TW202127027A

TW202127027A - 生理訊號感測與補償系統

Info

Publication number: TW202127027A
Application number: TW108148577A
Authority: TW
Inventors: 游舜宇; 李承雅; 范光慶
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-07-16
Also published as: CN113116354A; US20210196208A1

Abstract

一種生理訊號感測與補償系統，用以接觸一待測物並感測生理訊號值，包括一生理訊號感測模組、一補償模組以及一運算單元。生理訊號感測模組提供一初始感測訊號，補償模組包含一收集機構，用以收集待測物的生理液體，其中補償模組根據收集機構收集到的生理液體提供一補償訊號。運算單元電性連接生理訊號感測模組與補償模組，並根據初始感測訊號與補償訊號計算出並提供一補償後感測訊號。

Description

生理訊號感測與補償系統

本發明係關於一種生理訊號感測與補償系統，特別係有關於一種具有生理訊號感測模組與補償模組的系統。

隨著科技的發展，市面上已出現可感測人體生理訊號的裝置，例如穿戴式的健康手環、智慧手錶或智慧耳機，或是肌電訊號（Electromyography，EMG）裝置、心電紀錄（Electrocardiography，ECG）等裝置，具備生理監測功能，如包含心跳、血氧、體溫或熱量感測等，藉以提供人們更豐富的使用經驗和準確的檢查資訊。然而，在配戴這些生理訊號感測裝置時，會因裝置受到人體活動產生的汗液影響，進而造成裝置所接收到的訊號有所差異，而使得獲得的數值或資訊並非準確。面對人們追求輕型化、更便利、更準確的裝置使用經驗的渴望，如何提供一種小型並具優良的量測功能，例如使裝置在有汗狀態與無汗狀態具有相同準確度的感測訊號，是一重要課題。

本發明之一實施例提供一種生理訊號感測與補償系統，用以接觸一待測物並感測生理訊號值，包括一生理訊號感測模組、一補償模組以及一運算單元。生理訊號感測模組提供一初始感測訊號，補償模組包含一收集機構，用以收集待測物的生理液體，其中補償模組根據收集機構收集到的生理液體提供一補償訊號。運算單元電性連接生理訊號感測模組與補償模組，並根據初始感測訊號與補償訊號計算出並提供一補償後感測訊號。

於一實施例中，前述補償模組與生理訊號感測模組相鄰設置。

於一實施例中，前述收集機構包含一收集件，當生理訊號感測與補償系統量測生理訊號值並接觸待測物時，收集件接觸待測物並用以收集生理液體。

於一實施例中，前述收集機構更包含一電容元件，收集件設置於電容元件中，且電容元件具有一電容值，其中當收集件收集生理液體時，補償模組傳遞包含由生理液體影響的電容值的補償訊號予運算單元，運算單元根據補償訊號而對初始感測訊號修正與補償，並提供補償後感測訊號。

於一實施例中，前述收集機構更包含導線，導線電性連接電容元件與運算單元。

於一實施例中，前述收集機構更包含一阻隔件，設置於電容元件的下側，當收集機構接觸待測物時，阻隔件位於電容元件與待測物之間，且電容元件不與待測物接觸。於一實施例中，前述收集件穿過該阻隔件。

於一實施例中，前述電容元件包含兩個平行板，收集件設置於電容元件中，且一介電體設置於前述平行板之間並圍繞收集件。於一實施例中，前述平行板係相對於收集件的長軸方向垂直。

於一實施例中，前述收集機構更包含複數個平行排列的收集件，設置於兩個平行板之間，前述收集件之間彼此不相連，且介電體圍繞前述收集件。

於一實施例中，前述電容元件包含一對柵欄式平行板，每一柵欄式平行板具有複數個平行子板，每一柵欄式平行板之相鄰的兩個平行子板之間具有一間隙，且每一平行子板插設在間隙之中。

於一實施例中，前述每一個平行子板間設置有介電體。

於一實施例中，前述收集機構具有一長條帶狀，並收捲成一圓形結構，其中收集機構具有複數個收集件，位於前述平行板之間。

於一實施例中，前述收集機構更包含一電阻元件，電阻元件具有複數個隔板，前述格板之間具有一間隔，且電阻元件具有一電阻值，其中當收集件收集生理液體時，補償模組傳遞包含由生理液體影響的電阻值的補償訊號予運算單元，運算單元根據補償訊號而對初始感測訊號修正與補償，並提供補償後感測訊號。

