專利名稱：與超聲波監(jiān)測(cè)器一起使用的凝膠墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量活體受檢者的心率和脈搏率的超聲波監(jiān)測(cè)器。
背景技術(shù)：
測(cè)量活體受檢者的心率和脈搏率已成為身體鍛煉和健康監(jiān)測(cè)中頗有價(jià)值的工具。脈搏率是通過(guò)計(jì)算受檢者的動(dòng)脈脈動(dòng)速率而測(cè)量的。心率是通過(guò)基于心電圖(例如，EKG和ECG)感應(yīng)心臟的電活動(dòng)而測(cè)量的。想要增加耐力或行為的個(gè)體可能希望在維持靶心率的同時(shí)進(jìn)行鍛煉。相反，有心臟病或其它與心臟有關(guān)的病癥史的受檢者應(yīng)避免超出某一心率或脈搏率以減少對(duì)其心臟不必要的應(yīng)力。
受檢者的心率與脈搏率是相關(guān)的。心率可定義為特定時(shí)間周期內(nèi)心臟收縮的次數(shù)，通常以每分鐘的搏動(dòng)來(lái)定義。脈搏定義為由于通過(guò)心臟收縮而被迫通過(guò)脈管的血液量增加而產(chǎn)生的脈管的有節(jié)奏的擴(kuò)張。由于心臟收縮通常產(chǎn)生可測(cè)量為脈搏的血液量，所以心率與脈搏率理想地是相同的。然而，在不規(guī)律的心搏或過(guò)早心搏期間，脈搏率可能不同于心率。在此情況下，心臟收縮不會(huì)迫使足夠的血液通過(guò)血管以致可以被測(cè)量為脈搏。
需要連續(xù)心率讀數(shù)的大多數(shù)受檢者選擇需要胸帶的監(jiān)測(cè)器。盡管它連續(xù)地提供心率，但胸帶較笨重且通常佩帶不便。除了胸帶解決方案外，便攜式患者監(jiān)測(cè)器(例如，生命征象監(jiān)測(cè)器、胎兒監(jiān)測(cè)器)可對(duì)受檢者執(zhí)行例如心律失常分析、藥物劑量計(jì)算、ECG波形級(jí)聯(lián)等測(cè)量功能。然而，這些監(jiān)測(cè)器通常相當(dāng)大且通過(guò)令人不舒適的引線而附接到受檢者。
腕部的橈動(dòng)脈較淺的深度提供用于在腕部實(shí)現(xiàn)連續(xù)脈搏檢測(cè)的許多優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)腕部的壓力脈沖的現(xiàn)有傳感器并不有效。壓力脈沖由于動(dòng)脈與傳感器之間的組織而衰減。大多數(shù)高頻率信號(hào)分量由于這種衰減而丟失。另外，肌肉運(yùn)動(dòng)可能在壓力傳感器處產(chǎn)生大量噪音。低頻率噪音信號(hào)使可靠地識(shí)別低頻率血壓脈沖非常困難。
開(kāi)發(fā)了使用聲納技術(shù)的超聲波監(jiān)測(cè)器來(lái)克服噪音信號(hào)問(wèn)題。超聲波監(jiān)測(cè)器傳輸超聲波能量作為脈沖信號(hào)。當(dāng)電源驅(qū)動(dòng)換能器元件(例如，壓電晶體)以產(chǎn)生脈沖信號(hào)時(shí)，在所有方向(包含待測(cè)量對(duì)象(例如血管)的方向)上產(chǎn)生超聲波脈沖信號(hào)。超聲波脈沖信號(hào)的到達(dá)脈管的部分接著被脈管反射。當(dāng)血管經(jīng)歷運(yùn)動(dòng)(例如，由于來(lái)自心臟收縮的血液流動(dòng)而導(dǎo)致的擴(kuò)張)時(shí)，所反射的脈沖信號(hào)經(jīng)歷頻率偏移，也稱為多普勒頻移(Doppler shift)。
當(dāng)超聲波信號(hào)源或雷達(dá)信號(hào)的觀察者處于運(yùn)動(dòng)中時(shí)，將導(dǎo)致頻率明顯偏移。這稱為多普勒效應(yīng)(Doppler effect)。如果R是從超聲波監(jiān)測(cè)器到血管的距離，那么超聲波監(jiān)測(cè)器與目標(biāo)之間的雙向路徑中含有的波長(zhǎng)λ的總數(shù)目為2R/λ。假定將以相同單位測(cè)量距離R和波長(zhǎng)λ。由于一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于2π弧度的角偏移(angular excursion)，所以電磁波在其往返通過(guò)血管期間所形成的總角偏移Φ為4πR/λ弧度。當(dāng)血管經(jīng)歷運(yùn)動(dòng)時(shí)，R和相位Φ連續(xù)不斷地變化。Φ相對(duì)于時(shí)間的變化等于頻率。其為多普勒角頻率Wd，由下式給定Wd=2πfd=dΦdt=4πλdRdt=4πVrλ]]>其中，fd是多普勒頻率偏移，且Vr是目標(biāo)相對(duì)于超聲波監(jiān)測(cè)器的相對(duì)(或徑向)速度。
因此，頻率偏移的量與反射信號(hào)的移動(dòng)對(duì)象的速度有關(guān)。因此，對(duì)于心率監(jiān)測(cè)器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，血液通過(guò)血管的流動(dòng)速率或流動(dòng)速度與所反射的信號(hào)的多普勒頻移的量有關(guān)。
可使用壓電晶體作為功率產(chǎn)生器和信號(hào)檢測(cè)器兩者。在此情況下，以脈沖模式發(fā)射超聲波能量。在輸出電源被切斷之后，所反射的信號(hào)接著由同一晶體接收。接收所反射的信號(hào)所需的時(shí)間取決于所述源與對(duì)象之間的距離。使用單個(gè)晶體來(lái)測(cè)量心率由于源與對(duì)象之間的距離較短而需要高速功率切換。另外，肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生損害系統(tǒng)中的信噪比的反射。肌肉運(yùn)動(dòng)噪音的頻率范圍類似于從血管壁運(yùn)動(dòng)中檢測(cè)到的頻率偏移。因此，用這種方法測(cè)定心率非常困難。然而，這種途徑的優(yōu)點(diǎn)是低成本和低功率消耗。
在一些超聲波信號(hào)系統(tǒng)中，使用兩個(gè)壓電元件來(lái)連續(xù)測(cè)量脈搏。所述兩個(gè)元件定位在底板(base plate)上，與血液方向成某一角度。在連續(xù)脈搏率測(cè)量過(guò)程中，由于血液流動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移的頻率高于由于肌電偽跡(muscle artifact)或組織運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的偏移的頻率。因此，即使肌肉運(yùn)動(dòng)引發(fā)的信號(hào)具有較大振幅，其可通過(guò)高通濾波器而去除以保留較高頻率的血流信號(hào)。連續(xù)模式遜于脈沖模式的缺點(diǎn)是較高成本和較多功率消耗。
此項(xiàng)技術(shù)中已知若干種安裝在腕部的超聲波監(jiān)測(cè)器裝置。然而，超聲波信號(hào)傾向于在不同密度的兩個(gè)媒介的界面處衍射并衰減。因此，媒介中或監(jiān)測(cè)器與受檢者皮膚之間的空氣使超聲波能量傳輸不可靠?，F(xiàn)有的超聲波監(jiān)測(cè)器需要在換能器模塊與活體受檢者之間施加水或含水凝膠以消除任何氣隙。因?yàn)樗秃z均在露天快速蒸發(fā)，所以其并非可行的解決方案。
Lo等人的第10/758,608號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案、第20040167409號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案揭示了使用熱塑性和熱固性凝膠作為超聲波信號(hào)的傳輸媒介以克服與水和含水凝膠解決方案相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。在第6,716,169號(hào)美國(guó)專利中，Muramatsu等人揭示了以硅凝膠(一種熱固性凝膠)為主的軟接觸層作為超聲波信號(hào)傳輸?shù)拿浇?。這些凝膠主要由截留在輕微交聯(lián)彈性體網(wǎng)絡(luò)中的大量非蒸發(fā)(在周圍條件下)液體稀釋液組成。這些交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)可為物理的(例如，在熱塑性凝膠中)或其性質(zhì)可為化學(xué)的(例如，熱固性凝膠)。
兩種凝膠類型均具有不足之處。第一，液體稀釋液盡管截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中，但仍可能在較長(zhǎng)時(shí)段的接觸后擴(kuò)散到使用者的皮膚中。由于硅凝膠使用硅油作為稀釋液，所以硅凝膠的擴(kuò)散是關(guān)系到健康的重要問(wèn)題。因此，需要具有一種防止油擴(kuò)散到活體受檢者中的凝膠設(shè)計(jì)。第二，這些已知方法的軟凝膠難以處理。盡管較軟的凝膠允許與皮膚較好地接觸并形成較好的超聲波傳輸，但軟凝膠較軟弱且難以處理。極其需要具有一種易于處理但仍保持良好的超聲波傳輸?shù)哪z設(shè)計(jì)。第三，已知現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的凝膠容易聚集污垢。凝膠表面上的污垢導(dǎo)致與皮膚的接觸不良并影響超聲波傳輸。
