CN107851359B - 一种通过模拟多区域压敏垫对人进行监测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种压敏垫，通常为平面形状，用于放置在床垫或坐垫下方，能够根据施加于其上的压力来输出一系列信号，包含多个敏感区域，每个区域被连接至一个相应的控制器，配置为测量每个区域上的压力。压敏垫包含两个导电层；位于两个导电层之间的一个可变导电泡沫层；以及一个带有多个孔的非导电层，置于两个导电层中的第一层与导电泡沫层之间。一种可使用所述压敏垫的系统，进行校准，以针对一系列床垫类型和床垫重量以及人的体重来检测人在与不在；并在人在床垫上时确定人的相对重量和位置。

Description

一种通过模拟多区域压敏垫对人进行监测的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请主张自2015年5月15日提交的序列号为62/161,903的美国临时专利申请和2016 年3月14日提交的序列号为62/307,774的美国临时专利申请之后的优先权，这两份专利申请均通过引用整体纳入本文中。
发明背景
压敏垫在医疗领域用于感知某一表面(例如椅子或床)上是否存在被监测人员。
压敏垫可能在床垫/坐垫下方或床垫/坐垫上方使用。位于床垫上方的压敏垫可能会接触到人的体液。由于可能因对皮肤压力造成细微的变化而引发褥疮，压敏垫有时也会成为护理管理者所担忧的问题。
发明人发现，当在床垫/坐垫下方使用时，业内已知的压力开关垫并不很可靠。床垫/坐垫的厚度、软硬程度和内部结构的差异会导致偶发行为，这将导致对被监测人员存在或不在的检测不可靠。产生这种情况的一个原因是，基本型压敏垫是按照具备特定的力敏感度而设计，其值必须经过精心选择。如果压敏垫过于敏感，床垫/坐垫本身就会触发压敏垫的检测。如果压敏垫检测值过于宽松，则其可能无法检测到体重较轻的人的存在。而由于不同型号的床垫会有不同的质量，且一个人的重量会分布到不同的区域上，问题会变得更加复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用一种模拟式压敏垫，其可测量多种压力并传送数据，而非简单的通断式开关。随后此数据可由一控制器读取并被处理，例如对其随时间的变化进行评价，并/或与此前的读数进行比较。这种处理可实现同一模拟式压敏垫对不同类型床垫和不同体重的使用者的自动校准。由此，对于多种床垫/坐垫类型和重量以及多种使用者而言，均可对使用者是否在床上作出检测。在本发明的一些实施方式中，压敏垫具有皮重计量(相对重量)功能，使与压敏垫连接的监测器可以计入所用床垫/坐垫的重量，并从计算得出的总重量值中减去该重量，以获得使用者的重量测量值。
在本发明的其他实施方式中，控制器被配置为定期提取来自压敏垫的自动测量值，并将它们在闲置时段(即已知该人员并不在床垫上的时间)上取平均值，以此对皮重进行自动校准。此方式与一些智能阈值相结合，可以对由于卧具、枕头等随时间发生变化所引发的重量差异加以校正。
这种解决方案还具有额外的优势，即只需让人在白天或夜间躺在床上即可获得一个人的相对重量测量值。相对重量测量可用于检测使用者在一段时间内的体重增加或减少量，如果加以正确的校准，还有可能提供实际体重测量值(以磅、千克等为单位)。历史相对重量测量还可能有助于检测可能跳上床的宠物(例如狗等)，而在其他方案中，宠物的跳上可能会触发基本型压敏垫的检测。
应该指出，本发明的压敏垫可以在任何种类的床垫坐垫下方使用。在本文件的后续部分，“床垫”一词应涵盖人可能会坐、卧于其上的任何类型的床垫、坐垫或支承物。
(1)在一种变化型式中，压敏垫通常为平面形状，用于放置在床垫或坐垫下方，能够根据施加于其上的压力来输出一系列信号。
(2)在另一种变化型式中，压敏垫按照基本不使床垫或坐垫变形的方式配置。
(3)在除上述之外的另一种变化型式中，压敏垫包含有以下各项中的至少一项：导电薄膜；导电泡沫；导电油墨；以及应变仪。
(4)在除上述之外的另一种变化型式中，压敏垫包含多个敏感区域，每个区域被连接至相应的控制器，配置为测量每个区域上的压力。
(5)在除上述之外的另一种变化型式中，压敏垫包含两个导电层。在这两个导电层之间布置有可变导电层，其配置使得当有压力施加在可变导电层上且可变导电层被压缩时，可变导电层的电阻减小。两个导电层被可变导电层隔开，使得两个导电层之间的电阻在有压力施加到压敏垫上时减小，原因是随着压敏垫上的机械压力增加和可变导电层的压缩，两个导电层之间的电导率得以增加。
