专利名称：用于对用户身体的生物阻抗进行感应式测量的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对用户身体的生物阻抗进行感应式测量的 方法及设备。
背景技术：
生物阻抗的感应式测量是一种以非接触方式测定人体各种生命
参数的己知方法。工作原理如下利用感应器环，在人体的一部分中 感应交变磁场。该交变磁场在身体组织中引起涡电流。根据组织的类 型及传导性，涡电流变强或变弱。涡电流引起组织中的损失，这能够 作为感应器环的品质因数的减少量来测量得出。它们也引起二次磁 场，其能够作为第二感应器环中的感应电压或利用如梯度计的补偿传 感器来测量得出。 一种用于进行生物阻抗测量的设备的相当简单的设 置包括作为感应器的传感器线圈，其感应人体中的磁场。对传感器线 圈的损失进行测量给出了关于生物阻抗的信息。
已经证明对生物阻抗的感应式测量允许非接触测定若干参数， 例如，呼吸动作及深度、心率及心脏容量和血糖水平的改变、以及组 织的脂肪或水含量。
问题是，施加到传感器线圈的交流电压引发通过周围的电容性 共模电流。这些电流可以使测量结果产生偏离。因此，可以在传感器 线圈之上和之下施加电容性屏蔽。在现有的解决方案中，将传感器线 圈和屏蔽之间的电容最小化，以便将从传感器线圈到屏蔽的不必要的 寄生电流最小化。这是通过使该屏蔽保持尽可能远离传感器线圈来实 现的
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于对用户身体的生物阻抗进行感 应式测量的可靠的方法及设备。该目的是根据本发明通过用于对用户身体的生物阻,行感应式 测量的设备来实现的，该设备包括感应器，适于感应用户身体中的交变磁 场，并腿一步包掛皆振电路，适于测量用户身体中的电损失，銜皆振电 路包括感应器和谐振电容器，其中谐振电容器适于充当用于对感应器进行 电屏蔽的电容鹏蔽。本发明的这个目的也可通过一种对用户身体的生物阻抗进行感 应式测量的方法来实现，该方法包括下列步骤借助于感应器，感应 用户身体中的交变磁场，以及借助于谐振电路，测量用户身体中的电 损失，所述谐振电路包括感应器和谐振电容器，其中谐振电容器充当 用于对感应器进行电屏蔽的电容性屏蔽。本发明的基本思想是使用谐振电容器作为对感应器进行电屏蔽 的电容性屏蔽。于是减少了结构组件的数量。因而也减少了可能的故 障数量，从而产生一种用于测量生物阻抗的非常可靠的技术。使用本发明，能够改善非接触式生物阻抗测量系统的大小、可 靠性及灵敏度，因而允许在无需向用户身体施加任何类型装置的情况 下，对像心率、组织水含量或血糖水平这样的生命参数进行容易、舒 适的诊断，以对用户进行监督。本发明的这些及其它发面将在从属权利要求所限定的下列实施 例的基础上作进一步详细阐述。根据本发明的优选实施例，单一感应器用于感应磁场以及进行 测量。这就提出了问题，即从感应磁场所需要的大电流中分离出小的 测量信号。 一种解决该问题的方法是区分感应器电流的实部和虚部。 虚部用于感应磁场，而实部归因于损失。部分损失是要检测的组织中 的损失。感应器中电流的虚部是到目前为止对总电流幅度的最大贡 献。通过利用并联谐振电路，能够以简单且可靠的方式来分离实部 和虚部。以谐振频率操作，电容器电流固有地对感应器中的感应电流 进行补偿，以致只有电流的实部流向谐振电路的外部。这样，消除了 电流中对于测量没有贡献的大虚部，以致其不会出现在谐振电路的外 部。已经发现的是，谐振电容器优选地位于传感器感应器附近，以 便避免互连中的附加损失以及附加寄生的影响。利用电容性屏蔽作为 并联谐振电容器，允许通过利用传感器感应器和屏蔽之间的寄生电容 将传感器感应器和谐振电容器集成在一起。因而，根据本发明的优选实施例，将谐振电容器安置在紧靠传 感器感应器附近。换言之，屏蔽非常靠近传感器感应器，以致其形成 谐振电路，以允许谐振测量。这样，将传感器感应器与屏蔽之间的不 必要的寄生电容转化为用于测量生物阻抗的明确定义的值。为了电容性地屏蔽传感器感应器，将谐振电容器优选地安置在 用户身体和感应器之间。