TWI686171B

TWI686171B - 生理訊號感測器及生理訊號感測方法

Info

Publication number: TWI686171B
Application number: TW107147051A
Authority: TW
Inventors: 游奕欣
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-03-01
Also published as: CN111358461A; TW202023471A; CN111358461B

Abstract

一種生理訊號感測器，其包含有電極層、壓力感測層及控制器。電極層設置於皮膚上以感測生理訊號。壓力感測層感測電極層之壓力訊號。控制器與電極層及壓力感測層連接，並輸出生理訊號及根據壓力訊號輸出量測提示訊號。

Description

生理訊號感測器及生理訊號感測方法

本發明係有關於一種生理訊號感測器，特別是一種能判斷生理訊號是否受到雜訊干擾的生理訊號感測器。本發明還涉及此生理訊號感測器之生理訊號感測方法。

一般而言，為了量測一受測者的生理訊號，通常會利用綁帶將乾式電極固定於此受測者的皮膚上，以感測此受測者的生理訊號，再透過量測儀器顯示此生理訊號。然而，乾式電極容易受到環境因素的影響；例如，若此受測者沒有適當的配戴乾式電極，乾式電極可能沒有完全服貼此受測者的皮膚；此時，乾式電極量測的生理訊號可能受到訊雜干擾；例如，若此受測者沒有適當的配戴乾式電極，導致有不當外力施加於乾式電極；此時，乾式電極量測的生理訊號同樣可能受到訊雜干擾。因此，現有的生理訊號技術並無法有效地判斷生理訊號是否有受到雜訊干擾。

此外，由於現有的乾式電極容易受到雜訊的干擾，因此量測儀器可能需要透過複雜的演算法才能濾除雜訊；因此，現有的生理訊號技術使用上極為不便且缺乏效率。

另外，為了使乾式電極能具有柔軟度提升，乾式電極之阻抗通常大於100Ω，使乾式電極能服貼受測者的皮膚，使受測者能舒適地配戴乾式電極，並降低接觸阻抗；然而，乾式電極之高阻抗容易影響生理訊號的精確度。

再者，部份乾式電極採用硬度較高的材料製成，其可降低乾式電極之阻抗，以提升生理訊號的精確度；然而，由於上述的乾式電極採用硬度較高的材料製成，故可能會導致較高的接觸阻抗，且受測者無法舒適地配戴乾式電極。

因此，如何提出一種生理訊號量測技術，能夠有效改善習知技藝之生理訊號量測系統之各種限制已成為一個刻不容緩的問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種生理訊號感測器及其方法，藉此解決習知技藝之生理訊號量測系統之各種限制。

根據本發明之其中一目的，提出一種生理訊號感測器，其包含有電極層、壓力感測層及控制器。電極層設置於皮膚上以感測生理訊號。壓力感測層感測電極層之壓力訊號。控制器與電極層及壓力感測層連接，並輸出生理訊號及根據壓力訊號輸出量測提示訊號。

根據本發明之其中一目的，再提出一種生理訊號感測器，其包含有電極層、壓電感測層及控制器。電極層設置於皮膚上以感測生理訊號。壓電感測層感測電極層之壓電訊號。控制器與電極層及壓電感測層連接，並輸出生理訊號及根據壓電訊號輸出量測提示訊號。

根據本發明之其中一目的，又提出一種生理訊號感測方法，其包含有下列步驟：透過電極層感測皮膚以產生生理訊號；利用壓力感測層感測電極層之壓力訊號；以壓電感測層感測電極層壓電訊號；以及透過控制器輸出生理訊號，並根據壓力訊號及壓電訊號輸出量測提示訊號。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之生理訊號感測器及其方法之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之第一實施例之生理訊號感測器之結構圖。如圖所示，生理訊號感測器1包含有電極層11、第一絕緣層12、壓力感測層13及控制器14。

電極層11設置於受測者之皮膚S上以感測生理訊號PS；其中，電極層11可由柔性可彎折且可拉伸之材料製成。在一實施例中，電極層11可由矽-銀基材料製成；在一實施例中，生理訊號PS可為膚電(Electrodermal activity，EDA)訊號或肌電(Electromyography，EMG)訊號。

