生理讯号的测量处理装置 【技术领域】
本发明是有关于一种生理讯号的测量处理装置,尤指一种根据讯号特征值以处理多个生理讯号的测量处理装置。
背景技术
由于生物医学工程(Biomedical Engineering)的快速发展,各种先进生理检测装置被不断地被改良,并配合集成电路的讯号处理功能以精确地测量分析生理讯号。然而,人体生理讯号包含血氧(Blood Oxygen)讯号、血压(Blood Pressure)讯号、心电图(Electrocardiograph,ECG)讯号、眼压(Ocular Pressure)讯号、血糖(Blood Sugar)讯号、及其它各种生理讯号等,所以就要使用各种生理检测装置以检测不同种类的生理讯号。通常生理检测装置所产生的原始生理讯号是模拟生理讯号,因此要借助模拟至数字转换器将模拟生理讯号转换为数字生理讯号,其后才可进行数字讯号处理以精确分析生理讯号。
一般而言,模拟至数字转换器执行模拟至数字转换程序时,需要高低偏压作为转换参考电平。然而,不同模拟生理讯号的电压摆幅范围差异可能相当显著,譬如血压讯号的电压摆幅可达到数伏特的电压范围,而血氧讯号的电压摆幅则只有约百毫伏特的电压范围,所以传统上就要使用不同的模拟至数字转换器配合不同的高低偏压以分别执行血压讯号及血氧讯号的模拟至数字转换程序,如此会增加测量处理装置的成本,而测量过程的耗电量也会显著增加。
此外,若要使用单一讯号处理器以执行不同生理讯号的分析处理,则需另提供多任务装置以执行分时多任务处理,用以周期性地配置多任务时槽(Time Slot)至每一生理讯号。然而,以血压讯号为例,除非血压讯号的测量进行至收缩压(Systolic Pressure)与舒张压(Diastolic Pressure)之间,否则在其它时间的血压讯号是没有检测参考的必要,至于在收缩压与舒张压之间的血压讯号则有必要持续检测。因此,传统周期性多任务时槽配置模式可能会浪费部分多任务时槽以检测不必要的讯号,而当任一生理讯号需要在专属重要时段内进行连续性的讯号检测时,则可能会因所分配到的多任务时槽并没有涵盖此专属重要时段而漏失部分重要讯号。另外,由于目前便携式电子装置的多功能整合已蔚为流行,所以为了方便用户测量个人生理讯号,将生理讯号测量处理装置整合于便携式电子装置(譬如手机或笔记型计算机)已是时下所趋,但便携式电子装置的供应电源容量相当有限,因此如何提供一种可精确测量多生理讯号的高效率省电型测量处理装置已是当务之急。
【发明内容】
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种生理讯号的测量处理装置,用来根据讯号特征值以进行多个生理讯号的测量处理。此测量处理装置包含多任务装置及模拟至数字转换模块。多任务装置是用以接收多个生理讯号及输出多任务讯号,并根据第一控制讯号以配置每一生理讯号相对应的多任务密度,其中第一控制讯号是根据该多个生理讯号的特征值所产生。模拟至数字转换模块耦合于多任务装置以接收多任务讯号,模拟至数字转换模块根据第二控制讯号调整至少一偏压讯号,用以将多任务讯号转换为数字多任务讯号,其中第二控制讯号是根据该多个生理讯号的多个电压摆幅范围所产生,而且第二控制讯号是同步于第一控制讯号。
具体来说,该生理讯号的测量处理装置包含:一多任务装置,用以接收多个生理讯号并输出一多任务讯号,该多任务装置根据一第一控制讯号以配置该多个生理讯号的每一生理讯号的一对应多任务密度;其中该第一控制讯号是根据该多个生理讯号的特征值所产生。
上述方案中,该测量处理装置还包含:多个生理检测元件,耦合于该多任务装置,每一生理检测元件是用来执行一对应生理测量程序以产生该多个生理讯号的一对应生理讯号。
