TWI410233B - The Architecture and Method of Removing Shaking Noise Technology of Physiological Signal - Google Patents

Description

去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法

本發明隸屬一種關於生理監測的濾波技術領域，具體而言係指一種可去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法，藉以增進生理監測的準確性與使用安全性。

按，人體最基本的生命現象為腦波、肌動、心跳、血壓及呼吸，量測這些生命現象所得之參數亦為提供臨床上評估病情嚴重程度及痊癒後復原程度最直接的指標。而其中人類的心臟血管系統是由許多彼此互相作用的律動流程所控制，而最重要的即是心臟律動；且心臟本身的電位變化會經過心臟周圍的導電組織與體液反映到身體表面，所謂的「心電圖」便是運用微電極技術紀錄心臟微小電脈衝的變化所產生的心肌細胞內外電位差，由儀器放大電活動訊號描繪下的圖形，藉以瞭解心臟是否正常地運作，臨床上常以心電圖之波形診斷心臟之疾病，例如心律不整、房室阻斷及心肌梗塞等心臟疾病之最主要的工具。

而心電圖不僅使用於心臟疾病的診斷，並用於對用藥治療成效的評估，目前並廣範使用於呼吸終止症或穿帶式的生理監測系統；心電圖訊號屬於低頻範圍(0.05~100HZ)，且振幅微小僅1~10mV，因此在心電圖訊號的擷取上便需要訊號放 大器與濾波裝置，但心電圖往往會耦合各種的雜訊，包含有人體本身內在所引起之肌電訊號與呼吸干擾雜訊，而外在雜訊如交流電干擾、電磁波干擾、人體晃動雜訊等等，為了量測的準確性，雜訊之去除為必要之情事；一般去除雜訊的方法是利用已知的訊號頻譜而設計固定型的濾波器；但是當雜訊與訊號的頻譜分佈重疊在一起時，傳統的線性濾波器並沒有辦法產生有效的分離度；然，近年來可攜式的監測系統配有功能強大的權值調整裝置，因此可以將數位濾波器寫入權值調整裝置中，達到即時演算的效能。然而人體晃動雜訊的頻寬往往與生理訊號的頻寬相同，因此人體晃動雜訊是最難被濾除的雜訊。

適應性濾波器可以視為一種高通濾波器或帶拒濾器之濾波技術。這種技術主要是應用包括60赫茲的電力線干擾濾除和胎兒心電圖的測量。其他應用包括改進信號雜訊比(SNR)及使用多個導程訊號來辨識P波，或從胸部阻抗信號去除心臟所造成的干擾訊號。而Thakor和Zhu等等提出一遞迴式的適應性濾波器架構，其是利用與QRS波同步的脈衝波為輸入訊號。根據這些研究，如果測量系統能識別出雜訊源，則適應性濾波器可以從測量的訊號中萃取出純信號源。

然，適應性濾波器是一種動態的濾波器，當雜訊的特性改變時，它能追蹤雜訊而達到濾除的效果，而濾波是將信號中特定波段頻率訊號濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項 重要措施，換言之，如能提出一種可有效濾除人體晃動雜訊的方法，則將可大幅提升整體生理訊號監測的準確性，進而能保護患者的健康與安全。

有鑑於此，本案發明人乃針對前述現有人們對生理監測裝置使用時面臨人體晃動雜訊無法有效濾除的問題深入探討，並藉由多年從事相關產業的研發經驗，積極尋求解決之道，經不斷努力之研究與試作，終於成功的開發出一種去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法，藉以克服現有生理監測裝置因生理訊號中含有耦合晃動雜訊之不準確所造成的不便與困擾。

本發明之目的即在於提供一種去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法，藉以採用最小均方的演算方法，來調整適應性濾波器的權值，透過適應性濾波器可隨時間或訊號之特性而改變，可提升生理訊號監測的準確性，並能進一步促進使用者的安全。

而本發明主要係透過下列的技術手段，來具體實現前述的目的與效能；其包括有：一第一訊號接收器，其供監視人體的生理訊號，可量測的生理訊號且包含有眼動圖、心電圖、肌電圖、腦波圖及光體積變化描記等；一第二訊號接收器，其供接收人體的三軸晃動訊號，且 該第二訊號接收器包含有加速規、陀螺儀及應變規之三軸加速器；一放大器模組，其輸入端連接前述第一訊號接收器，且該放大器模組包含有正、負極之輸入的放大器、訊號放大器及輸出濾波器；一類比數位轉換器，其輸入端連接前述之放大器模組及第二訊號接收器；一乘法器，其連接前述放大器模組輸出的類比數位轉換器的輸出端和權值調整裝置的輸出端，且該乘法器接收第二訊號接收器之晃動之訊號作為參考訊號；一加法器，其連接前述乘法器之輸出端；一減法器，其連接第一訊號接收器類比數位轉換器與乘法器之輸出端；一權值調整裝置，其連接前述減法器之輸出端，該權值調整裝置具有內建最小均方演算法。用於權值調整。

