专利名称：用于进行阻抗测量的装置、系统和方法
用于进行阻抗测量的装置、系统和方法本发明涉及电磁阻抗测量装置，包括用于测量外部物质的阻抗的 传感器元件。本发明还涉及用于测量代表个体的生命体征的信号的生命体征 测量系统。本发明还涉及对外部物质进行阻抗测量的方法。根据US 2003/0055358A1已知前文所述装置的实施例。该己知装 置用于测量生物组织的电磁生物阻抗。为此，该已知装置包括一个传 感器元件，用于检测代表响应于外部施加的交变磁场而在组织内传播 的涡电流的信号。该已知装置可以确定对应于传感器元件的横截面的 身体部分的生物阻抗。该已知装置的不利之处在于，为了获得生物阻抗值的分布，传感 器元件必须相对于组织表面进行移动。该过程耗时而且包括由于偏移 误差引起的相当大的不精确。本发明的目的是提供用于测量阻抗的装置，利用该装置可以进行 准确的空间解析测量。为此，根据本发明的装置包括另一个传感器元件，用于对所述物 质进行空间解析阻抗测量，所述传感器元件和所述另一个传感器元件 作为工作于不同的谐振频率的各个谐振电路的部件。根据本发明的技术手段基于如下的观点将多个传感器元件(如 两个或者多个)彼此邻近放置使得可以进行空间解析的阻抗测量。为 了获得这些传感器元件的阻抗读数，每个传感器设置作为各个谐振电 路的一部分，每个谐振电路以不同的谐振频率工作。优选地，各个谐 振频率之间的差别大概为10%。该原理已经过试验验证，下文针对 图l对其结果进行讨论。因而，根据依据本发明的装置，提供了一种测量设置，其使得可以使用所期望的空间解析度对所感兴趣的区域进 行阻抗测量。该实事对于医学应用尤其有益，可以对如呼吸动作和深 度、心率、心脏体积变化、血糖级别等生命体征进行空间解析准确度 高的非介入性的、根据位置的测量。在根据本发明的一个装置实施例中，传感器元件和另一个传感器 元件设计为形成传感器元件矩阵或阵列。设计阵列或者矩阵形式的传感器阵列尤其有益。可以通过适当选 择传感器阵列的相应大小而获得所期望的空间解析度。下文针对图2a和2b讨论该特定实施例。在另一个根据本发明的实施例中，所述传感器元件和所述另一个 传感器元件包括与各个容性元件协同工作的各个传感器线圈，由所述 传感器元件和所述另一个传感器元件的连接轨道的各个长度确定所 述各个谐振频率。使用具有预先选择的连接轨道长度的标准线圈元件和多种容性 元件的组合尤其有益，从而可以设计具有不同的各个谐振频率的多个 谐振电路。优选地，本身已知的表面安装器件(SMD)电容器用作 容性元件。以下参照图3详细讨论该结构。请注意，作为替代，可以 选择具有预先选定值的标准容性元件，并且通过改变感性线圈的连接 轨道长度改变谐振电路的谐振频率。在根据本发明的装置的另一个实施例中，所述传感器元件和所述 另一个传感器元件设置在固定单元内。在根据本发明的装置的某些应用中，可能希望在个体位于适当的 固定单元的情况下测量所述个体的阻抗，例如，位于椅子上、床上等 情况下。必须指出，根据本发明的装置同样适用于个体在固定单元上 进行任务时的情况。例如，该任务可以是操作车辆、坐在办公室内进 行静止劳动等情况。这些例子中，根据本发明的装置适用于进行隔离 的阻抗测量，或者监控一系列阻抗测量的任何变化。在根据本发明的装置的另一个实施例中，所述传感器元件和所述 另一个传感器元件设置在耐磨件内。将根据本发明的装置放置在耐磨件内特别有益，例如T恤衫、内衣、臂章等。该实施例对于对移动个体进行重复测量特别有益，例如， 对于体育教练或者监控复原中的病人。根据本发明的生命体征测量系统包括以上所述的装置。 测量生物阻抗用于测量人体的各种生命参数，优选地以非接触方 式进行测量。通过将根据本发明的装置结合在生命体征测量系统中， 在人体部分内感应除交变磁场。该交变磁场在身体组织内引起涡电 流。根据组织的类型，涡电流更强或者更弱。涡电流在组织内引起损 耗，可以测量损耗，例如，根据感应环的品质因数下降测量损耗。也 可以引起次级磁场，可以根据感应环的电导率变化测量次级磁场，或 者，根据第二感应环内的感应电压测量。通过使用工作于不同谐振频 率的多个传感器元件，可以提供能够提供空间解析测量的测量系统， 用来测量例如呼吸动作和深度、心率、心脏体积变化、血糖等级、选 择的组织内(肺部水肿、边缘器官水肿)的脂肪或者水分等生命体征。 根据本发明的方法包括下列步骤—提供包括传感器元件和用于对所述物质进行空间解析的阻抗 测量的另一个传感器元件的装置，所述传感器元件和所述另一个传感 器元件设置作为工作于不同谐振频率的各个谐振电路的部分；一将所述装置放置在所述物质的附近；—对所述传感器元件和所述另一个传感器元件施加交变电磁场；一检测代表所述谐振电路的各个品质因数变化的信号。 根据本发明的方法特别适用于获得生命体征符号的映射，可以通 过空间解析的生物阻抗测量来检测生命体征。 通过附图讨论本发明的这些和其他方面。