壓力感測層13感測電極層11之壓力訊號P，此壓力訊號P能做為判斷生理訊號PS之優劣之輔助訊號；在一實施例中，壓力感測層13可為壓阻材料或壓電材料製成。

第一絕緣層12設置於電極層11及壓力感測層13之間以隔離電極層11及壓力感測層13；在一實施例中，第一絕緣層12可為塑膠製成。

控制器14與電極層11及壓力感測層13連接，並輸出生理訊號PS；在一實施例中，控制器14可為微控制器或其它類似的元件。

控制器14能根據壓力訊號P判斷生理訊號PS之優劣，並根據壓力訊號P產生量測提示訊號，再輸出生理訊號PS及量測提示訊號。當壓力訊號P落在一預設範圍內，控制器14判斷電極層11與皮膚S有接觸；然後，控制器14輸出生理訊號PS及量測正確訊號MC。相反的，當壓力訊號P未落在此預設範圍內，控制器14判斷電極層11與皮膚S未接觸；然後，控制器14輸出生理訊號PS及量測錯誤訊號ME。不同的測試項目可能有不同的測試範圍；測試者可根據測試項目之測試條件決定上述的預設範圍；在一實施例中，上述之預設範圍可為0.098牛頓至4牛頓之間；在另一實施例中，上述之預設範圍可為4牛頓至6牛頓之間；在又一實施例中，上述之預設範圍可為6牛頓至10牛頓之間。

透過上述的機制，控制器14則能夠有效地判斷生理訊號感測器1之電極層11有沒有脫落及是否確實有接觸皮膚S，並在電極層11與皮膚S未接觸時產生量測錯誤訊號ME，使量測人員可以得知生理訊號PS並沒有正確地被量測，故可以有效地提升生理訊號量測的精確度。

此外，電極層11可由矽-銀基材料製成，其為柔性可彎折且可拉伸之材料，且其阻抗小於10Ω；因此，電極層11能有效地提升生理訊號的精確度，使用者也能舒適地配戴生理訊號感測器1。

當然，上述僅為舉例，生理訊號感測器1之結構及其各元件之間的協同關係均可依實際需求變化，本發明並不以此為限。

請參閱第2圖，其係為本發明之第一實施例之流程圖。如圖所示，本實施例之生理訊號感測器1之生理訊號感測方法包含下列步驟：

步驟S21：透過電極層感測皮膚以產生生理訊號。

步驟S22：利用壓力感測層感測電極層之壓力訊號。

步驟S23：當壓力訊號落在預設範圍內時，控制器判斷電極層與皮膚有接觸，並輸出生理訊號及量測正確訊號。

步驟S24：當壓力訊號落在預設範圍內時，控制器判斷電極層與皮膚未接觸，並輸出生理訊號及量測錯誤訊號。

請參閱第3圖，其係為本發明之第二實施例之生理訊號感測器之結構圖。如圖所示，生理訊號感測器2包含有電極層21、第二絕緣層25、壓電感測層26及控制器24。

電極層21設置於受測者之皮膚S上以感測生理訊號PS。

壓電感測層26感測電極層21之壓電訊號E，此壓電訊號E能做為判斷生理訊號PS之優劣之輔助訊號；在一實施例中，壓電感測層23可為壓阻材料或壓電材料製成。

第二絕緣層25設置於電極層21及壓電感測層26之間以隔離電極層21及壓電感測層26；在一實施例中，第二絕緣層25可為塑膠製成。

控制器24與電極層21及壓電感測層26連接，並輸出生理訊號PS。

控制器24能根據壓電訊號E判斷生理訊號PS之優劣，並根據壓電訊號E產生量測提示訊號，再輸出生理訊號PS及量測提示訊號。當壓電訊號E顯示壓電感測層26為固定形變，控制器24判斷施加電極層21之外力為穩定；然後，控制器14輸出生理訊號PS及量測正確訊號MC。相反的，當壓電訊號E顯示壓電感測層26為非固定形變，控制器24判斷施加電極層21之外力不穩定；然後，控制器14輸出生理訊號PS及量測錯誤訊號ME。

透過上述的機制，控制器14則能夠有效地判斷生理訊號感測器1之電極層11是否適當地固定於皮膚S上及是否有被因不當外力而產生的雜訊干擾，並在電極層11被雜訊干擾時產生量測錯誤訊號ME，使量測人員可以得知生理訊號PS並沒有正確地被量測，故可以有效地提升生理訊號量測的精確度。

