CN103402428B - 用于感测体液密度和/或膜电阻的传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量相对于分隔液体的膜（诸如人类和动物的皮肤）与在其一侧分隔液体的任意其它膜的张力变化的传感器装置。

Description

用于感测体液密度和/或膜电阻的传感器装置
本发明涉及一种用于测量相对于分隔液体的膜（诸如，人类和动物的皮肤）与分隔其一侧的液体的任何其它膜的张力变化的传感器。
本发明的目的不是测量体液的实际密度。这可以通过利用注射器提取体液以在实验室中利用例如由MettlerToledo（梅特勒-托利多）制成的密度计进行测量来实现。我们是测量通过皮肤的体液的相对的且变化的密度。该密度与其身体环境中的液体的成分有关。由于组织和肌肉中的细胞膜，当在皮肤上施加机械脉冲冲击时，体液的密度或粘性将在体内高于体外。身体中的所有物理对象（如骨头）也将影响所测量的相对密度。根据传感器的位置，需要使用标准葡萄糖传感器对该传感器进行校准。由于身体结构，因此密度测量值与传感器的位置有关。一旦传感器被校准，则其将检测从设定点开始的变化。
膜的张应力或电阻与多种因素有关，诸如膜的弹性以及由膜分隔的液体的密度。
所关注的特殊情况是皮肤的张力变化，这可以被解释为由体液的密度的变化所引起的。引起体液的成分的迅速变化的一种这样的物质是其葡萄糖含量。由于糖尿病患者的葡萄糖变化对于患者而言是极为重要的，因此在几十年中已认识到测量糖尿病患者的葡萄糖水平。大约30年前，测量葡萄糖水平的唯一方式是在带上滴血，其中该带上的颜色根据葡萄糖水平而改变。以示出对于每种颜色的相应葡萄糖水平的条形图来比较颜色。由于该原理是不准确的，因此行业开始开发可以利用血液样本以电方式检测带上的葡萄糖水平的电子装置。经过多年，该技术已产生尺寸、设计和特征不同的多种不同的装置。
尽管这些测量计代表了对糖尿病患者的巨大益处，但是它们不是持续的，并且都需要血液样本。因此，进行了广泛的研究以开发不需要血液样本的持续性葡萄糖传感器。
现今，存在持续性的侵入式葡萄糖传感器。需要将针插入通过皮肤，由此可以将隙间液体引入到传感器，该传感器借助于葡萄糖氧化酶而在手持接收器上显示出变化的葡萄糖水平。缺点在于该技术是侵入式的，并且需要经常更换针。不幸的是，注射部位还可能变得发炎，从而用户由于不舒服而需要停止使用该装置。
期望开发一种非侵入式或非植入式的传感器。一种这样的方法是使用通过皮肤的红外光束的吸收。然而，由于水中的光谱吸收远大于葡萄糖对光谱的吸收，因此该方法难以得到可靠的葡萄糖数据。
除了示出葡萄糖值之外，连续的值读数将给出对于糖尿病患者甚至更重要的值。通过连续监测葡萄糖值的发展，可以计算值下降和上升的速率。根据给出确切数字的当前读数，不能了解值变化得有多快。本专利的发明人之一在以下2010年12月28日的24小时内的读数图表中示出了该变化。
角度1和2示出了葡萄糖值的适中增加。在17:00点，读数示出了7.2mmol/l，但是不能预测18:00点的值，并且不能示出其将以多快下降到2.4mmol/l。通过连续监测，可以示出以角度3表示的下降速率，从而采取动作来预防朝向低血糖下降。
为了对此进行实现，搜索由葡萄糖水平的变化而引起的血液的其它物理改变，这可以在不穿透皮肤的情况下来检测。
活的人类和动物的体液包含几千种不同的分子和有机体，并且这些分子和有机体中的一些的浓度缓慢变化，而其它可能快速变化。后者是糖尿病患者的葡萄糖、人类和动物运动员的乳酸、胆固醇、病毒、细菌、失水等的情况。所有分子的浓度连同体液的属性以其溶质给出了所述体液的密度。
