TWI362253B - Non-contact apparatus for monitoring heart-lung activities and method for acquiring the same - Google Patents

Description

1362253 • · 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種非接觸式心肺活動監視裝置及心肺活 動訊號之操取方法，特別係關於一種使用高頻弦波脈衝序 列量測心跳及呼吸訊號之非接帛式心肺活動監視裝置及心 肺活動訊號之棟取方法。 【先前技術】 早產兒常發生呼吸障礙疾病，例如呼吸暫停或間歇性呼 吸等。呼吸障礙疾病可引發兩種症狀：其一主要發生於早 產兒的呼吸暫停，又稱未熟性呼吸暫停症（apnea prematurity，αορ);另一則為嬰兒猝死症（suddeninfant death syndrome，SIDS )或明顯瀕死事件（apparent Ufe threatening event ’ Alte )。未熟型呼吸暫停症如不予以治 療的話，有這種病症的早產兒屬於嬰兒猝死症的高危險群 ，在家中發生意外的可能性較高。呼吸停止後可能合併發 生心跳遲緩，甚至血壓下降等血流動力學上的連鎖反應， 而這些血流動力學上的變化則可能會引起重要器官，尤其 疋腦組織暫時性的缺血或缺氧，甚至造成永久性傷害。臨 床上對早產兒的照顧經常遭遇到嬰兒在其它各方面均已經 恢復而達可出院回家的狀態，僅有此類偶發性的呼吸暫停 症使得他們必須留在醫院裡接受持續觀察。 目前臨床使用之嬰兒監視器皆以傳統的床邊病人生理監 視器為基礎，使用上必須以三片電極緊貼在嬰兒胸部皮膚 上’棟取因呼吸而產生的胸腔阻抗之變化訊號以及心跳訊 100210 113286 〇〇5β9〇4〇3·1 -6- 號’然後將此兩種訊號以濾波器分離轉換計算為呼吸頻率 及心跳頻率。此種監測技術之最大缺點為電極長期接觸皮 膚易於造成敏感紅腫潰爛等後遺症。此外，臨床用監視器 之價格相當昂貴，因而不適於居家護理用途。 ， 為了解決上述問題，美國專利US 4,738,264揭示一種可放 置於床上且與病人分離之振動量測裝置，其工作原理為將 啤吸與心跳造成人體體表之微弱振動經、過床舖傳送至量測 I置’再轉換為代表嬰兒呼吸與心跳之综合能量指標。此 技術之缺點為無法準確的分辨及量測嬰兒之呼吸頻率與 心跳頻率，因此無法滿足臨床對於AOP之偵測警示閥值之 需求（即呼吸率低於20次/分鐘或呼吸中丰期間超過丨5秒， 及心跳率低於8〇次/分鐘）。 另’美國專利US 5，964,720揭示一種分散式振動量測系統 .其使用壓電晶體為振動感測元件，並以條狀導電薄膜作 為感測元件之基座。這些條狀導電膜可埋入床塾、椅背或 椅塾内以便偵測病人呼吸與心跳所造成之人體體表微弱振 動。此一技術之主要缺點在於感測元件所擷取之訊號為心 臟與胸腔振動經過人體與床舖或座椅傳送，易受到環境振 動雜訊之干擾。 '【發明内容】 本發明提供一種使用高頻弦波脈衝序列量測心跳及呼吸 訊號之非接觸式心肺活動監視裝置及心肺活動訊號之操取 方法’其可避免習知技藝使用電極長期接觸皮膚而易於造 成敏感紅腫潰爛等後遺症。

1362253 I ▲本發明之非接觸式心肺活動監視裝置包含-輸出-探測 馬頻弦波脈衝序列及一參考高頻弦波脈衝序列之脈衝序列 產生器、-發射該探測高頻弦波脈衝序列至一心肺部之發 射天線、-接收經該心、肺部散射之探測高頻弦波脈衝序列 的接收天線、一平衡混波器以及一根據該心肺部散射之探測 脈衝序列產生心肺活動訊號之訊號處理模組。該平衡混波器

