TWI785722B - 呼吸感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明為一種呼吸感測裝置，其包含一感測墊、複數覆蓋面積感測結構與一訊號處理器，其中該複數覆蓋面積感測結構設置於該感測墊上，當一使用者躺臥在該感測墊上時，該複數覆蓋面積感測結構分別感測到的複數覆蓋率訊號，會隨著該使用者因呼吸所致的身形輪廓形變而產生一週期性變化，該訊號處理器電性連接該複數覆蓋面積感測結構以取得該複數覆蓋率訊號，該訊號處理器依據一訊號演算法，從該覆蓋率訊號的波形上計算獲得該使用者的吸氣、呼氣、休息期的時間與比例及呼吸的深淺資訊。

Description

呼吸感測裝置

本發明相關於呼吸感測，尤其關於一種呼吸感測裝置。

呼吸是人體生命跡象的重要表徵，對於病毒(如COVID-19)引起的肺部感染與浸潤、長期臥床的病患、具有高血壓、高血脂等慢性病的中老年人，長時間的監測呼吸，可以察覺病情的變化，進行預防性的處理，或是在緊急狀況時，第一時間進行緊急處置。

依據國家網路醫藥的健康新聞(https://hospital. kingnet.com.tw /service.php?mob=modload&name=diyonline&file=3-2)所載：呼吸的過程包含，快速吸氣─稍緩─短暫歇─長呼吸─長停歇，接著下一次的呼吸。臨床上評估呼吸狀況除了直接觀察胸部的起伏，還會透過評估呼吸動作的速度(吸氣：呼氣：休息期的時間比大約是1：1.5：1秒，規則且順暢)、深淺(一般以呼吸時動作的大小及進出呼吸道氣流量的多寡作粗略評估無法以數值表示)、節律及難易程度，來診斷被評估者是否有呼吸過速(呼吸深度不變而次數多於每分鐘24次以上)、呼吸遲緩(呼吸深度不變而呼吸次數少於每分鐘8次以下)、呼吸過度(呼吸次數正常而深度加大時，每分鐘換氣量增加)、呼吸減弱(呼吸次數不變深度變淺)、換氣過度(呼吸過度且呼吸過速)、換氣不足(呼吸遲緩且呼吸減弱，有休息期特別延長的現象)或其他特殊呼吸(呼吸持續性深淺變化或有較長暫停呼吸)。

而習知感測呼吸的方式，如美國公告第US06478747B1號「Method and device to sense breathing」所揭露，為讓使用者配戴呼吸傳感器於鼻腔位置，以直接感測使用者呼吸的氣流。然而，其僅適用於急症患者，長期使用下，由於呼吸器會伸入使用者的口鼻，除了使用者的口鼻容易感到不適，長時間固定於口鼻位置，經常會導致患者發生臉部壓傷(褥瘡)，並提高感染的風險。

如美國公告第US08663126B1號所揭露「Wearable acoustic device for monitoring breathing sounds」，其揭露一種穿戴式的呼吸感測器，為讓使用者直接穿戴於胸腔位置，以感測呼吸時的胸擴，而得知使用者的呼吸。相較於口鼻式的呼吸感測器，其更適用於慢性病患者於居家時使用。然而，此種使用方式，需要束住使用者的胸腔，會讓使用者有束縛感而感到不適，除了會影響睡眠時的品質，長時間穿戴也可能導致使用者發生壓傷(褥瘡)。

如美國公告第US11013415B2號所揭露「Hydraulic bed sensor and system for non-invasive monitoring of physiological data」，其揭露一種透過液體傳遞振動的液壓臥床感測器，該感測器分成接收使用者心跳與呼吸振動的液體振動傳遞模組與量測液體振動傳遞模組內因為振動所產生壓力變化的壓力感測模組二部分，安裝於床墊下以非侵入性的方式，感測躺臥於床墊上之使用者的心跳與呼吸振動所產生的振動訊號。並透過訊號處理解析所量測到的振動訊號的頻率，以取得使用者的心跳與呼吸頻率，使用者無需配戴任何儀器，而沒有影響睡眠品質的問題。

然而，液壓臥床傳感器僅透過一個液體振動傳遞模組收集使用者因為心跳與呼吸產生的振動訊號，事實上該模組不僅取得使用著的心跳與呼吸產生的振動訊號，而且還夾雜環境中各種的振動雜訊，包括各種與人類呼吸與心跳頻率屬於同一範圍的各種振動，經過繁瑣的訊號處理技術解析出所有振動訊號的頻率後，還要再判斷何者為使用者的心跳與呼吸頻率，因此很容易受到各種與人類呼吸與心跳頻率屬於同一範圍的各種振動雜訊的干擾而失真。雖然具有免穿戴的優點，但僅能估算呼吸頻率，而欠缺了呼吸動作的速度與深淺資訊，將無法應用於評估呼吸。

