TWI671057B - 心跳週期的分析方法、裝置及系統 - Google Patents

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Abstract

一種分析方法、裝置及系統，該方法藉由該裝置實施，並包含：接收對應一使用者的多個心跳週期，該等心跳週期是藉由該使用者在睡眠時所量測而獲得；以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數；對該第i區間的該等心跳週期作快速傅立葉轉換，以產生對應的N個頻譜，i=1、2、…、N；計算該N個頻譜之每一者的一總功率；及判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態。

Description

心跳週期的分析方法、裝置及系統
本發明是有關於一種分析方法、裝置及系統，特別是指一種心跳週期的分析方法、裝置及系統。
心電圖(Electrocardiography；ECG)是一種藉由皮膚上的電極，擷取電訊號，並以時間為單位紀錄心臟的電生理活動的技術。在一正常的心跳週期中，心電圖上的心跳訊號依序包含一P波、一QRS波群、及一T波。習知的心電圖上的心跳訊號的分析與解讀，已應用於各種心臟方面有關的疾病診斷，例如左右心房異常、左右心室肥大、左右束支傳導阻滯、急性心肌梗塞等等。然而，心跳訊號是否存有其他更廣泛的分析與應用，便成為一個待解決的問題。
因此，本發明的目的，即在提供一種相關於睡眠品質指標的心跳週期的分析方法、裝置及系統。
於是，本發明之一觀點，提供一種分析系統，適用於一使用者，並包含一感測單元、一訊號處理單元、一傅立葉轉換單元、及一處理單元。
該感測單元偵測該使用者以產生一心跳信號。該訊號處理單元電連接該感測單元以接收該心跳信號，並據以計算在不同時間點的多個心跳週期。
該傅立葉轉換單元用於執行快速傅立葉轉換的運算。該處理單元以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數，並電連接該傅立葉轉換單元，以將分別對應該第i區間的該等心跳週期傳送至該傅立葉轉換單元，進而接收該傅立葉轉換單元所產生的分別對應該第i區間的N個頻譜，i=1、2、…、N。
該處理單元計算該N個頻譜之每一者的一總功率，且判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數。其中，該傅立葉轉換單元分別對該第i區間的該等心跳週期執行快速傅立葉轉換的運算，以分別產生對應該第i區間的該N個頻譜。
在一些實施態樣中，其中，該預設閥值是4x10 6毫秒平方(ms 2)。
在另一些實施態樣中，其中，該感測單元所偵測的該心跳信號是該使用者在睡眠時且共持續一第一時間長度，該時間切割區間等於一第二時間長度，該第二時間長度小於該第一時間長度。
在另一些實施態樣中，其中，每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於或等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。
於是，本發明之另一觀點，提供一種分析裝置，適用於接收對應一使用者的多個心跳週期，該等心跳週期是藉由該使用者在睡眠時所量測而獲得。該分析裝置包含一傅立葉轉換單元及一處理單元。
該傅立葉轉換單元用於執行快速傅立葉轉換的運算。該處理單元以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數，並電連接該傅立葉轉換單元，以將分別對應該第i區間的該等心跳週期傳送至該傅立葉轉換單元，進而接收該傅立葉轉換單元所產生的分別對應該第i區間的N個頻譜，i=1、2、…、N。
該處理單元計算該N個頻譜之每一者的一總功率，且判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數。其中，該傅立葉轉換單元分別對該第i區間的該等心跳週期執行快速傅立葉轉換的運算，以分別產生對應該第i區間的該N個頻譜。
