TWI580402B - Physiological signal sensing device and its operation method of turning on and off - Google Patents

Description

生理訊號感測裝置及其開機及關機的運作方法

本發明係與生理訊號感測裝置有關，特別是指一種生理訊號感測裝置及其開機及關機的運作方法。

一般EMG或ECG等生理訊號檢測裝置在使用時，通常需先將生理訊號檢測裝置開啟後，才將多個電極片貼於人體皮膚上，或者，先將電極片貼於人體皮膚上，再行開啟生理訊號檢測裝置的電源開關。但不使用時，不僅要將貼片自人體皮膚上移除，還需關閉生理訊號檢測裝置的開關。

目前已有利用電極片是否貼於人體皮膚作為開機及關機依據，但目前使用這種方式的生理訊號檢測裝置需要待機電源，且當電極片相接觸短路時是沒有任何保護。更重要的是，目前使用電極片偵測來進行開機及關機的生理訊號檢測裝置沒有將電力與生理訊號的傳輸路徑隔離，因此，生理訊號容易受到受影響。

有鑑於上述缺失，本發明的目的在於提供一種生理訊號檢測裝置，其是利用偵測端偵測的生理訊號來進行開機及關機，並可有效分離電力及生理訊號的傳輸路徑，以減少待機電力消耗及避免生理訊號被干擾。

為達成上述目的，本發明的生理訊號檢測裝置包括一電源控制電路、一穩壓電路、一控制電路、一訊號處理電路及一隔離電路。電源控制電路連接一電源。穩壓電路連接電源控制電路。控制電路連接穩壓電路與訊號處理電路。隔離電路連接電源控制電路、控制電路及訊號處理電路，且具有至少兩偵測端。其中，兩偵測端之間連接一生理阻抗。在生理阻抗的一阻抗值在一阻抗範圍內時，電源控制電路藉由一觸發路徑觸發穩壓電路，且藉由一供電路徑供電至穩壓電路，穩壓電路供電至控制電路。觸發路徑與供電路徑是並聯連接。

較佳地，生理訊號感測裝置更包括連接電源控制電路、隔離電路、穩壓電路的一短路保護電路。在生理阻抗的阻抗值小於阻抗範圍的一下限阻抗值時，短路保護電路係關閉穩壓電路。如此，短路保護電路能在偵測端發生短路時進行保護。

為了達成上述目的，本發明還提供一生理訊號檢測裝置的開機及關機的運作方法，運作方法包括下列步驟：首先，一隔離電路的至少兩偵測端連接一生理阻抗；接著，在生理阻抗的阻抗值在一阻抗範圍內時觸發一電源控制電路，以使一電源供電至一穩壓電路；最後，控制隔離電路切換，以隔離電源的供電路徑與生理訊號的傳輸路徑。

較佳地，運作方法更包括步驟：在生理阻抗的阻抗值大於阻抗範圍的上限阻抗值時，電源控制電路不被觸發。在生理阻抗的阻抗值小於阻抗範圍的下限阻抗值時，關閉穩壓電路。

如此，本發明的生理訊號感測裝置不僅可藉由偵測端偵測的生理訊號作為開機及關機依據，更能避免生理訊號被其他電路的訊號干擾及對偵測端發生短路時進行保護。

有關本發明所提供之生理訊號感測裝置及其開機及關機的運作方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

S11-S27‧‧‧步驟

30、50、70‧‧‧生理訊號感測裝置

31‧‧‧電池

32‧‧‧電源控制電路

33‧‧‧短路保護電路

34‧‧‧穩壓電路

35‧‧‧控制電路

36‧‧‧訊號處理電路

37‧‧‧隔離電路

371、372‧‧‧電極片

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Q3‧‧‧第三電晶體

Q4‧‧‧第四電晶體

Q5‧‧‧第五電晶體

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

R7‧‧‧第七電阻

C1‧‧‧第一電容

N1-N5‧‧‧節點

第1圖是本發明的生理訊號感測裝置的開機及關機的運作方法的流程圖。

第2圖是本發明的生理訊號感測裝置的第一實施例的電路圖。

第3圖是本發明的生理訊號感測裝置的第二實施例的電路圖。

第4圖是本發明的生理訊號感測裝置的第三實施例的電路圖。

以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的生理訊號感測裝置及其開機及關機的運作方法的組成構件及達成功效來說明。然各圖式中生理訊號感測裝置及其開機及關機的運作方法的構件、尺寸及外觀僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。

