CN100574698C - 传感器结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测和或处理物质或身体的设备。所述设备包括：传感器(1)，所述传感器的至少一部分6配置用于与身体、组织、体液或其他物质接触；以及计算机设备(3)。所述传感器1和计算机设备(3)两者都具有射频电路(12、16)，用于辅助经由无线通信链路在它们之间的数据传输，所述计算机设备(3)具有用于基于用户位置选择无线链路传输性质、并且将这些性质通过信号发送至传感器(1)的装置(15、17)。

Description

传感器结构
技术领域
本发明涉及一种传感器的结构，具体地尽管不是必需地，涉及一种人体可植入和佩戴的生物医疗传感器的结构。
背景技术
已经将“生物传感器”定义为结合了生物或生物衍生传感元件的分析设备，所述传感元件或者集成在物理化学变换器(transducer)中，或者与所述物理化学变换器相紧密关联。尽管不应该排除模拟信号的提供，生物传感器通常设计用于产生与单独的分析物或相关组的分析物成比例的离散或连续的数字电子信号。
存在许多生物传感器的应用领域，例如包括环境传感、化学生产以及食物和饮料生产及准备。然而，已经吸引了大量兴趣的应用领域是医疗诊断、监测和治疗。以下讨论首先专注于这些医疗应用，尽管应该理解的是所考虑的问题和解决方案也可以包括非医疗应用。
医疗监测生物传感器的一个典型示例是葡萄糖生物传感器，设计用于产生表示用户(即病人)系统中存在的葡萄糖的水平的电信号。现今的葡萄糖生物传感器倾向于是基于将酶或其他试剂固定到电极的表面上以提供实质上的pH检测器的原理。当将试剂暴露到从病人获得的样品上时，例如一滴血，设备的电输出表示样品的pH值并且因此间接地表示葡萄糖的水平。商用葡萄糖生物传感器倾向于是接受一次性测试带或元件的手持设备。
例如在糖尿病患者的情况下，用户可能期望一天测试他或她的葡萄糖水平几次以便提供足够程度的反馈，以如果检测到的水平显著偏离“正常”水平时允许干预。这种类型的生物传感器具有其限制。具体地，由于需要用户刺穿他们的皮肤以获得血液样品，并且然后使用生物传感器执行短暂的但是仍然不方便的测试程序，用户可能不会如所要求那样经常地执行测试。皮肤刺穿也是疼痛的，并且长时间可能导致严重的皮肤损坏。这些问题同样存在于其他类型的生物传感器中，所述生物传感器测量血液中存在的分析物，并且因此要求血液样品的提供；例如氧、乳酸盐、硝酸、肌氨酸酐、多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素的测量。这些分析物的测量在了解和监测诸如心脏疾病、风湿性关节炎和帕金森麻痹症等各种疾病时是有用的。
现在应该理解的是对在前述段落中考虑的问题的解决方案是提供在病人皮肤上植入的或佩戴的生物传感器，很多研究者都致力于制造这样的设备和系统。与向用户和临床医生给出反馈一样，能够提供给定情况的基本连续监测的生物传感器提供闭合回路治疗系统的前景，其中直接响应于监测值而施加治疗。例如，已经建议和生产了一种系统，所述系统响应于低血糖水平的检测将胰岛素注入到病人系统中。可植入和佩戴的两种类型的传感器都可能具有其自身的明显优势，并且将用在不同的环境中来监测和治疗不同的情况。
许多因素可能是可商用可植入和佩戴生物传感器的成功开发的关键。其中的主要关键因素是需要低功耗。具体在可植入传感器的情况下，电池寿命必需足够长，因为需要外科介入来替换电池。除了使设备功耗水平最小化之外，已经考虑了使用身体物质的电化学反应、甚至使用身体产生的电磁场(所谓的能量提取技术)来向设备供电。在可以是一次性的佩戴传感器的情况下，低成本(例如几磅(英制)或更少)也是优先的。在传感器与一些监测和或控制系统之间需要传输数据的情况下，必需考虑(无线)传输机制，例如以最小化功耗并且满足规定要求。
US6,441,747描述了用于医疗监测的无线可编程系统，包括设计用于与多个被佩戴的生物传感器收发机通信的基本单元。
US2004/0096959描述了处于具有穿透皮肤以抽出组织液的微针头的皮肤贴片形式的葡萄糖传感器。从所述贴片通过无线链路向远程显示单元发送葡萄糖测量结果。
涉及该领域的其他文献：
IEEE Trans Biomed Eng，vol 35，no 7，1988年7月，p526-532；
Diabetes Technol Ther，vol 1，no 3，1999，p261-6；
Med Eng Phys，vol 18，no 8，1996年12月，p632-40；
US20010041831；以及
WO2000067633。
发明内容
