CN103767690B - 生理信息的计算机分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种生理信息的计算机分析方法及装置。生理信息的计算机分析方法包括以下步骤。以一测量单元测量一脉冲曲线。脉冲曲线为血管内血液容积随时间变化的曲线。以一处理单元分析脉冲曲线的数个上升波段。以处理单元分析各个上升波段的一瞬时变化率最大点。依据此些瞬时变化率最大点，建立一心脏搏动间期时间序列。
Description
技术领域
本申请涉及一种计算机分析方法及装置，且特别涉及一种生理信息的计算机分析方法及装置。
背景技术
近年来，各先进国家受到高龄化人口增加的影响，健康照护支出日益庞大，欧美日无不急寻可降低医疗支出的解决方案。而在中国大陆、印度等开发中国家，受限于医疗建设分布不均与城乡差距过大等问题，对于如何有效分配医疗资源的议题也十分关注。鉴于此一趋势，全球医疗体已开始进行转型，以往以疾病治疗为主的支出比例将逐渐调整，改投入更多的预算于疾病的预测与健康的促进。而提供医疗服务的场域也将由专业医疗院所，延伸至健诊中心、社区、学校、企业甚至个人，由疾病治疗走向预防保健；由集中式走向分散式照护，并通过资通讯技术与个人便携式设备整合，将健康照护电子化、移动化与无所不在化。
为使健康照护朝向分散式、电子化、移动化方向发展，非侵入式的心脉信号测量方法与技术。举例来说，通过心脉测量技术测得的脉冲曲线，可捡测出血管硬化程度（stiffness index，SI）与血管弹性（reflection index，RI）等反应心血管健康状态的参数。通过脉冲曲线的峰部（percussion wave peak）可以测出受测者心脏搏动次数与间隔。脉冲曲线的峰部的时间间隔构成的时间序列(peak-peak interval，PPI)可以视为心电图机（electrocardiography，ECG）测得的RRI序列，再通过心率变异性（heart rate variability，HRV）分析的方式即可很快地掌握更多反应受测者健康的生心理状态。各种分散式、电子化、移动化的测量方法不断推陈出新，取代医疗院所的大型精密机器，以使社会大众能够普及且即时的获得良好的医疗照护。
在这些脉冲曲线的测量方法中，必须考虑到测量环境的各种影响，并提升测量分析的精准度，才能确实发挥效果。
发明内容
本申请涉及一种生理信息的计算机分析方法及装置，其利用瞬时变化率最大点分析来提升测量的精准度。
根据本申请的第一方面，提出一种生理信息的计算机分析方法。生理信息的计算机分析方法包括以下步骤。以一测量单元测量一脉冲曲线。脉冲曲线为血管内血液容积随时间变化的曲线。以一处理单元分析脉冲曲线的数个上升波段。以处理单元分析各个上升波段的一瞬时变化率最大点。依据此些瞬时变化率最大点，建立一心脏搏动间期时间序列。
根据本申请的第二方面，提出一种生理信息的计算机分析装置。生理信息的计算机分析装置包括一测量单元、一处理单元及一存储单元。测量单元用以测量一脉冲曲线。脉冲曲线为血管内血液容积随时间变化的曲线。处理单元用以分析脉冲曲线的数个上升波段，并分析各个上升波段的一瞬时变化率最大点。存储单元用以存储此些瞬时变化率最大点。处理单元更依据此些瞬时变化率最大点，建立一心脏搏动间期时间序列。
为了对本申请的上述及其他方面更了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示生理信息的计算机分析装置的方块图示意图。
图2绘一智能手机的示意图。
图3绘示一脉冲曲线的示意图。
图4绘示人体受测部位内部的血管的示意图。
图5绘示生理信息的计算机分析方法的流程图。
图6绘示测量单元所测量的一脉冲曲线的示意图。
图7绘示图6的脉冲曲线的一阶导函数曲线的示意图。
图8绘示测量单元所测量的另一脉冲曲线的示意图。
图9绘示图8的脉冲曲线的一阶导函数曲线的示意图。
图10绘示三种心率变异指标比较图。
图11绘示一光源、一光电转换器及一服务器的示意图。
【主要元件符号说明】
100：生理信息的计算机分析装置
110：测量单元
111：光线发射器
112：光线接收器
113：时序记录器
120：处理单元
130：存储单元
140：滤波单元
710：光源
