TWI554304B - Projection capacitive body motion detection system - Google Patents

Description

投射電容式人體動作偵測系統

本創作是關於一種人體動作偵測系統，特別是指投射電容式人體動作偵測系統。

多重睡眠分析儀(Polysomnogram, PSG)是一種用來記錄使用者睡眠狀況的儀器，可偵測使用者在睡眠中的腦部活動、眼球活動、肌肉活動、呼吸狀況、心跳頻率等資訊，以供醫療人員診斷使用者的睡眠品值，而呼吸狀況是其中一項重要的評估指標。

透過多重睡眠分析儀(PSG)偵測使用者的呼吸狀況時，是令使用者平躺於一床上，並利用一具有伸縮彈性的綁帶繫住使用者的胸腔處，且該綁帶上設有一偵測器。當使用者吸氣時，其胸腔因吸入空氣而膨脹增加體圍進而可拉長綁帶，當使用者吐氣時，其胸腔因吐出空氣而縮收減少體圍進而可縮短綁帶，故該偵測器的偵測結果可表現胸腔的膨脹與縮收，此外，綁帶固定於使用者身上，避免使用者因翻身或移動而影響呼吸偵測結果。再者，使用者臉部的鼻子處還設有一鼻導管，以透過該鼻導管偵測吸氣時與吐氣時的氣壓大小。

是以，藉由量測綁帶變化和該鼻導管的氣壓檢測結果，可供醫療人員檢視使用者睡眠時的呼吸，然而，對於使用者而言，因為該鼻導管與綁帶係設置於使用者身上，使用者無法任意移動身體，自然造成使用者的不舒適感與壓迫感，造成使用者的困擾，干擾量測結果；又對於多重睡眠分析儀(PSG)而言，基於衛生問題，鼻導管是消耗品，從而增加檢測成本。

因此本創作的主要目的是提供一種投射電容式人體動作偵測系統，透過電容感應方式偵測使用者的動作狀態，不需在使用者身上穿載任何感測裝置即可進行感測。

本創作投射電容式人體動作偵測系統包含有： 一感測墊，供一人體躺臥，該感測墊包含有至少一感應陣列單元與至少一控制單元，該感應陣列單元包含有陣列排列的複數感應電極，該控制單元電性連接該些感應電極以週期性地對從該些感應電極所偵測到的電容感應量分別進行類比-數位轉換以產生複數電容感應值，並對該複數電容感應值分別進行二值化運算以得到各電容感應值的二值化運算結果； 一監控模組，電性連接該至少一控制單元以接收並顯示該複數電容感應值與二值化運算結果，作為判斷人體動作的參考。

為求使用者的舒適性與高視覺接收度，可於該感測墊上鋪設一般床單或保潔墊等寢具，供使用者躺臥於該感測墊上進行感應。根據本創作的系統，本創作是利用該些感應電極與使用者身體之間電場互動產生電容感應變化，故經過類比-數位轉換後的電容感應量與二值化運算結果可作為判斷人體動作的參考。相較於先前技術，本創作不需在使用者身上穿載任何感測裝置，亦無以局部狹隘區域限制或拘禁使用者的活動，方得令使用者感測有效，故能大幅提升使用者受測時的舒適度，有效降低感測過程對使用者的干擾與不便，提高測試結果的可參考性；又本創作的該複數感應電極不會直接接觸使用者，沒有安全、衛生的顧慮。

請參考圖1與圖2所示，本創作投射電容式人體動作偵測系統包含有一感測墊10與一監控模組20。該感測墊10可供鋪設於一床墊30上，而該感測墊10上可再設置一般床單或保潔墊等寢具31以供使用者32躺臥。

該感測墊10包含有至少一感應陣列單元11與至少一控制單元12，該控制單元12可為單晶片，該感應陣列單元11與控制單元12可設於一軟性的墊體100表面，該感應陣列單元11包含有陣列排列的複數感應電極13，所述感應電極13可為具導電性的片體，該些感應電極13位於該寢具31與墊體100之間，當使用者32躺臥於寢具31時，該寢具31隔開使用者32的身體與該些感應電極13，避免使用者身體與該些感應電極13直接接觸。