(6)在压敏垫的一种变化型式中，可变导电层是导电泡沫层。
(7)在另一种变化型式中，压敏垫包含带有多个孔的非导电层，置于两个导电层中的第一层与导电泡沫层之间。施加在压敏垫上的压力会增加第一导电层与导电泡沫之间的接触，由此使两个导电层之间的电导率提高。
(8)在除上述之外的另一种变化型式中，压敏垫包含控制器，控制器被连接至两个导电层，并被配置为输入经两个导电层传递的信号，以读取源自经导电层传递的输入信号的输出信号；压敏垫还包含两个用以容纳和保护导电层的护套层。
(9)在除上述之外的另一种变化型式中，一种用于检测一个人的重量或重量随时间的变化或人在床垫上的运动的系统，包含：模拟式压敏垫；和被配置为对接收自压敏垫的数据进行处理的控制单元，该控制单元可以：(a)对系统进行校准，以针对一系列床垫类型和床垫重量以及人的体重来检测人在与不在；(b)当人在床垫上时确定人的相对重量。
(10)在系统的除上述之外的另一种变化型式中，控制单元可以：(c)将经过处理的数据发送给远程系统；(d)如果涉及人员在/不在的不好情况出现，则发出报警；以及(e) 如果特定的输入被接收，则停止报警。
(11)在系统的一种变化型式中，压敏垫是针对在床垫下方布置而配置的可变压敏垫。
(12)在另一种变化型式中，系统包含本地输出单元，其被配置为，针对基于来自压敏垫的信息所判定的人员的不良状况，发出报警。
(13)在除上述之外的另一种变化型式中，系统包含本地输入，其被配置为接收终止信号，通报给控制器，条件是控制器被配置为终止已发出的报警。
(14)在除上述之外的另一种变化型式中，系统包含远程通信单元，其被配置为将经过控制单元处理的数据传送至远程系统。
(15)在系统的除上述之外的另一种变化型式中，所传送的数据为提示数据。
(16)在系统的另一种变化型式中，数据为重量数据。
(17)在一种变化型式中，一种用以对在模拟式压敏垫置于重量未知的床垫下方、人位于床垫上的情况下检测人重量的可变压敏垫的校准方法，该校准包含：a)将可变压敏垫置于床垫下方；b)测量来自压敏垫的最高值、最低值、最近值和平均值；c)如果差值小于某一阈值，则收集更多的数据，直至超过阈值；d)如果差值大于该阈值，则确定去激活区，其中所述去激活区是从所述最高值到所述最低值和所述最高值的函数的变化值；确定激活区，其中激活区是从所述最低值到所述最低值和所述最高值的第二函数的变化值；以及确定过渡区，其中所述过渡区是激活区的最高值与去激活区的最低值之间的变化值；e)如果所述平均值处于过渡区内，则执行迭代进程，即通过第二量值降低记录最高值，所述第二量值为此前记录最高值与最低值的第三函数，和通过第三量值提高记录最低值，所述第三量值为此前记录最高值与最低值的第四函数，直至最近值处于过渡区之外为止。
(18)在所述方法的另一种变化型式中，第二量值与第三量值相等。
(19)在另一种变化型式中，一种用以在重量未知的床垫上使用压敏垫确定人的相对重量的方法，其中压敏垫位于重量未知的床垫下方、人位于床垫上，所述方法包含测量压敏垫的输出电压，并根据输出电压确定人的相对重量。
(20)在除上述之外的另一种变化型式中，使用床垫下方的压敏垫确定床垫上的人的运动的方法，包含将一段时间内输出的测量值与每个敏感区域进行比较，并确定在一段时间内来自第一区域的输出是否高于相邻区域。
附图简要说明
下文将根据一种或多种不同的实施方式、参照以下附图对本发明进行详细说明。附图仅作例示之用，仅示出了本发明的典型或示例实施方式。这些附图旨在方便读者理解本发明，不应被视为对本发明的广度、适用范围或适用性的限定。应该注意的是，为了例示的清晰和简便起见，这些附图并不一定按照比例绘制。
本文所包含的一些附图从不同的视角示出了本发明的各种实施方式。尽管所附描述性文字可能将这些视图称为“顶”、“底”或“侧”视图，但这些称谓仅为描述性文字，除非明确声明
图1为根据本发明的一些实施方式示出包含一个模拟式压敏垫的监测装置的框图；
图2为根据本发明的一些实施方式示出图1中模拟式压敏垫的一个区域或未被划分区域的符合图1的压敏垫的示意图；
图3和4为根据本发明的一些实施方式示出图1中压敏垫或图1中压敏垫的一个区域的结构示例的示意图；
图5和6为包括图3和4中所示压敏垫的一个电路的示意图；
