專利名稱：信號處理裝置及信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種信號處理方法及信號處理裝置。
背景技術(shù)：
請同時參照圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15及圖16，圖10繪示為頻率IOHz的正弦波，圖11繪示為頻率2Hz的正弦波，圖12繪示為趨勢線，圖13繪示ー種僅包含IOHz與2Hz的混合波形的示意圖，圖14繪示為圖13繪示的對應(yīng)頻譜，圖15繪示ー種包含趨勢線、IOHz與2Hz的混合波形的示意圖，圖16繪示為圖15繪示的對應(yīng)頻譜。圖10、圖11、圖
12、圖13及圖15繪示的水平軸坐標(biāo)表示信號的取樣點(time index)，而圖10、圖11、圖12、圖13及圖15繪示的垂直軸坐標(biāo)表示信號的大小。圖14及圖16繪示的水平軸坐標(biāo)表示信 號的頻率(Hz)，而圖14及圖16繪示的垂直軸坐標(biāo)表示信號頻譜振幅的大小。生理信號的提取通常需要通過電極引入生理信號，再通過前端放大器將取入的微弱生理信號進(jìn)行信號強(qiáng)化與初級放大至可接受范圍。接著濾波器則負(fù)責(zé)將干擾源的信號濾除以取得感興趣的信號，最后經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以供后續(xù)處理。隨著應(yīng)用的不同，需要不同規(guī)格的提取參數(shù)以及不同的濾波器設(shè)計，乃至于不同的后端硬件設(shè)計，如記錄器、警報系統(tǒng)、無線傳輸?shù)鹊?。自然界的信號中，通常含有各種時間尺度的信息，這些信息可能涵蓋不同頻帶、不同的能量分布，以及特異的波動類型。整體而言，這些分量信號大致可分為周期性的波動與非周期性的分量(又稱之為“成分”)，其中非周期性的分量如趨勢(trend)、不連續(xù)性(discontinuity)、隨機(jī)性(stochastic)。過去使用快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)分析此類信號時，常面臨非周期趨勢線污染頻譜的棘手問題。從圖13、圖14、圖15及圖16可以清楚看到趨勢線不僅影響了頻譜的低頻部分，其效應(yīng)還擴(kuò)散到整個頻譜。這類型的問題，無法通過傳統(tǒng)的濾波方法在頻譜上進(jìn)行妥善的處理。必須回到時間信號上進(jìn)行分析，才有可能減輕趨勢對頻譜的影響。趨勢可以視為信號的總體傾向指標(biāo)，其他的周期分量則是凌駕在趨勢信號上的波動。了解趨勢的變化，始能確認(rèn)其上波動信號變化的大小。而另一方面，如果不適當(dāng)處理趨勢信號，其將在頻譜上造成擴(kuò)散性的污染，造成后續(xù)信號處理的困擾。過去使用者在開發(fā)生理信號的應(yīng)用技術(shù)時，通常須先解決生理信號的提取問題，才能進(jìn)ー步分析信號的特征。然而不同的應(yīng)用目標(biāo)，即使是同樣的生理信號、同樣的提取方式，往往也需要不同的信號處理方法，才能達(dá)到最大的功效。以心電圖為例，其信號分量的分布由高頻至低頻皆存在，如果要進(jìn)行心率的監(jiān)測，信號濾波的方式可以大膽的移除QRS波組以外的其他分量，即使濾波后的心電信號有明顯的變形，只要R波仍具較高的辨識性，即可有效進(jìn)行強(qiáng)健性較高的心率監(jiān)測。然而，如果是要監(jiān)測某些特定波形的變化，如ST段是否上升、QT間期的變化等，則須要非常謹(jǐn)慎的濾波技術(shù)，尤其是低頻的基線漂移干擾，很容易影響同為低頻的T波變化，造成波形不易辨識。