用于电磁结构表征的装置的制作方法

文档序号:17817210发布日期:2019-06-05 21:53
用于电磁结构表征的装置的制作方法

本说明书涉及用于使用电磁学进行结构表征的系统、方法、设备、装置、制品和指令。



背景技术:

使用不同生物参数来预测和/或监测人类或动物的健康状况和运动是有利的追求。健康状况可以包含:心率、心率变异性和血压。运动可以包含:人体位置以及行走、坐或站立行为。

在一段时间内可以监测到这些参数并且根据监测和/或提供身体运动性和/或健康问题预测的算法处理所述参数。

一些示例装置通过使用置于受试者身体上的外部传感器监测声音以及由受试者的肺产生的运动来检测受试者的心肌或呼吸疾病。

其它示例装置使用植入的(即内部)纳米电极阵列监测电活动以确定心律不整、心肌缺血、充血性心脏衰竭以及其它疾病病状的增大的发生概率。

然后存在使用用于心肌管理的可植入装置对生物阻抗进行测量的装置,所述装置含有生物阻抗测量电路以及一些其它传感器。



技术实现要素:

根据示例实施例,一种用于电磁结构表征的装置,所述装置包括:控制器,所述控制器具有电磁发射器输出端和通信接口;其中所述控制器被配置成通过所述电磁发射器输出端发送信号,所述信号使电磁发射器生成第一电场(E1)和第一磁场(H1);其中所述控制器被配置成通过所述通信接口接收由电磁接收器接收的第二电场(E2)和第二磁场(H2);其中所述第一电场(E1)和所述第一磁场(H1)对应于所述电磁发射器何时位于接近结构的第一位置,并且所述第二电场(E2)和所述第二磁场(H2)对应于所述电磁接收器何时位于接近所述结构的第二位置;并且其中所述控制器被配置成基于与所述结构交互的所述电场和所述磁场计算阻抗。

在另一个示例实施例中,所述阻抗基于接近所述结构的所述第一位置与所述第二位置之间的距离。

在另一个示例实施例中,所述距离与静态结构定向、动态结构运动、结构变形、身体位置,或身体移动中的至少一个相对应。

在另一个示例实施例中,所述控制器将所述场配置成具有引起所述结构的外表面上方的表面波的频率。

在另一个示例实施例中,基于每个场的信号强度的绝对值计算所述阻抗。

在另一个示例实施例中,所述阻抗随时间的变化基于所述发射器与所述接收器之间的所述距离的变化;并且所述发射器与所述接收器之间的所述距离的所述变化被解释为所述生物结构的姿势的变化。

在另一个示例实施例中,所述阻抗与以下任一情况下的身体运动相对应:在手术之后、在医疗程序之后;在睡觉期间、在锻炼时或在日常活动期间。

在另一个示例实施例中,所述装置另外包括用户界面;并且所述控制器被配置成基于所述阻抗操控所述用户界面。

在另一个示例实施例中,所述阻抗基于所述结构内的物质的集合。

在另一个示例实施例中,所述物质与液体、气体、生物器官、生物物质或组织中的至少一个相对应。

在另一个示例实施例中,所述结构是生物结构;所述阻抗随时间的变化基于所述生物结构内的物质的变化;并且所述结构内所述物质的所述变化基于所述生物结构内器官或组织的健康状况的变化。

在另一个示例实施例中,所述控制器将所述场配置成具有穿透所述结构的频率。

在另一个示例实施例中,基于每个场的信号强度的振幅值和相位值两者计算所述阻抗。

在另一个示例实施例中,所述电磁发射器包含天线系统,所述天线系统被配置成从所述第一电场(E1)生成所述第一磁场(H1)。

在另一个示例实施例中,所述电磁接收器包含天线系统,所述天线系统被配置成接收所述第二电场(E2)和所述第二磁场(H2)。

在另一个示例实施例中,所述场是NFEMI(近场电磁感应)场。

在另一个示例实施例中,所述通信链路包含并且通过所述电磁发射器或所述电磁接收器传递表示所述场的信号。

在另一个示例实施例中,所述电磁发射器或所述电磁接收器包含天线,所述天线电容式地而非电流地耦合到所述结构。

根据示例实施例,一种用于电磁结构表征的装置:控制器,所述控制器具有电磁接收器输入端和通信接口;其中所述控制器被配置成通过所述通信接口接收由电磁发射器生成的第一电场(E1)和第一磁场(H1);其中所述控制器被配置成从所述电磁接收器输入端接收由电磁接收器接收的第二电场(E2)和第二磁场(H2);其中所述第一电场(E1)和所述第一磁场(H1)对应于所述电磁发射器何时位于接近结构的第一位置,并且所述第二电场(E2)和所述第二磁场(H2)对应于所述电磁接收器何时位于接近所述结构的第二位置;并且其中所述控制器被配置成基于与所述结构交互的所述电场和所述磁场计算阻抗。

