TWI603711B - Green energy simple physiological assessment device and method - Google Patents
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Description
本發明是關於一種被動式電位差測量法與具即時演算小型化架構，特別針對攜帶便利性上，使用綠能方法達到低功耗與低成本之簡易生理評估裝置，易於讓使用者在肌肉運動時即時達到反饋生理資訊，讓使用者易於適度自行調配運動狀況，來構成一種小型化、具彈性、且更使用方便性之簡易型運動狀態監測裝置及方法。
隨著資通訊科技之進步，運動監測設備均已縮小化、攜帶便利性以及簡易使用為主軸技術做研發趨勢。
一般習知的穿戴式健康檢測設備中，其搭載複數感測單元，提供使用者不同生理評估資訊，其缺點為複數感測單元造成電池續航力為一大困擾，再者，若需做出多種生理評估結論，則使裝置內部耗電單元數目增加，不易降低整體裝置耗電量。另一方面在穿戴式發電裝置上，若能將環境光能捕捉發電，並將環境光能所產生額外剩餘熱能藉由與人體皮膚溫差發電，使發電單元具雙重效益提高裝置充足電量，並在當下提供簡易生理評估資訊，對使用者運動上可擺脫裝置使用上不便等侷限問題。
根據中華民國公告第I439255號「節能生理檢測貼片裝置及其操作方法」專利案，此專利一種節能生理檢測貼片裝置包含一生理檢測貼片單元、一
無線通訊單元及一溫差發電單元。一種生理檢測貼片操作方法包含：提供該溫差發電單元連接於該生理檢測貼片單元及無線通訊單元；利用該溫差發電單元貼附於一受測者之皮膚表面，以便利用體溫與環境溫度之間產生一電壓值；將該溫差發電單元之電壓值供應至該生理檢測貼片單元及無線通訊單元；及利用該生理檢測貼片單元檢測該受測者之至少一生理資料，利用該無線通訊單元進行無線傳輸該生理檢測貼片單元所檢測之生理資料至一接收主機。該專利提出溫差發電方法，供應生理檢測貼片裝置電量，並使用ECG模組收集訊號並傳送至遠端主機辨識其使用者身分；其缺點在於使用無線模組傳輸資料對於生理檢測貼片裝置耗電量大增，再者此專利需透過後端無線單元間接才能完成身分辨識演算功能，使用上造成相當大之侷限。根據中華民國公告第I434224號「體適能評估分析器、分析方法及其腳踏健身裝置」專利案，此專利提出一種體適能評估分析方法，用於至少一使用者操作一腳踏健身器時，其包含下列步驟：擷取多個生理特徵資料，前述生理特徵資料取自使用者之生理狀態。擷取多個機電特徵資料，前述機電特徵資料取自腳踏健身器之機電狀態。利用生理特徵資料及機電特徵資料建立至少一物元模型。利用物元模型訓練一可拓類神經網路以建立一可拓類神經處理系統。利用可拓類神經處理系統將至少一待測資料歸類為至少一評估類別；其缺點在於此專利需綁定腳踏車裝置才能偵測生理訊號，對於非使用腳踏車之運動項目造成侷限，再者此專利使用多組電極貼片量測生理狀態，造成使用上不便利等問題。若能將單一生理訊號收集裝置提供多種評估資訊，並結合綠能式低功耗簡易生理評估測量法，則對使用者來說可增加使用上之便利性。
由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。
本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件綠能簡易式生理評估裝置及方法。
本發明之主要目的，在於透過本綠能簡易式生理評估裝置及方法，藉由本發明讓使用者在做各種運動時，以貼片形式之光熱發電單元，收集附近光源，藉由光能轉電能發電，並將光能所產生之額外熱能，由熱電效應方法與皮膚溫差做為雙重發電效益，改善傳統穿戴式裝置中電池續航力不足問題。再者使用被動式電位擷取單元係以非耗電方式，自動讓人體皮膚電位差之電流導入，將皮膚電壓送入即時演算單元中，當下立即簡易評估對應之生理資訊。
