动作/扰动信号检测系统及方法与流程

本公开涉及一种动作/扰动信号检测系统及方法。

背景技术：
随着人口高龄化的社会趋势影响下，医疗照顾服务及生医电子的发展备受瞩目。结合无线通讯的远端居家照料(RemoteHomecare)则可让患者不须前往医院即可进行生理信号的感测与记录以节省医疗资源。在生理信号感测中，呼吸信号及心跳信号极端重要，其可应用在呼吸窒息症(ObstructiveSleepApneaSyndrome；OSAS)与心跳规律或其他生理信号的长期追踪上。另外，动作/扰动检测可用于保全监视或在场人员辨识。目前有接触式生理信号感测装置与非接触式生理信号感测装置。接触式生理信号感测装置通过接触人体的方式来进行测量。目前有微波式动作检测器利用多普勒(Doppler)原理，比较发射信号与接收信号之间的相位差。如果相位差产生变化，则代表环境中有扰动源。

技术实现要素：
根据本公开的一示范性实施例，提出一种动作/扰动信号检测系统，包括：至少一发射器，该发射器至少包括收发单元及第一振荡单元；以及至少一接收器，该接收器至少包括接收单元与解调单元。该收发单元耦接或电性连接该第一振荡单元的信号输出端口，接收该第一振荡单元的输出信号并发射出检测信号；该检测信号(STX)被至少一受测物反射成至少一反射检测信号(SRX)，被该收发单元所接收；该收发单元将该反射检测信号(SRX)送入该第一振荡单元成为该第一振荡单元的注入信号，使其产生自我注入锁定现象；该接收单元耦接或电性连接该解调单元，接收该检测信号(STX)；该解调单元将接收单元所接收的该检测信号(STX)进行频率解调，解调成基带输出信号，以得到前述受测物的至少一动作/扰动信号。根据本公开的一示范性实施例，提出一种动作/扰动信号检测方法，包括：自发射器发射出检测信号，该检测信号被至少一受测物反射成至少一反射检测信号；该发射器接收该至少一反射检测信号，并产生自我注入锁定现象；由接收器接收该检测信号，该接收器将所接收的该检测信号进行频率解调，解调成基带输出信号，以得到前述受测物的至少一动作/扰动信号。为了对本申请的上述及其他内容有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：附图说明图1绘示本申请一实施例的动作/扰动信号检测系统的方块示意图。图2绘示本申请一实施例的动作/扰动信号检测系统的方块示意图。图3绘示本申请一实施例的发射器的方块示意图。图4A绘示解调单元的一实施例。图4B绘示解调单元的一实施例。图4C绘示解调单元的一实施例。图5绘示本申请一实施例的整体实施架构。图6绘示本申请一实施例的动作/扰动信号检测系统的方块示意图。图7绘示本申请一实施例的动作/扰动信号检测系统的方块示意图。图8绘示显示根据本申请一实施例实验结果的基带波形。图9绘示显示根据本申请一实施例实验结果的时域波形。图10绘示显示根据本申请一实施例实验结果的心肺信号检测的频谱图。图11绘示显示根据本申请一实施例实验结果的频谱。【符号说明】100，100’：动作/扰动信号检测系统10：收发单元30：接收单元20，41，404：振荡单元43，402，403：混频单元40，40’：解调单元102，102’，102A、102B、102C：接收器101，101’：发射器50：处理单元44，406，407：低通滤波单元42：时间延迟单元60：信号产生单元401：低噪声放大单元405：正交功率分配单元SU：受测者具体实施方式本说明书的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。另外，在可能实施的前提下，本说明书所描述的物件或事件间的相对关系，涵义可包含直接或间接的关系，所谓“间接”是指物件间尚有中间物或物理空间的存在，或指事件间尚有中间事件或时间间隔的存在。再者，以下内容涉及动作/扰动信号检测，对于该领域常见的技术或原理，如果不涉及本申请的技术特征，将不予赘述。