另ー方面，傳統(tǒng)方法計算頻譜時，須假設(shè)輸入信號為周期性信號，以符合傅立葉轉(zhuǎn)換的精神。但此舉常常在信號的邊界造成不連續(xù)性，不僅導(dǎo)致頻譜的污染，也使濾波效果在邊界大打折扣，因為信號會在頭尾的部分互相牽就。傳統(tǒng)的解決方法是在信號上乘上ー個頭尾收斂的設(shè)定視窗，如漢寧窗，來嘗試解決邊界不連續(xù)的問題。盡管時域信號上頭尾已經(jīng)平滑相接，但觀其頻譜仍存在低頻擴(kuò)散的干擾，而加窗的效應(yīng)也連帯地影響了能量在主要頻率(10Hz/2Hz)上的表現(xiàn)。顯見，要解決趨勢信號的影響，不是只有處理傅立葉轉(zhuǎn)換的邊界問題而已，正本清源，還是得思考如何在原信號上估測出真正的趨勢信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及ー種信號處理方法及信號處理裝置。根據(jù)本發(fā)明，提出ー種信號處理方法。信號處理方法包括接收平滑化參數(shù)及待分離信號；建立待分離信號的上極值包絡(luò)線及下極值包絡(luò)線；計算上極值包絡(luò)線及下極值包絡(luò)線的平均包絡(luò)線；根據(jù)平滑化參數(shù)及平均包絡(luò)線進(jìn)行平滑化以產(chǎn)生平滑化后平均包絡(luò)線；以及根據(jù)平滑后平均包絡(luò)線決定待分離信號的趨勢分量或非趨勢分量。
根據(jù)本發(fā)明，提出ー種信號處理裝置。信號處理裝置包括輸入接ロ及處理單元。輸入接ロ用以接收平滑化參數(shù)及待分離信號。處理單元建立待分離信號的上極值包絡(luò)線及下極值包絡(luò)線，并計算上極值包絡(luò)線及下極值包絡(luò)線的平均包絡(luò)線，處理単元根據(jù)平滑化參數(shù)及平均包絡(luò)線進(jìn)行平滑化以產(chǎn)生平滑化后平均包絡(luò)線，井根據(jù)平滑后平均包絡(luò)線決定待分離信號的趨勢分量或非趨勢分量。根據(jù)本發(fā)明，提出ー種信號處理裝置。信號處理裝置包括信號感測單元及輸出接ロ。信號感測單元根據(jù)生理信號產(chǎn)生待分離信號。輸出接ロ輸出待分離信號至功能性芯片，以決定待分離信號的趨勢分量或非趨勢分量。為了對本發(fā)明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下


圖I繪示為ー種信號處理裝置的外部示意圖。圖2繪示為ー種信號處理裝置的方塊示意圖。圖3繪示為ー種信號處理方法的流程圖。圖4繪示為ー種待分離信號、上極值包絡(luò)線、下極值包絡(luò)線、平均包絡(luò)線及平滑化后平均包絡(luò)線的示意圖。圖5繪示為非趨勢分量的示意圖。圖6繪示為步驟23的細(xì)部流程圖。圖7繪示為一種被動式感測元件的示意圖。圖8繪示為一種主動式感測元件的示意圖。圖9繪示為另ー種信號處理裝置的外部示意圖。圖10繪示為頻率IOHz的正弦波。圖11繪示為頻率2Hz的正弦波。圖12繪示為趨勢線。圖13繪示ー種僅包含IOHz與2Hz的混合波形的示意圖。
圖14繪示為圖13繪示的對應(yīng)頻譜。圖15繪示ー種包含趨勢線、IOHz與2Hz的混合波形的示意圖。圖16繪示為圖15繪示的對應(yīng)頻譜。圖17繪示為ー種心電圖信號的趨勢分量的示意圖。圖18繪示為ー種心電圖信號的非趨勢分量的示意圖。圖19繪示為另ー種心電圖信號的趨勢分量的示意圖。圖20繪示為另ー種心電圖信號的非趨勢分量的示意圖。主要元件符號說明
