TWI568418B - Evaluation of photometric volume measurement device and its measurement method - Google Patents

Description

回授式光體積血容積量測裝置及其量測方法

本發明有關於醫療量測之領域，特別有關於一種回授式光體積血容積量測裝置及其量測方法。

隨著工商業的快速發展，人們的工作壓力卻越來越大，加上飲食不均衡，罹患心血管疾病的人口越來越多。根據2008至2012年行政院衛福部統計的國人十大死因，有將近一半的項目為心血管相關的疾病，例如心臟病、腦血管疾病及高血壓性疾病。心血管相關疾病的死亡人數佔2012年台灣總死亡人數的30.3%，且心臟疾病及腦血管疾病為心血管相關疾病致死的兩大主因。

對於心血管相關之量測，傳統上使用光體積血容積量測裝置(photoplethysmography)來量測血氧飽和度及光體積血容積波訊號，其可分為穿透式或反射式的光體積血容積量測裝置，然而習知技術之光體積血容積量測裝置大多使用固定光的亮度的光發射器來照射人體的背景組織，因此常常因為背景組織(如手指、手臂、頭部、腹部、腿部等)不同而造成所量測的信號不佳。

有鑑於上述問題，本發明之目的係提供一種回授式光體積血容積量測裝置及其量測方法，可針對所要量測人體的不同背景組織來調整光體積血容積量測裝置之光發射器所發射之光的亮度為最佳 亮度，而使光體積血容積量測裝置量測人體的背景組織有最佳的量測信號。

本發明之第一態樣係提供一種回授式光體積血容積量測裝置，其包括：一量測裝置，包括：一光發射器，發射一特定波長之光至人體；以及一光接收器，接收穿透人體或由人體反射之該特定波長之光，並將其轉換為電信號之一光體積血容積波信號；一類比/數位轉換單元，將該光接收器所轉換之為類比信號之該光體積血容積波信號轉換成為數位數值之一光體積血容積波值；一變化度計算單元，以該類比/數位轉換單元所轉換之該光體積血容積波值計算獲得一光體積血容積變化值；以及一回授式發射光振幅調整單元，根據其預設之複數個控制值或經調整之該變化度計算單元所計算之該光體積血容積變化值控制該光發射器所發射之光之亮度，並調整該光體積血容積變化值至一最小變化值，而使控制該光發射器所發射之光之亮度為最佳亮度。

本發明之第二態樣係提供一種回授式光體積血容積量測裝置，其包括：一量測裝置，包括：複數個光發射器，分別發射特定波長且不同時序之光至人體；以及一光接收器，接收穿透人體或由人體反射之該等特定波長且不同時序之光，並將其轉換為電信號之複數個光體積血容積波信號；一光發射時序控制單元，以相位、脈波時序或弦波控制方式將複 數個發射光時序信號之每一者分別送至該等光發射器之每一者，以控制該等光發射器之每一者所發射之光的時間與頻率；一類比/數位轉換單元，將該光接收器所轉換之為類比信號之該等光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之複數個光體積血容積波值；一變化度計算單元，以該類比/數位轉換單元所轉換之該等光體積血容積波值分別計算獲得複數個光體積血容積變化值；以及一回授式發射光振幅調整單元，根據其預設之複數個控制值或經調整之該變化度計算單元所計算之該等光體積血容積變化值分別控制該等光發射器之每一者所發射之光之亮度，並調整該等光體積血容積變化值之至少一者至一最小變化值，而使控制為相應該最小變化值之光發射器所發射之光之亮度為最佳亮度。

本發明之第三態樣係提供一種回授式光體積血容積量測裝置之量測方法，包括下列步驟：由一光發射器發射一特定波長之光至人體；由一光接收器接收穿透人體或由人體反射之該特定波長之光，並將其轉換為電信號之一光體積血容積波信號；由一類比/數位轉換單元將該光接收器所轉換之為類比信號之該光體積血容積波信號轉換成為數位數值之一光體積血容積波值；由一變化度計算單元以該類比/數位轉換單元所轉換之該光體積血容積波值計算獲得一光體積血容積變化值；以及由一回授式發射光振幅調整單元調整該光體積血容積變化值，並根據其預設之複數個控制值或經調整之該變化度計算單元所計算之該光體積血容積變化值控制該光發射器所發射之光之亮度； 由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該光體積血容積變化值是否為該最小變化值。

本發明之第四態樣係提供一種回授式光體積血容積量測裝置之量測方法，包括下列步驟：由複數個光發射器分別發射特定波長且不同時序之光至人體；由一光接收器接收穿透人體或由人體反射之該等特定波長且不同時序之光，並將其轉換為電信號之複數個光體積血容積波信號；由一光發射時序控制單元以相位、脈波時序或弦波控制方式將複數個發射光時序信號之每一者分別送至該等光發射器之每一者，以控制該等光發射器之每一者所發射之光的時間與頻率；由一類比/數位轉換單元將該光接收器所轉換之為類比信號之該等光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之複數個光體積血容積波值；由一變化度計算單元以該類比/數位轉換單元所轉換之該等光體積血容積波值分別計算獲得複數個光體積血容積變化值；由一回授式發射光振幅調整單元調整該等光體積血容積變化值，並根據其預設之複數個控制值或該變化度計算單元所計算之該等光體積血容積變化值分別控制該等光發射器之每一者所發射之光之亮度；以及由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該等光體積血容積變化值之至少一者是否為該最小變化值。