根据示例实施例,一种用于结构表征的电磁装置:电磁发射器,所述电磁发射器被配置成生成第一电场(E1)和第一磁场(H1);通信接口,所述通信接口被配置成从电磁接收器接收第二电场(E2)和第二磁场(H2);控制器,所述控制器耦合到所述发射器和所述通信接口;其中所述第一电场(E1)和所述第一磁场(H1)对应于所述电磁发射器何时位于接近结构的第一位置,并且所述第二电场(E2)和所述第二磁场(H2)对应于所述电磁接收器何时位于接近所述结构的第二位置;并且其中所述控制器被配置成基于与所述结构交互的所述电场和所述磁场计算阻抗。

以上讨论不旨在表示当前或未来权利要求组的范围内的每个示例实施例或每种实施方式。以下附图和具体实施方式还例证了各种示例实施例。

附图说明

结合附图考虑以下具体实施方式可以更全面地理解各种示例实施例,附图中:

图1是用于电磁结构表征的示例装置。

图2是结构上的第一电磁结构表征装置和第二电磁结构表征装置的例子。

图3是生物结构上的第一电磁结构表征装置、第二电磁结构表征装置和第三电磁结构表征装置的例子。

图4是生物结构上的电磁结构表征装置的集合的例子。

虽然本公开容许各种修改和替代形式,但是已经借助于例子在附图中示出其特殊性并且将进行详细描述。然而,应理解,超出所描述的具体实施例的其它实施例也是可能的。也涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。

具体实施方式

对人类和动物运动的研究包含来自运动跟踪系统的测量结果、肌肉和大脑活跃度的电生理学、用于监测生理功能的各种方法以及其它行为和认知研究技术。

不同传感器(例如加速计)可以随时定位位置。所测量的坐标然后传达到中心装置。在临床情境下,所述通信经过导线标准完成。然而,有时还使用射频来传达。无线系统使用像例如蓝牙或低功耗蓝牙(BLE)等远场辐射系统。

根据提供运动量和哪个运动的算法处理信号。例如,在用于跟踪复原的操作之后,例如在替代臀部之后,数据可以用于限定一些身体部位的足够运动。其它应用例如控制像例如智能屏幕等用户界面。用于健身的跟踪辅助物可能大大受益于所提议的新颖方法。用于老年人或儿童的智能护理和警报系统用于监测睡眠状况。

现在讨论用于监测和解释各种结构特征(例如生物运动和健康参数)的各种示例装置,使用近场电磁信号如NFEMI(近场电磁感应)、身体上、表面波、透波以及跟随结构的表面和/或穿透结构的这种波。

这些示例装置中的一些装置被配置成检测身体定向和/或运动如肌肉拉伸、关节移动以及身体姿势。其它示例装置被配置成检测健康状况如当内部器官传导性随着病变增加时(例如疾病导致水/液体滞留)。

示例装置计算结构(例如人类或动物)上的至少两个位置之间的路径阻抗并且使用耦合到结构的近场来监测这些位置之间的阻抗波动。

装置还可以重新使用近场信号以在置于不同位置的两个或更多个测量/监测装置之间通信。

当结构是生物系统时,装置监测并测量生物系统的无源电特性。无源电特性由生物组织对近场信号的应用的电响应的观察结果确定。因此组织被表征为其是由如电阻器、电容器、电感器以及其它等电气部件构成的电路。测量方法导出与姿势变化和身体部位运动和/或生物阻抗有关的参数。

生物系统中的细胞是活组织的基本单位。其基本结构包含将细胞内媒体与细胞外媒体分离的双层膜。组织阻抗从几Hz到几十MHz(例如10MHz)的近场测量结果产生细胞状况的表征。

改变像肌肉和骨骼等组织的位置和量还产生位置之间的不同阻抗。通过随时间监测生物阻抗波动可以预测不同健康状况。

例如,在身体的背部后面移动一个手臂改变手腕附近的电磁发射器的第一位置与胸部附近的电磁接收器的第二位置之间的阻抗。当人在睡觉时,可以检测到这个变化并且可以启动警报。

在另一个例子中,还可以检测到肺或胸部中水分含量的增加。在另一个例子中,在心力衰竭发生之前的几周,水分含量在病人的胸部区域增加。这个可以通过电磁装置检测。尽管装置可以用于诊所,但是可能更有利的是它还可以用于家庭,在所述家庭中可以监测患者并且在状况可能发生之前发出警报。