當然，上述僅為舉例，生理訊號感測器2之結構及其各元件之間的協同關係均可依實際需求變化，本發明並不以此為限。

請參閱第4圖，其係為本發明之第二實施例之流程圖。如圖所示，本實施例之生理訊號感測器2之生理訊號感測方法包含下列步驟：

步驟S41：透過電極層感測皮膚以產生生理訊號。

步驟S42：利用壓電感測層感測電極層之壓電訊號。

步驟S43：當壓電訊號顯示壓電感測層為固定形變時，控制器判斷施加電極層之外力為穩定，並輸出生理訊號及量測正確訊號

步驟S44：當壓電訊號顯示壓電感測層為非固定形變時，控制器判斷施加電極層之外力不穩定，並輸出生理訊號及量測錯誤訊號。

值得一提的是，現有的乾式電極容易受到環境因素的影響，故量測的生理訊號可能受到訊雜干擾；然而，現有的乾式電極缺乏有效的機制以判斷生理訊號是否有受到雜訊干擾。相反的，根據本發明之實施例，生理訊號感測器包含壓力感測層，其能感測電極層之壓力訊號，其能做為輔助訊號以判斷電極層與是否與皮膚有接觸，使生理訊號感測器能有效地判斷生理訊號是否正確地被量測，以提升生理訊號量測的精確度。

又，根據本發明之實施例，生理訊號感測器包含壓電感測層，其能感測電極層之壓電訊號，其能做為輔助訊號以判斷施加電極層之外力是否為穩定，使生理訊號感測器能有效地判斷生理訊號是否正確地被量測，以提升生理訊號量測的精確度。

此外，由於現有的乾式電極容易受到雜訊的干擾，因此量測儀器可能需要透過複雜的演算法才能濾除雜訊；因此，現有的生理訊號技術使用上極為不便且缺乏效率。相反的，根據本發明之實施例，生理訊號感測器能提供判斷生理訊號是否正確地被量測的輔助訊號，因此使用上不但更為方便且能達到較高的效率。

另外，根據本發明之實施例，生理訊號感測器之電極為柔性可拉伸的矽-銀基材料製成，其不但能降低感測電極之阻抗，且使電極之柔軟度提升，故受測者能舒適地配帶生理訊號感測器。由上述可知，本發明之實施例之生理訊號感測器確實可以達到無法預期的技術效果。

請參閱第5圖，其係為本發明之第三實施例之生理訊號感測器之結構圖。如圖所示，生理訊號感測器3包含有電極層31、第一絕緣層32、壓力感測層33、第二絕緣層35、壓電感測層36及控制器34。

電極層31設置於受測者之皮膚S上以感測生理訊號PS。

壓力感測層33感測電極層31之壓力訊號P。

壓電感測層36感測電極層31之壓電訊號E。

第一絕緣層32設置於電極層31及壓力感測層33之間以隔離電極層31及壓力感測層33。

第二絕緣層35設置於壓力感測層33及壓電感測層36之間以隔離壓力感測層33及壓電感測層36。

控制器34與電極層31、壓力感測層33及壓電感測層36連接，並輸出生理訊號PS。

與前述實施例不同的是，本實施例之生理訊號感測器3同時包含壓力感測層33及壓電感測層36；因此，控制器34能根據壓力訊號P及壓電訊號E判斷生理訊號PS之優劣，並根據壓力訊號P及壓電訊號E產生量測提示訊號，再輸出生理訊號PS及量測提示訊號。

當壓力訊號P落在預設範圍內且壓電訊號E顯示壓電感測層36為固定形變時，控制器34判斷電極層31與皮膚S有接觸且施加電極層31之外力為穩定，並輸出生理訊號PS及量測正確訊號MC。

當壓力訊號P落在預設範圍內且壓電訊號E顯示壓電感測層36為非固定形變時，控制器34判斷電極層31與皮膚S有接觸但施加電極層31之外力不穩定，並輸出生理訊號PS及量測錯誤訊號ME。

當壓力訊號P未落在預設範圍內且壓電訊號E顯示壓電感測層36為固定形變時，控制器34判斷電極層31與皮膚S未接觸但施加電極層31之外力為穩定，並輸出生理訊號PS及量測錯誤訊號ME。

