СИСТЕМА ЕМКОСТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ
CAPACITY MEASUREMENT SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к системе емкостного измерения и способу емкостного измерения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
WO 2008/152588 A1 раскрывает емкостный датчик для измерения электрических полей тела, содержащий электрод, экран, изолирующий разделительный материал, разделяющий электрод и экран, и корпус, включающий ассоциированные электронные схемы, где трибоэлектрическое свойство изолирующего разделительного материала или материала, используемого для корпуса, практически совпадает с таковым у кожи тела, посредством этого уменьшая формирование статического заряда на емкостном датчике. Емкостный датчик используется в применениях, где присутствуют движения во время измерения электрофизиологических сигналов от тела, например в электрокардиографии или электромиографии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Даже если формирование статического заряда на емкостном датчике уменьшается, то измерительный сигнал емкостного датчика по-прежнему может искажаться из-за наличия статических зарядов на теле, которое (наличие) обычно меняется со временем. Кроме того, сигнал может искажаться артефактами, связанными с движением, из-за изменения расстояния между объектом, который нужно измерить, и емкостным датчиком. Измерительный сигнал поэтому является слабым сигналом низкого качества.
Цель настоящего изобретения - предоставить систему емкостного измерения и способ емкостного измерения, где повышается качество измерительного сигнала, сформированного системой емкостного измерения.
В одной особенности настоящего изобретения представляется система емкостного измерения для измерения объекта, где система емкостного измерения содержит:
- блок предоставления электрического заряда для предоставления постоянного электрического заряда в месте измерения объекта,
- емкостный датчик, содержащий зонд для формирования измерительного сигнала путем емкостного измерения объекта в месте измерения объекта.
Поскольку система емкостного измерения содержит блок предоставления электрического заряда для предоставления постоянного электрического заряда в месте измерения объекта, то колебания электрического заряда, в частности электростатического заряда, можно уменьшить или устранить, посредством этого уменьшая или устраняя искажение измерительного сигнала этими колебаниями и, соответственно, повышая качество измерительного сигнала, сформированного системой емкостного измерения. Кроме того, в результате предоставления постоянного электрического заряда в месте измерения объекта смещение между объектом и зондом емкостного датчика намеренно предпочтительно устанавливается большим, посредством этого увеличивая чувствительность к механическим движениям. Результирующий измерительный сигнал, в основном обусловленный этими механическими движениями между объектом и зондом, обычно сильнее сигнала, сформированного в основном электрофизиологическим полем типа ECG или EMG. Таким образом, системой емкостного измерения формируется более сильный сигнал, имеющий большое отношение сигнал-шум и поэтому имеющий улучшенное качество.
Блок предоставления электрического заряда может любым блоком, приспосабливаемым для предоставления постоянного электрического заряда в месте измерения объекта. Предпочтительные варианты осуществления блока предоставления электрического заряда будут дополнительно описываться ниже.
Постоянный электрический заряд предпочтительно является постоянным электростатическим зарядом. Электрический заряд предпочтительно рассматривается как постоянный, если электрический заряд является постоянным во времени. Заряд предпочтительно рассматривается как постоянный во времени, если колебания заряда составляют менее 10%, еще предпочтительнее менее 5% и еще более предпочтительно менее 3% в течение по меньшей мере одной минуты, еще предпочтительнее в течение по меньшей мере одного часа, еще предпочтительнее в течение по меньшей мере одного дня, еще предпочтительнее в течение по меньшей мере одного месяца и еще более предпочтительно в течение по меньшей мере одного года.
Система емкостного измерения предпочтительно приспособлена для измерения тела человека или животного, в частности, для формирования физиологического сигнала этого тела. Систему емкостного измерения можно приспособить для измерения тела через ткань, например, если человек или животное расположено на стуле или в кровати. Это позволяет, например, слежение за связанными со здоровьем параметрами, пока человек спит. Емкостный датчик предпочтительно приспособлен для выполнения бесконтактного измерения механических перемещений человека или животного.
Предпочтительно, чтобы блок предоставления электрического заряда содержал электрет для прикрепления к объекту для предоставления электрического заряда.
Электрет предпочтительно является электретной пленкой. Блок предоставления электрического заряда, содержащий электрет, является вариантом осуществления блока предоставления электрического заряда, который обеспечивает надежный и постоянный во времени электростатический заряд в месте измерения.