图7为图1中控制单元所使用的用以对接收自模拟式压敏垫的数据进行处理的一种方法的流程图；
图8为用以对如图1所示的压敏垫针对任何床垫和/或人进行动态校准的本发明的一些实施方式的一种方法的流程图；
图9为根据图8的方法、示出图1中一个压敏垫经过一段时间进行校准的电阻与时间关系图；
图10为示出本发明的一种系统的框图，其中控制单元与一个无线磅秤进行通信。
附图并非意在进行详尽列举，也并非要将本发明准确限定于所披露的形式。应该理解为，本发明可以采用经过修改和改变的方式实现，且本发明仅由权利要求及与之等效的表述加以限定。
具体实施方式
在本文中，时常会在示例环境中对本发明进行说明。借助这些环境进行的说明旨在使本发明的各种特征和实施方式可在示例应用场合的背景下得以体现。在阅读本说明之后，具备业内普通技能的人员将可显而易见地知晓本发明如何在不同的和替代性的环境中得以实现。
除非另有规定，本文使用的所有技术和科学术语与具备本发明所述行业内普通技能的人员的常规理解具有相同的意义。本文中所引用的所有专利、专利申请、已公开申请及其他出版物均通过引用纳入本文中。如果本节中给出的定义与通过引用纳入本文的专利申请、已公开申请及其他出版物中给出的定义相反或不一致，应以本文件中给出的定义而非通过引用纳入本文的定义为准。
图1为根据本发明的一些实施方式的一种监测装置的框图。所述监测装置包括压敏垫102 和控制单元104。作为可选方式，控制单元与本地记忆单元105通信，以对接收自压敏垫的数据进行存储，或使用远程通信单元110将数据传送至远程系统112，后者被配置用于对所接收的数据进行存储和/或分析。作为可选方式，系统包括本地输出单元106和本地输入单元 108。本地输出单元被配置为当检测到涉及使用者在或不在的不良情况出现时在本地发出警告。本地输入单元被配置为允许使用者或附近的任何人能够关闭该警告。作为可选方式，远程系统112被配置为向一个或多个预先确定的人员发送警告，将不良情况告知他们。
在本发明的一些实施方式中，远程系统112可由医疗人员操作，以分析使用者的状况，例如频繁的睡眠中断或体重快速增加。这些情况可能是心力衰竭的征兆，下文将进行说明。
在本发明的一些实施方式中，控制单元会对提示使用者睡眠频繁中断和/或体重快速增长的数据进行分析。如果控制单元根据预先确定的阈值确定使用者的睡眠中断频度过高且/或体重增长过快，则将通过通信单元110向可供医疗人员操作的一个远程系统发送一条通知。作为可选方式，还将由本地输出单元发出一条警告，以向此人告知其与心脏相关的风险。
在本发明的一些实施方式中，压敏垫102被配置为置于使用者的床垫下方，并包括一个电阻会变化的导电材料。此材料像导线一样可导电，但在被施加压力时，其电阻会减小。这样就可以采用诸如分压器等电阻测量电路来配合微控制器(MCU)的模数转换器(ADC)，以获得重量测量值。在本发明的一些实施方式中，本发明的可变电阻材料可能包括导电薄膜(例如，一种称为Velostat、由3M生产的薄膜，或其他任何与之类似的材料)、导电泡沫、在变形时会产生电阻变化的应变仪以及导电油墨中的一种或多种。作为可选方式，压敏垫与床垫/ 坐垫制成为一个整体，该压敏部分是床垫或坐垫中的一片或一层。
在本发明的一种实施方式中，模拟式压敏垫102被分为若干区域，这些区域的作用就像许多小的模拟式压敏垫以网格形式覆盖在整个压敏垫的表面区域上。每个区域均与微控制器上一个单独的ADC相连，并接受独立测量，以使软件能够具体确定出垫上哪一区域受压，压力有多大，在使用者移动时，区域之间的压力如何改变。图2所示为模拟式压敏垫102的一个区域，或者未被分区的一个压敏垫102。
检测位置和运动的意义在于，当人处于一个位置时间过长(可能导致褥疮)时，护理人员可以获得提示。此外，在使用者到达床的边缘、离开床之前时，看护者可以提前获得提示。如果未被认为会离开床的使用者处于床的边缘上时，可能会发出本地提示。
各个信号会从每个压敏垫传送至控制单元110，随后在CPU(可能在控制单元110或远程系统112内)内处理信号，对重量变化的幅度进行比较。作为可选方式，信号会在经过放大后被控制单元110接收。本发明的一些实施方式涉及对使用者何时开始离床动作、何时离开床、使用者处于同一位置的时间何时达到过长以及作为可选项的一个人的体重每日变化的迹象(包括充血性心力衰竭在内的若干情况的诊断值)加以确定的方法。相对重量测量可用于检测使用者在一段时间内的体重增加或减少量，如果加以正确的校准，还有可能提供实际体重测量值(以磅、千克等为单位)。历史相对重量测量还可能有助于检测可能跳上床的宠物(例如狗等)，而在其他方案中，宠物的跳上可能会触发基本型压敏垫的报警。
