TWI773562B - 呼吸偵測系統及其呼吸偵測墊 - Google Patents

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TWI773562B
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Abstract

本發明係一種呼吸偵測系統及其呼吸偵測墊，該呼吸偵測墊係可放置於床墊下，並主要包含有一板體、一震動感應器及一訊號處理電路；該震動感應器及該訊號處理電路係設置於該板體內；當人體躺卧於該床墊上，該震動感應器會透過該板體感應人體因呼吸產生的微小震動，並輸出一感應訊號至該訊號處理電路，由該訊號處理電路以不同移動平均點對該感應訊號進行取樣，以獲得快、慢移動平均訊號，再判斷此二快、慢移動平均訊號的交錯點，並以相鄰交錯點的時間差作為呼吸頻率計算的依據；因此，能有效排除雜訊干擾而正確地判斷人體呼吸頻率。

Description

呼吸偵測系統及其呼吸偵測墊
本發明係一種呼吸偵測裝置，尤指一種呼吸偵測墊。
目前用於偵測人體睡眠時的呼吸狀態的設備種類多且複雜，可概分為接觸式呼吸偵測設備或非接觸式呼吸偵測設備。
由於接觸式呼吸偵測設備的感應器直接固定在人體上，因此所取得有效的呼吸感應訊號，相對呼吸頻率的偵測較為準確；然而，如嬰兒或病人等特定人體的呼吸偵測，為儘量不打擾其睡眠而改採用非接觸式呼吸偵測設備，惟非接觸式所取得呼吸感應訊號較接觸式設備取得的呼吸感應訊號微弱且雜訊多；因此，必須增加相當複雜的訊號處理電路及/或演算法，才能有效地判斷出真正的呼吸頻率，但也因此而提高非接觸式設備的價格，而有必要進一步改良之。
有鑑於上述既有呼吸偵測設備的缺點，本發明主要目的係提供一種呼吸偵測系統及其呼吸偵測墊，更方便使用且精準地偵測躺卧在床上人體的呼吸狀態。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該呼吸偵測系統包含：一呼吸偵測墊，係包含：一板體；至少一震動感應器，係設置在該板體內，以感應該板體的震動，並輸出對應的感應訊號；以及一訊號處理電路，係設置於該板體內，並與該至少一震動感應器及一第一通訊模組電性連接，以取得至少一感應訊號，該訊號處理電路對該至少一感應訊號進行以下訊號處理步驟：(a)以一第一移動平均點及一第二移動平均點，對該至少一感應訊號分別取樣出一第一快移動平均訊號及一第一慢移動平均訊號；其中該第一移動平均點大於第二移動平均點；(b)計算該第一快移動平均訊號及該第一慢移動平均訊號之間相鄰交錯點的時間差；以及(c)將步驟(b)所判斷的相鄰交錯點的時間差透過該第一通訊模組對外傳送；以及一主機，係透過一第二通訊模組與該呼吸偵測墊的第一通訊模組連線，以取得相鄰交錯點的時間差，並依據該時間差計算目前的呼吸頻率。
由上述說明可知，本發明呼吸偵測系統係主要將一呼吸偵測墊可置放於一床墊下，不必與人體直接接觸，其主要於一板體內設置至少一震動感應器及一訊號處理電路，當人體躺卧於該床板上，該至少一震動感應器會透過板體感應人體因呼吸產生的微小震動，並輸出感應訊號至該訊號處理電路，由於感應訊號振幅微弱且易包含有雜訊，故該訊號處理電路對所接收該感應訊號以不同移動平均點進行取樣，以獲得快、慢移動平均訊號，再找出以此二第一快、慢移動平均訊號交錯點，並傳送至一主機，由該主機以相鄰交錯點的時間差作為呼吸頻率計算的依據；因此，能有效排除雜訊干擾而正確地判斷人體呼吸頻率。