10‧‧‧回授式光體積血容積量測裝置

20‧‧‧回授式光體積血容積量測裝置

30‧‧‧回授式光體積血容積量測裝置

100‧‧‧量測裝置

102‧‧‧光發射器

104‧‧‧光接收器

120‧‧‧類比/數位轉換單元

140‧‧‧回授式發射光振幅調整單元

160‧‧‧光發射時序控制單元

180‧‧‧變化度計算單元

200‧‧‧信號處理單元

300‧‧‧量測裝置

304‧‧‧光接收器

400‧‧‧量測裝置

404‧‧‧光接收器

3021‧‧‧第一光發射器

3022‧‧‧第二光發射器

4021‧‧‧第一光發射器

4022‧‧‧第二光發射器

4023‧‧‧第三光發射器

圖1為本發明之第一實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方 塊圖；圖2A為本發明之第一實施例之光發射時序控制單元之脈波信號之時序圖；圖2B為本發明之第一實施例之光接收器之光體積血容積波信號之頻率圖；圖2C為本發明之第一實施例之變化度計算單元所計算之光體積血容積變化值之示意圖；圖3A為本發明之回授式發射光振幅調整單元找尋最小變化值之方法之流程圖；圖3B為本發明之回授式發射光振幅調整單元找尋最小變化值之另一方法之流程圖；圖4為本發明之第一實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法之流程圖；圖5為本發明之第二實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方塊圖；圖6A為本發明之第二實施例之光發射時序控制單元之脈波信號之時序圖；圖6B為本發明之第二實施例之利用不同發射頻率所得之光體積血容積變化圖；圖6C為本發明之第二實施例之變化度計算單元所計算之光體積血容積變化值之示意圖；圖7為本發明之第二實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法之流程圖；圖8為本發明之第三實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方 塊圖；圖9A為本發明之第三實施例之光發射時序控制單元之脈波信號之時序圖；圖9B為本發明之第三實施例之利用不同發射頻率所得之光體積血容積變化圖；圖9C為本發明之第三實施例之變化度計算單元所計算之光體積血容積變化值之示意圖；以及圖10為本發明之第三實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法之流程圖。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

第一實施例

圖1為本發明之第一實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方塊圖。在圖1中，回授式光體積血容積量測裝置10包括一量測裝置100、一類比/數位轉換單元120、一回授式發射光振幅調整單元140、一光發射時序控制單元160、一變化度計算單元180及一信號處理單元200。量測裝置100包括一光發射器102及一光接收器104。

光發射時序控制單元160以相位、脈波時序或弦波控制方式送出為一發射光時序信號之脈波信號至光發射器102，以控制光發射器102所發射之光的時間與頻率。如圖2A為本發明之第一實施例之光發射時序控制單元之脈波信號之時序圖所示，光發射器102所發射之光的頻率與光發射時序控制單元160之脈波信號的頻率相同，光發 射時序控制單元160之脈波信號中之ON週期使光發射器102發射特定波長的光。

光發射器102所發射之特定波長的光可為波長495nm至570nm之綠光、波長620nm至750nm之紅光或波長780nm至1000nm之紅外光。

光接收器104接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之特定波長之光，並將其轉換為電信號之一光體積血容積波信號，如圖2B為本發明之第一實施例之光接收器之光體積血容積波之信號圖所示。

類比/數位轉換單元120將光接收器104所轉換之為類比信號之光體積血容積波信號轉換成為數位數值之一光體積血容積波值。變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之光體積血容積波值計算獲得一光體積血容積變化值Var。

如圖2C為本發明之第一實施例之變化度計算單元所計算之光體積血容積變化值之示意圖所示，光體積血容積變化值 ，其中N為時序分析或傅立葉轉換該光體積血容積 波值之總資料數，I[n]為在時間n經時序分析或傅立葉轉換之該光體積血容積波值之相應光強度，M為I[n]的平均值。

回授式發射光振幅調整單元140藉由預設之數個控制值或經調整之變化度計算單元180所計算之光體積血容積變化值Var來控制光發射器102所發射之光之亮度的大小，直到根據光接收器104所轉換之光體積血容積波信號經轉換及計算之光體積血容積變化值Var為一最小變化值，而為回授式發射光振幅調整單元140控制光發射器 102所發射之光之亮度為最佳亮度。

圖3A為本發明之回授式發射光振幅調整單元找尋最小變化值之方法之流程圖。在圖3A中，回授式發射光振幅調整單元140首先以數個控制值中的第一控制值來進行光發射器102所發射之光之亮度調整(步驟S500)，而光發射器102發射出相應回授式發射光振幅調整單元140之第一控制值之光之亮度(步驟S502)。