包含一接收該參考高頻弦波脈衝序列之第一輸入埠以及一電 氣連接於該接收天線之第二輸入蟑。 本發明之心肺活動訊號之擷取方法可在該心肺活動異常 時發出一警示訊號，其首先發射一探測高頻弦波脈衝序列 至一心肺活動處（其散射該探測高頻弦波脈衝序列而產生 一反射高頻弦波脈衝序列），再量測該反射高頻弦波脈衝 序列與一參考高頻弦波脈衝序列之間的相位差。因該相位 差訊號與心肺活動成正比例線性關係而可轉換成一代表該 心肺活動之類比訊號，再經由該訊號處理模組之類比數位

轉換器產生數位訊號據以判斷該心肺活動之狀態並於異常 狀態時發出一警示訊號。 本發明之心肺活動訊號之擷取方法亦可量測該心肺活動 之頻率，其首先發射一探測脈波至一心肺活動處（其散射 該探測脈波而產生一反射脈波），再量測該反射脈波與一 參考脈波之間的相位差訊號。之後’將該相位差訊號轉換 成一代表該心肺活動之數位訊號，並根據該數位訊號計算 該心肺活動之頻率。 【實施方式】 100210 113286 00589c 10403-1 -8 · 1362253 • » 圖1例示本發明非接觸式心肺活動監視裝置1〇之功能方 塊圖。該接觸式心肺活動監視裝置10包含一輸出—探測高 頻弦波脈衝序列及一參考高頻弦波脈衝序列之脈衝序列產 生器12、一發射該探測高頻弦波脈衝序列至一心肺部之發 射天線42、一接收經該心肺部散射之探測高頻弦波脈衝序 列的接收天線44、一包含一第一輸入埠46A(用以接收該參 考高頻弦波脈衝序列）以及一第二輸入埠46B(電氣連接於 該接收天線44)的平衡混波器46以及一根據該心肺部散射 之探測脈衝序列產生心肺活動訊號之訊號處理模組5〇。該 心肺部散射該高頻弦波脈衝序列而產生一反射脈波，其包 含該尚頻弦波脈衝序列及一代表該待側者之呼吸或心跳的 低頻類比訊號。 圖2例示本發明非接觸式心肺活動監視裝置1〇之系統架 構圖。該脈衝序列產生器12包含一產生該高頻弦波脈衝序列 之脈波產生器20、一從該高頻弦波脈衝序列產生該探測高 頻弦波脈衝序列及該參考高頻弦波脈衝序列的分割器3 〇。 該脈波產生器20包含一產生一高頻連續弦波訊號之弦波訊 號產生器26、一產生一開關訊號之開關訊號產生器22以及 一根據該開關訊號導通使得該高頻連續弦波訊號通過而產 生該高頻弦波脈衝序列之開關元件24，其具有一訊號輸入 端24A及一訊號輸出端24B。該開關訊號產生器22包含一產 生一時脈訊號之時脈產生器22A以及一調節該時脈訊號之 時距而產生該開關訊號的波形壓縮器22B。 該非接觸式心肺活動監視裝置10可另包含一電氣柄合於 100210 113286 005890403*1 •9- 1362253 • l 該脈波產生器20之輸出端的第一放大器32A、一電氣耦合該 第一放大器32A與該分割器30之第一高頻濾波器34A、一電 氣耦合於該接收天線44之第二高頻濾波器34B以及一電氣 耦合該第二高頻濾器34B與該平衡混波器46之第二放大器 32B。較佳地’該第一放大器34A之放大倍率可增強該微波 脈波使得傳送至該平衡混波器46之訊號強度可達+7dBm。 圖3例示本發明之訊號處理模組50之功能方塊圖。該訊號 處理模組50包含一電氣耦合於該平衡混波器46之輸出端的 低頻濾波器34C、一電氣耦合於該低頻濾波器34C之第三放 大器32C、一内建類比/數位轉換器54之微處理器52、一電 氣耦合該第三放大器32C與該類比/數位轉換器54之帶通濾 波器56、一警示訊號產生器58、一用以儲存資料之記憶體 60以及一無線傳輸模組62。 