专利名称：用于检测脉搏波从对象的动脉系统的经过的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测脉搏波从对象的动脉系统的经过的传感器和方 法。此外，本发明还涉及一种适于附着至对象身体外部的无创测量系统， 并且还涉及用于确定对象的各种生命体征的方法。
背景技术：
血压(BP)是最重要的生理参数之一，其在医学诊断、预防以及疾病 管理系统中起着重要的作用。血压是心血管疾病和肾病的一种独立风险因 素。2006年，美国有6500万成年人患有高血压，即收縮压〉140mmHg且舒 张压》OmmHg，和/或使用抗高血压药。此外，美国成年人中有四分之一处 于"高血压前期"。这些数字表明，高血压带来了沉重的社会负担，并且已 经预期新的血压监测和治疗方面的策略。除了医院的定点测量之外，目前 建议将血压测量扩展成基于家庭的连续监测。
有几种公认的以无创方式提供测量BP值的方法和设备例如，采用血 压计(听诊法)，采用用于自我测量法的留传最广的示波测量技术，采用张 力测量法或者采用Penaz的指袖带法。所有的方法均采用袖带，并且必须向 对象身体施加外部压力。
无人监督的BP测量易于受到由于限定不好的测量条件(例如，变化的 室温、袖带位置和袖带尺寸)和/或患者不依从(测量之前5分钟内无身体 活动，患者的错误位置)而造成的测量伪影的影响。
最近的研究表明，在动脉BP和在动脉树内传播的脉搏波速度(PWV) 之间存在密切的关系，其允许以从逐个心跳的方式确定BP。这一技术不需 要用于测量的袖带，也不需要对患者身体施加外部压力。可以由通过流体 动力学理论知道的Moens-Korteweg关系导出动脉内的BP和PWV的简化 关系
4方程l
其中，c表示脉搏波速度，Et表示动脉的切向弹性模量，p表示血液密 度，R表示动脉半径，h表示动脉壁厚度。BP和PWV的关系是通过弹性模 量Et与BP之间的相关性给出的，例如，在US 4,425,920中对此给出了说 明。
可以通过测量压力脉搏波在动脉系统内通过某一距离所需的时间来确 定PWV。将这一传播时间称为脉搏波传导时间(PTT)，根据现有技术有很 多种己知的测量PTT的方法例如，通过测量脉搏波经过间距为d的两点 的时间差，或者通过测量心电图(ECG)信号中的R峰和来自体积描记传 感器的在某一身体位置处动脉内经过的脉搏波之间的时间差。之后，可以 采用PTT作为PWV的替代。
根据现有技术，己知很多PTT测量设置，例如
-ECG和光电体积描记术(PPG)的结合使用，其中，通过R峰和PPG 内的特征点之间的时间差给出PTT，
-ECG和激光多普勒血流测量的结合使用，
-ECG和一条胳膊上的生物阻抗测量(IPG，阻抗体积描记术)的结合 使用，其中，通过R峰和IPG内的特征点之间的时间差给出PTT (例如， 参考美国专利US 6,648,828)，
-ECG和超声血流测量的结合使用，
-胸部的阻抗心动描记术(ICG)和IPG的结合使用，或者
-间距为d的两点之间的"局部"PTT值的测量，其中，第一PPG是 在(例如)腕部测得的，第二PPG是在(例如)手指处测得的。
所有的这些方法都具有几种缺陷。超声传感器需要用于实现适当功能 的接触凝胶。阻抗和ECG测量必须借助电极完成，并且通常必须将所述电 极粘合到皮肤上。PPG和激光多普勒传感器必须被放置到身体上动脉靠近 皮肤的点上。由于手腕到手指的距离小，因而"局部"PTT值的测量准确 性很低，这是由动脉靠近皮肤的要求导致的。
基于ECG信号的PTT测量的缺点在于，要使心脏的电学功能与机械测 量相关。射血前期(PEP)，即心肌的等容(iso-volumetric)收縮可能对PTT存在强烈影响，而其与BP则没有关系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于使用的用于测量对象的BP和/或其他 生命体征的技术，在所述技术中，避免了上述缺陷。
根据本发明，这一目的是通过用于检测脉搏波从对象动脉系统的经过 的传感器实现的，所述传感器适于定位在对象身体的外部上的感测位置处, 其特征在于，所述传感器包括多个电线圈，所述电线圈用于以如下方式生 成与对象身体的电感耦合，即如果脉搏波经过所述感测位置下面的筛查体 积，那么所述电感耦合的特性将发生变化，此外所述传感器还包括连接至 所述多个电线圈的电路，所述电路适于检测所述电感耦合的所述特性变化。
