TWI772689B

TWI772689B - 非接觸式的生理信號檢測裝置

Info

Publication number: TWI772689B
Application number: TW108136570A
Authority: TW
Inventors: 薛翠惠; 陳冠宏; 劉至偉; 黃柏維; 吳秉璋; 陳文忠
Original assignee: 鉅怡智慧股份有限公司
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TW202114590A

Abstract

本發明主要提出一種非接觸式的生理信號檢測裝置，其最簡單的架構僅包括一光感測單元與一信號處理模組；其中，該光感測單元用以面對一受試物之一感測部位，進而透過非接觸式的方式自該感測部位的表面收集一漫射光。並且，該信號處理模組至少包括一信號接收單元與一信號處理單元。在透過該信號接收單元接收所述生理信號之後，該信號處理單元即對該生理信號執行至少一信號處理，藉以獲得至少一生理資訊。本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置不包含任何攝影單元，因此能夠在保有受測者隱私及不傷害受測者皮膚的情況下完成生理信號檢測程序，同時還具有架構簡單和低成本之優點。

Description

非接觸式的生理信號檢測裝置

本發明係關於基於生理信號檢測的技術領域，尤指能夠在保有受測者隱私及不傷害受測者皮膚的情況下完成生理信號檢測程序的一種非接觸式的生理信號檢測裝置，且此非接觸式的生理信號檢測裝置同時具有架構簡單和低成本之優點。

血氧濃度、心跳等生理資訊為判斷一個人健康狀態的重要指標。目前，光體積變化描記圖法(Photoplethysmography,PPG)已經被廣泛地應用在量測一個體之一生理訊號，進而自該生理訊號之中萃取出該個體之生理特徵。例如，台灣專利號I592138揭示一種穿戴式血壓量測裝置，其適於配戴在待測者的手腕上，以進行個體生理訊號之量測。於量測個體生理訊號的過程中，該穿戴式血壓量測裝置係發出一偵測光至手腕皮膚組織，接著利用光接收單元接收來自於手腕皮膚組織之反射光，並連續紀錄反射光的變化以獲得一光體積變化信號(PPG signal)。另一方面，美國專利公開號US2017/0340217A1揭示一種生理檢測裝置，其實際上為一指尖脈搏血氧儀(Fingertip pulse oximeter)。進行個體生理訊號的量測之時，待測者必須將其手指置入該指尖脈搏血氧儀的一量測空間之中，接著該指尖脈搏血氧儀發出一偵測光至手指的一表面。最終，在手指的另一表面接收且連續紀錄該偵測光的一透射光之後，便可獲得一光體積變化信號。

由前述說明可知，光體積變化描記圖法已經被應用在光反射式或光穿透式的接觸式生理信號量測裝置之中。然而，使用者的反饋意見指出，接觸式生理信號量測裝置會造成許多不方便，例如，易造成敏感性皮膚之使用者(例如：嬰幼兒)產生皮膚過敏現象。有鑑於此，另一種非接觸式生理信號量測技術於是被提出。例如，中國專利號CN102973253B揭示一種利用視覺信息監測人體生理指標的系統。執行個體生理訊號之量測時，習知的系統使用一個攝影機持續拍攝受測者的影像，接著透過複雜的運算自受測者的影像之中辨識出受測者的臉部，並在受測者的臉部位置之上選擇一個感興趣區域(Region of interest,ROI)。繼續地，對ROI圖像執行三色通道分離處理，以獲得R通道信號、G通道信號以及B通道信號。最終，利用特定的演算法處理及/或分析RGB之三組通道信號之後，便可獲得個體的生理特徵或資訊。

前述方式亦稱為成像式體積變化描記圖法(Imaging photoplethysmography,iPPG)或遙測式體積變化描記圖法(Remote photoplethysmography,rPPG)。熟悉rPPG技術的工程師必然知道，使用rPPG技術之非接觸式生理信號量測裝置必須搭載具高速運算能力之處理晶片組，導致其整體成本無法被有效地降低。此外，即使搭載了高速運算能力之處理晶片組，使用rPPG技術之非接觸式生理信號量測裝置仍舊需要花費許多時間才能夠完成龐大的運算量，而後自拍攝獲得之受測者的影像之中萃取出個體的生理特徵或資訊。更重要的是，受測者在接用rPPG之非接觸式生理信號量測的過程中，其臉部影像被大量地複製且儲存，引發受測者的隱私缺乏保障之疑慮。

由上述說明可知，基於PPG技術之接觸式生理信號量測裝置雖然具有架構簡單與低成本的優點，然而使用者的反饋意見指出這種接觸式生理信號量測裝置容易造成敏感性皮膚之使用者產生皮膚過敏現象。另一方面，基於rPPG技術之非接觸式生理信號量測裝置雖然可以在不碰觸使用者的情況下完成個體生理信號之取得，但此種非接觸式生理信號量測裝置必須搭載高速運算能力之處理晶片組，導致其整體成本較高。同時，基於rPPG技術之非接觸式生理信號量測裝置也會引發受測者的隱私之相關疑慮。