这个布置允许可能的最佳屏蔽结果。如果将电容性屏蔽施加到传感器感应器，那么可以在屏蔽中感 应涡电流。这些涡电流可以使测量结果产生偏离。因而，在本发明的 另一个实施例中，谐振电容器包括多个非传导区，所述区垂直于感应 器的导体路径布置，因此避免了感应涡电流。优选地，构造谐振电容 器并且非传导区是谐振电容器主体中的狭缝。为了将所构造的部分屏 蔽保持在同一电势下，优选地，将所有屏蔽部分互相连接。将谐振电容器安置在感应器附近不仅仅容许传感器线圈与屏蔽 之间的寄生电流。此外，能够实现该设备的准平面结构形状。为此， 谐振电容器优选地展现为层的形状，以能够得到非常小的安装高度。 若感应器是平面的，也可实现相同结果。在本发明的优选实施例中，将感应器集成到基板(优选地由绝 缘材料制成)上。在这种情况下，该设备能够利用印刷电路板技术制 造而成。根据另一优选实施例，将谐振电容器(优选地为层的形式) 集成到传感器感应器的基板上。因而，设备的安装高度能够得到降低。 优选地，将感应器和电容性屏蔽制成印刷电路板上的层压铜层，类似 于用于电子电路的多层印刷电路板。由此，由于成本的原因，基板优 选地由印刷电路板材料制成。根据本发明又一实施例，该设备包括至少一个集成在基板之中 或集成在基板之上的附加电子电路。通过将该附加电子电路放置在传 感器感应器旁边，相同的铜层可以用于电子电路的互连，以及用于带 屏蔽的传感器导体。如果电子电路位于传感器感应器的顶部，那么能 够获得非常小面积的设备。优选地，铜互连然后由层压在传感器感应 器顶部的附加铜层制成。在一些应用中，可能需要非常高的谐振能力。然后，对于感应 器和谐振电容器之间的基板，优选地使用展现为增强介电常数的基板材料。例如，由德国Diiren的材料制造商Isola提供的材料C-Lam， 或者使用等效材料。其也可能使用具有显著增强介电常数的陶瓷基 板。在本发明的另一优选实施例中，基板展现为挠性结构。这样， 能够将传感器感应器集成到布、或织物中或者床单中。能够使用如软 箔(flexfoil)或聚酰胺材料的材料。如果感应器和/或谐振电容器展现为 挠性结构，那么能够将整个设备集成到衣服中。优选地，编织或缝合 的感应器线圈由织物中的细绝缘线制成，并且将在其顶部的另一个缝 合或编织层用作电容性屏蔽。电容性屏蔽可以不仅仅设置在感应器的一侧(优选地是朝向用 户身体的那侧)。在本发明的另一个实施例中，提供了第二谐振电容 器，其中将这两个谐振电容器安置在感应器的两侧。特别地，如果将 附加电子电路安置在传感器感应器附近，第二谐振电容器就用于电容 地将传感器感应器与那些电子电路屏蔽。换言之，如果使用平面设计， 那么感应器优选地被双层屏蔽环绕。在那种情况下，如果顶部和底部 屏蔽在传感器感应器外部彼此连接，那么甚至可以改善屏蔽效果。在本发明的另一个实施例中，不安置在用户身体和感应器之间 的第二谐振电容器，由如高磁导率合金(Mumetal)的软磁材料制成。 在附加电子电路位于传感器感应器附近的情况下，这种软磁屏蔽就会 产生非常好的屏蔽效果。软磁材料有效地屏蔽了磁场，使得将磁场和 电场与电子电路屏蔽。此外，软磁电容器(也可以以层的形式提供) 增强了传感器感应器的感应率，从而增加了感测区域中的磁场。软磁 屏蔽层必须制成与非磁层相类似的形状，以便避免材料中的感应涡电 流。在本发明再一个实施例中，该设备适于使得谐振频率的改变与到 用户身体的距离相对应。在这种情况下，该设备能够用于距离测量。
本发明的这些和其它方面将通过实例，参考下面的实施例及附 图，在下文中进行详细描述，其中图1是具有集成谐振电容性屏蔽层的平面谐振生物阻抗传感器 的截面图；图2是生物阻抗传感器的平面螺旋绕组的示意图； 图3是第一电容性屏蔽层的示意图； 图4是第二电容性屏蔽层的示意图；图5是具有集成谐振电容性屏蔽的平面谐振生物阻抗传感器的 示意性布置；图6是图5中示意性布置的等效电路；图7是适用于距离检测的，具有集成谐振电容性屏蔽的平面谐振生物阻抗传感器的示意性布置；图8是图7中示意性布置的等效电路。附图标记列表1生物阻抗传感器2感应器3中心管脚4外管脚5第一电容器6第二电容器7基板8互连9狭缝10导体路径