图3和4为根据本发明的一些实施方式示出图1中压敏垫或图1中压敏垫的区域的结构示例的示意图。
压敏垫102须依靠具有压敏电阻的电路。压敏垫102包括两个导电层8和9(例如，铝箔PET Mylar聚脂薄膜)，两者被非导电层13(例如，有模切切口的Mylar聚脂薄膜)和导电泡沫层12分隔开。作为可选方式，压敏垫102包括护套(层7和10)，用以对导电层8 和9、非导电层13以及导电泡沫12进行容纳和密封。作为可选方式，护套为采用射频焊接的乙烯基塑料覆层。作为可选方式，压敏垫102被完全密封且防水。
导线50被连接至每个导电层，并布设至电路板51，电路板51连接至微控制器单元(MCU)，微控制器单元可能是图1中控制单元104的组成部分，或者是与图1中的控制单元104进行通信。在本发明的一些实施方式中，限制电阻52被连接至电路板，并与每个导电层并联。包括导电层、非导电层和泡沫层的该装置作为与限制电阻52并联的压敏电阻工作。
作为可选方式，MCU的输出被引向连接至跌落报警器的模块式连接器。
上方导电层8和导电泡沫12的上表面被非导电层13隔开。下方导电层9与导电泡沫12 的下表面接触。
当没有压力施加在压敏垫102上或重量低于某一特定阈值压力时，上方导电层8和导电泡沫12的上表面仍然被非导电层隔开。导电层8与9之间的电阻非常大或接近无穷大。
压敏垫的输出电阻ROUT等于：
ROUT＝(1/RVAR+1/RLIM)-1
其中，RVAR为导电层8与9之间的可变电阻，而RLIM为限制电阻52的电阻。
由此，当施加在垫上的压力低于某一特定压力时，ROUT等于限制电阻的阻值。
当垫上的重量/压力增大时，上方导电层8被压缩，使得上方导电层8与导电泡沫12的上表面通过非导电层13上的孔14发生接触。增大的重量/压力也会压缩导电泡沫。由于导电泡沫被夹在两个导电层之间，两个导电层之间的导电泡沫12的电阻会减小。随着传感器垫上的重量/压力进一步增加，导电泡沫被压缩更多，导致导电泡沫12的电阻进一步减小，由此使两个导电层8与9之间的电阻RVAR减小。
随着RVAR的减小，压敏垫的输出电阻ROUT也减小。当垫上的重量/压力减小时，导电泡沫会恢复其原始形状，泡沫的电阻增大，由此使导电层8与9之间的电阻RVAR增大。因此，ROUT也会增大。
当重量/压力从垫上去除时，上方导电层8与导电泡沫12的上表面被非导电层13隔开。 RVAR由此增大并趋向于无穷大，由此ROUT等于限制电阻的阻值。通过跟踪ROUT值，可以计算出RVAR，并可确定出垫上的压力。
图5和6为根据本发明的一些实施方式、包括图3和4中所示压敏垫的一个电路的示意图。
该电路包括如上所述的压敏垫的可变电阻RVAR和限制电阻RLIM、电源PWR，以及读取VOUT的读取点。
在图5的示例中，压敏垫上没有压力，因此相比RLIM的阻值(例如，10kΩ)，RVAR非常高(例如，100ΜΩ)。在本例中，VOUT将与电源所提供的电压大致相同(例如，5V)。
在图6的示例中，压敏垫上有很高的压力，因此相比RLIM的阻值(例如，10kΩ)， RVAR非常低(例如，1Ω)。在本例中，VOUT将为499.95μV左右，远远低于电源所提供的电压(例如，5V)，接近于0。
在本发明的一些实施方式中，压敏垫不包括非导电层。此垫用电更多，但仍可正确地工作。
在本发明的一些实施方式中，对各区域进行读取并计算判断在床/不在床的微控制器与控制单元相分离。这样可将微控制器置于压敏垫内、垫的导线绳上、垫的连接器处，或者作为一个适配器，供压敏垫与之插接或无线连接。这样就可实现让一个具有有限处理能力的简单监测器与压敏垫配合工作。
图7为图1中控制单元所使用的用以对接收自上述模拟式压敏垫的数据进行处理的一种方法的流程图。应注意的是，可以使用整体或各部分的可变电阻与施加于其整体或各部分上的压力相关联的任何压敏垫。流程图的左支涉及对压敏垫所有区域所采集数据的处理分析。流程图的右支则涉及对来自压敏垫每一区域的数据的单独分析。
在500处，控制单元被开启。在502处，表示压力的数据被从模拟式压敏垫处读取。