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該呼吸偵測墊包含：一板體；至少一震動感應器，係設置在該板體內，以感應該板體的震動，並輸出對應的感應訊號；以及一訊號處理電路，係設置於該板體內，並與該至少一震動感應器電性連接，以取得至少一感應訊號，該訊號處理電路對該至少一感應訊號進行以下訊號處理步驟：(a)以一第一移動平均點及一第二移動平均點，對該至少一感應訊號分別取樣出一第一快移動平均訊號及一第一慢移動平均訊號；其中該第一移動平均點大於第二移動平均點；以及(b)計算該第一快移動平均訊號及該第一慢移動平均訊號之間相鄰交錯點的時間差。
由上述說明可知，本發明呼吸偵測墊可置放於一床板與床墊之間，不必與人體直接接觸，其主要於一板體內設置至少一震動感應器及一訊號處理電路，當人體躺卧於該床板上，該至少一震動感應器會透過板體感應人體因呼吸產生的微小震動，並輸出感應訊號至該訊號處理電路，由於感應訊號振幅微弱且易包含有雜訊，故該訊號處理電路對所接收該感應訊號以不同移動平均點進行取樣，以獲得快、慢移動平均訊號，再找出以此二第一快、慢移動平均訊號交錯點，由於相鄰交錯點的時間差可作為呼吸頻率計算的依據；因此，本發明呼吸偵測墊能有效排除雜訊干擾而正確地判斷人體呼吸頻率。
10:呼吸偵測墊
20:板體
21:蓋板
211:第一卡合部
212:內頂面
22:基座
221:第二卡合部
23:彈性體
30:震動感應器
30’:壓電感應器
40:訊號處理電路
41:低通濾波電路
411:放大器
42:控制器
43:電源電路
44:指示器
45:第一通訊模組
50:主機
51:處理器
51’:人工智慧處理器
511:深度學習模組
52:光感應器
53:第二通訊模組
60:床板
61:床墊
62:人體
圖1A：本發明呼吸偵測墊的一立體外觀圖。
圖1B：圖1的一縱向剖面示意圖。
圖2：本發明圖1A的一使用狀態示意圖。
圖3：本發明呼吸偵測墊的一功能方塊圖。
圖4A：本發明之震動感應器所輸出一感應訊號的一波形圖。
圖4B：自圖4A感應訊號取樣而得之快、慢移動平均訊號的一波形圖。
圖4C：取圖4B快、慢移動平均訊號之間的一差值波形圖。
圖5A：本發明之震動感應器所輸出另一感應訊號的一波形圖。
圖5B：自圖5A感應訊號取樣而得之快、慢移動平均訊號的一波形圖。
圖5C：取圖5B快、慢移動平均訊號之間的一差值波形圖。
圖6：本發明主機的一功能方塊圖。
本發明係關於一種呼吸偵測墊，以檢測躺卧之人體的呼吸狀態，以下謹以實施例配合圖式詳加說明技術內容。
首先請參閱圖1A及圖2所示，本發明之呼吸偵測系統係包含呼吸偵測墊10及一主機50；其中該呼吸偵測墊10係供設置於一床板60上，可進一步於該呼吸偵測墊10上再鋪設一床墊61；其中該呼吸偵測墊10係包含一板體20、至少一震動感應器30及一訊號處理電路40；又該呼吸偵測墊10可進一步與該主機50連線。
請配合圖1B所示，上述呼吸偵測墊10的板體20係包含一蓋板21及一基座22，該蓋板21係匹配該基座22，並蓋合於該基座22上，且該蓋板21的周緣形成至少一第一卡合部211，該基座22的周緣對應各該第一卡合部211形成有一第二卡合部221，使該蓋板21可移動地卡合於該基座22上。於本實施例，各該第一卡合部211係自該蓋板21的周緣朝向基座22方向形成一下倒勾件，各該第二卡合部221係自該基座22的周緣朝向蓋板21方向形成一上倒勾件；其中該下倒勾件及該上倒勾件係可相互扣合；又該蓋板21的一內頂面212係對稱設置多個彈性體23。
