信号处理装置和信号处理方法 [0002]随着生物医学工程的发展，医生能够根据通过生物医学的检查仪器产生的各种医学报告来做出令人信服的诊断。举例来说，生物医学的检查仪器可以通过直接连接至病人胸部、手臂、或腿的电极获得生理的信号(例如，心电图(electrocard1gram,以下简称为ECG)信号)。然后，生理的信号可以被检测并传送至处理装置以进一步处理。 [0003]通常，从电极传送的ECG信号的幅度的测量值为毫伏级，以致ECG信号中的噪声分量可以显著的影响ECG信号的波形。因此，在ECG波形中分析具有噪声分量的ECG信号是没有意义的。为解决此种困境，通常采用高通滤波器和带通滤波器来执行减噪处理以降低环境引起的噪声分量(例如电线干扰(power-line interference)、电极周围的电磁活动(electromagnetic activity)或电极的移动)。此外,信号处理技术也被认为可以有用地降低心电图信号的噪声分量(例如基线漂移(baseline wander)影响和运动伪差(mot1nartifact))。由于降低心电图信号中的噪声分量成为当今最关键的生物医学问题，需要开发能够滤除噪声分量的信号处理装置和信号处理方法。
[0004]有鉴于此，本发明提出一种信号处理装置和信号处理方法。 [0005]依据本发明第一实施方式，提供一种信号处理装置。该信号处理装置包括:采样模块，采样输入信号以产生采样信号；第一分段模块，在第一时间间隔内根据该采样信号计算第一分段值；第二分段模块，在第二时间间隔内根据该采样信号计算第二分段值，其中该第一时间间隔的时间长短不同于该第二时间间隔的时间长短；以及检测模块，耦接于该第一分段模块和该第二分段模块，根据该第一分段值是否位于第一范围之外以及该第二分段值是否位于第二范围之外的测定产生检测信号。
[0006]依据本发明第二实施方式，提供一种信号处理方法。该信号处理方法包括:米样输入信号以产生采样信号；在第一时间间隔内根据该采样信号计算第一分段值；在第二时间间隔内根据该采样信号计算第二分段值，其中该第一时间间隔的时间长短不同于该第二时间间隔的时间长短；以及根据该第一分段值是否位于第一范围之外以及该第二分段值是否位于第二范围之外的测定产生检测信号。
[0007]依据本发明第三实施方式，提供一种信号处理装置。该信号处理装置包括:采样模块，采样输入信号以产生采样信号；第一分段模块，在第一时间间隔内根据该采样信号计算第一分段值；第二分段模块，在第二时间间隔内根据该采样信号计算第二分段值，其中该第一时间间隔的时间长短不同于该第二时间间隔的时间长短；以及还原模块，耦接于该第一分段模块、该第二分段模块和该采样模块，根据该采样信号、该第一分段值和该第二分段值产生输出信号。
[0008]本发明所提出的信号处理装置和信号处理方法，可以降低特定信号的噪声分量。




[0009]图1为根据本发明实施方式的信号处理装置的示意图。
[0010]图2为根据本发明实施方式的输入信号的波形图。
[0011]图3为根据本发明实施方式的第一分段值的波形图。
[0012]图4为根据本发明实施方式的第二分段值的波形图。
[0013]图5A为根据本发明另一实施方式的信号处理装置的示意图。
[0014]图5B为根据本发明又一实施方式的信号处理装置的示意图。
[0015]图6A为图5A中的信号处理装置的还原模块的示意图。
[0016]图6B为图6A中的还原模块的自适应滤波器的示意图。
[0017]图7为根据本发明另一实施方式的信号处理装置的示意图。
[0018]图8为根据本发明实施方式的信号处理方法的流程图。


[0019]以上描述和后续说明仅用于解释本发明的目的，而并非用于限制本发明的范围。本发明的目的和优点将在后续描述和附图中进行解释。
