WO2011020216A1

WO2011020216A1 - 侦测生理机能及姿势状态的物品、方法和系统

Info

Publication number: WO2011020216A1
Application number: PCT/CN2009/000947
Authority: WO
Inventors: 杨章民; 杨子琳; 杨皓
Original assignee: Yang Changming; Yang Tzulin; Yang Hao
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2011-02-24
Also published as: US11311197B2; WO2011020299A1; US20120215076A1

Description

侦测生理机能及姿势状态的物品、方法和系统技术领域

本发明可应用于体能训练、医疗、健身、保健、娱乐及工业安全等领域。本发明是关于由感测非姿势的生理信号来取得使用者的姿势状态，可用于侦测使用者工作安全、健康状况、健身效果及姿势状态改变情形。背景技术

随着生活水准与医疗卫生长足的进步, 人类平均寿命逐渐的延长，老年人口比例持续增加。面对高龄化的社会，各种社会福利、医疗医药技术与社会安全制度的问题随着显现，越来越多的高龄者无法藉由家人与家庭获得妥善充分的照顾。此外，由于饮食及生活习惯的改变，患有高血压、糖尿病、痛风、高血脂以及心脏病等慢性疾病的人口比例亦急速上升。这些人口多需要即时的生理机能监控系统，以随时随地侦测相关的生理机能，以防止意外发生。

例如：心电图是观察心脏最方便且常用的工具，不仅在医师的诊疗室测量数分钟，也有许多场合是要长时间记录，例如 24小时的 Hol ter心电图。理想的心电图，是有舒适的电极，能在不干扰日常生活的前提下，作长时间连续记录。但是目前惯用的贴片式生理电极，若长时间贴在皮肤上是很不舒服的，只适用在专业医疗场合。因此，利用非贴片式的电极以长时间连续取得心电信号，一直是重要的研究课题。现有的解决方案之一，是用纺织品制成电极及信号传输线，固定在衣物或椅子、床上，如此可让使用者在较舒服情况下，获得心电图，又不会像传统心电图机一样牵许多电线，让使用者行动而受到限制。然而，若要将信号传输线固定在衣物上，又要让使用者舒适，信号传输线不宜太多太长太复杂；但是要让使用者在日常生活作息中各种姿势都能取得心电图，就得在衣物上多设电极与信号传输线。要解决此一两难困境，有一方法是让多个电极共用信号传输线相同的道理其他生理感测器也是如此情况。

另一方面，心电图并非一成不变，反之它对身体的姿势是很敏感的。已知当人由仰卧换为站立时，心率会暂时增加（参考美国专利 5， 354, 317) ,当身体姿势改变时，心电图波型会立即随之改变 (参考美国专利 5, 865, 760)。已知由人体不同部位的电极获得的心电图的波型是不同的，因为心电图是由心肌细胞膜的极化与去极化的周期变化，投影在任两个电极形成的 "向量" 上。因此，由心电图波型，来判断人体姿势，理论上是可行的。在美国专利 7502643有用多个电极测心跳，但没有同时由此 ECG波形来测使用者姿势状态。姿势的变化，也是一项很重要的资讯，例如某人在睡眠时若变化姿势太频繁，可能代表此人睡眠品质不佳，若是某人在睡眠时若变化姿势突然大幅降低，可能代表此人有血栓阻塞了四肢或脑血管。美国专利

6384729 及 5508540，均是利用感应器来测腹肌的收缩情形。美国专利 4988981则是用感应器来测量手或身体的姿势，美国专利 5914701也是利用两电极之间电容变化来测姿势。在 US6930608 美国专利中有用两个感测器来感测相同的生理状态，但无法同时也感测到另一个与原先感测器无关的姿势状态。

如今，我们发明在与身体接触的物品中，设置至少有两组非姿势的生理感应器，这两组非姿势的生理感应器交替或同时感应原感应器的生理信号，同时经过数字信号处理及分析之后，也可判断使用者的姿势，故除了本身之生理机能外，还可以得知使用者当时的姿势状态。

人日常生活中绝大部分时间要穿上衣物、坐在椅子上或躺在床上，故在帽子、头巾、鞋子、衣物、座椅、床单或枕头上设置感测器，本发明同时将压力或拉力感测器与生理感测器结合，不但可降低噪声同时还可自动启动下一个接触的物品，而前一个接触的物品可自动关闭来省电，即可作长时间连续记录，使用者不必受感测器及电线限制。更进一步，由不同位置上的感测器所得的生理信号，或相同位置所得的不同生理信号，而且这些信号可由相同或不同的物品中取得，即可整合成长时间且连续的生理机能及姿势变化图，对于使用者的健康及安全有很大助益。目前此技术已通过 IEEE, EMBC 2009年会的审核，即将在 9月发表，题目为 "Sleeping ECG and body pos i t ion moni tor ing sys tem" 。发明内容

