生理检测方法及其装置与流程

本发明涉及一种生理检测方法，且特别涉及一种用来检测身体循环状态的生理检测方法。

背景技术：

心血管疾病已成为世界各国的主要死因之一。因此，各种人体心血管循环的检测方式及其研究发展更加普遍地受到重视。在目前的检测方式中，以光体积变化描述器(photoplethysmography，简称ppg)所发出的光体积变化描述信号来测量人体的末梢血液循环的方式逐渐受到重视。光体积变化描述器可提取血液在人体测量部位的光体积脉冲，并进一步藉由运算单元根据所截取的光体积脉冲来计算生理状态指数。

具体而言，运算单元可由人体测量部位的光体积脉冲信号的特征点的信息来计算生理状态指数。图1是依照已知技术的数字化生理信号的体积脉冲的脉冲波形图。请参考图1，已知的生理状态指数的运算方式是根据脉冲的波谷点d3与波峰点d1(也就是与收缩波峰点)之间的高度差a，以及波谷点d3到舒张波顶点d2之间的高度差b的比值计算出血管的弹性指数。此外，在已知的运算方式中，也可经由计算受测者的身高与收缩波峰点d1至舒张波顶点d2之间的时间差td的比值作为血管的硬化指数。

然而，上述的生理状态指数的运算方式存在缺点。详细而言，正常受测者的光体积脉冲在下降的过程中具有一个短暂反弹及上升的脉冲，其为上述的舒张波。但是，身体健康状况不佳或是年龄较大的受测者，其被测部位所检测获得的光体积脉冲信号并不具有舒张波或者是舒张波的顶点的位置不明显，而无法有效依上述的运算方式来获得受测者的生理状态指数。因此，上述的生理状态指数的检测及运算方式无法适用于所有受测者。也因此，如何提供正确且可简易地适用于所有受测者的检测结果的生理检测方法，已成为本领域的技术人员的重要课题。

技术实现要素：

本发明提供一种生理检测方法，其经由数字化生理信号的特征点来计算生理状态指数，并且简单地根据生理状态指数来评估人体的末梢循环状况。

本发明提供一种生理检测装置，其通过非侵入式的方式来检测并评估人体的末梢循环状态。

本发明的生理状态检测方法的步骤包括：检测人体的被测部位，以获取感测信号。接着，对感测信号进行处理，以输出数字化生理信号。接收数字化生理信号，以获取数字化生理信号的特征点的第一信息及第二信息，并且再计算第二信息与第一信息的比值，以获取生理状态指数。数字化生理信号包括依时序产生的多个脉冲，且数字化生理信号的特征点包括脉冲的波峰点以及位于脉冲的上升沿的前端的起始点。

本发明的生理检测装置包括感测单元、信号处理单元以及运算模块。感测单元适于检测人体的被测部位，以获取感测信号。信号处理单元接收感测信号，并对感测信号进行处理，以输出数字化生理信号。运算模块接收数字化生理信号并获取数字化生理信号的特征点的第一信息及第二信息。运算模块运算第二信息与第一信息的比值，以获取生理状态指数。数字化生理信号具有依时序产生的多个脉冲，并且数字化生理信号的特征点包括脉冲的波峰点以及位于脉冲的上升沿前端的起始点。

在本发明的一实施例中，上述的第一信息为起始点与波峰点之间的脉冲相对时间轴的积分面积，而第二信息为相邻的两起始点之间的脉冲相对时间轴的积分面积。

在本发明的一实施例中，上述的第一信息为起始点与波峰点之间的时间差，而第二信息为相邻的两起始点之间的时间差。

在本发明的一实施例中，上述的处理感测信号，以输出数字化生理信号的步骤包括：对感测信号进行滤波、放大感测信号以及将感测信号转换为数字化生理信号。

在本发明的一实施例中，上述计算特征点的信息，以获取生理状态指数的步骤包括：正规化数字化生理信号以及从正规化后的数字化生理信号的特征点的第一信息及第二信息中计算出生理状态指数。

在本发明的一实施例中，上述的感测单元为光体积变化描述器。光体积变化描述器(photoplethysmography，简称ppg)包括光发射器以及光接收器。 光发射器发出光线，且光线通过人体的被测部位。光接收器接收通过被测部位的光线，以获取感测信号。

