可调整信号源的生理探测系统及其操作方法与流程

本发明涉及一种光学式生理探测系统，尤其地，涉及一种可调整信号源之生理探测系统及其操作方法。

背景技术：

公知的脉搏血氧仪(pulse oximeter)是利用非侵入式的方式来探测使用者的血氧浓度及脉搏数。所述公知脉搏血氧仪可产生红光光束(波长约660纳米)及红外光光束(波长约910纳米)穿过人体部位，并基于带氧血红素(oxyhemoglobin)及去氧血红素(deoxyhemoglobin)对特定光谱具有不同吸收率以探测透射光的光强度变化。探测出两种波长的透射光的光强度变化(例如光体积变化描述波形(Photoplethysmography)信号或称作PPG信号)后，再以下列公式计算血氧浓度：

血氧饱和度＝100％×[HbO2]/([HbO2]+[Hb])，

其中，[HbO2]为带氧血红素浓度；[Hb]为去氧血红素浓度。

一般脉搏血氧仪所探测到的两种波长的透射光的光强度会随着心跳而呈现强弱变化，这是由于血管会随着心跳而不断地扩张及收缩而使得光束所通过的血液量改变，进而改变光能量被吸收的比例。藉此，根据所探测的PPG信号即可计算使用者的生理特征。

然而，当光学式生理探测装置应用于便携式装置或穿戴式装置时，其探测面与皮肤表面之间可能产生相对运动或其探测面未紧密贴合于皮肤表面，而造成探测信号的信号品质降低，进而降低探测精确度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种高探测精确度的生理探测系统及其操作方法，以增加其可适用范围。

本发明提供一种可调整信号源的生理探测系统及其操作方法，通过调整至少一个信号源参数，来提高信号品质及探测精确度。

本发明提供一种生理探测系统，包含生理探测模块。所述生理探测模块包含光源模块、光传感器以及第一处理器。所述光源模块用于提供照射皮肤区域的光线。所述光传感器用于根据至少一个信号源参数来探测经过所述皮肤区域的出射光，并输出图像信号。所述第一处理器用于根据所述图像信号计算第一可靠度，并根据所述第一可靠度更新所述至少一个信号源参数。

本发明还提供一种生理探测系统的操作方法，所述生理探测系统包含生理探测模块。所述操作方法包含下列步骤：利用所述生理探测模块根据至少一个信号源参数探测皮肤区域的出射光以产生图像信号；利用所述生理探测模块根据所述图像信号计算可靠度；利用所述生理探测模块比较所述可靠度与至少一个阈值；以及利用生理探测模块根据所述可靠度与所述至少一个阈值的比较结果更新所述至少一个信号源参数。

本发明还提供一种生理探测系统的操作方法，所述生理探测系统包含相互耦接的生理探测模块及应用模块。所述操作方法包含下列步骤：利用所述生理探测模块根据至少一个信号源参数探测皮肤区域的出射光以产生图像信号；利用所述生理探测模块根据所述图像信号计算第一可靠度；利用所述生理探测模块根据多个图像信号输出亮度变化信号；利用所述应用模块根据所述亮度变化信号计算第二可靠度；以及根据所述第一可靠度及所述第二可靠度更新所述至少一个信号源参数。

本发明的生理探测系统及其操作方法中，所述可靠度(confident level)例如包含平均亮度、均匀度、光体积变化描述波形(PPG)信号振幅、信噪比(SNR)以及其他图像品质参数中的至少一者；所述信号源参数例如包含曝光时间、增益值、目标区域(window of interest)、发光强度、焦距以及收光相位中的至一者。