Электрет, который предпочтительно является электретной пленкой, предпочтительно приспособлен для прикрепления к телу человека либо животного или к другим объектам, которые предпочтительно механически соединяются с телом, типа одежды, стула, кровати и т.д.
Электрет является постоянно заряженным материалом, что означает, что не нужно никакого внешнего смещения, и заряд не исчезнет со временем.
Электрет можно приспособить для помещения на часть объекта, который предпочтительно является телом, которую нужно измерить. Размер электрета, в частности электретной пленки, можно приспособить к размеру области, которую намереваются измерить, например, если нужно измерить только небольшую мышечную группу, то электрет может иметь меньший размер, а если, например, нужно измерить верхнюю часть груди для измерения дыхания, то размер электрета может быть больше. Электрет, в частности электретную пленку, можно приспособить к использованию в качестве одноразовой пленки.
Предпочтительнее, чтобы блок предоставления электрического заряда содержал источник напряжения и электрически проводящий элемент для прикрепления к объекту, где источник напряжения подключается к электрически проводящему элементу для предоставления постоянного электрического заряда.
Источником напряжения является, например, батарея в несколько вольт, например батарея, имеющая менее десяти вольт.
Проводящий элемент предпочтительно является проводящей фольгой. Также эту проводящую фольгу можно приспособить к размеру области, которая предназначена для измерения. Также проводящую фольгу можно приспособить для использования в качестве одноразовой пленки.
Проводящая фольга предпочтительно изготовлена из биологически совместимого материала. Проводящая фольга предпочтительно приспособлена для ношения длительные периоды времени, например для ношения от минут до дней. Проводящая фольга предпочтительно тонкая, то есть предпочтительно имеет толщину менее 1 мм, чтобы быть как можно незаметнее. Проводящую фольгу можно изготовить из проводящей ткани.
В месте измерения предоставляется постоянная величина электростатического заряда. Поэтому перемещение места измерения относительно зонда, то есть перемещение постоянной величины электростатического заряда относительно зонда, приводит к изменению емкости конденсатора, образованного зондом и объектом, и соответственно к изменению измерительного сигнала, которое вызвано преимущественно этим относительным перемещением, а не флуктуацией статических зарядов на объекте. Таким образом, путем обнаружения изменений измерительного сигнала можно определить колебания расстояния между объектом и зондом.
Предпочтительно, чтобы система емкостного измерения дополнительно содержала блок определения свойства модуль для определения свойства объекта из сформированного измерительного сигнала.
Колебания измерительного сигнала могут иметь отношение к перемещению, вызванному деятельностью сердца, дыханием, механической активностью мышц и другими механическими колебаниями, возникающими из объекта, если объект является телом человека или животного. Также другие виды перемещений объекта, в частности тела, могут определяться из сформированного измерительного сигнала. Таким образом, блок определения свойства предпочтительно приспособлен для определения, например, частоты сердечных сокращений или дыхания из сформированного измерительного сигнала. Однако из сформированного измерительного сигнала также может определяться и другое свойство, имеющее отношение к перемещению объекта.
Если колебания измерительного сигнала относятся к механическим колебаниям, вызванным разными эффектами типа деятельности сердца и дыхания, то эти эффекты можно отделить с использованием методики частотной фильтрации для фильтрации части измерительного сигнала, которая соответствует соответствующему эффекту.
В дополнительной особенности изобретения представляется способ емкостного измерения для измерения объекта, где способ емкостного измерения содержит этапы:
- предоставления постоянного электрического заряда в месте измерения объекта с помощью блока предоставления электрического заряда,
- формирования измерительного сигнала путем емкостного измерения объекта в месте измерения объекта с помощью зонда в емкостном датчике.
В дополнительной особенности настоящего изобретения представляется компьютерная программа для измерения объекта, где компьютерная программа содержит средство программного кода для побуждения устройства емкостного измерения, которое задано в п. 4 формулы изобретения, выполнить следующие этапы:
- формирование измерительного сигнала путем емкостного измерения объекта в месте измерения объекта, в котором постоянный электрический заряд предоставляется блоком предоставления электрического заряда, с помощью зонда в емкостном датчике,
- определение свойства объекта из сформированного измерительного сигнала с помощью блока определения свойства,
когда компьютерная программа запущена на компьютере, управляющем устройством емкостного измерения.