在本发明的一实施例中，上述的信号处理单元包括滤波器、放大器以及模拟数字转换器。滤波器用来对感测信号进行滤波。放大器用来放大感测信号。模拟数字转换器则是用来将感测信号转换为数字化生理信号。

在本发明的一实施例中，上述的运算模块包括正规化处理单元以及生理状态指数运算单元。正规化处理单元用来正规化数字化生理信号。生理状态指数运算单元用来从正规化后的数字化生理信号的特征点中计算出生理状态指数。

基于上述，本发明的多个实施例中的生理检测方法是藉由检测装置来检测人体的被测部位，以获得被测部位的生理状态的感测信号。此外，感测信号可进一步经由信号处理单元进行处理进而输出数字化生理信号。再者，运算模块可由数字化生理信号中计算出多个特征点，并根据数字化生理信号的特征点的信息计算出生理状态指数。在本发明的多个实施例中，人体的生理状态可简单的经由上述的方法及装置所获得的生理状态指数来进行评估，以减少生理检测所需的时间、流程、设备以及相关费用。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，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是依照已知技术的数字化生理信号的体积脉冲的脉冲波形图。

图2是依照本发明的一实施例的生理检测装置的方块示意图。

图3a至图3c是图2的生理检测装置的数字化生理信号的体积脉冲的脉冲波形图。

图4是依照本发明的一实施例的生理检测方法的流程示意图。

图5是图4的生理检测方法的信号处理方法的流程示意图。

图6是图4的生理检测方法的生理状态指数的运算方法的流程示意图。

【符号说明】

100：生理检测装置

110：感测单元

112：光发射器

114：光接收器

120：信号处理单元

122：滤波器

124：放大器

126：模拟数字转换器

130：运算模块

132：正规化处理单元

134：生理状态指数运算单元

150：显示单元

160：传输单元

170：存储单元

a1、a2：积分面积

a、b：高度差

d1：波峰点/收缩波峰点

d2：舒张波顶点

d3、p3：波谷点

p1、p1’：起始点

p2：波峰点

s1：感测信号

s2：数字生理信号

td、t1、t2：时间差

s201～s203、s301～s303、s401～s403：步骤

具体实施方式

下文的多个实施例以相同的符号代表具有相同或类似的功能的构件或装置，其中图式中所示元件的形状、尺寸、比例等仅为示意，非对本发明的实施范围加以限制。另外，以下说明内容所述的任一实施例虽同时公开多个技术特征，也不意味必需同时实施所述任一实施例中的所有技术特征。

图2是依照本发明一实施例的生理检测装置的方块示意图。图3a至图3c是图2的生理检测装置的数字化生理信号的体积脉冲的脉冲波形图。请参考图2及图3，在本实施例中，生理检测装置100包括感测单元110、信号处 理单元120以及运算模块130。感测单元110例如是光体积变化描述器，并且感测单元110可藉由其所发出及接收的特定波长的光线，其被吸收的光谱能量的多寡，来检测并判断人体的被测部位的生理状态。举例而言，人体的被测部位可为人体的手指或脚指等末梢部位。在本实施例中，感测单元110包括一组或多组的光发射器112及光接收器114，并且光发射器112及光接收器114的形式可为穿透式或是反射式。因此，光发射器112所发出的光线可穿透人体的被测部位或是经由被测部位被反射后，再由对应的光接收器114所接收。

本实施例的光发射器112及光接收器114例如是具有特定波长的红外光发射器及红外光接收器，其所发出及接收的光线的波长的范围是落在760纳米(nm)与1毫米(mm)之间。然而，本实施例并不以此为限，依生理检测装置100的检测需求，光发射器112及光接收器114的光线也可为绿光(波长范围落在495纳米与570纳米之间)、红光(波长范围落在620纳米与750纳米之间)或者是其他种类或波长范围的光。

详细而言，生理检测装置100的感测单元110可用来取得感测信号s1，并且本实施例的感测信号s1可为上述的光体积变化描述器所发出的光体积描述信号。在本实施例中，感测单元110的光接收器114具有光感测元件(未绘示)，且光感测元件可用来接收通过或反射自人体的被测部位的光线。因此，感测单元110藉由检测被测部位中例如是血液的血红素所吸收的光谱能量的多寡来推算血管中的血液的容积量的变化。值得一提的是，人体的血液中的血红素的浓度大约可视为一定，因此，在一般状况下，在血管中所检测到的血红素的多寡可被用来推断血管中的血液的容积量的变化，进而获得上述的感测信号s1。