爰此，本發明的主要目的，在於揭露一種呼吸感測裝置，其不須穿戴，且可以量測吸氣、呼氣、休息期的時間與比例及呼吸的深淺資訊，不受外在環境的振動雜訊的干擾，可降低訊號處理的難度而避免量測失真的問題。

為達上述目的，本發明為一種呼吸感測裝置，裝設於一使用者躺臥的一床墊上(內)，用於感測該使用者覆蓋該床墊的一面積變化，該面積變化是來自於該使用者呼吸時所產生的一體腔體積變化，該體腔體積變化直接反應了呼吸動作的速度與深淺，因此偵測該體腔體積變化等同於偵測呼吸動作的速度與深淺資訊，經過訊號處理即可獲得吸氣、呼氣、休息期的時間與比例，更可獲得常見的呼吸頻率。該呼吸感測裝置包含一感測墊、複數覆蓋面積感測結構與一訊號處理器，其中該感測墊具有一表面層與一支撐墊體，該表面層供該使用者躺臥，而該支撐墊體則位於該表面層下方。該複數覆蓋面積感測結構設置於該支撐墊體上，該複數覆蓋面積感測結構分別感測該面積變化而產生複數覆蓋率訊號，當該使用者躺臥在該感測墊的該表面層上時，部分的該複數覆蓋面積感測結構分別感測到的該覆蓋率訊號會隨著該使用者因呼吸所致的身形輪廓的形變而產生一週期性變化，這是因為該使用者的身形輪廓於該表面層的體腔覆蓋面積共有三種，第一種是位於使用者身旁，使用者在呼吸過程完全不會覆蓋到，第二種是位於使用者正下方，呼吸的過程皆會100%覆蓋，第三種則是位於第一種與第二種的中間會隨著該使用者因呼吸所致的身形輪廓的形變而產生週期性變化。該訊號處理器電性連接該複數覆蓋面積感測結構以取得該複數覆蓋率訊號，該訊號處理器依據一訊號演算法，先判斷具有該週期性變化的該複數覆蓋率訊號，並依據具有該週期性變化的該複數覆蓋率訊號中，訊號品質最佳的一個做為基礎，從做為基礎的該覆蓋率訊號的波形上計算獲得該使用者的吸氣、呼氣、休息期的時間與比例及呼吸的深淺資訊。

如上所述，本發明的呼吸感測裝置，該使用者無需配戴儀器，只要躺臥於該感測墊上即可量測該使用者的吸氣、呼氣、休息期的時間與比例及呼吸的深淺資訊，即可獲得常見的呼吸頻率。且本發明為量測該使用者因呼吸所致的身形輪廓的形變的週期性變化，沒有外在環境振動雜訊的干擾問題，可降低訊號處理的難度而避免量測失真的問題。。

有關本發明技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱「圖1」與「圖2」所示，本發明為一種呼吸感測裝置，用於感測一使用者A的呼吸動作的速度與深淺資訊，其包含一感測墊10、複數覆蓋面積感測結構20A與一訊號處理器30，其中該感測墊10具有一表面層11與一支撐墊體12，該表面層11供該使用者A躺臥，而該支撐墊體12則位於該表面層11下方。該複數覆蓋面積感測結構20A設置於該支撐墊體12上，在實際結構上該複數覆蓋面積感測結構20A可以藏設於該支撐墊體12的結構內，且較佳的，相鄰的二個該複數覆蓋面積感測結構20A之間具有一與該使用者A的身形輪廓非平行的間隙21。而該複數覆蓋面積感測結構20A可以為接觸式感測器且為選自電容式壓力感測器、電阻式壓力感測器、光學式壓力感測器與溫度感測器的任一種，或者是非接觸式感測器且為選自光學式遮斷感測器、電容式近接感測器、霍爾元件感測器與光學式溫度感測器的任一種。據此該複數覆蓋面積感測結構20A分別感測該表面層11的被覆蓋率面積而產生複數覆蓋率訊號。