12接地 13 AC电压源 14用户身体 15电压管脚图i示出了平面生物阻抗传感器i。这种传感器i优选地是用于 感应式测量用户身体的生物ffi^:的非接触式医学诊断系统。该生物卩皿传感器1包括单一感应器线圈2，其适于感应用户身体14中的交变磁场，见 图5。感应器2显示为平面螺旋铜绕组的形式，见图2。为了对该系统进行 操作，将感应器2的中心管脚3接地12，并将外管脚(outerpin)4连接到AC 电压源13，见图5。生物卩鹏传繊1还包括并联谐振电路，其适于测翻户身体14中的 电损失，该谐振电足飽括感应器2 (用作传繊感应器)以鄉一谐振电容 器5，其中第一谐振电容器5适于用作对感应器2进行电屏蔽的电容性屏蔽。 为此，将第一谐振电容器5安置在用户身体和感应器2之间。第二谐振电 容器6位于感应器2的相对侧。第二电容器也适于用作对感应器2进行电 屏蔽的电容性屏蔽。感应器2和电容器5、 6两者都作为层压铜层而提供。 将两者集成到由印刷电路板材料审喊的平面繊7中，以致形成单片电路 构件。电容器5、 6显示出略大于感应器2的直径。将第一和第二电容器5、 6安置在紧靠感应器2的附近，以致其形成谐 振电路，以允许i皆振测量。电容器5、 6两者借助于铜轨道8在感应器2的 外部彼it爐接。电容器5、 6的每一个都包括多个与感应器2的导体路径10 垂直布置的狭缝9。换言之，电容器5、 6的构造包括由方j(lt状的狭缝9分 离、用来避免涡电流的方妇寸状的铜带。然而，电容器的所有部分都是互连 的。图3示出了包括外部连接设计的这禾中电容器5的第一实施例。因此， 将多个电容带在电容器5的外ii^彖处(除了在一个位置上)互连。图4示 出了包括中心连接设计的这种电容器5的第二实施例。为了实现并联谐振电路，将电容器5、 6连接到感应器的连接线中的一
个，如图5和6戶标。为了实现相对于周围好的屏蔽效果，将感应器2中 的一个管脚11连接到驱动AC电压源13的接i鹏12。将电容器5连接到 同一管脚11上，即，将电容器5连接到感应器2的接地管脚(groundpin)上。 电容器5位于要检查的用户身体14与感应器2之间。在电容器5和电压源 13的接地层12之间不存在电势差，因而，不会感应到共模电流。根据另一个实施例(未示出)，通过扩大一个或多个专用线匝 (tums)的轨道宽度来增加电容面积，以增强系统的电容。通过扩大与 AC电压源13相连的线匝来实现电容增加的最高效果。为了避免涡电 流，在该线匝中提供狭缝。如果感应器2和电容器5不互连，那么根据下面的经典平板电 容器等式，能够测量出两者之间的几何电容(geometric Capacity)CGE0:其中eo是电场常数(eQ=8.8542Xl(y12As/(Vm))，、是基板材料的 介电常数，A是导体绕组和电容性屏蔽彼此面对的面积，并且d是绕 组和屏蔽之间的垂直距离。如果将电容器5连接到感应器2的一个管脚上，就可获得与感应器线圈的并联电容。该有效值Cp小于几何电容CcEO。假定每一线匝中的感应电压相等，且绕组中不同线匝的长度相等，那么下面的等 式给出了有效电容的很好近似更精确的计算方法可考虑平面绕组的变化的线匝长度。在另一个实施例中，电容器5不连接到感应器2的接地管脚上， 而是连接到AC电压管脚15。在这种情况下，提供了从电容器5通过 用户身体14到电压源13的接地平面12的电容路径，如图7所示。 该电容CBODY取决于电容器5到用户身体14的距离。如图8所示， 将电容定位为并联于感测谐振电路。该电容的改变将改变谐振电路的 谐振频率。因而，如果到用户身体的距离发生改变，那么谐振频率将 改变。然而，生物阻抗的变化将仅仅改变品质因数和谐振的振幅，而 不改变谐振频率。因此，谐振频率的改变能够归因于传感器与用户身 体之间的距离。用户身体中被测量用于测定用户生物阻抗的损失，取
