CN108209885A - 生理信号测量方法及生理信号测量装置 - Google Patents

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陈诚
陈一诚
潘信宏
王荣豪
简仁德
鄞盟松
庄俊德
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Abstract

生理信号测量方法及生理信号测量装置。生理信号测量方法包括以下步骤：分别以一第一输入信号、一第二输入信号及一第三输入信号输入至一皮肤上的至少二电极片。第一输入信号具有一第一频率，第二输入信号具有一第二频率，第三输入信号具有一第三频率。分别测量对应于第一输入信号、第二输入信号及第三输入信号的一第一阻抗值、一第二阻抗值及一第三阻抗值。依据第一频率、第二频率、第三频率、第一阻抗值、第二阻抗值及第三阻抗值，获得此些电极片与皮肤之间的一干扰阻抗。依据干扰阻抗，校正一测量生理信号，以获得一已校正生理信号。

Description

生理信号测量方法及生理信号测量装置
技术领域
本公开涉及一种生理信号测量方法及生理信号测量装置。
背景技术
随着科技的发展，发展出一种生理信号测量装置。生理信号测量装置可以测量待测者的呼吸、心率等信息。随着健康概念的普及，生理信号测量装置已广泛使用于医疗院所及家庭。然而，生理信号测量装置容易受到电极片与皮肤之间的接触状态影响，而降低生理信号的准确性与稳定性。尤其是在织物电极的使用或是在待测者有较大动作的情况下，干扰更为严重。
发明内容
本公开有关于一种生理信号测量方法及生理信号测量装置。
根据本公开的一实施例，提出一种生理信号测量方法。生理信号测量方法包括以下步骤：分别以一第一输入信号、一第二输入信号及一第三输入信号输入至一皮肤上的至少二电极片。第一输入信号具有一第一频率，第二输入信号具有一第二频率，第三输入信号具有一第三频率。分别测量对应于第一输入信号、第二输入信号及第三输入信号的此些电极片与皮肤之间的一第一阻抗值、一第二阻抗值及一第三阻抗值。依据第一频率、第二频率、第三频率、第一阻抗值、第二阻抗值及第三阻抗值，获得此些电极片与皮肤之间的一干扰阻抗。测量皮肤的一测量生理信号。依据干扰阻抗，校正测量生理信号，以获得一已校正生理信号。
根据本公开的一实施例，提出一种生理信号测量装置。生理信号测量装置包括至少二电极片、一信号输入单元、一阻抗测量单元、一运算单元、一生理测量单元及一信号处理单元。电极片用以贴附于一皮肤上。信号输入单元用以分别输入一第一输入信号、一第二输入信号及一第三输入信号至此些电极片。第一输入信号具有一第一频率，第二输入信号具有一第二频率，第三输入信号具有一第三频率。阻抗测量单元用以分别测量对应于第一输入信号、第二输入信号及第三输入信号的此些电极片与皮肤之间的一第一阻抗值、一第二阻抗值及一第三阻抗值。运算单元用以依据第一频率、第二频率、第三频率、第一阻抗值、第二阻抗值及第三阻抗值，获得此些电极片与皮肤之间的一干扰阻抗。生理测量单元用以测量皮肤的一测量生理信号。信号处理单元用以依据干扰阻抗，校正测量生理信号，以获得一已校正生理信号。
为了对本公开的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示生理信号测量装置的示意图。
图2绘示根据一实施例的干扰阻抗的电路图。
图3绘示干扰阻抗的等效电路模型。
图4绘示干扰阻抗的简化的等效电路模型。
图5绘示根据一实施例的生理信号测量装置的方块图。
图6绘示根据一实施例的生理信号测量方法的流程图。
图7绘示根据另一实施例的生理信号测量装置的方块图。
图8绘示采用本实施例的快速解析法所获得的干扰阻抗的结果图。
图9绘示去除干扰阻抗的心电信号(ECG signal)的结果图。
【符号说明】
100、100’：生理信号测量装置
110、120：电极片
130：信号输入单元
140：阻抗测量单元
150：运算单元
160：生理测量单元
170：信号处理单元
171：放大器
180：切换单元
910：皮肤
C1、C2、C3、C4：曲线
Cd、Cd1、Cd2：等效电容
PW：P波
Rd、Rd1、Rd2、Ri、Rs、Rs1、Rs2、Rt：等效电阻
RW：R波
S1：第一输入信号
S2：第二输入信号
S3：第三输入信号S110、S111、S112、S113、S120、S121、S122、S123、S130、S140、S150：流程步骤
TW：T波
V0(ω)：体内生理信号
V1(ω)：测量生理信号
V2(ω)：已校正生理信号
ω1：第一频率
ω2：第二频率
ω3：第三频率
Z1：第一阻抗值
Z2：第二阻抗值
Z3：第三阻抗值
Z(ω)：干扰阻抗
具体实施方式
请参照图1，其绘示生理信号测量装置100的示意图。生理信号测量装置100可以利用至少二电极片110、120测量待测者的生理信号，例如是呼吸信号、心率信号或体脂率信号。在操作时，需将电极片110、120贴附于待测者的皮肤910上。然而，在测量过程中，电极片110、120与皮肤910之间可能产生接口的干扰，而影响测量的准确性与稳定性。
