CN106805974A

CN106805974A - 呼吸探测装置及其操作方法

Info

Publication number: CN106805974A
Application number: CN201610124839.5A
Authority: CN
Inventors: 庄智元; 韩威如; 李明璋
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2017-06-09
Also published as: US20170150919A1

Abstract

一种呼吸探测方法，包含下列步骤：取得PPG信号；识别所述PPG信号的低频载波；识别所述低频载波的上升部分及所述低频载波的下降部分，其中所述低频载波的频率代表使用者的呼吸循环周期，所述上升部分代表所述使用者的呼气状态及吸气状态中的一者，而所述下降部分代表呼气状态及吸气状态中的另一者；以及实时性地输出所述呼吸循环周期、呼气状态、吸气状态中的至少一者。

Description

呼吸探测装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及利用光体积变化信号(Photoplethysmography,PPG，下称PPG信号)来取得使用者的呼吸循环周期，尤其涉及通过解析PPG信号，可以从解析的信号上实时获得关于呼吸深度以及呼吸循环周期的相关信息的呼吸探测装置及其操作方法。

背景技术

目前并无利用PPG信号而可以实时获得关于呼吸循环周期的技术。此外，公知的呼吸探测装置，至少需计数一分钟以上方能得到使用者每分钟的呼吸率，并无法实时地显示每次的呼吸状态，因而限制了其应用。

发明内容

本发明提供一种利用光体积变化信号(Photoplethysmography,PPG，下称PPG信号)取得使用者的呼吸循环周期的呼吸探测装置及其操作方法。

本发明提供一种呼吸探测装置，包含光源、光感测元件以及处理单元。所述光源用于照明皮肤表面以使光线穿过所述皮肤表面下方的皮肤组织。所述光感测元件用于探测从所述皮肤组织射出的出射光，以产生光体积变化信号。所述处理单元用于获取出所述光体积变化信号的低频载波，以作为呼吸信号。

本发明还提供一种呼吸探测装置，包含光源、光感测元件、处理单元、显示装置以及提示装置。所述光源用于照明皮肤表面以使光线穿过所述皮肤表面下方的皮肤组织。所述光感测元件用于探测从所述皮肤组织射出的出射光以产生光体积变化信号。所述处理单元用于获取出所述光体积变化信号的低频载波，以作为呼吸信号。所述显示装置用于实时地显示所述呼吸信号随时间的变化曲线。所述提示装置用于根据所述变化曲线的强度、上升部分、下降部分和/或频率与至少一个阈值的比较结果，发出提示信号。

本发明还提供一种呼吸探测装置的操作方法，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；利用处理单元获取出所述光体积变化信号的低频载波；利用所述处理单元识别所述低频载波的周期、上升部分及下降部分；其中，所述周期代表使用者的呼吸循环周期，所述上升部分代表所述使用者的呼气及吸气中的一者，而所述下降部分代表所述呼气及所述吸气中的另外一者；以及实时性地输出所述呼吸循环周期、所述呼气的呼气状态及所述吸气的吸气状态中的至少一者。

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，于本发明中，相同的构件是以相同的符号表示，于此先述明。

附图说明

图1示出了光体积变化信号的强度与时间关系曲线。

图2示出了取自图1的光体积变化信号的呼吸循环周期，各周期包含上升部分及下降部分。

图3A～3B为本发明实施例的呼吸探测装置的使用状态。

图4为本发明实施例的呼吸探测装置的方块示意图。

图5为本发明实施例的呼吸探测装置的操作方法的流程图。

具体实施方式

PPG信号由二个部分所组成，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，上述压力相对会减低，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，利用光学方式来探测血管的体积变化，可以获得上述PPG信号。

为了从PPG信号中取得与使用者呼吸信号相关的信号，首先必需要取得PPG信号，接着识别所述PPG信号的低频载波，以决定相应的低频载波频率；其中，所述低频载波频率可代表所述使用者的呼吸循环周期。

所述低频载波包含上升部分以及下降部分，其中所述上升部分可代表所述使用者的呼气及吸气中的一者，而所述下降部分可代表呼气及吸气中的另外一者。此时，便可实时地输出此呼吸循环周期、呼气、吸气中的至少一者给使用者参考，或者提示使用者可改变呼吸节奏与深度。