720：光电转换器
730：服务器
800：手指
900：智能手机
910：摄影镜头
920：发光二极管辅助灯
A1：收缩期
A2：舒张期
C1、C2、C3：脉冲曲线
C21：谷部
C22、C32：峰部
C23：上升波段
C24、C34：瞬时变化率最大点
C2’、C3’：一阶导函数曲线
C24’、C34’：一阶导函数最大点
L1：射出光线
L2：反射光线
P1：起搏点
P2：主波峰
P3：重搏切迹
P4：重搏波
S1、S2、S3：心率变异指标
S101～S109：流程步骤
具体实施方式
请参照图1，其绘示生理信息的计算机分析装置100的方块图示意图。生理信息的计算机分析装置100包括一测量单元110、一处理单元120及一存储单元130。测量单元110用以测量各种生理信息，例如是一气袋式血压测量器、一感光二极管、或一摄影镜头。处理单元120用以进行各种处理程序，例如是一处理芯片、一固件电路、或存储多组程序代码的计算机可读记录介质。存储单元130用以存储各种信息，例如是一存储器、一存储卡或一硬盘。
请参照图2，其绘一智能手机900的示意图。生理信息的计算机分析装置100可以是多功能复合式电子装置。举例来说，生理信息的计算分析装置100可以是智能手机900。测量单元110可以包括智能手机900的摄影镜头910及发光二极管辅助灯920，处理单元120可以是智能手机900的处理芯片（未绘示），存储单元130可以是智能手机900的存储器（未绘示）。使用者可以安装特定应用程序（APP），即可连结智能手机900的摄影镜头910、发光二极管辅助灯920、处理芯片及存储器，以进行本实施例的生理信息的计算机分析方法。
请参照图3，其绘示一脉冲曲线的示意图。测量单元110用以测量一脉冲曲线C1。脉冲曲线C1为血管内血液容积随时间变化的曲线。在心脏的收缩过程与舒张过程之间，血管内的血液容积会有明显的变化。在起搏点（pacemaker）P1时，心脏进入收缩期（systole）A1，并进入射血阶段。在起搏点P1时，血液容积位于低点。经过射血阶段后，达到主波峰（percussion wavepeak）P2，此时血液容积来到最高点。在重搏切迹（dicrotic notch）P3时，位于收缩期A1与舒张期（diastole）A2的交界点。进入舒张期A2后，重搏波（dicrotic wave）P4反应肢体末端反弹造成的血液容积变化。
请参照图4，其绘示人体微血管较多且组织较薄的部位，如手指800内部的血管的示意图。射出光线L1进入手指800后，反射光线L2再射出至外界。原本的射出光线L1，经过血管的反射后，受到血管内血液容积变化的影响，射出光线L1的光线特征例如光线颜色或光线强度，将随之改变。血管内血液容积越大时，反射光线L2的光线特征如光线颜色，其颜色将越淡。
请参照图5，其绘示生理信息的计算机分析方法的流程图。以下通过图1的生理信息的计算机分析装置100说明生理信息的计算机分析方法。
请参照图6，其绘示测量单元110所测量的一脉冲曲线C2的示意图。在步骤S101～S103中，以测量单元110测量脉冲曲线C2。脉冲曲线C2为血管内血液容积随时间变化的曲线。脉冲曲线C2可以通过各种方式呈现。举例来说，脉冲曲线C2可以是血管内血液容积随时间变化的曲线。脉冲曲线C2可以是光线通过血管后的一光线特征随时间变化的曲线，例如是采用光体积描绘图（phoroplethysmograph，PPG）技术所描绘出的曲线。在一实施例中，脉冲曲线C2例如是光线颜色随时间变化的曲线或光线强度随时间变化的曲线。
如图1所示，本实施例的测量单元110包括一光线发射器111、一光线接收器112及一时序记录器113。在测量脉冲曲线C2的步骤S101中，以光线发射器111提供射出光线L1。射出光线L1例如是白色光线。以图2为例，光线发射器111例如是智能手机900的摄影镜头910旁的发光二极管辅助灯920。射出光线L1用以射入人体微血管较多且组织较薄的部位，例如是手指800。
在步骤S102中，以光线接收器112接收反射光线L2。以图2为例，光线接收器112例如是智能手机900的摄影镜头910。摄影镜头910邻近于发光二极管辅助灯920。使用者的手指800可以同时盖住摄影镜头910及发光二极管辅助灯920。反射光线L2自使用者的手指800反射后反射入摄影镜头910。
