TWI635852B - 應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法 - Google Patents
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Abstract
一種應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,包括:設置複數感測器於滑鼠的背殼上方;利用這些感測器來感測手掌不同部位的脈搏變化而各自產生一感測訊號;利用一微處理器執行一演算法將這些感測訊號處理為一混合波形,並且依據混合波形來計算使用者之一心率值。上述的演算法是對每一感測訊號進行波峰偵測。若感測訊號被偵測到一波峰,則調高其權重;否則調低其權重。再依據調整後的權重,對這些感測訊號進行加權平均計算,以得到混合波形。本發明的方法能有效提升偵測到心率的機率,並能有效穩定訊號的品質,減少心率值計算的錯誤率。
Description
本發明與一種偵測脈搏的訊號的處理方法有關,特別是與一種以多感測器偵測手掌脈搏的光體積變化描述訊號處理方法有關。
傳統上,醫界評估心臟功能的方法是藉由心電圖(Electrocardiogram;ECG)測得使用者的心率或是心臟活動狀態。也有使用心率變異度(Heart Rate Variability,HRV)以推測使用者的心理壓力變化。但隨著全球人口高齡化,未來居家用的保健醫療器材需要更簡易的操作方式,且儀器的體積也需要更輕巧方便。因此光體積變化描述訊號(Photoplethysmography signal,下文簡稱為PPG訊號)已被應用於手環、手錶等穿戴式裝置中,用以取代傳統的心電圖量測方法。PPG訊號能取得動脈與血流量的資訊,具有非侵入式、容易操作與無耗材等特性,可取代心電圖之不足,並適合未來遠距醫療監測與居家護理,實現對心血管疾病的早期診斷和預防。
習知利用PPG訊號來取得心率值的過程大致可分為三階段:一、PPG訊號的量測;二、PPG訊號的優化(去除雜訊,取得計算心率值的依據);三、利用心率演算法根據優化後的PPG訊號計算出心率值(擷取波峰及/或波
谷)。
在PPG訊號的量測方面,大多數的穿戴式裝置是使用單一顆含有發光二極體(light emitting diode,LED)或光電二極體(photodiode)的感測器,例如:將單一感測器置於有線滑鼠的左側邊量測手指的脈波與血管收縮變化,量測時受測者必須調整手部的姿勢使手指接觸感測器位置以進行量測。此外,亦有文獻使用多感測器進行PPG訊號的量測,例如:以三種不同波長的四通道感測器進行PPG訊號的量測;或是以兩個陣列式感測器置於手環上,用以量測手腕不同位置的PPG訊號。
以感測器取得的PPG訊號一般會再經過雜訊處理使訊號優化,才能做為後續計算心率值的依據。例如:以三軸加速度計的整合設計來降低移動雜訊的影響;或是使用粒子濾波(particle filter)的方法來消除移動雜訊。此外,有些文獻是以特定的演算法在多通道的訊號中選出訊號品質較好的數個通道作為後續計算的依據。
為了配合不同偵測及優化方法所取得的PPG訊號來計算心率值,不同的文獻也各自提出其適合的心率演算法。例如:以一RPD(robust peak detection)演算法來擷取PPG訊號的波峰與波谷以計算心率值。
綜上所述,單一通道的PPG訊號品質較為不穩定且量測部位受限。對於多通道的PPG訊號,習知技術是從多個不同通道的訊號中選擇一或數個通道做為後續計算心率值的依據。然而,同一通道的訊號在不同時間點的訊號品質可能落差甚大,將會造成選擇上的困難。有鑑於此,多通道PPG訊號的處理方法仍有改善空間。
本發明之一目的在於提供一種應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,其能有效提升偵測到心率的機率,並能有效穩定訊號的品質,減少心率值計算的錯誤率。
為了達到上述目的,本發明提供一種應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,包括:設置複數感測器於一滑鼠的背殼上方,以供一使用者以一手掌覆蓋這些感測器;利用這些感測器來感測手掌不同部位的脈搏變化而各自產生一感測訊號;利用一微處理器執行一演算法將這些感測訊號處理為一混合波形,依據混合波形來計算使用者之一心率值;以及微處理器將混合波形及心率值輸出至一顯示介面。上述的演算法包括:對每一感測訊號設定一權重,並進行一波峰偵測流程;若感測訊號被偵測到一波峰,則調高其權重;若感測訊號未被偵測到一波峰,則調低其權重;以及依據每一感測訊號的調整後權重,對這些感測訊號進行加權平均計算,以得到混合波形。
