TW201729753A

TW201729753A - 生理訊號感測裝置

Info

Publication number: TW201729753A
Application number: TW105127039A
Authority: TW
Inventors: 陳世龍; 鄭信一
Original assignee: 陳世龍; 鄭信一; 郭佩芳
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2017-09-01
Also published as: TWI605790B; JP3210280U

Abstract

一種生理訊號感測裝置，包含傳聲件、集音件及音源接收裝置。傳聲件包含複數個獨立不相互連通之閉孔結構，能產生聲共振效應，透過與使用者的身體直接或間接接觸時，將心音、呼吸震動或臟器音等微動之聲波於傳聲件中傳遞。集音件包含第一端部及第二端部，其中一端部接觸傳聲件表面，與第二端部之間以貫孔連通。音源接收裝置包含接收端及感測元件，接收端連接集音件的第二端部以接收該傳聲件傳播之聲波，達到偵測生理訊號之目的。

Description

生理訊號感測裝置

本發明是有關於一種生理訊號感測裝置，特別是一種利用聲波偵測生理訊號的感測裝置。

生理訊號量測設備過去大多在醫療院所中使用，需要專業的儀器及合格的醫護人員操作，然而隨著現代感測與訊號處理技術的發展，醫療電子產品的成本大幅降低，同時居家保健意識也顯著提升，遠距居家照護系統已不再是想像，各種量測生理訊號的技術已逐漸發展成可在居家環境中使用的基本保健工具，有利於長期監測使用者健康狀況。

目前針對行動不便或失能的嬰幼兒、殘障人士、病患或老人的生理狀態監護為居家照護的主要領域。根據需要監護的狀態，可分為靜止和活動時的監護。由於居家環境下的生理訊號量測設備是由一般使用者操作，並非由專業醫護人員操作，因此這類器材的操作設計上應力求量測程序簡單、快速、自動化、非侵入式及低維修成本。此外，居家環境下的生理訊號量測設備的使用，也應盡量考慮無干擾性或較低干擾性的量測方式，避免因為產品的使用而造成使用者的日常生活活動與行為有所改變，比較容易為一般使用者所接受。

現有的呼吸心跳偵測設備可分為壓力感測、光學波長感測及黏貼電極偵測。其中，壓力感測設備在睡眠環境中使用可以合併進行睡姿、翻身、離床等偵測，然而其精確度較差，且通常設計成專用的大型裝置，例如床或床墊等，對使用者的心理壓力較大。光學波長感測是利用非接觸的檢測方式，雖有體積較小的優點，然而容易受外部環境及光源影響，精確度較差，且價格昂貴。黏貼電極在偵測使用者心電圖、心率等項目，精確度最佳且可收集到多樣的生理資訊，然而其線材容易損壞導致接觸不良而影響量測效果，且受限於線材長度會限制使用者的行動，常令使用者感覺不便，而黏貼接觸的方式也容易在檢測時發生脫落，由於操作複雜且有被監控感，因此常導致使用者不積極使用，反而達不到效果。

因此，需要一種操作簡單、維護方便且能融入使用者居家生活的生理資訊檢測設備，才能達到隨時使用、即時偵測、防患未然的目的。

因此，本發明之一態樣是在提供一種生理訊號感測裝置，利用軟質的傳聲件構成訊號傳遞結構，人體與軟質訊號傳遞結構接觸後，其臟器之不同微動狀態的振動頻率，能於軟質的傳聲件產生之不同的擠壓碰撞狀態並傳遞至感測器將訊號轉換，再經過特定時間範圍的統計與封包儲存後，以網路訊號發送比對之，以即時感測使用者的生理狀態及與環境互動之狀態。

傳聲件包含複數個獨立不相互連通之閉孔結構，能產生聲共振效應，透過與使用者的身體直接或間接接觸時，將心音、呼吸震動或臟器音等微動之聲波於傳聲件中傳遞。集音件包含第一端部及第二端部，其中一端部接觸傳聲件表面，與第二端部之間以貫孔連通。音源接收裝置包含接收端及感測元件，接收端連接集音件的第二端部以接收該傳聲件傳播之聲波，達到偵測生理訊號之目的。依照本實施方式之一實施例，生理訊號感測裝置更連接一訊號處理裝置，將該感測元件接收之聲波轉換為電子訊號。

