TW201500031A - 生理訊號檢測無線監控系統、生理訊號分析端裝置及生理訊號檢測端裝置 - Google Patents

生理訊號檢測無線監控系統、生理訊號分析端裝置及生理訊號檢測端裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供 一種具有生理訊號檢測、分析之無線監控系統，係用於檢測、處理並且無線傳輸接收感測到的生理資訊，以將生理資料呈現於護理人員側（近身端）的顯示器上，還可與護理人員互動。無線監控系統包括有具有截波穩定與三角積分調變技術之類比前端檢測電路、具有疾病辨識與數位濾波功能之數位訊號處理器，具有編碼/解碼與調變/解調變功能暨避免通訊資料遺失之數位資料控制器、以及具有超再生技術之無線射頻發射接收機。本系統可及時檢測生理訊號並利用無線傳輸將生理資料送至監控端，當無線傳輸無法正常通訊時，檢測端將儲存連線中斷期間之資料，待無線傳輸重新建立時，再將該段資料與及時檢測之資料同時送出，以確保資料傳輸之完整性。且本發明更提供一種生理訊號分析端裝置及生理訊號檢測端裝置。

Description

生理訊號檢測無線監控系統、生理訊號分析端裝置及生理訊號檢測端裝置
本發明係關於一種即時檢測生理訊號的無線監控晶片系統。
隨著生醫積體電路的發展，各種生理訊號檢測以及疾病辨識之相關電路扮演著重要的角色；習知之生理訊號檢測系統基本上包含類比前端電路以及無線傳輸電路，其中類比前端電路又通常包含前置放大器、濾波器與類比數位轉換器。
在生醫領域待檢測諸如心跳之類的生理訊號通常屬於低頻訊號。然而，在低頻應用上，往往受到閃爍雜訊(flicker noise)影響，會造成整體類比前端電路無法達到高解析度，而影響檢測結果的精確度，從而誤導護理人員在診斷時的判斷，可靠度不足。
另外，由於所使用的元件數量眾多，整體效能往往也易被特定元件限制住。
還有，無線射頻電路通常為整體功率消耗之重點，採用傳統I/Q架構進行射頻電路設計，將使功率消耗遽升，縮短使用時間。
再者，習知系統未對檢測到的生理訊號先進行處理再傳送給護理人員，因此，訊號傳輸之保密與資料遺失與否，亦為生理訊號無線傳輸之重要課題。
綜上所述，習知的生理訊號檢測系統具有可靠度不足、效能不良、功耗大、及/或保密性低等缺點，如何解決或降低這些缺點以提供人們更佳的使用體驗，實為所屬技術領域人士所迫切想要達成的目標。
有鑑於習知生理訊號檢測系統可靠度不足、效能不良、功耗大、及/或保密性低等缺點，本發明之發明人針對上述之問題，殫精竭力開發出一種用於檢測生理訊號的無線監控系統，可檢測、分析並且以無線傳輸方式傳送生理訊號以達到護理人員（近身端）監控受檢人員（貼身端）生理狀況的功效。本發明的無線監控系統可包括：類比前端檢測電路、貼身端數位訊號處理器、貼身端數位資料控制器、以及貼身端無線射頻收發機。
類比前端檢測電路可用於處理生理訊號以產生時域的數位檢測資料，並且可具有截波穩定與三角積分調變功能。採用截波穩定技術將訊號由低頻範圍(<1kHz)調變至中低頻範圍(10kHz ~ 10MHz)，可避免閃爍雜訊之影響，並省略類比濾波器硬體以達到受檢人員端低功率消耗的需求。而藉由三角積分調變可得到高解析度之數位訊號，從而能用來檢測多種生理訊號，如心電訊號、腦波訊號等。此外，所調變的訊號引進量化雜訊，可不需要採用傳統奈奎斯特率類比數位轉換器(Nyquist Rate Analog-to-Digital Converter)擷取生理訊號，從而具有資訊保密的效果。因此，與採用習知類比前端電路的系統相比較，本發明的檢測生理訊號無線監控系統具有低功率、低複雜度、高解析度與資訊保密的特點。
貼身端數位訊號處理器係連接到類比前端檢測電路，用於接收數位檢測資料並且產生含頻域的頻譜轉換係數，並且可具有疾病辨識與數位濾波功能。另外，貼身端數位訊號處理器除了可提供數位降頻濾波器(Decimation Filter)的功能，以進行三角積分類比數位轉換外，並可包含具特徵擷取(Feature Extraction)與分類(Classification)之疾病辨識(如採用小波轉換、希爾伯特-黃轉換)功能。疾病辨識所需的參數可透過監控端的醫師調整，提高疾病辨識率，除可即時監控與反應生理訊號的異常現象外，若僅傳送特徵參數值，亦可降低無線傳輸之資料量，進而降低系統之功率消耗。
通訊技術中的編解碼與調變解調變機制有助於消除或減輕訊號在傳輸通道中所遭致的衰減、干擾或諸如此類的問題。貼身端數位資料控制器係連接到類比前端檢測電路，用於接收、編碼並且調變數位檢測資料、或連接到貼身端數位訊號處理器用於接收頻譜轉換係數以產生無線檢測資料。藉由編碼與調變，可從而避免或減少通訊資料遺失的可能性。