本发明起源于以下认识：利用无线数据传输系统来在传感器和某些局域(例如带式或口袋式计算机)之间传输数据的可植入或可佩戴生物传感器的用户希望具有在政治边界之间移动的自由度，更具体地是在具有不同无线电传输规则的区域和国家之间移动的自由度。同样，必需提供一些装置，用于允许用户设定适当的无线链路要求或者允许实质上自动地设定所述要求。
还应该理解的是需要相等地促进其他医疗传感器类型的漫游应用，包括化学、电学和磁性传感器，以及非医疗传感器，例如用于跟踪跨越国家或屠宰场之间的肉类的pH传感器。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于监测物质或身体性质的设备，所述设备包括：
传感器，所述传感器的至少一部分配置用于与所述物质或身体接触；以及
计算机设备，
所述传感器和计算机设备两者都具有射频电路，用于辅助经由无线通信链路在它们之间的数据传输，所述计算机设备具有用于基于用户位置选择无线链路传输性质、并且将这些性质通过信号发送至传感器的装置。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于监测和或处理医疗情况的设备，所述设备包括：
传感器，所述传感器的至少一部分配置用于与用户的身体、组织或体液接触；以及
计算机设备，
所述传感器和计算机设备两者都具有射频电路，用于辅助经由无线通信链路在它们之间的数据传输，所述计算机设备具有用于基于用户位置选择无线链路传输性质、并且将这些性质通过信号发送至传感器的装置。
本发明的实施例允许根据用户的位置来配置无线链路的性质。当用户在具有不同规定要求的区域之间漫游时，可以相应地改变或调节无线链路的性质。这确保了设备满足局部规定要求，并且更重要地，减小了环境“噪声”干扰无线链路的风险。
通过计算机系统选择的性质可以包括以下的一个或多个：
可用射频谱；
射频载频；
调制机制；
信道带宽；
传输功率；
数据率；
偏置电压；
偏置电流；
控制信号；
数据信号。
计算机设备可以包括用户接口，允许用户例如从选项列表中选择位置，所述设备具有处理器，用于接收选择并且用于从所述设备的存储器中提取合适的参数。
在替换实施例中，计算机设备包括用于检测用户位置的装置。这可能包括例如全球定位系统(GPS)的全球导航卫星系统(GNSS)接收机、蜂窝电话设备、或用于接收广播无线电信号的无线电接收机。替换地，所述装置可以包括用于与由用户独立地持有的分离的全球定位系统接收机、蜂窝电话设备或无线电接收机通信的装置。
所述传感器可以包括以下的一个或多个：
计算机处理器；
计算机存储器(RAM或ROM或这两者)；
射频接收机和或发射机或这两者(收发机)；
信号处理电路；
数据转换电路；
偏置和控制电路；
用硬件或软件实现的信号处理算法。
所述计算机设备可以包括以下的一种或多种：
计算机处理器；
计算机存储器(RAM或ROM或这两者)；
射频接收机和或发射机或这两者(收发机)；
用户接口；
数据转换电路；
信号处理算法；
显示设备；
输入设备。
计算机设备可以包括蜂窝电话、智能电话、个人数字助手(PDA)等。
根据本发明的第三方面，提出了一种监测和或处理物质或身体的方法，所述设备包括：
使用传感器监测物质或身体的一个或更多参数；
经由无线通信链路在所述传感器和计算机设备之间传输数据；以及
在计算机设备中，基于用户位置来选择无线链路传输性质，并且将这些性质通过信号发送至传感器。
根据本发明的第四方面，提出了一种监测和或处理医疗情况的方法，所述设备包括：
使用传感器监测用户的身体、组织或体液的一个或更多参数；
经由无线通信链路在所述传感器和计算机设备之间传输数据；以及
在计算机设备中，基于用户位置来选择无线链路传输性质，并且将这些性质通过信号发送至传感器。
例如可以通过将参数值发送至传感器来直接地、或者通过设定计算机设备的传输性质并且允许传感器检测新的使用中的性质来间接地将选定性质发信号至传感器。
附图说明
图1示意性地示出了用户携带的监测系统；
图2剖面地示出了附加到用户皮肤上的图1系统的生物传感器贴片；
图3示意性地示出了图2的生物传感器的电学部件；
图4示意性地示出了图1系统的控制器；以及
图5是示出了操作图1系统的方法的流程图。
具体实施方式
在图1中示出了人的可佩戴监测系统。例如，这可以适用于连续地监测患有糖尿病的用户的葡萄糖水平。所述系统包括两个主要部件：一次性传感器1，采用附着到用户皮肤(例如手臂2)上的贴片的形式；以及控制器3，在示例中示出为附加到用户的腰带4上。控制器3包括用户接口，所述用户接口包括液晶显示器(LCD)5和键盘6。
