專(zhuān)利名稱(chēng)：用于進(jìn)行阻抗測(cè)量的裝置、系統(tǒng)和方法
用于進(jìn)行阻抗測(cè)量的裝置、系統(tǒng)和方法本發(fā)明涉及電磁阻抗測(cè)量裝置，包括用于測(cè)量外部物質(zhì)的阻抗的 傳感器元件。本發(fā)明還涉及用于測(cè)量代表個(gè)體的生命體征的信號(hào)的生命體征 測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及對(duì)外部物質(zhì)進(jìn)行阻抗測(cè)量的方法。根據(jù)US 2003/0055358A1已知前文所述裝置的實(shí)施例。該己知裝 置用于測(cè)量生物組織的電磁生物阻抗。為此，該已知裝置包括一個(gè)傳 感器元件，用于檢測(cè)代表響應(yīng)于外部施加的交變磁場(chǎng)而在組織內(nèi)傳播 的渦電流的信號(hào)。該已知裝置可以確定對(duì)應(yīng)于傳感器元件的橫截面的 身體部分的生物阻抗。該已知裝置的不利之處在于，為了獲得生物阻抗值的分布，傳感 器元件必須相對(duì)于組織表面進(jìn)行移動(dòng)。該過(guò)程耗時(shí)而且包括由于偏移 誤差引起的相當(dāng)大的不精確。本發(fā)明的目的是提供用于測(cè)量阻抗的裝置，利用該裝置可以進(jìn)行 準(zhǔn)確的空間解析測(cè)量。為此，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括另一個(gè)傳感器元件，用于對(duì)所述物 質(zhì)進(jìn)行空間解析阻抗測(cè)量，所述傳感器元件和所述另一個(gè)傳感器元件 作為工作于不同的諧振頻率的各個(gè)諧振電路的部件。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)手段基于如下的觀點(diǎn)將多個(gè)傳感器元件(如 兩個(gè)或者多個(gè))彼此鄰近放置使得可以進(jìn)行空間解析的阻抗測(cè)量。為 了獲得這些傳感器元件的阻抗讀數(shù)，每個(gè)傳感器設(shè)置作為各個(gè)諧振電 路的一部分，每個(gè)諧振電路以不同的諧振頻率工作。優(yōu)選地，各個(gè)諧 振頻率之間的差別大概為10%。該原理已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，下文針對(duì) 圖l對(duì)其結(jié)果進(jìn)行討論。因而，根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的裝置，提供了一種測(cè)量設(shè)置，其使得可以使用所期望的空間解析度對(duì)所感興趣的區(qū)域進(jìn) 行阻抗測(cè)量。該實(shí)事對(duì)于醫(yī)學(xué)應(yīng)用尤其有益，可以對(duì)如呼吸動(dòng)作和深 度、心率、心臟體積變化、血糖級(jí)別等生命體征進(jìn)行空間解析準(zhǔn)確度 高的非介入性的、根據(jù)位置的測(cè)量。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)裝置實(shí)施例中，傳感器元件和另一個(gè)傳感器 元件設(shè)計(jì)為形成傳感器元件矩陣或陣列。設(shè)計(jì)陣列或者矩陣形式的傳感器陣列尤其有益?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)選 擇傳感器陣列的相應(yīng)大小而獲得所期望的空間解析度。下文針對(duì)圖2a和2b討論該特定實(shí)施例。在另一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，所述傳感器元件和所述另一個(gè) 傳感器元件包括與各個(gè)容性元件協(xié)同工作的各個(gè)傳感器線圈，由所述 傳感器元件和所述另一個(gè)傳感器元件的連接軌道的各個(gè)長(zhǎng)度確定所 述各個(gè)諧振頻率。使用具有預(yù)先選擇的連接軌道長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)線圈元件和多種容性 元件的組合尤其有益，從而可以設(shè)計(jì)具有不同的各個(gè)諧振頻率的多個(gè) 諧振電路。優(yōu)選地，本身已知的表面安裝器件(SMD)電容器用作 容性元件。以下參照?qǐng)D3詳細(xì)討論該結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意，作為替代，可以 選擇具有預(yù)先選定值的標(biāo)準(zhǔn)容性元件，并且通過(guò)改變感性線圈的連接 軌道長(zhǎng)度改變諧振電路的諧振頻率。