WO2024077502A1

WO2024077502A1 - 气压微扰动感测系统

Info

Publication number: WO2024077502A1
Application number: PCT/CN2022/124754
Authority: WO
Inventors: 罗奕麟
Original assignee: 辅人科技股份有限公司
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18

Abstract

一种在床垫下使用的气压微扰动感测系统，以解决要将感测系统安置于床垫之下，所面临感测灵敏度不足之问题。气压微扰动感测系统包括气垫(100)和传感器(300)。气垫(100)具有一粗糙内表面(100a)，还包括彼此连通之复数个气体流道(110)、填充于气体流道(110)内之一弹性透气支撑物(130)和于气垫一侧之一气垫开口(120)。传感器(300)与气垫开口(120)相通，以感测气体流道(110)内之气体压力的变化。因此，气压微扰动感测系统之特殊结构设计，气垫可接收由床垫传递而来之床垫微扰动信号，有效地增加感测所得信号的讯杂比，让气压微扰动感测系统兼具了感测高灵敏度、安装使用容易与成本便宜等优点。

Description

气压微扰动感测系统

技术领域

本申请系有关于一种气压微扰动感测系统，特别有关于在床垫下使用之一种气压微扰动感测系统。

背景技术

近来进入高龄化社会后，长期照护的需求越来越多。尤其是当被照护者需长期卧床时，如何在第一时间取得被照护者的实时生理监看信息，以实时做出适当的照护反应，尤为重要。因此，近来市面上有不少的相关感测系统，用来监看被照护者的心跳和呼吸等讯号。为了要监测微弱之心跳和呼吸等讯号，多为使用安置在一般床垫上的感测系统。床垫上感测系统的侦测原理，多半是利用卧床者的生理活动和身体动作的变化，造成感测系统的局部型变，进行卧床者生理活动讯号的侦测。

只是，由于被照护者的健康状态多半在不佳的情况下，要直接躺在这些床垫上感测系统之上，多半会让被照护者觉得甚为不舒服。但是，若要将感测系统与床垫合而为一，价格又多半相当昂贵，非多数家庭所能负担。若想要将感测系统安置于床垫之下，又会面临感测灵敏度不足之问题。

发明内容

为了要让被照护者躺在床上时可以较为舒服地进行生理讯号的监测，身上又不需要接上各种传感器，造成在床上无法自由地变换姿势。因此，本申请提供一种在床垫下使用的气压微扰动感测系统，其包括气垫和传感器，还可以选择性地在气垫和传感器之间加入缓冲部。

依据本申请一实施例，上述气垫具有一粗糙内表面，当所述气垫被压扁时，所述粗糙内表面让所述气垫内部具有可供一气体流动之复数个微流道。所述气垫包括彼此连通之复数个气体流道、一弹性透气支撑物和一气垫开口。上述之气体流道可让气体可以在所述气垫内部无阻碍的流动。上述之弹性透气支撑物填充于所述气体流道之内。上述之气垫开口位于气垫之一侧。上述之传感器与所述气垫开口相通，以感测所述气体流道内之气体压力的变化。

依据本申请另一实施例，上述之气垫表层的材质为具弹性与延展性且不透气的材质，其萧氏硬度(Shore Hardness)为约67-81HA，例如可为各种可用的聚合物，如聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride；PVC)、聚氯乙烯与丁腈橡胶(Nitrile Butadiene Rubber；NBR)的混掺材料或共聚合物、热塑性聚胺酯(Thermoplastic Polyurethane；TPU)、硅胶(silicone)或其他各种可用材料。

依据本申请另一实施例，上述之弹性透气支撑物的材料，其萧氏硬度为约50-75HA，例如可为海绵或泡棉。

依据本申请又一实施例，上述之气垫还包括埋入于所述气体流道内之复数个软管，且所述软管之一端开口朝向所述气垫开口。所述软管的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、硅胶或其任意组合。