图1是用于电磁(EM)结构表征102的示例装置100。电磁装置102包含控制器104、收发器106(即EM发射器和EM接收器)以及天线系统108。

控制器104包含EM发射器信号输出端110、EM接收器信号输入端112以及数据通信接口114。

在一些示例实施例中,天线系统108包含第一天线116和第二天线118。在发射模式,天线系统108发射第一电场(E1)120和第一磁场(H1)122。在接收模式,天线系统108接收第二电场(E2)124和第二磁场(H2)126。在一些示例实施例中,这些场是NFEMI(近场电磁感应)场,并且与NFEMI波长相比,天线116和天线118两者都小。在一个示例实施例中,第一天线116是短载偶极天线并且第二天线118是环形天线。

电磁装置102中的数据通信接口114通过传递表示装置之间的场的信号的通信链路与其它电磁装置通信。在一些示例实施例中,这些信号还通过收发器106和天线系统108通信。在其它示例实施例中,这些信号具有单独通信信道(例如wi-fi、蓝牙、蜂窝式等)。

在各种示例实施例中的收发器106(即EM发射器和EM接收器无线电功能)具有10MHz的载波频率。当使用数据调制场(E1、H1、E2、H2)时,调制可以是模拟的或数字的(例如频移键控(FSK)、正交振幅调制(QAM)或另一种类型)。冗余跳频或展频调制还可以用于增强数据通信链路的鲁棒性。

控制器104被配置成通过电磁发射器信号输出端110发送信号,所述信号使收发器106(例如电磁发射器)生成第一电场(E1)120和第一磁场(H1)122。控制器104还被配置成通过数据通信接口114接收由收发器106(例如电磁接收器)接收的第二电场(E2)124和第二磁场(H2)126。

第一电场(E1)120和第一磁场(H1)122对应于电磁发射器何时位于接近结构的第一位置,并且第二电场(E2)和第二磁场(H2)126对应于电磁接收器何时位于接近结构的第二位置。

一接收到所有场,控制器104就基于与结构交互的电场和磁场计算路径阻抗。

在各种示例实施例中,天线系统108电容式地而非电流地耦合到结构。在一些示例实施例中,结构可以是:容器、机器人、机器、人体、动物、植物或生物组织。

所计算的发射器和接收器的两个不同位置之间的阻抗(例如路径损耗)基于结构的阻抗、电磁装置102的阻抗以及电磁装置102与结构之间的任何自由空间阻抗的组合。

如上所介绍的,在场(E1、H1、E2、H2)是近场并且重新用于“数据通信”的那些示例实施例中,仅可以使用第一电场(E1)120和第一磁场(H1)122。第一发射磁场(H1)122可以独立于第一发射电场(E1)120。信号强度的具体变化取决于发射器和接收器的天线设计。

相反地,当场(E1、H1、E2、H2)是近场并且用于结构表征(例如结构/生物位置和/或物质监测)时,第一电场120(E1)和第二电场124(E2)以及第一磁场122(H1)和第二磁场126(H2)两者用于计算结构的阻抗。

场(E1、H1、E2、H2)可以针对结构表面/轮廓表征和/或结构内表征应用而另外优化。

本文中“结构表征”被限定成包含构成结构的物质,如人体,以及结构的部分的元件的定向和位置两者,如身体姿势、动态运动和静态位置。

对于近场,电场(E1、E2)两者被界定到结构(即场并未在结构周围的可用空间中大量地辐射)。

图2是结构上的第一电磁结构表征装置和第二电磁结构表征装置的例子200。例子200包含结构202、在结构204内的物质、第一位置206处的第一装置(例如EM发射器)、第二位置212处的第二装置(例如EM接收器)、数据通信接口218、路径阻抗220。

第一位置206处的第一装置生成第一电场(E1)208和第一磁场(H1)210。第二位置212处的第二装置接收第二电场(E2)214和第二磁场(H2)216。

使用这些场(E1、H1、E2、H2),可以表征结构202的位置和运动以及物质204(例如水滞留、器官健康等)。

例如,路径阻抗220可以被解释为接近结构202的第一位置与第二位置之间的距离。所述距离可以与静态结构定向、动态结构运动、结构变形、身体位置或身体移动中的至少一个相对应。在医学应用中,身体运动可以包含在以下情况下监测患者:在手术之后、在医疗程序之后;在睡觉期间、在锻炼时或在治疗活动期间。