如第1圖所示，本發明的生理訊號感測裝置的開機及關機方法包括下列步驟：

步驟S11：兩偵測端連接一生理阻抗。接著，步驟S12：判斷生理阻抗的阻抗值是否位在一阻抗範圍內，若是，執行步驟S13：依據生理阻抗觸發 生理訊號感測裝置的一電源控制電路。然後，依序執行步驟S14-S16，也就是供電給穩壓電路，穩壓電路在供電給控制電路，及鎖定電源控制電路的電源傳輸路徑，步驟S16中鎖定電源控制電路是指電力藉由旁路(Bypass)路徑傳輸，請容後電路中詳述。然後，執行步驟S17：控制隔離電路切換，以隔離該電源的供電路徑與一生理訊號的傳輸路徑。隨後就執行步驟S18，接收一生理訊號，及步驟S19，依據生理訊號判斷是否正常啟動，若是，則執行步驟S20，進入正常工作模式，即偵測及處理生理訊號。接著，步驟S21：判斷生理訊號是否為背景雜訊？若是背景雜訊，執行步驟S22及S23，關閉隔離電路及電源控制電路，以使電力不能傳送至穩壓電路，如此，生理訊號感測裝置就被關機。步驟S19中，若判斷為否，則直接執行步驟S22，以避免生理訊號感測裝置開機。步驟S21中，若判斷為否，則回到步驟S20，如此持續超過預設的時間或週期時，則關閉電源控制電路，使生理訊號感測裝置無法完成開機。

因此，生理訊號感測裝置開機完成時，電源控制電路是先允許電源供電至穩壓電路，接著，電源控制電路係隔離兩偵測端與電源的供電路徑。如此，生理訊號感測裝置在開機後，兩偵測端就僅作為生理訊號的感測。

當執行步驟S12，且該步驟判斷為否時，會產生兩個狀態，分別是生理訊號的阻抗值小於阻抗範圍的下限阻抗值，及阻抗值大於阻抗範圍的上限阻抗值。

當生理阻抗的阻抗值大於阻抗範圍的一上限阻抗值(步驟S26)時，表示，兩偵測端沒有確實貼於人體皮膚，使得生理阻抗的阻抗值大於上限阻抗值，因此，執行步驟S27：電源控制電路不會被啟動，也就是電源控制電路不會被觸發，故生理訊號感測裝置不會開機。

當生理阻抗的阻抗值小於阻抗範圍的一下限阻抗值(步驟S24)時，表示，兩偵測端相接觸而形成短路，使得生理阻抗的阻抗值趨近於0，也就是阻抗值低於下限阻抗值，因此，執行步驟S25：關閉穩壓電路。如此，生理訊號感測裝置也不會開機。

舉例來說，兩偵測端以兩電極片為例，阻抗範圍是以人體阻抗為例，人體阻抗範圍的下限阻抗值為15K歐姆(Ω)，上限阻抗值為1M歐姆(Ω)。兩電極片確實貼於人體皮膚時，生理阻抗的阻抗值就會在阻抗範圍(15KΩ-1MΩ)內。因此，生理阻抗就能觸發電源控制電路，並允許電源供電至穩壓電路，及隔離生理訊號與電源的傳輸路徑，表示，生理訊號感測裝置已完成開機，且兩電極片感測人體的生理訊號不會被電源汙染。

雖然上述的實施例中，步驟有順序，但實際上，步驟順序是可以調整的，故不以本實施例所述為限。本實施例中阻抗範圍是指人體阻抗，但實際上，也可以是其他生物的阻抗，故不以人體阻抗為限。又，上述中阻抗範圍是15K至1M歐姆(Ω)之間，但上限阻抗值及下限阻抗值也可以是其他數值，故不以本實施例所述為限。

本發明的生理訊號感測裝置要關機時，僅需將兩電極片與人體皮膚分離，如此，生理訊號就會被判定為背景雜訊，而使，生理訊號感測裝置被關機。

如第2圖所示，該圖是本發明的生理訊號感測裝置30的第一實施例的電路圖。為了實現上述的方法，本發明的生理訊號感測裝置30包括一電池31、一電源控制電路32、一短路保護電路33、一穩壓電路34、一控制電路35、一 訊號處理電路36及一隔離電路37。其中，訊號處理電路36已為業界週知，故於此不對其組成及運作贅述。

