TWI747633B

TWI747633B - 訊號品質指數的評估電路

Info

Publication number: TWI747633B
Application number: TW109141433A
Authority: TW
Inventors: 信福吳; 陳佩君; 陳儁翰; 大衛傅
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-11-21
Also published as: TW202220612A

Abstract

一種訊號品質指數的評估電路，包含：環境感測器、零相位濾波器以及評估電路。環境感測器用於感測周邊狀態以產生修正參考訊號。零相位濾波器訊號可傳輸地連接於環境感測器，零相位濾波器用於依據生理訊號及修正參考訊號產生乾淨生理訊號，其中乾淨生理訊號包含多個週期訊號，且每個週期訊號具有生理數值。評估電路訊號可傳輸地連接於零相位濾波器，評估電路依據乾淨生理訊號的該些週期訊號的生理數值中的一或多個計算標準值域，及判斷每個週期訊號對應的生理數值與標準值域之間的差異量，評估電路更依據該些差異量計算並輸出訊號品質指數。

Description

訊號品質指數的評估電路

本發明係關於一種訊號品質指數的評估電路，特別係關於一種可以排除生理訊號中的雜訊並評估生理訊號品質的訊號品質指數的評估電路。

心血管疾病已被證實與心率及血壓有高度相關性。血壓係指在循環系統中由血液產生的壓力，因血壓與心跳的力度(Force)、頻率以及動脈壁的彈性與直徑密切相關，故血壓經常為診斷及治療的目的而被量測。若血壓未被良好地控制，更可能導致心臟病、中風、心衰竭等問題。因此，藉由人工智慧領域的技術提升血壓量測的精準度更顯得非常重要。

血壓量測的技術已發展多年，且根據估算血壓值的方式，血壓量測可以分為以壓脈帶(Cuff)量測及非壓脈帶(Cuff-less)量測兩種方式。相較於以壓脈帶的量測方式，非壓脈帶的量測方式在操作上更加簡便且更可以連續地量測。

近年的非壓脈帶的量測方式更包含以心電圖(Electrocardiogram，ECG)與光體積變化描記圖(Photoplethysmography，PPG)進行量測。然而，此兩種方式測得的訊號通常都會因基線飄移(Baseline Wander)、電力線干擾(Power line interference，PLI)及肌電雜訊等效應而不盡理想，儘管以截止頻率進行訊號處理，醫護人員或研究人員仍然難以僅藉由目測的方式判讀處理過後的訊號是否準確。

鑒於上述，本發明提供一種以滿足上述需求的訊號品質指數的評估電路。

依據本發明一實施例的訊號品質指數的評估電路，包含：一環境感測器，用於感測周邊狀態以產生一修正參考訊號；一零相位濾波器，訊號可傳輸地連接於該環境感測器，該零相位濾波器用於依據一生理訊號及該修正參考訊號產生一乾淨生理訊號，其中該乾淨生理訊號包含多個週期訊號，且每一該些週期訊號具有一生理數值；以及一評估電路，訊號可傳輸地連接於該零相位濾波器，該評估電路依據該乾淨生理訊號的該些週期訊號的該些生理數值中的一或多個計算一標準值域，及判斷每一該些週期訊號對應的該生理數值與該標準值域之間的一差異量，該評估電路更依據該些差異量計算並輸出一訊號品質指數。

綜上所述，依據本發明一或多個實施例所示的訊號品質指數的評估電路，可以有效地排除心電訊號因受測者的動作或呼吸而產生的雜訊，且可以有效地排除脈搏訊號因外界環境光而產生的雜訊，並且避免在濾波的過程中引入不期望的相移。並且，在後續的訊號分析上，更可以有效地區分出適合用於計算血壓值的生理訊號。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

