СПОСОБ И ПРИБОР ДЛЯ ИНДУКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ БИОИМПЕДАНСА ТЕЛА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR INDUCTIVE MEASUREMENT OF USER'S BODY BIOIMPEDANCE

Настоящее изобретение относится к способу и прибору для индуктивного измерения биоимпеданса тела пользователя. Более того, изобретение относится к кровати, включающей в себя упомянутый прибор.
Индуктивное измерение биоимпеданса является известным способом определения различных жизненно важных параметров тела человека бесконтактным способом. Принцип действия заключается в следующем: с использованием индукционного контура в некоторой части тела человека наводится переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле вызывает вихревые токи в тканях тела. В зависимости от проводимости и типа ткани вихревые токи сильнее или слабее. Вихревые токи претерпевают потери в тканях, которые могут быть измерены по снижению добротности индукционного контура. Они также вызывают вторичное магнитное поле, которое может быть измерено по изменению индуктивности в индукционном контуре или по наведенному напряжению во вторичном индукционном контуре.
Было показано, что индуктивное измерение биоимпеданса позволяет проводить бесконтактное определение нескольких параметров, например активности и глубины дыхания, частоты сердцебиений и изменения объема сердца и уровня глюкозы в крови, а также содержания жира или воды в ткани.
Известные устройства могут измерять только малые, строго определенные части тела человека. Однако желательно измерение биоимпеданса с пространственным разрешением, позволяющее проводить более широкий спектр измерений. Из международной заявки на патент WO 2004/026136 А1 известен прибор, в котором определяется электромагнитное свойство по меньшей мере одной зоны тела человека по изменению резонансного свойства по меньшей мере одной из множества катушек, расположенных в виде решетки. Недостатком этого и подобных решений является очень сложная схема, которая требуется в случае, если необходимо осуществлять измерение с пространственным разрешением.
В US 4270545 раскрыт еще один прибор для изучения тела с использованием контура возбуждения поля и вторичной катушки для съема наведенных вторичных токов.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ и прибор для индуктивного измерения с пространственным разрешением биоимпеданса тела пользователя с помощью менее сложной схемы.
Эта задача решается в соответствии с изобретением с помощью прибора для индуктивного измерения биоимпеданса тела пользователя, охарактеризованного в пункте 1 формулы изобретения.
Эта задача решается также с помощью способа индуктивного измерения биоимпеданса тела пользователя, охарактеризованного в пункте 10 формулы изобретения.
Основная идея настоящего изобретения состоит в том, чтобы расположить два разных комплекта индукционных контуров таким образом, чтобы первый комплект индукторов служил в качестве генерирующих поле индукторов (индукторов возбуждения), а второй комплект индукторов служил в качестве воспринимающих поле индукторов (воспринимающих индукторов). Каждый из индукторов возбуждения и воспринимающих индукторов покрывает определенную область (общей области измерения). Индукторы возбуждения и воспринимающие индукторы расположены таким образом, что во время этапа измерения сканируется только небольшая часть общей области измерения. Для достижения этого индукторы возбуждения и воспринимающие индукторы расположены так, что они перекрываются. В этих местах создаются маленькие области измерения. Множество этих областей измерения сканируют во время множества этапов измерения (предпочтительно - последовательно по времени), получая скан биоимпеданса тела пользователя с пространственным разрешением. Если эти индукторы имеют достаточные размеры, то измерения биоимпеданса с пространственным разрешением возможны на большой площади, например, покрывающей все тело пользователя. Другими словами, вместо использования большого количества отдельных индукторов, каждый из которых оснащен некоторым числом кабелей, переключателей и т.д., используют меньшее количество индукторов и достигают большего удобства и простоты применения за счет использования новой схемы расположения упомянутых индукторов и за счет использования новой разводки кабелей, основанной на этой схеме расположения. При этом благодаря новой схеме расположения требуется меньше электроники.
