TW201310019A - 光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法 - Google Patents

Abstract

一種光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，包括有：一光發射單元、一聚光鏡單元、一分光鏡單元、一影像感測單元以及一影像分析單元。光發射單元提供一光訊號。聚光鏡單元接收光訊號，並將其轉換為一平行光。分光鏡單元接收平行光，並將其反射至待測部位。影像感測單元接收自待測部位所反射出之光訊號，以將其轉換為影像訊號。影像分析單元連接於影像感測單元，並且分析影像訊號，以取得待測部位之光體積變化訊號。上述之光學成像裝置更可選擇設置於一防光害單元中，藉此杜絕光雜訊之干擾，獲得較佳之量測精度。

Description

光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法

本發明係有關於一種光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，特別是一種可準確量測到待測部位之光體積變化訊號，且不受雜訊光之干擾的光學成像裝置及其量測方法。

現代醫學在新科技不斷的進步之下，醫療的技術與品質越來越高，伴隨手術所使用記錄的生理資訊也越來越多，除了必要的生理數據，像是：心跳、血壓、體溫與血氧濃度等，慢慢的也加入自主神經的檢測，例如：利用偵測腦電圖的BIS或者是使用聽覺神經偵測的AEP，得知手術中***劑使用多寡的麻醉深度偵測。透過上述這些儀器的偵測，也讓醫生在手術的過程中，更能掌握病患的生理數據。

然而，在目前醫療手術的過程中，醫師除了可藉由紀錄許多人體的生理參數像是心電圖、血壓以及血氧濃度等來判斷接受手術的病人目前的生理狀態，紀錄光體積變化(Photo plethysmography，PPG)訊號亦是現代醫學上常用來分析人體血管特性的一種非侵入式量測法。

一般而言，由於PPG訊號就是利用光感測元件吸收光線能量的原理，來紀錄光線變化而感應出來的一種信號。因此，利用量測PPG訊號的原理，現有技術除了可以縮小待測部位的量測體積外，測量的精準度也相當的不錯。它不僅可用來測量手指尖的PPG訊號以及其他心血液相關參數，亦可將其紀錄成數位資料以方便分析介面之開發。

然而，PPG成像裝置可能會有雜訊光之干擾，因此無法確保PPG影像中，其待測點上的光強度變化是否為該待測點的PPG訊號。除此之外，量測不同的待測部位時須重新調整PPG成像裝置與待測部位的相對位置。

因此，如何提供一種既可解決上述問題，並可確保PPG成像裝置可準確地接收到待測部位上每一點之PPG訊號的光學裝置，係為熟習此項技術領域者亟需解決的問題之一。

鑒於以上，目前市面上的PPG相關儀器只可量測單一點的訊號，而非一整面的訊號。反觀本發明可量取一整個待測面的訊號，而該待測面的訊號即由許多點的訊號排列而成，因此，本發明可利用面的訊號來了解待測面上每一點間PPG訊號之差異性。

本發明之主要目的係在提供一種光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，其藉由將入射的光訊號進行聚光及分光的動作，使其反射出待測部位上每一點的光體積變化訊號。

本發明之另一目的係在提供一種光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，其係採用普及的光學成像架構，接收來自待測部位之光訊號，不僅可量測大面積的光體積變化訊號，更可得到待測部位之全面積PPG影像。

本發明之再一目的係在提供一種光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，其係將上述之光學成像架構置於一防光害環境下，藉此杜絕光雜訊，以獲取待測部位準確之光體積變化訊號。

為達到上述之目的，本發明係有關於一種光體積變化訊號之光學成像裝置，適於量測一待測部位之光體積變化訊號。此種光學成像裝置包括：一光發射單元、一聚光鏡單元、一分光鏡單元、一影像感測單元、以及一影像分析單元。其中，光發射單元提供一光訊號。聚光鏡單元接收光發射單元之光訊號，並將其轉換為一平行光。分光鏡單元接收聚光鏡單元輸出之平行光，並將其反射至待測部位。影像感測單元接收自待測部位所反射出之光訊號，以將其轉換為待測部位之一影像訊號。影像分析單元連接於影像感測單元，影像分析單元分析影像訊號，以取得待測部位之光體積變化訊號。

本發明另有關於一種防光害之光學量測方法，適於量測一待測部位之光體積變化訊號，此種光學量測方法包括以下步驟：提供一防光害單元；在防光害單元內，發射一光訊號；在防光害單元內，接收並轉換此光訊號為一平行光；在防光害單元內，接收平行光，並將其反射至待測部位；在防光害單元內，接收自待測部位所反射出之光訊號，以將其轉換為一影像訊號；以及分析影像訊號，以取得待測部位之光體積變化訊號。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明提供一種光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，主要係先利用光學成像架構將入射的光訊號聚集成平行光，之後再進行分光，然後再藉由影像感測及分析單元分析自待測部位反射出的光訊號，藉此準確地量測到待測部位上大面積之光體積變化(Photo plethysmography，PPG)訊號。