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，在本发明中，相同的构件是以相同符号表示，于此先述明。

附图说明

图1为本发明实施例的生理探测系统的方块示意图。

图2为本发明实施例的像素阵列的目标区域的示意图。

图3为本发明实施例的生理探测系统产生的亮度变化信号的示意图。

图4为本发明实施例的不同收光相位的示意图。

图5为本发明实施例的生理探测系统产生的频域数据的示意图。

图6为本发明第一实施例的生理探测系统的操作方法的流程图。

图7为本发明第二实施例的生理探测系统的操作方法的流程图。

图8为本发明第三实施例的生理探测系统的操作方法的流程图。

附图标记说明

100 生理探测系统 11 生理探测模块

111 光源模块 113 光传感器

115 第一处理器 117 存储单元

119 传输接口 13 应用模块

131 传感器驱动单元 133 第二处理器

135 周边驱动单元 SR 皮肤区域

IF 图像信号 WOI 目标区域

P1、P2 像素 CL 可靠度

TH 阈值 AP 信号源参数

具体实施方式

参考图1，其为本发明一实施例的生理探测系统100的方块示意图。所述生理探测系统100包含相互耦接的生理探测模块11以及应用模块13。所述生理探测模块11用于朝向皮肤区域SR照射光以穿过部分皮肤组织，并探测经过所述皮肤区域SR的出射光以产生图像信号IF；其中，所述皮肤区域SR根据不同应用可位于不同人体部位，例如手指、脚踝、手腕、耳部或前额等，并无特定限制。所述应用模块13例如为便携式电子装置、穿戴式电子装置、家电装置、车用装置、医疗装置中的一者。所述应用模块13以有线或无线方式耦接所述生理探测模块11以进行通信，例如进行数据传递，并可表示所探测的生理特征。

必须说明的是，虽然图1显示所述生理探测模块11及所述应用模块13彼此分离，但本发明说明并不以此为限。其他实施例中，所述生理探测模块11可内建于所述应用模块13。

所述生理探测模块11包含光源模块111、光传感器113、第一处理器115、存储单元117以及传输接口119。

所述光源模块111例如包含相干光源、部分相干光源或非相干光源，并无特定限制，例如包含发光二极管或激光二极管。所述光源模块111用于提供照射皮肤区域SR的光线，光线进入所述皮肤区域SR内的皮肤组织后会传递一段距离并射出所述皮肤区域SR；其中，出射光的光强度因部分光能量被血液所吸收而随时间波动。在某些实施例中，所述光源模块111的发光波长可为公知的脉搏血氧仪所使用的光波长。在其他实施例中，所述光源模块111的发光波长介于300纳米～940纳米之间。必须说明的是，虽然图1中仅显示单一光源，然其仅用于说明而非用于限定本发明说明。在某些实施例中，当所述生理探测系统100用于探测血氧浓度时，所述光源模块111可包含两光源，分别发出红光及红外光。在其他实施例中，当所述生理探测系统100具有校正功能时，所述光源模块111可包含三个光源，分别用于发出绿光、红光以及红外光；其中，绿光PPG信号用于决定滤波参数，以对红光PPG信号及红外光PPG信号进行滤波。在其他实施例中，为了改变所述光源模块111的发光强度，所述光源模块111可包含发出相同波长的光的多个光源或者包含可改变驱动电流的光源。

所述光传感器113用于根据至少一个信号源参数探测经过所述皮肤区域SR的出射光并在每一取样时间(sample time)输出一图像信号IF，因此，对于多个取样时间的图像信号IF则可形成亮度变化信号。在某些实施例中，所述光传感器113为光电二极管(photodiode)，其输出的亮度变化信号作为PPG信号。在某些实例中，所述光传感器113为图像传感器，其包含具有多个像素的像素阵列。所述像素阵列的每一像素在图像帧输出图像信号IF且所述第一处理器115用于计算所述图像帧的多个像素的图像信号和；其中，将所述图像信号和随时间的变化作为PPG信号。在某些实施例中，将所述像素阵列的每一像素输出的图像信号IF随时间的变化作为PPG信号，亦即所述光传感器113输出多个亮度变化信号。此外，在某些实施例中，当所述光传感器113为图像传感器时，其优选为主动式图像传感器，例如CMOS图像传感器，以根据所述像素阵列所实际感测的信号分布选择目标区域(window of interest,WOI)，第图2所示。可以理解的是，所述目标区域(WOI)的位置并不限于图2所示。