依照本發明之一實施方式，生理訊號感測裝置之集音件包含一個以上的第一集音部分及一個第二集音部分，複數第一集音部分的第一端部獨立地接觸傳聲件之表面，第二集音部分則包含複數接口各別地連接這些第一集音部分之第二端部。

依照本發明之另一實施方式，於傳聲件與第一端部接觸之表面被覆至少一覆層，依照本發明之實施例，覆層包含織物、植絨或高分子薄層。

依照本發明之一實施方式，傳聲件之閉孔結構係由高分子發泡材料或天然多孔材料所界定，根據本實施方式之實施例，高分子發泡材料或天然多孔材料具有10-100%之閉孔率。根據本實施方式之一實施例，高分子發泡材料之密度為15-200kg/cm³，另一實施例中，高分子發泡材料之密度為25-50kg/cm³。

依照本實施方式之一或多個實施例，高分子發泡材料包含乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene vinyl acetate；EVA)、光交聯聚乙烯(irradiation cross-linked polyethylene；IXPE)、交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene；XPE)、氯丁橡膠(Chloroprene Rubber；CR)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene butadiene rubber；SBR)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride；PVC)、乙烯-丙烯三元橡膠(Ethylene propylene terpolymer rubber；EPDM)、聚乙烯化合物(Polyethylene foam；EPE)、丙烯腈丁二烯橡膠(Acrylonitrile Butadiene rubber；NBR)或聚氨酯(Polyurethane；PU)或其任意組合。

依照本發明之一實施方式，閉孔結構係由一複合材料所界定，該複合材料為含有複數不連續之多孔粒子或碎片的連續高分子發泡體。

依照本發明之另一實施方式，閉孔結構係由一纖維材料所界定，包含纖維素、棉纖維、石棉纖維、玻璃纖維、塑料纖維、導電纖維或其任意組合，由平直的、起皺的、擰絞的、卷曲的、氈合的或捻合之該或該些纖維材料以交錯、交織或堆疊之型態組成之一材料片，以具有空穴或內部空隙之排列方式所界定。

因此，本發明實施例之生理訊號感測裝置利用具有閉孔結構的軟質傳聲件，能對心音、呼吸音或臟器音的聲波震動產生聲共振效應來放大(amplify)微小的頻率，再透過音源感應器接收、搭配訊號的處理與辨識，達到準確偵測、紀錄、分析生理現象的效果。

100‧‧‧生理訊號感測裝置

110‧‧‧傳聲件

115‧‧‧覆層

120‧‧‧集音件

121‧‧‧第一集音部分

122‧‧‧第一端部

123‧‧‧第二端部

124‧‧‧連接部

125‧‧‧連接段

126‧‧‧第二集音部分

127a‧‧‧連接口

127b‧‧‧連接口

128a‧‧‧連接口

128b‧‧‧連接口

130‧‧‧音源接收裝置

132‧‧‧接收端

134‧‧‧上蓋

136‧‧‧底板

140‧‧‧凹緣

第1圖為本發明一實施例之生理訊號感測裝置之立體圖；第2圖為本實施例之生理訊號感測裝置之分解圖；第3圖為本實施例之生理訊號感測裝置之剖面圖；第4圖為本發明之一實施例之接觸式生理訊號感測裝置之使用情境示意圖。

請參照第1圖，為本發明一實施例之生理訊號感測裝置之立體圖。生理訊號感測裝置100包含傳聲件110、集音件120及音源接收裝置130以及凹緣140。本實施例之生理訊號感測裝置100包含但不僅限於一墊體之形式。

傳聲件110為一種能產生聲共振(acoustic resonance)效應及聲波傳遞功能之手段(Means for creating acoustic resonance and propagating acoustic waves)，依照本發明之實施方式，傳聲件110為具有可撓性的材料形成之軟質訊號傳遞結構，在本發明實施例中，軟質訊號傳遞結構以具有閉孔結構之高分子發泡材料或天然多孔材料所構成，透過軟質訊號傳遞結構與使用者的身體直接或間接接觸時，其臟器之微動振動頻率能於軟質的傳聲件產生之不同的擠壓碰撞狀態，而將心音、呼吸震動或臟器音等微動之聲波於傳聲件110中傳遞。

