TWM547951U - 生理訊號偵測裝置 - Google Patents

Description

生理訊號偵測裝置

一種生理訊號偵測裝置，供以感測生理訊號，本創作尤指一種以壓力感測元件感測生理訊號、並據以運算出血壓、及脈搏波速度資訊的生理訊號偵測裝置。

近年來，心血管疾病如心臟病、糖尿病、高血壓、動脈硬化(Arteriosclerosis)等慢性疾病益發盛行，雖患有此些疾病的病患平時未有明顯病徵，然而，此些病況仍有突然惡化的風險，屆時若患者未即時接受緊急救護，則患者可能在數秒內喪失意識、進而失去自主呼吸的能力，是以，如何即時偵測針對慢性病患者之生理訊號、並提供緊急救護服務，乃有待解決之問題，而目前應用最為普及、便利、且成本最低的穿戴式生理監測裝置係採「光學式體積描記圖(Photoplethysmography，下稱PPG訊號)」作為量測心跳及血壓資訊的技術手段，如中華民國發明專利公開案第TW201611777號「心跳偵測模組及其偵測、去噪方法」所揭，其主要以一光體積量測裝置偵測一皮膚表面所輸出之一光體積變化訊號，再由一處理單元轉換該光體積變化訊號為第一頻域資訊，而該第 一頻域資訊之一最大頻譜峰值即可用以計算心跳，更詳細而言，即以一發光二極體(LED)發射一特定波長的光(例如綠光)到手指上，再由光感測元件接收「微血管」所反射或透射的光，而接收的光的強弱即可反映血液對光能量的吸收多寡，然而，量測PPG訊號時，光感測元件容易因為受測者的膚色、毛髮、組織厚度、及所處環境光源的差異，而影響光感測元件吸收光能量的準確度，又，一般而言，「主動脈」之血壓較能準確反映人類的臨床症狀，但主動脈之構造與微血管差異較大，距離也較遠，故PPG訊號圖仍無法準確反映出血壓資訊，是以，如何準確地量測生理訊號、及據以運算出準確度較高的生理資訊，仍為有待解決之問題。

有鑑於上述的問題，本創作人依據多年來從事研究生理訊號偵測裝置的經驗，針對現有的穿戴式生理訊號偵測裝置，如何準確地量測生理訊號，並據以運算出準確性及參考性較高的生理資訊，同時解決既有PPG訊號亦受到光線、毛髮、膚色、環境光源、及組織厚度而影響準確性的問題進行研究；緣此，本創作之主要目的在於提供一種以「壓力感測器」量測生理訊號、並據以運算出血管年齡、血壓、脈搏波速度資訊的「生理訊號偵測裝置」。

為達上述目的，本創作之生理訊號偵測裝置主要包括：一壓力感測模組及一微控制處理模組，壓力感測模組具有一第一壓力感測單元及 一第二壓力感測單元，其分別貼附於生物體之兩相異位置，以偵測一第一生理訊號、及一第二生理訊號(可轉換為一第一電壓訊號、及一第二電壓訊號)，微控制處理模組用以對第一電壓訊號及第二電壓訊號進行訊號處理及分析，以生成具有複數個波形參考點的一第一連續脈搏波及一第二連續脈搏波，而本創作實施時，於一心跳週期內，微控制處理模組可由第一連續脈搏波之一第一選定波形參考點、及第二連續脈搏波之一第二選定波形參考點之間的時間差，運算出一脈搏波傳遞時間差，所述時間差即為第一量測點至第二量測點之間的脈搏波傳遞時間(Pulse Transit Time,PTT)，藉此，可運算出血壓及脈搏波速度等生理資訊，另，本創作亦得以一連續脈搏波的各個參考點之數值為依據，運算出一血管年齡資訊及一心跳資訊，是以，本創作實施後，確實提供一種以至少二個壓力感測單元感測生理訊號，並以兩個連續脈搏波之相同波形參考點的時間差，運算出血壓、血管年齡、脈搏波速度(Pulse Wave Velocity，PWV)等生理資訊的「生理訊號偵測裝置」。

