光学式血压检测装置及其操作方法与流程

本发明有关一种血压检测装置，更特别有关一种基于光体积变化信号的光学式血压检测装置及其操作方法。

背景技术：

已知血压计测量血压时，需费时较长时间且往往需要反复测量较能得到可信值。此外，已知血压计仅能进行被动式测量，并无法持续性的主动测量。因此，已知血压计的测量值仅为特定状况(例如使用者情绪及动作平静一段时间后)的血压值，并无法确实反映所有状况，例如睡眠时的血压值。

有鉴于此，有必要提出一种够持续监测血压值的血压检测装置。

技术实现要素：

本发明提供一种利用光体积变化信号(photoplethysmography,ppg，下称ppg信号)取得用户的血压值及呼吸率的光学式血压检测装置及其操作方法。

本发明提供一种利用呼吸周期平均多个血压值的光学式血压检测装置及其操作方法，以求得较稳定的平均血压值。

本发明提供一种血压检测装置，包含光源、光感测元件及处理单元。所述光源用以照明皮肤表面使光线穿过所述皮肤表面下方的人体组织。所述光感测元件检测所述人体组织的出射光以产生光体积变化信号。所述处理单元用以根据至少一个血压估计模型及所述光体积变化信号的脉搏期间中两个特征点之间的时间差相对每一个所述脉搏期间计算至少一个血压值，计算呼吸周期，及平均所述呼吸周期内的多个血压值以产生平均血压值；其中，所述至少一个血压估计模型包含以所述脉搏期间中所述两个特征点之间的所述时间差为变量的多项式。

本发明还提供一种血压检测装置，包含光源、光感测元件、内存及处理单元。所述光源用以照明皮肤表面使光线穿过所述皮肤表面下方的人体组织。所述光感测元件检测所述人体组织的出射光以产生光体积变化信号。所述内存用以储存至少一个校正量，其中，所述校正量为估计血压值与血压计的测量血压值的差值。所述处理单元用以根据至少一个血压估计模型及所述光体积变化信号的脉搏期间中两个特征点之间的时间差相对每一个所述脉搏期间计算血压值，计算呼吸周期，平均所述呼吸周期内的多个血压值以产生平均血压值，及以所述校正量校正所述平均血压值；其中，所述至少一个血压估计模型包含以所述脉搏期间中所述两个特征点之间的所述时间差为变量的多项式。

本发明还提供一种血压检测装置的操作方法，包含下列步骤：利用光感测元件从皮肤表面取得光体积变化信号；利用处理单元根据至少一个血压估计模型及所述光体积变化信号的脉搏期间中两个特征点之间的时间差相对每一个所述脉搏期间计算血压值，其中，所述至少一个血压估计模型包含以所述脉搏期间中所述两个特征点之间的所述时间差为变量的多项式；利用所述处理单元计算呼吸周期；以及利用所述处理单元平均所述呼吸周期内的多个血压值以产生平均血压值。

为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明之说明中，相同构件以相同的符号表示，在此先述明。

附图说明

图1为本发明实施例的血压检测装置所检测的光体积变化信号的示意图；

图2为根据本发明实施例的估计模型所求得的血压值的示意图；

图3a-3b为本发明实施例的血压检测装置的使用状态；

图4为本发明实施例的血压检测装置的方块示意图；

图5为根据本发明实施例的平均血压值的示意图；

图6为本发明实施例的血压检测装置的操作方法的流程图。

附图标记说明

11光体积变化信号

21收缩压信号

22舒张压信号

300血压检测装置

301光源

302光感测元件

303处理单元

304传输接口

305显示设备

306振动元件

307扬声器

308提示光源

501估计收缩压

502估计舒张压

s皮肤表面

ths、thd血压阈值

pb呼吸周期

pt脉搏期间

ps1～ps4、ps1'～ps4'特征点。

具体实施方式

光体积变化信号(ppg)信号由两个部分所组成，心脏收缩时，全身血管内的压力、血流体积等，会产生连续性变化，而当心脏舒张时，前述压力相对会减低，此时前一次心脏收缩时打出的血液，会循环撞击心脏瓣膜而产生反折的现象。