图1简要示出了串联连接的传感器阵列所测量的阻抗分布结果。图2a简要示出了根据本发明的传感器阵列的实施例。图2b简要示出了根据本发明的传感器元件的矩阵阵列的实施例。图3简要示出了根据本发明的装置的实施例，其中谐振电路使用 SMD电容。 '图4简要示出了根据本发明的用于监控的系统的实施例，其中磁 性装置集成在衣物内。图5简要示出了根据本发明的用于监控的系统的实施例，所述系统包括另一个传感装置。图1简要示出了串联连接的传感器阵列所测量的阻抗分布结果。该图示出了分别作为外部RF场函数的相位(曲线a)和幅度(曲线 b)，曲线b以对数刻度表示。该例中，传感器阵列包括设置在聚酰亚 胺(柔性箔)衬底上的螺旋铜轨道。它们组成具有对应于四个传感器 元件的不同谐振频率的四个相应谐振电路。通常，为了描述各个谐振 频率之间的频差，可以使用谐振峰处的品质因数。其规则为，品质因 数越低，峰越宽，它们之间所选择的距离越大。优选地，在至少三倍 于df值(描述峰的一3dB处的宽度)的值处选择频差。该df值是将 谐振频率f^除以品质因数Q得到的，df=fres/Q。对于通常的应用， 这样可以得到约10%的频差。通过选择不同长度的连接轨道的箔而 构造谐振电路。图1示出的阻抗分布显示了阵列上的电压，该电压是 使用恒定电流测定的。图1清楚示出对应于四个谐振电路中的每一个 的四个谐振峰(曲线b)。图1中的曲线a示出相应的相位数据测量 结果。已经通过实验证明，如果将导电物质靠近某个线圈放置，只有 一个谐振(即，和某个线圈相关的谐振)显著地改变其品质因数和谐 振频率。邻近的谐振峰所受的影响相对小得多。因而，证明了可以使 用频率来获得阻抗测量的空间解析。图2a简要示出了根据本发明的传感器阵列。图2简要示出了根 据本发明的装置的实施例，其包括多个谐振电路，具有相应的线圈元 件3a、 3b、 3c、 3d和相应的容性元件5a、 5b、 5c、 5d。电源装置8 为谐振电路供能，从而产生振荡磁场(未示出)。用安培表6检测谐 振电路的信号Sl、 S2、 S3、 S4。由于和导电体(未示出)之间的电 磁作用而使谐振电路产生的功率损耗通过各个信号的幅度变化反应 出来。通过检测信号S1、 S2、 S3或S4，确定谐振电路的功率损耗。 如果功率损耗和信号S之间的绝对值关系已知，可以确定所研究的体积的导电特性。为了保证恒定功率负载，优选地，谐振电路用反馈环 10使能。优选地，反馈环设置为使得控制谐振电路幅度的电压和谐振电路所提供的RF功率成正比。优选地，谐振电路被集成到绝缘织 物载体2内。优选地，构成3a、 3b、 3c、 3d的导体与织物2的线编 织在一起。优选地，传感器元件和另一个传感器元件包括柔性材料。 适当的柔性材料的例子为聚酰亚胺(柔性箔)衬底。应该注意，可以 想到柔性材料可能实施例的各种例子；因而，本例子不应理解为限制 本发明的范围。阵列结构的益处在于可以容易地进行扩展。图2b简要示出了根据本发明的传感器元件的矩阵阵列实施例。 虽然在该特定实施例中矩阵20包括正方形结构，但是，也能使用X 乘以Y的矩阵结构，或者传感器元件22的任何不规则结构。优选地， 包括类型22的线圈的传感器元件连接到与之并联的SMD (表面安装 器件)电容24。优选地，每个SMD电容24都稍微不同，这通过改 变图2b中的各个符号大小表示。如前所述，除了不同的SMD电容 外，可以通过使用用于线圈22的不同连接轨道作为一个度量来获得 不同的谐振频差。图3简要示出了根据本发明的装置40的系统实施例，其中，传 感器装置集成在衣物内。在最简单的实施例中，T恤衫用作与谐振电 路32集成的绝缘织物载体。这里，谐振电路32包括参考图1所描述 的全部部件。在替代实施例中，所设计的测量系统可以包括多个用于 测量阻抗的结构。图4简要示出了根据本发明的装置的另一个实施例，所述装置包 括固定单元41，传感器装置42安装于固定单元41之上。该实施例 中，床41用于安置人(未示出)。床单43具有多个参考图2a所描述 的传感器装置42。图5简要示出了根据本发明的生命体征测量系统的实施例。生命 体征测量系统50包括用于通过进行参考图2a所描述的阻抗测量来监 控用户的生理状况的传感器装置51 。传感器装置51包括设置在用户 身体附近的适当多个谐振电路51a，用于获得目标生理状况的信号特 性，如，和呼吸动作、呼吸深度、心率、心脏体积变化、血糖级别、组织(如肺部水肿、边缘器官水肿)的脂肪或水分含量等。