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器元件和所述 另一個(gè)傳感器元件設(shè)置在固定單元內(nèi)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的某些應(yīng)用中，可能希望在個(gè)體位于適當(dāng)?shù)?固定單元的情況下測(cè)量所述個(gè)體的阻抗，例如，位于椅子上、床上等 情況下。必須指出，根據(jù)本發(fā)明的裝置同樣適用于個(gè)體在固定單元上 進(jìn)行任務(wù)時(shí)的情況。例如，該任務(wù)可以是操作車(chē)輛、坐在辦公室內(nèi)進(jìn) 行靜止勞動(dòng)等情況。這些例子中，根據(jù)本發(fā)明的裝置適用于進(jìn)行隔離 的阻抗測(cè)量，或者監(jiān)控一系列阻抗測(cè)量的任何變化。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器元件和所述 另一個(gè)傳感器元件設(shè)置在耐磨件內(nèi)。將根據(jù)本發(fā)明的裝置放置在耐磨件內(nèi)特別有益，例如T恤衫、內(nèi)衣、臂章等。該實(shí)施例對(duì)于對(duì)移動(dòng)個(gè)體進(jìn)行重復(fù)測(cè)量特別有益，例如， 對(duì)于體育教練或者監(jiān)控復(fù)原中的病人。根據(jù)本發(fā)明的生命體征測(cè)量系統(tǒng)包括以上所述的裝置。 測(cè)量生物阻抗用于測(cè)量人體的各種生命參數(shù)，優(yōu)選地以非接觸方 式進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)將根據(jù)本發(fā)明的裝置結(jié)合在生命體征測(cè)量系統(tǒng)中， 在人體部分內(nèi)感應(yīng)除交變磁場(chǎng)。該交變磁場(chǎng)在身體組織內(nèi)引起渦電 流。根據(jù)組織的類(lèi)型，渦電流更強(qiáng)或者更弱。渦電流在組織內(nèi)引起損 耗，可以測(cè)量損耗，例如，根據(jù)感應(yīng)環(huán)的品質(zhì)因數(shù)下降測(cè)量損耗。也 可以引起次級(jí)磁場(chǎng)，可以根據(jù)感應(yīng)環(huán)的電導(dǎo)率變化測(cè)量次級(jí)磁場(chǎng)，或 者，根據(jù)第二感應(yīng)環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電壓測(cè)量。通過(guò)使用工作于不同諧振頻 率的多個(gè)傳感器元件，可以提供能夠提供空間解析測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)， 用來(lái)測(cè)量例如呼吸動(dòng)作和深度、心率、心臟體積變化、血糖等級(jí)、選 擇的組織內(nèi)(肺部水腫、邊緣器官水腫)的脂肪或者水分等生命體征。 根據(jù)本發(fā)明的方法包括下列步驟—提供包括傳感器元件和用于對(duì)所述物質(zhì)進(jìn)行空間解析的阻抗 測(cè)量的另一個(gè)傳感器元件的裝置，所述傳感器元件和所述另一個(gè)傳感 器元件設(shè)置作為工作于不同諧振頻率的各個(gè)諧振電路的部分；一將所述裝置放置在所述物質(zhì)的附近；—對(duì)所述傳感器元件和所述另一個(gè)傳感器元件施加交變電磁場(chǎng)；一檢測(cè)代表所述諧振電路的各個(gè)品質(zhì)因數(shù)變化的信號(hào)。 根據(jù)本發(fā)明的方法特別適用于獲得生命體征符號(hào)的映射，可以通 過(guò)空間解析的生物阻抗測(cè)量來(lái)檢測(cè)生命體征。 通過(guò)附圖討論本發(fā)明的這些和其他方面。