在一些實施態樣中，其中，該預設閥值是4x10 6毫秒平方(ms 2)。
在另一些實施態樣中，該使用者在睡眠時所量測而獲得的該等心跳週期共持續一第一時間長度，其中，該時間切割區間等於一第二時間長度，該第二時間長度小於該第一時間長度。
在另一些實施態樣中，其中，每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於或等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。
於是，本發明之另一觀點，提供一種分析方法，適於藉由一分析裝置實施，並包含步驟(a)~(e)。
於步驟(a)，接收對應一使用者的多個心跳週期，該等心跳週期是藉由該使用者在睡眠時所量測而獲得。
於步驟(b)，以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數。
於步驟(c)，分別對該第i區間的該等心跳週期作快速傅立葉轉換，以分別產生對應該第i區間的N個頻譜，i=1、2、…、N。
於步驟(d)，計算該N個頻譜之每一者的一總功率。
於步驟(e)，判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數。
在一些實施態樣中，其中，在步驟(e)中，該預設閥值為4x10 6毫秒平方(ms 2)。
在另一些實施態樣中，其中，在步驟(a)中，該使用者在睡眠時所量測而獲得的該等心跳週期共持續一第一時間長度。在步驟(b)中，該時間切割區間等於一第二時間長度，該第二時間長度小於該第一時間長度。
在另一些實施態樣中，其中，在步驟(d)中，每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於或等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。
本發明的功效在於：藉由該分析裝置執行該分析方法，並根據該使用者處於睡眠狀態的心跳信號所產生的多個心跳週期，先作小範圍的視窗切割而區分為該N個區間，再分別作該N個快速傅立葉轉換，以產生該N個頻譜，並據以計算所對應的該N個總功率。當該分析裝置判斷該N個總功率之其中小於該預設閥值者所對應的所在時間，即表示該使用者在該所在時間的睡眠品質不佳。
在本發明被詳細描述之前，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，本發明分析系統100的一實施例，適用於一使用者，並包含一穿戴式裝置2及一分析裝置1。
該穿戴式裝置2包括一感測單元21、一訊號處理單元22、及一電連接該訊號處理單元22的第二通訊單元23。當該使用者穿戴該穿戴式裝置2時，該感測單元21偵測該使用者而產生一心跳信號。在本實施例中，該心跳信號是心電圖上的一R波，但不以此為限。
舉例來說，該穿戴式裝置2是一智慧型手環時，該穿戴式裝置2是用以配戴於該使用者的手腕，而該感測單元21是貼附於該使用者的手腕表面並與手腕表面相接觸，以偵測脈搏而產生脈搏信號(即相當於心跳信號)。該穿戴式裝置2是一件智慧衣時，該感測單元21是與該使用者的胸口接觸，以偵測心跳而產生該心跳信號，但都不在此限。
該訊號處理單元22電連接該感測單元21以接收該心跳信號，並據以計算在不同時間點的多個心跳週期，在本實施例中，該每一心跳週期是相鄰R波之間的R-R間期(R-R Interval)。更詳細地說，不同的使用者的心跳強弱可能會有所不同，該訊號處理單元22先搜尋出該心跳信號中的各個峰值，再根據該等峰值的大小，調整該心跳信號的大小。例如，該等峰值較小者，表示該使用者的心跳強度較弱，則該心跳信號會被該訊號處理單元22依照一預設的增益值加以放大。同理，該等峰值較大者，表示該使用者的心跳強度較強，則該心跳信號會被該訊號處理單元22依照另一預設的增益值加以縮小。如此，使得該訊號處理單元22能夠更正確地計算出該等心跳週期，例如該等R-R間期，即相鄰的每二個R波之間的時間長度，其單位是毫秒(ms)，且不因使用者的心跳強弱而受到限制。