於一實施例中，前述收集機構更包含一電感元件與一導線，電感元件圍繞收集件，導線纏繞於電感元件的外側並電性連接至運算單元，且電感元件具有一電感值，其中當收集件收集生理液體時，補償模組傳遞包含由生理液體影響的電感值的補償訊號予運算單元，運算單元根據補償訊號而對初始感測訊號修正與補償，並提供補償後感測訊號。

有關本發明之裝置與系統適用之其他範圍將於接下來所提供之詳述中清楚易見。必須了解的是，下列之詳述以及具體之實施例，當提出有關裝置與系統之示範實施例時，僅作為描述之目的以及並非用以限制本發明之範圍。

除非另外定義，在此使用的全部用語（包括技術及科學用語），具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有一與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在此特別定義。

請參閱第1圖，第1圖係表示本發明一實施例之生理訊號感測與補償系統100的示意圖。生理訊號感測與補償系統100可用以量測人體生理訊號，例如心跳、心電、肌電、血氧、體溫或熱量等資訊，並可應用於量測裝置或穿戴式裝置上。如第1圖所示，生理訊號感測與補償系統100包括一生理訊號感測模組10、一補償模組20與一運算單元30。前述生理訊號感測模組10用以量測人體生理感測資訊，並提供一初始感測訊號S1，補償模組20則透過收集人體所產生之生理液體（例如汗液）的方式，來偵測液量，並提供一補償訊號S2。運算單元30可為一數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP），用以接收來自生理訊號感測模組10、補償模組20的初始感測訊號S1與補償訊號S2，並根據前述初始感測訊號S1與補償訊號S2而輸出一補償感測訊號S3。

於一些實施例中，在生理訊號感測模組10和補償模組20獲得前述初始感測訊號S1及補償訊號S2後，可經一訊號電路模組PS再傳至運算單元30，舉例而言，訊號電路模組PS可包含一運算放大器（Operational Amplifier， OP-AMP）和一訊號轉換器，例如類比數位轉換器（Analog-to-digital converter, ADC），用以作訊號處理。於一些實施例中，前述訊號電路模組PS可屬於運算單元30的一部分，初始感測訊號S1及補償訊號S2經過訊號電路模組PS後再至運算單元30內的運算器進行運算。於一些實施例中，補償感測訊號S3可提供至一使用者介面UI，以讓使用者能夠讀取數值。以下將詳細說明關於前述生理訊號感測與補償系統100。

生理訊號感測與補償系統100的生理訊號感測模組10和補償模組20，兩者可相鄰設置，或者，補償模組20可設置於生理訊號感測模組上，亦或使用前述個別的配置並設置於一感測板上，用以接觸一待測物（如第2圖之皮膚表面SS）並感測生理訊號值。如第2圖所示，前述補償模組20包含一收集機構21，用以收集人體生理液體，例如汗液。於本實施例中，收集機構21包含一收集件211、一電容元件212與一阻隔件213。收集機構21用以接觸在人體SS，以獲取生理液體，進而可讓補償模組20提供補償訊號S2。

前述收集件211可為一收集液體用之管件，電容元件212具有一對平行板2121、2122，例如銅片，其為可將電能儲存在電場中之電子元件，平行板2121、2122之間具有一距離，於一些實施例中，兩者距離0.5mm~2.0mm，於另一實施例中，兩者距離為1.2mm，收集件211設置於前述電容元件212之中（或位於平行板2121、2122之間），且一介電體SP填於平行板2121、2122之間並圍繞或包覆收集件211，介電體SP用以增加電容元件212的儲電能力，其可具有玻璃、陶瓷、氧化物等材質。

阻隔件213可為一具絕緣材質之外殼，設置於電容元件212與收集件211的底側，用以避免電容元件212與皮膚表面SS直接接觸而影響其電容值，阻隔件213亦設置在電容元件212與收集件211的上方，可避免電容元件212與外界物質接觸而影響電容。其中，阻隔件213係包覆住電容元件212的底部的一部分，或是設在電容元件212的下方，而收集件211則穿過阻隔件213以利獲取皮膚表面SS的生理液體。

當皮膚表面SS上有汗液SL時，收集機構21的收集件211直接接觸皮膚表面SS而可收集、汲取汗液SL，例如透過毛細現象。被收集的汗液SL會進入收集件211中，使得電容元件212的電容值有所變化。也就是說，當有汗液SL存在時，收集機構21內的電容元件212的電容值會相對於沒有汗液SL存在時不同，補償模組20根據目前收集到的汗液量，透過導線CL電性連接至運算單元30，可提供補償訊號S2（本實施例為電容元件212的電容值變化之訊號）予運算單元30，如此，運算單元30在接收到初始感測訊號S1和補償訊號S2後，可依據預先於其資料庫（例如記憶體內）建立的補償對應表，例如類比補償訊號值，而對初始感測訊號S1進行修正與補償，進而提供一補償後感測訊號S3。