I :信號處理裝置10a、lla :心電圖信號10b、10c、IOcU 12b、12c、12d :趨勢分量llb、llc、lld、13b、13c、13d :非趨勢分量11 :芯片載具12 :功能性芯片21 25、231 233 :步驟111 :信號感測單元112:輸出接ロ113:可撓曲部114:黏性定位部121:輸入接 ロ122 :處理單元1111 :信號感測元件Illla:能量源Illlb:傳感器1112:模擬前端處理器1113:模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器1114:驅(qū)動單元1115:數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器SI :生理信號S2 :待分離信號S3 :平滑化參數(shù)S5 :上極值包絡(luò)線S6 :下極值包絡(luò)線S7 :平均包絡(luò)線S8 :平滑化后平均包絡(luò)線Sll :模擬信號UE:上極值點LE :下極值點
具體實施例方式請同時參照圖I、圖2、圖3、圖4及圖5，圖I繪示為ー種信號處理裝置的外部示意圖，圖2繪示為ー種信號處理裝置的方塊示意圖，圖3繪示為ー種信號處理方法的流程圖，圖4繪示為ー種待分離信號、上極值包絡(luò)線、下極值包絡(luò)線、平均包絡(luò)線及平滑化后平均包絡(luò)線的示意圖，圖5繪示為非趨勢分量的示意圖。圖5繪示的水平軸坐標(biāo)表示信號的取樣點(time index)，而圖5繪示的垂直軸坐標(biāo)表示信號的大小。信號處理裝置I包括芯片載具11及功能性芯片12。芯片載具11與功能性芯片12為ー種可插拔式的生理信號載具設(shè)計。生理信號SI例如為心電圖、肌電圖、腦電圖、眼電圖、體溫信息、體動信號或聲音信號。使用者將功能性芯片12插入芯片載具11后，即能進(jìn)行生理信號的測量。當(dāng)使用者欲測量其他類別的生理信號SI吋，僅需彈性地置換其他用途的功能性芯片12。如此ー來，芯片載具11能被重復(fù)地再使用，進(jìn)而減少開發(fā)流程及資源浪費。當(dāng)信號處理裝置I應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域時，能針對不同的病癥開發(fā)不同用途的功能性芯片12。醫(yī)生根據(jù)病人的情況予以對應(yīng)的功能性芯片12。病人回家后將功能性芯片12自行插入芯片載具11，即能達(dá)到居家監(jiān)護(hù)的目的。
芯片載具11包括信號感測單元111及輸出接ロ 112。換句話說，信號感測單元111及輸出接ロ 112被整合為芯片載具11。信號感測單元111根據(jù)生理信號SI產(chǎn)生待分離信號S2，而輸出接ロ 112輸出待分離信號至功能性芯片12，以決定待分離信號S2的趨勢分量或非趨勢分量。功能性芯片12包括輸入接ロ 121及處理單元122。換句話說，輸入接ロ 121及處理單元122被整合為功能性芯片。圖2繪示雖僅繪示輸入接ロ 121及處理單元122，然于其他實施例中功能性芯片12亦能加入存儲、警示、數(shù)據(jù)壓縮、信號發(fā)送、心率監(jiān)測或異常癥狀診斷的功能元件。信號處理方法能應(yīng)用于信號處理裝置1，且包括如下步驟如步驟21所示，輸入接ロ 121接收平滑化參數(shù)S3及待分離信號S2。平滑化參數(shù)S3可由使用者根據(jù)欲測量的生理信號的特定而予以彈性調(diào)整。平滑化參數(shù)S3例如包括頻率范圍、平滑視窗寬度、平滑次數(shù)及邊界處理方式，使用者能自行決定頻率范圍。邊界處理方式例如為線對稱或點對稱。舉一維時間序列為例，所謂線對稱，是指邊界的延伸以端點所在的時間點進(jìn)行一対一的鏡像對稱復(fù)制。而點對稱則是指，邊界的延伸是以端點所在的時間點進(jìn)行一対一的反鏡像對稱復(fù)制。亦即以該端點為圓心，信號旋轉(zhuǎn)180度后仍相同。