生理信号图谱分析系统、方法、图谱建立方法

摘要

一种生理信号图谱分析系统、方法、图谱建立方法，根据实施例，系统通过生理信号提取模块提取生物体的体表电信号，经生理信号分析模块筛选与执行分析得出其中信号中的特征值，之后由空间定位模块对应生理信号与立体图像，建构全身性功能图谱。之后根据图谱，于诊断病因时，利用分析生物体的体表电信号，能回推至原激发器官。本发明可以建构成全身性功能与结构的生理信号图谱分析判断信息系统，可跨越时间、空间的隔阂，推广至各医疗阶层，可应用于评估个体的健康状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生理信号图谱分析系统、方法、图谱建立方法与其媒体， 特别是指利用分析人体生理信号建构全身性功能图谱的生理信号图谱分析 系统与分析方法。

背景技术

众多病症在临床医学与医疗检测过程都能通过即时感测元件(或感测 器)提取与判读生理信号，此种传统检测过程与判断结果已广泛被使用，但 是，在临床医学的认知上，只能局限于当时立即感测到生理信息来初步评估。

公知技术可参考美国专利第6936012号(公告日：2005年8月30日)， 此案揭示从生理信号中判断出其中成分的技术，通过此技术能萃取与分离出 所测量的体表生理电信号与夹杂在信号内的噪声，可以得出有意义的生理信 号。

随着科技的进步，已经能够提取与储存中长期时间内生理信号来推估不 同时间下与生理状况的对应关系。然而，这些发展对于临床用途而言，仍无 法全盘得知引发非正常生理状态反应的原激发器官(Original excited organ or  source organ)部位在何处，也就是说，无法清楚得知病症的解剖位置与其功 能机制。

上述问题在临床放射领域上已有公知技术的发展与突破，例如，正子电 脑断层扫描(PET/CT)检查；在生理电信号方面则有脑电波图 (Electroencephalography，简称EEG)结合脑部图谱检查脑部活动区域。可 参考中国台湾专利第I274269号所揭示的脑波信号分类方法及脑波信号驱动 的人机控制系统及方法(公告日：2007/02/21)，该案利用一种人机控制系 统先解析量得的脑波信号成分，再将脑波信号分解为彼此不相关成分，以推 算各成分来源的空间坐标分布及时变信息。经比对各成分来源的空间坐标分 布及其与各成分时变信息的对应性，并与样板数据库比对，能界定出一受测 者脑波信号中有意义的事件。

上述正子电脑断层扫描在临床医学价值，汇整功能性正子造影(Positron  Emission Tomography，简称PET)检查与提供解剖信息电脑断层检查 (Computed Tomography，简称CT)，借此可检查出器官的功能性外，也可 准确地定位器官位置，以提供医疗人员更多诊断信息。

然而，在医学价值到临床应用的考虑下，PET/CT的应用受限于大型医 疗仪器整合上的空间与布局限制，脑电波图只局限在脑部空间定位，无法广 泛应用于人的全身，对于即时性的医学诊断尚未应用此功能性与结构性的概 念。也就是说，目前实际应用上，仍无法实现此概念于第一线需快速与有效 率的健康状态筛检的医疗环境。

发明内容

为求能于第一线快速与有效率的健康状态筛检，本发明提出一个关于全 身性功能与结构的生理信号图谱分析系统、方法、图谱建立方法与其媒体， 为一套整合功能性与结构性(解剖位置)的全身性功能与结构的图谱分析信 息系统，可应用在任何医疗环境，除了可提升诊断准确率外，也可使病患在 最短时间内进行正确的医疗处置，将有助于提升医疗品质、促进医学领域的 发展。

其中，生理信号图谱分析系统与相关分析方法的揭示为针对临床医学仪 器开发过程与放射检验应用上的实际问题提出解决方案，通过汇整功能性与 结构性的全身性图谱分析来判断其中体表电信号与身体各部空间的关系。

根据实施例，生理信号图谱分析系统主要包括一生理信号提取模块、一 生理信号分析模块与一空间定位模块。其中特别的是，利用生理信号提取模 块提取由生物体所传递的电信号，经前置处理后得出其中生理信号；再利用 生理信号分析模块筛选出有用的生理信号，经分析得出生理信号的特征值， 特别是独立向量分析法(ICA)与正规化部分最小平方法(PRLS)，并分析 确认为对应至特定部位的信号来源；并以空间定位模块对应生理信号与一立 体图像对应，以形成一信号图谱。