本发明是在一个或多个与身体接触的物品中，安装有生理感测器来侦测人体的生理信号，并且利用生理信号来判断姿势。生理信号来自物品上的感测器，物品包括例如：衣物、内衣裤、外套、床单、枕头、袜子、鞋子、围巾、头巾、手套、围裙、皮带、；反、地毯、马桶、尿裤、安全带、帽子或座椅中的一个或多个，来与人直接或间接接触。另外本发明包含记录及分析生理信号的方法，以便由生理信号波型判断人体姿势。同时，当椅、枕、床、或桌上的物品如滑鼠、桌垫，读到生理信号时，衣物的侦测就可以停止来省电源，尤其是当感测器有压力或拉力感测器连结时，可自动开或关与人体接触的感测器，故可以长时间侦测使用者的行为模式。

例如：本发明一般架构请参阅如图 1所示。将安放感测器的物品，例如衣物、袜、床单、枕头、或座椅等，与人直接或间接接触（例如感测器与皮肤之间，隔着内衣）。感测器视应用场合配置在特定位置上，并且视需要搭配压力或拉力感测器，例如：按键开关或裂缝开关。

因为每一个开关都可设定一个外力的临界值，当外力大于临界值时，生理信号才会进入信号处理器，尤其是拉力感测器，因为人体关节弯曲时，外表的皮肤约有 30%的拉长，故可由拉力感测身体的变化，以便由生理信号波型判断人体姿势。

本发明的目的之一在于，感测器可为一个以上相同的生理感测器，除了感测生理机能外，尚可得到使用者的姿势状态。

本发明的另一目的在于，感测器可为一个以上不同的生理感测器，除了感测本身不同的生理机能外，也可得到使用者的姿势状态。

本发明的另一目的在于，一个以上的生理感测器，可在相同或不同的物品上来感测生理机能及姿势状态。

本发明的另一目的在于，生理感测器上连接有压力或拉力感测器，用以过滤噪声，防止误判，自动开启或关闭另一个感测器或处理器以达省电，有效长期监测。同时所得的生理信号可由拉力或压力感测器的结果来加权所测得的生理信号。

本发明的另一目的在于，生理感测器与处理器间可加一特定电阻或电容材质来使生理信号增强或减弱，让不同位置的生理信号产生不同的信号特性，更容易由生理信号来区别使用者的姿势状态及变化。

本发明的另一目的在于，生理感测器与人接触之间，可在物品的不同或相同位置设置不同厚度或不同特性的材质来使生理感测器的感测反应速率产生不同的结果，故可利用此特性来辨别使用者的姿势状态。附图的筒要说明

图 1是本发明的架构示意图。

图 2是本发明第一较佳实施例应用于睡衣的架构示意图。

图 3是本发明第一较佳实施例的电极及按键开关结构示意图。

图 4是本发明第一较佳实施例的体内电阻、电极、外加电阻、按键开关及信号处理器的等效电路图。

图 5是本发明第一较佳实施例的心电图各点的定义图。

图 6a至图 6m是本发明第一较佳实施例的各种睡姿所得的心电图。图 7是本发明第一较佳实施例的利用心电信号判断姿势的流程图。图 8是本发明第二较佳实施例应用于自行车骑士衣及裤的电极位置及连接示意图。

图 9a -图 9d是本发明第二较佳实施例的各种姿势所得的心电图。

图 10是本发明第三较佳实施例应用于床的电极位置及连接示意图。图 11a至图 11c是本发明第三较佳实施例的各种姿势所得的心电图。图 12是本发明第四较佳实施例应用于汽车驾驶座的电极位置、连接及架构示意图。

图 1 3a至图 13e是本发明第四较佳实施例的各种坐姿获得的心电图波型。

图 14是本发明第五较佳实施例应用于一般座椅的电极位置示意图。图 15a至图 15d是本发明第五较佳实施例的各种姿势所得的心电图。图 16是本发明第六较佳实施例的温度感测器架构示意图。

图 17是本发明第六较佳实施例的温度感测器等效电路图。

图 18是本发明第七较佳实施例的汗湿感测器架构示意图。

. 1 01、 102、 103、 104、 105、 106、 107、 108 : 附有按键开关的电极 1 0: 按键开关

12：个人数字助理或个人电脑

15：电极

211、 212、 213、 214、 215、 216：开关

12a、 12b、 12c、 12d、 12e: 电极

22：信号处理器

23 : 个人数字助理或个人电脑

17a、 17b、 17c、 17d: 电极实现发明的最佳方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的心电图监视及人体姿势判断方法、装置与系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图示的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当

^了解， '然而所附图式仅是提：参考与说明之用，并用来对本发明力;以限制。

本发明一^:架构请参阅如图 1所示。将安放感测器的物品，例如衣物、袜、床单、枕头、或座椅等，与人直接或间接接触（例如感测器与皮肤之间，隔着内衣）。感测器视应用场合配置在特定位置上，并且视需要搭配压力或拉力感测器，例如：按键开关或裂缝开关。此技术如 PCT/CN20G5/ 0G1520 电子开关； PCT/CN2008/ 001571 可形成电子元件的布料或 PCT PCT/CN2008/ 001570具有分离感应区的布料，这些全是数字拉力或压力感测器，且可设定一定的临界值才启动相连的生理感测器或关闭前一个正在侦测的物品，故当做开关使用而放置于触身物品中，同时和非姿势感测器结合，例如心电图电极、热敏电阻、汗湿电极、脑波电极等，可协助判断姿势更准确。因为每一个开关都可设定一个外力的临界值，当外力大于临界值时，生理信号才会进入信号处理器。使用开关的目的，在于依人体姿势来选取适当部位来撷取生理信号，有效隔绝误触所引入的噪声又可关闭前一个物品的电源，并且能够省电节能。