光接收器104接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之上述特定波長之光，並將其轉換為電信號之光體積血容積波信號，類比/數位轉換單元120將光接收器104所轉換之為類比信號之光體積血容積波信號轉換成為數位數值之光體積血容積波值，變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之光體積血容積波值計算獲得光體積血容積變化值Var(步驟S504)。

接著，回授式發射光振幅調整單元140接收變化度計算單元180計算獲得之光體積血容積變化值Var，並判斷是否已使用所有的控制值來進行光發射器102所發射之光之亮度調整(步驟S506)。

由於回授式發射光振幅調整單元140以第一控制值來進行光發射器102所發射之光之亮度調整，並未使用所有的控制值，因此接著實施步驟S500，而以第二控制值來進行光發射器102所發射之光之亮度調整，並在後續實施步驟S500時，而以其後之控制值來進行光發射器102所發射之光之亮度調整。

若回授式發射光振幅調整單元140已使用所有的控制值來進行光發射器102所發射之光之亮度調整，則回授式發射光振幅調整單元140於相應每一控制值之每一光體積血容積變化值Var中找尋其中最小值者，該最小值即為回授式發射光振幅調整單元140控制光發 射器102所發射之光之亮度為最佳亮度之最小變化值(步驟S508)。

圖3B為本發明之回授式發射光振幅調整單元找尋最小變化值之另一方法之流程圖。在圖3B中，回授式發射光振幅調整單元140首先以一預設值來控制光發射器102所發射之光之亮度(步驟S520)。

光接收器104接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之上述特定波長之光，並將其轉換為電信號之光體積血容積波信號(步驟S522)。

類比/數位轉換單元120將光接收器104所轉換之為類比信號之光體積血容積波信號轉換成為數位數值之光體積血容積波值，變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之光體積血容積波值計算獲得光體積血容積變化值Var(步驟S524)。

接著，回授式發射光振幅調整單元140接收變化度計算單元180計算獲得之光體積血容積變化值Var，並判斷是否第一次控制光發射器102發射光(步驟S526)。

由於回授式發射光振幅調整單元140第一次控制光發射器102發射光，因此回授式發射光振幅調整單元140調整所接收之光體積血容積變化值Var的大小而控制光發射器102所發射之光之亮度增加(步驟S528)，接著實施步驟S500，而以經調整之光體積血容積變化值Var來控制光發射器102所發射之光之亮度。

在實施步驟S520、S522、S524有兩次以上時，在步驟S526中，回授式發射光振幅調整單元140並非第一次控制光發射器102發射光，回授式發射光振幅調整單元140判斷在由變化度計算單元180所計算之目前之光體積血容積變化值Var是否小於前一次之光體積血 容積變化值Var(步驟S530)。

若目前之光體積血容積變化值Var小於前一次之該光體積血容積變化值Var，則實施步驟S520、S522、S524、S526、S528等步驟；若目前之光體積血容積變化值Var大於前一次之該光體積血容積變化值Var，則回授式發射光振幅調整單元140調整所接收之光體積血容積變化值Var的大小而控制光發射器102所發射之光之亮度減少(步驟S532)，回授式發射光振幅調整單元140以經調整之光體積血容積變化值Var來控制光發射器102所發射之光之亮度(步驟S534)。

光接收器104接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之上述特定波長之光，並將其轉換為電信號之光體積血容積波信號(步驟S536)。

類比/數位轉換單元120將光接收器104所轉換之為類比信號之光體積血容積波信號轉換成為數位數值之光體積血容積波值，變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之光體積血容積波值計算獲得光體積血容積變化值Var(步驟S538)。

回授式發射光振幅調整單元140判斷在由變化度計算單元180所計算之目前之光體積血容積變化值Var是否小於前一次之該光體積血容積變化值Var(步驟S540)。

若目前之光體積血容積變化值Var小於前一次之該光體積血容積變化值Var，則實施步驟S532、S534、S536、S538等步驟；若目前之光體積血容積變化值Var大於前一次之該光體積血容積變化值Var，則前一次之光體積血容積變化值係為最小變化值，回授式發射光振幅調整單元140以最小變化值來控制光發射器102所發射之光之亮度為最佳亮度。

信號處理單元200在光體積血容積變化值為最小變化值時以該光體積血容積波值計算獲得一心率值。其中，心率值=60/時間差(心跳數/分鐘)，該時間差為相應圖2B之光體積血容積波信號之光體積血容積波值中相鄰波峰間的時間長度。

參照上述第一實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方塊圖以說明本發明之第一實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法。

圖4為本發明之第一實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法之流程圖。在圖3中，光發射時序控制單元160送出為圖2A之為發射光時序信號之脈波信號至光發射器102，以控制光發射器102所發射之光的時間與頻率，且回授式發射光振幅調整單元140以一預設控制值控制光發射器102所發射之光之亮度為預設亮度，由光發射器102以預設亮度的光發射至人體的背景組織(步驟S40)。

由光接收器104接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之上述特定波長之光，並將其轉換為如圖2B所示之電信號之一光體積血容積波信號(步驟S42)。

