CN105581775A - 投射电容式人体动作检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种投射电容式人体动作检测系统，包含有一感测垫与一监控模块，该感测垫包含有至少一感应阵列单元与至少一控制单元，该感应阵列单元包含有阵列排列的多个感应电极，该控制单元电性连接该些感应电极以周期性地对从该些感应电极所检测到的电容感应量分别进行类比-数位转换以产生多个电容感应值，并对该多个电容感应值分别进行二值化运算以得到各电容感应值的二值化运算结果；该监控模块接收并显示该多个电容感应值与二值化运算结果，作为判断人体动作的参考。

Description

投射电容式人体动作检测系统
技术领域
本发明涉及一种人体动作检测系统，特别是一种投射电容式人体动作检测系统。
背景技术
多重睡眠分析仪(Polysomnogram,PSG)是一种用来记录使用者睡眠状况的仪器，可检测使用者在睡眠中的脑部活动、眼球活动、肌肉活动、呼吸状况、心跳频率等信息，以供医疗人员诊断使用者的睡眠品值，而呼吸状况是其中一项重要的评估指标。
透过多重睡眠分析仪(PSG)检测使用者的呼吸状况时，是令使用者平躺于一床上，并利用一具有伸缩弹性的绑带系住使用者的胸腔处，且该绑带上设有一检测器。当使用者吸气时，其胸腔因吸入空气而膨胀增加体围进而可拉长绑带，当使用者吐气时，其胸腔因吐出空气而缩收减少体围进而可缩短绑带，故该检测器的检测结果可表现胸腔的膨胀与缩收，此外，绑带固定于使用者身上，避免使用者因翻身或移动而影响呼吸检测结果。另外，使用者脸部的鼻子处还设有一鼻导管，以透过该鼻导管检测吸气时与吐气时的气压大小。
是以，藉由量测绑带变化和该鼻导管的气压检测结果，可供医疗人员检视使用者睡眠时的呼吸，然而，对于使用者而言，因为该鼻导管与绑带设置于使用者身上，使用者无法任意移动身体，自然造成使用者的不舒适感与压迫感，造成使用者的困扰，干扰量测结果；又对于多重睡眠分析仪(PSG)而言，基于卫生问题，鼻导管是消耗品，从而增加检测成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种投射电容式人体动作检测系统，透过电容感应方式检测使用者的动作状态，不需在使用者身上穿载任何感测装置即可进行感测。
为了实现上述目的，本发明提供了一种投射电容式人体动作检测系统，包含有：
一感测垫，供一人体躺卧，该感测垫包含有至少一感应阵列单元与至少一控制单元，该感应阵列单元包含有阵列排列的多个感应电极，该控制单元电性连接该些感应电极以周期性地对从该些感应电极所检测到的电容感应量分别进行类比-数位转换以产生多个电容感应值，并对该多个电容感应值分别进行二值化运算以得到各电容感应值的二值化运算结果；
一监控模块，电性连接该至少一控制单元以接收并显示该多个电容感应值与二值化运算结果，作为判断人体动作的参考。
为求使用者的舒适性与高视觉接收度，可于该感测垫上铺设一般床单或保洁垫等寝具，供使用者躺卧于该感测垫上进行感应。
本发明的技术效果在于：
本发明是利用该些感应电极与使用者身体之间电场互动产生电容感应变化，故经过类比-数位转换后的电容感应量与二值化运算结果可作为判断人体动作的参考。相较于现有技术，本发明不需在使用者身上穿载任何感测装置，亦无以局部狭隘区域限制或拘禁使用者的活动，方得令使用者感测有效，故能大幅提升使用者受测时的舒适度，有效降低感测过程对使用者的干扰与不便，提高测试结果的可参考性；又本发明的该多个感应电极不会直接接触使用者，没有安全、卫生的顾虑。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的方块示意图；
图2为本发明的感测垫使用状态参考图；
图3A为本发明中于各感应电极外围形成环形电极的示意图；
图3B为本发明中将任一感应电极的周围感应电极接地的示意图；
图4为对应于图2中使用者胸腔处的截面参考图；
图5为对应于图1中于图2内实施例时，第四行感应电极的相对电容值ΔC波形示意图；
图6为本发明的相对电容值ΔC波形与现有多重睡眠分析仪所量测呼吸的胸腔体围起伏波形与鼻导管气压波形的比较示意图；
图7为本发明感应电极的相对电容值ΔC波形示意图；
图8为噪点示意图；
图9为本发明感应电极的相对电容值ΔC与噪点合成的波形示意图
