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TWI391880B - Wearable motion sensing device and method thereof - Google Patents

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TWI391880B
TWI391880B TW97147381A TW97147381A TWI391880B TW I391880 B TWI391880 B TW I391880B TW 97147381 A TW97147381 A TW 97147381A TW 97147381 A TW97147381 A TW 97147381A TW I391880 B TWI391880 B TW I391880B
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Univ Chang Gung
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)

Description

配戴式活動感測裝置及其方法
本發明係提供一種以配戴式活動感測裝置為中心,搭配一枚以上無線的感測元件於使用者身上,可估測並記錄日常活動量,同時偵察意外事件如:跌倒、昏迷,且能適當發佈警訊提醒使用者增加活動量,或是在意外事件發生時,通報家屬、相關照護人員或醫療機構。
偵察跌倒與活動量是有關年長者的健康維護中相當重要的一環,根據相關研究報導近三分之一超過65歲的年長者在一年內至少有一次跌倒經驗,又有約三分之一有跌倒經驗的年長者在心理上產生害怕跌倒的恐懼感,由跌倒引起之生理傷害與心理因素會造成活動量降低,活動量降低會進而加速老化程序,出現平衡感與步態的問題並可能有心智功能減退的現象,因此有其必要性製作活動與跌倒偵測系統,並提供提醒與警報功能,讓年長者在健康維護上注意保持相當的活動量,讓醫療人員與照護者能在意外不幸發生時及時提供協助。
已知加速度感測器可運用來製作跌倒偵測與活動監控裝置。如:美國專利公告號6160478、6433690 B2、7095331 B2、2007/0030587 A1、2007/0225947 A1,但是在先前技術中,已有的系統裝置未將跌倒偵測和活動監控功能做結合,若想要同時偵察跌倒和記錄活動情況則需配戴二個系統以上,並不便利,又已有的系統多數未與日常 常用配件做結合(如:美國專利公告號7095331 B2、2007/0030587 A1、2007/0225947 A1),若需配戴常額外增加使用者負擔,造成使用意願下降,無法長期而規律地使用,失去原先發明的用意,因此本發明有鑑於過往系統的不足,提出將隨身式的加速度感測器和日常用品(腕錶及裝飾物)做搭配,同時記錄活動與偵察意外事件,兼具功能性和實用性。
本發明在兼具記錄活動與偵察意外事件之餘,利用腕錶之區域時間功能提供暈倒偵測,一般照護系統(如:美國專利公告號6160478、6433690 B2、7095331 B2、2007/0030587 A1、2007/0225947 A1)考量了配戴者發生異常大的活動情況,如:跌倒,但未將異常小的活動情況,如:暈倒,列入考慮,通常瞬間的極大加速度或身體角度變化可用來判讀跌倒事件,而在非睡眠時間出現長時間活動靜止狀態,則有可能為使用者發生暈倒事件,獨居的年長者或獨處的病患在發生暈倒事件時,極有可能因為失去求救能力,而錯過急救的關鍵時間,甚至失去生命,因此針對已有系統無法在使用者發生昏迷狀況時釋出警報來做改良,本發明考量到昏迷狀態極有可能為在非睡眠時間出現過久的身體與肢體活動靜止,所以結合區域時間計時功能與加速度感測來針對非睡眠時間之異常停止活動情況發出警訊,先提示配戴者增加活動,若是使用者沒有適時地回應,則會通報相關人員實地探訪配戴者,確認配戴者是否處於意外昏迷狀態。