请参照图2，其绘示根据一实施例的干扰阻抗Z(ω)的电路图。体内生理信号V0(ω)经过电极片110、120与皮肤910传输至放大器171后，所测量到的是受到电极片110、120与皮肤910的接口干扰的测量生理信号V1(ω)。ω为频率。本实施例可经由分析处理程序估算出干扰阻抗Z(ω)，并依据干扰阻抗Z(ω)，对测量生理信号V1(ω)进行校正，以获得已校正生理信号V2(ω)。所获得的已校正生理信号V2(ω)接近于实际的体内生理信号V0(ω)，大幅提高测量的精准度与稳定性。
干扰阻抗Z(ω)为频率的函数。若逐点输入所有频率的信号，可逐点测量到干扰阻抗Z(ω)的值，并绘出干扰阻抗Z(ω)的曲线。然而，此作法相当耗时，且必须离线进行，无法施作于穿戴式装置上。以下提出一种快速解析法，其通过输入对应于三种频率的三个输入信号即可得出干扰阻抗Z(ω)的函数。
请参照图3，其绘示干扰阻抗Z(ω)的等效电路模型。体内生理信号V0(ω)与放大器171之间存在干扰阻抗Z(ω)。放大器171的阻抗为Ri。研究人员发现，体内生理信号V0(ω)与测量生理信号V1(ω)的关系如下式(1)。
因此，根据上式(1)，若能得到干扰阻抗Z(ω)，即可得出体内生理信号V0(ω)。
如图3所示，干扰阻抗Z(ω)包含皮肤组织的等效电阻Rt、导电胶与汗液的等效电阻Rs1、Rs2、皮肤与电极片110、120的电荷传输的等效电阻Rd1、Rd2及、皮肤与电极片110、120之间的等效电容Cd1、Cd2。
一般来说，两电极片110、120的选用多会是相同厂牌型号，以减少测量误差，因此在电极片110、120为相同的情形下，可以将图3的等效电路模型简化，而得到图4的等效电路模型。此外，在另一实施例中，生理信号测量装置100可包含至少二个以上的电极片，即生理信号V0(ω)可通过至少两个以上的电极片来进行测量，在此情形下，可选择任意二电极片来进行干扰阻抗Z(ω)的测量，并不此为限。图4的干扰阻抗Z(ω)包含汗液与导电胶的等效电阻Rs、皮肤与电极片110、120的电荷传输的等效电阻Rd、及皮肤与电极片110、120之间的等效电容Cd。其中，RS1＝RS2＝RS，Rd1＝Rd2＝Rd，Cd1＝Cd2＝Cd，另外皮肤组织的等效电阻Rt可以并入等效电阻Rs中。
干扰阻抗Z(ω)与等效电阻Rd、Rs及等效电容Cd之间的关系如下式(2)。
干扰阻抗Z(ω)的实部项为下式(3)的Re(Z(ω))。
令Rd为y，且Cd 2Rd 2为x。Re(Z(ω))可简化为下式(4)。
分别输入第一频率ω1、第二频率ω2、第三频率ω3的第一输入信号S1(绘示于图5)、第二输入信号S2(绘示于图5)及第三输入信号S3(绘示于图5)，可以得到第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3。第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3表示如下式(5)。
令A1为第二阻抗值Z2减去第一阻抗值Z1，且A2为第三阻抗值Z3减去第一阻抗值Z1。A1及A2可表示为下式(6)。
根据上式(6)，y可表示为下式(7)及下式(8)。
令a1为且b1为且c1为且a2为且b2为且c2为y可表示为下式(9)。
上式(9)的第一式与第二式相减后可以得到下式(10)。
(a1-a2)x2+(b1-b2)x+(c1-c2)＝0……………………(10)
上式(10)求解x可得下式(11)。
根据上式(9)及y的定义，等效电阻Rd可表示为下式(12)。
其中，x可带入上式(11)。
根据x的定义，等效电容Cd可表示为下式(13)。
其中，式(13)中的x可以上式(11)带入。
根据上式(3)，等效电阻Rs可表示为下式(14)。
在求得等效电阻Rd、Rs及等效电容Cd的上式(12)～(14)中，a1、b1、c1、a2、b2、c2均可由第一频率ω1、第二频率ω2、第三频率ω3、第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3求得。因此，只要获得第一频率ω1、第二频率ω2、第三频率ω3、第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3即可求得等效电阻Rd、Rs及等效电容Cd，并进一步根据上式(2)求得干扰阻抗Z(ω)。另外可以参考上述公式推导方式，利用阻抗虚部项也可以推导得到等效电阻Rd、Rs及等效电容Cd，进而同样获得干扰阻抗Z(ω)，在此就不详细推导。