光线在通过人体的血管时，光线中被吸收的光谱能量的大小会随着心脏脉动而产生变化。具体而言，血管内的管壁的单位面积会随着心脏的搏动以及血液的流经而造成扩张及收缩。因此，通过血管的光线会随血管的扩张、收缩以及血管中血液灌流量的大小变化而产生类周期性的改变，进而产生类周期性的感测信号s1。

一般而言，当人体的心脏收缩的时候，血液被打入动脉血管中，此时，随着血管中的血液容积量的增加，使得光线中被吸收的光谱能量也随之增加，进而产生较大的感测信号s1。因此，感测信号s1的大小与人体的被测部位 的血管内的血液容积量(灌流量)成正相关。

请再参考图2，信号处理单元120耦接于感测单元110，以接收感测单元110所产生的感测信号s1。本实施例的信号处理单元120包括滤波器122、放大器124以及模拟数字转换器126。在本实施例中，滤波器122可对接收到的感测信号s1进行带通滤波，并且滤波频率的范围是落在0.5赫兹(hz)与5赫兹之间。上述的滤波器122的滤波范围可根据不同的检测需求做适当的改变。

信号处理单元120的放大器124可将感测信号s1自动增益至适当的大小。此外，模拟数字转换器126可将放大后但仍为模拟信号的感测信号s1转换为数字化生理信号s2，以利于进行后续的信号处理以及相关运算。

在本实施例中，感测信号s1可如上述先经由放大器124放大后，再经由模拟数字转换器126将原为模拟信号的感测信号s1转换为数字化生理信号s2。或者，感测信号s1也可先经由模拟数字转换器126转换为数字化生理信号s2，然后再经由放大器124进行信号放大。

运算模块130耦接于信号处理单元120，并且运算模块130可用来运算上述数字化生理信号s2，以获得数字化生理信号s2的特征点的信息。请参考图3a，在本实施例中，对应于心脏的脉动，血液由心脏周期性地注入血管中，数字化生理信号s2具有依时序产生的多个脉冲，并且脉冲的大小对应进入血管中的血液容积量。如图3a所示，数字化生理信号s2的特征点可包括脉冲上的波峰点p2、波谷点p3以及位于脉冲的上升沿的前端的起始点p1。在本实施例中，脉冲的起始点p1反映的是人体的心脏舒张结束并准备开始收缩时，血管管壁的压力与血管内的血液容积。

脉冲的波峰点p2为脉冲的顶点，且波峰点p2所反映的是心脏收缩时，心室射出至血管中的血液所造成的最大的脉冲波幅。在本实施例中，起始点p1至波峰点p2的上升波段代表的是心脏的心室快速射血时，动脉血管内的血液容积量快速增加，而使血管的管壁快速扩张的状态。此外，波峰点p2之后的下降波段代表的是动脉血管内的血液容积量逐渐减少，并且血管的管壁逐渐回复至扩张前的状态。值得一提的是，数字化生理信号s2的脉冲由起始点p1到波峰点p2之间的脉冲波形上升幅度的大小会受到心脏的血液输出量、动脉的阻力、血管的管壁弹性以及心室的射血速度的影响。再者，本领域技术人员均知，当起始点p1到波峰点p2之间的脉冲上升的幅度越大，起始点 p1到达波峰点p2的时间差越短，表示血管中的血液的灌流状态越好。也就是，血管能在越短时间内快速扩张，即表示血管的管壁硬化程度较小且弹性越好。

在本实施例中，运算模块130包括正规化处理单元132及生理状态指数运算单元134。当运算模块130运算并获得数字化生理信号s2的特征点之后，运算模块130可再利用正规化处理单元132对数字化生理信号s2进行正规化，而使数字化生理信号s2回复至经放大器124放大前的原始信号大小。接着，运算模块130的生理状态指数运算单元134可根据数字化生理信号s2的特征点的第一信息及第二信息来计算生理状态指数。

