TWI495451B - 非接觸式生理信號感測系統與其感測方法 - Google Patents
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Description
本揭露是有關於一種非接觸式生理信號感測系統與其感測方法。
近幾年，隨著物質生活的提升，人們對於健康愈為關心。由於大多數民眾容易忽略身體所發出的警訊。因此，目前已有各式各樣的生理信號量測器材，以監視受測者生理信號，以查覺其健康狀況。
目前有接觸式生理信號感測系統與非接觸式生理信號感測系統。接觸式生理信號感測系統透過接觸人體的方式來進行量測，其電路組成簡單，但若長時間使用會造成受測者的不適。
相較於接觸式生理信號感測系統，非接觸式生理信號感測系統可降低受測者在感測過程中的不適，同時也不受場地的限制，故可應用於醫療照顧或是生理監控上。
故而，本案提出一種非接觸式生理信號感測系統，其抵銷感測期間的受測者身體移動干擾。
本揭露實施例係有關於一種非接觸式生理信號感測系統，其利用自我注入鎖定現象來偵測生理信號，並利用相互注入鎖定現象抵銷身體移動干擾。
根據本案之一示範性實施例，提出一種非接觸式生理信號感測系統，包括：一生理信號感測模組與至少一身體移動干擾抵銷模組。生理信號感測模組感測一受測者之一
生理信號，包括：一第一天線，發射一第一發射無線信號至該受測者，並接收由該受測者所反射之一第一反射無線信號；一第一壓控振盪器，直接連接至該第一天線，輸出該第一發射無線信號至該第一天線，並經由該第一天線而接收該第一反射無線信號，以使得該生理信號感測模組處於一自我注入鎖定；一頻率解調單元，耦合至該第一壓控振盪器，解調該第一壓控振盪器之一頻率變化；以及一信號處理單元，耦合至該頻率解調單元與該第一壓控振盪器，根據該第一壓控振盪器之該頻率變化而分析出該受測者之該生理信號，並決定該第一壓控振盪器之一第一振盪頻率。身體移動干擾抵銷模組無線耦合於該生理信號感測模組，抵銷該受測者之一身體移動信號。身體移動干擾抵銷模組包括：一第二天線，發射一第二發射無線信號至該受測者，並接收由該受測者所反射之一第二反射無線信號；以及一第二壓控振盪器，直接連接至該第二天線，輸出該第二發射無線信號至該第二天線，並經由該第二天線而接收該第二反射無線信號，以使得該至少一身體移動干擾抵銷模組處於該自我注入鎖定。該第一天線發射該第一發射無線信號至該至少一身體移動干擾抵銷模組之該第二天線，且該第一發射無線信號經由該第二天線而被該第二壓控振盪器所接收。該第二天線發射該第二發射無線信號至該生理信號感測模組之該第一天線，且該第二發射無線信號經由該第一天線而被該第一壓控振盪器所接收。如此使得該生理信號感測模組與該至少一身體移動干擾抵銷模組之間達成一相互注入鎖定。
根據本案之另一示範性實施例，提出一種非接觸式生理信號感測方法，包括：一生理信號感測模組發射一第一發射無線信號至一受測者，並接收由該受測者所反射之一第一反射無線信號，使得一第一壓控振盪器處於一自我注入鎖定；一身體移動干擾抵銷模組，用以抵銷該受測者之一身體移動信號，發射一第二發射無線信號至該受測者，並接收由該受測者所反射之一第二反射無線信號，使得一第二壓控振盪器處於該自我注入鎖定；以及該生理信號感測模組接收該第二發射無線信號，該身體移動干擾抵銷模組接收該第一發射無線信號，使得該第一壓控振盪器與該第二壓控振盪器之間達成一相互注入鎖定。
為了對本案之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施範例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本案數個實施例揭露非接觸式生理信號感測系統。其運作原理係可利用無線電波受到受測者生理信號(比如呼吸與心跳等)之擾動所產生之都普勒效應，使無線電波信號之頻率變化對應於受測者生理信號。
於本案數個實施例中，利用個別壓控振盪器(VCO)之自我注入鎖定(self injection locking,SIL)，使壓控振盪器追蹤產生都普勒效應之電波信號，以偵測受測者之生理信號。並經由兩個或多個壓控振盪器間之相互注入鎖定(mutual injection locking,MIL)現象，抵銷受測者在感測期間之身體移動(可能是身體隨機移動或身體規律移動)所引起的干擾。在感測時，受測者的身體移動會產生額外的