因此一个完整的ppg波形包含了心脏收缩与血管壁本身压力作用的综合效应，利用光学方式来检测血管的体积变化，可以获得前述ppg信号。

为了从ppg信号中取得用户的呼吸信号及血压信号，首先必需要取得ppg信号，接着利用血压估计模型相对所述ppg信号的每一个脉搏期间(如图1的pt)分别计算血压值，并根据多个血压值的变化来计算呼吸率。

如前所述，一个完整的ppg波形包含了心脏收缩与血管壁本身压力作用的综合效应。本发明即利用光学方式来检测血管的体积变化，可以获得前述ppg信号。

由前述可知，ppg信号可以代表心脏循环时的频率，但由于ppg测量血管的光体积变化，而人体全身的血管均彼此相连接，故通过解析ppg信号，可以从解析的信号上，获得关于血压及呼吸周期的相关信息。

例如当吸气时，肌肉用力，进而对血管产生进一步的挤压，这会使得ppg信号整体往上逐渐提高并改变ppg信号的形状；反之，当呼气时，肌肉放松，则会使得ppg信号整体往下逐渐降低并改变ppg信号的形状。因此，通过解析ppg信号的特征点，可以识别出使用者的血压值及呼吸率(respirationrate)。

而且，藉由与使用者的活动比较，可以使血压检测系统输出指示，用来指示使用者的血压及呼吸状况。比如当使用者因为紧张而造成血压升高的时候，可以藉由通过与检测ppg信号相链接的设备，提示使用者应该要放松，或者使用者在天气变化时造成血压升高或者降低时，可以提示使用者改变衣着量。可以通过用户配戴的耳机，以语音或者音乐的听觉提示方式将提示告知使用者，或者通过用户随身携带的装置，显示视觉提示给用户，或者通过体表感知方式提示给使用者，例如振动。此外，也可于睡眠时持续记录血压变化，以做为长期健康监控的资料。

以下关于如何通过ppg信号取得血压及呼吸周期pb的实施例。

首先，通过血压检测装置取得ppg信号，如图1所示，其中ppg信号11包含多个特征点ps1-ps4、ps1'-ps4'。接着，通过识别所述ppg信号11的两个特征点之间的时间差并搭配估计模型(容详述于后)，可相对每一个脉搏期间pt求得至少一个血压值，如图2所示。图2显示各血压值之间以线段连接而呈现连续的血压值信号；其中，21例如表示收缩压信号而22例如表示舒张压信号。

本发明实施例的血压检测装置还可以分别识别所述血压值信号21、22的上升部分以及下降部分。如图2的实施例，上升部分例如代表吸气而下降部分例如代表呼气。在其他的实施例当中，因为估计模型不同，上升部分也可能代表呼气而下降部分代表吸气，并无特定限制。在取得前述信息之后，可以进一步根据所述血压值信号21、22计算呼吸率，并实时性地输出此血压值信号及呼吸率中的至少其中一者。此外，可通过提示装置根据血压值和/或呼吸率与至少一个阈值的比较结果产生提示供使用者参考。

因此，通过本发明实施例的血压检测装置，可以让用户更进一步地了解自己的生理状况，达到自我调整的效果。

而本发明也可长时间纪录用户的血压及呼吸状况，以便输出统计数据给用户作为调整的参考，且所述统计数据还可作为决定阈值的依据。

请参照图3a-3b所示，其为本发明实施例的血压检测装置300的使用状态。所述血压检测装置300通过检测用户之人体组织的ppg信号，以分析并显示所述用户的血压值信号随时间的变化。因此，所述血压检测装置300可设置于任何适当位置以检测ppg信号，例如设置于所述使用者的腕部(如图3a所示)或手臂(如图3b所示)，但并不限于此。其他实施例中，所述血压检测装置300例如可结合于可携式电子装置或穿戴式电子装置上，例如手环、臂环、指环、脚环、移动电话、耳机、个人数字助理等可与至少一部分皮肤表面接触的装置。此外，所述血压检测装置300也可有线或无线地耦接医疗设备、家电设备、车辆、保全系统等。较佳地，所述血压检测装置300所连接的设备具有用以实时地显示所述血压检测装置300的检测结果的显示设备。