由類比/數位轉換單元120將光接收器104所轉換之為類比信號之光體積血容積波信號轉換成為數位數值之光體積血容積波值(步驟S44)。變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之光體積血容積波值計算獲得上述光體積血容積變化值Var(步驟S46)。

當如圖3A或圖3B所示之流程步驟中之光體積血容積變化值Var不為一最小變化值時，由回授式發射光振幅調整單元140調整光體積血容積變化值Var的大小，而由其數值控制光發射器102所發射之光的亮度大小；當計算之光體積血容積變化值Var為最小變化值時， 由回授式發射光振幅調整單元140以為最小變化值之光體積血容積變化值Var來控制光發射器102所發射之光為最佳亮度(步驟S48)。

如圖3A或圖3B所示之流程步驟，由回授式發射光振幅調整單元140判斷所計算之光體積血容積變化值Var是否為最小變化值(步驟S50)，若不是，則實施步驟S40；若是，由信號處理單元200以為最小變化值之光體積血容積波值計算獲得上述心率值(步驟S52)。

第二實施例

圖5為本發明之第二實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方塊圖。在圖5中，回授式光體積血容積量測裝置20包括一量測裝置300、一類比/數位轉換單元120、一回授式發射光振幅調整單元140、一光發射時序控制單元160、一變化度計算單元180及一信號處理單元200。量測裝置300包括一第一光發射器3021、一第二光發射器3022及一光接收器304。

光發射時序控制單元160以相位、脈波或弦波控制方式送出為發射光時序信號之兩組脈波信號至第一光發射器3021及第二光發射器3022，以分別控制第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之光的時間與頻率。如圖6A為本發明之第二實施例之光發射時序控制單元之脈波信號之時序圖所示，第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之光的頻率分別與光發射時序控制單元160之第一脈波信號及第二脈波信號的頻率相同，光發射時序控制單元160之第一脈波信號及第二脈波信號中之ON週期分別使第一光發射器3021及第二光發射器3022發射特定波長的紅光及紅外光。

第一光發射器3021所發射之特定波長的光可為波長620nm至750nm之紅光，第二光發射器3022所發射之特定波長的光可 為波長780nm至1000nm之紅外光。

光接收器304接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之特定波長之紅光及紅外光，並將其分別轉換為電信號之第一光體積血容積波信號及第二光體積血容積波信號，如圖6B為本發明之第二實施例之利用不同發射頻率所得之光體積血容積變化圖所示。

類比/數位轉換單元120將光接收器104所轉換之為類比信號之第一光體積血容積波信號及第二光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之第一光體積血容積波值及第二光體積血容積波值。變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之第一光體積血容積波值及第二光體積血容積波值計算分別獲得如上述光體積血容積變化值Var之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值，如圖6C為本發明之第二實施例之變化度計算單元所計算之光體積血容積變化值之示意圖所示。

回授式發射光振幅調整單元140藉由預設之數個控制值或經調整之變化度計算單元180所計算之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值來分別控制第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之光之亮度的大小，如圖3A或圖3B所示之流程步驟，直到根據光接收器304所轉換之第一光體積血容積波信號及第二光體積血容積波信號經轉換及計算之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值分別為一最小變化值，而為回授式發射光振幅調整單元140分別控制第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之光之亮度為最佳亮度。

信號處理單元200在第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值分別為最小變化值時以第一光體積血容積波值及第 二光體積血容積波值計算獲得一比值R，再經由查表可得一血氧濃度值。

血氧濃度值，其中S _{R_max} 為相應最小變化值之紅光之光體積血容積波值中之波峰值，S _{R_min}為相應最小變化值之紅光之光體積血容積波值中之波谷值，S _{R_mean} =(S _{R_max}+S _{R_min})/2，S _{IR_max}為相應最小變化值之紅外光之光體積血容積波值中之波峰值，S _{IR_min}為相應最小變化值之紅外光之光體積血容積波值中之波谷值，S _{IR_mean} =(S _{IR_max}+S _{IR_min})/2。

參照上述第二實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方塊圖以說明本發明之第二實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法。

圖7為本發明之第二實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法之流程圖。在圖7中，光發射時序控制單元160送出為圖6A之為發射光時序信號之第一脈波信號及第二脈波信號至第一光發射器3021及第二光發射器3022，以分別控制第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之紅光及紅外光的時間與頻率，且回授式發射光振幅調整單元140以第一預設控制值及第二預設控制值分別控制第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之紅光及紅外光之亮度為預設亮度，由第一光發射器3021及第二光發射器3022分別以預設亮度的紅光及紅外光發射至人體的背景組織(步驟S60)。

由光接收器304接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之上述特定波長之紅光及紅外光，並將其轉換為如圖6B所示之電信號之第一光體積血容積波信號及第二光體積血容積波信號 (步驟S62)。

由類比/數位轉換單元120將光接收器304所轉換之為類比信號之第一光體積血容積波信號及第二光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之第一光體積血容積波值及第二光體積血容積波值(步驟S64)。

變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之第一光體積血容積波值及第二光體積血容積波值計算分別獲得第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值(步驟S66)。

