TW202322750A - 單臂式兩電極血壓測量裝置及其測量方法 - Google Patents
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Abstract
一種單臂式兩電極血壓測量裝置及測量方法被提出。單臂式兩電極血壓測量裝置包括二個感測電極、光感測器、類比訊號處理單元、濾波放大單元、類比數位轉換單元以及數位訊號處理單元。單臂式兩電極血壓測量方法包括:提供二感測電極以感測受測者的心電訊號;提供光感測器以感測受測者的光體積變化描記圖訊號;以差動放大器將二感測電極之間的共模訊號反向並輸出至濾波器;以濾波放大單元對心電訊號與光體積變化描記圖訊號進行濾波處理與放大處理;以及,數位訊號處理單元偵測心電訊號與光體積變化描記圖訊號的多個特徵點以產生血壓估測值。
Description
本發明是有關於血壓測量裝置及其測量方法,且特別是有關於可連續式測量血壓的單臂式兩電極血壓測量裝置及其測量方法。
血壓是重要的生理參數之一,特別對於心血管疾病的患者而言更是需要經常監測的指標。心血管患者或高齡者必須時常偵測與紀錄血壓值,但現有的家用血壓計主要使用示波法原理,需要藉由壓脈帶對血管產生暫時性的壓迫,無法達到自動且連續性監測血壓的目的。為了提升血壓量測的舒適度,並且達到長時間量測的需求,研究上已以有多篇研究討論血液從心臟送出到周邊血管的時間差與血壓的關係,即所謂脈波傳導時間(Pulse Wave Transit Time, PWTT)原理。此種方法理論主要基於血液壓力波在動脈兩個部位之間傳送所花費的時間與血壓成反比,也就是當血壓升高時,兩端點間的脈波傳導時間(Pulse Transit Time, PWTT)會減少,反之則增加,最常見估測PWTT的方法是使用光體積描述圖(Photoplethysmography, PPG)和心電圖(Electrocardiography, ECG)作為依據,藉由偵測每位個體ECG與PPG訊號波形特徵表現變化進而推算血壓高低。
市面上雖然已有許多穿戴式裝置利用脈波傳導時間(Pulse Wave Transit Time, PWTT)原理計算血壓,例如智慧型血壓手錶,但基於量測原理的限制,以偵測ECG訊號作為計算心臟收縮依據的智慧型血壓手錶而言,在使用上便需要以未配戴手表的那一隻手,觸碰手錶上的電極(例如,錶冠)才能獲取ECG訊號進而計算血壓,因此無法具有連續血壓量測功能。為了可以達到連續性偵測血壓的功能,也有許多研究與專利,基於現有ECG與PPG技術整合,配合演算法實現連續血壓量測的目的(例如,美國專利號US 9,307,915以及美國專利號US 2019/0090760),但受限於要獲取清晰的心電圖波形,此些研究或裝置,通常以三電極ECG量測技術為主,因此會需要使用較多導線連接電極,對於長時間使用上是一項困擾。
本發明提供一種單臂式兩電極血壓測量裝置及其測量方法,可在單一手臂達到連續測量血壓之目的。
本發明的單臂式兩電極血壓測量方法包括:提供二感測電極以感測受測者的心電訊號;提供光感測器以感測受測者的光體積變化描記圖訊號;將二感測電極之間的共模訊號反向並輸出至濾波器;對心電訊號與光體積變化描記圖訊號進行濾波處理與放大處理;以及,偵測心電訊號與光體積變化描記圖訊號的多個特徵點以產生血壓估測值。
本發明的單臂式兩電極血壓測量裝置包括感測電極、光感測器、類比訊號處理單元、類比數位轉換單元、以及數位訊號處理單元。類比訊號處理單元包括濾波器、差動放大器以及濾波放大單元。於本發明中,感測電極的數量為兩個,用以放置在受測者的上臂部位以獲取該受測者的心電訊號。光感測器用以放置在該受測者的該上臂部位以感測該受測者的光體積變化描記圖訊號。濾波器根據參考電壓以濾除雜訊。差動放大器耦接至濾波器,並將二感測電極之間的共模訊號反向後輸出至濾波器。據此,經反向後的共模訊號做為濾波器的參考電壓。類比數位轉換單元耦接該類比訊號處理單元,用以將心電訊號與光體積變化描記圖訊號從類比格式轉換為數位格式。數位訊號處理單元耦接類比數位轉換單元且包括處理器。處理器用以偵測心電訊號與光體積變化描記圖訊號的多個特徵點以產生血壓估測值。