本发明的目的是制造可以以非侵入式方式应用于例如耳垂上的仪器/传感器，并且其中，换能器将诸如振动的脉冲列或脉冲传送到体液中。
身体的加速度遵循牛顿第二定律F=m*a（N），其中，m是以kg为单位的身体质量，并且a是以m/s2为单位的加速度。
当向液体中施加恒定机械脉冲时，将具有根据下式的变化加速度：
ax＝F/mx(m/s2)
其中，F是以N为单位的恒定脉冲，并且mx是变化的质量。
如果施加恒定加速度，将经历根据下式的变化力：
Fx＝mx ＊a(N)
其中，mx是变化的质量，并且a是恒定加速度。
这些变化可以由不同的现有元件来拾取，诸如压电晶体、检测线圈、硅压力换能器或加速度计、光二极管或其它感应拾取仪器。
对于正常的糖尿病患者，体液的密度将是体液中的葡萄糖的改变水平的度量；并且对于运动员，变化的密度可以是乳酸的增加水平的度量。这同样适用于脱水，这是由于失水将浓缩体液中存在的正常分子和物质。
下表示出了葡萄糖分子的值。
下图示出了由从1mmol/升至20mmol/升的葡萄糖变化引起的水中的密度变化。
可以看出，变化如期望的一样是线性的。由于变化在小数点后第五位数字之后开始发生，因此传感器必须具有足够高的灵敏度以登记这些变化。
然而，由于需要考虑和补偿的液体膨胀系数，因此密度还与温度有关。液体的体积根据以下公式膨胀：
Vx＝V1 ＊(1+μ(t2-t1))(dm3)
其中，V1是所关注的参考体积，μ=膨胀系数，对于水是0.18*10-3，t2是温度的增加，并且t1是参考温度。密度的一般公式是ρ=m/V，其中，m是对于给定体积V的质量。因此，对于体积V1处的质量m（kg），密度将根据以下公式改变：
Px＝m/Vx＝m/(V1 ＊μ(t2-t1))(kg/dm3)
下图中示出了15C与49C之间的水密度的变化。
由温度引起的密度变化在处理器中通过数学算法来补偿，该处理器对根据脉冲记录的数据进行处理，从而通过对传感器进行校准而给出该温度处的密度。通过在由标准葡萄糖计给出的葡萄糖水平下调整设定点来校准传感器，由此由传感器中包括的温度计来自动设置温度的设定点。根据该设定点，传感器检测由皮肤的张力和体液中的溶质以及温度的变化引起的变化。
发明内容
本发明提供了一种用于以非侵入式方式来测量身体的密度或膜（诸如人的皮肤）的电阻的传感器，该传感器包括脉冲发生器、温度传感器和换能器，该换能器用于登记根据体液和皮肤弹性的脉冲速度，其中，所述换能器连接到微处理器，其中，来自换能器的信号被转换成所述体液的相对密度的值。
在本发明的优选实施例中，脉冲发生装置产生机械脉冲、振动力、压缩空气/液体脉冲或声波形式的脉冲。
在本发明的一个实施例中，所产生的脉冲是机械脉冲，该机械脉冲可由电磁体或磁致伸缩材料产生，并且其中，脉冲的检测由检测线圈或可变电容器、光二极管、加速度计、麦克风或能够监测机械脉冲的冲击的任何其它感应拾取装置来记录。
在本发明的另一实施例中，机械脉冲可以是单个脉冲、脉冲列或振动的形式。
在本发明的另一实施例中，机械脉冲可以利用气动或液压脉冲来产生。
在本发明的另一实施例中，计算所记录的值以给出葡萄糖值的改变速率，并且其中，以具有对用户的相关联警告和推荐的图和/或数字在显示器上示出了该速率。
具体实施方式