生理信号由第一、第二等感测器以及其连接的压力或拉力感测器连接至信号处理器 22内的电路。生理信号先经由放大器，将模拟信号放大，再经模拟带通滤波器去除高频及低频噪声及模拟数字转换，再由微控制器中存储的程序对信号进行分析。微控制器计算出信号的特征，并依据预存的数据库中该位置的特征资讯，两者比对，即可判断使用者的姿势。信号处理器 22本身也可具有显示功能、及通过发声或发光的来警示的功能，另外信号处理器 22内亦可有无线或有线相传输的功能的通信装置。故生理及姿势信号也可由信号处理器 22内的通信装置送至个人资讯装置（PDA或个人电脑），以接收、记录及显示生理及姿势信号。此外，信号处理器 22 内的信号前处理（即对信号进行放大、滤波去噪模数转换），分析（即提取信号的特征)或数据库存储，也可在个人资讯装置来处理及存储。对于同一使用者而言，个人资讯装置可以接收一个或多个信号处理器 22传出的信号，例如在使用者的床和椅上各装上一组感测器和信号处理器 22 , 再整合成长时间且连续的个人生理及姿势资讯，而使用者不必受到传统方法的贴片式感测器和电线所限制，并可以依预设的判断准则适时发出警讯（例如汽车驾驶未系安全带或打瞌睡）。

为了要增加感测器与人的接触之间贴合，可在感测器与布料或皮革间加一材料来增加厚度，例如：弹性物，如海绵、橡胶、硅胶、弹簧等。且感测器，如温度感测器、湿度感测器，又可因材料不同或厚度不同而有不同的热传导或透湿速率。同时，为了防止误触或同时传输太多信号，亦可在感测器与布料或皮革间加一开关，此开关能根据压力或者拉力来控制信号侦测的启动。而断开开关的感测器无需耗用电力，可达到省电的功效。

生理信号与人及感测器之间的压力或拉力有关，当人与感测器之间没有接触时没有信号；当感测器与人之间的接触压力不良、信号也不佳。本发明利用按键开关或裂缝开关与感测器串联或并联，唯当压力足够，生理信号才会传导至电路，如此可以让多个感测器共用一条传输线，避免不必要的生理信号来干扰实际记录的所需信号，这样既可以降低传输线的数量及长度，又能让使用者更舒适，且当使用者变化姿势时，也仍有感测器受压以获得生理信号。举例说明，在背部设一按键开关与感测器串联，当使用者仰卧在床时，背部压到床垫，感测器所获得的生理信号才会传导至电路；又举例说明，在膝盖骨处设一裂缝开关与感测器并联，当使用者屈膝时该处裂缝开关受拉力而拉开，此拉力会使裤贴近膝关节，该处的感测器即可获得生理信号。当使用者伸直腿，裤失去拉力就不会贴近膝关节，感测器即无法获得生理信号。第一较佳实施例

请参阅图 2及图 3所示，是本发明的第一较佳实施例应用于睡衣的架构示意图以及第一较佳实施例的电极及按键开关结构示意图。本发明第一较佳实施例的应用于睡衣的架构示意图，其用来记录心电图并判断人体姿势，包含有随附¾*开关的电极 101、 102、 103、 104、 105、 106、 107、 108，信号处理器 22，及个人数字助理或个人电脑 12。开关电极的结构如图 3所示，与身体接触的电极 15安装在衣物 1的特定位置上，每个电极 15上方有一按键开关 10, 电极 15与按键开关 10串联。当按键开关 10被压下时，按键开关 10成导通状态，心电信号连接至信号处理器 22，将模拟的心电信号放大、滤波去除噪声、模数转换（analog- to-digi tal convert ion)后，再以程序对心电波型进行分析。当 ¾ ^开关 10未被压下时，按键开关 10成开路状态，心电信号无法连接至信号处理器 22内。由此，当使用者更换睡姿，就有不同的开关 10被压下，即有不同部位的电极获得的心电信号被传导至仪表放大器，心电波型也就随之而异，如此即可由心电波型判断人体姿势。

由于衣物有电极，当使用者睡眠时，不同的睡姿，例如正睡、左侧睡、趴睡所压到的电极不同，导致心电图的波形不同，其原理如背景技术所述。若正睡且双手抱胸则胸部的电极也导通，但其与单单正睡或趴睡所得的心电图波形又不同，故可利用心电图的波形变化，来侦测睡眠的姿势及其变化，同时产生活动图（act igraph)。据此，可以得知使用者睡眠的深浅状态；亦可由心电图信号计算出心率变异（Heart Rate Var iabi l i ty, HRV)或呼吸，从而推估其睡眠的深浅状态。一般而言，胸腔肌肉的伸缩会造成心电图的漂移，而对于睡着的便用者，此漂移即来自呼吸。因而，撷取心电图信号的低频部分 (低于 0. 3 Ηζ) , 即可得呼吸信号。