發(fā)射換能器的效率是佩帶于腕部的心率監(jiān)測(cè)器和其它小型心率監(jiān)測(cè)器的重要特征。發(fā)射換能器進(jìn)行的超聲波信號(hào)發(fā)射可通過(guò)使用反射體而變得更有效?？赏ㄟ^(guò)在換能器的一個(gè)或一個(gè)以上側(cè)部使用反射體來(lái)反射從目標(biāo)產(chǎn)生出的發(fā)射信號(hào)。一些心率監(jiān)測(cè)器包含泡沫物質(zhì)，其在壓電晶體下方具有氣孔。如圖1所說(shuō)明，泡沫層120可放置在超聲波模塊110內(nèi)處于換能器130和140下方。泡沫材料氣孔部分地抑制超聲能量穿透并提供相當(dāng)有效的超聲信號(hào)反射。利用這種泡沫背襯，導(dǎo)向泡沫的一些超聲波信號(hào)被朝向所需方向反射。并入泡沫層的缺點(diǎn)是，其是在制造期間手動(dòng)安裝的。其它現(xiàn)有系統(tǒng)通過(guò)在底板上用溝道使兩個(gè)壓電晶體分離來(lái)增加效率。這將換能器之間的串?dāng)_減小到某一程度，但不能消除由底板引起的負(fù)載或阻尼效應(yīng)。
需要一種改進(jìn)的心率監(jiān)測(cè)器，其通過(guò)傳輸媒介來(lái)提供連續(xù)的心率讀數(shù)，所述傳輸媒介使換能器與活體受檢者之間的氣隙最小。所述傳輸媒介不應(yīng)在監(jiān)測(cè)期間變干，留下令人不舒適的濕膜，或易于積聚污垢。還需要一種更具有功率效益但生產(chǎn)起來(lái)較便宜的超聲波監(jiān)測(cè)器。

發(fā)明內(nèi)容
概括地說(shuō)，本發(fā)明涉及超聲波監(jiān)測(cè)器。所述超聲波監(jiān)測(cè)器在活體受檢者體外使用超聲波信號(hào)來(lái)測(cè)量活體受檢者的身體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。所述運(yùn)動(dòng)可以是心搏收縮、流動(dòng)血液或血管本身的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)從這些運(yùn)動(dòng)收集到的信息，監(jiān)測(cè)器內(nèi)的電子元件可測(cè)定活體受檢者的血液流動(dòng)速率、心率或脈搏率。
在一個(gè)實(shí)施例中，將監(jiān)測(cè)器構(gòu)建在電路板(例如，印刷電路板(PCB))上。通過(guò)構(gòu)建在PCB上，監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)可集成至非常小的占用面積。這實(shí)現(xiàn)了一種功率要求比現(xiàn)有系統(tǒng)低得多的非常有效的系統(tǒng)。將一對(duì)換能器直接安裝到PCB。這與換能器附接到某一支撐結(jié)構(gòu)(例如，玻璃底板)藉此引起信號(hào)負(fù)載的先前實(shí)施方案相比產(chǎn)生較高的效率。
PCB可用于構(gòu)建超聲信號(hào)反射層。在一個(gè)實(shí)施例中，去除PCB外層的一部分以形成氣隙部分。所述氣隙部分作用是反射超聲信號(hào)。發(fā)射換能器在氣隙上方安裝到PCB。當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)射晶體產(chǎn)生除了朝向目標(biāo)的所需方向外還朝向PCB行進(jìn)的超聲信號(hào)。最初發(fā)射的超聲信號(hào)的朝向PCB行進(jìn)的部分由薄氣隙反射離開(kāi)PCB并朝向既定目標(biāo)反射。
在一些實(shí)施例中，使用多層凝膠墊在超聲波監(jiān)測(cè)器與受檢者的皮膚之間傳輸超聲波信號(hào)。所述凝膠墊包含粘合到隔膜層的凝膠層。可將隔膜層施加到凝膠層的一個(gè)或一個(gè)以上表面并防止凝膠層內(nèi)的稀釋液溢出。這在凝膠包含不希望與活體受檢者或其它表面接觸的元素時(shí)是有利的。
在另一實(shí)施例中，PCB可完全包封在塑料、防水凝膠或兩者的組合中。這用于使超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)免受例如污垢、灰塵和水的碎屑的影響。
超聲波監(jiān)測(cè)器可包含由硬件、軟件和/或硬件與軟件兩者的組合組成的電路。所述電路對(duì)所接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，如參看圖3-5所論述。用于本發(fā)明的軟件存儲(chǔ)在一個(gè)或一個(gè)以上處理器可讀存儲(chǔ)媒介上，所述處理器可讀存儲(chǔ)媒介包含硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、CD-ROM、DVD、光盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶驅(qū)動(dòng)器、RAM、ROM，或其它適宜的存儲(chǔ)裝置。在替代實(shí)施例中，所述軟件中的一些或全部可由專門的硬件代替，所述專門的硬件包含定制集成電路、門陣列、FPGA、PLD，和專用計(jì)算機(jī)。


圖1說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的超聲波監(jiān)測(cè)器的橫截面。
圖2A說(shuō)明與顯示裝置實(shí)體連接的超聲波監(jiān)測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例。
圖2B說(shuō)明與顯示裝置無(wú)線連接的超聲波監(jiān)測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例。
圖3說(shuō)明超聲波監(jiān)測(cè)器的方框圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖4說(shuō)明超聲波監(jiān)測(cè)器的操作方法的一個(gè)實(shí)施例。
圖5說(shuō)明通過(guò)超聲波監(jiān)測(cè)器執(zhí)行額外處理的方法的一個(gè)實(shí)施例。
圖6說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的透視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有氣隙。
圖7說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有氣隙。
圖8A說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的透視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有帶有支撐部件的氣隙。
圖8B說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有帶有支撐部件的氣隙。
圖9A說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的透視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有一個(gè)由兩個(gè)換能器共享的氣隙。
圖9B說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有一個(gè)由兩個(gè)換能器共享的氣隙。
圖9C說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的前視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有一個(gè)由兩個(gè)換能器共享的氣隙。
圖10說(shuō)明凝膠囊(gel pouch)層的一個(gè)實(shí)施例。
圖11A說(shuō)明凝膠囊的透視圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖11B說(shuō)明凝膠囊的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖12A說(shuō)明凝膠墊配置的一個(gè)實(shí)施例。
圖12B說(shuō)明凝膠墊配置的一個(gè)實(shí)施例。
圖12C說(shuō)明凝膠墊配置的一個(gè)實(shí)施例。
圖13A說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的透視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有模具。