都卜勒位移，如果無法抵銷身體移動資訊的話，原則上，將導致感測結果正確率的降低。
於一些本案實施例中，經由頻率解調電路(frequency demodulator)將受測者生理信號的頻率變化解調為電壓信號，最後將此信號經信號處理單元處理以取得呼吸與心跳等生理信號。
於一些本案實施例中，非接觸式生理信號感測系統包括生理信號感測模組與一個或多個身體移動干擾抵銷模組所組成。生理信號感測模組與一個或多個身體移動干擾抵銷模組皆操作在自我注入鎖定狀態下，可得到同向性的生理信號與反向性的身體移動信號。
請參閱第1A圖與第1B圖，其顯示本案之非接觸式生理信號感測系統100與100’之系統實施例方塊圖。非接觸式生理信號感測系統100包含生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B。生理信號感測模組100A包括：天線10、壓控振盪器20、頻率解調單元30與信號處理單元40。身體移動干擾抵銷模組100B包括：天線50與壓控振盪器60。非接觸式生理信號感測系統100’包括生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B’。非接觸式生理信號感測系統100’的身體移動干擾抵銷模組100B’更包括：頻率控制單元70。
天線10係電性連接至壓控振盪器20之輸出埠，將壓控振盪器20之輸出信號朝受測者(比如，朝向受測者正面之心臟部份)發射。反射信號由天線10接收後，使生理信號感測模組100A操作在自我注入鎖定狀態。由於都卜
勒效應的關係，由天線10射至受測者之發射信號之頻率不同於由受測者反射之反射信號之頻率。
生理信號感測模組100A之壓控振盪器20之振盪頻率由信號處理單元40所決定。壓控振盪器20經由同一天線10來輸出與接收信號，如此以使得壓控振盪器20處於自我注入鎖定狀態。亦即，壓控振盪器20之輸出信號經由天線10而發射出去，且天線10所接收之信號則輸入至壓控振盪器20，如此以使得壓控振盪器20處於自我注入鎖定狀態。在本案中，「壓控振盪器20處於自我注入鎖定狀態」之意思相同於「生理信號感測模組100A處於自我注入鎖定狀態」。
生理信號感測模組100A之壓控振盪器20的輸出埠電性連接頻率解調單元30之輸入埠。頻率解調單元30將壓控振盪器20之頻率變化解調為電壓信號。頻率解調單元30之輸出埠電性連接至信號處理單元40之輸入埠。經過解調後的信號可由信號處理單元40進行處理(比如但不受限於數位濾波及傅立葉轉換)，以得到呼吸及心跳之時域波形與頻率。
信號處理單元40之輸出埠係電性連接至壓控振盪器20之電壓輸入埠，以決定壓控振盪器20之振盪頻率。
天線50係電性連接至壓控振盪器60之輸出埠，將壓控振盪器60之輸出信號朝受測者(比如朝向受測者背面之心臟部份)發射，反射信號由天線50接收後，使身體移動干擾抵銷模組100B/100B’操作在自我注入鎖定狀態。由於都卜勒效應的關係，由天線50射至受測者之發射信號
之頻率不同於由受測者反射之反射信號之頻率。
身體移動干擾抵銷模組100B’之壓控振盪器60之振盪頻率比如由頻率控制單元70所決定。壓控振盪器60經由同一天線50來輸出與接收信號，如此以使得壓控振盪器60處於自我注入鎖定狀態。亦即，壓控振盪器60之輸出信號經由天線50而發射出去，且天線50所接收之信號則輸入至壓控振盪器60，如此以使得壓控振盪器60處於自我注入鎖定狀態。在本說明書中，「壓控振盪器60處於自我注入鎖定狀態」之意思相同於「身體移動干擾抵銷模組100B/100B’處於自我注入鎖定狀態」。
壓控振盪器20之輸出信號會經由天線10而送至天線50，以被壓控振盪器60所接收；相同地，壓控振盪器60之輸出信號會經由天線50而送至天線10，以被壓控振盪器20所接收，如此使得壓控振盪器20與60之間完成相互注入鎖定狀態。在本說明書中，「壓控振盪器20與60之間完成相互注入鎖定狀態」之意思相同於「生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’之間完成相互注入鎖定狀態。」
在身體移動干擾抵銷模組100B’內，頻率控制單元70之輸出埠係電性連接至壓控振盪器60之輸入埠，以決定壓控振盪器60之振盪頻率。在實施例中，壓控振盪器20與60之振盪頻率會相同。
於實施例中，生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’的發射信號亦將為彼此所接收，以產生相互注入鎖定現象。在感測過程中，呼吸與心跳分別