就电路而言，生理信号图谱分析系统主要包括联络系统内各电路模块的 系统控制单元、用于提取由生物体感应到的电位信号的生理信号提取模块、 执行分析得到电位信号的特征值的信号分析模块，与利用特征值映射至立体 空间的空间定位模块等。其他包括有输出信号的信号输出模块、暂存信号的 储存模块与传递信号的通信模块。之后，回馈控制模块经接收电位信号后， 将产生一回馈控制信号至系统控制单元，控制生理信号图谱分析系统的运 行。

应用上述生理信号图谱分析系统的各模块的运行，其产生的分析方法则 包括先提取生物体的生理信号，经分析后得到生理信号的特征值，此时将引 入一信号图谱，对应特征值与生理信号，经执行空间定位后，得到映射于立 体空间的图式。

而生理信号图谱建立方法则包括先接收生理电位信号，经利用独立向量 分析得出一生物体中各器官的生理电位的解构程序后，再利用正规化部分最 小平方法进行分析，以得出生理电位信号对应的生物体的各器官位置，最后 通过判断各器官位置的信号建立起一信号图谱。

上述系统所执行的分析方法，包括生理信号图谱分析方法、生理信号图 谱建立方法，其中指令与相关软件模块储存于一信息媒体上，如硬盘、闪存、 光盘等非易失性存储媒体中。

本发明所提出的方案主要是结合即时性全身生理信号测量，利用ICA与 PRLS分析法进行成分分析，并回推产生信息的原激发器官，建构成全身性 功能与结构的生理信号图谱分析判断信息系统，可跨越时间、空间的隔阂， 推广至各医疗阶层，可应用于评估个体的健康状态。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明 的详细说明与附图，但是此等说明与附图仅用来说明本发明，而非对本发明 的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1为应用生理信号图谱分析系统的生理信号提取与分析示意图；

图2所示为本发明生理信号图谱分析系统的实施例示意图之一；

图3描述本发明生理信号图谱分析系统中建立信号图谱的方法流程；

图4描述本发明生理信号图谱分析系统中建立信号图谱的方法流程之 二；

图5描述本发明利用信号图谱分析得出信号位置的方法流程；

图6显示利用信号图谱分析得出信号位置的示意图；

图7所示为本发明生理信号图谱分析系统的电路实施例示意图。

上述附图中的附图标记说明如下：

人体示意图 1，2          脑电波 101

眼电波 103               心电波 105

胃电波 107               生理信号提取与分析装置 10

脑电波图 101’           眼电波图 103’

心电波图 105’           胃电波图 107’

脑部 201                 心脏 203

生理信号提取模块 21

脑电波信号提取模块 211

心电波信号提取模块 213

生理信号分析模块 23

脑电波信号分析模块 231

心电波信号分析模块 233

空间定位模块 25

脑电波空间定位模块 251

心电波空间定位模块 255

独立向量分析 31         特征生理电位信息 33

正规化部分最小平方法 35

图谱 51                 立体空间模型 53

脑电位信号 601          心电位信号 602

脑电位信号成分 603      心电位信号成分 604

脑部图谱 605            心脏图谱 606

脑部 607                心脏 608

电位信号 71             显示器 72

储存装置 73             系统控制单元 70

生理信号提取模块 701    信号输出模块 703

储存模块 704            信号分析模块 705

空间定位模块 706   通信模块 707

回馈控制模块 708

步骤S301～S311 图谱建立流程之一

步骤S401～S421 图谱建立流程之二

步骤S501～S509 利用信号图谱分析信号位置的流程

具体实施方式

本发明提出一个关于全身性功能与结构的生理信号图谱分析系统、方 法、图谱建立方法与其媒体，相对于一般健康检查与医疗诊断，此系统与相 关方法则能于第一线执行快速与有效率的健康状态筛检，为一套整合功能性 与结构性(解剖位置)的全身性功能与结构的图谱分析系统与方法，可应用 在任何医疗环境，提升诊医疗人员的判断准确率，使病患在最短时间内进行 正确的医疗处置。