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。本发明利用光学方式来探测血管的体积变化，可以获得上述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可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呼吸深度以及呼吸循环周期的相关信息。

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；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。通过解析PPG信号的上升周期和/或下降周期，可以识别出使用者的呼吸循环系统的呼吸频率。

而且，藉由与使用者的活动比较，可以使呼吸探测系统输出一指示，用来指示使用者应该要如何调整呼吸，具体而言，可以指示使用者调整呼吸频率、吸气和/或呼气的深浅快慢。比如当使用者因为紧张而造成换气过度的时候，可以藉由通过与探测PPG信号相连结的设备，提示使用者应该要放松，或者使用者在运动期间，呼吸过度快速或者缓慢时，可以提示使用者改变呼吸节奏，以配合当前的运动状况。可以通过使用者配戴的耳机，以语音或者音乐的听觉提示方式将提示告知使用者，或者通过使用者随身携带的装置，显示一视觉提示给使用者，或者通过体表感知方式提示给使用者，例如振动。

以下是关于如何通过PPG信号取得与呼吸相关的呼气、吸气、以及呼吸循环周期的一个实施例。

首先，通过呼吸探测装置取得PPG信号，如图1所示，其中PPG信号11的高频部分102代表心脏循环时的频率。接着通过识别所述PPG信号11的低频载波，可以决定其中一个相对应的低频载波信号21，其具有低频频率，能够代表使用者的呼吸循环周期，如图2所示。对应图1来看，可发现图2的低频载波信号21的变化速度与图1的PPG信号的载波具有某些对应关系。

本发明实施例的呼吸探测装置还可以分别识别所述低频载波信号21的上升部分202以及下降部分204，如图2的实施例所示，上升部分202代表吸气而下降部分204代表呼气。在其他的实施例当中，因为取得信号后的处理方式不同，上升部分202亦可能代表呼气，而下降部分204代表吸气。在取得上述信息之后，可以实时性地输出此呼吸循环周期、呼气以及吸气中的至少一者，并通过装置提示使用者改变整体呼吸频率，或者呼气以及吸气中的至少一者。由图2中可以发现，在图1的PPG信号中，波形的高低，不是必然会完全对应到图2的低频载波信号的实际高低状况。

进一步而言，如同图2所示，显示使用者每一次的呼吸均不太相同，或许频率可以维持得差不多，但是呼气吸气的深浅(例如振幅)则有所变化，而这样的变化是在日常活动中，使用者难以自我感受到的。因此，通过本发明说明实施例的呼吸探测装置，可以让使用者更进一步地了解自己的生理状况，达到自我调整的效果。

而本发明亦可长时间记录使用者的呼吸状况，以便输出统计数据给使用者作为调整的参考，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呼吸探测装置300的使用状态。所述呼吸探测装置300通过探测使用者的皮肤组织的PPG信号来分析并显示所述使用者的呼吸信号随时间的变化，如图2所示。因此，所述呼吸探测装置300可设置于任何适当位置以探测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，所述呼吸探测装置300例如可结合于便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，所述呼吸探测装置300亦可有线或无线地耦接医疗设备、家电设备、车辆、保全系统等。优选地，所述呼吸探测装置300所连接的装置具有显示装置以用于实时地显示所述呼吸探测装置300的探测结果，例如直接显示图2的低频载波信号21。

请参照图4所示，其为本发明实施例的呼吸探测装置300的方块示意图。所述呼吸探测装置300包含光源301、光感测元件302以及处理单元303。在某些实施例中，所述呼吸探测装置300还包含显示装置305，用于显示所述呼吸探测装置300的探测结果。在某些实施例中，所述呼吸探测装置300还包含传输界面304，用于与外部的显示装置305有线或无线地耦接，以输出所述呼吸探测装置300的探测结果(例如低频载波信号21)至所述显示装置305进行实时显示。换句话说，所述显示装置305可包含或不包含于所述呼吸探测装置300内，视其应用而定。所述显示装置305例如可为液晶显示器、等离子显示器、有机发光二极管显示器、投影机等可用于显示图像的装置，并无特定限制，只要能够通过显示屏幕以显示如图2的低频载波信号21即可。

