專利名稱：用于測(cè)量心率和脈搏速率的超聲波監(jiān)控器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量有生命的對(duì)象的心率和脈搏速率的超聲波監(jiān)控器。本發(fā)明也包括通過(guò)超聲波手段用于測(cè)量有生命對(duì)象的心率和脈搏速率的方法。
背景技術(shù)：
測(cè)量心率和脈搏速率通過(guò)多種手段可完成對(duì)有生命對(duì)象的心率和脈搏速率的測(cè)量。脈搏速率的測(cè)量通常是通過(guò)將一個(gè)人的手指輕輕接觸在動(dòng)脈上并計(jì)數(shù)脈搏的速率。心率的測(cè)量通常是由一傳感裝置測(cè)量的，使用基于心電圖(EKG或ECG)監(jiān)控心臟(接觸監(jiān)視器)的電學(xué)活動(dòng)的電極。在個(gè)性化和最優(yōu)化鍛煉計(jì)劃中測(cè)量速率值是有用的工具。想要提高耐久力和表現(xiàn)的人以特定的目標(biāo)心率為目的以向他們的目標(biāo)取得最大的進(jìn)步。相反地，有心臟病史的人必須避免超過(guò)一定的心率或脈搏速率以減小心臟的不必要的壓力及導(dǎo)致的損害。
心率是在給定時(shí)間段內(nèi)的收縮速率，通常定義為每分鐘跳動(dòng)次數(shù)。脈沖可定義為由心臟的收縮引起的被推動(dòng)進(jìn)入血管的血液的體積的增大產(chǎn)生的血管的有節(jié)奏的膨脹?？梢栽谏眢w上的許多點(diǎn)上感覺(jué)到脈搏，包括腕部(橈動(dòng)脈)和頸部(頸動(dòng)脈)，這兩者是最容易接近的點(diǎn)。由于心臟收縮幾乎總是產(chǎn)生可作為脈搏測(cè)量的血液體積，心率和脈搏速率通常是相同的。然而，在特定的情況下脈搏速率可能與心率不同。例如，身體可能產(chǎn)生異常心跳或早博性心跳。在這種情形中，心臟的收縮不會(huì)推出足夠的血液而作為脈搏被測(cè)量出來(lái)，測(cè)得的脈搏速率會(huì)異于心率。
提供連續(xù)的心率讀數(shù)而不是在一個(gè)單一點(diǎn)上的測(cè)量的心率監(jiān)控器需要佩戴一個(gè)胸帶。很少的心率監(jiān)控器不需要胸帶。這些監(jiān)控器的大多數(shù)如果不是全部的話，不提供連續(xù)的心率讀數(shù)而是測(cè)量佩戴者的脈搏并應(yīng)要求傳輸該脈搏。為了得到這種類(lèi)型的測(cè)量大多數(shù)使用者必須停止鍛煉，這是對(duì)鍛煉計(jì)劃的打斷。在美國(guó)專利5738104和5876350及歐洲專利0861045B1中，Lo等人公開(kāi)了一種EKG心率監(jiān)控器，其不需要胸帶從而使用者不用為接受心率測(cè)量而不得不停止鍛煉。所有的傳感器和電子裝置被容納在手表中。軟件可有效地濾除肌肉運(yùn)動(dòng)噪音。因此使用者在進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量時(shí)可以走和慢跑。然而，此技術(shù)仍無(wú)法提供連續(xù)讀數(shù)。因此，大多數(shù)要求連續(xù)心率讀數(shù)的使用者或心臟病患者選擇需要胸帶的監(jiān)控器。大多數(shù)人，包括老年人，會(huì)更喜歡不需要胸帶的監(jiān)控器。也有便攜式的患者監(jiān)控器(例如重要器官生命跡象監(jiān)控器，胎兒監(jiān)控器)，其能夠完成多種功能如心律不齊分析、藥物劑量計(jì)算ECG波形聯(lián)結(jié)及其他。然而，這樣的監(jiān)控器通常相當(dāng)大(例如小型電視機(jī)的尺寸)并通過(guò)特定的電纜連接到患者。因而，本領(lǐng)域需要一種改進(jìn)的心臟監(jiān)控裝置，特別是一種既能對(duì)健康人也能對(duì)被危及安全的有生命對(duì)象提供連續(xù)心率讀數(shù)而不需要胸帶、電纜或類(lèi)似物的裝置。
由于手表的出現(xiàn)，手腕為個(gè)人提供了一個(gè)方便的，可接近的且無(wú)打擾的佩戴機(jī)械裝置的位置。此外，在手腕的橈動(dòng)脈的淺凹處提供了許多優(yōu)點(diǎn)以允許連續(xù)檢測(cè)血液脈搏速率。以前已經(jīng)發(fā)展了許多不同類(lèi)型的用于在手腕的脈搏檢測(cè)的傳感器。
Im&Lessard，在“IEEE-EMBC&CMBEC學(xué)報(bào)”21033-1034(1995)中，以及Tamura等人在“IEEE-EMBC&CMBEC學(xué)報(bào)”21591-1592(1995)中描述了其實(shí)施。借助于壓電傳感器已經(jīng)在心率測(cè)量中實(shí)現(xiàn)脈搏檢測(cè)，在壓電傳感器中由壓力脈沖產(chǎn)生的機(jī)械刺激被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)以用于進(jìn)一步的信號(hào)處理。
Dupuis&Eugene，在“儀器&測(cè)量IEEE學(xué)報(bào)”49498-502(2000)中描述了在測(cè)量系統(tǒng)中使用張力計(jì)微分壓力傳感器，其中低壓箍帶繞在手腕上然后用張力計(jì)測(cè)量由壓力脈沖引起的在箍帶中的壓力調(diào)制。
Sorvoja H在她的碩士論文中，奧盧大學(xué)(1998-...芬蘭)，以及Ruha等人在生物信號(hào)學(xué)報(bào)1198-200(1996)中描述了在用于橈動(dòng)脈脈搏檢測(cè)的傳感器中使用新的壓敏材料如機(jī)電膜(EFMi)及氟化聚乙二烯(PVDF)。
Gagnadre等人在電子Letters，321991-1993(1998)中描述了使用光纖傳感器檢測(cè)心率。在兩個(gè)鋁板之間放置多模光纖。由壓力脈沖產(chǎn)生的力引起光纖中的模態(tài)分布的改變而使用光檢測(cè)器檢測(cè)脈搏。
在心血管脈搏檢測(cè)中的紅外光學(xué)傳感器典型地測(cè)量當(dāng)血液的量在測(cè)量的體積中改變時(shí)由于吸收或散射導(dǎo)致的光能量的變化。這種測(cè)量，稱為光學(xué)體積描記術(shù)(PPG)，最早被Herztman在“對(duì)人的手指和腳趾的光電體積描記術(shù)”，實(shí)驗(yàn)生物學(xué)及醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)371622-1637(1937)中公開(kāi)。
PPG主要用于測(cè)量在毛細(xì)管網(wǎng)中的搏動(dòng)。研究人員如Hast，在“心率的光學(xué)檢測(cè)結(jié)構(gòu)&方法”，工程師職稱畢業(yè)論文，奧盧大學(xué)(芬蘭)，以及Aritomo等人在“安裝在手腕上的運(yùn)動(dòng)及脈搏記錄系統(tǒng)”，第一聯(lián)合BMES/EMES會(huì)議會(huì)刊2693(1999)，已經(jīng)應(yīng)用PPG來(lái)測(cè)量上述橈動(dòng)脈。
如上面提到的在手腕上監(jiān)控壓力脈沖的傳感器面臨一個(gè)共同的問(wèn)題。該壓力脈沖一般被在動(dòng)脈和傳感器之間的組織減弱以致失去了許多信號(hào)中的高頻成分。當(dāng)對(duì)象在運(yùn)動(dòng)中，肌肉的移動(dòng)可以在壓力傳感器中產(chǎn)生相當(dāng)大的噪音。這些噪音信號(hào)的種類(lèi)是低頻的。因而它們使得難以可靠地識(shí)別血壓脈沖。光學(xué)體積描記術(shù)(PPG)有相似的問(wèn)題即當(dāng)由于運(yùn)動(dòng)而使在光學(xué)檢測(cè)器和手腕之間的界面不穩(wěn)定時(shí)，可能會(huì)明顯干擾透射或反射的光信號(hào)的強(qiáng)度。
對(duì)PPG技術(shù)的有效性來(lái)說(shuō)，環(huán)境光情況也扮演重要的角色。使用張力計(jì)、壓電膜材料、紅外光學(xué)耦合對(duì)和光纖傳感器的各種不同的技術(shù)僅在對(duì)象是靜止時(shí)能以合理的可靠性測(cè)量心率。它們對(duì)對(duì)象要移動(dòng)的體育、健身和康復(fù)應(yīng)用并不實(shí)用。