10:環境感測器

101:加速度計

102:光感測器

20:零相位濾波器

30:評估電路

40:生理訊號感測器

RF1、RF2:修正參考訊號

EC:心電訊號

PUL:脈搏訊號

CL1、CL2:乾淨生理訊號

PS1、PS2:週期訊號

Norm:標準值域

P1~P3:點

G1~G3:第一組週期訊號~第三組週期訊號

TH:訊號品質門檻值

圖1係依據本發明一實施例所繪示的訊號品質指數的評估電路的方塊圖。

圖2A係繪示心電訊號的波型示例圖。

圖2B係繪示對應圖2A的心電訊號的乾淨生理訊號的波型圖。

圖2C係繪示對應圖2B的乾淨生理訊號的平均波型圖。

圖3A係依據本發明一實施例所繪示的生理數值的分佈示例圖。

圖3B係依據本發明一實施例所繪示的生理數值的另一分佈示例圖。

圖4A係繪示脈搏訊號的波型示例圖。

圖4B係繪示對應圖4A的脈搏訊號的乾淨生理訊號的波型圖。

圖5A係依據500筆的30秒的乾淨生理訊號所對應的預估訊號品質指數所繪示的統計圖。

圖5B係依據500筆的30秒的乾淨生理訊號所對應的訊號品質指數所繪示的統計圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

需先說明的是，本發明所示的訊號品質指數的評估電路可以感測環境以產生參考訊號，因此在感測例如為心電訊號、體積變化描記等生理訊號時，可以依據參考訊號對生理訊號進行訊號處理，藉此輸出較精準的生理訊號。

請參考圖1，圖1係依據本發明一實施例所繪示的訊號品質指數的評估電路的方塊圖。本發明的訊號品質指數的評估電路包含一環境感測器10、一零相位濾波器20以及一評估電路30，其中環境感測器10訊號可傳輸地連接於零相位濾波器20；零相位濾波器20訊號可傳輸地連接於評估電路30。

環境感測器10用於感測周邊狀態以產生一修正參考訊號RF1或RF2，即環境感測器10感測受測者的動作或感測周圍環境光亮度；零相位濾波器20用於依據一生理訊號及修正參考訊號RF1或RF2產生一乾淨生理訊號CL1或CL2，其中乾淨生理訊號CL1或CL2包含多個週期訊號，且每一該些週期訊號具有一生理數值。據此，評估電路30可以依據乾淨生理訊號CL1或CL2的該些週期訊號的生理數值計算出一標準值域，進一步計算每一該些週期訊號的生理數值與該標準值域之間的差異量，以依據該些差異量計算並輸出一訊號品質指數(Signal quality index，SQI)。

簡言之，前述的生理訊號可以是心電訊號EC或脈搏訊號PUL，故環境感測器10較佳包含一加速度計101及一光環境感測器102，零相位濾波器20即可依據加速度計101及光環境感測器102感測得的訊號，對從生理訊號感測器40接收的心電訊號EC或脈搏訊號PUL進行訊號處理，以產生對應的乾淨生理訊號CL1或CL2，因此評估電路30可以計算乾淨生理訊號CL1或CL2的訊號品質指數，以判斷乾淨生理訊號CL1或CL2是否為可用的生理訊號。以下將先以生理訊號為心電訊號EC進行說明。

請接著一併參考圖1及圖2A，其中圖2A係繪示心電訊號的示例圖，即圖2A示出心電圖(Electrocardiogram，ECG)的波型示例圖。因生理訊號感測器40量得的心電訊號EC為原始資料(Raw data)，故如圖2A所示，其心電圖所呈現的波型可能因受測者呼吸或走路等移動或運動因素而有基線飄移的現象。

因此，在生理訊號感測器40感測心電訊號EC的同時，加速度計101可以感測環境狀態以感測受測者的動作所引入的雜訊。舉例而言，若在生理訊號感測器40感測心電訊號EC時受測者正在走動，感測得的心電訊號EC即可能引入約2赫茲的雜訊，因此加速度計101可以用於感測因受測者的動作而產生的運動訊號，並以此運動訊號作為所述的修正參考訊號RF1。換言之，修正參考訊號RF1即為對應該2赫茲的雜訊的訊號。