此外，图示中元件的形状、尺寸、比例以及流程的步骤顺序等仅为示意，供本领域技术人员了解本申请之用，非对本申请的实施范围加以限制。另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本申请者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在可能实施的前提下，本领域技术人员可依据本申请的公开内容，并视自身的需求或设计理念，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，藉此增加本申请实施弹性。本申请的公开内容包含动作/扰动信号检测系统及方法，但本申请实施例的技术特征并非对本申请的限制，仅供本申请举例说明暨本领域技术人员了解本申请之用。此外，在可能实施的前提下，本领域技术人员能够依据本申请公开内容来选择等效的元件或步骤来实现本申请，亦即本申请的实施并不局限于本申请所公开的实施例。另外，如果本申请的动作/扰动信号检测系统所包含的个别元件为已知元件的话，在不影响充分公开及可据以实现的情形下，以下说明对于实现的个别元件的细节将予以节略。本申请实施例公开动作/扰动信号检测系统及方法，其中技术可用于以非接触式和/或接触式检测受测者的动作/扰动信号，如生理信号(呼吸、心跳、喉咙、与肢体动作等，但并不限于此)或其他外界扰动信息(如机械振动频率等，但并不限于此)。在底下的说明中，以非接触式心肺检测为例做说明，但当知其并非用于限制本申请，本申请技术也可用于接触式检测。本申请的动作/扰动信号检测系统及方法可发出无线电波/光检测波来对受测者进行检测。通过在检测期间的多普勒效应，其由(1)受测者的呼吸、心跳、喉咙、与肢体动作等生理现象或(2)其他外界扰动信息所产生，对所发射的无线电波/光检测波进行相位调制，并将反射后的射频信号/光检测波输入至振荡单元。此振荡单元可呈现自我注入锁定现象，此自我注入锁定现象可放大动作/扰动的相位调制信息，以观察动作/扰动。请参照图1，其显示根据本申请实施例的动作/扰动信号检测系统的方块示意图。如图1所示，动作/扰动信号检测系统100包括：至少一发射器101与至少一接收器102。发射器101包括收发单元10及振荡单元20。收发单元10耦接或电性连接该振荡单元20的信号输出端口，接收该振荡单元20的输出信号并朝向至少一受测物发射出检测信号(STX)。藉于受测物的多普勒效应对该检测信号(STX)进行相位调制，成为反射检测信号(SRX)，被该收发单元10所接收。该收发单元10将该反射检测信号(SRX)送入该振荡单元20使其产生自我注入锁定现象。该振荡单元20的注入信号输入路径为注入信号输入端口，或为差动信号输出端口的一端进行注入信号输入，以产生自我注入锁定现象。在一实施例中，如果振荡单元20为具有单端信号输出端口的压控振荡器，则收发单元10可为一天线，耦接或电性连接至振荡单元20的单端信号输出端口，单端信号输出端口可当作注入信号输入端口使用。亦即，注入信号的输入路径为从振荡单元20的单端信号输出端口进行注入信号输入，以产生自我注入锁定现象。在一实施例中，如果振荡单元20为具有差动信号输出端口的压控振荡器，则收发单元10可为发射天线与接收天线，发射天线耦接或电性连接至振荡单元20的差动信号输出端口一端；接收天线耦接或电性连接至振荡单元20的差动信号输出端口另一端单端，此端可当作注入信号输入端口使用。在一实施例中，如果振荡单元20为具有单端信号输出端口与注入信号输入端口的压控振荡器，则收发单元10可为发射天线与接收天线，发射天线耦接或电性连接至振荡单元20的单端信号输出端口；接收天线耦接或电性连接至振荡单元20的注入信号输入端口。接收器102包括接收单元30及解调单元40。接收单元30接收该检测信号(STX)，并耦接或电性连接该解调单元40。