其中，附图标记
10感测垫
100垫体
11感应阵列单元
101第一感应阵列单元
102第二感应阵列单元
103第三感应阵列单元
104第四感应阵列单元
105第五感应阵列单元
106第六感应阵列单元
107第七感应阵列单元
108第八感应阵列单元
109第九感应阵列单元
110第十感应阵列单元
12控制单元
13感应电极
131环形电极
132感应电极
14感应电极
15感应电极
20监控模块
21数据储存及运算处理单元
22人机界面
23总线
30床垫
31寝具
32使用者
41第一波形
42第二波形
43第三波形
44噪点
45第一合成波形
46第二合成波形
47第三合成波形
50云端服务器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述为
请参考图1与图2所示，本发明投射电容式人体动作检测系统包含有一感测垫10与一监控模块20。该感测垫10可供铺设于一床垫30上，而该感测垫10上可再设置一般床单或保洁垫等寝具31以供使用者32躺卧。
该感测垫10包含有至少一感应阵列单元11与至少一控制单元12，该控制单元12可为单晶片，该感应阵列单元11与控制单元12可设于一软性的垫体100表面，该感应阵列单元11包含有阵列排列的多个感应电极13，所述感应电极13可为具导电性的片体，该些感应电极13位于该寝具31与垫体100之间，当使用者32躺卧于寝具31时，该寝具31隔开使用者32的身体与该些感应电极13，避免使用者身体与该些感应电极13直接接触。
该控制单元12电性连接该些感应电极13，并施加一电流(即物理量)予该多个感应电极13，同时该控制单元12透过一取样频率(或取样周期)对从该些感应电极13所检测到的电容感应量分别进行类比-数位转换，以读取该些感应电极13的物理特性值，则该些电容感应量的类比-数位转换结果分别形成电容感应值C。当使用者32尚未躺卧于寝具31时，该控制单元12所产生的电容感应值C大致为固定值；当使用者32躺卧于寝具31时，因为使用者32的身体亦为导体并与大地相互间存在约200pF的电容物理特性，故位于使用者32身体下方的感应电极13而言，该些感应电极13上的电荷分布产生变化，故使该控制单元12所产生的电容感应值C亦对应随之变化。又根据电容公式：C＝ε×A/d，可推知电容的变化量系依据介电质变化Δε与距离变化Δd，因为在被使用者身体压到的区域中有压力变化，衍生介质被压缩产生介电质变化Δε，同时也产生距离变化Δd。是以，从电容感应值C产生变化的感应电极13可推知使用者32身体的位置。
前述中，该控制单元12还加以储存电容感应值C，其中每笔感应电极13上电容感应值C的解析度可为16bits，为了简化运算，可对每笔感应电极13的电容感应值C减去一基准值以产生一相对电容值ΔC，例如假设该基准值为15020，当原始的电容感应值C包含有15023、15025、15028、15026、15022与15023，则分别对应的相对电容值ΔC为3、5、8、6、2与3，藉此简化数据，可提升运算速度。所述取样频率大于一般人体的呼吸频率(0.05～0.5Hz)，例如取样频率可为3Hz(或取样周期为0.33秒)。该控制单元12取得该多个感应电极13的电容感应值C后，还对该些电容感应值C分别进行二值化(binarize)运算，换句话说，每个感应电极13上电容感应值C分别对应有二值化运算结果，所述电容感应值C的二值化运算结果为一第一逻辑与一第二逻辑，且该第一逻辑与第二逻辑为互补，例如当第一逻辑为1，则第二逻辑为0，是以，各电容感应值C的二值化运算结果的数据量仅为1bits。
举例来说，当使用者躺卧于感测垫10时，有部分的感应电极13被使用者压到而其余感应电极13没有被使用者压到，其中对应于使用者下方的感应电极13的电容感应值C较强，其余感应电极13的电容感应值C相对较弱，该控制单元12将大于一门槛值的电容感应值C判断为逻辑1，将低于该门槛值的电容感应值C判断为逻辑0，因此对应于逻辑1的感应电极13可代表被使用者压到的感应电极13。