是以,針對上述習知結構所存在之功能不足處,如何開發一種更具理想實用性之創新結構,實消費者所殷切企盼,亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。
有鑑於此,發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗,針對上述之目標,詳加設計與審慎評估後,終得一確具實用性之本發明。
在先前隨身式的加速度量測記錄系統技術中(如:美國專利公告號6160478、6433690 B2、7095331 B2、2007/0030587 A1、2007/0225947 A1),其應用於居家照護的系統裝置中尚未能同時兼具區域時間計時、跌倒偵測與活動監控功能,且多未與日常配件做結合(如:美國專利公告號7095331 B2、2007/0030587 A1、2007/0225947 A1),若需使用常額外增加使用者負擔,此外,發生暈倒狀態的情況未被列入考慮,在照護上有不盡完善之處。
本發明提供一種以配戴式的活動感測系統為中心,該系統可實施成為腕錶,該腕錶除了具有一般計時和顯示功能外,內建有偵察、記錄與無線傳輸等單元,其偵察單元具有至少一腕錶三軸加速度感測器,記錄單元之儲存裝置則使用快閃記憶裝置,另有微控器分析資訊與協調元件間的溝通,及無線傳輸晶片負責資料傳輸,該配戴系統搭配一枚以上無線之感測元件於使用者(病人或年長者)身軀 上,該無線之感測元件可被包裝成一般飾物如:徽章、鈕釦、珠寶等,感測元件內包含有至少一枚感測端三軸加速度感測器、微控器、感測端無線模組,可量測身軀活動並傳輸資料至腕錶,身軀和腕部的加速度資料相配合能推估日常活動量,做長期或定期的活動量記錄與追蹤,同時能偵察意外活動事件如:跌倒、昏迷,且能適當發佈警訊提醒使用者增加活動量,而在意外活動事件發生時,該腕錶也能通報家屬、相關照護人員或醫療機構,以防延遲就醫情況,而儲存於快閃記憶體的活動記錄也能取出供使用者作自我評量,或提供給醫療人員做臨床評估的參考。
本發明結合區域時間計時、跌倒偵測與活動監控功能,可當一般腕錶使用,也能記錄日常活動量,展示累積活動量報告,偵察跌倒事件及依據區域時間偵測疑似昏迷事件,並具有發出警訊的功能,可適時提醒使用者增加活動並聯絡相關人員,讓意外不幸發生時,不會因為年長者或病患因處於獨處的狀態而失去在第一時間得到救援的機會,可減少因延誤就醫所引起的遺憾。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效,茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於后,相信本發明上述之目的、構造及特徵,當可由之得一深入而具體的瞭解。
本發明係提供一種結合區域時間計時、跌倒偵測與活動監控功能的配戴式活動感測裝置及其方法,第一至第五 圖係為本發明之配戴物實施成腕錶及裝飾物之系統外觀圖,其係包括有:至少一感測元件(2),該感測元件(2)可配戴於身體之任何部位,上有覆蓋一裝飾物(3)及一啟動開關(4);一腕錶(1),該腕錶(1)設有能顯示文字與圖式的一顯示介面(5),該顯示介面(5)為LCD或OLED,錶體上有至少一控制按鍵(6)和一音源輸出(7),在錶體或錶帶(8)上設有一感測器(10),該感測器(10)可為溫度或光學感測器,用以偵察使用者是否有將腕錶(1)配戴上,一扣環(9),該扣環(9)上亦可設置該感測器(10),能依據扣環(9)是否扣上判別使用者是否有將腕錶(1)配戴上,因此,在使用者未將腕錶(1)配戴上時,活動記錄與跌倒偵測的功能可暫停,減少能源消耗和誤判機會,另外錶體上有一mini USB(Universal Serial Bus)接口(13)供充電使用,不必將電源(26)之充電電池取出便能透過該mini USB接口(13)和電腦或充電器電源連接做電池充電,又腕錶(1)和感測元件(2)內分別建有腕錶無線模組(25)和感測端無線模組(35),讓感測元件(2)將所收集到的資料以無線方式(12)傳輸給腕錶(1)做儲存或分析。