决于传感器和用户身体之间的距离。通过利用距离信息，借助于适当 的补偿系统能够补偿测量期间的运动伪差。对于本领域技术人员显而易见的是，本发明并不局限于前述说 明的实施例的细节，在不脱离本发明精神或实质特征的情况下，其可 以表现为其他特定形式。因此，本发明的实施例在各方面都应认为是 说明性的而不是限制性的，本发明的范围是由所附权利要求而不是前 面描述来指示的，因此，在权利要求的等价物的意义及范围内的所有 改变都包括在其中。此外，显而易见的是，"包括" 一词并不排斥其 它元件或步骤，"一个"或"一"并不排斥多个，并且诸如一个计算 机系统或另一个单元的单一元件，可以实现权利要求中所列举的若干 模块的功能。权利要求中的任何附图标记都不应理解为对权利要求的 限制。
权利要求
1、一种用于对用户身体(14)的生物阻抗进行感应式测量的设备(1)，所述设备包括-感应器(2)，适于感应所述用户身体(14)中的交变磁场；以及-谐振电路，适于测量所述用户身体(14)中的电损失，所述谐振电路包括所述感应器(2)和谐振电容器(5)；其中，所述谐振电容器(5)适于作为对所述感应器(2)进行电屏蔽的电容性屏蔽。
2、 如权禾腰求1戶脱的设揪l)，其中，将戶7M谐振电容戮5)安置在 紧靠臓感应戮2)的附近。
3、 如权禾腰求1戶脱的设叙l)，其中，将戶脱谐振电容戮5)安置在 戶脱用户身^(14)和戶诚感应戮2)之间。
4、 如权利要求1戶服的设^(1)，其中，戶腿谐振电容教5)包括多个非传导区，戶;f述区与戶;M感应對2)的导体路径垂直布置。
5、 如权禾腰求4戶脱的设對1)，其中，戶腿非传导区是戶舰谐振电容 徵》主体中的狭缝(9)。
6、 如权利要求1所述的设叙l)，其中，所述谐振电容徵5)展现为层 的开娥。
7、 如权利要求1戶脱的设對l)，其中，戶服感应戮2)是平面的。
8、 如权利要求1戶脱的设對l)，其中，将戶服感应戮2)集成至lJ繊(7)中。
9、 如权利要求8戶腿的设對l)，其中，将戶/M谐振电容戮5)集成到 同一^l&(7)中。
10、 如权利要求8戶诚的设對l)，其中，戶腿S^(7)由绝缘材料制成。
11、 如权利要求8戶腿的设對l)，其包括至少一，成到戶;MM(7)中^^^;^皿(7)上的附加电子电路。
12、 如权利要求8戶腿的设叙1)，其中，戶;MS^(7)展现为挠性结构。
13、 如权利要求8戶腿的设對l)，其中，在戶舰感应戮2)和戶腐谐振 电容戮5)之间的戶脱繊材料展现出增强介电常数。
14、 如权利要求1所述的设對l)，其中，所述感应教2)和/g^M谐振 电容戮5展现为挠性结构。
15、 如权利要求1戶腿的设飄l)，其包括第二谐振电容戮6)，其中将 戶脱两个谐振电容教5， 6)安置在戶M感应教2)的两侧。
16、 如权利要求15戶脱的设執l)，其中，不安置在戶;f^户身俠i4)和戶鹏感应戮2)之间的戶腿谐振电容對6)由软磁材料制成。
17、 如权利要求1戶腿的设备用于距离观憧的用途。
18、 一种用于对用户身俠14)的生物ffi^行感应式测量的方法，戶腿 方飽括下列步骤-借助于感应器(2)，感应戶皿用户身恢14)中的交变磁场；-借助于谐振电路测量所述用户身恢M)中的电损失，戶舰谐振电路包 括戶脱感应糊和谐振电容糊，其中，戶腐谐振电容戮5)作为对戶脱感应戮2)进行电屏蔽的电皆性屏 蔽°
全文摘要
本发明涉及一种用于对用户身体的生物阻抗进行感应式测量的方法及设备。为了提供一种用于对用户身体(14)的生物阻抗进行感应式测量的可靠的方法及设备，建议使用测量电路的电容器(5)作为用于对电路的传感器感应器(2)进行电屏蔽的谐振电容性屏蔽。于是减少了结构组件的数量。因而也减少了可能故障的数量，从而产生一种用于测量生物阻抗的非常可靠的技术。
文档编号A61B5/053GK101160093SQ200680012816
公开日2008年4月9日 申请日期2006年4月4日 优先权日2005年4月19日
发明者A·布劳尔斯, C·H·伊格尼, E·瑙约卡特, E·瓦芬施米特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司