所述第一处理器115例如为数字信号处理器(DSP)，用于接收所述光传感器113输出的图像信号IF以进行后处理，例如根据多个图像信号IF产生亮度变化信号以作为PPG信号。例如，所述第一处理器115接收来自所述光传感器113的图像信号IF，并连续地获取一段时间间隔(例如5～10秒)的多个图像信号IF作为PPG信号。例如，图3示出利用时间间隔为6秒的亮度变化信号作为PPG信号，但本发明说明并不以此为限。图3为本发明实施例的生理探测系统产生的亮度变化信号(或PPG信号)的示意图。由于所述光传感器113是以取样频率(或帧率)依序输出图像信号IF，所述多个时间间隔可在时间上彼此部分重迭或完全不重迭；例如，所述第一处理器115可将第0～6秒的亮度变化信号作为PPG信号，接着将第1～7秒的亮度变化信号作为下一个PPG信号或将第7～13秒的亮度变化信号作为下一个PPG信号，依此类推。

当所述光传感器113为光电二极管时，所述第一处理器115可直接获取所述光传感器113所输出亮度变化信号以作为PPG信号；其中，所述第一处理器115可不对所述亮度变化信号进行处理。某些实施例中，所述第一处理器115仅对所述亮度变化信号进行滤波或放大等前处理以产生PPG信号。

当所述光传感器113为图像传感器时，所述第一处理器115例如计算所述像素阵列所输出的每一图像帧的至少一部分像素(例如目标区域WOI内)的图像信号和(例如以软件实现)，并连续地计算一段时间间隔(例如5～10秒)的图像信号和作为PPG信号(如图3所示)。在其他实施例中，当所述光传感器113为图像传感器且所述图像传感器本身即具有计算图像信号和的功能(例如以硬件实现)时，所述第一处理器115仅获取一段时间间隔(例如5～10秒)的图像信号和作为PPG信号；且本实施例中，所述第一处理器115可不对所述图像信号和进行处理或仅对所述图像信号和进行滤波或放大等前处理。换句话说，本发明中的PPG信号可为光电二极管所输出的图像信号随时间的变化，或者图像传感器的单一像素的图像信号或多个像素的图像信号和随时间的变化。

本实施例中，所述第一处理器115用于根据所述图像信号IF计算第一可靠度，并根据所述第一可靠度更新至少一个信号源参数AP。

在一实施例中，所述第一可靠度包含平均亮度及均匀度(uniformity)中的至少一者。在操作时，所述生理探测模块11的探测面优选紧密贴合所述皮肤区域SR，以避免外界光被所述光传感器113所接收。因此，所述光传感器113所输出的图像信号IF的平均亮度优选低于第一亮度阈值，以确保所述光传感器113并未接收到外界光。此外，为了使所述光传感器113所输出的图像信号IF能够用于计算生理特征，所述光传感器113所输出的图像信号IF的平均亮度优选高于第二亮度阈值，以确保所述光传感器113接收到足够的出射光。另一实施例中，当所述光传感器113包含像素阵列时，所述光传感器113所输出的图像帧(即图像信号IF)的均匀度优选高于一预设阈值，以确保所述图像帧的图像品质良好足以用来计算生理特征。当所述第一可靠度未满足预设条件(如上述阈值)时，所述第一处理器115则更新所述至少一个信号源参数AP；其中，满足预设条件例如为第一可靠度介于一阈值区间、大于一阈值或小于一阈值，视所使用的第一可靠度而定。

在一实施例中，所述至少一个信号源参数AP选自包含曝光时间、增益值、目标区域(WOI)、焦距以及收光相位的群组。所述曝光时间指所述光传感器113在每一取样时间的曝光时间。所述增益值指放大所述光传感器113的感测信号的增益值(例如模拟或数字增益)。所述目标区域选择可靠度较高或亮度介于预设范围的像素区域(如图2所示)。所述焦距例如通过马达装置(例如音圈马达)来调整。所述收光相位是指改变接收所述皮肤区域SR的出射光的相位；例如如图4所示，其显示两个像素P1、P2分别以不同角度(或相位)接收出射光，斜线区域表示不透光金属层，例如在CMOS工艺中利用多个金属层(例如M1～M10)形成不同光通道，以使不同像素得以接收不同角度(或相位)的出射光。必须说明的是，虽然图4仅显示两像素，然其仅用于说明而并非用于限定本发明。接收相同相位的出射光的像素数目可根据不同应用而定，并无特定限制。可以理解的是，当所述光传感器113包含单一光电二极管时，所述至少一个信号源参数AP可不包含所述目标区域(WOI)及所述收光相位。

