訊號IR*以及紅光訊號Red*，如圖10示，可獲得降低動作干擾訊號的光學生理訊號，如圖5的步驟S160。

圖11為在另一實施方式中，待測物S以其脖子為旋轉軸，而頭部左右晃動的示意圖。圖12為於X、Y、Z方向上加速度感測單元偵測出加速度與時間的關係圖，其中線條X2為X方向上的加速度與時間的變化、線條Y2為Y方向上的加速度與時間的變化、且線條Z2為Z方向上的加速度與時間的變化。圖13為從不同感測單元所得到的經處理後兩組紅外光訊號及紅光訊號與時間的關係圖。請同時參考圖11~圖13，同樣的，經由不同的感測單元會獲得兩組(Set 1及Set 2)紅外光訊號及紅光訊號，其中紅外光訊號IR1、IR2呈線性關係或是接近線性關係，且紅光訊號Red1、Red2也呈線性關係或是接近線性關係。之後進行正規化、 降低動作干擾訊號、反正規化等等步驟，其中降低動作干擾訊號如前所述，同樣因為待測物S的晃動會造成光學生理訊號有急速的改變，因此將由感測單元120所偵測到的訊號解析並且整合後的訊號Set 1(如圖14示)以及由另一感測單元130所偵測到的訊號解析並且整合後的訊號Set 2(如圖14示)中移除因為待測物S晃動而造成的錯誤，便可以獲得新的訊號IR*,Red*，進而獲得如圖15的降低動作干擾訊號的光學生理訊號。

附帶一提的是，上述的光學生理訊號量測裝置並不僅侷限於用於量測血氧濃度，光學生理訊號量測裝置也可以因應不同的需求而藉由改變所需的光源種類與數量，或導入其他相關參數(如血管內壁厚度、介質係數等)而用於量測待測物的其他生理現象，例如量測心率或是血中物質，如總血紅素(Total hemoglobin)、一氧化碳血紅素(Carboxyhemoglobin)或變性血紅素(Methemoglobin)等。由此可知，上述的訊號處理方法可應用在各種光學生理訊號量測裝置中，如此，即使待測物體在行進中，也能夠藉由上述的訊號處理方法降低移動而造成的干擾，而獲得更為準確的量測結果。

綜上所述，本揭露的光學生理訊號量測裝置是置於耳道中進行量測，方便使用。此光學生理訊號量測裝置可以結合耳機或是助聽器，同時進行待測物的光學生理訊號的分析與評估。又，此光學生理訊號量測裝置配合訊號處理方法，特別針對待測物具有動作干擾時進行動作干擾訊號的降低，可落實在待測物行動中 進行光學生理訊號量測。而所述的訊號處理方法更可以應用在其他種類的光學生理訊號量測裝置中，同樣可以達到降低移動而造成的干擾以獲得準確量測結果的目的。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S110~S160‧‧‧步驟

Claims (15)

1. 一種光學生理訊號量測裝置，包括：一載具；至少兩組感測單元，設置於該載具上，且該些感測單元中的第一感測單元與第二感測單元之間夾一θ角，其中每一感測單元包括一光源以及一光接收器，且該光源至少具有紅外光以及紅光兩種波長；以及一訊號處理單元，設置於該載具內，包括一加速度感測單元，其中該加速度感測單元包括加速規、陀螺儀，該訊號處理單元並與該些感測單元電連接，用於將該些感測單元測得之訊號處理成一紅外光訊號及一紅光訊號，各個該紅外光訊號及各個該紅光訊號包含一動作干擾訊號，且來自同一該感測單元的該紅外光訊號及該紅光訊號的該些動作干擾訊號相似，而來自不同的該些感測單元的該些動作干擾訊號彼此間呈線性或接近線性關係，其中根據該加速度感測單元的感測結果決定是否對該些動作干擾訊號進行處理。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學生理訊號量測裝置，其中該訊號處理單元包括一天線以及一電路板，皆設置於該載具內且彼此電連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述的光學生理訊號量測裝置，其中該θ角的角度範圍介於0度~180度。
4. 一種訊號處理方法，包括： 提供一光學生理訊號量測裝置對一待測物進行量測，其中該光學生理訊號量測裝置的每一感測單元的光源對該待測物發射紅外光及紅光，而該些感測單元的光接收器接收由該待測物反射的紅外光及紅光；將各個感測單元所各自得到的訊號處理成一紅外光訊號及一紅光訊號；該訊號處理單元根據處理後的訊號判斷該待測物於預定時間內的晃動是否超過一預定值；當該待測物的晃動超過該預定值時，經由各個感測單元所得到的各個該紅外光訊號及各個該紅光訊號包含一動作干擾訊號，且來自同一該感測單元的該些動作干擾訊號相似，而來自不同的該些感測單元的該些動作干擾訊號彼此間呈線性或接近線性關係；以及移除該些動作干擾訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的訊號處理方法，其中當該待測物的晃動未超過該預定值，則計算該些紅外光訊號及該些紅光訊號而得對應之光學生理訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的訊號處理方法，其中未超過該預定值表示於該預定時間內，該待測物無晃動或忽略該待測物的晃動。
7. 如申請專利範圍第4項所述的訊號處理方法，其中該預定值的範圍介於12mg至300mg。
8. 如申請專利範圍第4項所述的訊號處理方法，於移除該些動作干擾訊號之前，更包括於該預定時間內將所得到的該些紅外光訊號及該些紅光訊號正規化。
9. 如申請專利範圍第8項所述的訊號處理方法，其中使該些紅外光訊號正規化的方法包括：使該些紅外光訊號的最大值為1，最小值為0，且其餘的該些紅外光訊號數值等比例調整。
10. 如申請專利範圍第8項所述的訊號處理方法，其中使該些紅光訊號正規化的方法包括：使該些紅光訊號的最大值為1，最小值為0，且其餘的該些紅光訊號數值等比例調整。
11. 如申請專利範圍第8項所述的訊號處理方法，更包括對該些紅外光訊號及該些紅光訊號降低動作干擾訊號，並進行空間幾何關係補償。
12. 如申請專利範圍第11項所述的訊號處理方法，更包括將空間幾何關係補償後的該些紅外光訊號及該些紅光訊號進行反正規化。
13. 如申請專利範圍第12項所述的訊號處理方法，其中對空間幾何關係補償後的該些紅外光訊號進行反正規化包括：使空間幾何關係補償後的該些紅外光訊號的最大值等於處理後的該些紅外光訊號的最大值，其餘的該些紅外光訊號等比例調整。
14. 如申請專利範圍第12項所述的訊號處理方法，其中對空間幾何關係補償後的該些紅光訊號進行反正規化包括：使空間幾何關係補償後的該些紅光訊號的最小值等於處理後的該些紅光訊號的最小值，其餘的該些紅光訊號等比例調整。
15. 如申請專利範圍第11項所述的訊號處理方法，其中空間幾何關係補償的方法包括計算各個感測單元間的夾角及相對位置的至少其中之一。