陰陽虛實的檢測方法及其裝置的製作方法
2024-01-27 12:34:15 1
專利名稱：陰陽虛實的檢測方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種陰陽虛實的檢測方法及其裝置，特別涉及一種利用心率變異性以檢測陰陽虛實的方法及其裝置。
背景技術：
西方醫學認為自主神經系統控制著全身和生命維持有關的生理功能，這些功能包括血壓、心率、氣管阻力、排汗、體溫、能量代謝等，而這些神經操作可於意識之外進行。自主神經又分為交感和副交感兩大神經系統。大致而言，前者和對抗環境有關，後者和維生繁衍有關。比如前者興奮會使血壓上升、瞳孔放大，後者興奮會使腸胃分泌、性器勃起等。一般而言，交感和副交感神經功能在年輕時並盛，在年老時為兩者並衰，而男性偏交感神經盛而副交感神經衰，女性則以交感神經衰而副交感神經盛為多。顯而易見交感和副交感神經功能和人體每日運作息息相關。如果自主神經失調，可能引起各種急性或慢性疾病，譬如心臟病和高血壓等，嚴重者甚至引發猝死等急症。因此，自主神經功能的保健實為醫學上的重要課題。
近年來不少新的自主神經功能診斷技術相繼開發成功，由於計算機科技和頻譜分析技術的成熟，目前已能經由人體休息時心率的微小變動，即心率變異性(heart rate variability，HRV)，檢測並定量其心臟的自主神經功能。換言之，我們已可在不幹擾一個正常人作息情況下，對其自主神經功能進行分析或診斷。藉由頻譜分析的協助，研究人員發現心率變異性中微小的波動可明確的分為兩種，一般稱為高頻(high-frequency，HF)和低頻(low-frequency，LF)成份，其中高頻成份和動物的呼吸信號同步，所以又稱為呼吸成份，低頻成份則推測可能和血管運動或感壓反射有關，部分學者更進一步將低頻成份細分為極低頻(very low frequency)和低頻成份。
許多生理學家已經發現，心率的高頻成份或心率變異性總功率能代表心臟的迷走神經(副交感神經)功能，而低頻成份和高頻成份的比值能反應心臟的交感神經活性。先前的研究還發現心率變異性可反映許多生理功能，如腦壓上升的病人其心率變異性總功率會下降。美國Framingham的公衛調查發現，若老年人的心率低頻成份降低一個標準差，則面臨死亡的機會是正常人的1.7倍。
目前已開發出一系列能在線上(on-line)實時對多種生理信號進行頻譜分析的軟體與硬體。譬如以心率或血壓的低頻成份作為麻醉深度的指針；在加護病房中可發現當心率變異性降低時，病人存活率下降；腦死病人的心率低頻成份會消失；而換心病人如果發生排斥現象，其心率變異性也會發生改變。
陰陽是傳統中醫重要的理論根據和思考邏輯，用以解釋各種疾病的症狀。比如陰虛會造成咽幹口燥、盜汗等症狀，而陽虛會造成乏力、氣短等，許多疾病都會造成陰陽失調。以陰、陽、盛及虛兩兩組合，可分為陰盛陽盛、陰盛陽虛、陰虛陽盛和陰陽兩虛等四種表徵。不同的表徵施以不同的治療方式，幾千年來皆能得到廣大民眾的認同，並已幫助無數病患者解除病痛。
雖然中西醫理論差距甚遠，但西方醫學關於自主神經系統控制著全身和生命維持有關的生理功能的理論，其中交感和副交感神經系統二者拮抗或並行，和陰陽的運行或有雷同之處。若能將中醫理論中和交感-副交感概念最接近的陰、陽與氣虛、氣實的理論應用於臨床，將有助於自主神經參數的分析，使自主神經系統保健易於推廣。然而陰、陽與氣虛、氣實的診斷方法，至目前為止，仍必須依賴有經驗的中醫師作臨床判斷，很少有儀器可以輔助醫師診斷，也就是缺乏量化數據以供醫師進行客觀的評估。
發明內容
本發明的目的是利用心率變異性提供一陰陽虛實的檢測方法及其裝置，使傳統上難以判讀的心率變異性分析得以一目了然，以協助中、西醫師進行臨床診斷。