其他实施例中，所述至少一个信号源参数AP还用于控制所述光源模块111的发光强度，例如通过改变驱动电流、点亮的光源数目或光源距离等来调整所述发光强度。

所述存储单元117例如为寄存器(register)或存储器，例如随机存取存储器(RAM)等。所述存储单元117耦接所述第一处理器115以用于暂存所述图像信号IF、所述亮度变化信号(或PPG信号)、所述第一可靠度CL、所述至少一个信号源参数AP以及算法等。

所述传输接口119用于与外部装置耦接以进行通信，例如将所述图像信号IF、亮度变化信号(或PPG信号)、第一可靠度CL及/或信号源参数AP传送至外部装置。所述传输接口119例如为有线传输接口(例如I2C、SPI、USB等)或无线传输接口(例如蓝牙接口等)。

所述应用模块13耦接所述生理探测模块11以作为所述生理探测模块11的外部装置。所述应用模块13用于接收所述图像信号IF、亮度变化信号(或PPG信号)、第一可靠度CL和/或信号源参数AP并进行相应处理及控制；其中，所述第一可靠度CL可作为进一步调整所述信号源参数AP的参考。所述应用模块13通知所述生理探测模块11输出数据并将更新的信号源参数AP传回至所述生理探测模块11。所述应用模块13包含传感器驱动单元131、第二处理器133以及周边驱动单元135。

所述传感器驱动单元131用于驱动所述生理探测模块11并与所述传输接口119建立有线或无线通信，以从所述传输接口119接收所述图像信号IF、亮度变化信号(或PPG信号)、第一可靠度CL和/或信号源参数AP并将更新后的信号源参数AP传回至所述传输接口119。换句话说，所述传感器驱动单元131还包含传输接口。本发明说明中，所述至少一个信号源参数AP可根据所述第一可靠度和/或第二可靠度(由所述应用模块13所计算)进行更新。两装置之间通过有线或无线方式传递数据的方式已为公知，故于此不再赘述。

所述第二处理器133例如为微控制器(MCU)或中央处理单元(CPU)，用于根据所述亮度变化信号(或PPG信号)计算第二可靠度，若有需要，还根据所述第二可靠度进一步更新所述至少一个信号源参数AP。在一实施例中，所述第二可靠度例如包含PPG信号振幅及信噪比中的至少一者。

例如，所述第二处理器133接收所述PPG信号(如图3所示)后，则将所述PPG信号的振幅与至少一个阈值进行比较；当所述PPG信号振幅介于一预设阈值范围内时，表示所述光传感器113所探测的出射光适于计算生理特征，而不需调整所述至少一个信号源参数AP；而当所述PPG信号振幅未介于一预设阈值范围内时，则调整所述至少一个信号源参数AP。

例如，所述第二处理器133可先将所述亮度变化信号转换至频域，如图5所示。图5为本发明实施例的生理探测系统产生的频域数据的示意图。所述第二处理器133可计算目标频谱(例如频谱能量最大者或预设频谱)与其他频谱能量合的比值以作为信噪比(SNR)。接着，所述第二处理器133比较所述信噪比与至少一个阈值，例如当所述信噪比大于预设阈值时，则不调整所述至少一个信号源参数AP；而当所述信噪比小于所述预设阈值时，则调整所述至少一个信号源参数AP。

所述第二处理器133还用于根据所述亮度变化信号(或PPG信号)计算生理特征；其中，所述生理特征例如包含血氧浓度、心跳、呼吸率、二次微分光体积变化描述波形(SDPPG)等。根据PPG信号计算生理特征可利用公知方式，故于此不再赘述。

所述周边驱动单元135用于驱动周边装置以表示所述生理特征，例如驱动显示器显示所述生理特征或发出警示，或者驱动扬声器播放所述生理特征或发出警示；其中，驱动周边装置的方式已为公知，故于此不再赘述。

如图6所示，其为本发明第一实施例的生理探测系统的操作方法的流程图，包含下列步骤：获取图像(步骤S61)；计算可靠度(步骤S62)；比较所述可靠度与至少一个阈值(步骤S63)；更新至少一个信号源参数及信号源调整(步骤S64)；以及信息存储(步骤S65)。本操作方法例如适用于图1的生理探测系统100。