因此，本发明提供了一种用于通过产生撞击皮肤的一个或多个脉冲来测量体液的密度的传感器，并且其中，换能器将拾取与体液的成分和皮肤弹性有关的脉冲速度。脉冲可以是机械脉冲、振动或压缩空气/液体脉冲或者任意其它脉冲方式，如将由拾取装置记录的声波，该拾取装置可以是拾波线圈、麦克风、硅压力换能器、伸展垫、加速度计、光二极管或其它感应仪器。接触皮肤的温度传感器将连续记录脉冲撞击皮肤的区域附近的温度，换能器将结果传递到微处理器或者ASIC，该微处理器或ASIC具有计算与体液成分有关的相对密度的算法。一种引起体液成分的迅速变化的这样的物质是其葡萄糖含量。因此，由葡萄糖含量的变化引起的读数结果是葡萄糖水平的估计。葡萄糖数据可以无线地或有线地被传送到外部接收器，其中，在显示器上示出了读数（如以mmol/升或任意其它单位（诸如mg/升）表示的葡萄糖值）。传感器可具有对于高葡萄糖水平和低葡萄糖水平的警报。由于需要由用户通过使用标准葡萄糖传感器来校准传感器装置，传感器可利用蓝牙接收该校准，蓝牙使得用户能够通过移动电话发送校准数据。移动电话也可以是用于显示葡萄糖数据的装置。葡萄糖传感器中的微控制器或ASIC被编程为对输入数据（如校准数据或使得其以基础文本对葡萄糖值进行响应的其它数据）进行解释。接收装置将具有使得用户能够将信息发送到葡萄糖传感器的键盘和进行这样操作所需的软件。
对从上述葡萄糖传感器发送的数据进行处理的软件包括对信号（数字或图）、警告信号以及历史数据（诸如，葡萄糖水平的均值、值上升和下降的速率）的不同计算的交替显示。在低血糖/高血糖的情况下，警报将偏离预设点。对于上升和下降速率比预设值较快或较慢的情况是相同的。如果温度过高，则在用户正遭受脱水和/或低盐水平的情况下，警告文本优选地向用户通知所显示的值可能是错误的。除了胰岛素的量以及注射的胰岛素或药片的类型之外，用户还可以添加关于锻炼以及他或她将食用的食品种类的信息，以使得葡萄糖值变得可理解。优选地，软件可传递将做什么的评述和建议。
本发明还提供了一种用于测量由膜的改变引起的膜（诸如皮肤）的电阻以及由膜弹性和液体成分的变化引起的液体特性的传感器，该膜在其一侧具有复杂或单一的液体。诸如通过改变糖尿病患者的葡萄糖水平以及人类和动物的乳酸而观察到的，通过利用施加于可以是耳垂的组织的机械脉冲和/或振动、根据牛顿第二定律而测量体液和膜的加速度或压力变化。体液密度和膜弹性的变化给出了要根据设定值记录的膜弹性和体液中的溶质浓度的变化的度量。
根据本发明，机械脉冲可以由具有铁芯的电磁体产生，当激励电磁体时，使得该铁芯为磁性的，并且其中，脉冲体可以是具有与铁棒中的磁极相同的磁极的永磁体，这使得永磁体与铁芯相斥。脉冲还可以由磁致伸缩材料产生，该磁致伸缩材料在磁场的影响下膨胀。脉冲的检测可以由检测线圈或可变电容器来记录。
实现本发明的另一种方式将是向膜施加振动力，其中，振动的阻尼及其振幅与液体的衰减有关，该液体的衰减是由体液的密度和膜弹性的变化引起的。振幅将给出要根据设定值记录的膜弹性和体液中的溶质浓度的变化的度量，并且该度量将被示为以mmol/升或mg/dl或任意其它单位为单位的葡萄糖水平的变化。
振动力可由磁振动器或压电振动器来产生，并且其振幅可以由小的自感应线性或圆形发生器或任何其它接收器（诸如，可以检测由其一侧的体液成分的变化引起的膜的改变弹性而引起的改变幅度的变化的麦克风）来检测。
本发明还提供了一种用于测量组织对象的至少一种属性的传感器的结构，该结构包括连接在其各自的基本部分处并且在基本上相同的方向上从此延伸的第一和第二细长载体，并且具有用于将远离基本部分设置的第一和第二细长载体部分各自的第一部分夹到组织对象的相应的相对侧的装置，其中，第一载体在其第一部分承载有第一换能器，该第一换能器具有激励输入端并且包括具有可移动元件的致动器，该可移动元件被布置成响应于提供到激励输入端的激励能量而在第二载体的第一部分的方向上加速，以便能够将激励能量的至少一部分传递到组织对象，并且第二载体在其第一部分中承载有第二换能器，该第二换能器具有信号输出端并且包括被布置成在第一载体的第一部分的方向上加速的拾取部，该拾取部响应于可移动元件的加速而在信号输出端处提供能量，以便能够将在信号输出上传递包括从组织对象拾取的激励能量的至少一部分的接收信号。