該控制單元12電性連接該些感應電極13，並施加一電流(即物理量)予該複數感應電極13，同時該控制單元12透過一取樣頻率(或取樣週期)對從該些感應電極13所偵測到的電容感應量分別進行類比-數位轉換，以讀取該些感應電極13的物理特性值，則該些電容感應量之類比-數位轉換結果分別形成電容感應值C。當使用者32尚未躺臥於寢具31時，該控制單元12所產生的電容感應值C大致為固定值；當使用者32躺臥於寢具31時，因為使用者32的身體亦為導體並與大地相互間存在約200pF的電容物理特性，故位在使用者32身體下方的感應電極13而言，該些感應電極13上的電荷分佈產生變化，故使該控制單元12所產生的電容感應值C亦對應隨之變化。又根據電容公式：C=ε×A/d，可推知電容的變化量係依據介電質變化Δε與距離變化Δd，因為在被使用者身體壓到的區域中有壓力變化，衍生介質被壓縮產生介電質變化Δε，同時也產生距離變化Δd。是以，從電容感應值C產生變化的感應電極13可推知使用者32身體的位置。

前述中，該控制單元12還加以儲存電容感應值C，其中每筆感應電極13上電容感應值C的解析度可為16 bits，為了簡化運算，可對每筆感應電極13之電容感應值C減去一基準值以產生一相對電容值ΔC，例如假設該基準值為15020，當原始的電容感應值C包含有15023、15025、15028、15026、15022與15023，則分別對應的相對電容值ΔC為3、5、8、6、2與3，藉此簡化數據，可提升運算速度。所述取樣頻率係大於一般人體的呼吸頻率(0.05~0.5Hz)，例如取樣頻率可為3 Hz(或取樣週期為0.33秒)。該控制單元12取得該複數感應電極13的電容感應值C後，還對該些電容感應值C分別進行二值化(binarize)運算，換句話說，每個感應電極13上電容感應值C分別對應有二值化運算結果，所述電容感應值C之二值化運算結果為一第一邏輯與一第二邏輯，且該第一邏輯與第二邏輯為互補，例如當第一邏輯為1，則第二邏輯為0，是以，各電容感應值C之二值化運算結果的資料量僅為1 bits。

舉例來說，當使用者躺臥於感測墊10時，有部分的感應電極13被使用者壓到而其餘感應電極13沒有被使用者壓到，其中對應於使用者下方的感應電極13之電容感應值C較強，其餘感應電極13之電容感應值C相對較弱，該控制單元12係將大於一門檻值的電容感應值C判斷為邏輯1，將低於該門檻值的電容感應值C判斷為邏輯0，因此對應於邏輯1的感應電極13可代表被使用者壓到的感應電極13。

該監控模組20主要負責運算與判斷，透過人機介面將資料與運算、判斷結果作輸入、輸出等動作與系統外部聯繫，完成偵測運作。請參考圖1，該監控模組20包含有一資料儲存暨運算處理單元21與一人機介面22，該資料儲存暨運算處理單元21可透過至少一組匯流排(BUS)23而電性連接該至少一控制單元12，以接收並儲存該至少一控制單元12在每個取樣週期所產生各感應電極13之電容感應值C、相對電容值ΔC與二值化運算結果；該人機介面22可為一顯示器，連接該資料儲存暨運算處理單元21，用以顯示感應與運算結果，所述電容感應值C或對應的相對電容值ΔC可以供評估使用者行的細微行為(如呼吸動作)，而二值化運算結果可供評估使用者躺臥身體移動、異動與姿態。其中藉由匯流排23的設置數量提升，可提升資料傳遞量、取樣速率、通訊效率。

