TW201617027A - 使用表面肌電描記法減少移動假影之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於使用表面肌電描記法(EMG)減少移動假影之系統及方法。本發明之該方法應用於生理信號分析。本發明之該系統及方法可補償在運動期間由可穿戴式裝置量測的損毀生理信號之移動假影。

Description

使用表面肌電描記法減少移動假影之系統及方法
本發明係關於非侵入性數位健康監視及信號處理之領域。特定而言，引入一種用於減少所量測之人類生理信號中之移動假影之系統及方法。本發明包括一可穿戴式裝置，該可穿戴式裝置可放置於包含但並不限於腕部、前臂或上臂之身體之一區上且由複數個表面肌電描記法(sEMG)電極組成。另外，可穿戴式裝置包括用於量測生理信號之一(若干)感測器，諸如光電體積描記法(PPG)感測器、心電描記法(ECG)感測器及心衝擊描記法(BCG)感測器。在時域及/或頻域中，移動補償藉由使用原始sEMG信號之一導數且透過自適應濾波而達成。此方法在由(但並不限於)PPG、ECG及BCG感測器記錄之生理信號因日常活動期間之運動(諸如在一鍵盤上鍵入或操作一行動裝置)而失真之情形下係尤其有用的。
用於心跳速率量測以及其他生理度量的基於光學且基於ECG之解決方案已成為可攜式健康、健身及養生監視之領域之核心。傳統上，量測(諸如心跳速率)僅適用於一固定的醫療/醫院環境，然而，存在對可在幾乎任一環境中提供連續監視之可穿戴式裝置之一增長之需求。此包含但並不限於其中給受試體及/或醫護醫師提供一持續時間週期內所搜集之即時資料之體育、自我量化及醫療應用。重要的係，此資 料可用以激勵且導引受試體以達成或維持個人健康、養生及健身目標及/或導引醫護醫師作出其醫療決策。視情況，此資料亦可用於一科學及臨床研究環境中。
雖然可穿戴式基於ECG之監視器經證明以提供心跳速率之一準確量測，但該等監視器受其胸帶性質及可由於在長期時間段內穿戴綁帶而引起之不適的限制。因此，基於ECG之監視器並未提供一無縫使用者體驗。一腕錶形式外觀通常係一更有利選擇，然而，在可導致信號失真之情況下量測心跳速率之挑戰隨著此需求而出現。在肢體上量測心跳速率包含校正肢體之移動，此一問題並不影響胸帶記錄。由於PPG技術在傳統上應用於對一不易動的受試體採取之量測，因此並不考慮其中受試體不再靜止之情形。除廣泛移動型樣(諸如在跑步期間擺動臂)之外，一腕戴式裝置可提供關於使光學信號失真且係日常活動(諸如鍵入)之一部分之細微手及手指運動之若干個挑戰。存在用以進行補償一生理信號中之移動假影之若干種方式且因此在下文中回顧聚焦於此等技術上之某些最相關的先前技術之物項。
慣性移動感測器(諸如加速計)係用於量測移動及/或活動之一普遍工具。因此，其形成旨在補償已知損毀生理信號之移動假影之若干個發明之一部分。在Texas Instruments Inc.之一專利US 20110098583中，揭示包含一加速計之一胸戴式心跳速率監視器。加速計信號經處理以產生一身體移動信號，該身體移動信號然後用於消除移動假影以產生一基於加速度之心跳速率量測。類似地，在專利US 8483788中，闡述亦併入用以量測由光發射器與偵測器之間的移動誘發之改變之一加速計之一經移動補償之脈搏血氧飽和度計。然後使用加速計資料、關於光發射器與偵測器之間的一模型距離之一方程式及基於預期光行為之一模型之一組合來計算一衰減因子。然後一查找表用以發現對應該衰減因子之一移動量測。然後此量測用以較佳地計算所關注之生理 參數。除慣性移動感測器之外，亦已利用光學技術來達成相同結果。在Texas Instruments Inc.之專利US 20140213863中，闡述用於採用一光學移動信號之一可穿戴式PPG裝置之一移動補償方法。除用以搜集PPG信號之主發光二極體(LED)之外，具有一較低驅動電流或不同於初級LED之一波長的自一第二LED偵測之光亦充當一參考移動信號。此參考信號用以藉由自期望心跳速率信號減去此參考信號而減少雜訊及移動假影。加速計資料進一步用以判定信號是否確實含有雜訊及處理是否應發生以補償此雜訊。