本發明之次要目的，在於綠能簡易式生理評估裝置中被動式電位擷取單元、即時演算單元、顯示單元三者低消耗電量特性，使光熱發電單元提供低電量即可供應綠能簡易式生理評估裝置，並針對皮膚電位差之特性分析心電與肌肉訊號，判別心電訊號特徵R波峰值之有無，達到單一感測單元具複數評估之效能，再者，若能立即提供使用者當下有效益之運動建議資訊，可讓使用者使用裝置時具便利性、輕量化、縮小化、簡易使用、方便攜帶與價格便宜等優勢。
達成上述發明目的之綠能簡易式生理評估裝置及方法。該綠能簡易式生理評估裝置包含一被動式電位擷取單元、一顯示單元、即時運算單元、一光熱發電單元與一儲能單元組成。該被動式電位擷取單元擷取將人體皮膚表面電位差之電流自動導入，得知其皮膚電位，並將皮膚電位傳入即時運算單元。該顯示單元呈現裝置運算評估結論。該即時演算單元將皮膚電位差解析心率與肌
肉疲勞資訊，依照生理心電訊號特徵R波峰值，判別裝置運算狀態為心電模式或肌電模式，若為心電模式則將往後收集之訊號做心率運算，反之為肌電模式則運算肌肉疲勞狀態，並將結論呈現於顯示單元中。該光熱發電單元做為貼片型式，藉由光能轉電能與熱能轉電能兩者原理，將產生電能供應儲能單元。該儲能單元主要提供裝置電量，並在裝置運作與否時隨時儲存光熱發電單元所產生電量。
11‧‧‧被動式電壓擷取單元
12‧‧‧顯示單元
13‧‧‧即時演算單元
14‧‧‧光源發電單元
15‧‧‧儲能單元
21‧‧‧導電膠
2a‧‧‧電量燈號
2b‧‧‧心率評估燈號
2c‧‧‧肌肉評估燈號
3‧‧‧使用者身體
31‧‧‧心率檢測裝置黏貼處
32‧‧‧手部肌肉
33‧‧‧腿部肌肉
41‧‧‧光電轉換裝置
42‧‧‧熱電轉換裝置
43‧‧‧外部光源
44‧‧‧光源所產生額外熱能
45‧‧‧使用串聯電路
46‧‧‧黏膠
47‧‧‧發電輸出端
S1‧‧‧收集生理電壓訊號
S2‧‧‧60Hz IIR Notch數位濾波器
S3‧‧‧IIR高通濾波器
S4‧‧‧重新收集生理電壓訊號
S5‧‧‧IIR Notch濾波器
S6‧‧‧肌電訊號模式
S7‧‧‧IIR高通濾波器
S8‧‧‧取得肌電頻率
S9‧‧‧肌肉疲勞相對狀況
S10‧‧‧心電訊號模式
S11‧‧‧IIR高通濾波器
S12‧‧‧計算使用者每分鐘心率
S13‧‧‧使用者相對心率增減
T1‧‧‧貼至欲量測皮膚包含四肢與心臟部位
T2‧‧‧光熱發電單元開始依照周圍環境光發電
T3‧‧‧初始化即時演算單元
T4‧‧‧電量不足
T5‧‧‧點亮電量燈號
T6‧‧‧取得皮膚電位差並分析運算模式
T7‧‧‧運作為肌電模式並將評估結論呈現於肌肉評估燈號
T8‧‧‧運作為心電模式並將評估結論呈現於心率評估燈號
圖1為本發明綠能簡易式生理評估裝置內部架構圖；圖2為本發明綠能簡易式生理評估裝置硬體架構圖；圖3為使用者黏貼處示意圖；圖4為光熱發電單元架構圖；圖5為本發明綠能簡易式生理評估裝置及方法之即時演算單元運作流程圖；圖6為本發明綠能簡易式生理評估裝置運作流程圖。
一般生理訊號偵測裝置中，皆使用複數感測器與電池單元，達成量測不同生理數據之目的，但感測器數量越多造成裝置用電量大幅提升之問題，此外在裝置續航力與電池體積大小若能技術革新，則在使用上會更加便利。
圖1所示為綠能簡易式生理評估裝置內部架構圖，其包含被動式電位擷取單元11、顯示單元12、即時演算單元13、光熱發電單元14與儲能單元15。
被動式電位擷取單元11被動式電位擷取單元將人體皮膚表面電位差之產生電流導入，由導入電流可得皮膚電位，並使用標準傳輸介面傳入即時運算單元13。該顯示單元12主要由一顆電量燈號、一顆心率評估燈號、一顆肌肉評估燈號組成，分別代表各種裝置電量狀態與評估結論，詳細燈號顯示方式在圖2中說明。即時演算單元13依照當前生理心電訊號特徵R波判別，使裝置運作心電運算模式或者肌電運算模式，運算出心率與肌肉疲勞評估資訊，其運算方法詳細說明於圖4中。光熱發電單元14為一具柔性彎折特性貼片，係貼附於皮膚上並藉由吸收周圍光源形成發電原理。該儲能單元15係由具儲存電荷功能裝置組成，該儲能單元15做為儲存光熱發電單元所產生之電能並提供裝置電量，並在裝置使用與否狀況下都能儲存光熱發電單元發電電量。