[0020]图1为根据本发明实施方式的信号处理装置的示意图。如图1所示，信号处理装置1包括采样模块10、第一分段模块12、第二分段模块14、以及检测模块16。采样模块10采样输入信号S1以产生采样信号S2。采样信号S2被馈入第一分段模块12和第二分段模块14。然后，第一分段模块12在第一时间间隔内根据采样信号S2计算第一分段值S3。并且，第二分段模块14在第二时间间隔内根据采样信号S2计算第二分段值S4。第一时间间隔的时间长短不同于第二时间间隔的时间长短。检测模块16耦接于第一分段模块12和第二分段模块14，根据该第一分段值S3是否位于第一范围之外以及该第二分段值S4是否位于第二范围之外的测定产生检测信号。
[0021]关于采样模块10的操作的实施方式请参考图1和图2。图2为根据本发明实施方式的输入信号S1的波形图。举例来说，输入信号S1可以为通过电极获得的模拟ECG信号以及采样模块10可以为模数转换器(analog-to-digita 1 converter, ADC)。如图1和图2所示，采样模块10在时刻δ t、2 δ t、3 δ t、4 δ t等时刻采样输入信号S1的幅度(amplitude)信息以产生采样信号S2。换句话说，采样信号S2可以用如下公式表示:
[0022]S2={S1 [ δ t], S1 [2 δ t], S1 [3 δ t], SI [4 δ t],
[0023]请注意时刻δ t的值必须足够小以保持输入信号S1的特征。例如，若输入信号S1为ECG信号，则时刻δ t在数毫秒(milliseconds)的范围内。
[0024]关于第一分段模块的操作的实施方式请参考图1和图3。图3为根据本发明实施方式的第一分段值S3的波形图。请注意，图3中第一分段值S3的波形图仅为解释性的波形图，而并不需要与图2中的输入信号S1完全对应。在图3中，实线代表第一分段值S3的波形。在此实施方式中，第一时间间隔的时间长短为时间间隔ΛΤ。第一分段模块12使用在第一时间间隔内的采样信号S2的采样数据以得到第一分段值。换句话说，第一分段模块12在第一时间间隔内根据采样信号S2计算第一分段值S3。从采样信号S2得到第一分段值S3的过程做如下说明。在每一个第一时间间隔期间(例如，Ο- Λ Τ、Λ Τ-2 Λ Τ、2 Λ Τ-3 Λ T、3 Λ Τ-4 Λ Τ、4 Λ Τ-5 Λ Τ、5 Λ Τ_6 Λ Τ、6 Λ Τ_7 Λ Τ 以及 7 Λ Τ_8 Λ Τ)，平均采样信号 S2 的采样数据以产生第一分段值。首先，在时间间隔2 Λ Τ-3 Λ T内的第一分段值等于在时间间隔0- Δ Τ内的采样信号S2的平均值；其次，在时间间隔3ΛΤ-4ΛΤ内的第一分段值等于在时间间隔Λ Τ-2 Λ Τ内的采样信号S2的平均值；第三，在时间间隔4 Λ Τ-5 Λ Τ内的第一分段值等于在时间间隔2ΛΤ-3ΛΤ内的采样信号S2的平均值。通过重复执行同样的方法来得到多个第一分段值。由此，第一分段模块12可以产生如图3所示的多个第一分段值S3的波形。
[0025]根据本发明的一个实施方式，通过对在第一时间间隔内的米样信号S2的米样数据求平均值而产生第一分段值S3。第一分段值S3可以通过其他数学方法来计算，只要保持的采样信号S2的幅度特性即可。此外，第一时间间隔的周期(per1d)可以通过考虑输入信号的特性来设置。举例来说，若输入信号S1为具有基线漂移效应的ECG信号，第一时间间隔ΛΤ可以大约为100ms?200ms。这样，在第一时间间隔ΛΤ内，可以有几十个采样信号S2的取样。
[0026]关于第二分段模块的操作的实施方式请参考图1和图4。图4为根据本发明实施方式的第二分段值S4的波形图。请注意，图4中第二分段值S4的波形图仅为解释性的波形图而并不需要与图2中的输入信号S1完全对应。在图4中，实线代表第二分段值S4的波形。在此实施方式中，由于第二时间间隔的时间长短不同于第一时间间隔的时间长短，第二时间间隔可以设置为大于第一时间间隔。如图3和图4所示，第二时间间隔与第一时间间隔重叠。举例来说，第二时间间隔可以为第一时间间隔的两倍，即第二时间间隔为2ΛΤ。第二分段模块14使用在第二时间间隔内的采样信号S2的采样数据以得到第二分段值。换句话说，第二分段模块14在第二时间间隔内根据采样信号S2计算第二分段值，其中第二时间间隔的时间长短不同于第一时间间隔的时间长短。请注意第二时间间隔的时间长短不需要限制为第一时间间隔的时间长短的整数倍。例如，第二时间间隔可以为2.3ΛΤ。