在本发明所提供的生理信号图谱分析系统中，主要是应用生物(特别是 人体)神经信号传递产生的各种生理信号，此类信号主要分成化学信号与电 信号，器官在信息传递时若以电信号模式传递，而不同器官有其独特的特征 生理电位。当有病征产生，此特征生理电位将产生变化。据此，本发明提出 的生理信号图谱分析系统、方法、图谱建立方法特别利用独立向量分析(ICA) 解构生物体(特别是人体)表面生理电位，并接着解构各器官生理电位，再 利用正规化部分最小平方法(PRLS)提取出器官病变部位。之后，由辅助临 床医师从表面电位可知道生物器官功能性与结构性的改变，通过此方法建立 一信号图谱，提供医疗人员一个简便、节能省碳、无辐射的临床诊断方法。

特别的是，对于长期需要医疗照护与监测的病患而言，可通过此发明所 提出的生理信号图谱分析系统与分析方法从细微的生理变化中自我进行健 康状态的评估，可以及早发现、即时就医，更能进行更准确的早期诊断与治 疗，达到预防医疗的目的。

此发明所描述的实施例的技术可强化医疗环境中的诊断效益，其中仅通 过简单的生理信号测量即可得知器官病变或是病源的位置，提供医疗人员执 行医疗行为时重要的依据，也能减少误判，减少纠纷。

需要一提的是，本发明所提出的分析系统与方法特别引用了独立向量分 析与正规化部分最小平方法等分析方法来提取信号特征，其中主要功能是能 够降低数据维度，保留低维度的主要特征组成，省略高维度的细节部分，使 特征提取更有效、更为可行。

引用独立向量分析法(ICA)结合心电信号(ECG)进行成分分析的技 术可参考美国专利公开第2009/0209874号(公开于2009年8月20日)的揭 示或公开第2008/0183093号(公开于2008年7月31日)的专利公开案。

而一般常用的部分最小平方法(Partial Least Squares，PLS)应用于统计 学、化学剂量学与图形识别等相关领域。部分最小平方法在建立模型之时， 会建立自变数与因变数之间的关联性，因此所建出来的模型适合用于第二阶 段的预测，而本发明所采用的正规化部分最小平方法(PRLS)则解决了原部 分最小平方法存在的过适(over-fitting)的问题，因此，采用PRLS确实可 建出较能够解释数据特征的模型，另外所需的参数数目也较少，可降低运算 量、减低运算所需的时间。

本发明所描述的生理信号图谱分析系统的基本概念可参阅图1所示应用 本发明提出的生理信号图谱分析系统的生理信号提取与分析示意图。

本发明所描述的系统与方法并不限于应用于人体，而可应用于其他生物 上。图中显示一个人体1，通过仪器读出特定器官的生理信号，比如通过电 脑断层扫描、脑波感测器等仪器读出脑电波101，脑电波101通过本发明中 生理信号图谱分析系统提供的生理信号提取与分析装置10执行提取与分析， 用以产生脑电波图101’；同理，通过生理信号提取与分析装置10读出眼电 波103，并经分析产生眼电波图103’；通过生理信号提取与分析装置10提 取出心电波105，经分析产生心电波图105’；胃电波107经生理信号提取 与分析装置10读出后，经分析可产生一胃电波图107’。

根据图1的概念，生理信号图谱分析系统能依据身体各部位的生理特性 整合所对应的生理信号测量，解构其中时域与频域的特征，建立以结构性为 基础的功能性图谱。

图2则进一步显示通过人体的体表电信号所表达的特征可以对应到身体 特定部位。其中显示一人体2，为了要通过由身体产生的电信号经分析得到 有用于诊断的信息，本发明生理信号图谱分析系统特别针对全身性功能与结 构建立相关的功能性信号图谱，通过此图谱对应之后所提取的生理信号，可 以得出诊断所需的信息与病征之所在。其中生理信号图谱分析判断信息系统 主要分成生理信号提取模块21、生理信号分析模块23与空间定位模块25等 三部分。

