TWI568411B - 可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置、心跳資訊量測方法及其量測系統 - Google Patents

Description

可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置、心跳資訊量測方法及其量測系統

本發明係有關一種心跳資訊量測，特別是一種可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置、量測方法及其量測系統。

將光打入皮膚組織且藉由反射光的強度變化來偵測血管的收縮與擴張，已被證實為測量心跳的可行方法；一般而言，一用於測量心跳的光學裝置包含複數已定波長範圍內發射之發光二極體，以及一或數個光電二極體之光感受器，當發光二極體照射一部分有機組織，例如皮膚時，光線在有機組織內散射/反射並且部分被吸收，而光感受器則用以偵測此散射/反射光，隨著血流脈搏的變化會導致散射/反射光的強度產生變化，其變化的頻率大抵對應於心跳脈搏的頻率，因此藉由偵測散射光強度的訊號且經處理運算後，即可擷取心跳資訊。

又，目前為了增加心跳量測的便利性，係將上述之光學裝置以手手錶或手環的形式配置於人體身上，以便隨身及隨時量測。但此種以量測光的強度變化來測量心跳的方法容易受到配戴者所處環境的周遭明暗及配戴者的動作而影響到測量的準確性及穩定性。目前對周遭明暗的影響可藉由濾光片及加大遮蔽(即加大手錶錶面的面積)來獲得改善；而動作的干擾主要分為移位與壓迫兩種，移位的干擾可調整錶帶為稍緊的配戴來克服，而壓迫的干擾則由於也會壓縮到血管，因此對於訊號的影響遠大於其他干擾。

對於動作的干擾的克服，傳統常使用加速度感測器(G-sensor)來輔助進行訊號的修正。但由於手錶在手上的配戴並無固定的位置，尤其較小幅度的手腕扭動(非移動)並不足以引起加速度感測器作動，但此扭動卻已經足以讓光學量測訊號產生誤差。因此加速度感測器的增設並非一個克服動作干擾可行方式。

為了解決上述問題，本發明目的之一為提出一種可補償傳統光學式心跳量測器(系統)因動作引起之測量誤差的心跳資訊量測方法、量測系統、及應用此系統/方法的可攜式裝置，其中藉由一壓電裝置偵測可攜式裝置本體與使用者之有機組織間的壓力變化，以作為一種光電信號的補償信號，將可改善使用者於動作間對心跳資訊量測所造成的困擾，進而在利用光學裝置進行心跳資訊的量測時，具有準確性高及穩定性佳的優點。

為了達到上述目的，本發明一實施例之可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置包含一可攜式裝置本體以及一心跳資訊量測系統，心跳資訊量測系統包含：一光學裝置，設置於可攜式裝置本體上，當可攜式裝置本體被一使用者配戴時，光學裝置係接觸使用者之有機組織，以感測有機組織的生理訊號且產生對應生理信號之一光電信號；一壓電裝置，設置於可攜式裝置本體上，當可攜式裝置本體被使用者配戴時，壓電裝置係偵測可攜式裝置本體因使用者動作而對有機組織所施加之一壓力變化，並產生對應壓力變化之一壓電信號；以及一中央處理單元，電性連接光學裝置及壓電裝置，以依據壓電信號對光電信號進行補償運算，以得到一修正後光電信號，並將該修正後光電信號轉換為一心跳資訊，其中補償運算係包含一減法運算、一加法運算、一乘法運算及一除法運算其中之一或其組合運算。

本發明一實施例之可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法，其係應用於一可攜式裝置，可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法包含：以一光學裝置接觸一使用者之有機組織，以感測有機組織的生理訊號且產生對應生理信號之一光學訊號，並將光學訊號轉換為一第一數位信號；以一壓電裝置偵測可攜式裝置因使用者動作而對有機組織所施加之一壓力變化且產生對應壓力變化之一壓電信號，並將壓電信號轉換為一第二數位信號；依據第二數位信號，對第一數位信號進行一補償運算步驟，以得到一修正後光電信號；以及對修正後光電信號進行運算，以獲得一心跳資訊。

本發明一實施例之可補償動作誤差之心跳資訊量測系統，其係應用於一可攜式裝置，可補償動作誤差之心跳資訊量測系統包含：一光學裝置，用以接觸一使用者之有機組織，以感測有機組織的生理訊號且產生對應生理信號之一光電信號；一壓電裝置，用以偵測可攜式裝置因使用者動作而對有機組織所施加之一壓力變化，並產生對應壓力變化之一壓電信號；以及一中央處理 單元，電性連接光學裝置及壓電裝置，以依據壓電信號，對光電信號進行補償運算，以得到一修正後光電信號，並將修正後光電信號轉換為一心跳資訊，其中補償運算係包含一減法運算、一加法運算、一乘法運算及一除法運算其中之一或其組合運算。