當如圖3A或圖3B所示之流程步驟中之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值不為最小變化值時，由回授式發射光振幅調整單元140調整第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值的大小，而由其數值分別控制光第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之紅光及紅外光的亮度大小；當計算之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值皆為最小變化值時，由回授式發射光振幅調整單元140以為最小變化值之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值來分別控制第一光發射器3021及第二光發射器3022所發射之紅光及紅外光為最佳亮度(步驟S68)。

如圖3A或圖3B所示之流程步驟，由回授式發射光振幅調整單元140判斷所計算之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積變化值是否為最小變化值(步驟S70)，若不是，則實施步驟S60；若是，由信號處理單元200以皆為最小變化值之第一光體積血容積變化值及第二光體積血容積波值計算獲得上述血氧濃度值(步驟S72)。

第三實施例

圖8為本發明之第三實施例之回授式光體積血容積量測裝置之方 塊圖。在圖8中，回授式光體積血容積量測裝置30包括一量測裝置400、一類比/數位轉換單元120、一回授式發射光振幅調整單元140、一光發射時序控制單元160、一變化度計算單元180及一信號處理單元200。量測裝置400包括一第一光發射器4021、一第二光發射器4022、一第三光發射器4023及一光接收器404。在本實施例中，第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023是一組特定波長但不同頻率及不同亮度之光(綠光、紅光或紅外光)的三個光發射器，然而光發射器的數量並不侷限於三個，兩個以上的光發射器皆適用於本發明，本發明亦適用多組特定波長之光的多個光發射器。

光發射時序控制單元160以相位、脈波或弦波控制方式送出為發射光時序信號之三組脈波信號至第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023，以分別控制第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光的時間與頻率。如圖9A為本發明之第三實施例之光發射時序控制單元之脈波信號之時序圖所示，第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光的頻率分別與光發射時序控制單元160之第一脈波信號、第二脈波信號及第三脈波信號的頻率相同，光發射時序控制單元160之第一脈波信號、第二脈波信號及第三脈波信號中之ON週期分別使第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023發射上述特定波長的光。其中，光發射時序控制單元160送出之第一脈波信號、第二脈波信號及第三脈波信號的頻率係不相同。

光接收器404接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之特定波長之多個不同亮度及不同頻率之光，並將其分別轉換為電信號之第一光體積血容積波信號、第二光體積血容積波信號及 第三光體積血容積波信號，如圖9B為本發明之第三實施例之利用不同發射頻率所得之光體積血容積變化圖所示。

類比/數位轉換單元120將光接收器404所轉換之為類比信號之第一光體積血容積波信號、第二光體積血容積波信號及第三光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之第一光體積血容積波值、第二光體積血容積波值及第三光體積血容積波值，而第一光體積血容積波值、第二光體積血容積波值及第三光體積血容積波值係分別相應不同亮度及不同頻率之光。變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之第一光體積血容積波值、第二光體積血容積波值及第三光體積血容積波值計算分別獲得如上述光體積血容積變化值Var之第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值，如圖9C為本發明之第三實施例之變化度計算單元所計算之光體積血容積變化值之示意圖所示。

回授式發射光振幅調整單元140藉由預設之數個控制值或經調整之變化度計算單元180所計算之第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值來分別控制第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光之亮度的大小，如圖3A或圖3B所示之流程步驟，直到根據光接收器404所轉換之第一光體積血容積波信號及第二光體積血容積波信號經轉換及計算之第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值之其中一者為一最小變化值，而為回授式發射光振幅調整單元140控制第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023之該其中一者所發射之光之亮度為最佳亮度。

信號處理單元200在第一光體積血容積變化值、第二光 體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值之其中一者為最小變化值時以為最小變化值之光體積血容積波值計算獲得上述心率值。以多個光發射器進行光體積血容積之量測，在多個光發射器之其中一者為最佳光亮度時，而以相應為最佳光亮度之光發射器之光體積血容積波值計算獲得心率值，如此在量測光體積血容積時可快速獲得心率值。

在另一實施例中，第一組多個光發射器發射出不同亮度及不同頻率之特定波長之紅光，第二組多個光發射器發射出不同亮度及不同頻率之特定波長之紅外光，信號處理單元200以第一組多個光發射器中為最小變化值之光體積血容積波值及第二組多個光發射器中為最小變化值之光體積血容積波值計算獲得上述比值R，再經由查表可得一血氧濃度值。

圖10為本發明之第三實施例之回授式光體積血容積量測裝置之量測方法之流程圖。在圖10中，光發射時序控制單元160送出為圖9A之為發射光時序信號之第一脈波信號、第二脈波信號及第三脈波信號至第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023，以分別控制第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光的時間與頻率(第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光的頻率係不相同)，且回授式發射光振幅調整單元140以第一預設控制值、第二預設控制值及第三預設控制值分別控制第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之紅光及紅外光之亮度為預設亮度(第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光的亮度係不相同)，由第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023分別以預設亮度的光發射至人體的背景組織(步驟S80)。

由光接收器404接收穿透人體的背景組織或由人體的背景組織反射之上述特定波長之數個不同頻率及不同亮度之光，並將其轉換為如圖9B所示之電信號之第一光體積血容積波信號、第二光體積血容積波信號及第三光體積血容積波信號(步驟S82)。