在一實施例中,波峰偵測流程包括一動態閾值設定方法,以供判斷感測訊號之一取樣點與其前一波峰的時間差是否合理,其步驟包括:根據取樣點的前兩波峰之間的時間差,決定一時間上限及一時間下限;以及若取樣點與其前一波峰的時間差落入時間上限及時間下限之間,則利用微處理器計算取樣點的一斜率值。
前述的動態閾值設定方法還包括:提供一斜率閾值及一旗標;比較斜率值與斜率閾值的大小;若斜率值大於斜率閾值,則將旗標設定為真;以及在旗標為真時,判斷斜率值為負或等於零;在旗標為真時,若斜率值為負或等於零,則紀錄一波峰位置,並將緩衝儲存器中的一最大斜率值乘以一
斜率判斷常數,以計算一新的斜率閾值。
在一實施例中,每一感測訊號的調整後權重最小值為1,且其最大值為20。
經由上述的方法將不同的PPG通道的感測訊號先混合處理來形成計算心率值所用的波形,所得到的混合波形其穩定度高於個別的PPG通道的感測訊號,再藉由動態設定的斜率閾值來進行波峰偵測,以提升心率值的準確度。
10‧‧‧滑鼠
12‧‧‧滑鼠的背殼
100‧‧‧訊號處理系統
110a,110b,110c及110d‧‧‧PPG感測器
120‧‧‧類比電路
130‧‧‧微處理器
140‧‧‧無線傳輸模組
SA1,SA2,SA3,SA4‧‧‧(類比)感測訊號
122a,122b,122c,122d‧‧‧隨耦器
124a,124b,124c,124d‧‧‧帶通濾波器
126‧‧‧可程式增益放大器
130‧‧‧微處理器
140,240‧‧‧無線傳輸模組
S1,S2,S3,S4‧‧‧(數位)感測訊號
Wf‧‧‧混合波形
HR‧‧‧心率值
200‧‧‧顯示介面
S310~S350‧‧‧訊號處理流程的步驟
S332~S336‧‧‧演算法步驟
S3321~S3330‧‧‧波峰偵測流程的步驟
X n‧‧‧取樣點
S n-1‧‧‧取樣點之前一波形中所偵測到的最大斜率值
P n-1,P n-2‧‧‧波峰
PPI n-1 ‧‧‧兩波峰之間的時間差
PPI n ‧‧‧取樣點與其前一波峰之間的時間差
圖1A是本發明之一實施例的訊號處理系統架構示意圖。
圖1B是將多感測器設置於滑鼠背殼的示意圖。
圖2是本發明之一實施例的訊號處理流程示意圖。
圖3是本發明之一實施例的波峰偵測流程示意圖。
圖4為本發明之一實施例的動態閾值設定方法示意圖。
圖5為本發明之一實施例中各取樣點的權重分配情形。
圖6為一受試者手握本發明之一實施例的滑鼠快速水平移動時的各種感測訊號波形比較結果。
圖7為一受試者手握本發明之一實施例的滑鼠瀏覽及點擊動作時的各種感測訊號波形比較結果。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。以下實施例中所提
到的方向用語,例如:上、下、左、右、前或後等,僅是用於參照隨附圖式的方向。因此,該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。
圖1A是本發明之一實施例的訊號處理系統架構示意圖,其適合執行本發明之應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法。訊號處理系統100設置於一滑鼠10上,並包括多顆PPG感測器110a,110b,110c及110d、一類比電路120、一微處理器130及一無線傳輸模組140。