Следует понимать, что система емкостного измерения по п.1, способ емкостного измерения по п.5 и компьютерная программа по п.6 имеют аналогичные и/или одинаковые предпочтительные варианты осуществления, которые заданы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может быть любым сочетанием зависимых пунктов формулы изобретения и соответствующего независимого пункта формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие особенности изобретения станут очевидными и разъясненными со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанные ниже. На нижеследующих чертежах:
Фиг.1 схематически и для примера показывает систему емкостного измерения для измерения объекта,
Фиг.2 схематически и для примера показывает дополнительную систему емкостного измерения для измерения объекта,
Фиг.3 схематически и для примера показывает схему в системе емкостного измерения более подробно,
Фиг.4 схематически и для примера показывает измерительный сигнал, сформированный системой емкостного измерения, и
Фиг.5 показывает для примера блок-схему алгоритма, иллюстрирующую способ емкостного измерения для измерения объекта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг.1 схематически и для примера показывает вариант осуществления системы емкостного измерения для измерения объекта. Система 1 емкостного измерения содержит емкостный датчик 2 и блок 4 предоставления электрического заряда. Емкостный датчик 2 включает в себя зонд 5 для формирования измерительного сигнала путем емкостного измерения объекта 3 в месте 6 измерения объекта 3. Блок 4 предоставления электрического заряда приспособлен для предоставления постоянного электрического заряда в месте 6 измерения объекта 3.
Система 1 емкостного измерения предпочтительно приспособлена для измерения тела человека или животного для определения физиологического свойства этого тела 3. Система 1 емкостного измерения приспособлена для измерения тела 3 через ткань, например, если человек или животное расположено на стуле или в кровати. Это позволяет, например, слежение за связанными со здоровьем параметрами, пока человек спит.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, блок 4 предоставления электрического заряда является электретной пленкой. Электретная пленка 4 приспособлена для прикрепления к телу 3 человека либо животного или к другим объектам, которые предпочтительно соединяются с телом, типа ткани, стула, кровати и т.д. Электретная пленка 4 в месте 6 измерения обеспечивает надежный и постоянный во времени электростатический заряд в месте 6 измерения.
Электретная пленка содержит средство прикрепления для прикрепления к телу 3 или к другим объектам, упомянутым выше для примера, которые предпочтительно механически соединяются с телом. Средство прикрепления является, например, липким средством, обвязочным средством, либо оно может быть любым другим средством для прикрепления электретной пленки к телу или к вышеупомянутым другим объектам, которые предпочтительно соединяются с телом.
Электретная пленка 4 является постоянно заряженным материалом, что означает, что не нужно никакого внешнего смещения, и заряд не исчезнет со временем.
Размер электретной пленки 4 приспособлен к размеру области, которую намереваются измерить, например, если нужно измерить только небольшую мышечную группу, то электретная пленка 4 может иметь меньший размер, а если, например, нужно измерить верхнюю часть груди для измерения дыхания, то размер электретной пленки 4 может быть больше.
Емкостный датчик 2 содержит электрод 5 и электронику 7, которая для примера будет описываться ниже со ссылкой на фиг.3.
Поскольку электретной пленкой 4 предоставляется постоянная величина электростатического заряда в месте 6 измерения, перемещение места 6 измерения относительно зонда 5, то есть перемещение постоянной величины электростатического заряда относительно зонда 5 приводит к изменению емкости конденсатора, образованного зондом 5 и объектом 3 вместе с электретной пленкой 4, и соответственно изменению измерительного сигнала, которое вызвано преимущественно этим относительным перемещением.
Система 1 емкостного измерения дополнительно содержит блок 12 определения свойства для определения свойства объекта 3 из сформированного измерительного сигнала, в частности из колебаний сформированного измерительного сигнала.
В этом варианте осуществления электретная пленка 4 соединяется с телом 3 на груди человека. Перемещение груди тела 3 в основном вызвано дыханием и деятельностью сердца. Блок 12 определения свойства предпочтительно приспособлен для разделения колебаний измерительного сигнала, вызванных деятельностью сердца, и колебаний измерительного сигнала, вызванных дыханием, с использованием методик частотной фильтрации. Например, для отыскания колебаний измерительного сигнала, вызванных деятельностью сердца, может использоваться частотный фильтр, фильтрующий частоты между 1 Гц и 30 Гц, а для отыскания колебаний измерительного сигнала, вызванных дыханием, могут использоваться методики частотной фильтрации, которые фильтруют частоты между 0,1 Гц и 1 Гц.
