TW201436766A

TW201436766A - 動作／擾動偵測器

Info

Publication number: TW201436766A
Application number: TW102109406A
Authority: TW
Inventors: Tzyy-Sheng Horng; fu-kang Wang; Kang-Chun Peng
Original assignee: Ind Tech Res Inst; Univ Nat Sun Yat Sen
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-10-01
Also published as: CN104055519A; TWI556797B; CN104055519B

Abstract

動作/擾動偵測器包括：收發單元、振盪單元、混頻單元與處理單元。該收發單元接收該振盪單元之一輸出訊號並朝向至少一物體發射出一偵測訊號。該偵測訊號被該物體反射成一反射偵測訊號，被該收發單元所接收。該收發單元將該反射偵測訊號送入該振盪單元使其產生自我注入鎖定現象，並將該反射偵測訊號送入該混頻單元，以進行頻率解調。該混頻單元混頻該收發單元所傳來的該反射偵測訊號與該振盪單元之該輸出訊號，並解調成一基頻輸出訊號，以輸入至該處理單元。該處理單元控制該振盪單元之一操作頻率，該處理單元對該混頻單元所傳來的該基頻輸出訊號進行處理以得到一動作/擾動資訊。

Description

動作/擾動偵測器

本揭露是有關於一種動作/擾動偵測器。

隨著人口高齡化的社會趨勢影響下，醫療照顧服務及生醫電子的發展備受矚目。結合無線通訊的遠端居家照料(Remote Homecare)則可讓患者不須前往醫院即可進行生理訊號的感測與記錄以節省醫療資源。

在生理訊號感測中，呼吸訊號及心跳訊號極端重要，其可應用在呼吸窒息症(Obstructive Sleep Apnea Syndrome；OSAS)與心跳規律的長期追蹤上。而OSAS長期以來占據嬰兒猝死死因的前三名，心血管疾病更是影響已開發國家人民健康甚鉅。

目前有接觸式生理訊號感測裝置與非接觸式生理訊號感測裝置。接觸式生理訊號感測裝置透過接觸人體的方式來進行量測。

此外，動作/擾動偵測器用於保全監視或在場人員辨識。一般，以紅外線技術實現動作/擾動偵測器。但紅外線技術容易因環境溫度影響而誤判，甚至無法偵測。

微波式動作偵測器利用都普勒原理，比較發射訊號與接收訊號之間的相位差。若相位差產生變化，則代表環境中有擾動源。

故而，本案提出一種動作/擾動偵測器，可偵測待測者的胸腔起伏，進而從中分析出待測者之生理參數(如呼吸、心跳頻率等)，或其他外界擾動資訊(如機械振動頻率等)。

根據本揭露之一示範性實施例，提出一種動作/擾動偵測器，其包括：收發單元、振盪單元與混頻單元。該收發單元接收該振盪單元之一輸出訊號並朝向至少一物體發射出一偵測訊號。該偵測訊號被該物體反射成一反射偵測訊號，被該收發單元所接收。該收發單元將該反射偵測訊號送入該振盪單元使其產生自我注入鎖定現象，並將該反射偵測訊號送入該混頻單元，以進行頻率解調。該混頻單元混頻該收發單元所傳來的該反射偵測訊號與該振盪單元之該輸出訊號，並解調成一基頻輸出訊號，該基頻輸出訊號代表一動作/擾動資訊。

為了對本案之上述及其他內容有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100、100’、200、100A、100B、100C、100D‧‧‧動作/擾動偵測器

10、10A、10B、10C、10D‧‧‧收發單元

20‧‧‧振盪單元

30‧‧‧混頻單元

40‧‧‧處理單元

11、11A、12A、11B、11C、12C‧‧‧天線

N1‧‧‧節點

31‧‧‧混波器

32‧‧‧低通濾波器

SU‧‧‧受測者

11D‧‧‧電光轉換器

12D‧‧‧光電轉換器

第1A圖顯示根據本案實施例之動作/擾動偵測器之方塊示意圖。

第1B圖顯示根據本案另一實施例之動作/擾動偵測器之方塊示意圖。

第2圖繪示本案之動作/擾動偵測器之一實施例。

第3圖與第4圖顯示根據本案實施例之實驗結果。

第5A圖至第5D圖顯示根據本案其他實施例之其他幾種可能做法。

本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。另外，在可能實施的前提下，本說明書所描述之物件或事件間的相對關係，涵義可包含直接或間接的關係，所謂「間接」係指物件間尚有中間物或物理空間的存在，或指事件間尚有中間事件或時間間隔的存在。再者，以下內容係關於訊號耦合電路及方法，對於該領域習見的技術或原理，若不涉及本案之技術特徵，將不予贅述。此外，圖示中元件之形狀、尺寸、比例以及流程之步驟順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本案之用，非對本案之實施範圍加以限制。

