CN101677777B - 电极的主动放电 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的电容传感器，包括：具有电极的输入电路元件，该电极用于感测电荷以提供作为被测电荷函数的输出信号，其中，该电极不与对象接触；连接到输入电路元件的放大电路元件(A)；处理电路元件，用于接收和处理所述放大的输出信号并提供所述测量值；以及调节和监测电路元件，所述调节和监测电路元件至少耦合到所述输入电路元件，包括监测电路元件和调节电路元件；(R1)其中，所述监测电路元件用于监测所述放大的输出信号以检测由于所述电极上的电荷累积导致的大于预设值的测量值误差；并且其中，所述调节电路元件用于在所述监测电路元件检测到测量值误差时被启动以对所述电极放电，且所述调节电路元件在不再检测到测量值误差时被停用。
Description
本公开涉及一种电容传感器以及将其用在测量源于受检对象的生物医学信号的方法，例如测量人的心电图、脑电图或肌电图。传感器包括用于释放传感器电极上积累的电荷的监测和调节电路，放电可能导致测量值误差。
测量生物医学信号是重要的，但对于患者而言并非始终是舒适的。为了以不引人注目的方式测量生物医学信号，电容式测量方法是一种有潜力的候选方法。
不直接接触皮肤的电容式传感器为用户提供了更大的自由度，实现患者更舒适和不引人注目的测量和或监测。
可以采用这种电容式传感器测量例如患者的心电图(ECG)、脑电图(EEG)或肌电图(EMG)。
使用电容传感器也造成如下问题，即电荷累积在耦合到高阻抗/电阻电路的感测电极上。本发明公开描述了一种方法，以主动对电极放电，并在发生放电时向系统其余部分提供数据无效信号，以避免信号处理中的误差。
当前测量生物医学信号的方法涉及到使用必需要接触皮肤的电极。使用这种测量技术的优点是获得的测量值质量较高。
在近来的文献中，已经报道过生物医学信号的不接触(无电流接触)测量[2]。
尽管无接触测量提供不了接触测量的稳定性和精确度，但这种测量的可能性很大。
已经提出了多种系统和方法来测量源于对象的电荷，例如2002年3月5日授权的美国专利6353324、2001年10月9日授权的6300616、以及2004年10月19日授权的6807438；以及2006年3月16日公开的美国专利申请No.2006/0058694。
不过，这些系统和方法仍然存在问题，尤其是在将感测电极用于测量源于对象的生物医学电荷而不接触对象时。本文披露的系统和方法克服了这种问题。
本公开涉及一种用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的电容传感器，包括：具有电极的输入电路元件，该电极用于感测电荷以提供作为被测电荷函数的输出信号，其中，该电极不与对象接触；连接到输入电路元件的放大电路元件；处理电路元件，用于接收和处理所述放大的输出信号并提供所述测量值；以及至少耦合到所述输入电路元件的调节和监测电路元件，所述调节和监测电路元件包括监测电路元件和调节电路元件；其中，所述监测电路元件用于监测所述放大的输出信号以检测由于所述电极上的电荷累积导致的大于预设值的测量值误差；且其中，所述调节电路元件用于在所述监测电路元件检测到测量值误差时被启动以对所述电极放电，且所述调节电路元件在不再检测到测量值误差时被停用。
具体而言，目的是提供一种用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的电容传感器，包括：
输入电路元件，用于感测所述电荷以提供作为被测电荷函数的输出信号，其中，所述输入电路元件包括用于感测源于对象的电荷的电极以及电连接到所述电极的第一电阻元件；其中，所述电极与所述对象没有电接触；
放大电路元件，所述放大电路元件连接到所述输入电路元件并用于放大所述输出信号以提供测量值；
处理电路元件，用于接收和处理所述放大的输出信号并提供所述测量值；以及
调节和监测电路元件，至少耦合到所述输入电路元件的所述调节和监测电路元件，包括监测电路元件和调节电路元件；其中，所述监测电路元件用于监测所述放大的输出信号以检测由于所述电极上的电荷累积导致的大于预设值的测量值误差；且其中，所述调节电路元件用于在所述监测电路元件检测到测量值误差时被启动以对所述电极放电，且所述调节电路元件在不再检测到测量值误差时被停用。
另一个目的是提供一种传感器，其中，所述调节和监测电路元件还包括用于指示何时由于误差导致测量值无效的显示指示器。
