CN101394781A - 身体参数感测 - Google Patents

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Abstract

一种身体参数感测布置包括衣服(10)，和用于感测身体信号、位于所述衣服(10)中的相互可移动相对位置处的多个传感器(12，20)。耦合到所述多个传感器(12，20)的处理电路(26)被配置成识别传感器(12，20)中携带有效身体信号的选定的多个。通过根据来自所述传感器(12，20)的信号之间的相似性分组所述传感器(12，20)进行识别。确定最小组直径内具有最大传感器(12，20)计数的一组传感器(12，20)。使用由来自各传感器的信号之间的相似性或距离的测度所限定的组直径。所述组用于在组内隶属关系的基础上选择传感器(12，20)以识别携带有效身体信号的传感器(12，20)中选定的多个。

Description

身体参数感测
本发明涉及身体参数感测布置和感测身体参数的方法。
已有建议将用于诸如ECG(心电图)信号这样的参数的传感器包含在衣服中，而不是固定附连到身体。其身体信号被测量的人仅仅需要穿上一件衣服就能进行感测。这使得有可能在正常活动(即，不是专门针对测量身体信号的活动)期间监测人的身体信号，而不会由于将传感器附连到身体而妨碍人。
在这种附连到柔性衣服的传感器布置中，各传感器能够相对于彼此移动。不幸的是，已发现这种在衣服中带有传感器的布置可能具有的影响是：例如当身体移动暂时产生传感器和身体之间的距离时，一些传感器将暂时不能提供相关信号。因此，人们希望提供一种方式以消除那些在指定时刻不提供有效信号的传感器，并且根据时间适配所消除的传感器的组。
美国专利申请No 2002/0120202描述了一种心跳传感器。该传感器包括推压手腕的各压力传感器的线性阵列。压力传感器在阵列中相对于彼此位于固定位置，全部与手腕永久接触(至少当穿戴有心跳传感器时)，使得一些被压靠在动脉上而其它与动脉相邻地压靠在手腕上。固定的传感器阵列用于提供带有或不带有显著心跳压力的信号。将后者从带有显著心跳压力的信号中减去。这消除了由于肌肉的屈曲、诸如奔跑的身体移动等引起的压力变化的影响。
美国专利申请No 2002/0120202提供了一种对提供心跳信号的各传感器的动态选择。选择步骤包括对来自相邻传感器的信号进行互相关计算(cross correlating)。虽然未给出具体细节，但是在它的背景技术部分中提到的文献，美国专利No 5,243,993使用相关函数来接受心跳信号。
美国专利No 5,243,993描述了对属于当前(推测)心跳的信号和前一心跳的信号之间的相关系数的计算。如果相关系数在预定范围内则接受推测心跳作为真实心跳。
应当注意到的是，这些文献假设使用相对于彼此位于机械固定位置的各压力传感器的线性阵列。这一布置限定了信号处理问题：它保证，沿着阵列前行，以连续的方式首先一些传感器将不会感测来自动脉的直接压力，然后一些传感器将感测直接压力，并且最后一些传感器不会感测直接压力，而且来自所有传感器的信号将具有相似的共模背景信号。此外它保证心跳在它存在的所有信号中同时存在。对信号的处理被设计成利用来自阵列中的不同传感器的信号之间的这些关系。
美国专利No 5,243,993和美国专利申请No 2002/0120202与允许配置中的各传感器之间独立相对运动的衣服中的传感器配置无关。这些文件同样与身体电位的电容传感器无关。
除其它外，一个目的是提供一种带有多个传感器的身体参数感测布置，所述传感器能够相对于彼此和身体移动，并且其中可以消除来自暂时提供不足信息的传感器的信号。
本发明提供了一种根据权利要求1所述的身体参数感测布置。这一布置包括衣服和用于感测身体信号、位于所述衣服中的相互可移动相对位置的多个传感器。所述传感器可以是电容电极，例如用于通过电容方式拾取对应于心电图数据(ECG)的身体电位。
处理电路通过根据对来自所述传感器的信号之间的相似性的测度分组所述传感器来识别所述传感器中携带有效身体信号的选定的多个。例如借助于降低传感器信号之间的差或信号之间的相关性来测量相似性。带有衰落信号的传感器将具有并不与感兴趣的身体信号相关的明显噪声型特征，从而导致来自携带有效身体信号的各传感器的各信号具有更低的相似性。
选择在最小组直径内具有最大传感器计数的一组传感器。组直径例如是由该组中任何一对传感器的信号之间的距离测度的最大值限定的，或者是该组中任何一对传感器的信号之间的相关性的最小值的任何递减函数。在选定组内各传感器隶属关系的基础上选择一个或多个传感器作为携带有效身体信号的传感器。在一个示例中，使用具有最大传感器计数并且直径小于阈值的组来选择携带有效身体信号的传感器。这样消除了不从身体接收可靠信号的传感器。