在本发明的优选实施例中，传感器包括以上结构，并且收发器和信号处理电路耦合到激励输入端和信号输出端，并且被布置成：a）根据预定时间模式以单脉冲、脉冲列或变化的形式提供激励能量；b）准备并存储接收信号数据，以及c）针对时间模式处理所存储的接收信号数据以确定变化。
下图示出了本发明的原理的示例，但是应理解，任何设计都可以应用于利用检测体液的密度变化的原理作为用于检测体液中的溶质的浓度变化的措施，而不背离仅由本发明的权利要求限定的本发明。
以下将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了使用恒定脉冲的本发明的实施例。
图2示出了图1的实施例的布线图。
图3示出了本发明的另一实施例。
图4示出了图1的实施例的另一变型。
图5示出了图4所示的实施例中的脉冲发生器的布局。
图6示出了图5的脉冲发生器产生的脉冲形状。
图7示出了本发明的另一实施例。
图8示出了图7的布线图的原理布局。
图9示出了图7所示的原理的变型。
图10示出了图9的实施例的布线图。
图11示出了本发明的又一实施例。
图12示出了包括本传感器的仪器的实施例。
图13示出了包括根据本发明的传感器的仪器的另一实施例。
图1示出了具有恒定脉冲F的仪器。该仪器包括由具有夹持装置的第二主体B构成的壳体H，壳体H容纳具有其铁棒G的线圈F和附接到冲击主体D的可变电阻器或电容器E。当将来自电源的电流脉冲施加到线圈时，其将相对于与靠着耳垂A的冲击主体连接的电阻器或电容器而使得铁棒加速。不同的密度将给出可变电阻器或电容器的不同读数，并且其中，可以以葡萄糖水平的值给出读数。该仪器在使用之前必须被校准，这通过利用标准葡萄糖计测量葡萄糖水平来完成。根据所示出的葡萄糖水平的值，仪器将示出从设定点开始的变化读数。
图1A示出了该解决方案的布线图，其中，I是读取脉冲时间的计时器，J是迅速地将电流释放到线圈的电源。所释放的电力对于每个脉冲是相同的，并且这可以通过释放来自所装载的电容器的电流来实现。E是检测来自所激活的棒的力的可变电阻器或电容器。力被传送到微处理器K，微处理器K计算信号并且将其传送到发送器L，发送器L将信号无线地或有线地传送到接收器M，接收器M将所检测的信号示为从设定点开始的变化。如果预先测量的葡萄糖水平假定是5mmol/升，则所示出的在该葡萄糖水平处的脉冲值被示出为与脉冲所给出的任何值相同的值，例如x。根据值x+z，这示出了高于5的数值。
图2示出了如图1中的仪器，但是其中，可变电阻器或电容器被硅压力换能器或硅加速度计O替换，该硅压力换能器或硅加速度计O拾取通过恒定脉冲产生的压力或加速度。
脉冲将相对于皮肤而使得换能器加速，并且所记录的压力与被移位的组织的密度有关。当使用加速度计时，加速度与两种情况下的被移位的组织的质量有关；密度是葡萄糖含量的函数。
布线图将与图1A的布线图类似。
图3示出了又一布局，其中，两侧的耳垂支撑是环形形状P，并且其中，在静止位置的铁棒上的冲击部（压力换能器）在激活脉冲发生器之前没有接触皮肤。应理解，脉冲发生器可以是任意种类的快速加速度计，诸如压电脉冲发生器，其中，压电晶体的膨胀提供了机械移动。压电晶体还可以被在磁场的影响下膨胀的其它材料来替换，诸如作为铽、镝和铁的合金的Terfonol。布线图将与图1大致一样。