所述光源301例如为发光二极管或激光二极管，用于发出适于穿透皮肤组织且能够被皮肤组织吸收的光。例如，所述光源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用于照明皮肤表面S使光线穿过所述皮肤表面S下方的皮肤组织。优选地，所述呼吸探测装置300具有透明表面，该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胶或玻璃等透明材质所制作，并无特定限制。

在某些实施例中，当所述呼吸探测装置300同时用于探测血氧浓度时，所述呼吸探测装置300可包含两光源，分别用于发出不同波长的光；其中，探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，其揭示内容在此并入以作为参考。

所述光感测元件302例如为光电二极管(photodiode)或图像传感器阵列(image sensor array)，例如金属氧化物半导体感测器阵列(CMOS sensorarray)，用于探测从所述皮肤组织射出的出射光以产生光体积变化(PPG)信号，如图1所示。利用光电二极管探测并输出PPG信号的方式已为公知，故于此不再赘述。本发明在于根据所探测的PPG信号识别呼吸信号。利用图像传感器阵列探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，其揭示内容在此并入以作为参考。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，用于控制所述光源301及所述光感测单元302的相对应操作。所述处理单元303用于获取出所述光体积变化信号(如图1所示)的低频载波(如图2所示的低频载波信号21)以作为呼吸信号；其中，所述获取动作例如可通过软件和/或硬件实现，并无特定限制。例如，所述处理单元303利用数字带通滤波器从所述光体积变化信号获取出所述低频载波信号21。由于一般使用者的呼吸率每分钟低于15次，因此所述数字带通滤波器的通带(pass band)优选低于0.25赫兹。可以了解的是，所述数字带通滤波器的通带可根据所述呼吸探测装置300的使用情境而设定，并无特定限制。

所述传输界面304例如无线或有线地输出所述呼吸信号，例如以预设频率发送所述呼吸信号的数据至显示装置305；其中，无线或有线传输技术已为公知，故于此不再赘述。可以理解的是，当所述呼吸探测装置300同时包含所述显示装置305时，所述传输界面304可不予实施，或者所述传输界面304设置于所述呼吸探测装置300内部并介于所述处理单元303与所述显示装置305之间。

所述显示装置305用于实时地显示所述呼吸信号随时间的变化曲线(亦即低频载波信号21)，如图2所示。此外，所述处理单元303还计算与所述呼吸信号相关的强度阈值THs(如图2所示)、上升部分202、下降部分204及频率数值206，并将所述多个数值及数据直接或通过所述传输界面304传送至所述显示装置305进行显示。例如显示于所述显示装置305的显示屏幕上以线条、数字或图形标示所述强度阈值THs、所述上升部分202、所述下降部分204及所述频率数值206，以让使用者可简单从所述显示装置305观察自身呼吸状态。

与公知呼吸探测装置不同的是，本发明的呼吸探测装置300可实时地显示使用者的呼吸状态。换句话说，由于所述呼吸探测装置300分析所述光感测元件302所探测的PPG信号以获取呼吸信号，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呼吸信号至所述显示装置305进行显示。因此，虽然所述显示装置305所显示的所述呼吸信号的初始阶段包含收敛时间208，其时间长短可由所使用的数字滤波器决定，在所述收敛时间208后，即能够正常显示呼吸信号。通常，所述收敛时间208时间并不长，大约低于数秒。

此外，为了提升使用者体验，所述呼吸探测装置300还可包含提示装置305，用于根据所述变化曲线的探测值，例如强度、平均强度、上升部分、下降部分和/或频率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。

本发明实施例的呼吸探测装置300可应用于呼吸控制。

例如，当使用者的呼吸深度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。本发明实施例中，所述呼吸信号的变化曲线的强度(即振幅)或平均强度可用于表示使用者的呼吸深度；亦即，当所述强度愈强，表示使用者的呼吸深度愈深，反之则表示使用者的呼吸深度愈浅。