在504处，将进行一项检查，以确定是否只有床垫在。当没有重量施加时，压敏垫的穿透电阻非常高，接近于无穷大。在没有床垫重量的条件下，压敏垫的电阻会变得非常高，导致Vout非常接近于输入电压。由此，当Vout接近于输入电压时，可以认为没有床垫存在。如果情况如此，由于床垫存在所造成的压力读数会被保存。在506处会设置一个床垫阈值，在508处会对控制单元进行相应的校准。对床垫重量的校准有两种方法。在第一种方法中，当压敏垫被首次置于一个床垫下方时，工作人员可以使用一个复位按钮或复位机构，通过清除当前所施加重量的方式强制立即进行重校准。在第二种方法中，在第一个人使用了安装有压敏垫的床垫之后，校准通过图8中的方法自动进行。
如果有一个人在床垫上，将在510处进行一项检查，以确定此人是否处于静止状态。如果情况如此，则由于床垫和人的存在所造成的压力读数会被保存。在512处会设置一个人的阈值，在514处会对控制单元进行相应的校准。由于床垫所造成的压力已知，在516处，可以通过对由床垫存在所造成的压力和由床垫与人同时存在所造成的压力进行比较，确定此人的相对重量。
如果此人并非处于静止状态，在518处，控制单元会记录此人正在运动。当以预先确定到的间隔读取的多个读数(例如，以0.5s的间隔读取4个读数)相互间有实质性的变化时，可以检测出人在运动。如果读数的变化低于某一预先确定的阈值，则确定此人处于静止状态。
在流程图的右支，在520处，来自压敏垫每一区域的数据被单独处理，在522处进行一项检查，以确定人是否在离床。如果此分析确定此人正在离床，则在524处记录一次离床通知，作为可选方式，可发出一条警告。如果未检测到离床，则在526处对原始区域读数进行记录，以供此后分析使用。
在本发明的一些实施方式中，图1的装置100被配置为协助诊断使用者的健康状况。在一个非限定性示例中，可使用来自压敏垫的数据诊断出夜间多尿和体重快速增加。
夜间多尿是人在夜间频繁醒来排尿的状况。健康人应能够在夜间连续睡眠6至8小时，而不需要起床排尿。患有夜间多尿的人在夜间起床排尿次数不止一次。这会导致正常的睡眠周期中断。夜间多尿的原因可能包括充血性心力衰竭。
通过使用如图1所示的装置(采用常规式或模拟式压敏垫)持续进行睡眠日记，可以可靠地跟踪使用者在夜间起床多少次。尽管此装置不会检测使用者是否起床使用了卫生间，但与使用者睡眠频繁中断相关的数据可能提示其身体存在某些问题。
体重快速增加是心力衰竭患者通常会出现的情况。实际上，如果一个人的心力衰竭正在导致积液，此人体重将在短时间内增加。
存在心力衰竭风险的人应在每天同一时间给自己称重，如果体重增加较快(例如，3天内增加超过2千克，或者3天内增加超过3磅)，应向医务人员报告。
通过使用图1的装置，使用者每晚的相对重量会在其睡眠过程中被记录。测量值为相对重量，但由于我们感兴趣的是体重增量，每天可以对这些相对测量值进行比较，以检测出体重的快速变化。这样可以消除使用者忘记每日给自己称重的问题，并且通过处理分立的录得测量值而非使用者对以往体重的记忆，可以忽略掉观察性偏倚。
图8为用以对如图1所示的压敏垫针对任何床垫和/或人进行动态校准的本发明的一些实施方式的一种方法的流程图600。所述方法可由图1的控制单元实现。
在600处，开始一个新的循环。在602处，来自压敏垫的一个电阻读数被控制单元记录。被记录的读数称为LastReading(最近读数)。在603处，将LastReading与此前的读数进行比较，以确定RecordHigh(高纪录)和RecordLow(低记录)，这两者分别是在一段预先确定的时间段内所记录的最高和最低电阻值。
在604处，计算出一个平均读数。该平均读数可能是在一个特定时间段内所记录读数的平均值，也可以是加权平均值，其中当前的LastReading的权重要超过此前的读数。
在606处，进行一项检查，以确定RecordHigh与RecordLow之间的差值是否大于某一特定阈值。在此点处，控制单元需要作出决定，其是否已经收集了执行剩余逻辑所需的足够的数据，还是其需要返回休眠。其必要性在于，新初始化的控制单元的RecordHigh＝RecordLow ＝AverageReading(平均读数)，而如果它们并不完全相等，它们的值将非常接近，这样就会存在误差状况。在此状态下，尚未记录到足够大范围的压力值。这样，在床(人在床垫上) 或离床(人离开床垫)条件无法被确定。在本发明的一些实施方式中，阈值采用硬编码，其取决于压敏垫所用材料的响应特性。
