TW201811261A

TW201811261A - 訊號偵測方法

Info

Publication number: TW201811261A
Application number: TW105130272A
Authority: TW
Inventors: 游蒼柜; 陳晉豐
Original assignee: 捷騰光電股份有限公司
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2018-04-01
Also published as: TWI609671B

Abstract

一種訊號偵測方法適用於處理來自PPG感測器的一光體積變化訊號，並包含以下步驟：(a)藉由一濾波器對該光體積變化訊號作基線濾波及帶通濾波；(b)藉由一處理器對該光體積變化訊號所包含的每一取樣點，計算一對應的區域斜率值；(c)藉由該處理器根據一門檻值，判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值是否為對應第i個取樣點的一區域最大斜率值；(d)藉由該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，搜尋並決定對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點為一波峰位置；進而能正確地偵測該光體積變化訊號的峰峰值間隔。

Description

訊號偵測方法

本發明是有關於一種訊號偵測方法，特別是指一種關於光學血液容積(Photoplethysmography；PPG)感測器所獲得的光體積變化訊號之峰峰值間隔(Peak to Peak Interval；PPI)如何偵測的訊號偵測方法。

光學血液容積(Photoplethysmography；PPG)感測器是一種利用光在穿過人體時所造成的衰減量變化的物理現象，進而獲得相關於該衰減量變化的一光體積變化訊號。目前，光學血液容積感測器已廣泛地應用在穿戴式裝置，以收集人體生理狀態的資料，進而即時地偵測與紀錄心跳或血壓等資訊。舉例來說，當光學血液容積感測器運用在人體的手腕時，因為手腕的血管會隨著心臟的跳動而有明顯的體積變化，該光體積變化訊號便會具有週期性且呈現上下起伏的波形，而藉由該光體積變化訊號則能計算人體的心跳或其他生理狀態的資訊。然而，對於如何準確地獲得光學血液容積感測器的光體積變化訊號的峰峰值間隔(Peak to Peak Interval；PPI)便成為一個重要的課題。

因此，本發明的目的，即在提供一種準確獲得光體積變化訊號的峰峰值間隔的訊號偵測方法。

於是，本發明訊號偵測方法，適用於處理來自光學血液容積(Photoplethysmography；PPG)感測器所獲得的一光體積變化訊號，該光體積變化訊號是一種數位訊號，該訊號偵測方法包含以下步驟： (a)藉由一濾波器對該光體積變化訊號作基線濾波及帶通濾波； (b)藉由一處理器對步驟(a)處理過的該光體積變化訊號所包含的每一取樣點，計算一對應的區域斜率值，定義該光體積變化訊號包括N個取樣點，N為正整數，對應第i個取樣點的該區域斜率值相關於第i-2個取樣點、第i-1個取樣點、第i個取樣點、第i+1個取樣點、及第i+2個取樣點，i為0至(N-1)的整數； (c)藉由該處理器根據一門檻值，當對應第i個取樣點的該區域斜率值大於該門檻值的二分之一時，判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值為對應第i個取樣點的一區域最大斜率值，該門檻值相關於對應第i-1個取樣點的該門檻值及對應第i個取樣點的該區域斜率值；及 (d)藉由該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，搜尋對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點，並決定對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點為一波峰位置。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(a)中，該濾波器所作的帶通濾波是保留該光體積變化訊號介於0.5赫茲(Hz)與4赫茲之間的頻帶。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(b)中，對應第i個取樣點的該區域斜率值等於3*S3+S1+3*S2+ S4，其中，S1為第i-2個取樣點及第i-1個取樣點之間的斜率，S2為第i-1個取樣點及第i個取樣點之間的斜率，S3為第i個取樣點及第i+1個取樣點之間的斜率，S4為第i+1個取樣點及第i+2個取樣點之間的斜率。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(c)中，對應第i個取樣點的該門檻值slope_threshold_i、對應第i-1個取樣點的該門檻值slope_threshold_i-1、及對應第i個取樣點的該區域斜率值input_slope的關係如下， slope_threshold_i=(slope_threshold_i-1+input_slope)/2。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(d)中，該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，還搜尋對應該區域斜率值由負轉正的該取樣點，並還決定對應該區域斜率值由負轉正的該取樣點為一波谷位置。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(c)中，當該處理器判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值為對應第i個取樣點的該區域最大斜率值時，該處理器判斷在該第i個取樣點之後的一預定時間內的該等區域斜率值都不會是該等區域斜率最大值。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(c)中，該預定時間等於0.24秒。

在一些實施態樣中，其中，該光體積變化訊號所包含的每一取樣點的時間間隔介於4毫秒與40毫秒(ms) 之間。

本發明的功效在於：藉由該門檻值的動態調整，以決定每一區域斜率值是否為一區域最大斜率值，進而根據每一區域最大斜率值的位置，搜尋並決定該等取樣點中的該等波峰位置，使得該光體積變化訊號的峰峰值間隔能不受其他因素干擾而正確地偵測。