请参照图5，其绘示根据一实施例的生理信号测量装置100的方块图。生理信号测量装置100包括上述的二电极片110、120、一信号输入单元130、一阻抗测量单元140、一运算单元150、一生理测量单元160及一信号处理单元170。电极片110、120例如是一软性导电贴片、一织物电极、一金属接垫、或一金属握把。电极片110、120用以贴附于皮肤910(绘示于图1)上。信号输入单元130、阻抗测量单元140及生理测量单元160例如是一电路、一芯片、或一电路板。在本实例中，阻抗测量单元140与生理测量单元160共用同一组电极片110、120。运算单元150及信号处理单元170例如是一电路、一芯片、一电路板、或存储数组程序代码的记录装置。以下更搭配一流程图详细说明上述各项元件的运作。
请参照图6，其绘示根据一实施例的生理信号测量方法的流程图。在步骤S110中，信号输入单元130分别依据不同的第一频率ω1、第二频率ω2、第三频率ω3经由信号输入单元130输入第一输入信号S1、第二输入信号S2及第三输入信号S3至皮肤上的其中一电极片110或120(即步骤S111、S112及S113)。其中，第一输入信号S1具有第一频率ω1、第二输入信号S2具有第二频率ω2及第三输入信号S3具有第三频率ω3。在一实施例中，第一频率ω1小于0.5Hz，第三频率ω3介于150Hz至200Hz之间，第二频率ω2为第一频率ω1及该第三频率ω3的平均值。
在一实施例中，第一输入信号S1、第二输入信号S2及第三输入信号S3可以皆为一交流电信号。在另一实施例中，频率较低的第一输入信号S1可以是一直流电信号。
在步骤S120中，阻抗测量单元140分别测量对应于第一输入信号S1、第二输入信号S2及第三输入信号S3的电极片110、120与皮肤910之间的第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2及第三阻抗值Z3(即步骤S121、S122及S123)。
在一实施例中，先执行输入第一输入信号S1的步骤S111及测量第一阻抗值的步骤S121，再执行输入第二输入信号S2的步骤S112及测量第二阻抗值的步骤S122，然后再执行输入第三输入信号S3的步骤S113及测量第三阻抗值的步骤S123。要注意的是，步骤S110、S120中，输入第一输入信号S1、第二输入信号S2及第三输入信号S3并无执行的优先顺序，而是在输入信号输入至信号输入单元130后，先测量在该频率下的阻抗值，之后再进行另一输入信号的阻抗测量。
接着，在步骤S130中，运算单元150依据第一频率ω1、第二频率ω2、第三频率ω3、第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3，获得电极片110、120与皮肤910之间的干扰阻抗Z(ω)。
然后，在步骤S140中，生理测量单元160测量皮肤910的测量生理信号V1(ω)。
接着，在步骤S150中，信号处理单元170依据干扰阻抗Z(ω)，校正测量生理信号V1(ω)，以获得已校正生理信号V2(ω)。接着，信号处理单元170可对已校正生理信号V2(ω)进行反傅立叶变换(inverse Fourier transform)，以获得信号时域波形。
在一实施例中，步骤S110至步骤S150可依序反复的执行，即由步骤S110开始至步骤S150结束后，再次重新执行步骤S110以更新干扰阻抗Z(ω)并校正测量生理信号V1(ω)。在另一实施例中，当完成一次步骤S110至步骤S150的流程后，反复执行步骤S140与步骤S150来校正测量生理信号V1(ω)，此时会沿用最近一次计算的干扰阻抗Z(ω)进行校正，待执行一段时间后，才又回到步骤S110来更新干扰阻抗Z(ω)。
在一实施例中，阻抗测量单元140及生理测量单元160可以直接连接于电极片110，以使测量第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3的步骤S120与测量测量生理信号V1(ω)的步骤S140可以同时执行。
请参照图7，其绘示根据另一实施例的生理信号测量装置100’的方块图。在另一实施例中，生理信号测量装置100’可以还包括一切换单元180。切换单元180可以切换电极片110、120电性连接于阻抗测量单元140或生理测量单元160，以使测量第一阻抗值Z1、第二阻抗值Z2、第三阻抗值Z3的步骤S120与测量测量生理信号V1(ω)的步骤S140可以分开执行。
请参照图8，其绘示采用本实施例的快速解析法所获得的干扰阻抗Z(ω)的结果图。以仪器实际测量干扰阻抗Z(ω)呈现于曲线C1，采用本实施例的快速解析法所获得的干扰阻抗Z(ω)呈现于曲线C2。从曲线C1与曲线C2的比较可以得知，两者的差距在5％之内，精确度相当的高。
请参照图9，其绘示去除干扰阻抗Z(ω)的心电信号(ECG signal)的结果图。未去除干扰阻抗Z(ω)的心电信号为曲线C3，已去除干扰阻抗Z(ω)的心电信号为曲线C4。从两者比较可以发现，曲线C4可以让R波RW提升13％，T波TW提升15％，P波PW提升18％。如此一来，能够有效提升生理信号的信号强度，增加数据处理的准确性。
综上所述，虽然本公开已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本公开。本公开所属技术领域的技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本公开的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (16)

