CN104545866A - 包括磁通门传感器的心脏脉搏监测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括磁通门传感器的心脏脉搏监测器。一种心脏脉搏监测器(100)包括永磁体(120)，永磁体(120)包括用于固定永磁体使其与佩带者的血管可位移接触的安装结构(110)。永磁体具有限定血液流动时永磁体可位移的轴向方向的厚度。磁通门传感器系统(150)放置在轴向方向上距离永磁体一段距离的位置处，以从其感测轴向磁场。永磁体在佩带者的心脏脉搏时在轴向方向上位移，从而导致轴向磁场的变化，该轴向磁场由磁通门传感器系统通过感测线圈(152)上感应的AC输出信号的变化而感测。处理器(158)经耦合接收来自感应的AC输出信号的信息。该处理器实施标定数据，其将来自感应的AC输出信号的信息转化为佩带者的心脏脉搏测量。
Description
技术领域
本发明所公开的实施例涉及包括磁体的非侵入性心脏脉搏监测器。
背景技术
为准确测量，常规2点心脏脉搏测量要求电极放置在心脏两端，通常使用胸带或电极。无带接触也是已知的，但是其要求用户用另一只手触摸手腕以便获得脉搏读数。可替代的已知方法使用反射脉搏血氧测量技术，但是其要求相对复杂的电路(例如，发光二极管(LED)、检测器、LED驱动器等)。
发明内容
本发明所公开的实施例描述了非侵入性心脏脉搏监测器，其包括与磁通门传感器系统结合的永磁体和安装结构，其中安装结构用于固定永磁体，使其与心脏脉搏监测器的佩带者的血管可位移接触。永磁体具有限定轴向方向的厚度，当血液在血管中流动时，永磁体在该轴向方向上变成位移的。磁通门传感器系统放置在轴向方向上距离永磁体标称距离的位置处，并且相对永磁体对齐，以从其感测轴向磁场。
当永磁体由于心脏脉搏在轴向方向上位移时，引起的轴向磁场的变化，其由磁通门传感器系统通过其感测线圈上感应的交流电(AC)输出信号的变化来感测。处理器经耦合以接收来自感应的AC输出信号的信息，该处理器应用将来自感应的AC输出信号的信息转化为佩带者的心脏脉搏测量的标定数据。因此，通过脉搏引起由磁通门传感器系统感测的来自永磁体的磁场波动，所公开的心脏脉搏监测器能够实现简化的单点心率/脉搏测量。
附图说明
现在参考不必按比例绘制的附图，其中：
图1A示出根据一个示例实施例的包括永磁体和磁通门传感器系统的示例心脏脉搏监测器，永磁体与心脏脉搏监测器的佩带者的血管可位移接触放置，其中磁通门传感器系统感测永磁体的运动。
图1B示出根据一个示例实施例的体现为环形铁芯磁通门的示例磁通门传感器系统。
图2示出根据一个示例实施例的包括永磁体和第一磁通门传感器系统与第二磁通门传感器系统的示例心脏脉搏监测器。
图3示出根据一个示例实施例的包括永磁体和连同重量监测设备的磁通门传感器系统的示例心脏脉搏监测器，其中重量监测设备测量佩带者的热量(caloric)输出。
图4A示出包括用于本文所述测试的双铁芯磁通门传感器系统的心脏脉搏监测器配置。
图4B示出沿着用于图4A所示的双磁芯磁通门传感器系统的磁通门轴线的B场幅值。
图4C示出对于双铁芯磁通门传感器系统中的铁芯之间的各种磁通门间隙(fgGaps)，作为永磁体和磁通门传感器系统之间的磁通门高度(fgHeight)(单位为mm)的函数的图4A所示的磁通门传感器系统感测的模拟的B场(单位为mT)的曲线图。
具体实施方式
参考附图描述示例实施例，其中相同的附图标记用于指明类似或等效的元件。所示出的行为或事件的顺序不应看作限制性的，因为一些行为或事件可以不同的顺序发生和/或与其他行为或事件同时发生。此外，一些示出的行为或事件可以不被要求实施根据本公开的方法。
图1A示出根据一个示例实施例的包括永磁体120和磁通门传感器系统150的示例心脏脉搏监测器100，永磁体120经配置和手腕带110一起与心脏脉搏监测器的佩带者的血管可位移接触，其中磁通门传感器系统150邻近地感测永磁体120的移动。邻近通常为1mm的量级，诸如0.02mm-30mm。地球磁场能够在永磁体120和磁通门传感器系统150之间设定近似最大有用距离。