请参照图4所示，其为本发明实施的血压检测装置300的方块示意图。所述血压检测装置300包含光源301、光感测元件302以及处理单元303。某些实施例中，所述血压检测装置300还包含用以显示所述血压检测装置300的检测结果的显示设备305。某些实施例中，所述血压检测装置300还包含用以与外部的显示设备305有线或无线地耦接的传输接口304，以输出所述血压检测装置300的检测结果至所述显示设备305进行实时显示。换句话说，所述显示设备305可包含或不包含于所述血压检测装置300内，视其应用而定。

所述显示设备305例如可为液晶显示器、电浆显示器、有机发光二极管显示器、投影机等可用以显示图像的设备，并无特定限制，只要能够通过显示屏以显示如图5的平均血压值501、502(容详述于后)即可。

所述光源301例如为发光二极管或雷射二极管，用以发出适于穿透人体组织且能够被人体组织吸收的光。例如，所述光源301的发射光的光波长为610纳米或910纳米，但并不以此为限。所述光源301用以照明皮肤表面s使光线穿过所述皮肤表面s下方的人体组织。较佳地，所述血压检测装置300具有透明表面能够贴附于所述皮肤表面s并保护所述光源301，所述光源301则设置于所述透明面内侧。所述透明表面例如以塑料或玻璃等透明材质所制作，并无特定限制。某些实施例中，所述透明表面例如为导光件的表面，且所述导光件具有导引光路的功能。

某些实施例中，当所述血压检测装置300同时用以检测血氧浓度时，所述血压检测装置300可包含两光源用以分别发出不同波长的光；其中，检测血氧浓度的方法例如可参照本案申请人所共同拥有的美国专利申请第13/614,999号，其公开内容在此并入以作为参考。

所述光感测元件302例如为光二极管(photodiode)或图像感测阵列(imagesensorarray)，例如互补式金氧半导体传感器阵列(cmossensorarray)，用以检测从所述人体组织射出的出射光以产生光体积变化(ppg)信号，如图1所示。利用光二极管检测并输出ppg信号的方式已为已知，故于此不再赘述。本发明在于根据所检测的ppg信号识别血压值及呼吸率。利用图像感测阵列检测三维生理特征分布的方式例如可参照本案申请人所共同拥有的美国专利申请第14/955,463号，其公开内容在此并入以做为参考。所述图像感测阵列的每一个像素可分别输出ppg信号，或者所述图像感测阵列的所有像素的强度之和可作为ppg信号。同样地，所述光感测元件302设置于所述透明面内侧。

所述处理单元303例如为微控制器(mcu)、中央处理器(cpu)或特定用途集成电路(asic)，其电性耦接所述光源301及所述光感测单元302，用以控制所述光源301及所述光感测单元302相对应操作。所述处理单元303用以根据至少一个血压估计模型及所述光体积变化信号11的脉搏期间pt中两特征点之间的时间差相对每一所述脉搏期间pt计算血压值，计算呼吸周期pb以及平均所述呼吸周期pb内的多个血压值以产生平均血压值。本实施例中，所述平均血压值例如为相对使用者真实血压的相对值，用户可根据所述平均血压值了解自身的血压变化。

本实施例中，所述至少一个血压估计模型包含以脉搏期间pt中两个特征点之间的时间差为变量的多项式；其中，所述多项式可为一次多项式、二次多项式或高次多项式，其例如利用拟合法(fittingmethod)拟和所述脉搏期间pt中所述两特征点之间的曲线而得。所述血压估计模型例如可以软件和/或硬件实现以内建于所述处理单元303。

例如，图1中，脉搏期间pt包含多个特征点ps1-ps4，所述两个特征点为所述光体积变化信号11的所述脉搏期间pt中的最高值ps2、次高值ps4、最低值ps1及次低值ps3中的其中两个。此外，所述至少一个血压估计模型包含收缩压(sbp)估计模型及舒张压(dbp)估计模型。

