專利名稱：利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于偵測人體生理能例如應(yīng)用在體能訓練，醫(yī)療，健身，保健等中的方法及系統(tǒng)，特別是涉及一種以至少一塊布料，且至少一導電區(qū)設(shè)置于該布料，與人體接觸，兩者之間形成一電容，當人體與布料之間有壓力、拉力或扭力等力而使電容變化，或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變而使電容值產(chǎn)生變化時，在外界提供的一信號的作用下產(chǎn)生一共振頻率、電壓或電流，并且利用此共振頻率、電壓或電流偵測人體生理參數(shù)，如呼吸、 吞咽、濕度、咳嗽、流汗、心跳，也可用于姿勢參數(shù)，如位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度的偵測，并且電容傳感器本身也可被當作偵測人體的壓力、拉力、張力的傳感器或是人體位移傳感器而產(chǎn)生可分辨信號的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著生活水平與醫(yī)療衛(wèi)生的長足進步，人類的平均壽命逐漸延長，老年人口比例持續(xù)增加。面對高齡化的社會，各種社會福利，醫(yī)療醫(yī)藥技術(shù)與社會安全制度的問題隨著顯現(xiàn)，越來越多的高齡者無法藉由家人與家庭獲得妥善充分的照顧，此外，運動，休閑，娛樂等也是必要的生理能監(jiān)控項目。為了以讓人沒有異物感的方式來偵測人體的生理信號，可穿式的感應(yīng)器是最重要的關(guān)鍵所在。在國外，已有相關(guān)的技術(shù)討論例如krgio先生使用兩個導電電極去感測壓力，其原理是從外部系統(tǒng)提供一個固定的頻率并偵測兩個電極之間的電容，其壓力變化的呈現(xiàn)是以電壓來表現(xiàn)(可參閱參考文件1)。另一個用以偵測呼吸的系統(tǒng)則是用距離變化來表現(xiàn)當使用者呼吸時，電容會產(chǎn)生變化并導致電極之間的距離隨其變化(可參閱參考文件幻。更有人利用兩導電電極之間的電容變化來偵測濕度(可參閱參考文件幻。Jun Rekimoto研發(fā)了一個可量測導電物體之間距離的技術(shù)，他測量電極以及導電體之間的電容并使用一個轉(zhuǎn)換器(transmitter)和一個電極接收器(receiver)，當人體接近兩電極時其電容變大，這是用來偵測proximitry and position (接近及位置傳感器)，由于偵測手勢沒有直接接觸皮膚，故沒有考慮到人體的等效寄生電容，并且也沒有因壓力、拉力或扭力不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。本文用的是手表的形式，且一個電容值是相對于一種手的形狀。當做在衣服上時都有一隔離層(shield layer)接地，其輸出端是以電壓的振幅來表現(xiàn)，其發(fā)射信號也是固定的而不是振蕩的，也就是說它是不變的(可參閱參考文件4)。Cliff Randell 在論文中研究了以兩個導電布形成一電容，在外部的壓力下人的姿勢一有變動，其電容值也跟著變化的情況(可參閱參考文件幻。在Jan Meyer的研究中，其原理與上述幾篇相同， 只是改變了兩導電布之間的材料(可參閱參考文件6)。最后，在Jingyuan Cheng的研究中，利用人的身體當作一介質(zhì)，并放置了導電布在身體的兩側(cè)形成一電容，同時用一電路去測量此電容值的變化，在此研究中他展示了呼吸與喝水可以產(chǎn)生可分辨的不同信號(可參閱參考文件7)。美國專利11/68132P利用兩塊布料來測量人體的生理變化，但是利用兩塊布料之間隨人體變化而產(chǎn)生的電容變化，且其量測的參數(shù)是電壓變化。
美國專利6擬6968利用行與列的電極，并在兩者之間放一介質(zhì)來形成電容，用來測量壓力，這也是利用兩塊布料之間的電容隨壓力大小而改變，且給的也是一固定頻率來測量電壓的變化。專利US64695M則是通過發(fā)射一信號到第一電極，第二電極與第一電極形成一電容，當人接近時，其電容值也隨之改變，同時也要產(chǎn)生一相位差(PHASE SHIFTED)信號。專利P CT/CN2008/001571指的是裂縫兩邊的導電區(qū)之間隨外力而變化，與人的身體接觸無關(guān)的情況。專利US2005/0215915是利用兩電極受到壓力作下產(chǎn)生距離改變，同時導致電容值變化，而本發(fā)明是通過身體與電極之間隨壓力變化或者身體與電極之間的介電常數(shù)改變而產(chǎn)生的電容變化。專利C擬641621也是利用兩導電材料，如金屬片或纖維，在壓力作用下產(chǎn)生的電容變化，而與受測者的身體無關(guān)，并且兩電極中間要有絕緣材料。專利CN101622518A也是利用電容傳感器在受壓力以及剪切力所產(chǎn)生的電容值變化，而非導電材料與人體之間的電容值由于受到外力而變化。專利CN1718160中所用的靜電電容測呼吸也是利用兩導電材質(zhì)在受壓下的電容變化。專利JP2003339652A中的心跳、呼吸傳感器也是利用兩電極之間在受到壓力作用下的電容變化而得到。專利US67243M是電容式接近傳感器(capacitive proximity sensor)，其包括第一電極接收交流電流信號，第二電極以生成一個輸入信號。該傳感器還包括一個中間電極， 放置在第一電極與第二電極之間，以及接地端，用來偵測是否有手指接近及其位置。專利US7675296則提供了相對于主體頭部的對稱排列的電極，其中至少包括第一及第二電極；并且第一及第二電極選擇性耦合于交流電壓源，以用來偵測車輛中乘員頭部的姿勢，此電極與測試者并不接觸。專利US2007/00849;341則是由一振蕩器(OSCILLATOR)產(chǎn)生一信號來測量布、紙上的字的電阻、電容值。