TWI781897B - 生理訊號偵測系統 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種生理訊號偵測系統。生理訊號偵測系統包括測量模組、訊號處理模組及微控制器。測量模組藉由非接觸方式以對受測者進行量測，以得到頻率調變訊號。訊號處理模組係電性連接測量模組，訊號處理模組包括摩爾鑑頻器，用以對頻率調變訊號進行頻率解調變，以得到生理訊號。微控制器係電性連接訊號處理模組，用以轉換得到數位之生理訊號。
Description
本發明係關於一種生理訊號偵測系統，特別是一種不用直接接觸到受測者的生理訊號偵測系統。
現今人們對於自我身體狀況檢測的需求日益增加，其中脈搏及血壓是最直觀的人類生命體徵。對於一般的受測者來說，通常是利用非侵入式血壓量測技術來量測脈搏及血壓。非侵入式血壓量測技術可以為水銀柱血壓計或電子式血壓計等。然而，該些血壓計的受測者都必須要穿戴加壓裝置對手臂或其他肢體進行加壓，加壓裝置之壓力必須要能夠阻止血液流通，所以會造成使用者的不適。
所以於先前技術中，已經具有非壓迫式的方式來量測得知受測者脈搏的裝置。例如利用心電圖(Electrocardiography，ECG) 描記法或光體積變化描記圖(Photoplethysmography，PPG)測量法等。心電圖描記法為搭配專業的醫療儀器，再利用貼片電極或手夾感測裝置對受測者進行測量，所以受測者會感到不適。光體積變化描記圖測量法為使用光線測量血管中不同情況下血流量的變化，當光線照射受測部位附近的血管時，會因心臟跳動產生的舒張壓及收縮壓使血管壁對光線反射量有所變化。但是，不同膚色以及光波長也會有不同反射量，且二極體接收訊號時容易受到外界光線干擾而造成誤差。
因此，有必要發明一種新的生理訊號偵測系統，以解決先前技術的缺失。
本發明之主要目的係在提供一種可不用直接接觸到受測者的生理訊號偵測系統。
為達成上述之目的，生理訊號偵測系統用以偵測受測者之生理訊號。生理訊號偵測系統包括測量模組、訊號處理模組及微控制器。測量模組藉由非接觸方式以對受測者進行量測，以得到頻率調變訊號。訊號處理模組係電性連接測量模組，訊號處理模組包括摩爾鑑頻器，用以對頻率調變訊號進行頻率解調變，以得到生理訊號。微控制器係電性連接訊號處理模組，用以轉換得到數位之生理訊號。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
以下請參考圖1係本發明之生理訊號偵測系統之架構示意圖。
於本發明之一實施例中，生理訊號偵測系統1可以設置於一智慧型穿戴式裝置內，或是為一個獨立的醫療儀器。生理訊號偵測系統1包括測量模組10、訊號處理模組20及微控制器30。測量模組10藉由一非接觸方式對受測者2的手指、手腕或身體其他部位對受測者2進行量測，也就是量測受測者2之血管脈波波形，以得到頻率調變訊號。測量模組10之詳細電路架構於本說明書後續會有詳細說明，故在此先不描述。訊號處理模組20係電性連接該測量模組10，係配合上述的測量模組10，用以對該頻率調變訊號進行頻率解調變，以得到該生理訊號。最後的微控制器30係電性連接訊號處理模組20，用以接收放大後之生理訊號，以轉換成一數位之生理訊號，再將數位之生理訊號傳給其他模組進行運算。
而關於測量模組10之其中一種詳細架構請先參考圖2A係本發明之第一實施例之測量模組之架構示意圖、圖2B係本發明之第一實施例之測量模組之電路架構圖及圖2C係本發明之第一實施例之基板整合波導共振器之側面視圖。
於本發明之第一實施例中，測量模組10a包括互補式隙環共振器(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)11、基板整合波導(Substrate Integrated Waveguide，SIW)共振器12及雙極性電晶體射頻放大器14。互補式隙環共振器11主要由一金屬平面構成，其中心處具有兩個互相對稱的第一C型金屬槽線111及第二C型金屬槽線112，兩C型金屬槽線111、112的金屬部分與孔隙之間映射互換。互補式隙環共振器11可以根據受測者2的手指、手腕或身體其他部位內部經過的血流造成的微擾動，產生一週期性共振頻率偏移(Periodic Resonant Frequency Deviation)，不須直接接觸到受測者2。基板整合波導共振器12具有一第一金屬層M1、一第二金屬層M2、複數之金屬導孔121及複數之貫通孔(via)122。就如圖2C所示，第一金屬層M1及第二金屬層M2之間具有電路板P，第一金屬層M1及第二金屬層M2之厚度皆為17 um，但本發明並不限於此。