使肺臟與心臟週期性地膨脹收縮，故對生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’而言，生理信號為同向性信號。身體移動為單一方向，故對生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’而言，身體移動信號為反向性信號。
舉例來說，比如，當心臟膨脹時，生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’皆偵測到人體心臟位置向感測模組100A與100B/100B’靠近，此即所謂「生理信號為同向性信號」之意義。又舉例來說，比如當受測者之身體移動乃是朝向生理信號感測模組100A的話，則生理信號感測模組100A會偵測到受測者之身體移動向其靠近，但身體移動干擾抵銷模組100B/100B’則是偵測到受測者之身體移動向其遠離。此即所謂「身體移動信號為反向性信號」之意義。故在實施例中，經由兩感測模組100A與100B/100B’間之相互注入鎖定現象，以抵銷身體移動所產生之干擾。因為身體移動信號對此兩感測模組100A與100B/100B’為反向信號，故可被抵銷。亦即，如果因為此兩感測模組100A與100B/100B’的擺放位置使得身體移動信號對此兩感測模組100A與100B/100B’而言為同向信號的話，則身體移動信號可能無法被抵銷。
另外，在生理感測期間，如果受測者身體移動的話，在受測者的胸腔位置可以感測到呼吸與心跳等生理資訊以及身體移動信號；但在受測者的腹腔位置則僅可觀測到身體移動信號。
第2圖顯示非接觸式生理信號感測系統實施例100’
之示意圖。在本實施例中，頻率解調單元30比如包括：混波器31、延遲單元32與濾波器33。信號處理單元40比如包括：類比/數位轉換器(ADC)41、數位/類比轉換器(DAC)42與數位信號處理器(DSP)43。當知，於本案其他可能實施例中，頻率解調單元30與信號處理單元40可能有其他架構。
天線10電性連接壓控振盪器20之差動信號輸出埠O1，用以發射信號Sout1朝向受測者正面之心臟部份。壓控振盪器20係具有電壓輸入埠V1及差動信號輸出埠O1。在本實施例中，壓控振盪器20輸出兩個差動輸出信號Sout1與Svco1，其中一個差動輸出信號Sout1輸入至天線10，另一個差動輸出信號Svco1則輸入至頻率解調單元30。
在本實施例中，壓控振盪器20產生差動輸出信號Sout1與Svco1的方式可能有多種。比如，在某一種做法下，壓控振盪器20產生單一差動輸出信號，此輸出信號被功率分散器(power divider)分解成差動輸出信號Sout1與Svco1；在此做法下，差動輸出信號Sout1與Svco1彼此相同。在另一個可能做法下，壓控振盪器20直接輸出兩個差動輸出信號Sout1與Svco1，且此兩個差動輸出信號Sout1與Svco1的相位不須相同。
天線50係電性連接壓控振盪器60之信號輸出埠O2，用以發射信號Sout2朝向受測者背面之心臟部份。壓控振盪器60具有電壓輸入埠V2及差動信號輸出埠O2。
在本案實施例中，信號Sinj1由受測者反射信號(比
如，此反射信號由受測者人體正面之心臟位置所反射)，及身體移動干擾抵銷模組100B’發射至生理信號感測模組100A之信號Sout2所組成。信號Sinj1由生理信號感測模組100A之天線10所接收，並電性連接至壓控振盪器20之差動信號輸出埠O1。信號Sinj2由受測者反射信號(比如，此反射信號由受測者人體背面之心臟位置所反射)，及生理信號感測模組100A發射至身體移動干擾抵銷模組100B’之信號Sout1所組成。信號Sinj2由身體移動干擾抵銷模組100B’之天線50所接收，並電性連接至壓控振盪器60之差動信號輸出埠O2。生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B’將同時產生自我注入鎖定現象及相互注入鎖定現象。在本實施例中，呼吸與心跳等生理信號對於生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B’為同向性信號；身體移動信號對於生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組/100B’為反向性信號。
