TWI640295B - Photoelectric heart rate detection system - Google Patents

Abstract

一種光電式心率偵測系統，包含陣列偵測模組、血管掃描定位模組及心率監測模組。陣列偵測模組包括多個以二維陣列設置的光電偵測單元，每一光電偵測單元具有一μLED及一CIGS光電元件。血管掃描定位模組能驅動該等光電偵測單元依序作動，並根據該等光電偵測單元之陣列位址與輸出之感測訊號而定位出血管。心率監測模組會分析對準血管的光電偵測單元的感測訊號而得到心率資料。透過該等光電偵測單元的二維陣列設置設計，使本發明能先定位出待測肢體的血管位置後，再定址控制對準血管的光電偵測單元作動以進行心率之監測，能測得更準確的心率資料。

Description

光電式心率偵測系統

本發明是有關於一種生理訊號偵測系統，特別是指一種用以偵測心率與血氧的偵測系統。

由於體外偵測心率、血氧之偵測模組的製造技術與偵測技術都已相當成熟，製造成本大幅下降，所以近年來已逐漸由醫療設備領域被廣泛轉用於一般消費性電子產品領域，例如隨身型血氧偵測器、心率手環與運動手錶等。目前這類心率偵測模組的結構大致包括一個光發射器及一個光感測器，所述光發射器發射之偵測光通常紅光、紅光與紅外光之組合，或者是綠光，並透過該光感測器感測反射自身體或穿透身體的光訊號來分析出心率與血氧。雖然這種由單一光發射器與單一光感測器之組合所構成之心率血氧偵測模組具有血氧與心率偵測功能，但使用時可能因為其偵測方向未對準體表下之血管，而會造成分析測得之心率與血氧資料不正確。

因此，本發明的目的，即在提供一種能改善先前技術之至少一個缺點的光電式心率偵測系統。

於是，本發明光電式心率偵測系統，能用以設置在體表以偵測心率，並包含一個用以抵靠於體表的陣列偵測模組、一個訊號連接於該陣列偵測模組的血管掃描定位模組，及一個訊號連接於該陣列偵測模組與該血管掃描定位模組的心率監測模組。該陣列偵測模組包括多個以二維陣列方式排列設置的光電偵測單元，每一光電偵測單元具有一個能往一偵測方向朝體表發出一個能偵測血氧濃度之偵測光的μLED，及一個能感測身體反射之偵測光而對應輸出一個感測訊號之CIGS（Cu(In,Ga)Se ₂，硒化銅銦鎵）光電元件。該血管掃描定位模組內建有多個分別代表該等光電偵測單元之二維陣列位置的陣列位址，並包括一個血管掃描單元及一個血管定位單元，該血管掃描單元能驅動該等光電偵測單元依序作動以發出該偵測光及輸出該感測訊號，該血管定位單元會根據該等陣列位址分析該等感測訊號，而定位出位在該陣列偵測模組覆蓋之體表下的至少一血管的位置，以及定位出該偵測方向是對準該至少一血管之每一陣列位址。該心率監測模組包括一個定址控制單元及一個心率監測單元，該定址控制單元會驅使該血管定位單元定位出之其中一陣列位址所對應之該光電偵測單元作動，該心率監測單元會接收分析被該定址控制單元驅動之該其中一光電偵測單元輸出的該感測訊號而輸出一個心率資料。

本發明的功效在於：透過該陣列偵測模組之二維陣列設置的該等光電偵測單元結構設計，使本發明光電式光電式心率偵測系統於進行心率監測時，能先定位出待測肢體部位的血管位置後，再定址化控制對準血管的一個光電偵測單元持續作動以進行心率之監測，能測得更準確的心率資料。

參閱圖1、2、3，本發明光電式心率偵測系統之實施例，適用於配戴在一位使用者800之肢體上，例如手腕、頸部、或手指等，能用以偵測該使用者800之心率資料，所述心率資料包括但不限於心率與脈搏波形等，且能與一個電子裝置900無線通訊，而將該心率資料傳送至該電子裝置900，該電子裝置900例如但不限於行動電話、平板電腦、筆記型電腦或桌上型電腦。