由類比/數位轉換單元120將光接收器404所轉換之為類比信號之第一光體積血容積波信號、第二光體積血容積波信號及第三光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之第一光體積血容積波值、第二光體積血容積波值及第三光體積血容積波值(步驟S84)。

變化度計算單元180以類比/數位轉換單元120所轉換之第一光體積血容積波值、第二光體積血容積波值及第三光體積血容積波值計算分別獲得第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值(步驟S86)。

當如圖3A或圖3B所示之流程步驟中之第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值皆不為最小變化值時，由回授式發射光振幅調整單元140調整第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值的大小，而由其數值分別控制光第一光發射器4021、第二光發射器4022及第三光發射器4023所發射之光的亮度大小；當計算之第一光體積血容積變化值、第二光體積血容積變化值及第三光體積血容積變化值其中一者為最小變化值時，由回授式發射光振幅調整單元140以為最小變化值之光體積血容積變化值來控制相應最小變化值之光發射器所發射之光為最佳亮度(步驟S88)。

如圖3A或圖3B所示之流程步驟，由回授式發射光振幅調整單元140判斷所計算之第一光體積血容積變化值、第二光體積血 容積變化值及第三光體積血容積變化值其中一者是否為最小變化值(步驟S90)，若不是，則實施步驟S80；若是，由信號處理單元200以為最小變化值之光體積血容積變化值計算獲得上述心率值(步驟S92)。

在另一實施例中，第一組多個光發射器發射出不同亮度及不同頻率之特定波長之紅光，第二組多個光發射器發射出不同亮度及不同頻率之特定波長之紅外光，信號處理單元200以第一組多個光發射器中為最小變化值之光體積血容積波值及第二組多個光發射器中為最小變化值之光體積血容積波值計算獲得上述比值R，再經由查表可得一血氧濃度值。

本發明係提供一種回授式光體積血容積量測裝置及其量測方法，可針對所要量測人體的不同背景組織來調整光體積血容積量測裝置之光發射器所發射之光的亮度為最佳亮度，而使光體積血容積量測裝置量測人體的背景組織有最佳的量測信號，並以多個光發射器量測光體積血容積，而可快速量測人體的心率值及血氧濃度值。

雖然本發明已參照較佳具體例及舉例性附圖敘述如上，惟其應不被視為係限制性者。熟悉本技藝者對其形態及具體例之內容做各種修改、省略及變化，均不離開本發明之請求項之所主張範圍。

10‧‧‧回授式光體積血容積量測裝置

100‧‧‧量測裝置

102‧‧‧光發射器

104‧‧‧光接收器

120‧‧‧類比/數位轉換單元

140‧‧‧回授式發射光振幅調整單元

160‧‧‧光發射時序控制單元

180‧‧‧變化度計算單元

200‧‧‧信號處理單元

Claims (34)

