心率修正方法、系统以及计算机可读取介质

技术领域

本发明是有关于一种修正方法及系统，且特别是有关于一种应用于心率检测的心率修正方法及系统以及计算机可读取介质。

背景技术

近几年随着大众对于健康的重视，市面上开始出现各种可监控心跳的装置。就现有技术而言，这些装置结合了加速计(Accelerometer)来判断使用者的动作，根据使用者静止或运动的状态搭配不同的演算法来计算心跳。

例如，当使用者的行为系静止或接近静止(动作较小)而使加速度检测信号的强度低时，心跳测量信号稳定，一般会使用静态演算法取心跳测量信号的规律性即可视为心率。另外，为了避免预料外的噪声影响心率数值，会取数个连续的瞬时心率，删除最大值与最小值后输出平均心率。

另一方面，例如，当使用者的行为是运动或动态(动作较大)而使当加速度检测信号的强度高时，心跳测量信号不稳定并且混入许多动作的噪声，此时心跳测量信号并非只包括单纯的心率信息，因此，一般会采用动态演算法。在动态演算法中可利用快速傅立叶转换(Fast Fourier Transformation，FFT)分离信号，再由信号中取最可能的频率来计算心率。然，此举会让心率的分辨率降低。此外，另有一种动态演算法系使用心跳测量信号和加速度检测信号相减的原理来输出心率，但此种方式比较适用于规律动作(例如慢跑)设计的动态心率计算方法。

然而，经测试，当心率测量装置稳定不动时，心跳测量信号的心跳数值是较可信赖的。而保持规律运动(如慢跑)，心跳测量信号的心跳数值也是较准确的。但是，不规律动作的心跳数值则可能会不准确。例如，使用者于站立到开始慢跑的过程(由静止状态转换至动态状态的过程)中，初始站立与开始慢跑后的心跳数值都准确，但在中间由静止转换至动态的准备动作的心跳数值的准确度则会下降。又，在静止状态中有不规律动作或短时间的大动作，也会造成心跳数值不准。例如，原本静止坐在椅子上的心跳数值准确，使用者突然转头的动作便让心跳数值的准确度下降。其原因是因为使用者有动作但因为加速度检测信号尚未能达到预设的门槛条件而仍以静态演算法来计算与输出心率。

基于上述，针对静止状态中的不规律动作使用静态演算法或是动态演算法来计算心率，皆会造成心率准确度下降。因此，目前静止状态中的不规律动作没有适用的演算法，是导致静止状态下的心率不准的主要原因。

发明内容

本发明提供一种心率修正方法、系统以及计算机可读取介质，即使在静止状态有不规律小动作或是短时间大动作，也能输出较精确的心率。

本发明的心率修正方法，包括：在取样时间范围内收集心跳测量信号，以计算取样时间范围所包括的多个取样区间对应的多个瞬时心率；在取样时间范围内获得加速度检测信号；基于加速度检测信号判断每一瞬时心率的可信度为可信或不可信；取出可信度判定为可信的瞬时心率来计算平均心率；判断平均心率与参考心率相差的差值是否超出变化量范围；以及在判定平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围的情况下，基于修正数值与参考心率来获得修正后心率，并以修正后心率作为取样时间范围对应的输出心率。

本发明的心率修正系统，包括：心率传感器、加速度传感器以及处理器，处理器电性耦接至心率传感器、加速度传感器以及该存储装置，其中处理器经配置以：在取样时间范围内通过心率传感器收集心跳测量信号，以计算取样时间范围所包括的多个取样区间对应的多个瞬时心率；在取样时间范围内通过加速度传感器获得加速度检测信号；基于加速度检测信号判断每一瞬时心率的可信度为可信或不可信；取出可信度判定为可信的取样区间对应的瞬时心率来计算平均心率；判断平均心率与参考心率相差的差值是否超出变化量范围；以及在判定平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围的情况下，基于修正数值与参考心率来获得修正后心率，并以修正后心率作为取样时间范围对应的输出心率。

本发明的心率修正系统，包括：电性耦接至心率传感器以及加速度传感器之处理器，所述处理器经配置以：在取样时间范围内通过心率传感器收集心跳测量信号，以计算取样时间范围所包括的多个取样区间对应的多个瞬时心率；在取样时间范围内通过加速度传感器获得加速度检测信号；基于加速度检测信号判断每一瞬时心率的可信度为可信或不可信；取出可信度判定为可信的取样区间对应的瞬时心率来计算平均心率；判断平均心率与参考心率相差的差值是否超出变化量范围；以及在判定平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围的情况下，基于修正数值与参考心率来获得修正后心率，并以修正后心率作为取样时间范围对应的输出心率。

