TW201106920A - Computer system for acquiring physiological information - Google Patents

Description

201106920 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與自我健康檢測裝置有關，特別是關於—種 以非侵入式擷取生理資訊之電腦系統。 【先前技術】 有鑒於近年來醫療器材以及健康食品等的養生科技不 斷進步，使得國人平均壽命增加；但是，實際上死亡人口 卻是反增不減。針對衛生署所統計國人十大死因：惡性腫 瘤、腦血管疾病、心臟病、高血壓…等疾病，絕大部分都 無法從健保給付的項目中篩檢出來。深究其因，乃是國人 對於健康檢查並不積極，且全民健保的健檢給付項目僅限 於-般如抽血、驗尿㈣於侵人式雜查方式，至於以非 侵入式之檢魏本較高的項目，例如：超音波、χ光及心 電圖等，並不在給付項目之中；再者，由於超音波、X光 及心電圖之檢查項目㈣且需要特地排定時間，對於 來說並不方便。 冑面上有可供國人自行購得的健康檢查器材 ==一可攜式血氣濃度計10，，係以非侵入式檢 查方式快賴取生理資訊， 值及血脈波_，供使^ 晨度 足夠提供血氧鼓，進>4=檢測是否呼赠得的氧氣 發性肺纖維化等潛藏疾C:吸著迫症候群或特 的測試原理係依據比;7=4中/R血氧飽和濃度 伯特疋律（Beer Lambert’s 201106920

Law)’由於心臟的跳動會弓丨起主動脈的彈性舒張與收縮而 运出具有規律波狀血觀至顿脈，故崎測設備輸出 兩個不同波長的光訊號穿透人體内部組織，可因血墨波所 導致_舒張和收縮㈣響穿透光的強度；因此組織中血 流與=氧、不帶氧血紅素的改變，會對光訊號的吸收度不 同’量測兩種*同成分光線的歧收度即可推算血和 濃度。 縱然上述可攜式血氧濃度計10,藉由附掛於使用者手 腕上’可將脈搏的跳動轉換為心跳值及血脈波圖形輸出； =而，對於一般使用者而言，心跳數值僅得參考是否於正 常每分鐘之心跳數，亦無法單純由血脈波圖形，而分析出 與脈搏相關的人體健康資訊以進—步判斷是否有其他潛藏 疾病的了此。實則上，脈搏的振動強弱、快慢等是中醫在 為病人診病時重要的依據，所量測的脈動可如第五圖所示 取得週期性振動波’如同上述可攜式血氧濃度計1〇，所輪 出之血脈波圖形，圖中粗線為一週期性的振動波，内部包 含不同頻率與不同振幅的小波(如細線與虛線表示）；若從 此波動圖的外觀’只可看見它只是—種連續大的波動波' 如果不經過分析，其内部有多少不同頻率及其振幅大小都 無法從外觀得知。 脈搏振動波與自主神經活性的關係十分密切，以交感 神經為例，放電頻率為低頻波段(0〜10Hz)時，是維持血二 基本的功能運作，而高頻波段(10Hz以上)之高頻頻率平^ 活性較小，一旦生病或人體受到刺激時，神經活性會升高， 201106920 造成10Hz以上之高頻頻率放電增加。因此 病時其 =::波經㈣轉換 不门=的波動，u及這些不同頻率波的振幅高低。 、二人體心臟每分鐘約跳動72次，這稱之為平均 跳所間隔的時間與平均每次心跳週期 • V 4的標準偏騎為轉變異（Η 差約為40毫秒；上诚可媸斗丄片、曲由 丹知+褐 上述了攜式血軋濃度計10’僅得輸出心跳 數值’、〜、法作為偵測心率變異之用。目前，已知心率變 異與心跳有關’而且心臟除了本身的節律性放電引發的跳 動之外’也受到自律神經系統(Aut〇n〇mk nerv〇us挪⑽， ANS)所調控，這也就意味著心率變*、自律神經和心跳這 二者有密不可分的關係。