1. 一種回授式光體積血容積量測裝置，其包括：一量測裝置，包括：一光發射器，發射一特定波長之光至人體；以及一光接收器，接收穿透人體或由人體反射之該特定波長之光，並將其轉換為電信號之一光體積血容積波信號；一類比/數位轉換單元，將該光接收器所轉換之為類比信號之該光體積血容積波信號轉換成為數位數值之一光體積血容積波值；一變化度計算單元，以該類比/數位轉換單元所轉換之該光體積血容積波值計算獲得一光體積血容積變化值；以及一回授式發射光振幅調整單元，根據其預設之複數個控制值或經調整之該變化度計算單元所計算之該光體積血容積變化值控制該光發射器所發射之光之亮度，並調整該光體積血容積變化值至一最小變化值，而使控制該光發射器所發射之光之亮度為最佳亮度。
2. 如請求項1之回授式光體積血容積量測裝置，進一步包括：一光發射時序控制單元，以相位、脈波或弦波控制方式送出一發射光時序信號至該光發射器，以控制該光發射器所發射之光的時間與頻率。
3. 如請求項1之回授式光體積血容積量測裝置，進一步包括：一信號處理單元，在該光體積血容積變化值為該最小變化值時，以該光體積血容積波值計算獲得一心率值。
4. 如請求項3之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該心率值=60/時間差(心跳數/分鐘)，該時間差為該光體積血容積波值中相鄰波峰間的時間長度。
5. 如請求項1之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該光發射器 所發射之光係為波長495nm至570nm之綠光、波長620nm至750nm之紅光及波長780nm至1000nm之紅外光之其中之一。
6. 如請求項1之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該光體積血 容積變化值，其中N為時序分析或傅立葉轉換該光 體積血容積波值之總資料數，I[n]為在時間n經時序分析或傅立葉轉換之該光體積血容積波值之相應光強度，M為I[n]的平均值。
7. 如請求項1之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該回授式發射光振幅調整單元以該等控制值之每一者控制該光發射器所發射之光之亮度，並判斷出由該變化度計算單元所計算之相應該等控制值之每一者之該光體積血容積變化值中之最小值者為該最小變化值。
8. 如請求項1之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該回授式發射光振幅調整單元判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度增加，在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，並再判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，再由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，前一次之該光體積血容積變化值係為該最小變化值。
9. 一種回授式光體積血容積量測裝置，其包括：一量測裝置，包括：複數個光發射器，分別發射特定波長且不同時序之光至人體；以及一光接收器，接收穿透人體或由人體反射之該等特定波長且不同時序之光，並將其轉換為電信號之複數個光體積血容積波信號；一光發射時序控制單元，以相位、脈波時序或弦波控制方式將複數個發射光時序信號之每一者分別送至該等光發射器之每一者，以控制該等光發射器之每一者所發射之光的時間與頻率；一類比/數位轉換單元，將該光接收器所轉換之為類比信號之該等光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之複數個光體積血容積波值；一變化度計算單元，以該類比/數位轉換單元所轉換之該等光體積血容積波值分別計算獲得複數個光體積血容積變化值；以及一回授式發射光振幅調整單元，根據其預設之複數個控制值或經調整之該變化度計算單元所計算之該等光體積血容積變化值分別控制該等光發射器之每一者所發射之光之亮度，並調整該等光體積血容積變化值之至少一者至一最小變化值，而使控制為相應該最小變化值之光發射器所發射之光之亮度為最佳亮度。
10. 如請求項9之回授式光體積血容積量測裝置，進一步包括：一信號處理單元，在該等光體積血容積變化值之其中一者為該最小變化值時，以為該最小變化值之光體積血容積波值計算獲得一心率值。
11. 如請求項10之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該心率值=60/時間差(心跳數/分鐘)，該時間差係為該最小變化值之光體積血容 積波值中相鄰波峰間的時間長度。
12. 如請求項9之回授式光體積血容積量測裝置，進一步包括：一信號處理單元，在波長是紅光之該等光體積血容積變化值之其中一者及波長是紅外光之該等光體積血容積變化值之其中一者皆為該最小變化值時，以為該最小變化值之波長是紅光之該光體積血容積波值及波長是紅外光之該光體積血容積變化值計算獲得一比值R，再經由查表可得一血氧濃度值。
13. 如請求項12之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該比值 ，其中S _{R_max}為相應該最小變化值之紅 光之該光體積血容積波值中之波峰值，S _{R_min}為相應該最小變化值之紅光之該光體積血容積波值中之波谷值，S _{R_mean} =(S _{R_max}+S _{R_min})/2，S _{IR_max}為相應該最小變化值之紅外光之該光體積血容積波值中之波峰值，S _{IR_min}為相應該最小變化值之紅外光之該光體積血容積波值中之波谷值，S _{IR_mean} =(S _{IR_max}+S _{IR_min})/2。
14. 如請求項9之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該等光發射器所發射之光係為波長495nm至570nm之綠光、波長620nm至750nm之紅光及波長780nm至1000nm之紅外光之其中之一。
15. 如請求項9之回授式光體積血容積量測裝置，其中，每一該光體 積血容積變化值，其中N為分別時序分析或傅立葉 轉換每一該光體積血容積波值之總資料數，I[n]為在時間n經時序分析或傅立葉轉換之每一該光體積血容積波值之相應光強度，M為I[n]的平均值。
16. 如請求項9之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該回授式發射光振幅調整單元以該等控制值之每一者控制該光發射器所發射之光之亮度，並判斷出由該變化度計算單元所計算之相應該等控制值之每一者之該光體積血容積變化值中之最小值者為該最小變化值。
17. 如請求項9之回授式光體積血容積量測裝置，其中，該回授式發射光振幅調整單元判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度增加，在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，並再判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，再由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，前一次之該光體積血容積變化值係為該最小變化值。