眾所周知在現(xiàn)有技術(shù)中使用聲納技術(shù)識(shí)別移動(dòng)的對(duì)象。壓電晶體既可用作功率發(fā)生器也可用作信號(hào)檢測(cè)器。在這種情況中，以脈沖模式發(fā)射超聲波能量。在輸出功率源關(guān)閉后由同一晶體拾取反射信號(hào)。接收反射信號(hào)所需要的時(shí)間取決于在功率源和對(duì)象之間的距離。頻率位移，更常被稱為多普勒位移，依賴于運(yùn)動(dòng)對(duì)象的速度。該技術(shù)只需要一個(gè)晶體，但檢測(cè)器電路僅在發(fā)射器電源關(guān)閉后工作?？梢韵氲接眠@種方法檢測(cè)血管壁的運(yùn)動(dòng)而得到脈搏速率信息。然而，對(duì)于表皮血管由于在功率源和對(duì)象之間的距離短，該技術(shù)需要非常高的功率開(kāi)關(guān)速度。另外，肌肉的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生能降低系統(tǒng)的信噪比的反射。在這種情況中，肌肉噪音信號(hào)非常類(lèi)似于由于血管壁引起的信號(hào)。因此，當(dāng)有生命對(duì)象在運(yùn)動(dòng)時(shí)要以這種方式檢測(cè)心率非常困難。然而，該方法的優(yōu)點(diǎn)是低成本和低功耗。對(duì)于連續(xù)模式可以使用兩壓電元件。在給定時(shí)間中任一個(gè)可用作發(fā)射器而另一個(gè)可用作接收器或檢測(cè)器。這兩個(gè)元件可以設(shè)置為在導(dǎo)管的相反側(cè)或同一側(cè)與流的方向成一角度。如果它們?cè)谕粋?cè)，兩個(gè)晶體可以方便地包裝在一個(gè)模塊中。流動(dòng)速率或流動(dòng)速度正比于相對(duì)工作頻率的多普勒位移。連續(xù)模式在脈搏速率應(yīng)用的主要有點(diǎn)是由于血液流動(dòng)引起的多普勒位移與由于肌肉偽信號(hào)或組織移動(dòng)引起的位移明顯不同。由于血液流動(dòng)引起的位移比由于肌肉運(yùn)動(dòng)引起的位移的頻率高。因此，即使肌肉運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的信號(hào)在幅度上更大，通過(guò)模擬的或數(shù)字形式的高通濾波器仍可以濾除它們而保留血液流動(dòng)信號(hào)。在這方面，超聲波方法優(yōu)于基于紅外線、壓力傳感甚至EKG技術(shù)的方法。
一種對(duì)于心率和脈搏速率的測(cè)量有用的裝置是戴在手腕上的電子單元。本領(lǐng)域中已知幾種這樣的裝置。美國(guó)專利4086916(Freeman等人)公開(kāi)一種具有安裝在腕帶部分的超聲波換能器的心臟手表監(jiān)控器。該換能器裝在環(huán)氧樹(shù)脂中并覆蓋有絕緣覆層。美國(guó)專利4163447(Orr)公開(kāi)一種安裝在腕上的心率監(jiān)控器，其依靠發(fā)光二極管。美國(guó)專利4256117(Perica等人)公開(kāi)一種安裝在腕上的秒表和心臟監(jiān)控器的組合，該監(jiān)控器使用壓力換能器來(lái)測(cè)量脈搏速率。
在Freeman的發(fā)明中，希望用手表提供連續(xù)的脈搏速率監(jiān)控。然而，超聲波能量易于在不同密度的兩種介質(zhì)之間的界面上繞射及變?nèi)酢Ｔ诮缑嫔系娜魏慰諝忾g隙或在介質(zhì)中的任何氣泡也會(huì)使超聲波能量的傳輸變得不可靠。因此，有一種普通的慣例是在換能器模塊和有生命對(duì)象之間使用水或水性凝膠以消除空氣間隙。不幸的是水和水性凝膠在露天中干的很快。對(duì)于連續(xù)速率監(jiān)控，無(wú)法接受要頻繁應(yīng)用水或凝膠的要求。在美國(guó)專利6371920B1和6394960B1中通過(guò)使用從支撐表面突出來(lái)的小的換能器的陣列而在與有生命對(duì)象之間形成沒(méi)有空氣間隙的牢固的接觸，而做了克服此問(wèn)題的嘗試。然而，這顯著增大了復(fù)雜性和換能器裝置的成本及其驅(qū)動(dòng)電路?；蛘哂捎谏眢w的毛發(fā)或者是從一個(gè)人到另一個(gè)人的皮膚情況的不同，空氣間隙不會(huì)被完全清除。在美國(guó)專利6447456B1中，在橈動(dòng)脈和尺動(dòng)脈處使用兩組換能器。該想法是要應(yīng)對(duì)由于腕部的運(yùn)動(dòng)引起的信號(hào)質(zhì)量的受損，該腕部運(yùn)動(dòng)可能時(shí)而造成空氣的間隙。使用兩組換能器希望是至少其中一組能可靠地檢測(cè)多普勒信號(hào)以識(shí)別心跳。連續(xù)模式相對(duì)于脈沖模式的缺點(diǎn)是更高的費(fèi)用和更大的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于測(cè)量有生命對(duì)象的速率值，包括心率和脈搏速率，的超聲波監(jiān)控器。由于在壓電材料和微電子技術(shù)中的繼續(xù)進(jìn)步，基于超聲波的脈搏速率監(jiān)控系統(tǒng)可以被最小化而降低成本和功耗。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供用于測(cè)量有生命對(duì)象的脈搏速率值的超聲波監(jiān)控器，包括一具有至少一個(gè)超聲波能量源的模塊，由聚合物構(gòu)成的超聲波傳導(dǎo)稀釋劑占重量百分比為從50％到95％的凝膠墊。其中凝膠墊設(shè)置為直接接觸于模塊和有生命對(duì)象之間；用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的超聲波能量檢測(cè)器及相關(guān)硬件和軟件。凝膠墊由聚合物制成，該聚合物具有下列特征a)硬度根據(jù)ASTM D15針穿刺約5到300(1/10毫米)，優(yōu)選為從約25到約150，最好從約30到約50；b)根據(jù)ASTM D412抗張強(qiáng)度從約5到約500psi，優(yōu)選為從約10到約300，最好從約50到約200psi；及c)根據(jù)ASTM D412延展性從約50％到約800％，優(yōu)選從約200％到約700％，最好從約300％到約500％。
在壓力和溫度循環(huán)后凝膠是穩(wěn)定的(沒(méi)有油滲出)。該顯示可選擇性包括用于分析來(lái)自有生命對(duì)象的速率值的電子裝置和軟件。相反地，模塊可以包括用于分析該速率值的電子裝置和軟件。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種測(cè)量有生命對(duì)象的速率值的方法。該方法包括提供一個(gè)如上所述的超聲波監(jiān)控器及將該監(jiān)控器與該有生命對(duì)象聯(lián)結(jié)。


參考用于說(shuō)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖，可更好地理解本發(fā)明。然而，應(yīng)理解到，本發(fā)明并不限于在附圖中展示的特定實(shí)施例。
圖1A描述本發(fā)明超聲波監(jiān)控器的正視圖。這里示出的是附有具有帶凝膠墊30的模塊20的手表帶10的手表，其中凝膠墊接觸有生命對(duì)象的皮膚。該圖也描述了提供測(cè)得的速率值的顯示部件40。
圖1B描述了根據(jù)本發(fā)明的超聲波監(jiān)控器的可選實(shí)施例的正視圖。
圖2描述了換能器模塊組件的剖視圖。殼體10的基板可以是金屬或塑料的。換能器20在ABS中模制成并永久黏附到殼體。在換能器模塊30的頂部有可選擇的薄的粘性層40其可以是油含量更低的凝膠或適當(dāng)?shù)恼承圆牧?。頂部結(jié)構(gòu)是直接接觸有生命對(duì)象的凝膠墊50。
圖3描述一典型基于超聲波的心率監(jiān)控系統(tǒng)的框圖。
圖4描述了本發(fā)明軟件的框圖。放大后的多普勒信號(hào)在反混淆濾波后被微控制器中的A/D變換器取樣。取樣的數(shù)據(jù)進(jìn)一步通過(guò)高通濾波器或高通濾波器和低通濾波器的結(jié)合而被數(shù)字濾波。輸出被施加到或者絕對(duì)值運(yùn)算器或平方運(yùn)算器，在該運(yùn)算器后的是低通濾波器級(jí)。最后使用該數(shù)字處理后的數(shù)據(jù)來(lái)確定脈搏速率。
圖5A-C描述了在換能器模塊中的兩個(gè)壓電元件的排列。
圖6A-C描述了對(duì)給定偏角和給定焦深所設(shè)計(jì)的幾種可能的凝膠墊的形狀。
具體實(shí)施例方式
a)定義及一般參數(shù)闡述下述定義以說(shuō)明和定義用于描述本發(fā)明的各種術(shù)語(yǔ)的意義和范圍。