貼身端數位資料控制器係本發明的一個特點。除了如上所述可包含通訊基頻所需之數位調變/解調變與編碼/解碼技術外，並提供核心有限狀態機與相關控制器，判別解碼後之訊號以支援生理訊號輸出、頻譜係數輸出、症狀碼輸出、症狀參數輸入與記憶體的控制。貼身端數位資料控制器還可判別無線傳輸是否正常運作，當無線傳輸系統中斷時，本系統將保留傳輸中斷時段期間的資料，以免資訊遺失，但若無線傳輸中斷時間過長，為保留該段時間所有資料，記憶體之需求便會很龐大，除造成晶片面積之增加，亦會造成過多之功率消耗。根據與臨床醫師討論之結果，可於該數位控制系統前加入具疾病辨識功能之數位訊號處理器，倘若中段時間過長，便僅將有異常之生理訊號儲存，以提供醫師診斷，此舉可大大減少記憶體之空間以及功率消耗。
貼身端無線射頻收發機係連接到貼身端數位資料控制器，用於接收並且處理無線檢測資料以及產生並且傳送射頻檢測訊號。
由於生理訊號普遍屬於低頻訊號，在電路處理時容易遭致閃爍雜訊的干擾，故類比前端檢測電路可包括具有用於生理訊號由低頻訊號轉換成中低頻訊號的截波穩定(Chopper Stabilization, CHS)電路，除了降低閃爍雜訊造成的影響，也可藉此省略對於類比濾波器的需求，從而達到提高系統解析度並且降低功率消耗的功效。
一般用於檢測生理訊號的無線監控系統，可能沒有加解密的機制而在無線傳輸時會遇到資訊外洩的風險；而配備有加解密機制的系統，則因必需內置加解密電路，不僅佔用空間，而且功率消耗大以及降低系統整體效能，檢測生理訊號的無線監控系統是否要設計有加解密功能往往是個兩難的抉擇。由於三角積分調變器在進行類比對數位轉換時固有地會引進量化雜訊，可使數位資料在傳輸過程中具有保密效果而提高訊號無線傳輸之隱密性，故本發明的類比前端檢測電路可包括使該數位檢測資料帶有量化雜訊而具有保密功效的高通三角積分調變器。如此，與習知的加解密技術相比較，可達到不僅佔用空間較小，而且功耗較低以及效能較高的功效。
貼身端數位訊號處理器可具有用於將頻譜轉換係數轉換成心跳資料的心跳偵測器。
貼身端數位訊號處理器可具有用來暫存並且適時傳送頻譜轉換係數的頻譜分析係數暫存器。
貼身端數位訊號處理器可具有依據頻譜轉換係數以產生標的病症碼的病症評估器。
習知的生理檢測系統在進行即時傳輸時，一旦遇到傳輸不穩定的狀況，往往會因資料傳送不完全而漏失重要的資訊，例如瞬間的心跳異常現象。為了解決傳輸不穩定所導致重要訊息漏失的問題，本發明的貼身端數位資料控制器可具有能儲存頻譜轉換係數的保存記憶體，還可提供了一套偵測無線傳輸是否正常溝通的機制，當無線傳輸不穩定時，檢測端便會開啟儲存功能，將無線傳輸不穩定而中斷時之生理訊號儲存在保存記憶體內，待無線傳輸重新建立時方一併將完整的生理訊號傳送出去。
習知的無線射頻收發機係利用回授信號進行訊號的處理，不僅複雜度大，而且功率消耗也大。貼身端無線射頻收發機可具有壓控振盪器並且能以超再生(Super-Regenerative)技術傳送射頻檢測訊號。因此，與習知的無線射頻收發機相比較，可達到較低複雜度以及較小功率消耗的功效。
貼身端無線射頻收發機可接收射頻指令訊號並且產生無線指令資料、以及貼身端數位資料控制器可具有用於解調並且解碼該無線指令資料以產生指令的解調變器與解碼器。
貼身端數位訊號處理器具有可依據該指令修改病症參數或病症權重的病症評估器。
無線監控系統還可具有近身端無線射頻收發機，係用來接收射頻檢測訊號並且還原出無線檢測資料、或傳送射頻指令訊號；以及近身端數位資料控制器，係連接到近身端無線射頻收發機用於接收無線檢測資料並且還原數位檢測資料、或接收指令以產生並且傳送無線指令資料給近身端無線射頻收發機。
近身端無線射頻收發機的架構可與貼身端無線射頻收發機的架構完全相同。
本發明之無線監控系統可再具有近身端數位訊號處理器，係連接到近身端數位資料控制器用於接收數位檢測資料並且輸出對應於生理訊號的生理資料，以供顯示於監視器上供護理人員進行診斷。
護理人員仍有可能需要觀察時域的資料。近身端數位訊號處理器可具有用於將無線檢測資料由頻域資料轉換成時域資料的頻譜反轉換器。
近身端數位訊號處理器可具有能依據無線檢測資料產生病症資訊的症狀參數輸出暫存器，用以將本發明自動產生的病症資訊提供給護理人員參考。
近身端數位訊號處理器可具有能夠將無線檢測資料由中低頻調變至低頻並且濾除量化雜訊的截波穩定電路與降頻濾波器，從而還原數位檢測資料供護理人員參考。
再者，本發明還揭露一種生理訊號分析端裝置，其包括：分析端無線射頻收發機、分析端數位資料控制器及分析端數位訊號處理器，該分析端無線射頻收發機係用來接收外部傳來的射頻檢測訊號並且還原出無線檢測資料、或傳送本端所產生的射頻指令訊號；該分析端數位資料控制器係連接到該分析端無線射頻收發機，用於接收該無線檢測資料並且還原為數位檢測資料、或接收外部傳來的控制指令以產生並予以傳送之無線指令資料給該分析端無線射頻收發機，使該分析端無線射頻收發機將該無線指令資料處理為該射頻指令訊號，並予以傳送，該分析端數位訊號處理器，係連接到該分析端數位資料控制器，用於接收該無線檢測資料並且輸出對應於該生理訊號的生理資料。