為了提高電容感測的準確度與排除外部雜訊干擾，請參考圖3A所示的示意圖，各感應電極13的外圍設有一環形電極131，該環形電極131連接一電荷釋放路徑(例如圖3A所示的接地，但不以此為限)，如此可將雜訊透過該環形電極131引導至接地，以降低雜訊對感應電極13的干擾；或請參考圖3B所示的示意圖，該資料儲存暨運算處理單元21可將至少一即將進行類比-數位轉換的感應電極13周圍的複數感應電極132連接一電荷釋放路徑(例如圖3B所示的接地，但不以此為限)，僅利用位於中央即將進行類比-數位轉換的該感應電極13，達到降低雜訊干擾之目的。

關於第一種判斷人體呼吸方式說明如下，假設位於使用者下方之複數感應電極13之二值化運算結果為複數第一邏輯，未被使用者壓下之複數感應電極13之二值化運算結果為複數第二邏輯，則該資料儲存暨運算處理單元21係將二值化運算結果為第一邏輯之複數電容感應值C(即以床墊位於胸、腹部下方被人體完全覆蓋或壓制之感應電極13為主)通過一帶通濾波之訊號處理手段進行濾波，可得到複數筆電容感應值C的濾波結果，其中一特定的帶通頻帶係對應於人體呼吸頻帶，例如介於0.05~0.5Hz。該些電容感應值C的濾波結果可顯示於該人機介面22以供醫護人員觀察。

本創作提供第二種判斷人體呼吸的方式。同樣地，請參考圖4，假設未被使用者壓下之複數感應電極14之二值化運算結果為第二邏輯，位於使用者下方之感應電極15之二值化運算結果為第一邏輯，該資料儲存暨運算處理單元21不處理二值化運算結果為第一邏輯的感應電極15之相對電容值ΔC，僅從中擷取出二值化運算結果為第二邏輯的感應電極14之相對電容值ΔC，並執行一種訊號品質評估手段，以評估所擷取出相對電容值ΔC之感應品質，例如訊雜比(Signal-to-Noise Ratio)為感應品質的指標，進而再擷取出感應品質較佳的一筆或多筆相對電容值ΔC作為判斷人體呼吸的參考。該資料儲存暨運算處理單元21執行該訊號品質評估手段時，係計算該些相對電容值ΔC的斜率正、負變換總次數後，進而從中擷取出變換總次數最低的一筆相對電容值ΔC或較低的複數筆相對電容值ΔC以透過人機介面22顯示。

關於相對電容值ΔC的斜率正、負變換，請配合參考圖4所示，為對應於圖2中使用者32胸腔處的截面參考圖，對於位在使用者32身體外側而沒有被使用者32身體壓下的感應電極14而言(即位於胸、腹部緊鄰第一邏輯感應電極之第二邏輯感應電極)，當使用者吸氣時，吸氣狀態胸腔A因吸入空氣而體積逐漸增加，導致相對遞減感應電極14與人體胸腔左、右兩側表面的相對距離而逐漸增強相對電容值ΔC，故吸氣時該感應電極14的相對電容值ΔC呈遞增趨勢；相反地，當使用者吐氣時，吐氣狀態胸腔B因排出空氣而體積逐漸減少，相對遞增該感應電極14與人體胸腔左、右兩側表面的相對距離而逐漸減弱相對電容值ΔC，故吐氣時該感應電極14的相對電容值ΔC呈遞減趨勢。如此一來，對於該些位在使用者32身體外側而沒有被使用者32身體壓下的感應電極14而言，其對應的相對電容值ΔC將隨著胸腔體積的增加、縮小而有所變化。

其中，該資料儲存暨運算處理單元21係透過一時間軸繪製所擷取出的相對電容值ΔC的波形而透過人機介面22顯示。請配合參考圖5，為圖1的該感應陣列單元11中對應於第四行各個感應電極13的相對電容值ΔC波型示意圖，以供作為判斷使用者呼吸資訊。