術(shù)語(yǔ)“超聲波”和“超音波”在這里可互換使用而指具有在約30KHz和約30MHz之間的頻率的聲波。“超聲波換能器”(即換能裝置)在本發(fā)明中是一種用于將聲音能量引入試驗(yàn)物體(例如有生命對(duì)象)及也檢測(cè)從物體反射的能量的裝置。這種類(lèi)型的裝置的典型是壓電晶體，其用機(jī)械脈沖響應(yīng)從儀器來(lái)的電信號(hào)，并用可被該儀器檢測(cè)的電能量響應(yīng)來(lái)自試驗(yàn)物體的機(jī)械脈沖(反射能量)。超聲波也可用作聲波成像技術(shù)，用于為了估計(jì)特定組織或生病組織的發(fā)展而檢查身體的一部分(例如胸、腹部、心臟)。另外，超聲波用于監(jiān)控胎兒和他們的生長(zhǎng)。
此處用的“速率值”指可被測(cè)量的值。本發(fā)明的速率值包括但不限于，心率、脈搏速率、胎兒心率和胎兒脈搏速率。
術(shù)語(yǔ)“具有換能裝置的模塊”指包括壓電換能器的組裝件。例如，看圖2。模塊可選擇性包括用于分析速率值的電子裝置。
此處使用的術(shù)語(yǔ)“熱固性凝膠”指一種凝膠其通常由化學(xué)結(jié)合的三維彈性體網(wǎng)絡(luò)制成，該彈性體網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)獲大量低揮發(fā)性液體或稀釋液。該彈性體網(wǎng)絡(luò)是永久的不能通過(guò)加熱變回液態(tài)。為了保證凝膠很好地適合皮膚以及在保持負(fù)荷承載特性時(shí)對(duì)超聲波傳輸?shù)臏p弱作用較小，一定量的稀釋劑是必須的。凝膠可以在從-30℃到+70℃溫度范圍內(nèi)使用，在這中間凝膠保持它的形狀和彈性負(fù)荷承載特性?！肮枘z”或“聚氨酯凝膠”是熱固性凝膠的例子。在本發(fā)明前，熱固性凝膠還沒(méi)有被用作超聲波傳輸介質(zhì)。
這里使用的術(shù)語(yǔ)“熱塑性凝膠”指一種凝膠其通常由具有較大比例的散布在中間的稀釋劑的熱塑性彈性體制成。熱塑性彈性體包括嵌段共聚物如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、苯乙烯/乙烯-共聚-丁烯/苯乙烯，及苯乙烯/乙烯-共聚-丙烯/苯乙烯。苯乙烯端嵌段在室溫下形成玻璃態(tài)域。該玻璃態(tài)域作為提供聚合物的彈性體特性的物理交聯(lián)。在加熱超過(guò)苯乙烯的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度即約100℃期間，玻璃態(tài)域融化而聚合物回到液態(tài)。在冷卻期間，再次重新形成玻璃態(tài)。因此，這個(gè)過(guò)程是可逆的。其他的嵌段共聚物，如乙烯-(乙烯-共聚-丁烯)-乙烯共聚物其包含晶狀聚乙烯端嵌段，也可用于準(zhǔn)備熱塑性凝膠。在本發(fā)明前，熱塑性凝膠還沒(méi)有被用作超聲波傳輸介質(zhì)。
b)超聲波監(jiān)控器本發(fā)明的一個(gè)方面提供用于測(cè)量有生命對(duì)象的脈搏速率值的超聲波監(jiān)控器，包括一具有至少一個(gè)超聲波能量源(換能器)的模塊，包括聚合物和礦物油構(gòu)成的凝膠墊。其中凝膠墊設(shè)置為直接接觸于模塊和有生命對(duì)象之間；用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的超聲波能量檢測(cè)器及相關(guān)硬件和軟件。凝膠墊由聚合物制成，該聚合物具有下列特征a)硬度根據(jù)ASTM D15針穿刺約5到300(1/10毫米)，優(yōu)選為從約25到約150，最好從約30到約50；b)根據(jù)ASTM D412抗張強(qiáng)度從約5到約500psi，優(yōu)選為從約10到約300，最好從約50到約200psi；及c)根據(jù)ASTM D412延展性從約50％到約800％，優(yōu)選從約200％到約700％，最好從約300％到約500％。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，監(jiān)控器是附有表帶的手表，其中模塊附在表帶上。在另一優(yōu)選實(shí)施例中換能器包括第一和第二壓電晶體，其中晶體設(shè)置為相互成一角度，其中基于換能器到有生命對(duì)象的距離決定該角度。通過(guò)初始超聲波頻率信號(hào)激發(fā)第一壓電晶體，其中初始超聲波頻率信號(hào)被有生命對(duì)象反射并被第二壓電晶體接收。更特定的，模塊包括一對(duì)相互成角度的壓電晶體，其中用被監(jiān)控的對(duì)象的深度決定該角度。如果對(duì)象是在子宮深處的胎兒，則兩個(gè)晶體要相互平行設(shè)置。如果對(duì)象是人類(lèi)對(duì)象(例如成人、胎兒)的橈動(dòng)脈，則兩個(gè)晶體相對(duì)血液流動(dòng)方向的角度是從約0到約60°。其中一個(gè)晶體在一超聲波頻率下激發(fā)。信號(hào)然后由生命對(duì)象并且由第二晶體拾取。接收的頻率依賴于流體整體流動(dòng)的方向和速度，或者高于或者低于初始頻率。例如，當(dāng)監(jiān)控血液流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)的方向是固定的。因而，作為初始和反射頻率之差的多普勒頻率僅依賴于血液流動(dòng)的速度。
超聲波監(jiān)控器包括一個(gè)超聲波頻率驅(qū)動(dòng)器、AM或FM檢測(cè)器、放大器、濾波電路及微控制器。驅(qū)動(dòng)器電路由在從約30KHz到約30MHz之間頻率運(yùn)行的振蕩器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及C類(lèi)功率放大器構(gòu)成。功率放大器將超聲波能量給予模塊中兩個(gè)壓電元件之一。另一元件拾取反射的超聲波信號(hào)。放大該信號(hào)，然后幅度解調(diào)(AM)或頻率解調(diào)(FM)以產(chǎn)生多普勒頻率。在音頻范圍的多普勒頻率再被放大并濾波，以避免在它們被數(shù)字取樣及被具有內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器和軟件的微處理器處理之前有混淆。該軟件通過(guò)高通濾波器數(shù)字濾除由于機(jī)如運(yùn)動(dòng)引起的偽影信號(hào)，該高通濾波器取決于初始超聲波工作頻率在從約10到約1500Hz具有3db轉(zhuǎn)折頻率。接著，平方運(yùn)算和低通濾波器為了心率的檢驗(yàn)而使信號(hào)處于適當(dāng)狀態(tài)。取決于初始超聲波工作頻率，低通濾波器的3db轉(zhuǎn)折頻率是從約500到約5000Hz。通過(guò)小的改動(dòng)現(xiàn)有技術(shù)Lo等人公開(kāi)的心率檢驗(yàn)邏輯可用在本發(fā)明中。
模塊可選擇的包括用于分析有生命對(duì)象的速率值如心率或脈搏速率的電子裝置和軟件。可選的，顯示部件可包括用于速率值的電子裝置和軟件。這樣，至少有兩種可選擇的關(guān)于手表超聲波監(jiān)控器的實(shí)施例。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，換能器、電子裝置和軟件都裝在同一個(gè)模塊中。該模塊機(jī)械性附接在腕帶上，它可被定位于有生命對(duì)象的橈動(dòng)脈處。凝膠墊面對(duì)有生命對(duì)象的腕部并由腕帶固定到位。兩個(gè)晶體(見(jiàn)上)設(shè)置在模塊內(nèi)部緊接在凝膠墊后面。可以通過(guò)無(wú)線裝置將測(cè)得的血液流動(dòng)及/或心率值發(fā)送到表的顯示部件。在這種情況下，模塊具有發(fā)射器電路而顯示部件具有接收器電路?？梢曰诔Ｒ?guī)使用的頻率如5KHz、120KHz、455KHz、433MHz、900MHz等選擇載波頻率。這些頻率在多種胸帶心率監(jiān)控器中使用。目前，最常用的頻率是5KHz。因此包含有所有電子裝置和軟件的模塊可以在市場(chǎng)上提供作為對(duì)現(xiàn)存胸帶產(chǎn)品的直接替代。在這種情況下顯示部件是具有內(nèi)置無(wú)線接收器電路的手表?？蛇x的，模塊可以被單獨(dú)固定在其自己的帶上而適于安裝在有生命對(duì)象的另一部分上，在那里可以方便地監(jiān)測(cè)血液流動(dòng)。由于在模塊中的電池盒可被設(shè)計(jì)為允許使用者容易地更換電池，這是優(yōu)選的方案。使用的頻率和每次使用時(shí)間的長(zhǎng)度決定對(duì)給定類(lèi)型的電池需要多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)更換一次。