還有，本發明又揭露一種與上述生理訊號分析端裝置搭配使用的生理訊號檢測端裝置，其包括：類比前端檢測電路、檢測端數位訊號處理器、檢測端數位資料控制器及檢測端無線射頻收發機，該類比前端檢測電路係用於處理該生理訊號以產生時域的數位檢測資料；該檢測端數位訊號處理器，係連接到該類比前端檢測電路，用於接收該數位檢測資料並且產生含頻域的頻譜轉換係數；該檢測端數位資料控制器係連接到該類比前端檢測電路，用於接收、編碼並且調變該數位檢測資料，或連接到該檢測端數位訊號處理器，用於接收該頻譜轉換係數以產生待傳送的無線檢測資料；以及該檢測端無線射頻收發機係連接到該檢測端數位資料控制器，用於接收該待傳送的無線檢測資料並處理為供該分析端無線射頻收發機接收的該射頻檢測訊號。
綜上所述，本發明的生理訊號檢測無線監控系統或生理訊號檢測端裝置整合類比前端檢測電路、數位訊號處理器，數位資料控制器，及無線射頻發射接收機，可及時檢測生理訊號且利用無線方式傳至監控端(本發明的生理訊號分析端裝置)，監控端亦可透過無線傳輸修改貼身端系統(本發明的生理訊號檢測端裝置)之參數，倘若無線傳輸端斷線，亦可利用檢測端之記憶體將斷線期間之資料儲存，待連線重新建立時再將該段時間之資料一併送出。
相較於習知技術，疾病辨識功能之辨識參數可由如醫師之類的專業護理人員進行調整，用於協助診斷、縮短診斷時間以及提高診斷的準確率。本發明在其為受檢人員側的貼身端(生理訊號檢測端裝置)可為系統晶片，護理人員側的近身端(生理訊號分析端裝置)可為可攜式裝置，如手錶、智慧型手機、個人行動助理、電腦、機上盒等，因此可提供隨時穿戴生理監控，達到隨身守護神之效果。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之技術內容，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明之精神下，進行各種修飾與變更。
本發明所提供的生理訊號檢測無線監控系統可包括放在受檢人員側的貼身端裝置以及位於護理人員側的近身端裝置，貼身端裝置與近身端裝置係利用無線通訊的方式進行控制訊號及資料的傳遞以免除有線通訊裝置之間繁亂的接線配置，護理人員利用近身端裝置監控貼身端裝置所檢測到受檢人員的生理訊號。
請參閱圖1，其為本發明生理訊號檢測無線監控系統之一具體實施例下的系統基本架構方塊圖，如圖1所示，本發明的生理訊號檢測無線監控系統10可包括分別置於受檢人員側及護理人員側的裝置以及無線傳輸通道（圖中未示）。受檢人員側的裝置可包括感測器101、貼身端天線106、以及內含類比前端檢測電路102、貼身端數位訊號處理器103、貼身端數位資料控制器104和貼身端無線射頻收發機105的貼身端裝置100，因此，該貼身端裝置100可被定義為一種生理訊號檢測端裝置。護理人員側的裝置則可包括監視器115、近身端天線111、以及內含近身端無線射頻收發機112、近身端數位資料控制器113和近身端數位訊號處理器114的近身端裝置110，因此，該近身端裝置110可被定義為一種生理訊號分析端裝置。
感測器101檢測受檢人員的生理訊號，如心電訊號、腦波訊號、肌電訊號、呼吸訊號等，但不侷限於此，並且將所檢測到的生理訊號傳送給貼身端裝置100進行處理。特別說明的是，本文所述的生理訊號、受檢人員及護理人員為概念性術語，生理訊號可為能透過感測元件檢測的任何訊號，受檢人員可為生物或任何具有例如熱或諸如此類特性的非生物，護理人員可為監控訊號的人類甚至是自動化機器，舉凡任何能利用本發明藉由感測器101檢測訊號、處理訊號及/或傳送訊號的系統或其中的裝置、元件或方法都落在本發明的範疇內。感測器101可為僅能檢測一種訊號的單功能感測元件，也可為能夠檢測多種訊號的整合式感測元件。感測器101可為獨立裝置也可與貼身端裝置100整合在一起。
貼身端裝置100的類比前端檢測電路102具有截波穩定技術與三角積分調變功能，用於將來自感測器101的生理訊號轉化成數位檢測資料並且予以傳送至貼身端數位資料控制器104。
貼身端數位資料控制器104接收來自感測器101的數位檢測資料，以及進行編碼/解碼與調變/解調變處理以防止資料在無線傳輸通道中傳輸時遺失，然後產生無線檢測資料並且予以傳送到貼身端無線射頻收發機105。無線檢測資料係經由貼身端無線射頻收發機105以及貼身端天線106以射頻檢測訊號的形式透過無線傳輸通道傳送給護理人員。貼身端天線106可為獨立裝置也可與貼身端裝置100整合在一起。
護理人員側的近身端天線111接收射頻檢測訊號並且予以傳送至近身端無線射頻收發機112。近身端無線射頻收發機112將射頻檢測訊號降頻以還原無線檢測資料並且予以傳送到近身端數位資料控制器113。近身端數位資料控制器113透過其內部的解調變與解碼功能將無線檢測資料還原出數位檢測資料，數位檢測資料係傳送至近身端數位訊號處理器114進行降頻與濾除量化雜訊的處理以產生對應於受檢人員側生理訊號的生理資料，生理資料係傳送到監視器115。護理人員透過監視器115藉由接收到的生理資料進行受檢人員生理狀況的辨識並視需要調整生理訊號檢測無線監控系統的機制。補充說明的是，監視器115係人機介面的廣義概念，其不僅能藉由例如顯示的方式來輸出資料，也可具有如觸控面板或鍵盤等輸入功能的元件來輸入資料。另外，監視器115也可為如程式化伺服器之類的自動化裝置，可依據生理資料進行接收、判斷和處理及/或發送指令。
