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光學式非侵入感測系統介紹
  • 發布年度:2015
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 研究發展處 施淳耀

    提昇行車與用路人的安全一直為交通運輸產業發展的重要議題,除了各式車載安全及輔助駕駛系統外,駕駛者本身的生理狀態也是關鍵的因素之一,因此,研發可偵測駕駛人血氧(SpO2)、心跳(Heart Rate, HR)與心率變異率(Heart Rate Variability, HRV)等生理狀態的感測器,並與車載系統連結發出警告或是控制策略,是為各車廠前瞻車輛系統的發展目標,舉例如下:

    1. BMW與Technische Universitaet Muenche合作,將感測系統集成到方向盤,並以兩種市售感測器-光感測器與電極片為檢測途徑,分別感測HR、SpO2與心電訊號,以瞭解駕駛的生理狀態。
    2. NISSAN的智慧手錶Nismo Watch,可與車載系統連結,將車輛速度對照駕駛者生理狀況做綜合評估,當監測到駕駛者的HR數據出現不正常時,會自動發出警告提示訊息;HYUNDAI亦於CES(消費電子展) 2015展示具有HR感測功能之概念智慧手錶,並可介入車輛控制系統以確保安全。
    3. FORD於NAIAS(北美國際車展) 2013展出的感測裝置,是由方向盤上的電極片以及方向盤與轉向機柱下方的紅外線測器,收集駕駛者的生理數據,透過監視駕駛者的手掌與車倉內的溫度,藉此推測駕駛人的生理狀況。
    4. TOYOTA於Next-generation Medical Device Summit 2014中展出與 Denso Corp 和 Nippon Medical School的合作結果,其係在方向盤上配備心電測量電極片和SpO2測量用光感測器,透過即時分析數據,進而推測血壓、HRV等間接數值。

    近年市場推出心跳血氧手錶,尚無法實際應用於車載系統,其困難點在於環境雜訊抑制,需要較強的光源與有效的反射面設計,可做長時間感測且不會對駕駛操作有影響的架構。而上述各車廠的雛型系統,使用光學感測器者,多是用來量測HR和SpO2,尚未有其它感測項目,或是需要再搭配電極片,以量測生理電訊號,惟其並非全光學感測架構,系統較為複雜,使用者運用的便利性也會較低。

    車輛中心(ARTC)因應光學感測系統之光源會有多種不同波長光源需求,整合量測多個生理數值如SpO2、HR、HRV,架構示意如圖1所示,運用多重橢圓設計,將光源輸出設計為共焦點設計,可匯聚多個光源成一點光源,光線經其對應的橢圓反射面後,匯聚於共焦點處,有利於系統之多光源、單點輸出特性,其架構如圖2所示,為三種波長的光源與對應兩種波長的感測器,整合於一多重橢圓反射面。

     
     圖1 車載光學式非侵入感測系統示意圖
     
    圖2 ARTC光學感測探頭架構

     

    以光學模擬找出最佳化的橢圓面結構,模擬結果:聚光光束約2.8mm,其收集至手指之光學效率約78%,收集至感測器之效率約65%,其光學效率約比穿戴式產品(無光學結構)增加約1.8倍;因此,ARTC所研發具有光學結構設計的生理感測之光學技術,讓使用者可以藉由光學元件強化光學效果,使系統可偵測到足夠的訊號強度,並將感測SpO2、HR與HRV之功能整合於反射式光學感測系統上,並嵌入至方向盤中,符合車用系統之需求,既不會影響駕駛人原有的開車習慣亦可對生理狀態做有效且即時的監控與預警,是具有相當前瞻性的技術發展。

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