在一个实施例中，根据具有相互时间偏差的信号计算相似性或距离，所述时间偏差说明了到达身体上不同传感器拾取信号的各位置处的行程时间的差。在一个实施例中，可以使用说明了不同位置的预定时间偏差。在另一实施例中，适应性地修改所述时间偏差，使得可以说明由于衣服的移动引起感测位置的变化。
使用如下各副附图，这些及其它目的和有利方面将从各示例性实施例的描述中变得显而易见。
图1示出了一件衣服中的各传感器位置的示例；
图2示出了包括衣服中的传感器的电路；
图3示出了处理来自传感器的信号的流程图。
图1示出了带有电容传感器的传感器位置12的一件衣服10。在一个示例中传感器包括胶粘或缝合到那件衣服，或包含在那件衣服中的口袋中的电容电极板。
图2示出了包括来自那件衣服的电极板20的电路。电路包括用于各个电极板的差动放大器22、A/D(模数)转换电路24、数字信号处理电路26和存储器29。每个差动放大器22具有耦合到参考电极板28和各个电极板20的输入，以及耦合到各个A/D转换电路24的输入的输出。每个A/D转换电路具有耦合到数字信号处理电路26的输出。存储器29耦合到数字信号处理电路26。
应当领会到的是，所述电路仅仅是用于传感器布置的一个代表电路。许多变更是可能的，例如，代替使用输送到数字信号处理电路26的分立输入，可以使用一些小型网络来互连数字信号处理电路26和A/D转换器24。类似地，当参考电极28耦合到电路接地时，放大器22与参考电极28的连接可以是隐含的。而且，代替单一参考电极28，可以将不同参考电极耦合到各个放大器22的参考输入。
在一个示例操作中，电路起到将穿戴那件衣服人的心电图记录到存储器29中的作用。众所周知，心脏活动导致身体表面上的时变电位，从所述时变电位可以获得心电图。常规地，这是通过将电极固定附连到患者的身体并且记录来自电极的信号来完成的。作为替换选择，提出了使用那件衣服中而未固定附连到身体的电极。在该示例中，虽然在任何时候只要有来自一个电容电极的单一信号就足够了，但是始终使用同一个电容电极是不够的，原因是穿戴那件衣服的人的移动会暂时使电容电极不与身体紧密接触。所以，需要一种从电容电极中进行动态选择以在任何相关时间点处识别提供代表信号的电极的方法。
图3示出了信号处理电路26从电极板20选择信号的操作的流程图。在第一步骤31中，信号处理电路26从A/D转换器24接收时间间隔内各时间点t的信号R(i，t)(标示为i＝1、2、3等)。在预定时间间隔期间时间样本t的一组时间序列R(i，t)是算法的输入。虽然该时间间隔可以具有例如心跳周期的持续时间，但是当需要监测除心跳之外的其它信号时该时间间隔也可以具有几个心跳周期长，或者甚至更长、或更短的持续时间。在另一实施例中，时间间隔是适应于心跳周期的变量。在第二步骤32中，信号处理电路26计算不同电极的各A/D转换器24的信号之间的相关系数C(i，j)，该相关系数对应于标示为i和j的不同传感器的信号的乘积R(i，t)×R(j，t′)的在时间上的求和(×表示值R(i，t)与R(j，t′)的乘积)。式中t′＝t+dt，其中dt是用于计算相关性的偏差值。虽然在一个实施例中dt等于零，但是可以使用其它值，后面将对此进行详细描述。在由早先提及的时间间隔的长度所确定的时距上执行在时间值上的求和。所述和由自相关R(i，t)×R(i，t)和R(j，t)×R(j，t)的相似和的平方根进行归一化。
在第三步骤33中，信号处理电路26开始消除来自一组已接受电极的信号。在初始执行的第三步骤33中信号处理电路26从初始包含所有电极的一组已接受电极开始。在连续的执行中，处理电路26选择各对相邻电极i、j。
在第四步骤34中，信号处理电路26测试来自所述一对电极的信号之间的相关系数是否低于预定阈值。如果是的话，信号处理电路26执行第五步骤35，从而对于电极i和j确定分别与电极i和j的相关性高于另一阈值的已接受电极组中的其它电极数量的计数。随后，信号处理单元26执行第六步骤36，从该组已接受电极中去除具有最低计数的一对电极i或j。然后信号处理电路26执行第七步骤37，测试是否已访问该组已接受电极中的所有对电极。如果不是的话，信号处理电路26返回第三步骤33，从该组已接受电极选择另一对。当在第四步骤34中信号处理电路26确定相关性足够高时，信号处理电路26直接进入第七步骤37。
当信号处理电路26在第七步骤37中确定已访问所有对时，信号处理电路26进入第八步骤38，以选择一个已接受信号用于结果的存储。在备选实施例中，将来自该组已接受信号的信号对所考虑时间间隔中时间值求平均，并且存储所得到的平均值。存储信号可以保持可用以供医生以后进行诊断检查，或者供分析计算机使用以执行例如异常信号形状的计算检测。