在本發(fā)明另一實(shí)施例中(在圖1A中示出)，同樣的電子裝置和軟件放置在表的顯示部件中而換能器和凝膠墊容納在模塊內(nèi)。連接電纜形成在腕帶中以連接超聲波驅(qū)動(dòng)電路。在這種情況中，需要高能量密度的電池以減少更換電池的頻率?？蛇x的，可以使用充電電池。電池可被無(wú)線充電從而針對(duì)游泳者和潛水者的表部件是防水的。隨著電池技術(shù)繼續(xù)在能量密度和壽命上的提高，這種集成的方案可能最終是優(yōu)選的。在另一實(shí)施例中，監(jiān)控器可被放在或集成在頭帶中用于監(jiān)測(cè)顳颥脈搏。
在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例中，例如圖1B的實(shí)施例100，換能器和凝膠墊容納在靠近對(duì)象的第一部分(即一只手的手腕)的第一模塊130中，而電子裝置和軟件及表顯示部件是在固定到對(duì)象的另一部分(即另一只手的手腕)上的分離的第二模塊140中。第一(傳感)模塊可通過(guò)無(wú)線(優(yōu)選)或有線通訊介質(zhì)向第二(處理/顯示)模塊發(fā)出檢測(cè)到的信息。根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例，可以以任何方式在處于不同的地方的傳感和顯示模塊之間分配各種處理功能的位置，例如，如圖1B的特定實(shí)施例所示的不同手腕。
可以用超聲波監(jiān)控器測(cè)量的速率值的例子包括，但不限于，心率值和血液脈搏速率值。可以從成年人、嬰兒，及胎兒或從其他動(dòng)物獲得這樣的速率值。
c)聚合物和凝膠超聲波監(jiān)控器包括一凝膠墊，其設(shè)置為直接與模塊和有生命對(duì)象接觸。超聲波能量不能通過(guò)空氣有效地傳輸，因而需要一個(gè)耦合物(凝膠墊)用于在換能器和有生命對(duì)象之間的有效傳輸。液態(tài)凝膠可用作耦合物，然而由于是水基的這樣的流體凝膠容易很快變干。因此，本發(fā)明優(yōu)選使用固態(tài)的油基凝膠以在換能器和對(duì)象之間實(shí)現(xiàn)有效的傳輸。如上述，凝膠墊由特定聚合物制成，該聚合物用于傳導(dǎo)超聲波，從而可以將波轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的速率值。在優(yōu)選實(shí)施例中，聚合物是熱固性或熱塑性凝膠。本發(fā)明中的凝膠可包括任何彈性體類(lèi)型、彈性體分子量、交聯(lián)密度、稀釋比例等等。凝膠墊可以是大約一平方厘米尺寸而其形狀可以是正方形、矩形或圓形。熱固性凝膠的例子包括，但不限于，硅氧烷或聚氨酯凝膠。硅凝膠可基于在乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷，或聚二苯基硅氧烷，和氫化物封端的聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷，或聚二苯基硅氧烷之間的反應(yīng)。聚氨酯凝膠可基于聚丁二烯二醇、聚丁二烯三醇、聚(乙烯-共聚-丙烯)二醇、聚(氧化四乙烯)二醇、聚(氧化乙烯)二醇，或蓖麻油和聚異氰酸酯如甲苯二異氰酸酯或亞甲基二異氰酸酯的反應(yīng)。熱塑性凝膠的例子包括，但不限于，苯乙烯-(乙烯-共聚-丁烯)苯乙烯，苯乙烯(乙烯-共聚-丙烯)苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、乙烯(乙烯-共聚-丁烯)乙烯以及其他彈性體嵌段聚合物。
術(shù)語(yǔ)“凝膠”經(jīng)常用于描述可具有不同特性的多種材料。本領(lǐng)域通常區(qū)分三類(lèi)凝膠濃流體、水凝膠基穩(wěn)定柔軟彈性體凝膠。濃流體的例子是牙膏、洗碗用清潔劑等等。這些流體典型的被粉化硅石、班脫土黏土或其他無(wú)機(jī)增稠劑變得較稠。在溫和的搖動(dòng)或擠壓后，這種類(lèi)型的凝膠容易以象液體的方式流出。然而，這種凝膠不能回到其初始的稠密形狀。因而，這樣的凝膠不適于需要凝膠采用特定形狀或形態(tài)的應(yīng)用。
水凝膠典型地包括可溶于水的高分子量聚合物如聚(乙烯醇)、聚丙烯酰胺、聚(丙烯酸)等等。水凝膠也包括較大比例的水或與水相容的液體如乙二醇。因此，水凝膠特征為象水一樣的液體或與水相容的液體，其被高分子量有機(jī)聚合物稠化。此外，這種類(lèi)型的凝膠，取決于其組成可以是液體或彈性固體。如果使用低分子量的可溶于水的聚合物及/或更大比例的水，則形成象液體的水凝膠。象液體的水凝膠如AQUASONICTM水凝膠被廣泛用作超聲波傳輸?shù)慕橘|(zhì)。事實(shí)上，有幾種商業(yè)凝膠產(chǎn)品用于超聲波傳輸，經(jīng)常被簡(jiǎn)單地稱為超聲波凝膠或超聲波傳輸凝膠。美國(guó)專利6328695；6251076；和6159149在關(guān)于其申請(qǐng)專利的超聲波裝置中談到凝膠作為傳輸介質(zhì)的使用。如果使用高分子量的可溶于水的聚合物及/或較低比例的水，凝膠可形成柔軟的能夠承載中等程度機(jī)械壓力的彈性固體。彈性的獲得是從水分子與聚合物的極性集團(tuán)的氫鍵形成的暫時(shí)的網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)專利5265614和5078149及日本專利59-49750和59-82838描述了使用這種基于聚(乙烯醇)的凝膠。然而，由于這些液體和凝膠易揮發(fā)，它們即使在室溫下也容易蒸發(fā)且需要保存在封閉的環(huán)境中(例如容器、真空)。雖然這些液體和凝膠在短時(shí)間內(nèi)可能具有承載負(fù)荷的彈性特性，它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間暴露于外界環(huán)境時(shí)是不穩(wěn)定的。在溫度升高到如40℃或更高時(shí)，蒸發(fā)速率一直在增大，由此更加縮短了產(chǎn)品的有用時(shí)間。此外，水在0℃結(jié)冰，使這種類(lèi)型的凝膠或液體不適于零下的溫度。因此，水凝膠僅在有限的應(yīng)用中被用作超聲波傳輸介質(zhì)，即當(dāng)該應(yīng)用不需要凝膠持續(xù)超過(guò)一短時(shí)間段。
當(dāng)應(yīng)用需要一種凝膠其能夠使用幾天或更長(zhǎng)時(shí)間，就需要穩(wěn)定的柔軟彈性體型凝膠。彈性體凝膠包括彈性體網(wǎng)絡(luò)，其具有較大比例的稀釋劑，該稀釋劑通常在環(huán)境溫度下是不揮發(fā)的。它們?cè)谳^長(zhǎng)時(shí)間(例如幾個(gè)月到幾年)暴露于周?chē)h(huán)境下時(shí)具有彈性和負(fù)荷承載特性。它們是在較寬的溫度范圍內(nèi)即從零下溫度到70℃是穩(wěn)定的并保持彈性特性。本領(lǐng)域劃分有兩種類(lèi)型的穩(wěn)定柔軟彈性體凝膠熱固性凝膠和熱塑性凝膠。熱固性凝膠由網(wǎng)獲大量低揮發(fā)性液體或稀釋劑的化學(xué)鍵接的三維彈性體網(wǎng)絡(luò)制成。該彈性體網(wǎng)絡(luò)是永久的，不能通過(guò)加熱回到液態(tài)。為了保證凝膠很好地適合皮膚以及在保持負(fù)荷承載特性時(shí)對(duì)超聲波傳輸?shù)臏p弱作用較小，一定量的稀釋劑是必須的。當(dāng)沒(méi)有要求量的稀釋劑時(shí)，凝膠會(huì)類(lèi)似普通橡膠和彈性體其通常具有大于15Shore A(ASTM D2240)的硬度。例如，美國(guó)專利4901729描述了使用過(guò)氧化物交聯(lián)聚丁二烯、硫交聯(lián)聚丁二烯、及硅橡膠作為超聲波傳輸介質(zhì)。熱固性凝膠的例子是硅凝膠和聚氨酯凝膠。
硅凝膠的彈性體網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)硅橡膠形成，硅氧烷的固化典型地是通過(guò)將氫化硅橡膠和乙烯基硅橡膠在有白金催化劑時(shí)反應(yīng)。在反應(yīng)前兩種硅橡膠都被用非反應(yīng)的低揮發(fā)性的硅油稀釋。反應(yīng)可以在110℃-120℃下進(jìn)行30分鐘，或在室溫下進(jìn)行48小時(shí)。硅凝膠也可通過(guò)使用通過(guò)暴露在周?chē)鷿駳舛袒墓柩跬閺椥泽w硅烷封端硅彈性體制成。在反應(yīng)快結(jié)束時(shí)，最后的成分包括約5-45％硅橡膠和95-55％硅油。在美國(guó)專利3020260中例示出典型的硅凝膠組成，該專利在此并為參考。一些市售硅凝膠包括Dow Corning DC3-4150、DC 3-4154及Q3-6575；Sylgard 527；Gelest Gel D200及D300；以及P0652片斷及F0651片斷。其他硅凝膠供應(yīng)商包括美國(guó)的General ElectricSilicones、德國(guó)的Wacker Chemie、日本的Shin-Etsu及其他一些。硅凝膠已被用于如美國(guó)專利4455691描述的填充修復(fù)裝置，及如美國(guó)專利5290826和5245980描述的密封劑。美國(guó)專利5747694和5900554及它們的外國(guó)等價(jià)物，日本專利9043076，描述了在密封壓力傳感器中硅凝膠的使用。美國(guó)專利5457352描述了在超聲波轉(zhuǎn)換器的適應(yīng)層的凝膠相中應(yīng)用硅氧烷彈性體的使用，其中其成分包括較大比例的高密度金屬氧化物用于抑制或阻礙超聲波。