拟合法例如拟合所述特征点ps1与所述特征点ps2间的曲线、所述特征点ps2与所述特征点ps3间的曲线、所述特征点ps3与所述特征点ps4间的曲线、所述特征点ps2与所述特征点ps1'间的曲线或所述特征点ps2与所述特征点ps4间的曲线而得，并无特定限制。

例如，一种收缩压估计模型可根据所述特征点ps2与所述特征点ps1'(其为下一个脉搏期间pt的最低值)间的曲线所得的方程式；其中，所述特征点ps2与所述特征点ps1'的时间差例如以dt表示

sbp＝-0.095×dt+188.581(1)

一种舒张压估计模型可根据所述特征点ps2与所述特征点ps4间的曲线所得的方程式；其中，所述特征点ps2与所述特征点ps4的时间差例如以t1表示。为清楚显示，图1中t1显示为特征点ps2'与特征点ps4'的时间差。

dbp＝-0.344×t1+174.308(2)

前述舒张压与收缩压的模型为举例说明，可将ppg测量数值粗略对应到血压数值。如果要求得更为精确的模型，可用其他数学模型来对应，例如包含更多变量或者更多不同时间差的多次方项多项式，不为本发明的限制。

例如sbp与dbp可写成∑akxk(k次方)+c,其中xk代表时间差，c代表已知常数。

任两个特征点之间均可得到一个收缩压估计模型及一个舒张压估计模型，仅在于其反映血压的程度不同。本实施例中，所述收缩压估计模型及所述舒张压估计模型较佳于出厂前经由统计多人的ppg信号所求得的共享模型(commonmodel)并储存于所述处理单元303的非挥发性内存中。必须说明的是，所述特征点并不限于本发明所举出的特征点，其例如也可根据所述ppg信号的一阶、二阶微分曲线的极值相对所述ppg信号的位置所决定。此外，决定所述血压估计模型所使用的特征点个数也并不限于两个。

所述处理单元303例如可根据方程式(1)相对每一个脉搏期间pt分别求得收缩压，以形成如图2的收缩压信号21；其中，所述收缩压信号21中的每一点代表由方程式(1)所求得的收缩血压值，并以线段相互连接。所述处理单元303例如可根据方程式(2)相对每一脉搏期间pt分别求得的舒张压，以形成如图2的舒张压信号22；其中，所述舒张压信号22中的每一点代表由方程式(2)所求得的舒张血压值，并以线段相互连接。

本实施例中，所述处理单元303还可根据所述收缩压信号21和/或所述舒张压信号22计算呼吸周期pb。一实施例中，所述处理单元303可利用快速傅立叶算法(fft)根据所述收缩压信号21和/或所述舒张压信号22的多个血压值计算所述呼吸周期pb。另一实施例中，所述处理单元303可利用所述收缩压信号21和/或所述舒张压信号22的多个血压值中两相邻最低血压值间的时间差计算所述呼吸周期pb。换句话说，所述收缩压信号21和/或所述舒张压信号22的周期可作为所述呼吸周期pb。

从图2可看出，所述处理单元303所求出的收缩压信号21及舒张压信号22随者用户的呼吸而变化，而呈现不稳定的情形。因此，所述处理单元303还可计算所述呼吸周期pb内的多个血压值的平均值(例如均方根，但不限于此)，以得到如图5所示的平均血压值；其中，501表示估计收缩压，502表示估计舒张压。图5显示所述呼吸周期pb为6秒的实施例，根据不同状情境，所述呼吸周期pb的长短可不相同。从图5可清楚看出，图5的平均血压值比图2的血压值明显稳定许多。

请再参照图5所示，其还显示有以血压计所测量的多个测量血压值。如前所述，本发明实施例的血压检测装置300所测量者可以说是相对血压值。某些实施例中，所述内存内还储存有至少一个校正量，其中，所述校正量为估计血压值与血压计的测量血压值的差值。因此，当所述处理单元303求出估计血压值(即平均血压值501、502)后，则可将所述估计血压值加上或减去所述校正量以进行校正，而得到较为精准或个人化的血压值；也即，所述校正量可根据各使用者分别测量并储存，以得到个人化校正量。

