專利名稱：電極的主動(dòng)放電的制作方法
電極的主動(dòng)放電
本公開涉及一種電容傳感器以及將其用在測量源于受檢對象的生物醫(yī)學(xué)信號的方法，例如測量人的心電圖、腦電圖或肌電圖。傳感器包括用于釋放傳感器電極上積累的電荷的監(jiān)測和調(diào)節(jié)電路，放電可能導(dǎo)致測量值誤差。
測量生物醫(yī)學(xué)信號是重要的，但對于患者而言并非始終是舒適的。為了以不引人注目的方式測量生物醫(yī)學(xué)信號，電容式測量方法是一種有潛力的候選方法。
不直接接觸皮膚的電容式傳感器為用戶提供了更大的自由度，實(shí)現(xiàn)患者更舒適和不引人注目的測量和或監(jiān)測。
可以采用這種電容式傳感器測量例如患者的心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)或肌電圖(EMG)。
使用電容傳感器也造成如下問題，即電荷累積在耦合到高阻抗/電阻電路的感測電極上。本發(fā)明公開描述了一種方法，以主動(dòng)對電極放電，并在發(fā)生放電時(shí)向系統(tǒng)其余部分提供數(shù)據(jù)無效信號，以避免信號處理中的誤差。
當(dāng)前測量生物醫(yī)學(xué)信號的方法涉及到使用必需要接觸皮膚的電極。使用這種測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是獲得的測量值質(zhì)量較高。
在近來的文獻(xiàn)中，已經(jīng)報(bào)道過生物醫(yī)學(xué)信號的不接觸(無電流接觸)
盡管無接觸測量提供不了接觸測量的穩(wěn)定性和精確度，但這種測量的可能性很大。
已經(jīng)提出了多種系統(tǒng)和方法來測量源于對象的電荷，例如2002年3月5日授權(quán)的美國專利6353324、 2001年10月9日授權(quán)的6300616、以及2004年10月19日授權(quán)的6807438;以及2006年3月16日公開的美國專利申請No.2006/0058694。
不過，這些系統(tǒng)和方法仍然存在問題，尤其是在將感測電極用于測量源于對象的生物醫(yī)學(xué)電荷而不接觸對象時(shí)。本文披露的系統(tǒng)和方法克服了這種問題。
本公開涉及一種用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷的電容傳感器，包括具有電極的輸入電路元件，該電極用于感測電荷以提供作為被測電荷函數(shù)的輸出信號，其中，該電極不與對象接觸；連接到輸入電路
元件的放大電路元件；處理電路元件，用于接收和處理所述放大的輸出信號并提供所述測量值；以及至少耦合到所述輸入電路元件的調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件包括監(jiān)測電路元件和調(diào)節(jié)電路元件；其中，所述監(jiān)測電路元件用于監(jiān)測所述放大的輸出信號以檢測由于所述電極上的電荷累積導(dǎo)致的大于預(yù)設(shè)值的測量值誤差；且其中，所述調(diào)節(jié)電路元件用于在所述監(jiān)測電路元件檢測到測量值誤差時(shí)被啟動(dòng)以對所述電極放電，且所述調(diào)節(jié)電路元件在不再檢測到測量值誤差時(shí)被停用。
具體而言，目的是提供一種用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷的電容傳感器，包括
輸入電路元件，用于感測所述電荷以提供作為被測電荷函數(shù)的輸出信號，其中，所述輸入電路元件包括用于感測源于對象的電荷的電極以及電連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒有電接觸；
放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件并用于放大所述輸出信號以提供測量值；
處理電路元件，用于接收和處理所述放大的輸出信號并提供所述測量值；以及
調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，至少耦合到所述輸入電路元件的所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，包括監(jiān)測電路元件和調(diào)節(jié)電路元件；其中，所述監(jiān)測電路元件用于監(jiān)測所述放大的輸出信號以檢測由于所述電極上的電荷累積導(dǎo)致的大于預(yù)設(shè)值的測量值誤差；且其中，所述調(diào)節(jié)電路元件用于在所述監(jiān)測電路元件檢測到測量值誤差時(shí)被啟動(dòng)以對所述電極放電，且所述調(diào)節(jié)電路元件在不再檢測到測量值誤差時(shí)被停用。