在第八步骤38之后信号处理电路26针对另一时间间隔从第一步骤31开始重复。在一个实施例中，这是紧跟用于先前执行流程中各步骤的时间间隔之后的时间间隔。在另一实施例中可以使用连续重叠的时间间隔。在备选实施例中，使用同一组已接受信号在多个时间间隔执行第八步骤38，直到该组中的信号之间的任何相关性下降到阈值以下为止，或者直到已经处理完预定数量的时间间隔为止。这减小了所需的处理量。这是可能的，原因是该组已接受信号典型地将仅仅以比每个时间间隔之后慢得多的速度变化。
优选地，在第二步骤32中，通过对在时间值t、t′上的乘积R(i，t)×R(j，t′)求和来计算相关系数C(i，j)，所述时间值被选择成使得t-t′对于一对电极i、j为固定偏差值dt，该值对应于ECG信号到身体上电极i和j拾取信号的各个点的行程时间的差。
在一个实施例中数字处理电路26(的程序)限定该对电极i、j的各自偏差值的预定值并且在相关性的计算中使用这些偏差值dt(i，j)，其中对i、j的偏差值dt(i，j)可以不同于零。预定偏差值dt(i，j)对应于到那件衣服上的该对电极的位置12的行程时间之间的差。该实施例基于的假设是，随着电极位置的伴随变化，那件衣服的移动不允许通过身体到各电极位置的行程时间的明显变化。
在备选实施例中，使用不同对电极的偏差值dt(i，j)的动态确定值。这可以例如通过针对每对的标称值dt0左右的偏差值dt的范围计算所述对的相关系数和选择产生最大相关值的偏差值的相关性来实现。可以通过快速傅立叶变换非常有效地计算该类型的互相关。在这里所述对i、j的标称值dt0(i，j)对应于到电极对的位置12的标称行程时间距离之间的差。在另一实施例中，通过周期搜索导致最大相关性的偏差值dt(i，j)并且随后重复使用这些偏差值dt(i，j)，为流程的多个连续执行选择偏差值dt(i，j)的动态确定值。
在一个实施例中，预定或动态选择偏差值dt(i，j)也用于平均已接受信号，例如通过平均所述信号，每个信号相对于所述信号中的一个参考信号以其偏差值dt进行延迟。
在另一实施例中，信号R(i，t+dt)可以用具有时间响应函数f(i，t)的滤波器进行滤波，在平均之前执行所述滤波操作。
应当领会到的是，从一组已接受信号中消除信号的所述方法仅仅是消除不可靠信号的一个示例。
算法是寻找直径低于具有最高基数的阈值的组的问题的近似解。在这里组的“基数”是组中传感器的数量。“直径”是来自组中任何一对传感器的信号之间的最大距离。信号之间的相关性表示所述距离，所以对于所述直径：距离随着相关性的减小而增加。
应当领会到的是，可以使用其它类型的距离测度定义直径，从而产生不同的实施例。信号之间的距离测度本身是已知的。例如可以使用差R(i，t)—R(j，t′)的平方在时间t上的求和。代替不同时间点的信号值的平方和，例如可以使用差的绝对值的和、或者这种绝对值的幂的和、或加权和、或谱差的和、等等。同样在与算法无关的意义上代替最大组，算法可以找到的最大组可以用于选择已接受信号组。可以使用这些测度中的任何一个，所述测度可以导致稍有不同的组，每个组可以用于识别可接受信号。
数字信号处理电路26可以使用各种不同的其他已知分组技术中的任何一个将来自A/D转换器24的信号分组成相似信号的组，最大组用作已接受样本组。另一分组技术例如可以包括使用每个电极作为初始组来计算来自电极对的信号之间的距离测度，并且当这些组中的信号之间的最小距离测度低于阈值时合并组。
应当领会到的是，图3的算法提供了分组算法的一个示例。距离和相关性都是相似性测度的示例。基于R(i，t)—R(j，t+dt)的平方和的距离和相关性紧密相关：距离的增加对应于相关性的减小。选择相关性低于阈值的信号对对应于识别导致该组已接受信号的直径位于阈值之上的对(组的直径是组中任何元件对之间的最大距离)。去除与组中具有高相关性的传感器以达到最少的传感器对应于分离所述组以减小直径，同时保持组内的最大连接性。
尽管描述了通过确定具有不大于预定直径并且具有最大基数(传感器的数量)的组来识别可接受信号的算法，但是应当领会到的是或者可以使用用于选择组的其它标准，例如具有最高密度(通过直径的任何递增函数划分的基数)或至少有预定基数的最小直径的组。
尽管描述了选定信号的存储的应用示例(为此数字信号处理电路可以配备非易失性存储器29，例如磁盘驱动存储器、电池备用存储器等)，但是应当领会到其它应用也是可能的。例如，已接受信号组中的一个或多个信号可以用于检测穿戴那件衣服的人的生理状态并且当满足生理状态的预定条件时生成警报信号。作为另一个示例，数字信号处理电路26可以配置成只有当满足这样的预定条件时存储从A/D转换器24的信号导出的数据。作为又一示例，所述布置可以配备如果满足这样的预定条件就对穿戴衣服的人施加治疗的设备(例如通过将电脉冲施加到人的皮肤)。