依据本申请再一实施例，上述之传感器包括至少一麦克风，例如单指向麦克风，以接收来自所述气垫开口的空气扰动讯号。

依据本申请再一实施例，上述之传感器还包括一降噪件，安置于所述麦克风背对所述缓冲部的一侧。上述之降噪件包括一发泡材料或一实心材料。

依据本申请再一实施例，上述之传感器还包括一气压传感器，例如胎压显示计，以接收来自所述气垫开口的空气压力变化讯号。上述传感器不限于麦克风和气压传感器，也可在此使用其他适合可用的各种振动传感器。

依据本申请再一实施例，上述之气压微扰动感测系统还包括一缓冲部，配置于所述气垫和所述传感器之间，所述缓冲部具有一缓冲腔室，所述缓冲腔室的两端开口分别与所述气垫开口和所述传感器相通。

依据本申请再一实施例，上述之气压微扰动感测系统还包括一软板，配置于所述气垫朝向所述床垫之一表面上。

承上所述，藉由上述气垫之特殊结构设计，气垫可接收由床垫传递而来之床垫微扰动讯号，并传递至传感器，让传感器接收到床垫微扰动讯号，以有效地增加感测所得讯号的讯杂比(S/N ratio)。此外，还可以减少或排除如撞击床垫等突发的大扰动对微扰动所造成的干扰。

此外，藉由精心设计的传感器，可以灵敏地感测由气垫传递而来的床垫微扰动讯号，并再次增加感测所得讯号的讯杂比。

而且，藉由上述缓冲部之设计，可以有效地滤除噪声，再次增加感测所得讯号的讯杂比。

附图说明

图1系绘示依据本申请一实施例之一种气压微扰动感测系统的结构示意图。

图2A为图1中切线A-A处的剖面结构示意图。

图2B为图1中切线B-B处的剖面结构示意图。

附图标记：

100：气垫

100a：内表面

100b：外表面

110：气体流道

110a：第一流道

110b：第二流道

115：接合区

120：气垫开口

130：弹性透气支撑物

140：软管

200：缓冲部

300：传感器

具体实施方式

为了要让被照护者躺在床上时可以较为舒服地进行生理讯号的监测，身上又不需要接上各种传感器，造成在床上无法自由地变换姿势。因此，本申请提供一种在床垫下使用的气压微扰动感测系统，详述如下。

图1系绘示依据本申请一实施例之一种气压微扰动感测系统的结构示意图。在图1中，气压微扰动感测系统包括气垫100和传感器300。

请同时参照图2A，图2A为图1中切线A-A处的剖面结构示意图。在图2A中，气垫100具有内表面100a和外表面100b，其中内表面100a为粗糙表面。因此，即使气垫100被压扁让上下两侧的内表面100a互相接触时，相接触之内表面100a之间，仍可留下气体的微流道。让气体可在微流道之内流动。依据本申请一实施例，气垫100表层的材质可为具弹性与延展性且不透气的材质，萧氏(Shore)硬度为约67-81HA。例如可为各种可用的聚合物，如聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride；PVC)、聚氯乙烯与丁腈橡胶(Nitrile Butadiene Rubber；NBR)的混掺材料或共聚合物、热塑性聚胺酯(Thermoplastic Polyurethane；TPU)、硅胶(silicone)或其他各种可用材料。

在图1中，上述气垫100具有多个气体流道110，并具有一气垫开口120。上述气体流道110的本身和其组合可为任意形状，只要能将整个气垫100所感受到的压力变化传递至气垫100的气垫开口120即可。例如，图1所显示之互相垂直的多个第一流道110a和多个第二流道110b，在交叉的第一流道110a和多个第二流道110b之间形成气垫100上下两个内表面100a接合在一起的多个接合区115，组成一个气体流道110的网状结构。气垫100的结构设计，应用听诊器之音压汇集的原理，亦即大面积气垫加上小出口，来放大讯号。再加上气垫100的材质具有弹性和延展性，可以吸收抵销高频震动，传递低频震动，消除大部份床架之机械震动的杂讯干扰，进一步增加卧床者之生理讯号的讯杂比。