另一個(gè)目的是提供一種傳感器，其中，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件還包括用于指示何時(shí)由于誤差導(dǎo)致測量值無效的顯示指示器。另一個(gè)目的是提供一種傳感器，其中，所述調(diào)節(jié)電路元件還包括連接 到開關(guān)的第二電阻元件，所述開關(guān)連接到地電勢并通過配置使得在處于閉 合位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元件被啟動(dòng)，在處于打開位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路
元件不被啟動(dòng)；其中，所述第二電阻元件的電阻遠(yuǎn)小于所述第一電阻元件
的電阻。
另一個(gè)目的是提供一種傳感器，其中，所述開關(guān)是電氣開關(guān)、繼電器 開關(guān)或半導(dǎo)體開關(guān)。
另一個(gè)目的是提供一種傳感器，其中，所述第二電阻元件和所述閉合
位置的開關(guān)的電阻約為0。
另一個(gè)目的是提供一種傳感器，其中，所述第二電阻元件和所述打開 位置的開關(guān)的電阻大于所述第一 電阻元件的電阻。
另一個(gè)目的是提供一種用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷的
方法，包括
將電容傳感器放置得緊密接近但不接觸受檢對象的表面； 使用所述電容傳感器測量所述生物醫(yī)學(xué)電荷；以及 向接收和觀察單元發(fā)送測量值以觀察測量值； 其中，所述電容傳感器包括
輸入電路元件，用于感測所述電荷以提供作為被測電荷函數(shù)的輸出信 號，其中，所述輸入電路元件包括用于感測源于對象的電荷的電極以及電 連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒有電接觸；
放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件并用于放 大所述輸出信號以提供測量值；
處理電路元件，用于接收和處理所述放大的輸出信號并提供所述測量 值；以及
至少耦合到所述輸入電路元件的調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，所述調(diào)節(jié)和監(jiān) 測電路元件包括監(jiān)測電路元件和調(diào)節(jié)電路元件；其中，所述監(jiān)測電路元件 用于監(jiān)測所述放大的輸出信號以檢測由于所述電極上的電荷累積導(dǎo)致的大 于預(yù)設(shè)值的測量值誤差；且其中，所述調(diào)節(jié)電路元件用于在所述監(jiān)測電路 元件檢測到測量值誤差時(shí)被啟動(dòng)以對所述電極放電，且所述調(diào)節(jié)電路元件 在不再檢測到測量值誤差時(shí)被停用。另一個(gè)目的是提供一種方法，其中，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件還包括 用于指示何時(shí)由于誤差導(dǎo)致測量值無效的顯示指示器。
另一個(gè)目的是提供一種方法，其中，所述調(diào)節(jié)電路元件還包括連接到 開關(guān)的第二電阻元件，所述開關(guān)連接到地電勢并通過配置使得在處于閉合 位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元件被啟動(dòng)，在處于打開位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元
件不被啟動(dòng)；其中，所述第二電阻元件的電阻遠(yuǎn)小于所述第一電阻元件的 電阻。
另一個(gè)目的是提供一種方法，其中，所述開關(guān)是電氣開關(guān)、繼電器開 關(guān)或半導(dǎo)體開關(guān)。
另一個(gè)目的是提供一種方法，其中，所述第二電阻元件和所述閉合位 置的開關(guān)的電阻約為0。
另一個(gè)目的是提供一種方法，其中，所述第二電阻元件和所述打開位 置的開關(guān)的電阻大于所述第一電阻元件的電阻。
另一個(gè)目的是提供一種方法，包括測量人的心電圖、腦電圖或肌電圖。
將參考以下實(shí)施例并參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的這些和其他方面。


圖1是示出了基本電容性探針的概念圖示； 圖2圖解示出了放大器作為輸入電阻R函數(shù)的輸出噪聲； 圖3從概念上繪示了根據(jù)本發(fā)明的具有主動(dòng)電極放電功能的電容傳感 器實(shí)施例；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)/監(jiān)測方案的范例。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基本電容性探針，例如可以將其用于無接 觸地感測心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)和肌電圖(EMG)。
圖1中所示的電極不必與皮膚有電流接觸測量例如ECG、EEG或EMG。
由于測量的生物醫(yī)學(xué)信號非常小，因此無接觸測量系統(tǒng)的輸入阻抗必 需盡可能大。于是，圖1中所示的R的值必需要大。