電池31連接電源控制電路32，本實施例中，電源是以電池為例，電源也可以是連接市電的電源供應器，故不以電池為限。

電源控制電路32連接短路保護電路33及穩壓電路34，且包括一第一電子開關、一第二電子開關、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3及一第一電容C1。第一電子開關是一第一電晶體Q1，且位在電源控制電路32的一觸發路徑，第一電晶體Q1是P型電晶體。第二電子開關是一第二電晶體Q2及一第三電晶體Q3組成，且位在電源控制電路32的一供電路徑，第二電晶體Q2是P型電晶體，第三電晶體Q3是N型電晶體。其中，觸發路徑與供電路徑是並聯連接。第一電晶體Q1的源極連接電池31的正極。第一電阻R1連接第一電晶體Q1的源極及閘極。第一電晶體Q1的閘極連接隔離電路37。第一電晶體Q1的汲極連接第二電晶體Q2的汲極及第一電容C1，且連接短路保護電路33。第二電晶體Q2的源極連接電池31的正極。第二電阻R2連接第二電晶體Q2的源極及閘極。第三電晶體Q3的汲極連接第二電晶體Q2的閘極。第三電晶體Q3的閘極串聯連接第三電阻R3及節點N5，節點N5表示連接至控制電路36。第三電晶體Q3的源極連接一接地端。

短路保護電路33連接穩壓電路34，且包括一第四電晶體Q4、一第四電阻R4、一第五電阻R5及一第六電阻R6。第四電晶體Q4是P型電晶體。第四電阻R4連接第一電晶體Q1的汲極及第四電晶體Q4的閘極。第五電阻R5連接第一電晶體Q1的汲極及第四電晶體Q4的源極。第六電阻R6連接第一電晶體Q1的閘極、隔離電路37及第四電晶體Q4的閘極。

穩壓電路34連接控制電路35及訊號處理電路36。其中，穩壓電路34已為業界週知，於此不對其組成及運作贅述，又，穩壓電路34可以為多個主動及被動元件組成，或選用穩壓的積體電路元件。

控制電路35連接電源控制電路32及隔離電路37。本實施例中，完成開機前，控制電路35連接隔離電路37是指控制電路35連接隔離電路37的節點N1及N2。控制電路35可以是生理訊號感測裝置30的處理器或其他積體電路，但開機完成後，處理器輸出開機完成的訊號是業界所週知，故於此不再贅述。其中，第1圖中步驟S19-21中的判斷及正常供作模式是由控制電路35或訊號處理電路36來執行判斷及運作。

隔離電路37連接電源控制電路32、控制電路35、訊號處理電路36及兩電極片371、372。本實施例中，隔離電路37的節點N3及N4是連接訊號處理電路36。隔離電路37係選用一機械式繼電器(Relay)，但實務中，隔離電路37也可以選用電子式繼電器或其他可執行電性傳輸路徑切換的元件或組成。

隨後說明本發明的生理訊號感測裝置30的運作，當兩電極片371、372貼於人體皮膚時，兩電極片371、372係藉由隔離電路37分別連接第一電晶體Q1的閘極及一接地端，因此，第一電晶體Q1的閘極串聯連接人體阻抗(即生理訊號的阻抗值)，以使人體阻抗的分壓可以觸發第一電晶體Q1，第一電晶體Q1觸發穩壓電路34，也就是藉由觸發路徑觸發穩壓電路34，穩壓電路34觸發控制電路35。接著，控制電路35係觸發第三電晶體Q3，以使第二電晶體Q2的導通，這樣，電池31的電力就會藉由導通的第二電晶Q2體傳送至穩壓電路34，也就是電源控制電路32以供電路徑供電至穩壓電路34，最後，穩壓電路34供應穩定的電力 至控制電路35及訊號處理電路36。此時，電池31的電力不再透過第一電晶體Q1傳送至穩壓電路34，這是前述電力藉由旁路路徑傳輸的對應說明。

