CN105982658B - 生理信息侦测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种生理信息侦测方法及装置。通过多轴加速度计来获得取样时间内的侦测信号。接着，在侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值，并且计算每两个相邻第一峰值间的第一间距，以在多个第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔。在侦测信号中每隔第二搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第二峰值。之后，通过第二峰值来获得在侦测信号中所包括的生理信息。

Description

生理信息侦测方法及装置

技术领域

本发明是有关于一种量测生理信息的方法，且特别是有关于一种利用多轴加速度计的生理信息侦测方法及装置。

背景技术

目前使用移动电子装置及穿戴式装置来量测心跳次数的技术大约分成以下三种。方法一：利用移动电子装置的后镜头。即，使用者将手指覆盖在后镜头上，系统在执行心跳量测时闪光灯的光线会直接打在手指上，通过后镜头接收到的手指影像的明暗变化来估计心跳次数。

方法二：利用手持式行动装置的前镜头。系统会侦测使用者的人脸，当侦测到人脸后，使用者必须尽量不移动，此时程序会根据人脸特定区域(region of interest，ROI)的色彩变化来估计心跳次数。

方法三：搭载了量测心跳的传感器(例如发光二极管(light emitting diode)及光电二极管(Photodiode))的移动电子装置或穿戴式装置，量测时使用者将手指覆盖在传感器上、或是将传感器覆盖在手臂的皮肤上，系统执行时会开启发光二极管，根据光电二极管接收到的光线量不同来估计心跳次数。

发明内容

本发明提供一种生理信息侦测方法及装置，利用多轴加速度来获得生理信息。

本发明的生理信息侦测方法，配合配置于使用者身上以侦测生理信息之一多轴加速度计，方法包括：通过多轴加速度计获得取样时间内的侦测信号；在侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值；计算每两个相邻第一峰值间的第一间距，以在多个第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔；在侦测信号中每隔第二搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第二峰值；以及通过第二峰值获得在侦测信号中所包括的生理信息。

本发明的生理信息侦测装置，配置于使用者身上用以侦测生理信息。上述生理信息侦测装置包括：多轴加速度计以及处理单元。处理单元耦接至多轴加速度计，且执行多个模块。上述模块包括信号取得模块、峰值侦测模块以及生理信息估计模块。信号取得模块通过多轴加速度计来获得取样时间内的侦测信号。峰值侦测模块在侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值。峰值侦测模块计算每两个相邻上述第一峰值间的第一间距，以在多个上述第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔。峰值侦测模块在上述侦测信号中每隔上述第二搜寻时间间隔进行上述峰值侦测，以获得多个第二峰值。生理信息估计模块通过上述第二峰值获得在侦测信号中所包括的生理信息。

本发明的生理信息侦测装置包括穿戴式装置以及移动电子装置。穿戴式装置配置于使用者身上用以侦测生理信息。穿戴式装置包括：在取样时间内产生加速度数据的多轴加速度计、以及耦接至多轴加速度计的第一通信单元。移动电子装置包括：第二通信单元，与第一通信单元建立连接；处理单元，耦接至第二通信单元，通过第二通信单元自穿戴式装置接收加速度数据，并且执行多个模块。上述模块包括信号取得模块、峰值侦测模以及生理信息估计模块。

基于上述，使用多轴加速度计来侦测生理信息，提供使用者一个低成本、使用简单且随时可量测生理信息的途径。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一实施例的生理信息侦测装置的方块图。