本发明的计算机可读取介质，存储有多个程序代码片段，经由电子装置载入所述程序代码片段执行下列步骤，包括：在取样时间范围内收集心跳测量信号，以计算取样时间范围所包括的多个取样区间对应的多个瞬时心率；在取样时间范围内获得加速度检测信号；基于加速度检测信号判断每一瞬时心率的可信度为可信或不可信；取出可信度判定为可信的瞬时心率来计算平均心率；判断平均心率与参考心率相差的差值是否超出变化量范围；以及在判定平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围的情况下，基于修正数值与参考心率来获得修正后心率，并以修正后心率作为取样时间范围对应的输出心率。

基于上述，本发明基于加速度检测信号来调整输出心率，当加速度检测信号的强度高时，代表当下使用者有较大或短时间的动作，此时采用先前的心率数值为基础，并且参考当下的加速度检测信号来调整欲输出的心率。据此，即便在静止状态有动作，也能输出稳定的心率。

附图说明

图1是依照本发明一些实施例的心率修正系统的框图。

图2是依照本发明一些实施例的心率修正方法的流程图。

图3是依照本发明一些实施例的表示在取样时间范围内的心跳测量信号以及加速度检测信号的对应曲线示意图。

图4是依照本发明另一些实施例的心率修正方法的流程图。

图5是依照本发明一些实施例的修正前后的输出心率曲线图。

具体实施方式

图1是依照本发明一些实施例的心率修正系统的框图。请参照图1，心率修正系统100包括处理器110、存储装置120、心率传感器130以及加速度传感器140。处理器110直接或间接电性耦接至存储装置120、心率传感器130以及加速度传感器140。

处理器110例如为中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、物理处理单元(Physics Processing Unit，PPU)、可程序化的微处理器(Microprocessor)、嵌入式控制芯片、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、特定用途集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)或其他类似装置。

存储装置120例如是任意类型的固定式或可移动式随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存(Flash memory)、硬盘或其他类似装置或这些装置的组合。存储装置120中存储有多个程序代码片段，上述程序代码片段在被安装后，会由处理器110来执行，以实现下述心率修正方法。

在一些实施例中，心率传感器130与加速度传感器140可以设置在同一个穿戴式装置中，而存储装置120与处理器110设置在智智能手机、平板计算机等具有运算功能的电子装置中。利用穿戴式装置来检测心跳以及加速度值，之后将所获得的心跳测量信号以及加速度传感信号传送给电子装置，由电子装置来执行心率的修正。所述穿戴式装置例如为耳机、智能手环、智能手表等。在其他实施例中，心率传感器130以及加速度传感器140也可以设置在不同的穿戴式装置/电子装置中，例如心率传感器130设置在穿戴式装置，而加速度传感器140设置在另一个不同的穿戴式装置或是设置在与处理器110相同的电子装置中。

另外，在其他实施例中，处理器110、存储装置120、心率传感器130以及加速度传感器140也可以同时设置在同一个电子装置中。

心率传感器130用来进行心跳测量，以获得心跳测量信号。心率传感器130例如为使用光体积变化描记图法(Photoplethysmography，PPG)的传感器，但不以此为限，也可以是例如雷达传感器或ECG(Electrocardiogram)传感器。加速度传感器140用来进行加速度检测，以获得加速度传感信号。

心率修正系统100主要是参考加速度传感信号来决定取样区间当时瞬时心率(instant heart rate，iHR)的可信度，再根据可信度来修正输出心率。搭配上述心率修正系统100，下面举一实施例来说明心率修正方法的各步骤。

图2是依照本发明一些实施例的心率修正方法的流程图。在本实施例中，处理器110经配置用以执行存储装置120所存储的程序代码片段，藉以实现下述心率修正方法。

请参照图1及图2，在步骤S201中，处理器110通过心率传感器130在取样时间范围内收集心跳测量信号，以计算取样时间范围内所包括的多个取样区间对应的多个瞬时心率。并且，在步骤S203中，处理器110通过加速度传感器140在取样时间范围内获得加速度检测信号。在此，步骤S201与步骤S203为同时执行，即，处理器110同时通过心率传感器130及加速度传感器140来收集对应的数据。例如，每20毫秒收集心跳测量信号以及加速度检测信号。在此，处理器110可先在心跳测量信号中根据形成各取样区间的两个峰值的间距来算出各取样区间的瞬时心率，并且在加速度检测信号统计每一个取样区间内的加速度值的累加量。