該低頻濾波器34C從該平衡混波器46輸出產生代表待側 者之呼吸或心跳的類比訊號，該微處理器52内建之類比/數 位轉換器54再將類比訊號予以數位化。數位化之訊號可運 用該微處理器52之軔體將呼吸與心跳訊號分離，並以訊號 處理演算法予以分別處理及計算呼吸率或心跳率並由該警 示訊號產生器58在異常時發出警示訊號，而處理過的資料 亦可經由該無線傳輸模組62傳送至數據終端機進行統計分 析、列印與儲存等工作。 圖4例示本發明之平衡混波器4 6之輸出訊號。經過該第一 高頻濾、波器34A濾波後之高頻弦波脈衝序列再經由該分割 器3 0分為兩等份；其一為探測高頻弦波脈衝序列經由該發 100210 9〇4〇3·ι U3286 00589。 •10· 1362253 • 射天線42向一待測者之心肺部(例如胸部)輻射，其二為參考 高頻弦波脈衝序列則餚入該平衡混波器46之參考輸入端 46A。發射之探測高頻弦波脈衝序列經待測者之胸腔與心臟 政射而為該接收天線44擷取後即由該平衡混波器46與參考 尚頻弦波脈衝序列混波。該平衡混波器46之輸出為一低頻 序列脈衝，每一個脈衝之極性與振幅大小則隨著待測者之 胸腔與心臟的振動而變動。該低頻濾波器34C將低頻脈衝序 列之封包（即圖4之虛線部份）予以擷取而得到待測者之呼 吸與心跳訊號，而該第三放大器34C再將其訊號幅度予以增 強。 圖5例示本發明第一實施例之心肺活動之操取方法，其可 在該心肺活動異常時發出一警示訊號。首先利用該非接觸 式心肺活動監視裝置1 〇發射該探測高頻弦波脈衝序列至一 心肺活動處（其散射該探測脈波而產生一反射高頻弦波脈 衝序列），再量測該反射高頻弦波脈衝序列與該參考高頻 弦波脈衝序列之間的相位差訊號。之後，利用該微處理器 52内建之類比/數位轉換器54再將該相位差訊號轉換成一 代表該心肺活動之數位訊號，該訊號處理模組50之微處理 器52再根據該數位訊號判斷該心肺活動之狀態並於異常狀 態時發出一警示訊號。 該訊號處理模組50之微處理器52首先利用移動平均法（ moving average)處理數位訊號’再以軟體實現之帶通據波 器將呼吸訊號濾出。之後’比較量測之數位訊號的強度是 否大於預設之訊號強度門檻值以判斷是否偵測到呼吸的波 100210 U3286 〇〇5β9〇4〇3*ι -11 - 1362253 • 1 峰，並在一預定時間（例如20秒）内沒有數位訊號大龙該 訊號強度門檻值時產生該警示訊號，且將所有呼吸參數值 歸零以重新啟動計算流程。&夕卜，本發明亦可選擇性地在 移動平均法處理資料之後，擷取部分數位訊號（例如設定 取樣率為1/5)或捨棄系統啟動時之不穩定訊號。再者，該 訊號強度門檻值亦可根據使用者之經驗值或量測之數位訊 號的強度予以設定。 圖6例示本發明第二實施例之心肺活動訊號之擷取方法 ，其可在心跳異常時發出警示訊號。該非接觸式心肺活動 監視裝置10操取之數位訊號可為一心跳訊號，而該警示訊 號係一心跳停止訊號。該訊號處理模組5〇之微處理器52首 先利用軟體實現之帶通濾波器將心跳訊號濾出，並根據使 用者之經驗值或量測之數位訊號的強度設定一訊號強度門 檻值’再比較量測之數位訊號的強度是否大於該訊號強度 門植值判斷是否偵測到心跳訊號。若在一預定時間（例如 40秒）内沒有數位訊號大於該訊號強度門檻值時發出該警 不訊號。 