所述传输接口304例如无线或有线地输出所述平均血压值及呼吸率中的至少其中一者，例如以默认频率发送所述平均血压值及呼吸率中的至少其中一者的数据至显示设备305实时显示；其中，无线或有线传输技术已为已知，故于此不再赘述。所述呼吸率可根据所述呼吸周期pb所求得，例如所述呼吸周期pb的倒数乘上60秒。可以了解的是，当所述血压检测装置300同时包含所述显示设备305时，所述传输接口304可不予实施，或者所述传输接口304设置于所述血压检测装置300内部而介于所述处理单元303与所述显示设备305之间。

所述显示设备305用以实时地显示所述平均血压值随时间的变化曲线(例如图5的估计血压值501、502)和/或所述呼吸率的数值。此外，所述处理单元303还从所述内存读取所述血压值相关的至少一个血压阈值ths、thd，并将所述多个数值直接或通过所述传输接口304传送至所述显示设备305进行显示。例如显示于所述显示设备305的显示屏上以线条、数字或图形标示所述血压阈值ths、thd及所述呼吸率的数值，以让使用者可简单从所述显示设备305观察自身血压及呼吸状态。

与已知血压检测装置不同的是，本发明的血压检测装置300可实时地显示用户的血压及呼吸状态。换句话说，由于所述血压检测装置300分析所述光感测元件302所检测的ppg信号，因此当所述处理单元303接收到所述ppg信号时，即可开始进行分析并输出所述血压值信号21、22和/或呼吸率至所述显示设备305进行显示。由于所述处理单元303根据呼吸周期平均所述血压值信号21、22，因此所述显示设备305在一个呼吸周期pb后即可开始显示血压。一般而言，在正常作息下，所述呼吸周期pb约为5-6秒。可以了解的是，不同使用者会有不同呼吸周期pb，不同情境也会有不同呼吸周期pb。其他实施例中，当所述处理单元303不计算平均血压值时，所述显示设备305可实时显示如图2的血压值信号21、22。

此外，为了提升使用者经验，所述血压检测装置300还可包含提示装置305，用以根据所述平均血压值和/或所述呼吸周期与至少一个阈值的比较结果发出提示信号；其中，所述提示信号例如为振动信号、光信号、声音信号和/或图像信号，但并不以此为限，只要能够提示使用者即可。

本发明实施例的血压检测装置300可应用于情绪及作息调整。

例如，当用户的平均血压值未达到或超过血压阈值ths、thd时，所述提示装置305则发出所述提示信号。藉此，使用者可藉由调整情绪、吃药、调整衣着量等来使得平均血压值恢复至正常状态。

例如，当使用者的呼吸率未达到或超过阈值时，所述提示装置305则发出所述提示信号。所述呼吸率例如以频率数值与所述估计血压值501、502同时显示于显示屏上。如前所述，所述处理单元303根据一个呼吸周期pb即能够算出所述呼吸频率，而无须累计一分钟的计数值。

所述提示信号的显示方式根据不同应用而定。

例如，所述显示设备305同时作为所述提示装置。当平均血压值和/或呼吸率未达到或超过阈值时，所述处理单元303通过图像信号使所述显示设备305显示所述提示，例如以文字、图形、亮度等来表示提示。

例如，所述血压检测装置300可还包含振动元件306作为所述提示装置。当平均血压值和/或呼吸率未达到或超过阈值时，所述处理单元303通过振动信号使所述振动元件306发生振动来提醒使用者。

例如，所述血压检测装置300可还包含扬声器307作为所述提示装置。当平均血压值和/或呼吸率未达到或超过阈值时，所述处理单元303通过声音信号使所述扬声器307发出声音来提醒使用者。

例如，所述血压检测装置300可还包含提示光源308作为所述提示装置。当平均血压值和/或呼吸率未达到或超过阈值时，所述处理单元303通过光信号使所述提示光源308发光来提醒使用者。

某些实施例中，所述处理单元303例如具有学习算法(例如以软件和/或硬件实现)，可根据用户的历史纪录决定上述各阈值，例如血压阈值、呼吸率阈值等，但并不以此为限。例如所述多个阈值可被分类为睡眠期间、工作期间、运动期间。所述多个历史纪录相关的数据例如储存于非挥发内存中。