圖2為綠能簡易式生理評估裝置硬體架構圖，使用時直接將導電膠21貼至欲量測之皮膚上，藉由導電膠具導電特性，兩端形成電位差產生電流流入被動式電位擷取單元11中。光熱發電單元14則透過貼片的方式貼覆於皮膚上，吸收周圍光能轉換電能發電，並將光能所散發剩餘熱量經由熱電效應方法，與皮膚溫差產生發電效用，達成雙重發電效果。其電量燈號2a明滅判別光熱發電單元是否足夠即時演算單元13做運算，並使用心率評估燈號2b使用滅、亮、閃爍顯示三種當前心率負荷狀況。肌肉評估燈號2c使用滅、亮、閃爍顯示三種當前運動疲勞狀況。
圖3為使用者黏貼處示意圖，將本發明黏貼置使用者身體3上，即時演算單元量測依據生理心電訊號特徵R波判別裝置使用情況，若黏貼於軀幹31則可偵測到心率R波即評估心率結論，若將本發明裝置黏貼於四肢肌肉32與33處，則因量測不到R波，即評估肌肉疲勞狀況。
圖4為光熱發電單元架構圖，光熱發電單元藉由光電轉換裝置41與熱電轉換裝置42結合而成，將外部光源43吸收至光電轉換裝置中轉換為電能，其光源所產生額外熱能44會藉由熱電轉換裝置吸收，其與皮膚溫差產生發電效果，最後使用串聯電路45方法達到雙重發電效益，並藉由黏膠46做成貼片形式，最後可由發電輸出端取得電壓47。
圖5為本發明綠能簡易式生理評估裝置之即時演算單元運作流程圖，即時演算單元將大量複雜皮膚電位差訊號做解析，達到區分肌電與心電訊號之差別，最後提供使用者做出對應評估結論，其即時演算單元運算使用步驟如下，首先收集生理電壓訊號S1，使用者將本發明貼於指定部位靜置五秒，其五秒內訊號包含了環境60Hz干擾、皮膚表面低頻干擾、電位基線飄移等問題，首先使用環境60Hz IIR Notch濾波器S2去除環境干擾，如(1)所示
其中b 0為濾波器增益，r為單位圓座標平面上之對稱極點，ω 0為單位圓座標平面上之轉角角度。
其運動過程中，皮膚表面低頻干擾、電位基線飄移等問題較顯著，使用IIR高通濾波器S3處理訊號，其公式如下
其中β單位圓增益點。並將濾波後訊號Y(z)取微分後可將訊號peak強調其狀態變化率
其中β單位圓增益點。並將濾波後訊號Y(z)取微分後可將訊號peak強調其狀態變化率
D(n)=σ(n)-σ(n-1) (3)
將五秒內所有蒐集成一陣列表示為λ=[D(0),D(1),.....,D(n)] (4)
由於在心電訊號中R波峰值震幅相當明顯，因此將濾波訊號λ取平均數為
其一般正常人非運動心率介於40至120bpm間，可由α值比對陣列λ得知是否為偵測心電模式，由於肌肉訊號為高頻交流電，因此若取得心率值超出預設範圍，則判定為偵測肌電訊號模式S7。重新收集生理電壓訊號S5，並同樣使用60Hz IIR濾波器S6處理環境60Hz干擾問題。
針對心電訊號模式下S11，首先將心電訊號之運動基線飄移問題，使用IIR高通濾波器處理S12，如(2)式，接著將生理訊號計算出使用者每分鐘心率S13以及使用者相對心率增減S14，使用者每分鐘心率可由心電訊號特徵R波數目取得，其公式如下
其中H為每分鐘心跳數，R為陣列λ取得R波波峰數，S為取樣頻率，n為取樣點數目。
針對肌電訊號模式S7下，由於不同使用者生理狀況不同，肌電訊號分佈情況也不一，因此針對肌電訊號擷取上，首先使用IIR高通濾波器S8處理低頻雜訊問題，接著本發明重複(3)與(5)取得肌電頻率S9，其初始肌電頻率做為
裝置初始化。若肌肉疲勞時，其肌肉放電程度會相對下降進而交流頻率降低，反之交流頻率上升時則代表肌肉疲勞回復，因此可得知使用者肌肉疲勞相對狀況S10提供使用者不同訊息。最後由下表推算建議事項，並由顯示單元呈現。
圖6為本發明綠能簡易式生理評估裝置運作流程圖，其係本發明綠能簡易式生理評估裝置貼至欲量測皮膚包含四肢與心臟部位T1，光熱發電單元開始依照周圍環境光發電T2，其發電電量提供於即時演算單元中，接著，初始化即時演算單元T3，若即時演算單元未完成初始化則代表發電量不足T4，無法提供即時演算單元運算所需電量，若完成初使化則點亮電量燈號T5，並藉由圖4之運算方法取得皮膚電位差並分析運算模式T6，以運作為肌電模式並將評估結論呈現於肌肉評估燈號T7或運作為心率模式並將評估結論呈現於心率評估燈號T8。