如此一來，生理訊號感測與補償系統100可提供具更佳、更真實的數據表現，藉由補償模組20的補償訊號S2而對初始感測訊號S1作調整，以避免因感測模組10受到人體生理液體而影響真實數據表現，大幅提升量測裝置的精準度、可信度。

第3圖係表示本發明另一實施例之收集機構21B。相較於第2圖中的收集機構21，本實施例之收集機構21B的電容元件212係以橫向的方式設置，即其平行板2121、2122相對於皮膚表面SS是平行或大致平行，相對於收集件211的長軸方向則是相對垂直或大致垂直。收集件211穿過阻隔件213與下側的平行板2122，用以與皮膚表面SS接觸，而得以收集汗液SL。使得電容元件212的電容值有所變化，進而輸出一補償訊號S2予運算單元30，之後運算單元30提供一補償後感測訊號S3，以提供更真實、更準確的生理資訊。

第4圖係表示本發明另一實施例之收集機構21C。相較於第3圖中的收集機構21B，本實施例之收集機構21C具有複數個收集件211，佈置於電容元件212中且彼此不相連，並穿過阻隔件213與下側的電容元件212之平行板2122，用以與皮膚表面SS接觸，介電體SP設置於兩平行板2121、2122之間，並包覆或圍繞前述複數個收集件211。透過多個收集件211，可量測較大範圍的皮膚表面SS，且能夠讓訊號補償的刻度更為精細，讓此區域的皮膚表面SS所量測的生理資訊更為準確、更細緻。於一些實施例中，前述複數個收集件211可當作一較大的收集槽。

第5圖係表示本發明另一實施例之收集機構21D。本實施例之收集機構21D之電容元件212具有一對柵欄式平行板2121、2122，兩者對應的交錯配置，詳細而言，每一柵欄式平行板2121或2122具有數個平行子板，相鄰的兩個平行子板之間具有一間隙G，平行板2121之相鄰的兩個平行子板之間的間隙G與平行板2122之相鄰的兩個平行子板之間的間隙G可相同亦可不同。柵欄式平行板2121、2122的平行子板係相對插設在對方的間隙G中，以形成複數對可填入介電體SP的平行板，亦即平行板2121相鄰的兩個平行子板之間設置有平行板2122的一個平行子板，上述平行板2122的平行子板與相鄰的平行板2121的平行子板間設置有介電體SP。同理，平行板2122相鄰的兩個平行子板之間設置有平行板2121的一個平行子板，上述平行板2121的平行子板與相鄰的平行板2122的平行子板間設置有介電體SP。如此可大幅增加電容元件212的儲電能力、增加電容量測面積，進而提高汗液量的量測準確度，如此可提供更準確的補償後感測訊號S3。

第6圖係表示本發明另一實施例之收集機構21E。於本實施例中，收集機構21E為一長條帶狀物，並可收捲成一圓形結構，如第6圖所示。收集機構21E包含電容元件212、設置於電容元件212之間的複數個收集件211、介電體SP（如第2圖所示）填於電容元件212兩平行板之間，阻隔件213設置於電容元件212下側，用以阻擋電容元件212與皮膚SS直接接觸，且導線CL設置於電容元件212、收集件211的上側（相反於前述下側），以電性連接前述運算單元30。

值得注意的是，在長條狀的收集機構21E中，設置有複數個平行排列的收集件211，如此可在不同位置的皮膚表面SS配置有收集件211，使得增加量測皮膚表面SS的面積而提供相對於真實皮膚更準確的補償訊號S2，且由於本實施例之收集機構21E係收捲成一圓形結構，使得應用在人體上的生理量測裝置可大幅縮小，有小型化之利。

第7圖係表示本發明另一實施例之收集機構21F，相較於第5圖中的柵欄式收集機構21D，本實施例之收集機構21F的電容元件212具有外圈平行板2121和內圈平行板2122，外、內圈平行板2121、2122皆具有複數個平行子板，與第5圖中之交錯配置的方式相同。如此一來，電容元件212可提供更大的儲電能力，增加電容量測面積，進而提高汗液量的量測準確度。

第8圖係顯示本發明另一實施例之收集機構31。本實施例之收集機構31具有一電阻元件311，其具有複數個隔板3111，以形成複數個間隔311A。在電阻元件311的兩側設置導線CL，以電性連接前述運算單元30。

