TWI563969B - 生理資訊之計算機分析方法及裝置 - Google Patents

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Description

生理資訊之計算機分析方法及裝置
本案是有關於一種計算機分析方法及裝置，且特別是有關於一種生理資訊之計算機分析方法及裝置。
近年來，各先進國家受到高齡化人口增加之影響，健康照護支出日益龐大，歐美日無不急尋可降低醫療支出之解決方案。而在中國大陸、印度等開發中國家，受限於醫療建設分布不均與城鄉差距過大等問題，對於如何有效分配醫療資源的議題也十分關注。鑑於此一趨勢，全球醫療體系已開始進行轉型，以往以疾病治療為主的支出比例將逐漸調整，改投入更多的預算於疾病的預測與健康之促進。而提供醫療服務之場域也將由專業醫療院所，延伸至健診中心、社區、學校、企業甚至個人，由疾病治療走向預防保健；由集中式走向分散式照護，並透過資通訊技術與個人可攜式設備整合，將健康照護電子化、行動化與無所不在化。
為使健康照護朝向分散式、電子化、行動化方向發展，非侵入式之心脈訊號量測方法與技術。舉例來說，透過心脈量測技術測得之脈波曲線，可檢測出血管硬化程度(stiffness index，SI)與血管彈性(reflection index，RI)等反應心血管健康狀態之參數。透過脈波曲線之峰部(percussion waVe peak)可以測出受測者心臟搏動次數與間隔。脈波曲線之峰部之時間間隔構成之時間序列 (peak-peak interval，PPI)可以視為心電圖機(electrocardiography，ECG)測得之RRI序列，再透過心率變異性(heart rate variability，HRV)分析的方式即可很快地掌握更多反應受測者健康之生心理狀態。各種分散式、電子化、行動化的量測方法不斷推陳出新，取代醫療院所的大型精密機器，以使社會大眾能夠普及且即時的獲得良好的醫療照護。
在這些脈波曲線之量測方法中，必須考慮到量測環境的各種影響，並提升量測分析的精準度，才能確實發揮效果。
本案係有關於一種生理資訊之計算機分析方法及裝置，其利用瞬時變化率最大點分析來提升量測的精準度。
根據本案之第一方面，提出一種生理資訊之計算機分析方法。生理資訊之計算機分析方法包括以下步驟。以一量測單元量測一脈波曲線。脈波曲線係為血管內血液容積隨時間變化之曲線。以一處理單元分析脈波曲線之數個上升波段。以處理單元分析各個上升波段之一瞬時變化率最大點。依據此些瞬時變化率最大點，建立一心臟搏動間期時間序列。
根據本案之第二方面，提出一種生理資訊之計算機分析裝置。生理資訊之計算機分析裝置包括一量測單元、一處理單元及一儲存單元。量測單元用以量測一脈波曲線。脈波曲線係為血管內血液容積隨時間變化之曲線。處理單 元用以分析脈波曲線之數個上升波段，並分析各個上升波段之一瞬時變化率最大點。儲存單元用以儲存此些瞬時變化率最大點。處理單元更依據此些瞬時變化率最大點，建立一心臟搏動間期時間序列。
為了對本案之上述及其他方面更瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖，其繪示生理資訊之計算機分析裝置100之方塊圖示意圖。生理資訊之計算機分析裝置100包括一量測單元110、一處理單元120及一儲存單元130。量測單元110用以量測各種生理資訊，例如是一氣袋式血壓量測器、一感光二極體、或一攝影鏡頭。處理單元120用以進行各種處理程序，例如是一處理晶片、一韌體電路、或儲存多組程式碼之電腦可讀取記錄媒體。儲存單元130用以儲存各種資訊，例如是一記憶體、一記憶卡或一硬碟。
請參照第2圖，其繪一智慧型手機900之示意圖。生理資訊之計算機分析裝置100可以是多功能複合式電子裝置。舉例來說，生理資訊之計算分析裝置100可以是智慧型手機900。量測單元110可以包括智慧型手機900之攝影鏡頭910及發光二極體輔助燈920，處理單元120可以是智慧型手機900之處理晶片(未繪示)，儲存單元130可以是智慧型手機900之記憶體(未繪示)。使用者可以安裝特定應用程式(APP)，即可連結智慧型手機900之攝 影鏡頭910、發光二極體輔助燈920、處理晶片及記憶體，以進行本實施例之生理資訊之計算機分析方法。