在腕錶(1)內,基本電路元件配置如第二圖,至少有一電路板(21)上有以一微控器(22)為中心之電路元件配置,該微控器(22)會接收來自控制按鍵(6)、錶體或錶帶與扣環上的感測器(10)、腕錶三軸加速度感測器(23)、腕錶無線模組(25)的訊號,而該微控器(22)的輸出對象則有顯 示介面(5)、音源輸出(7)和儲存裝置(24),該儲存裝置(24)可為快閃記憶體、SD卡,其中與微控器(22)相連接之各元件功能如下:控制按鍵(6)為提供使用者輸入操作指令,可設定時間、鬧鈴或取消系統之誤判警報;錶體、扣環或錶帶上的感測器(10)能讀取並提供訊號以判別腕錶(1)是否有被使用者配戴,如有配戴,才會累計腕錶三軸加速度感測器(23)訊號作為活動量估測並且執行昏迷與跌倒偵測,腕錶無線模組(25)主要是接收來自感測元件(2)的加速度訊號,也就是身軀部位的加速度訊號,由身軀加速度能得知身體姿勢變化的訊息,做為使用者活動和跌倒偵察的依據;顯示介面(5)的功能為顯示區域時間和有關活動量的訊息如:活動量不足、定期累積活動量;音源輸出(7)在於偵察到疑似跌倒或昏迷時,會發出警示和求救聲音,同時警示和求救訊息也能透過腕錶無線模組(25)傳出;儲存裝置(24)則會收錄下所有活動量資料、偵察到的事件與誤判記錄,此外,腕錶(1)系統內有建立能源單元,腕錶(1)的能源來自一電源(26),該電源(26)可為可充電電池,並可透過內建之充電IC經mini USB接口(13)來充電。
在感測元件(2)系統內,基本電路元件配置如第三圖,類似腕錶(1)系統有以一微控器(32)為中心之電路板(31),該微控器(32)會接收來自啟動開關(4)、感測端三軸加速度感測器(33)和感測端無線模組(35)的訊號,使用者能透過按壓啟動開關(4)開啟或關閉感測元件(2)系統, 如果處於開啟狀態,感測元件(2)系統便會從感測端三軸加速度感測器(33)取得其配戴位置的加速度訊號,而從感測端三軸加速度感測器(33)取得的加速度訊號即是感測元件(2)系統的主要輸出,會藉由感測端無線模組(35)和腕錶(1)作溝通,而感測元件(2)系統的能源可來自感測端電源(36),該感測端電源(36)可為充電電池,透過其電路板(31)上的充電IC經mini USB接口(34)來充電。
經由腕錶三軸加速度感測器(23)和感測端三軸加速度感測器(33)所取得的加速度訊號分別為腕部加速度(42)和身軀加速度(41),其分析大致流程如第四圖,啟動偵察流程(第四圖)的先決條件為區域時間不為預設之睡眠時間、有接收到感測元件(2)系統的訊號且由錶體、錶帶之感測器(10)或扣環(9)得知腕錶(1)處於配戴狀況,腕部加速度(42)的部分主要採其量值,公式如下:其中,ax ,ay ,az 分別為腕錶三軸加速度感測器(23)所收集到的三個互相垂直方向的加速度。
身軀加速度的部分則需要量值與方向的資訊,因為在跌倒發生時,身軀加速度(41)會產生一極大量值變化(第五圖),在跌倒後的身體姿勢會為或近似倒姿,而偵察倒姿需經由身軀加速度(41)的方向來做判別,所以本發明採用自訂參數| AC |以兼顧加速度的量值和方向變換來做跌倒偵測,| AC |的特性能由第五圖觀察得知,從AM是無法得知身軀姿勢改變的(站姿和倒姿均為值1),需由| AC |才可見與姿勢變換相關的數值改變,身軀倒下時其值為1, 不同於站著時其值會等於0,| AC |的運算公式如下:|AC |=|a ×b |=|a ||b |sinθ ,其中,a為目前身軀加速度向量(由感測元件(2)即時量得);b為站立時身軀加速度向量(於感測元件(2)配戴後先行於站立或挺直坐姿勢量得);θ為a和b的夾角。
經過參數化處理後,跌倒偵察的過程可依循第四圖的判別法則,身軀加速度(41)的量值若高過跌倒閾值(43),於偵察到超過閾值事件後第二秒會啟動姿勢偵察(44),若確認為躺姿(45)便會有警報(46)發出,該警報(46)由腕錶(1)系統發出,可由音源輸出(7)發出求救聲音並同時由腕錶無線模組(25)對相關的照護單位及人員發出通知,如果該警報(46)為誤判,使用者也可透過按壓取消鍵(47)將錯誤的警報取消(48)。