第一金屬層M1之表面係嵌入該第一C型金屬槽線111及該第二C型金屬槽線112，且將複數之金屬導孔121設置於第一金屬層M1及第二金屬層M2，並利用複數之貫通孔122連接第一金屬層M1及第二金屬層M2。複數之金屬導孔121及其複數之貫通孔122可排列成矩形形狀，但本發明並不限於矩形。藉由上述的構造，可以形成一基板整合波導共振器12。由於空腔共振器於複數之金屬導孔121之中心位置具有最大之電場能量分布，所以可用以將電場耦合至第一C型金屬槽線111及第二C型金屬槽線112，並可有效限制電場能量僅由第一C型金屬槽線111及第二C型金屬槽線112輻射。此外，基板整合波導共振器12採用共面波導(Coplanar Waveguide，CPWG)結構實現共振器之能量輸出、入端口。於本發明之第一實施例中，可以先調整基板整合波導共振器12之複數金屬導孔121所圍成的矩形尺寸規格，再將互補式隙環共振器11的兩C型金屬槽線111、112的大小進行調整。如此一來，藉由互補式隙環共振器11及基板整合波導共振器12之組合形成共振腔，當在共振頻率時，例如5.8 GHz時，在金屬平面正中心會有最大的電場能量。另外互補式隙環共振器11的電場垂直於金屬平面，基板整合波導共振器12亦在中心點有最大的電場能量聚集，使用基板整合波導共振器12饋入放置在金屬平面的正中間的互補式隙環共振器11，可有效的將能量饋入至互補式隙環共振器11，以輻射電場，且該輻射區域限縮於互補式隙環共振器11區域。所以互補式隙環共振器11及基板整合波導共振器12之組合兼具了能量集中和縮小輻射面積的優點，使得受測者2可以輕易地將手指、手腕或身體其他部位對準測量模組10a靈敏度最高的區域。
雙極性電晶體射頻放大器14係電性連接互補式隙環共振器11及基板整合波導共振器12之組合結構，用來放大迴路增益以及抵銷被動元件所造成的損耗影響，以增加能量並滿足巴克豪森振盪準則(Barkhausen Oscillation Criteria)，而形成一振盪器。於本案之第一實施例中，雙極性電晶體射頻放大器14包括微帶線及利用表面黏著技術(Surface Mounted Technology，SMT)所安裝的電阻、電容等元件所構成。另需注意的是，圖2B中所採用雙極性電晶體射頻放大器14之結構僅是示例說明，本發明並不限僅能採用此種相同電路結構的射頻放大器，只要能達到相同目的之放大器皆可被運用在本發明中。
藉此，本發明之第一實施例之測量模組10a係使用近場自我注入鎖定(Near-Field Self-Injection-Locked，NFSIL)作為感測機制。由於受測者2的血管周遭的皮膚體積會因為血管脈波波形產生周期性變化，根據微擾理論，當受測者2的皮膚體積發生改變，使區域內的介電常數產生周期性變化，使得互補式隙環共振器11的共振頻率會產生周期性的偏移，對應不同的相位，該相位偏移訊號注入振盪器後，根據注入鎖定原理，測量模組10a得到頻率調變輸出訊號。
接著請參考圖3A係本發明之第二實施例之測量模組之架構示意圖及圖3B係本發明之第二實施例之測量模組之電路架構圖。
於本發明之第二實施例中，測量模組10b包括指叉環隙共振器(Interdigitated-Electrodes Split-Ring Resonator，IDE-SRR)13及雙極性電晶體射頻放大器14。指叉環隙共振器13具有感測區131、饋入區132及環形金屬帶線133，感測區131具有複數之金屬線交互排列，交互排列的複數之金屬線與外圍的環狀金屬帶線133會產生共振。饋入區132則採用指叉式電容(Interdigital Capacitor)架構，具有複數之金屬線交互排列。上述各金屬線之長度、寬度或間距經過調整後，能使指叉環隙共振器13的散射參數特性及共振頻率與預期的結果相符。例如當共振器之共振頻率設計於5.8 GHz時，感測區131會具有10條金屬線交互排列，各金屬線的長度為3.75 mm，寬度及間距為0.2 mm；饋入區132具有5條金屬線交互排列，各金屬線的長度為2.3 mm，最中央的金屬線寬度為0.3 mm，其餘的寬度及間距皆為0.2 mm。但上述的各數值僅為其中一種實施方式，本發明並不限制金屬線之數量、長度、寬度或間距等數值。
指叉環隙共振器13會電性連接雙極性電晶體射頻放大器14，而構成一振盪器。故將指叉環隙共振器13之感測區131貼近手指、手腕或身體其他部位後，該振盪器將輸出頻率調變訊號。由於此處的雙極性電晶體射頻放大器14的技術與本發明之第一實施例中所述的技術相同，故在此不再贅述。相較於第一實施例的測量模組10a，本發明的第二實施例的測量模組10b具有擁有縮小感測器面積、感測區域變大及電場分布較平均的優點。