另外，以下說明內容之各個實施例分別具有一或多個技術特徵，然此並不意味著使用本案者必需同時實施任一實施例中的所有技術特徵，或僅能分開實施不同實施例中的一部或全部技術特徵。換句話說，在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可依據本案之揭露內容，並視自身的需求或設計理念，選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地實施複數個實施例中部分或全部的技術特徵之組合，藉此增加本案實施彈性。

本案之揭露內容包含動作/擾動偵測器，但本案實施例之技術特徵並非對本案之限制，僅供本案舉例說明暨本技術領域人士瞭解本案之用。此外，在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者能夠依據本案揭露內容來選擇等效之元件或步驟來實現本案，亦即本案之實施並不侷限於本案所揭露之實施例。

另外，如果本案之動作/擾動偵測器所包含之個別元件為已知元件的話，在不影響充分揭露及可據以實現的情形下，以下說明對於實現之個別元件的細節將予以節略。

本案實施例揭露動作/擾動偵測器，其可用於非接觸式/接觸式偵測受測者的心肺訊號。在底下的說明中，乃是非接觸式偵測為例做說明，但當知其並非用於限制本案，本案亦可用於接觸式偵測。

動作/擾動偵測器可發出無線電波/光偵測波來對受測者進行偵測。由於受測者在偵測期間之呼吸與心跳等生理現象所產生之都普勒效應，會對動作/擾動偵測器所發射之無線電波/ 光偵測波進行相位調制，將反射後之射頻訊號/光偵測波輸入至振盪單元。故而，振盪單元呈現自我注入鎖定現象，此自我注入鎖定現象會放大受測者之心肺活動之相位調制資訊，以易於觀察受測者之心肺活動。經由混頻單元進行降頻後輸出電壓訊號，此電壓訊號輸入至訊號處理單元即可得到環境中振動物體(如受測者的心肺)的時域波形與頻域訊號，可偵測振動物體的頻率(比如，可偵測出受測者的心肺訊號)。

現請參照第1A圖，其顯示根據本案實施例之動作/擾動偵測器之方塊示意圖。如第1A圖所示，動作/擾動偵測器100包括：收發單元10、振盪單元20與混頻單元30。

收發單元10電性連接至振盪單元20之差動訊號輸出埠之一端，以接收振盪單元20之輸出訊號並朝向受測者發射出射頻發射訊號/光偵測波(亦可稱為偵測訊號)。此射頻發射訊號/光偵測波會被受測者所反射。收發單元10接收由受測者所反射的射頻接收訊號/光反射波(亦可稱為反射偵測訊號)。收發單元10係電性連接至振盪單元20之輸入埠與混頻單元30之輸入埠。細言之，收發單元10將反射偵測訊號送入振盪單元20使其產生自我注入鎖定現象，並將反射偵測訊號送入混頻單元30，以進行頻率解調。

至於接收由收發單元10所傳來的反射偵測訊號，振盪單元20可由其獨立注入訊號輸入埠來接收，或者是由其差動訊號輸出埠來接收。

混頻單元30之一輸入埠電性連接振盪單元20之另一差動訊號輸出埠。混頻單元30混頻收發單元10所傳來的反射偵測訊號與振盪單元20之輸出訊號。混頻單元30將受測者生理訊號的頻率調制訊號(其含於收發單元10所傳來的反射偵測訊號內)解調成基頻輸出訊號(其為電壓訊號)，基頻輸出訊號可代表動作/擾動資訊。

於本案另一實施例中，動作/擾動偵測器可更包括處理單元。如第1B圖所示，其顯示根據本案另一實施例之動作/擾動偵測器100’之方塊示意圖。動作/擾動偵測器100’更包括處理單元40。

