TWI766774B - 心率血氧監測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明的心率血氧監測裝置利用二環境光校正數位類比轉換器，可快速校正環境光產生的雜訊，對於光學量測方式，可提供較準確的心率及血氧數值。
Description
本發明涉及一種心率血氧監測裝置，特別涉及一種具環境光校正功能之心率血氧監測裝置。
智慧型穿戴裝置能方便地測量使用者的生理數據，利於實時地監測健康狀況，目前智慧型穿戴裝置量測生理數據的方法多以非侵入式的光學感測為主，適用於測量脈博和血氧濃度。
心臟收縮將血液打入血管後舒張，使得血管的血量會呈現規律的週期變化，稱為脈搏，測量脈搏即可量得心率。一般(體循環)，心臟在收縮時將富含氧氣的打入血管，血液中帶氧血紅素(HbO2)和不帶氧血紅素(Hb)數量隨之發生週期性的改變。帶氧血紅素(HbO2)和不帶氧血紅素(Hb)的光的吸收率不同，特別是是紅光及紅外光。將一定量紅光及紅外光打入穿透皮膚，部分被帶氧血紅素(HbO2)和不帶氧血紅素(Hb)，部分被反射而被光感測器捕捉，隨脈搏而產生特定的光訊號脈動波形，能夠用來測量心率以及血氧濃度，稱為光電容積圖(Photoplethysmography,PPG)，如圖1所示。光電容積圖(PPG)包含交流分量(AC component)訊號及直流分量(DC component)訊號，依DC和AC振幅的比較，可推算出血氧濃度。
心率血氧監測裝置具有發光元件、感光元件/光二極體(Photodiode)以及控制模組，其中發光元件與感光元件設置在夾指裝置或身體貼附裝置。發光元件的發射光進入體內，部分被帶氧血紅素(HbO2)和不帶氧血紅素(Hb)吸收以及部份反射後，被感光元件/光二極體捕捉。
但環境光以及皮膚表層、動脈血管周邊組織、骨骼或靜脈等反射非預期的反射光，亦會被感光元件/光二極體吸收，影響量測結果。本發明針對環境光(Ambient light)所造成的干擾，提出解決方案。
本發明提供快速降低環境光干擾的解決方案。
為達上述目的，本發明提供一種心率血氧監測裝置，包含：一紅光發光元件受一紅光驅動器驅動發出紅光檢測光，一紅外光發光元件受一紅外光驅動器驅動發出一紅外光檢測光；一光接收模組透過一第一切換單元連接至一類比前端模組，用以感測光並產生一感測類比訊號；一類比數位轉換器，過一第二切換單元連接至該類比前端模組，用以將該感測類比訊號轉換成一操作數位訊號；一同步序向類比數位轉換器，透過一第三切換單元連接至該類比前端模組，用以將該感測類比訊號轉換成一校正數位訊號；一數位訊號處理器連接該類比數位轉換器以及該同步序向類比數位轉換器，用以將該校正數位訊號以及該操作數位訊號分別轉換成一校正參數與一量測數據；
一第一環境光校正數位類比轉換器，透過一第四切換單元連接至該光接收模組，用以將一環境光校正類比訊號傳輸至該光接收模組；一時序控制器連接並驅動該紅光驅動器、該紅外光驅動器驅動以及該第一環境光校正數位類比轉換器；以及一微控制器連接該數位訊號處理器以及該時序控制器，用以控制信號處理，以及切換該第一切換單元、該第二切換單元、該第三切換單元以及該第四切換單元使該心率血氧監測裝置進入一操作模式或一校正模式，其中紅光檢測光以及紅外光檢測光可進入人體而部分被吸收以及部分被反射，而得以量測一血氧濃度值。
本發明心率血氧監測裝置可提供醫療級量測。
本發明心率血氧監測裝置可整合於穿戴式裝置。
10:本發明監測裝置
20:待測物
30:檢測光
31:反射光
101:數據處理器
102:狀態機器
103:微控制器
104:時序控制器
105:第一環境光校正數位類比轉換器
106:第二環境光校正數位類比轉換器
107:紅光驅動器
108:紅外光驅動器
109:紅光發光元件
110:紅外光發光元件
111:光接收模組
112:類比前端模組
113:同步序向類比數位轉換器
114:類比數位轉換器
115:數據傳輸模組
116:藍芽模組
SW1:第一切換單元
SW2:第二切換單元
SW3:第三切換單元
SW4:第四切換單元
SW5:第五切換單元
Iambient_DAC1:第一環境光校正類比訊號
Iambient_DAC2:第二環境光校正類比訊號
Ione-cycle_ADC:校正數位訊號