參閱圖1與圖2，該分析裝置1包括一傅立葉轉換單元12、一電連接該傅立葉轉換單元12的處理單元11、及一電連接該處理單元11的第一通訊單元13。該分析裝置1的該第一通訊單元13電連接該穿戴式裝置2的該第二通訊單元23，使得該分析裝置1與該穿戴式裝置2建立連線，也就是說，該第一通訊單元13及該第二通訊單元23都支援相同的傳輸協定，例如以有線的方式直接連接、或無線的方式如WiFi通訊、藍芽通訊(Bluetooth)等等。該分析裝置1與該穿戴式裝置2建立連線可利於資料的傳輸，例如多個R-R間期等資料但不限於此。
另外，在本實施例中，該訊號處理單元22及該感測單元21是設置於該穿戴式裝置2中，而在其他實施例中，該訊號處理單元22也可以不設置在該穿戴式裝置2而改為設置在該分析裝置1中，或者，該訊號處理單元22也可以被省略，而其所作的計算該等心跳週期改由該處理單元11來執行。再者，在其他實施例中，該穿戴式裝置2的該第二通訊單元23及該分析裝置1的該第一通訊單元13也可以被省略，也就是說，該穿戴式裝置2與該分析裝置1之間並未建立連線，該感測單元21所產生的該心跳信號或該訊號處理單元22所產生的該等心跳週期，是先儲存在一儲存單元(例如記憶卡或隨身碟)(圖未示)，再將該儲存單元由該穿戴式裝置2中移除，並安裝至該分析裝置1中，使得該分析裝置1中的該處理單元11(或該訊號處理單元)獲得該心跳信號或該等心跳週期。
該分析裝置1執行一分析方法，該分析方法包含步驟S1~S5。
於步驟S1，該處理單元11經由該第一通訊單元13接收對應該使用者的該等心跳週期，在本實施例中，即多個R-R間期(R-R Interval)。此外，該使用者在睡眠時所量測而獲得的該心跳信號(或該等心跳週期)共持續一第一時間長度，如四小時，但不在此限。
於步驟S2，該處理單元11以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數。該時間切割區間等於一第二時間長度，例如是五分鐘，但不以此為限。
於步驟S3，該處理單元11將分別對應該第i區間的該等心跳週期傳送至該傅立葉轉換單元12。接著，該傅立葉轉換單元12分別對該第i區間的該等心跳週期執行快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform；FFT)的運算，以分別產生對應該第i區間的N個頻譜。接著，該處理單元11接收該傅立葉轉換單元12所產生的分別對應該第i區間的該N個頻譜，i=1、2、…、N。
舉例來說，前述訊號處理單元22根據所接收的該心跳信號(如R波)，計算每隔一秒的心跳週期，也就是說，計算而獲得分別在第1秒、第2秒、第3秒….的心跳週期分別為1000、937.5、952…毫秒(ms)。該處理單元11將分別在第1秒至第300秒(即該第二時間長度等於五分鐘)的300個心跳週期再補上212個零，成為共512個數值，使該傅立葉轉換單元12作該第1區間的快速傅立葉轉換。同理，該處理單元11將分別在第301秒至第600秒的300個心跳週期再補上212個零，成為共512個數值，使該傅立葉轉換單元12作該第2區間的快速傅立葉轉換。
要補充說明的是：在本實施例中，該第二時間長度小於該第一時間長度，使得該傅立葉轉換單元12在執行快速傅立葉轉換時，能相較於該第二時間長度等於該第一時間長度時所需要的運算負擔來得小。換句話說，當該傅立葉轉換單元12的運算能力相對夠強時，該第二時間長度也可以等於該第一時間長度。此外，前述例子中，將300個心跳週期補上212個零成為512個數值，是為了滿足2的冪次方個數值作快速傅立葉轉換，在其他實施例中，心跳週期的數量、補零的數量、及兩者相加的數量也可以是其他的數值，不以此為限。
於步驟S4，該處理單元11計算該N個頻譜之每一者的一總功率。更詳細地說，每一該頻譜依照頻率範圍劃分為四種功率，即小於0.003赫茲(Hz)屬於超低頻功率(ULF)、介於0.003赫茲與0.04赫茲之間屬於極低頻功率(VLF)、介於0.04赫茲與0.15赫茲之間屬於低頻功率(LF)、介於0.15赫茲與0.4赫茲之間屬於高頻功率(HF)。而每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。此外，每一種功率是在該每一頻譜中，計算在不同頻率分量的振幅之平方和，其單位是毫秒平方(ms 2)。