Задача настоящего изобретения решается также с помощью кровати, включающей в себя упомянутый прибор. В данном случае термин «кровать» в соответствии с настоящим изобретением определяется как поверхность или любое другое устройство для того, чтобы отдыхать или сидеть на нем и т.д., например, обыкновенная кровать, больничная койка, кушетка, диван, обыкновенные стул или кресло, стоматологическое кресло, кресло-каталка (операционный) стол и т.д. При таком подходе возможно осуществлять измерения, когда пользователь отдыхает в/на кровати, например, ночью. Это дает воспроизводимые результаты от одного сеанса к другому, поскольку условия проведения измерений являются довольно строго определенными. Таким образом, могут быть отслежены медленные долгосрочные изменения. В качестве еще одного преимущества стоит отметить, что изобретенные решения не требуют присоединения (прикрепления) устройства к телу пользователя. Нет риска отсоединения такого устройства из-за неконтролируемых движений пользователя во сне. В дополнение к этому улучшается комфорт пользователя.
Эти и другие аспекты изобретения буду далее детально пояснены на основе следующих вариантов воплощения, которые охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением множество первых индукторов и множество вторых индукторов расположены таким образом, что они образуют матрицу областей измерения. Другими словами, образуется некоторого рода сетка, включающая в себя все области измерения, тем самым покрывающая всю общую область измерения прибора. Такое матричное решение требует существенно меньше электроники, например, меньше переключателей и т.д. Предпочтительно, чтобы сетка была правильной формы, например, по существу прямоугольной, для покрытия кровати или чего-либо подобного. Таким образом, согласно другому варианту воплощения изобретения множество первых индукторов предпочтительно расположены по существу в первом направлении, а множество вторых индукторов расположены по существу во втором направлении, при этом второе направление является по существу перпендикулярным первому направлению.
Согласно другому предпочтительному варианту воплощения изобретения множеству первых и/или вторых индукторов придано множество переключателей таким образом, что каждым из множества первых и/или вторых индукторов можно управлять отдельно. Таким образом, информация от индукторов, т.е. из каждой области измерения, может быть получена последовательно во времени.
Согласно еще одному предпочтительному варианту воплощения изобретения множество первых и/или вторых индукторов расположены таким образом, что по меньшей мере одна из результирующих областей измерения имеет по существу правильную форму. Эта форма может быть, например четырехугольной, в частности -прямоугольной, квадратной или трапециевидной, с тем чтобы обеспечить измерительную схему, которая имеет форму правильной сетки.
Согласно еще одному предпочтительному варианту воплощения изобретения множество первых и/или вторых индукторов расположены таким образом, что по меньшей мере одна из результирующих областей измерения имеет неправильную форму. Эта форма может быть задана, например, кривыми и прямыми линиями с тем, чтобы обеспечить измерительную схему, которое имеет форму искривленной сетки. Этот вариант воплощения предоставляет большое число преимуществ особенно в том случае, если определенные зоны представляют больший интерес, чем другие. В этом случае плотность точек пересечения между множеством первых и вторых индукторов в первой зоне измерения прибора отличается от плотности точек их пересечения во второй зоне измерения прибора. Другими словами, площадь поверхности множества областей измерения не является постоянной по всей измерительной схеме. Это означает, что форма каждого индуктора, а значит, и форма каждой области измерения может варьироваться для разных позиций в общей области измерения. Высокая плотность точек пересечения означает, что может быть достигнуто более высокое разрешение при сканировании. В то же время площадь поверхности соответствующих областей измерения мала, что ведет к потере информации по глубине. Плотность точек пересечения и вид областей измерения предпочтительно выбирается в зависимости от стандартного положения пользователя, например, во время сна, и/или в зависимости от типа измерений, которые необходимо провести.
Согласно еще одному предпочтительному варианту воплощения изобретения прибор включает в себя множество первых проводящих элементов, причем упомянутые первые проводящие элементы являются свободно соединяемыми друг с другом с образованием первого индуктора, и/или множество вторых проводящих элементов, причем упомянутые вторые проводящие элементы являются свободно соединяемыми друг с другом с образованием второго индуктора. Другими словами, проводящие элементы (например, проволоки) расположены таким образом, что они могут свободно соединяться между собой с тем, чтобы сформировать индукторы возбуждения и/или воспринимающие индукторы различной формы и тем самым чтобы сформировать области измерения различной формы. Это означает, что общее количество проводников и электроники может быть еще более уменьшено, что приводит к очень простой и дешевой измерительной схеме.