此種光學成像裝置及其光學量測方法，更可選擇在一防光害環境下實施，以進一步杜絕至少一光雜訊之干擾，提高量測結果的精度。

請參考第1圖，係為根據本發明實施例之光學成像裝置之示意圖，其可用以量測一待測部位1之光體積變化(PPG)訊號。此種成像裝置包含有：一光發射單元(Light emitting unit)101、一聚光鏡單元(Condenser unit)102、一分光鏡單元(Beam splitter unit)103、一防光害單元(Light prevention unit)104、一影像感測單元(Image sensing unit)105、以及一影像分析單元(Image analysis unit)106。其中，光發射單元101提供一光訊號；聚光鏡單元102將光發射單元101提供之光訊號轉換為平行光；分光鏡單元103將平行光反射至待測部位1；影像感測單元105接收待測部位1所反射出之光訊號，以將其轉換為影像訊號；影像分析單元106連接影像感測單元105，分析影像訊號，以取得待測部位1之光體積變化訊號。

請參閱第2圖，係為根據本發明實施例之光學量測方法的步驟流程圖。以下關於此一實施例之實施方式的說明，請一併參照第1圖與第2圖所示，茲詳細說明如下。

如步驟S202所示，首先，本發明提供一防光害單元104，環繞設置於光發射單元101、聚光鏡單元102、分光鏡單元103與影像感測單元105之外圍。在本實施例中，本發明係透過防光害單元104，杜絕光雜訊對上述各光學元件之干擾。其中，防光害單元104所隔絕之光雜訊包含有環境光線(ambient light)以及本發明非欲測得之光訊號。在一實施例中，防光害單元104可以是但不限於一暗箱(Camera Obscure)。

接著，如步驟S204所示，提供一光發射單元101，以發射光訊號。其中，請配合參閱第3圖所示，其係為根據本發明實施例之光發射單元101的內部示意圖。

如第3圖所示，光發射單元101包含有：一光源模組301以及一控制模組302。一般而言，光源模組301可用以提供光源，以提供光訊號照射至待測部位1。控制模組302則用以控制驅動光源模組301之光源強度，以使得光源模組301根據不同的待測部位組織，可發射出不同強度之光訊號。

舉例來說，光源模組301可以是例如：發光二極體、雷射二極體、或白熾燈等發光元件，以發射出多波長或是單一波長的光線。

之後，如步驟S206所示，聚光鏡單元102係接收光發射單元101射出之光訊號，並將上述之光訊號轉換為一平行光。在一實施例中，聚光鏡單元102可以是一可聚集多種角度之光訊號成平行光之聚光模組，並且聚光鏡單元102可聚集多種波長之光線。在另一實施例中，聚光鏡單元102亦可以是一可聚集多種角度之光訊號成平行光之透鏡(lens)或一可反射光訊號成平行光之面鏡(mirror)。大抵而言，聚光鏡單元102係可將入射之光訊號轉換為平行光輸出。

之後，如步驟S208所示，分光鏡單元103係接收聚光鏡單元102輸出之平行光，並將上述之平行光反射至待測部位1。

詳細而言，分光鏡單元103係為一可使得入射光線部分穿透、且部分反射之光學元件。一般而言，使用者可藉由設計分光鏡之曲率等參數，使得分光鏡單元103可依照一預定比例，將入射之平行光部分反射至待測部位1，部分透射至影像感測單元105。

之後，如步驟S210所示，自待測部位1所反射出之光訊號會被影像感測單元105所接收，並藉由影像感測單元105內部之光電轉換元件將光訊號轉換為一影像訊號。其中，影像感測單元105可以是具有電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)等影像感測元件之數位型攝影裝置。在一實施例中，待測部位1所反射出之光訊號亦可先通過一偏光鏡，再到達影像感測單元105進行轉換。

值得注意的是，根據本發明之實施例，在影像感測單元105將待測部位1所反射出之光訊號轉換為影像訊號之前，待測部位1所反射出之光訊號可先穿透分光鏡單元103，再到達影像感測單元105。然而，其作法並不以本實施例所述為限。若設計者善加設計上述各光學元件間之相對位置關係，使得平行光經過分光鏡單元103之分光後，可由待測部位1反射而直接入射影像感測單元105，則同樣可用以實施本發明，亦應隸屬於本發明之發明範圍。

最後，如步驟S210所示，影像分析單元106係連接於影像感測單元105，藉此分析影像感測單元105所輸出之影像訊號，以擷取出待測部位1的光體積變化訊號。

詳細來說，影像分析單元106可以是具有影像分析功能的電腦、個人數位助理、或手機等裝置，其係用以分析並繪製出如第4圖所示之光強度變化波形圖，藉此取得待測部位1之光體積變化訊號。

一般而言，如第4圖所示，該波形圖即為影像感測單元105中個別像素(pixel)所對應之PPG訊號，因此，本發明藉由紀錄待測部位1上每一點所對應之PPG訊號，即可得到待測部位1上大面積之PPG訊號與其整面影像。

除此之外，根據本發明之實施例，在影像分析單元106取得待測部位1之PPG訊號後，影像分析單元106更可進一步地根據PPG訊號求得待測部位1上大面積灌流指標(PI)的分佈情形。