基於上述,本發明的單臂式兩電極血壓測量裝置藉由將心電訊號中的共模訊號反向放大後,作為濾波器的參考電壓,進而抑制雜訊,達到以二電極在單臂測量心電圖之目的,配合光體積描記圖訊號的擷取與基於脈波傳導時間的特徵點分析,進而實現連續性血壓監測的目的。
圖1繪示本發明一實施例的單臂式兩電極血壓測量裝置100的使用示意圖,圖2繪示本發明一實施例的單臂式兩電極血壓測量裝置的方塊圖。單臂式兩電極血壓測量裝置100包括:二感測電極110、光感測器120、類比訊號處理單元130、濾波放大單元160、類比數位轉換單元140、以及數位訊號處理單元150。感測電極110用以放置在受測者的上臂部位200以獲取受測者的心電(Electrocardiography, ECG)訊號。光感測器120用以接觸受測者的上臂部位200以受測者的感測光體積變化描記圖(Photoplethysmography, PPG)訊號。類比訊號處理單元130係包含一濾波器131與一差動放大器132,其中,濾波器131係耦接至該二感測電極110,並將測得的訊號傳到差動放大器132。由於手臂部位的ECG訊號微弱,因此雜訊的濾除便成了很重要的工作,雜訊訊號在電路設計上也可以稱為共模訊號。在本發明中,利用差動放大器132將感測電極110之間的共模訊號反向後輸出至該濾波器131作為參考電壓,以雜訊相抵的概念,降低雜訊的影響。接著,利用濾波放大單元160,將所測得的ECG訊號與PPG訊號進行進一步的濾波與放大,並經類比數位轉換單元140將ECG訊號與PPG訊號從類比格式轉換為數位格式以傳送至數位訊號處理單元150進行處理,並計算ECG訊號與PPG訊號多個特徵參數,以產生受測者的血壓估測值。
圖3繪示本發明一實施例的感測電極110、類比訊號處理單元130、類比數位轉換單元140與濾波放大單元160的方塊圖。在此實施例中,差動放大器132包括:緩衝器51、反向放大器52、以及儀表放大器53。具體而言,緩衝器51係耦接於儀表放大器53的共模輸出腳位,用以將共模訊號經反向放大器52後輸入至濾波器131,以做為雜訊抵銷的參考電壓。而儀表放大器53的輸出端為差模訊號,也就是本發明所希望獲得的ECG訊號,經過積分器133後,同樣地輸入至儀表放大器53,做為濾除直流漂移的參考電壓。在一實施例中,緩衝器51為至少一電壓隨耦器,積分器133可以為一差模抑制器。而在濾波放大單元160的部分,為了獲得更好品質的訊號,此單元可以是一連串的濾波器組合,例如為依序耦接的帶通濾波器161、第一低通濾波器162、偏移調整器163以及第二低通濾波器164。圖4繪示以示波器顯示本發明單臂式兩電極血壓測量裝置實際於受測者上臂所測得的ECG訊號的波形及PPG訊號的波形。
圖5繪示本發明一實施例的光感測器的示意圖。在此實施例中,光感測器120包含一顆光電二極體122,以及二顆發光二極體(Light-emitting Diode, LED)(420、430),其中發光二極體(420、430)係可為綠光發光二極體或紅光發光二極體,用以發出光線進入人體組織,而光電二極體122則用以吸收經人體組織反射的光線,並轉換成電訊號,藉以表示人體組織中血液容積變化,即PPG訊號。
接下來說明本發明有關血壓推估的流程,圖6繪示本發明一實施例血壓估測流程圖。如圖6所示,當ECG訊號與PPG訊號進入數位處理單元150,藉由在數位處理單元150上所建置的計算模型,可以進行血壓估測的處理與計算;計算模型的處理程序首先為步驟S820,係針對ECG訊號與PPG訊號進行特徵參數的計算,這些特徵參數可包含心率(HR)、脈波到達時間(PAT)、脈波間期(PPI)與脈波寬度(PW)。圖7繪示本發明一實施例的心電訊號(ECG訊號)以及光體積變化描記圖訊號(PPG訊號)的波形特徵參數示意圖。有關特徵參數的定義說明如下:
心率:為每分鐘心跳次數,即60/RRI,代號為HR;
脈波到達時間:為R波到脈波峰値的時間差,代號為PAT;
脈波間期:為脈波峰値到峰値的時間間隔,代號為PPI;
脈波寬度:為脈波波形上升至脈波振幅一半的時間與到波形下降至脈波一半振幅的時間間隔,代號為PW。
本發明採用線性多項式進行血壓估測,其中一實施例公式如下:
(1),BP為血壓估測值,a、b、c、d、e為係數。圖8繪示本發明一實施例的取得第一組特徵參數與第二組特徵參數的示意圖。關於圖6之血壓估測流程說明,請同時參照圖8,本發明先以單臂式兩電極血壓測量裝置100偵測一段時間的ECG訊號或PPG訊號,並進行特徵參數演算。每二次心跳間的以ECG訊號與PPG的訊號波形便可算出一筆PAT、HR、PPI與PW的數值,因此偵測一段時間的ECG訊號或PPG訊號,可獲得多筆特徵參數資料,在此稱為第一組特徵參數。接著,進行步驟S830,輸入受測者參考血壓值(包含收縮壓與舒張壓),此參考血壓值可以是由受測者使用家用血壓計測量而來,或是由受測者輸入平常血壓值。接著,進行步驟S840,將參考血壓值與第一組特徵參數帶入多項式公式(1),以線性回歸方式解出各特徵參數之係數a~e的值,此組係數係依據受測者ECG訊號與PPG訊號以及參考血壓值所獲得,因此包含相關於受測者的生理訊號特徵,在本發明中將a~e稱為該受測者的校正係數組。接著,在步驟S850中,單臂式兩電極血壓測量裝置100繼續地偵測ECG訊號或PPG訊號,且同樣地進行波形分析,以獲取此時PAT、HR、PPI與PW數值,在此稱為第二組特徵參數。接著進行步驟S860,將第二組特徵參數與前述步驟S850中所獲得校正係數組帶入公式(1)中,算出受測者血壓。也就是說,本發明的單臂式兩電極血壓測量裝置100藉由獲取連續的ECG訊號與PPG訊號,以持續地進行EEG訊號與PPG訊號波形特徵分析與計算,進而連續地估算出受測者的血壓值。
圖9繪示本發明一實施例的單臂式兩電極血壓測量方法的流程圖。其中,在步驟S310中,提供二感測電極110以感測受測者的心電訊號。具體而言,藉由二感測電極110接觸且放置於受測者的上臂部位200的皮膚以獲得ECG訊號。接著為步驟S320提供光感測器120以感測受測者的PPG訊號;接續進行步驟S330,依據所測得的ECG訊號與PPG訊號進行特徵點分析,並算出第一組特徵參數;並進行步驟S340,根據受測者之多筆參考血壓值與第一組特徵參數以回歸分析產生一校正係數組,其中參考血壓值係由受測者使用一般家用血壓計測得,或由受測者依據平常血壓數值範圍輸入,包含有收縮壓與舒張壓。接續進行步驟S350,偵測受測者的ECG訊號與PPG訊號,同樣地進行特徵點分析以獲得第二組特徵參數。最後,進行步驟S360,將第二組特徵參數與該校正係數組帶入多項式公式,以計算出受測者血壓估測值。
在一實施例中,單臂式兩電極血壓測量裝置100更包括固定單元180。固定單元180連接二感測電極110、光感測器120、類比訊號處理單元130、類比數位轉換單元140、數位訊號處理單元150、以及濾波放大單元160。具體而言,二感測電極110以及光感測器120設置於固定單元180上。並且,二感測電極110以及光感測器120的感測電極且/或光接收端露出於固定單元180的表面用以接觸受測者的上臂部位200。由圖1可以得知,於本實施例中,固定單元180為一種綁帶,且用以設置於受測者的單臂上。圖10繪示本發明另一實施例的單臂式兩電極血壓測量裝置100的立體示意圖。如圖10所示,於此一實施例中,固定單元180為卡扣式基座,用以卡扣於臂帶上。於另一實施例中,固定單元180也可為黏貼式設計,用以將單臂式兩電極血壓測量裝置100環繞於受測者的上臂並以頭尾相互黏貼方式固定在手臂上,本案不應以此為限。換句話說,藉由固定單元180將單臂式兩電極血壓測量裝置100固定於受測者的上臂部位200,進而提高單臂式兩電極血壓測量裝置100於使用時的便利性。
本發明中圖2所描繪之類比訊號處理單元130以及數位訊號處理單元150例如為中央處理單元(Central Processing Unit,CPU)或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微控制單元(micro control unit,MCU)、微處理器(microprocessor)、圖形處理器(graphics processing unit,GPU)、影像訊號處理器(image signal processor,ISP)、影像處理單元(image processing unit,IPU)、算數邏輯單元(arithmetic logic unit,ALU)、複雜可程式邏輯裝置(complex programmable logic device,CPLD)、物理處理單元(Physics Processing Unit,PPU)、可程式化之微處理器(Microprocessor)、嵌入式控制晶片、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)、現場可程式化邏輯閘陣列(field programmable gate array,FPGA)或其他類似元件或上述元件的組合。