此外，传感器装置51可以包括另一个传感器装置52，用于监控参考信号，如， 来自同一用户的健康组织的信号。优选地，传感器装置51用于对用 户的生理状况进行连续监控，还用于为系统50的前端电子设备60提 供相应的信号。传感器装置51和前端电子设备60佩戴在用户身体上， 优选地位于胸腔位置。或者，传感器装置51可以集成到家具、床单、 安全带、车辆座椅内。用于耐磨设备的适当织物载体的例子在本领域 是公知的。前端电子设备60用于分析来自谐振电路51a的信号。为 此，前端电子设备60包括前置放大器61和模拟处理电路62、 ADC 单元63、检测装置65和微处理器64。前端电子设备60可以进一步 包括适当的报警装置66和传输装置67。信号检测装置65包括传感 器信号解释单元65a和特征提取装置65b。系统60的操作如下传 感器装置51获得原始数据，将原始数据传递给前端电子设备60。前 端电子设备60提供用于从传感器装置接收信号的装置，通过模拟处 理单元62执行适当的模拟处理。处理过的原始数据被ADC 63转换 成数字格式，并通过微处理64转发至检测装置65，检测装置65分 析用户的状况。检测装置65包括传感器信号解释单元65a，用于获 得信号特征的特性，例如，指示用户的不正常生理状况的特性。对于 心脏方面的应用，例如，所述特性可以为信号的幅度。在检测装置 65检测到异常状况的情况下，向报警装置66发送信号以产生警报， 该信号由传输装置67传输，例如通过RF链路，以警告用户或者旁 人或者专业医疗人员。
权利要求
1、一种电磁阻抗测量装置(1)，包括传感器元件(3a)，用于对外部物质进行阻抗测量，所述装置进一步包括另一个传感器元件(3b、3c、3d)，用于对所述物质进行空间解析的阻抗测量(S1、S2、S3、S4)，所述传感器元件和所述另一个传感器元件设置作为工作于不同谐振频率的各个谐振电路的部分。
2、 根据权利要求1的装置，其中所述传感器元件和所述另一个 传感器元件设计为形成传感器元件的阵列(1)或矩阵(20)。
3、 根据权利要求1或2的装置，其中所述传感器元件和所述另 一个传感器元件包括与各个容性元件(5a、 5b、 5c、 5d)协同工作的 各个传感器线圈(3a、 3b、 3c、 3d),由预先选择的所述各个容性元 件(5a、 5b、 5c、 5d)的值确定所述各个谐振频率。
4、 根据权利要求1或2的装置，其中所述传感器元件和所述另 一个传感器元件包括与各个容性元件(5a、 5b、 5c、 5d)协同工作的 各个传感器线圈(3a、 3b、 3c、 3d)，由所述传感器元件和所述另一 个传感器元件(3a、 3b、 3c、 3d)的连接轨道的各个长度确定所述各 个谐振频率。
5、 根据前述任意一项权利要求的装置，其中所述传感器元件和 所述另一个传感器元件设置在固定单元(40)内。
6、 根据前述任意一项权利要求的装置，其中所述传感器元件和 所述另一个传感器元件设置在耐磨件(30)内。
7、 根据前述任意一项权利要求的装置，其中所述传感器元件和 所述另一个传感器元件包括柔性材料。
8、 一种用于测量代表个体的生命体征的信号的生命体征测量系 统(50)，所述系统包括根据前述任意一项权利要求的装置(51a)。
9、 一种用于对外部物质进行阻抗测量的方法，所述方法包括下 述步骤一提供包括传感器元件和用于对所述物质进行空间解析的阻抗 测量的另一个传感器元件的装置，所述传感器元件和所述另一个传感 器元件设置作为工作于不同谐振频率的各个谐振电路的部分；一将所述装置放置在所述物质的附近-,一对所述传感器元件和所述另一个传感器元件施加交变电磁场； 一检测代表所述谐振电路的各个品质因数变化的信号。
全文摘要
本发明涉及一种对外部物质进行阻抗测量的装置(1)，所述装置包括具有各个线圈(3a、3b、3c、3d)和各个容性元件(5a、5b、5c、5d)的多个谐振电路，所述谐振电路以不同的谐振频率工作。用安培表(6)检测所述谐振电路的信号(S1、S2、S3、S4)。由于和导电体之间的电磁作用而使谐振电路产生的功率损耗通过各个信号的幅度变化反应出来。通过检测信号(S1、S2、S3或S4)，确定谐振电路的功率损耗。优选地，所述谐振电路集成在绝缘织物载体(2)内。本发明进一步涉及生命体征测量系统和进行阻抗测量的方法。
文档编号G01R27/02GK101218513SQ200680025239
公开日2008年7月9日 申请日期2006年6月28日 优先权日2005年7月13日
发明者A·布劳尔斯, C·伊格尼, E·瓦芬施米特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司