S1100、S1200、S1300、S1400、S1500:步驟
S2100、S2200、S2310、S2311、S2320、S2321、S2410、S2420:步驟
圖1為心率血氧的光電容積圖。
圖2為本發明一實施例之心率血氧監測裝置的元件配置圖。
圖3為本發明一實施例之環境光訊號的校正時序圖。
圖4為本發明一實施例之量測數據處理方法流程圖。
圖5為本發明一實施例之生理數據分析方法流程圖。
以下各實施例配合圖式，用以說明本發明之精神，讓本技術領域之人士能清楚理解本發明之技術，但非用以限制本發明的範圍，本發明之專利權
範圍應由請求項界定。特別強調，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，部份細節可能也不完全繪出，以求圖式之簡潔。
心率血氧監測裝置暴露在環境光(包含自然光以及照明設備等)下，或檢測光被皮膚表層、動脈血管周邊組織、骨骼或靜脈等反射，會被監測裝置的光二極體(Photodiode)吸收，進而產生雜訊影響量測結果。例如，當環境光發生改變或監測裝置貼附位置改變，即需重新校正。
本發明針對環境光提出兩種濾除環境光干擾的方法，一是粗略校正，另一是精細校正。當在光線變化不大的環境一段時間下，環境光的雜訊通常變化程度較低，採用粗略校正；相對的，若在光線變化快的環境下，採用精細校正。當然，精校正亦可應用於穩定環境光，但校正需較長的時間。
校正模式目的即在產生環境光數位信號。校正環境光的方法是不驅動發光元件，驅動感光元件，因此感測光源是環境光。接著將感測光轉換成數位，即後續感測心率血氧需要濾除掉的環境光數位信號。本發明利用同步序向類比數位轉換器(One-cycle-clock base ADC)，可在一周期內，將一類比電壓轉換成N位元(N-bit)信號，提高轉換效率。本發明之一實施例採用4位元的同步序向類比數位轉換器。
操作模式下驅動發光元件及感光元件，利用環境光數位信號而直接從感測光中濾除(抵銷)該環境光數位信號，無須如傳統感測器，是由控制模組的計算修正，因此提高感測效率。
請參閱圖2，為本發明心率血氧監測裝置的元件配置圖。本發明的心率血氧監測裝置10包含：控制模組、發光模組、光接收模組111、類比前端模組112(Analog front end,AFE)、同步序向類比數位轉換器113、類比數位轉換器114
(ADC)、第一環境光校正數位類比轉換器105(Ambient light calibration DAC)以及第二環境光校正數位類比轉換器106。
控制模組包含數位訊號處理器(DSP)、微控制器103以及時序控制器104，數位訊號處理器包含數據處理器101以及狀態機器102，數據處理器101包含低通濾波器(Low pass filter)(圖未示)。其中，微控制器103耦接於狀態機器102與時序控制器104之間，狀態機器102連接於數據處理器101。
發光模組包含發光元件以及驅動器，其中發光元件包含紅光發光元件109以及紅外光發光元件110，驅動器包含紅光驅動器107以及紅外光驅動器108，其二驅動器分別耦接於紅光發光元件109與時序控制器104之間及紅外光發光元件110與時序控制器104之間，該二驅動器接受從時序控制器104輸出的光控制訊號，可選擇地同時驅動紅光發光元件109以及紅外光發光元件110發出包含紅光以及紅外光的檢測光30，或依序驅動紅光發光元件109或紅外光發光元件110發出包含紅光或紅外光的檢測光30。光控制訊號是脈衝信號，控制發光元件的發光時間及次數。
光接收模組111，例如光二極體，其周圍不設置濾光片(non-coating,wide band silicon-base photo-diode)(圖未示)，而能夠接收不同顏色的光。光接收模組111收檢測光30經待測物20反射之反射光31，並產生光感測訊號，其中待測物20為具搏動性的動脈血管(Pulsatile arterial blood)。
類比前端模組112包含積分器以及訊號放大器(圖未示)，類比前端模組112透過第一切換單元SW1連接至光接收模組111，用以接收光感測訊號，並輸出類比訊號。