在一實施例中,單臂式兩電極血壓量測裝置100更包括儲存裝置,且儲存裝置例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體(Random Access Memory,RAM)、唯讀記憶體(Read-Only Memory,ROM)、快閃記憶體(Flash memory)、硬碟或其他類似裝置或這些裝置的組合。儲存裝置中儲存有多個程式碼片段、多個參數定義值、校正模型、多筆估測血壓值、多筆參考血壓值、多筆校正係數,上述程式碼片段或校正模型在被安裝後,由類比訊號處理單元130與數位訊號處理單元150來執行,以實現本發明的單臂式兩電極血壓測量方法。
本發明圖6所使用之多項式公式亦可透過演算法所訓練,演算法可為下列任一者:監督式學習學習演算法、支援向量機演算法(Support vector machine,SVM)、邏輯回歸演算法(Logistic regression)、隨機森林演算法(Random forest)、人工神經網路演算法(Artificial neural network,ANN)、單純貝式分類器、決策樹(Decision tree)、最近鄰居法(k-nearest neighbors)、線性回歸(Linear regression)、相關向量機(Relevance vector machine,RVM)、感知器(Perceptron)或其他目的相似的學習演算法。本案不應以此為限。
綜上所述,本發明的單臂式兩電極血壓測量裝置100藉由類比訊號處理單元130的濾波器131以及差動放大器132將訊號中的共模訊號反向放大後,作為濾波器131的參考電壓,進而抑制雜訊。並且,藉由濾波放大單元160組合以提高光體積變化描記圖訊號的訊雜比,同時防止採樣時高頻雜訊造成混疊現象。值得說明的是,本發明的單臂式兩電極血壓量測裝置100具有可連續性地測量受測者血壓的優點,並且改善現有血壓量測裝置必須雙手同時接觸量測裝置的缺點。
100:單臂式兩電極血壓測量裝置
110:感測電極
120:光感測器
121:發光二極體
122:光電二極體
123:電流電壓轉換器
130:類比訊號處理單元
131:濾波器
132:差動放大器
133:差模抑制器
51:緩衝器
52:反向放大器
53:儀表放大器
140:類比數位轉換單元
150:數位訊號處理單元
160:濾波放大單元
161:帶通濾波器
162:第一低通濾波器
163:偏移調整器
164:第二低通濾波器
180:固定單元
S310、S320、S330、S340、S350、S360、S810、S820、S830、S840、S850、S860:步驟
420:發光二極體
430:發光二極體
200:受測者的上臂部位
PAT:脈波到達時間
PPI:脈波間距
RRI:R波間距
PW:脈波寬度
圖1繪示本發明一實施例的單臂式兩電極血壓測量裝置的使用示意圖。
圖2繪示本發明一實施例的單臂式兩電極血壓測量裝置的方塊圖。
圖3繪示本發明一實施例的感測電極、類比訊號處理單元、類比數位轉換單元與濾波放大單元的方塊圖。
圖4繪示為以示波器顯示本發明單臂式兩電極血壓測量裝置裝置實際於一受測者上臂所測得以示波器顯示的ECG訊號的波形及PPG訊號的波形
圖5繪示本發明一實施例的光感測器的示意圖。
圖6繪示本發明一實施例血壓估測流程圖。
圖7繪示本發明一實施例的心電訊號(ECG訊號)以及光體積變化描記圖訊號(PPG訊號)的波形特徵參數示意圖。
圖8繪示本發明一實施例的取得第一組特徵參數與第二組特徵參數的示意圖。
圖9繪示本發明一實施例的單臂式兩電極血壓測量方法的流程圖。
圖10繪示本發明另一實施例的單臂式兩電極血壓測量裝置的立體示意圖。
100:單臂式兩電極血壓測量裝置
110:感測電極
120:光感測器