在图2A中，气垫100的内部空间还安置有一弹性透气支撑物130。此弹性透气支撑物130的内部具有多个相通的微孔洞，让气体可以自由进出弹性透气支撑物130的多孔内部。而且，此弹性透气支撑物130需具有一定的弹性和支撑力，让气垫100被床垫(床垫的厚度例如可为3-45公分)和卧床者重压后，仍能保留气体的微流道，让气体可在气垫100的内部各处自由流动，以灵敏反应床垫传递过来的微扰动。弹性透气支撑物130的材料，其萧氏硬度为约50-75HA，例如可为海绵或泡棉。

请同时参考图2B，图2B为图1中切线B-B处的剖面结构示意图。依据本申请一实施例，还可以在气垫100的第一流道110a内安置一段或数段的软管140，让软管140的一端开口朝向气垫开口120。软管140的材料，例如可为各种适用之塑料材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或硅胶等等常见塑料材料。软管140的内部空间可为气垫100内部的气体储藏室，且软管140本身也具有支撑的功能，让气垫100内部的气体可以自由到处流动。

图1中，上述传感器300与气垫100的气垫开口120相通，让传感器300可接收到由气垫100传递而来的各种大小不一的床垫扰动讯号。这些床垫扰动讯号包括卧床者的生理作用(例如呼吸、心跳)或各种体动(如翻身、起坐和下床)所造成的床垫扰动讯号。其中呼吸和心跳等基本生理作用所造成的床垫扰动讯号通常属于微扰动讯号，为此气压微扰动感测系统欲侦测的主要对象。而各种体动所造成的床垫扰动讯号则通常属于大扰动讯号。

依据本申请一实施例，传感器300例如可为振动传感器，例如可包括至少一支麦克风。麦克风在和气垫100链接时，麦克风之声场朝向气垫100，让麦克风的可灵敏收音范围朝向气垫100，以接收由气垫100传递而来的床垫微扰动讯号，同时可减少外界其余扰动对床垫微扰动讯号所造成的干扰。若传感器300使用两支以上的麦克风，还可用来定位床垫微扰动之来源位置。

依据本申请另一实施例，更可以在麦克风背对气垫100的一侧安置一降噪件，以进一步减少周围环境之背景噪音对床垫微扰动讯号的干扰。依据一实施例，上述降噪件例如可为多孔之发泡材料，以吸收周围环境之背景噪音。依据另一实施例，上述降噪件例如可为实心材料，如软木、橡胶、乙烯类聚合物或其他可用材料，以减少周围环境之背景噪音。

依据本申请再一实施例，传感器300亦可为不同振动传感器的组合，例如可为麦克风和气压传感器的组合，以减少环境中突发大扰动(如撞到床)之类的低频讯号对麦克风产生的干扰。例如，可以让麦克风用来接收床垫微扰动讯号中如心跳的高频讯号(一般至少为约每分钟50次，但不以此为限)，气压传感器用来接收床垫微扰动讯号中如呼吸的低频讯号(一般至多为约每分钟30次，但不以此为限)。上述气压传感器例如可为一般的气压计、胎压显示计或其他可用之可以感测气压变化的仪器等等。上述传感器300不限于单支麦克风、多支麦克风或麦克风和气压传感器的组合，也可在此使用其他适合可用的各种振动传感器或其任意组合。

请再参考图1，依据本申请一实施例，在气垫100和传感器300之间，还可以选择性地安装一缓冲部200。缓冲部200内部具有一缓冲腔室，此缓冲腔室的两端开口分别与气垫开口120和传感器300相通，因此缓冲部200的缓冲腔室与气垫100的气体流道110是彼此相通的。缓冲部200例如可为一段软管。