請參照第3圖，其繪示一脈波曲線之示意圖。量測單元110用以量測一脈波曲線C1。脈波曲線C1係為血管內血液容積隨時間變化之曲線。在心臟的收縮過程與舒張過程之間，血管內的血液容積會有明顯的變化。在起搏點(pacemaker)P1時，心臟進入收縮期(systole)A1，並進入射血階段。在起搏點P1時，血液容積位於低點。經過射血階段後，達到主波峰(percussion wave peak)P2，此時血液容積來到最高點。在重搏切跡(dicrotic notch)P3時，位於收縮期A1與舒張期(diastole)A2之交界點。進入舒張期A2後，重搏波(dicrotic wave)P4反應肢體末端反彈造成之血液容積變化。
請參照第4圖，其繪示人體微血管較多且組織較薄之部位，如手指800內部之血管的示意圖。射出光線L1進入手指800後，反射光線L2再射出至外界。原本的射出光線L1，經過血管的反射後，受到血管內血液容積變化之影響，射出光線L1之光線特徵例如光線顏色或光線強度，將隨之改變。血管內血液容積越大時，反射光線L2之光線特徵如光線顏色，其顏色將越淡。
請參照第5圖，其繪示生理資訊之計算機分析方法之流程圖。以下係透過第1圖之生理資訊之計算機分析裝置100說明生理資訊之計算機分析方法。
請參照第6圖，其繪示量測單元110所量測之一脈波曲線C2的示意圖。在步驟S101~S103中，以量測單元110 量測脈波曲線C2。脈波曲線C2係為血管內血液容積隨時間變化之曲線。脈波曲線C2可以透過各種方式呈現。舉例來說，脈波曲線C2可以是血管內血液容積隨時間變化之曲線。脈波曲線C2可以是光線通過血管後之一光線特徵隨時間變化之曲線，例如是採用光體積描繪圖(phoroplethysmograph，PPG)技術所描繪出之曲線。在一實施例中，脈波曲線C2例如是光線顏色隨時間變化之曲線或光線強度隨時間變化之曲線。
如第1圖所示，本實施例之量測單元110包括一光線發射器111、一光線接收器112及一時序記錄器113。在量測脈波曲線C2之步驟S101中，以光線發射器111提供射出光線L1。射出光線L1例如是白色光線。以第2圖為例，光線發射器111例如是智慧型手機900之攝影鏡頭910旁的發光二極體輔助燈920。射出光線L1用以射入人體微血管較多且組織較薄之部位，例如是手指800。
在步驟S102中，以光線接收器112接收反射光線L2。以第2圖為例，光線接收器112例如是智慧型手機900之攝影鏡頭910。攝影鏡頭910鄰近於發光二極體輔助燈920。使用者之手指800可以同時蓋住攝影鏡頭910及發光二極體輔助燈920。反射光線L2自使用者之手指800反射後反射入攝影鏡頭910。
在步驟S103中，時序記錄器113記錄反射光線L2隨時間變化之光線特徵值。時序記錄器113例如是一晶片、一韌體電路或儲存多組程式碼之電腦可讀取記錄媒體。在本實施例中，時序記錄器113隨著時間將反射光線L2之 紅色值記錄後產生脈波曲線C2。
如第6圖所示，量測單元110所量測出來的脈波曲線C2的光線特徵，如光線顏色之紅色值在248~254之間波動。脈波曲線C2的紅色值波動狀況可以反應心跳與脈搏之狀態。
如第1圖所示，在本實施例中，生理資訊之計算機分析裝置100更包括一濾波單元140。在步驟S104中，可以進一步以濾波單元140過濾脈波曲線C2之一高頻雜訊、一低頻雜訊或一介於某頻帶之雜訊，以利於提高分析之精準度。在一實施例中，生理資訊之計算機分析裝置100也可以不包括濾波單元140，而直接以原始之脈波曲線C2進行分析。
在步驟S105~S107中，以處理單元120分析脈波曲線C2之數個上升波段C23。脈波曲線C2之上升波段C23代表心臟位於射血階段。
在步驟S105~S106中，如第6圖所示，處理單元120分析出脈波曲線C2之數個谷部C21及數個峰部C22。分析谷部C21及分析峰部C22之步驟可以同時執行或者分別執行(步驟順序亦可交換)。
脈波曲線C2有上下規律變動之特性，谷部C21與峰部C22交錯排列。在步驟S107中，處理單元120進一步記錄每一谷部C21與其相鄰之下一個峰部C22為上升波段C23，而記錄出數個上升波段C23。
在步驟S108中，處理單元120分析各個上升波段C23之一瞬時變化率最大點C24。請參照第7圖，其繪示第6 圖之脈波曲線C2之一階導函數曲線C2’之示意圖。脈波曲線C2之一階導函數曲線C2’即代表脈波曲線C2之瞬時變化率。在各個上升波段C23中，一階導函數最大點C24’即為瞬時變化率最大點C24。