尽管描述了一个示例，其中电容电极用作电容传感器以测量来自身体的信号，但是应当领会到其它类型的传感器是可能的。例如代替电极可以使用体温传感器、电阻传感器、排汗传感器或它们的组合。在每种情况下传感器从身体的暂时去除可以通过分组来自身体的信号和接受来自相似信号组的信号进行检测。
如上所述，所需的信号处理操作由数字信号处理电路26执行。数字信号处理电路26可以包含例如用带有指令的程序编程的可编程信号处理器，所述指令使得可编程信号处理器执行前面所述的操作。作为替换选择可以使用特别设计用于执行这些操作的专用电路，或者用于执行部分操作的专用电路和用于执行剩余部分的编程电路或一组分布式可编程处理器等的组合。
在一个实施例中，数字信号处理电路26被穿戴在那件衣服中。可以在传感器和数字信号处理电路26之间设置无线链路以传输信号数据。在该情况下数字信号处理电路26可以定位在远离那件衣服。当信号值进入时可以实时地执行计算，但是或者信号值可以暂时被存储在缓冲存储器中并且随后进行处理。

Claims (11)

1、一种身体参数感测布置，包括衣服(10)，用于感测身体信号、位于所述衣服(10)中的相互可移动相对位置处的多个传感器(12，20)，和耦合到所述多个传感器(12，20)的处理电路(26)，所述处理电路(26)被配置成通过根据对来自所述传感器(12，20)的信号之间的相似性的测度分组所述传感器(12，20)来识别所述传感器(12，20)中携带有效身体信号的选定的多个，并且被配置成使用在由所述相似性的测度限定的最小组直径内具有最大传感器(12，20)计数的一组传感器(12，20)选择传感器(12，20)以识别携带有效身体信号的所述传感器(12，20)中选定的多个。
2、根据权利要求1所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成计算各对传感器(12，20)的信号之间的相似性的测度值，每对的信号之间有各自的相互时间偏差，所述各自的时间偏差可设置成相互不同的值。
3、根据权利要求1所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成根据使所述信号之间的相似性最大化的标准动态地选择所述时间偏差。
4、根据权利要求1所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成计算来自各对所述传感器的信号之间的相关性。
5、根据权利要求4所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成搜索所述组中的各对传感器(12，20)，对于所述对，所述对中的信号具有低于阈值的相关性，并且被配置成每次从所述组去除所述对中的所述传感器(12，20)中的一个，所述被去除的传感器(12，20)与所述对中的其它传感器(12，20)相比与较少的传感器(12，20)的相关性高于阈值。
6、根据权利要求1所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成仅仅从所述组计算传感器(12，20)的信号的平均值。
7、根据权利要求6所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成对来自所述组的所述单个信号中的每个进行滤波，并且根据所述滤波后的信号计算传感器(12，20)的信号的平均值。
8、根据权利要求6所述的身体参数感测布置，包括非易失性存储器(29)，所述处理电路(26)被配置成将所述平均值存储在所述非易失性存储器(29)中。
9、根据权利要求1所述的身体参数感测布置，其中，所述传感器包括电容电极(20)，所述电容电极被配置成拾取所述身体的各位置上的电位变化。
10、根据权利要求1所述的身体参数感测布置，其中，所述处理电路(26)被配置成重复地执行所述分组以形成各自时间间隔的各自组以识别所述传感器(12，20)中在所述各自时间间隔中携带有效身体信号的选定的多个。
11、一种对来自多个传感器的身体信号进行处理的方法，所述传感器用于感测身体信号且位于衣服中的相互可移动相对位置，所述方法包括根据对来自所述传感器(12，20)的信号之间的相似性的测度分组所述传感器，并且使用在由所述相似性所限定的最小组直径内具有最大传感器(12，20)计数的一组传感器(12，20)选择传感器(12，20)以识别携带有效身体信号的传感器(12，20)中选定的多个。
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