圖13B說(shuō)明PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例，所述PCB具有模具。
圖14A說(shuō)明經(jīng)包封的PCB板的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖14B說(shuō)明經(jīng)包封的PCB板的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖14C說(shuō)明經(jīng)包封的PCB板的側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖15A說(shuō)明具有經(jīng)包封的凝膠墊的超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)的實(shí)施例。
圖15B說(shuō)明具有現(xiàn)場(chǎng)附接的凝膠墊的超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
概括地說(shuō)，本發(fā)明涉及超聲波監(jiān)測(cè)器。所述超聲波監(jiān)測(cè)器使用超聲波信號(hào)來(lái)測(cè)量活體受檢者的身體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。所述運(yùn)動(dòng)可以是心搏收縮、流動(dòng)血液或血管本身的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)從這些運(yùn)動(dòng)收集到的信息，監(jiān)測(cè)器內(nèi)的電子元件可測(cè)定活體受檢者的血液流動(dòng)速率、心率或脈搏率。
在一個(gè)實(shí)施例中，超聲波監(jiān)測(cè)器測(cè)量通過(guò)人體動(dòng)脈的血流。由于血管擴(kuò)張(由于血液運(yùn)動(dòng)通過(guò)脈管的緣故而引起的擴(kuò)張)而反射的超聲信號(hào)的頻率范圍類似于由于肌電偽跡和組織運(yùn)動(dòng)而引起的噪音的頻率范圍。由流動(dòng)的血液本身反射的超聲信號(hào)的頻率范圍高于與肌肉和組織有關(guān)的噪音的頻率范圍。因此，由流動(dòng)的血液反射的信號(hào)比由于血管本身的擴(kuò)張而反射的那些信號(hào)更易于處理以查明率值。
本文中術(shù)語(yǔ)超聲波和超聲可互換使用且指的是頻率在約30KHz與約30MHz之間的聲波。本文使用的超聲波換能器、換能器或換能器元件是用于將聲能引入活體受檢者中并從活體受檢者中檢測(cè)反射信號(hào)的裝置。超聲波換能器響應(yīng)來(lái)自驅(qū)動(dòng)裝置的電脈沖和由受檢者反射的超聲波脈沖。
超聲波監(jiān)測(cè)器由電子部分和傳輸部分組成。所述電子部分包含如參看圖3-5所論述的發(fā)射、接收和處理超聲波信號(hào)所需的電組件。處理可包含放大、濾波、解調(diào)、數(shù)字化、求平方和其它功能(通常為信號(hào)處理功能)?？捎蓴?shù)字電路全部或部分地執(zhí)行處理。舉例來(lái)說(shuō)，可使所接收的超聲波信號(hào)數(shù)字化。接著可由數(shù)字電路執(zhí)行本文描述的對(duì)所接收信號(hào)的處理。傳輸部分包含用作監(jiān)測(cè)器與受檢者之間的傳輸媒介的凝膠墊。凝膠墊定位成與活體受檢者和超聲波監(jiān)測(cè)器直接接觸。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)器構(gòu)建在印刷電路板(PCB)上。通過(guò)將電路構(gòu)建在PCB上，監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)被有效地集成至非常小的占用面積，且功率要求大大降低。換能器被直接安裝到PCB。
PCB可構(gòu)建超聲信號(hào)反射層。在一個(gè)實(shí)施例中，去除PCB外層的一部分以形成氣隙部分。將換能器元件放置在氣隙部分上方。當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)射晶體產(chǎn)生除了朝向目標(biāo)的所需方向外還朝向PCB行進(jìn)的超聲信號(hào)。最初發(fā)射的超聲信號(hào)的朝向PCB行進(jìn)的部分被薄氣隙反射離開(kāi)PCB并朝向既定目標(biāo)反射。
在一些實(shí)施例中，使用多層凝膠墊在超聲波監(jiān)測(cè)器與受檢者的皮膚之間傳輸超聲波信號(hào)。所述凝膠墊包含粘合到隔膜層的凝膠層。隔膜層防止凝膠層內(nèi)的稀釋液溢出。這在凝膠包含不希望與活體受檢者或其它表面接觸的元素時(shí)是有利的。
在另一實(shí)施例中，可將PCB完全包封在塑料、防水凝膠或兩者的組合中。這用于使超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)免受例如污垢、灰塵和水的碎屑的影響。下文更詳細(xì)地論述這些優(yōu)點(diǎn)。
超聲波監(jiān)測(cè)器可與顯示器一起實(shí)施。圖2A說(shuō)明一個(gè)實(shí)施例中的佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)200。系統(tǒng)200包含超聲波監(jiān)測(cè)器模塊210、條帶220、顯示裝置230和凝膠墊240。超聲波監(jiān)測(cè)器模塊210檢測(cè)流過(guò)受檢者的腕部處的橈動(dòng)脈的血流。接著，將心率數(shù)據(jù)直接提供到顯示器模塊230。在一個(gè)實(shí)施例中，將連接引線模制成超聲波監(jiān)測(cè)器模塊210與顯示裝置230之間的條帶220。
超聲波監(jiān)測(cè)器也可與遠(yuǎn)程顯示器一起實(shí)施。圖2B的超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)250包含監(jiān)測(cè)器模塊260、附接到監(jiān)測(cè)器模塊260的第一條帶270、遠(yuǎn)程顯示器模塊280，和附接到遠(yuǎn)程顯示器模塊280的第二條帶290。超聲波監(jiān)測(cè)器模塊260檢測(cè)流過(guò)腕部中的橈動(dòng)脈的血流。接著，將心率數(shù)據(jù)提供到遠(yuǎn)程顯示器模塊280。監(jiān)測(cè)器260可使用無(wú)線發(fā)射器以無(wú)線方式將信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程顯示器280。遠(yuǎn)程顯示器260包含用于從監(jiān)測(cè)器260接收傳輸?shù)慕邮掌鳌＿h(yuǎn)程顯示器280也可為監(jiān)視器屏幕或其它裝置。超聲波監(jiān)測(cè)器模塊280可用粘合劑或凝膠墊附接到身體的另一部分(例如，受檢者心臟上方的胸腔)。
確定使用何種超聲信號(hào)頻率可取決于所監(jiān)測(cè)的特定對(duì)象。腕部提供用于定位監(jiān)測(cè)裝置的便利位置。腕部中橈動(dòng)脈的相對(duì)較淺的焦深(focal depth)要求使用高頻率載波信號(hào)。
換能器元件的尺寸也影響超聲信號(hào)頻率。較小的機(jī)電諧振器以較高頻率發(fā)射。由高頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)的換能器元件與以較低頻率操作的那些換能器元件相比往往振動(dòng)得較快并消耗較多功率。這主要是由于內(nèi)部損耗的緣故。超聲波監(jiān)測(cè)器放大器和解調(diào)電路也將消耗較多功率處理較高頻率。
圖3說(shuō)明超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)300的一個(gè)實(shí)施例的方框圖。超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)300包含微控制器310、連接到微控制器310的發(fā)射換能器元件320、接收換能器元件330、連接到接收換能器330的射頻(RF)放大器340、連接到RF放大器340和微控制器310的混頻器350、連接到混頻器350的音頻放大器360，以及連接到音頻放大器360和微控制器310的帶通(BP)濾波器370。超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)300可視情況包含連接到微控制器310的本地顯示器380、連接到微控制器310的無(wú)線發(fā)射器390、從無(wú)線發(fā)射器390接收無(wú)線信號(hào)的無(wú)線接收器392，和連接到接收器392的遠(yuǎn)程顯示器394。