另一个目的是提供一种传感器，其中，所述调节电路元件还包括连接到开关的第二电阻元件，所述开关连接到地电势并通过配置使得在处于闭合位置时，所述调节电路元件被启动，在处于打开位置时，所述调节电路元件不被启动；其中，所述第二电阻元件的电阻远小于所述第一电阻元件的电阻。
另一个目的是提供一种传感器，其中，所述开关是电气开关、继电器开关或半导体开关。
另一个目的是提供一种传感器，其中，所述第二电阻元件和所述闭合位置的开关的电阻约为0。
另一个目的是提供一种传感器，其中，所述第二电阻元件和所述打开位置的开关的电阻大于所述第一电阻元件的电阻。
另一个目的是提供一种用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的方法，包括：
将电容传感器放置得紧密接近但不接触受检对象的表面；
使用所述电容传感器测量所述生物医学电荷；以及
向接收和观察单元发送测量值以观察测量值；
其中，所述电容传感器包括：
输入电路元件，用于感测所述电荷以提供作为被测电荷函数的输出信号，其中，所述输入电路元件包括用于感测源于对象的电荷的电极以及电连接到所述电极的第一电阻元件；其中，所述电极与所述对象没有电接触；
放大电路元件，所述放大电路元件连接到所述输入电路元件并用于放大所述输出信号以提供测量值；
处理电路元件，用于接收和处理所述放大的输出信号并提供所述测量值；以及
至少耦合到所述输入电路元件的调节和监测电路元件，所述调节和监测电路元件包括监测电路元件和调节电路元件；其中，所述监测电路元件用于监测所述放大的输出信号以检测由于所述电极上的电荷累积导致的大于预设值的测量值误差；且其中，所述调节电路元件用于在所述监测电路元件检测到测量值误差时被启动以对所述电极放电，且所述调节电路元件在不再检测到测量值误差时被停用。
另一个目的是提供一种方法，其中，所述调节和监测电路元件还包括用于指示何时由于误差导致测量值无效的显示指示器。
另一个目的是提供一种方法，其中，所述调节电路元件还包括连接到开关的第二电阻元件，所述开关连接到地电势并通过配置使得在处于闭合位置时，所述调节电路元件被启动，在处于打开位置时，所述调节电路元件不被启动；其中，所述第二电阻元件的电阻远小于所述第一电阻元件的电阻。
另一个目的是提供一种方法，其中，所述开关是电气开关、继电器开关或半导体开关。
另一个目的是提供一种方法，其中，所述第二电阻元件和所述闭合位置的开关的电阻约为0。
另一个目的是提供一种方法，其中，所述第二电阻元件和所述打开位置的开关的电阻大于所述第一电阻元件的电阻。
另一个目的是提供一种方法，包括测量人的心电图、脑电图或肌电图。
将参考以下实施例并参考附图更详细地解释本发明的这些和其他方面。
图1是示出了基本电容性探针的概念图示；
图2图解示出了放大器作为输入电阻R函数的输出噪声；
图3从概念上绘示了根据本发明的具有主动电极放电功能的电容传感器实施例；
图4示出了根据本发明的调节/监测方案的范例。
图1示出了根据现有技术的基本电容性探针，例如可以将其用于无接触地感测心电图(ECG)、脑电图(EEG)和肌电图(EMG)。
图1中所示的电极不必与皮肤有电流接触测量例如ECG、EEG或EMG。
由于测量的生物医学信号非常小，因此无接触测量系统的输入阻抗必需尽可能大。于是，图1中所示的R的值必需要大。
在文献[2]中，还示出了具有大输入电阻将导致放大器输出更低的噪声水平。图2中示出了输入电阻R和放大器输出噪声之间的关系。
因此，对于无接触生物医学感测系统而言，具有大输入阻抗/电阻至少有两个原因：
对(人)身体产生的少量电荷具有高灵敏度；
降低了这种感测系统的初始放大器状态的输出噪声。
在[1]中描述了增大无接触生物医学信号感测系统输入阻抗/电阻的技术。
由于这种感测系统具有大的输入阻抗/电阻，因此系统对干扰将非常敏感。此外，无接触感测系统的电极可能变得带电。
该电极的电荷将能够在放大器的输出信号中检测到。由于这种感测系统的输入阻抗/电阻非常高，电荷不能经由输入阻抗/电阻迅速释放，将导致很长时间内不能使用感测系统。
本发明公开提出为基本电容性探针使用附件，以在电极上积累的电荷干扰测量过程时主动对电极放电。
图3示出了根据本发明的用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的电容传感器的实施例。在该图中，为了方便起见未示出图1中所示的高输入阻抗/电阻R(换言之，第一电阻元件)。