請再一併參閱「圖3A」與「圖3B」所示，該使用者A與冠狀切面A1的交集為輪廓A3。該使用者A在呼吸時，該使用者A的輪廓A3會隨著呼吸而產生形變而轉變為輪廓A3’， 輪廓A3形變較明顯的區域是胸腔與腹腔位置，因此當該使用者A躺臥在該感測墊10的該表面層11上時，該複數覆蓋面積感測結構20A分別會感測到該複數覆蓋率訊號，大致可分成四種，第一種：部分的覆蓋面積感測結構20A由於會被完全覆蓋而輸出飽和的數值；第二種：部分的覆蓋面積感測結構20A沒有被覆蓋而輸出0的數值(全部沒被覆蓋)；第三種：部分的覆蓋面積感測結構20A被不會因呼吸產生輪廓形變的部位所遮蔽，如手臂，將輸出一個固定的數值；第四種：處於邊緣部分的覆蓋面積感測結構20A’(請參見圖3B)，會隨著該使用者A呼吸而由輪廓A3形變為輪廓A3’所致的週期性變化，產生具有週期性的覆蓋率變化數值輸出。

若鄰近的該覆蓋面積感測結構20A具有平面上的交疊特性，如為菱形設計、非直線的形狀等等。亦即相鄰的二個該複數覆蓋面積感測結構之間的該間隙，為與該使用者的身形輪廓非平行(如圖3B所示)，當使用者A因呼吸所致的輪廓A3形變為輪廓A3’的變化較小時，該複數覆蓋面積感測結構20A’仍然至少會有一個仍然能夠偵測到具有面積覆蓋變化的訊號。

請再一併參閱「圖4」所示，該訊號處理器30電性連接該複數覆蓋面積感測結構20A以取得該複數覆蓋率訊號，該訊號處理器30依據一訊號演算法計算出具有週期性數值變化的該複數覆蓋率訊號，且進一步分析出數值變化最大的該覆蓋率訊號S的吸氣時間I、呼氣時間E、呼吸深淺D與周期P(如圖4所示)，並換算該使用者A的呼吸頻率。

請參閱「圖5」所示，為本發明呼吸感測裝置的另一實施結構，其中該複數覆蓋面積感測結構20A為陣列排列且上下相鄰的該複數覆蓋面積感測結構20A之間為交錯設置，如此，當該使用者A的輪廓A3隨著呼吸產生形變為轉變為輪廓A3’時，處於邊緣部分的覆蓋面積感測結構20A’，產生具有週期性的覆蓋率變化數值輸出。

請參閱「圖6」所示，為本發明呼吸感測裝置的再一實施結構剖視示意圖，複數覆蓋面積感測結構20B為接觸式感測器且為多層疊置結構，分為一上層組H與一下層組L，且該上層組H的該複數覆蓋面積感測結構20B與該下層組L的該複數覆蓋面積感測結構20B為上下重覆疊置設置。且於一實施例中，該上層組H的該複數覆蓋面積感測結構20B與該下層組L的該複數覆蓋面積感測結構20B可以為垂直交錯疊置。在此配置下，使用者A的胸腔斷面A4、A4’會隨著呼吸而變化而改變該表面層11的被覆蓋率，該複數覆蓋面積感測結構20B可以分別感測該表面層11的被覆蓋率而產生複數覆蓋率訊號。

請再一併參閱「圖7」所示，在一實施例中，該支撐墊體12包含一上層墊體121與一下層墊體122，該上層墊體121與該下層墊體122分別具有複數網格結構123，該複數網格結構123可以讓該上層墊體121與該下層墊體122之間維持一定的間隙(圖未示)，該複數覆蓋面積感測結構20B具有菱形的外型，實際設置方式，為讓該上層組H的該複數覆蓋面積感測結構20B設置於該上層墊體121，該下層組L的該複數覆蓋面積感測結構20B設置於該下層墊體122，並該複數覆蓋面積感測結構20B使用複數線路23電性連接至該訊號處理器30，而該下層組L的該複數覆蓋面積感測結構20B則使用共同的共線路24電性連接至該訊號處理器30。如圖7所示，該上層墊體121與該下層墊體122為展開狀，當該上層墊體121與該下層墊體122上下重疊後，該複數覆蓋面積感測結構20B即可以分別感測該表面層11的被覆蓋率而產生複數覆蓋率訊號。

請參閱「圖8」所示，為本發明呼吸感測裝置的覆蓋面積感測結構的實施結構示意圖，該複數覆蓋面積感測結構20C為非接觸式感測器且為選自光學式遮斷感測器、電容式近接感測器、霍爾元件感測器與光學式溫度感測器的任一種。於此實施例中，該複數覆蓋面積感測結構20C分別具有一形成於該表面層11的感應區22，且該複數感應區22具有廣角的感測範圍，使得該複數覆蓋面積感測結構20C形成於該表面層11的該複數感應區為重覆疊置，並無感測空隙。在此設計下，該複數覆蓋面積感測結構20C亦可以分別感測該表面層11的被覆蓋率而產生複數覆蓋率訊號。