本發明的一種陰陽虛實的檢測方法包含下列步驟(1)擷取一個體的心電信號；(2)將該心電信號經傅立葉變換轉換成一心率功率密度頻譜；(3)分別計算該心率功率密度頻譜的低頻功率及高頻功率；(4)利用該低頻功率及高頻功率得到一陰參數及一陽參數；及(5)分別計算該個體的陰指針、陽指針及氣指針，其中該陰指針、陽指針分別為該陰參數、陽參數的標準分數(standard score)，而該氣指針可由該陰指針及陽指針相加而得，或為該低頻功率的標準分數值，以判斷其陰陽虛實。
上述的陰參數為該高頻功率或高、低頻功率總和，而陽參數則為該低頻功率與高頻功率的比值或低頻功率佔高、低頻功率總和的百分比。
對一個體而言，若陽指針減去陰指針等於零，即指陰陽完全平衡。若其為正值，表示該個體屬陽性體質，數值越大表示逾加偏陽。若為負值，表示該個體屬陰性體質，數值越小表示逾加偏陰。另外，若該氣指針為零，表示虛實正常。若其為正值，表示為氣實體質，數值越大表示逾加氣實。若為負值，表示為氣虛體質，數值越小表示逾加氣虛。藉此，即可得到量化的陰陽虛實指針。
上述陰陽虛實的檢測利用一心跳傳感器及一計算機即可實現。該心跳傳感器用以擷取一心電信號。該計算機包含一模擬-數字轉換器及一程序。該模擬-數字轉換器可將該心電信號數位化。該程序可將該心電信號轉換為心率功率密度頻譜，且計算該心率功率密度頻譜的低頻功率及高頻功率，進而計算該心電信號的陰指針、陽指針及氣指針。
上述的心跳傳感器可為電極、一壓力傳感器、一麥克風或一光電二極體等。
圖1是本發明的陰陽虛實的檢測裝置的示意圖；圖2顯示本發明擷取心電信號時所利用的QRS波；圖3顯示本發明的陰陽虛實的檢測方法；圖4、圖6、圖7及圖8顯示利用本發明在不同個體檢測其陰陽虛實所得的二維圖及太極圖形；圖5是本發明的陰陽虛實的檢測方法的流程圖。
符號說明11人體
12電極14計算機141模擬-數字轉換器具體實施方式
參照圖1，本發明利用電極12作為一心跳傳感器以收集一人體11的心電信號(electrocardiogram，ECG)。該心電信號經放大1000倍及0.16-16Hz帶通(band-pass)濾波後輸入一計算機14，並以該計算機14所包含的一模擬-數字轉換器141以每秒256次的頻率進行取樣。經數位化後的該心電信號可利用計算機中的一程序在線上(on-line)立即進行該人體11陰陽虛實的分析，其分析的結果可存儲在該計算機14中，以利於離線(off-line)後的分析或記錄。該電極12還可以壓力傳感器、麥克風或光電二極體等代替，只要其具有檢測心電信號的功能即可。本實施例主要利用一包含模擬-數字轉換器141的計算機14，即可進行信號的儲存與分析。故僅花費低廉的成本，即可得到非常具有價值的輔助數據。
上述的心電信號在取樣前，還須經過篩選，以濾除噪聲，其篩選的過程請參見以下的說明。圖2顯示一心跳的心電信號，一般而言將其最凸出的波段稱為QRS波，其中首先向上偏折的點為Q點，在頂端為R點，而最後在底端處稱為S點。在QRS辨認程序中首先以尖峰檢測程序將心電信號中的QRS波找出，並從每個QRS波中測量其幅度(amplitude)和持續時間(duration)等參數，再將各參數的平均值和標準差算出，用以作為標準模版。接下來每個QRS波都以此模版進行比對。如果某一QRS波的比對結果落在標準模版三個標準差之外，將被認為是噪聲或異位心跳(ectopic beat)而刪除。之後，將合格QRS波的R點作為該心跳的時間點，而本次心跳與下次心跳的時間差作為本次心跳的心跳周期(R-R interval)。接下來進行心跳周期的過濾程序。首先將所有心跳周期的平均值和標準差算出，再進行所有心跳周期的篩選。如果某一心跳周期落在四個標準差之外，它會被認為是錯誤或不穩定信號而刪除。