當零相位濾波器20收到心電訊號EC及修正參考訊號RF1後，零相位濾波器20依據修正參考訊號RF1計算因受測者的動作而產生的雜訊的頻率(例如，走路時引入的約2赫茲的雜訊)，以通帶(Passband)濾波及阻帶(Stopband)濾波的方式濾出頻率例如為3赫茲到45赫茲的訊號，或是濾出頻率例如為0.5赫茲到50赫茲的訊號，並以此濾出的訊號作為乾淨生理訊號CL1。

詳言之，因一般濾波器雖然能夠濾掉雜訊訊號，然其可能同時造成相移增加或其他不期望的現象。因此，藉由零相位濾波器20濾波可以避免在濾波的過程中引入相移，並同時濾出期望頻帶的訊號。

乾淨生理訊號CL1的波型圖即如圖2B所示，圖2B係繪示對應圖2A的心電訊號的乾淨生理訊號CL1的波型圖，且乾淨生理訊號CL1具有多個週期訊號PS1，一個週期訊號PS1例如為一個波峰(R波的波峰)到下一個波峰之間的訊號，或是一個波谷到下一個波谷之間的訊號，本發明不對週期訊號PS1的劃分方式予以限制。

評估電路30接著對乾淨生理訊號CL1的一或多個週期訊號PS1執行訊號可用度的分析，其分析方式可以包含以平均值分析、以相關性(Correlation)分析或是以分佈模型分析。

評估電路30以平均值分析乾淨生理訊號CL1的實施方式可以是先基於一或多個週期訊號PS1的生理數值計算一標準值域，計算出標準值域的方式可以是計算該些生理數值的一或多個的一平均值，其中以平均值得到的一個週期訊號PS1可以是如圖2C所示，然計算出標準值域的方式亦可以是計算該些生理數值的一或多個的中位數或眾位數等，本發明不以此為限。計算該些生理數值的平均值可以係以如下的公式(1)實現：

其中，

為乾淨生理訊號CL1的中一或多個的週期訊號PS1的生理數值的平均值；c _i(x)為乾淨生理訊號CL1的每一該些週期訊號PS1的生理數值；N為該些週期訊號PS1的總數。

評估電路30並基於每個生理數值與平均值之間的差異量計算訊號品質指數，即評估電路30可以係計算出該些差異量中落於一門檻值域內的數量，並以差異量落於門檻值域的數量對該些差異量的總數量的比例作為所述的訊號品質指數。

此外，請參考圖3A，其中圖3A係依據本發明一實施例所繪示的生理數值的分佈示例圖，圖3A中每一個點皆代表高維度的一個週期訊號的生理數值。

當評估電路30計算出平均值

後，即可以平均值

作為中心點而劃分出標準值域Norm，且每一生理數值與為平均值

的中心點有一距離，評估電路30可以計算每一生理數值對應的距離是否不大於標準值域Norm的中心點到其橢圓圓周的距離，並判斷距離不大於標準值域Norm的中心點到其橢圓圓周的距離的生理數值為可用的週期訊號PS1，以進一步計算距離不大於標準值域Norm的中心點到其橢圓圓周的距離的生理數值佔所所有生理數值的比例，並以該比例作為訊號品質指數。簡言之，落在標準值域Norm的生理數值即為乾淨生理訊號CL1中可用的週期訊號PS1(在圖3A中以x表示)；落在標準值域Norm外的生理數值即為乾淨生理訊號CL1中可能為異常的週期訊號PS1(在圖3A中以正方形表示)。具體而言，因同一個受測者的生理數值多會集中在一個範圍內，因此評估電路30可以計算該些生理數值中落在標準值域Norm佔所有的生理數值的比例，並以計算得的比例值作為訊號品質指數。並且，因一個維度(dimension)可能對應到一個公差(例如，標準差)，即每個維度可能對應到各別的標準值域，故如圖3A所示，標準值域Norm呈現為橢圓形形狀，且其包圍的生理數值即為在此公差(標準差)內的生理數值。

當落在標準值域Norm的生理數值的佔比達一門檻比例時，表示乾淨生理訊號CL1的訊號品質指數係高的，即乾淨生理訊號CL1適合用於後續估算血壓值；反之，當落在標準值域Norm的生理數值的佔比未達門檻比例時，表示乾淨生理訊號CL1的訊號品質指數較低，不適合用於後續估算血壓值。