200:受測者的上臂部位
Claims (20)
- 一種單臂式兩電極血壓測量裝置,包括: 二感測電極,用以放置在一受測者的一上臂部位以獲取該受測者的一心電訊號; 一光感測器,用以放置在該受測者的該上臂部位以感測該受測者的一光體積變化描記圖訊號; 一類比訊號處理單元,包括一濾波器與一差動放大器,其中該濾波器係耦接至該二感測電極,該差動放大器係耦接至該濾波器,並將該二感測電極之間的一共模訊號反向後輸出至該濾波器,其中經反向後的該共模訊號係做為該濾波器的一參考電壓; 一濾波放大單元,耦接至該光感測器與該差動放大器,用以對該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號進行濾波與放大處理; 一類比數位轉換單元,耦接該濾波放大單元,用以將該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號從類比格式轉換為數位格式;以及 一數位訊號處理單元,耦接該類比數位轉換單元,用以計算該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號的多個特徵參數,以產生血壓估測值。
- 如請求項1所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,更包括一固定單元,用以將該二感測電極、該光感測器、該類比訊號處理單元、該濾波放大單元、該類比數位轉換單元、以及該數位訊號處理單元固定在該受測者的該上臂部位。
- 如請求項2所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該固定單元係為一彈性臂帶。
- 如請求項2所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該固定單元包含一卡扣式基座與一臂帶,該卡扣式基座係可以卡扣於該臂帶上。
- 如請求項1所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該類比訊號處理單元更包括一積分器,耦接於該差動放大器,用以濾除經過該差動放大器後電訊號的交流成分,並輸入至該差動放大器,作為該差動放大器之參考電壓。
- 如請求項1所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該濾波放大單元更包括一帶通濾波器、第一低通濾波器、偏移調整器以及第二低通濾波器。
- 如請求項1所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該些特徵參數係包含脈波到達時間、脈波間距、脈波寬度以及心率之中至少二者。
- 如請求項1所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該數位訊號處理單元包括一計算模型,用以計算該些特徵參數;該些特徵參數包含第一組特徵參數與第二組特徵參數,根據該受測者之多筆參考血壓值與該第一組特徵參數,以回歸分析產生一校正係數組;並根據該校正係數組與該第二組特徵參數,計算該受測者的血壓估測值。
- 如請求項8所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數係包含至少一脈波到達時間以及至少一心率,該校正係數組係包括:對應該脈波到達時間的一第一係數、對應該心率的一第二係數以及一常數係數。
- 如請求項9所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數更包含至少一脈波間距,且該校正係數組更包括:對應該脈波間距的一第三係數。
- 如請求項10所述的單臂式兩電極血壓測量裝置,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數更包含至少一脈波寬度,且該校正係數組更包括:對應該脈波寬度的一第四係數。
