動作/擾動檢測器的制作方法與工藝

本公開涉及一種動作/擾動檢測器。

背景技術：
隨著人口高齡化的社會趨勢影響下，醫療照顧服務及生醫電子的發展備受矚目。結合無線通訊的遠端居家照料(RemoteHomecare)則可讓患者不須前往醫院即可進行生理信號的感測與記錄以節省醫療資源。在生理信號感測中，呼吸信號及心跳信號極端重要，其可應用在呼吸窒息癥(ObstructiveSleepApneaSyndrome；OSAS)與心跳規律的長期追蹤上。而OSAS長期以來占據嬰兒猝死死因的前三名，心血管疾病更是影響已開發國家人民健康甚巨。目前有接觸式生理信號感測裝置與非接觸式生理信號感測裝置。接觸式生理信號感測裝置通過接觸人體的方式來進行測量。此外，動作/擾動檢測器用于保全監視或在場人員辨識。一般，以紅外線技術實現動作/擾動檢測器。但紅外線技術容易因環境溫度影響而誤判，甚至無法檢測。微波式動作檢測器利用多普勒原理，比較發射信號與接收信號之間的相位差。如果相位差產生變化，則代表環境中有擾動源。故而，本申請提出一種動作/擾動檢測器，可檢測待測者的胸腔起伏，進而從中分析出待測者的生理參數(如呼吸、心跳頻率等)，或其他外界擾動信息(如機械振動頻率等)。

技術實現要素：
根據本公開的一示范性實施例，提出一種動作/擾動檢測器，其包括：收發單元、振蕩單元與混頻單元。該收發單元接收該振蕩單元的輸出信號并朝向至少一物體發射出檢測信號。該檢測信號被該物體反射成反射檢測信號，被該收發單元所接收。該收發單元將該反射檢測信號送入該振蕩單元使其產生自我注入鎖定現象，并將該反射檢測信號送入該混頻單元，以進行頻率解調。該混頻單元混頻該收發單元所傳來的該反射檢測信號與該振蕩單元的該輸出信號，并解調成基帶輸出信號，該基帶輸出信號代表動作/擾動信息。為了對本申請的上述及其他內容有更佳的了解，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細說明如下：附圖說明圖1A顯示根據本申請實施例的動作/擾動檢測器的方塊示意圖。圖1B顯示根據本申請另一實施例的動作/擾動檢測器的方塊示意圖。圖2繪示本申請的動作/擾動檢測器的一實施例。圖3與圖4顯示根據本申請實施例的實驗結果。圖5A至圖5D顯示根據本申請其他實施例的其他幾種可能做法。【符號說明】100、100’、200、100A、100B、100C、100D：動作/擾動檢測器10、10A、10B、10C、10D：收發單元20：振蕩單元30：混頻單元40：處理單元11、11A、12A、11B、11C、12C：天線N1：節點31：混波器32：低通濾波器SU：受測者11D：電光轉換器12D：光電轉換器具體實施方式本說明書的技術用語是參照本技術領域的習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語的解釋以本說明書的說明或定義為準。另外，在可能實施的前提下，本說明書所描述的物件或事件間的相對關系，涵義可包含直接或間接的關系，所謂“間接”是指物件間尚有中間物或物理空間的存在，或指事件間尚有中間事件或時間間隔的存在。再者，以下內容涉及信號耦合電路及方法，對于該領域習見的技術或原理，如果不涉及本申請的技術特征，將不予贅述。此外，圖示中元件的形狀、尺寸、比例以及流程的步驟順序等僅為示意，供本領域技術人員了解本申請之用，非對本申請的實施范圍加以限制。另外，以下說明內容的各個實施例分別具有一或多個技術特征，然此并不意味著使用本申請者必需同時實施任一實施例中的所有技術特征，或僅能分開實施不同實施例中的一部或全部技術特征。換句話說，在可能實施的前提下，本領域技術人員可依據本申請的公開內容，并視自身的需求或設計理念，選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特征，或者選擇性地實施多個實施例中部分或全部的技術特征的組合，藉此增加本申請實施彈性。