心率變異代表自律神經總活性； 自律微調功&越好，越高。而心率卻會受到人體的自 律神經系統所影響，自律神經系統包括交感神經系統和副 父感神經系統，前者可使心率上升，後者則使心率下降， 心率就在二者交互作用下產生最佳的平衡狀態。在過去的 一十年中已有不少文獻顯示自律神經的調控與心血管疾病 相關的死亡率有顯著的關係，例如：心因性猝死、高血壓、 出企性休克等，而心率變異分析亦被發現可作為預測發生 心肌梗塞後的死亡率的指標。 201106920 2006年工程科技與中西醫學應用研討會中，孫德銓等 人即提出一種「新型腕式生理監視器_心律大師之簡介及其 中西醫學應用為以屬電感應器感應血壓波之特性，而輸 出結合▲塵、脈象及HRV分析之非侵入式生理監視器。然 而以該腕式生難視器之感應及處理功_言，當心率變 異的分析魏僅顯示於某項生理量測數值上，雖說也有可 觀察疋否有潛藏病徵存在的警訊魏，但是侧注單一項 數值時，往往會因為外在因素而使數值會暫時性的失準， 例如.清緒的激動與否、是否有受到外在的刺激影響 等，無法由其它方面同時間一起做比較。 由於上述罹病好發族群之中，以電腦使用者佔多數； 故本發明人構思藉由提供多種健康檢測功能，將非侵入式 檢測裝置整合於-般大幕需要長時間接觸的電腦週邊設 備，並以精確的電路處理將多項生理資訊輸出，以希望在 使用者操作電腦關時，也能夠即時自我監測身體狀態， 進而及早發現身體警訊，以免延誤就醫時機。 【發明内容】 本發明之主要目的在於提供一種擷取生理資訊之電腦 系統，其能夠於使用者操作電腦期間，進一步反映使用者 的身體狀態，具有提供使用者自我檢測身體狀態之特色。 為達成上述目的，本發明所提供一種擷取生理資訊之 電腦系統，其能夠於使用者操作電腦裝置期間，於握持滑 鼠時進一步反映使用者的身體狀態。該電腦系統之一滑鼠 201106920 主體裝設有二發光體可對使用者手指動脈投射不同波長之 光束’滑鼠主體中另設有一光感測器可接收由動脈反射之 不同波長之光束而取得不同之一第一及一第二信號；與該 光感測器電性連接有一放大電路，可先後將該第一及第二 信號濾除直流偏壓、可見光雜訊及電源雜訊，並取出第一 及第二信號中的變化量。 因此電腦裝置可透過一類比/數位轉換器（A/D 鲁 converter)接收分別對應於該第一及第二信號並處理為數 位訊號，進而分類成三部分；第一部分是推算血氧濃度， 需要該第一及第二光束穿透人體内部組織時因血壓波所導 致組織舒張和收縮而造成的光吸收度，以進行血氧飽和濃 度運算；第二部分是以快速傅立葉轉換進行脈搏頻譜分 析，將動脈反射波的時域轉成頻域，且運算後再做譜能量 比(Spectral Energy Ratio, SER)的方法來分析自主神經活 性；第三部分則是產生心跳頻率以及運算心率變異加⑽ • rate variability; HRV)。這三部分分類、運算完後即可顯示 出多項生理資訊。當使用者身體出現問題且不自覺的情形 下，該電腦系統能夠根據該生理資訊提出預警，用以罄示 使用者就醫甚至做更進一步的檢查；本發明相較於習知 者，具有提供使用者自我檢測身體狀態之特色。 【實施方式】 為了詳細說明本發明之結構、特徵及功效所在’茲舉 以下較佳實施例並配合圖式說明如後，其中： 201106920 第:圖為本發明第—較佳實施例之架構示意圖。 第=圖為本發明第一較佳實施例之電路方塊圖。 第三圖為本發明第-較佳實施例之動作流程圖，主要 揭不電腦裝置的運作情形。 