应理解，该原理可以应用于可以由牛顿定律给出的任意配置。
所记录的数据可以通过蓝牙发送到手持仪器（诸如移动电话）。
图4示出了根据图1的布局的示例，并且图4A示出了图4的相关联布线图。
向可移动永磁体S提供了由具有固定且不可移动的铁芯Q的激活线圈F产生的磁脉冲。随着可移动磁体移动，其一个磁极将在检测线圈T中产生该线圈的电流，其中电压和电流的值（V和I）与磁体的速度有关，而磁体的速度又与由耳垂中的移位液体的密度变化引起的磁体端部的电阻有关。为了使可移动磁体具有相同的机械电阻，其被示出为附接到柔性弹簧R，该柔性弹簧随着时间的过去而维持其弹性特性。通过转动装置（screwdevice）U来调整传感器相对于耳垂的张力。
图4A示出了图4的布线图，其中电源I和电容器V被开路以通过电阻器W进行电荷释放。检测线圈被示为T，其中，所产生的电流由电流检测器X来检测，并且其值在读取器Z中示出。
图5示出了脉冲发生器的实际布局，并且图6示出了从脉冲发生器产生的脉冲形状。
以下计算可以被示出为原理的说明：
基本公式F=m*a N
m=要加速的质量 kg
a=加速度 m/s2
具有恒定力的恒定脉冲给出了随m变化的可变加速度
以下示出了计算结果。
检测来自膜及其相关联的液体的组合电阻的变化的又一原理是在连接到耳垂的主体上施加振动力。通过向主体施加振动力，其阻尼将与膜（这里为皮肤）的柔性和体液的物理特性有关。随着体液的密度改变，振动的振幅将通过增加密度而增大并且反之亦然，因此是耳垂的变化电阻的值。
图7示出了该原理的示例，其中，U形主体B连接到耳垂A，其具有频率可控振动器AA和包括由线圈围绕的磁芯的发生器BB。当激活振动器时，诸如耳垂的主体进入振动并且使得磁芯加速。磁芯的加速度与振动的振幅有关，而振动的振幅又与由体液的变化引起的振动阻尼有关。
图8示出了图7的布线图的原理布局。
CC是激活振动器AA的电源，并且其频率由频率控制器DD来控制。发生器BB连接到安培计EE，该安培计EE将所记录的电流值传递到对值进行计算的微处理器FF，并且通过GG有线地或无线地将值发送到接收器HH，接收器HH以从设定点开始的数字来呈现振动的变化的值。
图9示出了与图7所示的原理相同的原理，但是其中发生器被附接到主体从而检测振幅变化的麦克风II替代。
图10示出了图9的布线图的原理布局。
存在大量利用加速度与密度的关系曲线来记录固体、气体或液体的属性的专利。美国专利2,358,374示出了用于借助于浸入液体中的振动体（叶片（vane））来测量液体和/或气体的密度的仪器。本申请不将任何主体浸入液体本身中，而是对分隔液体的膜（即，活的人类或动物的皮肤）施加脉冲或振动。
本发明的目的不是给出液体的实际密度的数字，而是示出流体密度、膜弹性和由液体成分的改变引起的粘性的变化，如上所述，弹性或粘性均有助于给出传感器所感测的电阻的区分信号。如上所述，需要通过利用标准葡萄糖传感器测量葡萄糖含量来校准传感器，由此传感器将检测从设定点开始的变化。例如，如果所测量的葡萄糖水平时5.5mmol，则无论传感器给出什么信号，该信号都可被设置为5.5mmol，并且从该值开始的任意改变将从该设定点开始变化。
可以根据如这里所描述的本发明的原理而使用的、用于产生脉冲的又一方式是使用如图11所示的空气脉冲。
示出了附接到耳垂（A）的主体（B），其具有连接到管（7）的中空主体（1）和连接到空气源（2）的快速放气阀（3），该空气源（2）可以是微型压缩机或用于压缩空气的其它适当装置。在中空主体（1）上附接了包括温度传感器和用于将值传输到外部读取器（6）的电子装置的压力传感器（5）。当空气源（2）中的压力达到了预设压力时，压力检测器（4）检测该压力，该压力检测器（4）将信号传送到阀（3）以使其打开，从而使得空气脉冲逸入中空主体（1）并且朝向空气叶（airlobe）。空气脉冲的压缩将与皮肤的弹性和下层组织有关，该下层组织的液体含量的密度与液体溶质的浓度有关。