[0027]根据本发明的一个实施方式，通过对在第二时间间隔内的采样信号S2的采样数据求平均值而产生第二分段值S4。第二分段值S4可以通过其他数学方法来计算，只要保持的采样信号S2的幅度特性即可。图4用于说明第二分段值S4是怎样产生的。在每一个第二时间间隔期间(例如,0-2 Λ Τ、ΔΤ-3ΔΤ.2Δ Τ_4 ΔΤ.3ΔΤ-5Δ Τ、4 Λ Τ_6 Λ Τ、5 Λ Τ_7 Δ Τ、以及6ΛΤ-8ΛΤ)，平均采样信号S2的采样数据以产生第二分段值。首先，在时间间隔2 ΛΤ-3ΛΤ内的第二分段值等于在时间间隔0-2 ΛΤ内的采样信号S2的平均值；其次，在时间间隔3 Λ Τ-4 Λ Τ内的第二分段值等于在时间间隔Λ Τ-3 Λ Τ内的采样信号S2的平均值；第三，在时间间隔4ΛΤ-5ΛΤ内的第二分段值等于在时间间隔2 Λ Τ-4 Λ Τ内的采样信号S2的平均值。通过重复执行同样的方法来得到多个第二分段值。由此，第二分段模块14可以产生如图4所示的多个第二分段值S4的波形。
[0028]由于当在对应的第一时间间隔内从采样数据S2得到第一分段值S3时或当在对应的第二时间间隔内从采样数据S2得到第二分段值S4时可能存在一些处理上的延迟，接收采样数据S2、第一分段值S3和第二分段值S4中的任意两个的其他的处理模块需要考虑这些延迟。然而，由于这种延迟十分普遍以及这种延迟对本领域技术人员来说是能够了解的，为求简洁将在以下描述中省略关于延迟的相关描述。
[0029]关于检测模块16的操作的实施方式请参考图1、图3和图4。检测模块16自第一分段模块12接收第一分段值S3。检测模块16自第二分段模块14接收第二分段值S4。举例来说，请参考图3和图4，在时刻6 Λ T至时刻7 Λ T的时间间隔内第一分段值S3位于第一范围之外以及对应的第二分段值S4也位于第二范围之外。在此实施方式中，通过分别对在第一时间间隔和第二时间间隔内的采样信号S2求平均值而产生第一分段值S3和第二分段值S4。检测模块16根据测定结果产生检测信号。根据本发明的一个实施方式，检测信号可以为三态(tr1-state)信号。当检测信号为“ 1”时，代表第一分段值S3位于第一范围之外以及第二分段值S4位于第二范围之外；当检测信号为“0”时，代表第一分段值S3位于第一范围之外以及第二分段值S4位于第二范围之内，或第一分段值S3位于第一范围之内以及第二分段值S4位于第二范围之外；当检测信号为“-1”时，代表第一分段值S3位于第一范围内以及第二分段值S4也位于第二范围内。
[0030]一般而言，输入信号S1可以为包含不同类型噪声的ECG信号。当基线漂移具有较低频率以及基线漂移会影响ECG信号超过半秒时，噪声(例如运动伪差效应)的频率范围超过为0.5Hz。另一方面,对于具有某些心脏病的病人来说,ECG的形态(morphology)具有不正常的变动(irregular variat1n),通常比基线漂移效应具有更高的频率。通过适当选择第一时间间隔、第二时间间隔，第一范围和第二范围，有助于通过第一分段值和第二分段值区别形态变化和噪声。一般而言，低频率的噪声将持续更长的时间周期。因此，若低频率噪声(例如基线漂移效应)存在于ECG信号中，短期(short term)的第一分段值S3和长期(long term)的第二分段值S4均将位于某一幅度范围之外。因此，通过短期的第一分段值S3是否位于第一范围之外以及相应的长期的第二分段值S4是否位于第二范围之外的测定可以检测噪声的存在。