如果RecordHigh与RecordLow之间的差值小于阈值，循环将在620处结束。如果RecordHigh与RecordLow之间的差值大于阈值，则将在608处确定3个值域或区域：激活区、去激活区和过渡区。
激活区包括一个值域，使得如果最近读数或平均读数处于激活区内，则确定人在床上。激活区的最低值为RecordLow(因为低电阻对应于压敏垫上的高压力)。激活区的最高值为 RecordHigh和RecordLow的第一函数。例如，激活区的最高值可以是：
RecordLow+f1(RecordHigh,RecordLow)，其中f1为第一函数。
去激活区包括一个值域，使得如果最近读数或平均读数处于去激活区内，则确定人不在床上。去激活区的最高值为RecordHigh(因为高电阻对应于压敏垫上的低压力)。去激活区的最低值为RecordHigh和RecordLow的第二函数。例如，去激活区的最高值可以是：
RecordHigh-f2(RecordHigh,RecordLow)，其中f2为第二函数。
过渡区对应于高于激活区的最高值且低于去激活区的最低值的一个值域。
在610处，将进行一项检查，以确定AverageReading是否处于激活区内。作为替代方式，在610处进行检查，以确定LastReading是否处于激活区内。如果检查结果为是，则在612处输出一个“In Bed”(在床)信号。此信号可以被发送至一个远程台站，或由控制单元使用，以确定人在床上的情况是好的还是不好的情况，并采取相应的措施。
如果610的检查结果为否，则在614处进行另一项检查，以确定AverageReading是否处于去激活区内。作为替代方式，在614处进行检查，以确定LastReading是否处于去激活区内。如果614处的检查结果为是，则在616处输出一个“Out of Bed”(离床)信号。此信号可以被发送至一个远程台站，或由控制单元使用，以确定人离开床的情况是好的还是不好的情况，并采取相应的措施。
在一个理想情况下，上述步骤对完整的压敏垫操作已经足够。如果情况确实如此，recordHigh将是床垫的皮重，而recordLow将表示患者加床垫的重量。在现实使用中，会出现将recordHigh和recordLow在短时间内推向极值的事件，而这些极值并不代表其预期的情况。其原因可能就很简单：重新整理床铺的工作人员在远角进行卷裹操作时无意中对床垫进行了过重的倚靠。如果这些异常值未被考虑，压敏垫在一段时间内可以发挥作用，但会慢慢变得不太可靠，直至其完全无法发现患者。
为了对此加以纠正，将使用较早前计算出的过渡区来调整记录值。由此，如果614处的检查结果为否，则AverageReading(替代方式中，为LastReading)处于过渡区内。这样，对于averageReading(替代方式中，为LastReading)处于过渡区内的每个苏醒循环，在618处，RecordHigh被减少一个第一量值，RecordLow被增加一个第二量值。第一和第二量值可由第三和第四函数计算得出，每个函数都会计入RecordHigh和RecordLow。
RecordLow的增加和RecordHigh的减少会使这些值之间的距离减小。如果观察到比此前低得多的最高值或比此前高得多的最低值，则这些记录值将开始收敛，直至AverageReading (替代方式中，为LastReading)再一次处于激活或去激活区内为止。在一些情况下，如果每 0.5s进行一次采样，这种收敛可能需要一分钟时间，但它可使工作人员不再需要在校准过程中进行人工干预。
在620处，循环结束。一个新的循环按照预先确定的采样时间开始。各循环之间的时间间隔可能是1s、100ms、10ms，或被视为合适的其他任何值。
图6的方法可用于按照新的条件(例如新的床垫或体重不同的另一个人)对压敏垫进行动态校准。根据采样时间和对AverageReading、RecordHigh和RecordLow加以确定的时间段以及用以计算AverageReading的公式，在每0.5s进行一次采样的情况下，可在一分钟内使压敏垫针对新的条件得以校准。在替代方式中，当每次压敏垫被转至一个新的床垫或新的人时，均可通过控制单元对压敏垫进行初始化，以开始一次新的校准。