В варианте осуществления блок определения свойства приспособлен для определения временных положений сердечных сокращений и для определения частоты сердечных сокращений из этих временных положений. В качестве альтернативы или дополнительно блок определения свойства можно приспособить для определения частоты дыхания из колебаний сформированного измерительного сигнала, который предпочтительно фильтруется. Временные положения сердечного сокращения можно, например, определить путем обнаружения временных положений вторых областей 24, показывающих сильные колебания измерительного сигнала, которые для примера показаны на фиг.4 и которые будут подробнее объясняться ниже. Частоту дыхания можно определить, например, как частоту основного колебания измерительного сигнала.
В других вариантах осуществления, дополнительно или в качестве альтернативы, блок определения свойства можно приспособить для определения другого свойства объекта из колебаний измерительного сигнала. Например, блок определения свойства можно приспособить для определения механической активности мышц и других механических колебаний, возникающих из объекта. Блок определения свойства также можно приспособить для определения других видов перемещений объекта, в частности перемещение всего объекта или руки, ноги или головы можно определить из колебаний измерительного сигнала.
Фиг.2 схематически и для примера показывает дополнительный вариант осуществления системы емкостного измерения. Система 11 емкостного измерения, показанная на фиг.2, также содержит емкостный датчик 2 и блок предоставления электрического заряда. Емкостный датчик 2 содержит зонд 5 для формирования измерительного сигнала путем емкостного измерения объекта 3 в месте 6 измерения объекта. Блок предоставления электрического заряда содержит источник 8 напряжения и электрически проводящий элемент 9 для прикрепления к объекту 3, где источник 8 напряжения подключается к электрически проводящему элементу 9 для предоставления постоянного электростатического заряда. В этом варианте осуществления электрически проводящий элемент 9 является проводящей фольгой. Также эта проводящая фольга 9 приспособлена к размеру области объекта, которая предназначена для измерения. В варианте осуществления источник 8 напряжения является высоковольтным генератором. В альтернативном варианте осуществления емкостный датчик, то есть измерительная схема, подводится к потенциалу больше потенциала объекта, который предпочтительно заземляется. Также постоянный электрический заряд может предоставляться таким образом в месте измерения объекта, где большое постоянное смещение предоставляется для формирования усиленного измерительного сигнала, указывающего движения между зондом и объектом.
Фиг.3 схематически и для примера показывает вариант осуществления системы емкостного измерения, в котором возможная электронная схема показана более подробно.
bio
bp
be
Фиг.3 схематически и для примера показывает с левой стороны тело 3, включающее источник биоэлектрического сигнала V, являющегося, например, сигналом ECG. В контрольном месте 6, которое является, например, грудью тела 3, постоянный электрический заряд предоставляется с помощью электретной пленки 4. Тело 3 емкостно соединяется с электросетью 13 с емкостью C и с землей 16 с емкостью C.
i
i
i
ce
be
ce
С правой стороны фиг.3 схематически и для примера показана схема 7 емкостного датчика 2. Емкостный датчик 2 содержит электрод 5, который емкостно соединяется с телом 3 на расстоянии d, резистор смещения R и буферный усилитель 22 с входной емкостью C. Предпочтительно, чтобы входная емкость C устранялась с использованием методики нейтрализации типа методики нейтрализации, описанной в WO 2005/018041 A2. Емкостный датчик 2 предоставляет выходной сигнал OUT, являющийся измерительным сигналом, сформированным емкостным датчиком 2. Опорное напряжение схемы Com емкостно соединяется с землей 20 с емкостью C, так что тело 3 также емкостно соединяется с опорным напряжением схемы через C и C.
Измерительный сигнал, сформированный емкостным датчиком 2, схематически и для примера показан на фиг.4. Фиг.4 показывает амплитуду A в вольтах V в зависимости от времени t в секундах s. В первой области 23 колебания измерительного сигнала указывают на сигнал ECG. Следующая вторая область 24 показывает гораздо более сильные колебания измерительного сигнала, вызванные перемещениями электретной пленки 4 относительно электрода 5. Таким образом, электретная пленка 4 дает значительное усиление измерительного сигнала. На основе этих колебаний измерительного сигнала во второй области 24 блок 12 определения свойства может определить свойство объекта 3.