路径阻抗220随时间的变化基于发射器与接收器之间的距离变化的。在一些例子中,距离的这种变化可以被解释为生物结构(例如人体)的姿势的变化。

在一些例子中,当控制器104将场(E1、H1、E2、H2)配置成具有引起结构202的外表面上方的表面波的频率时,距离和运动可以被较好地监测。在一些例子中,仅需要基于每个场(E1、H1、E2、H2)信号强度的绝对值来计算路径阻抗220。

在另一个应用中,装置206、装置212中的一个或多个装置包含用户界面,并且控制器104被配置成基于路径阻抗220操控用户界面。

在另一组示例实施例中,路径阻抗220被解释为表征和/或标识结构202内的物质的集合。根据所监测的结构202,物质204可以是:液体、气体、生物器官、生物物质或组织。

当结构202是生物结构时,路径阻抗220随时间的变化可以基于生物结构内的一种或多种物质204的变化。结构202内的物质204的这种变化可能由于生物结构202内的器官或组织的健康状况。

在一些例子中,当控制器104将场(E1、H1、E2、H2)配置成具有促使场(E1、H1、E2、H2)较好地穿透结构202的频率时,可以较好地监测/标识物质204表征。在用于表征和/或标识物质的示例应用中,基于每个场(E1、H1、E2、H2)信号强度的振幅值和相位值两者计算路径阻抗220。

现在讨论特定的示例阻抗计算,其中结构202是生物结构。生物结构具有限定结构的生物阻抗的某种传导性和电容率特征。

从第一位置206处的第一装置开始,建立第一电场(E1)208和第一磁场(H1)210。由于50MHz以下的频率,第一电场(E1)208被定位成垂直于生物结构并且由此界定(即电磁耦合)到结构。第一电场(E1)208生成第一磁场(H1)210。

第一位置206处的第一装置处的发射场阻抗(Z1)是:

Z1=E1/H1,其中:

○ Z1 阻抗[欧姆]

○ E1 电场[V/m]

○ H1 磁场[A/m]

两个场(E1、H1)沿生物结构路径传播并且振幅减小。每个场类型的振幅减小不同。所述不同取决于生物结构的生物阻抗。

第二位置212处的第二装置处接收到的场阻抗(Z2)是:

Z2=E2/H2,其中:

○ Z2 阻抗[欧姆]

○ E2 电场[V/m]

○ H2 磁场[A/m]

两个阻抗(Z1、Z2)之间的差是Zpath(即路径阻抗220)。对于这个生物应用,Zpath被限定为:

Zpath=k x Zbio,其中:

○ Zbio=Z1-Z2

○ Zbio 生物阻抗[欧姆]

○ k 取决于生物结构的形状或其内物质的因子

在示例实施例中,其中路径阻抗220被解释为距离(例如运动),路径损耗(即Zpath的绝对值)被计算为:

路径损耗=Vtx-RSSI,其中:

○路径损耗以dB计

○ Vtx=发射电压[dBμV]

○ RSSI=接收信号强度指示符[dBμV]

RSSI是场(E1、H1、E2、H2)的振幅同相相加的结果,通过使用NFEMI实现。这种相加在天线系统108中实现。在一些示例实施例中,由于场(E1、H1、E2、H2)的单独值对于控制器104不可用,所以仅需要所述两个位置之间的损耗差异(例如由于身体运动)。

在示例实施例中,其中路径阻抗220被解释为表征和/或标识结构202内的物质集合,场(E1、H1、E2、H2)被分开测量,并且计算场(E1、H1、E2、H2)之间的比率。为了分开测量这些场(E1、H1、E2、H2),使用第一天线116和第二天线118。

如通过以上公式所呈现的,确定了两个位置206、212之间的Zpath的计算。

图3是生物结构上的第一、第二和第三电磁结构表征装置的例子300。例子300包含生物结构302(例如人体)、第一位置304处的第一装置(例如发射器)、第二位置306处的第二装置(例如第一接收器)、第三位置308处的第三装置(例如第二接收器)、第四位置310处的可穿戴装置以及第五位置312处的计算机/服务器。

第一装置304生成并发射耦合到生物结构302(例如人体)的第一电场(E1)和第一磁场(H1)。第二装置306测量第二电场(E2)和第二磁场(H2)。第三装置308测量第三电场(E3)和第三磁场(H3)。

然后可以通过数据通信接口(未示出)将这些场测量结果传达到可穿戴装置310。如所提及的,这种数据通信可以使用同一近场天线作为测量场信号,和/或可以使用通信数据调制场。