於步驟S5，該處理單元11判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數。在本實施例中，該預設閥值是4x10 6毫秒平方(ms 2)。該使用者的睡眠品質不佳的可能狀況有不寧腿(Restless leg syndrome)、呼吸中止(AHI)、夢遊、頻尿、做惡夢等等。
再參閱圖3，圖3是一立體圖，說明該穿戴式裝置2是一種智慧衣。該智慧衣還包含一殼體24，以容置該訊號處理單元22及該第二通訊單元23。該感測單元21包含二感測元件211、212、及二分別電連接該等感測元件211、212的導電元件216、217。每一該感測元件211、212例如是一布膜生理感測器，該布膜生理感測器包括一織物本體及一與該織物本體嵌合的導電塗料層。該織物本體例如是一梭織織物(或稱平織織物)，該導電塗料層包括一疏水性黏結劑及多個分布於其中的導電粒子。可以作為該疏水性黏結劑的材料包含但不僅限於聚氨酯(Polyurethane, PU)、矽氧烷(Silicon)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate, PET)、及壓克力等。可以作為導電粒子的材料包含非金屬材料、金屬材料、或其組合。前述非金屬材料包含但不僅限於奈米碳管(Carbon nanotubes, CNT)、碳黑(Carbon black)、碳纖維(Carbon fiber)、石墨烯(Graphene)、及導電高分子(如：聚3,4二氧乙基噻吩(PEDOT)、聚丙烯腈(PAN)等)。前述金屬材料包含但不僅限於金、銀、銅、及金屬氧化物(如：氧化銦錫(ITO)等)。
另外要特別強調的是：為方便說明起見，圖3僅示意性地繪出該智慧衣的部分結構，但不影響實施本案的完整技術手段。圖3所繪示之智慧衣的部分結構，可進一步地與衣物結合，以滿足實際應用之需求，但不以此為限。此外，在本實施例中，該感測單元21所包含的該等感測元件211、212及該等導電元件216、217的數量都是二個，而在其他實施例中，該感測單元21所包含的該等感測元件及該等導電元件的數量也可以是三個以上的其他多數個。
當該使用者穿著該智慧衣時，該感測元件211(或212)會經由胸腔的皮膚表面接收每一次心跳所產生的一電流訊號。該電流訊號經由與該感測元件211(或212)相電連接之導電元件216(或217)(通常是導線)傳送至該訊號處理單元22。該訊號處理單元22接收該電流訊號，並儲存紀錄電壓降的變化，進一步產生該心跳信號。
綜上所述，藉由該分析裝置執行該分析方法，並根據該使用者處於睡眠狀態的心跳信號所產生的多個心跳週期，先作小範圍的視窗切割而區分為該N個區間，再分別作該N個快速傅立葉轉換，以產生該N個頻譜，並據以計算所對應的該N個總功率。當該分析裝置判斷該N個總功率之其中小於該預設閥值者所對應的所在時間，即表示該使用者在該所在時間的睡眠品質不佳，也就是該使用者具有較高的睡眠障礙風險，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。
100‧‧‧分析系統
1‧‧‧分析裝置
11‧‧‧處理單元
12‧‧‧傅立葉轉換單元
13‧‧‧第一通訊單元
2‧‧‧穿戴式裝置
21‧‧‧感測單元
211‧‧‧感測元件
212‧‧‧感測元件
216‧‧‧導電元件
217‧‧‧導電元件
22‧‧‧訊號處理單元
23‧‧‧第二通訊單元
24‧‧‧殼體
S1~S5‧‧‧步驟
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是一方塊圖，說明本發明分析系統的一實施例； 圖2是一流程圖，說明本發明分析方法的步驟；及 圖3是一立體圖，說明本發明分析系統的一穿戴式裝置的一種態樣。

Claims (12)