如圖1B,PPG感測器110a,110b,110c及110d設置於滑鼠10的背殼12上表面的不同位置。當一使用者以其手掌覆蓋滑鼠10的背殼12時,這些PPG感測器110a,110b,110c及110d可以檢測使用者手掌血管因為脈搏產生的變化,而各自產生一類比感測訊號SA1,SA2,SA3,SA4。類比電路120設置於滑鼠10內部,包括多個隨耦器122a,122b,122c及122d、多個帶通濾波器124a,124b,124c及124d與一可程式增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)126。每一PPG感測器110a(或110b,110c,110d)的類比感測訊號SA1(或SA2,SA3,SA4)經過隨耦器122a(或122b,122c,122d)及帶通濾波器124a(或124b,124c,124d)處理後輸入可程式增益放大器126。可程式增益放大器126以多工的方式將帶通濾波器124a,124b,124c及124d傳來的所有類比感測訊號SA1,SA2,SA3,SA4的增益放大,再經過一類比至數位轉換器128將增益放大後的類比感測訊號SA1,SA2,SA3,SA4轉換成數位感測訊號S1,S2,S3,S4,再傳至微處理器130執行如圖2所示的訊號處理流程,藉此進行波形混合處理。
微處理器130及無線傳輸模組140亦設置於滑鼠10內部。微處理器130將這些數位感測訊號S1,S2,S3,S4進行波形混合處理而得到一混合波形Wf,並且據此混合波形Wf計算心率值HR。混合波形Wf及心率值HR藉由無線
傳輸模組140及240傳至一顯示介面200而顯示出相關的畫面。實務上,在微處理器130與可程式增益放大器126之間可以用一串列週邊介面(Serial Peripheral Interface,SPI)來連接;在微處理器130與多個PPG感測器110a,110b,110c及110d之間可以用一積體電路匯流排(Inter-Integrated Circuit,I2C)來連接。
圖2為微處理器130中的訊號處理流程示意圖。微處理器130接收來自類比至數位轉換器128處理後的數位感測訊號S1,S2,S3,S4(步驟S310),再對這些數位感測訊號S1,S2,S3,S4進行數位濾波(步驟S320)。接著,微處理器130執行一演算法(步驟S330)將數位濾波後的數位感測訊號S1,S2,S3,S4處理為一穩定且品質好的混合波形Wf。根據此混合波形Wf計算出一心率值HR(步驟S340),再以顯示介面200顯示混合波形Wf及心率值HR(步驟S350)。
圖3至圖5更詳細地說明本發明的演算法(步驟S330)。將四顆感測器110a,110b,110c及110d通道所收集到的數位感測訊號S1,S2,S3,S4依照訊號品質分配不同的權重,品質最好的訊號將得到最大的權重。加權平均演算法(步驟S330)的步驟包括:在同一時間區間內,對這些數位感測訊號S1,S2,S3,S4分別進行一波峰偵測流程(步驟S332);若數位感測訊號S1,S2,S3或S4被偵測到一波峰,則調高該數位感測訊號的權重;若數位感測訊號S1,S2,S3或S4未被偵測到一波峰,則調低該數位感測訊號的權重(步驟S334);以及依據每一數位感測訊號S1,S2,S3及S4的調整後權重,對這些數位感測訊號S1,S2,S3或S4進行加權平均計算後得到混合波形Wf(步驟S336)。此演算法能放大四個通道的感測訊號中品質最佳、次佳的訊號比重,降低訊號品質較差的訊號比重,所得到的混合波形比單一感測器的訊號波形以及四個感測訊號權重相等時的混合波形穩定,依據本發明的方法得到的混合波形來計算心率值,可以得到更穩
定且準確的計算結果。
圖3更詳細地說明本發明之一實施例的波峰偵測流程(步驟S332)。微處理器130是利用此波峰偵測流程來判斷每一個數位感測訊號S1,S2,S3,S4的品質。首先,將一欲量測的目標波形進行微分處理得到斜率值(步驟S3321)。利用此斜率值以及一動態閾值設定方法(adaptive thresholding)進行波峰偵測。當波峰偵測開始時,先提供一旗標(Flag),預設值為偽(False)。一開始判斷此旗標的預設值是否為真(True)(步驟S3322)。若旗標的預設值不為真,則比較該斜率值與一斜率閾值的大小(步驟S3323)。若該斜率值大於該斜率閾值,將旗標更新為真(步驟S3324),繼續判斷下一筆資料(步驟S3330)。若步驟S3322已判斷旗標為真,則再判斷斜率值是否為負或等於零(步驟S3326)。若該斜率值大於零,則將該斜率值儲存於一緩衝儲存器(Buffer)(步驟S3325)。若旗標設定為真(True)且斜率值為負或等於零,代表斜率值由大於斜率閾值的狀態轉變為零或負,代表偵測到一波峰,此時將旗標改成偽(False)並紀錄波峰位置(步驟S3327)。接著,根據儲存於緩衝儲存器中的一最大斜率值來計算出一新的斜率閾值(步驟S3328)。最後,清除緩衝區(步驟S3329)並重新進行波峰偵測,繼續判斷下一筆資料(步驟S3330)。