請參考圖3B，圖3B係依據本發明一實施例所繪示的生理數值的分佈圖，圖3B中每一個點皆代表高維度的一個週期訊號的生理數值。相似於圖3A，標準值域Norm可以是圖中所示的曲線，而圖中以原點標記的資料點為乾淨生理訊號CL1中與標準值域Norm之間的距離在預設範圍內的週期訊號PS1；以星號標記的資料點為乾淨生理訊號CL1中與標準值域Norm之間的距離超過預設範圍的週期訊號PS1。因此，評估電路30可以基於以原點標記的資料點佔圖3B中所有資料點的比例計算出乾淨生理訊號CL1的訊號品質指數。

如前述，評估電路30亦可以分佈模型分析乾淨生理訊號CL1，其實施方式為基於乾淨生理訊號CL1的該些週期訊號PS1的生理數值建立一高斯分佈模型，其中高斯分佈模型的信賴區間即為標準值域，平均值

(x)即為高斯分佈模型的峰值。評估電路30計算該些生理數值與平均值

(x)之間的差異量，並以差異量落於門檻值域的生理數值佔所有生理數值的比例作為訊號品質指數，評估電路30判斷該比例是否達信賴區間的比例，並於判斷差異量落於門檻值域的生理數值的數量達信賴區間的比例時判斷乾淨生理訊號CL1適合用於後續估算血壓值。

此外，評估電路30以相關性分析乾淨生理訊號CL1的實施方式亦可以是計算乾淨生理訊號CL1的每一生理數值與生理數值的平均值之間的相關性，並基於計算出的相關性進一步算出乾淨生理訊號CL1的訊號品質指數。以相關性計算乾淨生理訊號CL1的訊號品質指數可以係以如下的公式(2)實現：

其中，C _SQI(x)即為訊號品質指數；Corr(c _i(x),

(x))為該些週期訊號PS1的生理數值c _i(x)與平均值

(x)的相關性；N為該些週期訊號PS1的總數。因此，當訊號品質指數C _SQI(x)達期望值時，則表示乾淨生理訊號CL1適合用於後續計算血壓值。

以圖2A及圖2B為例，當心電訊號EC為如圖2A所示的原始資料時，其訊號品質指數C _SQI(x)僅為66%；而當心電訊號EC為如圖2B所示的乾淨生理訊號CL1時，其訊號品質指數C _SQI(x)達97%。依據上述一或多個實施例，不僅可以對心電訊號EC進行訊號處理以取得乾淨生理訊號CL1，更可以判斷乾淨生理訊號CL1是否為可用的訊號，以讓後續血壓值的計算可以更準確。

相似於心電訊號EC的訊號處理及計算其訊號品質指數的方式，脈搏訊號PUL亦會經過零相位濾波器20的訊號處理以產生對應的乾淨生理訊號CL2，評估電路30即可計算乾淨生理訊號CL2的訊號品質指數。

詳細而言，在生理訊號感測器40感測脈搏訊號PUL的同時，光環境感測器102可以感測環境以感測周圍環境光引入的雜訊。舉例而言，若在生理訊號感測器40感測脈搏訊號PUL時周圍有環境光，因此，如圖4A所示的30秒的脈搏訊號的波型圖，感測得的脈搏訊號PUL即可能引入周圍環境光造成的雜訊，故光環境感測器102可以用於感測周圍環境光以產生光訊號，並以此光訊號作為所述的修正參考訊號RF2。

當零相位濾波器20收到脈搏訊號PUL及修正參考訊號RF2後(即光環境感測器102感測得的光訊號)，零相位濾波器20依據修正參考訊號RF2計算周圍環境光造成的雜訊的頻率，以通帶濾波的方式濾出頻帶例如為0.5赫茲到5赫茲的訊號，並以此濾出的訊號作為乾淨生理訊號CL2。

乾淨生理訊號CL2的波型圖即如圖4B所示，評估電路30接著對乾淨生理訊號CL2的一或數個週期訊號PS2執行訊號可用度的分析，其分析方式除了可以包含如前述的平均值分析、相關性分析或是分佈模型分析之外，亦可以包含移動平均(Moving average)分析。