於本發明之實施例中，訊號處理模組20可包括摩爾鑑頻器(Mohr Discriminator)21、第一封包振幅偵測器221、第二封包振幅偵測器222及差動放大元件23。從測量模組10a或10b輸出的頻率調變訊號，利用摩爾鑑頻器21將頻率調變訊號轉成振幅調變訊號，並經由第一封包振幅偵測器221及第二封包振幅偵測器222擷取振幅調變訊號封包，在差動放大元件23對兩輸入擷取訊號進行減法運算，並放大訊號，使訊號處理模組20的輸出端能更輕易觀察到生理訊號。
最後關於摩爾鑑頻器21的詳細電路結構請參考圖4係本發明之摩爾鑑頻器之電路架構圖。
摩爾鑑頻器21包括第一枝幹耦合器211及第二枝幹耦合器212。為了減少所占的面積，於圖4中係以圓形的枝幹耦合器架構成第一枝幹耦合器211及第二枝幹耦合器212，但本發明並不以此形狀為限。第一枝幹耦合器211的上端輸出a使用簡單的微帶傳輸線與第二枝幹耦合器212的上端輸入b相連，而第一枝幹耦合器211的下端輸出c則使用較曲折的微帶傳輸線或延遲線(delay line)與第二枝幹耦合器212的下端輸入d相連，讓上下兩端微帶傳輸線有著不同的相位差。最終摩爾鑑頻器21利用第一訊號輸出端213及第二訊號輸出端214輸出訊號。第一封包振幅偵測器221及第二封包振幅偵測器222分別連接於摩爾鑑頻器21之不同第一訊號輸出端213及第二訊號輸出端214，將射頻振幅轉換為直流輸出。最後利用差動放大元件23作為放大器，將摩爾鑑頻器21產生的振幅響應差值，進行放大後輸出，以得到生理訊號。
由上述的說明可知，測量模組10量測得到的頻率調變訊號會經由訊號處理模組20處理得到生理訊號，最後再由微控制器30轉變為數位之生理訊號。本發明的生理訊號偵測系統1能夠不用直接接觸到受測者2，也能準確地計算出受測者2之生理訊號，即得到受測者2之血管脈波波形，以進一步得知受測者2之每分鐘脈搏率等數據。
需注意的是，上述僅為實施例，而非限制於實施例。譬如 此不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。
1:生理訊號偵測系統
2:受測者
10、10a、10b:測量模組
11:互補式隙環共振器
111:第一C型金屬槽線
112:第二C型金屬槽線
12:基板整合波導共振器
121:金屬導孔
122:貫通孔
13:指叉環隙共振器
131:感測區
132:饋入區
133:環形金屬帶線
14:雙極性電晶體射頻放大器
20:訊號處理模組
21:摩爾鑑頻器
211:第一枝幹耦合器
212:第二枝幹耦合器
213:第一訊號輸出端
214:第二訊號輸出端
221:第一封包振幅偵測器
222:第二封包振幅偵測器
23:差動放大元件
30:微控制器
a:上端輸出
b:上端輸入
c:下端輸出
d:下端輸入
M1:第一金屬層
M2:第二金屬層
P:電路板
圖1係本發明之生理訊號偵測系統之架構示意圖。
圖2A係本發明之第一實施例之測量模組之架構示意圖。
圖2B係本發明之第一實施例之測量模組之電路架構圖。
圖2C係本發明之第一實施例之基板整合波導共振器之側面視圖。
圖3A係本發明之第二實施例之測量模組之架構示意圖。
圖3B係本發明之第二實施例之測量模組之電路架構圖。
圖4係本發明之摩爾鑑頻器之電路架構圖。
1:生理訊號偵測系統
2:受測者
10:測量模組
20:訊號處理模組
21:摩爾鑑頻器
221:第一封包振幅偵測器
222:第二封包振幅偵測器
23:差動放大元件
30:微控制器
Claims (10)
- 一種生理訊號偵測系統，用以偵測一受測者之一生理訊號，該生理訊號偵測系統包括：一測量模組，藉由一非接觸方式以對該受測者進行量測，以得到一頻率調變訊號；其中該測量模組包括：一互補式隙環共振器(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)，包括一第一C型金屬槽線及一第二C型金屬槽線，該第一C型金屬槽線及該第二C型金屬槽線係互相對稱設置，用以偵測該生理訊號；一基板整合波導(Substrate Integrated Waveguide，SIW)共振器，具有一第一金屬層、一第二金屬層及複數之金屬導孔，該第一金屬層之表面係嵌入該第一C型金屬槽線及該第二C型金屬槽線，且該複數之金屬導孔設置於該第一金屬層及該第二金屬層上，並利用複數之導通孔連接該第一金屬層及該第二金屬層；以及一雙極性電晶體射頻放大器，係電性連接該互補式隙環共振器 及該基板整合波導共振器，用以構成振盪器，並輸出用以偵測該生理訊號的該頻率調變訊號；一訊號處理模組，係電性連接該測量模組，該訊號處理模組包括一摩爾鑑頻器(Mohr Discriminator)，用以對該頻率調變訊號進行頻率解調變，以得到該生理訊號；以及一微控制器，係電性連接該訊號處理模組，用以轉換得到數位之該生理訊號。