而本發(fā)明是用一振蕩器(OSCILLATOR)，尤其是一個非穩(wěn)態(tài)的振蕩器來測量布料電極與人體之間的電容變化，且電容變化是以共振頻率來表現(xiàn)，例如不同的生理狀態(tài)導致布料電極與人體之間的互動會產(chǎn)生不同的共振頻率、電壓或電流，且共振頻率、電壓或電流也會隨著人體的變化而連續(xù)變化，不同的生理狀態(tài)產(chǎn)生不一樣的頻率、電壓或電流變化曲線。專利US717;3437是用電容感應(yīng)器(CAPACITIVE SENSOR)來測量生理電壓 (BIOPOTENTIAL)。而本發(fā)明則是測量布料電極與人體之間因互動所產(chǎn)生的共振頻率，本發(fā)明所測量的是身體“活動”所產(chǎn)生的“變化”。專利US7135983是利用一振蕩電路(OSCILLATING)，當人接近電極時，有人與沒人所產(chǎn)生的電容不同，故振蕩電路(OSCILLATING)所測到的頻率也不同，但此專利測量的是有人或沒人，且電極只有一個，而本發(fā)明涉及的是電極與人體之間的電容變化，是人的生理變化，而不只是有人或沒有人，本發(fā)明讀取的是布料電極與人體長期互動下的生理信號，且在專利US7135983中只是使用單一電極且它的接地是虛地，則其結(jié)果是電容變化很小，因為人體寄生電容的關(guān)系，導致準確度與可靠度都不穩(wěn)，而本發(fā)明則是用兩電極與人體之間構(gòu)成回路，則人體的生理變化例如手動、呼吸、吞咽、咳嗽等都有非常明顯的變化，同時不同的生理變化，其頻率、電壓或電流變化的特性也不同，故由頻率、電壓或電流變化的特性來判別人的生理變化，也就是說本發(fā)明測的是身體與電極之間的連續(xù)變化，且分析連續(xù)變化中的頻率、電壓或電流特性的改變，而不只是ON(有人)或OFF(沒人)。由此可見，在上述引證的現(xiàn)有技術(shù)中，電壓的振幅或頻率信號變化并不是非常明顯，為此，本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)進行了改進，同時設(shè)計了一個振蕩器以產(chǎn)生頻率，并至少有一導電布與人體接觸以形成電容。當人體產(chǎn)生生理變化時，電容值也隨之改變，因此本發(fā)明可以偵測到共振頻率的變化。其信號非常明顯且容易判別。本發(fā)明可測得的生理信號是使用可穿戴式導電布料取得。特別是可偵測呼吸、吞咽、咳嗽、姿勢、人體濕度與人體各部位受壓力程度而可以產(chǎn)生可分辨的信號。尤其是當不同位置有電容傳感器時，每個電容傳感器的電容值都不相同，使得測到的電壓、電流或頻率范圍都不相同，從而可以得到不同位置的生理信號。參考文件 L M· Sergio，et al，A Textile-Based Capacitive Pressure Sensor， Sensor Letters, Volume 2，Number 2，June 2004,pp.153-160(8).參考文件 2. Tae-Ho Kang, et al, Sensors on Textile Substrate for Home-Based Healthcare Monitoring， Proceedings of the 1st Distributed Diagnosis and Home Healthcare(D2H2)Conference.參考文件 3. F. Di Francesco，D. Costanzo，P. Salvo, D. De Rossi Towards the measurement of sweat rate via wearable sensors，4th pHealth confence 2007.# # ^ # 4. J. Rekimoto, ET AL, Gesture and Gesture Pad :Unobstrusive Wearable International Devices, Proceedings of the 5th IEEE International Symposium on Wearable Computers2001.參考文件 5.Cliff Randel 1，et al，The Sensor Sleeve Sensing Affective Gestures.Ninth International Symposium on Wearable Computers—Workshop on On-Body Sensing. October 2005.參考文件 6· J· Meyer, et al, Textile Pressure for Muscle Activity and Motion Detection， the 10th IEEE International Symposium on Wearable Computers， 2006.參考文件 7. Jingyuan Cheng， et al, Towards Wearable Capacitive Sensing of Physiological Parameters. 2nd Int. Conf. Pervasive Computing Tech. for Healthcare, 2008.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的偵測人體的生理的方法及系統(tǒng)存在的缺陷，而提供一種新的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)，所要解決的技術(shù)問題是使其可用偵測人體生理機能的布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號，并可應(yīng)用于體能訓練、醫(yī)療、健身，保健、娛樂等，特別是用至少一布料，且至少一導電區(qū)設(shè)置于該布料，同時導電區(qū)與人體接觸。人體與導電區(qū)兩者之間形成一電容，在外界提供一信號的作用下會產(chǎn)生一共振頻率、電壓或電流，利用此共振頻率、電壓或電流可偵測人體生理參數(shù)，由于原先的技術(shù)大多是觀察電壓的變化，其變化很小且都只觀察一個位置或一個生理參數(shù)，而本發(fā)明則改成觀察在壓力、拉力或張力作用下，一個以上的身體位置有導電材料所產(chǎn)生的生理信號或一個以上的生理參數(shù)在一個位置，例如脖子，用電容傳感器可同時測脖子轉(zhuǎn)動或吞口水的頻率、電壓或電流的變化，其變化很大，而且穿戴者感覺非常舒服，無需很緊身的接觸，非常適于實用。