根据本发明，这一 目的还是通过用于检测脉搏波从对象动脉系统的经 过的方法实现的，所述方法包括如下步骤以如下方式在多个电线圈和对 象身体之间生成电感耦合，即如果脉搏波经过位于感测位置下面的筛查体 积，那么所述电感耦合的特性将发生改变；以及检测所述电感耦合的所述 特性变化。
根据本发明，这一目的还是通过采用了所述传感器的各种无创测量系 统实现的，在下文中将对其予以更为详细的说明。
此外，根据本发明，这一目的还是通过一种在计算机内执行的计算机 程序实现的，所述计算机程序对来自传感器的信号进行分析，从而检测脉 搏波从对象动脉系统的经过，在所述检测过程中，以如下方式在多个电线 圈和对象身体之间生成电感耦合，即如果脉搏波经过所述感测位置下面的 筛查体积，那么所述电感耦合的特性将发生变化，所述程序包括当在计算 机内执行所述计算机程序时用于检测所述电感耦合的所述特性变化的计算 机指令。因而，能够基于根据本发明的计算机程序的指令实现根据本发明 的必然技术效果。可以将这样的计算机程序存储在诸如CD-ROM的载体上， 或者可以通过因特网或其他计算机网络提供所述计算机程序。在执行之前， 例如利用CD-ROM播放器从该载体读出所述计算机程序，或者从因特网读 出所述计算机程序，并将其存储到计算机的存储器内，由此将所述计算机 程序加载到计算机内。所述计算机尤其包括中央处理单元(CPU)、总线系
6统、诸如RAM或ROM等的内存装置、诸如软盘或硬盘单元等的存储装置 以及输入/输出单元。或者，采用(例如) 一个或多个集成电路在硬件中实 现本发明的方法。
本发明的基本思想在于采用磁感应原理检测脉搏波的经过。所提出的 放置在某一身体部位上的传感器检测某些参数的变化，所述变化代表脉搏 波的经过。这些参数为血液容积、几何形状和电导率。由于血液的电导率 取决于血液的速度，因而如果脉搏波经过，那么血液的电导率将发生变化。 同时，由于脉搏波的经过血管的几何形状将发生变化(增大和收縮)，因而 筛査体积内的血液容积将发生变化。换言之，感测筛査体积内的血液容积 变化以及在筛查的身体体积内所述感测位置下面，即传感器所在位置的下 面的几何变化和电导率变化。为了感测这些变化，所述传感器包括多个电 线圈，g卩， 一个或多个电线圈，连同适当的电子驱动电路。采用磁感应原 理检测脉搏波。上述变化导致了对象身体和传感器线圈之间的磁耦合的累 积变化，其中，采用所述变化检测所述脉搏波。基于所述检测到的脉搏波， 确定PTT和/或PWV。可以采用这些值确定已经检测了其脉搏波的对象的 BP。
就本发明而言，有可能实现对BP和其他生命参数的无接触的、无创测 量。不需要袖带。无需将所提出的传感器粘合到皮肤上，而且也不需要接 触凝胶。传感器的位置不限于动脉接近皮肤的位置。还可以检测到来自身 体内的更深处的动脉的脉搏波。
此外，如果将传感器放到心脏位置的周围，那么传感器的信号将含有 有关抽运周期过程中心脏的瞬时机械运动的信息。其实现了对脉搏波开始 从心脏向外侧动脉传播的时间点的精确测量。因此，如果采用这一传感器 作为用于BP测量的近接式传感器(proximal sensor),那么将避免包含PEP。
可以将本发明用于(例如)对脉搏率、呼吸率、脉搏波传导时间的无 创测量以及对动脉血压的无创连续确定。
由于可以将所提出的传感器用于可移动的和可佩戴的测量系统，因而 能够实现易于使用的BP测量过程。可以将本发明用于BP以及诸如心率和 呼吸率的其他生命信号的无人监督的、长期连续监测。
在下文中将借助示例参考下述实施例和附图详细说明本发明的这些和 其他方面，其中
图l示出了一般测量原理；
图2示出了等效电路；
图3示出了具有两个线圈的实验设置；
图4示出了取决于动脉的半径变化的接收线圈的相关信号幅度； 图5示出了在血液容积脉搏波经过线圈布置时接收线圈内的相关电压 变化；
图6示出了具有三个线圈的实验设置；
图7示出了单线圈布置的第一电路；
图8示出了单线圈布置的第二电路；
图9示出了单线圈实施例中的电流频率相关性；
图IO示出了单线圈实施例中的电流频率相关性；
图11示出了单线圈布置的第三电路；
图12是示出了电路102中的"取样"模式和"保持"模式之间的切换; 图13示出了双线圈布置的电路； 图14示出了测量设备的示例；以及 图15示出了测量设备的另一个示例。
附图标记