- 一種單臂式兩電極血壓測量方法,包括: 提供二感測電極以感測一受測者的一心電訊號; 提供光感測器以感測該受測者的一光體積變化描記圖訊號; 以一差動放大器將該二感測電極之間的一共模訊號反向並輸出至一濾波器,其中經反向後的該共模訊號係作為該濾波器的一參考電壓; 以一濾波放大單元對該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號進行濾波與放大處理;以及 以一類比數位轉換單元將該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號從類比格式轉換為數位格式; 以一數位訊號處理單元偵測該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號的多個特徵參數,其中該些特徵參數包含第一組特徵參數與第二組特徵參數; 根據該受測者之多筆參考血壓值與該第一組特徵參數以回歸分析產生一校正係數組; 根據該校正係數組與該第二組特徵參數,計算該受測者的血壓估測值。
- 如請求項12所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中更包括: 濾除經過該差動放大器後電訊號的交流成分,並輸入至該差動放大器,作為該差動放大器之參考電壓。
- 如請求項12所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中該些特徵參數係包含脈波到達時間、脈波間距、脈波寬度以及心率之中至少二者。
- 如請求項12所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數係包含至少一脈波到達時間以及至少一心率,該校正係數組係包括:對應該脈波到達時間的一第一係數、對應該心率的一第二係數以及一常數係數。
- 如請求項15所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數更包含至少一脈波間距,且該校正係數組更包括:對應該脈波間距的一第三係數。
- 如請求項16所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數更包含至少一脈波寬度,且該校正係數組更包括:對應該脈波寬度的一第四係數。
- 一種單臂式兩電極血壓測量方法,包括: 提供二感測電極以感測一受測者的一心電訊號; 提供光感測器以感測該受測者的一光體積變化描記圖訊號; 以一差動放大器將該二感測電極之間的一共模訊號反向並輸出至一濾波器,其中經反向後的該共模訊號係作為該濾波器的一參考電壓; 以一濾波放大單元對該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號進行濾波與放大處理; 以一類比數位轉換單元將該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號從類比格式轉換為數位格式; 以一數位訊號處理單元偵測該心電訊號與該光體積變化描記圖訊號的多個特徵參數,其中該些特徵參數分為第一組特徵參數與第二組特徵參數;以及 根據該受測者之多筆參考血壓值與該第一組特徵參數以回歸分析產生一校正係數組; 根據該校正係數組與該第二組特徵參數,計算該受測者的血壓估測值; 以該數位訊號處理單元計算該些特徵參數,且該些特徵參數分為第一組特徵參數與第二組特徵參數,根據該受測者之多筆參考血壓值與該第一組特徵參數,以回歸分析產生一校正係數組;並根據該校正係數組與該第二組特徵參數,計算該受測者的血壓估測值; 其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數係包含至少一脈波到達時間以及至少一心率,該校正係數組係包括:對應該脈波到達時間的一第一係數、對應該心率的一第二係數以及一常數係數。
- 如請求項18所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中該第一組特徵參數與第二組特徵參數更包含至少一脈波間距,且該校正係數組更包括:對應該脈波間距的一第三係數。
- 如請求項19所述的單臂式兩電極血壓測量方法,其中第一組特徵參數與第二組特徵參數更包含至少一脈波寬度,且該校正係數組更包括:對應該脈波寬度的一第四係數。
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