當壓力訊號P未落在預設範圍內且壓電訊號E顯示壓電感測層36為非固定形變時，控制器34判斷電極層31與皮膚S未接觸且施加電極層31之外力不穩定，並輸出生理訊號PS及量測錯誤訊號ME。

透過上述的機制，控制器14則能夠有效地判斷生理訊號感測器1之電極層11是否確實有接觸皮膚S以及是否有被因不當外力而產生的雜訊干擾，並在電極層11沒有接觸皮膚S或被雜訊干擾時產生量測錯誤訊號ME，使量測人員可以得知生理訊號PS並沒有正確地被量測，故可以有效地提升生理訊號量測的精確度。

當然，上述僅為舉例，生理訊號感測器3之結構及其各元件之間的協同關係均可依實際需求變化，本發明並不以此為限。

請參閱第6圖，其係為本發明之第三實施例之流程圖。如圖所示，本實施例之生理訊號感測器3之生理訊號感測方法包含下列步驟：

步驟S61：透過電極層感測皮膚以產生生理訊號，並進入步驟S62。

步驟S62：利用壓力感測層感測電極層之壓力訊號，並進入步驟S63。

步驟S63：經由壓電感測層感測電極層之壓電訊號，並進入步驟S64。

步驟S64：由控制器判斷壓力訊號是否落在預設範圍內?若是，則進入步驟S65；若否，則進入步驟S651。

步驟S65：由控制器根據壓電訊號判斷壓電感測層是否為固定形變?若是，則進入步驟S66；若否，則進入步驟S651。

步驟S651：控制器輸出生理訊號及量測錯誤訊號。

步驟S66：控制器輸出生理訊號及量測正確訊號。

綜上所述，根據本發明之實施例，生理訊號感測器包含壓力感測層，其能感測電極層之壓力訊號，其能做為輔助訊號以判斷電極層與是否與皮膚有接觸，使生理訊號感測器能有效地判斷生理訊號是否正確地被量測，以提升生理訊號量測的精確度。

另外，根據本發明之實施例，生理訊號感測器包含壓電感測層，其能感測電極層之壓電訊號，其能做為輔助訊號以判斷施加電極層之外力是否為穩定，使生理訊號感測器能有效地判斷生理訊號是否正確地被量測，以提升生理訊號量測的精確度。

此外，根據本發明之實施例，生理訊號感測器能提供判斷生理訊號是否正確地被量測的輔助訊號，因此使用上不但更為方便且能達到較高的效率。

再者，根據本發明之實施例，生理訊號感測器之電極為柔性可拉伸的矽-銀基材料製成，其不但能降低感測電極之阻抗，且使電極之柔軟度提升，故受測者能舒適地配帶生理訊號感測器。

可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

1、2、3‧‧‧生理訊號感測器 11、21、31‧‧‧電極層 12、32‧‧‧第一絕緣層 13、33‧‧‧壓力感測層 14、24、34‧‧‧控制器 25、35‧‧‧第二絕緣層 26、36‧‧‧壓電感測層 S‧‧‧皮膚 PS‧‧‧生理訊號 P‧‧‧壓力訊號 E‧‧‧壓電訊號 MC‧‧‧量測正確訊號 MR‧‧‧量測錯誤訊號 S21~S24、S41~S44、S61~S66‧‧‧步驟流程