如图 6a至图 6m所示，是本发明第一较佳实施例的各种睡姿所得的心电图。一般人睡姿不外背仰卧、右侧卧、左侧卧、俯卧四种，为了在四种睡姿都能获得心电图，如图 2所示，本发明在睡衣的四周都各安装了两个电极。电极 101- 108内含泡绵 14 , 且按键开关 10也有立体结构，如此可增加人与电极 101-108之间接触的机会与可靠度。选取电极分布位置的目的，在于有取得不同的立体角（相对于心脏），因此心脏的电活动投影在电极 101-108向量的结果也不同，由此即可判断睡姿。有鉴于在前三种睡姿，使用者的手有可能压到胸前或抱持玩具或寝具，而启动胸前的电极 101、 102 , 故前三种睡姿又各自再细分为四种情形，若要更详细的姿势变化，则在使用者前后中间再加一个电极，就会有更详细的姿势变化结果产生，即越多感测器分布，所得到的姿势解析度就更高。就俯卧睡姿，使用者的手几乎不可能往后翻到背后来启动电极 105、 106 , 故仅考虑电极 101与 102启动的情况。各种睡姿及开启的电极 101-108 ,

请参阅表 1 所示，陈列了本发明第一较佳实施例的各种睡姿所启动的电极。

请参阅表 4,可以看出有许多情况是两个电极并联再接到心电放大器输入端，其等效电路也与传统的心电图机不同（如图 4所示）。由于人体表面不同部位的体内电阻可能有很大差异，例如胸前的皮肤很薄距离心脏又近，其体内电阻因而很小，反之后背的体内电阻就大很多，而把此两处的电极 101、 102、 105、 106并联在一起，很可能没有足够效果。因此，本发明的一具体实施例中，在信号处理器 22前端和某一电极之间，串联一外加电阻 111,以取得较佳并联电极效果。同理，可视人体的阻抗特性以及信号的频率（例如肌电图、血管容积、体脂等有不同的频率），选择性地串联或并联电阻或电容。

请参阅图 5所示，是典型的 Lead I心电图各点定义，以微控制器中或者远程控制装置存储的程序分析心电波型的演算法如下。对于进入信号处理器 22的的心电信号，先以现有公知的数字信号处理技术（参考 B i omed i ca 1 Digital Signal Process, by Willis J. Tompkins, 1993) , 进行处理。如图 7 所示，本发明的第一实施例对心电信号的处理方法如下：首先利用信号处理器 22中的模数转换器将心电信号量化并存储，后以带通滤波器滤除噪声（四阶贝塞尔带通滤波器， 0.06-40 Hz)，然后由程序找出心电信号中的 R点（取振幅最大点）及极性，然后再找出 P, Q, S, T各点。由于电极位置并非惯用的 12导程标准位置，因此波型与标准波型不同，如图 5所示，但是本领域技术人员仍可以现有公知技术中的 R、 P、 Q、 S、 T点的特征找出前述各点。然后，再找出 R, S, Τ各点的振幅（定义为 VR, VS, VT)。有些睡姿下的心电图，会没有 P、 S、或 T波 (但 R峰一定有），或其方向与标准 lead I相反，此皆为判读睡姿所用到的特征。本发明通过对各种睡姿的分析，撷取八项特征，符合其判断准则即计为 1，不符即为 0, 如下：

1. T波振幅大于 R波振幅的 kl倍：此异常大的 T波，仅出现在俯卧，记号为 VT>kl*VR, 其中， kl介于（0.6至 1.0)之间，优选为 0.8;

2.出现 P波：不论方向为正或负，记号为 P;

3. R波极性：正向为 1， i己号为 +R;

4. R波振幅大于 S波 2倍: 有显著 R波则计为 1，记号为 VR>k2*VS, 其中， k2介于（1.8至 2.2)之间，优选为 2;

5.正向 S波：出现正向则计为 1，记号为 +S;

6.负向 S波: 出现负向则计为 1, 记号为 - S;

7.正向 T波：出现正向则计为 1, 记号为 +T;