當護理人員認為有必要調整生理訊號檢測無線監控系統的機制時，可透過監視器115將修改後的病症參數經由近身端數位資料控制器113、近身端無線射頻收發機112、近身端天線111、無線傳輸通道、貼身端天線106傳送到貼身端裝置100，藉以進行例如參數修改或訊號輸出格式的控制，以達到調整生理訊號檢測無線監控系統的目的，下文將有詳細說明。
另外，其為時域訊號(time domain signal)的數位檢測資料亦可由類比前端檢測電路102傳送到貼身端數位訊號處理器103，以供貼身端數位訊號處理器103對數位檢測資料進行如小波轉換(Wavelet Transform)、希爾伯特-黃轉換(Hilbert Huang Transform)之類的疾病辨識處理，藉以減少資料傳輸量並且濾除市電干擾效應(mains interference effect)。此外，護理人員可透過監視器115，藉由生理狀況之辨識結果，採用合適的辨識演算法，以如上所述的通訊傳輸方式調整生理訊號檢測無線監控系統，以提高疾病辨識率以及進行受檢人員客製化的診斷處理。
基於產品縮小化的需求及趨勢，本發明的生理訊號檢測無線監控系統可利用半導體技術實現成積體電路，但積體電路裡各電晶體元件在低頻應用的情況下會有所謂的閃爍雜訊(flicker noise)，理由包括例如原本期望在電晶體源極與汲極之間通道流動的電荷有部份會穿入閘極的絕緣薄膜從而引發電荷重組合(recombination)效應。另外，感測器101輸出的生理訊號也可能不僅微弱而且摻有雜訊。因此，生理訊號可能必需先經過類比前端檢測電路102的處理才能擷取出有效的資訊。請參閱圖2，係為本發明生理訊號檢測無線監控系統之一具體實施例下用以表示類比前端檢測電路的基本架構方塊圖，如圖2所示，類比前端檢測電路102可包括截波穩定電路201、前置放大器202和高通三角積分調變器203。由於生理訊號可普遍分佈於低頻範圍，例如小於1kHz的頻率範圍，而容易受到例如閃爍雜訊的干擾，因此，本發明先採用截波穩定電路201將低頻的生理訊號調變至例如10kHz至10MHz的中低頻範圍，再以前置放大器202放大調變成中低頻的生理訊號以符合後續高通三角積分調變器203所需的動態範圍，然後利用高通三角積分調變器203將調變成中低頻並且放大後的生理訊號調變成數位檢測資料輸出給貼身端數位訊號處理器103裡的頻譜轉換器301和貼身端數位資料控制器104裡的生理訊號輸出控制器401，下文將有更詳細的描述。由於載有數位檢測資料的訊號已屬中低頻範圍而非低頻訊號，故能有效降低積體電路閃爍雜訊對於生理訊號檢測的影響。再者，一般的感測系統係利用類比濾波器來處理感測器所提供的生理訊號，而類比濾波器往往主導整個系統的解析度並且較為耗能，因此，本發明在類比前端檢測電路102中乃利用高通三角積分調變器203調變所產生的數位檢測資料且夾帶量化雜訊，使其具有類似於加密展頻的功能，不但可免除對類比濾波器元件的需求，同時又可提高生理檢測系統的解析度並且降低功率消耗。
習知的感測系統是將各時間點感測到的時域訊號依續進行傳送，這種方式不僅消耗大量的傳輸功耗，也可能在系統因例如雜訊過大導致系統重新啟動等原因無法即時傳輸訊號，進而漏失重要訊息。因此，本發明的貼身端數位訊號處理器103利用疾病辨識技術解決習知感測系統存在的問題。請參閱圖3，係為本發明生理訊號檢測無線監控系統之一具體實施例下用來說明貼身端數位訊號處理器的基本架構方塊圖，如圖3所示，貼身端數位訊號處理器103可包括：頻譜轉換器301、心跳偵測器302、頻譜分析係數暫存器303、病症評估器304、病症係數記憶體305以及病症權重記憶體306。
來自類比前端檢測電路102的數位檢測資料係由貼身端數位訊號處理器103內的頻譜轉換器301所接收，頻譜轉換器301執行如小波轉換(Wavelet Transform)、希爾伯特-黃轉換(Hilbert HuangTransform)、或諸如此類的演算法以產生其含頻域訊號(frequencydomain signal)的頻譜轉換係數，如小波轉換係數。頻譜轉換係數可傳送至心跳偵測器302產生心跳資料以供辨識心跳週期。頻譜轉換器301所產生的頻譜轉換係數以及心跳偵測器302所產生的心跳資料係送到頻譜分析係數暫存器303，而不一定要直接送給後端元件處理或無線傳送，從而無線通訊傳輸所導致的大幅功率消耗得以有效地予以降低。
頻譜分析係數暫存器303可將頻譜轉換係數或心跳資料傳送至貼身端數位資料控制器104裡的頻譜係數輸出控制器402（後文將有詳細說明），藉以控制貼身端無線射頻收發機105以進行訊息的無線傳輸。