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種新的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)，所要解決的技術(shù)問題是使其可以偵測人體的姿勢，并且可用來偵測的姿勢例如包含頭部運動、腳部運動或各關(guān)節(jié)的運動，而可以知道在姿勢變化時，壓力、拉力或張力的變化，從而更加適于實用。本發(fā)明的再一目的在于，提供一種新的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)，所要解決的技術(shù)問題是使其可以偵測人體的呼吸、吞咽、咳嗽或出汗，從而更加適于實用。本發(fā)明的還一目的在于，提供一種新的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)，所要解決的技術(shù)問題是使其可以偵測人體的位移、速度、加速度、角度、角速度、 角加速度，從而更加適于實用。本發(fā)明的另外還一目的在于，提供一種新的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)，所要解決的技術(shù)問題是使其可以利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號偵測人體的濕度、溫度，從而更加適于實用。本發(fā)明的另外還一目的在于，提供一種新的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)，所要解決的技術(shù)問題是使其可以偵測人體不同位置的張力、扭力、拉力或壓力，從而更加適于實用。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其包含至少一布料，至少一導電區(qū)是設(shè)置于該布料，及提供有一信號的電路，該導電布料與人體之間形成一電容，當人體與布料之間有壓力、扭力、拉力或張力而使電容變化或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變使電容值產(chǎn)生變化時，該電路發(fā)出信號，系統(tǒng)接收導電布料與人體之間的電容值的變化， 且該變化以頻率、電壓或電流變化來表現(xiàn)，并用頻率、電壓或電流變化的過程來分析人體的生理、姿勢變化、人體與布料之間的介質(zhì)變化或所受力量的信息中的至少一種信息。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中在導電布料上包有一彈性材料，或者導電布料本身就含有彈性材料。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中有一開關(guān)與導電布料連接或者開關(guān)本身就是電容傳感器。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的開關(guān)可為按鍵開關(guān)，裂縫開關(guān)或多段開關(guān)。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中不同的生理變化、姿勢或力量可測得到不一樣的頻率、電壓或電流變化曲線。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的電路可使用 555IC的多諧振蕩器，運算放大器所做無穩(wěn)態(tài)的震蕩電路，施密特觸發(fā)器，互補金屬氧化物半導體組成或晶體管組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的導電布料至少有二個，其中一個為參考導電區(qū)，該參考導電區(qū)接地。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的參考導電區(qū)與人身體接觸。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的參考導電區(qū)是在衣服、褲子、床單、帽子、襪子、手套或袖口上縫一導電布料。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，可在用來偵測姿勢變化的同時可測其它生理信息如心跳、呼吸、濕度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的導電布料與人體之間沒有直接接觸，例如隔一層布。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，可用來偵測不同位置的生理變化，例如姿勢變化、呼吸、吞咽、咳嗽。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，可用于定位也就是說可以知道在身體哪個位置產(chǎn)生生理或姿勢信號。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，是在一設(shè)定的臨界壓力下才能啟動偵測。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的導電區(qū)同時當作生理信號傳感器，即電極可用來偵測心跳、呼吸、腦波、肌電圖、心電圖。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，更包含另一傳感器，設(shè)計在布料上。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其中所述的導電布料是設(shè)計在隨身衣物，例如衣服、帽子、口罩、襪子、鞋子、床單、手套、方向盤、拐杖、桌布、地毯或義肢上。