在一腕戴式裝置之內容脈絡下，專利具體聚焦於感測器位移或感測器之位置之改變上。Schoshe Industries Inc.之US 20120150052A1亦採用一類似方法。由US 7020507闡述之另一方法闡釋具體數位信號處理步驟可如何用於移除移動假影。此方法包括將資料變換至頻域中且選擇候選光譜心臟峰值連同其諧波。然後在時域中重建此等峰值且計算二階導數以分離因移動產生之不期望假影。重要的係，此方法並不使用除PPG信號之外的一單獨雜訊通道。除上文所提及的用於移動補償之技術之外，數位濾波器亦可用以達成一經移動校正信號。舉例而言，US 5853364闡述採用基於模型之自適應濾波(更具體而言一卡爾曼(Kalman)濾波器)來估計在雜訊條件下輸出信號應係何種形式之一方法。該方法採用數學模型來闡述所量測之生理信號如何在時間上改變及其如何與受移動假影影響之量測相關。最後，US 8655436闡述一心跳速率計及一信號處理器，該信號處理器使用一帶通濾波器在一預判定窄帶中傳送一頻率分量以移除雜訊及移動假影。
雖然上文所提及之方法全部提供了達成移動補償之方法，但此等方法中沒有一者提供併入關於人類運動生理學所已知之內容的一解決方案。sEMG代表用於擷取一生理相關之人類移動信號之一良好候選者且因此形成本發明之基礎。sEMG係用於量測肌肉之電活動之一 非侵入性方法。雖然前臂含有負責手及手指之彎曲、伸展及內轉之大量肌肉，但僅表面肌肉活動可用sEMG量測到且因此電極必須以戰略性方式放置。此外，sEMG具有包括身體復健、偵測神經肌肉疾病、分析用於義肢裝置之信號以及分析人類運動力學(亦即肌動學及生物力學)之諸多應用。因此，由此得出，sEMG可提供用於補償當特定肌肉在神經上經促動時所觀察到之移動假影之一解決方案。對先前技術之一探究已展示sEMG並未具體用於減少光學生理信號中之移動假影。然而，此並非係關於基於ECG之量測之情況。由於EMG及ECG兩者使用相同記錄模態，因此除心跳速率之外，通常拾取不想要的sEMG信號。因此，已闡述用於自ECG信號消除由sEMG產生之雜訊之方法(US5337753及CA 2236877)。US5337753具體應用於以供在鍛煉設備中使用的含有電極之一空心圓柱形條，藉此受試體用其手抓握圓柱體以用於一心跳速率量測。亦自每一電極墊獲取一sEMG記錄以計及歸因於肌肉運動之雜訊且將該等記錄彼此相減以自sEMG產生一零輸出讀數。CA2236877具體應用於藉由一學習型自適應臨限值偵測系統而移除不想要的EMG信號之一基於ECG之心跳速率監視器。此方法進一步移除EMG峰值且增強ECG峰值，此乃因ECG峰值比典型EMG波具有更陡峭斜率及尖銳尖端。
由於sEMG電極可相當高效地追蹤肌肉活動，因此亦將EMG技術用於手勢控制及免持應用並不令人驚訝。在Microsoft Inc.之專利US 0327171中，揭示用於藉由感測前臂中之肌肉活動而推斷手及手指運動之一系統。電極放置於安放於前臂上端之一可穿戴式裝置內且然後一機器學習模型經訓練以自所取樣之EMG記錄辨識具體手勢。另外，此技術亦係其中其應用擴展至對身體之其他部分之手勢控制之US 8170656之特徵。在US 20130317648中闡述一類似系統，US 2013031764闡述由併入至一「生物袖套(biosleeve)」中之多個表面電 極組成之一系統。此系統意欲用於在空間、工廠以及軍事中操控物件。雖然此等方法聚焦於由前臂上端引起之肌肉活動上，但專利CN103654774闡述包含圍繞腕部放置之至少兩個EMG電極之一系統。除手勢控制之外，該系統亦能夠中繼關於肌肉強度及疲勞之資訊。
可自EMG表面電極提取之資訊亦已用以為健康監視裝置提供額外功能性。一實例包含Fitbit Inc.之US 20140135631，其揭示用於藉由一使用者互動(諸如以一經定義移動型樣運動手戴式裝置)而按需啟動一可穿戴式心跳速率監視器之一方法。另外，US 20140142437揭示當使用者站立於一計重秤心衝擊描記法(BCG)裝置上時使用自該裝置之足墊電極獲取之EMG記錄來偵測其移動的一方法。此方法並非直接使用EMG信號來改良心跳速率量測，而是使用資訊來評估受試體之運動是否係過度的及是否想要再次獲取讀數。