請參考圖5，座標[5,4]的感應電極13之波形起伏具有規律性，請配合參考圖6，包含位在座標[5,4]的感應電極13之相對電容值波形U(如粗虛線波形)，相較於現有多重睡眠分析儀(Polysomnogram, PSG)所測得之胸腔體圍起伏波形V(如實線波形)與鼻導管氣壓波形W(如細虛線波形)，這三種波形的起伏變化有相當高的相似度(可達88%以上)，故本創作所測得的電容感應值C的波形U足以供判斷使用者的呼吸。

如上所述，需說明的是，座標[5,4]的感應電極13之相對電容值ΔC的斜率正、負變換總次數是較低或最低的一筆，換句話說，在所有二值化運算結果為第二邏輯的感應電極14而言，僅最接近使用者的感應電極14的相對電容值ΔC最大，故相對其電容值ΔC的斜率正、負變換總次數最低，進而使得波形起伏具有規律性。請配合參考圖7所示，假設第一波形41為最接近使用者的感應電極14的相對電容值ΔC波形，第二與第三波形42、43分別為任兩筆相對遠離使用者的感應電極14之相對電容值ΔC波形，可見第一波形41的振幅較第二與第三波形42、43大；當該第一~第三波形41~43被圖8所示的相同雜訊44影響，請參考圖9為第一~第三波形41~43與該雜訊44合成後的第一~第三合成波形45~47，圖9中可見在一單位時間內，第一合成波形45之斜率正、負變換總次數會低於第二、第三合成波形46、47之斜率正、負變換總次數，也因此該資料儲存暨運算處理單元21計算各相對電容值ΔC的斜率正、負變換總次數後，斜率正、負變換總次數較低的自然是對應於最接近使用者的感應電極14。經由所述評估方式可尋找出，最接近使用者的感應電極14，該感應電極14其電容感應值C的波形具規律性而可供作為呼吸判斷的依據。

本創作除了上述供判斷呼吸以外，還可進行身體移動、異動與簡易臥姿的判斷。該資料儲存暨運算處理單元21可根據二值化運算結果，計算第一邏輯的總數量，並判斷該總數量是否高於一門檻值。當使用者平躺於感測墊10時，使用者身體分佈於感測墊10上的面積較大，故有較多的感應電極13之電容感應值C的二值化運算結果被判斷為第一邏輯，因此第一邏輯的總數量將高於該門檻值，則該資料儲存暨運算處理單元21可判斷出使用者為平躺狀態；當使用者平側躺於感測墊10時，使用者身體分佈於感測墊10上的面積較小，故有較少的感應電極13之電容感應值C的二值化運算結果被判斷為第一邏輯，因此第一邏輯的總數量將低於該門檻值，則該資料儲存暨運算處理單元21可判斷出使用者為側躺狀態。又該資料儲存暨運算處理單元21可在一單位時間內計算人體進行翻身、異動等動作的次數、次序、變異量，以供人體的活動量、睡眠品質、睡眠階段等判斷參考。

請參考圖1，係以十個感應陣列單元為例，分別為第一~第十感應陣列單元101~110，在正常情況下，當使用者躺臥於該些感應陣列單元101~110時，假設第一~三、六~八感應陣列單元101~113、106~108對應使用者的上半身(胸腔)，則該資料儲存暨運算處理單元21僅可針對該些感應陣列單元101~113、106~108的電容感應值C進行前述呼吸感測運算即可，其餘感應陣列單元104、105、109、110對應使用者下肢，與呼吸機制運作無關係故予不考慮，藉此降低運算資料量。又該些感應陣列單元101~110分別對應使用者身體的不同部位，例如第三、第八感應陣列單元103、108可分別對應左、右手，第五、第十感應陣列單元105、110分別對應左、右腳，該資料儲存暨運算處理單元21可單獨計算各感應陣列單元101~110中各感應電極13之電容感應值C的二值化運算結果之第一或第二邏輯總數量，以供判斷身體不同部位是否移動。