本申請的公開內容包含動作/擾動檢測器，但本申請實施例的技術特征并非對本申請的限制，僅供本申請舉例說明暨本技術領域人士了解本申請之用。此外，在可能實施的前提下，本領域技術人員能夠依據本申請公開內容來選擇等效的元件或步驟來實現本申請，亦即本申請的實施并不局限于本申請所公開的實施例。另外，如果本申請的動作/擾動檢測器所包含的個別元件為已知元件的話，在不影響充分公開及可據以實現的情形下，以下說明對于實現的個別元件的細節將予以節略。本申請實施例公開動作/擾動檢測器，其可用于非接觸式/接觸式檢測受測者的心肺信號。在底下的說明中，是非接觸式檢測為例做說明，但當知其并非用于限制本申請，本申請也可用于接觸式檢測。動作/擾動檢測器可發出無線電波/光檢測波來對受測者進行檢測。由于受測者在檢測期間的呼吸與心跳等生理現象所產生的多普勒效應，會對動作/擾動檢測器所發射的無線電波/光檢測波進行相位調制，將反射后的射頻信號/光檢測波輸入至振蕩單元。故而，振蕩單元呈現自我注入鎖定現象，此自我注入鎖定現象會放大受測者的心肺活動的相位調制信息，以易于觀察受測者的心肺活動。經由混頻單元進行降頻后輸出電壓信號，此電壓信號輸入至信號處理單元即可得到環境中振動物體(如受測者的心肺)的時域波形與頻域信號，可檢測振動物體的頻率(比如，可檢測出受測者的心肺信號)。現請參照圖1A，其顯示根據本申請實施例的動作/擾動檢測器的方塊示意圖。如圖1A所示，動作/擾動檢測器100包括：收發單元10、振蕩單元20與混頻單元30。收發單元10電性連接至振蕩單元20的差動信號輸出端口的一端，以接收振蕩單元20的輸出信號并朝向受測者發射出射頻發射信號/光檢測波(也可稱為檢測信號)。此射頻發射信號/光檢測波會被受測者所反射。收發單元10接收由受測者所反射的射頻接收信號/光反射波(也可稱為反射檢測信號)。收發單元10電性連接至振蕩單元20的輸入端口與混頻單元30的輸入端口。具體來說，收發單元10將反射檢測信號送入振蕩單元20使其產生自我注入鎖定現象，并將反射檢測信號送入混頻單元30，以進行頻率解調。至于接收由收發單元10所傳來的反射檢測信號，振蕩單元20可由其獨立注入信號輸入端口來接收，或者是由其差動信號輸出端口來接收。混頻單元30的一輸入端口電性連接振蕩單元20的另一差動信號輸出端口。混頻單元30混頻收發單元10所傳來的反射檢測信號與振蕩單元20的輸出信號。混頻單元30將受測者生理信號的頻率調制信號(其含于收發單元10所傳來的反射檢測信號內)解調成基帶輸出信號(其為電壓信號)，基帶輸出信號可代表動作/擾動信息。于本申請另一實施例中，動作/擾動檢測器可還包括處理單元。如圖1B所示，其顯示根據本申請另一實施例的動作/擾動檢測器100’的方塊示意圖。動作/擾動檢測器100’還包括處理單元40。亦即，處理單元可以不被整合在動作/擾動檢測器之中(如圖1A)，也可被整合于動作/擾動檢測器之中(如圖1B)。甚至，在本申請其他可能實施例中，處理單元可置放于遠端，而動作/擾動檢測器的混頻單元30所輸出的基帶輸出信號可通過有線/無線方式來傳送至遠端的處理單元，此皆在本申請精神范圍內。處理單元40的輸出端口電性連接至振蕩單元20的電壓輸入端口。處理單元40輸出控制電壓給振蕩單元20，以決定振蕩單元20的操作頻率。處理單元40對混頻單元30所傳來的基帶輸出信號進行處理(譬如但不受限于，數字濾波、放大、傅立葉變換等)，以得到動作/擾動信息(其譬如但不受限于受測者的呼吸及心跳的時域波形與頻率等)。現請參閱圖2，其顯示本申請的動作/擾動檢測器200的一實施例。在本實施例中，收發單元10包含天線11。天線11電性連接振蕩單元20的一輸出端與混頻單元30的一輸入端口。