依据临床需求，生理信号图谱分析系统可针对生物体的特定部位提取信 号，如通过生理信号提取模块21提取不同部位的生理信号。接着，生理信 号分析模块23能依据器官特质与其特征生理电位分析出不同部位的信号源。 之后，由系统中的空间定位模块25以功能性图谱的方式呈现，将生理信号、 分析结果进行对位的动作，可使信号信息对应到引发信息的器官。特别的是， 上述身体各部位产生的信号有其特征值，比对事前所建立的图谱，经图像还 原，可产生器官的立体视图，经显示后，医疗人员可通过准确定位的信息引 发点得出正确的诊断。

由于人体器官在信息传递时以电信号模式传递，会因为不同器官，有其 特征生理电位，生理信号图谱分析系统即应用此原理，利用其中的生理信号 提取模块21提取经各种仪器设备所搜集的全身生理电信号，经一前置处理 (pre-processing)后得出其中生理信号。于实际运行时，生理信号提取模块 21多通道提取生理信号，并且使用前置处理的方式促使信号完整性，主要是 用于削减噪声。

接着通过系统内生理信号分析模块23筛选出有用的信号，并作局部信 号分析。由于接收的各种生理信号相当杂乱，需要经过筛选来确认不同体表 电位的来源，特别是确认为对应至一特定部位的信号来源，包括特定器官或 部位，以利进行成分分析。

之后在空间定位模块25中，结合放射线图像技术，将生理信号源与立 体图像对应，形成一解剖与功能性兼具的生理信号图谱。经空间定位后，系 统较佳是以功能性图谱的方式呈现，将生理信号、分析结果进行对位的动作， 可使信号信息对应到引发信息的器官上

以下则以脑波信号(EEG)与心电信号(ECG)为例说明本发明所提供 生理信号图谱分析系统的运行方式。系统中，生理信号提取模块21由脑部 201接收到脑电位信号，接着由生理信号提取模块21提取，特别如图中显示 的脑电波信号提取模块211。之后产生的信号由生理信号分析模块23进行分 析，特别是针对脑电波执行分析的脑电波信号分析模块231，由上述经生理 特性对应出的身体部位进行空间定位，如图中显示的空间定位模块25，特别 是脑电波空间定位模块251。

另一例则以心脏203为例，同样可以利用扫描心脏203的仪器设备，检 测通过心脏收缩和扩张运动所产生的弱电流，产生一种体表的电信号，经生 理信号提取模块21提取，特别是由心电波信号提取模块213进行提取。接 着，由生理信号分析模块23进行信号分析，特别是如图中显示的心电波信 号分析模块233。之后再由心电波空间定位模块255针对心脏信号特征与经 分析的心电信号进行空间定位。

在上述生理信号图谱分析系统针对诊疗执行信号提取与分析步骤之前， 应先建立一信号图谱，如图3所描述建立信号图谱的方法流程。

开始如步骤S301，先接收自各种检测器、感应仪器所产生的生理(体表) 电位信号，之后进行解构程序(步骤S303)。此例中，解构程序利用了独立 向量分析(Independent Component Analysis，ICA，31)，同时引用特征生理电 位信息(33)，借以解构生物体体表的生理电位，并接着解构其中各器官发 出信息的位置，得出各器官生理电位(步骤S305)。

之后，如步骤S307，利用正规化部分最小平方法(Partial Regularized Least  Squares，PRLS，35)进行分析，得出各生理电位信号对应生物体内的各部位 (步骤S309)。实务上，此步骤有助系统直接通过映射的方式判断产生病变 的位置。最后，根据此次信号所分析判断后，如步骤S311，通过各经判断位 置的信号建立起一个信号图谱。因此，相关医疗人员可通过比对生理信号与 此信号图谱判断出生物器官功能性与结构性的改变，辅助临床诊断。

上述解构法特别整合了独立向量分析(ICA)与正规化部分最小平方法 (PRLS)的优点。独立向量分析为一种广泛应用于分析未知信号分离(Blind  source separation)的方法，其假设基础在于稳定条件。然而，在生理信号的 测量过程中发现，原激发器官的生理特征，也就是激发(active)与未激发 (inactive)的时间变异，会影响生理信号的呈现。也就是说，独立向量分析 分析生理信号有其限制。因此，本发明提出的方法则又利用正规化部分最小 平方法同时分析两个或两个以上的信号变数，能即时估测非稳定信号的激发 状态，使生理信号系统提供更有效的信号分离效果。