Прибор согласно настоящему изобретению предпочтительно используется с кроватью. В этом случае первый и/или второй индуктор предпочтительно включает в себя структурированный проводящий элемент на гибкой подложке, причем упомянутый структурированный проводящий элемент предпочтительно выполнен из меди, а упомянутая гибкая подложка предпочтительно прикреплена к простыне. При использовании одной-единственной гибкой подложки обращение с упомянутой подложкой и прикрепление этой подложки к простыне оказывается очень простым. В качестве альтернативы каждый индукционный контур может быть изготовлен на своей собственной подложке. Эти маленькие подложки могут быть, например, вшиты крестообразно в ткань простыни.
В другом варианте воплощения первый и/или второй индуктор включает в себя гибкий проводящий элемент, предпочтительно - в форме проволоки, причем упомянутый гибкий проводящий элемент предпочтительно интегрирован в простыню, например, посредством пришивания или вплетения. Это решение является наиболее гибким и наиболее удобным для пользователя.
Эти и другие аспекты данного изобретения будут описано подробно в дальнейшем на примерах со ссылками на следующие варианты воплощения и прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичный вид кровати, включающей в себя прибор в соответствии с изобретением,
Фиг.2 представляет собой схематичный вид прибора в соответствии с первым вариантом воплощения,
Фиг.3 представляет собой схематичный вид прибора в соответствии с первым вариантом воплощения, иллюстрирующий работу прибора,
Фиг.4 представляет собой схематичный вид прибора в соответствии со вторым вариантом воплощения,
Фиг.5 представляет собой схематичный вид прибора в соответствии со вторым вариантом воплощения, иллюстрирующий работу прибора, и
Фиг.6 представляет собой схематичный вид измерительной сетки неправильной формы.
Фиг.1 иллюстрирует бесконтактный медицинский диагностический прибор 1 в соответствии с изобретением. Прибор 1 объединен с кроватью 2. Прибор 1 включает в себя массив катушек 3, распределенных по площади кровати 2. Массив катушек 3 предназначен для измерения с пространственным разрешением биоимпеданса тела человека (не показано) на кровати 2. Прибор 1 позволяет проводить простую и комфортабельную диагностику жизненно важных параметров, таких как частота сердцебиений, содержание воды в тканях или содержание глюкозы в крови, для того чтобы осуществлять наблюдение за пользователем в процессе отдыха на кровати 2 без необходимости приложения каких-либо устройств к телу пользователя.
Как показано на Фиг.2, прибор 1 включает в себя множество первых катушек, причем упомянутые первые катушки предназначены для наведения переменного магнитного поля в теле пользователя. Другими словами, первые катушки служат в качестве генерирующих поле катушек (катушек возбуждения) 4. Для этой цели катушки 4 возбуждения выполнены присоединяемыми к источнику 5 питания.
Прибор 1 далее включает в себя множество вторых катушек, причем упомянутые вторые катушки предназначены для измерения вторичного магнитного поля в теле пользователя, при этом упомянутое вторичное магнитное поле вызывается вихревыми токами в тканях тела. Другими словами, вторые катушки служат в качестве воспринимающих поле катушек (воспринимающих катушек) 6. Для этой цели воспринимающие катушки 6 выполнены подсоединяемыми к блоку-детектору 7. Блок-детектор 7 предназначен для приема и хранения измеряемых сигналов. Блок-детектор 7 предпочтительно включает в себя компьютер, предназначенный для обработки измеряемых сигналов и вычисления результатов измерений. Эти результаты измерений сохраняются в памяти для хранения данных и/или выводятся на дисплей (не показан) или на коммуникационный интерфейс (не показан) с тем, чтобы быть переданными оператору или врачу.