接着，在步骤S205中，处理器110基于加速度检测信号判断各取样区间的可信度。在此，处理器110将在各取样区间内所检测到的多笔加速度信号值累加后的累加量进行平均，藉此获得加速度平均值。并且，处理器110基于各取样区间的加速度平均值判断各取样区间的可信度为可信或不可信。具体而言，加速度平均值太高表示在此取样区间内产生较大的动作，表示此取样区间内的心跳测量信号不可信。据此，处理器110将加速度平均值与可信度阈值进行比对。倘若加速度平均值小于或等于可信度阈值，将可信度判定为可信。倘若加速度平均值大于可信度阈值，将可信度判定为不可信。例如，将加速度平均值大于可信度阈值的瞬时心率给予标记“false”，反之则给予标记“true”。

图3是依照本发明一些实施例的表示在取样时间范围内的心跳测量信号以及加速度检测信号的对应曲线示意图。参照图3，在取样时间范围t

处理器110计算取样区间A1～A12各自对应的瞬时心率iHR1～iHR12。心率参数可由光体积变化描记图法经由时域分析与频率域分析两种不同分析方式获得。例如，计算上一个波峰到下一个波峰的时间即可推算出心率信息。

并且，处理器110将取样区间A1～A12内各自所包括的多个加速度信号值的累加量进行平均，藉此来获得各取样区间A1～A12的加速度平均值，并且将各加速度平均值与可信度阈值TH进行比对。之后，将加速度平均值小于可信度阈值TH对应的瞬时心率的可信度判定为可信。将加速度平均值大于可信度阈值TH对应的瞬时心率的可信度判定为不可信。举例而言，在图3中，取样区间A1～A5、A9、A11、A12的瞬时心率iHR1～iHR5、iHR9、iHR11、iHR12的可信度被判定为可信，处理器110将各给予标记“true”；取样区间A6～A8、A10的瞬时心率iHR6～iHR8、iHR10的可信度被判定为不可信，处理器110将各给予标记“false”。

返回图2，在步骤S207中，处理器110计算平均心率。在此，处理器110取出取样时间范围内可信度被判定为可信的所有瞬时心率来计算平均心率。以图3而言，取出取样区间A1～A5、A9、A11、A12对应的瞬时心率iHR1～iHR5、iHR9、iHR11、iHR12来计算平均心率。即，在图3所示的取样时间范围t

之后，在步骤S209中，处理器110判断平均心率与参考心率相差的差值是否超出变化量范围。在取得平均心率之后，处理器110根据参考心率与事先判定好的变化量范围来修正平均心率。例如，在执行心率修正方法之前，先判定心率的变化量范围，即，瞬时心率变化的可接受范围。假判定义的变化量范围为5，表示预期此刻的输出心率会在参考心率±5的范围内。倘若此刻的心率为N，下一刻心率最大值为N+5，最小值为N-5。原因为人体的生理反应上，心率的变化会是缓升或是缓降的状况，而不会有瞬间剧烈变化的情形，因此在短时间内的心率变化量会是一种可预期或预测的状况。

在判定平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围的情况下，如步骤S211所示，处理器110基于修正数值与参考心率来获得修正后心率，并以修正后心率作为取样时间范围对应的输出心率。具体而言，处理器110基于可信度判定为可信的瞬时心率的数量，计算取样时间范围对应的取样信任度，之后基于取样信任度自修正表来取得对应的修正数值。

在本实施例中，处理器110基于在取样时间范围内可信度判定为可信的瞬时心率的数量，计算取样时间范围对应的取样信任度。其中取样信任度是基于下述公式而获得：

Tr＝N_true/N_sum。

其中Tr代表取样信任度，N_true代表取样时间范围内可信度判定为可信的瞬时心率的数量，N_sum代表取样时间范围内所包括的全部瞬时心率的总数。

而修正后心率是基于下述公式而获得：

修正后心率＝参考心率±修正数值。

在此，根据平均心率以及参考心率来决定修正数值为正数或负数。倘若平均心率大于参考心率，则取修正数值为正，修正后心率＝参考心率+修正数值。反之，倘若平均心率小于参考心率，则取修正数值为负，修正后心率＝参考心率-修正数值。