上述方案中,该测量处理装置还包含:多个前级放大器,每一前级放大器耦合于该多个生理检测元件的一对应生理检测元件与该多任务装置之间,用以执行该多个生理讯号的一对应生理讯号的讯号放大处理。
上述方案中,该测量处理装置还包含:一模拟至数字转换模块,耦合于该多任务装置以接收该多任务讯号,该模拟至数字转换模块根据一第二控制讯号调整至少一偏压讯号,用以将该多任务讯号转换为一数字多任务讯号;其中该第二控制讯号是根据该多个生理讯号的多个电压摆幅范围所产生,且该第二控制讯号同步于该第一控制讯号。
上述方案中,该模拟至数字转换模块包含:
一第一偏压提供单元,用以提供多个第一偏压;
一第一偏压选择器,耦合于该第一偏压提供单元,用以根据该第二控制讯号从该些第一偏压选择一对应第一偏压;以及
一模拟至数字转换器,耦合于该多任务装置以接收该多任务讯号,并耦合于该第一偏压选择器以接收该对应第一偏压,该模拟至数字转换器根据该对应第一偏压将该多任务讯号转换为该数字多任务讯号。
上述方案中,该模拟至数字转换模块还包含:
一第二偏压提供单元,用以提供多个第二偏压;以及
一第二偏压选择器,耦合于该第二偏压提供单元与该模拟至数字转换器之间,用以根据该第二控制讯号从该多个第二偏压选择一对应第二偏压,并将该对应第二偏压馈入至该模拟至数字转换器;
其中该模拟至数字转换器根据该对应第一偏压及该对应第二偏压将该多任务讯号转换为该数字多任务讯号。
上述方案中,该测量处理装置还包含:一缓冲放大器,耦合于该多任务装置与该模拟至数字转换器之间,用以对该多任务讯号执行讯号放大处理,或用以提高该多任务讯号的驱动能力。
上述方案中,该多任务装置另接收一感测讯号,该测量处理装置还包含:一感测元件,耦合于该多任务装置,用来执行一感测程序以产生该感测讯号;其中该多任务装置根据该第一控制讯号另配置该感测讯号的一多任务密度,该第一控制讯号是根据该多个生理讯号的特征值及该感测讯号的特征值所产生,该第二控制讯号是根据该多个生理讯号的该多个电压摆幅范围及该感测讯号的一电压摆幅范围所产生。
上述方案中,该测量处理装置还包含:一感测讯号放大器,耦合于该多任务装置与该感测元件之间,用以对该感测讯号执行讯号放大处理。
上述方案中,该测量处理装置还包含:一控制讯号产生器,耦合于该多任务装置及该模拟至数字转换模块,用以根据该多个生理讯号的特征值及该感测讯号的特征值产生该第一控制讯号,并根据该多个生理讯号的该多个电压摆幅范围及该感测讯号的该电压摆幅范围产生该第二控制讯号。
上述方案中,该测量处理装置还包含:一控制讯号产生器,耦合于该多任务装置及该模拟至数字转换模块,用以根据该多个生理讯号的特征值产生该第一控制讯号,并根据该多个生理讯号的该多个电压摆幅范围产生该第二控制讯号。
上述方案中,该测量处理装置还包含:一讯号处理模块,耦合于该模拟至数字转换模块,用以执行该数字多任务讯号的讯号分析处理。
上述方案中,该讯号处理模块包含:
一讯号分析单元,用以执行该数字多任务讯号的讯号分析处理;以及
一存储器,用以储存该数字多任务讯号。
上述方案中,该讯号处理模块包含:
一讯号分析单元,用以执行该数字多任务讯号的讯号分析处理;
一编码压缩单元,用来对该数字多任务讯号执行编码压缩处理以产生一编码压缩讯号;
一译码解压缩单元,用来对该编码压缩讯号执行译码解压缩处理以还原该数字多任务讯号;以及
一存储器,用以储存该编码压缩讯号。
【附图说明】
图1为使用于本发明测量处理装置的多任务装置。
图2为图1的多任务装置执行多任务时槽配置的示意图。
图3为本发明第一实施例生理讯号的测量处理装置的功能方块示意图。
图4为本发明第二实施例生理讯号的测量处理装置的功能方块示意图。
图5为本发明第三实施例生理讯号地测量处理装置的功能方块示意图。