上述生理信号图谱分析系统中建立信号图谱的方法流程主要包括通过 装置提取出足够的生理信号(如通过一生理信号提取模块)、信号特征与信 号对应的分析(分析模块)与建构立体空间的空间定位(空间定位模块)等 流程，描述可参考图4所揭示建立信号图谱的步骤。

信号来源可包括各种生理信号的感应器、扫描器，原始生理信号经系统 测量(步骤S401)，原始信号需到进行信号分析以及萃取成分来源，也就是 通过筛选与前置处理才会得到有用的信息，如步骤S403，信号经过系统内软 件或相关固件的处理，将经过筛选，选取有意义的测量通道。并接着执行前 置处理程序(步骤S405)，包括噪声消除、信号分布校正等。

信号经提取后，系统接着通过软件或固件手段进行分析，特别如上述利 用向量分析、正规化部分最小平方法等统计方法进行解构与分析，包括图示 中所描述执行时间与空间分布转换(步骤S407)。其中，将推算生理信号中 各成分来源的空间分布与时变信息后，将借此解构其中时域与频域的特征， 进行时频谱分析运算，由生物体内各位置所收到体内各部位所接收的信号， 执行此频谱分析运算，转换时间信号为频率信号。

再如步骤S409，信号经带通滤波(band pass filtering)，过滤掉特定频 率范围的信号，得到系统所需频率内的信号。信号经筛选、转换与滤波几个 主要步骤后，系统将获得选取成分(步骤S411)，再通过整流步骤(步骤 S413)将输入信号转换成同一个极性，经平滑化步骤(步骤S415)消除杂乱 的信号，最后获得依时间分布的波形信号(步骤S417)。

之后，系统将经过整流、平滑化等步骤获得的波形信号转换映射至一特 定空间，包括步骤S419，根据信号感应或扫描的来源分析，特别是经过一模 型化(Modeling)步骤，由足够的生理信号经由正规化部分最小平方法(PRLS) 与正规独立成分分析法(Regularized Independent Component Analysis，RICA) 等演算方法建构出立体空间模型，并对应解构其中时域与频域的信号特征 值，经此可将信号映射至一个空间(步骤S419)，之后此生理信号图谱分析 系统能依据身体部位的生理特性整合所对应的生理信号的特征值，建立以结 构性为基础的功能性图谱(步骤S421)。操作者可反复操作上述步骤，以建 置图谱的样板数据库，其中可包含全身性解剖性图像所建构出多度(N)空 间平面或立体图谱，呈现各器官位置与解剖构造，以利空间定位。

当生理信号图谱分析系统测量原始生理信号，并选取所需的测量通道与 去除噪声，可以得出适当可处理的信号，再经时间与空间分布转换、滤波、 整流、平滑化等步骤得到时间波形，最后经映射后得到对应空间位置的功能 性图谱，此可通过立体显示的图谱将可显示于相关人员。

之后的医疗行为则能因此得到即时且有意义的生理图像。此类显示的装 置可以无线或有线的手段接收信号，包括具有显示屏幕的电子装置，如显示 器、投影显示器、电脑系统、数字多媒体装置、移动通信装置、各式家电等。

图5则描述利用上述先行建立的信号图谱的运用流程，在实际实施时， 生理信号图谱分析系统经接收到有病变的生理信号时，能通过此图谱映射分 析得出信号位置。

流程包括如步骤S501，生理信号图谱分析系统通过各式感应器、扫描器 提取特定生物体或人体(如病患)的生理信号，此步骤需要获得足够的信号 才能进行有效的分析。

经信号分析、去除噪声、滤波的步骤后，由信号中得到生物体或人体对 应特征值(步骤S503)，其中将引入已经建立的信号图谱(51)，通过此对 应信号特征值与生理信号(步骤S505)，其中特别的是，为比对生理信号中 各成分来源的空间分布以及对于时变信息的对应性。此例中，特征值得到的 步骤是将生理信号分解为数个彼此不相关的独立成分，并以一分析方法(如 主要成分分析法(Principal Component Analysis，PCA))分解该生理信号。 分析过程中，于分解出生理信号中不相关的独立成分后，系统将接着排除超 出一来源空间分布与时变信息不对应性的成分，以利后续分析步骤的效率与 正确性。之后，方法将排除不对应的成分后，即得出一选取成分，并计算相 关的成分波形。相关的成分波形将与一预先建置的样板数据库进行比对，以 界定一预定有意义事件发生与否，其中该数据库至少储存一对应有意义的生 理信号波形，更包括将选取上述成分的来源空间分布型态与功能性分布图谱 (如图4所建立的图谱)比对，确认是否吻合。