接著，控制電路35觸發隔離電路37切斷兩電極片371、372與電源控制電路32的連接，使兩電極片371、372連接至訊號處理電路36，以作生理訊號的感測。表示，本發明的生理訊號感測裝置30已經完成開機。由於，隔離電路37切斷兩電極片371、372與電源控制電路32的連接，因此，電力與生理訊號的傳輸路徑係被隔離，以避免生理訊號受電路雜訊影響。其中，由於繼電器的結構及運作原理以為業界所週知，故於此不再贅述隔離電路37的兩電極片371、372與電源控制電路35及訊號處理電路36的切換。

接著，當要關機時，僅需將兩電極片371、372拆離人體皮膚，如此，訊號處理電路36判斷兩電極片371、372偵測的生理訊號是背景雜訊，因此，控制電路35係關閉隔離電路37及電源控制電路32，以使兩偵測端371、372又回復為開機前之狀態，可經由連接之生理阻抗觸發來進行開機。換言之，生理訊號感測裝置30就會被關機。

此外，當兩電極片371、372相互觸碰，也就是形成短路時，第一電晶體Q1的閘極是直接連接至接地端，因此，第一電晶體Q1不會被觸發，需要注意的是，第四電晶體Q4會被觸發，如此，第四電晶體Q4的汲極的節點電壓會是低電壓準位，因此，穩壓電路34不會被觸發，也就是穩壓電路34不會輸出穩定地電力，所以，生理訊號感測裝置30也不會被開機，來達成兩電極片371、372短路保護的目的。

由於本發明的生理訊號感測裝置30是藉由兩電極片371、372是否確實貼於人體皮膚作為開機及關機的依據，因此，本發明的生理訊號感測裝置 30是不需要待機電源，以達省電及保護電池的目的。又，生理訊號感測裝置30開機完成後，其可藉由隔離電路37使生理訊號與其他電路隔離，來避免生理訊號被干擾。再者，當電極片371、372發生短路時，生理訊號感測裝置30是不會開機。

如第3圖所示，該圖是本發明的生理訊號感測裝置50的第二實施例的電路圖。第二實施例與第一實施例大致相同，相同的部分於此不再贅述。第二與第一實施例的主要差異在於，短路保護電路53包括一比較器531、一第四電阻R4及一第五電阻R5，比較器531的一正向輸入端連接第一電晶體Q1的閘極及隔離電路57，比較器531的一反向輸入端連接串聯連接的第四電阻R4及第五電阻R5之間的節點，第四電阻R4連接第一電晶體Q1的汲極，第五電阻R5連接接地端。比較器531的一輸出端連接穩壓電路54。

當兩電極片571、572短路時，比較器531的正向輸入端的電壓準位會低於反向輸入端的電壓準位，因此，比較器531不會觸發穩壓電路54，以達成兩電極片571、572短路保護的目的。

如第4圖所示，該圖是本發明的生理訊號感測裝置70的第三實施例的電路圖。第三實施例大致與第一實施例相同，相同的部分於此不再贅述。第三與第一實施例的主要差異在於，短路保護電路73包括一第四電晶體Q4、一第五電晶體Q5、一第四電阻R4、一第五電阻R5、一第六電阻R6及一第七電阻R7。第四電晶體Q4是N型電晶體，第五電晶體Q5是P型電晶體。第四電阻R4連接第五電晶體Q5的源極及第四電晶體Q4的閘極。第五電阻R5連接第五電晶體Q5的源極及第四電晶體Q4的汲極。第六電阻R6連接隔離電路77及第四電晶體Q4的閘極。第四電晶體Q4的汲極連接第五電晶體Q5的閘極。第四電晶體Q4的源極連接接地 端。第五電晶體Q5的源極連接第一電晶體Q1的汲極。第五電晶體Q5的汲極連接穩壓電路74。第七電阻R7連接第五電晶體Q5的汲極及穩壓電路74。

當兩電極片771、772短路時，第四電晶體Q4係被觸發，以使第四電晶體Q4的汲極與第五電晶體Q5的閘極之間的節點為低電壓準位，故穩壓電路74不會被觸發。

綜上所述，由於本發明的生理訊號感測裝置是利用兩偵測端偵測的生理訊號來進行開機及關機，因此，本發明的生理訊號感測裝置是不需要單獨的開機開關。再者，本發明的生理訊號感測裝置還可有效判斷兩偵測端是短路，來避免誤動作。及，在進行生理訊號偵測時，本發明的生理訊號感測裝置可以隔離生理訊號及電源控制電路，所以本發明能有效隔離生理訊號與電力的傳輸路徑，來避免生理訊號受到干擾。