聚氨酯凝膠的彈性體網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)將異氰酸酯封端橡膠或低聚物(例如聚丁二烯、聚異戊二烯、聚四氫呋喃、或二聚酸)與羥基封端橡膠或低聚物(例如聚丁二烯、聚異戊二烯、乙烯-丁烯橡膠、乙烯-丙稀橡膠、蓖麻油等等)反應(yīng)而形成。在反應(yīng)前，每種橡膠或低聚物都被不揮發(fā)的且相容的稀釋劑高度稀釋。稀釋劑包括礦物油、植物油、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、聚丁烯、石蠟油、環(huán)烷油等等。最終的組合物包括約5-45％反應(yīng)橡膠和95-55％的總計(jì)稀釋劑。在美國(guó)專利5083940、4982054和4962286中描述了典型的聚氨酯凝膠，上述專利公開(kāi)了將聚氨酯凝膠作為電子或無(wú)線通訊接線盒中的密封劑的使用。英國(guó)專利2036504教導(dǎo)使用具有15-50的國(guó)際橡膠硬度(IRHD)的聚氨酯橡膠。
熱塑性凝膠通常由具有較大比例的散布稀釋劑的熱塑性彈性體制成。熱塑性彈性體包括嵌段共聚物如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、苯乙烯/乙烯-共聚-丁烯/苯乙烯(例如Kraton公司的Kraton聚合物)其他市售嵌段共聚物包括Septon聚合物，即苯乙烯/乙烯-共聚-丙稀/苯乙烯(例如日本Kuraray制造)。在Kraton和Septon聚合物這兩者中，苯乙烯端嵌段在室溫下形成玻璃態(tài)域。該玻璃態(tài)域作為提供聚合物的彈性體特性的物理交聯(lián)。在加熱超過(guò)苯乙烯的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度即約100℃期間，玻璃態(tài)域融化而聚合物回到液態(tài)。在冷卻期間，再次重新形成玻璃態(tài)。因此，這個(gè)過(guò)程是可逆的，而不像在熱固性凝膠中那樣。其他嵌段共聚物，例如包含晶狀聚乙烯端嵌段的乙烯(乙烯-共聚-丁烯)乙烯共聚物也可用于準(zhǔn)備熱塑性凝膠。晶狀端嵌段形成微晶其作為物理交聯(lián)給出彈性體特性，而不是象在苯乙烯基的嵌段共聚物中的玻璃態(tài)域。在加熱期間，微晶融化并回到液態(tài)。在冷卻時(shí)，微晶再次重新形成。相似的，該過(guò)程是可逆的。
為了形成具有熱塑性彈性體的凝膠，要一起使用大量的低揮發(fā)性稀釋劑(例如典型的65-95％稀釋劑)與5-35％嵌段共聚物。嵌段共聚物可以是總分子量30000到300000的苯乙烯/乙烯-共聚-丁烯/苯乙烯嵌段共聚物。每個(gè)苯乙烯嵌段的分子量可以在從4000到35000的范圍，乙烯-共聚-丁烯的分子量可以在從22000到230000的范圍。玻璃態(tài)聚乙烯嵌段的重量百分比典型地是20-40％，其中剩下的60-80％包括中心乙烯-共聚-丁烯彈性體嵌段。合適的稀釋劑包括礦物油、石蠟油、環(huán)烷油、聚(異)丁烯等等，只要它們與嵌段共聚物的橡膠中心部分相容。在美國(guó)專利4369284和4618213中描述了基于嵌段共聚物的凝膠成分的例子，上述專利在此并為參考。美國(guó)專利4618213描述了凝膠作為玩具或作為減少噪音的隔音裝置的使用。美國(guó)專利5994446；5925707；和5710206描述了熱塑性凝膠用于密封應(yīng)用。美國(guó)專利6406499；5985383；5925707；5830237；及5766704描述了使用熱塑性凝膠用于襯墊或鞋底的應(yīng)用。美國(guó)專利6066329和5879694教導(dǎo)了使用熱塑性凝膠制造透明蠟燭。美國(guó)專利5830136教導(dǎo)了在光學(xué)傳感器中使用熱塑性凝膠。所有專利和出版物在此并為參考。
熱塑性和熱固性凝膠兩者都可以用在本發(fā)明中。此處使用的凝膠通常被下列特性所限定i)硬度根據(jù)ASTM D15針穿刺約5到300(1/10毫米)，優(yōu)選為從約25到約150，最好從約30到約50；ii)強(qiáng)度根據(jù)ASTM D412抗拉強(qiáng)度從約5到約500psi(磅每平方英寸)，優(yōu)選為從約10到約300psi，最好從約50到約200psi；及iii)延展性根據(jù)ASTM D412延展性從約50％到約800％，優(yōu)選從約200％到約700％，最好從約300％到約500％。
iv)穩(wěn)定性凝膠在壓力和溫度周期后是穩(wěn)定的(沒(méi)有油流出)。
凝膠具有對(duì)超聲波換能器的塑料殼體的好的粘附性。塑料殼體可包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、尼龍等等。優(yōu)選的，凝膠粘結(jié)到殼體上而形成一個(gè)整體部件。然而，本發(fā)明也包括可選擇的方式以將凝膠附接在超聲波換能器上。
在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，熱塑性凝膠被過(guò)模制在即直接模制在換能器(包括壓電聲音激勵(lì)器和傳感器)的塑料殼體上，其中使用特定的模制成型技術(shù)。這種技術(shù)在塑料工業(yè)中為眾所周知。例如裝超聲波換能器的塑料可以被插入到模具中，其中熱塑性凝膠被加熱到融化狀態(tài)并使用注射模塑機(jī)注射到模具中。監(jiān)控凝膠注入的時(shí)間和溫度以防止損壞換能器本身。在其融化狀態(tài)，凝膠易于流動(dòng)并最終粘附在超聲波換能器的殼體上(即沒(méi)有在塑料和凝膠之間的界面上使用另外的粘合劑)。然而，為了保證持久的粘結(jié)，優(yōu)選為在將凝膠模制在上面之前在塑料殼體的表面上使用底漆或粘合劑。一種這樣的合適的粘合劑是熱塑性凝膠其具有比通過(guò)注射而模制的凝膠更低的油含量。幾種這樣的低油含量熱塑性凝膠是市售的，例如GLS公司供應(yīng)的Versaflex OM 6000和Teknor公司供應(yīng)的Monprene。額外的底漆或粘合劑層作為在換能器的塑料殼體和聲音傳輸凝膠之間的結(jié)合層。在使用薄層的底漆或粘合劑之前通常要清潔塑料殼體的表面(例如用溶劑移除脫模劑、油脂、油和灰塵)。具有較低油含量，結(jié)合層在表面上具有更高的聚合物濃度，因而，它可與塑料表面形成強(qiáng)的粘結(jié)。由于結(jié)合層也包含和聲音傳輸凝膠相似的化學(xué)組成，它在界面上與凝膠具有良好的相容性?？蛇x的，結(jié)合層可以包含另外的成分其進(jìn)一步改善對(duì)塑料殼體的粘附，例如粘附促進(jìn)劑、兼容劑、結(jié)合劑等等。
在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中，使用注射模塑過(guò)模制結(jié)合層。優(yōu)選為兩階段插入模塑過(guò)程，其中首先成型結(jié)合層其次成型聲音傳輸凝膠。該方法特別優(yōu)選用于其中加工大量產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。在一可選實(shí)施例中，粘合劑在合適的溶劑中預(yù)溶解以減小其粘性這樣它可以作為底漆使用在塑料殼體上。在此技術(shù)中，允許溶劑在對(duì)聲音熱塑性傳輸凝膠進(jìn)行過(guò)模制前蒸發(fā)。如果生產(chǎn)量低的話，這會(huì)特別有用。在又一可選實(shí)施例中，可以將熱塑性凝膠澆鑄在包覆換能器表面塑料殼體的結(jié)合層上，而不是注射模塑。在此技術(shù)中熱塑性凝膠被加熱到超過(guò)150℃，優(yōu)選超過(guò)160℃，最好超過(guò)170℃，然后灌注到換能器(其插入在模具中)塑料殼體上。在這些溫度下熱塑性凝膠是液體而可以相對(duì)容易地被灌注。加熱的溫度通常保持在180℃以下以防止過(guò)多煙霧產(chǎn)生。在熱塑性凝膠中作為稀釋劑使用的礦物油的燃點(diǎn)是約220℃。