此等先前技術應用展示EMG技術擷取一生理相關「移動信號」，該生理相關「移動信號」被本發明之方法使用以提供一敏感移動假影減少解決方案。
本發明克服與存在於使用包含但並不限於PPG、ECG及BCG之技術量測之生理信號中之移動假影相關聯的問題及障礙。在本發明中，移動補償藉由利用一經同時量測sEMG信號而達成。EMG定義為對骨骼肌之電活動之一量度且可使用表面電極來非侵入性地進行量測。肌肉收縮及/或鬆弛(某些移動假影源自於此)可由EMG裝備高效地擷取且提供供在移動補償中使用之一生理相關信號。肌肉收縮之程序藉由將神經衝動攜載至肌肉的脊髓之前角之運動神經元而起始。動作電位跨越神經肌肉接合點傳輸且遍及肌肉傳播。由於肌肉之橫小管(T-tubule)系統，因此信號被深入地攜載至肌肉纖維中且允許興奮-收縮耦聯程序所需要之鈣釋放、肌動蛋白-肌凝蛋白橫橋之形成及最終肌 肉收縮。EMG動作電位具有2m/秒至6m/秒之一傳導速度且可將由sEMG電極及裝備擷取之信號描述為集中於一休止電壓之一活動叢發。在時域及/或頻域中使用原始sEMG信號之一導數，可將此信號變換為一連續信號，該連續信號係以藉以可減去加速計資料之一類似方式自一生理信號容易地減去以達成移動補償。在某些情形中，本發明已展示提供比一加速計更準確之一預測且另外，本發明可提供對信號失真之一更功率高效且精簡之量測(與其他方法相比)。此移動補償方法可應用於對包括但並不限於心跳速率、心跳速率變化率、氧飽和度、呼吸速率及脈搏傳遞時間之度量之量測。
1‧‧‧原始表面肌電描記法信號
2‧‧‧生理信號
3‧‧‧預處理步驟
4‧‧‧自適應濾波器
5‧‧‧經移動補償信號
6‧‧‧心跳速率/心跳速率變化率/氧飽和度/呼吸速率/脈搏傳遞時間
7‧‧‧可穿戴式裝置
8‧‧‧表面肌電描記法電極
9‧‧‧光電體積描記法感測器/感測器
10‧‧‧顯示器
11‧‧‧行動裝置/行動電話
12‧‧‧基於網際網路之平台
13‧‧‧伺服器
14‧‧‧個人電腦
15‧‧‧基於光電體積描記法之心跳速率感測器
16‧‧‧加速計
17‧‧‧表面肌電描記法電極
18‧‧‧光學近紅外線光與感測器
19‧‧‧相關性曲線圖
20‧‧‧上部曲線圖
21‧‧‧下部曲線圖
將僅以實例之方式參考附圖來闡述本發明之較佳實施例；
圖1：藉由一流程圖圖解說明之本發明之總體程序之一例示性實施例之一示意性表示。
圖2：包括sEMG電極(8)及一PPG感測器(9)之一可穿戴式裝置之一例示性實施例之一示意性表示。
圖3：行動及網際網路技術之內容脈絡下之本發明之一基本實施例。
圖4(A)：來自一心跳速率感測器、加速計、sEMG電極及一光學近紅外線(NIR)光與感測器的所量測之信號。圖4(B)：展示心跳速率監視器信號中之雜訊與所量測之加速計、sEMG及NIR信號之間在時間上的相關性之一曲線圖。
圖5：展示心跳速率輸出之兩個不同曲線圖，其中加速計或sEMG信號用作一自適應濾波器中之一雜訊參考信號。
以下詳細說明及圖式闡述本發明之不同態樣。該等說明及圖式用於使熟習此項技術者能夠完全地理解本發明且並非意欲以任何方式 限制本發明之範疇。在揭示及闡述本發明之方法及系統之前，應理解，該等方法及系統並不限於特殊方法、特殊組件或特定實施方案。還應理解，本文所使用之術語僅出於闡述特定態樣之目的且並非意欲加以限制。如在本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，措辭「包括(comprise)」及該措辭之變化形式(諸如「comprising」及「comprises」)意指「包含但並不限於」，且並非意欲排除(舉例而言)其他組件或步驟。「例示性」意指「...之一實例」且並非意欲傳達一較佳或理想實施例之一指示。「諸如」並非以一限制性意義使用，而是用於闡釋性目的。除非內容脈絡另外明確規定，否則單數形式之「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」亦包含複數元件。「選用的」或「視情況」意指隨後所闡述之事件或情形可發生或可不發生且本說明包含其中該事件或情形發生之例項及其中該事件或情形不發生之例項。