亦即，處理單元可以不被整合在動作/擾動偵測器之中(如第1A圖)，也可被整合於動作/擾動偵測器之中(如第1B圖)。甚至，於本案其他可能實施例中，處理單元可置放於遠端，而動作/擾動偵測器的混頻單元30所輸出的基頻輸出訊號可透過有線/無線方式來傳送至遠端的處理單元，此皆在本案精神範圍內。

處理單元40之輸出埠係電性連接至振盪單元20之電壓輸入埠。處理單元40輸出控制電壓給振盪單元20，以決定振盪單元20之操作頻率。處理單元40對混頻單元30所傳來的基頻輸出訊號進行處理(譬如但不受限於，數位濾波、放大、傅立葉轉換等)，以得到動作/擾動資訊(其譬如但不受限於受測者的呼吸及心跳之時域波形與頻率等)。

現請參閱第2圖，其顯示本案之動作/擾動偵測器200之一實施例。在本實施例中，收發單元10包含單一天線11。單一天線11係電性連接振盪單元20之一輸出端與混頻單元30之一輸入埠。於第2圖中，節點N1比如使得天線11直接連接至振盪單元20與混頻單元30。或者，於其他可能實施例中，節點N1可為循環電路(circulator)或功率分配器(power divider)。

如第2圖所示，振盪單元20具有：電壓輸入埠V、差動訊號輸出埠O1及O2。電壓輸入埠V接收由處理單元40所傳來的類比控制電壓VT。在本實施例中，振盪單元20的差動訊號輸出埠O1係電性連接至收發單元10的天線11，以將輸出訊號SOUT1傳送給天線11。天線11將振盪單元20的輸出訊號SOUT1朝受測者SU發射，於第2圖中，射向受測者SU的訊號係為發射訊號STX。此發射訊號STX經受測者SU之心肺訊號進行頻率調制後成為射頻接收訊號SRX(亦即，都普勒效應)。此射頻接收訊號SRX被天線11所接收，並成為兩路注入訊號SIN1與SIN2(基本上，此兩路注入訊號SIN1與SIN2是相同的)。注入訊號SIN1係經由振盪單元20的差動訊號輸出埠O1而輸入至振盪單元20。此注入訊號SIN1使振盪單元20操作在自我注入鎖定狀態。另一路注入訊號SIN2則輸入至混頻單元30，以進行混頻。

在第2圖中，混頻單元30有兩個輸入埠與一個輸出埠。混頻單元30的一輸入埠連接至收發單元10的天線11。混頻單元30的另一輸入埠連接至振盪單元20的差動訊號輸出埠O2，用以觀察振盪單元20輸出之頻率變化情況。混頻單元30的輸出埠連接至處理單元40。

混頻單元30包括混波器31及低通濾波器32。混波器31連接至收發單元10與振盪單元20。低通濾波器32則連接至混波器31與處理單元40。在本實施例中，混波器31的兩端係分別電性連接至收發單元10與振盪單元20之差動訊號輸出埠O2。在本實施例中，混頻單元30之輸出端係為低通濾波器32之輸出端。

在本實施例中，處理單元40係電性連接至振盪單元20之電壓輸入埠V。處理單元40產生類比控制電壓VT，以調整振盪單元20之輸出頻率，以在工作頻段內進行訊號感測。處理單元40電性連接至混頻單元30的輸出端(亦即低通濾波器32之輸出端)，以將混頻單元30所輸出之基頻輸出訊號SB進行取樣及訊號處理後，得到呼吸及心跳的時域波形與頻率。

現請參閱第3圖至第4圖，其顯示根據本案實施例之實驗結果。在本實施例中，受測者距離動作/擾動偵測器約一公尺處，坐在椅子上均勻地呼吸。動作/擾動偵測器之操作頻率約為2.45 GHz(當知其並非用以限制本案)。第3圖乃是時域波形，其包含呼吸與心跳等生理資訊。請再參閱第4圖，經過傅立葉轉換後，頻譜表現如第4圖所示，可辨識出呼吸主頻與心跳主頻分別約為0.284 Hz與1.222 Hz，即17呼吸次數/分鐘與73心跳次數/分鐘。由此可知，本案實施例的動作/擾動偵測器的偵測結果與其他醫療儀器感測結果相吻合。