该监控模块20主要负责运算与判断，透过人机界面将数据与运算、判断结果作输入、输出等动作与系统外部联系，完成检测运作。请参考图1，该监控模块20包含有一数据储存及运算处理单元21与一人机界面22，该数据储存及运算处理单元21可透过至少一组总线(BUS)23而电性连接该至少一控制单元12，以接收并储存该至少一控制单元12在每个取样周期所产生各感应电极13的电容感应值C、相对电容值ΔC与二值化运算结果；该人机界面22可为一显示器，连接该数据储存及运算处理单元21，用以显示感应与运算结果，所述电容感应值C或对应的相对电容值ΔC可以供评估使用者行的细微行为(如呼吸动作)，而二值化运算结果可供评估使用者躺卧身体移动、异动与姿态。其中藉由总线23的设置数量提升，可提升数据传递量、取样速率、通讯效率。
为了提高电容感测的准确度与排除外部噪点干扰，请参考图3A所示的示意图，各感应电极13的外围设有一环形电极131，该环形电极131连接一电荷释放路径(例如图3A所示的接地，但不以此为限)，如此可将噪点透过该环形电极131引导至接地，以降低噪点对感应电极13的干扰；或请参考图3B所示的示意图，该数据储存及运算处理单元21可将至少一即将进行类比-数位转换的感应电极13周围的多个感应电极132连接一电荷释放路径(例如图3B所示的接地，但不以此为限)，仅利用位于中央即将进行类比-数位转换的该感应电极13，达到降低噪点干扰的目的。
关于第一种判断人体呼吸方式说明如下，假设位于使用者下方的多个感应电极13的二值化运算结果为多个第一逻辑，未被使用者压下的多个感应电极13的二值化运算结果为多个第二逻辑，则该数据储存及运算处理单元21将二值化运算结果为第一逻辑的多个电容感应值C(即以床垫位于胸、腹部下方被人体完全覆盖或压制的感应电极13为主)通过一带通滤波的信号处理手段进行滤波，可得到多笔电容感应值C的滤波结果，其中一特定的带通频带对应于人体呼吸频带，例如介于0.05～0.5Hz。该些电容感应值C的滤波结果可显示于该人机界面22以供医护人员观察。
本发明提供第二种判断人体呼吸的方式。同样地，请参考图4，假设未被使用者压下的多个感应电极14的二值化运算结果为第二逻辑，位于使用者下方的感应电极15的二值化运算结果为第一逻辑，该数据储存及运算处理单元21不处理二值化运算结果为第一逻辑的感应电极15的相对电容值ΔC，仅从中撷取出二值化运算结果为第二逻辑的感应电极14的相对电容值ΔC，并执行一种信号品质评估手段，以评估所撷取出相对电容值ΔC的感应品质，例如信噪比(Signal-to-NoiseRatio)为感应品质的指标，进而再撷取出感应品质较佳的一笔或多笔相对电容值ΔC作为判断人体呼吸的参考。该数据储存及运算处理单元21执行该信号品质评估手段时，计算该些相对电容值ΔC的斜率正、负变换总次数后，进而从中撷取出变换总次数最低的一笔相对电容值ΔC或较低的多笔相对电容值ΔC以透过人机界面22显示。
关于相对电容值ΔC的斜率正、负变换，请配合参考图4所示，为对应于图2中使用者32胸腔处的截面参考图，对于位于使用者32身体外侧而没有被使用者32身体压下的感应电极14而言(即位于胸、腹部紧邻第一逻辑感应电极的第二逻辑感应电极)，当使用者吸气时，吸气状态胸腔A因吸入空气而体积逐渐增加，导致相对递减感应电极14与人体胸腔左、右两侧表面的相对距离而逐渐增强相对电容值ΔC，故吸气时该感应电极14的相对电容值ΔC呈递增趋势；相反地，当使用者吐气时，吐气状态胸腔B因排出空气而体积逐渐减少，相对递增该感应电极14与人体胸腔左、右两侧表面的相对距离而逐渐减弱相对电容值ΔC，故吐气时该感应电极14的相对电容值ΔC呈递减趋势。如此一来，对于该些位于使用者32身体外侧而没有被使用者32身体压下的感应电极14而言，其对应的相对电容值ΔC将随着胸腔体积的增加、缩小而有所变化。
其中，该数据储存及运算处理单元21透过一时间轴绘制所撷取出的相对电容值ΔC的波形而透过人机界面22显示。请配合参考图5，为图1的该感应阵列单元11中对应于第四行各个感应电极13的相对电容值ΔC波型示意图，以供作为判断使用者呼吸信息。
请参考图5，坐标[5,4]的感应电极13的波形起伏具有规律性，请配合参考图6，包含位在坐标[5,4]的感应电极13的相对电容值波形U(如粗虚线波形)，相较于现有多重睡眠分析仪(Polysomnogram,PSG)所测得的胸腔体围起伏波形V(如实线波形)与鼻导管气压波形W(如细虚线波形)，这三种波形的起伏变化有相当高的相似度(可达88％以上)，故本发明所测得的电容感应值C的波形U足以供判断使用者的呼吸。