同时参考图1～4及6，以下接着说明第一实施例的实施方式。

步骤S61：所述生理探测模块11根据至少一个信号源参数AP探测皮肤区域SR的出射光并产生图像信号IF。例如，所述生理探测模块11的光源模块111朝向所述皮肤区域SR照明，所述生理探测模块11的光传感器113探测所述皮肤区域SR的出射光以在每一取样时间产生一图像信号IF。

步骤S62：所述生理探测模块11根据所述图像信号IF计算可靠度CL。例如，所述生理探测模块11的第一处理器115计算所述图像信号IF平均亮度及均匀度中的至少一者以作为所述可靠度CL。当所述光传感器113包含像素阵列时，所述第一处理器115可计算所述像素阵列输出的图像帧的整体平均亮度或均匀度，或者计算所述像素阵列输出的图像帧的局部(例如图2目标区域)平均亮度或均匀度。

步骤S63：所述生理探测模块11的第一处理器115将所述可靠度CL与至少一个阈值进行比较；其中，所述至少一个阈值是预先存储于所述生理探测模块11的存储单元117中。所述至少一个阈值的个数可根据不同实施例而定。例如，所述第一处理器115可比较所述可靠度CL与多个阈值以确认所述可靠度CL是否位于预设阈值范围；其中，所述预设阈值范围表示所述图像信号IF为有效图像信号，适于进行后续运算。例如，所述第一处理器115可比较所述可靠度CL与单一阈值，以确认所述可靠度CL大于(或等于)或小于(或等于)所述单一阈值。

步骤S64：当所述可靠度CL未介于预设阈值范围时，则根据所述可靠度CL与所述至少一个阈值的比较结果更新所述至少一个信号源参数AP并进行信号源调整。例如，当所述至少一个信号源参数AP包含曝光时间时，则所述第一处理器115调整所述光传感器113的曝光时间。例如，当所述至少一个信号源参数AP包含增益值时，则所述第一处理器115调整所述光传感器113的增益值。例如，当所述至少一个信号源参数AP包含目标区域(如图2所示)时，则所述第一处理器115调整所述目标区域的尺寸或位置。例如，当所述至少一个信号源参数AP包含焦距时，则所述第一处理器115控制马达以改变所述光传感器113的焦距设定。例如，当所述至少一个信号源参数AP包含收光相位时，则所述第一处理器115改变所述光传感器113输出图像信号IF的像素，例如图4所示关闭像素P1而开启像素P2，或进行相反操作。本实施例中，当包含多个信号源参数AP时，所述第一处理器115可每次调整一部分所述等信号源参数AP或同时调整所有所述多个信号源参数AP。例如，所述存储单元117可预先存储查找表，所述第一处理器115可比较所述可靠度CL与所述查找表以更新所述至少一个信号源参数AP。所述至少一个信号源参数AP更新后，所述第一处理器115根据更新后信号源参数AP进行信号源调整。

步骤S65：所述第一处理器115可根据多个图像信号IF产生亮度变化信号(或PPG信号)，如图3所示，并将其存储于所述存储单元117，并同时将所述亮度变化信号(或PPG信号)通过其传输接口119予以输出。此外，其他相关信息，例如所述图像信号IF、可靠度CL以及信号源参数AP亦存储于所述存储单元117以供后续操作中使用。

接着，所述生理探测模块11利用更新后的信号源参数AP产生下一个图像信号。

如图7所示，其为本发明第二实施例的生理探测系统的操作方法的流程图，包含下列步骤：获取图像(步骤S71)；计算可靠度(步骤S72)；比较所述可靠度与至少一个阈值(步骤S73)；更新至少一个信号源参数及信号源调整(步骤S74)；信息存储(步骤S75)；判断是否输出存储数据(步骤S76)；以及传输数据(步骤S77)。本操作方法例如适用于图1的生理探测系统100。

第二实施例的步骤S71～步骤S75类似于上述第一实施例的步骤S61～步骤S65，故于此不再赘述。第二实施例中，在步骤S75信息存储完后，接着在步骤S76，所述生理探测模块11的传输接口119确认是否收到来自所述应用模块13的数据传送信号，例如轮询(polling)或中断(interrupt)信号。若确认收到所述数据传送信号，所述传输接口119则将图像信号IF、PPG信号、可靠度CL(在步骤S72所获得)及信号源参数AP(其存储于所述存储单元117)传送至所述应用模块13(步骤S77)；若未收到所述数据传送信号，则所述传输接口119不输出相关数据。最后，所述生理探测模块11利用更新后的信号源参数AP(在步骤S74更新)产生下一个图像信号。