8. T波振幅大于 R波振幅的 k2倍:记号为 VT>k3*VR,其中， k3介于 (0.35 至 0.65)之间，优选为 0.5;

典型的各种睡姿下的心电信号请参阅图 6所示。

请参阅表 2所示，各种睡姿的特征归纳。若出现该特征，则记号为 1。本发明依先后次序把八项特征编为一个字节的数码 , 并以两个 16进制数字表示。

表 2

在实际应用上，每个使用者的心电信号多少有些差异，适用于某曱的判断准则，例如对于不同使用者， k卜 k3需要选择不同的数值才能得到更好的效果。因此，本发明进一步在信号处理器 22内的电路板上装有一三轴加速规，在静止时可藉由重力得知加速规或其他姿势感测器与地面的倾斜角。当使用者第一次开启本系统时，系统会要求使用者以手把信号处理器 22固定在肩上，以便确定使用者的睡姿，然后变换各种睡姿让系统分析。同理，本发明也可运用其他种类的感测器来侦测姿势，例如、陀螺仪、视讯仪 (video camera)等。本系统的参数设置具有自学习功能，使用者做出各种睡姿时，系统会对各姿态下的心电信号的波形进行 R、 P、 Q、 S、 T点的特征提取并多次计算 kl- k3,最后取计算结果的均值或者是加权值作为实际使用者使用时的参数设定值，以调整该使用者最佳的判断准则。另外也可让使用者在没有加速规或其他姿势感测器的情形下，自行变换各种睡姿，以便系统分析各睡姿的心电图信号。日后在真正使用时，由于睡衣本身是宽松的，因而加速规不可能紧靠在身上以提供睡姿给系统，因此本发明的系统还提供另一种方式，即提示使用者在系统自学习进行参数设定时，需要使用者提供何种睡姿，以便系统确定参数 kl-k3 的数值，另外，在不同地方多加一些电极感测器，则姿势的判别更多样。

第二较佳实施例

请参阅图 8 所示，是本发明第二较佳实施例应用于自行车骑士衣及裤的电极位置及连接示意图，电路部分与实施例 1相同，其中 1号至 5号电极皆与 ^4建开关串联。获得请参阅图 9a-图 9d所示，胸前的 1号电极可能碰不到身体，但背部电极（2号 3号并联，与 4号分别接心电放大器正负端）可测得心电图，请参阅图 9 a。当暂停且站立于路上时，騎士不弯腰，胸前的 1号电极碰到身体，此时 1号 3号电极并联， 1与 4号电极并联，分别接心电放大器正负端，得心电图（图 9 b) , 与图 9 a相比， R峰显著增大，但无 P波，由此即可分辨弯腰或直立。同理，当^"士坐在座垫上且上身垂直，由胸前的 1号及臀部的 5号电极，可量得心电图，请参阅图 9 c; 当骑士站立时，臀部没有压到 5 号电极，臀的心电图即消失不见，表示已经没有坐在自行车上。判断姿势的准则列于表 3。

电极还可安装于裤及袜上，其中 6号与 7号电极设于裤子的膝关节附近，且各自并联一裂缝开关； 8号与 9号电极设于袜子上，且各自串联一按键开关； 9号电极与 7号电极串联， 6号与 8号电极串联。当膝关节打直且脚接触到地上，压迫 8号及 9号电极，而 6号或 7号电极未受压迫故可由 8 号及 9号电极测得的心电信号（图 9 d所示），当行走时左膝或右膝关节弯曲时可使 6号 Ί号电极导通且与另一脚的袜子电极来得到不同的心电图。由上述，我们可以判断使用者是在走路、站立不动或屈膝。

表 3

信号处理器撷取心电信号并且判断出姿势后，即将此资讯传送至个人资讯装置，个人资讯装置可依据使用者预设的范围，给予使用者建议、或警讯。例如当测得心跳速率过大时，可能是骑车的体力负荷过重，此时可发出建议，提醒使用者放慢骑速。当测得长时间姿势与加速度皆无变化，可能是摔倒在地昏迷不醒，此时个人资讯装置可自动通过各种无线通讯管道 (行动电话或无线网路），发出警讯给远端的个人或机构，请求援助。

第三较佳实施例

请参阅图 10所示，是本发明第三较佳实施例的电极安放于寝具的示意图。本发明实施例三与身体接触的电极 12a- 12e安装在床的特定位置上，不设按键开关，电路部分与图 1类似，电极 12a、 12b,与 12d相连，电 12c 与 12e相连，分别作为放大电路的正负输入。放大电路输入端采用电容式耦合（capac i t ive coup l ing) , 以便透过薄衣取得人体的心电信号。当使用者更换坐姿或卧姿时，身体接触电极部位随之而异，心电波型也就随之而异，如此即可由心电波型判断人体姿势。

例如：枕头与床单上有电极，则睡者不同睡姿压在枕头与床单上的电极位置也随之改变，同时心电图也不同。请参阅图 11a-图 11c所示。（图 11 a 为正卧颈部未靠床两腿撑起；图 11 b 为正卧颈部靠床两腿撑起；图 11 c 为正卧颈部靠床两腿平放）。判断姿势的准则列于表 4。

表 4

其中， k4介于 0. 5至 0. 7之间，优选为 0. 6 ; k5介于 0. 2至 0. 4之间，优选为 0. 3。

第四较佳实施例

请参阅图 12所示，是本发明第四较佳实施例应用于汽车驾驶座的电极位置、连接及架构图。

本发明较佳实施例四，胸前有两个电极（211与 212)，其中电极 212在正坐及前倾时都会受安全带压迫而接通，但在左倾时则否，电极 211 则是只要有系安全带即接通。各种坐姿（正坐、前倾、右侧倾、左侧倾、无安全带）下启动的电极，以及两个心电信号放大器有无获得心电信号（以有无 R 峰判定）的情况如表 5所示，获得的心电图波型如图 13所示。表 5所列的 1 至 6号电极依序代表表 5的电极 211至 216。判断姿势的准则列于表 5。