此外，雖然上述的實施例中隔離電路是以兩偵測端(電極片)為例，但實務中，電極片的數量可以是兩個以上，故不以兩個為限。再者，上述的各電路中所述的電晶體、電阻及電容的數量及類型也不以此所述為限。

最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

S11-S27‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種生理訊號感測裝置，包括：一電源控制電路，係連接一電源；一穩壓電路，連接該電源控制電路；一控制電路，連接該穩壓電路；一隔離電路，連接該電源控制電路及該控制電路，且具有至少兩偵測端；一訊號處理電路，連接該穩壓電路、該控制電路及該隔離電路，其中，該兩偵測端連接一生理阻抗，在該生理阻抗的一阻抗值在一阻抗範圍內時，該電源控制電路藉由一觸發路徑觸發該穩壓電路，該電源控制電路以一供電路徑供電至該穩壓電路，該穩壓電路供電至該控制電路，該觸發路徑與該供電路徑是並聯連接；及一短路保護電路，連接該電源控制電路、該隔離電路、該穩壓電路，在該生理阻抗的阻抗值小於該阻抗範圍的一下限阻抗值時，該短路保護電路係關閉該穩壓電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述的生理訊號感測裝置，其中，在該穩壓電路供電給控制電路時，該控制電路係控制該隔離電路切斷該兩偵測端連接該電源控制電路，使該兩偵測端連接該訊號處理電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述的生理訊號感測裝置，其中，該電源控制電路包括一第一電子開關及一第二電子開關，該第一電子開關係位在該觸發路徑上，且連接該電源、該隔離電路及該穩壓電路，該第二開關位在該供電路徑上，且連接該電源、該控制電路及該穩壓電路，該生理訊號是觸發該 第一電子開關，以使該電源藉由導通的該第一電子開關對該穩壓電路供電，該控制電路是觸發該第二電子開關，以使該電源藉由導通的第二電子開關對該穩壓電路供電，並關閉該第一電子開關。
4. 如申請專利範圍第1項所述的生理訊號感測裝置，其中，在該生理阻抗的阻抗值大於該阻抗範圍的一上限阻抗值時，該電源控制電路係不會被觸發，該電源不對該穩壓電路供電。
5. 如申請專利範圍第1項所述的生理訊號感測裝置，其中，該短路保護電路包括一P型電晶體，該P型電晶體的閘極連接該隔離電路，該P型電晶體的源極連接該電源控制電路及該穩壓電路，該P型電晶體的汲極連接一接地端。
6. 如申請專利範圍第1項所述的生理訊號感測裝置，其中，該短路保護電路包括一N型電晶體及一P型電晶體，該N型電晶體的閘極連接該隔離電路，該N型電晶體的源極連接一接地端，該N型電晶體的汲極連接該P型電晶體的閘極，該P型電晶體的源極連接該電源控制電路，該P型電晶體的汲極連接該穩壓電路。
7. 如申請專利範圍第1項所述的生理訊號感測裝置，其中，該短路保護電路包括一比較器、一第一電阻及一第二電阻，該比較器的一正向輸入端連接該隔離電路，該比較器的一反向輸入端連接串聯連接的該第一電阻及該第二電阻之間的一節點，該第一電阻連接該電源控制電路，該第二電阻連接一接地端，該比較器的一輸出端連接該穩壓電路。
8. 一種生理訊號感測裝置的開機及關機的運作方法，包括下列步驟：一隔離電路的至少兩偵測端連接一生理阻抗； 在該生理阻抗的阻抗值在一阻抗範圍內時觸發一電源控制電路，以使一電源供電至一穩壓電路；及控制該隔離電路切換，以隔離該電源的供電路徑與該生理訊號傳輸路徑。
9. 如申請專利範圍第8項所述的生理訊號感測裝置的開機及關機的運作方法，更包括下列步驟：在該生理阻抗的阻抗值大於該阻抗範圍的一上限阻抗值時，該電源控制電路不被觸發；及，在該生理阻抗的阻抗值小於該阻抗範圍的一下限阻抗值時，關閉該穩壓電路。