在一個(gè)實(shí)施例中，超聲波監(jiān)測(cè)器可和與由方框圖300表示的系統(tǒng)類似但具有驅(qū)動(dòng)器電路和高通濾波器及低通濾波器的系統(tǒng)一起實(shí)施。在此情況下，微控制器以載波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電路。驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器以載波頻率發(fā)射超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)被反射并由接收換能器接收。所接收的信號(hào)包含從由換能器發(fā)射的信號(hào)發(fā)生的頻率偏移。所接收的超聲波信號(hào)由RF放大器電路放大。接著，經(jīng)放大的超聲波信號(hào)由混頻器處理，所述混頻器解調(diào)所接收的信號(hào)并產(chǎn)生具有音頻范圍頻率的信號(hào)。接著，所得信號(hào)由音頻放大器電路放大。接著，經(jīng)放大的音頻信號(hào)由高通濾波器電路和低通濾波器電路濾波。接著，經(jīng)濾波的信號(hào)由微控制器接收。微控制器處理經(jīng)濾波的信號(hào)并將輸出信號(hào)提供到無(wú)線發(fā)射器。無(wú)線發(fā)射器通過(guò)無(wú)線方法將信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌?。接著，顯示器從接收器接收信號(hào)并顯示從所述信號(hào)獲取的信息。
圖4的方法400說(shuō)明例如圖3所表示的超聲波監(jiān)測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例的操作。在步驟410處，發(fā)射超聲信號(hào)。參照系統(tǒng)300，微控制器310以載波信號(hào)fC來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器元件320。因此，發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，載波信號(hào)可在30KHz到30MHz范圍內(nèi)。在另一實(shí)施例中，載波信號(hào)可在1MHz到10MHz范圍內(nèi)。在又一實(shí)施例中，載波信號(hào)約為5MHz。
在步驟420處，接收所反射的超聲波信號(hào)。所反射的超聲波信號(hào)是由血管反射步驟410的超聲波信號(hào)而產(chǎn)生的。當(dāng)將超聲波監(jiān)測(cè)器佩帶在腕部上時(shí)，橈動(dòng)脈反射所述信號(hào)。所接收的超聲波信號(hào)將包含超聲波載波頻率，其已經(jīng)歷從由發(fā)射換能器320發(fā)射的信號(hào)發(fā)生的多普勒頻移。接著在步驟430處，放大所接收的信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)300的放大器340實(shí)施為射頻放大器。所接收的超聲波信號(hào)被放大允許其被處理以進(jìn)行解調(diào)的倍數(shù)。一旦在步驟430處放大超聲波信號(hào)，其就在步驟440處由混頻器350處理?；祛l器使用載波信號(hào)fC來(lái)解調(diào)所反射的超聲波信號(hào)，以便提取多普勒信號(hào)。因此，混頻器350由載波信號(hào)fC和所反射的超聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)。由混頻器350提供的輸出信號(hào)接著在步驟450處由放大器360放大。由于混頻器的輸出將具有音頻范圍中的頻率分量，所以放大器360是經(jīng)設(shè)計(jì)以放大經(jīng)解調(diào)的音頻范圍多普勒頻率的音頻放大器。
在經(jīng)解調(diào)的信號(hào)已被放大之后，在步驟460處對(duì)經(jīng)放大的信號(hào)進(jìn)行濾波。在一個(gè)實(shí)施例中，步驟460的濾波器是帶通濾波器。帶通濾波器可經(jīng)配置以去除混疊效應(yīng)、噪音和其它不需要的頻率因素。在另一實(shí)施例中，帶通濾波器可與高通濾波器和低通濾波器一起實(shí)施。在步驟460處對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波之后，所述信號(hào)在步驟470處經(jīng)受額外處理。
步驟470的額外處理可視超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)而定包含若干步驟。所述處理可由微控制器或其它電路執(zhí)行。盡管方法多樣化，但在圖5的方法500中說(shuō)明額外處理的典型實(shí)例。來(lái)自方法400的步驟460的經(jīng)濾波的信號(hào)在步驟510處由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理。在一個(gè)實(shí)施例中，如果先前未曾執(zhí)行數(shù)字化，那么就執(zhí)行數(shù)字化。接著在步驟520處，確定數(shù)字化信號(hào)的絕對(duì)值?；蛘?，可在步驟520處確定信號(hào)的平方。接著，從步驟520獲得的信號(hào)在步驟530中由低通濾波器濾波。低通濾波器去除信號(hào)的噪音和其它不需要的頻率元素。方法500是由超聲波系統(tǒng)執(zhí)行的額外處理的實(shí)例。應(yīng)了解，對(duì)信號(hào)的處理可依據(jù)系統(tǒng)的不同而不同，且超聲波監(jiān)測(cè)器的實(shí)施例不希望僅限于所論述的實(shí)例的范圍。接著在步驟540處獲取心率。在步驟510-530的處理之后，所得信號(hào)是從接收換能器檢索到的脈沖信號(hào)。所述信號(hào)呈現(xiàn)為一系列脈沖，其中每一脈沖的面積由其振幅往返于峰值振幅的路徑?jīng)Q定。所得心率或脈搏率是從脈沖的頻率獲取的(例如，每分鐘160個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于每分鐘160次心搏)。通過(guò)對(duì)脈沖波形下方的面積求積分來(lái)確定流動(dòng)速率。
超聲波監(jiān)測(cè)器的微控制器可實(shí)施為若干常用微控制器集成電路中的一者或一者以上，所述共同微控制器集成電路包含Samsung KS57C 3316系列、Samsung S3C7335、Intel8051系列，和Texas Instruments MSP430系列微控制器。超聲波監(jiān)測(cè)器的混頻器可實(shí)施為若干常用混頻器IC或調(diào)頻IC中的一者或一者以上。可能的混頻器IC的非詳盡列表包含NJC的NJM2295、NJM2292和NJM2537混頻器、Toko的TK8336IM混頻器，和Motorola的MC3371混頻器。
本發(fā)明中使用的換能器遵守一些普通設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。超聲波監(jiān)測(cè)器的換能器可以是壓電換能器。每一換能器的長(zhǎng)度通常為至少一厘米長(zhǎng)。換能器長(zhǎng)度通常還等于或大于其寬度的五倍。換能器操作的頻率通常與換能器的厚度有關(guān)。若干類型的換能器可用于本發(fā)明中。一個(gè)實(shí)例是由Keramos Division，Piezo Technologies提供的K-350，改良的鋯-鈦酸鉛換能器。此類型換能器的等效材料包含PZT-5A或NAVY-II等效物。
電路板上的超聲波監(jiān)測(cè)器超聲波監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建在印刷電路板(PCB)上?？墒褂美绫砻姘惭b(SMT)和板上芯片(COB)的PCB技術(shù)將監(jiān)測(cè)器構(gòu)建在PCB上。將電路構(gòu)建在PCB上將監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)集成至非常小的占用面積。這實(shí)現(xiàn)了更有效的系統(tǒng)、更低的功率要求、一致的產(chǎn)品性能和降低的生產(chǎn)成本。
將監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)構(gòu)建在PCB上允許容易地構(gòu)造氣隙部分。為了形成氣隙部分，去除PCB的外層的一個(gè)或一個(gè)以上區(qū)段。接著將換能器放置在氣隙部分上方。這形成了在換能器元件下方具有一個(gè)或一個(gè)以上氣隙的氣隙部分。氣隙部分使超聲波信號(hào)反射離開(kāi)PCB并朝向所需方向反射。氣隙比現(xiàn)有系統(tǒng)的泡沫層更有效且容易構(gòu)造得多。另外，換能器元件由于氣隙的緣故而機(jī)械上隔離，藉此減小由于被任何其它材料接觸而對(duì)換能器造成的任何阻尼或負(fù)載效應(yīng)。氣隙還用于顯著減少(如果未消除)換能器之間的串?dāng)_噪音。在一些實(shí)施例中，可從PCB去除額外的層以產(chǎn)生厚度較大的氣隙部分。在此情況下，可使用額外的蝕刻、鉆孔或其它方法來(lái)控制氣隙的深度。在一些實(shí)施例中，可產(chǎn)生穿透整個(gè)電路板的氣隙。此方法能夠簡(jiǎn)單地產(chǎn)生有效反射超聲信號(hào)的氣隙。