其方法步驟包含有：一採用取得及記錄身體晃動的訊號；一以該晃動之訊號作為濾波之參考訊號；一採用最小均方的演算以調整濾波的權值。

藉此，透過本發明前述技術手段的展現，使得本發明能利用三軸加速器記錄身體晃動的訊號作為參考訊號源，並採用最小均方的演算法，可有效的將此演算法應用於權值調整 裝置中，有效濾除生理訊號中的晃動雜訊，而能提升整體生理監測的準確性，進而提高受測對象的使用安全性。

為使 貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之若干較佳實施例，並配合圖式詳細說明如后，同時讓熟悉該項技術領域者能夠具體實施。

本發明係一種去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法，隨附圖例示本發明去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構的具體實施例及其構件中，所有關於前與後、左與右、頂部與底部、上部與下部、以及水平與垂直的參考，僅用於方便進行描述，並非限制本發明，亦非將其構件限制於任何位置或空間方向。圖式與說明書中所指定的尺寸，當可在不離開本發明之申請專利範圍內，根據本發明之具體實施例的設計與需求而進行變化。

請參閱圖一，本發明所提供之去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法，該架構具有供接收人體之第一訊號接收器A與第二訊號接收器B，其中第一訊號接收器A可為供監視為人體之眼動圖、心電圖、肌動圖、腦波圖及光體積變化描記器(Photoplethysmograph)，而第二訊號接收器B則為包含有加速規、陀螺儀及應變規之三軸加速器，又該架構另具有一可接收第一訊號接收器A之訊號的放大器模組1，而放大器模組1內包含有正、負極之輸入放大器11、訊號放大 器12及輸出濾波器13，且放大器模組1之輸出端連接有一類比數位轉換器2，用以將第一訊號接收器A所接收之類比訊號轉換成數位訊號輸出，再者該類比數位轉換器2的輸入端並連接前述之第二訊號接收器B，供將第二訊號接收器B所接收之第二訊號接收器B的類比訊號轉換成數位訊號輸出；又前述類比數位轉換器2之輸出端連接有一乘法器3及一減法器5，其中乘法器3的輸出端並連接有一減法器5，且該減法器5的輸出，透過一具最小均方演算法(LMS)之權值調整裝置4，調整權值W ，並連接前述之乘法器3，產生出生理訊號所含的身體晃動雜訊，透過減法器5，最後可輸出有效生理監視圖7(例如眼動圖、心電圖、肌動圖及腦波圖)等等；藉此，可利用第一訊號接收器A，與第二訊號接收器B，接收人體生理和身體晃動之類比訊號，且經類比數位轉換器2轉換成數位訊號，並經乘法器3、具最小均方演算法(LMS)之權值調整裝置4及減法器5後，去除人體生理訊號中的耦合晃動雜訊，進而形成本發明之去除生理訊號中晃動雜訊之架構者。

至於本發明去除生理訊號的晃動雜訊技術之方法的實施步驟包含有一採用取得及記錄身體晃動的訊號、一以該晃動之訊號作為濾波之參考訊號及一採用最小均方的演算以調 整濾波的權值。

而其實際操作，則仍請圖一、圖二所示者，首先，採用第二訊號接收器B之三軸加速器取得及記錄使用者身體晃動時的移動性訊號；接著，以該晃動時的移動性訊號作為乘法器3之參考訊號；之後，利用具最小均方演算法(LMS)之權值調整裝置4進行演算，用來調整該權值，並將此權值給乘法器3，使其與乘法器3的輸入參考訊號做矩陣相乘，產生出生理訊號所含的身體晃動雜訊，透過減法器5，將第一訊號接收器A所記錄的生理訊號中的身體晃動雜訊去除。

本發明於實際操作的實施例如下：首先將含有晃動雜訊的生理訊號透過第一訊號接收器A輸入放大器模組1，接著輸入參考信號及透過第二訊號接收器B之三軸加速器的偏差信號；X (n )=[1,Acc _x (n ),Acc _y (n ),Acc _z (n )].................【B訊號公式】

乘法器3的被乘數是W =[w 0,w 1,w 2,w 3],乘法器3的乘數是第二訊號接收器B之三軸加速器的偏差信號X ，乘法器3的輸出是y =XW ^T .