请参照图6所示，其为本发明实施例的血压检测装置的操作方法的流程图，包含下列步骤：利用光感测元件从皮肤表面取得光体积变化信号(步骤s61)；利用处理单元根据至少一个血压估计模型及所述光体积变化信号的脉搏期间中两个特征点之间的时间差相对每一个所述脉搏期间计算血压值(步骤s62)；利用所述处理单元计算呼吸周期(步骤s63)；以及利用所述处理单元平均所述呼吸周期内的多个血压值以产生平均血压值(步骤s64)。

步骤s61：所述血压检测装置300于操作时较佳相对所述皮肤表面s为固定，以避免所述光感测元件302所感测的ppg信号受移动所产生的噪声影响。此外，所述处理单元303还可具有消除ppg信号中移动所产生噪声的算法，其中，消除移动噪声的方法例如可参照本案申请人所共同拥有的美国专利申请第13/614,999号，其公开内容在此并入以作为参考。

步骤s62：所述处理单元303在接收到来自所述光感测元件302的ppg信号后，即开始识别所述光体积变化信号的脉搏期间pt中的特征点(如图1所示的ps1-ps4)，其例如以软件和/或硬件实现。内存中预存有至少一个血压估计模型；其中，至少一个血压估计模型包含以所述脉搏期间pt中两个特征点之间的时间差为变量的多项式，例如方程式(1)及(2)。所述处理单元303则将所测量的所述多个特征点ps1-ps4间的时间差(例如st、dt、t1等)带入所述至少一个血压估计模型以相对每一个所述脉搏期间pt计算血压值，如图2所示。

步骤s63-s64：所述处理单元303算出多个血压值后，则可在时域直接计算呼吸周期pb(如图2所示)，或者利用快速傅立叶变换在频域计算出所述呼吸周期pb。本实施例中，所述呼吸周期pb可用以计算呼吸率供所述显示设备305进行显示，并可用以平均所述处理单元303算出的多个血压值以求得估计血压值501、502，如图5所示。

接着，所述呼吸率和/或所述估计血压值501、502被传送至显示设备305进行显示。此外，所述处理单元303还可比较所述呼吸率和/或所述估计血压值501、502与至少一个阈值以确认其数值是否处于正常范围，据以发出提示信号。

某些实施例中，为了求得个人化血压值，内存中可储存有估计血压值与血压计的测量血压值的差值以作为校正量；其中，所述校正量例如于校正阶段通过应用软件储存，例如用户可将图5中估计血压值与测量血压值间的差值输入至用户接口后进行储存。在正式操作时，所述处理单元303则自动以所述校正量校正所述估计血压值501、502。

必须说明的是，所述显示设备305可显示所述估计血压值501、502及呼吸率，但不显示所述测量血压值。某些实施例中，所述显示设备305还可显示图2的收缩压信号21和/或舒张压信号22，视其应用而定。

必须说明的是，虽然上述实施例中以反射式光学血压检测装置为例进行说明，但其并非用以限定本发明。其他实施例中，所述血压检测装置也可为穿透式光学装置，其中仅光源与光感测元件的设置位置不尽相同，其感测原理则相同，故于此不再赘述。

必须说明的是，上述实施例中虽以所述内存位于所述处理单元303内为例进行说明，然而本发明并不以此为限。其他实施例中，所述内存可位于所述处理单元303外，只要所述处理单元303可读取所述内存即可，并无特定限制。

此外，某些实施例中，当所述处理单元303判断所求得的血压值的变化(例如标准偏差)超过预设范围时，则停止计算平均血压值或停止输出所求得的估计血压值，直到所求得的血压值恢复至预设范围为止。

综上所述，已知血压检测装置并无法实时显示用户的血压值且无法进行长期持续监控，故具有应用上的限制。因此，本发明还提供一种血压检测装置(如图4)及其操作方法(如图6)，其可实时地计算并显示用户的血压值及呼吸状态。此外，本发明的血压检测装置并可通过提示机制让使用者调整自身的身理状况，以有效提升使用者经验及应用范围。

虽然本发明已通过前述实施例公开，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。