第二实施例中，所述应用模块13接收到亮度变化信号(或PPG信号)后，则可根据所述亮度变化信号计算生理特征并进行相对应的控制。

如图8所示，其为本发明第三实施例的生理探测系统的操作方法的流程图，其包含下列步骤：获取图像(步骤S81)；计算第一可靠度(步骤S82)；比较所述第一可靠度与至少一个阈值(步骤S83)；更新至少一个信号源参数(步骤S84)；信息存储(步骤S85)；判断是否输出存储数据(步骤S86)；传输数据(步骤S87)；接收更新后信号源参数(步骤S88)；以及信号源调整(步骤S89)。本操作方法例如适用于图1的生理探测系统100。本实施例中，步骤S81～步骤S83以及步骤S85类似于上述第一实施例的步骤S61～步骤S63以及步骤S65，故于此不再赘述。

第三实施例与第二实施例的差异在于，第三实施例中，所述应用模块13还根据所接收的亮度变化信号(或PPG信号)计算第二可靠度CL2以在需要时进一步更新信号源参数AP。因此，第三实施例的步骤S84中，所述生理探测模块11仅根据第一可靠度CL与至少一个阈值的比较结果更新所述至少一个信号源参数AP，而在该步骤S84中还未进行信号源调整。本实施例中，所述第一可靠度CL例如包含平均亮度及均匀度中的至少一者。

步骤S86～S87：当所述生理探测模块11确认收到来自所述应用模块13的数据传送信号(例如轮询信号或中断信号)时，所述生理探测模块11将根据多个图像信号IF所产生的亮度变化信号(或PPG信号)输出至所述应用模块13。若未收到数据传送信号，则直接进入步骤S89，所述生理探测模块11利用目前信号源参数AP(例如在步骤S84中所更新的)调整相应取样设定，例如调整曝光时间、增益值、目标区域、焦距设定以及收光相位中的至少一者。

接收到亮度变化信号(或PPG信号)后，所述应用模块13则可根据所述亮度变化信号(或PPG信号)计算第二可靠度CL2；其中，所述第二可靠度CL2例如包含PPG信号振幅及信噪比中的至少一者，因其已在上文中说明，故于此不再赘述。所述应用模块13还在需要时根据所述第二可靠度CL2进一步更新所述至少一个信号源参数AP并回传更新后的信号源参数AP(例如当所述PPG信号振幅未介于预设范围或所述信噪比未超过预设阈值时)。此外，所述应用模块13还根据所述亮度变化信号(或PPG信号)计算并表示生理特征，例如血氧浓度、心跳、呼吸率、SDPPG等。

步骤S88～S89：所述生理探测模块11接收来自所述应用模块13的更新后信号源参数AP后，根据所述更新后信号源参数AP调整相应取样设定。

接着，所述生理探测模块11利用更新后的信号源参数AP产生下一个图像信号。某些实施例中，所述信号源参数AP还可被用于调整所述生理探测模块11的光源模块111的发光强度。

必须说明的是，虽然图1显示所述光源模块111与所述光传感器113位于皮肤区域SR的同一侧而形成反射式探测装置，然而本发明说明并不以此为限。其他实施例中，所述光源模块111与所述光传感器113可位于皮肤区域的相对侧而形成透射式探测装置。

可以理解的是，上述实施例中，当第一可靠度和/或第二可靠度符合预设要求时，表示所述光传感器113所获取的图像信号IF适于计算生理特征，则此时不调整所述至少一个信号源参数AP。

综上所述，由于光学式生理探测系统应用于便携式装置或穿戴式装置时，可能因为使用状况的不确定性而降低探测精确度。因此，本发明说明提出一种生理探测系统(图1)及其操作方法(图6～8)，其根据图像信号的可靠度调整至少一个信号源参数，以提高探测精确度。

虽然本发明已以上述实例公开，然其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种更动与修改。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所限定者为准。