通过调节/监测电路实现电极的主动放电。该电路监测放大器的输出。如果检测到电极上累积了干扰测量(进一步处理)的电荷，经由电阻器R1(换言之，第二电阻元件)将电极连接到固定电势(在本实施例中为电路地)。在本发明的范围之中希望术语“电阻元件”或“电阻器”还能够指像具有电阻的元件那样行为的电路。调节/监测电路能够在离散时段期间中不断或间歇地监测放大器的输出。遵循Nyquist/Shannon准则实现间歇性监测，亦即，采样频率必需至少为要采样信号的两倍。例如，在测量ECG信号时，所有相关信息都来自DC-200Hz的水平；于是以1kHz进行采样是可接受的。
为了能够迅速对电极放电，根据本发明在下面给出了相对电阻水平：
R1＜＜R
R1开关闭合≈0Ω。
为了不影响测量：
R1开关打开＞R
注意，尽管开关被绘示为真实开关，但不同的开关实现是可能的，例如，使用超过一个开关或将一个或多个开关设置在放大器输出的下游。此外，例如，在本发明范围内还想到过开关的继电器或半导体实现。如果使用半导体开关，那么可以将R1不选择为0。这样做可能会导致静电放电(ESD)，这可能会破坏开关。那么，R1的值必需要选择得与所用开关符合。
处理电路元件是常规的且为本领域的技术人员公知的，取决于正测量的生物医学信号类型。例如，可以在DC-200Hz的频带中测量ECG。对于EMG而言，频带一般为DC-500Hz。而且，如果仅对患者心率以及心率变化性感兴趣，会使用DC-100Hz。因此几乎始终要采用带通滤波器。此外，来自电源的50Hz(在美国和日本为60Hz)是支配性信号。因此，常常采用50Hz(或60Hz)的陷波滤波器。在一些情况下，这种信号的高次谐波也是大的，因此可以使用100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、350Hz(或60Hz的高次谐波)的陷波滤波器。在这种滤波背后继续进行处理。例如，确定心率和心率变化性需要与为医生提供好看的ECG波形所需处理不同种类的处理。此外，除了利用陷波滤波器之外，还可以借助于锁相环路(PLL)产生扰动信号，并随后从测量信号减去扰动信号。于是，可以通过很多方式实现噪声的消除。换言之，累积在感测电极上的电荷是要通过这里根据本发明的电容传感器和方法克服的问题，尽管使用处理电路元件从提供不可用信号的第一放大器产生测量信号。
可以在调节/监测电路中实现的放电方案实施例在图4中示出。在该图中，示出了正常情况，ECG。如果电极上发生电荷累积，放大器的输出值将增大。这样的结果是放大器的输出可以在V2和V1之间或V3和V4之间结束。值V1和V4例如可以是放大器的输出饱和电平。值V2和V3例如可以是放大器开始非线性行为的电平。例如，利用这些电平，可以定义感测系统的问题区域。在图4中，将它们称为P1和P2。
于是，一种可能的放电方案是，只要放大器输出保持在问题区域P1和P2(如图4所示的所谓安全值Vout(SV)区域)外部，就将开关保持如图3所示打开。当放大器输出进入P1或P2时，然后调节/监测电路可以闭合开关，由此对电极放电，使放大器输出返回到SV范围。
调节/监测电路能够产生放电指示信号(在图3中被示为“Dis.Ind.”)，以让系统的其余部分(图3中的进一步处理)知道放大器的测量信号是无效的。
本发明公开中讨论的方式为上述问题提供了解决方案。
通过对电极放电，当电荷累积达到会导致测量错误的水平时，在调节/监测电路的控制下消除了电荷，这也可以向系统其余部分表明信号的这一短暂无效。
第二项优点在于，当被测量的人运动过大时，放大器输出信号也可能变得无效(区域P1或P2中的信号)，因为人的运动可能导致电荷运动，电荷运动由电容性探针检测。当发生这种情况时，调节/监测电路还产生信号，告知系统其余部分信号是无效的。
尽管已经相对于其具体实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出很多修改、提高和/或变化。因此，明确的意图是，本发明仅受权利要求及其等价要件的范围限制。
参考文献
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美国专利申请公开US 2006/0058694A1
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AN ULTRA-LOW-NOISE ELECTRICAL-POTENTIAL PROBE FORHUMAN-BODY SCANNING。
Measurement Science&Technology，第11卷，2000年3月，第3期，291-297页。
Claims (13)
