TWI750582B - 微擾注入鎖定生理信號感測器 - Google Patents
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Abstract
一種生理信號感測器,包括:一自振式互補式隙環共振元件,一解調元件,基頻放大元件,以及一微控制器。自振式互補式隙環共振元件係用以偵測一生理信號並輸出一調變信號,解調元件接收調變信號並輸出一脈波生理信號,基頻放大元件接收脈波生理信號並輸出一放大脈波生理信號,微控制器接收放大脈波生理信號並輸出一數位信號。
Description
本揭露係有關於一種生理信號感測器,特別是一種基於微擾原理(perturbation theory)以及注入鎖定原理(injection-locked theory)之生理信號感測器。
量測人體生理信號可以用來了解一個人的諸多狀態。例如量測心跳、指脈搏、呼吸、體溫、血壓等數據(或稱生理信號)可用來判斷一個人的生命跡象,或用來評估一個人的健康狀況等。
隨著穿載式裝置(wearable devices)以及健康照護的快速發展,許多穿載式裝置亦具有量測一種或多種以上生理信號的功能。例如,有些穿載式裝置可量測穿載者的心電圖(Electrocardiography,ECG或EKG)來得知穿載者的心跳數據。近來更有例如配備有量測腕部脈波信號功能的手錶,藉由配備光體積變化描記圖法感應器(Photoplethysmography,PPG),其可藉由量測腕部脈波信號來得到心跳數據。
然而,一般而言生理信號都較為微弱,故在量測上有一定的難度。再加上若生理信號伴隨著雜訊,又會增加量測上的困難度。除此之
外,上述之PPG存在有其他會影響量測結果的因素,例如使用者配載穿載式裝置時鬆緊度,環境的明亮度,或皮膚特性等。
因此,如何有效率的量測人體生理信號,以及如何有效率的處理跟分析所量測的人體生理信號實為相關技術領域中一個重要的課題。
根據本揭露之其中一目的,提出一種生理信號感測器,包括:一自振式互補式隙環共振元件(self-oscillating complementary split-ring resonator,SO-CSRR),一解調元件,基頻放大元件,以及一微控制器(microcontroller,MCU)。此自振式互補式隙環共振元件係用以偵測一生理信號並輸出一調變信號,此解調元件接收此調變信號並輸出一脈波生理信號,此基頻放大元件接收此脈波生理信號並輸出一放大脈波生理信號,此微控制器接收此放大脈波生理信號並輸出一數位信號。
100,200:生理信號感測器
101,201:自振式互補式隙環共振元件
102:解調元件
103,203:基頻放大元件
104,204:微控制器
105,205:電子裝置
1041,2041:類比數位轉換器
2011:互補式隙環共振器
2012:雙極性電晶體射頻放大器
2021:微波微分器
2022:封包偵測器
202:振幅解調元件
302:頻率解調元件
3021:除頻器
3022:相位偵測器
3023:電荷泵浦
308:迴路濾波器
圖1係本揭露之第一實施例之生理信號感測器之架構示意圖。
圖2係本揭露之第二實施例之生理信號感測器之架構示意圖。
圖3係本揭露之第三實施例之生理信號感測器之架構示意圖。
圖4(a)係本揭露之第二實施例之生理信號感測器之實驗模擬圖(時域)。
圖4(b)係本揭露之第二實施例之生理信號感測器之實驗模擬圖(頻域)。
以下將參照相關圖式,說明依本揭露之實施例,為使便於理解,下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱圖1,圖1係本揭露之第一實施例之生理信號感測器之架構示意圖。如圖1所示之第一實施例,生理信號感測器100係用以量測手指部之生理信號。生理信號感測器100包括一自振式互補式隙環共振元件101,一解調元件102,一基頻放大元件103,以及一微控制器104。
一使用者將其手指(如圖1所示)放置於自振式互補式隙環共振元件101上。手指中經過的血流造成微擾動,血流造成微擾動使得自振式互補式隙環共振元件101產生一週期性共振頻率偏移(perodic resonant frequency deviation),故自振式互補式隙環共振元件101則根據微擾動原理來測得一生理信號。隨後,自振式互補式隙環共振元件101再依據注入鎖定原理(injection-locked theory)將生理信號轉換成一頻率調變信號並輸出此頻率調變信號。
解調元件102係電性連接自振式互補式隙環共振元件101,上述之輸出頻率調變信號係由解調元件102所接收。解調元件102接著對調變信號解調以獲得一脈波生理信號,而此脈波生理信號即為所量測的手指脈波生理信號。