10测量线圈
11组织
12初级线圈
13体线圈
20场线圈
21测量线圈
22动脉
23血流的方向
30曲线31曲线 40电压差 50电源点 51测量线圈 52电阻器 53差分放大器 54差分放大器 55混频器 56低通滤波器 60电源线
82振荡器
83放大器
84放大器
85混频器
86低通滤波器
87移相器
88 PI控制器
92振荡器
93缓冲器
94缓冲器
95混频器
96低通滤波器
97移相器
98控制器
99取样和保持元件
100控制电路
101控制电路
102控制电路
103控制电路
9iio锁相放大器 111输入通道/参考通道
112输入通道/测量通道
113移相器
114带通滤波器
115混频器
116缓冲器
117缓冲器
118低通滤波器
200谐振曲线
300腕部
310腕带
320测量线圈
330测量线圈
具体实施例方式
本发明是以感应法为基础的。图l针对单线圈实施例示出了一般原理。 由测量线圈10内的电流生成的磁场在所要筛査的对象身体的导电组织11 内感应出了涡流(容积导体内的涡流的感生)。
图2所示的用于对具有单线圈设置的测量系统建模的等效电路采用标 准的电学元件描述了根据图1的情况。初级电路12的测量线圈10通过感 应系数Lu耦合至身体电路13，所述身体电路主要是由对象身体的筛査体积 11内的组织、血管和骨骼的电特性定义的。由于筛查的身体体积ll内的变 化，电路12、 13的谐振频率和阻抗也发生变化。例如，由于红血球的对准， 在心搏过程中的不同流速上，血液将表现出不同的电阻。此外，由于血管 的膨胀或縮小，还存在几何形状的变化。检测这些变化，并将其用于确定 脉搏波在筛查的体积内的经过。可以采用下述方程对测量系统建模
Ah+^h+i ^+A-f/ 方程2
10<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，Lu是通过下述方程在i^，』=2的情况下给出的: Z,=^^IfM^^' 方程4
根据下述表达式，可以从数学上，将根据图2所示的单线圈布置中的 等效电路的初级电路12中的电流幅度表示为简化的柱面问题(cylindrical problem):
; 方程5
其中，Uo表示驱动振荡器的幅度，R,表示初级电路的电阻，C,表示初 级电路中的电容，L 表示初级线圈的自感，L,i表示初级线圈和环形涡流 (circle eddy current)的耦合电感，a表示次级电路的电导率(描述组织电 导率)，①表示角频率。根据方程5可以看出，可测量的电流/取决于耦合 系数L,i(t)和电导率变化cj(t)。
已经采用实验法和数值法对在对象腕部使用的具体传感器构造进行了 建模。图3示意性地示出了用于估算动脉的半径变化的灵敏度的实验设置。 由两个轴相互垂直的线圈20和21形成了线圈布置。场线圈20 U生成了初 级磁场，其受到与Le垂直定位的感测或接收线圈21 Lm的筛查(screen)。 已经采用填充了电导率与血液类似的水的弹性管对动脉22进行了建模。通 过箭头23示出了血流的方向。通过管内的压力增加改变管的半径R。可以 采用下述设置参数co-2tt4MHz，感测线圈Lm的半径-5cm，初级线圈Le 的半径=5 cm。可以通过公知的锁相法测量接收线圈Lm中感应出的电压。
在图4中示出了图3所示的设置的实验结果。具体而言，图4示出了 相对于两个不同的背景电导率测得的取决于管半径的相对变化的接收线圈 Lm的相关信号幅度(相关电压变化Um/UmQ (Umo是指R-Ro的情况))。采 界空气(电导率为03111-1)作为第一背景(第一曲线30)。采用模拟了脂肪 电导率(0.04Sm—1)的导电水作为第二背景(第二曲线31)。可以看出，即 使在脂肪的背景下由于管22的半径变化也能够观察到可测量的效果。可以
ii针对不同的身体位置以及实际的动脉几何形状，例如，股动脉(femoralis) 或颈动脉(carotis)按比例縮小所述设置的大小。
在图5中示出了数值模拟的结果。已经采用具有实际实施例的大小的 模型执行了所述模拟。用于这一模拟的设置与图3类似，其具有与第一接 收线圈Lml 21相对的额外接收线圈Lm221'。图6示意性地示出了这一设置。 可以采用下述参数初级线圈Le的半径-15 mm，感测线圈Lmi的半径=2.5 mm (正交对准)，Le与脂肪的距离-5mm， Lml与Lm2的距离=50 mm，动脉 半径=1.5 mm，脉管半径=2.5 mm，空气/动脉距离=1.5 mm，背景脂肪- 0.04 Sm"，血液电导率=0.7 3111-1。