接著，將所有合格的心電信號以7.11Hz的頻率進行取樣與保值程序以維持其時間連貫性。首先消除信號的直線漂移以防止低頻帶的幹擾，且採用Hamming運算以避免頻譜中個別頻率成份的互相滲漏(leakage)。接下來取288秒的資料(2048點)施行快速傅立葉變換(fastFourier transform)得到心率功率密度頻譜(heart rate powerspectral density，HPSD)，並對取樣與Hamming運算造成的影響進行補償，以減少其誤差。
將該HPSD藉由積分的方式定量其中兩個頻帶的功率，包括介於0.04-0.15Hz的低頻功率(LF)和介於0.15-0.4Hz的高頻功率(HF)。同時求出高低頻總功率(TP)、低頻功率與高頻功率的比值(LF/HF)及低頻佔高低頻總功率的百分比(LF％)等量化參數，其中將與心臟副交感神經活性有關的HF或TP定義為陰參數，而與心臟交感神經活性有關的LF/HF或LF％則定義為陽參數，而LF則視為交感和副交感神經功能的統合指針，即自主神經功能總指針，其與中醫的虛實有關。
在進行陰陽虛實的評估前，首先闡明以下的定義1.標準分數(standard score)SS(χ)＝(χ-meanχ)MSDχ，其中meanχ、SDχ各為χ的平均值和標準差，此與統計學上的定義相同。
2.陰陽指針陰指針＝SS(HF)或SS(TP)；及陽指針＝SS(LF/HF)或SS(LF％)。
對一個體而言，若陽指針減去陰指針等於零，即指陰陽完全平衡。若其為正值，表示該個體屬陽性體質，數值越大表示逾加偏陽。若為負值，表示該個體屬陰性體質，數值越小表示逾加偏陰。
另外，陽指針加上陰指針或SS(LF)則可作為其氣指針。若其為零，表示虛實正常。若其為正值，表示為氣實體質，且數值越大表示逾加氣實。若為負值，表示為氣虛體質，且數值越小表示逾加氣虛。
參照圖3，針對一位四十歲男性進行五分鐘的心電圖測試，並紀錄其心電信號及心跳周期，其結果如圖3右側所示。將該心電信號經QRS波及心跳周期的篩選後，在各時段進行傅立葉轉換，即可得各時段的HPSD。在依頻率將該HPSD分為介於0.003-0.04Hz的超低頻頻帶、介於0.04-0.15Hz的低頻頻帶及介於0.15-0.4Hz的高頻頻帶。接著，將該HPSD依不同頻帶及時間，將其所對應的功率加總(即進行積分)，分別求得高頻功率(HF)、低頻功率(LF)及低高頻功率比(LF/HF)。為求圖式的簡潔與正確性，圖3中各參數的數值為其對數(1n)值。該HF、LF/HF、LF的對數的平均值分別為4.41、1.06及5.47，而低頻功率佔高、低頻功率總和的百分比的對數值為62.5。
在計算上述各參數的標準分數前，事先必須依同樣程序建立一資料庫，用以記錄各年齡層、性別、健康人及各種病症患者的HF、LF/HF、LF％等各參數資料，並求取其平均值及標準分數。各參數的平均值是作為標準分數(SS函數)中的meanχ。各參數的標準差是作為標準分數(SS函數)中的SDχ。各參數的標準分數則針對於不同年齡、性別及各種病症進行統計，且賦予陰陽虛實的分類，以供後續對比用。
本實施例中，將上述的HF、LF％及LF代入SS函數中，即可分別求得陰指針、陽指針及氣指針，其值分別為0.0322、0.3689及0.2588。陽指針減去陰指針之值為0.3366。將該SS(LF)及陽指針減去陰指針的數值分別劃入已建立的資料庫中的的陰陽虛實的位置，而分別建立一如圖4的二維圖，其橫坐標代表陰陽，縱坐標則代表氣(以實虛代表強弱)。若將LF的值或SS(LF)的指數(exponential)值當作一圓的直徑，且將陰指針及陽指針的指數值的比例分別作為該圓中的黑(斜線)白比例，即可製作一如圖4左側的太極圖形，該直徑的大小代表氣，且成正向關係，而黑、白則代表陰、陽。依據圖4的二維圖或太極圖形的判讀結果，此人氣實合宜，且屬偏陽體質，也就是自主神經功能適當，且偏交感體質。