再如圖1所示,基頻放大元件103係電性連接解調元件102。基頻放大元件103接著接收上述之脈波生理信號,並將此脈波生理信號進行放大處理。基頻放大元件103並接著輸出此放大後之脈波生理信號。
微控制器104係電性連接基頻放大元件103,用以接收放大後之脈波生理信號。於本第一實施例中,微控制器104內部包括有一類比數位轉換器1041(analog-to-digital converter,ADC converter)。微控制器104接收上述之放大後之脈波生理信號,並藉由類比數位轉換器1041將其轉換成一數位信號。微控制器104並再藉由無線通信之方式將數位信號傳送給一電子裝置105。
其中,於本發明第一實施例中,電子裝置105係為一行動裝置。行動裝置再接收數位信號後可將數位信號所帶之相關資訊顯示出來。再者,上述之無線通信方式並無限制,可為任何形式之無線通信,例如為藍芽或Wi-Fi等。
請參閱圖2,圖2係本揭露之第二實施例之生理信號感測器之架構示意圖。如圖2所示之第二實施例,生理信號感測器200係用以量測手腕部之生理信號。生理信號感測器200包括一自振式互補式隙環共振元件201,一振幅解調元件202,一基頻放大元件203,以及一微控制器204。
本揭露之第二實施例之生理信號感測器200係置於一使用者之手腕(如圖2所示)。手腕中經過的血流造成微擾動,血流造成微擾動使得自振式互補式隙環共振元件201產生一週期性共振頻率偏移(perodic resonant frequency deviation),故自振式互補式隙環共振元件201則根據微擾動原理來測得一生理信號。隨後,自振式互補式隙環共振元件201再依據注入鎖定原理(injection-locked theory)將生理信號轉換成一頻率調變信號並輸出此頻率調變信號。再如圖2所示,第二實施例之自振式互補式隙環共振元件201係包括一互補式隙環共振器2011以及一雙極性電晶體射頻
放大器2012(BJT RF amplifier)。故,第二實施例之自振式互補式隙環共振元件201係呈一迴授迴圈振盪器配置(feedback-loop oscillator configuration)。另需注意的是,本實施例採用雙極性電晶體射頻放大器2012僅是示例說明,並非限定本發明僅能採用雙極性電晶體射頻放大器。
雙極性電晶體射頻放大器2012係被用來提供足夠的增益,以滿足巴克豪森振盪準則(barkhausen oscillation criteria)。故能達到相同目的之放大器皆可被運用在本發明中。除此之外,於本第二實施例中,雙極性電晶體射頻放大器2012係被施加一3.3V之偏壓,且其電流值為12mA。
振幅解調元件202係電性連接自振式互補式隙環共振元件201,上述之輸出頻率調變信號係由振幅解調元件202所接收。振幅解調元件202接著對調變信號解調以獲得一脈波生理信號,而此脈波生理信號即為所量測的手腕脈波生理信號。如圖2所示,第二實施例之振幅解調元件202係由一微波微分器2021以及一封包偵測器2022來實現。詳言之,振幅解調元件202係將所接收的調變信號轉換成一振幅調變信號,並再透過獲得振幅調變信號的振幅變化來取得手腕脈波生理信號。
基頻放大元件203係電性連接振幅解調元件202。基頻放大元件203接著接收上述之脈波生理信號,並將此脈波生理信號進行放大處理。基頻放大元件203並接著輸出此放大後之脈波生理信號。
微控制器204係電性連接基頻放大元件203,用以接收放大後之脈波生理信號。於本第二實施例中,微控制器204內部包括有一類比數位轉換器2041(analog-to-digital converter,ADC converter)。微控制器204接收上述之放大後之脈波生理信號,並藉由類比數位轉換器2041將其轉換
成一數位信號。微控制器204並再藉由無線通信之方式將數位信號傳送給一電子裝置205。
其中,於本發明第一實施例中,電子裝置205係為一行動平板電腦。行動平板電腦205再接收數位信號後可將數位信號所帶之相關資訊顯示出來。再者,上述之無線通信方式並無限制,可為任何形式之無線通信,例如為藍芽或Wi-Fi等。
請參閱圖3,圖3係本揭露之第三實施例之生理信號感測器之架構示意圖。圖3所示之第三實施例與前述圖2所示之第二實施例相似,故在此僅對不同之處說明,以免贅述。其中,在前述圖2所示之第二實施例中,連接到自振式互補式隙環共振元件201的是振幅解調元件202,而在圖3所示之第三實施例中,連接到自振式互補式隙環共振元件的是一頻率解調元件302。