在圖2中，節點N1比如使得天線11直接連接至振蕩單元20與混頻單元30。或者，在其他可能實施例中，節點N1可為循環電路(circulator)或功率分配器(powerdivider)。如圖2所示，振蕩單元20具有：電壓輸入端口V、差動信號輸出端口O1及O2。電壓輸入端口V接收由處理單元40所傳來的模擬控制電壓VT。在本實施例中，振蕩單元20的差動信號輸出端口O1電性連接至收發單元10的天線11，以將輸出信號SOUT1傳送給天線11。天線11將振蕩單元20的輸出信號SOUT1朝受測者SU發射，在圖2中，射向受測者SU的信號為發射信號STX。此發射信號STX經受測者SU的心肺信號進行頻率調制后成為射頻接收信號SRX(亦即，多普勒效應)。此射頻接收信號SRX被天線11所接收，并成為兩路注入信號SIN1與SIN2(基本上，此兩路注入信號SIN1與SIN2是相同的)。注入信號SIN1經由振蕩單元20的差動信號輸出端口O1而輸入至振蕩單元20。此注入信號SIN1使振蕩單元20操作在自我注入鎖定狀態。另一路注入信號SIN2則輸入至混頻單元30，以進行混頻。在圖2中，混頻單元30有兩個輸入端口與一個輸出端口。混頻單元30的一輸入端口連接至收發單元10的天線11。混頻單元30的另一輸入端口連接至振蕩單元20的差動信號輸出端口O2，用以觀察振蕩單元20輸出的頻率變化情況。混頻單元30的輸出端口連接至處理單元40。混頻單元30包括混波器31及低通濾波器32。混波器31連接至收發單元10與振蕩單元20。低通濾波器32則連接至混波器31與處理單元40。在本實施例中，混波器31的兩端分別電性連接至收發單元10與振蕩單元20的差動信號輸出端口O2。在本實施例中，混頻單元30的輸出端為低通濾波器32的輸出端。在本實施例中，處理單元40電性連接至振蕩單元20的電壓輸入端口V。處理單元40產生模擬控制電壓VT，以調整振蕩單元20的輸出頻率，以在工作頻段內進行信號感測。處理單元40電性連接至混頻單元30的輸出端(亦即低通濾波器32的輸出端)，以將混頻單元30所輸出的基帶輸出信號SB進行取樣及信號處理后，得到呼吸及心跳的時域波形與頻率。現請參閱圖3至圖4，其顯示根據本申請實施例的實驗結果。在本實施例中，受測者距離動作/擾動檢測器約一公尺處，坐在椅子上均勻地呼吸。動作/擾動檢測器的操作頻率約為2.45GHz(當知其并非用以限制本申請)。圖3乃是時域波形，其包含呼吸與心跳等生理信息。請再參閱圖4，經過傅立葉變換后，頻譜表現如圖4所示，可辨識出呼吸主頻與心跳主頻分別約為0.284Hz與1.222Hz，即17呼吸次數/分鐘與73心跳次數/分鐘。由此可知，本申請實施例的動作/擾動檢測器的檢測結果與其他醫療儀器感測結果相吻合。本申請也可其他可能實施例的架構。圖5A至圖5D顯示根據本申請其他實施例的其他幾種可能做法。請注意，雖然圖5A至圖5D的動作/擾動檢測器包括處理單元，但由上述實施例可知，圖5A至圖5D的動作/擾動檢測器也可選擇性包括處理單元，其皆在本申請精神范圍內。在圖5A的動作/擾動檢測器100A中，收發單元10A為雙天線設計，其包括(發射)天線11A與(接收)天線12A。振蕩單元20A的差動信號輸出端口O2分別電性連接天線11A與混頻單元30。天線11A發射出射頻發射信號給受測者。射頻接收信號(由物體所反射回)由天線12A接收。所接收的射頻接收信號分別連接至振蕩單元20A差動信號輸出端口O1與混頻單元30的一輸入端口，使振蕩單元20A產生自我注入鎖定現象，并使混頻單元30進行頻率解調。圖5A的操作細節原則上相似于圖1A、圖1B與圖2，故在此不重述。現請參考圖5B。在圖5B的動作/擾動檢測器100B中，收發單元10B為單天線設計，其包括天線11B。