图2示出了附着到用户皮肤上的传感器贴片1的剖面图。所述贴片1包括柔性载体7，所述柔性载体7可以是塑料或织物材料，或者是金属箔。如果载体本身没有足够的粘性，载体的下面可以涂敷有粘附剂以允许将所述贴片固定到皮肤上。从所述贴片下面凸出的是例如100个微针8的阵列。这些部件典型地是直径1至1000微米，并且具有皮下注射针的形式，即具有延伸通过其中部的通路，所述通路在底部尖端是打开的。当将所述贴片压到皮肤上时，针向下穿透皮肤的表面至皮肤的水平，允许组织液通过针向上导出至所述贴片。针的较小尺寸不会引起用户的任何疼痛，并且显然地不会或几乎不会导致长期皮肤损坏。[参见“ENDOPORATOR”(EU FP5 IST-2001-33141)]。
将一些装置(图中未示出)配置用于将液体从针导引至活性生物传感器部件9。例如，该装置可以是毛细管或一组管子，或者某种绒芯。例如，生物传感器部件9可以是基于离子传感场效应晶体管(ISFET)的生物传感器，这种生物传感器在Elsevier BV，Sensors and Actuators 2004，Leila Shephard和Chris Toumazou的“Weak Inversion ISFETs for ultralow power biochemical sensing and real time analysis”中有所描述。不管所使用的这种类型的生物传感器，所述传感器将在输出处提供表示采样液体中的葡萄糖水平的电信号。
现在参考图3，示意性地示出了传感器贴片1的各种部件。处理器10具有与生物传感器9的输出相耦合的输入。处理器10还与存储器11和射频收发机12相耦合。收发机与射频天线13相耦合。同时，可以将各种部件9-13配置为分立的部件，在优选实现中将这些全部集成到单片硅上。将电源14配置用于为各种电学部件供电。例如，电源14可以是电池。对于新贴片，可以通过用户从贴片上撕开条带来激活电池，所述条带将电池端子与电源导线隔离。
由于需要小尺寸和低成本，进而要求提供一次性贴片，必须保持贴片电子器件的复杂性绝对最小。该目的还对于满足极低的功耗大有帮助。典型地，在通过贴片电子器件原始监测的数据上几乎不执行处理。仅通过处理器10对原始数据数字化，并且通过无线链路由收发机12将其传输至控制器3。
在图4中示意性地示出了控制器3的主要部件。这些部件包括与收发机16相耦合的微处理器15、存储器17和用户接口5、6。收发机16与天线18相耦合。这些部件由电池19供电。应该理解的是对控制器的尺寸和功耗要求比对传感器1的要求少得多。因此，在该系统上使用的方法在控制器3处执行了所监测信号的大多数处理。这将使用在存储器17中存储为程序代码的并且由处理器15访问的一些处理例程。
不同的国家可能规定了用于在控制器3和传感器1之间通信的无线链路的不同要求。同时，一些国家可能同意共同标准，例如欧盟国家，世界上可能存在大量不同的“标准”。例如，不同的标准可能规定了可以用于无线链路的射频谱。例如，他们还可以规定可以使用的传输方案，例如CDMA、UWB、FM等。因此，监测系统能够根据主要要求进行配置是重要的，以便满足规定的要求并且避免在无线链路上发送的数据的潜在地严重干扰。
该要求是通过在控制器1的存储器17中存储每一个地区要求的参数来实现的。这可以采用通过国家名称访问的查找表的形式。所述数据可以是工厂设定的，但是优选地是可以通过一些装置来更新的。这可以是经由USB接口到具有网络访问的pc，或者经由调谐到某个特定广播信道的数字无线电接收机，在所述信道上按照规则的间隔广播所要求的数据。使用键盘6和LCD显示器5，用户能够进入控制器3的设置模式。用户选择他或她的当前位置，并且接受所述选择。处理器15然后查询在存储器17中存储的查找表，并且获得适当的配置数据。适当地对收发机16进行配置。然后，处理器15促使在无线链路上向传感器贴片1发送必要的配置数据。然后相应地配置传感器贴片1的收发机12，并且可以开始向控制器3发送(监测)数据以供处理(和显示)。
用户当前位置的手动选择实现起来相对简单，但是具有以下缺点：用户承担了如果他或她忘记更新位置并且继续使用前一个位置，从而与传输规则相矛盾的风险。解决方案是向控制器提供一些用于自动检测用户位置的装置。例如，这可以通过将GPS接收机集成到控制器3中来实现。GPS接收机向处理器15提供当前位置、用户的经度、维度和时间。在图4中使用虚线示出了GPS接收机20。存储器17存储将位置数据转换为国家身份或直接转换为无线链路配置参数所需的信息。作为GPS接收机的替换，可以提供蜂窝电话接收机，例如，所述接收机基于可用的蜂窝电话运营商来识别位置。