图9为根据图8的方法、示出图1中一个压敏垫经过一段时间进行校准的电阻与时间关系图。绿色线表示激活区，而红色线则表示去激活区。在LastReading(黑色)变化时，AverageReading(蓝色)会跟随它，但稍稍落后。在后半幅图中，LastReading降至700，此值处于过渡区内。在此点处，红色和绿色区开始融合，直至红色区捕获到当前的AverageReading。根据本发明的一些实施方式，图1的控制单元会在被监测人处于床上时跟踪此人的相对重量。相对重量的相对性在于，它取决于床垫的重量和结构以及人的重量。即使同一个人要分别躺在两个不同的床垫上，来自压敏垫的读数也可能会不同。
在一系统的最简单的实施方式中，对图1中压敏垫的相对重量的测量包括一个单一区域。在这种实施方式中，人的整个重量被施加到该单一传感器区域上。根据被监测人的位置和姿势，此重量分布并不均匀，但由于压敏垫测得的所有压力均包含在一个单一区域内，这种不均匀性不会被检测到。
在一系统的稍微复杂一些的实施方式中，对图1中压敏垫的相对重量的测量包括两个传感器区域，其分隔线经过垫的中心。如果人的质心位于分割线上，施加在整个垫上的压力值相同，但现在每个区域上均承受该压力值的一半。在其他所有条件均保持不变的情况下，由于每一区域的压力电阻相比单一区域示例被翻倍，每个区域的电压降将按一个特定的系数被减小。该系数取决于压敏垫的结构、床垫的结构和重量，以及人的姿势和重量。
此示例可以被再次延伸，即将这些区域中的每一个均再次分割为两半，但这一次的分割要与第一次的分割平行。这样就形成了延伸达整个床面的四个区域。然而，压力不再在各区域间均等分布。例如，可能有1/5的压力施加在外部区域上，而其余4/5则施加在中心区域。每个区域的电压降(直接与电阻成正比)会根据施加在该区域的总压力的比率变化。这样就可以使多区域压敏垫的电压降增加，以模拟单一区域在人在床上的情况。在一种实施方式中，对于n个区域，总压力＝f(Vout 1)+f(Vout 2)+f(Vout 3)+...+f(Vout n)。例如，f＝Vout/ (Vcc/1024)。在另一个示例中，函数f为对数函数，总压力与输出电压呈现对数关系。对于单区域压敏垫，总压力＝f(Vout)。而多区域压敏垫则可提供区域细分能力，以确定人在床上的位置和姿势。需要牢记的重要问题是，所有这些电压降均表示相对重量，而非绝对测量值。床垫的材料和成分将会影响压力分散度。这意味着不能对各个床垫之间的读数进行比较。同一床垫的多次读数之间可比较，并可对被监测人的相对重量进行跟踪。
应该注意的是，不同区域上的重量分布可以确认人在床垫上的位置。例如，如果大部分重量集中在床的外侧区域的持续时间过长，则可能存在人在试图起床或将要跌落的可能性。
需要记住的另一个问题是在使用读数进行相对重量测量时患者的移动问题。如果患者在主动地移位或扭动，则其施加到床垫上的动能将呈现为对传感器额外施加的压力，由此体现为额外的重量。为计入这一问题，对每一区域应在若干秒一次的方式进行多次测量，并对每个区域读数自身在该时间段内的值进行比较。如果观察到在若干秒内读数几乎或完全没有波动，则算法可以认为人在静止地躺卧着。否则系统应在延迟几分钟后再重新尝试进行一次相对重量测量。另一方面，如果已经确定人在床上，则一次失败的相对重量测量也是一次主动式人员测量。在此情况下，重量测量失败的原因是患者移位过大。这有助于确定被监测人员正在移动，可用于提示其辗转反侧、移位，如果此前有在半夜的长时间静卧期，则也可能表示其正从睡眠中醒来。
在一个示例中，相对重量由所有区域的电压降之和确定，f＝压力读数＝Vout/(Vcc/1024)。在本发明的一些实施方式中，每个区域的微控制器(MCU)将每个区域读取为基准电压(例如，5V)与地之间的10位值。作为可选方式，微控制器被配置为创建一个更为精细的读数(例如12位和14位)。在10位的分辨率下，在最大电压降为5V条件下， MCU能够测量出的增量约为4.88mV。增加这4个区域可提供一个相对范围，即从无压力下的4092个增量(最大电压降；此时电阻无限大，因此电压降为最大)与无限大压力下的理论 0增量(在无限大的压力下，电阻为0，因此电压降为0)。
图10为示出本发明的一种系统的框图，其中控制单元与一个无线磅秤进行通信。图10 的装置与图1装置类似。但是，在图8中，无线磅秤114与控制单元进行通信。无线磅秤会记录人的重量，将表示人重量的数据发送至控制单元。控制单元会记录重量和称重时间。此数据可能是在本地被分析，并尽在达到阈值时才被发送至医务人员，也可能是被直接发送至医务人员，如上文所述。重量数据可能能够提示使用者是否存在心力衰竭的风险。来自磅秤的经校准重量可供控制单元使用，以协助将压敏垫的相对重量校准成为绝对重量(以磅或千克为单位)。