如表 5及图 12所示，可轻易判断驾驶的坐姿。除了个别有安全带左倾与无安全带正坐两种坐姿，需要用波型来判断，对于其他坐姿只要看心电放大器 A、 B是否有输出心电图再配合 R峰再查表即可判定。要分辨左倾有安全带与正坐无安全带两种坐姿十分容易，前者有巨大的 T波几乎和 R峰 —般高，而后者 T波 ί艮小，由判断 VT〉k6*VR即可知。同理，要分辨有带前倾与有带右倾，亦可由 T波，前者有巨大的 T波而后者 T波 ί艮小，由判断 VT>k6*VR即可知。其中， k6介于 0. 7至 0. 9之间，优选为 0. 8。由于驾驶汽车难免会碰到紧急刹车、坑洞等状况，此时由于人体受剧烈摇晃，心电信号会严重失真至难以判读，本发明可利用加速规来排除这些异常状况。在经多次实际测试后，归纳得结论：当瞬间加速度大于 9. 8米 /秒 ² (一个地球表面的重力加速度， g)时，心电信号会严重失真至难以判读。因此本发明的方法，会同时撷取加速规信号，当加速度大于 9. 8 米 /秒 ²时会停止分析心电图以免误判。

第五较佳实施例

如图 14所示，是本发明实施于一般座椅的架构示意图，电极 17a连接电极 17d, 电极 17b连接电极 17c,分别连接至信号处理器的正负输入端，获得心电图如图 15a-图 15d所示。各种坐姿所得的心电图为： 15a为正坐背靠椅， 15b为正坐背不靠椅， 15c为左侧坐， 15d为右侧坐。比较图 15 a 与图 15 b , 可知图 15 a的 R与 S振幅较图 15 b大。而两侧坐姿所得的心电信号（图 15 c, 图 15d)皆有明显的 T波，而正坐几乎无 T波。比较右侧坐与左侧坐，可见两者 R峰方向相反 4艮容易分辨。判断姿势的准则列于表 6。

表 6

笫六较佳实施

当非姿势感测器为温度感测器（例如：热敏电阻）时，不仅可测得温度，也可判断得姿势。当触身物品压迫某处的温度感测器，该温度感测器变成直接与人体接触，导致该处温度由直接上升至接近体温。另外，本发明可在不同部位安装的电阻值显著差异的热敏电阻，两者并联，信号处理器仍可以判读该处是否被压迫，即可测得姿势。架构示意图如图 16所示，等效电路如图 17所示，例如取一 β约为 3500、在体温下约为 6Κ Ohms , 在室温约为 l OK Ohms的热敏电阻安装在背部，另取一热敏电阻（在体温下约为 12K Ohms , 在室温约为 20KOhms)安装在胸部，只要信号处理处理器的模数转换解析度高（例如 12 b i t s) , 即可分辨两个热敏电阻受压与否的四种姿势。将感测器并联的好处，是输入到处理器接点可减少，让随身接触物品与处理器间的接点减少，让人感觉不到感测器的存在以增加舒适感与减少被侦测的感觉。

此外，我们利用温度感测器放置于不同厚度或不同导热系数的材料内，则其热传导的速率即不相同，亦可增加判读姿势的多样性及正确率。第七较佳实施例

另一实施例为湿度感测器，其工作原理是量测两个金属导线之间的直流电阻，因汗水会导电，故电阻愈低则愈湿，如图 18所示。在外界物品与人体接触之处，其湿度会比没有接触的地方大，我们利用湿度感测器放置于不同厚度与吸湿材料，即可在人体不同部位得到不同的电阻，从而测得姿势。例如，图 18中 d为两金属导线的距离，在布料上分别缝上三组 d分别为 1、 2、及 3厘米的导线（合计六条导线），当距离 1厘米的湿度感测器已达全湿时而无法分辨时，则读取 2厘米或 3厘米距离的湿度感测器，另外也可采用不同吸湿排汗的材料及材料厚度来当湿度感测器以增加其多变性。若将湿度感测器与心电图电极放置在相同部位，则可在量测心电信号同时得知汗湿程度，已知汗湿程度过低，及皮肤太干时，则心电图噪声会很大难以判读，但当皮肤流汗时而湿度感测器测得很湿时，心电图信号应要很清晰。如此安排将可排除信噪比（S/N rat io)太低的心电信号，又能增加判断姿势的准确度。若再加上压力或拉力感测器则可降低噪声干扰，同时，心电图在不同压力下信噪比（S/N rat io)不同，即压力愈大心电图愈清晰，故同时有湿度、压力或拉力感测器，则不但姿势状态更能分析，心电图信号也更能被了解。