在圖3所示的波峰偵測流程中,當斜率值由大於斜率閾值的狀態轉變為零或負,代表在該目標波形中的一取樣點可能偵測到一新的波峰,若該取樣點與前一波峰的時間差在一合理時間範圍內時,則此新的波峰被確認。為了達成本實施例的波峰偵測,需先決定一時間閾值,並設定一斜率閾值。為此,本發明提供一種動態設定此時間閾值及斜率閾值的方法。
圖4為時間閾值及斜率閾值的動態設定方法示意圖。示意圖的橫
軸是時間,緃軸是波形的振幅(單位:Volt)。時間閾值包含一時間上限及一時間下限,其決定方法以下式(1)及(2)表示:PPI L =PPI n-1×(C L ) (1)
PPI H =PPI n-1×(C H ) (2)
式(1)及(2)中,PPI n-1 為取樣點X n的前兩波峰P n-1與P n-2之間的時間差,C L (%)與C H (%)分別為用以調整時間上限PPI H 及一時間下限PPI L 的常數(C H >C L )。
斜率閾值是將儲存於緩衝儲存器中的該最大斜率值乘以一斜率判斷常數,其決定方法以下式(3)表示:T n =S n-1×(C T ) (3)
式(3)中,T n為第n個斜率閾值,S n-1為前一波形中(即n-1)偵測到的最大斜率值,C T(%)為斜率判斷常數。
如此,微處理器130根據一取樣點X n的前兩波峰P n-1與P n-2之間的時間差PPI n-1 ,決定時間上限PPI H 及時間下限PPI L ;若取樣點X n與其前一波峰P n-1的時間差PPI n 落入時間上限PPI H 及時間下限PPI L 之間,則進行圖3的波峰偵測流程以計算該取樣點X n的一斜率值。
如步驟S334,微處理器130再依照先前波峰偵測所判斷出的訊號品質來調整每一個數位感測訊號S1,S2,S3,S4的權重。對於有偵測到波峰的訊號,增加其權重W[n];對於未偵測到波峰的訊號,降低其權重W[n]。具體的權重調整方法以下式(4)表示,其中α為任意常數:
圖5顯示各取樣點n的權重W[n]分配情形。此一實施例中,各感測器通道的感測訊號S1,S2,S3,S4初始權重皆為1,α設為2。在第1取樣點(n=1)偵測到第一感測訊號S1有波峰,因此將其權重增加為3。在第2取樣點(n=2)偵測到第一感測訊號S1有第二個波峰,因此再將訊號S1權重增加為5;同時偵測到第二感測訊號S2有波峰,因此再將第二感測訊號S2權重增加為3。在第3取樣點(n=3)偵測到第一感測訊號S1有第三個波峰,因此再將第一感測訊號S1權重增加為7;但此時第二感測訊號S2未偵測到波峰,因此將第二感測訊號S2權重降低為1。在每個取樣點n,各感測訊號S1~S4權重依此類推。
如步驟S336,最後以本發明之演算法的計算公式(5)來求得混合波形,公式(5)如下:
其中,W i [n]為第i個通道各取樣點n分配的權重,此權重會受到前一個取樣點n-1的訊號品質影響;乘以此取樣點n的訊號S i [n]即為依照訊號品質調整的訊號大小,當訊號品質愈好,得到的權重愈大,以確保訊號品質的穩定;最後得到的S mix [n]即為各取樣點n經過本發明之演算法的輸出結果。
圖6為一受試者手握設有圖1A的訊號處理系統100的滑鼠10快速水平移動時,將各個通道(PPG Channel 1~Channel 4)訊號的波形、經過算術平均演算法(Avg.)及本發明的加權平均演算法(Weighted Avg.)所獲得混合訊號波形Wf的波峰與心電圖訊號(Reference ECG)波形的R波相比較的結果。這些波形的緃軸標示ADC value為經過類比至數位轉換後的值。由波峰數量及相鄰兩波峰之間的時間間隔來比較,可以看出經由加權平均演算法得到的混合波形
Wf的波峰與心電圖訊號波形的R波數量吻合的程度最高。相較於各個單一通道的訊號及算術平均演算所得的混合訊號,經過加權平均演算法所得到的混合波形具有更高的訊號穩定度。藉由動態設定的時間閾值與斜率閾值來協助波峰偵測,可提升心率值計算的準確度。
圖7為一受試者手握設有圖1A的訊號處理系統100的滑鼠10做瀏覽及點擊動作時,將各個通道(PPG Channel 1~Channel 4)訊號的波形、經過平均演算法(Avg.)及加權平均演算法(Weighted Avg.)所獲得混合訊號波形Wf的波峰與心電圖訊號(Reference ECG)波形的R波相比較的結果。最下方為滑鼠點擊紀錄圖。由PPG Channel 1依序至PPG Channel 4的訊號,發現瀏覽或點擊的動作會造成訊號不穩定,而經由加權平均演算法混和的波形卻能有效穩定訊號的品質,因而可減少波峰偵測的錯誤率。