同步序向類比數位轉換器113連接至狀態機器102，以及透過第三切換單元SW3連接至類比前端模組112，用以接收類比訊號，並輸出校正數位訊號至狀態機器102。類比數位轉換器114連接至數據處理器101，以及透過第二切換單元SW2連接至類比前端模組112，用以接收類比訊號，並輸出操作數位訊號至數據處理器101。
第一環境光校正數位類比轉換器105以及第二環境光校正數位類比轉換器106皆連接至時序控制器104，以及分別透過第四切換單元SW4以及第五切換單元SW5連接至光接收模組111。其中，第一環境光校正數位類比轉換器105為進行粗校正，以及第二環境光校正數位類比轉換器106為進行精校正。
微控制器103連接第一至第五切換單元SW1~SW5，用以控制第一至第五切換單元SW1~SW5的開路或閉路。
當第一切換單元SW1、第三切換單元SW3以及第四切換單元SW4及/或第五切換單元SW5為閉路、第二切換單元SW2為開路且關閉發光模組時，使監測裝置進入校正模式。特別說明，在校正模式中，第四切換單元SW4以及第五切換單元SW5分別用以啟用粗校正迴路以及精校正迴路。可選擇啟用粗校正迴路或精校正迴路；或者，先啟用粗校正迴路，再啟用精校正迴路。
在校正模式中，狀態機器102接收從同步序向類比數位轉換器113輸出的校正數位訊號，產生並儲存校正參數；微控制器103透過校正參數產生第一環境光校正控制訊號及/或第二環境光校正控制訊號，輸出至時序控制器104，時序控制器104輸出第一環境光校正數位訊號及/或第二環境光校正數位訊號並分別由第一環境光校正數位類比轉換器105及/或第二環境光校正數位類比轉換器106轉換為第一環境光校正類比訊號(Iambient_DAC1)及/或第二環境光校正類比訊號
(Iambient_DAC2)至光接收模組111，校正數位訊號(Ione-cycle_ADC)隨時脈周期從上限(Higher bound)逐步降低至低於下限(Lower bound)，消除大部分環境光雜訊，如圖3所示。
在一實施例中，如圖3所示，第二環境光校正類比訊號(Iambient_DAC2)可在第一環境光校正類比訊號(Iambient_DAC1)進行1~2個時脈週期後再加入，且第二環境光校正類比訊號(Iambient_DAC2)可逐步增加進行精校正。
粗略校正與精細校正差異在於精細校正再度檢驗試環境光的濾除情況，如未到達濾除目標，會再次進入校正迴路精細的環境光校正信號，逐步濾除環境光至達濾除目標。
完成校正後，監測裝置進入操作模式，此時第三切換單元SW3為開路、第一切換單元SW1、第二切換單元SW2、第四切換單元SW4以及第五切換單元SW5為閉路且開啟發光模組時。
操作模式下，數位訊號處理器(DSP)讀取狀態機器102的校正參數，透過時序控制器104控制環境光校正數位類比轉換器轉，換成環境光校正訊號並傳輸至光接收模組111，從感測信號中濾除或降低環境干擾信號後，傳輸至類比數位轉換器114轉換成操作數位訊號。接著，數據處理器101接收從類比數位轉換器114輸出的操作數位訊號，轉換成光電容積圖並得以分析出心率及血氧，說明如下。
數據處理器101包含抽取濾波器(Decimation Filter)、有限脈衝響應濾波器(Finite impulse response Filter)與數位類比轉換器映射表修正電路(DAC Mapping table correct circuit)，其中抽取濾波器以及有限脈衝響應濾波器用來降低該量測數據的噪音，數位類比轉換器映射表修正電路(DAC Mapping table correct
circuit)包含數位類比轉換器映射表用以儲存類比數位轉換修正數據，以及修正電路依據類比數位轉換修正數據修正量測數據。
量測心率以及血氧處理步驟，主要區分量測數據處理以及生理數據分析。前者是量測數據復原，目的是將利用修正數位代碼修正量測數據；後者是生理數據分析，目的從數據中依據量測模型擷取出心率以及血氧濃度，請參考圖4及圖5。
測量數據復原之流程參考圖4，說明如下。
步驟S1100擷取數位處理器的(DSP digital)，即取得修正參數。類比數位轉換器取樣後，樣本數據分成兩路，一路由數位處理器取得該類比數據信號的代碼，此代碼可用來計算出數位信號的數據代碼，沿步驟S1200及S1300取得修正數據代碼ADCDAC_DC。另一路沿步驟S1400，從量測數據得出量測數字代碼ADCAC。