详细而言，请参考图3a及图3b，图3a及图3b的脉冲图形的水平横轴为时间轴，其单位为毫秒(ms)，而脉冲图形的垂直纵轴对应数字化生理信号s2的体积脉冲的大小。在本实施例中，脉冲的特征点的信息包括第一信息及第二信息。第一信息为图3a中起始点p1到波峰点p2之间的脉冲相对于时间轴的积分面积a1，而第二信息为图3b中的两个起始点p1、p1’之间(也就是一个完整心跳周期)的脉冲相对于时间轴的积分面积a2。此外，生理状态指数运算单元134可计算第二信息与第一信息的比值，也就是积分面积a2与积分面积a1的比值，来获取对应的生理状态指数，并据以评估血管中血液灌流的状态，以及身体的血液循环的状态。除此之外，在本实施例中，面积计算的方式可使用计算机科学中常用的各个振幅左移的方式来减少运算量。

请参考图3c，在另一个实施例中，脉冲的特征点的第一信息也可为图3c中的脉冲的起始点p1与波峰点p2之间的时间差t1，而第二信息为图3c中的相邻的两个起始点p1之间的时间差t2。运算模块130的生理状态指数运算单元134也可计算上述第二信息与第一信息的比值，也就是时间差t2及时间差t1的比值，来获取对应的生理状态指数，并据以评估血管中的血液灌流的状态，以及身体的血液循环功能。

相较于图1绘示的已知技术的内容，本实施例的生理状态指数的运算方式在计算时不必仰赖受测者的数字化生理信号s2的脉冲的舒张波来获取上述的第二信息。特别是，从年纪较大或健康状况不佳的受测者所测得的数字化生理信号s2的脉冲往往缺乏舒张波，或是舒张波的顶点位置不明显，而使得运算模块130无法有效地从脉冲中取得第二信息来计算第二信息与第一信 息的比值，进而获致生理状态指数。

本实施例的第二信息是直接提取自两个起始点p1、p1’之间的脉冲，也就是直接从一个完整周期的脉冲来提取第二信息。因此，本实施例的生理状态指数的运算方式除可从两个起始点p1、p1’之间的脉冲截取第二信息之外，也可由相邻的脉冲上任何重复出现的特征点(例如是图3a中的波谷点)之间的脉冲来截取第二信息。也因此，本实施例提取及运算第二信息的方式相较已知技术而言更为简易，而不需局限于舒张波的顶点位置。

除此之外，相较于图1的已知技术的内容，本实施例的生理状态指数的运算方式除根据起始点p1与波峰点p2之间的时间差t1以及两起始点p1、p1’之间的时间差t2来获得第一及第二信息并运算获得生理状态指数之外，本实施例也可根据起始点p1与波峰点p2之间以及两起始点p1、p1’之间的脉冲相对时间轴的积分面积来获得第一及第二信息并运算获得生理状态指数。上述两种方式获得的第一信息及第二信息及生理状态指数可相互比较参考，以更为准确地判断人体中血液的循环状况。

表1

举例而言，请参考图3a至图3c，表1是针对不同实验群组的受测者所计算出的脉冲相对于时间轴的积分面积a2、a1的比值以及时间差t2、t1的比值的平均大小。在表1的计算结果中，群组1代表的是健康的年轻人、群组2代表的是健康的中老年人、群组3代表的是罹患糖尿病但血糖控制良好的病人。一般而言，血管中的血液灌流状态会随着年龄增加及疾病所造成的动脉硬化的程度的增加而逐渐衰退。由表1的结果可见，在健康情形较好的群组中(例如群组1中的健康的年轻人)，受测者的动脉硬化程度较小，上述检测结果的积分面积a2/积分面积a1的数值较大。也就是，两个起始点p1、p1’之间的脉冲(也就是一个完整周期的脉冲)相对时间轴的积分面a2积相对起始点p1到波峰点p2之间的脉冲相对时间轴的积分面积a1的比值相较于其他群组大。因此，由于群组1的受测者年轻又无心血管疾病而相较其他群 组的受测者而言，血管中的血液灌流及循环的状态较好。

此外，在时间差t1/时间差t2的计算结果中，也可反映出在健康情形较好的群组中(例如上述的群组1)，时间差t2/时间差t1的数值较大，也就是两个起始点p1、p1’之间的时间差t2相对起始点p1到波峰点p2之间的时间差t1的比值相较于其他群组大，其反映出群组1的受测者的血管中的血液灌流及循环状态较好。