第八较佳实施例

另外也可用电极测肌电信号来侦测肌肉的收缩，尤其是受压部位，例如人体成蹲姿时，下肢及臀部受压处所得的肌电信号就非常明显。同理可用电阻式血管容积变化计（plethysmography)来测量脉搏，或用电阻式体脂计来测量皮下脂肪含量，或用光感测器测量血氧浓度及脉搏。在感测器与人体间可用不同材质或厚度，来产生不同信号特征。

第九较佳实施例

本发明可用两个不同的非姿势感测器来测人体的生理信号，同时也可测得姿势。例如在睡眠时心电图电极放在前、后胸的部位，而左、右腋下则放温度感测器，则当正躺或背躺时可得明显心电图；而当左或右侧躺时，无法测得心电信号，除非使用者前胸双手有碰到衣物上的电极。但可以量到左或右腋下的温度会上升到接近体温，左边或右边的温度感测器的衣物上用不同特性的导热系数材料或厚度不同的材料隔离人与感测器，如此不仅可测得体温及心电信号，也可测得姿势，同时又不必做复杂的信号处理。

第十较佳实施例

本发明可藉由多种感应器同时工作，或由信号本身的变化速率来提高判断姿势的准确度。举例来说，在前述实施例中，当加速规测得人体正承受较大的加速度时，代表心电或其他信号可能受到干扰而严重失真。本发明可针对各种不同的应用来设定加速规的临界值（例如在第四较佳实施例中临界值为 9. 8 米 /秒 ²) , 当超过此临界值即暂停分析以避免误判。再者，像体温或姿势是不可能在很短时间内急剧变化的，若信号处理器取得超乎常理的剧变信号，即可推测是外界干扰或不正常操作。同理，本发明可针对各种不同的应用来设定变化速率的临界值，作为筛选不正常信号的准则，若是经常收到不正常信号，即可发出警讯给使用者。最后，我们可利用压力或拉力感测器的数值，或是不同的受压或受拉的值来加权 (weight)所连接的生理感测器，例如： ECG信号在不同压力或拉力感测器其波形被放大的比例不同。

第十一较佳实施例

本发明可以在适当时机提出警讯，以维护使用者的健康与安全。例如对于自行车骑士，当长时间体温过高、心率太快，可能代表中署或体力负荷过重。使用者可以在信号处理器上无法信号分析、信号储存、数据库比对，显示、警示或有线传输时，可无线传输到个人数字助理或个人电脑 12 上做处理，例如：设定个人在该活动的正常生理范围，一旦超过即可对使用者发出警讯，或藉由个人数字助理或个人电脑 12上的通讯装置，对远端的其他人或机构发出警讯。或将生理信号发送至远端，由利用远端建立该使用者个人的生理信号数据库，判断其生理状况是否已超出正常范围需发出警讯，并且可由个人数字助理或个人电脑 12上即时给使用者最适当的指导。

第十二较佳实施例

要开启、关闭或改变本发明的工作模式，除了由使用者本身以外，亦可经由其他自动方法来进行，例如在衣物、椅子或床上的压力或拉力感测器两端连接导电线到信号处理器上，当使用者穿上衣物、坐在椅子或床上即可启动或关闭另一接触的物品；或是经由信号处理器上的无线装置，当收到某个信号时如经 RFID, 标签（Tag)即启动。如此自动运作有下列好处: 不妨碍使用者正常作息、可确保本发明在正确的工作模式下运作、节省电力以延长工作时间。

Claims

权利要求

1.一种侦测生理机能及姿势状态的物品，上述物品与身体接触，其特征在于其中：至少有两组非姿势的生理感测器设置在上述物品中，该非姿势的生理感测器同时或交替感测使用者的生理机能及姿势状态。

2.根据权利要求 1 所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于所述与身体接触的物品为: 衣物、内衣裤、外套、床单、枕头、袜子、鞋子、围巾、头巾、手套、围裙、皮带、厕所马桶、地毯、地板、帽子和座椅中的至少一个。

3.根据权利要求 1 所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于所述的感测器为：心电图、温度、湿度、心跳、血管容积计、体脂计、血氧饱和度、呼吸、脑波、肌电图、脉博。

4.根据权利要求 3所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于其中所述的感测器之间为并联。

5. 根据权利要求 3所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于其中温度感测器放置于不同厚度或不同导热系数的材料内，藉由热传导的速率的差别来增加判读姿势的正确率。 '

6. 根据权利要求 3所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于其中湿度感测器采用不同吸湿排汗的材料或材料厚度。

7.根据权利要求 1 所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于所述的生理感测器，选择性地串联或并联一电阻或电容。

8. 根据权利要求 1所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于所述两组非姿势的生理感测器为相同类型或不同类型的感测器。

9. 才 I"权利要求 1所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于其中生理感测器与压力或拉力感测器连接。

10. 根据权利要求 9 所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于其中压力感测器为按键开关，拉力感测器为裂缝开关。

11. 根据权利要求 9 所述的侦测生理机能及姿势状态的物品，其特征在于其中每一个压力或拉力感测器都设定一个外力的临界值。

12.一种侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于其包括：在与身体接触的物品中设置至少两组非姿势的生理感测器，