图2是依照本发明一实施例的另一生理信息侦测装置的方块图。

图3是依照本发明一实施例的生理信息侦测方法的流程图。

图4A～图4C是依照本发明一实施例的信号前置处理的示意图。

图5是依照本发明一实施例的多个第一峰值的示意图。

图6是依照本发明一实施例的多个第二峰值的示意图。

图7是依照本发明一实施例的最终侦测结果的示意图。

图8是依照本发明一实施例的另一最终侦测结果的示意图。

图9是依照本发明一实施例的又一最终侦测结果的示意图。

图10A～图10H是依照本发明一实施例的侦测呼吸次数程序的示意图。

具体实施方式

图1是依照本发明一实施例的生理信息侦测装置的方块图。请参照图1，生理信息侦测装置10例如为移动电子装置或穿戴式装置，其直接配置在使用者身上用以侦测生理信息。在本实施例中，生理信息侦测装置10包括多轴加速度计110、处理单元120以及储存单元130。处理单元120耦接至多轴加速度计110与储存单元130。

多轴加速度计110例如为三轴加速度计(或称为重力加速度计)，用以在物体运动的状态下，感测三轴(X、Y、Z)空间所产生的重力加速度(G力)，进而产生对应的加速度数据。

处理单元120例如是具有单核心或多核心的中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，或是其他可程序化之一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)或信号处理器(Signal Processor)。

储存单元130例如是任意型式的固定式或可移动式随机存取器(Random AccessMemory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存(Flash memory)、硬盘或其他类似装置或这些装置的组合，而用以储存可由处理单元120执行其功能的多个模块，包括信号取得模块140、峰值侦测模块150以及生理信息估计模块160。这些模块例如是计算机程序，可加载处理单元120用以侦测生理信息的信号处理。另外，在其他实施例中，信号取得模块140、峰值侦测模块150以及生理信息估计模块160可以分别是由多个数字逻辑门组合而成的硬件，或者信号取得模块140、峰值侦测模块150以及生理信息估计模块160也可以分别为一处理器，在此并不限制。

图2是依照本发明一实施例的一生理信息侦测装置的方块图。请参照图2，在本实施例中，生理信息侦测装置20包括穿戴式装置210以及移动电子装置220两个独立的装置，并且将与生理信息侦测装置10具有相同功能的构件标示相同的符号并省略相关说明。

穿戴式装置210包括多轴加速度计110以及第一通信单元211。移动电子装置200包括处理单元120、第二通信单元221以及储存单元130。穿戴式装置210以及移动电子装置220通过第一通信单元211以及第二通信单元221建立连接以进行沟通。第一通信单元211以及第二通信单元221例如是支持无线保真(Wireless fidelity，Wi-Fi)、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)、第三代合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)标准、蓝牙(bluetooth)等无线通信协议的无线通信模块或是支持以太网络(Ethernet)、光纤(optical fiber)或其他具备有线传输功能的有线通信模块，本发明不以此为限。

以下搭配上述生理信息侦测装置10来说明生理信息侦测方法的各步骤。而生理信息侦测装置20的工作方式亦可以此类推。

图3是依照本发明一实施例的生理信息侦测方法的流程图。请参照图1及图3，在步骤S305中，通过多轴加速度计110获得取样时间内的侦测信号。在此，侦测信号例如为多轴加速度计110所产生的加速度数据中的Z轴信号，或者为X轴信号、Y轴信号以及Z轴信号加总后的信号，可视生理信息的类别来决定欲取出的侦测信号。例如，若欲计算心跳次数，则取出Z轴信号来作为侦测信号；若欲计算呼吸次数，则取出X轴信号、Y轴信号以及Z轴信号并将此三轴信号加总作为侦测信号。

接着，在步骤S315中，峰值侦测模块150计算每两个相邻第一峰值间的第一间距，以在这些第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔。之后，在步骤S320中，峰值侦测模块150在上述侦测信号中每隔第二搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第二峰值。在此，第二搜寻时间间隔会大于第一搜寻时间间隔。通过上述步骤S315与步骤S320可以将一些不属于生理信息的峰值排除掉。之后，在步骤S325中，生理信息估计模块160通过上述第二峰值获得在侦测信号中所包括的生理信息。