该解调单元40耦接或电性连接该接收单元30，将接收单元30所接收的该检测信号(STX)进行频率解调，解调成基带输出信号，以得到受测物的至少一动作/扰动信号(如呼吸、心跳频率、喉咙与肢体动作等等，但并不限于此)，或其他外界扰动信号(如机械振动频率等等，但并不限于此)。于本申请一实施例中，动作/扰动信号检测系统可还包括处理单元，接收由该解调单元所传来的基带输出信号；处理单元对该基带输出信号进行处理，即可得到环境中振动物体(如受测者的心肺)的时域波形与频域信号，以得到动作/扰动信号信息(如对生理信号的分析结果或对扰动信号的分析结果)。如图2所示，其显示根据本申请另一实施例的动作/扰动信号检测系统100’的方块示意图。动作/扰动信号检测系统100’还包括处理单元50。亦即，处理单元50可以不被整合在动作/扰动信号检测系统之中(如图1)，也可被整合于动作/扰动信号检测系统之中(如图2)。甚至，在本申请其他可能实施例中，处理单元可置放于远端，而动作/扰动信号检测系统的解调单元40所输出的基带输出信号可通过有线/无线方式来传送至远端的处理单元，此皆在本申请精神范围内。于本申请一实施例中，发射器101’可还包括信号产生单元60，如图3所示。信号产生单元60的输出端口耦接或电性连接至该振荡单元20的电压输入端口，用以决定振荡单元20的操作频率，使振荡单元20产生频率调制信号。于本申请一实施例中，收发单元10包括天线，发射检测信号(STX)，并接收反射检测信号(SRX)。于本申请一实施例中，收发单元10包括发射天线以及接收天线，发射天线发射该检测信号(STX)，接收天线则接收该反射检测信号(SRX)。本申请所公开的天线，是单一天线或以天线阵列来实施。于本申请一实施例中，接收单元30包括天线，接收检测信号(STX)。于本申请另一实施例，不同于先前实施例之处在于，收发单元10包括电光转换器与光电转换器。电光转换器耦接或电性连接至振荡单元20，其将振荡单元20所传来的电压信号转换为光检测波，以射向受测者。此光检测波被受测者反射回光电转换器后，由光电转换器转换成电压信号，送至振荡单元20。接收单元30则包括光电转换器，其光电转换器接收到光检测波后，转换成电压信号，送至解调单元40。于本申请一实施例中，如图4A所示，解调单元40包括振荡单元41，时间延迟单元42，混频单元43以及低通滤波单元44。接收单元30耦接或电性连接至该振荡单元41的输入端口，将该检测信号(STX)注入至振荡单元41使其产生注入锁定。振荡单元41的输出端口分别耦接或电性连接时间延迟单元42与混频单元43，混频单元43的两输入端口分别耦接或电性连接振荡单元41的输出端口与时间延迟单元42的输出端口，混频单元43的输出端口耦接或电性连接该低通滤波单元44的输入端口，混频单元43与时间延迟单元42对振荡单元41的输出信号进行频率解调；低通滤波单元44滤除该混频单元43输出的交互调制信号，低通滤波单元44的输出即该解调单元40的基带输出信号SB。振荡单元41的输出信号相位与该检测信号(STX)同步。当混波单元43的两输入信号相位相差90度的整数倍，且延迟单元42所提供的时间延迟很小时，振荡单元41的输出信号将与模拟控制电压Vt及受测者的心肺信号原则上成正比。一实施例中，振荡单元41包括至少一个输出端口。于本申请一实施例中，如图4B所示，接收器102’包括接收单元30(以天线为例)，混频单元43、时间延迟单元42与低通滤波单元44。时间延迟单元42耦接或电性连接至接收单元30，该混频单元43两端分别耦接或电性连接至接收单元30与该时间延迟单元42，低通滤波单元44耦接或电性连接该混频单元43的输出端。图5为图4A的解调单元实施例与处理单元、发射器等的整体实施架构。于本申请一实施例中，如图4C所示，解调单元40’包括低噪声放大单元401，两混频单元402、403，振荡单元404，正交功率分配单元405与两低通滤波单元406、407。