在步骤S103中，时序记录器113记录反射光线L2随时间变化的光线特征值。时序记录器113例如是一芯片、一固件电路或存储多组程序代码的计算机可读记录介质。在本实施例中，时序记录器113随着时间将反射光线L2的红色值记录后产生脉冲曲线C2。
如图6所示，测量单元110所测量出来的脉冲曲线C2的光线特征，如光线颜色的红色值在248～254之间波动。脉冲曲线C2的红色值波动状况可以反应心跳与脉搏的状态。
如图1所示，在本实施例中，生理信息的计算机分析装置100还包括一滤波单元140。在步骤S104中，可以进一步以滤波单元140过滤脉冲曲线C2的一高频噪声、一低频噪声或一介于某频带的噪声，以利于提高分析的精准度。在一实施例中，生理信息的计算机分析装置100也可以不包括滤波单元140，而直接以原始的脉冲曲线C2进行分析。
在步骤S105～S107中，以处理单元120分析脉冲曲线C2的数个上升波段C23。脉冲曲线C2的上升波段C23代表心脏位于射血阶段。
在步骤S105～S106中，如图6所示，处理单元120分析出脉冲曲线C2的数个谷部C21及数个峰部C22。分析谷部C21及分析峰部C22的步骤可以同时执行或者分别执行（步骤顺序也可交换）。
脉冲曲线C2有上下规律变动的特性，谷部C21与峰部C22交错排列。在步骤S107中，处理单元120进一步记录每一谷部C21与其相邻的下一个峰部C22为上升波段C23，而记录出数个上升波段C23。
在步骤S108中，处理单元120分析各个上升波段C23的一瞬时变化率最大点C24。请参照图7，其绘示图6的脉冲曲线C2的一阶导函数曲线C2’的示意图。脉冲曲线C2的一阶导函数曲线C2’即代表脉冲曲线C2的瞬时变化率。在各个上升波段C23中，一阶导函数最大点C24’即为瞬时变化率最大点C24。
在步骤S109中，存储单元130存储此些瞬时变化率最大点C24。处理单元120还依据此些瞬时变化率最大点C24，建立一心脏搏动间期时间序列。心脏搏动间期时间序列可以记录各个瞬时变化率最大点C24的间隔时间，例如是0.75秒、0.71秒、、、等。或者，心脏搏动间期时间序列可以记录各个瞬时变化率最大点C24的发生时间，例如是第1.66秒、第2.46秒、第3.21秒、第3.92秒、、、等。心脏搏动间期时间序列可以用于心率（heart rate，HR）、心率变异性（heart rate variability，HRV）及脉冲率变异性（pulse rate variability，PRV）的分析。
本实施例通过脉冲曲线C2的上升波段C23的瞬时变化率最大点C24来建立心脏搏动间期时间序列，而不采用脉冲曲线C2的峰部C22来建立心脏搏动间期时间序列。瞬时变化率最大点C24可以代表射血阶段做功最大的时间点，脉冲曲线C2的峰值C22则仅代表射血阶段的累积射血量最大值。脉冲曲线C2的峰值C22并不是作功最大的时间点，容易受到外界因素影响。例如，环境光（ambient light）、受测者移动（motion artifact）或受测姿势（posture）等因素的干扰。本实施例通过脉冲曲线C2的上升波段C23的瞬时变化率最大点C24来建立心脏搏动间期时间序列可以大幅减少外界因素的影响，增加分析的精准度。
此外，请参照图8，其绘示测量单元110所测量的另一脉冲曲线C3的示意图。在一实施例中，使用者的手指800在施力不平均的情况下测量出脉冲曲线C3。在第15～20秒之间，由于施力不平均，脉冲曲线C3受到严重的干扰。在此区间，由于峰部C32不是射血作功最大处，故容易受到干扰的影响，使得峰部C32变得不易检测。
请参照图9，其绘示图8的脉冲曲线C3的一阶导函数曲线C3’的示意图。从图9可以发现，虽然图8的脉冲曲线C3的峰部C32受到严重干扰，然而图9仍然可以正确地分析出各个一阶导函数最大点C34’。从图9的各个一阶导函数最大点C34’，并可获得图8的瞬时变化率最大点C34。
也就是说，由于瞬时变化率最大点C34是射血作功最大处，因此不容易受到外界干扰。如此一来，即使有严重的外界干扰，本实施例的生理信息的计算机分析装置100及方法仍可发挥相当高的准确率。