有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種能夠在保有受測者隱私及不傷害受測者皮膚的情況下完成生理信號檢測程序的一種非接觸式的生理信號檢測裝置，且此非接觸式的生理信號檢測裝置同時具有架構簡單和低成本之優點。

本發明之主要目的在於提供一種非接觸式的生理信號檢測裝置，其不包含任何攝影單元，是以能夠在保有受測者隱私及不傷害受測者皮膚的情況下完成生理信號檢測程序。

為達成上述目的，本發明提出所述非接觸式的生理信號檢測裝置之一實施例，其包括：一光感測單元，用以面對一受試物之一感測部位，進而透過非接觸式之方式自該感測部位之表面收集一漫射光；以及一信號處理模組，包括：一信號處理單元；一控制單元，耦接該信號處理單元與該光感測單元，用以控制該光感測單元收集所述漫射光；及一信號接收單元，耦接該光感測單元與該信號處理單元，用以透過該光感測單元接收所述漫射光，且傳送對應於該漫射光的一生理信號至該信號處理單元；其中，在接收所述生理信號之後，該信號處理單元對該生理信號執行至少一信號處理以獲得至少一生理資訊。

於前述本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的實施例中，所述生理資訊可為下列任一者：血容量、心率、呼吸率、血氧、血壓、血管粘度(Blood vessel viscosity)、靜脈功能、靜脈回流、腳踝壓力、生殖器反應(Genital responses)、或心輸出量(Cardiac output)。

在一可行實施例中，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置更包括一資料輸出單元，其耦接該信號處理單元，使得該信號處理單元透過所述資料輸出單元輸出該至少一生理資訊。其中，該資料輸出單元可為下列任一者：顯示器、揚聲器、有線傳輸介面、或無線傳輸介面。

在一可行實施例中，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置更包括一聚光透鏡，其係介於該光感測單元與該漫射光之間，用以將該漫射光聚焦至該光感測單元。其中，所述漫射光為一單波長光或一多波長光。

於前述本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的實施例中，在該受試物曝露在一環境光的情況下，該漫射光產生於該感測部位之表面。其中，所述環境光為一自然光或由一外部光源所提供的一人造光。

在一可行實施例中，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置更包括一發光單元，用以發射一偵測光至該受試物之該感測部位的表面，以令所述漫射光產生於該感測部位之表面。其中，該發光單元包括至少一發光元件，且該發光元件可為下列任一者：發光二極體、垂直共振腔發光二極體、或有機發光二極體。

於前述本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的實施例中，該信號處理模組更包括一驅動單元，其耦接該控制單元，用以驅動該發光單元發射所述偵測光。

於前述本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的實施例中，該光感測單元可為下列任一者：單點式光感測器(Single point photo sensor)、矩陣式光感測器(Matrix photo sensor)、單通道影像感測器(One-channel image sensor)、或多通道影像感測器(multi-channel image sensor)。

於前述本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的實施例中，該光感測單元包括一紅外光感測器，使得本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置同時具有一體溫量測功能。

在一可行實施例中，該光感測單元包括一紅外光感測器，使得本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置可以被整合於一光學式體溫量測器之中。

在一可行實施例中，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置更包括一感測區域標記單元，其耦接該控制單元，用以基於該控制單元之控制而發射一標記信號至該感測部位的表面，進而在該感測部位的表面標記出一感測區域。其中，所述標記信號可為下列任一者：光點、圖案、符號、或文字。

在一可行實施例中，該信號處理模組更包括一活體偵測單元，其耦接該信號處理單元及/或該信號接收單元，用以對該生理信號執行一信號分析，進而確認該生理信號是否含有至少一活體生理特徵，藉以判斷該受試物為一活體或一非活體。

於前述本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的實施例中，所述活體生理特徵包括：至少一頻域生理特徵與/或至少一時域生理特徵。其中，所述頻域生理特徵為心跳之週期性脈動，且所述時域生理特徵為所述生理信號所帶有的至少一活體波形特徵。

在一可行實施例中，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置更包括一警示單元，其耦接該活體偵測單元；其中，在該活體偵測單元判斷該受試物為所述非活體的情況下，該警示單元發出一警示訊息。