图5示出了对于脂肪背景而言，当血液容积脉搏波经过所述布置时计 算出的接收线圈L^和Lm2二者内的相关电压变化。在血液容积脉搏波经过 过程中，存在大约5%的最大相关电压变化。由于采用了对称布置，因而在 两线圈内存在两个类似的电压差异40。从图5可以看出，能够容易地检测 到这一电压变化。因而可以采用所提出的方法以非常舒适的方式检测出血 流脉搏波。
为了实现磁感应原理，可以采用单线圈布置或双线圈布置。如果采用
了单线圈设置，那么所述测量将以由于筛查的身体体积的影响产生的线圈
参数的变化为基础。具体而言，在导电材料(例如，具有脉搏波形式的血
液)经过线圈的位置时，能够观察到线圈电压和通过线圈的电流之间的相
位角的变化。图7示出了用于测量所述相位角的单线圈设置的控制电路100。
AC电源点50向测量线圈L51和电阻器R52的串联结构施加电压。电阻器
R52上的电压降与通过线圈L51的电流成比例。采用第一差分放大器53确
定线圈L51上的电压降。采用第二差分放大器54确定电阻器R52上的电压
降，所述电压降也是通过线圈L51的电流的量度。通过下式给出了差分放
大器53、 54的输出信号
^;(0 = 4/.sin(M) 方程6
x, (0 = 4 . sin(纽+ p) 方程7
在上述方程中，co代表馈入交变电流Uac的角頻率，4>代表(有待确 定的)电压和电流之间的相位角，Au和^是差分放大器53、 54的放大因 子。采用混频器(mixer) 55生成电压Xu (与电压U成比例)和电压& (与电流I成比例)的积。将这一积表示为u同相。
C/同相=」u sin(o)t)^^ sin((yt + p) 方禾呈8
t/同相=^![cos(炉)—cos(2w + p)] 方程9
采用低通滤波器LP 56消除较高频率(图9中的2")，并生成所得到
的输出信号U 输出o 之后。
方程14等价于方程13，其在『0。时最大。锁相技术的优点在于，在 混频器115之后，表示出相对于参考信号的不确定的或者不断变化的定相 的干扰频率和噪声平均为零。在放大器110中，参考信号经过缓冲器116， 从而抵达了移相器113，并且测量信号经过了缓冲器117和带通滤波器114， 从而抵达了混频器115。
图14和15示出了上述包括传感器的无创移动测量系统的两个不同实 施例。所述测量系统包括腕带310或箍套等，在其内使传感器线圈320、 330 与电路和诸如小电池的电源集成到一起。此外，可以提供显示器(未示出)， 从而向用户显示心率或其他生理参数。在第一实施例中，以如下方式布置 较大的单线圈，即使其包围用户的腕部300 (图14)。在第二实施例中，在 对象身体的外部布置小的单线圈320,其处于用户腕部300的某一位置处， 并围绕直径为几厘米的点(图15)。
除了腕部佩戴设备之外，还可以提供其他设备，从而在身体的不同部 位佩戴测量设备，例如，佩戴在胸部、腰部、踝部等。可以同时佩戴两个 或更多这样的设备，从而提供BP测量或多项参数测量。或者，根据本发明 的测量系统可以适于作为衣服或者诸如内衣等的其他织物制品的一部分。
所述测量设备优选包括内置分析单元，其包括微处理器等，以执行分 析软件。所述分析软件适于基于所检测到的脉搏波确定PTT和/或PWV值。 此外，所述分析软件适于确定佩戴测量设备的对象的BP值。根据所采用的 传感器的数量和感测位置，能够确定不同的生命参数，例如，心率、呼吸 率等。
所有的上述器具均适于实现根据本发明的方法。可以以如下方式构建 所有的电路IOO、 101、 102、 103，尤其是所有的可编程设备，并对其编程， 即使其根据本发明的方法运行用于获得数据和用于数据处理的程序。具体 而言，所述控制器适于执行所有计算所测量的数据以及确定和评估结果的 任务。根据本发明，这一点是通过计算机软件实现的，所述计算机软件包括在通过处理单元、控制器和/或电路执行所述软件时适于执行本发明的方 法步骤的计算机指令。所述处理单元本身可以包括以硬件、软件或其组合 的形式实现的功能模块或单元。