此外，頻譜分析係數暫存器303還可將頻譜轉換係數傳送到病症評估器304進行疾病辨識。病症評估器304將透過頻譜轉換係數判斷是否出現待分析事件，例如心跳過快或過慢、心跳幅度過小或過大、或諸如此類所導致的異常頻譜態樣(spectrum pattern)。一旦判斷有待分析事件發生，病症評估器304將要從頻譜分析係數暫存器303接收一串特定筆數的頻譜轉換係數，並且與預先儲存在病症係數記憶體305內的病症參數進行區段比對。在進行區段比對時，該串特定筆數的頻譜轉換係數及來自病症係數記憶體305的病症參數都可視為曲線，下文分別稱為頻譜轉換係數曲線及病症參數曲線。若頻譜轉換係數曲線與病症參數曲線交圍的面積小於預定臨界值，則認定這兩條曲線近似；反之，則認定不相似。病症係數記憶體305裡可儲存複數條病症參數曲線，分別提供用來與頻譜轉換係數曲線進行區段比對。對於區段比對兩條曲線近似的病症參數曲線，係予以提供指定之病症權重。病症權重的大小可由病症權重記憶體306所提供。所有區段比對中，病症權重最高的病症參數曲線係判定為標的病症，亦即受檢人員可能罹患的病狀。標的病症係以病症碼予以表示，代表標的病症之病症碼在後文中係稱為標的病症碼。後續的貼身端數位資料控制器104可根據標的病症碼決定是否予以傳送給護理人員參考，而非傳送整條頻譜轉換係數曲線。或者，在傳送標的病症碼的同時，也可將對應的頻譜轉換係數一併傳送給護理人員，而非所有檢測到的生理訊號。如此，可節省不必要的資料傳輸而大幅降低功率消耗。
病症係數記憶體305裡所儲存的病症參數以及病症權重記憶體306裡所儲存的病症權重可由護理人員憑藉其醫護專業依據診斷結果、文獻資料或諸如此類予以適時變更，藉以可使本發明具有能夠客製化病症判別的互動式架構。本發明基於互動式架構，得以有效降低病症判別的複雜度以及提升系統診斷的精確度與有效性，從而更能取信於護理人員及受檢人員。有別於傳統數位訊號處理器為了獲得極高的疾病辨識率，往往需要龐大的硬體裝置進行極為複雜的演算法處理以及傳送大量的資料，不僅昂貴而且既耗電又笨重，本發明可結合護理人員的專業知識，利用貼身端數位訊號處理器103的功能進行病症參數與病重權重的變更，無需複雜的病症辨識判斷演算法即可將可信賴的病症辨識結果以有效率的方式提供給護理人員，系統設計的複雜度得以有效降低。另外，本發明搭配監視器115利用軟體互動式診斷介面可有效發揮專業診斷知識，彈性地進行病症參數最佳化，藉以提高病症辨識率以輔助護理人員進行診斷。
無線通訊進行資訊傳遞時，會因無線傳輸通道中的雜訊干擾而造成訊號失真。利用通道編碼可有效提升訊號傳輸的準確率。可用的通道編碼舉例包括：循環碼(Cyclic Code)、迴旋碼(Convolution Code)或諸如此類，但本發明不侷限於此。請參閱圖4，係為本發明生理訊號檢測無線監控系統之一具體實施例下用以表示貼身端數位資料控制器的基本架構方塊圖，如圖4所示，貼身端數位資料控制器104可包括：生理訊號輸出控制器401、頻譜係數輸出控制器402、症狀碼輸出控制器403、症狀參數輸入控制器404、核心有限狀態機405、保存記憶體406、編碼器407、解碼器408、調變器409、以及解調變器410。除了進行通道編碼與解碼，貼身端數位資料控制器104還可決定如生理訊號、頻譜轉換係數及標的病症碼之類訊號的輸出格式、病症參數的輸入格式，下文將有詳細說明。
護理人員可透過監視器115發出控制指令以控制貼身端數位資料控制器104。控制指令透過無線傳輸通道、貼身端天線106、貼身端無線射頻收發機105送進貼身端數位資料控制器104，後續經由解調變器410解調變以及解碼器408解碼後傳送給核心有限狀態機405以控制貼身端數位資料控制器104的運作。
若控制指令要求擷取生理資訊，核心有限狀態機405可依據所接收的控制指令要求生理訊號輸出控制器401接收來自類比前端檢測電路102的數位檢測資料、頻譜係數輸出控制器402接收來自頻譜分析係數暫存器303的頻譜轉換係數或心跳資料、以及症狀碼輸出控制器403接收來自病症評估器304的標的病症碼，並且分別要求生理訊號輸出控制器401、頻譜係數輸出控制器402以及症狀碼輸出控制器403將數位檢測資料、頻譜轉換係數或心跳資料、以及標的病症碼傳送給編碼器407進行編碼，再由調變器409進行調變並且傳送給貼身端無線射頻收發機105透過天線106傳送給護理人員。
倘若資料傳輸時遇到無線通訊中斷的狀況，核心有限狀態機405將指示保存記憶體406進行頻譜轉換係數的儲存，俾令無線通訊恢復後，能將保存記憶體406內的頻譜轉換係數連同數位檢測資料一併輸出給編碼器407以供後續的無線傳輸。
此外，核心有限狀態機405亦得接收護理人員載有待修改病症參數及/或病症權重的控制指令並且予以傳送給症狀參數輸入控制器404，再透過病症評估器304修改病症係數記憶體305內的病症參數及/或病症權重記憶體306內的病症權重，藉以客製化護理人員針對受檢人員的病症辨識原則以提高病症辨識的有效性及精確度。