圖1繪示本發明之一例示性實施例，該圖展示本發明之程序之一流程圖。藉由包含但並不限於PPG、BCG及ECG之技術量測之原始sEMG信號(1)及生理信號(2)兩者可經受一預處理步驟(3)。此步驟可包括在時域及/或頻域中對原始信號求導。在此之後，可自生理信號減去經處理sEMG信號以便補償由於移動而引起之信號失真。此程序可利用一自適應濾波器(4)來產生一經移動補償信號(5)。本發明之方法可應用於量測包括心跳速率(HR)、心跳速率變化率(HRV)、氧飽和度(SpO2)、呼吸速率(BR)及脈搏傳遞時間(PTT)(6)之度量。
圖2繪示一可穿戴式裝置(7)之一例示性實施例，該圖展示sEMG電極(8)可如何圍繞腕部以一帶狀組態放置。可以sEMG信號容易地識別手指彎曲及伸展移動，其中食指運動提供一特別相異sEMG信號。sEMG電極可併入至使用一感測器(9)來量測生理信號(諸如心跳速率)之一或多個裝置中。此等生理信號可基於包含但並不限於光電體積描 記法、心衝擊描記法及/或心電描記法之技術而量測。此外，電極可併入至接觸皮膚且可穿戴於身體之部分(包含但並不限於腕部、前臂及上臂)上的具有生理感測器之一帶中。
圖3繪示本發明之一基本實施例，其中(7)係含有用以量測一生理及sEMG信號之必需感測器構件之可穿戴式電子裝置。可穿戴式裝置視情況含有一顯示器(10)且能夠將資料傳輸至一行動裝置(11)及/或直接傳輸至一基於網際網路之平台(12)。資料可儲存於一伺服器(13)上並經進一步處理以供用於未來檢索及在由個人電腦(14)、行動電話(11)及/或可穿戴式裝置(7)例示之一運算平台上檢視。
圖4A係本發明之一例示性實施例，該圖繪示來自一基於PPG之心跳速率感測器(15)、加速計(16)、sEMG電極(17)及一光學近紅外線(NIR)光與感測器(18)的所量測信號。在此例示性實施例中，具有上文所提及之感測器之一裝置圍繞一受試體之腕部而放置。基線讀數之間經歷的活動叢發係自特定手勢(諸如鍵入)產生且穿插有休止期。
圖4B繪示自該第二實施例產生的心跳速率感測器信號中之雜訊與所量測之加速計、sEMG及NIR信號之間在時間上的一相關性曲線圖(19)。對於一參考信號而言，在休止期期間具有一極低相關性且在運動期間具有一高相關性係理想的，然後此使其成為一良好競爭者以供在一雜訊消除自適應濾波器中使用。IR參考在休止期間與心跳速率感測器具有一極高相關性，此乃因HR在兩個感測器中被拾取。在運動期間，相關性減小但仍然保持為高，此乃部分地因為心跳速率感測器與IR信號中之損毀之本質係類似的。此使得難以關於相關性而比較IR參考，但其仍被包含以用於比較。加速計及sEMG信號兩者提供與來自心跳速率感測器之雜訊信號之一類似位準之相關性。在某些位置中sEMG導致較高相關性，而在其他位置中加速計較佳。
圖5繪示一例示性實施例，該圖展示基於PPG心跳速率感測器資 料之兩個不同心跳速率輸出曲線圖。此等曲線圖比較在一自適應濾波器中使用一加速計或一sEMG信號作為雜訊參考的心跳速率預測以提供一經移動補償心跳速率。將信號彼此比較且將其與藉助一ECG胸帶同時收集之一組心跳速率資料比較。上部曲線圖(20)展示在此特定資料集之情況下使用sEMG信號作為一參考勝過使用加速計。在下部曲線圖(21)中發現相反之情形。
1‧‧‧原始表面肌電描記法信號
2‧‧‧生理信號
3‧‧‧預處理步驟
4‧‧‧自適應濾波器
5‧‧‧經移動補償信號
6‧‧‧心跳速率/心跳速率變化率/氧飽和度/呼吸速率/脈搏傳遞時間

Claims (21)

  1. 一種用於藉助於使用一所量測之表面肌電描記法(sEMG)信號減少移動假影而擴增對至少一個生理參數之判定之方法，該方法包括；(a)量測來自一受試體之一原始sEMG信號；(b)量測來自一受試體之除該原始sEMG之外的一原始生理信號；(c)處理該原始生理信號及該原始sEMG信號；(d)變換該原始生理信號與該原始sEMG信號，或變換該原始生理信號與該經處理sEMG信號，或變換該經處理生理信號與該原始sEMG信號，或變換該經處理生理信號與該經處理sEMG信號，以便產生一經移動補償生理信號；(e)自該經移動補償生理信號判定至少一個生理參數；(f)傳輸該經移動補償生理信號或至少一個生理參數。