10‧‧‧可攜式裝置

12‧‧‧可攜式裝置本體

14‧‧‧心跳資訊量測系統

18‧‧‧光學裝置

20‧‧‧壓電裝置

22‧‧‧中央處理單元

24‧‧‧腕錶

26‧‧‧底表面

28‧‧‧光源元件

30‧‧‧光感受器

32‧‧‧壓電片元件

34‧‧‧儲存單元

圖1所示為本發明一實施例可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置之方塊示意圖。

圖2所示為本發明一實施例之腕錶型態之可攜式裝置示意圖。

圖3所示為本發明一實施例之壓電片元件與光學裝置配置示意圖。

圖4a及圖4b所示一實施例之壓電片元件與光學裝置之疊設示意圖。

圖5所示為本發明一實施例可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法之方塊示意圖。

圖6所示為本發明一實施例可補償動作誤差之心跳資訊量測系統之方塊示意圖。

圖1所示為本發明一實施例可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置之方塊示意圖，如圖1所示，可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置10包含一可攜式裝置本體12以及一心跳資訊量測系統14，其中心跳資訊量測系統14包含一光學裝置18、一壓電裝置20及一中央處理單元22，光學裝置18 係設置於可攜式裝置本體12上，以便當可攜式裝置本體12被一使用者配戴時，光學裝置18可接觸使用者之有機組織，以感測有機組織的生理訊號且產生對應生理信號之一光電信號；又壓電裝置20亦設置於可攜式裝置本體12上，當可攜式裝置本體12被使用者配戴時，壓電裝置20可偵測可攜式裝置本體12因使用者動作而對有機組織所施加的一壓力變化，並產生對應壓力變化之一壓電信號；中央處理單元22則電性連接光學裝置18及壓電裝置20，以依據壓電信號對光電信號進行補償運算，以得到一修正後光電信號，並將該修正後光電信號轉換為一心跳資訊。

於一實施例中，可攜式裝置本體係為採用腕錶之類似形式，請同時參閱圖2所示為本發明一實施例之腕錶型態之可攜式裝置示意圖，如圖2所示，腕錶24外殼具有一底表面26，光學裝置18包含一光源元件28及與光源元件28配合之光感受器30，於一實施例中，光源元件28設置且顯露於底表面26之中央區域，而光感受器30設置於光源元件28周圍，其中光源元件28可為一發光二極體，而光感受器30可為一光電二極體；壓電裝置20包含至少一壓電片元件，於一實施例中，壓電裝置20(示於圖1)包含二壓電片元件32設置於腕錶24之底表面26且分別位於光源元件28之二側；又中央處理單元22係設置於腕錶24內部，於一實施例中，中央處理單元22係可與一般控制腕錶24作動的控制系統結合，抑或各自存在。

當腕錶24被配戴於使用者之手腕時，腕錶24之底表面26與使用者之有機組織，例如皮膚接觸，而光源元件28所產生之發射光在有機組織中傳播之後，由於受到血液脈搏的變化，使得發射光受到調制，調制後之發射光則被光感受器30接收，並產生對應此調制後之發射光的光電信號，其中光電信號中包含了有機組織中的生理訊號，例如心跳的指示；同時，壓電片元件32亦會偵測腕錶24之底表面26對有機組織所施加之壓力，隨著使用者的動作，腕錶24與 有機組織之間的接觸壓力會產生變化，則壓電裝置20並產生一對應此壓力變化之壓電信號至中央處理單元22，以便藉由中央處理單元22依據壓電信號對光電信號進行補償運算。

舉例來說，當由於使用者的動作使得腕錶24與皮膚之間的壓力變大時，血管的收縮除了直接由心臟收縮所造成之外，也間接受到腕錶24的壓迫，所以在進行使用者之實際心跳資訊的解讀時，必須減去或補償腕錶24所產生之壓力所導致的影響。亦即在本發明中，當可攜式裝置本體配戴於使用者之手腕時，可攜式裝置本體與使用者手腕之間會有一壓力存在，而使用者的動作，例如走路、跑步或爬山等，會造成此壓力的改變，因此為了避免心跳資訊的量測結果受到上述動作的影響，需藉由壓電片元件32偵測因動作而造成的壓力變化，並產生壓電信號來對光電信號進行補償，以得到一修正後光電信號，此修正後光電信號經過適當的運算轉換後，即可得到使用者即時且準確度高的心跳資訊。