如步驟22所示，處理單元122建立待分離信號S2的上極值包絡(luò)線S5及下極值包絡(luò)線S6。如步驟23所示，處理單元122計算上極值包絡(luò)線S5及下極值包絡(luò)線S6的平均包絡(luò)線S7。如步驟24所示，處理單元122根據(jù)平滑化參數(shù)S3及平均包絡(luò)線S7進(jìn)行平滑化以產(chǎn)生平滑化后平均包絡(luò)線S8。平滑化參數(shù)的調(diào)整則依照待分離信號S2而定。假設(shè)待分離信號S2為f(t)，
平滑視窗寬度2n+l，則可得平滑化的運算公式為SMOOTH(Jit)) = f(t + i ~ n\
i=0
2noo
where 乏^ = 1.0。根據(jù)傅立葉(Four i er)分析，fit) = ^ (a, cos O1I + へsin cort)。平滑一次，
i=0 i=0
n-l
平滑視窗2n+l后的信號可以表示成/⑴= 丄ア ^ (a. cos COi (t + kT) + sin Oi (t + kT))，
n i=0 k=-^-其中T為取樣點時間間距，或者改寫成
權(quán)利要求
1.ー種信號處理方法,包括 接收一平滑化參數(shù)及一待分離信號； 建立該待分離信號的一上極值包絡(luò)線及一下極值包絡(luò)線； 計算該上極值包絡(luò)線及該下極值包絡(luò)線的一平均包絡(luò)線； 根據(jù)該平滑化參數(shù)及該平均包絡(luò)線進(jìn) 行平滑化以產(chǎn)生一平滑化后平均包絡(luò)線；以及 根據(jù)該平滑后平均包絡(luò)線決定該待分離信號的ー趨勢分量或一非趨勢分量。
2.如權(quán)利要求I所述的信號處理方法，其中該建立步驟包括 搜尋該待分離信號的多個上極值點及多個下極值點； 根據(jù)這些上極值點建立該上極值包絡(luò)線；以及 根據(jù)這些下極值點建立該下極值包絡(luò)線。
3.如權(quán)利要求I所述的信號處理方法，其中該平滑化參數(shù)包括一平滑視窗寬度、一平滑次數(shù)及ー邊界處理方式。
4.如權(quán)利要求3所述的信號處理方法，其中該邊界處理方式為線對稱或點對稱。
5.如權(quán)利要求I所述的信號處理方法，其中該決定步驟包括 判斷該平滑化后平均包絡(luò)線是否收斂； 當(dāng)該平滑化后平均包絡(luò)線未收斂時，從該待分離信號移除該平滑化后平均包絡(luò)線后重復(fù)執(zhí)行該建立步驟、該計算步驟及該平滑化步驟；以及 當(dāng)該平滑化后平均包絡(luò)線收斂時，則根據(jù)該平滑后平均包絡(luò)線決定該待分離信號的該趨勢分量或該非趨勢分量。
6.如權(quán)利要求5所述的信號處理方法，其中該判斷步驟包括 判斷該平滑后平均包絡(luò)線的標(biāo)準(zhǔn)差是否小于ー預(yù)設(shè)閾值； 當(dāng)該平滑后平均包絡(luò)線的標(biāo)準(zhǔn)差小于該預(yù)設(shè)閾值，判斷該平滑后平均包絡(luò)線已收斂；以及 當(dāng)該平滑后平均包絡(luò)線的標(biāo)準(zhǔn)差不小于該預(yù)設(shè)閾值，該平滑后平均包絡(luò)線未收斂。
7.如權(quán)利要求5所述的信號處理方法，其中該判斷步驟是根據(jù)科西收斂判斷法(Cauchy Convergence Test)判斷該平滑化后平均包絡(luò)線是否收斂。
8.如權(quán)利要求I所述的信號處理方法，其中該趨勢分量是累計該平滑化后平均包絡(luò) >線。
9.如權(quán)利要求I所述的信號處理方法，其中該趨勢分量是根據(jù)該平滑化后平均包絡(luò)線與該待分離信號的差異進(jìn)行ー加權(quán)運算而得。