吻參閱第-圖至第三圖，本發明第一較佳實施例所提 供擷取生理資訊之電腦系統⑽，包含有—滑鼠主體(2〇)、 第發光體(30)、-第二發光體(4〇)、_光感測器(5〇)、 二放大電路(6G)、-類比/數位賴離如㈣伽調、 一傳輸介面(80)以及一電腦裝置(90)，其中： 该滑鼠主體(20)係藉由該傳輪介面㈣裝設於電腦農 置(90)之周邊，供使用者握持以操作電腦裝置㈣之營幕游 標(91) 〇 該第一及第二發光體(3〇、4〇)設於該滑鼠主體(2〇)，分 別產生不同波長之—第—及—第二光束(則、樹)以對人 體手指動脈投射。該第一光束的波長範圍4 _趣至 OOnm’ j帛—光束的波長較佳者為_伽，·本實施例中， 該第一光束的波長以660nm為例，在此僅為舉例說明，並 非做為限制要件。該第二絲的波長範圍為請⑽至 〇〇〇nm，5亥第二光束的波長較佳者為940nm ;本實施例 中’該第二光束的波長以94〇nm為例，在此僅為舉例說明， 並非做為限制要件。 t該光感測器（50)設於該滑鼠主體(20)，接收經由人體手 指動脈將該第-及第二光束反射之—第—及—第二反射光 201106920 束(302、402)，因而分別產生一第一及一第二信號。 該放大電路(60)係電性連接該光感測器，可同樣設於 該滑鼠主體(20)内部或如本實施例所例舉之額外裝設於該 滑鼠主體(20)上’以放大濾波處理該第一信號以及該第二 信號；該放大電路(60)具有一二階高通濾波器(61)、一增益 放大器(63)、二相互串接之二階低通濾波器（65)、一微分器 (67)以及一反相放大器(69)。其中，高通濾波器(61)之輸入 端電性連接該光感測器（50)，輸出端電性連接該增益放大 器（63);低通濾波器（65)之輸入端電性連接該增益放大器 (63)，輸出端電性連接該微分器(67);反相放大器（69)之輸 入端電性連接該微分器（67) ’輸出端電性連接該類比/數位 轉換器(70)。 配合第二圖參照，該第一及一第二信號先經過該二階 南通濾波器(61)，目的是為了去除手指晃動所形成的漂移 電壓以及光耗合器的直流偏壓，以確保下一級電路不至於 進入飽和區而無法正常運作；通過高通濾波器（61)後，訊 號輸入至增益放大器（63)放大訊號，以利於下一級電路的 檢測；然後訊號進入二相互串接之二階低通濾波器（65)， 其目的是為了分別去除日光燈所產生的可見光雜訊和來自 電源之高頻雜訊；之後訊號進入微分器（67)凸顯前級訊號 的變化量，以便觀察訊號内部的變化，因前級二階高通濾 波器(61)得以去除直流偏移電壓，可有效避免直流效應造 成微分器（67)之運算放大器進入飽和區使得微分器（67)不 月匕正吊工作；接著再把訊號輸入至反相放大器（69)，因為 201106920 微分器（67)會造成訊號iso。的改變，因此須經過反相放大器 (69)將訊號恢復為原來的相位。 該類比/數位轉換器（70)之輸入端電性連接反相放大器 (69)，輸出端電性連接該傳輸介面(80)，該類比/數位轉換 器（70)用以將類比訊號轉換為與該傳輸介面(8〇)的訊號傳 輸規格相符之數位訊號，可同樣設於該滑鼠主體(2〇)内部 或如本實施例所例舉之額外裝設於該滑鼠主體(2〇)上；本 實施例中，該傳輸介面(80)係為USB介面，在此僅為舉例 δ兒明，並非做為限制要件。因此該第一及一第二信號經過 以上放大電路(60)後，再由該類比/數位轉換器（7〇)轉換為 數位形式之一第一及一第二數位訊號以傳輸至該傳輸介面 (80)。 