當生理訊號感測與補償系統100用以量測人體身理訊號而接觸皮膚表面SS時，收集機構31會與皮膚表面SS接觸，如此表面有汗液或其他生理液體，可進入至間隔311A中，使得電阻元件311的等效電阻改變，其整體電阻值下降、導電率提升，補償模組20係根據收集機構31收集到的液體而造成其電阻元件311的電阻值變化，來提供一包含電阻值變化的補償訊號S2內容。

也就是說，不同於第1~7圖中利用電容元件212的電容值變化，本實施例係以根據電阻元件311的電阻值變化而量測汗液量，進而提供一補償訊號S2，如此亦能夠達成對運算單元30提供準確的補償訊號S2，運算單元30再依據預設的電阻值變化補償表，而提供一補償後感測訊號S3。關於前述電阻的量測，舉例而言，可利用一外加電源串聯安培計測量電流同時並聯伏特計來測量電壓，進而可得出電阻值以提供補償訊號S2，而運算單元30可根據收到補償訊號S2內的電阻值資訊，比對預設的電阻值，獲得兩者的差異而對初始感測訊號S1進行修正與補償，進而提供補償後感測訊號S3。

第9圖係顯示本發明另一實施例之收集機構41。本實施例之收集機構41具有一收集件411、一電感元件412與導線CL。電感元件412係包覆或圍繞收集件411，導線CL纏繞於電感元件412外側，並電性連接至前述運算單元30。當生理訊號感測與補償系統100用以量測人體身理訊號而接觸皮膚表面SS時，收集機構41會與皮膚表面SS接觸，若表面有汗液或其他生理液體，會影響電感元件412的一電感值。而關於計算電感值，舉例而言，可利用電感匝數並實施一固定通電量所產生的磁通量計算電感量，如此可提供一包含電感值變化的補償訊號S2內容。也就是說，不同於第1~8圖中利用電容值或電阻值變化，本實施例係以根據電感元件411的電感值變化而量測汗液量，進而提供一補償訊號S2，如此亦能夠達成對運算單元30提供準確的補償訊號S2，運算單元30再依據預設的電感值變化補償表，而提供一補償後感測訊號S3。

第10圖係表示一示範例之處於不同量的汗液下所量測到的生理訊號頻譜圖（如右邊兩個10%、20%之頻譜圖，代表在收集件處於收集了其管中10%、20%的汗液量的皮膚表面未經補償的頻譜圖，由右邊兩個頻譜圖可看出汗液會影響訊號值），其中橫軸座標表示頻率，單位為赫茲（Hz），縱軸座標則表示相對訊號強度大小（magnitude），單位為毫伏（mV），經過前述補償模組20（由前述收集機構21、21B~21F、31或41收集）所提供之補償訊號S2的修正，而可獲得相等或貼近無汗液下的生理訊號頻譜圖（如最左方頻譜圖），如此可大幅提高裝置所量測到的資訊正確度。

以上各實施例間之特徵只要不違背本發明揭露精神或互相衝突，均可混合搭配使用。需注意的是，前述收集件，並不僅以長管為限制，於一些實施例中，其可為槽體、容納裝置或適當裝載生理液體的物件；於一些實施例中，所收集到的生理液體中也可能包含大氣中的物質，並非只指人體所產生之物質。

綜上所述，本發明之實施例提供一種生理訊號感測與補償系統，用以接觸一待測物並感測生理訊號值，包括一生理訊號感測模組、一補償模組以及一運算單元。生理訊號感測模組提供一初始感測訊號，補償模組設置於生理訊號感測模組上，並包含一收集機構，用以收集待測物的生理液體，其中補償模組根據收集機構收集到的生理液體提供一補償訊號。運算單元電性連接生理訊號感測模組與補償模組，並根據初始感測訊號與補償訊號計算出並提供一補償後感測訊號。

本發明實施例透過生理訊號感測與補償系統的補償模組，可針對待測物上的液體進行收集進而提供一補償訊號，而運算單元根據此補償訊號可對初始感側訊號進行修正與補償，如此可增進訊號準確度，避免訊號失真，大幅提高感測裝置的精準度與優良度。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