為使 貴審查委員得以清楚了解本創作之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。

1‧‧‧生理訊號偵測裝置

11‧‧‧壓力感測模組

111‧‧‧第一壓力感測單元

112‧‧‧第二壓力感測單元

12‧‧‧微控制處理模組

121‧‧‧訊號處理單元

122‧‧‧計算單元

13‧‧‧傳輸模組

14‧‧‧記憶模組

2‧‧‧使用者端資訊裝置

V‧‧‧血管

△d‧‧‧量測點距離

d1‧‧‧第一量測點

d2‧‧‧第二量測點

P1‧‧‧第一選定波形參考點

P2‧‧‧第二選定波形參考點

△t‧‧‧脈搏波傳遞時間差

S1‧‧‧偵測生理訊號

S2‧‧‧雜訊濾除

S3‧‧‧訊號放大

S4‧‧‧訊號轉換

S5‧‧‧生成脈搏波

S6‧‧‧計算生理資訊

S61‧‧‧計算血壓資訊

S611‧‧‧對兩個連續脈搏波取樣

S612‧‧‧計算第一選定波形參考點及第二選定波形參考點之時間差

S613‧‧‧根據血壓關係常數，進行數學運算

S62‧‧‧計算脈搏波速度資訊

S621‧‧‧取得兩量測點之間的距離

S622‧‧‧對兩個連續脈搏波取樣

S623‧‧‧計算第一選定波形參考點及第二選定波形參考點之時間差

S624‧‧‧根據時間差及量測點距離，進行數學運算

S63‧‧‧計算血管年齡資訊

S631‧‧‧萃取連續脈搏波的多個參考點

S632‧‧‧根據各波形參考點運算出動脈硬化加權常數

S633‧‧‧根據血管年齡參考常數及動脈硬化加權常數，進行數學運算

S64‧‧‧計算心跳資訊

S641‧‧‧萃取兩個連續脈搏波的多個參考點

S642‧‧‧萃取兩個連續脈搏波的任二個極值

S643‧‧‧計算二個極值的時間差

S644‧‧‧除法運算

第1圖，為本創作之結構組成方塊圖。

第2圖，為本創作之脈搏波之輸出示意圖。

第3圖，為本創作之實施流程圖。

第4圖，為本創作之第一實施例之實施流程圖。

第5圖，為本創作之第一實施例之實施流程圖(二)。

第6圖，為本創作之第一實施例之實施示意圖。

第7圖，為本創作之第二實施例之實施流程圖。

第8圖，為本創作之第三實施例之實施流程圖。

請參閱「第1圖」，圖中所示為本創作之結構組成方塊圖，本創作所揭之生理訊號偵測裝置1，可供量測一生物體之一生理資訊，主要包含：一壓力感測模組11、一微控制處理模組12、一傳輸模組13、及一記憶模組14，其中，微控制處理模組12分別與壓力感測模組11、傳輸模組13、記憶模組14呈電性連接；壓力感測模組11具有相互呈電性連接之至少二個壓力感測單元(111、112、...)，本實施例以兩個壓力感測單元為例(一第一壓力感測單元111、及一第二壓力感測單元112)，其分別貼附生物體之第一量測點及第二量測點，可偵測生物體之脈搏跳動時，血管內因產生週期連續性的壓力、位移、或聲波變化而形成的一第一生理訊號、及一第二生理訊號，換言之，本創作係將生物體之心血管系統視為一個單輸入多輸出系統(Single-Input Multi-Output，SIMO)，左心室射血的壓力變化可視為系統的輸入，於生物體表之不同部位所測得的脈搏壓力波形，即視為系統的多路輸出，另，壓力感測模組11於偵測到第一生理訊號、及第二生理訊號後，可先對前等生理訊號進行濾波、放大、除 