Катушки 4 возбуждения и воспринимающие катушки 6 расположены таким образом, что они образуют полосковую матрицу 8. Катушки 4 возбуждения, как и воспринимающие катушки 6, показаны в упрощенном виде, в том смысле, что каждая катушка показана включающей в себя два провода (идущий вверх провод и идущий вниз провод). В реальности каждый провод включает в себя некоторое количество витков.
Как показано на Фиг.2, расположение катушек 4, 6 имеет вид сетки. Матрица 8 состоит из первого массива катушек 4 возбуждения и второго массива воспринимающих катушек 6. Прибор 1 характеризуется тем, что каждая из множества катушек 4 возбуждения перекрывает по меньшей мере одну из множества воспринимающих катушек 6 с образованием множества областей 9 измерения.
Как показано на Фиг.3, на первом этапе магнитный поток индуцируется только в одной-единственной длинной полосе 10 индукционного контура первого массива, т.е. массива катушек 4 возбуждения. На Фиг.3 эта полоса 10 идет вертикально и заштрихована для большей наглядности. Затем выбирается одна-единственная длинная полоса 11 индукционного контура второго массива, т.е. массива воспринимающих катушек 6, для измерения магнитного потока, индуцированного в той полосе 10. На Фиг.3 эта полоса 11 идет горизонтально и заштрихована для большей наглядности.
Только область 12, где две эти полосы 10, 11 перекрывают друг друга, вносит вклад в измерение. Таким образом, измерение позволяет проводить выявление биоимпеданса только в малой области 12 измерения. Габаритные размеры катушек 4 возбуждения и воспринимающих катушек 6 определяют общую область измерения прибора 1, предпочтительно покрывающую всю простыню. Предпочтительно все области 12 измерения сканируют во время множества последовательных во времени этапов измерения, получая скан биоимпеданса тела пользователя с пространственным разрешением.
К катушкам 4 возбуждения и воспринимающим катушкам 6 соответственно подсоединено множество переключателей 13 таким образом, что к каждой из этих катушек 4, 6 адресация может быть осуществлена по отдельности. Другими словами, каждая катушка может работать независимо от другой катушки.
В настоящем примере используют тринадцать катушек 4 возбуждения и восемь воспринимающих катушек 6. Это дает в результате общее число областей измерения 12, равное 104. Если, например, каждую катушку 4 возбуждения включают на период времени, равный одной секунде, то каждая из воспринимающих катушек может воспринимать в течение 125 миллисекунд информацию из соответствующей области 12 измерения, которую она образует вместе с этой катушкой 4 возбуждения. Затем включают следующую катушку 4 возбуждения и т.д. В результате, после приведения в действие всех тринадцати катушек 4 возбуждения, т.е. по истечении времени работы, равного тринадцати секундам, выполнен полный скан биоимпеданса, покрывающий всю площадь простыни. Другими словами, по меньшей мере одну, а предпочтительно все катушки 4 возбуждения включают (и выключают) последовательным по времени образом, и для каждой работающей катушки 4 возбуждения включают (и выключают) по меньшей мере одну, а предпочтительно все воспринимающие катушки 6 последовательным по времени образом. Результаты такого скана биоимпеданса позволяют проводить анализ измеренных значений с пространственным разрешением.
В другом варианте воплощения изобретения используется гребенчатая матрица 14, смотри Фиг.4. В этом случае предусмотрено множество первых дорожек 15. На Фиг.4 дорожки 15 идут вертикально в виде гребенчатой структуры, т.е. они соединены друг с другом на одном конце 16 и являются свободно соединяемыми друг с другом на другом конце 17 посредством переключателей 13 с образованием катушки 4 возбуждения. В дополнение предусмотрено множество вторых дорожек 18. Дорожки 18 идут горизонтально на Фиг.4 в виде гребенчатой структуры, т.е. они соединены друг с другом на одном конце 19 и являются свободно соединяемыми друг с другом на другом конце 20 посредством переключателей 13 с образованием воспринимающей катушки 6. Таким образом, могут быть образованы катушки 4 возбуждения и/или воспринимающие катушки 6 разной формы. Другими словами, для образования катушек необходимо меньше дорожек, что делает их изготовление более простым. Опять же к дорожкам 15, 18 подсоединены переключатели 13 таким образом, что к каждой катушке 4, 6, образуемой дорожками 15, 18, адресация может быть осуществлена по отдельности.