請配合圖1B所示，上述呼吸偵測墊10的至少一震動感應器30係對應該蓋板21上之彈性體23設置於該基座22內，並與其對應之彈性體23接觸。於本實施例，各該震動感應器30可為一壓電感應器，但不以此為限；又本實施例係可設置四個壓電感應器於該板體20的四個角落。當該板體20設置於床板60上，床板60上的床墊61躺卧有一人體62，且人體62於呼吸時，會週期地下壓該 板體20的蓋板21；此時，該蓋板21會朝向該基座22上、下移動，並帶動其中的彈性體23壓縮、釋放，故該震動感應器30因接觸該彈性體23而可感知其動作，並據以產生一感應訊號。
請配合圖1B所示，上述呼吸偵測墊10的訊號處理電路40係設置於該基座22內，並與各該震動感應器30電連接，以取得其所輸出的感應訊號。於本實施例，如圖3示，該訊號處理電路40係包含一低通濾波電路41、一控制器42、一電源電路43、一指示器44及一第一通訊模組45；其中該控制器42係透過該低通濾波電路41電連接至各該壓電感應器30’，令各該壓電感應器30’輸出的感應訊號中的低頻雜訊被予以濾除；此外，該低通濾波電路41係可透過一放大器411電連接至該壓電感應器30’，而該電源電路43係提供各該壓電感應器30’、該低通濾波電路41、該控制器42、該指示器44及該第一通訊模組45的工作電源；該指示器44係電連接至該控制器42，由該控制器42控制其作動，可顯示電源狀態，該第一通訊模組45係電連接於該控制器42，以與外部主機50雙向連線；於本實施例，該指示器44可為一LED指示器，由該控制器控制其亮、滅及燈色，以顯示不同燈號訊息；又該第一通訊模組45可為一無線通訊模組並內建於該控制器42內，可為一藍芽通訊模組，但不以此為限。該控制器42係內建一訊號處理程序，其包含以下步驟a至c。
於步驟a中，當該控制器42係取得該至少一感應訊號後S1、S2，如圖4A及圖5A所示，係以預設的一第一移動平均點及一第二移動平均點(該第一移動平均點係大於該第二移動平均點)，對該至少一感應訊號S1、S2分別取樣出一第一快移動平均訊號SF1、SF2及一第一慢移動平均訊號SL1、SL2，如圖4B及圖5B所示。於一實施例中，當該呼吸偵測墊10設置有四個壓電感應器30’， 為快速判斷呼吸頻率，該控制器42可比較該些壓電感應器30’的感應訊號S1、S2的振幅，並其中較大者進行取樣，但不以此為限；而一種具體可行的判斷方式係由該控制器42的計算四路感應訊號之振幅的標準差，並於每隔一個時間區間T來比較四路標準差各自的最大值S(i)，並找出使S(k)為最大的第k路訊號，以對該第k路感應訊號進行取樣。
於步驟b中，該控制器42係取得該第一快移動平均訊號SF1、SF2及該第一慢移動平均訊號SL1、SL2之間交錯點P1，再計算相鄰交錯點P1之間的時間差。於本實施例，該控制器42可先取該第一快移動平均訊號SF1、SF2及該第一慢移動平均訊號SL1、SL2之間的一差值訊號SD，再以該差值訊號SD與一參考準位訊號SB之交錯點P2作為該時間差；又為進一步提升呼吸判斷的準確率，該控制器42可進一步取各交錯點P2的參考準位訊號SB對差值訊號SD的斜率，並判斷該斜率是否為正，當交錯點P2的斜率為正才視為有效交錯點P2，以相鄰有效交錯點P2之間的時間差作為該步驟(b)的時間差；其中時間差係作為計算目前的呼吸頻率的依據。