在文獻(xiàn)[2]中，還示出了具有大輸入電阻將導(dǎo)致放大 輸出更低的噪聲 水平。圖2中示出了輸入電阻R和放大器輸出噪聲之間的關(guān)系。因此，對于無接觸生物醫(yī)學(xué)感測系統(tǒng)而言，具有大輸入阻抗/電阻至少 有兩個(gè)原因
對(人)身體產(chǎn)生的少量電荷具有高靈敏度； 降低了這種感測系統(tǒng)的初始放大器狀態(tài)的輸出噪聲。
在[l]中描述了增大無接觸生物醫(yī)學(xué)信號感測系統(tǒng)輸入阻抗/電阻的技術(shù)。
由于這種感測系統(tǒng)具有大的輸入阻抗/電阻，因此系統(tǒng)對干擾將非常敏 感。此外，無接觸感測系統(tǒng)的電極可能變得帶電。
該電極的電荷將能夠在放大器的輸出信號中檢測到。由于這種感測系 統(tǒng)的輸入阻抗/電阻非常高，電荷不能經(jīng)由輸入阻抗/電阻迅速釋放，將導(dǎo)致 很長時(shí)間內(nèi)不能使用感測系統(tǒng)。
本發(fā)明公開提出為基本電容性探針使用附件，以在電極上積累的電荷 千擾測量過程時(shí)主動(dòng)對電極放電。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷 的電容傳感器的實(shí)施例。在該圖中，為了方便起見未示出圖1中所示的高
輸入阻抗/電阻R (換言之，第一電阻元件)。
通過調(diào)節(jié)/監(jiān)測電路實(shí)現(xiàn)電極的主動(dòng)放電。該電路監(jiān)測放大器的輸出。
如果檢測到電極上累積了干擾測量(進(jìn)一步處理)的電荷，經(jīng)由電阻器R1
(換言之，第二電阻元件)將電極連接到固定電勢(在本實(shí)施例中為電路 地)。在本發(fā)明的范圍之中希望術(shù)語"電阻元件"或"電阻器"還能夠指像具有 電阻的元件那樣行為的電路。調(diào)節(jié)/監(jiān)測電路能夠在離散時(shí)段期間中不斷或
間歇地監(jiān)測放大器的輸出。遵循Nyquist/Shannon準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)間歇性監(jiān)測，亦 即，采樣頻率必需至少為要采樣信號的兩倍。例如，在測量ECG信號時(shí)， 所有相關(guān)信息都來自DC-200Hz的水平；于是以lkHz進(jìn)行采樣是可接受的。
為了能夠迅速對電極放電，根據(jù)本發(fā)明在下面給出了相對電阻水平
R！《R
Ri開關(guān)閉合《 OOo
為了不影響測量
Ri開關(guān)打開> R
注意，盡管開關(guān)被繪示為真實(shí)開關(guān)，但不同的開關(guān)實(shí)現(xiàn)是可能的，例如，使用超過一個(gè)開關(guān)或?qū)⒁粋€(gè)或多個(gè)開關(guān)設(shè)置在放大器輸出的下游。此 外，例如，在本發(fā)明范圍內(nèi)還想到過開關(guān)的繼電器或半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)。如果使 用半導(dǎo)體開關(guān)，那么可以將Rl不選擇為0。這樣做可能會(huì)導(dǎo)致靜電放電
(ESD)，這可能會(huì)破壞開關(guān)。那么，Rl的值必需要選擇得與所用開關(guān)符合。
處理電路元件是常規(guī)的且為本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，取決于正測量 的生物醫(yī)學(xué)信號類型。例如，可以在DC-200Hz的頻帶中測量ECG。對于 EMG而言，頻帶一般為DC-500Hz。而且，如果僅對患者心率以及心率變 化性感興趣，會(huì)使用DC-100Hz。因此幾乎始終要采用帶通濾波器。此外， 來自電源的50Hz (在美國和日本為60Hz)是支配性信號。因此，常常采用 50Hz (或60Hz)的陷波濾波器。在一些情況下，這種信號的高次諧波也是 大的，因此可以使用100Hz、 150Hz、 200Hz、 250Hz、 350Hz (或60Hz的 高次諧波)的陷波濾波器。在這種濾波背后繼續(xù)進(jìn)行處理。例如，確定心 率和心率變化性需要與為醫(yī)生提供好看的ECG波形所需處理不同種類的處 理。此外，除了利用陷波濾波器之外，還可以借助于鎖相環(huán)路(PLL)產(chǎn)生 擾動(dòng)信號，并隨后從測量信號減去擾動(dòng)信號。于是，可以通過很多方式實(shí) 現(xiàn)噪聲的消除。換言之，累積在感測電極上的電荷是要通過這里根據(jù)本發(fā) 明的電容傳感器和方法克服的問題，盡管使用處理電路元件從提供不可用 信號的第一放大器產(chǎn)生測量信號。
可以在調(diào)節(jié)/監(jiān)測電路中實(shí)現(xiàn)的放電方案實(shí)施例在圖4中示出。在該圖 中，示出了正常情況，ECG。如果電極上發(fā)生電荷累積，放大器的輸出值 將增大。這樣的結(jié)果是放大器的輸出可以在V2和VI之間或V3和V4之間 結(jié)束。值VI和V4例如可以是放大器的輸出飽和電平。值V2和V3例如可 以是放大器開始非線性行為的電平。例如，利用這些電平，可以定義感測 系統(tǒng)的問題區(qū)域。在圖4中，將它們稱為Pl和P2。