藉由自我注入鎖定現象，生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B’可得到相同之生理資訊，而為反向性信號之身體移動資訊則可藉由相互注入鎖定現象在射頻前端電路進行抵銷。
在本案實施例中，生理信號感測模組100A之頻率解調單元30係電性連接壓控振盪器20之差動信號輸出埠O1之另一端，用以觀察壓控振盪器20之輸出信號Sout1之頻率變化情況。
混波器31係電性連接壓控振盪器20之差動信號輸出埠O1之另一端，以混波差動輸出信號Svco1與延遲單
元32之輸出信號。延遲單元32之兩端分別電性連接混波器31及壓控振盪器20之差動信號輸出埠O1之另一端，以將差動輸出信號Svco1進行延遲後輸入至混波器31。濾波器33，比如為低通濾波器33，係電性連接混波器31之輸出端，將對混波器31之輸出進行濾波(比如濾除其高頻雜訊)。
信號處理單元40係電性連接低通濾波器33之輸出端及壓控振盪器20之電壓輸入埠V1。信號處理單元40輸出類比控制電壓Vt1，其中，類比控制電壓Vt1調整壓控振盪器20之輸出頻率。身體移動干擾抵銷模組100B’之頻率控制單元70係電性連接壓控振盪器60之電壓輸入埠V2。頻率控制單元70輸出類比控制電壓Vt2，類比控制電壓Vt2調整壓控振盪器60之輸出頻率。生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B’具有相同操作頻率，以操作在相互注入鎖定狀態。
類比/數位轉換器41係電性連接頻率解調單元30之輸出端，以將濾波器33之輸出信號進行類比數位轉換。數位/類比轉換器42係電性連接壓控振盪器20之電壓輸入埠V1。數位信號處理器43係電性連接類比/數位轉換器41及數位/類比轉換器42。數位信號處理器43係對類比/數位轉換器41之數位輸出信號進行處理，以產生處理結果(比如受測者的生理信號)。另外，數位信號處理器43會產生數位控制信號給數位/類比轉換器42。數位/類比轉換器42將由數位信號處理器43所產生之數位控制信號進行數位/類比轉換，以產生類比控制電壓Vt1，來控制壓控振
盪器20之振盪頻率。
頻率解調單元30接收壓控振盪器20之差動信號輸出信號Svco1以產生窄頻類比信號Sdemod。類比/數位轉換器41對窄頻類比信號Sdemod進行取樣，由數位信號處理器43對類比/數位轉換器41之取樣結果進行判斷以得到呼吸及心跳的時域波形與頻率。
除了第2圖中的頻率控制單元70與類比控制電壓Vt2外，第2圖中的其餘架構亦可作為第1A圖之實施示意。
第3圖顯示根據本案實施例之利用自我注入鎖定技術實施都卜勒雷達感測器之示意圖。天線10與受測者的位置相差d0，壓控振盪器20送出信號Sout1朝人體胸腔位置發射，經過τ p的延遲後可到達胸腔表面。τ p=d0/c，c是光速。由於心跳與呼吸會使胸腔有所起伏，產生都卜勒效應，對射頻信號Sout1產生相位調制。由受測者所反射之信號經過τ p後被天線10所接收而注入至壓控振盪器20中，以使壓控振盪器20進入自我注入鎖定狀態。壓控振盪器20的另一輸出信號Svco1則會送入頻率解調器30進行解調並輸出基頻信號以供後端的信號處理單元40判斷生理資訊。
第4圖顯示根據本案實施例之利用相互注入鎖定來在射頻端抵銷身體移動干擾之示意圖。在本案實施例中，抵銷身體移動干擾的方法在於，使用至少兩組感測模組100A與100B/100B’。如上述，人體移動是單一方向的，而肺臟或心臟的膨脹收縮則是多方向或全向性的。感測模
組100A與100B/100B’使用自我注入鎖定技術來偵測生理信號與身體移動，並利用相互注入鎖定達成同步的效果，以抵銷身體移動資訊，而留下生理感測的資訊。
在第4圖中，4A與4B分別代表由生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’所感測到的身體移動信號；4C與4D分別代表由生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’所感測到的生理信號。4E代表經過抵銷身體移動信號後所得到的生理信號。亦即，於本案實施例中，即便在受測者的身體移動下，仍可偵測生理信號。