例如，当使用者的呼吸时间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。本发明实施例中，所述呼吸信号的变化曲线的上升部分202可用于表示使用者的呼气状态及吸气状态的其中一个，所述呼吸信号的变化曲线的下降部分204可用于表示所述呼气状态及所述吸气状态中的另一个；亦即，当所述上升部分202及所述下降部分204愈长，表示使用者的呼吸时间愈长，反之则表示使用者的呼吸时间愈短。

例如，当使用者的呼吸频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。本发明实施例中，所述频率可用于表示使用者的呼吸率(respiration rate)，其例如以一频率数值206与所述呼吸信号(即所述低频载波信号21)同时显示于显示屏幕上。本实施例中，所述处理单元303根据一个上升部分202及一个下降部分204即能够算出所述呼吸频率(例如计算所述上升部分202与所述下降部分204的时间和的倒数)，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，所述显示装置305同时作为所述提示装置。当上述探测值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装置305显示所述提示，例如以文字、图形、亮度等来表示提示。

例如，所述呼吸探测装置300还可包含振动元件306，作为所述提示装置。当上述探测值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，所述呼吸探测装置300还可包含扬声器307，作为所述提示装置。当上述探测值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，所述呼吸探测装置300还可包含提示光源308，作为所述提示装置。当上述探测值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)，可根据使用者的历史记录决定上述各阈值，例如强度阈值、时间阈值、频率阈值等，但并不以此为限。与所述多个历史记录相关的数据例如储存于非易失性存储器中。

请参照图5所示，其为本发明实施例的呼吸探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S51)；利用处理单元获取出所述光体积变化信号的低频载波(步骤S52)；利用所述处理单元识别所述低频载波的周期、上升部分及下降部分(步骤S53)；以及实时性地输出下列中的至少一者：呼吸循环周期、呼气状态及吸气状态(步骤S54)。

步骤S51：所述呼吸探测装置300在操作时优选相对所述皮肤表面S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S52：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，即开始从所述PPG信号获取低频载波信号21(如图2所示)。在一实施例中，所述处理单元303利用数字带通滤波器从所述PPG信号获取出所述低频载波信号21。

步骤S53：所述处理单元303获取出所述低频载波信号21后，即能够识别所述低频载波信号21的周期、上升部分202及下降部分204；其中，所述周期代表使用者的呼吸循环周期(例如包含连续的一个上升部分202及一个下降部分204)，所述上升部分代202表所述使用者的呼气及吸气中的一者，而所述下降部分204代表所述呼气及所述吸气中的另一者。如前所述，本实施例中，所述呼吸探测装置300(或所述处理单元303)可根据一个呼吸循环周期计算使用者的呼吸率。

步骤S54：接着，所述处理单元303输出所述呼吸循环周期、所述呼气的呼气状态及所述吸气的吸气状态中的至少一者至显示装置305以进行实时显示。在一实施例中，所述显示装置305显示所述低频载波信号21随时间的变化曲线，以同时显示所述呼吸循环周期、所述呼气状态及所述吸气状态。在另一实施例中，所述显示装置305可以显示所述呼吸循环周期、所述呼气状态及所述吸气状态的数值而不显示所述变化曲线。在另一实施例中，所述显示装置305可同时显示所述低频载波信号21随时间的变化曲线及所述呼吸循环周期、所述呼气状态及所述吸气状态的数值。此外，所述显示装置305还可以线条、文字或图形显示强度阈值标示、上升部分标示、下降部分标示及频率数值标示中的至少一者，以让使用者能够轻松读取信息。

必须说明的是，虽然上述实施例中以反射式光学呼吸探测装置为例进行说明，但其并非用于限定本发明说明。其他实施例中，所述呼吸探测装置亦可为透射式光学装置，其中仅光源与光感测元件的设置位置不相同，其感测原理则相同，故于此不再赘述。

综上所述，公知呼吸探测装置并无法实时显示使用者的呼吸状态，故具有应用上的限制。因此，本发明还提供一种呼吸探测装置(如图4所示)及其操作方法(如图5所示)，其可实时地计算并显示使用者的呼吸状态，而无须在预设时间内通过计数多次的呼吸动作才能够得到呼吸率。此外，本发明的呼吸探测装置还可通过提示机制让使用者调整自身的呼吸状况，以有效提升使用者体验及应用范围。

虽然本发明已以上述实施例公开，然其并非用于限定本发明，任何本领域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所附权利要求所限定者为准。