該光電式心率偵測系統包含一個用以配戴於使用者800肢體上的載具3，及安裝於該載具3上的一個陣列偵測模組4、一個血管掃描定位模組5與一個心率監測模組6。在本實施例中，該陣列偵測模組4、該血管掃描定位模組5與該心率監測模組6是模組化整合設置在一個安裝在該載具3上的機殼30，但實施時不以此為限。本實施例之載具3為能夠套設於手腕的環帶結構，但實施時，也可以是夾置於手指之夾具，或者是其它能配戴在肢體上而使該陣列偵測模組4靠抵於體表之類型。

該陣列偵測模組4是外露於該機殼30外，而能被該載具3連動貼抵於體表，包括多個以二維陣列方式排列的光電偵測單元41，每一光電偵測單元41包括一個μLED 411（micro LED），及一個CIGS光電元件412。在本實施例中，每一光電偵測單元41之尺寸為20 μm×20 μm。該μLED 411能被驅動發出能用以偵測血氧之多種波長的偵測光，該等波長分別為470 nm、530 nm、660 nm與940 nm。該CIGS光電元件412為硒化銅銦鎵（Cu(In,Ga)Se ₂，Copper Indium Gallium Diselenide）構成之感光元件，能感測波長介於UV至IR（300 nm~1300 nm）之間的光，所以能感測該μLED 411發出並經人體反射之各種波長的偵測光而對應輸出一個感測訊號。

該血管掃描定位模組5是訊號連接於該陣列偵測模組4，且儲存有多個分別代表該等光電偵測單元41之二維陣列之排列位置的陣列位址，並包括一個掃描模式設定單元51、一個血管掃描單元52，及一個血管定位單元53。

該掃描模式設定單元51內建有能被切換啟動的一個全波長掃描模式511與一個單波長掃描模式512，且該單波長掃描模式512具有多個能供選擇設定且分別對應前述該等偵測光之該等波長的波長選項。

該血管掃描單元52會控制該等光電偵測單元41依序作動以完成一次完整掃描，也就是在一次完整掃描期間，控制每一光電偵測單元41發出同一種波長之該偵測光並感測輸出該感測訊號，且會分析每一感測訊號所代表之血流量。在本實施例中，該血管掃描單元52於控制一個光電偵測單元41作動時，是控制該光電偵測單元41產生多個小於0.3 ms之脈衝長度的偵測光，並透過光體積描記法 (Photoplethysmography, PPG)分析對應之感測訊號變化而計算出對應之血流量。由於透過脈衝式血氧感測方法與光體積描記法來測得血氧與血流量為習知技術且方式眾多，因此不再詳述。

該血管掃描單元52會於該掃描模式設定單元51被啟動該全波長掃描模式511時，控制該陣列偵測模組4針對每一種波長之該偵測光各執行一次完整掃描，也就是說，於每一次完整掃描期間，會控制該等光電偵測單元41依序作動以發出同一種波長之該偵測光並對應感測輸出該感測訊號。該血管掃描單元52會於該掃描模式設定單元51被啟動該單波長掃描模式512時，控制該陣列偵測模組4之該等光電偵測單元41依序作動，而發出該單波長掃描模式512被設定之該波長選項所對應之波長的該偵測光並對應感測輸出該感測訊號。

該血管定位單元53會接收分析該血管掃描單元52於每一次完整掃描所計算輸出之該等血流量資料，也就是分析該等血流量資料在該等光電偵測單元41之二維陣列中的分佈情況，會將超過一個特定閥值的每一血流量所對應之該光電偵測單元41的該陣列位址判斷為對準一條血管，並彙整被判斷為對準一條血管之該等陣列位址，而於該等光電偵測單元41構成之該二維陣列中定位出被該陣列偵測模組4覆蓋之體表下的一條或多條血管的位置，以及對準所述血管的每一個陣列位址。