【主要元件符号说明】
110、310 多任务装置
300、400、500 测量处理装置
301_1-301_N 生理检测元件
301_X 感测元件
305_1-305_N 前级放大器
305_X 感测讯号放大器
315 缓冲放大器
320 模拟至数字转换模块
330 模拟至数字转换器
331 第一偏压选择器
332 第二偏压选择器
333 第一偏压提供单元
334 第二偏压提供单元
350 控制讯号产生器
360 讯号处理模块
365 讯号分析单元
370 存储器
375 编码压缩单元
380 译码解压缩单元
385 登入单元
Sct 控制讯号
Sct1 第一控制讯号
Sct2 第二控制讯号
Sd1-SdN、Si1-SiN 生理讯号
SiX 感测讯号
Sdmul 数字多任务讯号
Smul 多任务讯号
Scuff 血压讯号
SECG 心电图讯号
SPO2 血氧讯号
ΔTcuff 检测血压讯号的时槽
ΔTECG 检测心电图讯号的时槽
ΔTPO2、ΔTX1、ΔTX2 检测血氧讯号的时槽
【具体实施方式】
为让本发明更显而易懂,下文依本发明生理讯号的测量处理装置,特举实施例配合所附图式作详细说明,但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。
请参考图1,图1为使用于本发明测量处理装置的多任务装置。如图1所示,多任务装置110是用以接收多个生理讯号Sd1、Sd2、Sd3-SdN,N为大于1的整数,并根据控制讯号Sct控制多个生理讯号Sd1-SdN的输出时序而产生多任务讯号Smul。在一实施例中,多个生理讯号Sd1-SdN是在预定分时多任务周期(Time Division Multiplex Cycle)中被依序输出,而控制讯号Sct则用以根据每一生理讯号的特征值配置相对应的多任务时槽,即分时多任务周期被分为多个多任务时槽,且每一多任务时槽的时间长度是由相对应生理讯号的特征值所决定,所以多任务讯号Smul在分时多任务周期内包含被依序输出的多个生理讯号Sd1-SdN。
在另一实施例中,多任务装置110是根据控制讯号Sct以配置多个多任务密度(Multiplex Density)至多个生理讯号Sd1-SdN,其中每一多任务密度是用以控制相对应生理讯号的输出时间密度,多任务密度越高表示对应生理讯号的输出时间密度越高,而每一生理讯号的相对应多任务密度是由其特征值所决定,所以在此实施例中,并不需设定分时多任务周期。举例而言,当生理讯号Si1的多任务密度为零时,表示生理讯号Si1是在无效状态,因此中止生理讯号Si1的输出以避免不必要的讯号检测。当生理讯号Si3的多任务密度为满标值时,表示正在生理讯号Si3的专属重要时段,若无其它生理讯号的多任务密度也为满标值,则持续输出生理讯号Si3以进行重要讯号检测,用以避免漏失部分重要讯号。但若有多个生理讯号的多任务密度同时为满标值时,则可将输出时间密度平均配置给具满标值多任务密度的多个生理讯号,或另可设定每一生理讯号的优先权值(Priority),再根据多个优先权值的相对比例关系以配置多个相对应输出时间密度给具满标值多任务密度的多个生理讯号。