歸納上述的陰陽虛實的檢測步驟，其流程如圖5所示。首先利用一心跳傳感器擷取一心電信號，並經放大與濾波，且將其數位化。接著，以標準的QRS波及心跳周期進行篩選，將超過三個或四個標準差的心電信號剔除，然後進行取樣。經取樣的心電信號進行傅立葉變換以得到HPSD，接著計算高、低頻帶功率，進而計算陰、陽及氣指針，以評估其陰陽虛實。
針對一位四十歲女性、一位七十八歲男性、一位五十九歲的女糖尿病患者及五十三歲的男性腦死病患者同樣進行上述測試，且將各參數測試的結果綜合於下表
40歲 40歲 78歲 59歲 53歲(正常男性) (正常女性)(正常男性) (女糖尿病患者)(男腦死病患者)LF 5.47 5.47 3.23 3.34 0.494HF 4.41 5.04 3.08 1.32 4.03LF％ 62.5 47.3 37.6 55.8 2.27LF/HF 1.06 0.428 0.1492.01 -3.5陽SS(LF％) 0.3689 -0.171-0.148 0.6051-3.31陰SS(HF) 0.0322 0.1483-0.452 -2.48 -0.071陰陽平衡 0.3366 -0.3193 0.3043.0851-3.239SS(LF％)-SS(HF)氣SS(LF) 0.2588 0.1079-0.767 -1.14 -4.99上述四十歲女性的二維圖及太極圖形如圖6所示，其判讀為氣實合宜，且屬偏陰體質；自主神經功能適當，偏副交感體質。該七十八歲正常男性的二維圖及太極圖形如圖7所示，其判讀為氣虛合宜，陰陽協調；自主神經功能適當，中性體質。該五十九歲的女糖尿病患者的二維圖及太極圖形如圖8所示，其判讀為過度氣虛，過度偏陽；自主神經功能差，交感主導。該五十三歲的男性腦死患者，因其LF值接近零，顯示其太極圖形的直徑相當小，在此不予顯示。而由其陰、陽及氣指針值與一般值的比較可判讀其氣盡，且為純陰，西醫判為自主神經衰竭，此結果與中醫上的認定幾乎吻合。
由上可知，藉由上述的二維圖或太極圖形，即可輕易地判斷一個人的陰陽虛實，即對應於西醫所稱的自主神經功能與交感及副交感神經的狀況，從而可作為診斷上客觀的輔助工具。由本發明的病症實例中發現交感、副交感及中醫的陰、陽與氣虛、氣實有不謀而合現象。
本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術的人員仍可能基於本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾。因此，本發明的保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，並為本專利申請的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於包含下列步驟擷取一個體的心電信號；將該心電信號轉換成一心率功率密度頻譜；分別計算該心率功率密度頻譜的低頻功率及高頻功率；利用該低頻功率及高頻功率得到一陰參數及一陽參數；及分別計算該陰參數及陽參數的標準分數，作為該個體的陰指針及陽指針，以判斷該個體的陰陽虛實。
2.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰參數為該高頻功率及高、低頻功率總和中之一。
3.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陽參數為該低頻功率與高頻功率的比值及低頻功率佔高、低頻功率總和的百分比中之一者。