10.ー種信號處理裝置，包括 一輸入接ロ，用以接收一平滑化參數(shù)及一待分離信號；以及 一處理單元，用以建立該待分離信號的一上極值包絡(luò)線及一下極值包絡(luò)線，并計算該上極值包絡(luò)線及該下極值包絡(luò)線的一平均包絡(luò)線，該處理單元根據(jù)該平滑化參數(shù)及該平均包絡(luò)線進(jìn)行平滑化以產(chǎn)生一平滑化后平均包絡(luò)線，井根據(jù)該平滑后平均包絡(luò)線決定該待分離信號的ー趨勢分量或一非趨勢分量。
11.如權(quán)利要求10所述的信號處理裝置，其中該處理単元搜尋該待分離信號的多個上極值點及多個下極值點，該處理単元根據(jù)這些上極值點建立該上極值包絡(luò)線，井根據(jù)這些下極值點建立該下極值包絡(luò)線。
12.如權(quán)利要求10所述的信號處理裝置，其中該平滑化參數(shù)包括一平滑視窗寬度、一平滑次數(shù)及ー邊界處理方式。
13.如權(quán)利要求12所述的信號處理裝置，其中該邊界處理方式為線對稱或點對稱。
14.如權(quán)利要求10所述的信號處理裝置，其中該處理単元判斷該平滑化后平均包絡(luò)線是否收斂，當(dāng)該平滑化后平均包絡(luò)線未收斂吋，該處理単元從該待分離信號移除該平滑后平均包絡(luò)線后重新建立該上極值包絡(luò)線及該下極值包絡(luò)線，并重新計算該平均包絡(luò)線，該處理單元根據(jù)該平滑化參數(shù)及重新計算后的該平均包絡(luò)線進(jìn)行平滑化以產(chǎn)生該平滑化后平均包絡(luò)線，當(dāng)該平滑化后平均包絡(luò)線收斂時，該處理単元根據(jù)該平滑后平均包絡(luò)線決定該趨勢分量或該非趨勢分量。
15.如權(quán)利要求14所述的信號處理裝置，其中該處理単元判斷該平滑后平均包絡(luò)線的標(biāo)準(zhǔn)差是否小于ー預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)該平滑后平均包絡(luò)線的標(biāo)準(zhǔn)差小于該預(yù)設(shè)閾值，該處理單元判斷該平均包絡(luò)線已收斂，當(dāng)該平滑后平均包絡(luò)線的標(biāo)準(zhǔn)差不小于該預(yù)設(shè)閾值，該處理單元判斷該平均包絡(luò)線未收斂。
16.如權(quán)利要求14所述的信號處理裝置，其中該處理単元根據(jù)科西收斂判斷法(Cauchy Convergence Test)判斷該平滑化后平均包絡(luò)線是否收斂。
17.如權(quán)利要求10所述的信號處理裝置，其中該趨勢分量是累計該平滑化后平均包絡(luò)線。
18.如權(quán)利要求10所述的信號處理裝置，其中該趨勢分量是根據(jù)該平滑化后平均包絡(luò)線與該待分離信號的差異進(jìn)行ー加權(quán)運算而得。
19.如權(quán)利要求10所述的信號處理裝置，其中該輸入接ロ及該處理単元被整合為一功能性芯片。
20.如權(quán)利要求19所述的信號處理裝置，還包括一芯片載具，用以承載該功能性芯片。
21.如權(quán)利要求20所述的信號處理裝置，其中該芯片載具包括 一信號感測單元，用以根據(jù)一生理信號產(chǎn)生該待分離信號；以及 一輸出接ロ，用以輸出該待分離信號至該輸入接ロ。
22.如權(quán)利要求21所述的信號處理裝置，其中該信號感測單元包括 一信號感測元件，用以測量該生理信號； ー模擬前端處理器(Analog Front End, AFE),稱接該信號感測元件,并放大該生理信號以產(chǎn)生ー模擬信號；以及 ー模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，耦接該輸出接ロ，用以將該模擬信號轉(zhuǎn)換為該待分離信號。