噪、及訊號轉換等訊號處理作業，但亦可由微控制處理模組12進行前等訊號處理作業，其中，第一壓力感測單元111、及第二壓力感測單元112可貼附於：一手腕處(橈動脈)、一手指末梢、二手指末梢、或一腳踝處之任何一種，不以此為限，特先陳明；微控制處理模組12具有一訊號處理單元121、及一計算單元122，訊號處理單元121用以對第一生理訊號、及第二生理訊號進行訊號處理，並轉換為一第一電壓訊號、及一第二電壓訊號，以分別形成具有複數個波形參考點的一第一連續脈搏波、及一第二連續脈搏波，其中，訊號處理單元121可由峰值檢測器電路(Peak Detector)、放大器電路(Amplifier)、濾波器電路(例如低通濾波器、高通濾波器、或帶通濾波器)等電路所組構而成，又，雖微控制處理模組12具有訊號處理單元121，但壓力感測模組11所量測之生理訊號，亦可先由一類比前端電路(Analog Front End)模組(圖中未繪示)進行訊號處理及格式轉換，再交由計算單元122進行生理資訊之運算；計算單元122則以第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波的波形參考點為依據，經數學運算後(微/積分、傅立葉轉換等)，生成一生理資訊，例如：心跳、血壓、血管年齡、脈搏波速度資訊等；傳輸模組13供一使用者端資訊裝置2與生理訊號偵測裝置1建立資訊連結，以將計算單元122所運算之生理資訊傳輸至使用者端資訊裝置2；記憶模組14用以儲存血管年齡、血壓等資訊之關係常數(即臨床實驗數據)，以供計算單元122計算生理資訊時，可進行補償運算或加權運算，且使用者端資訊裝置2與生理訊號偵測裝置1建立資訊連結後，可由使用者端資訊裝置2所執行之一應用程式(App)，更新記憶模組14所儲存之關係常數，又，使用者端資訊裝置2亦可遠端使微 控制處理模組12作動，以隨時對壓力感測模組11所感測之生理訊號進行訊號處理及分析；又，第一壓力感測單元111、及第二壓力感測單元112可為壓電式(Piezoelectric)、壓阻式(Piezoresistive)、或電容式(Capacitive)之任一種或其組合；傳輸模組13可為Wi-Fi、藍牙(BlueTooth)、或Zigbee傳輸模組之任一種，又，本實施例於較佳的情況下，若壓力感測模組11更具有一第三壓力感測單元(圖中未繪示)，則第三壓力感測單元將感測到一第三生理訊號，並由微控制處理模組12選出脈搏波形特徵最為顯著的其中兩個連續脈搏波，作為前述的第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波。

請參閱「第2圖」，圖中所示為本創作所之脈搏波之輸出示意圖(以一心跳週期的一連續脈搏波為例)，當第一生理訊號及第二生理訊號，經訊號處理(例如卷積運算及微分)及轉換而生成第一連續脈搏波及第二連續脈搏波後，所述連續脈搏波皆為一連串具有複數個極值(單位為伏特)、及複數個波形參考點(如第2圖所示的a點至e點)的脈搏波訊號，所述極值例如為波峰(Peak)或波谷(Valley)，一般而言，每個心跳周期的連續脈搏波應包括一收縮期(如圖中虛線左側)及一舒張期(如圖中虛線右側)，且各波形參考點皆代表不同意義，例如：圖中「a」點代表心室快速射血，血液開始流入動脈；「b點」代表心臟收縮時，心室釋放大量血液所造成的最大振幅波；「c點」代表左心室停止射血，動脈擴張、降壓；「d點」代表心臟收縮與舒張的分界點；「e點」代表主動脈瓣在心室舒張早期突然閉合，血液逆流撞擊到主動脈上，並回彈導致主動 脈壓再度上升所形成的波，但所述的波形參考點數量及代表意義，不以此為限，特先陳明，又，所述第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波可為經過至少一次微分運算(Derivative)的加速度脈搏波。