本案亦可其他可能實施例之架構。第5A圖至第5D圖顯示根據本案其他實施例之其他幾種可能做法。請注意，雖然第5A圖至第5D圖的動作/擾動偵測器包括處理單元，但由上述實施例可知，第5A圖至第5D圖的動作/擾動偵測器亦可選擇性包括處理單元，其皆在本案精神範圍內。

在第5A圖的動作/擾動偵測器100A中，收發單元10A為雙天線設計，其包括(發射)天線11A與(接收)天線12A。振盪單元20A的差動訊號輸出埠O2係分別電性連接天線11A與混頻單元30。天線11A發射出射頻發射訊號給受測者。射頻接收訊號(由物體所反射回)係由天線12A接收。所接收的射頻接收訊號分別連接至振盪單元20A差動訊號輸出埠O1與混頻單元30的一輸入埠，使振盪單元20A產生自我注入鎖定現象，並使混頻單元30進行頻率解調。第5A圖之操作細節原則上相似於第1A圖、第1B圖與第2圖，故在此不重述。

現請參考第5B圖。在第5B圖的動作/擾動偵測器100B中，收發單元10B為單天線設計，其包括單一天線11B。振盪單元20B係具有電壓輸入埠V、注入訊號輸入埠I、及差動訊號輸出埠O1及O2。天線11B係分別電性連接至振盪單元20B差動訊號輸出埠O1、振盪單元20的注入訊號輸入埠I、及混頻單元30之一輸入埠。天線11B發射出射頻發射訊號至受測者，並接收由受測者所反射回的射頻接收訊號。在接收到射頻接收訊號後，天線11B將射頻接收訊號分別注入至振盪單元20B的注入訊號輸入埠I與混頻單元30的輸入埠，使振盪單元20B產生自我注入鎖定現象，並使混頻單元30進行頻率解調。混頻單元30之另一輸入埠係電性連接至振盪單元20B的差動訊號輸出埠O2。第5B圖之操作細節原則上相似於第1A圖、第1B圖與第2圖，故在此不重述。在第5B圖中，節點N2比如可為循環電路或功率分配器。

現請參考第5C圖。在第5C圖中，收發單元10C為雙天線設計，其包括(發射)天線11C及(接收)天線12C。振盪單元20C具有電壓輸入埠V、注入訊號輸入埠I、及差動訊號輸出埠O1及O2。天線11C係電性連接至振盪單元20C的差動訊號輸出埠O1，發射出射頻發射訊號給受測者。由受測者所反射回的射頻接收訊號由天線12C接收。天線12C係分別電性連接振盪單元20C的注入訊號輸入埠I與混頻單元30的輸入埠，使振盪單元20C產生自我注入鎖定現象，並使混頻單元30進行頻率解調。混頻單元30之另一輸入埠係電性連接至振盪單元20C的差動訊號輸出埠O2。第5C圖之操作細節原則上相似於第1A圖、第1B圖與第2圖，故在此不重述。

現請參考第5D圖，其顯示根據本案另一可能實施例之動作/擾動偵測器的實施方式。如第5D圖所示，不同於先前實施例之處在於，收發單元10D包括電光轉換器11D與光電轉換器12D。電光轉換器11D連接至振盪單元20，其將振盪單元20 所傳來的電壓訊號轉換為光波，以射向受測者。此光波被受測者反射回光電轉換器後，由光電轉換器12D轉換成電壓訊號，送至振盪單元20與混頻單元30。至於振盪單元20、混頻單元30與處理單元40的細節可如上述。由於電光轉換器與光電轉換器的雜訊比(SNR)較佳，故而，第5D圖的架構更有助於觀察受測者的動作/擾動。至於本案其他實施例的收發單元以天線來實施，其具有低成本與低複雜度的優點。

以傳統連續波雷達而言，其根據接收訊號與發射訊號間之相位差來判斷待測物體之緩慢移動資訊(呼吸、心跳)。但受限於訊號產生器的相位雜訊，此技術在訊雜比與系統複雜度之間面臨取捨關係。傳統連續波雷達雖然在低操作頻率時，其靈敏度表現較佳，但在高頻底下，靈敏度的提昇有限，且易受到雜波效應影響。此外，由於環境中其他物體的回波影響，將使基頻訊號存在直流位移。因此雜波效應會使放大電路飽和而無法有效感測生理訊號。