在步驟S109中，儲存單元130儲存此些瞬時變化率最大點C24。處理單元120更依據此些瞬時變化率最大點C24，建立一心臟搏動間期時間序列。心臟搏動間期時間序列可以記錄各個瞬時變化率最大點C24的間隔時間，例如是0.75秒、0.71秒、、、等。或者，心臟搏動間期時間序列可以記錄各個瞬時變化率最大點C24的發生時間，例如是第1.66秒、第2.46秒、第3.21秒、第3.92秒、、、等。心臟搏動間期時間序列可以用於心率(heart rate，HR)、心率變異性(heart rate variability，HRV)及脈波率變異性(pulse rate variability，PRV)之分析。
本實施例係透過脈波曲線C2之上升波段C23之瞬時變化率最大點C24來建立心臟搏動間期時間序列，而不採用脈波曲線C2之峰部C22來建立心臟搏動間期時間序列。瞬時變化率最大點C24可以代表射血階段做功最大之時間點，脈波曲線C2之峰值C22則僅代表射血階段的累積射血量最大值。脈波曲線C2之峰值C22並不是作功最大的時間點，容易受到外界因素影響。例如，環境光(ambient light)、受測者移動(motion artifact)或受測姿勢(posture)等因素的干擾。本實施例透過脈波曲線C2之上升波段C23之瞬時變化率最大點C24來建立心臟搏動間期時間序列可以大幅減少外界因素的影響，增 加分析的精準度。
此外，請參照第8圖，其繪示量測單元110所量測之另一脈波曲線C3的示意圖。在一實施例中，使用者的手指800在施力不平均的情況下量測出脈波曲線C3。在第15~20秒之間，由於施力不平均，脈波曲線C3受到嚴重的干擾。在此區間，由於峰部C32不是射血作功最大處，故容易受到干擾的影響，使得峰部C32變得不易偵測。
請參照第9圖，其繪示第8圖之脈波曲線C3之一階導函數曲線C3’的示意圖。從第9圖可以發現，雖然第8圖之脈波曲線C3的峰部C32受到嚴重干擾，然而第9圖仍然可以正確地分析出各個一階導函數最大點C34’。從第9圖之各個一階導函數最大點C34’，並可獲得第8圖之瞬時變化率最大點C34。
也就是說，由於瞬時變化率最大點C34是射血作功最大處，因此不容易受到外界干擾。如此一來，即使有嚴重的外界干擾，本實施例之生理資訊之計算機分析裝置100及方法仍可發揮相當高的準確率。
此外，請參照第10圖，其繪示三種心率變異(HRV)指標S1、S2、S3比較圖。第一種心率變異指標S1係依據脈波曲線C3之瞬時變化率最大點C34來建立；第二種心率變異指標S2係依據心電圖來建立；第三種心率變異指標S3係依據脈波曲線C3之峰值C32來建立。如第10圖所示，第一種心率變異指標S1接近於第二種心率變異指標S2，第三種心率變異指標S3偏離於第二種心率變異指標S2。一般而言，依據心電圖圖所建立之心率變異指標 S2是最為準確的。所以採用瞬時變化率最大點C34來建立的心率變異指標S1可以獲得較高之準確率。
在一實施例中，生理資訊之計算機分析裝置100亦可以是多個電子裝置所組成之系統。請參照第11圖，其繪示一光源710、一光電轉換器720及一伺服器730之示意圖。量測單元110之光線發射器111可以是光源710，量測單元110之光線接收器112可以是光電轉換器720，處理單元120可以是伺服器730內建的微處理晶片(未繪示)及主機板(未繪示)，儲存單元130可以是伺服器730內建的硬碟(未繪示)。光源710射出之光線穿越手指800後，射向光電轉換器720。光電轉換器720將光線轉換成電訊號後，即可以電位為縱軸繪製出脈波曲線。
上述實施例之生理資訊之計算機分析方法與裝置可以採用分散式、電子化、行動化的方式來作醫療分析，相當適合搭載於遠距照護系統以及移動式照護系統。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧生理資訊之計算機分析裝置
110‧‧‧量測單元
111‧‧‧光線發射器
112‧‧‧光線接收器
113‧‧‧時序記錄器
120‧‧‧處理單元
130‧‧‧儲存單元
140‧‧‧濾波單元
710‧‧‧光源
720‧‧‧光電轉換器
730‧‧‧伺服器
800‧‧‧手指
900‧‧‧智慧型手機
910‧‧‧攝影鏡頭
920‧‧‧發光二極體輔助燈
A1‧‧‧收縮期
A2‧‧‧舒張期
C1、C2、C3‧‧‧脈波曲線
C21‧‧‧谷部
C22、C32‧‧‧峰部