步驟S1200查閱代碼表取回修正數字代碼的參數。如前述類比數據信號的代碼可計算出數位信號的數據代碼，本發明例數位類比轉換器映射表中取回產生數字代碼ADCDAC_DC的參數，如此加速轉換效率。
步驟S1300產生數字代碼ADCDAC_DC。
步驟S1400確認量測數字代碼ADCAC，即等待量測數據。量測數字代碼ADCAC主要是經過率波以及周期平均，因數據干擾信號，如環境光等因素的干擾。
步驟S1500復原量測數據。利用前述所得修正數據代碼ADCDAC_DC，利用修正電路(Correct Circuit)將整個信號還原，並且提高與得到足夠的動態範圍(Dynamic Range)，即可得到逼近正確的量測數字代碼(數據資料)。例如12位元ADC和12位元DAC為例子，其表示如下
ADC Real =ADC AC +ADC DAC_DC
在本實施例中，同時以紅光及紅外光做為發光元件，感光元件接收後，利用時序控制器104以分時多工(Time-Division Multiplexing)方式，提供紅光及紅外光的信號。數據處理器101利用上述測量數據復原之流程，分別處理紅光與紅外光接收電路數據(Receiver circuit data)，得到紅光與紅外光的相對應的類比數位數字代碼，其表示如下ADC Red_Real =ADC Red_AC +ADC Red_DAC_DC
ADC IR_Real =ADC IR_AC +ADC IR_DAC_DC
生理數據分析之流程參考圖5，說明如下。
步驟S2100擷取量測數據以取得光體積變化描記圖(PPG)。數據處理器101接收從類比數位轉換器114輸出的操作數位訊號，經過測數據復原處理，增益後可得到光體積變化描記圖(PPG)。本實施例，整個系統增益大於120dB，且分別計算紅光單元109以及紅外光單元110的光光體積變化描記圖之信號。
步驟S2200降低光體積變化描記圖(PPG)信號的噪音。利用抽取濾波器與有限脈衝響應濾波器用來降低光體積變化描記圖(PPG)信號的噪音，提高整個系統的訊號雜訊比(Signal to Noise Ratio)。
步驟S2310過零率及極點檢測(zero-crossing measurement & peak detection)以獲取心率變化，以及步驟S2311獲得心律圖。分析操作數據通過平均中線，以及過中線後達到極大/極小的數據，以描繪出其週期變化，即心律圖。
步驟S2320分離操作數位訊號中的直流分量訊號以及交流分量訊號。交流分量訊號具一動態增益變化。本實施例即分別取得紅光單元109的交流分量ACR與直流分量DCR，以及紅外光單元110的交流分量ACIR與直流分量DCIR。
步驟S2321計算血氧濃度。將直流分量訊號除以操作數位訊號得到血氧濃度值(SPO2)計算方式如下
步驟S2410估算信噪比，目的在於分析所得到心率以及血氧的雜信(噪音)比，據此在步驟S2420產生調整參數，進一步讓生理數據最佳化。
數據傳輸模組115包含FIFO(First Input First Output)與不同的介面，例如I2C與SPI，可將類比數位數字代碼儲存到FIFO，FIFO的寬度與FIFO的深度根據讀出的數據結構和讀出數據的由那些具體的要求來確定。
本發明監測裝置10更包含數據傳輸模組115連接於數據處理器101，可將操作數位訊號、直流分量訊號、交流分量訊號及血氧濃度值以有線方式傳輸至藍芽模組116，然後利用藍芽模組116以無線方式傳輸至具螢幕的外部電子裝置，其中操作數位訊號、直流分量訊號、交流分量訊號及血氧濃度值可儲存於狀態機器102。
本發明的心率血氧監測裝置利用同步序向類比數位轉換器結合環境光校正數位類比轉換器，可快速校正環境光產生的雜訊，在不影響使用者操作習慣下，提供較準確的心率及血氧數值。另外，本發明之心率血氧監測裝置可採用積體電路方式實作於一晶片上，具有微小化的特性。
因此，本發明之心率血氧監測裝置可提供醫療級量測，作為獨立的心律血氧儀或整合在醫療量測器材上，或者整合於穿戴裝置上，提供即時監測的功能。
10:本發明監測裝置
20:待測物
30:檢測光
31:反射光
101:數據處理器
102:狀態機器
103:微控制器
104:時序控制器
105:第一環境光校正數位類比轉換器
106:第二環境光校正數位類比轉換器