配合第三圖參照，該第一及第二數位訊號傳送至電腦 裝置(90)後，即由電腦裝置(90)中安裝的軟體處理分類成三 部分；第一部分是血氧濃度，需要推算該第一及第二光束 (301、401)穿透人體内部組織，因血壓波所導致組織舒張 和收縮而造成的光吸收度，以推算血氧飽和濃度運算；第 二部分則是快速傅立葉轉換，將脈動的時域轉成頻域且其 運鼻後的結果’需再做谱能量比（Spectrai Energy Ratio, SER)的方法來为析，第二部分則是產生心跳頻率以及運算 心率變異(heart rate variability ; HRV)。這三部分分類、運 鼻元後’再由軟體之顯不介面顯示出多項生理資訊(92， 94 ’ 96 ’ 98);該等生理資訊(92，94，96，98)的類型分別 為心跳頻率、血氧飽和濃度、自主神經活性以及心率變異 201106920 分析；本實施例中’該生理資訊_型，在此僅為舉例說 明’並非做為限制要件。其中，該生理資觸推演原理如 下： 一 ·該生理資訊(9 2 )為心跳頻率者，其係經由監測 該第一信號與該第二信號於時域上的表現，即可得知。 二.該生理資訊(94)為血氧飽和濃度者，由於血液 中帶氧血紅素以及不帶氧血紅素的比例會使人體組織 層對於光線產生不同的吸收度，進而影響該第—光束 以及該第二光束的反射強度的特性。由於該第一光束 以及該第二光束使用不同的波長，該第一信號以及該 第二信號則能夠分別在十對帶氧血紅素以及不帶氧血紅 素的比例特徵加以顯現；經由處理該第一及第二信號 而對應之第-及-第二數位訊號分別推演計算人體組 織層對於該第-光束以及該第二光束的吸收度，用以 達到偵測血氧飽和濃度之目的。 二.該生理資訊(96)為關於自主神經活性之脈搏 頻"曰刀析者，其係將该第一信號或該第二信號經由快 速傅立葉運算(fast foudef tfansfer ; FFT)，以將脈搏由 時域轉換為頻域轉辨譜(p。而Spe⑽，分解成直 原來組成的分立頻譜；再經由譜能量比(啊耐 ratio，SER(/))運算推演，其公式為娜⑺=尽⑺&⑺， ，中/為特定的頻率’ A⑺為/Hz以下综合譜的能 為/ Hz以上綜合譜的能量。因此，低頻(〇〜ι 〇Hz) 能量與高頻（10Hz以上)能量比卿〇) = ι〇〇可以做為區 201106920 別正常人與病人的指標，正常人证Λ(ι〇)值大於1⑻以 上，而病人证ζψο)則小於100。同時，由正常人证大 於100推算出正常人脈波頻譜的能量超過99 1%集中在 10Hz之前，而生病時由证Λ(1())與頻譜圖可知ι〇Ηζ以 上的頻譜能量會增加，造成10Ηζ以上頻譜的變動。 四.該生理資訊(98)為心率變異分析者，其係經由 監測每次心跳之間的間隔時間，再與正常心跳值進行 比對而得知’亦即為該第—錄或該第二信號之時域 間隔與其時域週期之差值。 — 病灶 經由上述結構，本發明所提供擷取生理資訊之電腦系 統(10)，其能夠於使用者操作滑鼠期間，以非侵入式自我 健康檢測，進-步反映使用者的身體狀態，顯示/人體的 心跳頻率、血氧飽和濃度、自主神經活性以及心率變異分 析四項數值’提供使用者交m _自讀康狀況1 否正常，相較其他產品較能提供多樣的資訊。換古之，本 發明把中醫的脈診科學化，將關得的脈搏，由·性的 振動波_傅立葉轉換後㈣轉物域，靖頻譜做分 析’告訴使用者其身體是否微恙，做為就醫的重要依據。 當身體出關題且於使騎不自覺的情形下，該電腦系統 (10)能夠根據該生理資訊並經由該電腦裝置(90)連社其他 周邊設備或裝設其聽錄體岐用麵出糾，:以盤 示使用者可能㈣問題；藉以達到讓使用者能夠及時ς 醫’或者做更進-步的檢查’用以進—步瞭解身體狀況或 201106920 綜上所陳，本發明於前述實施例中所揭露的構成元 件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效 元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