圖1簡(jiǎn)要示出了串聯(lián)連接的傳感器陣列所測(cè)量的阻抗分布結(jié)果。圖2a簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器陣列的實(shí)施例。圖2b簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的矩陣陣列的實(shí)施例。圖3簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例，其中諧振電路使用 SMD電容。 '圖4簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的用于監(jiān)控的系統(tǒng)的實(shí)施例，其中磁 性裝置集成在衣物內(nèi)。圖5簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的用于監(jiān)控的系統(tǒng)的實(shí)施例，所述系統(tǒng)包括另一個(gè)傳感裝置。圖1簡(jiǎn)要示出了串聯(lián)連接的傳感器陣列所測(cè)量的阻抗分布結(jié)果。該圖示出了分別作為外部RF場(chǎng)函數(shù)的相位(曲線a)和幅度(曲線 b)，曲線b以對(duì)數(shù)刻度表示。該例中，傳感器陣列包括設(shè)置在聚酰亞 胺(柔性箔)襯底上的螺旋銅軌道。它們組成具有對(duì)應(yīng)于四個(gè)傳感器 元件的不同諧振頻率的四個(gè)相應(yīng)諧振電路。通常，為了描述各個(gè)諧振 頻率之間的頻差，可以使用諧振峰處的品質(zhì)因數(shù)。其規(guī)則為，品質(zhì)因 數(shù)越低，峰越寬，它們之間所選擇的距離越大。優(yōu)選地，在至少三倍 于df值(描述峰的一3dB處的寬度)的值處選擇頻差。該df值是將 諧振頻率f^除以品質(zhì)因數(shù)Q得到的，df=fres/Q。對(duì)于通常的應(yīng)用， 這樣可以得到約10%的頻差。通過(guò)選擇不同長(zhǎng)度的連接軌道的箔而 構(gòu)造諧振電路。圖1示出的阻抗分布顯示了陣列上的電壓，該電壓是 使用恒定電流測(cè)定的。圖1清楚示出對(duì)應(yīng)于四個(gè)諧振電路中的每一個(gè) 的四個(gè)諧振峰(曲線b)。圖1中的曲線a示出相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)測(cè)量 結(jié)果。已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，如果將導(dǎo)電物質(zhì)靠近某個(gè)線圈放置，只有 一個(gè)諧振(即，和某個(gè)線圈相關(guān)的諧振)顯著地改變其品質(zhì)因數(shù)和諧 振頻率。鄰近的諧振峰所受的影響相對(duì)小得多。因而，證明了可以使 用頻率來(lái)獲得阻抗測(cè)量的空間解析。圖2a簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器陣列。圖2簡(jiǎn)要示出了根 據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例，其包括多個(gè)諧振電路，具有相應(yīng)的線圈元 件3a、 3b、 3c、 3d和相應(yīng)的容性元件5a、 5b、 5c、 5d。電源裝置8 為諧振電路供能，從而產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)(未示出)。用安培表6檢測(cè)諧 振電路的信號(hào)Sl、 S2、 S3、 S4。由于和導(dǎo)電體(未示出)之間的電 磁作用而使諧振電路產(chǎn)生的功率損耗通過(guò)各個(gè)信號(hào)的幅度變化反應(yīng) 出來(lái)。通過(guò)檢測(cè)信號(hào)S1、 S2、 S3或S4，確定諧振電路的功率損耗。 如果功率損耗和信號(hào)S之間的絕對(duì)值關(guān)系已知，可以確定所研究的體積的導(dǎo)電特性。為了保證恒定功率負(fù)載，優(yōu)選地，諧振電路用反饋環(huán) 10使能。優(yōu)選地，反饋環(huán)設(shè)置為使得控制諧振電路幅度的電壓和諧振電路所提供的RF功率成正比。優(yōu)選地，諧振電路被集成到絕緣織 物載體2內(nèi)。優(yōu)選地，構(gòu)成3a、 3b、 3c、 3d的導(dǎo)體與織物2的線編 織在一起。優(yōu)選地，傳感器元件和另一個(gè)傳感器元件包括柔性材料。 適當(dāng)?shù)娜嵝圆牧系睦訛榫埘啺?柔性箔)襯底。應(yīng)該注意，可以 想到柔性材料可能實(shí)施例的各種例子；因而，本例子不應(yīng)理解為限制 本發(fā)明的范圍。陣列結(jié)構(gòu)的益處在于可以容易地進(jìn)行擴(kuò)展。圖2b簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的矩陣陣列實(shí)施例。 雖然在該特定實(shí)施例中矩陣20包括正方形結(jié)構(gòu)，但是，也能使用X 乘以Y的矩陣結(jié)構(gòu)，或者傳感器元件22的任何不規(guī)則結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地， 包括類(lèi)型22的線圈的傳感器元件連接到與之并聯(lián)的SMD (表面安裝 器件)電容24。