本說明書中所述之「聲共振效應」(acoustic resonance)，係指一發聲體受到其共振頻率的外力驅動時，其聲音震動之頻率被放大(amplify)的現象。

本說明書中所述之「閉孔結構」(closed cell structure)係指於固態物體中自然形成或人為製造的複數空腔，且各空腔之間互不連通；開孔結構(opened cell structure)係指於固態物體中自然形成或人為製造的複數空腔，且各空腔之間互相連通，並與外界連通。除非特別指明，否則本說明書中所述之「具有閉孔結構之材料」，不排除閉孔結構和開孔結構同時存在之材料。「閉孔率」(percentage of close area)係指材料中閉孔的體積與材料外觀體積之比(%)。

集音件120具有接觸傳聲件110及連接音源接收裝置130的二端部，能將傳聲件110中的聲波傳送到音源接收裝置130。依照本發明之實施例，集音件120可具有相對傳聲件110而言較窄的直徑，減少聲波傳播時的擴散，而能有效地傳送到音源接收裝置130。

音源接收裝置130具有感測元件連接集音件120以接收傳聲件110傳播之聲波，達到偵測生理訊號之目的。依照本實施方式之一實施例，音源接收裝置130更進一步連接一訊號處理裝置，將該感測元件接收之聲波轉換為電子訊號。其中，於軟質訊號傳遞結構中所產生之不同的擠壓碰撞狀態傳遞至感測元件後，因不同的震動驅動內部感測電阻產生電壓訊號，經微處理器進行特定時間範圍的統計與封包儲存後，再經網路訊號發送比對之。

傳聲件110上具有凹緣140，可經由車縫、熱壓、黏貼等方式將傳聲件110緊固地附加於生理訊號感測裝置產品之本體上、或使傳聲件表面被覆之織物、塑料薄層等緊密附著於其上、或產生裝飾效果、增加平坦度及提升舒適感等作用。

請配合參照第2圖及第3圖，第2圖為本實施例之生理訊號感測裝置之分解圖；第3圖為本實施例之生理訊號感測裝置之剖面圖。

在本實施例中，傳聲件110上設有二個第一集音部分121，其中如第3圖所示，二個第一集音部分121包含第一端部122分別獨立地接觸傳聲件110之表面，第二端部123固設於一底板136上，底板136固設於傳聲件110，第二端部123具有一連接部124與連接段125的連接口127a連接。

第一集音部分121中間開設有貫孔。第一集音部分121與傳聲件110接觸部分的面積略大於第一集音部分121的管壁橫切面的面積。此外，傳聲件110表面被覆有覆層115，第一集音部分121穿過覆層115直接與傳聲件110接觸。依照本發明之實施例，覆層115可包含織物、植絨或高分子薄層，例如熱塑性聚胺基甲酸酯(Thermoplastic polyurethane；TPU)，用以保護傳聲件110的高分子發泡材料或天然多孔材料，增加其耐用度。

第二集音部分126則包含連接口128a及連接口128b各別地與連接段125的連接口127b連接。音源接收裝置具有一接收端132，與第二集音部分126連接，音源接收裝置130的感測元件連接接收端132以接收傳聲件110傳播之聲波。在本實施例中，音源接收裝置130固設於底板136上，上蓋134與底板136蓋合以容置保護音源接收裝置130及集音件120之一部分。

根據本發明之實施例，傳聲件110可為具有10-100%之閉孔率之高分子材料天然多孔材料，例如可為具有30-90%閉孔率之發泡材料。根據本發明之一或多個實施例，高分子發泡材料之密度為15-200kg/^cm³，本實施例中，高分子發泡材料之密度為25-50kg/^cm³。

其中，高分子發泡材料包含異氰酸酯類或異硫氰酸酯類之聚合生成物。高分子發泡材料可包含乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene vinyl acetate；EVA)、光交聯聚乙烯(irradiation cross-linked polyethylene；IXPE)、交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene；XPE)、氯丁橡膠(Chloroprene Rubber；CR)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene butadiene rubber；SBR)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride；PVC)、乙烯-丙烯三元橡膠(Ethylene propylene terpolymer rubber；EPDM)、聚乙烯化合物(Polyethylene foam；EPE)、丙烯腈丁二烯橡膠(Acrylonitrile Butadiene rubber；NBR)或聚氨酯(Polyurethane；PU)、其任意組合。天然多孔材料可為海棉、軟木、椰棕絲、竹炭、木炭、矽藻土、珊瑚、上述任意組合或其任意組合之堆積體。