疑似昏迷狀態的偵察過程在第四圖中可見,由腕部加速度(42)和身軀加速度(41)同時配合來偵察,針對此二個不同部位的活動特性分別採用針對腕部和針對身軀而設定的活動閾值(49和50),若腕部加速度(42)和身軀加速度(41)都分別低於腕部和身軀活動閾值(49和50)持續超過45分鐘的低活動量(51)(或任何特定的預設時間),本發明之實施例及圖式係以45分鐘為例,但不以45分鐘為限,且當時使用者有配戴該腕錶(1)又當時的區域時間為非預設睡眠時間,則會對使用者發出活動量過低警報(52),若使用者有動作(53)如:活動一下肢體或身軀作為回應,則警報取消(48),如果該警報(46)為誤判,使用者可透 過按壓取消鍵(47)將錯誤的警報取消(48)。
本發明設有儲存(54)(第四圖)的裝置和機制,腕部加速度(42)和身軀加速度(41)均會配合區域時間記錄下,而使用者的活動日累積量、週累積量、月累積量、年累積量等能透過顯示介面(5)來得知,而設置於腕錶(1)中的儲存(54)裝置為快閃記憶體,基於輕便性和尺寸的考量,以使用micro-SD卡為推薦裝置,該記憶卡能取出並將資料傳輸至個人用或醫院電腦(56),方便使用者和相關健康照護人員長期追蹤使用者的活動情況,以做適當的運動計畫調整,而累積活動量低於特定水準時,亦能設定該腕錶(1)系統,於顯示介面(5)上,顯現警告標誌做提醒,另外,針對出現誤判造成使用者按壓取消鍵(47)的情況,誤判記錄也會記載在快閃記憶體中,誤判記錄會包含有區域時間和當時的加速度,以方便本發明的研發及維護人員繼續改良該系統。
前文係針對本發明之較佳實施例為本發明之技術特徵進行具體之說明;惟,熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改,而該等變更與修改,皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。
(1)‧‧‧腕錶
(2)‧‧‧感測元件
(3)‧‧‧裝飾物
(4)‧‧‧啟動開關
(5)‧‧‧顯示介面
(6)‧‧‧控制按鍵
(7)‧‧‧音源輸出
(8)‧‧‧錶體或錶帶
(9)‧‧‧扣環
(10)‧‧‧感測器
(12)‧‧‧無線方式
(13)‧‧‧mini USB接口
(21)‧‧‧電路板
(22)‧‧‧微控器
(23)‧‧‧腕錶三軸加速度感測器
(24)‧‧‧儲存裝置
(25)‧‧‧腕錶無線模組
(26)‧‧‧電源
(31)‧‧‧電路板
(32)‧‧‧微控器
(33)‧‧‧感測端三軸加速度感測器
(34)‧‧‧mini USB接口
(35)‧‧‧感測端無線模組
(36)‧‧‧感測端電源
(41)‧‧‧身軀加速度
(42)‧‧‧腕部加速度
(43)‧‧‧跌倒閾值
(44)‧‧‧姿勢偵察
(45)‧‧‧躺姿
(46)‧‧‧警報
(47)‧‧‧取消鍵
(48)‧‧‧取消
(49)‧‧‧身軀活動閾值
(50)‧‧‧腕部活動閾值
(51)‧‧‧四十五分鐘的低活動量
(52)‧‧‧活動量過低警報
(53)‧‧‧動作
(54)‧‧‧儲存
(56)‧‧‧個人用或醫院電腦
第一圖:係為本發明之外觀示意圖。
第二圖:係為本發明之腕錶系統概要電路結構圖。
第三圖:係為本發明之感測元件系統概要電路結構圖。
第四圖:係為本發明之跌倒和活動偵察流程圖。
第五圖:係為加速度參數與跌倒事件及姿勢變換關係示意圖。
(5)‧‧‧顯示介面
(41)‧‧‧身軀加速度
(42)‧‧‧腕部加速度
(43)‧‧‧跌倒閾值
(44)‧‧‧姿勢偵察
(45)‧‧‧躺姿
(46)‧‧‧警報
(47)‧‧‧取消鍵
(48)‧‧‧取消
(49)‧‧‧身軀活動閾值
(50)‧‧‧腕部活動閾值
(51)‧‧‧四十五分鐘的低活動量
(52)‧‧‧活動量過低警報
(53)‧‧‧動作
(54)‧‧‧儲存
(56)‧‧‧個人用或醫院電腦

Claims (10)