107:紅光驅動器
108:紅外光驅動器
109:紅光單元
110:紅外光單元
111:光接收模組
112:類比前端模組
113:同步序向類比數位轉換器
114:類比數位轉換器
115:數據傳輸模組
116:藍芽晶片模組
SW1:第一切換單元
SW2:第二切換單元
SW3:第三切換單元
SW4:第四切換單元
SW5:第五切換單元
Claims (10)
- 一種心率血氧監測裝置，包含：一紅光發光元件受一紅光驅動器驅動發出紅光檢測光，一紅外光發光元件受一紅外光驅動器驅動發出一紅外光檢測光；一光接收模組透過一第一切換單元連接至一類比前端模組，用以感測光並產生一感測類比訊號；一類比數位轉換器，過一第二切換單元連接至該類比前端模組，用以將該感測類比訊號轉換成一操作數位訊號；一同步序向類比數位轉換器，透過一第三切換單元連接至該類比前端模組，用以將該感測類比訊號轉換成一校正數位訊號；一數位訊號處理器連接該類比數位轉換器以及該同步序向類比數位轉換器，用以將該校正數位訊號以及該操作數位訊號分別轉換成一校正參數與一量測數據；一第一環境光校正數位類比轉換器，透過一第四切換單元連接至該光接收模組，用以將一環境光校正類比訊號傳輸至該光接收模組；一時序控制器連接並驅動該紅光驅動器、該紅外光驅動器驅動以及該第一環境光校正數位類比轉換器；以及一微控制器連接該數位訊號處理器以及該時序控制器，用以控制信號處理，以及切換該第一切換單元、該第二切換單元、該第三切換單元以及該第四切換單元使該心率血氧監測裝置進入一操作模式或一校正模式；其中紅光檢測光以及紅外光檢測光可進入人體而部分被吸收以及部分被反射，而得以量測一血氧濃度值，其中該數位訊號處理器將該量 測數據分為一直流分量與一交流分量，將該直流分量對應一數位類比轉換器映射表以取得一類比數位轉換修正數據，以及利用一修正電路還原該交流分量與該類比數位轉換修正數據以修正該量測數據。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，其中該操作模式之定義是指該第一切換單元閉路、該第二切換單元閉路、該第三切換單元開路以及該第四切換單元閉路，該紅光驅動器驅動開啟該紅光發光元件，以及該紅外光驅動器驅動開啟該紅外光發光元件。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，其中該校正模式之定義是指該第一切換單元閉路、該第二切換單元開路、該第三切換單元閉路以及該第四切換單元閉路，該紅光驅動器驅動關閉該紅光發光元件，以及該紅外光驅動器驅動關閉該紅外光發光元件。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，更包含一第二環境光校正數位類比轉換器，其中該第一環境光校正數位類比轉換器及該第二環境光校正數位類比轉換器分別用以提供一粗略環境光校正類比訊號以及一精密粗環境光校正類比訊號。
- 如請求項4所述之心率血氧監測裝置，其中該二環境光校正數位類比轉換器，同一時間僅擇一開啟。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，其中該數位訊號處理器包含：一狀態機器，接收並儲存該校正參數；以及一數據處理器，接收該量測數據，以及分析心率以及血氧濃度值。
- 如請求項6所述之心率血氧監測裝置，其中該數據處理器包含一抽取濾波器、一有限脈衝響應濾波器、該數位類比轉換器映射表以及該修正電路，其中該抽取濾波器以及該有限脈衝響應濾波器用來降低該量測數據的噪音，以及該數位類比轉換器映射表用以儲存該類比數位轉換修正數據。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，更包含一數據傳輸模組以及一藍芽模組，用以將該量測數據、該直流分量、該交流分量及該血氧濃度值傳輸至一外部電子裝置。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，其屬於一醫療級心率血氧監測裝置或整合於一醫療量測儀。
- 如請求項1所述之心率血氧監測裝置，其整合於一穿戴式裝置。
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