在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明訊號偵測方法的一實施例，適用於處理來自光學血液容積(Photoplethysmography；PPG)感測器所獲得的一光體積變化訊號，該光體積變化訊號是一種數位訊號。更精確地說，該PPG感測器先產生一類比的光體積變化訊號，再作類比數位的轉換，而輸出該數位的光體積變化訊號。此外，該光體積變化訊號的類比數位轉換並不限於由該PPG感測器執行，也可由其他電子裝置執行。該光體積變化訊號包括N個取樣點，依照取樣的順序依序為第0個取樣點、第1個取樣點...第i個取樣點...第N-1個取樣點，其中，N為正整數，i為0至(N-1)的整數。在本實施例中，該光體積變化訊號的每一取樣點的時間間隔為4毫秒(ms)，也就是說，該光體積變化訊號是以250赫茲的取樣頻率所擷取而獲得。而在其他實施例中，取樣頻率也可以介於25赫茲與250赫茲之間，也就是說，該光體積變化訊號的每一取樣點的時間間隔介於4毫秒與40毫秒之間。

該訊號偵測方法包含步驟(a)~步驟(d)。

於步驟(a)，藉由一濾波器對該光體積變化訊號作基線(Baseline)濾波及帶通濾波，更詳細地說，該濾波器所作的帶通濾波是保留該光體積變化訊號介於0.5赫茲(Hz)與4赫茲之間的頻帶，並濾除小於0.5赫茲及大於4赫茲的頻帶。再參閱圖2與圖3，圖2與圖3的橫軸是個數，表示為第i個取樣點，縱軸是振幅的相對大小，物理單位例如為電壓，代表光體積變化的量的大小。舉例來說，圖2是該數位的光體積變化訊號的一種原始態樣，具有基線飄移的現象，圖3是經過基線濾波及帶通濾波後的該數位的光體積訊號的一種態樣。再補充說明的是：圖2與圖3所呈現的連續折線，在實際上，若將橫軸放大檢視時，應為不連續的取樣點所組成，如圖4所示。

參閱圖1，於步驟(b)，藉由一處理器對步驟(a)處理過的該光體積變化訊號所包含的每一取樣點，即該N個取樣點，計算一對應的區域斜率值。且對應第i個取樣點的該區域斜率值相關於第i-2個取樣點、第i-1個取樣點、第i個取樣點、第i+1個取樣點、及第i+2個取樣點。再參閱圖4，更詳細地說，對應第i個取樣點PP3的該區域斜率值等於3*S3+S1+3*S2+S4，其中，S1為第i-2個取樣點PP1及第i-1個取樣點PP2之間的斜率，S2為第i-1個取樣點PP2及第i個取樣點PP3之間的斜率，S3為第i個取樣點PP3及第i+1個取樣點PP4之間的斜率，S4為第i+1個取樣點PP4及第i+2個取樣點PP5之間的斜率。

參閱圖1，於步驟(c)，藉由該處理器根據一門檻值，當對應第i個取樣點的該區域斜率值大於該門檻值的二分之一時，判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值為對應第i個取樣點的一區域最大斜率值。該門檻值相關於對應第i-1個取樣點的該門檻值及對應第i個取樣點的該區域斜率值。更詳細地說，對應第i個取樣點的該門檻值slope_threshold_i、對應第i-1個取樣點的該門檻值slope_threshold_i-1、及對應第i個取樣點的該區域斜率值input_slope的關係如下， slope_threshold_i=(slope_threshold_i-1+input_ slope)/2，因此，該門檻值是採用動態調整的方式來判斷每一區域斜率值是否為一區域最大斜率值。再參閱圖5，圖5與圖2或圖3相似，其橫軸是個數，表示為第i個取樣點，縱軸是振幅的相對大小，物理單位例如為電壓，代表光體積變化的量的大小，舉例來說，通過位置P1~P6的曲線為經過步驟(a)處理的該光體積變化訊號(即該N個取樣點的一部分)，另一曲線為經過步驟(b)處理的該等區域斜率值，其中，通過位置P1~P6的曲線上的位置M1~M6，即為對應該等區域最大斜率值的該等取樣點。

再者，在步驟(c)中，當該處理器判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值為對應第i個取樣點的該區域最大斜率值時，該處理器判斷在該第i個取樣點之後的一預定時間內的該等區域斜率值都不會是該等區域斜率最大值。舉例來說，若該光體積變化訊號是對應PPG感測器偵測人體的血管所產生，則人體的心率在正常情況下，會小於每分鐘250下，因此，在該處理器判斷出一個區域最大斜率值之後的60/250=0.24秒內，該等取樣點應該不會再出現下一個區域最大斜率值，故，該處理器直接判斷在該預定時間(如0.24秒)內的該等區域斜率值都不會是該等區域斜率最大值，或者說，該處理器在該預定時間(如0.24秒)內，可以不作該等區域斜率值是否為該等區域斜率最大值的判斷，以節省運算處理的資源。