優(yōu)選地，每個(gè)SMD電容24都稍微不同，這通過(guò)改 變圖2b中的各個(gè)符號(hào)大小表示。如前所述，除了不同的SMD電容 外，可以通過(guò)使用用于線圈22的不同連接軌道作為一個(gè)度量來(lái)獲得 不同的諧振頻差。圖3簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置40的系統(tǒng)實(shí)施例，其中，傳 感器裝置集成在衣物內(nèi)。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，T恤衫用作與諧振電 路32集成的絕緣織物載體。這里，諧振電路32包括參考圖1所描述 的全部部件。在替代實(shí)施例中，所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)可以包括多個(gè)用于 測(cè)量阻抗的結(jié)構(gòu)。圖4簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個(gè)實(shí)施例，所述裝置包 括固定單元41，傳感器裝置42安裝于固定單元41之上。該實(shí)施例 中，床41用于安置人(未示出)。床單43具有多個(gè)參考圖2a所描述 的傳感器裝置42。圖5簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的生命體征測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施例。生命 體征測(cè)量系統(tǒng)50包括用于通過(guò)進(jìn)行參考圖2a所描述的阻抗測(cè)量來(lái)監(jiān) 控用戶的生理狀況的傳感器裝置51 。傳感器裝置51包括設(shè)置在用戶 身體附近的適當(dāng)多個(gè)諧振電路51a，用于獲得目標(biāo)生理狀況的信號(hào)特 性，如，和呼吸動(dòng)作、呼吸深度、心率、心臟體積變化、血糖級(jí)別、組織(如肺部水腫、邊緣器官水腫)的脂肪或水分含量等。此外，傳感器裝置51可以包括另一個(gè)傳感器裝置52，用于監(jiān)控參考信號(hào)，如， 來(lái)自同一用戶的健康組織的信號(hào)。優(yōu)選地，傳感器裝置51用于對(duì)用 戶的生理狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，還用于為系統(tǒng)50的前端電子設(shè)備60提 供相應(yīng)的信號(hào)。傳感器裝置51和前端電子設(shè)備60佩戴在用戶身體上， 優(yōu)選地位于胸腔位置?；蛘?，傳感器裝置51可以集成到家具、床單、 安全帶、車(chē)輛座椅內(nèi)。用于耐磨設(shè)備的適當(dāng)織物載體的例子在本領(lǐng)域 是公知的。前端電子設(shè)備60用于分析來(lái)自諧振電路51a的信號(hào)。為 此，前端電子設(shè)備60包括前置放大器61和模擬處理電路62、 ADC 單元63、檢測(cè)裝置65和微處理器64。前端電子設(shè)備60可以進(jìn)一步 包括適當(dāng)?shù)膱?bào)警裝置66和傳輸裝置67。信號(hào)檢測(cè)裝置65包括傳感 器信號(hào)解釋單元65a和特征提取裝置65b。系統(tǒng)60的操作如下傳 感器裝置51獲得原始數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)傳遞給前端電子設(shè)備60。前 端電子設(shè)備60提供用于從傳感器裝置接收信號(hào)的裝置，通過(guò)模擬處 理單元62執(zhí)行適當(dāng)?shù)哪M處理。處理過(guò)的原始數(shù)據(jù)被ADC 63轉(zhuǎn)換 成數(shù)字格式，并通過(guò)微處理64轉(zhuǎn)發(fā)至檢測(cè)裝置65，檢測(cè)裝置65分 析用戶的狀況。檢測(cè)裝置65包括傳感器信號(hào)解釋單元65a，用于獲 得信號(hào)特征的特性，例如，指示用戶的不正常生理狀況的特性。對(duì)于 心臟方面的應(yīng)用，例如，所述特性可以為信號(hào)的幅度。在檢測(cè)裝置 65檢測(cè)到異常狀況的情況下，向報(bào)警裝置66發(fā)送信號(hào)以產(chǎn)生警報(bào)， 該信號(hào)由傳輸裝置67傳輸，例如通過(guò)RF鏈路，以警告用戶或者旁 人或者專(zhuān)業(yè)醫(yī)療人員。