Например, самая первая (идущая вверх) дорожка 21 соединена с (идущей вниз) дорожкой 22 в середине этой схемы с образованием катушки 4 возбуждения, смотри Фиг.5. Таким образом, результирующая катушка 4 возбуждения покрывает 64 первоначальных (квадратных) области измерения. Для наглядности площадь поверхности результирующей катушки 4 возбуждения заштрихована.
В то же время размер воспринимающей катушки 6 может быть выбран. Если, например, воспринимающая катушка 6 образована двумя соседними дорожками 23, 24, то результирующая область 25 измерения, которая образована при перекрывании между катушкой 4 возбуждения и воспринимающей катушкой 6, охватывает восемь первоначальных (квадратных) областей измерения. Для наглядности площадь поверхности результирующей катушки 6 возбуждения заштрихована.
Используя такую схему, может быть обеспечен любой размер катушки в зависимости от типа измерения и желаемого разрешения. Если создаются маленькие области измерения, то разрешение сканирования является высоким. При этом может быть выявлен лишь небольшой объем информации в глубину. С другой стороны, если используются большие области измерения, то разрешение сканирования является маленьким, но оно сопровождается большой глубиной поля.
Использование электрических соединений, например переключателей 13 и т.д., и конструкция схемы могут отличаться от показанного варианта воплощения.
Как показано на Фиг.2, 3, 4 и 5, катушки 4 возбуждения и воспринимающие катушки 6 предпочтительно расположены так, что они являются по существу перпендикулярными друг другу. Это приводит к матрице 8, 14 правильной формы с прямоугольными областями 12, 25 измерения. Разрешение при измерении биоимпеданса постоянно по всей схеме.
В другом варианте воплощения изобретения, показанном на Фиг.6, катушки расположены таким образом, что создается искривленная сетка 24 областей измерения. Для ясности переключатели или т.п. не показаны. Показана только схема расположения дорожек катушек.
Плотность точек пересечения между вертикально идущими катушками 4 возбуждения и горизонтально идущими воспринимающими катушками 6 в первой зоне 25 измерения, например в середине кровати, является большей, чем плотность точек их пересечения во второй зоне 26 измерения, например вблизи края кровати. Как показано с помощью заштрихованных для примера областей, области измерения имеют разные площади поверхности в зависимости от их местоположения, т.е. разрешение при измерениях биоимпеданса различно. В проиллюстрированном варианте воплощения более высокое разрешение сканирования достигается в первой зоне 25 измерения, в то время как во второй зоне 26 измерения достигается хорошая глубина поля.
Катушки возбуждения и воспринимающие катушки 4, 6 предпочтительно выполнены из структурированной меди на большой гибкой подложке 27 типа полиамидной (гибкой фольге), которая крепится к простыне, смотри Фиг.1. В альтернативном варианте индукционные контуры могут быть переплетены или вшиты тонкой проволочкой в простыню. В этом случае тонкая проволочка имеет тонкий слой электрической изоляции во избежание коротких замыканий в местах, где две проволочки пересекают друг друга. Все решения могут быть сделаны водозащищенными, так что простыня может подвергаться стирке. Электроника источника и детектора 5, 7 тоже предпочтительно интегрируется в простыню. В этом случае она должна быть герметизирована водонепроницаемым образом. В другом варианте электроника может быть отсоединена от простыни перед стиркой. Тогда водозащищенными должны быть контакты. В альтернативном варианте источник 5 и детектор 7 присоединены к кровати в отдельном ящике или т.п., как показано на Фиг.1.