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，可用于偵測汗?jié)?、傷口、流汗，涂藥、抹粉化妝導致的介電常數(shù)的改變，由于介電常數(shù)改變則偵測的共振頻率也不相同。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，通過布料電容傳感器可偵測關(guān)節(jié)的角度、角速度、角加速度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，通過布料電容傳感器可偵測人的位置、速度、加速度或行走的距離。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，通過布料電容傳感器可偵測到人體不同部位的拉力、張力或壓力。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，通過布料電容傳感器同時可偵測到人體的位移。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法。其特征在于其包含至少一布料，至少一導電區(qū)是設(shè)置于該布料，及提供有一信號的電路用來發(fā)出信號，利用該導電布料與人體之間形成一電容，當人體與布料之間有壓力、拉力或張力而使電容變化或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變使電容值產(chǎn)生變化時，該電路發(fā)出信號，通過接收導電布料與人體兩者之間電容值的變化，且此變化由頻率、電壓或電流變化來表現(xiàn)，藉由此頻率、電壓或電流變化的過程可用來分析人體的生理、姿勢變化、人體與布料之間的介質(zhì)變化或所受力量的信息中的至少一種信息。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中在導電布料上包有一彈性材料，或者導電布料本身就含有彈性材料。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中更包含一開關(guān)與導電布料連接或者開關(guān)本身就是電容傳感器。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的開關(guān)可為按鍵開關(guān)，裂縫開關(guān)或多段開關(guān)。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的開關(guān)可為模擬開關(guān)或數(shù)字開關(guān)。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的電路可使用 555IC的多諧振蕩器，運算放大器所做無穩(wěn)態(tài)的震蕩電路，施密特觸發(fā)器，互補金屬氧化物半導體組成或晶體管組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的導電布料至少有二個，其中一個為參考導電區(qū)，該參考導電區(qū)接地。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的參考導電區(qū)與人身體接觸。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的參考導電區(qū)是在衣服、褲子、床單、帽子、襪子、手套或袖口上縫一導電布料。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，在用來偵測姿勢變化的同時可測其它生理信息如心跳、呼吸、濕度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的導電布料與人體之間沒有直接接觸，例如隔一層布。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，可用來偵測不同位置的生理變化，例如姿勢變化、呼吸、吞咽、咳嗽、濕度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，可用于定位也就是說可以知道在身體哪個位置產(chǎn)生生理信號。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，是在一設(shè)定的臨界壓力下才能啟動偵測。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，該方法的導電區(qū)同時當作生理信號傳感器，即電極。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，更包含另一傳感器，是設(shè)計在與人體接觸的布料上。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的導電布料是設(shè)計在衣服、帽子、襪子、鞋子、床單、手套、方向盤、拐杖、桌布、地毯或義肢上。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，可用于偵測汗?jié)?、傷口、流汗，涂藥、抹粉化妝導致的介電常數(shù)的改變，由于介電常數(shù)改變則偵測的共振頻率也不相同。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可偵測關(guān)節(jié)的角度、角速度、角加速度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可偵測人的位置、速度、加速度或行走的距離。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可偵測到人體不同部位的拉力、張力或壓力。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器同時可偵測到人體的生理信息。