可穿戴装置310可以是手表或监测装置,并且包含通信功能和控制器功能以及用户界面。

然后可穿戴装置310中的控制器(例如像控制器104)分析场信号(E1、H1和E2、H2)以确定第一装置304(例如发射器)与第二装置306(例如第一接收器)之间的第一路径阻抗。

控制器还分析场信号(E1、H1和E3、H3)以确定第一装置304(例如发射器)与第三装置308(例如第二接收器)之间的第二路径阻抗。因此可以一次监测多个健康状况。

路径阻抗可以单独地或组合地促使可穿戴装置310中的控制器向个人(例如302)和计算机/服务器312生成一个或多个警告或信息显示。

可以通过本地或远程医疗供应商、医院等对发送到计算机/服务器312的警告或信息进行另外评价。

图4是生物结构上的一组电磁结构表征装置的例子400。例子400包含生物结构402(例如人体)和耦合到结构402的一组装置。

这些是第一装置404(1.1=前额)、第二装置406(2.1=脖子的左侧)、第三装置408(9.1=左手腕)、第四装置410(17.1=胸部下侧)、第五装置412(25.1=左脚踝)、第六装置414(30.1=右脚踝)、以及可穿戴装置416(BLE——低功耗蓝牙)。

在两个方向上采集具有最小、最大、平均测量结果420的接收信号强度指示符(RSSI)值418。两个方向是指当一对装置交换其发射器/接收器角色时。

在一些示例实施例中,对这些装置的位置的选择提供了将所测量的RSSI值418映射到结构402的不同姿势和运动的最佳精确方式。

这些姿势/运动中的一些包含:

○静止(手臂向下)

○行走(手臂向下)

○手合上

○手在第一装置上方

○手在第二装置上方

○手臂(戴第一装置)在背部后面

○手臂(戴第一装置)触摸大型金属对象

○交叉手臂(戴第一装置)

对于这些各种姿势/运动,记录RSSI值418。数据通信链路重新使用测量路径阻抗的相同场。

在一些例子中,在频率为10.6MHz处,发射场电压是130dBμV。这些测量结果示出路径阻抗(Zpath)和RSSI值418取决于生物结构402的位置/姿势。

使用这些多个装置,可以在医疗环境中(例如警报状况、在手术之后缺乏身体运动等)随时间记录并且监测患者的完整身体映射。

如先前所提及的,这些各种姿势/运动、RSSI值418还可以用于控制可能在可穿戴装置416或距结构402更大距离的另一个远程装置上的用户界面。

对于图4中的例子,基于哪个装置起发射器或接收器作用的RSSI值418差异可以由于RSSI测量结果的测量误差(例如容限)的变化(例如+/-2dB)。可替换的是,由于这些RSSI值418是在实际实验室背景下测量的,所以充当结构402的人在后续的RSSI值418测量结果之间可能已经稍微移动。

在一些例子中,在控制器104内实施上文所讨论的各种功能、指令、逻辑、固件等。在一些示例实施例中,控制器104包含其它部件或由其它部件支持,如:输入/输出数据接口、处理器、存储装置以及非暂态机器可读存储媒体。机器可读存储媒体可以包含控制电磁装置102如何使用存储装置内的数据来接收输入数据并且将输入数据转换成输出数据的指令中的一些或所有指令。在其它示例实施例中,可以使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式来实施上文所描述的指令和/或功能集。

将容易理解,如本文中大体描述且在附图中示出的实施例的部件可以以各种各样不同的配置来布置和设计。因此,如图所表示的各种实施例的详细描述并非旨在限制本公开的范围,而仅仅是表示各种实施例。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面,但是除非特别地指示,否则附图不一定按比例绘制。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下,可以以其它特定形式实施本发明。所描述实施例应视为在所有方面均仅为说明性而非限制性的。因此,本发明的范围由所附权利要求书而不是由此具体实施方式来指示。在权利要求书的等效物的含义和范围内的所有变化都涵盖在权利要求书的范围内。

贯穿本说明书对特性、优点或类似语言的参考并不暗示可以使用本发明实现的所有特征和优点应该在或在本发明的任何单一实施例中。实际上,涉及特征和优点的语言应理解成意指结合实施例描述的特定特征、优点或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此,贯穿本说明书对特征和优点的讨论以及类似语言可以是但未必是指同一实施例。

此外,本发明的所描述的特征、优点和特性可以用任何合适方式在一个或多个实施例中组合。本领域的技术人员应认识到,鉴于本文中的描述,本发明可在无特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个的情况下实践。在其它情况下,可能在某些实施例中识别出可能不存在于本发明的全部实施例中的额外特征和优点。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的参考意指结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此,贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但未必都指代同一实施例。

再多了解一些
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