Описанный выше прибор 1 предпочтительно используется для определения частоты сердцебиений. В дополнение к этому массив воспринимающих катушек 6 может быть использован для автоматического выбора и отслеживания положения области 12, 25 измерения с наилучшим качеством сигнала. Измеряя время задержки сигнала частоты сердцебиений между двумя разными областями измерения (например, первой областью измерения рядом с нижней частью руки пользователя и второй областью измерения рядом с верхней частью этой руки), возможно получить информацию о кровяном давлении в теле пользователя. Также может быть отслежена активность дыхания пользователя. Это полезно при наблюдении за маленькими детьми, но также это может служить показателем качества сна. В дополнение к этому могут быть отслежены движения тела. Активность человека (субъекта) также является показателем качества сна. Более того, для получения лучшей корреляции данных можно определять, спит человек или проснулся. Измерения биоимпеданса с помощью настоящего прибора 1 могут также быть использованы для отслеживания содержания глюкозы в крови. Прибор 1 может быть связан с системой сигнализации (не показана), которая пробуждает человека в случае ситуации гипогликемии. Измерения биоимпеданса могут быть также использованы для определения содержания воды или жира в тканях. Ситуация измерения в кровати 2 хорошо воспроизводима между разными сеансами. Следовательно, становится возможным хорошее сравнение на протяжении длительного периода времени. Также могут быть проконтролированы успех диеты путем измерения содержания жира в теле или долгосрочное повышение содержания воды в тканях из-за возможной сердечной недостаточности.
Для всех описанных выше применений прибора согласно настоящему изобретению может быть использован детектор 7. Предпочтительно детектор 7 включает в себя компьютер (не показан), который предназначен для выполнения компьютерной программы, включающей в себя машинные команды на выведение (получение) данных из сигналов измерений в соответствии с желательным применением, когда эта компьютерная программа выполняется в упомянутом компьютере. Таким образом, необходимые технические результаты в соответствии с изобретением могут быть реализованы на основе команд компьютерной программы в соответствии с изобретением. Предпочтительно эта компьютерная программа включает в себя машинные команды на отдельное (независимое) управление каждой из множества катушек 4 возбуждения и/или воспринимающих катушек 6. В частности, компьютерная программа включает в себя машинные команды на приведение в действие по меньшей мере одной из, а предпочтительно всех катушек 4 возбуждения последовательным по времени образом и на приведение в действие на каждую действующую катушку 4 возбуждения по меньшей мере одной из, а предпочтительно всех воспринимающих катушек 6 последовательным по времени образом, так что может быть достигнуто измерение биоимпеданса с пространственным разрешением.
Такая компьютерная программа может быть сохранена на носителе, таком как постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CD-ROM), или же она может быть доступна через Интернет или другую компьютерную сеть. Перед выполнением компьютерная программа загружается в компьютер путем считывания этой компьютерной программы с носителя, например, с помощью привода CD-ROM, или из Интернета, и сохранения ее в памяти компьютера. Компьютер включает в себя, среди прочего, центральный процессор (ЦП), систему шин, средства запоминания, например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), средства хранения, например, накопители на дискетах или на жестких дисках и блоки ввода-вывода.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что изобретение не ограничено подробностями изложенных выше вариантов воплощения и что настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отхода от его сути или существенных признаков. Поэтому приведенные варианты воплощения должны считаться во всех отношениях иллюстративными и не ограничивающими объем изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, а не вышеприведенным описанием, и поэтому все изменения, которые находятся в пределах смысла и диапазона эквивалентности формулы изобретения, также следует считать охваченными ею. Также будет очевидно, что слово «включающий в себя» не исключает других элементов или этапов, что слова в единственном числе не исключают множественного числа и что единственный элемент, такой как компьютерная система или иной блок, может выполнять функции нескольких средств, указанных в формуле изобретения. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны считаться ограничивающими рассматриваемую формулу изобретения.
Список ссылочных позиций
1. прибор
2. кровать
3. массив катушек
4. катушка возбуждения
5. источник питания
6. воспринимающая катушка
7. блок-детектор
8. полосковая матрица
9. область измерения
10. полоса
11. полоса
12. область измерения
13. переключатель
14. гребенчатая матрица
15. первая дорожка
16. конец дорожки
17. конец дорожки
18. вторая дорожка
19. конец дорожки
20. конец дорожки
21. идущая вверх дорожка
22. идущая вниз дорожка
23. область измерения
25. искривленная сетка
26. первая зона измерения
27. вторая зона измерения
28. подложка