權(quán)利要求
1、一種電磁阻抗測(cè)量裝置(1)，包括傳感器元件(3a)，用于對(duì)外部物質(zhì)進(jìn)行阻抗測(cè)量，所述裝置進(jìn)一步包括另一個(gè)傳感器元件(3b、3c、3d)，用于對(duì)所述物質(zhì)進(jìn)行空間解析的阻抗測(cè)量(S1、S2、S3、S4)，所述傳感器元件和所述另一個(gè)傳感器元件設(shè)置作為工作于不同諧振頻率的各個(gè)諧振電路的部分。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述傳感器元件和所述另一個(gè) 傳感器元件設(shè)計(jì)為形成傳感器元件的陣列(1)或矩陣(20)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其中所述傳感器元件和所述另 一個(gè)傳感器元件包括與各個(gè)容性元件(5a、 5b、 5c、 5d)協(xié)同工作的 各個(gè)傳感器線圈(3a、 3b、 3c、 3d),由預(yù)先選擇的所述各個(gè)容性元 件(5a、 5b、 5c、 5d)的值確定所述各個(gè)諧振頻率。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其中所述傳感器元件和所述另 一個(gè)傳感器元件包括與各個(gè)容性元件(5a、 5b、 5c、 5d)協(xié)同工作的 各個(gè)傳感器線圈(3a、 3b、 3c、 3d)，由所述傳感器元件和所述另一 個(gè)傳感器元件(3a、 3b、 3c、 3d)的連接軌道的各個(gè)長(zhǎng)度確定所述各 個(gè)諧振頻率。
5、 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的裝置，其中所述傳感器元件和 所述另一個(gè)傳感器元件設(shè)置在固定單元(40)內(nèi)。
6、 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的裝置，其中所述傳感器元件和 所述另一個(gè)傳感器元件設(shè)置在耐磨件(30)內(nèi)。
7、 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的裝置，其中所述傳感器元件和 所述另一個(gè)傳感器元件包括柔性材料。
8、 一種用于測(cè)量代表個(gè)體的生命體征的信號(hào)的生命體征測(cè)量系 統(tǒng)(50)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的裝置(51a)。
9、 一種用于對(duì)外部物質(zhì)進(jìn)行阻抗測(cè)量的方法，所述方法包括下 述步驟一提供包括傳感器元件和用于對(duì)所述物質(zhì)進(jìn)行空間解析的阻抗 測(cè)量的另一個(gè)傳感器元件的裝置，所述傳感器元件和所述另一個(gè)傳感 器元件設(shè)置作為工作于不同諧振頻率的各個(gè)諧振電路的部分；一將所述裝置放置在所述物質(zhì)的附近-,一對(duì)所述傳感器元件和所述另一個(gè)傳感器元件施加交變電磁場(chǎng)； 一檢測(cè)代表所述諧振電路的各個(gè)品質(zhì)因數(shù)變化的信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)外部物質(zhì)進(jìn)行阻抗測(cè)量的裝置(1)，所述裝置包括具有各個(gè)線圈(3a、3b、3c、3d)和各個(gè)容性元件(5a、5b、5c、5d)的多個(gè)諧振電路，所述諧振電路以不同的諧振頻率工作。用安培表(6)檢測(cè)所述諧振電路的信號(hào)(S1、S2、S3、S4)。由于和導(dǎo)電體之間的電磁作用而使諧振電路產(chǎn)生的功率損耗通過(guò)各個(gè)信號(hào)的幅度變化反應(yīng)出來(lái)。通過(guò)檢測(cè)信號(hào)(S1、S2、S3或S4)，確定諧振電路的功率損耗。優(yōu)選地，所述諧振電路集成在絕緣織物載體(2)內(nèi)。本發(fā)明進(jìn)一步涉及生命體征測(cè)量系統(tǒng)和進(jìn)行阻抗測(cè)量的方法。
文檔編號(hào)G01R27/02GK101218513SQ200680025239
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者A·布勞爾斯, C·伊格尼, E·瓦芬施米特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司