在本發(fā)明中也可以使用市售粘合劑(例如，如加州90745號(hào)Carson的ECLECTIC PRODUCTS公司制造的EC6000粘合劑)?？梢允褂檬惺壅澈蟿⒙曇魝鬏斈z粘結(jié)到塑料殼體上(例如在對(duì)聲音傳輸熱塑性凝膠過(guò)模制前可以將EC6000粘合劑以薄層刷在塑料殼體的表面上)。
在本發(fā)明另一實(shí)施例中，熱塑性凝膠直接模制在換能器表面，即壓電聲音激勵(lì)器和傳感器而不是在包含換能器的塑料殼體上。要小心地監(jiān)控?zé)崴苄阅z的注射或澆鑄溫度以防止由于高溫?fù)p壞壓電激勵(lì)器和傳感器。如果使用粘合劑或底漆，在過(guò)模制前將其直接應(yīng)用在壓電部件的表面上。
在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中，熱固性凝膠，例如硅氧烷或聚氨酯被澆鑄在超聲波換能器上。凝膠可以被直接澆鑄在換能器裝置本身上或在塑料殼體上。通過(guò)商業(yè)供應(yīng)商也可以得到熱固性凝膠，其通常以兩部分液體形式供應(yīng)(即然后根據(jù)制造商的指示以預(yù)定比例混合凝膠)。熱固性凝膠混合物澆鑄到在澆鑄前事先放置在模具中的換能器周?chē)ｈT件留在模具中并被加熱到想要的溫度以完成凝膠的固化。硅凝膠可以在周?chē)鷾囟燃s32℃下放48小時(shí)而固化，或在120℃下1小時(shí)而固化。對(duì)于聚氨酯凝膠，初始固化溫度是周?chē)鷾囟燃s23℃下1小時(shí)，接著是100℃下16小時(shí)的二次固化。當(dāng)在本發(fā)明中使用熱固性凝膠，也可以使用粘合劑或底漆以保證在界面處的良好的粘結(jié)。對(duì)于硅凝膠，可以使用RTV硅氧烷粘合劑或底漆。對(duì)于聚氨酯凝膠，優(yōu)選為聚氨酯基粘合劑。在一可選實(shí)施例中，通過(guò)液體注射模塑將熱固性凝膠應(yīng)用在換能器上。兩個(gè)凝膠部分儲(chǔ)存在分離的池中，然后根據(jù)希望的預(yù)定比例將它們抽到內(nèi)嵌的靜態(tài)攪拌器中。然后該混合物被射入模具中以包覆換能器。
d)低頻操作根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用聲納技術(shù)監(jiān)控血液流動(dòng)的原理的應(yīng)用提供了保留接收信號(hào)的全頻信息的優(yōu)點(diǎn)。這一點(diǎn)通過(guò)將從移動(dòng)目標(biāo)(如流動(dòng)的血液)接收的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥绽疹l率位移取得。
特定的，第一壓電裝置在給定頻率產(chǎn)生操作(載波)超聲波信號(hào)。在對(duì)象內(nèi)的移動(dòng)物質(zhì)的速度，以類(lèi)似于在FM無(wú)線電廣播中使用的常規(guī)調(diào)頻技術(shù)的方式，調(diào)制該載波頻率。多普勒位移的頻率與對(duì)象內(nèi)的移動(dòng)物質(zhì)的速度成正比。
第二壓電裝置拾取該調(diào)頻信號(hào)。然后多普勒位移頻率被轉(zhuǎn)變?yōu)樵夹盘?hào)。
使用多普勒效應(yīng)作為將相關(guān)信號(hào)(例如血液流動(dòng)脈沖)無(wú)侵入地及真實(shí)地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的手段。接收的特定多普勒頻率不具有接收的相關(guān)信號(hào)的特定頻率的信息。多普勒頻率僅作為將血液的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的媒介，從其中可以計(jì)算心率及其他生命信息。
在理論上，血液流動(dòng)信號(hào)獨(dú)立于多普勒頻率及操作/載波頻率應(yīng)使所有的工作頻率均適于使用在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中。然而，實(shí)際上，在選擇操作/載波頻率時(shí)必須考慮許多重要的因素。
特定的因素偏向于使用較高的操作/載波頻率。例如，手腕提供一個(gè)相對(duì)可接近及便利的用于放置監(jiān)控裝置的位置。在手腕上的橈動(dòng)脈的較淺的焦深要求使用適于檢測(cè)這樣的淺焦深的高頻超聲波能量。
裝置的尺寸和重量也偏向于使用高的操作/載波頻率。一般的，機(jī)電振蕩器的越小，其發(fā)出的頻率越高。對(duì)于想要在活躍的體育鍛煉期間戴在手腕上的裝置，換能器的尺寸及因此其可能的輸出頻率的范圍被限制了。
盡管如此，有其他因素偏向于使用低的操作/載波頻率。
例如，在高頻下操作的機(jī)電換能器比起在低頻操作的換能器來(lái)說(shuō)易于更快地震動(dòng)并消耗更多能量。對(duì)于想要戴在手腕上的血液流動(dòng)監(jiān)控器，可得到的由小電池供應(yīng)的能量是有限的，而暗示需要換能器在低頻下工作。在系統(tǒng)中的AM或FM放大器及解調(diào)電路也在低的工作頻率下消耗較少的能量。原則上，能量消耗與工作頻率成線性正比。
給出至少上述對(duì)能量消耗的考慮，并不管使用上述低載波/工作頻率對(duì)血液脈動(dòng)檢測(cè)的缺點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例，使用具有頻率為2MHz或更低的超聲波能量來(lái)檢測(cè)血液流動(dòng)是有價(jià)值的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有許多設(shè)計(jì)因素便于使用應(yīng)用的2MHz或更低操作/載波頻率對(duì)橈動(dòng)脈的心率監(jiān)控。參考圖5A-C下面示出并描述了這些設(shè)計(jì)因素。
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明用于心率監(jiān)控的裝置的實(shí)施例的簡(jiǎn)化的示意圖。壓電換能器520a和520b在換能器模塊530內(nèi)，間隔距離d。壓電換能器520a在操作/載波頻率上發(fā)出超聲波信號(hào)550，到血管552的焦點(diǎn)F，其中血液在所示方向上流經(jīng)血管552。血管552定位為離換能器520a-b一焦深D。
當(dāng)血液在所示方向上流經(jīng)血管552，在血管壁和在流動(dòng)的血液本身的移動(dòng)部分上的變化，產(chǎn)生在多普勒頻率中的位移。
血管的運(yùn)動(dòng)方向是在血液流動(dòng)方向的橫向上。血管壁的橫向運(yùn)動(dòng)的量被其硬度限制。此外，產(chǎn)生的聲音信號(hào)也被周?chē)M織阻礙，這樣損害了這種形式的聲音信號(hào)的振幅和高頻信息。
相反，被血壓脈沖推動(dòng)而經(jīng)過(guò)血管的血液部分，移動(dòng)較為自由。當(dāng)血細(xì)胞在此施加的壓力下自由移動(dòng)經(jīng)過(guò)血管時(shí)，一些會(huì)比其他的運(yùn)動(dòng)得更快。這些更快移動(dòng)的細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生更高的多普勒頻率。
這些更高的多普勒頻率又被解調(diào)為更高的電壓信號(hào)。因此，解調(diào)的信號(hào)具有更大的幅度。由于更快的血液細(xì)胞具有高的遷移率，表示它們的解調(diào)電壓信號(hào)也有較高的頻率。由于這些高頻率信號(hào)有更高的振幅，在濾除低頻噪音信號(hào)后它們有很大的幾率被保留下來(lái)。
因?yàn)檠翰糠至鹘?jīng)血管的高頻組分，可以通過(guò)單級(jí)或多級(jí)模擬及/或數(shù)字形式高通濾波器濾除由肌肉運(yùn)動(dòng)引起的即使振幅較大的低頻(＜10Hz)信號(hào)。因而可以從保留的血液流動(dòng)信號(hào)的高頻信息中有效地獲得心率信息。