請參閱第5A圖與第5B圖，其顯示根據本案實施例之實驗感測結果，以顯示對規律移動之抵銷效果。比如，以金屬板放置於此感測裝置中，以模擬受測者之身體移動。金屬板比如為周期性移動，其移動距離分別為1、2、3、及4公分。在第5A圖與第5B圖中，實線線段為使用生理信號感測模組100A所得之感測結果，虛線線段為使用生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’所得之感測結果。比較兩線段之方均根植，可看出抵銷效果達90%以上。故而，由此可證明本案實施例的確具有抵銷身體移動的效果。
請參閱第6A圖至第6D圖，其顯示本案實施例之另一實驗感測結果，以顯示對隨機(不規律)移動之抵銷效果。第6A圖與6B圖(抵銷前)顯示，當受測者在跑步機上跑步時，僅使用生理信號感測模組100A所得之感測結果。第6A圖與6B圖分別是抵銷前之感測結果之時域波形
與頻譜波形。由於受測者身體隨機移動之故，波形呈現劇烈且不規則之起伏。經過傅立葉轉換後，由第6B圖之頻譜圖所示，僅可辨識呼吸主頻約為0.5 Hz，但無法分辨心跳主頻與身體隨機移動信號。
第6C圖與6D圖(抵銷後)顯示，當受測者在跑步機上跑步時，使用生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’所得之感測結果。第6C圖與6D圖分別是抵銷後的感測結果之時域波形與頻譜波形。可看出，第6C圖與第6D圖之波形較為規律，且包含呼吸與心跳等生理資訊。由第6D圖之頻譜圖可看出，可辨識呼吸主頻與心跳主頻分別約為0.5 Hz與2.16 Hz，即30呼吸次數/分鐘與130心跳次數/分鐘，這與其他醫療儀器感測結果相吻合。
於實施例中，信號發射端與信號接收端為同一端點(VCO之差動信號輸出端)，且此端點與天線之間不需使用隔離電路。另外，由於本實施例採用相互注入鎖定，故而，兩感測模組100A與100B/100B’之間利用射頻信號來相互耦合，使兩感測模組100A與100B/100B’之間存在同步運作關係。
本案實施例之非接觸式生理信號感測系統以自我注入鎖定及互相注入鎖定為感測基礎。相較於傳統以都卜勒雷達架構並配合基頻信號處理技術之生理信號感測系統，本實施例在功效上藉由自我注入鎖定技術原則上可提高感測靈敏度，且由相互注入鎖定技術在射頻前端電路抵銷受測者身體移動信號的做法可能具有可減少元件、降低
系統複雜度及降低功率損耗等優點。
在本案實施例中，兩感測模組操作在同一頻率與相同極化方向，且使兩感測模組利用相互注入鎖定機制彼此同步，因此原則上可在射頻電路前端即將身體隨機移動干擾抵銷。因為兩感測模組所得的資訊一致且使用一組基頻信號輸出，故而可簡化系統架構。
原則上，由於受測者在感測期間的身體移動干擾被抵銷，本案實施例可以提供可靠且正確的生理感測結果。本案實施例之應用範圍包括比如但不受限於心肺疾病患者長時間的呼吸與心跳監控、避免嬰兒猝死、以及運動健身器材的生理信號監控。如此，更可不受限於量測地點，同時可有效地利用醫療資源。更甚者，本案實施例亦可應用於娛樂休閒等產業，比如應用於隨身體移動而作出相對應動作的體感娛樂，亦可應用於其他適當領域。
現請參考第7A圖至第7C圖，其顯示根據本案其他可能實施例之非接觸式生理信號感測系統之系統方塊圖。第7A圖顯示將生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’擺放於受測者之同一側，但仍可抵銷身體移動干擾。在第1A圖與第1B圖中，生理信號感測模組100A與身體移動干擾抵銷模組100B/100B’擺放於受測者之前後兩側。在第7A圖中，生理信號感測模組100A朝向受測者胸腔位置，身體移動干擾抵銷模組100B/100B’朝向受測者腹腔位置。藉由調整兩感測模組100A與100B/100B’之擺放位置及操作頻率，兩感測模組100A與100B/100B’可測到相反之身體移動信號，而且感測模組
100A可感測到受測者的生理信號資訊。由相互注入鎖定機制，感測模組100A與100B/100B’置放於受測者的同側亦可抵銷身體移動干擾。
另外，於本案其他可能實施例亦可抵銷多維之身體移動干擾，如第7B圖與第7C圖。第7B圖與第7C圖之電路架構皆可抵銷二維之身體移動干擾。第7B圖與第7C圖之電路架構使用多組相同操作頻率之感測模組，但僅需處理一組基頻信號，故原則上僅需一個生理信號感測模組100A，可更有效節省系統成本與電路複雜度。
此外，於本案其他可能實施例中，頻率解調單元除了第2圖的實施方式之外，可有其他作法。第8A圖至第8D圖顯示根據本案其他實施例之頻率解調單元之其他幾種可能做法。