請參閱「第3圖」，圖中所示為本創作之實施流程圖，再請搭配參閱「第1圖」，當第一壓力感測單元111、及第二壓力感測單元112分別貼附於生物體之兩相異位置後(例如第一量測點及第二量測點)，其作動流程如下：當生物體之脈搏跳動時，第一壓力感測單元111及第二壓力感測單元112皆可量測到生理訊號(步驟S1)，但由於生理訊號可能包含太多雜亂之頻率，故訊號處理單元121須先濾除生理訊號之雜訊，例如以低通濾波器電路封鎖高頻雜訊、或以高通濾波器電路消除低頻雜訊(步驟S2)，其後，再對生理訊號進行訊號放大，以輸出計算單元122可接受的輸入電壓範圍、或放大訊號強度較弱的生理訊號(步驟S3)，而當訊號處理單元121將生理訊號轉換為電壓訊號(步驟S4)，並由計算單元122進行訊號分析(即萃取出各心跳週期之電壓訊號於時域中的峰值、平均值、頻率、上升時間等訊號分析值)後，即可生成具有複數個波形參考點的連續脈搏波(步驟S5)，以供計算單元122可依據不同波形參考點的數據，計算出不同的生理資訊(步驟S6)。

請參閱「第4圖」，圖中所示為本創作之第一實施例之實施流程圖，並請搭配參閱「第6圖」，本創作之計算血壓資訊步驟S61之實施流程如下：

(1)對兩個連續脈搏波取樣步驟S611：例如訊號處理單元121應用峰值檢測電路，從第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波之各個波形參考點中， 選出各心跳週期的波峰及波谷，再由計算單元122從各心跳週期中，選出連續脈搏波之波形特徵點最為顯著的一個心跳週期，作為一選定心跳週期；

(2)計算第一選定波形參考點及第二選定波形參考點之時間差步驟S612：計算單元122從所述的選定心跳週期中，依以下計算依據計算出一脈搏波傳遞時間差：第一連續脈搏波之第一波峰(第一選定波形參考點P1)及第二連續脈搏波之第一波峰(第二選定波形參考點P2)之間的脈搏波傳遞時間差△t，又，計算單元122亦可運算第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波之其它相同波形參考點之時間差，以作為脈搏波傳遞時間差△t，不以此為限，特先陳明；

(3)根據血壓關係常數，進行數學運算步驟S613：根據血壓關係常數A及血壓關係常數B，依以下關係式運算出一血壓資訊(BP，單位為毫米汞柱mmHg)，其中，ln係指對PTT作底數為10(即自然對數e)的log運算，又，血壓關係常數A、及血壓關係常數B將依照血壓資訊(BP)是否為一收縮壓(Systolic Blood Pressure，簡稱SBP)、或一舒張壓(Diastolic Blood Pressure，簡稱DBP)而有所不同。

BP=A＊ln(PTT)+B

(4)承步驟S613，若計算單元122須計算一平均動脈壓(Mean Arterial Pressure，簡稱MAP，即為一心跳週期的平均動脈血壓)之血壓資訊，則依以下關係式進行運算，而藉由量測血壓資訊之生理資訊，可提供防治動脈硬化及高血壓之參考指標。