低噪声放大单元401接收由接收单元30(以天线为例)传送的检测信号，低噪声放大单元401输出端分别耦接或电性连接至混频单元402，403的输入端，与振荡单元404的注入端。振荡单元404受到低噪声放大单元401输出信号SIN，i(t)的影响而产生注入锁定。当SIN，i(t)的频率与振荡单元404的初始振荡频率不一样时，经过注入锁定后。振荡单元404的输出信号频率将与SIN，i(t)的频率相同，振荡单元404的输出信号与SIN，i(t)之间并有一额外时间延迟。由此注入锁定机制，可进行频率解调，又因为振荡单元404受到锁定范围影响的缘故，可视为带通滤波器，并适用于分频多工系统以同时支持多位使用者。振荡单元404耦接或电性连接至正交功率分配单元405的输入端；正交功率分配单元405输出两信号至混频单元402，403，且两信号间彼此为正交关系。混频单元402、403的输出端分别耦接或电性连接至低通滤波单元406、407的输入端。低通滤波器406、407的输出SI，i(t)、SQ，i(t)，进行数学运算后，即可得知解调波形而产出基带(baseband)输出信号。上述数学运算例如为tan-1((SI，i(t))/(SQ，i(t)))，i为该接收器的编号参数，t为时间参数。本申请一实施例，如图6所示，发射器101’所产生的频率调制信号将分别由多个接收器102A～102C接收并进行频率解调，通过比较不同接收器102A～102C的输出基带信号间的相位差异可得到发射器定位信息，例如室内定位信息等等，但并不以此为限。接收器102A、接收器102B、接收器102C分别接收发射器101’发射的射频信号，并进行频率解调后，将受动作/扰动信号及模拟控制电压调制的频率调制信号解调成电压信号，并分别输出基带信号SBA～SBC至处理单元50。该处理单元50对基带信号SBA～SBC进行数字滤波、放大、以及判断基带信号SBA～SBC间的相位差后，可得知受测者的定位信息。另，该处理单元50对基带信号SBA～SBC进行数字滤波、放大、以及傅立叶变换后，可得到动作/扰动(譬如说心肺)信号的时域波形与频率。在本实施例中，发射器101’配戴于该受测者胸前，可同时针对受测者定位并进行感测心肺信号。发射器101’的信号产生单元60耦接或电性连接该振荡单元20的电压输入端口，该信号产生单元60产生模拟控制电压Vt使振荡单元20产生频率调制信号。在本实施例中，当接收器102A、102B与102C的频率解调器架构为图4A时，由于接收器102A、102B与102C的振荡单元(未示出)会放大接收器102A～102C所接收的射频发射信号STX至相同振幅，因此基带信号SBA、SBB与SBC振幅约略相同；当接收器102A、102B与102C的频率解调器架构为图4B或图4C时，基带输出信号SBA、SBB与SBC的振幅则会不同。在本实施例中，由于收发单元10对接收器102A、102B与102C的个别接收单元(未示出)有不同的距离，不同接收单元接收检测信号STX有不同的时间延迟，此时间延迟亦反映在多个接收器102A、102B与102C的基带信号SBA、SBB、与SBC上。在本实施例中，接收接收器102A、102B与102C的输出端耦接或电性连接该处理单元50，该处理单元接收多个基带信号SBA、SBB与SBC，经比较不同基带信号间的相位差距后，可换算得到检测信号被各个接收器102A、102B与102C接收的时间延迟，本处理单元50可基于不同接收单元的位置进而推算得知收发单元10的所在位置，即受测者的定位信息。另，该基带信号SBA、SBB与SBC亦包含受测者的动作/扰动(譬如说心肺、喉咙与肢体动作等等)信号，经过数字滤波及傅立叶变换后，可得到动作/扰动信号(譬如说呼吸、心跳、喉咙与肢体动作等等)的时域波形与频率。本申请另一实施例，如图7所示，发射器101’中，信号产生单元60所产生的模拟控制电压Vt耦接或电性连接该处理单元50。