4.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含一將該陽指針減去陰指針的步驟，以判斷該個體的陰陽平衡。
5.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含一計算該低頻功率的標準分數的步驟，用以判斷該個體的氣之虛實。
6.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含一將該陽指針與陰指針相加的步驟，用以判斷該個體的氣之虛實。
7.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述標準分數SS(χ)＝(χ-meanχ)SDχ，其中meanχ及SDχ分別代表χ的平均值及標準差，且χ為該陰參數及陽參數中之一。
8.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含製作一個二維圖的步驟，其中將該陽指針減去陰指針之值置於該二維圖的橫坐標，該低頻功率的標準分數置於該二維圖的縱坐標。
9.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含製作一太極圖形的步驟，其中該太極圖形的直徑與低頻功率的標準分數的指數值成正向比例，且該太極圖形中的陰陽比例是陽指針的指數值與陰指針的指數值的比例。
10.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含製作一太極圖形的步驟，該太極圖形的直徑與低頻功率成正向比例，且該太極圖形中的陰陽比例是陽指針的指數值與陰指針的指數值的比例。
11.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述心率功率密度頻譜是由該心電信號經傅立葉變換而得。
12.如權利要求1所述的陰陽虛實的檢測方法，其特徵在於所述陰陽虛實的檢測方法另包含將該心電信號進行QRS波篩選及心跳周期篩選的步驟。
13.一種陰陽虛實的檢測裝置，其特徵在於包含一心跳傳感器，用以擷取一心電信號；以及一計算機，包含一模擬-數字轉換器，用以將該心電信號數位化；及一程序，用以將該心電信號轉換為心率功率密度頻譜，且計算該心率功率密度頻譜的低頻功率及高頻功率，進而計算該心電信號的陰指針、陽指針及氣指針。
14.如權利要求13所述的陰陽虛實的檢測裝置，其特徵在於所述程序可依據該陰指針及陽指針製作一太極圖形，該太極圖形的直徑與低頻功率成正向比例，且該太極圖形中的陰陽比例是陽指針的指數值與陰指針的指數值的比例。
15.如權利要求13所述的陰陽虛實的檢測裝置，其特徵在於所述程序可製作一個二維圖，該陽指針減去陰指針的值置於該二維度圖的橫坐標，該低頻功率的標準分數置於該二維圖的縱坐標。
全文摘要
本發明揭示一利用心率變異性所開發的陰陽虛實的檢測方法及其裝置，使傳統上難以判讀的心率變異性分析得以一目了然，以協助中、西醫師的臨床診斷。該檢測方法包含下列步驟(1)擷取一個體的心電信號；(2)將該心電信號經傅立葉變換轉換成一心率功率密度頻譜；(3)分別計算該心率功率密度頻譜的低頻功率及高頻功率；(4)利用該低頻功率及高頻功率得到一陰參數、一陽參數及一氣參數；及(5)分別計算該陰參數、陽參數及氣參數的標準分數，作為該個體的陰指針、陽指針及氣指針，以判斷其陰陽虛實。
文檔編號A61B5/00GK1535650SQ0310915
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月3日 優先權日2003年4月3日
發明者郭博昭, 楊靜修 申請人:麗臺科技股份有限公司, 郭博昭, 楊靜修