該心率監測模組6是訊號連接於該陣列偵測模組4與該血管掃描定位模組5，包括一個定址控制單元61、一個心率監測單元62、一個無線通訊單元63，及一個顯示單元64。當該血管定位單元53定位出一條或多條血管位置後，若該掃描模式設定單元51是被設定為全波長掃描，該定址控制單元61會自該血管定位單元53於該等完整掃描定位出對準血管之該等陣列位址中，比對出該血流量超過一個預設閥值的其中一個光電偵測單元41與對應使用之該偵測光的波長。若該掃描模式設定單元51是被啟動該單波長掃描模式512時，該定址控制單元61會自該血管定位單元53於該次完整掃描定位出之該等陣列位址中，比對出該血流量超過該預定閥值的其中一個光電偵測單元41，並取得該單波長掃描模式512被設定之該偵測光的波長。該定址控制單元61會驅使比對出該光電偵測單元41持續發出比對出之該波長的該偵測光且對應輸出該感測訊號。

該心率監測單元62會持續分析被該定址控制單元61控制作動之該光電偵測單元41所輸出該感測訊號，而分析計算出一個具有血管縮放波形的心率資料，並於該顯示單元64顯示出該心率資料。由於分析該感測訊號而得到心率與血管縮放波形的方法眾多，且非本發明改良重點，因此不再詳述。

該無線通訊單元63能與該電子裝置900無線通訊，能將該心率資料傳送至該電子裝置900。在本實施例中，該無線通訊單元63是透過藍芽無線通訊技術與該電子裝置900進行無線通訊，但實施時，也可採用WIFI、3G/4G行動通訊技術，或者是ZigBee等常見之無線通訊技術。

實施時，也可將該等μLED 411與該等CIGS光電元件412分開設計，使該等μLED 411二維陣列排列成一個發光元件，而使該等CIGS光電元件412二維陣列排列成一個感光元件，並使該發光元件與該感光元件間隔相向地靠抵於肢體的兩相反側，使該發光元件之每一μLED 411發出能穿透肢體之該偵測光，並使該感光元件之每一CIGS光電元件412感測穿透肢體之偵測光以輸出該感測訊號，也能用於心率監測。

本發明醫療光電偵測系統使用時，可經由該載具3而配戴在使用者800肢體，例如配戴在手腕上。若無法確認該用哪一種波長之偵測光來進行心率監測時，可操作該掃描模式設定單元51以選擇啟動該全波長掃描模式511，該血管掃描單元52會控制該陣列偵測模組4針對每一種波長之該偵測光執行一次完整掃描，以取得每一光電偵測單元41針對該波長之偵測光所測得之血流量，該血管定位單元53會於該血管掃描單元52完成每次完整掃描後，定位出對應該次完整掃描使用之該偵測光的血管位置。

若已知該使用哪一種波長之偵測光進行心率監測時，則可操作該掃描模式設定單元51以選擇設定該單波長掃描模式512，並選擇欲使用之波長所對應的波長選項。該血管掃描單元52便會控制該等光電偵測單元41以被選擇之波長的該偵測光執行一次完整掃描，該血管定位單元53會定位出血管位置。

待該血管掃描定位模組5定位出被該陣列偵測模組4覆蓋之體表下的血管位置後，該心率監測模組6會定址驅動對準血管之其中一個光電偵測單元41持續作動以輸出該感測訊號，並分析該感測訊號以取得該心率資料。

綜上所述，透過該陣列偵測模組4之該等光電偵測單元41是以二維陣列方式排列設置，且每一光電偵測單元41是以CIGS光電元件412來進行偵測光之感測的設計，使得該光電偵測單元41之該μLED 411可採用能產生多種波長之偵測光的功能設計，使本發明光電式光電式心率偵測系統於進行心率與血管縮放波形之監測時，能先以各種波長之偵測光進行掃描測試，藉以找出適用於該肢體部位之波長的偵測光，同時定位出待測肢體部位的血管位置，然後再由該心率監測模組6定址化控制對準血管的一個光電偵測單元41持續作動以進行心率之監測，能測得更準確的心率資料，是一種創新的心率監測系統設計。因此，確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

3‧‧‧載具
30‧‧‧機殼
4‧‧‧陣列偵測模組
41‧‧‧光電偵測單元
411‧‧‧μLED
412‧‧‧CIGS光電元件
5‧‧‧血管掃描定位模組
51‧‧‧掃描模式設定單元
511‧‧‧全波長掃描模式
512‧‧‧單波長掃描模式
52‧‧‧血管掃描單元
53‧‧‧血管定位單元
6‧‧‧心率監測模組
61‧‧‧定址控制單元
62‧‧‧心率監測單元
63‧‧‧無線通訊單元
64‧‧‧顯示單元
800‧‧‧使用者
900‧‧‧電子裝置