在第8A圖中，頻率解調單元30A為正交解調器，其包括：混波器811與相位移位單元812。相位移位單元812將輸入的頻率調制信號調整其相位，使得其輸入信號與輸出信號之間相差90度相位差。混波器811將輸入的頻率調制信號與相位移位單元812的輸出信號相乘以得到解調信號。
在第8B圖中，頻率解調單元30B為PLL解調器，其包括：相位偵測器(Phase Detector)821、迴路濾波器(Loop Filter)822、壓控振盪器823與除頻器(Frequency Divider)824。第8B圖之架構類似於相位鎖定迴路(Phase Locked Loop)，故名為PLL解調器。相位偵測器821將輸入的頻率調制信號與壓控振盪器823/除頻器824所產
生的信號進行相位比較，迴路濾波器822對相位偵測器821的相位比較結果進行迴路濾波，以產生一頻率控制電壓。此頻率控制電壓鎖定壓控振盪器823的頻率，使輸入的頻率調制信號與壓控振盪器的輸出信號同步。此頻率調整電壓即為頻率調制信號之頻率調制資訊。
在第8C圖中，頻率解調單元30C為一同步解調器-IQ解調器。頻率解調單元30C包括：混波器831與832、相位移位單元833、低通濾波器834與835、相位鎖定迴路836與數位信號處理器(DSP)837。輸入的頻率調制信號分別輸入至混波器831與832。兩混波器831與832的各別開關級信號由相位鎖定迴路836所提供，但此兩個開關級信號的相位相差90度。兩混波器831與832之輸出信號各自經過低通濾波器834與835以濾除交互調制信號後，由DSP 837可得到頻率調制資訊。
第8D圖中，頻率解調單元30D包括：相位解調器841與微分器842。輸入之頻率調制信號被輸入至相位解調器841，以得到其相位變化。微分器842進行微分，以得到頻率調制資訊。
第9圖顯示根據本案其他實施例之非接觸式生理信號感測方法之流程圖。非接觸式生理信號感測方法包括：步驟S910，生理信號感測模組發射第一發射無線信號至受測者，並接收由受測者所反射之第一反射無線信號，使得第一壓控振盪器處於自我注入鎖定；步驟S920，身體移動干擾抵銷模組，用以抵銷該受測者之一身體移動信號，發射第二發射無線信號至該受測者，並接收由該受測
者所反射之第二反射無線信號，使得第二壓控振盪器處於該自我注入鎖定；以及步驟S930，生理信號感測模組接收第二發射無線信號，身體移動干擾抵銷模組接收第一發射無線信號，使得該第一壓控振盪器與該第二壓控振盪器之間達成一相互注入鎖定。步驟S910~S930之細節如上所述，故在此省略。
更甚者，於本案實施例中，生理信號感測模組及/或身體移動干擾抵銷模組可由硬體電路所實現。然而，於其他實施例中，生理信號感測模組及/或身體移動干擾抵銷模組的一部份可由軟體及/或韌體所實現。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、100’‧‧‧非接觸式生理信號感測系統
100A‧‧‧生理信號感測模組
100B/100B’‧‧‧身體移動干擾抵銷模組
10、50‧‧‧天線
20、60‧‧‧壓控振盪器
30‧‧‧頻率解調單元
40‧‧‧信號處理單元
70‧‧‧頻率控制單元
31‧‧‧混波器
32‧‧‧延遲單元
33‧‧‧濾波器
41‧‧‧類比/數位轉換器
42‧‧‧數位/類比轉換器
43‧‧‧數位信號處理器
4A、4B‧‧‧身體移動信號
4C、4D、4E‧‧‧生理信號
30A、30B、30C、30D‧‧‧頻率解調單元
811‧‧‧混波器
812‧‧‧相位移位單元
821‧‧‧相位偵測器
822‧‧‧迴路濾波器
823‧‧‧壓控振盪器
824‧‧‧除頻器
831、832‧‧‧混波器
833‧‧‧相位移位單元
834、835‧‧‧低通濾波器
836‧‧‧相位鎖定迴路
837‧‧‧數位信號處理器
841‧‧‧相位解調器
842‧‧‧微分器
S910~S930‧‧‧步驟
第1A圖與第1B圖顯示本案之非接觸式生理信號感測系統之系統實施例方塊圖。
第2圖顯示非接觸式生理信號感測系統實施例之示意圖。
第3圖顯示根據本案實施例之利用自我注入鎖定技術實施都卜勒雷達感測器之示意圖。
第4圖顯示根據本案實施例之利用相互注入鎖定來在射頻端抵銷身體移動干擾之示意圖。
第5A圖與第5B圖顯示根據本案實施例之實驗感測
結果，以顯示對規律移動之抵銷效果。
第6A圖至第6D圖顯示本實施例之另一實驗感測結果，以顯示對隨機(不規律)移動之抵銷效果。