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细 节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他具体形 式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将这些实施例看作是示范 性的，而不是限制性的，本发明的范围由权利要求而不是上述说明限定， 因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本 发明内。此外，显然"包括" 一词不排除其他元件或步骤，单数冠词不排 除复数，诸如计算机系统或其他单元的单个元件可以实现权利要求中记载 的几个装置的功能。不应将权利要求中的任何附图标记解释为限制所涉及 的权利要求。
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权利要求
1、一种用于检测脉搏波从对象的动脉系统的经过的传感器，所述传感器适于定位在所述对象身体外部上的感测位置处，其特征在于，所述传感器包括-多个电线圈，其用于以如下方式生成与所述对象身体的电感耦合，即如果脉搏波经过位于所述感测位置下的筛查体积，那么所述电感耦合的特性将发生变化，以及-连接至所述多个电线圈的电路，所述电路适于检测所述电感耦合的所述特性的变化。
2、 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括单个 电线圈，如果脉搏波经过所述感测位置，那么所述单个电线圈的电特性将 发生变化。
3、 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括两个 分离的电线圈，所述线圈形成了这样一种线圈布置，其中，第一线圈起着 场线圈的作用，而第二线圈起着接收线圈的作用，如果脉搏波经过所述感 测位置，那么所述两个分离的线圈的电特性将发生变化。
4、 一种无创测量系统，其适于附着至所述对象身体的外部，其特征在 于，其包括一个根据权利要求1所述的传感器，所述系统适于提供有关所 述对象的心率的信息。
5、 一种无创测量系统，其适于附着至所述对象身体的外部，所述系统 包括两个根据权利要求1所述的传感器，所述传感器的感测位置间隔开， 并且所述系统适于提供有关所述对象的血压的信息。
6、 一种用于检测脉搏波从对象的动脉系统的经过的方法，所述方法包 括如下步骤--以如下方式在多个电线圈和所述对象身体之间生成电感耦合，即如果 脉搏波经过位于感测位置下的筛查体积，那么所述电感耦合的特性将发生 变化，以及-检测所述电感耦合的所述特性的变化。
7、 一种用于确定对象的心率的方法，所述方法包括如下步骤-采用根据权利要求6所述的方法检测至少两个相继的脉搏波的经过， -测量所述脉搏波之间的时间间隔，以及 -确定所述心率。
8、 一种用于确定对象的血压的方法，所述方法包括如下步骤-采用根据权利要求6所述的方法检测脉搏波在两个间隔开的感测位 置处的经过，-测量所述感测位置之间的脉搏波传导时间，以及 -确定所述血压。
9、 一种用于检测脉搏波从对象的动脉系统的经过的计算机程序，在所 述检测过程中，以如下方式在多个电线圈和所述对象身体之间生成电感耦 合，即如果脉搏波经过感测位置下的筛査体积，那么所述电感耦合的特性 将发生变化，所述程序包括当在计算机内执行所述计算机程序时用于检测 所述电感耦合的所述特性的变化的计算机指令。
全文摘要
为了提供用于测量对象的血压和/或其他生命体征的易于使用的技术，提出了一种用于检测脉搏波从对象的动脉系统的经过的传感器，所述传感器适于被定位在对象身体外部的感测位置上，其特征在于，所述传感器包括多个电线圈，所述电线圈用于以如下方式生成与对象身体的电感耦合，即如果脉搏波经过所述感测位置下的筛查体积，那么所述电感耦合的特性将发生变化，此外，所述传感器还包括连接至所述多个电线圈的电路，所述电路适于检测所述电感耦合的所述特性的变化。
文档编号A61B5/02GK101495034SQ200780028530
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年8月2日
发明者C·H·伊格尼, J·A·J·西杰斯, J·米尔施泰夫, R·平特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司