因為自振式互補式隙環共振元件所輸出的信號是一調變信號,而此調變信號係載有所量測的人體生理信號。其中,生理信號是可以被調變在調變信號的振幅中也可以是被調變在調變信號的頻率中。換言之,自振式互補式隙環共振元件所輸出的調變信號的振幅及頻率中都載有生理信號的資訊,因此與振式互補式隙環共振元件所連接的解調元件可選擇為振幅解調器來對調變信號的振幅進行解調而取出生理信號資訊,或選擇為頻率解調器來對調變信號的頻率進行解調而取出生理信號資訊。
再如圖3所示,本第三實施例中之頻率解調元件302係包括一除頻器3021、一相位偵測器3022以及一電荷泵浦3023。其中,頻率解調元
件302係接收一參考頻率。而頻率解調元件302所輸出之解調信號,在經基頻放大之前,更經過一迴路濾波器308處理。
依據本發明所提出之生理信號感測器,其係基於微擾原理(perturbation theory)以及注入鎖定原理(injection-locked theory),並具有高靈敏度。因為具有高靈敏度,本發明所提出之生理信號感測器可用量測多種生理信號,例如手腕脈波或者是指尖脈波等。藉此,本發明所提出之生理信號感測器可被用於不同種類之可穿載式裝置,有助於穿載式裝置以及健康照護相關產業的發展。此外,因本發明所提出之生理信號感測器係基於微擾原理以及注入鎖定原理,本發明所提出之生理信號感測器亦可稱為微擾注入鎖定感測器(perturbation injection-locked sensor,PIL sensor)。
請再參閱圖4(a)-3(b),圖4(a)係本揭露之第二實施例之生理信號感測器之實驗模擬圖(時域),圖4(b)係本揭露之第二實施例之生理信號感測器之實驗模擬圖(頻域)。於圖4(a)中,虛線表示以本發明之PIL sensor作成之實驗模擬圖,而實線則表示以光體積變化描記圖法感應器(PPG)作成之實驗模擬圖。由圖4(a)可比較出本發明之PIL sensor之功效接近PPG,但本發明之PIL sensor並不會有上述PPG量測上的缺點(例如使用者配載穿載式裝置時鬆緊度,環境的明亮度,或皮膚特性等會影響PPG的數據等)。
而如圖4(b)所示,可看出圖4(b)有兩處頻譜高峰處。此二頻譜高峰處分別代表20.8跳動/分鐘(20.8beat/min)的呼吸率以及82.8跳動/分鐘(82.8beat/min)的腕部脈波。藉此,本發明之PIL sensor可同時量測呼吸率及腕部脈波。
可見本揭露在突破先前之技術下,確實已達到所欲增進之功效,且也非熟悉該項技藝者所易於思及,其所具之進步性、實用性,顯已符合專利之申請要件,爰依法提出專利申請,懇請 貴局核准本件發明專利申請案,以勵創作,至感德便。
以上所述僅為舉例性,而非為限制性者。其它任何未脫離本揭露之精神與範疇,而對其進行之等效修改或變更,均應該包含於後附之申請專利範圍中。
100:生理信號感測器
101:自振式互補式隙環共振元件
102:解調元件
103:基頻放大元件
104:微控制器
105:電子裝置
1041:類比數位轉換器
Claims (10)
- 一種生理信號感測器,包括: 一自振式互補式隙環共振元件,該自振式互補式隙環共振元件係用以偵測一生理信號並輸出一調變信號; 一解調元件,該解調元件電性連該自振式互補式隙環共振元件; 一基頻放大元件,該基頻放大元件電性連該解調元件;以及 一微控制器,該微控制器電性連該基頻放大元件; 其中,該解調元件接收該調變信號並輸出一脈波生理信號,該基頻放大元件接收該脈波生理信號並輸出一放大脈波生理信號,該微控制器接收該放大脈波生理信號並輸出一數位信號。
- 如請求項1所述之生理信號感測器,其中該自振式互補式隙環共振元件包括一互補式隙環共振器以及一雙極性電晶體射頻放大器。
- 如請求項1所述之生理信號感測器,其中該解調元件係為一振幅解調元件。
- 如請求項3所述之生理信號感測器,其中該解調元件係包括一微波微分器以及一封包偵測器。
- 如請求項1所述之生理信號感測器,其中該解調元件係為一頻率解調元件。
- 如請求項5所述之生理信號感測器,其中該頻率解調元件係包括一除頻器、一相位偵測器以及一電荷泵浦。
- 如請求項6所述之生理信號感測器,其中生理信號感測器也括一迴路濾波器。
- 如請求項1所述之生理信號感測器,其中該微控制器包括一類比數位轉換器。
- 如請求項1所述之生理信號感測器,其中該數位信號係經無線傳送,並由一電子裝置所接收。
- 如請求項1所述之生理信號感測器,其中該生理信號係由量測一手腕部或一手指部而取得。
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