实施例将引入相关生物体各部位(如人体器官)的立体空间模型(53)。 经信号特征萃取与定位后，执行一空间定位程序(步骤507)，依照分析出 的特征值与生理信号特性作连结，对应(mapping)到生物体的器官位置， 并输出定位的结果(步骤S509)。

举例来说，如图6显示的实施例，应用本发明所揭示的生理信号图谱分 析系统与方法，利用信号图谱分析得出信号位置，如图中经信号提取的脑电 位信号601与心电位信号602，再经分析后，得出信号内的成分，也就是得 出相对于各种器官的成分，分别形成如脑电位信号成分603与心电位信号成 分604。经成分分析后，此时将引入相对的脑部图谱605与心脏图谱606， 经映射至立体空间后，可以定位出信号产生的位置，如图中显示的脑部607 特定部位，或是心脏608的特定部位。因此，通过此系统，可以帮助医疗人 员方便且快速地找出病因。

为实现通过生理信号得出病变位置的技术，图7则描述执行上述步骤的 生理信号图谱分析系统的电路实施例示意图，特别是此系统内各元件可以软 件或固件实现于特定装置内，可参考图1与图2显示此系统的概念图，由身 体各部位提取经神经系统产生的电信号，将经过生理信号提取与分析装置， 产生各种波形图，并进而对应到一个立体空间上。

图中显示的系统主要包括有一个处理系统内各部模块间信号的系统控 制单元70，生理信号图谱分析系统主要是包括有信号提取、分析与定位等的 功能模块，如图中电性连接于系统控制单元70的生理信号提取模块701、信 号输出模块703、储存模块704、信号分析模块705、空间定位模块706、通 信模块707与回馈控制模块708等。

特别是先由生理信号提取模块701提取经感应生物体产生的电位信号 71，电位信号71特别为通过连接于生物体上的扫描仪器、感应器产生的体 表电信号，再经转换后产生系统可处理的电信号。

信号分析模块705接收电位信号后，通过本发明上述ICA、PRLS等分 析方法筛选，应用上述独立向量分析法与正规化部分最小平方法的解构法分 析时间参数下生理信号的变动程度，交叉比对不同信号源的关联性，得出电 位信号的特征值。相关信号特征值接着由空间定位模块706处理，特别是引 入已经建立的信号图谱，根据特征值映射至一立体空间。最后由信号输出模 块703输出经映射的信号，可顺利于特定装置上显示立体图示，输出信号特 别可显示于显示器72，或是储存于储存装置73中。

系统其他还包括利用储存模块704暂存经过系统的各种信号，以供其他 模块使用，并通过包括有无线或有线手段的通信模块707，将信号传递至外 部装置。

系统再包括回馈控制模块708，于输出电位信号与分析结果后，此回馈 控制模块将同时产生回馈控制信号给系统控制单元70，由此系统控制单元 70决定系统的接收、信号传递动作。

根据上述本发明的内容，显见本发明的生理信号图谱分析系统、方法、 图谱建立方法特别利用至少两种多变数分析技巧的结合，而不需大型仪器的 检查，即可进行功能性与结构性的定位，克服现行检测设备布局上的空间限 制。更能因此减少病患医疗检测的步骤与缩短确认病因的时间值。

上述系统所执行的分析方法，包括生理信号图谱分析方法、生理信号图 谱建立方法，其中指令与相关软件模块储存于一记录媒体上，如硬盘、闪存、 光盘等非易失性记录媒体中。

综上所述，本发明提出一个关于全身性功能与结构的生理信号图谱分析 系统、方法、图谱建立方法与其媒体，通过提取全身各器官的生理信号，执 行分析与空间定位，得出一个体表电信号功能性图谱，借此比对病患身体产 生的生理信号，能够执行快速且有效率的健康状态筛检，使病患在最短时间 内进行正确的医疗处置，将有助于提升医疗品质、促进医学领域的发展。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。