在本实施例中，生理检测装置100的使用者可简单地经由上述的积分面积a2、a1的比值或是时间差t2、t1的比值来获得对应的生理状态指数，据以评估人体的血管中的血液灌流的情形，以及整体身体循环系统的功能。

请再参考图2，本实施例的生理检测装置100包括显示单元150，以将上述的生理状态指数显示于显示单元150中。在本实施例中，显示单元150例如是液晶显示器或是发光二极管显示器。此外，生理检测装置100还可包括存储单元170，其例如是快闪(flash)存储器等各种数据存储装置，以存储感测信号s1以及生理状态指数。再者，生理检测装置100中可另外配置例如是蓝牙、wifi以及通用串行总线(usb)的传输单元160，以将生理状态指数通过传输单元160传送至智能手机、平板计算机或是远端服务器等可显示及记录数值的装置，以利长期保健监控。

图4是本发明的一实施例的生理检测方法的流程示意图。请参考图2及图4，本实施例的生理检测方法大致可区分为以下步骤：首先，利用感测单元110来对人体的被测部位进行检测，以获得感测信号s1(步骤s201)。接着，利用信号处理单元120处理感测信号s1，以输出数字化生理信号s2(步骤s202)。接着，运算模块130接收数字化生理信号s2，以获取数字化生理信号s2的特征点的第一信息及第二信息，并且运算模块130通过正规化处理单元132对数字化生理信号s2进行正规化处理。然后，运算模块130经由生理状态指数运算单元134来计算数字化生理信号s2的特征点的第二信息与第一信息的比值，以获取生理状态指数(步骤s203)。

图5是图4的生理检测方法的信号处理方法的流程示意图。请参考图5及图2，进一步而言，在本实施例中，当信号处理单元120对感测信号s1进行信号处理时，信号处理单元120可对感测信号s1进行滤波(步骤s301)，然后对感测信号s1进行放大处理(步骤s302)。接着，信号处理单元120可将原本为模拟信号的感测信号s1转换为数字化生理信号s2(步骤s303)。本实施 例的感测信号s1的信号放大步骤以及模拟数字转换步骤的前后顺序可根据信号处理单元120的实际配置的情形以及信号处理的需求来做适当的调整与变化。

图6是图4的生理检测方法的生理状态指数的运算方法的流程示意图。请参考图4、图2以及图3a至图3c，在本实施例中，上述生理状态指数的计算步骤可包括以运算模块130的正规化处理单元132来正规化数字化生理信号s2(步骤s401)。接着，运算模块130可分别运算起始点p1及波峰点p2之间的脉冲相对时间轴的积分面积及两相邻的起始点p1、p1’之间的脉冲相对时间轴的积分面积，以获得数字化生理信号s2的特征点的第一信息及第二信息(步骤s402a)。此外，在另一个实施例中，运算模块130也可选择分别运算起始点p1及波峰点p2之间的时间差以及两相邻的起始点p1、p1’之间的时间差，以获得上述数字化生理信号s2的特征点的第一信息及第二信息(步骤s402b)。接着，以运算模块130的生理状态指数运算单元134来运算第二信息与第一信息的比值，以获得对应的生理状态指数(步骤403)。

综上所述，本发明的多个实施例中的生理检测方法是利用生理检测装置的光发射器发出光线，并且光线可穿透人体的被测部位或从被测部位被反射后回到生理检测装置的光接收器，以获得感测信号。此外，感测信号可通过信号处理的过程来获得数字化生理信号。本发明的生理检测方法可藉由数字化生理信号的脉冲的起始点及波峰点来计算整个周期的脉冲相对于时间轴的积分面积与起始点到波峰点之间的脉冲相对于时间轴的积分面积的比值来获得对应的生理状态指数。此外，本发明的生理检测方法也可藉由相邻脉冲的两个起始点之间的时间差，也就是整个周期的时间，相对于起始点到波峰点之间的时间差的比值来获得对应的生理状态指数。

在本发明的多个实施例中，当受测者的数字化生理信号的脉冲不存在舒张波，或是舒张波的顶点不明显的情况下，受测者的生理状态指数仍可经由简单的运算方式而获得。再者，使用者可以简单地经由上述生理检测装置及方法获得的生理状态指数来评估人体的生理状态，其例如是血管中的血液灌流及循环状态。因此，生理检测过程中所需的流程、时间以及相关检测设备及费用可进一步地减少。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发 明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。