此外，上述之气压微扰动感测系统，还可在气垫朝向床垫之一表面上配置一软板(未示于图中)。软板的材质例如可和软管的材质类似，因此不再赘述之。

接下来，针对上述之气压微扰动感测系统进行测试实验。

实验一：气垫内弹性透气支撑物厚度对所得讯号的影响

在此实验中，实验组使用海绵为气垫中之弹性透气支撑物，并改变海绵的厚度(3-9mm)，来检测海绵厚度对所得讯号的影响。传感器使用单指向麦克风，接收透过床垫(厚度27cm)和气垫传递而来的心跳声。由示波器显示麦克风所接收之心跳声的讯号，测量示波器中波峰至波谷的差值，单位为毫伏(mV)。对照组使用的气垫内部，没有填充海绵，只有充气。心律模拟系用喇叭播放60Hz的心跳录音。心跳录音关掉后，可以直接量测环境噪音的讯号大小。

所得结果，在心律模拟的情况下，示波器上的峰谷差值为210-226mV，讯杂比(S/N)为3.9-5.0。当卧床者的躺姿为正躺时(下面简称为「正躺」)，示波器上的峰谷差值为100-162mV，讯杂比(S/N)为1.9-3.4。卧床者的躺姿为侧躺且左方在下时(下面简称为「侧躺左」)，示波器上的峰谷差值为124-178mV，讯杂比(S/N)为2.3-3.9。卧床者的躺姿为侧躺且右方在下时(下面简称为「侧躺右」)，示波器上的峰谷差值为156-256mV，讯杂比(S/N)为3.4-5.0。对照组所得数据，只有心律仿真的情况下是差不多的，其余情况下，不论是示波器上的峰谷差值(mV)或是讯杂比(S/N)，皆不如实验组的数据。

由这些测试结果发现当海绵的厚度为6mm时，所得结果最佳。代表弹性透气支撑物具有适当的厚度时，可以有效地增加心跳声的讯杂比。尤其是卧床者为侧躺右时，位于身体左侧的心脏位置距离床垫最远。而且实验组所收到的心跳讯号仍然可以有相当好的讯杂比(3.4-5.0)，远大于对照组的讯杂比2.1，显示在气垫内置入弹性透气支撑物可以有效地增加床垫微扰动讯号的讯杂比。

实验二：气垫内气压大小对所得讯号的影响

在此实验中，尝试减少气垫内部的气压。实验二的实验条件大致和实验一相同，并选择3mm厚的海绵为气垫内部的弹性透气支撑物。实验二和实验一不同之处为改变气垫内气压大小，在实验二中，气垫内部气压约为实验一的气垫内部气压之1/2至1/3。

由实验结果发现，减少气垫内部的气压后，在心跳讯号较强之「正躺」和「侧躺左」两种躺姿下，可以有效地增加心跳讯号的讯杂比(正躺的讯杂比：实验一为1.9，实验二为约5.0，侧躺左的讯杂比：实验一为3.2，实验二为约4.5)。但是，在心跳讯号会较弱之「侧躺右」的情况下，心跳讯号的讯杂比反而会较差一点(侧躺右的讯杂比：实验一为2.1，实验二为约1.6)。因此，气垫内部气压太小时，对于床垫微扰动讯号较弱的情况下，可能会有些不良的影响。

实验三：气垫内埋入软管对所得讯号的影响

在此实验中，除了和实验二类似，折迭气垫一次之外，还埋入软管，且软管一端的开口朝向气垫的气垫开口。在此实验中，软管的材质为硅胶。

由实验结果发现，在气垫内埋入软管之后，可以有效地增加心跳讯号的讯杂比(正躺的讯杂比：无软管5.6v.有软管12.0，侧躺左的讯杂比：无软管5.2v.有软管5.3)。尤其是在心跳讯号较弱之「侧躺右」的情况下，和未埋入软管的实验结果相较下，在埋入软管后，可将心跳讯号的讯杂比增加到3倍以上(侧躺左的讯杂比：无软管1.7v.有软管5.3)。

实验四：传感器加装降噪件对所得讯号的影响

实验四的实验条件和实验一大致相同，选择6mm厚的海绵为气垫中之弹性透气支撑物。唯一的差别是在单指向麦克风的背面(背对气垫的一侧)加上塑料片，减少位于单指向麦克风背面的声源干扰，以测试是否可以进一步减少环境声音的干扰。