C23‧‧‧上升波段
C24、C34‧‧‧瞬時變化率最大點
C2’、C3’‧‧‧一階導函數曲線
C24’、C34’‧‧‧一階導函數最大點
L1‧‧‧射出光線
L2‧‧‧反射光線
P1‧‧‧起搏點
P2‧‧‧主波峰
P3‧‧‧重搏切跡
P4‧‧‧重搏波
S1、S2、S3‧‧‧心率變異指標
S101~S109‧‧‧流程步驟
第1圖繪示生理資訊之計算機分析裝置之方塊圖示意圖。
第2圖繪一智慧型手機之示意圖。
第3圖繪示一脈波曲線之示意圖。
第4圖繪示人體受測部位內部之血管的示意圖。
第5圖繪示生理資訊之計算機分析方法之流程圖。
第6圖繪示量測單元所量測之一脈波曲線的示意圖。
第7圖繪示第6圖之脈波曲線之一階導函數曲線之示意圖。
第8圖繪示量測單元所量測之另一脈波曲線的示意圖。
第9圖繪示第8圖之脈波曲線之一階導函數曲線的示意圖。
第10圖繪示三種心率變異指標比較圖。
第11圖繪示一光源、一光電轉換器及一伺服器之示意圖。
S101~S109‧‧‧流程步驟

Claims (10)

  1. 一種生理資訊之計算機分析方法，包括：以一量測單元量測一脈波曲線，該脈波曲線係為血管內血液容積隨時間變化之曲線；以一處理單元分析該脈波曲線之複數個上升波段；以該處理單元分析各個上升波段之一瞬時變化率最大點；以及依據該些瞬時變化率最大點，建立一心臟搏動間期時間序列；其中分析該脈波曲線之該些上升波段之步驟包括：分析該脈波曲線之複數個谷部；分析該脈波曲線之複數個峰部；以及記錄該些谷部與其相鄰之下一個峰部為該些上升波段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生理資訊之計算機分析方法，更包括：以一濾波單元過濾該脈波曲線之一高頻雜訊、一低頻雜訊或一介於某頻帶之雜訊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生理資訊之計算機分析方法，其中該脈波曲線係為一光線通過血管後之一光線特徵隨時間變化之曲線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生理資訊之計算機分析方法，其中量測該脈波曲線之步驟包括：提供一射出光線，該射出光線用以射入一使用者之手指； 接收一反射光線，該反射光線係自該使用者之手指反射；以及保存該反射光線之該光線特徵隨時間變化之數值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生理資訊之計算機分析方法，其中各該瞬時變化率最大點係為各該上升波段之一階導函數最大點。
  6. 一種生理資訊之計算機分析裝置，包括：一量測單元，用以量測一脈波曲線，該脈波曲線係為血管內血液容積隨時間變化之曲線；一處理單元，用以分析該脈波曲線之複數個上升波段，並分析各個上升波段之一瞬時變化率最大點；以及一儲存單元，用以儲存該些瞬時變化率最大點，該處理單元更依據該些瞬時變化率最大點，建立一心臟搏動間期時間序列；其中該處理單元係分析該脈波曲線之複數個谷部及複數個峰部，並記錄該些谷部與其相鄰之下一個峰部為該些上升波段。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之生理資訊之計算機分析裝置，更包括：一濾波單元，用以過濾該脈波曲線之一高頻雜訊、一低訊雜訊或一介於某頻帶之雜訊。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之生理資訊之計算機分析裝置，其中該脈波曲線係為一光線通過血管後之一光線特徵隨時間變化之曲線。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之生理資訊之計算機分析裝置，其中該量測單元包括：一光線發射器，用以量測一射出光線，該射出光線用以射入一使用者之手指；一光線接收器，用以接收一反射光線，該反射光線係自該使用者之該手指反射；以及一時序記錄器，保存該反射光線之該光線特徵隨時間變化之數值。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之生理資訊之計算機分析裝置，其中各該瞬時變化率最大點係為各該上升波段之一階導函數最大點。
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