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過兩腳的傳感器產(chǎn)生的信號變化可偵測到人體的步態(tài)穩(wěn)定度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可對人體進行步態(tài)分析。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可偵測到人體的睡眠活動圖(actigraph)。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可判斷人體的跌倒。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過重心變化、重心速度或重心加速度來測步態(tài)穩(wěn)定度。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器測得的不同生理狀態(tài)可測得不一樣的頻率、電壓或電流變化曲線。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，通過布料電容傳感器可偵測到人體不同部位的位移。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中所述的導電布料的結(jié)構(gòu)像魔鬼氈。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中該方法通過布料電容傳感器串聯(lián)或并聯(lián)一電阻R，電容C或電感L，來改變其頻率、電壓或電流的信號范圍。前述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其中該方法通過布料電容傳感器串聯(lián)或并聯(lián)開關(guān)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)至少具有下列優(yōu)點及有益效果由于原先的技術(shù)大多是觀察電壓的變化，其變化很小且只讀單一參數(shù)或單一位置，而本發(fā)明則改成在壓力、張力、拉力或扭力作用下觀察頻率、電壓或電流的變化，由于不同位置或相同位置的不同生理參數(shù)變化很大，所以在使用本發(fā)明時，穿戴者無需很緊身的接觸，會感覺非常舒服。綜上所述，本發(fā)明是有關(guān)于一種利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)。該系統(tǒng)是用布料電極與人體接觸兩者之間形成一電容，在外界提供一信號的作用下， 當人體與布料之間有壓力、張力、拉力或扭力而使電容變化或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變使電容值產(chǎn)生變化時，會偵測到電容的變化，該電容的變化是以頻率、電壓或電流來顯示，故會產(chǎn)生一頻率、電壓或電流變化，利用此共振頻率、電壓或電流的變化來反應(yīng)人體的生理參數(shù)，例如姿勢、吞咽、咳嗽、呼吸、流汗，甚至心跳等。本發(fā)明在技術(shù)上有顯著的進步， 并具有明顯的積極效果，誠為一新穎、進步、實用的新設(shè)計。 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1是本發(fā)明的架構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的測量原理及共振頻率的示意圖。
圖3是本發(fā)明的充電-放電過程和對應(yīng)輸出的示意圖。
圖4是本發(fā)明的電容傳感器等效電路的示意圖。
圖5是本發(fā)明的電橋測量電路的示意圖。
圖6是本發(fā)明的運算放大器測量電路的示意圖。
圖7是本發(fā)明的二極管雙T形電路的示意圖。
圖8是本發(fā)明的調(diào)頻式測量電路的原理框圖。
圖9是本發(fā)明的OPA做無穩(wěn)態(tài)的振蕩電路的示意圖。
圖10是本發(fā)明的施密特觸發(fā)器組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的示意圖。
圖11是本發(fā)明的CMOS組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的示意圖。
圖12是本發(fā)明的晶體管組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的示意圖。
圖13是本發(fā)明的單一電極銀纖維布電極實作的示意圖。
圖14是本發(fā)明的二個電極與皮膚接觸，一個是傳統(tǒng)電極的示意圖。
圖15是本發(fā)明的短纖不銹鋼布料與傳統(tǒng)電極(接地)重量改變時頻率的變化的示意圖。
圖16是本發(fā)明的二個布料電極與皮膚接觸的示意圖。
圖17A至圖17B是本發(fā)明的銀纖維布料接地，分別與短纖不銹鋼布料、銀纖維的重量-頻率的變化的示意圖。
圖18是本發(fā)明的頻率變動示意圖。
圖19是本發(fā)明的吞咽時頻率與時間的變化的示意圖。
圖20是本發(fā)明的咳嗽時頻率與時間的變化的示意圖。
圖21是本發(fā)明的呼吸時頻率與時間的變化的示意圖。
圖22是本發(fā)明的腳踏重量改變時頻率變化的示意圖。
圖23A至圖23D是本發(fā)明的兩種不同按鍵的示意圖。
圖24A至圖24B是本發(fā)明的按鍵加海棉且有電極在海棉上面的示意圖。
圖24C至圖24D是本發(fā)明的布料電容傳感器串聯(lián)或并聯(lián)按鍵的電路圖。
圖24E至圖241是本發(fā)明的五種不同按鍵的示意圖。
圖25A至圖25B是本發(fā)明的水平及垂直位移器的示意圖。
圖26A至圖26B是本發(fā)明的魔鬼氈當作開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖27是本發(fā)明的魔鬼粘與棉布縫上不銹鋼線，重量與頻率的變化示意圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、方法、步驟、特征及其功效，詳細說明如后。有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中將可清楚呈現(xiàn)。通過具體實施方式