所示磁通门传感器系统150安装在可选的印刷电路板(PCB)160上。PCB 160允许诸如IC(例如，低通滤波器、放大器、模数转换器(ADC或A/D)和用于来自磁通门传感器系统150的感测线圈(参见在下述图1B中的感测线圈152)的电子信号的信号处理的数字信号处理器(DSP))的电子电路的安装。各个IC连同用于储存处理器可如下述实施的算法的存储器芯片一起能够是多芯片模块(MCM)的部分。
心脏脉搏监测器100具有示为手腕带110的安装结构，其中手腕带100呈适合人的手腕的手链形状，其固定永磁体120，使其相对于心脏脉搏监测器的佩带者的周边血管“可位移接触”。如在此所使用的，“可位移接触”是指直接或间接接触，从而流动通过血管的血液的脉搏按压邻近永磁体120的血管时，永磁体120受力并在轴向方向上变成位移的。手腕带110或其他安装结构能够是灵活的，这允许永磁体120自身很大程度上即使是不灵活的，但仍然提供轴向位移。
如在磁体领域中已知的，永磁体由磁化的并建立其自己的永久磁场的材料(即，铁磁材料)制成。手腕带110一般包含具有固定在其中的永磁体120的柔性塑料材料。永磁体120具有限定所示轴向方向的高度(或厚度)，当血液在佩带者的血管中流动时，永磁体120在轴向方向上可位移。
磁通门传感器系统150放置在轴向方向上距离永磁体120标称距离的位置处，诸如由至少一个垫片(参见下述图2中的垫片216和垫片217)所提供的标称距离。磁通门传感器系统150相对于永磁体120对齐，以感测永磁体120的轴向磁场。
永磁体120被选为提供主要在所示的轴向方向上的磁场，并且提供适当的磁场强度。在一个实施例中，永磁体120为极化(程序化)磁体，其能够体现为“冰箱磁体”，也称为Halbach阵列布置。与大多数具有明显南北极的常规磁体不同，冰箱磁体是扁平的并且由复合材料(聚合物和诸如镍(Ni)薄片的磁性离子一起)制成，其通常由平面的相同表面上的交替的南北极构造。
尽管安装结构示为手腕带110，但是安装结构可以在佩带者的其他位置上，诸如在上臂、脚踝上，或脖子上。在这些身体部位中的每个中，已知经过周边血管。
图1B示出根据一个示例实施例的体现为环形铁芯磁通门传感器系统的示例磁通门传感器系统150′。磁通门传感器系统150′包括示为环形铁芯的至少一个磁芯151，和均邻近磁芯151的感测线圈152与驱动线圈153。名字“磁通门”来源于磁芯151用门控制磁通量进出感测线圈152的行为。驱动电路155经耦合以驱动驱动线圈153。在其他实施例中，磁通门传感器系统能够包括第一磁芯和第二磁芯。
所示处理器(例如，DSP)158经耦合以接收具有来源于感测线圈152上感应的AC输出信号的信息的数字化信号，如图所示，处理器158包括耦合到感测线圈152的模数(A/D)转换器157提供的数字化功能。尽管未示出，但是低通滤波器和放大器一般也包括在典型的磁通门传感器系统中。感测线圈152上的AC输出信号本质上与磁场成比例。由于随着永磁体120和磁通门传感器系统150′之间的距离增加，磁场强度非线性衰退(减弱)，所以非线性数学处理一般用于确定用户的心脏脉搏。在图1B中所示的处理器158能够实施储存在图1B所示的存储器159中的标定数据，以将感应的AC输出信号转化为心脏脉搏测量。标定数据也可由制造商提供，或通过模拟确定或者根据经验为主确定。
如在本领域中已知的，磁通门传感器系统操作的基本原则为测量的磁场Bext与参考磁场Bref的比较。Bref能够具有包括正弦波、方波或三角形交变信号的各种形状。Bref通过来自驱动线圈153的B场激发至磁芯151，并由驱动电路155驱动。测量的磁场Bext与Bref叠加。然后感测线圈152(拾波线圈)感测将要估计的磁芯151中的Bext。