資料的傳輸方式係透過核心有限狀態機405所接收到的控制指令予以決定。對於無線傳輸方式，調變器409及解調變器410可採用振幅移位鍵控(ASK)、相位移位鍵控(PSK)、頻率移位鍵控(FSK)、或諸如此類的手段予以實現，但本發明不侷限於此。
無線射頻電路通常主導整體系統晶片之功率消耗，若採用習知的I/Q調變/解調變架構進行近身端無線射頻收發機112的無線射頻電路設計，因需要混波器與高增益放大器進行解調，會使得功率消耗遽升並且縮短裝置的使用時間。為了簡化無線射頻電路的硬體並且降低功率消耗，本發明的無線射頻電路設計不採用習知利用正負回授加強信號的方式，主要是採用超再生技術，結合貼身端數位資料控制器之數位輸出與調變技術，直接控制無線射頻電路裡的壓控振盪器進行高頻載波調變，以產生如振幅移位鍵控(ASK)、相位移位鍵控(PSK)、或頻率移位鍵控(FSK)之載波，再經過功率放大器予以放大以及天線予以發射到無線傳輸通道；而在接收端之無線射頻電路可採用低雜訊放大器與壓控振盪器進行數位資料的解調。此技術有別於現有標準無線網路裝置，如WiFi、Bluetooth、ZigBee所採用之I/Q調變解調技術，其複雜度與功率消耗相當低，因此較適合於可攜式與穿戴式之生理訊號檢測無線監控系統。
請參閱圖5，係為本發明生理訊號檢測無線監控系統之一具體實施例下用以表示貼身端無線射頻收發機、貼身端數位資料控制器、近身端無線射頻收發機和近身端數位資料控制器的基本架構方塊圖，如圖5所示，貼身端無線射頻收發機105包括：功率放大器501、低雜訊放大器502、壓控振盪器(503、504)、以及抑制產生器(QuenchGenerator) 505。近身端無線射頻收發機112包括：功率放大器506、低雜訊放大器507、壓控振盪器(508、509)、以及抑制產生器510。近身端數位資料控制器113包括：調變器511、解調變器512、編碼器513與解碼器514。
待檢人員端調變器409傳送過來的無線檢測資料控制壓控振盪器503輸出振盪訊號給功率放大器501以產生射頻檢測訊號，射頻檢測訊號係透過天線106傳送到無線傳輸通道。天線111從無線傳輸通道接收到的射頻檢測訊號係傳送至近身端無線射頻收發機112內部之低雜訊放大器507進行訊號放大，此經放大的調變訊號可透過壓控振盪器509與抑制產生器510的處理與控制予以還原出無線檢測資料。無線檢測資料經過解調變器512的解調以及解碼器514的解碼後輸出數位檢測資料。數位檢測資料係傳送到近身端數位訊號處理器114進行降頻與濾波處理以還原對應於生理訊號的生理資料並顯示於監視器115供護理人員進行診斷。
如上所述，護理人員可依據診斷結果決定是否要透過監視器115發出控制指令對貼身端裝置100進行控制，例如生理訊號擷取、訊號輸出格式或病症參數修改等，但本發明不侷限於此。護理人員的控制指令係透過監視器115經由近身端數位資料控制器113裡的編碼器513與調變器511編碼並且調變成無線指令資料。該無線指令資料經由壓控振盪器508與功率放大器506處理後，以射頻指令訊號的形式透過天線111、無線傳輸通道及天線106傳送到貼身端裝置100。來自天線106的射頻指令訊號係透過貼身端無線射頻收發機105內部之低雜訊放大器502進行訊號放大，此經放大的訊號再經由壓控振盪器504、抑制產生器505的處理與控制而還原出無線指令資料。該無線指令資料係傳送到貼身端數位資料控制器104由解調變器410與解碼器進行解調與解碼以還原護理人員所下達的控制指令。核心有限狀態機405接收此控制指令以進行如上所述的控制動作。
為提供使用者進行生理訊號的即時監控與醫護人員進行疾病診斷，在近身端數位訊號處理器需具備頻譜反轉換的能力，如小波反轉換(Inverse Wavelet Transform)，與降頻濾波器能力，以還原生理資料，並呈現可能的疾病於顯示器上。請參閱圖6，係為本發明生理訊號檢測無線監控系統之一具體實施例下用以表示近身端數位訊號處理器的基本架構方塊圖，在圖6中，近身端數位訊號處理器114包括：頻譜反轉換器601、症狀參數輸出暫存器602、截波穩定電路603與降頻濾波器604。為還原類比前端檢測電路102輸出之數位檢測資料，截波穩定電路603可將訊號由中低頻範圍(10kHz~10MHz)調變至低頻範圍(<1 KHz)，並透過降頻濾波器(Decimation Filter)604將量化雜訊濾除，最後還原出數位檢測資料並予以顯示於監視器115。此外，來自於貼身端數位訊號處理器103之頻譜轉換係數可透過頻譜反轉換器601予以從頻域資料還原成時域資料，並顯示於監視器115。其中，貼身端數位訊號處理器103之病症評估器304所產生的標的病症碼，可透過症狀參數輸出暫存器602舉例以查表的方式將病症資訊顯示於監視器115，藉以提供給護理人員參考。