<本發明>

1:非接觸式的生理信號檢測裝置

10:資料輸出單元

11:光感測單元

12:信號處理模組

120:信號處理單元

121:控制單元

122:信號接收單元

123:驅動單元

124:活體偵測單元

13:發光單元

14:聚光透鏡

15:感測區域標記單元

16:警示單元

2:受試物

21:感測部位

M:感測區域

<習知>

無

圖1顯示本發明之一種非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例之第一示意性立體圖；圖2顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例之功能方塊圖；圖3顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例之第二示意性立體圖；圖4顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第二實施例之示意性立體圖；圖5顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第二實施例之功能方塊圖；圖6顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第三實施例之功能方塊圖；圖7顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第四實施例之功能方塊圖；以及圖8顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第五實施例之功能方塊圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種非接觸式的生理信號檢測裝置，以下將配合圖示，詳盡說明本發明之較佳實施例。

第一實施例

圖1顯示本發明之一種非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例之第一示意性立體圖，且圖2顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例之功能方塊圖。特別說明的是，於第一實施例之中，本發明係以最簡單的架構實現所述非接觸式的生理信號檢測裝置1。如圖1與圖2所示，本發明僅以一光感測單元11和一信號處理模組12組成非接觸式的生理信號檢測裝置1之第一實施例。其中，該光感測單元11用以面對一受試物2之一感測部位21，進而透過非接觸式的方式自該感測部位21之表面收集一漫射光。例如，圖1顯示所述受試物2為人體，而該感測部位21為人體之臉部、手部或者人體其它外露部位之皮膚。

在該受試物2曝露在一環境光的情況下，該漫射光即產生於該感測部位21之表面。值得注意的是，此環境光可能是一自然光或由一外部光源所提供的一人造光，因此漫射光可能是一單波長光或一多波長光。基於上述理由，本發明並不限定該光感測單元11之類型。依據所述環境光之光源種類，非接觸式的生理信號檢測裝置1所搭載的光感測單元11可以是單點式光感測器(Single point photo sensor)、矩陣式光感測器(Matrix photo sensor)、單通道影像感測器(One-channel image sensor)、或多通道影像感測器(multi-channel image sensor)。

更詳細地說明，該信號處理模組12包括：一信號處理單元120、一控制單元121、與一信號接收單元122。其中，該控制單元121耦接該信號處理單元120與該光感測單元11，用以控制所述光感測單元11收集所述漫射光。另一方面，該信號接收單元122耦接該光感測單元11與該信號處理單元120，用以透過該光感測單元11接收所述漫射光，且傳送對應於該漫射光的一生理信號至該信號處理單元120。進一步地，在接收所述生理信號之後，該信號處理單元120對該生理信號執行至少一信號處理，藉以獲得至少一生理資訊。依據所述信號處理之執行內容及演算法的不同，最終獲得之生理資訊也不同。在一般的情況下，所述生理資訊可以是血容量(Blood volume variation)、心率(Heart rate,HR)、呼吸率(Respiratory rate,RR)、血氧(Blood oxygen level)、血壓(Blood pressure)、血管粘度(Blood vessel viscosity)、靜脈功能(Venous function)、靜脈回流(Venous reflux)、腳踝壓力(Ankle pressure)、生殖器反應(Genital responses)、心輸出量(Cardiac output)。

圖2還顯示該信號處理單元120耦接一資料輸出單元10。在完成所述生理信號之處理並萃得至少一生理資訊之後，該信號處理單元120透過所述資料輸出單元10輸出該至少一生理資訊。本發明並不限定所述資料輸出單元10的類型，其可以是顯示裝置、揚聲器、有線傳輸介面、或無線傳輸介面。請進一步參閱圖3，其顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例之第二示意性立體圖。如圖3所示，一聚光透鏡14係設置用以介於該光感測單元11與該漫射光之間，使得該漫射光被有效聚焦至該光感測單元11。

在仔細觀察圖1與圖3之後，可以發現圖1與圖3係將本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1以額溫槍(Forehead thermometer)的形式呈現。在實際應用本發明時，只要令所述光感測單元11包括一紅外光(線)感測器，便可以使得此非接觸式的生理信號檢測裝置1同時具有一體溫量測功能。因此，易於推知的，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1可以整合在一光學式體溫量測器之中，例如：額溫槍或耳溫槍(Ear thermometer)。或者，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1在具體上可以是一組具有生理信號檢測功能的光學式體溫量測器。

第二實施例

圖4顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第二實施例之示意性立體圖，且圖5顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第二實施例之功能方塊圖。比較圖2與圖5可以輕易地發現，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的第二實施例係更包括一發光單元13。並且，於第二實施例中，一驅動單元123被進一步地整合於該信號處理模組12之中。如圖5所示，該驅動單元123耦接該控制單元121與該發光單元13，用以驅動該發光單元13發出一人造光以作為所述偵測光。應可理解的是，所述人造光可以是單波長光或是多波長光。更詳細地說明說，發光單元13包括至少一發光元件，且該發光元件可以是發光二極體、垂直共振腔發光二極體、或有機發光二極體。其中，該發光二極體(Light-emitting diode,LED)可以是單色光LED或至少包含綠光(400-600nm)、紅光(600-800nm) 與紅外光(800-1000nm)的多色光LED，且該有機發光二極體(Organic light-emitting diode,OLED)可以是單色光OLED或至少包含綠光、紅光與紅外光的多色光OLED。