于是， 一種可能的放電方案是，只要放大器輸出保持在問題區(qū)域P1和 P2 (如圖4所示的所謂安全值Vout (SV)區(qū)域)外部，就將開關(guān)保持如圖 3所示打開。當(dāng)放大器輸出進(jìn)入Pl或P2時(shí)，然后調(diào)節(jié)/監(jiān)測電路可以閉合 開關(guān)，由此對電極放電，使放大器輸出返回到SV范圍。
調(diào)節(jié)/監(jiān)測電路能夠產(chǎn)生放電指示信號(在圖3中被示為"Dis.Ind.")，以 讓系統(tǒng)的其余部分(圖3中的進(jìn)一步處理)知道放大器的測量信號是無效的。
本發(fā)明公開中討論的方式為上述問題提供了解決方案。
通過對電極放電，當(dāng)電荷累積達(dá)到會(huì)導(dǎo)致測量錯(cuò)誤的水平時(shí)，在調(diào)節(jié)/ 監(jiān)測電路的控制下消除了電荷，這也可以向系統(tǒng)其余部分表明信號的這一 短暫無效。
第二項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)被測量的人運(yùn)動(dòng)過大時(shí)，放大器輸出信號也可能 變得無效(區(qū)域P1或P2中的信號)，因?yàn)槿说倪\(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致電荷運(yùn)動(dòng)，電 荷運(yùn)動(dòng)由電容性探針檢測。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，調(diào)節(jié)/監(jiān)測電路還產(chǎn)生信號， 告知系統(tǒng)其余部分信號是無效的。
盡管已經(jīng)相對于其具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員將認(rèn)識到，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出很多修改、 提高和/或變化。因此，明確的意圖是，本發(fā)明僅受權(quán)利要求及其等價(jià)要件 的范圍限制。參考文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1、一種用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷的電容傳感器，包括輸入電路元件，用于感測所述電荷以提供作為被測電荷函數(shù)的輸出信號，其中，所述輸入電路元件包括用于感測源于所述對象的所述電荷的電極以及電連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒有電接觸；放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件并用于放大所述輸出信號；處理電路元件，用于接收和處理經(jīng)放大的輸出信號并提供測量值；以及至少耦合到所述輸入電路元件的調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件包括監(jiān)測電路元件和調(diào)節(jié)電路元件；其中，所述監(jiān)測電路元件用于監(jiān)測所述經(jīng)放大的輸出信號以檢測由于所述電極上的電荷累積導(dǎo)致的大于預(yù)設(shè)值的測量值誤差；且其中，所述調(diào)節(jié)電路元件用于在所述監(jiān)測電路元件檢測到所述測量值誤差時(shí)啟動(dòng)以使所述電極放電，且所述調(diào)節(jié)電路元件在不再檢測到所述測量值誤差時(shí)停用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件還 包括用于指示何時(shí)由于所述誤差導(dǎo)致測量值無效的顯示指示器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述調(diào)節(jié)電路元件還包括連 接到開關(guān)的第二電阻元件，所述開關(guān)連接到地電勢并通過配置使得在閉合 位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元件啟動(dòng)，在打開位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元件停用； 其中，所述第二電阻元件的電阻遠(yuǎn)小于所述第一電阻元件的電阻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述開關(guān)是電氣開關(guān)、繼電 器開關(guān)或半導(dǎo)體開關(guān)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，在所述閉合位置時(shí)所述第二 電阻元件和所述開關(guān)的電阻約為0。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，在所述打開位置時(shí)所述第二 電阻元件和所述開關(guān)的電阻大于所述第一電阻元件的電阻。