第7A圖至第7C圖顯示根據本案其他可能實施例之非接觸式生理信號感測系統之系統方塊圖。
第8A圖至第8D圖顯示根據本案其他實施例之頻率解調單元之其他幾種可能做法。
第9圖顯示根據本案其他實施例之非接觸式生理信號感測方法之流程圖。
100‧‧‧非接觸式生理信號感測系統
100A‧‧‧生理信號感測模組
100B‧‧‧身體移動干擾抵銷模組
10、50‧‧‧天線
20、60‧‧‧壓控振盪器
30‧‧‧頻率解調單元
40‧‧‧信號處理單元
Claims (14)
- 一種非接觸式生理信號感測系統，包括：一生理信號感測模組，感測一受測者之一生理信號，包括：一第一天線，發射一第一發射無線信號至該受測者，並接收由該受測者所反射之一第一反射無線信號；一第一壓控振盪器，直接連接至該第一天線，輸出該第一發射無線信號至該第一天線，並經由該第一天線而接收該第一反射無線信號，以使得該生理信號感測模組處於一自我注入鎖定；一頻率解調單元，耦合至該第一壓控振盪器，解調該第一壓控振盪器之一頻率變化；以及一信號處理單元，耦合至該頻率解調單元與該第一壓控振盪器，根據該第一壓控振盪器之該頻率變化而分析出該受測者之該生理信號，並決定該第一壓控振盪器之一第一振盪頻率；以及至少一身體移動干擾抵銷模組，無線耦合於該生理信號感測模組，抵銷該受測者之一身體移動信號，各該身體移動干擾抵銷模組包括：一第二天線，發射一第二發射無線信號至該受測者，並接收由該受測者所反射之一第二反射無線信號；一第二壓控振盪器，直接連接至該第二天線，輸出該第二發射無線信號至該第二天線，並經由該第二天線而接收該第二反射無線信號，以使得該至少一身體移動干擾抵銷模組處於該自我注入鎖定；以及 一頻率控制單元，耦合至該第二壓控振盪器，決定該第二壓控振盪器之一第二振盪頻率，該第一壓控振盪器之該第一振盪頻率相同於該第二壓控振盪器之該第二振盪頻率；其中，該第一天線發射該第一發射無線信號至該至少一身體移動干擾抵銷模組之該第二天線，且該第一發射無線信號經由該第二天線而被該第二壓控振盪器所接收；該第二天線發射該第二發射無線信號至該生理信號感測模組之該第一天線，且該第二發射無線信號經由該第一天線而被該第一壓控振盪器所接收；以及如此使得該生理信號感測模組與該至少一身體移動干擾抵銷模組之間達成一相互注入鎖定。
- 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式生理信號感測系統，其中，該第一發射無線信號與該第一反射無線信號具有不同頻率；以及該第二發射無線信號與該第二反射無線信號具有不同頻率。
- 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式生理信號感測系統，其中，該受測者之該生理信號對該生理信號感測模組與該至少一身體移動干擾抵銷模組為一同向性信號。
- 如申請專利範圍第3項所述之非接觸式生理信號感測系統，其中， 該受測者之該身體移動信號對該生理信號感測模組與該至少一身體移動干擾抵銷模組為一反向性信號。
- 如申請專利範圍第4項所述之非接觸式生理信號感測系統，其中，於感測時，該生理信號感測模組與該至少一身體移動干擾抵銷模組位於該受測者之相反側。
- 如申請專利範圍第4項所述之非接觸式生理信號感測系統，其中，於感測時，該生理信號感測模組與該至少一身體移動干擾抵銷模組位於該受測者之同一側。
- 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式生理信號感測系統，更包括複數個身體移動干擾抵銷模組，從複數方向發射複數個該第二發射無線信號至該受測者，以抵銷該受測者之多維身體移動信號。
- 一種非接觸式生理信號感測方法，包括：一生理信號感測模組發射一第一發射無線信號至一受測者，並接收由該受測者所反射之一第一反射無線信號，使得一第一壓控振盪器處於一自我注入鎖定；一身體移動干擾抵銷模組抵銷該受測者之一身體移動信號，發射一第二發射無線信號至該受測者，並接收由該受測者所反射之一第二反射無線信號，使得一第二壓控振盪器處於該自我注入鎖定，以及，利用該身體移動干擾抵銷模組更包括之一頻率控制單元來決定該第二壓控振盪器之一第二振盪頻率，該第一壓控振盪器之一第一振盪頻率相同於該第二壓控振盪器之該第二振盪頻率；以及 該生理信號感測模組接收該第二發射無線信號，該身體移動干擾抵銷模組接收該第一發射無線信號，使得該第一壓控振盪器與該第二壓控振盪器之間達成一相互注入鎖定。