如上所述，需说明的是，坐标[5,4]的感应电极13的相对电容值ΔC的斜率正、负变换总次数是较低或最低的一笔，换句话说，在所有二值化运算结果为第二逻辑的感应电极14而言，仅最接近使用者的感应电极14的相对电容值ΔC最大，故相对其电容值ΔC的斜率正、负变换总次数最低，进而使得波形起伏具有规律性。请配合参考图7所示，假设第一波形41为最接近使用者的感应电极14的相对电容值ΔC波形，第二与第三波形42、43分别为任两笔相对远离使用者的感应电极14的相对电容值ΔC波形，可见第一波形41的振幅较第二与第三波形42、43大；当该第一～第三波形41～43被图8所示的相同噪点44影响，请参考图9为第一～第三波形41～43与该噪点44合成后的第一～第三合成波形45～47，图9中可见在一单位时间内，第一合成波形45的斜率正、负变换总次数会低于第二、第三合成波形46、47的斜率正、负变换总次数，也因此该数据储存及运算处理单元21计算各相对电容值ΔC的斜率正、负变换总次数后，斜率正、负变换总次数较低的自然是对应于最接近使用者的感应电极14。经由所述评估方式可寻找出，最接近使用者的感应电极14，该感应电极14其电容感应值C的波形具规律性而可供作为呼吸判断的依据。
本发明除了上述供判断呼吸以外，还可进行身体移动、异动与简易卧姿的判断。该数据储存及运算处理单元21可根据二值化运算结果，计算第一逻辑的总数量，并判断该总数量是否高于一门槛值。当使用者平躺于感测垫10时，使用者身体分布于感测垫10上的面积较大，故有较多的感应电极13的电容感应值C的二值化运算结果被判断为第一逻辑，因此第一逻辑的总数量将高于该门槛值，则该数据储存及运算处理单元21可判断出使用者为平躺状态；当使用者平侧躺于感测垫10时，使用者身体分布于感测垫10上的面积较小，故有较少的感应电极13的电容感应值C的二值化运算结果被判断为第一逻辑，因此第一逻辑的总数量将低于该门槛值，则该数据储存及运算处理单元21可判断出使用者为侧躺状态。又该数据储存及运算处理单元21可在一单位时间内计算人体进行翻身、异动等动作的次数、次序、变异量，以供人体的活动量、睡眠品质、睡眠阶段等判断参考。
请参考图1，系以十个感应阵列单元为例，分别为第一～第十感应阵列单元101～110，在正常情况下，当使用者躺卧于该些感应阵列单元101～110时，假设第一～三、六～八感应阵列单元101～113、106～108对应使用者的上半身(胸腔)，则该数据储存及运算处理单元21仅可针对该些感应阵列单元101～113、106～108的电容感应值C进行前述呼吸感测运算即可，其余感应阵列单元104、105、109、110对应使用者下肢，与呼吸机制运作无关系故不予考虑，藉此降低运算数据量。又该些感应阵列单元101～110分别对应使用者身体的不同部位，例如第三、第八感应阵列单元103、108可分别对应左、右手，第五、第十感应阵列单元105、110分别对应左、右脚，该数据储存及运算处理单元21可单独计算各感应阵列单元101～110中各感应电极13的电容感应值C的二值化运算结果的第一或第二逻辑总数量，以供判断身体不同部位是否移动。
关于前述第二种人体呼吸方式，当使用者在寝具31上翻身或移动时，对应于该些感应电极13的相对电容值ΔC亦对应产生异动，如此导致呼吸检测感应电极13异动。针对此一状况，该数据储存及运算处理单元21还进一步计算本次取样二值化计算结果中第一逻辑总数量与前次取样二值化计算结果中第一逻辑总数量的一差值，当该数据储存及运算处理单元21判断出该差值大于一设定判断阀值，代表使用者已经移动身体或翻身，则将目前静置计时重置(reset)，并开始静置计时，以在判断出一静置计时时间大于一基准时间后，才开始重新计算紧邻第一逻辑感应电极的第二逻辑感应电极的相对电容值ΔC的斜率正、负变换总次数，判断并选取总次数较少第二逻辑感应电极的相对电容值ΔC以绘制波形。一般而言，该基准时间大于人体两个呼吸周期，例如20秒。前述静置是指使用者躺卧于寝具31而无身体移动、异动的前提下进行呼吸检测，故静置时间代表使用者躺卧于寝具31而无身体移动或异动所经过的时间。