至於另一先前技術，雖然在高操作頻率時，靈敏度表現較佳(當操作頻率提昇兩倍時，感測距離可上升為4倍)，且不受被其他物體所回反射的雜波所影響。但其需要頻率解調器，而頻率解調器的射頻延遲單元難以整合至晶片中。

相反地，於本案上述實施例中，環境中之偵測電波傳輸路徑將產生額外傳輸延遲，以取代先前技術的射頻頻段之延遲單元。此外，本案上述實施例亦使用自我注入鎖定技術。故而，本案實施例結合此兩種機制，在不同操作頻率下皆可具有高靈敏度。當操作頻率較高時，會由自我注入鎖定架構所主宰；當操作頻率較低時，則由傳統連續波架構進行相位解調。本案上述實施例不受雜波效應的影響。由於本案上述實施例省略射頻延遲單元，故而，可提高體積化程度。

上述可知，相較於傳統技術利用都卜勒雷達並配合基頻訊號處理技術，本案上述實施例之優點譬如為：大幅減少電路元件使用、高度積體化、高度抗雜波能力、高靈敏度、降低製造成本及降低功率消耗等優點。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧動作/擾動偵測器

10‧‧‧收發單元

20‧‧‧振盪單元

30‧‧‧混頻單元

Claims

一種動作/擾動偵測器，包括：一收發單元；一振盪單元，耦接至該收發單元；以及一混頻單元，耦接至該收發單元與該振盪單元；其中，該收發單元接收該振盪單元之一輸出訊號並朝向至少一物體發射出一偵測訊號；該偵測訊號被該物體反射成一反射偵測訊號，被該收發單元所接收；該收發單元將該反射偵測訊號送入該振盪單元使其產生自我注入鎖定現象，並將該反射偵測訊號送入該混頻單元，以進行頻率解調；該混頻單元混頻該收發單元所傳來的該反射偵測訊號與該振盪單元之該輸出訊號，並解調成一基頻輸出訊號，該基頻輸出訊號代表一動作/擾動資訊。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，更包括：一處理單元，耦接至該振盪單元與該混頻單元，接收由該混頻單元所傳來的該基頻輸出訊號；該處理單元控制該振盪單元之一操作頻率，該處理單元對該混頻單元所傳來的該基頻輸出訊號進行處理以得到一動作/擾動資訊。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該物體的一都普勒效應對該偵測訊號進行相位調制，以成為該反射偵測訊號。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該收發單元包括：一單一天線，發射該偵測訊號，並接收該反射偵測訊號。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該收發單元包括：一第一天線，發射該偵測訊號；以及一第二天線，接收該反射偵測訊號。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該收發單元包括：一電光轉換器，將該振盪單元之該輸出訊號轉換成一光偵測波；以及一光電轉換器，將該反射偵測訊號轉換成一電壓訊號，以送至該振盪單元與該混頻單元。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該振盪單元包括：一第一差動訊號輸出埠，輸出該輸出訊號至該收發單元，並接收該收發單元所傳來的該反射偵測訊號；一第二差動訊號輸出埠，將該輸出訊號送至該混頻單元；以及一電壓輸入埠，耦接至該處理單元，以接收該處理單元之一類比控制電壓。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該振盪單元包括：一第一差動訊號輸出埠，輸出該輸出訊號至該收發單元與該混頻單元；一第二差動訊號輸出埠，接收該收發單元所傳來的該反射偵測訊號；以及一電壓輸入埠，耦接至該處理單元，以接收該處理單元之一類比控制電壓。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該振盪單元包括：一第一差動訊號輸出埠，輸出該輸出訊號至該收發單元；一第二差動訊號輸出埠，輸出該輸出訊號至該混頻單元；一注入訊號輸入埠，接收該收發單元所傳來的該反射偵測訊號；以及一電壓輸入埠，耦接至該處理單元，以接收該處理單元之一類比控制電壓。
如申請專利範圍第1項所述之動作/擾動偵測器，其中，該混頻單元包括：一混波器，連接至該收發單元與該振盪單元，混頻該收發單元所傳來的該反射偵測訊號與該振盪單元之該輸出訊號；以及一低通濾波器，連接至該混波器與該處理單元，將該混波器之一混波訊號進行低通濾波，以得到該基頻輸出訊號，以輸入至該處理單元。