本文已用具體實施例的方式詳盡說明本發明所設計之生理訊號檢測無線監控系統可利用貼身端裝置(本發明的生理訊號檢測端裝置)所具備的精巧、省電、高解析度、疾病辨識及與護理人員溝通等優點，而在近身端裝置(本發明的生理訊號分析端裝置)可提供使用者或護理人員進行生理訊號即時監控與疾病診斷之參考，任何熟習此項技術之人士可利用不同的通訊協定與電路架構實現本發明，舉例而言，還可利用近場通訊(NFC, Near Field Communication)或遠場通訊(FFC, Far Field Communication)等通訊技術實現本發明。是以，對本發明的通訊協定與電路架構進行簡易的修改均應包含在本發明的保護範疇內。
另外，本文為方便說明，在貼身端裝置100(本發明的生理訊號檢測端裝置)及近身端裝置110(本發明的生理訊號分析端裝置)中元件之間溝通所使用的訊號或資料的名稱可能相同。但這只是例示性具體實施例，任何熟習此項技術之人士經由閱讀本發明所揭露的內容，都能輕易地藉由調整元件的設計或配置而使元件與元件之間的訊號或資料有所差異而不脫離本發明之範疇。
綜上所述，上述實施例僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
10‧‧‧生理訊號檢測無線監控系統
100‧‧‧貼身端裝置
101‧‧‧感測器
102‧‧‧類比前端檢測電路
103‧‧‧貼身端數位訊號處理器
104‧‧‧貼身端數位資料控制器
105‧‧‧貼身端無線射頻收發機
106‧‧‧貼身端天線
110‧‧‧近身端裝置
111‧‧‧近身端天線
112‧‧‧近身端無線射頻收發機
113‧‧‧近身端數位資料控制器
114‧‧‧近身端數位訊號處理器
115‧‧‧監視器
201‧‧‧截波穩定電路
202‧‧‧前置放大器
203‧‧‧高通三角積分調變器
301‧‧‧頻譜轉換器
302‧‧‧心跳偵測器
303‧‧‧頻譜分析係數暫存器
304‧‧‧病症評估器
305‧‧‧病症係數記憶體
306‧‧‧病症權重記憶體
401‧‧‧生理訊號輸出控制器
402‧‧‧頻譜係數輸出控制器
403‧‧‧症狀碼輸出控制器
404‧‧‧症狀參數輸入控制器
405‧‧‧核心有限狀態機
406‧‧‧保存記憶體
407‧‧‧編碼器
408‧‧‧解碼器
409‧‧‧調變器
410‧‧‧解調變器
501‧‧‧功率放大器
502‧‧‧低雜訊放大器
503、504‧‧‧壓控振盪器
505‧‧‧抑制產生器(Quench Generator)
506‧‧‧功率放大器
507‧‧‧低雜訊放大器
508、509‧‧‧壓控振盪器
510‧‧‧抑制產生器
511‧‧‧調變器
512‧‧‧解調變器
513‧‧‧編碼器
514‧‧‧解碼器
601‧‧‧頻譜反轉換器
602‧‧‧症狀參數輸出暫存器
603‧‧‧截波穩定電路
604‧‧‧降頻濾波器
下文配合附加圖式藉由具體實施例的說明，得以更容易地瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。[圖1]為本發明生理訊號檢測無線監控系統的系統基本架構方塊圖；[圖2]為圖1所示之類比前端檢測電路的基本架構方塊圖；[圖3]為圖1所示之貼身端數位訊號處理器的基本架構方塊圖；[圖4]為圖1所示之貼身端數位資料控制器的基本架構方塊圖；[圖5]為圖1所示之貼身端無線射頻收發機、近身端無線射頻收發機和近身端數位資料控制器架構的方塊圖；以及[圖6]為圖1所示之近身端數位訊號處理器的系統基本架構方塊圖。
10‧‧‧生理訊號檢測無線監控系統
100‧‧‧貼身端裝置
101‧‧‧感測器
102‧‧‧類比前端檢測電路
103‧‧‧貼身端數位訊號處理器
104‧‧‧貼身端數位資料控制器
105‧‧‧貼身端無線射頻收發機
106‧‧‧貼身端天線
110‧‧‧近身端裝置
111‧‧‧近身端天線
112‧‧‧近身端無線射頻收發機
113‧‧‧近身端數位資料控制器
114‧‧‧近身端數位訊號處理器
115‧‧‧監視器

Claims (18)

  1. 一種用於檢測生理訊號的無線監控系統，其包括：類比前端檢測電路，係用於處理該生理訊號以產生時域的數位檢測資料；貼身端數位訊號處理器，係連接到該類比前端檢測電路，用於接收該數位檢測資料並且產生含頻域的頻譜轉換係數；貼身端數位資料控制器，係連接到該類比前端檢測電路，用於接收、編碼並且調變該數位檢測資料，或連接到該貼身端數位訊號處理器，用於接收該頻譜轉換係數以產生無線檢測資料；以及貼身端無線射頻收發機，係連接到該貼身端數位資料控制器，用於接收並且處理該無線檢測資料以及產生並且傳送射頻檢測訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該類比前端檢測電路包括具有用於將該生理訊號由低頻訊號轉換成中低頻訊號的截波穩定電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該類比前端檢測電路包括使該數位檢測資料帶有量化雜訊而具有保