的說明，當可對本發(fā)明為達成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效獲得一更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，并非用來對本發(fā)明加以限制。本發(fā)明的技術(shù)已投稿于IEEE EMBC 2010 題目 Capacitive textile sensor detecting physiological signal by resonance frequency。同時這一技術(shù)可用于禾Il用織品傳感器的人體監(jiān)控系統(tǒng)，使得衣物上的各種傳感器同時串聯(lián)或并聯(lián)本發(fā)明的電容傳感器，使所得的信息不只是生理信號，同時也可以得到人體不同部位在外力、壓力、張力、重力或拉力下的模擬信號，例如濕度、壓力、呼吸等，使步態(tài)分析或心跳、呼吸、心電圖、體溫等生理參數(shù)的信號更為精準。本發(fā)明測量的原理是形成一個理想的電容，該電容是由兩個導電板所組成，并由一個電介質(zhì)以讓這兩個導電板彼此分離且絕緣。其電容(C)被定義為電荷(Q)比電壓(V)。 其電容值取決于導電板的區(qū)域、兩者間的距離、以及電介質(zhì)的材料。人體可被視為一個導電體。當導電布料接觸到人體表面即在皮膚與布料電極之間產(chǎn)生一電容。因此當身體狀態(tài)改變時導致與導電布料之間的重力、壓力、張力(tension) 或扭力(strain)也隨之變化，因而身體與導電布料之間的電容值也發(fā)生改變，也就是說生理產(chǎn)生變化時導致電容值產(chǎn)生了可偵測到的變化。本發(fā)明使用導電布料去接觸皮膚并且當施壓于導電布料時，也就是說電容會產(chǎn)生變化。我們設(shè)計一振蕩器以產(chǎn)生信號，當有生理變化，即使人體與布料之間有壓力，重力、扭力或拉力，且產(chǎn)生改變時，電容值也隨之改變，因此我們也可以偵測到共振頻率、電壓或電流的變化，它可以用來偵測生理參數(shù)或姿勢變化。我們設(shè)計的一振蕩器產(chǎn)生信號，當生理或壓力改變時，則電容也一樣被改變，因此我們可以測出共振頻率、電壓或電流的變動，這可以被用于區(qū)別皮膚和布料電極之間的電容或所受到的外部力量。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中可變電容C為人體的電容變化，另外頻率解調(diào)器也可以改成測量電容的電壓或電流的電路來代替，因為頻率變化最大可偵測的范圍為2 JI f，例如50KHZ的其共振頻率，其鎖頻范圍最多到12. 5KHZ左右，故頻率變化范圍大的時候，只好用分段鎖頻，或是直接計算(count)其頻率了。同時經(jīng)信號處理來分析結(jié)果。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示在圖2中。其中使用555IC構(gòu)成一個穩(wěn)定的多諧振蕩器電路，外在電路包括Rl、R2、Cv及消除噪聲的旁路電容C2，電源初接上時，電容器Cv并沒有充電，此時555的第3腳輸出為高電壓，電容Cv經(jīng)R1、R2充電，當充電到2/3Vcc時，555的第 6腳被觸發(fā)動作，使得輸出腳第3腳轉(zhuǎn)成低電位(OV)，此時電容Cv勢必經(jīng)R2放電(因第3 腳輸出為“Low”可視之為接地)，當Cv放電到l/3Vcc時，第2腳被觸發(fā)使輸出腳第3腳又再轉(zhuǎn)成高電位，如此周而復始的振蕩。其中C2為旁路電容，對控制而言是不太必要的，其作用是免除外界噪聲從此腳輸入至555造成555發(fā)生錯誤，其中Cv的充放電過程及對應(yīng)的輸出，如圖3所示。以人的皮膚和布料電極形成一個電容器Cl，電容器的變異將改變電容量，因此我們使用這個特點替換穩(wěn)定的多諧振動器電路的Cv。因為易穿脫的布料電極和皮膚在接觸壓力上的物理變化與易變的電容器Cv是相等效力的。在外部力量下皮膚和布料傳感器之間的電容將會改變。即電容器Cl在壓力下是易變的。易變的電容器通過一穩(wěn)定的多諧振動器電路達到平衡(1.1)，但可存在不同的頻率，而這變動的頻率應(yīng)該是我們想要的。同時，流經(jīng)身體的一般電流大約是165 μ A(Rl和R2 是IOK Ω，Vcc為3. 3伏特)振蕩頻率
權(quán)利要求
1.一種利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其包含至少一布料， 至少一導電區(qū)是設(shè)置于該布料，及提供有一信號的電路，該導電布料與人體之間形成一電容，當人體與布料之間有壓力、拉力、扭力或張力而使電容變化或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變使電容值產(chǎn)生變化時，該電路發(fā)出信號，系統(tǒng)接收導電布料與人體之間的電容值的變化，且該變化以頻率、電壓或電流變化來表現(xiàn)，并用頻率、電壓或電流變化的過程來分析人體的生理、姿勢變化、人體與布料之間的介質(zhì)變化或所受力量的信息中的至少一種信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中在導電布料上包有一彈性材料，或者導電布料本身就含有彈性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中有一開關(guān)與導電布料連接或者開關(guān)本身就是電容傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的開關(guān)可為按鍵開關(guān)，裂縫開關(guān)或多段開