  2. 如請求項1之方法，其中用於該原始sEMG信號及原始生理信號之該處理步驟可包含：在時域或頻域中使用該等信號之導數。
  3. 如請求項1之方法，其中在該時域中自該原始或經處理生理信號減去該原始或經處理sEMG信號以產生一經移動補償生理信號。
  4. 如請求項1之方法，其中在該頻域中自該原始或經處理生理信號減去該原始或經處理sEMG信號以產生一經移動補償生理信號。
  5. 如請求項1之方法，其中產生一經移動補償生理信號之該程序可包含：使用一自適應濾波器。
  6. 如請求項1之方法，其中該至少一個生理參數可包含但並不限於心跳速率、心跳速率變化率、氧飽和度、呼吸速率及脈搏傳遞時間。
  7. 如請求項1之方法，其包含用以將該(等)經移動補償生理信號或生理參數傳輸至諸如一行動電話或個人電腦之行動電子裝置之一構件。
  8. 如請求項1之方法，其包含用以將該(等)經移動補償生理信號或生理參數以無線方式傳輸至一平台之構件，其中可藉由包含但並不限於行動運算裝置、家庭電腦或可穿戴式裝置之用戶端運算平台而儲存、分析及檢視該資料。
  9. 一種用於藉助於使用一所量測之表面肌電描記法(sEMG)信號來減少移動假影而擴增對至少一個生理參數之判定之系統，該系統包括；(a)一可穿戴式裝置，其用於量測來自一受試體之一原始sEMG信號及除一原始sEMG之外的一原始生理信號；及(b)一處理器，其用於：(i)處理該原始生理信號及原始sEMG信號；(ii)變換該原始生理信號與該原始sEMG信號，或變換該原始生理信號與該經處理sEMG信號，或變換該經處理生理信號與該原始sEMG信號，或變換該經處理生理信號與該經處理sEMG信號，以便產生一經移動補償生理信號；(iii)自該經移動補償生理信號判定至少一個生理參數；及(iv)傳輸該經移動補償生理信號或至少一個生理參數。
  10. 如請求項9之系統，其中用於該原始sEMG信號及原始生理信號之該處理步驟可包含：在時域或頻域中使用該等信號之導數。
  11. 如請求項9之系統，其中在該時域中自該原始或經處理生理信號減去該原始或經處理sEMG信號以產生一經移動補償生理信號。
  12. 如請求項9之系統，其中在該頻域中自該原始或經處理生理信號減去該原始或經處理sEMG信號以產生一經移動補償生理信號。
  13. 如請求項9之系統，其中產生一經移動補償生理信號之該程序可包含：使用一自適應濾波器。
  14. 如請求項9之系統，其中該至少一個生理參數可包含但並不限於心跳速率、心跳速率變化率、氧飽和度、呼吸速率及脈搏傳遞時間。
  15. 如請求項9之系統，其中該可穿戴式裝置包括接觸使用者之皮膚之至少一個表面EMG電極及用於量測除sEMG之外的一生理信號之至少一個感測器。
  16. 如請求項15之系統，其中該至少一個表面sEMG電極可包括乾電極或濕電極。
  17. 如請求項15之系統，其中該感測器包含但並不限於一光電體積描記法(PPG)感測器、一心電描記法(ECG)感測器或一心衝擊描記法(BCG)感測器。
  18. 如請求項9之系統，其進一步包括用於顯示該(等)經移動補償生理信號或生理參數之一顯示器。
  19. 如請求項9之系統，其進一步包含用以將該(等)經移動補償生理信號或該至少一個生理參數傳輸至一行動電子裝置之一構件。
  20. 如請求項19之系統，其中該行動電子裝置經組態以顯示該(等)經移動補償生理信號或該至少一個生理參數。
  21. 如請求項9之系統，其進一步包含用以將該(等)經移動補償生理信號或該至少一個生理參數以無線方式傳輸至一平台之一構件，其中可在包含但並不限於行動運算裝置、家庭電腦或可穿戴式電子裝置之一用戶端運算平台上經儲存、分析及檢視該資料。
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