本發明的方法能有效提升偵測到心率的機率,並可得到相較於單一通道的訊號品質更穩定的混合波形,能提高訊號的可用性與可靠性,從而降低使用滑鼠工作時產生的移動雜訊的影響,故可提升心率值計算的準確率。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外,摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用,並非用來限制本發明之權利範圍。
Claims (5)
- 一種應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,包括:設置複數感測器於一滑鼠的背殼上方,以供一使用者以一手掌覆蓋該等感測器;利用該等感測器來感測該手掌不同部位的脈搏變化而各自產生一感測訊號;提供一波峰偵測流程,在複數取樣點對每一該感測訊號分別進行波峰偵測,其中該等取樣點包括一當前取樣點與其前一取樣點;利用一微處理器執行一演算法,其中該演算法包括:若該感測訊號在該當前取樣點被偵測到一波峰,則將其在該前一取樣點所設定的權重加上一數值,以得到一新權重;若該感測訊號在該當前取樣點未被偵測到一波峰,則將其在該前一取樣點所設定的權重減去該數值,以得到該新權重;以及依據每一該感測訊號的該新權重,對該等感測訊號進行加權平均計算,以將該等感測訊號處理為一混合波形;依據該混合波形來計算該使用者之一心率值;以及微處理器將該混合波形及該心率值輸出至一顯示介面。
- 如申請專利範圍第1項所述的應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,其中該波峰偵測流程包括一動態閾值設定方法,以供判斷該感測訊號之該當前取樣點與其前一波峰的時間差是否合理,其步驟包括: 根據該當前取樣點的前兩波峰之間的時間差,決定一時間上限及一時間下限;以及若該當前取樣點與其前一波峰的時間差落入該時間上限及該時間下限之間,則利用該微處理器計算該當前取樣點的一斜率值。
- 如申請專利範圍第2項所述的應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,其中該動態閾值設定方法還包括:提供一斜率閾值及一旗標;比較該斜率值與該斜率閾值的大小;若該斜率值大於該斜率閾值,則將該旗標設定為真;在該旗標為真時,判斷該斜率值為負或等於零;以及在該旗標為真時,若該斜率值為負或等於零,則紀錄一波峰位置,並將該緩衝儲存器中的一最大斜率值用於計算一新的斜率閾值。
- 如申請專利範圍第3項所述的應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,其中計算該新的斜率閾值的步驟包括:將該緩衝儲存器中的該最大斜率值乘以一斜率判斷常數。
- 如申請專利範圍第4項所述的應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法,其中每一該感測訊號的該新權重之最小值為1,且其最大值為20。
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TW106119367A TWI635852B (zh) | 2017-06-09 | 2017-06-09 | 應用於多感測器偵測手掌脈搏的訊號處理方法 |
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TWI687203B (zh) * | 2019-09-03 | 2020-03-11 | 緯創資通股份有限公司 | 適應性生理資訊偵測方法與系統 |
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2017
- 2017-06-09 TW TW106119367A patent/TWI635852B/zh not_active IP Right Cessation
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