第1圖係為本發明之第一實施例之生理訊號感測器之結構圖。

第2圖係為本發明之第一實施例之流程圖。

第3圖係為本發明之第二實施例之生理訊號感測器之結構圖。

第4圖係為本發明之第二實施例之流程圖。

第5圖係為本發明之第三實施例之生理訊號感測器之結構圖。

第6圖係為本發明之第三實施例之流程圖。

1:生理訊號感測器

11:電極層

12:第一絕緣層

13:壓力感測層

14:控制器

S:皮膚

PS:生理訊號

P:壓力訊號

MC:量測正確訊號

MR:量測錯誤訊號

Claims

一種生理訊號感測器，其包含有：一電極層，係設置於一皮膚上以感測一生理訊號，該生理訊號為膚電訊號或肌電訊號；一壓力感測層，係感測該電極層之一壓力訊號；以及一控制器，係與電極層及該壓力感測層連接，並輸出該生理訊號及根據該壓力訊號輸出一量測正確訊號或一量測錯誤訊號；其中，當該壓力訊號落在一預設範圍內時，該控制器判斷該電極層與該皮膚有接觸，並產生該量測正確訊號；當該壓力訊號未落在該預設範圍內時，該控制器判斷該電極層與該皮膚未接觸，並產生該量測錯誤訊號。
如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測器，更包含一壓電感測層，係與該控制器連接，並感測該電極層之一壓電訊號，且根據該壓電訊號判斷該生理訊號是否受到雜訊干擾。
如申請專利範圍第2項所述之生理訊號感測器，其中當該壓電訊號顯示該壓電感測層為固定形變時，該控制器判斷施加該電極層之外力為穩定；當該壓電訊號顯示該壓電感測層為非固定形變時，該控制器判斷施加該電極層之外力不穩定。
如申請專利範圍第2項所述之生理訊號感測器，更包含一第一絕緣層，係設置於該電極層及該壓力感測層之間。
如申請專利範圍第4項所述之生理訊號感測器，更包含一第二絕緣層，係設置於該壓力感測層及該壓電感測層之間。
如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測器，其中該電極層係為柔性可彎折且可拉伸之材料製成。
如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測器，其中該電極層係為矽-銀基材料製成。
一種生理訊號感測器，其包含有：一電極層，係設置於一皮膚上以感測一生理訊號，該生理訊號為膚電訊號或肌電訊號；一壓電感測層，係感測該電極層之一壓電訊號；以及一控制器，係與電極層及該壓電感測層連接，並輸出該生理訊號及根據該壓電訊號輸出一量測正確訊號或一量測錯誤訊號；其中，當該壓電訊號顯示該壓電感測層為固定形變時，該控制器判斷施加該電極層之外力為穩定，並產生該量測正確訊號；當該壓電訊號顯示該壓電感測層為非固定形變時，該控制器判斷施加該電極層之外力不穩定，並產生該量測錯誤訊號。
如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測器，更包含一壓力感測層，係與該控制器連接，並感測該電極層之一壓力訊號。
如申請專利範圍第9項所述之生理訊號感測器，其中當該壓力訊號落在一預設範圍內時，該控制器判斷該電極層與該皮膚有接觸；當該壓力訊號未落在該預設範圍內時，該控制器判斷該電極層與該皮膚未接觸。
如申請專利範圍第9項所述之生理訊號感測器，更包含一第一絕緣層，係設置於該電極層及該壓力感測層之間。
如申請專利範圍第11項所述之生理訊號感測器，更包含一第二絕緣層，係設置於該壓力感測層及該壓電感測層之間。
如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測器，其中該電極層係為矽-銀基材料製成。
一種生理訊號感測方法，其包含有：透過一電極層感測一皮膚以產生一生理訊號；利用一壓力感測層感測該電極層之一壓力訊號；以一壓電感測層感測該電極層一壓電訊號；以及透過一控制器輸出該生理訊號及根據該壓力訊號及該壓電訊號輸出一量測正確訊號或一量測錯誤訊號；其中，當該壓力訊號落在一預設範圍內且該壓電訊號顯示該壓電感測層為固定形變時，該控制器判斷該電極層與該皮膚有接觸且施加該電極層之外力為穩定，並輸出該生理訊號及一量測正確訊號；當該壓力訊號落在一預設範圍內且該壓電訊號顯示該壓電感測層為非固定形變時，該控制器判斷該電極層與該皮膚有接觸但施加該電極層之外力不穩定，並輸出該生理訊號及一量測錯誤訊號。
如申請專利範圍第14所述之生理訊號感測器，其中根據該壓力訊號及該壓電訊號判斷該生理訊號是否受雜訊干擾並輸出該生理訊號之步驟更包含：當該壓力訊號未落在一預設範圍內且該壓電訊號顯示該壓電感測層為固定形變時，該控制器判斷該電極層與該皮膚未接觸但施加該電極層之外力為穩定，並輸出該生理訊號及一量測錯誤訊號。
如申請專利範圍第14所述之生理訊號感測器，其中根據該壓力訊號及該壓電訊號判斷該生理訊號是否受雜訊干擾並輸出該生理訊號之步驟更包含：當該壓力訊號未落在一預設範圍內且該壓電訊號顯示該壓電感測層為非固定形變時，該控制器判斷該電極層與該皮膚未接觸且施加該電極層之外力不穩定，並輸出該生理訊號及一量測錯誤訊號。