23.如權(quán)利要求22所述的信號處理裝置，其中該信號感測元件為ー被動式感測元件。
24.如權(quán)利要求22所述的信號處理裝置，其中該信號感測元件為ー主動式感測元件。
25.如權(quán)利要求22所述的信號處理裝置，其中該芯片載具還包括 一驅(qū)動單元，用以驅(qū)動該信號感測元件；以及 一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用以控制該驅(qū)動単元。
26.如權(quán)利要求22所述的信號處理裝置，其中該芯片載具還包括 一可撓曲部，用以延伸該信號感測元件。
27.如權(quán)利要求22所述的信號處理裝置，其中該芯片載具還包括 一粘性定位部，設(shè)置于該信號感測元件周圍。
28.ー種信號處理裝置，包括 一信號感測單元，用以根據(jù)一生理信號產(chǎn)生ー待分離信號；以及一輸出接ロ，用以輸出該待分離信號至一功能性芯片，以決定該待分離信號的ー趨勢分量或一非趨勢分量。
29.如權(quán)利要求28所述的信號處理裝置，其中該信號感測單元包括 一信號感測元件，用以測量該生理信號； ー模擬前端處理器(Analog Front End, AFE),稱接該信號感測元件,并放大該生理信號以產(chǎn)生ー模擬信號；以及 ー模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，耦接該輸出接ロ，用以將該模擬信號轉(zhuǎn)換為該待分離信號。
30.如權(quán)利要求28所述的信號處理裝置，其中該信號感測單元及輸出接ロ被整合至一芯片載具。
31.如權(quán)利要求30所述的信號處理裝置，其中該芯片載具還包括 一驅(qū)動單元，用以驅(qū)動該信號感測元件；以及 一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用以控制該驅(qū)動単元。
32.如權(quán)利要求30所述的信號處理裝置，其中該芯片載具還包括 一可撓曲部，用以延伸該信號感測元件。
33.如權(quán)利要求30所述的信號處理裝置，其中該芯片載具還包括 一粘性定位部，設(shè)置于該信號感測元件周圍；以及 一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用以控制該驅(qū)動単元。
34.如權(quán)利要求28所述的信號處理裝置，其中該信號感測元件為ー被動式感測元件。
35.如權(quán)利要求28所述的信號處理裝置，其中該信號感測元件為ー主動式感測元件。
全文摘要
一種信號處理裝置及信號處理方法。信號處理裝置包括輸入接口及處理單元。輸入接口接收平滑化參數(shù)及待分離信號。處理單元建立待分離信號的上極值包絡(luò)線及下極值包絡(luò)線，并計算上極值包絡(luò)線及下極值包絡(luò)線的平均包絡(luò)線，處理單元根據(jù)平滑化參數(shù)及平均包絡(luò)線進(jìn)行平滑化以產(chǎn)生平滑化后平均包絡(luò)線，并根據(jù)平滑后平均包絡(luò)線決定待分離信號的趨勢分量或非趨勢分量。
文檔編號H03H17/00GK102811034SQ20121002628
公開日2012年12月5日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者包舜華, 楊杰能, 謝宗閔, 邵耀華 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院