以下以生理信息为心跳次数并且搭配图3来进行说明。

在此，为了提高后续计算心跳次数的准确度，在获得侦测信号的步骤(步骤S305)中，在自加速度信息中取出Z轴信号后，可先对Z轴信号执行信号前置处理，而以处理后的Z轴信号作为侦测信号。具体而言，信号取得模块140通过多轴加速度计110来获得取样时间(例如为30秒或1分钟)内的加速度信息，并自加速度信息中取出Z轴信号。之后，信号取得模块140对Z轴信号进行放大处理。例如，信号取得模块140对Z轴信号进行平方计算，藉此将强度较大的心跳信号放大。接着，信号取得模块140再对进行放大处理后的Z轴信号进行信号滤波处理，进而获得侦测信号。例如，信号取得模块140使用带通滤波器(band passfilter)来将Z轴信号中过高以及过低的频率过滤掉，只保留预设范围内的信号数据。例如，保留1～10Hz的信号数据。信号滤波处理此一步骤可以滤除低频的信号(例如为呼吸产生的波动或是轻微的移动)以及高频的振动噪声。

举例来说，图4A～图4C是依照本发明一实施例的信号前置处理的示意图。图4A为取样时间为30秒的多轴加速度计110的Z轴信号的原始数据(raw data)。图4B为对原始数据执行放大处理(平方计算)后的放大信号。图4C是利用带通滤波器对图4B的放大信号做信号滤波处理后的侦测信号。在此，横轴表示取样点数量，纵轴代表单位时间内之速度变化量。接着，峰值侦测模块150便可针对图4C所示的侦测信号来进行峰值侦测(步骤S310～S320)。

详细地说，峰值侦测模块150在侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值。图5是依照本发明一实施例的多个第一峰值的示意图。在此，峰值侦测模块150使用一个大小为200ms的侦测窗(window)，如图5虚线表示，每隔200ms即对侦测信号进行峰值侦测，以在每一个侦测窗中找出最高的峰值(即，第一峰值)。即，每200ms内寻找最高的峰值，进而获得多个第一峰值。

峰值侦测模块150在图5所示的多个第一峰值中，计算每两个相邻的第一峰值间的间距，并以所找到最大的间距值来当作第二搜寻时间间隔W1。在此，第二搜寻时间间隔例如为825ms。峰值侦测模块150另外用一个大小为825ms新的侦测窗(window)，每隔825ms对侦测信号进行峰值侦测，以在每一个侦测窗中找出最高的峰值(即，第二峰值)，如图6所示。图6是依照本发明一实施例的多个第二峰值的示意图。

上述利用两次侦测窗搜寻峰值的动作可以将一些不是心跳的小峰值排除掉。参照图5及图6，假设图5中圈选处A及圈选处B中的第一峰值并非为心跳的峰值。而在利用第一个侦测窗搜寻第一峰值之后，峰值侦测模块150会获得第二搜寻时间间隔W1，而以第二搜寻时间间隔W1在侦测信号中重新执行峰值侦测。据此，如图6所示，峰值侦测模块150便不会在圈选处A及圈选处B这两处侦测到峰值。

之后，生理信息估计模块160通过上述第二峰值获得在侦测信号中所包括的生理信息，即使用者在一分钟内的心跳次数。具体而言，生理信息估计模块160计算每两个相邻第二峰值间的第二间距，依据第二间距来判断是否要进行补偿计算。若任意两个第二间距的差皆小于一预设阈值，生理信息估计模块160直接累计上述第二峰值的总数作为心跳次数。若其中一个第二间距超过一设定间距或连续两个第二间距皆介于一预设间距范围内，对累计后的第二峰值的总数进行补偿计算。

以下举例来说明心跳次数的计算方式。图7是依照本案一实施例的最终侦测结果的示意图。图8是依照本案一实施例的另一最终侦测结果的示意图。图9是依照本案一实施例的又一最终侦测结果的示意图。图7～图9中圈选处代表所侦测到的第二峰值。