接續上述說明，上述壓電片元件32的數量並不限定為二片，亦可為單一壓電片元件32設置於光學裝置18一側，或三片壓電片元件32設置於光學裝置18周邊，又壓電片元件32亦可呈環形，如圖3所示，環形之壓電片元件32環繞於光學裝置18。另一方面，環形之壓電片元件32與光學裝置18之間亦可為上下疊設之關係配置，如圖4a所示，光學裝置18配置於環形之壓電片元件32上方，抑或如圖4b所示，環形之壓電片元件32設置於光學裝置18上方，此種環形之壓電片元件32與光學裝置18之間上下疊設的設計兼顧有防水的需求，而具有實用性高的優點。

圖5所示為本發明一實施例可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法之方塊示意圖，此量測方法係應用於一可攜式裝置上，且可攜式裝置乃配戴於使用者身上，量測方法如圖所示，利用一光學裝置接觸一使用者之有機組織， 以感測有機組織的生理訊號且產生對應該生理信號之一光學訊號，此為步驟S40；接著對光學訊號進行放大與過濾，再進行數位轉換為一第一數位信號，此為步驟S42；同時或稍後進行地，以一壓電裝置偵測可攜式裝置因使用者動作而對有機組織所施加之一壓力變化且產生對應壓力變化之一壓電信號，此為步驟S44；之後對壓電信號進行放大與過濾，再進行數位轉換為一第二數位信號，此為步驟S46；接著依據第二數位信號對第一數位信號進行一補償運算步驟，以得到一修正後光電信號，此為步驟S48，其中於一實施例中，係可先對第二數位信號進行相位與振幅之調整，再進行補償運算步驟；最後對修正後光電信號進行運算，以獲得一心跳資訊，此為步驟S50。

接續上述說明，上述之補償運算步驟係可為加法運算、減法運算、乘法運算及除法運算其中之一或組合運算，或者先做快速傅立葉轉換(FFT)後再做加法運算、減法運算、乘法運算及除法運算其中之一或組合運算。於一實施例中，當壓電信號及光學信號呈線性關係時，可在第二數位信號進行相位與振幅調整後，依據第二數位信號直接以減法或加法對第一數位信號進行補償運算，進而取得修正後光電信號並獲得當時之心跳資訊。

在本發明可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法中，更包含建立一索引資料庫，索引資料庫中依據不同之第二數位信號而預設有相對應之補償值，使得第一數位信號依據補償值進行補償運算步驟。於一實施例中，當壓電信號及光學信號呈線性或非線性關係時，係可在第二數位信號進行相位與振幅調整後，於索引資料庫取得一對應第二數位信號之補償值，再以此補償值對第一數位信號進行減法或加法之補償運算，進而取得修正後光電信號並獲得當時之心跳資訊。

在本發明可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法中，更包含預先計算一已知心跳資訊與第二數位信號的關係，而獲得一運算公式，其中已知的 心跳資訊係可由一脈搏模擬器獲得。於一實施例中，當壓電信號及光學信號呈線性或非線性關係時，係可在第二數位信號進行相位與振幅調整後，使第一數位信號依據第二數位信號及運算公式進行補償運算步驟。

圖6所示為本發明一實施例可補償動作誤差之心跳資訊量測系統之方塊示意圖，可補償動作誤差之心跳資訊量測系統係應用於一可攜式裝置，如圖所示，可補償動作誤差之心跳資訊量測系統14包含一光學裝置18，用以接觸一使用者之有機組織，以感測有機組織的生理訊號且產生對應生理信號之一光電信號，於一實施例中，有機組織係為皮膚；一壓電裝置20，用以偵測可攜式裝置因使用者動作而對有機組織所施加之一壓力變化，並產生對應該壓力變化之一壓電信號；以及一中央處理單元22，電性連接光學裝置18及壓電裝置20，以依據壓電信號，對光電信號進行補償運算，以得到一修正後光電信號，並將修正後光電信號轉換為一心跳資訊。

接續上述說明，可補償動作誤差之心跳資訊量測系統14更包含一儲存單元34，電性連接中央處理單元22，於一實施例中，儲存單元34內建一索引資料庫，索引資料庫中依據不同之壓電信號預設有相對應之補償值，使得中央處理單元22依據補償值對光電信號進行補償運算，以得到修正後光電信號。於又一實施例中，儲存單元34中預設有一運算公式，其係為一預先定義之已知心跳資訊與該壓電信號之間的關係式，使得中央處理單元22可依據運算公式對光電信號進行補償運算，進而獲得修正後光電信號，以便依據修正後光電信號經過適當的運算轉換後，得到使用者即時且準確度高的心跳資訊。