由於本發明所述之步驟S204至S210皆係在防光害單元104內所實施之，因此，本發明所揭示之量測方法更可進一步地利用防光害單元104來杜絕光雜訊之干擾，藉此得到較佳之量測結果。

綜上所述，本發明所揭示之光體積變化訊號之光學成像裝置及其光學量測方法，係為一種PPG成像之光學架構，此種架構不僅可準確量測出待測面上每一點的PPG訊號，更可藉此拍攝到待測部位的整面影像以及待測部位上大面積的PPG訊號，並根據大面積的PPG訊號求得大面積的灌流指標(PI)分佈。

其次，本發明更揭示在防光害環境下實施上述之光學成像架構時，可進一步杜絕外界光雜訊的干擾，藉此獲得較佳之量測精度，以作為後續臨床分析的量測評估。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1．．．待測部位

101．．．光發射單元

102．．．聚光鏡單元

103．．．分光鏡單元

104．．．防光害單元

105．．．影像感測單元

106．．．影像分析單元

301．．．光源模組

302．．．控制模組

第1圖係為根據本發明實施例光學成像裝置之示意圖。

第2圖係為根據本發明實施例之光學量測方法的步驟流程圖。

第3圖係為根據本發明實施例之光發射單元之內部示意圖。

第4圖係為根據本發明實施例之光體積變化訊號之波形時序圖。

1．．．待測部位

101．．．光發射單元

102．．．聚光鏡單元

103．．．分光鏡單元

104．．．防光害單元

105．．．影像感測單元

106．．．影像分析單元

Claims (17)

1. 一種光體積變化訊號之光學成像裝置，適於量測一待測部位之光體積變化訊號，該光學成像裝置包括：一光發射單元，提供一光訊號；一聚光鏡單元，接收該光發射單元之該光訊號，並將其轉換為一平行光；一分光鏡單元，接收該聚光鏡單元輸出之該平行光，並將其反射至該待測部位；一影像感測單元，接收自該待測部位所反射出之光訊號，以將其轉換為該待測部位之一影像訊號；以及一影像分析單元，連接於該影像感測單元，該影像分析單元分析該影像訊號，以取得該待測部位之光體積變化訊號。
2. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中自該待測部位所反射出之光訊號係穿透該分光鏡單元，再到達該影像感測單元。
3. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該分光鏡單元係依照一預定比例，將該平行光反射至該待測部位，以及將該光訊號透射至該影像感測單元。
4. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該光發射單元包含有：一光源模組，可提供該光訊號；以及一控制模組，可控制驅動該光源模組之光源強度，使得該光源模組根據不同之待測部位而發射不同強度之光訊號。
5. 如請求項4所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該光源模組所發射之該光訊號可為多波長或單一波長之光線，且該光源模組可為發光二極體、雷射二極體、或白熾燈。
6. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該聚光鏡單元係為一可聚集多種角度之光訊號成平行光之聚光模組，且該聚光模組係可聚集多種波長之光線。
7. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該聚光鏡單元係為一可聚集多種角度之光訊號成平行光之透鏡或一可反射光訊號成平行光之面鏡。
8. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該影像感測單元係為具有電荷耦合元件或互補式金屬氧化物半導體等影像感測元件之數位型攝影裝置。
9. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，更包含一偏光鏡，該待測部位所反射出之光訊號係先通過該偏光鏡再由該影像感測單元進行轉換。
10. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該影像分析單元係分析並繪製出該影像感測單元中每個像素之光強度變化波形圖，以取得該待測部位之光體積變化訊號。
11. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，更包括一防光害單元，其中該防光害單元係環繞設置於該光發射單元、該聚光鏡單元、該分光鏡單元與該影像感測單元之外圍，以防止至少一光雜訊之干擾。
12. 如請求項11所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該光雜訊包括環境光線及非欲測得之光訊號。
13. 如請求項1所述之光體積變化訊號之光學成像裝置，其中該影像分析單元係根據該光體積變化訊號，而取得大面積灌流指標的分佈情形。
14. 一種防光害之光學量測方法，適於量測一待測部位之光體積變化訊號，該光學量測方法包括：提供一防光害單元；在該防光害單元內，發射一光訊號；在該防光害單元內，接收並轉換該光訊號為一平行光；在該防光害單元內，接收該平行光，並將其反射至該待測部位；在該防光害單元內，接收自該待測部位所反射出之光訊號，以將其轉換為一影像訊號；以及分析該影像訊號，以取得該待測部位之光體積變化訊號。
15. 如請求項14所述之防光害之光學量測方法，其中在將該待測部位所反射出之光訊號轉換為該影像訊號之前，部分之該平行光係穿透一分光鏡單元，而不反射至該待測部位。
16. 如請求項15所述之防光害之光學量測方法，其中在將該待測部位所反射出之光訊號轉換為該影像訊號之前，該待測部位所反射出之光訊號係穿透該分光鏡單元。
17. 如請求項14所述之防光害之光學量測方法，其中該防光害單元係隔絕至少一光雜訊之干擾，且該光雜訊包括環境光線及非欲測得之光訊號。