  1. 一種分析系統，適用於一使用者，並包含： 一感測單元，偵測該使用者以產生一心跳信號， 一訊號處理單元，電連接該感測單元以接收該心跳信號，並據以計算在不同時間點的多個心跳週期； 一傅立葉轉換單元，用於執行快速傅立葉轉換的運算；及 一處理單元，以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數，並電連接該傅立葉轉換單元，以將分別對應該第i區間的該等心跳週期傳送至該傅立葉轉換單元，進而接收該傅立葉轉換單元所產生的分別對應該第i區間的N個頻譜，i=1、2、…、N， 該處理單元計算該N個頻譜之每一者的一總功率，且判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數， 其中，該傅立葉轉換單元分別對該第i區間的該等心跳週期執行快速傅立葉轉換的運算，以分別產生對應該第i區間的該N個頻譜。
  2. 如請求項1所述的分析系統，其中，該預設閥值是4x10 6毫秒平方(ms 2)。
  3. 如請求項1所述的分析系統，其中，該感測單元所偵測的該心跳信號是該使用者在睡眠時且共持續一第一時間長度，該時間切割區間等於一第二時間長度，該第二時間長度小於該第一時間長度。
  4. 如請求項1所述的分析系統，其中，每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於或等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。
  5. 一種分析裝置，適用於接收對應一使用者的多個心跳週期，該等心跳週期是藉由該使用者在睡眠時所量測而獲得，該分析裝置包含： 一傅立葉轉換單元，用於執行快速傅立葉轉換的運算；及 一處理單元，以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數，並電連接該傅立葉轉換單元，以將分別對應該第i區間的該等心跳週期傳送至該傅立葉轉換單元，進而接收該傅立葉轉換單元所產生的分別對應該第i區間的N個頻譜，i=1、2、…、N， 該處理單元計算該N個頻譜之每一者的一總功率，且判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數， 其中，該傅立葉轉換單元分別對該第i區間的該等心跳週期執行快速傅立葉轉換的運算，以分別產生對應該第i區間的該N個頻譜。
  6. 如請求項5所述的分析裝置，其中，該預設閥值是4x10 6毫秒平方(ms 2)。
  7. 如請求項5所述的分析裝置，該使用者在睡眠時所量測而獲得的該等心跳週期共持續一第一時間長度，其中，該時間切割區間等於一第二時間長度，該第二時間長度小於該第一時間長度。
  8. 如請求項5所述的分析裝置，其中，每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於或等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。
  9. 一種分析方法，適於藉由一分析裝置實施，並包含下列步驟： (a)接收對應一使用者的多個心跳週期，該等心跳週期是藉由該使用者在睡眠時所量測而獲得； (b)以一時間切割區間，將該等心跳週期依照時間順序，區分為一第1區間、一第2區間、…及一第N區間，N為大於1的正整數； (c)分別對該第i區間的該等心跳週期作快速傅立葉轉換，以分別產生對應該第i區間的N個頻譜，i=1、2、…、N； (d)計算該N個頻譜之每一者的一總功率；及 (e)判斷該N個總功率之其中小於一預設閥值者所對應的該第j區間的所在時間是該使用者處於睡眠品質不佳的狀態，j是介於1與N之間的正整數。
  10. 如請求項9所述的分析方法，其中，在步驟(e)中，該預設閥值為4x10 6毫秒平方(ms 2)。
  11. 如請求項9所述的分析方法，其中， 在步驟(a)中，該使用者在睡眠時所量測而獲得的該等心跳週期共持續一第一時間長度，及 在步驟(b)中，該時間切割區間等於一第二時間長度，該第二時間長度小於該第一時間長度。
  12. 如請求項9所述的分析方法，其中，在步驟(d)中，每一該總功率是對應的該頻譜中，頻率範圍在小於或等於0.4赫茲(Hz)的能量總和。
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