请参考图2,图2是图1的多任务装置执行多任务时槽配置的示意图,其中ΔTECG表示被配置以检测心电图讯号SECG的时槽,ΔTcuff表示被配置以检测血压讯号Scuff的时槽,ΔTPO2表示被配置以检测血氧讯号SPO2的时槽。图2显示图1的生理讯号Sd1是心电图讯号SECG,生理讯号Sd2是血压讯号Scuff,生理讯号Sd3是血氧讯号SPO2。心电图讯号SECG的特征值QRS是用以定义QRS封包(QRS envelop),即心电图讯号SECG的心脏运作数据主要是由QRS封包所提供,所以心电图讯号SECG的检测应以QRS封包为主,但因QRS封包基本上是周期性地出现,且短时间内,各封包的差异度通常不大,所以在QRS封包出现的时段内可赋予较高的多任务密度或较长的多任务时槽,但没有必要赋予满标值的多任务密度,而多任务时槽则只要能涵盖QRS封包即可。血压讯号Scuff的特征值为收缩压与舒张压,所以血压讯号Scuff的检测应以介于收缩压与舒张压之间的快速变动讯号为主,即应检测图2所示介于时间Tsp与Tdp之间的血压讯号Scuff,所以可将介于时间Tsp与Tdp之间的快速变动血压讯号Scuff定义为有效血压讯号,另可将介于时间Tsp与Tdp之间的时段定义为血压讯号Scuff的专属重要时段ΔTsd,而在血压讯号Scuff的专属重要时段ΔTsd以外的血压讯号Scuff则为无效讯号。因此,在血压讯号Scuff的专属重要时段ΔTsd以外的时间,可将血压讯号Scuff的多任务密度设为零,而在血压讯号Scuff的专属重要时段ΔTsd内,则可将血压讯号Scuff的多任务密度设为满标值,或将血压讯号Scuff的多任务时槽设为从时间Tsp持续至时间Tdp的血压讯号专属时槽(Dedicated Time Slot)。在另一实施例中,于时段ΔTsd内,只赋予血压讯号Scuff较高的多任务密度或较长的多任务时槽,亦即,仍保留预设比例的输出时间密度或多任务时槽以检测其它生理讯号。
血氧讯号SPO2较不具周期性,而且也没有明确定义的专属重要时段以识别重要讯号部分,所以可将具高变化率的血氧讯号SPO2定义为其特征值,即可在血氧讯号SPO2的高变化率时段,赋予较高的多任务密度或较长的多任务时槽,而在血氧讯号SPO2的低变化率时段,则赋予较低的多任务密度或较短的多任务时槽,甚致可在血氧讯号SPO2的微量变化时段,赋予零多任务密度或不配置多任务时槽。请继续参考图2,在血压讯号Scuff的专属重要时段ΔTsd内,如上所述,几乎只配置血压讯号专属时槽ΔTcuff,但在血压讯号Scuff的专属重要时段ΔTsd以外,则不配置任何检测血压讯号Scuff的时槽ΔTcuff。检测心电图讯号SECG的时槽ΔTECG主要对应于QRS封包,而在QRS封包以外,则几乎不配置检测心电图讯号SECG的时槽ΔTECG,所以除非被其它生理讯号的专属时槽优先配置,检测心电图讯号SECG的时槽ΔTECG几乎是周期性地被配置。检测血氧讯号SPO2的时槽ΔTPO2的长短则基本上配合血氧讯号SPO2的变化率,譬如时槽ΔTX1较短是因其对应于血氧讯号SPO2的低变化率持续时段,而时槽ΔTX2较长则因其对应于血氧讯号SPO2的高变化率持续时段。
请参考图3,图3为本发明第一实施例生理讯号的测量处理装置的功能方块示意图。如图3所示,测量处理装置300包含多任务装置310及模拟至数字转换模块320。多任务装置310是用以接收多个生理讯号Si1、Si2、Si3-SiN,并根据第一控制讯号Sct1以控制多个生理讯号Si1-SiN输出而产生多任务讯号Smul,多任务装置310的运作功能是同于图1的多任务装置110的运作功能,所以不再赘述。模拟至数字转换模块320包含模拟至数字转换器330、第一偏压选择器331、第一偏压提供单元333、第二偏压选择器332、以及第二偏压提供单元334。