Блок предоставления электрического заряда, то есть, например, электретная пленка 4 или источник 8 напряжения, подключенные к электрически проводящему элементу 9, который предоставляет постоянный электрический заряд, обеспечивает постоянный ток смещения между телом 3 и электродом 5 и усиливает посредством этого измерительный сигнал, указывающий механические движения тела, то есть указывающий колебания расстояния между телом и электродом.
Следует отметить, что на фиг. 4 предполагается, что человек задержал дыхание, то есть на фиг. 4 пренебрегают дыхательными движениями. Однако в других вариантах осуществления колебания измерительного сигнала также могут вызываться дыханием или другими эффектами. Блок определения свойства предпочтительно приспособлен для использования частотного фильтра для фильтрации нужного эффекта из сформированного измерительного сигнала и/или определенных колебаний расстояния.
Система емкостного измерения может использоваться для дистанционного измерения основных показателей организма типа сердечного сокращения, дыхания и т.д. Система емкостного измерения предпочтительно позволяет ненавязчивое, в частности через одежду, измерение сердечного сокращения и/или дыхания. По меньшей мере части системы емкостного измерения, в частности емкостный датчик, посредством этого встраиваются в кровать или автомобиль. Кровать является идеальным местом для слежения за связанными со здоровьем параметрами, потому что сон является частью нашей повседневной работы. Кроме того, кровать является местом, где люди отдыхают в среднем восемь часов в день с окружающими и физиологическими условиями, которые довольно устойчивы, поэтому сигналы могут формироваться с меньшими артефактами, связанными с движением.
Фиг.5 показывает блок-схему алгоритма, иллюстрирующую для примера вариант осуществления способа емкостного измерения для измерения объекта 3.
На этапе 101 постоянный электрический заряд предоставляется в месте 6 измерения объекта 3 посредством блока предоставления электрического заряда, то есть, например, путем прикрепления к телу 3 электретной пленки 4 или электрически проводящего элемента 9, который электрически подключен к источнику 8 напряжения.
На этапе 102 измерительный сигнал формируется путем емкостного измерения объекта 3 в месте 6 измерения с помощью зонда 5 в емкостном датчике 2.
На этапе 103 блок 12 определения свойства определяет свойство объекта 3 из сформированного измерительного сигнала.
В других вариантах осуществления можно пропустить этап 103, в котором способ емкостного измерения формирует измерительный сигнал, указывающий колебания расстояния между объектом и электродом и соответственно указывающий перемещение объекта.
Если источник 8 напряжения используется вместе с проводящей фольгой 9 для обеспечения постоянного электростатического заряда на теле 3, то источник 8 напряжения предпочтительно приспособлен так, что максимальное напряжение не превышается, где максимальное напряжение выбирается так, что человек, к которому нужно прикрепить проводящую фольгу, не получает неблагоприятного воздействия.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления электретная пленка и источник напряжения в сочетании с электрически проводящей фольгой описаны в качестве блока предоставления электрического заряда, в других вариантах осуществления может использоваться другое средство для предоставления постоянного электрического заряда.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления постоянный электростатический заряд предоставляется на теле человека для формирования измерительного сигнала, указывающего перемещение груди человека, в других вариантах осуществления могут определяться перемещения других частей тела человека или всего тела человека. Кроме того, могут определяться перемещения частей тела или всего тела животного. Также перемещения других объектов типа технических объектов могут определяться с использованием системы емкостного измерения.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут подразумеваться и осуществляться специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия изобретения и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов.
Один блок или устройство могут выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт, что некоторые критерии перечисляются во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих критериев не может использоваться с выгодой.
Определения типа определения колебаний расстояния или определения свойства объекта, выполненные блоком определения колебаний расстояния и блоком определения свойства, могут выполняться любым другим количеством блоков или устройств, например только одним блоком или более чем двумя блоками. Определение свойства объекта из сформированного измерительного сигнала и/или управления системой емкостного измерения в соответствии со способом емкостного измерения может быть реализовано в виде средства программного кода в компьютерной программе и/или в виде специализированных аппаратных средств.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например оптическом носителе информации или твердотельном носителе, поставляемом вместе или как часть других аппаратных средств, но также может распространяться в других видах, например через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Любые знаки ссылок в формуле изобретения не следует толковать как ограничивающие объем.