  1. 一種配戴式活動感測裝置,係包括:一腕錶,該腕錶設有一錶體及一錶帶,該錶帶連接於該錶體之二端並具有一扣環,至少一感測器裝於該錶體或該錶帶,該感測器用以偵察該腕錶之穿戴情況,一電路板,該電路板嵌入於錶體內,該電路板並包含有一腕錶三軸加速度感測器、一腕錶無線模組、一儲存裝置、一顯示介面、一控制按鍵、一音源輸出及一電源均藉由一微控器作連結,該感測器亦與該微控器作連結,其中該控制按鍵為提供使用者輸入操作指令,可設定時間、鬧鈴或取消系統之誤判警報;該錶體或該錶帶上的該感測器能讀取並提供訊號以判別該腕錶是否有被使用者配戴,如有配戴,才會累計該腕錶三軸加速度感測器訊號作為活動量估測並且執行昏迷與跌倒偵測;該音源輸出可於偵察到疑似跌倒或昏迷時,會發出警示和求救聲音,同時警示和求救訊息也能透過該腕錶無線模組傳出;該儲存裝置則會收錄所有活動量資料、偵察到的事件與誤判記錄;該顯示介面的功能為顯示區域時間和有關活動量的訊息;此外,該電源可提供該腕錶所需之能源;以及,至少一感測元件,該感測元件表面設有一啟動開關及裝飾用之一裝飾物,一電路板,該電路板嵌入於該感測元件內,該電路板並包含有一三軸加速度感測器、一感測無線模組及一感測端電源均藉由一微控器連結,該微控器亦 連接該啟動開關,又該感測元件偵測來自身軀部位的加速度訊號並傳送至該腕錶無線模組;藉由該腕錶配合該感測元件感測加速度量值及方向,乃得以判斷是跌倒或昏迷,立即以該音源輸出發出求救聲音或警報,並由該腕錶無線模組對相關的照護單位及人員發出通知。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之配戴式活動感測裝置,其中該腕錶之該感測器可為一溫度或光學感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之配戴式活動感測裝置,其中該腕錶之該電路板更設有一miniUSB接口。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之配戴式活動感測裝置,其中該感測元件之該電路板更設有一miniUSB接口。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之配戴式活動感測裝置,其中該腕錶之該電源可為一可連接USB之充電IC或一充電電池。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之配戴式活動感測裝置,其中該感測元件之感測端電源可為一可連接USB之充電IC或一充電電池。
  7. 一種配戴式活動感測方法,其包含:先取得身軀之靜止站立時的三軸加速度訊號做為參考向量b;取得即時之身軀三軸加速度向量a;以|AC |=|a ×b |=|a ||b |sinθ ;θ為a和b的夾角;運算得參數,| AC |; 根據參數| AC |來做跌倒偵察;閾值偵測:由參數| AC |找出超出閾值範圍之身軀加速度發生時間,即為疑似跌倒時間;姿勢辨識:於疑似跌倒時間後至少一秒,根據參數| AC |來判別使用者是否處於倒姿,若是,即判定為跌倒並發出一跌倒警報。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之配戴式活動感測方法,其中該跌倒警報為一求救語音或一無線求救訊號。
  9. 一種配戴式活動感測方法,其包括:偵察區域時間為非預設睡眠時間;取得手腕和身軀的三軸加速度訊號;參數化處理三軸加速度訊號;根據三軸加速度訊號參數量值來做疑似暈倒偵察;其疑似暈倒偵察,可分為:閾值偵測:找出三軸加速度訊號參數量值持續低於閾值範圍特定時間之發生時間,即為疑似暈倒時間;初步警示發出:針對疑似暈倒之其人發出低活動量提醒;活動辨識:其人於得到低活動量提醒後,若其人有活動其手腕或身軀則不判定為暈倒,若無,即認定為暈倒並發出一暈倒警報。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之配戴式活動感測 方法,其中該暈倒警報為一求救語音或一無線求救訊號。
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