為了強(qiáng)調(diào)包含重要的血液流動(dòng)信息的高頻多普勒位移，圖5A示出以相對(duì)血液流動(dòng)方向取向?yàn)橐唤嵌鹊膿Q能器520a和520b。特定的，發(fā)出的超聲波能量信號(hào)550以角度θ1入射到血管552，并且多普勒位移超聲波能量信號(hào)554被血管552以角度θ2反射。換能器相對(duì)于在血管內(nèi)的血液移動(dòng)方向的取向角度可以被表示為偏角(1)偏角＝1/2(θ2+θ1)在相對(duì)于血液流動(dòng)方向小于90°的偏角定位圖5B-C中的兩個(gè)壓電元件，根據(jù)下面的方程增大在收到的信號(hào)中的多普勒位移(2)Fd＝2FdV*cosθ/C，其中Fd＝多普勒頻率；V＝流動(dòng)速率；θ＝能量相對(duì)于流動(dòng)方向的入射角和反射角(θ2＝θ1)；及C＝聲音在組織中的速度。
由方程(2)，根據(jù)入射超聲波能量在移動(dòng)的同一方向上具有的分量(由余弦表示)，利用偏角系數(shù)提高接收到的超聲波信號(hào)的多普勒位移。所述被提高的多普勒位移增大了在FM檢波器(或頻率-電壓變換器)的輸出的信噪比。
另一個(gè)可以利用以最優(yōu)化血液流動(dòng)的聲納檢測(cè)的設(shè)計(jì)因素是在模塊內(nèi)的換能器相互的相對(duì)取向。圖5A-C也示出以一頂角相互傾斜的換能器520a和520b(3)頂角＝1/2(θ2-θ1)頂角和換能器之間的距離(d)決定了焦深(D)。頂角越大，焦深越淺。
如上所述，可以利用偏角設(shè)計(jì)因素來(lái)提高解調(diào)器輸出的信號(hào)的強(qiáng)度。對(duì)比而言，可以利用頂角設(shè)計(jì)因素更好地聚焦施加的超聲波能量到淺的橈動(dòng)脈上，尤其是低工作頻率施加的超聲波能量。
圖5B示出本發(fā)明另一實(shí)施例的簡(jiǎn)化的示意圖，其中換能器560a向在很深焦深D’處定位的血管564發(fā)射超聲波能量562，該換能器以很小的頂角傾斜，其相對(duì)于也位于換能器模塊568中的第二換能器560b的距離為(d’)。
使用較大頂角可允許超聲波能量被聚焦到淺的焦深，例如橈動(dòng)脈表現(xiàn)出的。在圖5C中示出這樣一個(gè)實(shí)施例，其中檢測(cè)定位在較淺焦深處的橈動(dòng)脈572的換能器570a和570b以較大的頂角取向并間隔較短的距離d”。
基于上面所述，要決定用于在橈動(dòng)脈處監(jiān)控心率的聲納技術(shù)的效能，利用頻率、偏角、頂角及換能器間隔的每個(gè)適當(dāng)?shù)慕M合都是重要的。由于橈動(dòng)脈及因此焦深(D)典型地在3-10毫米之間，頂角可在從約0-60°的范圍內(nèi)，優(yōu)選在從約5-45°。在這些條件下，發(fā)射和接收換能器之間的間隔在從約0.5-20毫米之間，優(yōu)選為在約1-10毫米之間。
由于凝膠墊在換能器和流動(dòng)血液之間的位置、它的形狀和厚度可以提供另外的設(shè)計(jì)參數(shù)以允許根據(jù)本發(fā)明的裝置能柔性確定偏角。圖6A-C描述了針對(duì)給定偏角和焦深設(shè)計(jì)的凝膠墊50的許多中可能的不同形狀。
圖6A示出形成為長(zhǎng)方形形狀的凝膠墊50。圖6B示出形成為楔形形狀的凝膠墊50，圖6C示出形成為梯形形狀的凝膠墊50。這些凝膠墊外形的尺寸基于想要的偏角和要檢測(cè)其移動(dòng)的對(duì)象的深度。
在上面說(shuō)明書(shū)中引用的所有文獻(xiàn)在此并為參考。對(duì)那些本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可以不偏離本發(fā)明的范圍和精神對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變化。雖然已經(jīng)連同特定的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)理解到如要求保護(hù)的本發(fā)明不應(yīng)被不恰當(dāng)?shù)叵拗圃谶@些特定實(shí)施例中。而是，顯然對(duì)那些本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)所述用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的模式的各種變更意在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量在有生命對(duì)象中的脈搏速率值的超聲波監(jiān)控器，包括a)至少一個(gè)超聲波能量源；b)凝膠墊，其包括聚合物和占重量百分比50％到95％的超聲波傳導(dǎo)稀釋劑，其中所述聚合物特征為具有i)硬度根據(jù)ASTM D15針穿刺約5到300(1/10毫米)；ii)根據(jù)ASTM D412抗張強(qiáng)度從約5到約500psi；及iii)根據(jù)ASTM D412延展性從約50％到約800％；其中所述凝膠墊定位為直接在能量源和有生命對(duì)象之間；c)超聲波能量檢測(cè)器；及d)用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的相關(guān)硬件和軟件。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述聚合物特征為具有i)針穿刺約25到150；ii)抗張強(qiáng)度從約10到約300psi；及iii)延展性從約200％到約700％。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述聚合物特征為具有i)針穿刺約30到50；ii)抗張強(qiáng)度從約50到約200psi；及iii)延展性從約300％到約500％。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述監(jiān)控器是帶有表帶的手表的形式。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述聚合物從由丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚氨酯和硅氧烷構(gòu)成的組中選擇。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述超聲波傳導(dǎo)稀釋劑從由鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、礦物油、環(huán)烷油、石蠟油、聚(異)丁烯、硅氧烷流體和植物油構(gòu)成的組中選擇。
7.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中能量源和檢測(cè)器設(shè)置在一模塊內(nèi)，通過(guò)無(wú)線傳輸與處理和顯示硬件進(jìn)行通信。
8.如權(quán)利要求7所述的超聲波監(jiān)控器，是手表的形式。
9.如權(quán)利要求7所述的超聲波監(jiān)控器，其中處理和顯示硬件裝在一單獨(dú)的模塊內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的超聲波監(jiān)控器，其中該單獨(dú)的模塊是手表的形式。
11.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中其中能量源和檢測(cè)器設(shè)置在一模塊內(nèi)，并硬件連接到處理和顯示硬件。
12.如權(quán)利要求11所述的超聲波監(jiān)控器，是手表的形式。
13.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中模塊被集成在頭帶內(nèi)或被頭帶保持在適當(dāng)位置。
14.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述超聲波能量源包括第一和第二壓電晶體，其中該晶體定位為相互成一角度，所述角度基于所述能量源到該脈動(dòng)的有生命對(duì)象的距離。
15.如權(quán)利要求14所述的超聲波監(jiān)控器，其中通過(guò)初始超聲波頻率信號(hào)激發(fā)所述第一壓電晶體，其中初始超聲波頻率信號(hào)被有生命對(duì)象反射并被第二壓電晶體接收，其中接收的超聲波頻率信號(hào)依賴于流體流動(dòng)的方向和速度，或者高于或者低于初始超聲波頻率信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15所述的超聲波監(jiān)控器，其中初始超聲波信號(hào)的頻率是2MHz或更低。
17.如權(quán)利要求15所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體設(shè)置在靠近對(duì)象的橈動(dòng)脈的手表中。