生理訊號誤差被定義為第一訊號接收器A經過類比數位轉換器2之輸出和乘法器3輸出之間的差別，e =s +n -XW ^T ， (1)

e ² =(s +n) ² -2(s +n)XW ^T +WX ^T XW ^T 。 (2)

e ² 為生理訊號誤差能量，透過最小均方演算方法，使Eq(2)減到最小，即可以去除生理訊號所含的身體晃動訊號。

最小均方被定義作為：E [e ² ]=E [(s +n) ² ]+2E [(s +n )X ]W ^T +WE [X ^T X ]W ^T ， (3)

最小均方演算，是使Eq(3)達到最小。

根據這種方法，令下一個權值W_t+1 等於目前的權值W_t 和一種與負的坡度成正比的變化：W _{t +1} =W _t -α ▽ _t ， (4)

參數α 是調整權值W 的調整比率。誤差能量其坡度被定義為：

因此被估計的坡度被定義作為：

取代在Eq(5)的真實坡度使用這估計的坡度。利用(4)式 產生霍夫最小均方算法：W _{t +1} =W _t +2αeX ............(7)【權值調整裝置4公式】

把這個權值調整方程式嵌入具權值調整演算法之權值調整裝置4。

在實驗過程中，圖三(a)是使用於行進間的實際心電圖信號。而圖三(c)是顯示第二訊號接收器B之三軸加速器所量測的三軸信號，其中包含描述左右、前後及上下的運動，至於圖三(b)則顯示被過濾的心電信號。

透過本發明之設計，其採用適應濾波的方法去除此移動的人為雜訊，利用三軸加速器記錄身體晃動的訊號為參考訊號源，並採用最小均方的演算法，可有效的此演算法應用於具權值調整演算法的權值調整裝置4中，而能有效濾除生理訊號中的受人體晃動所產生的雜訊，而能提升整體生理監測的準確性，進而提高受測對象的使用安全性。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1‧‧‧放大器模組

11‧‧‧輸入放大器

12‧‧‧訊號放大器

13‧‧‧輸出濾波器

2‧‧‧類比數位轉換器

3‧‧‧乘法器

4‧‧‧權值調整裝置

5‧‧‧減法器

6‧‧‧有效生理監視圖

A‧‧‧第一訊號接收器

B‧‧‧第二訊號接收器

圖一為本發明去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構示意圖；圖二為本發明去除生理訊號的晃動雜訊技術架構應用於 心電圖的詳細監測示意圖；圖三(a)係顯示使用者於行進間的實際心電圖訊號之波形示意圖；圖三(b)係顯示被過濾的心電圖訊號之波形示意圖；以及圖三(c)係顯示三軸加速規所量測的三軸訊號之波形示意圖。

1‧‧‧放大器模組

11‧‧‧輸入放大器

12‧‧‧訊號放大器

13‧‧‧輸出濾波器

2‧‧‧類比數位轉換器

3‧‧‧乘法器

4‧‧‧權值調整裝置

5‧‧‧減法器

6‧‧‧加法器

7‧‧‧有效生理監視圖

A‧‧‧第一訊號接收器

B‧‧‧第二訊號接收器

Claims (1)

1. 一種去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構，其包括有：一第一訊號接收器，其供監視人體的生理訊號，可量測的生理訊號且包含有眼動圖、心電圖、肌電圖、腦波圖及光體積變化描記等；一第二訊號接收器，其供接收人體的三軸晃動訊號，且該第二訊號接收器包含有加速規、陀螺儀及應變規之三軸加速器；一放大器模組，其輸入端連接前述第一訊號接收器，且該放大器模組包含有正、負極之輸入放大器、訊號放大器及輸出濾波器；一類比數位轉換器，其輸入端連接前述之放大器模組及第二訊號接收器；一乘法器，其連接前述放大器模組輸出的類比數位轉換器的輸出端和權值調整裝置的輸出端，且該乘法器接收第二訊號接收器之晃動之訊號作為參考訊號；一加法器，其連接前述乘法器之輸出端；一減法器，其連接第一訊號接收器、類比數位轉換器與乘法器之輸出端；一權值調整裝置，其連接前述減法器之輸出端，該權值調整裝置具有內建最小均方演算法進行演算，用於調整權值； 藉此，組構成一去除生理訊號的晃動雜訊技術之架構及其方法者。