7、 一種用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷的方法，包括 將電容傳感器放置成緊密接近但不接觸所述受檢對象的表面； 使用所述電容傳感器測量所述生物醫(yī)學(xué)電荷；以及 向接收和觀察單元發(fā)送所述測量值以觀察所述測量值；其中，所述電容傳感器包括輸入電路元件，用于感測所述電荷以提供作為被測電荷函數(shù)的輸出信 號，其中，所述輸入電路元件包括用于感測源于所述對象的所述電荷的電 極以及電連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒 有電接觸；放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件并用于放 大所述輸出信號以提供所述測量值；處理電路元件，用于接收和處理經(jīng)放大的輸出信號并提供所述測量值；以及至少耦合到所述輸入電路元件的調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，所述調(diào)節(jié)和監(jiān) 測電路元件包括監(jiān)測電路元件和調(diào)節(jié)電路元件；其中，所述監(jiān)測電路元件 用于監(jiān)測所述經(jīng)放大的輸出信號以檢測由于所述電極上的電荷累積導(dǎo)致的 大于預(yù)設(shè)值的測量值誤差；且其中，所述調(diào)節(jié)電路元件用于在所述監(jiān)測電 路元件檢測到測量值誤差時(shí)啟動(dòng)以對所述電極放電，且所述調(diào)節(jié)電路元件 在不再檢測到測量值誤差時(shí)停用。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件還包 括用于指示何時(shí)由于所述誤差導(dǎo)致測量值無效的顯示指示器。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述調(diào)節(jié)電路元件還包括連接到開關(guān)的第二電阻元件，所述開關(guān)連接到地電勢并通過配置使得在閉合位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元件啟動(dòng)，在打開位置時(shí)，所述調(diào)節(jié)電路元件停用； 其中，所述第二電阻元件的電阻遠(yuǎn)小于所述第一電阻元件的電阻。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述開關(guān)是電氣開關(guān)、繼電 器幵關(guān)或半導(dǎo)體開關(guān)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在所述閉合位置時(shí)所述第二 電阻元件和所述開關(guān)的電阻約為0。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在所述打開位置時(shí)所述第二 電阻元件和所述開關(guān)的電阻大于所述第一電阻元件的電阻。
13、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括測量人的心電圖、腦電圖或肌 電圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量源于受檢對象的少量生物醫(yī)學(xué)電荷的電容傳感器，包括具有電極的輸入電路元件，該電極用于感測電荷以提供作為被測電荷函數(shù)的輸出信號，其中，該電極不與對象接觸；連接到輸入電路元件的放大電路元件(A)；處理電路元件，用于接收和處理所述放大的輸出信號并提供所述測量值；以及調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件，所述調(diào)節(jié)和監(jiān)測電路元件至少耦合到所述輸入電路元件，包括監(jiān)測電路元件和調(diào)節(jié)電路元件；(R1)其中，所述監(jiān)測電路元件用于監(jiān)測所述放大的輸出信號以檢測由于所述電極上的電荷累積導(dǎo)致的大于預(yù)設(shè)值的測量值誤差；并且其中，所述調(diào)節(jié)電路元件用于在所述監(jiān)測電路元件檢測到測量值誤差時(shí)被啟動(dòng)以對所述電極放電，且所述調(diào)節(jié)電路元件在不再檢測到測量值誤差時(shí)被停用。
文檔編號A61B5/0428GK101677777SQ200880015132
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者A·U·道格拉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司