1.一种生理信号测量方法，其特征在于该生理信号测量方法包括：
分别以第一输入信号、第二输入信号及第三输入信号输入至皮肤上的至少二电极片，该第一输入信号具有第一频率，该第二输入信号具有第二频率，该第三输入信号具有第三频率；
分别测量对应于该第一输入信号、该第二输入信号及该第三输入信号的这些电极片与该皮肤之间的第一阻抗值、第二阻抗值及第三阻抗值；
依据该第一频率、该第二频率、该第三频率、该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值，获得这些电极片与该皮肤之间的干扰阻抗；
测量该皮肤的测量生理信号；以及
依据该干扰阻抗，校正该测量生理信号，以获得已校正生理信号。
2.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中该第一频率、该第二频率及该第三频率不同。
3.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中该第一频率小于0.5Hz，该第三频率介于150Hz至200Hz之间，该第二频率为该第一频率及该第三频率的平均值。
4.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中该第一输入信号、该第二输入信号及该第三输入信号皆为交流电信号。
5.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中该第一输入信号为直流电信号，该第二输入信号及该第三输入信号皆为交流电信号。
6.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中测量该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值的步骤以及测量该测量生理信号的步骤共用同一组这些电极片。
7.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中测量该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值的步骤与测量该测量生理信号的步骤分开执行。
8.如权利要求1所述的生理信号测量方法，其中测量该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值的步骤与测量该测量生理信号的步骤同时执行。
9.一种生理信号测量装置，其特征在于该生理信号测量装置包括：
至少二电极片，用以贴附于皮肤上；
信号输入单元，用以分别输入第一输入信号、第二输入信号及第三输入信号至这些电极片，该第一输入信号具有第一频率，该第二输入信号具有第二频率，该第三输入信号具有第三频率；
阻抗测量单元，用以分别测量对应于该第一输入信号、该第二输入信号及该第三输入信号的这些电极片与该皮肤之间的第一阻抗值、第二阻抗值及第三阻抗值；
运算单元，用以依据该第一频率、该第二频率、该第三频率、该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值，获得这些电极片与该皮肤之间的干扰阻抗；
生理测量单元，用以测量该皮肤的测量生理信号；以及
信号处理单元，用以依据该干扰阻抗，校正该测量生理信号，以获得已校正生理信号。
10.如权利要求9所述的生理信号测量装置，其中该第一频率、该第二频率及该第三频率不同。
11.如权利要求9所述的生理信号测量装置，其中该第一频率小于0.5Hz，该第三频率介于150Hz至200Hz之间，该第二频率为该第一频率及该第三频率的平均值。
12.如权利要求9所述的生理信号测量装置，其中该第一输入信号、该第二输入信号及该第三输入信号皆为交流电信号。
13.如权利要求9所述的生理信号测量装置，其中该第一输入信号为直流电信号，该第二输入信号及该第三输入信号皆为交流电信号。
14.如权利要求9所述的生理信号测量装置，其中该阻抗测量单元与该生理测量单元共用同一组这些电极片。
15.如权利要求9所述的生理信号测量装置，还包括：
切换单元，用以切换这些电极片电性连接于该阻抗测量单元或该生理测量单元，以使该阻抗测量单元测量该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值的动作与该生理测量单元测量该测量生理信号的动作分开执行。
16.如权利要求9所述的生理信号测量装置，其中该阻抗测量单元及该生理测量单元皆直接连接于这些电极片，以使该阻抗测量单元测量该第一阻抗值、该第二阻抗值及该第三阻抗值的动作与该生理测量单元测量该测量生理信号的动作同时执行。
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