在本發明中，藉由壓電裝置偵測可攜式裝置本體與有機組織之間的壓力變化，以作為一種光電信號的補償信號，將可改善使用者於動作(走路、跑步或爬山…等)間因壓力變化所導致之心跳資訊量測結果不準確的困擾，進而具有心跳資訊量測準確性高及穩定性佳的優點。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧可攜式裝置

12‧‧‧可攜式裝置本體

14‧‧‧心跳資訊量測系統

18‧‧‧光學裝置

20‧‧‧壓電裝置

22‧‧‧中央處理單元

Claims (10)

1. 一種可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置，包含：一可攜式裝置本體；以及一心跳資訊量測系統，包含：一光學裝置，設置於該可攜式裝置本體上，當該可攜式裝置本體被一使用者配戴時，該光學裝置係接觸該使用者之有機組織，以感測該有機組織的生理訊號且產生對應該生理信號之一光電信號；一壓電裝置，設置於該可攜式裝置本體上，當該可攜式裝置本體被該使用者配戴時，該壓電裝置係偵測該可攜式裝置本體因該使用者動作而對該有機組織所施加之一壓力變化，並產生對應該壓力變化之一壓電信號；以及一中央處理單元，電性連接該光學裝置及該壓電裝置，以依據該壓電信號對該光電信號進行補償運算，以得到一修正後光電信號，並將該修正後光電信號轉換為一心跳資訊，其中該補償運算係包含一減法運算、一加法運算、一乘法運算及一除法運算其中之一或其組合運算。
2. 如請求項1所述之可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置，其中該可攜式裝置本體係為一腕錶，具有一底表面接觸該使用者之手腕的該有機組織，且該光學裝置及該壓電裝置係設置於該底表面。
3. 如請求項1所述之可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置，其中該光學裝置包含至少一光源元件，該壓電裝置包含至少一壓電片元件位於該光源元件之至少一側。
4. 如請求項1所述之可補償動作誤差以量測心跳資訊之可攜式裝置，其中該光學裝置包含至少一光源元件，該壓電裝置包含一環形壓電片元件環繞該光源元件。
5. 一種可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法，其係應用於一可攜式裝置，該可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法包含：以一光學裝置接觸一使用者之有機組織，以感測該有機組織的生理訊號且產生對應該生理信號之一光學訊號，並將該光學訊號轉換為一第一數位信號；以一壓電裝置偵測該可攜式裝置因該使用者動作而對該有機組織所施加之一壓力變化且產生對應該壓力變化之一壓電信號，並將該壓電信號轉換為一第二數位信號；依據該第二數位信號，對該第一數位信號進行一補償運算步驟，以得到一修正後光電信號；以及對該修正後光電信號進行運算，以獲得一心跳資訊。
6. 如請求項5所述之可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法，其中於進行該補償運算步驟之前，係先對該第二數位信號進行相位與振幅之調整。
7. 如請求項6所述之可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法，其中該補償運算步驟係為一減法運算、一加法運算、一乘法運算及一除法運算其中之一或其組合運算。
8. 如請求項6所述之可補償動作誤差之心跳資訊的量測方法，更包含建立一索引資料庫，該索引資料庫中依據不同之該第二數位信號而預設有相對應之補償值，使得該第一數位信號依據該補償值進行該補償運算步驟。
9. 一種可補償動作誤差之心跳資訊量測系統，其係應用於一可攜式裝置，該可補償動作誤差之心跳資訊量測系統包含：一光學裝置，用以接觸一使用者之有機組織，以感測該有機組織的生理訊號且產生對應該生理信號之一光電信號；一壓電裝置，用以偵測該可攜式裝置因該使用者動作而對該有機組織所施加之一壓力變化，並產生對應該壓力變化之一壓電信號；以及一中央處理單元，電性連接該光學裝置及該壓電裝置，以依據該壓電信號，對該光電信號進行補償運算，以得到一修正後光電信號，並將該修正後光電信號轉換為一心跳資訊。
10. 如請求項9所述之可補償動作誤差之心跳資訊量測系統，更包含一儲存單元，電性連接該中央處理單元，該儲存單元內建一索引資料庫，該索引資料庫中依據不同之該壓電信號預設有相對應之補償值，使得該中央處理單元依據該補償值對該光電信號進行補償運算，以得到該修正後光電信號，其中該補償運算係包含一減法運算、一加法運算、一乘法運算及一除法運算其中之一或其組合運算。