詳細而言，故如圖4B所示，在30秒的波型上的每個P1~P3點皆對應到一個正規值，評估電路30依據點P1~P3的正規值的累積數量建立直方圖(Histogram)，其中直方圖的橫軸為正規值，縱軸為正規值的累積數量，評估電路30即可基於該直方圖的偏斜度(Skewness)計算一預估訊號品質指數。基於直方圖的偏斜度計算預估訊號品質指數可以係以如下的公式(3)實現：

其中，x _i為乾淨生理訊號CL2的每一週期訊號P2的生理數值；

為週期訊號P2的生理數值的平均值；σ為週期訊號P2的生理數值的標準差；N為乾淨生理訊號CL2的訊號長度。以公式(3)計算得圖4A所示的30秒的脈波訊號PUL的預估訊號品質指數(S _SQI)為0.5610；圖4B所示的30秒的乾淨生理訊號CL2的預估訊號品質指數(S _SQI)為0.7499。

然而，如圖5A所示，圖5A係依據500筆的30秒的乾淨生理訊號CL2所對應的預估訊號品質指數所繪示的統計圖，若是僅基於直方圖的偏斜度計算預估訊號品質指數，則可能使預估訊號品質指數較低的乾淨生理訊號被誤判為具有高預估訊號品質指數的訊號。換言之，圖5中所示的G1~G3分別代表「好」、「普通」及「不好」的乾淨生理訊號CL2中的數個週期訊號PS2，其中因第二組週期訊號G2及第三組週期訊號G3的分布範圍較廣，使得三組週期訊號G1~G3在縱軸上的值有很大程度的重疊，即「不好」的第三組週期訊號G3亦包含了較高的預估訊號品質指數，因此即使設定了訊號品質門檻值TH，仍可能取得訊號品質為「不好」的第三組週期訊號G3。

因此，本發明先計算關聯於該偏斜度預估訊號品質指數(S _SQI)，並基於預估訊號品質指數(S _SQI)及移動平均計算訊號品質指數(SMAS_OUT的SQI)。以移動平均計算一取樣時段內的乾淨生理訊號CL2的訊號品質指數可以係以如下的公式(4)實現：

其中，σ _MA(x)為取樣時段的乾淨生理訊號CL2的移動平均的標準差，該取樣時段在此實施例中為30秒；Flat(x)為乾淨生理訊號CL2的波型的函數，當訊號為非平緩(Non-flat)訊號時Flat(x)為0，當訊號為平緩訊號時Flat(x)為1；n為該些週期訊號P2中峰值為離群值的數量，以圖5A為例，n為峰值大於Q3+(Q3-Q1)×1.5的數量。

請接著參考圖5B，圖5B係依據500筆的30秒的乾淨生理訊號CL2所對應的訊號品質指數所繪示的統計圖，即圖5B係以公式(4)計算訊號品質指數(SMAS_OUT的SQI)所建立的統計圖，且因為公式(4)更考慮了移動平均的標準差σ _MA(x)的參數，故在圖5B所呈現的統計圖中，三組週期訊號G1~G3在縱軸上的重疊程度小，且「不好」的第三組週期訊號 G3的分布範圍相較於圖5A更小，因此更可以區分出三組週期訊號G1~G3的差異。

據此，不僅可以降低第二組週期訊號G2及第三組乾淨生理訊號G3的分布範圍，降低三組週期訊號G1~G3在縱軸上的重疊程度，更可以藉由調整訊號品質門檻值TH而取得訊號品質指數較高的乾淨生理訊號CL2。

另需特別說明的是，對應心電訊號EC的訊號品質指數較佳係以平均值、相關性或是分佈模型的方式計算；對應脈搏訊號PUL的訊號品質指數較佳係以移動平均的方式計算，然心電訊號EC的訊號品質指數的計算方式亦可以包含移動平均，且脈搏訊號PUL的訊號品質指數的計算方式亦可以包含平均值、相關性或是分佈模型，本發明不以此為限。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。