换句话说，若短期的第一分段值S3位于第一范围之外以及相应的长期的第二分段值S4位于第二范围之外(例如，检测信号为“1”)，则有可能输入信号S1受到低频率噪声特征(noise-like)的影响。若短期的第一分段值S3位于第一范围之外但相应的长期的第二分段值S4位于第二范围内(例如，检测信号为“0”)，则有可能输入信号S1受到疾病特征(disease-like)的影响，而不是受到噪声特征(noise-like)的影响,进一步，若短期的第一分段值S3位于第一范围内并且相应的长期的第二分段值S4位于第二范围内(例如，检测信号为“-1”)，则有可能在输入信号S1中没有噪声或没有多少(little)噪声。
[0031]请参考图5A。图5A为根据本发明另一实施方式的信号处理装置的示意图。如图5A所示，信号处理装置2包括采样模块20、第一分段模块22、第二分段模块24、检测模块26、还原模块(reduct1n module) 28。米样模块20米样输入信号S1以产生米样信号S2。第一分段模块22在第一时间间隔内接收采样信号S2并计算第一分段值S3。第二分段模块24在第二时间间隔内接收采样信号S2并计算第二分段值S4。第一时间间隔的时间长短不同于第二时间间隔的时间长短。检测模块26根据该第一分段值S3是否位于第一范围内以及对应的第二分段值S4是否位于第二范围内的测定产生检测信号D1。还原模块28耦接于采样模块20、检测模块26、第一分段模块22和第二分段模块24，以接收采样信号S2、第一分段值S3和第二分段值S4中的至少一个、和检测信号D1以产生输出信号S5。如上述实施方式所述，检测信号具有一些变量或变化的电平以指示噪声的存在。当噪声存在于ECG信号中时，还原模块28进入第一状态以处理具有噪声的输入信号S1,以产生降低噪声的输出信号S5。根据本发明的一个实施方式，若检测信号指示在ECG信号中不存在噪声，还原模块28可以旁通并输出米样信号S2作为输出信号S5。
[0032]为更好地理解还原模块28的操作，请参考图6A中关于还原模块28的实施方式。图6A为图5A中的信号处理装置的还原模块的示意图。如图6A所示，还原模块28可以具有基线跟踪单元280和自适应滤波器282。基线跟踪单元280耦接于图5A中的第一分段模块22和第二分段模块24以接收第一分段值S3和第二分段值S4,并产生估计的基线信号BS。自适应滤波器282耦接于基线跟踪单元280以接收估计的基线信号BS。自适应滤波器282耦接于采样模块20并自采样模块20接收采样信号S2并使用估计的基线信号BS、采样信号S2和步长而产生输出信号S5。此外，自适应滤波器282可以进一步接收检测信号D1并将检测信号D1作为另一个输入以用于调整自适应滤波器282的步长SS。
[0033]在实践中，基线跟踪单元280可以根据第一分段值S3、第二分段值S4或者其组合而产生估计的基线信号BS。举例来说，基线跟踪单元280可以对多个第一分段值S3进行插值(interpolat1n)而产生估计的基线信号BS。
[0034]请参考图6B。图6B为图6A中的还原模块的自适应滤波器282的示意图。自适应滤波器282包括延迟抽头(delay taps) 282_1?延迟抽头282_n，乘法器284_1?乘法器284_n，第一加法器2881，以及第二加法器2882。估计的基线信号BS被馈入延迟抽头并通过延迟抽头282_1?延迟抽头282_n延迟。每一个延迟抽头282_1?延迟抽头282_n的输出被送入乘法器284_1?乘法器284_n以将该输出与相应的可变权重(weight)286_l?可变权重286_n相乘。乘法器284_1?乘法器284_n的输出通过第一加法器2881相加以产生估计的噪声信号EN。如图6B所示，自适应滤波器282通过具有可变权重(variable weights)的常见的抽头延迟线(tapped-delay line)结构来实现。