以图1所示的实施例为例，其感应电极13数量一共有320个，每个感应电极13的电容感应值的数据量为16bits，故该数据储存及运算处理单元21于每个周期所储存该些感应电极13的电容感应值的总数据量只有5120bits(即640Bytes)，且每个周期所储存二值化运算结果的总数据量只有320bits(即40Bytes)。此外，本发明可供使用者受测时躺在床上并任意移动，不像现有多重睡眠分析仪(PSG)需透过绑带与鼻导管限制使用者的活动，使本发明可提高使用者的舒适度。如图1所示，该监控模块20可进一步与一云端服务器50连线，将所得到的感测数据与运算结果皆上传到该云端服务器50进行备份与应用，由该云端服务器50提供远端监控与健康管理等功能。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，包含有：
一感测垫，供一人体躺卧，该感测垫包含有至少一感应阵列单元与至少一控制单元，该感应阵列单元包含有阵列排列的多个感应电极，该控制单元电性连接该些感应电极以周期性地对从该些感应电极所检测到的电容感应量分别进行类比-数位转换以产生多个电容感应值，并对该多个电容感应值分别进行二值化运算以得到各电容感应值的二值化运算结果；
一监控模块，电性连接该至少一控制单元以接收并显示该多个电容感应值与二值化运算结果，作为判断人体动作的参考。
2.如权利要求1所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该控制单元进行二值化运算时，对将大于一门槛值的电容感应值判断为一第一逻辑，将低于该门槛值的电容感应值判断为一第二逻辑，该第一逻辑与第二逻辑为互补。
3.如权利要求2所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该监控模块根据二值化运算结果加总第一逻辑的总数量，当第一逻辑的总数量大于一门槛值，则判断人体为平躺状态；当第一逻辑的总数量小于该门槛值，则判断人体为侧躺状态；
该感测垫所包含的感应阵列单元为多个，分别代表人体的不同部位，该监控模块根据该些感应阵列单元的二值化运算结果判断人体不同部位的活动。
4.如权利要求3所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该监控模块在一单位时间内计算人体进行翻身动作的次数、变异量，以供判断人体的活动量、睡眠品质、睡眠阶段。
5.如权利要求3中所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该监控模块将二值化运算结果为第一逻辑的多个电容感应值通过一信号处理进行滤波，得到多笔电容感应值的滤波结果，该些滤波结果仅有一特定频带的信号成分，该特定频带对应于人体呼吸频率。
6.如权利要求3中所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该控制单元对每笔感应电极的电容感应值减去一基准值以产生一相对电容值；
该监控模块从该控制单元接收对应于该些感应电极的相对电容值，并从中撷取出二值化运算结果为第二逻辑的感应电极的相对电容值，并计算该些相对电容值的斜率正、负变换总次数后，撷取出变换总次数最低的一笔相对电容值或较低的多笔相对电容值以供判断人体的呼吸动作。
7.如权利要求1至6中任一项所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该监控模块通过至少一总线连接该至少一控制单元。
8.如权利要求7所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该感测垫中至少一感应电极周围的多个感应电极连接一电荷释放路径。
9.如权利要求8所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该监控模块与一云端服务器连线，以将所得到的数据上传到该云端服务器。
10.如权利要求9所述的投射电容式人体动作检测系统，其特征在于，该监控模块包含：
至少一数据储存及运算处理单元，负责执行所述类比-数位转换与二值化运算；
至少一人机界面，连接该至少一数据储存及运算处理单元，负责显示该多个电容感应值与二值化运算结果。
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