於步驟c中，該控制器42係將步驟b所得的時間差透過該第一通訊模組45傳送至該主機50計算目前的呼吸頻率；於本實施例，該控制器42係將步驟b的相鄰有效交錯點間的時間差對外傳送。於另一實施例，該呼吸偵測墊10的該控制器42亦可直接以步驟b的相鄰有效交錯點間的時間差計算目前的呼吸頻率，也可進一步將計算出的呼吸頻率傳送至該主機50。
請配合參閱圖4A所示，為該控制器42於床墊61上無人體62躺卧時或呈無呼吸狀態下所獲得，之後由該控制器42將所取得的感應訊號以預設的第一、第二移動平均點取樣出一第一快移動平均訊號SF1及一第一慢移動平均 訊號SL1，即如圖4B所示之第一快移動平均訊號SF1及一第一慢移動平均訊號SL1間的交錯點P1並非週期性分佈；因此，當控制器42取圖4B的第一快移動平均訊號SF1及一第一慢移動平均訊號SL1間的差值訊號SD後，再與參考準位訊號SB比較，如圖4C所示，其間的有效交錯點P2同樣並未呈週期分佈。
圖5A是床墊上有呼吸的人體躺卧狀態下由該控制器42所獲得的感應訊號S2，該控制器42係將所取得的感應訊號S2以預設的第一、第二移動平均點取樣出一第一快移動平均訊號SF2及一第一慢移動平均訊號SL2，其中該第一快、慢移動平均訊號SF2、SL2之間的交錯點P1如圖5B所示係呈週期性分佈；因此，該控制器42可取第一快、慢移動平均訊號SF2、SL2的差值訊號SD，再與參考準位訊號SB比較，如圖5C所示，其間的有效交錯點P2即呈週期分佈，而可由相鄰交錯點P2的時間差係用以計算出呼吸頻率。
再請參閱圖6所示，53該主機50係包含有一處理器51及一第二通訊模組53，該處理器51係與該第二通訊模組53電連接。當該處理器51透過該第二通訊模組53與該呼吸偵測墊10的第一通訊模組45雙向連線，可接收由該呼吸偵測墊10所判斷出的相鄰交錯點的時間差，故可依據該相鄰交錯點的時間差計算出之目前的呼吸頻率；此外，該處理器51可再進一步判斷所計算出的目前呼吸頻率是否為正常或異常的呼吸頻率；即若供嬰兒呼吸頻率偵測用，則可設定嬰兒正常呼吸頻率範圍約為每分鐘40~60次；因此，該處理器51若判斷目前呼吸頻率落在正常呼吸頻率範圍內，即判斷為正常呼吸頻率中間為正常；反之，若判斷低於或高於該正常呼吸頻率範圍，則視為異常呼吸頻率。
於另一實施例，該主機50係可採用一人工智慧處理器51’作為該處理器51，並進一步包含一光感應器，該人工智慧處理器51’係與該光感應器52 及該第二通訊模組53電連接，並內建有一深度學習模組511，該深度學習模組511係學習人體之身體部位(如：眼睛、嘴巴、手、腳等)的特徵影像。當該人工智慧處理器51'透過該第二通訊模組53與該呼吸偵測墊10的第一通訊模組45雙向連線。當該人工智慧處理器51’判斷目前的呼吸頻率為異常呼吸頻率時，則進一步透過該光感應器52拍攝床墊61的光影像，由該人工智慧處理器51’的深度學習模組511判斷該光影像是否存在多個身體特徵，若判斷無身體特徵，代表床墊61上並未有人體62躺卧，則不輸出警報訊號；反之，若判斷床墊61上有身體特徵，則代表目前人體62可能呼吸孱弱或已無呼吸，進而輸出警報訊號。
又該人工智慧處理器51’可進一步設定一第三移動平均點，對所計算出的該些呼吸頻率取樣出移動平均數值，以減少因受偵測之人體移動中斷呼吸頻率計算的誤判。