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明光電式心率偵測系統的一個實施例的立體示意圖； 圖2是該實施例的不完整的仰視圖，說明一個陣列偵測模組設置於一個機殼底面的情況；及 圖3是該實施例的功能方塊圖。

Claims (6)

1. 一種光電式心率偵測系統，能用以設置在體表以偵測心率，並包含： 一個陣列偵測模組，用以抵靠於體表，包括多個以二維陣列方式排列設置的光電偵測單元，每一光電偵測單元具有一個能往一偵測方向朝體表發出一個能偵測血氧濃度之偵測光的μLED，及一個能感測身體反射之偵測光而對應輸出一個感測訊號之CIGS（Cu(In,Ga)Se ₂，硒化銅銦鎵）光電元件； 一個血管掃描定位模組，訊號連接於該陣列偵測模組，且內建有該等光電偵測單元之陣列位址，並包括一個血管掃描單元及一個血管定位單元，該血管掃描單元能驅動該等光電偵測單元依序作動以發出該偵測光及輸出該感測訊號，該血管定位單元會根據該等陣列位址分析該等感測訊號，而定位出位在該陣列偵測模組覆蓋之體表下的至少一血管的位置，以及定位出該偵測方向是對準該至少一血管之每一陣列位址；及 一個心率監測模組，訊號連接於該陣列偵測模組與該血管掃描定位模組，包括一個定址控制單元及一個心率監測單元，該定址控制單元會驅使該血管定位單元定位出之其中一陣列位址所對應之該光電偵測單元作動，該心率監測單元會接收分析被該定址控制單元驅動之該其中一光電偵測單元輸出的該感測訊號而輸出一個心率資料。
2. 如請求項1所述的光電式心率偵測系統，其中，每一光電偵測單元之該μLED能被驅動發出多種波長之偵測光，該血管掃描單元會控制該等光電偵測單元依序作動以完成一次完整掃描，並控制該等光電偵測單元於一次完整掃描期間發出同一種波長之該偵測光，且控制該等光電偵測單元以每一種波長之偵測光各執行一次完整掃描，該血管定位單元會接收分析該陣列偵測模組於每一次完整掃描輸出之每一感測訊號所代表之血流量，並根據該等陣列位址定位出該至少一血管的位置，以及定位出該偵測方向是對準該至少一血管之每一陣列位址，該定址控制單元會自該血管定位單元於該等完整掃描所定位出之該等陣列位址中，比對出血流量超過一個預定閥值的其中一個陣列位址所對應之該光電偵測單元以及該血流量對應之該偵測光的波長，並驅使比對出之該光電偵測單元發出比對出之該波長的該偵測光且輸出該感測訊號。
3. 如請求項2所述的光電式心率偵測系統，其中，該血管掃描定位模組還包括一個掃描模式設定單元，該掃描模式設定單元內建有能供操作以切換啟動的一個全波長掃描模式與一個單波長掃描模式，且該單波長掃描模式內建有多個分別對應該等波長的波長選項，該掃描模式設定單元會於該單波長掃描模式被選擇時，被操作設定其中一個波長選項，該血管掃描單元會於該掃描模式設定單元被設定該全波長掃描模式時，控制該等光電偵測單元以每一種波長之偵測光各執行一次完整掃描，而會於該掃描模式設定單元被設定該單波長掃描模式時，控制該陣列偵測模組針對該單波長掃描模式被設定之該波長選項所對應之波長的偵測光執行一次完整掃描。
4. 如請求項2所述的光電式心率偵測系統，其中，每一光電偵測單元之該μLED能被驅動發出之該偵測光的各種波長為470 nm、530 nm、660 nm與940 nm。
5. 如請求項1所述的光電式心率偵測系統，能與一個電子裝置無線通訊，其中，該該心率監測模組還包括一個能將該心率資料無線傳送至該電子裝置的無線通訊單元。
6. 如請求項1至5任一項所述的光電式心率偵測系統，還包含一個用以配戴於肢體的載具，該陣列偵測模組、該血管掃描定位模組與該心率監測模組是設置於該載具，且該陣列偵測模組能被該載具連動而靠抵於體表。