簡單地說，前述非接觸式的生理信號檢測裝置的第一實施例是在無光源或自然光源的條件下完成受試物2的生理信號量測。不同地，於第二實施例中，非接觸式的生理信號檢測裝置1能夠自行以其發光單元13發出所述偵測光至受試物2的感測部位21，進而接著完成該感測部位21之生理信號量測。

第三實施例

圖6顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第三實施例之功能方塊圖。比較圖5與圖6可以輕易地發現，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的第三實施例係更包括一感測區域標記單元15，其耦接該控制單元121，且用以基於該控制單元121之控制而發射一標記信號至該感測部位21的表面，進而在該感測部位21的表面標記出一感測區域M。例如，在該感測部位21的表面標記出光點、圖案、符號、或文字。必須加以說明的是，增設所述感測區域標記單元15係有助於提升非接觸式的生理信號檢測裝置1的量測準確性。舉例而言，在不使用發光單元13或者所述偵測光為一紅外光(infrared light)的情況下，操作者實難以確定該光感測單元11是否正對受試物2的感測部位21。尤其，若感測部位21為受試物2的額頭，則操作者有很高的機率會將光感測單元11正對於受試物2的受到頭髮覆蓋的額頭部位。在此情況下，光感測單元11所收集的漫射光所帶有的生理信號無法完全反映出受試物2的真實生理狀況。相反地，利用所述感測區域標記單元15在受試物2的感測部位21的表面標記出感測區域M之後，操作者可以將所述光感測單元11對準正確的受試物2的感測部位21。如此，便能夠保證光感測單元11所收集的漫射光所帶有的生理信號可以確實地反映出受試物2的真實生理狀況，進而提升本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的量測準確度。

第四實施例

圖7顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第四實施例之功能方塊圖。比較圖2與圖7可以輕易地發現，藉由將一感測區域標記單元15增設至前述第一實施例的架構中後，即獲得所述非接觸式的生理信號檢測裝置的第四實施例。於第四實施例中，操作者可以利用所述感測區域標記單元15在受試物2的感測部位21的表面標記出感測區域M之後，並接著將所述光感測單元11對準正確的受試物2的感測部位21。如此，便能夠保證光感測單元11所收集的漫射光所帶有的生理信號可以確實地反映出受試物2的真實生理狀況，進而提升本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的量測準確度。

第五實施例

圖8顯示本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置的第五實施例之功能方塊圖。比較圖6與圖8可以發現，本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的第五實施例係更包括一活體偵測單元124，其耦接該信號處理單元120和該信號接收單元122，且用以對該生理信號執行一信號分析，進而確認該生理信號是否含有至少一活體生理特徵，藉以判斷該受試物2為一活體或一非活體。補充說明的是，在可行的實施例中，該活體偵測單元124也可以選擇性地僅與該信號處理單元120或該信號接收單元122連接。此外，第五實施例還更包括一警示單元16，其耦接該活體偵測單元124。

更詳細地說明，活體偵測單元124透過該信號接收單元122接收對應於該漫射光的一生理信號，此生理信號為一光體積變化信號(PPG signal)。在對所述生理信號進行例如奇異譜分析(Singular Spectrum Analysis,SSA)或正規化最小均方(Normalized Least Mean Square,NLMS)之一時域信號處理之後，便可接著自完成所述時域信號處理的生理信號中萃出時域生理特徵。許多研究報告及/或文獻已經指出，活體(例如：人體)之生理信號會帶有特別的時域生理特徵，因此，在確認該生理信號是否含有至少一活體生理特徵之後，所述活體偵測單元124便可判斷該受試物2為一活體或一非活體。

另一方面，活體偵測單元124在透過該信號接收單元122接收對應於該漫射光的生理信號(亦即，光體積變化信號(PPG signal))之後，也可以對所述生理信號進行例如快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)或短時距傅立葉變換(Short-Time Fourier Transform,STFT)之一頻域信號處理，並接著自完成所述頻域信號處理的生理信號中萃出頻域生理特徵，例如：心跳之週期性脈動。

活體偵測單元124的使用亦有助於提升、校正本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的量測準確性。更詳細的說明，若操作者使用本發明之非接觸式的生理信號檢測裝置1的光感測單元11正對一非活體之物件，則活體偵測單元124會立即判斷出該物件並非是活體。在此情況下，該活體偵測單元124會通知該警示單元16發出一警示訊息以通知操作者，例如：光訊息、聲音訊息、文字訊息、影像訊息等，或透過資料輸出單元10將警示訊息傳送出去。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之一種非接觸式的生理信號檢測裝置的所有實施例及其特徵。必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。