所述超聲波監(jiān)測(cè)器比現(xiàn)有監(jiān)測(cè)器更有效地傳輸超聲信號(hào)。超聲波監(jiān)測(cè)器換能器使用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂或焊錫膏而直接安裝到PCB。先前系統(tǒng)的換能器通常完全膠合到支撐結(jié)構(gòu)(例如，玻璃底板)。將換能器的整個(gè)表面附接到支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了對(duì)換能器的振動(dòng)起阻尼作用的機(jī)械負(fù)載。阻尼作用降低效率并從超聲波信號(hào)中汲取功率。本發(fā)明的換能器由于負(fù)載最小化而可使用較少功率產(chǎn)生與先前系統(tǒng)的超聲信號(hào)相同的超聲信號(hào)。
PCB可包含若干層，例如電力層、接地層和絕緣層。絕緣層可使換能器與監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)電路隔離。在一些四層PCB中，存在四個(gè)銅層和三個(gè)絕緣層。兩個(gè)銅層是外層，且兩個(gè)是內(nèi)層。在一個(gè)實(shí)施例中，為了使兩個(gè)換能器電隔離使其不會(huì)干擾PCB上電路的其余部分，可將內(nèi)銅層中的緊靠著換能器的一個(gè)內(nèi)銅層用作接地平面或接地層。此內(nèi)銅層接地平面將遮蔽由換能器產(chǎn)生或接收的RF干擾。這防止電路引起對(duì)換能器信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。在一個(gè)實(shí)施例中，PCB的一個(gè)表面可用于構(gòu)建監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)電路，且相對(duì)的表面可用于安裝換能器。在另一實(shí)施例中，換能器可不與監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)電路構(gòu)建在同一PCB上。
圖6說(shuō)明構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測(cè)器600的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。監(jiān)測(cè)器600包含外層610、安裝到外層610的第一換能器622和第二換能器624、分別駐留在換能器622和624下方的氣隙626和627、專用銅墊630和635，以及分別連接在專用銅墊630和635與換能器元件622和624之間的連接引線640和645。在一個(gè)實(shí)施例中，外層610由例如以錫或金鍍敷的銅的導(dǎo)電材料組成。
圖7說(shuō)明構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測(cè)器750的側(cè)視圖，且進(jìn)一步說(shuō)明附接到PCB的相對(duì)的表面的電路760。電路760包含可構(gòu)建超聲波監(jiān)測(cè)器的電系統(tǒng)的表面安裝IC和電組件(例如，電阻器和電容器)。
PCB的大部分(如果不是全部)構(gòu)造都是自動(dòng)化的。施加焊錫膏、放置換能器元件和引線結(jié)合均可通過(guò)現(xiàn)有的PCBA生產(chǎn)技術(shù)而全部自動(dòng)化。這顯著降低了制造成本。對(duì)于表面安裝封裝中的典型電子組件(例如，電阻器、電容器和集成電路)來(lái)說(shuō)，使用模板(stencil)將焊錫膏首先施加到PCB的一側(cè)。接著自動(dòng)拾放機(jī)放置這些組件。接著使PCB經(jīng)受紅外(IR)熔爐的作用，所述紅外熔爐使焊錫膏熔融并在所述組件與預(yù)蝕刻于PCB上的下伏電路之間形成電連接。可應(yīng)用相同步驟將換能器元件安裝在PCB的相反側(cè)。這大大降低了生產(chǎn)成本并增強(qiáng)了產(chǎn)品性能一致性。
通過(guò)去除外層的一部分來(lái)構(gòu)造圖6和7的氣隙部分626和627?？蓤?zhí)行化學(xué)蝕刻來(lái)去除PCB的外層的一部分。因此，氣隙部分的深度是所去除的層的厚度。外層610的被蝕刻去掉的面積與換能器622和624的表面積成比例。氣隙部分626和627經(jīng)構(gòu)造使得換能器元件622和624與氣隙部分略微重疊。換能器的這種重疊允許將換能器的末端安裝到PCB的外層。
本發(fā)明的氣隙部分可以若干方式構(gòu)建。在圖6和7所說(shuō)明的實(shí)施例中，氣隙部分是每一換能器下方的單一未劃分的區(qū)域。氣隙延伸約與換能器的寬度一樣長(zhǎng)且略微短于換能器的長(zhǎng)度。圖8A是構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測(cè)器800的實(shí)施例的俯視圖。監(jiān)測(cè)器800包含PCB外層810、連接到外層的換能器822和824、處于換能器822下方并通過(guò)支撐部件830而分離的氣隙826和827、處于換能器824下方并通過(guò)支撐部件831而分離的氣隙828和829、銅接觸墊840，和將銅墊840連接到換能器822和824的連接引線845。圖8B是構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測(cè)器800的側(cè)視圖，且進(jìn)一步說(shuō)明附接到PCB的相對(duì)的表面的電路860。圖8A和8B的氣隙部分包含兩個(gè)氣隙。氣隙部分延伸約與換能器的寬度一樣長(zhǎng)且略微短于換能器的長(zhǎng)度。然而，每一換能器的氣隙部分包含支撐部件。因此，換能器822的氣隙部分包括氣隙826、氣隙827和支撐部件830，且換能器824的氣隙部分包括氣隙828、氣隙829和支撐部件831。
通過(guò)留下PCB的外層的上面將駐留換能器的部分來(lái)構(gòu)造支撐部件。在圖8A和8B的實(shí)施例中，支撐部件830和831是在氣隙部分的寬度上延伸并位于換能器長(zhǎng)度的約中部處的薄條帶。在不同的實(shí)施例中，支撐部件可在PCB的氣隙部分內(nèi)以不同的形狀和位置構(gòu)建。舉例來(lái)說(shuō)，支撐部件可構(gòu)建為延伸小于氣隙部分的整個(gè)寬度的條帶、沿著氣隙部分的長(zhǎng)度的條帶，或?yàn)闅庀恫糠謨?nèi)的多個(gè)小區(qū)域。當(dāng)構(gòu)建為一個(gè)或一個(gè)以上區(qū)域時(shí)，支撐部件可與外層的其余部分隔離或與外層的一部分接觸。萬(wàn)一換能器從外力接收壓力，則支撐部件可支撐換能器。
圖9A-C描繪構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測(cè)器900的實(shí)施例。圖9A提供監(jiān)測(cè)器900的俯視圖。監(jiān)測(cè)器900包含第一層910、附接到第一層的安裝層940和942、分別安裝到安裝層940和942的換能器920和922、位于換能器920和922下方的氣隙945、位于安裝層940與942之間的氣隙通道946和948，以及銅墊951。安裝層940和942具有u形形狀?？赏ㄟ^(guò)去除PCB層的一部分以形成u形層或通過(guò)將u形部件附接到PCB的層來(lái)構(gòu)建安裝層。在一些實(shí)施例中，可構(gòu)建具有與圖9A-C所說(shuō)明的那些安裝層位置和形狀不同的位置和形狀的一個(gè)或一個(gè)以上安裝層來(lái)支撐每一換能器并在每一換能器下方提供氣隙。圖9B是從由圖9A中箭頭所指示的視點(diǎn)來(lái)看監(jiān)測(cè)器900的剖視側(cè)視圖。圖9B說(shuō)明構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測(cè)器，其中換能器920安裝到安裝層940，安裝層940附接到第一層910，氣隙930處于換能器920下方，且電路960附接到PCB的相對(duì)表面。圖9C是說(shuō)明監(jiān)測(cè)器900的前視圖。在圖9A、9B和9C的監(jiān)測(cè)器中，去除外層以在換能器920和922下方形成未劃分的氣隙。所去除的部分在換能器周圍延伸以展現(xiàn)下伏層910的未由換能器元件覆蓋的部分。
如圖7A-B、8A-B和9A-C的PCB中所說(shuō)明，換能器安裝到PCB的其中換能器長(zhǎng)度與氣隙部分略微重疊的外層處。在一些實(shí)施例中，可形成氣隙部分使得換能器安裝到PCB的其中換能器寬度與氣隙略微重疊之處。在一個(gè)實(shí)施例中，將不會(huì)使氣隙部分的寬度和長(zhǎng)度大于換能器元件的寬度和長(zhǎng)度。這防止可施加到換能器的任何以硅樹(shù)脂為主的環(huán)氧樹(shù)脂或熔融的熱塑性凝膠進(jìn)入氣隙部分中。如果環(huán)氧樹(shù)脂或凝膠確實(shí)穿透氣隙，那么凝膠與包括PCB的暴露的纖維玻璃材料的聲阻抗足夠不同，使得超聲能量仍將有效地朝向所需方向反射。由于氣隙相對(duì)較薄，所以能量損耗(如果有的話)將可忽略。