承上，請繼續參閱「第5圖」，圖中所示為本創作之第一實施例之實施流程圖(二)，並請搭配參閱「第6圖」，本創作之計算脈搏波速度資訊步驟S62之實施流程如下：(1)取得兩量測點之間的距離步驟S621：計算單元122先取得一量測點距離△d，而量測點距離△d為第一量測點d1、第二量測點d2之間的距離(相當於第一量測點d1、第二量測點d2於血管V之間的距離)，又，量測點距離△d亦可由生物體的年齡、性別等臨床數據所估算而得；(2)對兩個連續脈搏波取樣步驟S622：如步驟S611，即訊號處理單元121從第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波之各個波形參考點中，萃取出各心跳週期的波峰及波谷，再由計算單元122從各心跳週期中，選出連續脈搏波之波形特徵點最為顯著的一個心跳週期，作為一選定心跳週期；(3)計算第一選定波形參考點及第二選定波形參考點之時間差步驟S623：計算單元122從所述的選定心跳週期中，計算第一連續脈搏波之第一選定波形參考點P1、及第二連續脈搏波之第二選定波形參考點P2(即心臟收縮初始點，或稱前一心跳週期的心跳舒張末點)之間的脈搏波傳遞時間差△t(可搭配參閱第2圖之a點)，並以脈搏波傳遞時間差△t作為第一量測點d1及第二量測點d2之間的脈搏波傳遞時間(PTT)，又，計算單元122亦可運算第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波之其它相同波形參考點之時間差，作為脈搏波傳遞時間差 △t，不以前述為限，特先陳明；(4)根據時間差及量測點距離，進行數學運算步驟S624：計算單元212依以下關係式運算後，即可產生一脈搏波速度資訊(PWV)。

請參閱「第7圖」，圖中所示為本創作第二實施例之實施流程圖，計算血管年齡資訊步驟S63之實施流程如下：

(1)萃取連續脈搏波的多個參考點步驟S631：首先，訊號處理單元121可應用峰值檢測電路，從第一連續脈搏波、或第二連續脈搏波之各個波形參考點中，選出各心跳週期的波峰及波谷，計算單元122再從各心跳週期中，選出連續脈搏波之波形特徵點最為顯著的一個心跳週期，作為一選定心跳週期，其中，計算單元122亦可從第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波中各自選出一候選心跳周期，並選擇出極值特徵最為顯著的心跳周期，作為所述的選定心跳周期；

(2)根據各波形參考點，運算出動脈硬化加權常數步驟S632：於選定心跳週期中，第一連續脈搏波、或第二連續脈搏波的各波形參考點可量化為數值(例如可為正、負值的數值a、b、c、d、e)，依以下關係式運算出一動脈硬化加權常數(AWI)。

(3)根據血管年齡參考常數及動脈硬化加權常數，進行數學運算步驟S633：當計算單元122運算出動脈硬化加權常數(AWI)後，再與血管年齡參考常數(A、B)進行運算，即可運算出一血管年齡資訊 (Vascular Age，簡稱VA)，其中，血管年齡參考常數(A、B)依生物體之性別、年齡而有所不同，。

VA=A＊AWI+B

請參閱「第8圖」，圖中所示為本創作第三實施例之實施流程圖，計算心跳資訊步驟S64之實施流程如下：以相同於步驟S631的方式，萃取第一連續脈搏波或第二連續脈搏波的多個參考點(步驟S641)，並萃取出一選定心跳周期的任二個極值，例如皆選擇波峰(步驟S642)，其後，計算所述二極值之間的時間差△t(步驟S643)，最後，再依以下關係式作除法運算(步驟S644)，即可產生一心跳(HR)資訊，又，本創作於量測心跳資訊時，本創作之生理訊號偵測裝置1係以穿戴於生物體之胸腔位置為佳。