压力由压力换能器（5）来检测。由于压力脉冲可能受周围温度的影响，因此附接到换能器（5）或附接在主体（B）上的微处理器根据所记录的温度将信号补偿为系统的预设平均温度。
该原理的另一应用可以通过使用振动力来获得，其中，振动的振幅也遵循牛顿第一定律，并且其中，振动的阻尼与液体的衰减有关，而液体的衰减又与其溶解的溶质有关并且因此与其密度有关。
该振动原理还可以被并入其它壳体中，诸如手指上的戒指。
图12示出了当使用被示为戒指中的戒枕（10）的脉冲冲击主体时的原理的布局，并且其中，（11）是显示器，该显示器示出了从处理器和位于显示器下方的电源读出的值。
图13示出了具有被布置为戒指中的多个振动元件的振动源（13）的布局，其中显示器和相关联的电子装置如图12来布置。
振动力的使用可以通过传感器的任意设计来施加，并且施加于其任意位置，例如在耳垂上。
在描述了本发明的优选实施例的情况下，对本领域技术人员来说明显的是，可使用包括该构思的其它实施例。以上示出的本发明的这些和其它示例仅旨在作为示例，并且本发明的实际范围由所附权利要求来确定。

Claims (8)

1.一种传感器，用于以非侵入式方式测量体液的密度或膜的电阻，其特征在于，所述传感器包括：脉冲发生器；温度传感器；以及换能器，用于遵循牛顿第二定律F＝m*a登记根据所述体液和皮肤的弹性的脉冲速度，其中，当以牛顿(N)为单位施加恒定力F时，m是所显示的体液的质量，并且a是以m/s2为单位的加速度，其中，所述换能器连接到微处理器，在所述微处理器中，来自所述换能器的信号根据所记录的温度而被补偿为预设平均温度并且被转换成所述体液的相对密度和膜弹性的值，
其中，所述脉冲速度与所述体液的成分和所述皮肤的弹性有关，以及所述相对密度与所述体液的成分有关。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述脉冲发生器以机械脉冲、振动力、压缩空气/液体脉冲或声波的形式来产生脉冲。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述脉冲发生器产生机械脉冲。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，利用气动脉冲或液压脉冲来产生所述机械脉冲。
5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，由电磁体或磁致伸缩材料来产生所述机械脉冲，并且其中，由检测线圈或可变电容器、光二极管、加速度计、麦克风或能够监测所述机械脉冲的冲击的任意其它感应拾取装置来记录所述脉冲的检测。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述机械脉冲可以是单个脉冲、脉冲列或振动的形式。
7.根据任一上述权利要求所述的传感器，其特征在于，计算所记录的值以给出葡萄糖值的改变速率，并且其中，以具有对用户的相关联警告和推荐的图和/或数字在显示器上显示所述速率。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述膜是人的皮肤。
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