磁通门传感器系统的灵敏度取决于磁芯151材料的磁导率。在感测操作中，当Bext发生变化时，感测线圈152的感应AC信号输出变化。该变化的程度和相位能够经分析以确定磁通线的强度和方向。感测线圈152上的感测卷绕信号(winding signal)将是驱动线圈153上的驱动卷绕信号的两倍，因为感测卷绕信号在感测线圈152的正负半周期上均出现。
感测线圈152上的磁通门输出一般为矩形脉搏，其频率与磁场成反比改变。使用诸如LM 2907(来自美国国家半导体公司的频率到电压转换器)或等效的频率到电压转换器，磁通门传感器的频率输出能够转化为电压。
图2示出根据一个示例实施例的包括永磁体120和第一磁通门传感器系统1501与可选第二磁通门传感器系统1502的心脏脉搏监测器200。示为216和217的垫片用于将永磁体120支撑在其外部，并且用于设定永磁体120与第一磁通门传感器系统1501之间的轴向距离和永磁体120与第二磁通门传感器系统1502之间的轴向距离。
第二磁通门传感器系统1502提供反映B场的感应的AC信号，示为B1，之后，通过处理器158利用来自第一磁通门传感器系统1501的感应的示为B1+△B的AC信号实施差函数的的差计算的信号处理和数字化。这种布置能够实现解调(移除)输出信号中存在的噪音，诸如邻近房间墙壁、地球磁场和其他磁场失真源感应的AC噪音信号的形式。
图3示出根据一个示例实施例的包括在图1A中所示的示例心脏脉搏监测器100的感测部分100′的健康监测组合件300，其中心脏脉搏监测器100包括永磁体120和连同PCB 160上的重量监测设备310的磁通门传感器系统150，所述重量监测设备310测量佩带者的热量输出。重量监测设备310能够包含基于热通量的设备或加速计。尽管重量监测设备310被示出与磁通门传感器系统150在相同的PCB 160上，以有助于利用与磁通门传感器系统相同的处理器，但是重量监测设备310能够在分离的支撑结构上。尽管未示出，但是健康监测组合件300也能够包括监测器或屏幕，在其上显示指示佩戴者的心脏脉搏性能和热量消耗率的参数。
所公开的具有永磁体和磁通门传感器系统的心脏脉搏监测器的优点包括成本低和参考设计简单、尺寸小，并且能够实现单点非电接触测量技术。而且，无需光学器件，所以无需瞄准线。
实例
图4A中描绘的设置用于具有磁通门传感器系统的示例心脏脉搏监测器的场模拟，其中磁通门传感器系统包括具有500nT分辨率、1mT范围的1500μm×100μm第一磁通门磁芯和第二磁通门磁芯，其中铁芯之间的间隙(fgGap)为1mm。永磁体(直径1.6mm，高度/厚度0.8mm)和图4A所示的磁芯之间的面内位置之间的标称距离(fgHeight)为0.6mm。图4B描绘了沿着所示的磁通门轴线(轴向方向)的B场幅值。
与NdFeB级N42相比，重复永磁体的模拟大约弱50x，其中表面场强约100G(10mT)。图4C示出针对各种fgGaps，磁通门传感器系统(单位为mT)感测的作为fgHeight(单位为mm)的函数的模拟的B场的曲线图。对于1mm的FgGap，脉搏引起永磁体120位移时，场变动为.014”或356μm，其对应于磁场在磁通门上变化377μT。005”或127μm对应于磁场强度在磁通门上变化164μT。这些场变动幅值能够由常规磁通门传感器系统检测。
本公开所涉及的本领域的技术人员应该清楚，在本发明的保护范围内，许多其他实施例和实施例的变化是可能的，并且在未背离本公开的保护范围的情况下，可对所描述的实施例作出进一步的添加、删除、替换和修改。
Claims (14)
1.一种心脏脉搏监测器，其包含：
永磁体，所述永磁体包括用于固定所述永磁体使其与所述心脏脉搏监测器的佩带者的血管可位移接触的安装结构，所述永磁体具有限定轴向方向的厚度，在所述轴向方向上当血液在所述血管中流动时，所述永磁体变成位移的；
至少第一磁通门传感器系统，其包括至少一个磁芯、感测线圈和邻近所述磁芯的驱动线圈，以及经耦合以驱动所述驱动线圈的驱动电路，其中所述第一磁通门传感器系统放置在所述轴向方向上距离所述永磁体标称距离的位置处，并且相对于所述永磁体对齐，以从其感测轴向磁场，以及