在图7中，第二峰值之间的间距都很平均，因此，生理信息估计模块160在计算出每两个相邻第二峰值间的第二间距之后，判断任意两个第二间距的差皆小于一预设阈值(例如为100ms)，进而判定任意两个第二间距的差皆小于预设阈值，便直接以第二峰值的总数作为心跳次数。任意两个第二间距的差皆小于预设阈值，其代表每两个相邻第二峰值间的间距大致相同，即第二峰值之间的间距都很平均。

在图8中，生理信息估计模块160判断每两个相邻第二峰值间的第二间距是否超过设定间距。在此，设定间距是基于第二搜寻时间间隔与一个设定常数而决定。例如，设定间距＝1.4×第二搜寻时间间隔。若其中一个第二间距(如图8的D1)超过设定间距，生理信息估计模块160对累计后的第二峰值的总数进行补偿计算，并以经由补偿计算后的值作为心跳次数。这是因为超过设定间距的第二间距中可能存在有漏算的属于心跳的峰值，以取样时间30秒而言，将累计后的第二峰值的总数加1之后，再依据取样时间的设定来计算一分钟内的心跳次数。即，将累计后的第二峰值的总数加1之后再乘上2(因取样时间为30秒)。

在图9中，生理信息估计模块160判断各第二间距是否在预设间距范围内。在此，预设间距范围的上限值与下限值是基于第二搜寻时间间隔与第一常数及第二常数而决定。例如，预设间距范围为1.1×第二搜寻时间间隔～1.4×第二搜寻时间间隔。若连续两个第二间距(如图9的第二间距D2、D3)皆介于预设间距范围内，生理信息估计模块160对累计后的第二峰值的总数进行补偿计算，以经由补偿计算后的值作为心跳次数。

若连续两个第二间距D2、D3皆超过预设间距范围，表示第二峰值P1可能不属于心跳所产生的峰值，而在连续两个第二间距距D2、D3之间可能存在有漏算的其他两个属于心跳的峰值。但是误算了一个心跳的峰值，故将累计后的第二峰值的总数加1，即减1(误算的一个)再加2(漏算的两个)之后，再依据取样时间的设定来计算一分钟内的心跳次数。即，将累计后的第二峰值的总数加1之后再乘上2(因取样时间为30秒)。

除了计算心跳次数之外，还可利用生理信息侦测装置10来计算呼吸次数。以下以生理信息为呼吸次数并且搭配图3来进行说明。

参照图1，信号取得模块140通过多轴加速度计110来获得取样时间内的X轴信号、Y轴信号以及Z轴信号之后，将上述X轴信号、Y轴信号以及Z轴信号相加而获得侦测信号。

图10A～图10H是依照本发明一实施例的侦测呼吸次数程序的示意图。在此，横轴表示取样点数量，纵轴代表单位时间内之速度变化量。图10A为X轴信号，图10B为Y轴信号，图10C为Z轴信号。信号取得模块140在自多轴加速度计110获得图10A～图10C的X、Y、Z轴信号后，信号取得模块140将X、Y、Z轴信号加总而获得图10D所示的侦测信号。

而为了提高后续计算呼吸次数的准确度，信号取得模块140还可先对侦测信号执行信号前置处理。由于属于呼吸的信号会隐藏在较低频的部分，因此，信号取得模块140使用低通滤波器(low pass filter)对侦测信号进行过滤，以保留较低频的信号(例如为0～1Hz)。经过低通滤波器后而获得如图10E所示的低通滤波后的加总信号。然后，信号取得模块140再利用平均滤波器(mean filter)对图10E所示的低通滤波后的侦测信号进行平滑化处理而获得如图10F所示的平滑化后的侦测信号。

之后，峰值侦测模块150以图10F的侦测信号来进行峰值侦测。在此，峰值侦测模块150先使用一个小的侦测窗来找出图10F的侦测信号中的第一峰值。例如，假设取样频率为250笔/秒，则将侦测窗的大小初始设定为125笔(250×0.5＝125)取样点，表示每125笔资料为一个侦测窗。而峰值侦测模块150则于每一侦测窗中进行峰值侦测，依序找出每125笔取样点中的最大峰值(即，多个第一峰值)，如图10G所示。