第一偏压提供单元333提供多个第一偏压,第一偏压选择器331根据第二控制讯号Sct2从第一偏压提供单元333所提供的多个第一偏压中,选出相对应的第一偏压,并将被选出的第一偏压馈入至模拟至数字转换器330。第二偏压提供单元334提供多个第二偏压,第二偏压选择器332根据第二控制讯号Sct2从第二偏压提供单元334所提供的多个第二偏压中,选出相对应的第二偏压,并将被选出的第二偏压馈入至模拟至数字转换器330。模拟至数字转换器330是用来对多任务讯号Smul执行模拟至数字转换程序以产生数字多任务讯号Sdmul,由于不同生理讯号的电压摆幅范围差异可能相当显著,所以就利用第二控制讯号Sct2根据不同生理讯号的电压摆幅范围以选出适当的第一偏压及第二偏压作为模拟至数字转换所需的高低参考电压。譬如在执行血压讯号的模拟至数字转换时,第二控制讯号Sct2是根据血压讯号的电压摆幅范围(约数伏特)以选出相对应的第一偏压及第二偏压,而在执行血氧讯号的模拟至数字转换时,第二控制讯号Sct2则根据血氧讯号的电压摆幅范围(约数百毫伏特)以选出相对应的第一偏压及第二偏压。
由上述可知,本发明测量处理装置300的功能虽然包含处理多个不同生理讯号的模拟至数字转换处理,但只需提供单一模拟至数字转换器330,所以可显著降低生产成本,并可减少测量过程的耗电量。此外,多任务装置310根据生理讯号特征值以弹性配置检测生理讯号的多任务时槽或多任务密度,则可提供高效率的生理讯号检测程序。因此,具简化架构及低耗电量的测量处理装置300特别适合内建于便携式电子装置,譬如移动手机(Mobile Phone)、个人数字助理(Personal Digital Assistant,PDA)、笔记本计算机(Notebook Computer)、或掌上型计算机(Pocket PersonalComputer)。
请参考图4,图4为本发明第二实施例生理讯号的测量处理装置的功能方块示意图。如图4所示,测量处理装置400包含多任务装置310、模拟至数字转换模块320、多个前级放大器305_1-305_N、多个生理检测元件301_1-301_N、缓冲放大器315、以及控制讯号产生器350。多任务装置310及模拟至数字转换模块320的功能同上所述。
多个生理检测元件301_1-301_N是用来执行各种生理测量程序以产生多个原始生理讯号。举例而言,生理检测元件301_1可以是血氧检测器,用来执行血氧检测程序以产生原始血氧讯号,生理检测元件301_2可以是眼压检测器,用来执行眼压检测程序以产生眼压讯号,生理检测元件301_3可以是血压检测器,用来执行血压检测程序以产生血压讯号。多个前级放大器305_1-305_N分别耦合于多个生理检测元件301_1-301_N与多任务装置310之间,用来对多个原始生理讯号执行讯号放大处理以产生多个生理讯号Si1、Si2、Si3-SiN,每一前级放大器可根据对应原始生理讯号的电压摆幅范围而设定专属讯号放大因子。譬如对血压讯号而言,可使用低讯号放大因子的前级放大器,至于对血氧讯号而言,则可使用高讯号放大因子的前级放大器。缓冲放大器315是用以对多任务讯号Smul执行讯号放大处理,或用以提高多任务讯号Smul的驱动能力。控制讯号产生器350是用以根据多个生理讯号Si1-SiN的多个特征值以产生第一控制讯号Sct1及第二控制讯号Sct2,第一控制讯号Sct1及第二控制讯号Sct2是同步讯号。譬如当第一控制讯号Sct1控制多任务装置310以传输生理讯号Si1时,第二控制讯号Sct2则同步控制模拟至数字转换模块320,使第一偏压选择器331及第二偏压选择器332分别从第一偏压提供单元333及第二偏压提供单元334选择相对应于生理讯号Si1的第一偏压及第二偏压,而模拟至数字转换器330即可根据被选出的第一偏压及第二偏压对生理讯号Si1执行最佳的模拟至数字转换处理。