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中不同姿勢或力量可測得到不一樣的頻率、電壓或電流變化曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的電路可使用的多諧振蕩器，運算放大器所做無穩(wěn)態(tài)的震蕩電路，施密特觸發(fā)器，互補金屬氧化物半導體組成或晶體管組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的導電布料至少有二個，其中一個為參考導電區(qū)，該參考導電區(qū)接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的參考導電區(qū)與人身體接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的參考導電區(qū)是在衣服、褲子、床單、帽子、襪子、手套或袖口上縫一導電布料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)在用來偵測姿勢變化的同時可測其它生理信息如心跳、呼吸、濕度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的導電布料與人體之間沒有直接接觸，例如隔一層布。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)可用來偵測不同位置的生理變化，例如姿勢變化、呼吸、吞咽、咳嗽。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)可用于定位也就是說可以知道在身體哪個位置產(chǎn)生生理信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)是在一設(shè)定的臨界壓力下才能啟動偵測。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的導電區(qū)同時當作生理信號傳感器，即電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其更包含另一傳感器，是設(shè)計在與人體接觸的布料上。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于其中所述的導電布料是設(shè)計在衣服、帽子、口罩、襪子、鞋子、床單、手套、方向盤、拐杖、桌布、地毯或義肢上。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)可用于偵測汗?jié)?、傷口、流汗，涂藥、抹粉化妝導致的介電常數(shù)的改變，由于介電常數(shù)改變則偵測的共振頻率也不相同。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)通過布料電容傳感器可偵測關(guān)節(jié)的角度、角速度、角加速度。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)通過布料電容傳感器可偵測人的位置、速度、加速度或行走的距離。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)通過布料電容傳感器可偵測到人體不同部位的拉力、張力或壓力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)通過布料電容傳感器可偵測到人體的位移。
23.一種利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法。其特征在于其包含至少一布料， 至少一導電區(qū)是設(shè)置于該布料，及提供有一信號的電路用來發(fā)出信號，利用該導電布料與人體之間形成一電容，當人體與布料之間有壓力、拉力、扭力或張力而使電容變化或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變使電容值產(chǎn)生變化時，該電路發(fā)出信號，通過接收導電布料與人體兩者之間電容值的變化，且此變化由頻率、電壓或電流變化來表現(xiàn)，藉由此頻率、電壓或電流變化的過程可用來分析人體的生理、姿勢變化、人體與布料之間的介質(zhì)變化或所受力量的信息中的至少一種信息。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中在導電布料上包有一彈性材料，或者導電布料本身就含有彈性材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中更包含一開關(guān)與導電布料連接或者開關(guān)本身就是電容傳感器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的開關(guān)可為按鍵開關(guān)，裂縫開關(guān)或多段開關(guān)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的開關(guān)可為模擬開關(guān)或數(shù)字開關(guān)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的電路可使用的多諧振蕩器，運算放大器所做無穩(wěn)態(tài)的震蕩電路，施密特觸發(fā)器，互補金屬氧化物半導體組成或晶體管組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的導電布料至少有二個，其中一個為參考導電區(qū)，該參考導電區(qū)接地。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的參考導電區(qū)與人身體接觸。
31.根據(jù)權(quán)利要求四所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的參考導電區(qū)是在衣服、褲子、床單、帽子、襪子、手套或袖口上縫一導電布料。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法在用來偵測姿勢變化的同時可測其它生理信息如心跳、呼吸、濕度。