然后，估计的噪声信号EN被送入第二加法器2882以将采样信号S2减去估计的噪声信号EN而得到输出信号S5。输出信号S5用于通过权重更新(weight updating)模块WUM更新可变权重286_1?可变权重286_n，其中权重更新模块产生更新的可变权重。举例来说，可以通过将可变权重286_1?可变权重286_n分别与权重改变的总量相加而得到更新的可变权重。其中，步长SS为根据检测信号D1调整的自适应滤波器282的步长，以及权重改变的总量等于步长SS、输出信号S5、估计的基线信号BS的乘积。在理想的稳态(steady state),估计的噪声信号ΕΝ完全跟踪采样信号S2的噪声分量以使得估计的噪声信号ΕΝ收敛(converge)于采样信号S2中的噪声分量。当输出信号S5和米样信号S2的差异很大时，例如，输入信号S1受噪声的影响，可变权重286_1?可变权重286_n需要更快更新以使得估计的噪声信号EN更好的跟踪采样信号S2。因此，需要相应地调整步长。在此实施方式中，当检测信号指示采样信号S2受噪声影响时(即当第一分段值S3位于第一范围之外以及相应的第二分段值S4位于第二范围之外时)，还原模块28中的自适应滤波器282根据估计的基线信号BS、采样信号S2和第一步长产生输出信号。也就是说，还原模块28进入第一状态，然后当还原模块28处于第一状态时自适应滤波器282根据第一步长更新滤波器的可变权重286_1?可变权重286_n。
[0035]如上所述，当输入信号S1的特征改变时，检测信号的值可能改变。举例来说，当在输入信号S1中有较少(less)噪声时，第一分段值S3位于第一范围之内、相应的第二分段值S4位于第二范围之外，或第一分段值S3位于第一范围之外、相应的第二分段值S4位于第二范围之内。在这种情况下，检测信号具有相应的值。然后还原模块28进入第二状态，还原模块28中的自适应滤波器282根据估计的基线信号BS、采样信号S2和第二步长产生输出信号。即，自适应滤波器282将采用第二步长以更新可变权重286_1?可变权重286_η。换句话说，然后当还原模块28处于第二状态时，自适应滤波器282根据第二步长和采样信号S2通过滤波估计的基线信号BS产生输出信号S5。
[0036]请注意，当在输入信号S1中没有噪声或没有多少(little)噪声时，还原模块28可能不会进去第一状态或第二状态。如果这样的话，自适应滤波器282可以仅仅旁通采样信号S2作为输出信号S5。
[0037]根据本发明的另一实施方式，采样信号S2可以直接减去估计的基线信号BS以产生输出信号S5。在这种情况下，自适应滤波器282不是必须的，并且可以完全由加法器代替，这将降低成本。在某些条件下，经验表明这种方式也能降低采样信号S2中的噪声，并且其性能具竞争力。
[0038]请回过来参考图5B。图5B为根据本发明又一实施方式的信号处理装置的示意图。如图5B所不,信号处理装置52包括米样模块520、第一分段模块522、第二分段模块524、还原模块528。米样模块520米样输入信号S51以产生米样信号S52。第一分段模块522在第一时间间隔内接收采样信号S52并计算第一分段值S53。第二分段模块524在第二时间间隔内接收采样信号S52并计算第二分段值S54。第一时间间隔的时间长短不同于第二时间间隔的时间长短。还原模块528接收采样信号S52、第一分段值S53和第二分段值S54以产生输出信号S55。
[0039]还原模块528如图6A所示。换句话说，还原模块528可以包括如前所述具有相似结构的基线跟踪单元和自适应滤波器。然而，自适应滤波器可以不具有不同状态或不同步长，而只是自系统启动起保持过滤具有固定步长的估计的噪声信号。请注意，自适应滤波器也可以由加法器代替，该加法器直接将采样信号S52减去估计的基线信号而产生输出信号S55。