利用所述生理感测器感测非姿势的生理信号，

分析上述非姿势的生理信号以判断使用者姿势。

13. 根据权利要求 12所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的非姿势的生理感测器连接一拉力或压力感测器。

14. 4艮据权利要求 12 所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述生理感测器用来感测人体的生理机能，所述的生理感测器包含：心电图、温度、湿度、 '心跳、血管容积计、体脂计、血氧饱和度、脑波、呼吸、肌电图、脉博。

15.根据权利要求 12 所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的分析上述非姿势的生理信号进一步包含：根据非姿势的生理感测器所获取的生理信号，来产生该生理信号的特征，与姿势数据库进行比对，以判断使用者的姿势。

16 . 居权利要求 15 所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于其中所述的数据库预存姿势的特征以及判断准则的参数。

17.根据权利要求 16 所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的姿势的特征以及判断准则的参数，是依据每个使用者的生理信号进行学习，而调整为一优化值。

18.才据权利要求 16 所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的生理信号的特征的产生方法，包含找到心电图上的 P, R, S， T 各点位置及方向，以及 R， S, T各点的振幅。

19. 根据权利要求 16所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的生理信号的特征的产生方法，在判断睡姿时，会依下列判断准则将特征编码： T点振幅大于 R点振幅的 kl倍、是否有 P波、 R波是否为正向、 R点振幅是否大于 S点振幅的 k2倍、是否有正向 S波、是否有负向 S波、是否有正向 T波、 T点振幅是否大于 R点振幅的 k3倍，具体如下：

20. 根据权利要求 19所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于其中所述的 kl介于 0. ⁶至 1. 0之间， k2介于 1. ⁸至 2. 2之间， k3介于 0. 35至 0. 65之间。

21. 根据权利要求 16所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的生理信号的特征产生方法，在判断自行车骑士的姿势时，会依下列判断准则将特征编码：是否有 P波， R波方向为正, 是否有 T波，具体如下：

22. 根据权利要求 16所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的生理信号的特征产生方法，在电极安放于寝具以判断睡姿势时，会依下列判断准则将特征编码： S点振幅大于 R点振幅的 k4倍、 T点振幅是否大于 R点振幅的 k5倍，具体如下：

23. 根据权利要求 22所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于其中所述的 k4介于 0., 5至 0. 7之间， k5介于 0. 2至 0. 4之间。

24. 根据权利要求 16所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的生理信号特征演算法，在判断汽车驾驶姿势时，会依下列判断准则将特征编码： T点振幅是否大于 R点振幅的 k6倍。

25. 才良据权利要求 24所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于其中 k6介于 0. 7至 0. 9之间。

26.根据权利要求 16 所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的预存了姿势的特征与判断准则的参数的数据库，还利用姿势感测器，以确认使用者有是否依照互动的指引形成特定姿势，作为判断准则的参数，其中，所述的姿势感测器为加速规、陀螺仪或视讯仪。

27.根据权利要求 16所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的生理信号的特征产生方法，会同时撷取姿势感测器的信号，当所述姿势感测器的信号大于特定的临界值的时候，会停止分析生理信号以免误判，其中所述的姿势感测器为加速规、陀螺仪或视讯仪。

28. 根据权利要求 12所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所述的两组非姿势生理感应器为相同类型或不同类型的感测器。

29. 根据权利要求 12所述的侦测生理机能及姿势状态的方法，其特征在于所得的姿势资讯构成一活动图。

30.—种侦测生理机能及姿势状态的系统，其特征在于其包括：多个非姿势的生理感测器，设置在与身体接触的物品中，所述非姿势的生理感测器交替或同时感测非姿势的生理信号；

信号处理器，其包含：

滤波电路，去除所述非姿势的生理信号的高频或低频噪声；模数转换器，连接于该滤波电路；及

微控制器，连接于该模数转换器，用以对由多个非姿势的生理感测器所得的信号进行数字信号处理，以判断使用者的姿势。

31. 根据权利要求 30所述的侦测生理机能及姿势状态的系统，其特征在于其还包含一无线通讯装置，将姿势资讯或未经微控制器处理的数字生理信号资讯传送至个人资讯装置，或再由该个人资讯装置处理传送至远端的个人或机构。

32.根据权利要求 30 所述的侦测生理机能及姿势状态的系统，其特征在于所述的非姿势的生理感应器还连接一拉力或压力感测器，藉以降低干扰信号进入所述系统。

33.根据权利要求 30所述的侦测生理机能及姿势状态的系统，其特征在于其还包含一报警装置，当任一生理信号的特征超过使用者在所述个人资讯装置上设定各生理信号特征的范围时，发出警讯。

34.根据权利要求 30 所述的侦测生理机能及姿势状态的系统，其特征在于所述的系统接收、记录及显示一个或多个信号处理器传送出的生理信号，以整合成长时间且连续的个人生理及姿势资讯。

35. 根据权利要求 30所述的侦测生理机能及姿势状态的系统，其特征在于所得的姿势資讯构成一活动图。