用于超聲波頻率傳輸?shù)哪z墊凝膠墊用于在超聲波監(jiān)測(cè)器與受檢者之間傳輸超聲波頻率信號(hào)。凝膠墊與受檢者的皮膚以及換能器或與換能器直接或間接接觸的表面(例如，RTV層)接觸。含油量高的凝膠對(duì)于超聲通常是可透射的。因此，顯著地使傳輸期間的能量損耗最小。這使超聲波監(jiān)測(cè)器能夠有效地準(zhǔn)確測(cè)量血液流動(dòng)速率和心輸出量。
在一個(gè)實(shí)施例中，凝膠墊可構(gòu)建為凝膠囊。圖10說(shuō)明凝膠囊的一個(gè)實(shí)施例。凝膠囊1000包含凝膠層1010、底漆層1020和1030、隔膜層1040和1050，以及粘合層1060和1070。凝膠層1010是凝膠囊的主要傳輸媒介。底漆層可施加到凝膠層的表面。在凝膠層大體上成形為具有頂部和底部表面的實(shí)施例中，底漆層可施加為上底漆層1020和/或下底漆層1030。隔膜層經(jīng)由底漆層附接到凝膠層。隔膜層用于輔助處理較軟的凝膠并防止稀釋液與受檢者的皮膚接觸。上隔膜層1040附接到上底漆層1020，且下隔膜層1050附接到下底漆層1030。隔膜層可施加到凝膠層的一個(gè)或一個(gè)以上表面。接著可將粘合層施加到隔膜層的外表面。粘合劑用于將凝膠囊附接到受檢者的皮膚、換能器或與換能器接觸的RTV元件。粘合劑還可消除可能存在于凝膠囊與其它表面之間的任何氣穴。上粘合層1060可施加到上隔膜層1040，且下粘合層1070可施加到下隔膜層1050。
圖11A說(shuō)明凝膠墊1180的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。凝膠墊1180包含凝膠囊1182、第一覆蓋物1184和第二覆蓋物1186。圖11B說(shuō)明凝膠墊1180的側(cè)視圖。凝膠囊1182通常保持平坦的盤(pán)狀形狀。覆蓋物在制造期間施加到凝膠囊并在其被使用之前對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。覆蓋物可由蠟紙或某種其它類型的材料構(gòu)造。對(duì)于超聲波監(jiān)測(cè)器來(lái)說(shuō)，凝膠囊用作一次性凝膠墊。就在使用之前，從凝膠囊去除覆蓋物。接著將凝膠囊施加到超聲波監(jiān)測(cè)器與受檢者的皮膚之間的區(qū)域。在監(jiān)測(cè)器佩帶在腕部上的一個(gè)實(shí)施例中，將凝膠囊施加在佩帶在腕部的監(jiān)測(cè)器與受檢者的腕部之間。監(jiān)測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例在向受檢者施加的監(jiān)測(cè)器的外表面中提供凹進(jìn)。凝膠囊可施加到監(jiān)測(cè)器上的凹進(jìn)區(qū)域以幫助使其保持在適當(dāng)位置。當(dāng)凝膠墊包含壓敏粘合劑且在監(jiān)測(cè)器與受檢者之間壓縮時(shí)，凝膠墊可粘合到監(jiān)測(cè)器和受檢者。凝膠墊可在如下情況時(shí)壓縮用條帶將監(jiān)測(cè)器綁縛到受檢者、在沒(méi)有條帶的情況下保持在適當(dāng)位置持續(xù)一時(shí)間段、或以某種其它方式而將監(jiān)測(cè)器用條帶綁縛、緊固或以其它方式施加到受檢者。
凝膠墊形狀和厚度可經(jīng)設(shè)計(jì)以允許超聲波監(jiān)測(cè)器以不同的偏角操作。圖12A的凝膠墊方位1200說(shuō)明附接到具有矩形橫截面的凝膠墊1210的監(jiān)測(cè)器模塊1205。圖12B的凝膠墊方位1220說(shuō)明附接到具有三角形橫截面的凝膠墊1230的監(jiān)測(cè)器模塊1225。圖12C的凝膠墊方位1240說(shuō)明附接到具有梯形橫截面的凝膠墊1240的監(jiān)測(cè)器模塊1245。這些凝膠墊形狀的尺寸基于所需的偏角和待檢測(cè)的移動(dòng)對(duì)象的深度。
可使用若干類型的材料來(lái)構(gòu)造本發(fā)明的凝膠墊。凝膠墊的凝膠層(圖10的凝膠1010)可由熱塑性凝膠、熱固性凝膠、水凝膠或其它類似材料構(gòu)造。熱塑性凝膠通常由具有較大比例的內(nèi)部擴(kuò)散稀釋液(interdispersed diluent)的熱塑性彈性體制成。熱塑性彈性體包含嵌段共聚物，例如，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、苯乙烯/乙烯-共-丁烯/苯乙烯，和苯乙烯/乙烯-共-丙烯/苯乙烯。苯乙烯端基嵌段在室溫下形成玻璃質(zhì)區(qū)域(glassy domain)。玻璃質(zhì)區(qū)域充當(dāng)提供聚合物的彈性體特性的物理交聯(lián)。在加熱到苯乙烯的玻璃轉(zhuǎn)換溫度(即，約100℃)以上期間，玻璃質(zhì)區(qū)域熔化且聚合物恢復(fù)到液態(tài)。冷卻期間，玻璃質(zhì)區(qū)域再次重新形成。因此，所述過(guò)程是可逆的。含有結(jié)晶聚乙烯端基嵌段的其它嵌段共聚物(例如，乙烯-(乙烯-共-丁烯)-乙烯共聚物)也可用于制備熱塑性凝膠。
熱固性凝膠(例如，聚氨酯或硅凝膠)通常由化學(xué)鍵連接的三維彈性體網(wǎng)絡(luò)制成，所述彈性體網(wǎng)絡(luò)截留有大量低揮發(fā)性液體或稀釋液。彈性體網(wǎng)絡(luò)是永久的且無(wú)法通過(guò)加熱而恢復(fù)到液態(tài)。有必要使用一定量的稀釋液以便確保凝膠對(duì)皮膚的良好適應(yīng)性以及超聲傳輸?shù)牡退p，同時(shí)仍維持承載特性。凝膠可在-30℃到+70℃范圍內(nèi)的溫度下使用，在所述范圍中凝膠保持其形狀和承載彈性特性。
熱固性凝膠和熱塑性凝膠總是含有截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中的較大百分比的稀釋液。當(dāng)適當(dāng)配制時(shí)，這些凝膠是穩(wěn)定的且可抵抗應(yīng)力或溫度循環(huán)。穩(wěn)定性受例如彈性體網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度和稀釋液與彈性體網(wǎng)絡(luò)的相容性的熱力學(xué)因素控制。然而，即使是在熱力學(xué)上穩(wěn)定的凝膠，當(dāng)與皮膚接觸時(shí)，凝膠中的稀釋液也可能仍擴(kuò)散出去并進(jìn)入活體受檢者中。這是由于以下事實(shí)的緣故皮膚上的稀釋液具有濃度梯度；稀釋液的自然趨勢(shì)是遷移出凝膠(其中稀釋液濃度較高)并進(jìn)入皮膚(其中稀釋液的初始濃度為零)。因此，所述擴(kuò)散由菲克定律(Fick’s Law)以動(dòng)力學(xué)方式控制。稀釋液(尤其是硅油)的擴(kuò)散可能對(duì)生物造成有害影響。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將適應(yīng)的障壁隔膜粘合或?qū)訅旱侥z層來(lái)防止稀釋液擴(kuò)散。
水凝膠可由例如聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚(丙烯酸-共-丙烯腈)、聚(丙烯酰胺-共-丙烯腈)等水溶性聚合物組成。其溶解在以總混合物的重量計(jì)近似50％到98％的大量水中。混合物視情況通過(guò)例如鈉、鋅、鈣等離子而增稠，所述離子是通過(guò)添加相應(yīng)的金屬鹽而提供的。當(dāng)使用隔膜時(shí)，隔膜可有效地密封混合物以防止水蒸發(fā)或遷移。
隔膜層可由聚氨酯、硅樹(shù)脂、聚(氯乙烯)、天然或合成橡膠、聚酯、聚酰胺，或包含低密度的聚乙烯、塑性體、茂金屬烯烴共聚物或其它類似材料在內(nèi)的聚烯烴的薄膜制成。事實(shí)上，柔韌且合適的任何薄聚合物膜均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可依據(jù)所選擇的凝膠材料來(lái)確定適宜的隔膜材料。隔膜可使用粘合劑層壓到凝膠墊。也可通過(guò)將例如聚氨酯彈性體溶液或膠乳的成膜液體噴射或涂覆到凝膠層的表面上來(lái)形成隔膜。在干燥液體時(shí)形成薄隔膜，其可實(shí)現(xiàn)與層壓工藝相同的結(jié)果。依據(jù)凝膠層中稀釋液的類型，選擇隔膜以提供最佳障壁效應(yīng)。隔膜優(yōu)選地盡可能薄且柔軟，使得其較好地適應(yīng)皮膚并使截留空氣的可能性最小。隔膜還使得能夠較容易地進(jìn)行凝膠墊處理、減少污垢積聚，并較容易地進(jìn)行清潔。
可使用若干類型的粘合劑和底漆來(lái)產(chǎn)生圖10和11A-B的凝膠囊。舉例來(lái)說(shuō)，可使用3MTM提供的AutomixTM聚烯烴粘合促進(jìn)劑05907和Loctite提供的LOCTITETM770聚烯烴底漆作為凝膠層與隔膜層之間的底漆?？墒褂肁shland Specialty Chemical Company提供的AROSETTM3250壓敏粘合劑作為隔膜層與受檢者的皮膚之間的粘合劑?？墒褂肈ow CorningTM提供的與SYL-OFF 4000催化劑一起使用的DOW CORNING 7657粘合劑作為隔膜層與RTV元件之間的粘合劑。