Claims

1.一种呼吸探测装置，包含：

光源，用于照明皮肤表面使光线穿过所述皮肤表面下方的皮肤组织；

光感测元件，用于探测从所述皮肤组织射出的出射光以产生光体积变化信号；以及

处理单元，用于获取出所述光体积变化信号的低频载波以作为呼吸信号。

2.根据权利要求1所述的呼吸探测装置，还包含传输界面，用于输出所述呼吸信号。

3.根据权利要求2所述的呼吸探测装置，其中，所述传输界面用于将所述呼吸信号传送至显示装置，以使所述显示装置实时显示所述呼吸信号随时间的变化曲线。

4.根据权利要求3所述的呼吸探测装置，其中，所述传输界面还传送与所述呼吸信号相关的强度阈值标示至所述显示装置以进行显示。

5.根据权利要求3所述的呼吸探测装置，其中，所述传输界面还传送与所述呼吸信号相关的上升部分标示及下降部分标示至所述显示装置以进行显示。

6.根据权利要求3所述的呼吸探测装置，其中，所述传输界面还传送与所述呼吸信号相关的频率数值标示至所述显示装置以进行显示。

7.根据权利要求1所述的呼吸探测装置，其中，所述处理单元利用数字带通滤波器从所述光体积变化信号获取出所述低频载波。

8.根据权利要求7所述的呼吸探测装置，其中，所述数字带通滤波器的通带低于0.25赫兹。

9.根据权利要求1所述的呼吸探测装置，其中，所述光感测元件为光电二极管或图像传感器阵列。

10.根据权利要求1所述的呼吸探测装置，其中，所述光源的发射光的光波长为610纳米或910纳米。

11.根据权利要求1所述的呼吸探测装置，其中，所述呼吸探测装置集成于便携式电子装置或穿戴式电子装置。

12.一种呼吸探测装置，包含：

光感测元件，用于探测从所述皮肤组织射出的出射光以产生光体积变化信号；

处理单元，用于获取出所述光体积变化信号的低频载波以作为呼吸信号；

显示装置，用于实时显示所述呼吸信号随时间的变化曲线；以及

提示装置，用于根据所述变化曲线的强度、上升部分、下降部分和/或频率与至少一个阈值的比较结果发出提示信号。

13.根据权利要求12所述的呼吸探测装置，其中，所述提示信号为振动信号、光信号、声音信号和/或图像信号。

14.根据权利要求12所述的呼吸探测装置，其中，

所述强度用于表示使用者的呼吸深度；

所述上升部分用于表示所述使用者的呼气状态及吸气状态中的一者，所述下降部分用于表示所述呼气状态及所述吸气状态中的另一者；及

所述频率用于表示所述使用者的呼吸率。

15.根据权利要求12所述的呼吸探测装置，其中，所述处理单元利用数字带通滤波器从所述光体积变化信号获取出所述低频载波。

16.根据权利要求12所述的呼吸探测装置，其中，所述至少一个阈值根据使用者的历史记录所决定。

17.根据权利要求12所述的呼吸探测装置，其中，所述呼吸探测装置集成于便携式电子装置或穿戴式电子装置。

18.一种呼吸探测装置的操作方法，所述呼吸探测装置包含光感测元件及处理单元，所述操作方法包含：

利用所述光感测元件从皮肤表面取得光体积变化信号；

利用所述处理单元获取出所述光体积变化信号的低频载波；

利用所述处理单元识别所述低频载波的周期、上升部分及下降部分，其中，所述周期代表使用者的呼吸循环周期，所述上升部分代表所述使用者的呼气及吸气中的一者，而所述下降部分代表所述呼气及所述吸气中的另一者；以及

实时地输出所述呼吸循环周期、所述呼气的呼气状态及所述吸气的吸气状态中的至少一者。

19.根据权利要求18所述的操作方法，其中，所述处理单元利用数字带通滤波器从所述光体积变化信号获取出所述低频载波。

20.根据权利要求18所述的操作方法，还包含：

利用显示装置显示所述低频载波随时间的变化曲线，以同时显示所述呼吸循环周期、所述呼气状态及所述吸气状态。