關於前述第二種人體呼吸方式，當使用者在寢具31上翻身或移動時，對應於該些感應電極13的相對電容值ΔC亦對應產生異動，如此導致呼吸偵測感應電極13異動。針對此一狀況，該資料儲存暨運算處理單元21還進一步計算本次取樣二值化計算結果中第一邏輯總數量與前次取樣二值化計算結果中第一邏輯總數量的一差值，當該資料儲存暨運算處理單元21判斷出該差值大於一設定判斷閥值，代表使用者已經移動身體或翻身，則將目前靜置計時重置(reset)，並開始靜置計時，以在判斷出一靜置計時時間大於一基準時間後，才開始重新計算緊鄰第一邏輯感應電極的第二邏輯感應電極的相對電容值ΔC之斜率正、負變換總次數，判斷並選取總次數較少第二邏輯感應電極的相對電容值ΔC以繪製波形。一般而言，該基準時間係大於人體兩個呼吸週期，例如20秒。前述靜置是指使用者躺臥於寢具31而無身體移動、異動的前提下進行呼吸偵測，故靜置時間代表使用者躺臥於寢具31而無身體移動或異動所經過的時間。

以圖1所示的實施例為例，其感應電極13數量一共有320個，每個感應電極13的電容感應值的資料量為16 bits，故該資料儲存暨運算處理單元21於每個週期所儲存該些感應電極13的電容感應值的總資料量只有5120 bits (即640 Bytes)，且每個週期所儲存二值化運算結果的總資料量只有320 bits (即40 Bytes)。此外，本創作可供使用者受測時躺在床上並任意移動，不像現有多重睡眠分析儀(PSG)需透過綁帶與鼻導管限制使用者的活動，使本創作可提高使用者的舒適度。如圖1所示，該監控模組20可進一步與一雲端伺服器50連線，將所得到的感測資料與運算結果皆上傳到該雲端伺服器50進行備份與應用，由該雲端伺服器50提供遠端監控與健康管理等功能。

10‧‧‧感測墊
100‧‧‧墊體
11‧‧‧感應陣列單元
101‧‧‧第一感應陣列單元
102‧‧‧第二感應陣列單元
103‧‧‧第三感應陣列單元
104‧‧‧第四感應陣列單元
105‧‧‧第五感應陣列單元
106‧‧‧第六感應陣列單元
107‧‧‧第七感應陣列單元
108‧‧‧第八感應陣列單元
109‧‧‧第九感應陣列單元
110‧‧‧第十感應陣列單元
12‧‧‧控制單元
13‧‧‧感應電極
131‧‧‧環形電極
132‧‧‧感應電極
14‧‧‧感應電極
15‧‧‧感應電極
20‧‧‧監控模組
21‧‧‧資料儲存暨運算處理單元
22‧‧‧人機介面
23‧‧‧匯流排
30‧‧‧床墊
31‧‧‧寢具
32‧‧‧使用者
41‧‧‧第一波形
42‧‧‧第二波形
43‧‧‧第三波形
44‧‧‧雜訊
45‧‧‧第一合成波形
46‧‧‧第二合成波形
47‧‧‧第三合成波形
50‧‧‧雲端伺服器

圖1：本創作較佳實施例的方塊示意圖。 圖2：本創作的感測墊使用狀態參考圖。 圖3A：本創作中於各感應電極外圍形成環形電極的示意圖。 圖3B：本創作中將任一感應電極之周圍感應電極接地的示意圖。 圖4：對應於圖2中使用者胸腔處的截面參考圖。 圖5：對應於圖1中於圖2內實施例時，第四行感應電極之相對電容值ΔC波形示意圖。 圖6：本創作之相對電容值ΔC波形與現有多重睡眠分析儀所量測呼吸之胸腔體圍起伏波形與鼻導管氣壓波形的比較示意圖。 圖7：本創作感應電極之相對電容值ΔC波形示意圖。 圖8：雜訊示意圖。 圖9：本創作感應電極之相對電容值ΔC與雜訊合成的波形示意圖