如上所述，本發明相較習知的優點在於：

1.該使用者無需配戴或穿戴儀器，只要躺臥於該感測墊上即可量測呼吸動作，無論正躺、側躺或趴睡都能量測。

2.量測該使用者因呼吸所致的身形輪廓形變的週期性數值變化，沒有外在環境振動雜訊的干擾問題，可降低訊號處理的難度而避免量測失真的問題。

3.不只能量測到呼吸頻率，還可以量測到呼吸動作的時間、速度與深淺資訊，有效做為臨床呼吸評估之用。

D:呼吸深淺 I:吸氣時間 E:呼氣時間 P:周期 A:使用者 A1:冠狀切面 A3、A3’:輪廓 A4、A4’:胸腔斷面 H:上層組 L:下層組 S:覆蓋率訊號 10:感測墊 11:表面層 12:支撐墊體 121:上層墊體 122:下層墊體 123:網格結構 20A、20A’、20B、20C:覆蓋面積感測結構 21:間隙 22:感應區 23:線路 24:共線路 30:訊號處理器

圖1，為本發明呼吸感測裝置的結構俯視示意圖。 圖2，為本發明使用者的冠狀切面示意圖。 圖3A，為本發明量測使用者呼吸的示意圖。 圖3B，為本發明使用者的輪廓形變示意圖。 圖4，為本發明週期性數值變化最大的周期頻率示意圖。 圖5，為本發明呼吸感測裝置的另一實施例的俯視示意圖。 圖6，為本發明呼吸感測裝置的再一實施例的剖視示意圖。 圖7，為本發明呼吸感測裝置的又一實施例的實施結構圖。 圖8，為本發明呼吸感測裝置的覆蓋面積感測結構的實施結構示意圖。

10:感測墊

11:表面層

12:支撐墊體

20A:覆蓋面積感測結構

21:間隙

30:訊號處理器

Claims (8)

1. 一種呼吸感測裝置，裝設於一使用者躺臥的一床墊上，用於感測該使用者覆蓋該床墊的一面積變化，其包含： 一感測墊，該感測墊具有一供該使用者躺臥的表面層與位於該表面層下方的一支撐墊體； 複數覆蓋面積感測結構，該複數覆蓋面積感測結構設置於該支撐墊體上，該複數覆蓋面積感測結構分別感測該面積變化而產生複數覆蓋率信號，且部分的該複數覆蓋面積感測結構分別感測到的該覆蓋率信號會隨著該使用者因呼吸所致的身形輪廓的形變而產生一週期性變化；以及 一訊號處理器，該訊號處理器電性連接該複數覆蓋面積感測結構以取得該複數覆蓋率訊號，該訊號處理器依據一訊號演算法，先判斷具有該週期性變化的該複數覆蓋率訊號，並依據具有該週期性變化的該複數覆蓋率訊號中，訊號品質最佳的一個做為基礎，從做為基礎的該覆蓋率訊號的波形上計算獲得該使用者的吸氣、呼氣、休息期的時間與比例及呼吸的深淺資訊。
2. 如請求項1所述的呼吸感測裝置，其中該複數覆蓋面積感測結構為接觸式感測器且為選自電容式壓力感測器、電阻式壓力感測器、光學式壓力感測器與溫度感測器的任一種。
3. 如請求項1所述的呼吸感測裝置，其中相鄰的二個該複數覆蓋面積感測結構之間具有一與該使用者的身形輪廓非平行的間隙。
4. 如請求項1所述的呼吸感測裝置，其中該複數覆蓋面積感測結構為陣列排列且上下相鄰的該複數覆蓋面積感測結構之間為交錯設置。
5. 如請求項1所述的呼吸感測裝置，其中該複數覆蓋面積感測結構依據設置高度而分為一上層組與一下層組，且該上層組的該複數覆蓋面積感測結構與該下層組的該複數覆蓋面積感測結構為垂直交錯疊置。
6. 如請求項5所述的呼吸感測裝置，其中該支撐墊體包含一上層墊體與一下層墊體，其中該上層組的該複數覆蓋面積感測結構設置於該上層墊體，該下層組的該複數覆蓋面積感測結構設置於該下層墊體。
7. 如請求項1所述的呼吸感測裝置，其中該複數覆蓋面積感測結構為非接觸式感測器且為選自光學式遮斷感測器、電容式近接感測器、霍爾元件感測器與光學式溫度感測器的任一種。
8. 如請求項7所述的呼吸感測裝置，其中該複數覆蓋面積感測結構分別具有一形成於該表面層的感應區，且該複數感應區為重覆疊置。

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