HR=60/△t

由上所述可知，本創作之生理訊號偵測裝置主要包括：一壓力感測模組及一微控制處理模組，壓力感測模組具有一第一壓力感測單元、及一第二壓力感測單元，其分別貼附於生物體之兩相異位置，以偵測一第一生理訊號、及一第二生理訊號(可轉換為一第一電壓訊號、及一第二電壓訊號)，微控制處理模組用以對第一電壓訊號及第二電壓訊號進行訊號處理，以生成具有複數個波形參考點的一第一連續脈搏波、及一第二連續脈搏波，而本創作實施時，於一心跳週期內，微控制處理模組可由第一連續脈搏波、及第二連續脈搏波之選定波形參考點之間的時間 差，運算出一脈膊波傳遞時間差，藉此，可運算出血壓及脈搏波速度資訊，另，本創作亦得以一連續脈搏波的各個參考點之數值為依據，運算出一血管年齡資訊及一心跳資訊，是以，本創作實施後，確實提供一種以至少二個壓力感測單元感測生理訊號，並以兩個連續脈搏波之相同波形參考點的時間差，運算出血壓、血管年齡、脈搏波速度、及心跳資訊的生理訊號偵測裝置。

唯，以上所述者，僅為本創作之較佳之實施例而已，並非用以限定本創作實施之範圍；任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本創作之專利範圍內。

綜上所述，本創作之功效，係具有「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明專利之申請。

1‧‧‧生理訊號偵測裝置

11‧‧‧壓力感測模組

111‧‧‧第一壓力感測單元

112‧‧‧第二壓力感測單元

12‧‧‧微控制處理模組

121‧‧‧訊號處理單元

122‧‧‧計算單元

13‧‧‧傳輸模組

14‧‧‧記憶模組

2‧‧‧使用者端資訊裝置

Claims (8)

1. 一種生理訊號偵測裝置，用以偵測一生物體之一生理資訊，包含：一壓力感測模組，具有相互呈電性連接之一第一壓力感測單元、及一第二壓力感測單元，可供貼附於該生物體之兩相異位置，以偵測脈搏跳動時，因血管產生壓力變化所形成的一第一生理訊號、及一第二生理訊號，該第一生理訊號、及該第二生理訊號經訊號轉換後，可形成一第一電壓訊號、及一第二電壓訊號；以及一微控制處理模組，與該壓力感測模組呈電性連接，用以對該第一電壓訊號、及該第二電壓訊號進行訊號處理，以生成具有複數個波形參考點的一第一連續脈搏波、及一第二連續脈搏波，進而於一心跳週期內，依據該第一連續脈搏波的一第一選定波形參考點、及該第二連續脈搏波的一第二選定波形參考點之間的時間差，運算出一脈搏波傳遞時間，以作為一血壓資訊之運算依據。
2. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，該壓力感測模組更具有一第三壓力感測單元，該第三壓力感測單元可偵測該生物體之一第三生理訊號，以作為運算該脈搏波傳遞時間之參考依據，且該第三壓力感測單元之貼附位置，不同於該第一壓力感測單元、及該第二壓力感測單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，其中，該第一壓力感測單元、及該第二壓力感測單元可為壓電式、壓阻式、或電容式感測單元之任一種或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，其中，於該心跳週期內，該第一連續脈搏波、或該第二連續脈搏波的各該波形參考點，可經 該微控制處理模組運算後，產生一動脈硬化加權常數，以作為一血管年齡資訊之運算依據。
5. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，其中，該第一連續脈搏波、及該第二連續脈搏波的各該波形參考點可包含複數個極值，且該微控制處理模組可依據該第一連續脈搏波、或該第二連續脈搏波的任二個該極值之間的時間差，運算出一心跳資訊。
6. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，其中，於該心跳週期內，該微控制處理模組可依據該第一壓力感測單元、及該第二壓力感測單元之間的一量測點距離，與該第一連續脈搏波的該第一選定波形參考點、及該第二連續脈搏波的該第二選定波形參考點之間的時間差進行運算，以產生一脈搏波速度資訊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，更包括與該微控制處理模組呈電性連接之一記憶模組，用以儲存一血管年齡關係常數、一血壓關係常數，以供該微控制處理模組計算該生理資訊時，可進行補償運算或加權運算。
8. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測裝置，更包括與該微控制處理模組呈電性連接之一傳輸模組，以供該微控制處理模組可傳輸該生理資訊至一使用者端資訊裝置。