圖7例示本發明量測一待測者之呼吸頻率（心跳頻率）的 方法。首先，利用該非接觸式心肺活動監視裝置10發射該 探測脈波至待測者之心肺活動處（其散射該探測脈波而產 生一反射脈波），再量測該反射脈波與該參考脈波之間的 相位差訊號。之後，利用該微處理器52内建之類比/數位轉 換器5 4再將該相位差訊號轉換成一代表該心肺活動之數位 訊號，而該訊號處理模組50之微處理器52再根據該數位訊 100210 113286 005890403*1 -12- 1362253 應 · 號計算該待測者之心跳頻率。 該訊號處理模組50之微處理器52首先利用移動平均法處 理原始之數位訊號，再以軟體實現之帶通濾波器將呼吸訊 號濾出。之後，比較量測之數位訊號的強度是否大於預設 之訊號強度門檻值判斷是否偵測到心跳訊號的波峰❿若偵 測到心跳訊號的波峰，則計算此次心跳訊號之波峰與上次 心跳訊號之波峰的時間差並存入記憶體。之後，平均複數 φ ㈤訊號波峰之時間差以計算平均週期，並根據平均週期計 #心跳頻率。此外’本發明亦可選擇性地在移動平均法處 理資料之後，擷取部分數位訊號（例如設定取樣率為ι/5) 或捨棄系統啟動時之不穩定訊號。再者，該訊號強度門檀 值亦可根據量測之數位訊號的強度予以設定。 此外，在完成呼吸頻率（心跳頻率）之計算後，亦可據 以判斷該待測者之呼吸頻率（心跳頻率）是否在一預定範 圍内。若計算之呼吸頻率（心跳頻率）高於該預定範圍， • ”吸頻率（心跳頻率）過高之警示訊號；反之， 若計算之呼吸頻率（心跳頻率）低於該預定範圍，則發出 一呼吸頻率（心跳頻率）過低之警示訊號 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可基於本發明之教示及揭示而作種種不背 離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範園應 不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替 換及修飾’並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 100210 113286 005890403-1 -13- 1362253 * · 圖1例示本發明之非接觸式心肺活動監視裝置的功能方 塊圖； 圖2例示本發明之非接觸式心肺活動監視裝置的系統架 構圖； 圖3例示本發明之平衡混波器之輸出訊號； 圖4例示本發明之訊號處理模組之功能方塊圖； 圖5例示本發明第一實施例之心肺活動訊號之擷取方法； 圖6例示本發明第二實施例之心肺活動訊號之擷取方法 ;以及 圖7例示本發明量測一待測者之呼吸頻率（心跳頻率）的 方法。 【主要元件符號說明】 10 心肺活動監視裝置 12 脈衝序列產生器 20 脈波產生器 22A 時脈產生器 22 開關訊號產生器 24 開關元件 22B 波形壓縮器 30 分割器 26 弦波訊號產生器 32B 第二放大器 32A 第一放大器 34A 第一高頻濾波器 32C 第三放大器 34C 第三高頻濾波器 34B 第二高頻濾波器 44 接收天線 42 發射天線 46A 第一輸入槔 46 平衡混波器 50 訊號處理模組 46B 第二輸入埠 54 類比/數位轉換器 52 微處理器 58 警示訊號產生器 1362253 » « 56 帶通濾波器 62 60 記憶體 無線傳輸模組