1.一种用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的电容传感器，包括：
输入电路元件，用于感测所述电荷以提供作为被测电荷函数的输出信号，其中，所述输入电路元件包括用于感测源于所述对象的所述电荷的电极以及电连接到所述电极的第一电阻元件；其中，所述电极与所述对象没有电接触；
放大电路元件，所述放大电路元件连接到所述输入电路元件并用于放大所述输出信号；
处理电路元件，用于接收和处理经放大的输出信号并提供测量值；以及
至少耦合到所述输入电路元件的调节和监测电路元件，所述调节和监测电路元件包括监测电路元件和调节电路元件；其中，所述监测电路元件用于监测所述经放大的输出信号以检测由于所述电极上的电荷累积导致的大于预设值的测量值误差；且其中，所述调节电路元件用于在所述监测电路元件检测到所述测量值误差时启动以使所述电极放电，且所述调节电路元件在不再检测到所述测量值误差时停用。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述调节和监测电路元件还包括用于指示何时由于所述误差导致测量值无效的显示指示器。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述调节电路元件还包括连接到开关的第二电阻元件，所述开关连接到地电势并通过配置使得在闭合位置时，所述调节电路元件启动，在打开位置时，所述调节电路元件停用；其中，所述第二电阻元件的电阻远小于所述第一电阻元件的电阻以使得在所述闭合位置时所述第二电阻元件和所述开关的电阻约为0。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述开关是电气开关。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述开关是继电器开关或半导体开关。
6.根据权利要求3所述的传感器，其中，在所述打开位置时所述第二电阻元件和所述开关的电阻大于所述第一电阻元件的电阻。
7.一种用于测量源于受检对象的少量生物医学电荷的方法，包括：
将电容传感器放置成紧密接近但不接触所述受检对象的表面；
使用所述电容传感器测量所述生物医学电荷；以及
向接收和观察单元发送测量值以观察所述测量值；
其中，所述电容传感器包括：
输入电路元件，用于感测所述电荷以提供作为被测电荷函数的输出信号，其中，所述输入电路元件包括用于感测源于所述对象的所述电荷的电极以及电连接到所述电极的第一电阻元件；其中，所述电极与所述对象没有电接触；
放大电路元件，所述放大电路元件连接到所述输入电路元件并用于放大所述输出信号以提供所述测量值；
处理电路元件，用于接收和处理经放大的输出信号并提供所述测量值；以及
至少耦合到所述输入电路元件的调节和监测电路元件，所述调节和监测电路元件包括监测电路元件和调节电路元件；其中，所述监测电路元件用于监测所述经放大的输出信号以检测由于所述电极上的电荷累积导致的大于预设值的测量值误差；且其中，所述调节电路元件用于在所述监测电路元件检测到测量值误差时启动以对所述电极放电，且所述调节电路元件在不再检测到测量值误差时停用。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述调节和监测电路元件还包括用于指示何时由于所述误差导致测量值无效的显示指示器。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述调节电路元件还包括连接到开关的第二电阻元件，所述开关连接到地电势并通过配置使得在闭合位置时，所述调节电路元件启动，在打开位置时，所述调节电路元件停用；其中，所述第二电阻元件的电阻远小于所述第一电阻元件的电阻以使得在所述闭合位置时所述第二电阻元件和所述开关的电阻约为0。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述开关是电气开关。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述开关是继电器开关或半导体开关。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述打开位置时所述第二电阻元件和所述开关的电阻大于所述第一电阻元件的电阻。
13.根据权利要求7所述的方法，包括测量人的心电图、脑电图或肌电图。
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