然后，峰值侦测模块150在图10G所示的多个第一峰值中去计算每两个相邻的第一峰值间的间距(第一间距)后，以所找到最大的间距值来当作第二搜寻时间间隔W2(新的侦测窗)。接着，峰值侦测模块150以第二搜寻时间间隔W2来重新执行峰值，而获得如图10H所示的第二峰值。之后，生理信息估计模块160通过上述第二峰值来计算使用者在一分钟内的呼吸次数。而呼吸次数的补偿计算如同于上述心跳计算，可参照图7～图9的说明，在此不再重述。

另外，上述各步骤亦可实施在生理信息侦测装置20中，由穿戴式装置210通过第一通信单元211将加速度数据传送至移动电子装置220，而由移动电子装置220来执行上述各步骤。

综上所述，本发明利用多轴加速度计(例如重力加速度计)获得生理信息(例如：心跳次数或呼吸次数)。另外，重力加速度计是目前移动电子装置中必备的传感器，因此不需要增加额外的成本，且在机构设计上，亦不需要配置额外空间来放置重力加速度计。

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，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种生理信息侦测方法，配合配置于使用者身上以侦测生理信息的多轴加速度计，其特征在于，其中上述方法包括：

通过上述多轴加速度计获得取样时间内的侦测信号；

在上述侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值；

计算每两个相邻上述第一峰值间的第一间距，以在多个上述第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔；