視凝膠的基礎(chǔ)材料而定，施加到隔膜層的外表面的壓敏粘合劑可以橡膠、硅樹(shù)脂或丙烯酸系聚合物為主。舉例來(lái)說(shuō)，如果使用熱塑性凝膠，那么以橡膠為主的壓敏粘合劑將提供較好的粘合力。同樣優(yōu)選的是，壓敏粘合劑是醫(yī)用的而不會(huì)引起皮膚致敏。如果隔膜直接與皮膚接觸，那么還需要隔膜本身不會(huì)引起皮膚致敏。已知由天然橡膠膠乳制成的一些隔膜材料會(huì)對(duì)一些人的皮膚引起過(guò)敏性反應(yīng)。
在另一實(shí)施例中，凝膠墊可由單個(gè)熱塑性凝膠材料層組成。這當(dāng)使用例如醫(yī)用礦物油的生物相容的流體作為凝膠中的稀釋液時(shí)尤其便利。這種油如果遷移到皮膚中不會(huì)對(duì)活體組織造成有害影響。舉例來(lái)說(shuō)，嬰兒油(一種醫(yī)用礦物油)可用作稀釋液。在此情況下，熱塑性凝膠材料與受檢者的表面足夠適應(yīng)，使得凝膠墊與受檢者的皮膚之間不需要粘合劑。特定而言，當(dāng)施加微量的壓力(例如，通過(guò)用腕部條帶佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測(cè)器施加的壓力)時(shí)，大體上消除任何存在的氣穴。需要最小的粘合力來(lái)使單層熱塑性凝膠墊在與超聲波監(jiān)測(cè)器和受檢者的皮膚接觸時(shí)保持在適當(dāng)位置。因?yàn)闃?gòu)造起來(lái)簡(jiǎn)單、便宜，并允許使用大量粘合劑來(lái)保持凝膠墊與RTV接觸，所以這是有利的。在一個(gè)實(shí)施例中，凝膠的厚度可在約1與10毫米之間。在一些實(shí)施例中，凝膠的厚度可在1與5毫米之間。
凝膠墊可以若干方式附接到超聲波監(jiān)測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施例中，熱塑性凝膠可加熱到熔融狀態(tài)并上覆式模制(over-mold)到換能器的塑料外殼上。盡管熱塑性凝膠將粘合到換能器，但可使用粘合劑來(lái)確保持久結(jié)合。此粘合劑的實(shí)例包含GLS Corporation提供的Versaflex6000和Teknor Apex Corporation提供的Monprene。在一個(gè)實(shí)施例中，可在對(duì)凝膠進(jìn)行上覆式模制之前，通過(guò)注入模制而對(duì)粘合劑進(jìn)行上覆式模制。適合上覆式模制的粘合劑包含ECLECTRIC PRODUCTS，Inc提供的EC6000。接著可將隔膜層層壓在凝膠層上方以防止稀釋液擴(kuò)散。
在另一實(shí)施例中，利用模具來(lái)形成傳輸媒介的一部分。在此情況下，將包圍換能器和PCB外表面的一部分的模具安裝到PCB。接著，將室溫硫化(RTV)硅橡膠層粘合劑置于模具中。盡管RTV層將粘合到模具內(nèi)暴露的PCB表面，但可使用粘合劑將RTV進(jìn)一步固定到PCB。RTV提供優(yōu)良的超聲波信號(hào)傳輸且比熱塑性凝膠墊略微堅(jiān)固。RTV層的堅(jiān)固性可防止由于與凝膠墊和其它物體的接觸而對(duì)換能器元件造成損害。
圖13A和13B中展示并入有經(jīng)模制的RTV層的PCB系統(tǒng)的實(shí)施例。圖13A的系統(tǒng)1300的監(jiān)測(cè)器包含PCB的外層1310、安裝到外層的換能器1320和1330、RTV模具1340、銅觸點(diǎn)1342、將銅觸點(diǎn)1342連接到換能器1320和1340的連接引線1344、處于換能器1320下方的氣隙部分1322和1324，和處于換能器1330下方的氣隙部分1326和1328。圖13B說(shuō)明PCB系統(tǒng)的側(cè)視圖，且進(jìn)一步說(shuō)明用于構(gòu)建安裝到換能器的相對(duì)的表面的監(jiān)測(cè)器的電路。RTV模具經(jīng)構(gòu)造使得其包圍換能器、氣隙部分，和PCB的外層的一部分。連接引線1344可位于模具上方或下方。模具可構(gòu)建為焊接模具并使用上文論述的適當(dāng)粘合劑附接到PCB。在生產(chǎn)期間，將RTV材料置于RTV模具中。接著可使用適當(dāng)粘合劑將凝膠墊附接到RTV。
在一個(gè)實(shí)施例中，凝膠墊的凝膠層部分可模制在RTV材料上方。接著可將凝膠墊的隔膜層和/或聚氨脂部分施加在凝膠層的外表面上。隔膜層可與粘合劑一起施加或不與粘合劑一起施加。在此實(shí)施例中，不將隔膜層施加到與RTV層接觸的凝膠層表面(即，此實(shí)施例中，RTV材料與凝膠層之間不使用隔膜)。接著可將隔膜層的外表面放置成與受檢者的皮膚接觸?？梢曅枰獙⒄澈蟿┦┘拥礁裟拥呐c受檢者的皮膚接觸的外表面。
可選擇RTV材料使得其充當(dāng)換能器與外力之間的機(jī)械隔離物。RTV材料吸收外力(例如，與受檢者的皮膚接觸或來(lái)自受檢者的皮膚壓力)，并防止其影響換能器的諧振頻率。RTV可由若干類型的材料構(gòu)造，所述材料包含全部由DOW CORNINGTM提供的SilasticTME RTV硅橡膠以及DOW CORNING 3110、3112和3120 RTV橡膠?？墒褂肅ORNINGTM1301底漆和其它類似底漆將RTV材料附接到PCB。
經(jīng)包封的超聲波監(jiān)測(cè)器在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可對(duì)超聲波監(jiān)測(cè)器進(jìn)行包封以使其防水。可使用ABS塑料材料、凝膠材料或兩者來(lái)密封超聲波監(jiān)測(cè)器。舉例來(lái)說(shuō)，可將電子組件側(cè)密封在ABS塑料材料中，而通過(guò)較軟的凝膠材料(例如，含油量高的熱塑性材料)來(lái)密封換能器側(cè)。在另一實(shí)施例中，可使用ABS塑料材料來(lái)密封換能器側(cè)和電子組件側(cè)兩者。
密封的組合件可形成有位于換能器上方的凹進(jìn)部分或超聲波監(jiān)測(cè)器的RTV部分?？蓪⒁淮涡阅z墊現(xiàn)場(chǎng)放置在凹進(jìn)區(qū)域處以改進(jìn)超聲波信號(hào)傳輸并維持凝膠墊的位置。參看圖11A-B說(shuō)明和論述的凝膠囊可用于此實(shí)施例中。在一些實(shí)施例中，所得組合件可進(jìn)一步經(jīng)模制或以某種方式機(jī)械耦合到以聚氨脂為主的手表帶。兩種最終組合件均將是防水的，且對(duì)于受檢者保持良好的超聲波傳輸特性。
圖14A說(shuō)明密封的超聲波監(jiān)測(cè)器1400的實(shí)施例。監(jiān)測(cè)器1400包含PCB 1410、電路1412、塑料外殼1414、凝膠或環(huán)氧樹(shù)脂層1420、換能器1422和1424，以及凝膠墊1425。PCB 1410、電路1412經(jīng)模制并密封在塑料(例如，ABS塑料)外殼1410中。將凝膠或環(huán)氧樹(shù)脂層1420模制或澆鑄在換能器上方并對(duì)塑料外殼進(jìn)行密封。
圖14B說(shuō)明密封的超聲波監(jiān)測(cè)器1430的實(shí)施例。監(jiān)測(cè)器1430包含PCB 1440、電路1442、塑料外殼1444、粘合層1450、凝膠或環(huán)氧樹(shù)脂層1452、換能器1454和1456，以及凝膠墊1458。監(jiān)測(cè)器1430類似于監(jiān)測(cè)器1400，只是粘合層1450施加在換能器和PCB上方。
圖14C說(shuō)明密封的超聲波監(jiān)測(cè)器1460的實(shí)施例。監(jiān)測(cè)器1460包含PCB 1470、電路1472、塑料外殼1474、凝膠或環(huán)氧樹(shù)脂層1480、換能器1482和1484，以及凝膠墊1490。監(jiān)測(cè)器1460類似于監(jiān)測(cè)器1400，只是塑料外殼1474包圍整個(gè)監(jiān)測(cè)器。
經(jīng)包封的超聲波監(jiān)測(cè)器可與永久附接的凝膠囊或可現(xiàn)場(chǎng)附接的一次性凝膠囊一起使用。圖15A說(shuō)明包封在外殼中的佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測(cè)器1500的實(shí)施例。監(jiān)測(cè)器1500包含超聲波監(jiān)測(cè)器模塊1510、附接到監(jiān)測(cè)器模塊1510的凝膠墊1515、顯示裝置1530，以及附接到顯示裝置和監(jiān)測(cè)器模塊的條帶1520。凝膠囊1515在生產(chǎn)期間附接到監(jiān)測(cè)器模塊。在一個(gè)實(shí)施例中，凝膠墊可通過(guò)模制工藝而附接到監(jiān)測(cè)器模塊1510。圖15B說(shuō)明包封在外殼中的佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測(cè)器1580的一個(gè)實(shí)施例。監(jiān)測(cè)器1580包含超聲波監(jiān)測(cè)器模塊1560、附接到監(jiān)測(cè)器模塊1560的一次性凝膠墊1565、顯示裝置1580，以及附接到顯示裝置和監(jiān)測(cè)器模塊的條帶1570。一次性凝膠囊1565可就在使用監(jiān)測(cè)器之前附接到監(jiān)測(cè)器模塊。超聲波監(jiān)測(cè)器模塊1510和1560具有略微不同的形狀。這僅僅是為了提供實(shí)例。圖15A和15B的超聲波監(jiān)測(cè)器模塊的形狀可互換且不希望限制本發(fā)明的范圍。