綜上所述，本發明呼吸偵測系統係將一呼吸偵測墊係置放於一床板與床墊之間，不必與人體直接接觸，其主要於一板體內設置至少一震動感應器及一訊號處理電路，當人體躺卧於該床板上，該至少一震動感應器會透過板體感應人體因呼吸產生的微小震動，並輸出感應訊號至該訊號處理電路，由於感應訊號振幅微弱且易包含有雜訊，故該訊號處理電路對所接收該感應訊號以不同移動平均點進行取樣，以獲得快、慢移動平均訊號，再找出以此二快、慢移動平均訊號交錯點，並以相鄰交錯點的時間差作為呼吸頻率計算的依據；因此，能有效排除雜訊干擾而正確地判斷人體呼吸頻率。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利 用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10:呼吸偵測墊
20:板體
30:震動感應器

Claims (19)

  1. 一種呼吸偵測系統，包括：一呼吸偵測墊，係包含：一板體；至少一震動感應器，係設置在該板體內，以感應該板體的震動，並輸出對應的感應訊號；以及一訊號處理電路，係設置於該板體內，並與該至少一震動感應器及一第一通訊模組電性連接，以取得至少一感應訊號，該訊號處理電路對該至少一感應訊號進行以下訊號處理步驟：(a)以一第一移動平均點及一第二移動平均點，對該至少一感應訊號分別取樣出一第一快移動平均訊號及一第一慢移動平均訊號；其中該第一移動平均點大於第二移動平均點；(b)計算該第一快移動平均訊號及該第一慢移動平均訊號之間相鄰交錯點的時間差；以及(c)將步驟(b)所判斷的相鄰交錯點的時間差透過該第一通訊模組對外傳送；以及一主機，係透過一第二通訊模組與該呼吸偵測墊的第一通訊模組連線，以取得相鄰交錯點的時間差，並依據該時間差計算目前的呼吸頻率。
  2. 如請求項1所述之呼吸偵測系統，其中該步驟(b)係包含以下步驟：(b1)取該第一快移動平均訊號及該第一慢移動平均訊號之間的一差值訊號；以及 (b2)取該差值訊號與一參考準位訊號之交錯點，並以相鄰交錯點之間的時間差作該步驟(b)的時間差。
  3. 如請求項2所述之呼吸偵測系統，其中該步驟(b2)係進一步取各該交錯點的參考準位訊號對差值訊號的斜率，並判斷該斜率為正，視該交錯點為有效交錯點，以相鄰有效交錯點之間的時間差作為步該步驟(b)的時間差。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之呼吸偵測系統，其中該步驟(a)中，當訊號處理電路取得多個感應訊號，計算該些感應訊號之振幅的標準差，並於每隔一個時間區間來比較該些標準差中的最大值，並以最大值的感應訊號進行取樣。
  5. 如請求項2或3所述之呼吸偵測系統，其中該板體係包含：一蓋板，其周緣係朝向該基座方向形成至少一第一卡合部；以及一基座，其周緣係對應該至少一卡合部形成至少一第二卡合部；其中該蓋板係以該至少一第一卡合部可移動地卡合於該基座的第二卡合部。
  6. 如請求項5所述之呼吸偵測系統，其中該訊號處理電路係進一步包含：一低通濾波電路，係電連接至該至少一震動感應器，以濾除該至少一震動感應器的感應訊號中的低頻雜訊；一控制器，係電連接該第一通訊模組及該低通濾波電路，以取得經濾波後的感應訊號，並執行該訊號處理步驟；以及一電源電路，係電連接至該至少一震動感應器、該低通濾波電路及該控制器。
  7. 如請求項6所述之呼吸偵測系統，其中該訊號處理電路係進一步包含一指示器，其電連接至該控制器。
  8. 如請求項6所述之呼吸偵測系統，係進一步連結一主機，該主機包含：一處理器；以及一第二通訊模組，係電連接至該處理器，以與該第一通訊模組連線；其中：上述處理器係獲得相鄰交錯點的時間差，並依據相鄰交錯點的時間差計算目前呼吸頻率。