[0040]请参考图7。图7为根据本发明另一实施方式的信号处理装置的示意图。如图7所示，信号处理装置3包括采样模块30、第一分段模块32、第二分段模块34、检测模块36、还原模块38和校正模块39。米样模块30米样输入信号S1以产生米样信号S2。第一分段模块32在各个第一时间间隔内接收采样信号S2以计算第一分段值S3。第二分段模块34在各个第二时间间隔内接收采样信号S2以计算第二分段值S4。检测模块36根据第一分段值S3是否位于第一范围之外以及相应的第二分段值S4是否位于第二范围之外的测定产生检测信号D1。还原模块38由检测信号D1控制以产生输出信号S5。校正模块39耦接于检测模块36、第一分段模块32、以及第二分段模块34以接收第一分段值S3，第二分段值S4和检测信号D1。然后校正模块39根据第一分段值S3、第二分段值S4以及检测信号D1调整第一范围、第二范围，第一时间间隔及/或第二时间间隔。
[0041]在校正模块39的实施方式中，鉴于输入信号S1为ECG信号。当启动信号处理装置3时，第一分段值S3和第二分段值S4由校正模块39监控。通常，在启动过程中，病人被要求保持身体不动(例如，躺在床上)，以得到休息时的(resting)ECG信号。在此情况下，校正模块39可以设置第一范围、第二范围、第一时间间隔和第二时间间隔的初始值(initialvalues)至信号处理装置3。
[0042]其次，在正常操作期间，校正模块39连续监控第一分段值S3、第二分段值S4和检测信号D1，以调整第一范围、第二范围、第一时间间隔及/或第二时间间隔。在正常操作期间，可能具有一些噪声或形态(morphology)变化影响输入信号。举例来说，若检测信号频繁地指示输入信号S1具有疾病特征(disease-1 ike)模式(pattern),第一时间间隔和第二时间间隔可以通过校正模块39调整以具有比初始设置(original setting)更长的周期。这样，第一分段值和第二分段值就不太可能过于容易地超过第一范围和第二范围。检测模块36将对形态(morphology)变化较不敏感(less sensitive),以及还原模块38至少不会易于进入第一状态而执行降噪滤波(noise reduct1n filtering)。因此，可以保持输入信号S1的形态而免于失真。
[0043]另一方面，若输入信号S1指不具有噪声特征(noise-like)模式，可以调整第一时间间隔和第二时间间隔具有比初始设置更短的周期，以使得检测模块36对噪声更敏感。因此，还原模块38将更易于进入第一状态或第二状态以执行降噪滤波以及噪声分量可以更容易地从输入信号S1中移除。
[0044]为了说明信号处理装置1如何工作，请参考图1和图8。图8为根据本发明实施方式的信号处理方法的流程图。如图所示，在步骤S40中，采样模块10采样输入信号S1以产生采样信号S2。在步骤S42中，第一分段模块12在第一时间间隔内根据采样信号S2计算第一分段值。在步骤S44中，第二分段模块14在第二时间间隔内根据采样信号S2计算第二分段值，其中第二时间间隔的时间长短不同于第一时间间隔的时间长短。请注意，根据本发明的另一个实施方式，步骤S42和步骤S44可以同时执行。在步骤S46中，检测模块16根据第一分段值是否位于第一范围之外以及第二分段值是否位于第二范围之外的测定产生检测信号。
[0045]总之，本发明实施方式揭示的信号处理装置和信号处理方法可以降低特定信号(特别是ECG信号)的噪声分量。本发明的优点之一是使用者可以容易地和正确地分析滤波的ECG信号中连续心跳间的波形，并避免误诊心脏病。
[0046]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而必须了解其并非用以限定本发明。相反，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的保护范围为准。