此外,如图4所示,测量处理装置400另可包含感测元件301_X及感测讯号放大器305_X。感测元件301_X是用来检测非生理讯号以产生原始感测讯号,感测讯号放大器305_X则执行原始感测讯号的讯号放大处理以产生感测讯号SiX。感测元件301_X可为影像感测元件(Image SensingDevice),而感测讯号SiX即为影像感测讯号。所以,第一控制讯号Sct1另根据感测讯号SiX的特征值以配置相对应的多任务密度或多任务时槽,而第二控制讯号Sct2则另根据感测讯号SiX的电压摆幅范围以选择相对应的第一偏压及第二偏压,使模拟至数字转换器330可对感测讯号SiX执行最佳的模拟至数字转换处理。
同理,本发明测量处理装置400只使用单一模拟至数字转换器330,所以可显著降低生产成本,并可减少测量过程的耗电量。此外,检测生理讯号及/或非生理讯号的多任务时槽或多任务密度的弹性配置处理则可提供高效率的讯号检测程序。因此,具简化架构及低耗电量的测量处理装置400系可方便整合于移动手机、个人数字助理、笔记本计算机、或掌上型计算机等便携式电子装置。
请参考图5,图5为本发明第三实施例生理讯号的测量处理装置的功能方块示意图。如图5所示,测量处理装置500包含多任务装置310、模拟至数字转换模块320、多个前级放大器305_1-305_N、多个生理检测元件301_1-301_N、缓冲放大器315、控制讯号产生器350、感测元件301_X、感测讯号放大器305_X、以及讯号处理模块360。除了讯号处理模块360外,其余组成元件的功能同上所述。讯号处理模块360包含讯号分析单元365、存储器370、编码压缩单元375、译码解压缩单元380、及登入单元385。讯号分析单元365是用以执行数字多任务讯号Sdmul的相关讯号分析处理,譬如根据血压讯号的收缩压及舒张压分析是否有高血压(Hypertension)或低血压(Hypotension),或根据心电图讯号分析是否有心律不整(Arrhythmia)现象。
编码压缩单元375执行数字多任务讯号Sdmul的编码压缩处理以产生编码压缩讯号,用以节省储存空间并兼具数据保密功能。存储器370是用以储存编码压缩讯号或直接储存数字多任务讯号Sdmul,存储器370是非易失性存储器(Nonvolatile Memory),譬如电可擦写可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM)或闪存(Flash Memory)。译码解压缩单元380执行编码压缩讯号的译码解压缩处理以还原数字多任务讯号Sdmul。登入单元385是用来根据预设的安全规则决定用户对编码压缩单元375及译码解压缩单元380的执行权限,譬如当用户输入登入单元385的登入数据符合安全规则时,讯号处理模块360即允许用户使用编码压缩单元375及译码解压缩单元380以执行编码压缩处理及译码解压缩处理。对高权限用户而言,可赋予所有储存数据的译码解压缩执行权,对低权限用户而言,则只赋予限定数据的译码解压缩执行权。
同理,本发明测量处理装置500只使用单一模拟至数字转换器330,所以可显著降低生产成本,并可减少测量过程的耗电量,而检测生理讯号及/或非生理讯号的多任务时槽或多任务密度的弹性配置处理则可提供高效率的讯号检测程序。此外,测量处理装置500提供额外的安全机制以储存测量数据,并兼具压缩解压缩处理功能以节省储存空间。因此,具简化架构及低耗电量的测量处理装置500可方便整合于移动手机、个人数字助理、笔记本计算机、或掌上型计算机等便携式电子装置。
虽然本发明已以实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何具有本发明所属技术领域的通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种更动与润饰,因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的范围为准。