其中当所述永磁体由于所述佩带者的心脏脉搏而在所述轴向方向上位移时，引起所述轴向磁场变化，所述轴向磁场由所述第一磁通门传感器系统通过所述感测线圈上感应的交流电即AC输出信号的变化而感测，
处理器，其经耦合以接收来自所述感应的AC输出信号的信息，以及
其中所述处理器实施标定数据，其将来自所述感应的AC输出信号的信息转化为所述佩带者的心脏脉搏测量。
2.根据权利要求1所述的心脏脉搏监测器，其中所述安装结构包含手腕带。
3.根据权利要求1所述的心脏脉搏监测器，其中所述安装结构为灵活底座，其响应所述佩带者的所述心脏脉搏在所述轴向方向上位移所述永磁体。
4.根据权利要求1所述的心脏脉搏监测器，其进一步包含第二磁通门传感器系统，所述第二磁通门传感器系统充分地横向远离所述第一磁通门传感器系统放置，以在所述永磁体在所述轴向方向上位移时，不感测所述轴向磁场的所述变化。
5.根据权利要求1所述的心脏脉搏监测器，其进一步包含测量所述佩带者的热量输出的重量监测设备，所述重量监测设备测量由所述安装结构固定或放置在所述安装结构内。
6.根据权利要求1所述的心脏脉搏监测器，其进一步包含印刷电路板即PCB，其中所述第一磁通门传感器系统和所述处理器安装在所述PCB上。
7.根据权利要求6所述的心脏脉搏监测器，其中所述标称距离由至少一个垫片设置，所述垫片放置在所述永磁体的外部和所述PCB之间。
8.根据权利要求1所述的心脏脉搏监测器，其中所述标称距离为从0.02mm到30mm。
9.一种心脏脉搏监测的方法，其包含：
固定心脏脉搏监测器的安装结构，所述心脏脉搏监测器包括与所述心脏脉搏监测器的佩带者的血管可位移接触的永磁体，所述永磁体具有限定轴向方向的厚度，在所述轴向方向上，当血液在所述血管中流动时所述永磁体变成位移的，和至少第一磁通门传感器系统，该系统包括至少一个磁芯、感测线圈与邻近所述磁芯的驱动线圈，和经耦合以驱动所述驱动线圈的驱动电路，其中所述第一磁通门传感器放置在所述轴向方向上距离所述永磁体标称距离的位置处，以从其感测轴向磁场；
响应所述永磁体由于所述佩带者的心脏脉搏而在所述轴向方向上位移而引起所述轴向磁场的变化，从所述感测线圈接收感应的交流电输出信号，即AC输出信号，其中所述轴向磁场由所述第一磁通门传感器系统通过所述感应的AC输出信号的变化来感测，
使用具有标定数据的处理器，将来自所述感应的AC输出信号转化为所述佩带者的心脏脉搏测量。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含显示所述心脏脉搏测量。
11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含第二磁通门传感器系统，所述第二磁通门传感器系统充分地横向远离所述第一磁通门传感器系统放置，以当所述永磁体在所述轴向方向上位移时，不感测所述轴向磁场的所述变化，以及
使用来自由所述第二磁通门传感器系统提供的背景感应的AC信号的信息，利用来自所述感应的AC输出信号的所述信息执行差函数，以降低影响所述心脏脉搏测量的背景磁场失真。
12.根据权利要求9所述的方法，其中测量所述佩带者的热量输出的重量监测设备由所述安装结构固定或在所述安装结构内，所述方法进一步包含显示所述佩带者的所述热量输出。
13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含印刷电路板即PCB，其中所述第一磁通门传感器系统和所述处理器安装在所述PCB上，并且其中所述标称距离由放置在所述永磁体的外部和所述PCB之间的至少一个垫片设定。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述标称距离为从0.02mm到30mm。
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