13 201106920 【圖式簡單說明】 第-圖為本發明第一較佳實施例之架構示意圖； 第二圖為本發明第一較佳實施例之電路方塊圖；’ 第三圖為本發明第一較佳實施例之動作流程圖 揭示處理裝置的運作情形； 主要 第四圖為習用可攜式血氧濃度計之裝置示意圖； _第五圖為量測人體脈動所取得之血脈波圖形，主 示週期性振動波之時域分佈； 要揭 第六圖為上述週期性振動波經傅立葉轉換後之頻域八 【主要元件符號說明】 電腦系統(10) 第一發光體(30；) 第一反射光束(302) 第二光束(401) 光感測器(50) 二階高通濾波器(61) 二階低通濾波器(65) 反相放大器(69) 傳輸介面(80) 螢幕游標(91) 生理資訊(94) 生理資訊(98) 滑鼠主體(20) 第一光束(301) 第二發光體(40) 第二反射光束(402) 放大電路(60) 增益放大器(63) 微分器(67) 類比/數位轉換器(70) 處理裝置(90) 生理資訊(92) 生理資訊(96)

Claims (1)

1. 201106920 七、申請專利範圍： 1 ·一種擷取生理資訊之電腦系統，係包含有： —滑鼠本體，歸鼠本簡由—傳輸介岭設於一電 =裝置之周邊’供使騎歸以操作該電職置之營幕游 標； 第-及-第二發光體’設於該滑鼠本體，分別產生 不同波長之一第一及一第二光束； • —光感測器，設於該滑鼠本體，用以接收與該第—及 第二光束相同波長之光並分別對應發出一第一及一 號; —15 ^ 一放大電路，電性連接該光感測器，具有一高通濾波 f、一低通舰器及-微分器，該第-及第二信號先經該 间通濾波器處理以濾除該第一及第二信號中夾帶的直流偏 壓，再經該低通濾波器處理以濾除雜訊，再由該微分器處 理出該第一及第二信號之變化量；以及， 馨類比/數位轉換器(A/D converter)，電性連接該微分 态以及該傳輸介面，用以將類比訊號轉換為與該傳輸介面 的訊號傳輸規格相符之數位訊號。 2 ·如請求項1所述擷取生理資訊之電腦系統’其中 該苐光束之波長範圍介於600nm〜700nm，該第二光束 之波長範圍介於850nm〜1 OOOnm。 3 ·如請求項1所述擷取生理資訊之電腦系統，該電 腦裝置用以顯示上述使用者之血氧飽和濃度、脈搏頻譜分 析以及心率變異分析(heart rate variability ; HRV)。 15 201106920 4 ·如凊求項3所述掏取生理#訊之電腦系統，其中 脈搏頻譜分析為將該第—數位訊號以及該第二數位訊號其 中之一者由該電腦裝置先經快速傅立_算_ — transfer;附)將時域轉換為頻域，再經由譜能量比(啊㈣ 灯恤〇 ;卿⑺)運算所得，該譜能量比為議以下 與10Hz以上之能量比。 5如°月求項3所述擷取生理資訊之電腦系統，其中 心率變異分析㈣第-數位訊妙及該第二數位訊號其中 之一者之時域間隔與其時域週期之差值。 6如°月求項1所述指負取生理資訊之電腦系統，其中 該放大電路ί有二相互*接之低通濾波器 ，設於該高通濾 波器及微刀$之間’分別用以濾除可見光雜訊及電源高頻 雜訊。 7如明求項1所述擷取生理資訊之電腦系統，其中 Α放大電路與5_比/數位轉換器設於該滑鼠主體内部。