图5是示出了实现自动位置检测程序(即基于GPS的)监测系统的一般操作程序的流程图。用户首先向控制器3加电。作为自初始化过程的一部分，控制器根据GPS模块和在存储器中存储的查找表来确定用户的位置。可以将所述位置存储在存储器中。可以周期性地刷新所述位置数据以确保检测到当控制器工作时发生的任何区域改变。用户通过去除将电池与传感器电子器件隔离的薄片来向生物传感器贴片1加电。只要向电子器件加电，传感器控制器10就进入配置过程。这引起所述贴片进入接收模式，等待使用一些缺省的无线通信信道从控制器发送的配置参数。控制器经由缺省信道向所述贴片传输与所识别的位置相关联的参数。所述贴片相应地配置其收发机12，并且通过“新的”无线信道来传送所述贴片和控制器之间的未来通信。可以通过控制器在该新的链路上向所述贴片发送用于改变信道的指令。可以通过所述贴片上的某种形式的指示器，例如LED，或者通过从所述贴片向控制器发送反馈信号来表示所述贴片的成功激活和配置，然后控制器在其显示器上提供适当的指示。根据替换方法，在控制器加电之后，控制器可以在适用于当前位置的无线信道上周期性地广播。在传感器贴片加电时，传感器扫描信道范围、调制类型等以检测广播。一旦检测到，所述贴片就配置该信道。
本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行多种改变。例如，虽然已经将贴片1和控制器3的电子和电学部件示出为分立的功能实体，但是例如处理器、收发机、存储器，可以至少在一定程度上将这些实体合并在一起。例如，可以通过处理器实现收发机的某些功能。

Claims (13)

1.一种用于监测身体的性质或情况的设备，所述设备包括：
传感器，所述传感器的至少一部分配置用于与所述身体接触；以及计算机设备，
所述传感器和计算机设备两者都具有射频电路，用于辅助经由无线通信链路在它们之间的数据传输，所述计算机设备具有用于基于所述计算机设备的位置选择无线链路传输性质、并且将这些性质通过信号发送至传感器的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中通过计算机设备选择的性质包括以下的一个或多个：
射频谱；
射频载频；
调制机制；
传输功率；
数据率；
偏置电压；
偏置电流；
控制信号；
数据信号；
信道带宽。
3.根据权利要求1所述的设备，包括允许用户选择位置的用户接口，所述计算机设备具有处理器，用于接收选择并且用于从所述计算机设备的存储器中提取合适的性质。
4.根据权利要求1所述的设备，包括用于检测用户位置的装置。
5.根据权利要求4所述的设备，所述用于检测用户位置的装置包括全球导航卫星系统接收机、蜂窝电话设备、或用于接收广播无线电信号的无线电接收机。
6.根据权利要求4所述的设备，所述用于检测用户位置的装置包括用于与由用户独立地持有的分离的全球导航卫星系统接收机、蜂窝电话设备或无线电接收机通信的装置。
7.根据权利要求1所述的设备，所述计算机设备包括存储将位置映射到无线链路性质的查找表的存储器。
8.根据权利要求1所述的设备，所述传感器包括以下的一个或多个：
计算机处理器；
计算机存储器；
射频接收机和/或发射机或收发机；
信号处理电路；
数据转换电路；
偏置和控制电路；
信号处理算法。
9.根据权利要求1所述的设备，所述计算机设备包括以下的一种或多种：
计算机处理器；
计算机存储器；
射频接收机和/或发射机或收发机；
用户接口；
数据转换电路；
信号处理算法；
显示设备；
输入设备。
10.一种用于监测和/或处理医疗情况的设备，所述设备包括：
传感器，所述传感器的至少一部分配置用于与用户的身体接触；以及
计算机设备，
所述传感器和计算机设备两者都具有射频电路，用于辅助经由无线通信链路在它们之间的数据传输，所述计算机设备具有用于基于所述计算机设备的位置选择无线链路传输性质、并且将这些性质通过信号发送至传感器的装置。
11.一种监测和/或处理身体情况的方法，所述方法包括：
使用传感器监测身体的一个或更多参数；
经由无线通信链路在所述传感器和计算机设备之间传输数据；以及
在计算机设备中，基于所述计算机设备的位置来选择无线链路传输性质，并且将这些性质通过信号发送至传感器。
12.一种监测和/或处理医疗情况的方法，所述方法包括：
使用传感器监测用户的身体的一个或更多参数；
经由无线通信链路在所述传感器和计算机设备之间传输数据；以及
在计算机设备中，基于所述计算机设备的位置来选择无线链路传输性质，并且将这些性质通过信号发送至传感器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过将参数值发送至传感器来直接地、或者通过设定计算机设备的传输性质并且允许传感器检测新的使用中的性质来间接地将选定性质通过信号发送至传感器。
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