依照本發明之一實施方式，閉孔結構係由一複合材料所界定，該複合材料為含有複數不連續之多孔粒子或碎片的連續高分子發泡體，例如再生泡棉，係由泡綿下腳料經粉碎、攪拌膠水並蒸汽高溫消毒壓縮成型之，亦可適用。

依照本發明之另一實施方式，閉孔結構係由一纖維材料所界定，包含植物纖維、棉纖維、石棉纖維、玻璃纖維、塑料纖維、導電纖維或其任意組合，由平直的、起皺的、擰絞的、卷曲的、氈合的或捻合之該或該些纖維材料以交錯、交織或堆疊之型態組成之一材料片，以具有空穴或內部空隙之排列方式所界定。

請參照第4圖，為本發明一實施例之生理訊號感測裝置之使用情境示意圖。生理訊號感測裝置400具有傳聲件410及音源接收裝置420。在本實施例中，生理訊號感測裝置400可平放於床上或設置於椅背等位置，當使用者躺臥床上或倚靠於椅背時，可藉由接觸到胸腔周圍區域來偵測心音或呼吸音，因此可於使用者休息、睡眠、開車使用，即時偵測生理狀況之變化。

此外，本發明實施例之生理訊號感測裝置亦可為一束帶形式或安置於一貼身物件，例如將生理訊號感測裝置設計為頭圈、手環、胸針、護踝、束腹、束胸或腰帶等，直接穿戴使用；或與頭圈、手環、胸針、護踝、束腹、束胸、腰帶或安全帶可拆卸地結合，應用在多種使用情境，例如日常生活、運動、胎音偵測、開車等。

根據本發明之一實施方式，生理訊號感測裝置更進一步連接一訊號處理裝置，可將感測元件接收之聲波轉換為電子訊號，經由處理器將收到的數位訊號進行轉譯，以辨識區別生理訊號與雜訊，並經過有線過無線方式進行資料傳輸，將收集到的資訊判別、分析及儲存，可進行緊急警示、即時的醫療措施決策或紀錄使用者的長期生理狀態，做為長期評估之用。

例如，當生理訊號感測裝置偵測到的訊號被判定為異常狀況時，可發送緊急警示給使用者本人(例如開車中的司機)、其監護者(在外的家人、指定聯絡人、醫療院所、急救中心、保全中心、社區物業管理中心等)，亦可透過與遠端伺服器的連接，即時發送使用者所在位置的資訊，以利監護者進行即時的醫療措施決策。上述的「異常狀況」，包括但不僅限於：至少其中一種即時偵測之生理徵象數值高於或低於預設正常值誤差範圍之外(表示可能有即將發生的急性健康或事故危險)、全部的即時偵測之生理徵象均同時消失(表示使用者可能離床、跌落或偵測裝置被移除)...等。以下舉例說明本發明之訊號辨識方式及其應用範疇，應理解的是，本發明之應用範疇不以下述情況為限。

本發明之感測裝置透過監測心跳與呼吸訊號進行使用者動作狀態之判斷方法，是藉由將睡眠過程會出現之剛臥床、入眠、呼吸中止、手枕睡、左/右側睡、趴睡、坐起、離床等狀態記錄並列入個別睡眠過程事件之記錄統計資料中，作為判別之資料庫之用。例如當使用者夜間入睡後生理數據呈現趨緩穩定狀態，當使用者即將甦醒時所監測的生理數據波動將會加劇，此時將判定即將甦醒之狀態。當被使用者欲起身時，監測訊號將呈現呼吸訊號微弱或趨近於0之狀態，此時將判定為準備離床狀態。而當被監測者實際已離床後，由於感測傳遞結構無法因接觸而產生訊號，故心跳與呼吸數據皆為0，藉此能分辨使用者處於臥床、睡眠中、甦醒或離床狀態，以即時監控其安全。