密功效的高通三角積分調變器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該貼身端數位訊號處理器具有用於將該頻譜轉換係數轉換成心跳資料的心跳偵測器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該貼身端數位訊號處理器具有用來暫存並且傳送該頻譜轉換係數的頻譜分析係數暫存器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該貼身端數位訊號處理器具有依據該頻譜轉換係數以產生標的病症碼的病症評估器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該貼身端數位資料控制器具有用以儲存該頻譜轉換係數的保存記憶體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該貼身端無線射頻收發機具有壓控振盪器並且以超再生技術傳送該射頻檢測訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的無線監控系統，其中該貼身端無線射頻收發機復用以接收自外部所傳送的射頻指令訊號並且產生無線指令資料，且該貼身端數位資料控制器具有用於解調並且解碼該無線指令資料以產生控制指令的解調變器與解碼器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的無線監控系統，其中該貼身端數位訊號處理器儲存有病症參數或病症權重，且該貼身端數位訊號處理器具有用以依據該控制指令修改該病症參數或病症權重的病症評估器。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的無線監控系統，其再具有：近身端無線射頻收發機，係用來接收自該貼身端無線射頻收發機所傳送的射頻檢測訊號並且還原出該無線檢測資料、或輸出供該貼身端無線射頻收發機接收的射頻指令訊號；以及近身端數位資料控制器，係連接到該近身端無線射頻收發機，用於接收該無線檢測資料並且還原該數位檢測資料、或接收用以產生該控制指令而用以傳送的該無線指令資料給該近身端無線射頻收發機。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的無線監控系統，再具有近身端數位訊號處理器，係連接到該近身端數位資料控制器，用於接收該數位檢測資料並且輸出對應於該生理訊號的生理資料。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的無線監控系統，其中該近身端數位訊號處理器具有用於將該無線檢測資料由頻域資料轉換成時域資料的頻譜反轉換器。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的無線監控系統，其中該近身端數位訊號處理器具有用以依據該無線檢測資料產生病症資訊的症狀參數輸出暫存器。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的無線監控系統，其中該近身端數位訊號處理器具有用以將該無線檢測資料由中低頻調變至低頻並且濾除量化雜訊的截波穩定電路與降頻濾波器。
  16. 一種生理訊號分析端裝置，其包括：分析端無線射頻收發機，係用來接收外部傳來的射頻檢測訊號並且還原出無線檢測資料、或傳送本端所產生的射頻指令訊號；以及分析端數位資料控制器，係連接到該分析端無線射頻收發機，用於接收該無線檢測資料並且還原為數位檢測資料、或接收外部傳來的控制指令以產生並予以傳送之無線指令資料給該分析端無線射頻收發機，使該分析端無線射頻收發機將該無線指令資料處理為該射頻指令訊號，並予以傳送。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的生理訊號分析端裝置，再具有分析端數位訊號處理器，係連接到該分析端數位資料控制器，用於接收該無線檢測資料並且輸出對應於該生理訊號的生理資料。
  18. 一種與如申請專利範圍第16項所述的生理訊號分析端裝置搭配的生理訊號檢測端裝置，該生理訊號檢測端裝置包括： 類比前端檢測電路，係用於處理該生理訊號以產生時域的數位檢測資料；檢測端數位訊號處理器，係連接到該類比前端檢測電路，用於接收該數位檢測資料並且產生含頻域的頻譜轉換係數；檢測端數位資料控制器，係連接到該類比前端檢測電路，用於接收、編碼並且調變該數位檢測資料，或連接到該檢測端數位訊號處理器，用於接收該頻譜轉換係數以產生待傳送的無線檢測資料；以及檢測端無線射頻收發機，係連接到該檢測端數位資料控制器，用於接收該待傳送的無線檢測資料並處理為供該分析端無線射頻收發機接收的該射頻檢測訊號。
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