33.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的導電布料與人體之間沒有直接接觸，例如隔一層布。
34.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法可用來偵測不同位置的生理變化，例如姿勢變化、呼吸、吞咽、咳嗽。
35.根據(jù)權(quán)利要求25所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法可用于定位也就是說可以知道在身體哪個位置產(chǎn)生生理信號。
36.根據(jù)權(quán)利要求25所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法是在一設(shè)定的臨界壓力下才能啟動偵測。
37.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法的導電區(qū)同時當作生理信號傳感器，即電極。
38.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其更包含另一傳感器，是設(shè)計在與人體接觸的布料上。
39.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的導電布料是設(shè)計在衣服、帽子、襪子、鞋子、床單、手套、方向盤、拐杖、桌布、地毯或義肢上。
40.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法可用于偵測汗?jié)?、傷口、流汗，涂藥、抹粉化妝導致的介電常數(shù)的改變，由于介電常數(shù)改變則偵測的共振頻率也不相同。
41.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器可偵測關(guān)節(jié)的角度、角速度、角加速度。
42.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器可偵測人的位置、速度、加速度或行走的距離。
43.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中該方法通過布料電容傳感器可偵測到人體不同部位的拉力、張力或壓力。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器同時可偵測到人體的生理信息。
45.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過兩腳的傳感器產(chǎn)生的信號變化可偵測到人體的步態(tài)穩(wěn)定度。
46.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器可對人體進行步態(tài)分析。
47.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器可偵測到人體的睡眠活動圖。
48.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器可判斷人體的跌倒。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過重心變化、重心速度或重心加速度來測步態(tài)穩(wěn)定度。
50.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于該方法通過布料電容傳感器測得的不同生理狀態(tài)或姿勢變化可測得不一樣的頻率、電壓或電流變化曲線。
51.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中該方法通過布料電容傳感器可偵測到人體不同部位的位移。
52.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中所述的導電布料的結(jié)構(gòu)像魔鬼氈。
53.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中該方法通過布料電容傳感器串聯(lián)或并聯(lián)一電阻R，電容C或電感L，來改變其頻率、電壓或電流的信號范圍。
54.根據(jù)權(quán)利要求23所述的利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法，其特征在于其中該方法通過布料電容傳感器串聯(lián)或并聯(lián)開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種利用布料電容傳感器來產(chǎn)生生理信號的方法及系統(tǒng)。該系統(tǒng)是用至少一布料，至少一導電區(qū)是設(shè)置于該布料；導電區(qū)與人體接觸兩者之間形成一電容，在外界提供一信號的作用下，當人體與布料之間有壓力、拉力或張力而使電容變化或人體與布料之間的介質(zhì)常數(shù)改變使電容值產(chǎn)生變化時，會偵測到電容的變化，該電容的變化是以頻率、電壓或電流來顯示，故會產(chǎn)生一頻率、電壓或電流變化，利用此共振頻率、電壓或電流的變化來反應(yīng)人體的生理參數(shù)，例如姿勢、吞咽、咳嗽、呼吸、流汗，甚至心跳等。布料電容傳感器串聯(lián)或并聯(lián)一開關(guān)、電阻R、電容C或電感L，來改變其頻率、電壓或電流的信號范圍。
文檔編號A61B5/00GK102300499SQ201080005632
公開日2011年12月28日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者楊子琳, 楊景雯, 楊皓, 楊章民 申請人:楊子琳, 楊景雯, 楊皓, 楊章民