参照表1，表1为修正表的其中一种实施方式。在此，事先于心率修正系统100中建立修正表。修正表记载多个信任度范围以及其各自对应的修正数值，所述修正数值是根据变化量范围来进行设定。

表1

基于表1的修正逻辑可视为：在取样信任度高的情况下，虽然心率变化量超出预期，但心率变化大的趋势可以相信，故给予较高的修正数值；在取样信任度低的情况下，心率变化量大的趋势不可信，故，给予较低的修正数值。

以图3而言，取样时间范围t

另一方面，在判定平均心率与参考心率相差的差值未超出变化量范围，即差值落在变化量范围内的情况下，如步骤S213所示，处理器110直接以平均心率作为取样时间范围对应的输出心率。

在所述实施例中，参考心率为事先设定好预设值。然，在其他实施例中，也可以将当前与先前所获得的输出心率来作为下一次的参考心率。底下再举另一实施例来说明。

图4是依照本发明另一些实施例的心率修正方法的流程图。请参照图1及图4，在步骤S401中，处理器110在取样时间范围内分别通过心率传感器130以及加速度传感器140收集心跳测量信号与加速度检测信号。在此，处理器110在心跳测量信号中根据形成取样区间的两个峰值的间距来算出瞬时心率iHR，并且在加速度检测信号统计所述取样区间内的加速度值的累加量。

接着，在步骤S403中，处理器110判断瞬时心率的可信度。步骤S403与所述步骤S205相似，处理器110将在取样区间内所检测到的多笔加速度信号值累加后的累加量进行平均，藉此获得加速度平均值。之后，将加速度平均值与可信度阈值进行比对。倘若加速度平均值小于或等于可信度阈值，将可信度判定为可信。倘若加速度平均值大于可信度阈值，将可信度判定为不可信。

之后，在步骤S405中，处理器110判断取样数是否大于n。即，处理器110每处理完一个取样区间的瞬时心率的判断，便将取样数累计1。倘若取样数尚未大于n，则继续取出下一个取样区间来判断其瞬时心率的可信度，即重复步骤S401及步骤S403。倘若取样数已大于n，则在步骤S407中，处理器110计算取样时间范围(n个取样区间)对应的取样信任度。

在步骤S405中，统计一段时间内的多个瞬时心率可以得到较稳定的结果，能减少动作造成单一瞬时心率波动的影响。如图3所示，以n＝12为例，即取样数为12个瞬时心率，也就是初始启动时有11个取样区间(A1～A11)的时间不会产生输出心率，在第12个取样区间A12才会获得输出心率。

在步骤S407中，处理器110基于在取样时间范围内可信度判定为可信的瞬时心率的数量，计算取样时间范围对应的取样信任度。其中取样信任度是基于下述公式而获得：

Tr＝N_true/N_sum。

其中Tr代表取样信任度，N_true代表取样时间范围内可信度判定为可信的瞬时心率的数量，N_sum代表取样时间范围内所包括的全部瞬时心率的总数。

以图3而言，取样时间范围t

接着，在步骤S409中，处理器110计算平均心率。在此，步骤S409与所述步骤S207相同，在取样的瞬时心率中，处理器110取出在取样时间范围t

然后，在步骤S411中，处理器110判断参考心率是否为0或无数值。在此，参考心率是根据多笔输出心率而获得。具体而言，在心率修正系统100中设置有寄存器，此寄存器是用来存储所获得的多笔输出心率。而判断参考心率是否为0或无数值可以藉由判断寄存器内是否存储有任一输出心率来实现。即，在寄存器内尚未存储任一输出心率的情况下，参考心率便为0或无数值。反之，倘若寄存器内已存储有任一输出心率，则参考心率便不会为0或为有数值。

进一步地说，在判定寄存器内尚未存储任一输出心率的情况下，处理器110不对平均心率进行修正而直接以平均心率作为输出心率而存储至寄存器内。另外，在判定寄存器内存储有任一输出心率的情况下，处理器110计算寄存器中所包括的全部输出心率的心率平均值，即，将寄存器中所包括的全部输出心率累加后进行平均，以心率平均值来作为参考心率，而自寄存器中读出该参考心率来进行心率修正。