18. 一種回授式光體積血容積量測裝置之量測方法，包括下列步驟：由一光發射器發射一特定波長之光至人體；由一光接收器接收穿透人體或由人體反射之該特定波長之光，並將其轉換為電信號之一光體積血容積波信號；由一類比/數位轉換單元將該光接收器所轉換之為類比信號之該光體積血容積波信號轉換成為數位數值之一光體積血容積波值；由一變化度計算單元以該類比/數位轉換單元所轉換之該光體積血容 積波值計算獲得一光體積血容積變化值；以及由一回授式發射光振幅調整單元調整該光體積血容積變化值，並根據其預設之複數個控制值或經調整之該變化度計算單元所計算之該光體積血容積變化值控制該光發射器所發射之光之亮度；由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該光體積血容積變化值是否為該最小變化值。
19. 如請求項18之量測方法，其中，在由該回授式發射光振幅調整單元控制該光發射器所發射之光之亮度之步驟中，由一光發射時序控制單元以相位、脈波或弦波控制方式送出一發射光時序信號至該光發射器，以控制該光發射器所發射之光的時間與頻率。
20. 如請求項18之量測方法，其中，在由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該光體積血容積變化值為該最小變化值之步驟之後進一步包括：由一信號處理單元在該光體積血容積變化值為該最小變化值時，以該光體積血容積波值計算獲得一心率值。
21. 如請求項20之量測方法，其中，該心率值=60/時間差(心跳數/分鐘)，該時間差為該光體積血容積波值中相鄰波峰間的時間長度。
22. 如請求項18之量測方法，其中，該光發射器所發射之光係為波長495nm至570nm之綠光、波長620nm至750nm之紅光及波長780nm至1000nm之紅外光之其中之一。
23. 如請求項18之量測方法，其中，該光體積血容積變化值 ，其中N為時序分析或傅立葉轉換該光體積血容積 波值之總資料數，I[n]為在時間n經時序分析或傅立葉轉換之該光體積血容積波值之相應光強度，M為I[n]的平均值。
24. 如請求項18之量測方法，其中，由該回授式發射光振幅調整單元以該等控制值之每一者控制該光發射器所發射之光之亮度，並判斷出由該變化度計算單元所計算之相應該等控制值之每一者之該光體積血容積變化值中之最小值者為該最小變化值。
25. 如請求項18之量測方法，其中，由該回授式發射光振幅調整單元判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，由該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度增加，在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，並再判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，由該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，再由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，前一次之該光體積血容積變化值係為該最小變化值。
26. 一種回授式光體積血容積量測裝置之量測方法，包括下列步驟：由複數個光發射器分別發射特定波長且不同時序之光至人體；由一光接收器接收穿透人體或由人體反射之該等特定波長且不同時序之光，並將其轉換為電信號之複數個光體積血容積波信號；由一光發射時序控制單元以相位、脈波時序或弦波控制方式將複數個發射光時序信號之每一者分別送至該等光發射器之每一者，以控制該等光發射器之每一者所發射之光的時間與頻率； 由一類比/數位轉換單元將該光接收器所轉換之為類比信號之該等光體積血容積波信號分別轉換成為數位數值之複數個光體積血容積波值；由一變化度計算單元以該類比/數位轉換單元所轉換之該等光體積血容積波值分別計算獲得複數個光體積血容積變化值；由一回授式發射光振幅調整單元調整該等光體積血容積變化值，並根據其預設之複數個控制值或該變化度計算單元所計算之該等光體積血容積變化值分別控制該等光發射器之每一者所發射之光之亮度；以及由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該等光體積血容積變化值之至少一者是否為該最小變化值。
27. 如請求項26之量測方法，其中，在由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該光體積血容積變化值之至少一者為該最小變化值之步驟之後進一步包括：由一信號處理單元在該等光體積血容積變化值之其中一者為該最小變化值時，以為該最小變化值之光體積血容積波值計算獲得一心率值。
28. 如請求項27之量測方法，其中，該心率值=60/時間差(心跳數/分鐘)，該時間差係為該最小變化值之光體積血容積波值中相鄰波峰間的時間長度。
29. 如請求項26之量測方法，其中，在由該回授式發射光振幅調整單元判斷經調整之該光體積血容積變化值之至少一者為該最小變化值之步驟之後進一步包括：由一信號處理單元在波長是紅光之該等光體積血容積變化值之其中一者及波長是紅外光之該等光體積血容積變化值之其中一者皆為該最小變化值時，以為該最小變化值之波長是紅光 之該光體積血容積波值及波長是紅外光之該光體積血容積變化值計算獲得一血氧濃度值。
30. 如請求項29之量測方法，其中，該血氧濃度值 ，其中S _{R_max}為相應該最小變化值之紅 光之該光體積血容積波值中之波峰值，S _{R_min}為相應該最小變化值之紅光之該光體積血容積波值中之波谷值，S _{R_mean} =(S _{R_max}+S _{R_min})/2，S _{IR_max}為相應該最小變化值之紅外光之該光體積血容積波值中之波峰值，S _{IR_min}為相應該最小變化值之紅外光之該光體積血容積波值中之波谷值，S _{IR_mean} =(S _{IR_max}+S _{IR_min})/2。
31. 如請求項30之量測方法，其中，該等光發射器所發射之光係為波長495nm至570nm之綠光、波長620nm至750nm之紅光及波長780nm至1000nm之紅外光之其中之一。
32. 如請求項26之量測方法，其中，每一該光體積血容積變化值 ，其中N為分別時序分析或傅立葉轉換每一該光體 積血容積波值之總資料數，I[n]為在時間n經時序分析或傅立葉轉換之每一該光體積血容積波值之相應光強度，M為I[n]的平均值。
33. 如請求項26之量測方法，其中，由該回授式發射光振幅調整單元以該等控制值之每一者控制該光發射器所發射之光之亮度，並判斷出由該變化度計算單元所計算之相應該等控制值之每一者之該光體積血容積變化值中之最小值者為該最小變化值。
34. 如請求項26之量測方法，其中，由該回授式發射光振幅調整單元判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值 小於前一次之該光體積血容積變化值時，由該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度增加，在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，並再判斷在由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值小於前一次之該光體積血容積變化值時，由該回授式發射光振幅調整單元調整目前之該光體積血容積變化值而使控制該光發射器所發射之光之亮度減少，再由該變化度計算單元所計算之目前之該光體積血容積變化值大於前一次之該光體積血容積變化值時，前一次之該光體積血容積變化值係為該最小變化值。