- 如申請專利範圍第8項所述之非接觸式生理信號感測方法，更包括：經由一第一天線發射該第一發射無線信號至該受測者；該第一壓控振盪器輸出該第一發射無線信號至該第一天線，該第一壓控振盪器經由該第一天線而接收該第一反射無線信號，以使得該第一壓控振盪器處於該自我注入鎖定；解調該第一壓控振盪器之一頻率變化；以及根據該第一壓控振盪器之該頻率變化而分析出該受測者之一生理信號，並決定該第一壓控振盪器之一第一振盪頻率；經由一第二天線發射該第二發射無線信號至該受測者；以及該第二壓控振盪器輸出該第二發射無線信號至該第二天線，該第二壓控振盪器經由該第二天線而接收該第二反射無線信號，以使得該第二壓控振盪器處於該自我注入鎖定；其中，該第一天線發射該第一發射無線信號至該第二天線，且該第一發射無線信號經由該第二天線而被該第二壓 控振盪器所接收；該第二天線發射該第二發射無線信號至該第一天線，且該第二發射無線信號經由該第一天線而被該第一壓控振盪器所接收；該第一發射無線信號與該第一反射無線信號具有不同頻率；以及該第二發射無線信號與該第二反射無線信號具有不同頻率。
- 如申請專利範圍第8項所述之非接觸式生理信號感測方法，其中，該受測者之一生理信號為一同向性信號。
- 如申請專利範圍第10項所述之非接觸式生理信號感測方法，其中，該受測者之該身體移動信號為一反向性信號。
- 如申請專利範圍第11項所述之非接觸式生理信號感測方法，其中，於感測時，發射該第一發射無線信號與該第二發射無線信號至該受測者之相反側。
- 如申請專利範圍第11項所述之非接觸式生理信號感測方法，其中，於感測時，發射該第一發射無線信號與該第二發射無線信號至該受測者之同一側。
- 如申請專利範圍第8項所述之非接觸式生理信號感測方法，更包括：從複數方向發射複數個該第二發射無線信號至該受 測者，以抵銷該受測者之多維身體移動信號。
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100198083A1 (en) * | 2007-07-12 | 2010-08-05 | University Of Florida Research Foundation, Inc | Random Body Movement Cancellation for Non-Contact Vital Sign Detection |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100198083A1 (en) * | 2007-07-12 | 2010-08-05 | University Of Florida Research Foundation, Inc | Random Body Movement Cancellation for Non-Contact Vital Sign Detection |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Wang, Fu-Kang, et al. "Mutual injection-locked SIL sensor array for vital sign detection with random body movement cancellation." Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International. IEEE, 10 June 2011 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI682649B (zh) * | 2018-09-28 | 2020-01-11 | 國立中山大學 | 具正交混波器之訊號解調裝置及其解調方法 |
| US11041939B2 (en) | 2018-09-28 | 2021-06-22 | National Sun Yat-Sen University | Signal demodulation device having IQ mixer and demodulation method using the same |
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