倘若参考心率不为0，在步骤S413中，判断平均心率与参考心率相差的差值是否超出变化量范围。在判定平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围的情况下，如步骤S415所示，处理器110基于修正数值与参考心率来获得修正后心率。另一方面，在判定平均心率与参考心率相差的差值未超出变化量范围，即差值落在变化量范围内的情况下，如步骤S419所示，处理器110直接以平均心率作为取样时间范围对应的输出心率。

在此，步骤S413、步骤S415与步骤S419的详细说明可分别参照图2的步骤S209、步骤S211与步骤S213。

返回步骤S411，倘若参考心率为0，即表示心率修正系统100尚未输出任一输出心率，则在步骤S417中，处理器110判断取样信任度是否大于信任度阈值。在判定取样信任度未大于信任度阈值时，放弃将平均心率存储至寄存器中，而如步骤S427所示，进行下一取样时间范围的心率修正。在判定取样信认度大于信任度阈值时，在步骤S419、步骤S421中，直接以平均心率作为输出心率并将输出心率存储至寄存器内。

在此，步骤S417是用来判断此取样时间范围(例如图3所示的取样时间范围t

而在新增一笔输出心率至寄存器之后，如步骤S423所示，处理器110重新计算参考心率。处理器110会重新将寄存器中所包括的全部输出心率累加后进行平均，以心率平均值来作为参考心率。

之后，在步骤S425中，处理器110将输出心率输出。例如，将输出心率以视觉化呈现的方式输出至显示器，或者将输出心率以听觉化呈现的方式输出至扬声器。

接着，在步骤S427中，处理器110进行下一取样时间范围的心率修正。

底下表2为重复执行所述步骤S401～步骤S427所获得的取样时间范围t

表2

在上述实施例中，取样时间范围为不重叠，然，其他实施例中，取样时间范围也可重叠，在此并不限制。

图5是依照本发明一些实施例的修正前后的输出心率曲线图。在本实施例中，以另一些实施例的取样时间范围t1～取样时间范围t8来进行说明。图5中绘示出取样时间范围t1～取样时间范围t8的未修正的平均心率的曲线b1以及修正后心率的曲线b2。在本实施例中，以修正数值为±5为例来进行说明。取样时间范围t1、t2、t7、t8直接以平均心率作为输出心率。而取样时间范围t3～t6对应的输出心率则根据参考心率R_HR以及修正数值为±5来获得修正后心率。其中，取样时间范围t3、t4、t6的平均心率大于参考心率，因此，取修正数值为+5；而取样时间范围t5的平均心率小于参考心率，因此，取修正数值为-5。另外，以取样时间范围t3、t4为例，取样时间范围t3对应的取样信任度高于取样时间范围t4对应的取样信任度。

取样信任度越高表示使用者身体晃动程度低，取样信任度越低表示使用者身体晃动程度高。取样信任度越低时，倘若平均心率与参考心率相差的差值超出变化量范围，表示不可信任的机率越高，因此对应使用的修正数值越小。

又，本申请另提供一种计算机可读取介质，其包含计算机程序产品用以执行上述心率修正方法。此计算机程序产品基本上是由多数个程序代码片段所组成的(例如建立组织图程序代码片段、签核表单程序代码片段、设定程序代码片段、以及部署程序代码片段)，并且这些程序代码片段在载入电子装置中并执行之后，即可完成上述心率修正方法的步骤与上述心率修正系统100的功能。

综上所述，本发明是针对采用静态演算法下发生心率准确度下降的问题所提出的心率修正方法及系统，当使用者有较大的忽然或临时动作(加速度检测信号强度高)时，采用先前的心率数值为基础，并且参考当下的加速度检测信号来定义瞬时心率的可信度，再根据可信度决定心率的调整幅度，但此与一般动态演算法直接相减的方法也不同，故即使在静止状态有动作，也能输出稳定的心率值。

【符号说明】

100：心率修正系统

110：处理器

120：存储装置

130：心率传感器

140：加速度传感器

S201～S213：本发明一些实施例的心率修正方法的各步骤

S401～S427：本发明另一些实施例的心率修正方法的各步骤

A1～A12：取样区间

b1：平均心率的曲线

b2：修正后心率的曲线

iHR1～iHR12：瞬时心率

R_HR：参考心率

T0～T12：时间轴

tA、t1～t8：取样时间范围

TH：可信度阈值