在上述侦测信号中每隔上述第二搜寻时间间隔进行上述峰值侦测，以获得多个第二峰值；以及

通过上述第二峰值获得在上述侦测信号中所包括的上述生理信息。

2.根据权利要求1所述的生理信息侦测方法，其特征在于，其中通过上述第二峰值来获得在上述侦测信号中所包括的上述生理信息的步骤包括：

计算每两个相邻上述第二峰值间的第二间距；以及

若任意两个上述第二间距的差皆小于预设阈值，直接累计上述第二峰值的总数作为上述生理信息。

3.根据权利要求1所述的生理信息侦测方法，其特征在于，其中通过上述第二峰值来获得在上述侦测信号中所包括的上述生理信息的步骤包括：

计算每两个相邻上述第二峰值间的第二间距；

判断多个上述第二间距是否超过设定间距，其中上述设定间距是基于上述第二搜寻时间间隔与设定常数而决定；以及

若上述第二间距其中一个超过上述设定间距，对累计后的上述第二峰值的总数进行补偿计算，以经由上述补偿计算后的值作为上述生理信息。

4.根据权利要求1所述的生理信息侦测方法，其特征在于，其中藉由上述第二峰值来获得在上述侦测信号中所包括的上述生理信息的步骤包括：

计算每两个相邻上述第二峰值间的第二间距；

判断多个上述第二间距是否在预设间距范围内，其中上述预设间距范围的上限值与下限值是基于上述第二搜寻时间间隔与第一常数及第二常数而决定；以及

若连续两个上述第二间距皆介于上述预设间距范围内，对累计后的上述第二峰值的总数进行补偿计算，以经由上述补偿计算后的值作为上述生理信息。

5.根据权利要求1所述的生理信息侦测方法，其特征在于，其中通过上述多轴加速度计获得上述取样时间内的上述侦测信号的步骤包括：

通过上述多轴加速度计来获得上述取样时间内的加速度信息；

自上述加速度信息中取出Z轴信号；

对上述Z轴信号进行放大处理；以及

对进行放大处理后的上述Z轴信号进行信号滤波处理，进而获得上述侦测信号。

6.根据权利要求1所述的生理信息侦测方法，其特征在于，其中通过上述多轴加速度计获得上述取样时间内的上述侦测信号的步骤包括：

通过上述多轴加速度计来获得在上述取样时间内的X轴信号、Y轴信号以及Z轴信号；

将上述X轴信号、上述Y轴信号以及上述Z轴信号相加而获得上述侦测信号。

7.根据权利要求1所述的生理信息侦测方法，其特征在于，其中上述生理信息为心跳次数或呼吸次数。

8.一种生理信息侦测装置，配置于使用者身上用以侦测生理信息，其特征在于，其中上述生理信息侦测装置包括：

多轴加速度计；以及

处理单元，耦接至上述多轴加速度计，执行多个模块，上述模块包括：

信号取得模块，通过多轴加速度计来获得取样时间内的侦测信号；

峰值侦测模块，在上述侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值；计算每两个相邻上述第一峰值间的第一间距，以在多个上述第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔；在上述侦测信号中每隔上述第二搜寻时间间隔进行上述峰值侦测，以获得多个第二峰值；以及

生理信息估计模块，通过上述第二峰值获得在上述侦测信号中所包括的上述生理信息。

9.根据权利要求8所述的生理信息侦测装置，其特征在于，其中上述生理信息估计模块计算每两个相邻上述第二峰值间的第二间距，若任意两个上述第二间距的差皆小于预设阈值，上述生理信息估计模块直接累计上述第二峰值的总数作为上述生理信息。

10.根据权利要求8所述的生理信息侦测装置，其特征在于，其中上述生理信息估计模块计算每两个相邻上述第二峰值间的第二间距，并且判断多个上述第二间距是否超过设定间距，其中上述设定间距是基于上述第二搜寻时间间隔与设定常数而决定；若上述第二间距其中一个超过上述设定间距，上述生理信息估计模块对累计后的上述第二峰值的总数进行补偿计算，以经由上述补偿计算后的值作为上述生理信息。

11.根据权利要求8所述的生理信息侦测装置，其特征在于，其中上述生理信息估计模块计算每两个相邻上述第二峰值间的第二间距，并且判断多个上述第二间距是否在预设间距范围内，其中上述预设间距范围的上限值与下限值是基于上述第二搜寻时间间隔与第一常数及第二常数而决定；若连续两个上述第二间距皆介于上述预设间距范围内，上述生理信息估计模块对累计后的上述第二峰值的总数进行补偿计算，以经由上述补偿计算后的值作为上述生理信息。

12.根据权利要求8所述的生理信息侦测装置，其特征在于，其中上述信号取得模块通过上述多轴加速度计来获得上述取样时间内的加速度信息，并自上述加速度信息中取出Z轴信号后，对上述Z轴信号进行放大处理，以及对进行放大处理后的上述Z轴信号进行信号滤波处理，进而获得上述侦测信号。

13.根据权利要求8所述的生理信息侦测装置，其特征在于，其中上述信号取得模块通过上述多轴加速度计来获得上述取样时间内的加速度信息，并自上述加速度信息中取出X轴信号、Y轴信号以及Z轴信号，并且将上述X轴信号、上述Y轴信号以及上述Z轴信号相加而获得上述侦测信号。

14.一种生理信息侦测装置，其特征在于，包括：

穿戴式装置，配置于使用者身上用以侦测生理信息，包括：

多轴加速度计，在取样时间内产生加速度数据；以及

第一通信单元，耦接至上述多轴加速度计；以及

移动电子装置，包括：

第二通信单元，与上述第一通信单元建立连接；

处理单元，耦接至上述第二通信单元，通过上述第二通信单元自上述穿戴式装置接收上述加速度数据，并且执行多个模块，上述模块包括：

信号取得模块，自上述加速度数据中获得侦测信号；

峰值侦测模块，在上述侦测信号中每隔第一搜寻时间间隔进行峰值侦测，以获得多个第一峰值；计算每两个相邻上述第一峰值间的第一间距，以在多个上述第一间距中取出最大值作为第二搜寻时间间隔；在上述侦测信号中每隔上述第二搜寻时间间隔进行上述峰值侦测，以获得多个第二峰值；以及

生理信息估计模块，通过上述第二峰值获得在上述侦测信号中所包括的上述生理信息。