已出于說(shuō)明和描述的目的呈現(xiàn)了對(duì)本發(fā)明的以上詳細(xì)描述。不希望所述描述是詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。根據(jù)上文的教示，可能作出許多修改和變化。選擇所描述的實(shí)施例是為了最佳地闡釋本發(fā)明的原理及其實(shí)踐應(yīng)用，從而使所屬領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠最佳地將本發(fā)明用于各種實(shí)施例中且可作出適于所預(yù)期的特定用途的各種修改。希望本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)界定。
權(quán)利要求
1.一種超聲波監(jiān)測(cè)器，其包括發(fā)射換能器，其經(jīng)配置以發(fā)射超聲波信號(hào)；接收換能器，其經(jīng)配置以接收反射的超聲波信號(hào)；電路，其處理所述接收到的超聲波信號(hào)；外殼，其包含所述發(fā)射換能器、所述接收換能器和所述電路；和凝膠墊，其附接到所述外殼，所述凝膠墊具有凝膠層和隔膜，所述超聲波信號(hào)和所反射的超聲波信號(hào)通過(guò)所述凝膠墊在所述換能器與受檢者的皮膚之間傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述隔膜被層壓到所述凝膠層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述隔膜用底漆粘合到所述凝膠層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，所述凝膠墊進(jìn)一步包含壓敏粘合劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，所述凝膠層具有截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中的高百分比稀釋液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其進(jìn)一步包括RTV硅橡膠層，所述RTV硅橡膠層定位在所述凝膠墊與所述換能器之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述外殼包含對(duì)應(yīng)于所述換能器的位置的凹進(jìn)部分，所述凝膠墊定位在所述凹進(jìn)部分上方。
8.一種超聲波監(jiān)測(cè)器，其包括超聲波監(jiān)測(cè)器模塊，和凝膠墊，所述凝膠墊包含凝膠層和隔膜，所述凝膠墊定位成與所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊和受檢者的皮膚接觸，并在所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊與受檢者的皮膚之間提供超聲波信號(hào)傳輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述凝膠墊進(jìn)一步包含粘合劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述凝膠墊現(xiàn)場(chǎng)附接到所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊包含凹進(jìn)處，所述凝膠墊現(xiàn)場(chǎng)附接在所述凹進(jìn)處上方。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述隔膜經(jīng)定位以防止所述凝膠層擴(kuò)散到所述受檢者的皮膚。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，所述超聲波監(jiān)測(cè)器進(jìn)一步包含附接構(gòu)件，其附接到所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊，所述附接構(gòu)件將外殼維持在所述凝膠墊上方抵靠所述受檢者皮膚的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，所述凝膠墊包含壓敏粘合劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲波監(jiān)測(cè)器，其中所述壓敏粘合劑在所述凝膠的施加到所述受檢者的皮膚的第一表面上及所述凝膠墊的施加到所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊的第二表面上。
16.一種用于監(jiān)測(cè)心率的方法，其包括將凝膠墊施加到超聲波監(jiān)測(cè)器模塊，所述凝膠墊包含凝膠材料和隔膜；通過(guò)所述凝膠墊將超聲波信號(hào)從所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊傳輸?shù)绞軝z者；通過(guò)所述凝膠墊從所述受檢者接收由所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊反射的超聲波信號(hào)；和處理所述接收到的超聲波信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述凝膠包含截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中的高百分比稀釋液。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述隔膜防止所述稀釋液擴(kuò)散到所述受檢者。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述凝膠墊包含壓敏粘合劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中施加所述凝膠包含將所述凝膠墊定位在所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊與所述受檢者之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中將所述超聲波監(jiān)測(cè)器模塊和所述凝膠墊定位在動(dòng)脈上方。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述凝膠墊包含底漆。
23.一種凝膠墊，其包括凝膠層和隔膜，所述凝膠層具有上表面和下表面且厚度在1與5毫米之間，所述凝膠層經(jīng)配置以當(dāng)定位在超聲波監(jiān)測(cè)器與受檢者的皮膚之間并通過(guò)所述超聲波監(jiān)測(cè)器施加到所述受檢者的皮膚時(shí)消除氣穴。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述凝膠層包括熱塑性凝膠。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述凝膠層包括熱固性凝膠。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述凝膠層包括水凝膠。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述隔膜是聚氨酯膜。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述隔膜是合成橡膠膜。
全文摘要
一種構(gòu)建在PCB上的超聲波監(jiān)測(cè)器包含凝膠墊，所述凝膠墊由凝膠層和隔膜層組成。超聲波信號(hào)通過(guò)所述凝膠墊在所述超聲波監(jiān)測(cè)器與活體受檢者之間傳輸。在所述PCB中換能器元件下方形成氣隙以提供更有效的信號(hào)傳輸。這些特征提供了低功率、低成本、更有效的超聲波監(jiān)測(cè)器。可將所述整個(gè)超聲波監(jiān)測(cè)器包封在塑料、凝膠或兩者中以提供防水特性。
文檔編號(hào)A61B8/14GK101080194SQ200580043382
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者托馬斯·英清·羅, 張龍永 申請(qǐng)人:薩魯特倫公司