本發明可應用於預防醫學，包括針對被監測者心跳、呼吸訊號之頻率狀態、訊號落差幅度、訊號波形、異常趨勢與時間軸線及歷史資料等與呼吸道/心臟等慢性疾病臨床實際紀錄之累計數據變化所產生之各類參數進行匹配。若數據匹配達一定比例相似度時系統將發送訊息提醒照護者注意。此外當監測設備持續記錄生理數據狀態持續至預設之提醒時間範圍後，網路分析單元將會以發送提醒訊息/聲音/影像/亮光等方式提示照護者及使用者。本發明之感測裝置具有主動優化之回報機制。例如當生理訊號經微處理器儲存某時間範圍內所累積之訊號封包後，系統可將訊號封包傳遞至一網路分析單元進行比對，當回傳數據筆數與網路分析單元記載之分析比數有所落差，系統將以實際回傳之數據數量進行換算。而實際落差之次數將記載於網路分析單元中，若發生頻率超過設定限制狀態，則網路分析單元將自動發送監測設備故障訊息。

綜上所述，本發明實施例之生理訊號感測裝置利用具有閉孔結構的軟質傳聲件構成軟質訊號傳遞結構，當其與使用者的身體接觸時，能將心音、呼吸音或臟器音等微動狀態能在軟質訊號結構內部產生微小的擠壓，透過此擠壓導致聲波震動產生聲共振效應，並有效使振動的空氣量增加，再透過音源感應器接收、搭配訊號的處理與辨識，達到不需於接觸點使用數位晶片、壓力感測器、微動感測器...等、電子裝置，即可達到準確偵測、紀錄、分析生理現象的效果，因此製成貼身裝置不僅能直接水洗、電子零件亦不會直接接觸人體外，在結構的創新上、量測的精準度、加工方式簡易化、製造成本的降低等方面有極大優勢。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧生理訊號感測裝置

110‧‧‧傳聲件

120‧‧‧集音件

130‧‧‧音源接收裝置

140‧‧‧凹緣

Claims

一種生理訊號感測裝置，包含：一傳聲件，包含複數個獨立不相互連通之閉孔結構；一集音件，包含：一第一端部，接觸該傳聲件之一表面；以及一貫孔，自該第一端部延伸至一第二端部；以及一音源接收裝置，包含：一接收端，連接該集音件的該第二端部；以及一感測元件，連接該接收端以接收該傳聲件傳播之聲波。
如請求項1所述之生理訊號感測裝置，其中該集音件包含至少一第一集音部分及一第二集音部分，該或該些第一集音的該第一端部獨立地接觸該傳聲件之至少一表面，該第二集音包含複數接口各別地連接該些第一集音部分之該第二端部。
如請求項1所述之生理訊號感測裝置，更包含至少一覆層被覆於該傳聲件與該第一端部接觸之該表面，該覆層包含織物、植絨或高分子薄層。
如請求項1所述之生理訊號感測裝置，更包含連接一訊號處理裝置，將該感測元件接收之聲波轉換為電子訊號。
如請求項1所述之生理訊號感測裝置，其中該些閉孔結構係由一高分子發泡材料或一天然多孔材料所界定，該高分子發泡材料或該天然多孔材料具有10-100%之閉孔率。
如請求項5所述之生理訊號感測裝置，其中該高分子發泡材料之密度為15-200kg/cm³。
如請求項5所述之生理訊號感測裝置，其中該高分子發泡材料之密度為25-50kg/cm³。
如請求項5所述之生理訊號感測裝置，其中該高分子發泡材料包含乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene vinyl acetate；EVA)、光交聯聚乙烯(irradiation cross-linked polyethylene；IXPE)、交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene；XPE)、氯丁橡膠(Chloroprene Rubber；CR)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene butadiene rubber；SBR)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride；PVC)、乙烯-丙烯三元橡膠(Ethylene propylene terpolymer rubber；EPDM)、聚乙烯化合物(Polyethylene foam；EPE)、丙烯腈丁二烯橡膠(Acrylonitrile Butadiene rubber；NBR)或聚氨酯(Polyurethane；PU)或其任意組合。
如請求項1所述之生理訊號感測裝置，其中該些閉孔結構係由一複合材料所界定，該複合材料為含有複數不連續之多孔粒子或碎片的連續高分子發泡體。
如請求項1所述之生理訊號感測裝置，其中該些閉孔結構係由一纖維材料所界定，包含纖維素、棉纖維、石棉纖維、玻璃纖維、塑料纖維、導電纖維或其任意組合，由平直的、起皺的、擰絞的、卷曲的、氈合的或捻合之該或該些纖維材料以交錯、交織或堆疊之型態組成之一材料片，以具有空穴或內部空隙之排列方式所界定。