18.如權(quán)利要求15所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體設(shè)置在靠近對(duì)象的尺動(dòng)脈的手表中。
19.如權(quán)利要求16所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體以互相相對(duì)的從約0到60°之間的頂角傾斜。
20.如權(quán)利要求16所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體以相對(duì)互相的從約5到45°之間的頂角傾斜。
21.如權(quán)利要求15所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體設(shè)置在一模塊內(nèi)并以在約0.5到20毫米之間的距離相間隔。
22.如權(quán)利要求21所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體間隔的距離在從約1.0到10毫米之間。
23.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中超聲波能量源和檢測(cè)器設(shè)置在一相對(duì)該對(duì)象傾斜的模塊內(nèi)。
24.如權(quán)利要求23所述的超聲波監(jiān)控器，其中該模塊的傾斜來(lái)自于凝膠墊的尖角形狀。
25.如權(quán)利要求24所述的超聲波監(jiān)控器，其中凝膠墊的橫界面形狀是三角形和梯形其中之一。
26.如權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)控器，其中相關(guān)硬件包括一解調(diào)器，其構(gòu)建為將反射的超聲波能量的多普勒位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸?br> 27.如權(quán)利要求26所述的超聲波監(jiān)控器，其中該解調(diào)器包括FM解調(diào)器。
28.如權(quán)利要求26所述的超聲波監(jiān)控器，其中該解調(diào)器包括AM解調(diào)器。
29.一種用于檢測(cè)有生命對(duì)象的脈搏速率的方法，該方法包括提供一個(gè)超聲波監(jiān)控器包括a)至少一個(gè)超聲波能量源；b)凝膠墊，其包括聚合物和占重量百分比50％到95％的超聲波傳導(dǎo)稀釋劑，其中所述聚合物特征為具有i)硬度根據(jù)ASTM D15針穿刺約5到300(1/10毫米)；ii)根據(jù)ASTM D412抗張強(qiáng)度從約5到約500psi；及iii)根據(jù)ASTM D412延展性從約50％到約800％；其中所述凝膠墊定位為直接在能量源和有生命對(duì)象之間；c)超聲波能量檢測(cè)器，及d)用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的相關(guān)硬件和軟件；及使所述監(jiān)控器在要測(cè)量脈搏的點(diǎn)接觸該對(duì)象。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中該有生命對(duì)象是人。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中監(jiān)控器在橈動(dòng)脈或尺動(dòng)脈處接觸該對(duì)象。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述脈搏速率從由心率值、血液流動(dòng)速率值、胎兒心率值，及胎兒血液流動(dòng)速率值構(gòu)成的組中選擇。
33.如權(quán)利要求29所述的方法，還包括在一模塊內(nèi)提供超聲波能量源和檢測(cè)器，其以在從約0.5到20毫米之間的距離相間隔，并相對(duì)互相以在從約0到60°之間的頂角傾斜。
34.如權(quán)利要求29所述的方法，使模塊相對(duì)該對(duì)象傾斜。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中該模塊通過(guò)設(shè)置在尖角形凝膠墊上而傾斜。
36.一種用于測(cè)量在有生命對(duì)象中的脈搏速率值的超聲波監(jiān)控器，包括a)設(shè)置在一模塊內(nèi)的至少一個(gè)超聲波能量源，其超聲波能量的工作頻率為2MHz或更低；b)設(shè)置在該模塊內(nèi)以一頂角相對(duì)該源的超聲波檢測(cè)器；及c)用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的相關(guān)硬件和軟件。
37.如權(quán)利要求36所述的超聲波監(jiān)控器，其中所述超聲波能量源包括一第一壓電晶體；所述檢測(cè)器包括一第二壓電晶體；及基于所述能量源到該有生命對(duì)象之間的距離確定所述頂角。
38.如權(quán)利要求37所述的超聲波監(jiān)控器，其中通過(guò)初始超聲波頻率信號(hào)激發(fā)所述第一壓電晶體，其中初始超聲波頻率信號(hào)被有生命對(duì)象反射并被第二壓電晶體接收，其中接收的超聲波頻率信號(hào)依賴于流體流動(dòng)的方向和速度，或者高于或者低于初始超聲波頻率信號(hào)。
39.如權(quán)利要求37所述的超聲波監(jiān)控器，其中該第一和第二壓電晶體設(shè)置在一個(gè)靠近對(duì)象的橈動(dòng)脈和尺動(dòng)脈其中之一的手表內(nèi)。
40.如權(quán)利要求37所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體以互相相對(duì)的在從約0到60°之間的頂角傾斜。
41.如權(quán)利要求40所述的超聲波監(jiān)控器，其中第一和第二壓電晶體以互相相對(duì)的在從約5到45°之間的頂角傾斜。
42.如權(quán)利要求37所述的超聲波監(jiān)控器，其中該第一和第二壓電晶體設(shè)置在一個(gè)模塊內(nèi)，并以在從約0.5到20毫米之間的距離相間隔。
43.如權(quán)利要求42所述的超聲波監(jiān)控器，其中該第一和第二壓電晶體以在從約1.0到10毫米之間的距離相間隔。
44.一種用于檢測(cè)有生命對(duì)象的脈搏速率的方法，該方法包括提供一個(gè)超聲波監(jiān)控器包括a)至少一個(gè)超聲波能量源，其超聲波能量的工作頻率為2MHz或更低；b)一超聲波檢測(cè)器；及c)用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的相關(guān)硬件和軟件；及使所述監(jiān)控器在要測(cè)量脈搏的點(diǎn)接觸該對(duì)象。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中該有生命對(duì)象是人。
46.如權(quán)利要求44所述的方法，其中監(jiān)控器在橈動(dòng)脈或尺動(dòng)脈處接觸該對(duì)象。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述脈搏速率從由心率值、血液流動(dòng)速率值、胎兒心率值，及胎兒血液流動(dòng)速率值構(gòu)成的組中選擇。
48.如權(quán)利要求44所述的方法，還包括在一模塊內(nèi)提供超聲波能量源和檢測(cè)器，其以從約0.5到20毫米之間的距離相間隔，并相對(duì)互相以在從約0到60°之間的頂角傾斜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于測(cè)量在有生命對(duì)象中的脈搏速率值的超聲波監(jiān)控器，包括具有至少一個(gè)超聲波能量源的模塊，凝膠墊(50)，其包括聚合物和占重量百分比50％到95％的超聲波傳導(dǎo)稀釋劑，其中凝膠墊(50)定位為直接接觸在能量源和有生命對(duì)象之間；超聲波能量檢測(cè)器(560a、560b、或570a、570b)；及用于檢測(cè)、計(jì)算和顯示測(cè)得的速率值的讀出的相關(guān)硬件和軟件。
文檔編號(hào)A61B8/02GK1816306SQ200480007089
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者羅應(yīng)金, 托倫蒂諾·埃斯科西奧, 張榮宗 申請(qǐng)人:薩魯特倫股份有限公司