  9. 如請求項7所述之呼吸偵測系統，其中該處理器係為一人工智慧處理器，其內建有一深度學習模組，該深度學習模組係學習人體之身體部位特徵影像，且該人工智慧處理器係電連接一光感應器，該光感應器係輸出所拍攝光影像；其中：該人工智慧處理器係進一步判斷目前呼吸頻率是否低於或高於一正常呼吸頻率範圍；若是，則進一步接收該光感應器的光影像，並以該深度學習模組判斷光影像中存在有人體的身體部位特徵時，即輸出一警報訊號。
  10. 如請求項9所述之呼吸偵測系統，其中該人工智慧處理器於取得該呼吸偵測墊傳送的該些相鄰交錯點的時間差後，以一第三移動平均點對該些相鄰交錯點的時間差進行取樣，以獲得呼吸頻率的移動平均數值。
  11. 一種呼吸偵測墊，包括：一板體； 至少一震動感應器，係設置在該板體內，以感應該板體的震動，並輸出對應的感應訊號；以及一訊號處理電路，係設置於該板體內，並與該至少一震動感應器電性連接，以取得至少一感應訊號，該訊號處理電路對該至少一感應訊號進行以下訊號處理步驟：(a)以一第一移動平均點及一第二移動平均點，對該至少一感應訊號分別取樣出一第一快移動平均訊號及一第一慢移動平均訊號；其中該第一移動平均點大於第二移動平均點；以及(b)計算該第一快移動平均訊號及該第一慢移動平均訊號之間相鄰交錯點的時間差。
  12. 如請求項11所述之呼吸偵測墊，其中該訊號處理電路的訊號處理步驟係進一步包含：(c)以步驟(b)所計算出的相鄰交錯點的時間差係作為呼吸頻率計算的依據。
  13. 如請求項12所述之呼吸偵測墊，其中該板體進一步設置有通訊模組，該通訊模組與該訊號處理電路電性連接，且該訊號處理電路的訊號處理步驟係進一步包含：(d)以該通訊模組將步驟(c)所計算出的呼吸頻率向外傳送。
  14. 如請求項11至13中任一項所述之呼吸偵測墊，其中該步驟(b)係包含以下步驟：(b1)取該第一快移動平均訊號及該第一慢移動平均訊號之間的一差值訊號；以及 (b2)取該差值訊號與一參考準位訊號之交錯點，並以相鄰交錯點之間的時間差作該步驟(b)的時間差。
  15. 如請求項14所述之呼吸偵測墊，其中該步驟(b2)係進一步取各該交錯點的參考準位訊號對差值訊號的斜率，並判斷該斜率為正，視該交錯點為有效交錯點，以相鄰有效交錯點之間的時間差作為步該步驟(b)的時間差。
  16. 如請求項11至13中任一項所述之呼吸偵測墊，其中該步驟(a)中，當訊號處理電路取得多個感應訊號，計算該些感應訊號之振幅的標準差，並於每隔一個時間區間來比較該些標準差中的最大值，並以最大值的感應訊號進行取樣。
  17. 如請求項11至13中任一項所述之呼吸偵測墊，其中該板體係包含：一蓋板，其周緣係朝向該基座方向形成至少一第一卡合部；以及一基座，其周緣係對應該至少一卡合部形成至少一第二卡合部；其中該蓋板係以該至少一第一卡合部可移動地卡合於該基座的第二卡合部。
  18. 如請求項17所述之呼吸偵測墊，其中該訊號處理電路係進一步包含：一低通濾波電路，係電連接至該至少一震動感應器，以濾除該至少一震動感應器的感應訊號中的低頻雜訊；一控制器，係電連接該低通濾波電路，以取得經濾波後的感應訊號，並執行該訊號處理步驟；以及一電源電路，係電連接至該至少一震動感應器、該低通濾波電路及該控制器。
  19. 如請求項18所述之呼吸偵測墊，其中該訊號處理電路係進一步包含一指示器，其電連接至該控制器。
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