即，在本实施例中，发射器101’与接收器102A～102C之间彼此同步，通过比较模拟控制电压Vt与接收器102A～102C的基带信号SBA、SBB与SBC的相位差可得到收发单元10与不同接收器102A～102C的绝对距离，并进而得到受测者的定位信息。除例举的实施例采用的TDoA(到达时间差，TimeDifferenceofArrival)技术外，也可以采用其他定位技术或将各种定位技术给予结合，以下举例几种常见的定位方法及其简单描述，但本申请的可实施方式并不以此为限。例如RSS(接收信号强度，receivedsignalstrength)技术，利用不同解调电路所得到的信号强度配合电磁传输方程式(接收信号功率随距离的平方成反比)而估计发射机所在位置；ToA(到达时间，TimeofArrival)技术，以发射电路受模拟控制电压产生频率调制的时间为初始点，并将接收电路解调的基带输出信号与模拟控制电压进行比较后，可知发射电路到不同解调电路的传输时间，即可计算发射机位置所在；以及AoA(到达角度，AngleofArrival)技术，将解调电路的接收单元更改为接收天线阵列，进行波束位置的扫描，当两解调电路可同时得到基带输出信号时，则可计算发射电路所在位置。请参阅图8在本实施例中，对应到图6的实验，受测者的所在位置为(3.2，4.5)，接收器102A的位置为(0，0)，接收器102B的位置为(8，0)，接收器102C的位置为振荡单元20操作在2.45GHz，信号产生单元60产生频率为2.5MHz，振幅为1Vp-p的弦波，使振荡单元产生调制频宽为7MHz、调制频率为2.5MHz的频率调制信号。接收器基带信号如图8所示，SBA(如线A)与SBB(如线B)的相位差为3.51°，SBB与SBC(如线C)的相位差为-12.15°，SBC与SBA的相位差为8.64°，其感测的定位信息为(3.1146，4.4954)，与所在位置结果十分一致。请再参阅图9至图11。由图9得到非接触检测时的时域波形，其包含呼吸与心跳等动作/扰动信息。请参阅图10，经过傅立叶变换后，不同时间周期内的频谱表现如图10所示，图10的线A、线B与线C分别表示第15到25秒、第20到30秒、与第25到35秒的频谱，由于在检测期间，受测者有不规则身体移动，因此无法得到稳定的心肺信号，如图923到26秒受身体随机移动而有不规律的起伏。本实验将三个不同时间的频谱相乘并取三分之一次方后，频谱表现如图11所示，可辨识呼吸主频与心跳主频分别约为0.31Hz与1.13Hz，即19呼吸次数/分钟与69心跳次数/分钟。与其他医疗仪器感测结果相吻合。本申请另一实施例的动作/扰动信号检测方法包括：自发射器发射出检测信号；该检测信号被至少一受测物反射成至少一反射检测信号；该发射器接收该至少一反射检测信号，并产生自我注入锁定现象；由接收器接收该检测信号；该接收器将所接收的该检测信号进行频率解调，解调成基带输出信号，以得到受测物的至少一动作/扰动信号。在本申请另一实施例中，还可由处理单元对接收的基带输出信号进行处理以得到前述至少一动作/扰动信号信息或外界扰动信息。而在另一实施例中，该处理单元还可自多个接收器接收多个基带输出信号，比较这些基带输出信号间的相位差距，计算该多个接收器接收的时间延迟，而得到该发射器的位置。本申请动作/扰动信号检测方法的实施例可以参考前述的动作/扰动信号检测系统的实施例，在此不另作说明。综上所述，虽然本申请技术已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开。本申请所属领域技术人员，在不脱离发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本申请的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。