上述之實施例以足夠之細節敘述使所屬技術領域之具有通常知識者能藉由上述之描述實施本發明所揭露之裝置，以及必須了解的是，在不脫離本發明之精神以及範圍內，當可做些許更動與潤飾，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:生理訊號感測與補償系統 10:生理訊號感測模組 20:補償模組 21、21B、21C、21D、21E、21F、31、41:收集機構 211、411:收集件 212:電容元件 2121、2122:平行板 213:阻隔件 30:運算單元 311:電阻元件 311A:間隔 3111:隔板 411:電感元件 CL:導線 G:間隙 PS:訊號電路模組 SP:介電體 SS:皮膚表面（待測物） S1:初始感測訊號 S2:補償訊號 S3:補償感測訊號 UI:使用者介面

第1圖係表示本發明一實施例之生理訊號感測與補償系統的示意圖。第2圖係表示本發明一實施例之收集機構的示意圖。第3圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第4圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第5圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第6圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第7圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第8圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第9圖係表示本發明另一實施例之收集機構的示意圖。第10圖係表示一示範例之處於不同量的汗液下所量測到的生理訊號頻譜圖，經過前述補償模組所提供之補償訊號的修正，而可獲得相同或大致相同於無汗液下的生理訊號頻譜圖的示意圖。

100:生理訊號感測與補償系統

10:生理訊號感測模組

20:補償模組

30:運算單元

PS:訊號電路模組

S1:初始感測訊號

S2:補償訊號

S3:補償感測訊號

UI:使用者介面

Claims

一種生理訊號感測與補償系統，用以接觸一待測物並感測生理訊號值，包括：一生理訊號感測模組，提供一初始感測訊號；一補償模組，包含：一收集機構，用以收集該待測物的一生理液體，其中該補償模組根據該收集機構收集到的該生理液體，提供一補償訊號；以及一運算單元，電性連接該生理訊號感測模組與該補償模組，並根據該初始感測訊號與該補償訊號計算出並提供一補償後感測訊號。
如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該補償模組與該生理訊號感測模組相鄰設置。
如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集機構包含一收集件，當該生理訊號感測與補償系統量測生理訊號值並接觸該待測物時，該收集件接觸該待測物並用以收集該生理液體。
如申請專利範圍第3項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集機構更包含一電容元件，該收集件設置於該電容元件中，且該電容元件具有一電容值；其中當該收集件收集該生理液體時，該補償模組傳遞包含由該生理液體影響的該電容值的該補償訊號予該運算單元，該運算單元根據該補償訊號而對該初始感測訊號修正與補償，並提供該補償後感測訊號。
如申請專利範圍第4項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集機構更包含導線，該導線電性連接該電容元件與該運算單元。
如申請專利範圍第4項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集機構更包含一阻隔件，設置於該電容元件的下側，當該收集機構接觸該待測物時，該阻隔件位於該電容元件與該待測物之間，且該電容元件不與該待測物接觸。
如申請專利範圍第6項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集件穿過該阻隔件。
如申請專利範圍第4項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該電容元件包含兩個平行板，該收集件設置於該電容元件中，且一介電體設置於該些平行板之間並圍繞該收集件。
如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該些平行板相對於該收集件的長軸方向垂直。
如申請專利範圍第9項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集機構更包含複數個平行排列的收集件，設置於該些平行板之間，該些收集件之間彼此不相連，且該介電體圍繞該些收集件。
如申請專利範圍第4項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該電容元件包含一對柵欄式平行板，每一柵欄式平行板具有複數個平行子板，該每一柵欄式平行板之相鄰的兩個平行子板之間具有一間隙，且該每一平行子板插設在該間隙之中。
如申請專利範圍第11項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該每一個平行子板間設置有一介電體。
如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測與補償系統，其中該收集機構具有一長條帶狀，並收捲成一圓形結構，其中該收集機構具有複數個收集件，位於該些平行板之間。
如申請專利範圍第3項所述之生理訊號感測與補償系統，其中收集機構更包含一電阻元件，該電阻元件具有複數個隔板，該些隔板之間具有一間隔，且該電阻元件具有一電阻值；其中當該收集件收集該生理液體時，該補償模組傳遞包含由該生理液體影響的該電阻值的該補償訊號予該運算單元，該運算單元根據該補償訊號而對該初始感測訊號修正與補償，並提供該補償後感測訊號。
如申請專利範圍第3所述之生理訊號感測與補償系統，其中收集機構更包含一電感元件與一導線，該電感元件圍繞該收集件，該導線纏繞於該電感元件的外側並電性連接至該運算單元，且該電感元件具有一電感值；其中當該收集件收集該生理液體時，該補償模組傳遞包含由該生理液體影響的該電感值的該補償訊號予該運算單元，該運算單元根據該補償訊號而對該初始感測訊號修正與補償，並提供該補償後感測訊號。