从实验结果发现，在单指向麦克风的背面加上降噪件(塑料片)后，对于位在麦克风的正面附近的声源讯号有些加强的作用，对于位在麦克风的背面附近的声源讯号有些减弱的作用。因此，在麦克风的背面安装上降噪件可以进一步减少外界环境噪音的干扰。

依据上述各实验例可知，所提供之可在床垫(厚度可>25cm)下使用的气压微扰动感测系统，利用大面积的气垫和其特殊的结构设计来感测床垫的大面积总压力的变化，来有效地传递床垫微扰动讯号，增加讯号的讯杂比。此外，利用缓冲部之设计，可以滤除环境中突发的巨大压力与震动变化所产生的突发巨大讯号。再加上使用高灵敏度之振动传感器(如麦克风)为基本的传感器，利用麦克风的侦测灵敏度，可以进一步放大卧床者的生理讯号，提升卧床者生理讯号的侦测灵敏度。若再配上其馀适合侦测低频的振动传感器(如气压计)，还可以进一步增加低频讯号的侦测灵敏度。

而且，与一般的床垫上感测系统相比，由于床垫上感测系统是利用局部形变来进行侦测，因此床垫上感测系统容易因床垫种类不同而对其感测灵敏度产生很大的影响。但是，由于上述气压微扰动感测系统是安置于床垫下使用，因此是侦测气垫上之总压力的变化。经过测试，床垫的种类(如软硬度、厚度)对上述气压微扰动感测系统接收讯号的影响较小，也就是此气压微扰动感测系统可以适用于多种床垫，例如各种弹簧床、乳胶垫、泡棉垫、被褥式、冷凝胶/晶粒垫、气垫床和水床等等。

所以，上述气压微扰动感测系统兼具了感测高灵敏度、安装使用容易与成本便宜等优点。

Claims

一种气压微扰动感测系统，置于一床垫之下，用以感测所述床垫传递的微震动，包括：

一气垫，具有一粗糙内表面，当所述气垫被压扁时，所述粗糙内表面让所述气垫内部具有可供一气体流动之复数个微流道，所述气垫包括：

彼此连通之复数个气体流道，让所述气体可以在所述气垫内部无阻碍的流动；

一弹性透气支撑物，填充于所述气体流道之内；以及

一气垫开口，位于所述气垫之一侧；以及

一传感器，与所述气垫开口相通，以感测所述气体流道内之气体压力的变化。
如权利要求1所述之气压微扰动感测系统，其中，所述气垫表层的材质为具弹性与延展性且不透气的材质，且萧氏硬度为约67-81HA。
如权利要求2所述之气压微扰动感测系统，其中，所述气垫表层的材质包括聚氯乙烯、聚氯乙烯与丁腈橡胶的混掺材料或共聚合物、热塑性聚胺酯或硅胶。
如权利要求1所述之气压微扰动感测系统，其中，所述弹性透气支撑物之材料的硬度为约50-75HA。
如权利要求4所述之气压微扰动感测系统，其中，所述弹性透气支撑物之材料包括海绵或泡棉。
如权利要求1所述之气压微扰动感测系统，其中，所述气垫还包括埋入于所述气体流道内之复数个软管，所述软管远离所述气垫开口，且所述软管之一端开口朝向所述气垫开口。
如权利要求6所述之气压微扰动感测系统，其中，所述软管的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、硅胶或其任意组合。
如权利要求1所述之气压微扰动感测系统，其中，所述传感器包括至少一麦克风，且所述麦克风之声场朝向所述气垫开口。
如权利要求8所述之气压微扰动感测系统，其中，所述传感器还包括一降噪件，安置于所述麦克风背对所述气垫开口的一侧。
如权利要求8或9所述之气压微扰动感测系统，其中，所述传感器还包括一气压传感器。
如权利要求1所述之气压微扰动感测系统，还包括一缓冲部，配置于所述气垫和所述传感器之间，所述缓冲部具有一缓冲腔室，所述缓冲腔室的两端开口分别与所述气垫开口和所述传感器相通。
如权利要求1所述之气压微扰动感测系统，还包括一软板，配置于所述气垫朝向所述床垫之一表面上。