11‧‧‧感應陣列單元

101‧‧‧第一感應陣列單元

102‧‧‧第二感應陣列單元

103‧‧‧第三感應陣列單元

104‧‧‧第四感應陣列單元

105‧‧‧第五感應陣列單元

106‧‧‧第六感應陣列單元

107‧‧‧第七感應陣列單元

108‧‧‧第八感應陣列單元

109‧‧‧第九感應陣列單元

110‧‧‧第十感應陣列單元

12‧‧‧控制單元

13‧‧‧感應電極

20‧‧‧監控模組

21‧‧‧資料儲存暨運算處理單元

22‧‧‧人機介面

23‧‧‧匯流排

50‧‧‧雲端伺服器

Claims (10)

1. 一種投射電容式人體動作偵測系統，包含有：一感測墊，供一人體躺臥，該感測墊包含有至少一感應陣列單元與至少一控制單元，該感應陣列單元包含有陣列排列的複數感應電極，各該感應電極為具導電性的片體，該控制單元電性連接該些感應電極以週期性地對從該些感應電極所偵測到相對於該人體的投射電容感應量分別進行類比-數位轉換以產生複數投射電容感應值，並對該複數投射電容感應值分別進行二值化運算以得到各投射電容感應值的二值化運算結果；一監控模組，電性連接該至少一控制單元以接收並顯示該複數投射電容感應值與二值化運算結果，作為判斷人體動作的參考。
2. 如請求項1所述之投射電容式人體動作偵測系統，該控制單元進行二值化運算時，係對將大於一門檻值的投射電容感應值判斷為一第一邏輯，將低於該門檻值的投射電容感應值判斷為一第二邏輯，該第一與第二邏輯為互補。
3. 如請求項2所述之投射電容式人體動作偵測系統，該監控模組根據二值化運算結果加總第一邏輯的總數量，當第一邏輯的總數量的總數量大於一門檻值，則判斷人體為平躺狀態；當第一邏輯的總數量的總數量小於該門檻值，則判斷人體為側躺狀態；該感測墊所包含的感應陣列單元為複數個，分別代表人體的不同部位，該監控模組根據該些感應陣列單元的二值化運算結果判斷人體不同部位的活動。
4. 如請求項3所述之投射電容式人體動作偵測系統，該監控模組在一單位時間內計算人體進行翻身動作的次數、變異量，以供判斷人體的活動量、睡眠品質、睡眠階段。
5. 如請求項3中所述之投射電容式人體動作偵測系統，該監控模組係將二值化運算結果為第一邏輯之複數投射電容感應值通過一訊號處理進行濾波，得到複數筆投射電容感應值的濾波結果，該些濾波結果僅有一特定頻帶的信號成份，該特定頻帶係對應於人體呼吸頻率。
6. 如請求項3中所述之投射電容式人體動作偵測系統，該控制單元對每筆感應電極之投射電容感應值減去一基準值以產生一相對電容值；該監控模組從該控制單元接收對應於該些感應電極的相對電容值，並從中擷取出二值化運算結果為第二邏輯的感應電極之相對電容值，並計算該些相對電容值的斜率正、負變換總次數後，擷取出變換總次數最低的一筆相對電容值或較低的複數筆相對電容值以供判斷人體的呼吸動作。
7. 如請求項1至6中任一項所述之投射電容式人體動作偵測系統，該監控模組係通過至少一匯流排連接該至少一控制單元。
8. 如請求項7所述之投射電容式人體動作偵測系統，該感測墊中至少一感應電極周圍的複數感應電極連接一電荷釋放路徑。
9. 如請求項8所述之投射電容式人體動作偵測系統，該監控模組與一雲端伺服器連線，以將所得到的資料上傳到該雲端伺服器。
10. 如請求項9所述之投射電容式人體動作偵測系統，該監控模組包含：至少一資料儲存暨運算處理單元，負責執行所述類比-數位轉換與二值化運算；至少一人機界面，連接該至少一資料儲存暨運算處理單元，負責顯示該複數投射電容感應值與二值化運算結果。