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Claims (1)

1362253 第〇951466〇8號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(100年liz月） 十、申請專利範圍： 1· 一種非接觸式心肺活動監視裝置，包含： 一脈衝序列產生器，其輸出一探測脈衝序列及一參考 脈衝序列； 一發射天線’其發射該探測脈衝序列至一心肺部； 一接收天線，其接收經該心肺部散射之探測脈衝序列； 一混波器，該混波器係一平衡混波器；該混波器包含： 一接收該參考脈衝序列之第一輸入埠；以及

一電氣連接於該接收天線之第二輸入埠；以及 一訊號處理模組，其根據該心肺部散射之探測脈衝序列 產生心肺活動訊號。 2.根據請求項1之非接觸式心肺活動監視裝置，其中該脈衝 序列產生器包含： 一脈波產生器，其輸出一高頻弦波脈衝序列；以及 一分割器，耦合於該脈波產生器，其輸出為一探測高 頻弦波脈衝序列及一參考高頻弦波脈衝序列。

3.根據請求項2之非接觸式心肺活動監視裝置，其中該脈波 產生器包含： 連續弦波訊號； 開關訊號；以及 輸出端，其根據該開 一弦波訊號產生器，用以產生一 一開關訊號產生器，用以產生一 一開關元件，具有一輸入端及一 關訊號導通使得該連續弦波訊號通過而產生該高頻弦波 脈衝序列。 4.根據請求項3之非接觸式心肺活動監視裝置，其中該開關 訊號產生器包含： 100210 U3286 〇〇9〇£ «0952-1 1.362253 一時脈產生器’用以產生一時脈訊號；以及 一波形壓縮器，用以調節該時脈訊號之時距而產生該 開關訊號。 5. 根據請求項2之非接觸式心肺活動監視裝置，其另包含： 一放大器’電氣耦合於該脈波產生器之輸出端；以及 一高頻濾波器，電氣耦合該放大器與該分割器。 6. 根據請求項1之非接觸式心肺活動監視裝置，其另包含： 一高頻濾波器，電氣耦合於該接收天線之輸出端；以 及 一放大器’電氣耦合該高頻濾波器與該混波器。 7. 根據請求項1之非接觸式心肺活動監視裝置，其另包含： 一低頻濾波器，電氣耦合於該混波器之輸出端；以及 一放大器’電氣耦合該低頻濾波器於之輸出端。 8. 根據請求項1之非接觸式心肺活動監視裝置，其中該訊號 處理模組包含： 一微處理器，具有一類比/數位轉換器，用以將該心肺 活動訊號轉換成一數位訊號；以及 一帶通濾波器，電氣耦合該混波器與該類比/數位轉換 器。 9. 根據請求項8之非接觸式心肺活動監視裝置，其中該訊號 處理模組另包含一警示訊號產生器，電氣耦合於該微處理 器。 10. — _心肺活動訊號之擷取方法，包含： 發射一探測脈波至一心肺活動處，其散射該探測脈波 而產生一反射.脈波； 1〇〇21〇 U3286 〇〇9〇5( 50952-1 2- 1362253 量測該反射脈波與一參考脈波之間的.相位差訊號； 將該相位差訊號轉換成一代表該心肺活動之數位訊 號；以及 根據該數位訊號判斷該心肺活動之狀態並於異常狀態 時發出一警示訊號。 11. 根據請求項10之心肺活動訊號之擷取方法，其中根據該數 位訊號判斷該心肺活動狀態並於異常狀況時發出一警示 訊號之步驟包含： 設定一訊號強度門檻值； 比較該數位訊號之強度是否大於該訊號強度門檻值； 以及 若在—預定時間内沒有數位訊號大於該訊號強度門檻 值，則發出該警示訊號。 12. 根據請求項11之心肺活動訊號之擷取方法，其中該數位訊 號係一呼吸訊號，而該警示訊號係一窒息訊號。 13. 根據請求項11之心肺活動訊號之擷取方法，其中該數位訊 號係一心跳訊號，而該警示訊號係一心跳停止訊號。 14. 根據請求項10之心肺活動訊號之擷取方法，其中設定一訊 號強度門檻值之步驟係根據量測之數位訊號的強度。 15. 根據請求項10之心肺活動訊號之擁取方法，其中該探測脈 波係高頻弦波脈衝序列。 16. —種心肺活動訊號之擷取方法，包含： 發射一探測脈波至一心肺活動處，其散射該探測脈波 而產生一反射脈波； 量測該反射脈波與一參考脈波之間的相位差訊號； 100210 113286 〇〇9〇5〇952-1 1362253 將該相位差訊號轉換成一代表該心肺活動之數位訊 號；以及 根據該數位訊號計算該心肺活動之頻率。 17.根據請求項16之心肺活動訊號之擁取方法，其中根據該數 位訊號計算該心肺活動之頻率之步驟包含： 設定一訊號強度門檻值； 比較該數位訊號的強度是否大於該訊號強度門植值， 並據以判斷是否量測到該心肺活動之訊號波學；以及 計算複數個訊號波峰之時間差，並予以平均以產生該 心肺活動之頻率。 18·根據請求項16之心肺活動訊號之操取方法，其中該數位訊 號係一呼吸訊號。 19. 根據請求項16之心肺活動訊號之擷取方法，其另包含： 檢查該心肺活動之頻率是否在一預定範圍内；以及 若該心肺活動之頻率超出該預定範圍時，發出一警示 訊號。 20. 根據請求項19之心肺活動訊號之擷取方法，其中該數位訊 说係一心跳訊號’而該警不訊號係一心跳過高訊號。 21. 根據凊求項19之心肺活動訊號之操取方法，其中該數位訊 號係'一心跳訊號’而該警不訊说係一心跳過低訊號。 22. 根據請求項16之心肺活動訊號之擷取方法，其中設定一訊 號強度門檻值之步驟係根據量測之數位訊號的強度。 23·根據請求項16之心肺 >舌動訊號之棟取方法，其中該探測脈 波係高頻弦波脈衝序列。