上述之全部行為，在綠能簡易式生理評估裝置中，使用單一被動式電壓擷取單元即時取得皮膚電位差，分析複雜生理電壓訊號，並依照心電訊號特徵R波峰值讓裝置運作於心電模式或肌電模式，改善習知技術中單一感測裝置
只能量測單一運算結論之問題，並針對電路設計上使用被動式電位擷取單元11、顯示單元12、即時演算單元13三者組成低耗電特性，達到藉由光熱發電單元即可提供電量之效能，減少電路體積及成本，達到方便使用之目的。
先前傳統的技術主要是針對生理測量技術上，提出多種感測裝置解析多種生理資訊，但多種感測元件導致產品耗電量龐大，並在電路設計造成無法降低單元數目與電池續航力等侷限，其面對一般使用者而言若裝置輕量化，並可即時做出簡易評估，勢必能讓隨身型檢測裝置更為普及。相對的，為了要達到簡易測量及價格低廉之目的，在電路功能及使用情境考量上更顯重要。本發明所提供綠能簡易式生理評估裝置及方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：
1.本發明主要使用被動式電位擷取單元、顯示單元、即時演算單元三者具耗電單元即可達成測量效能，減少耗電裝置數目，提高裝置使用續航力。
2.本發明使用貼片型光熱發電單元，除了吸收裝置周圍光源轉換電能方法，並將光源所產生之額外熱量吸收，使用熱電效應與皮膚溫差作為發電功能達成雙重發電效益。
3.本發明使用量測心電訊號特徵R波峰值特性，使裝置自動處於心電或肌電模式，並即時做出對應評估結論。
4.本發明即時使用簡易顯示單元方式反饋訊息給使用者，不需連線任何遠端裝置。
上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
綜上所述，本案不僅於技術思想上確屬創新，並具備習用之傳統方法所不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
11‧‧‧被動式電位擷取單元
12‧‧‧顯示單元
13‧‧‧即時演算單元
14‧‧‧光電發熱單元
15‧‧‧儲能單元
Claims (6)
- 一種綠能簡易式生理評估裝置，其組成包括：一被動式電位擷取單元，用以收集使用者皮膚電位差；一即時運算單元，收集該被動式電位擷取單元收集之使用者皮膚電位差，用以運算出心率與肌肉疲勞評估資訊；一顯示單元，呈現裝置電量狀態，及輸出該即時運算單元運算之生理狀態結果；一光熱發電單元，利用光能與熱能進行發電；一儲能單元，儲存該光熱發電單元發電之電能，以提供該綠能簡易式生理評估裝置使用。
- 如請求項1所述之綠能簡易式生理評估裝置，其中該光熱發電單元為一具柔性彎折特性之貼片，用以貼覆於皮膚上。
- 如請求項1所述之綠能簡易式生理評估裝置，其中該儲能單元係由具儲存電荷功能裝置組成。
- 如請求項1所述之綠能簡易式生理評估裝置，其中該被動式電位擷取單元係以非耗電方式，自動讓人體皮膚電位差之電流導入，以得知其人體皮膚電壓值。
- 一種綠能簡易式生理評估方法，其步驟包括：a.將綠能簡易式生理評估裝置黏貼至欲量測皮膚上；b.使用光熱發電單元收集附近光源藉由光能轉電能發電，並同時以光能所產生之額外熱能進行發電，以提供綠能簡易式生理評估裝置使用；c.完成初始化即時演算單元並顯示於電量顯示； d.被動式電位擷取單元擷取皮膚電位差並分析其訊號；e.即時運算單元檢測人體心電訊號特徵R波，依照心電訊號特徵R波之峰值讓綠能簡易式生理評估裝置運作於心電模式或肌電模式，用以運算出心率與肌肉疲勞評估資訊；f.將心率與肌肉疲勞評估資訊顯示於顯示單元中。
- 如請求項5所述之綠能簡易式生理評估方法，其中該心率與肌肉疲勞評估資訊採心率數值與肌電頻率相對上升與下降方式，得知使用者當下生理狀況。
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