- 如請求項1所述之生理訊號偵測系統，其中該摩爾鑑頻器包括第一枝幹耦合器及第二枝幹耦合器，藉以具有一第一訊號輸出端及一第二訊號輸出端。
- 如請求項2所述之生理訊號偵測系統，其中該訊號處理模組更包括一第一封包振幅偵測器及一第二封包振幅偵測器，分別連接於該第一訊號輸出端及該第二訊號輸出端，以分別產生一振幅響應。
- 如請求項3所述之生理訊號偵測系統，其中該訊號處理模組更包括一差動放大元件，係電性連接該第一封包振幅偵測器及該第二封包振幅偵測器，用以將該第一封包振幅偵測器及 該第二封包振幅偵測器產生之兩振幅響應進行差值運算，並放大。
- 如請求項1到4之任一項所述之生理訊號偵測系統，該生理訊號偵測系統用以偵測受測者之一血管脈波波形。
- 一種生理訊號偵測系統，用以偵測一受測者之一生理訊號，該生理訊號偵測系統包括：一測量模組，藉由一非接觸方式以對該受測者進行量測，以得到一頻率調變訊號；其中該測量模組包括：一指叉環隙共振器(Interdigitated-Electrodes Split-Ring Resonator，IDE-SRR)，包括一感測區、一饋入區及一環形金屬帶線，該感測區及該饋入區皆具有複數之金屬線交互排列，該感測區部分用以偵測該生理訊號；以及一雙極性電晶體射頻放大器，係電性連接該指叉環隙共振器，用以構成振盪器，並輸出用以偵測該生理訊號的該頻率調變訊號；一訊號處理模組，係電性連接該測量模組，該訊號處理模組包括一摩爾鑑頻器(Mohr Discriminator)，用以對該頻率調變訊號進行 頻率解調變，以得到該生理訊號；以及一微控制器，係電性連接該訊號處理模組，用以轉換得到數位之該生理訊號。
- 如請求項6所述之生理訊號偵測系統，其中該摩爾鑑頻器包括第一枝幹耦合器及第二枝幹耦合器，藉以具有一第一訊號輸出端及一第二訊號輸出端。
- 如請求項7所述之生理訊號偵測系統，其中該訊號處理模組更包括一第一封包振幅偵測器及一第二封包振幅偵測器，分別連接於該第一訊號輸出端及該第二訊號輸出端，以分別產生一振幅響應。
- 如請求項8所述之生理訊號偵測系統，其中該訊號處理模組更包括一差動放大元件，係電性連接該第一封包振幅偵測器及該第二封包振幅偵測器，用以將該第一封包振幅偵測器及該第二封包振幅偵測器產生之兩振幅響應進行差值運算，並放大。
- 如請求項6到9之任一項所述之生理訊號偵測系統，該生理訊號偵測系統用以偵測受測者之一血管脈波波形。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102973260A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-03-20 | 中国人民解放军第三军医大学生物医学工程与医学影像学院 | 非接触磁感应式颅内压监测装置 |
| US9687169B2 (en) * | 2011-12-08 | 2017-06-27 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | System, controller, and method for determining conductance of an object |
| TWI685205B (zh) * | 2019-05-13 | 2020-02-11 | 國立臺灣科技大學 | 非接觸式自我注入鎖定生理信號感測器 |
| TWI750889B (zh) * | 2020-11-11 | 2021-12-21 | 國立臺灣科技大學 | 非接觸式血壓測量系統及其非接觸式血壓值計算之方法 |
-
2022
- 2022-04-07 TW TW111113326A patent/TWI781897B/zh active
- 2022-11-10 US US17/984,644 patent/US20230327606A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202339666A (zh) | 2023-10-16 |
| US20230327606A1 (en) | 2023-10-12 |
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