參閱圖1，於步驟(d)，藉由該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，搜尋對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點，並決定對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點為一波峰位置。再參閱圖5，舉例來說，經由步驟(c)該處理器獲得對應該等區域最大斜率值的該等取樣點，即位置M1~M6。該處理器在位置M1~M6的六個取樣點之後，搜尋並決定對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點，即位置P1~P6，也就是說，該處理器經由步驟(d)判斷出該光體積變化訊號的各個波峰位置，也就能進而正確地偵測該光體積變化訊號的峰峰值間隔(Peak to Peak Interval；PPI)。

另外要補充說明的是：在本實施例中，經由步驟(d)可以搜尋並決定該光體積訊號的各個波峰位置，同理，在其他實施例中，該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，也可以搜尋對應該區域斜率值由負轉正的該取樣點，以決定對應該區域斜率值由負轉正的該取樣點為一波谷位置，也就是搜尋並決定該光體積變化訊號的各個波谷位置。

綜上所述，本發明訊號偵測方法，藉由動態調整該門檻值，以決定每一區域斜率值是否為一區域最大斜率值，進而根據每一區域最大斜率值的位置，搜尋並決定該等取樣點中的該等波峰位置，使得該光體積變化訊號的峰峰值間隔能不受其他因素干擾而正確地偵測，因而能應用於心率的偵測、人體的心血管狀況的診斷、或收集人體生理狀態的資料，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

(a)~(d)‧‧‧步驟

PP1~PP6‧‧‧取樣點

S1~S4‧‧‧斜率

M1~M6‧‧‧位置

P1~P6‧‧‧位置

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一流程圖，說明本發明訊號偵測方法的一實施例的步驟流程；圖2是一示意圖，說明該實施例的一光體積變化訊號的態樣；圖3是一示意圖，說明該實施例的步驟(a)處理後的該光體積變化訊號的態樣；圖4是一示意圖，說明該實施例的步驟(b)如何計算一區域斜率值；及圖5是一示意圖，說明該實施例的步驟(d)所決定的該等波峰位置。

Claims

一種訊號偵測方法，適用於處理來自光學血液容積(Photoplethysmography；PPG)感測器所獲得的一光體積變化訊號，該光體積變化訊號是一種數位訊號，該訊號偵測方法包含以下步驟： (a)藉由一濾波器對該光體積變化訊號作基線濾波及帶通濾波； (b)藉由一處理器對步驟(a)處理過的該光體積變化訊號所包含的每一取樣點，計算一對應的區域斜率值，定義該光體積變化訊號包括N個取樣點，N為正整數，對應第i個取樣點的該區域斜率值相關於第i-2個取樣點、第i-1個取樣點、第i個取樣點、第i+1個取樣點、及第i+2個取樣點，i為0至(N-1)的整數； (c)藉由該處理器根據一門檻值，當對應第i個取樣點的該區域斜率值大於該門檻值的二分之一時，判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值為對應第i個取樣點的一區域最大斜率值，該門檻值相關於對應第i-1個取樣點的該門檻值及對應第i個取樣點的該區域斜率值；及 (d)藉由該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，搜尋對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點，並決定對應該區域斜率值由正轉負的該取樣點為一波峰位置。
如請求項1所述的訊號偵測方法，其中，在步驟(a)中，該濾波器所作的帶通濾波是保留該光體積變化訊號介於0.5赫茲(Hz)與4赫茲之間的頻帶。
如請求項2所述的訊號偵測方法，其中，在步驟(b)中，對應第i個取樣點的該區域斜率值等於3*S3+S1+3*S2+ S4，其中，S1為第i-2個取樣點及第i-1個取樣點之間的斜率，S2為第i-1個取樣點及第i個取樣點之間的斜率，S3為第i個取樣點及第i+1個取樣點之間的斜率，S4為第i+1個取樣點及第i+2個取樣點之間的斜率。
如請求項3所述的訊號偵測方法，其中，在步驟(c)中，對應第i個取樣點的該門檻值slope_threshold_i、對應第i-1個取樣點的該門檻值slope_threshold_i-1、及對應第i個取樣點的該區域斜率值input_slope的關係如下， slope_threshold_i=(slope_threshold_i-1+input_ slope)/2。
如請求項4所述的訊號偵測方法，其中，在步驟(d)中，該處理器在每一區域最大斜率值之後的該等取樣點中，還搜尋對應該區域斜率值由負轉正的該取樣點，並還決定對應該區域斜率值由負轉正的該取樣點為一波谷位置。
如請求項4所述的訊號偵測方法，其中，在步驟(c)中，當該處理器判斷對應第i個取樣點的該區域斜率值為對應第i個取樣點的該區域最大斜率值時，該處理器判斷在該第i個取樣點之後的一預定時間內的該等區域斜率值都不會是該等區域斜率最大值。
如請求項6所述的訊號偵測方法，其中，在步驟(c)中，該預定時間等於0.24秒。
如請求項7所述的訊號偵測方法，其中，該光體積變化訊號所包含的每一取樣點的時間間隔介於4毫秒與40毫秒(ms)之間。