此外，请参照图10，其绘示三种心率变异(HRV)指标S1、S2、S3比较图。第一种心率变异指标S1依据脉冲曲线C3的瞬时变化率最大点C34来建立；第二种心率变异指标S2依据心电图来建立；第三种心率变异指标S3依据脉冲曲线C3的峰值C32来建立。如图10所示，第一种心率变异指标S1接近于第二种心率变异指标S2，第三种心率变异指标S3偏离于第二种心率变异指标S2。一般而言，依据心电图图所建立的心率变异指标S2是最为准确的。所以采用瞬时变化率最大点C34来建立的心率变异指标S1可以获得较高的准确率。
在一实施例中，生理信息的计算机分析装置100也可以是多个电子装置所组成的系统。请参照图11，其绘示一光源710、一光电转换器720及一服务器730的示意图。测量单元110的光线发射器111可以是光源710，测量单元110的光线接收器112可以是光电转换器720，处理单元120可以是服务器730内建的微处理芯片（未绘示）及主机板（未绘示），存储单元130可以是服务器730内建的硬盘（未绘示）。光源710射出的光线穿越手指800后，射向光电转换器720。光电转换器720将光线转换成电信号后，即可以电位为纵轴绘制出脉冲曲线。
上述实施例的生理信息的计算机分析方法与装置可以采用分散式、电子化、移动化的方式来作医疗分析，相当适合搭载于远距照护系统以及移动式照护系统。
综上所述，虽然本申请已以实施例公开如上，然其并非用以限定本申请。本申请所属领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本申请的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。
Claims (10)
1.一种生理信息的计算机分析方法，包括：
以一测量单元测量一脉冲曲线，该脉冲曲线为血管内血液容积随时间变化的曲线；
以一处理单元分析该脉冲曲线的多个上升波段；
以该处理单元分析各个上升波段的一瞬时变化率最大点；以及
依据这些瞬时变化率最大点，建立一心脏搏动间期时间序列，
其中分析该脉冲曲线的这些上升波段的步骤包括：
分析该脉冲曲线的多个谷部；
分析该脉冲曲线的多个峰部；以及
记录这些谷部与其相邻的下一个峰部为这些上升波段。
2.如权利要求1所述的生理信息的计算机分析方法，还包括：
以一滤波单元过滤该脉冲曲线的一高频噪声、一低频噪声或一介于某频带的噪声。
3.如权利要求1所述的生理信息的计算机分析方法，其中该脉冲曲线为一光线通过血管后的一光线特征随时间变化的曲线。
4.如权利要求1所述的生理信息的计算机分析方法，其中测量该脉冲曲线的步骤包括：
提供一射出光线，该射出光线用以射入一使用者的手指；
接收一反射光线，该反射光线自该使用者的手指反射；以及
保存该反射光线的一光线特征随时间变化的数值。
5.如权利要求1所述的生理信息的计算机分析方法，其中各该瞬时变化率最大点为各该上升波段的一阶导函数最大点。
6.一种生理信息的计算机分析装置，包括：
一测量单元，用以测量一脉冲曲线，该脉冲曲线为血管内血液容积随时间变化的曲线；
一处理单元，用以分析该脉冲曲线的多个上升波段，并分析各个上升波段的一瞬时变化率最大点；以及
一存储单元，用以存储这些瞬时变化率最大点，该处理单元更依据这些瞬时变化率最大点，建立一心脏搏动间期时间序列，
其中该处理单元分析该脉冲曲线的多个谷部及多个峰部，并记录这些谷部与其相邻的下一个峰部为这些上升波段。
7.如权利要求6所述的生理信息的计算机分析装置，还包括：
一滤波单元，用以过滤该脉冲曲线的一高频噪声、一低讯噪声或一介于某频带的噪声。
8.如权利要求6所述的生理信息的计算机分析装置，其中该脉冲曲线为一光线通过血管后的一光线特征随时间变化的曲线。
9.如权利要求6所述的生理信息的计算机分析装置，其中该测量单元包括：
一光线发射器，用以测量一射出光线，该射出光线用以射入一使用者的手指；
一光线接收器，用以接收一反射光线，该反射光线自该使用者的该手指反射；以及
一时序记录器，保存该反射光线的一光线特征随时间变化的数值。
10.如权利要求6所述的生理信息的计算机分析装置，其中各该瞬时变化率最大点为各该上升波段的一阶导函数最大点。
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