振蕩單元20B具有電壓輸入端口V、注入信號輸入端口I、及差動信號輸出端口O1及O2。天線11B分別電性連接至振蕩單元20B差動信號輸出端口O1、振蕩單元20的注入信號輸入端口I、及混頻單元30的一輸入端口。天線11B發射出射頻發射信號至受測者，并接收由受測者所反射回的射頻接收信號。在接收到射頻接收信號后，天線11B將射頻接收信號分別注入至振蕩單元20B的注入信號輸入端口I與混頻單元30的輸入端口，使振蕩單元20B產生自我注入鎖定現象，并使混頻單元30進行頻率解調。混頻單元30的另一輸入端口電性連接至振蕩單元20B的差動信號輸出端口O2。圖5B的操作細節原則上相似于圖1A、圖1B與圖2，故在此不重述。在圖5B中，節點N2比如可為循環電路或功率分配器。現請參考圖5C。在圖5C中，收發單元10C為雙天線設計，其包括(發射)天線11C及(接收)天線12C。振蕩單元20C具有電壓輸入端口V、注入信號輸入端口I、及差動信號輸出端口O1及O2。天線11C電性連接至振蕩單元20C的差動信號輸出端口O1，發射出射頻發射信號給受測者。由受測者所反射回的射頻接收信號由天線12C接收。天線12C分別電性連接振蕩單元20C的注入信號輸入端口I與混頻單元30的輸入端口，使振蕩單元20C產生自我注入鎖定現象，并使混頻單元30進行頻率解調。混頻單元30的另一輸入端口電性連接至振蕩單元20C的差動信號輸出端口O2。圖5C的操作細節原則上相似于圖1A、圖1B與圖2，故在此不重述。現請參考圖5D，其顯示根據本申請另一可能實施例的動作/擾動檢測器的實施方式。如圖5D所示，不同于現有實施例之處在于，收發單元10D包括電光轉換器11D與光電轉換器12D。電光轉換器11D連接至振蕩單元20，其將振蕩單元20所傳來的電壓信號轉換為光波，以射向受測者。此光波被受測者反射回光電轉換器后，由光電轉換器12D轉換成電壓信號，送至振蕩單元20與混頻單元30。至于振蕩單元20、混頻單元30與處理單元40的細節可如上述。由于電光轉換器與光電轉換器的信噪比(SNR)較佳，故而，圖5D的架構更有助于觀察受測者的動作/擾動。以傳統連續波雷達而言，其根據接收信號與發射信號間的相位差來判斷待測物體的緩慢移動信息(呼吸、心跳)。但受限于信號產生器的相位噪聲，此技術在信噪比與系統復雜度之間面臨取舍關系。傳統連續波雷達雖然在低操作頻率時，其靈敏度表現較佳，但在高頻底下，靈敏度的提升有限，且易受到雜波效應影響。此外，由于環境中其他物體的回波影響，將使基帶信號存在直流位移。因此雜波效應會使放大電路飽和而無法有效感測生理信號。至于另一現有技術，雖然在高操作頻率時，靈敏度表現較佳(當操作頻率提升兩倍時，感測距離可上升為4倍)，且不受被其他物體所回反射的雜波所影響。但其需要頻率解調器，而頻率解調器的射頻延遲單元難以整合至芯片中。相反地，在本申請上述實施例中，環境中的檢測電波傳輸路徑將產生額外傳輸延遲，以取代現有技術的射頻頻段的延遲單元。此外，本申請上述實施例亦使用自我注入鎖定技術。故而，本申請實施例結合此兩種機制，在不同操作頻率下皆可具有高靈敏度。當操作頻率較高時，會由自我注入鎖定架構所主宰；當操作頻率較低時，則由傳統連續波架構進行相位解調。本申請上述實施例原則上應可不受雜波效應的影響。由于本申請上述實施例省略射頻延遲單元，故而，原則上應可提高體積化程度。上述可知，相較于傳統技術利用多普勒雷達并配合基帶信號處理技術，本申請上述實施例原則上應有的優點譬如為：大幅減少電路元件使用、高度集成化、高度抗雜波能力、高靈敏度、降低制造成本及降低功率消耗等優點。綜上所述，雖然本發明已以優選實施例公開如上，然其并非用以限定本發明。本發明所屬領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視所附權利要求書界定范圍為準。