应指出的是，发明人已发现，不同的可变电阻材料在床垫下方使用时会有不同的表现。第一种材料(导电薄膜)对“在床”和“离床”的检测表现非常可靠，而第二种材料(导电泡沫)则在使用者在床上且静卧时提供相对重量方面更为可靠。因此，在本发明的一些实施方式中，会有包含两类可变电阻材料的模拟式压敏垫与控制单元通信。来自第一种材料的数据用于在床和运动检测。一旦运动停止，将对来自第二种材料的数据进行采样，以确定重量。当再次检测到运动时，控制单元将立即再次对来自第一种材料的数据进行分析。

Claims (17)

1.一种压敏垫，通常为平面形状，其特征在于，该压敏垫用于放置在床垫或坐垫下方，能够根据施加于所述压敏垫上的压力来输出一系列信号，所述压敏垫被配置为连接控制单元，使得所述控制单元被配置为处理接收自所述压敏垫的一系列信号，所述控制单元可以：
(a)自动对所述控制单元进行校准，以针对一系列床垫类型和床垫重量以及人的体重来检测人在与不在；
(b)当人在床垫上时确定人的相对重量；
其中所述校准包含：
i)测量来自压敏垫的最高值、最低值、最近读数和平均值；
ii)如果介于最高读数和最低读数的差值小于阈值，则收集更多的数据，直至超过阈值；
iii)如果差值大于所述阈值，则：
iii-a)确定去激活区，其中所述去激活区是从所述最高值到所述最低值和所述最高值的函数的变化值；
iii-b)确定激活区，其中激活区是从所述最低值到所述最低值和所述最高值的第二函数的变化值；以及
iii-c)确定过渡区，其中所述过渡区是激活区的最高值与去激活区的最低值之间的变化值；
iv)如果所述平均值处于过渡区内，则执行迭代进程，即通过第二量值降低记录最高值，所述第二量值为此前记录最高值与最低值的第三函数，和通过第三量值提高记录最低值，所述第三量值为此前记录最高值与最低值的第四函数，直至最近值处于过渡区之外为止。
2.如权利要求1所述的压敏垫，按照基本不使床垫或坐垫变形的方式配置。
3.如权利要求1所述的压敏垫，包含有以下各项中的至少一项：导电薄膜；导电泡沫；导电油墨；以及应变仪。
4.如权利要求1所述的压敏垫，包含多个敏感区域，每个区域被连接至相应的控制器，配置为测量每个区域上的压力。
5.如权利要求1所述的压敏垫，包含：两个导电层；位于所述两个导电层之间的可变导电层，其配置使得当有压力施加在可变导电层上且所述可变导电层被压缩时，所述可变导电层的电阻减小；其中所述两个导电层被可变导电层隔开，使得所述两个导电层之间的电阻在有压力施加到压敏垫上时减小，原因是随着所述压敏垫上的机械压力增加和所述可变导电层的压缩，所述两个导电层之间的电导率得以增加。
6.如权利要求5所述的压敏垫，其中所述可变导电层为导电泡沫层。
7.如权利要求6所述的压敏垫，包含带有多个孔的非导电层，置于所述两个导电层中的第一层与所述导电泡沫层之间；其中施加在压敏垫上的压力会增加所述两个导电层中的第一层与所述导电泡沫之间的接触，由此使所述两个导电层之间的电导率提高。
8.如权利要求5所述的压敏垫，包含控制器，所述控制器被连接至所述两个导电层，并被配置为输入经所述两个导电层传递的信号，以读取源自经所述导电层传递的输入信号的输出信号；还包含两个用以容纳和保护所述导电层的护套层。
9.一种用于检测人的重量或重量随时间的变化或人在床垫上的运动的系统，其特征在于，该系统包含：针对在床垫下方布置而配置的可变压敏垫和被配置为对接收自所述压敏垫的数据进行处理的控制单元，所述控制单元可以：
(a)自动对系统进行校准，以针对一系列床垫类型和床垫重量以及人的体重来检测人在与不在；
(b)当人在床垫上时确定人的相对重量；
其中所述校准包含：
i)测量来自压敏垫的最高值、最低值、最近读数和平均值；
ii)如果介于最高读数和最低读数的差值小于阈值，则收集更多的数据，直至超过阈值；
iii)如果差值大于所述阈值，则：
iii-a)确定去激活区，其中所述去激活区是从所述最高值到所述最低值和所述最高值的函数的变化值；
iii-b)确定激活区，其中激活区是从所述最低值到所述最低值和所述最高值的第二函数的变化值；以及
iii-c)确定过渡区，其中所述过渡区是激活区的最高值与去激活区的最低值之间的变化值；
iv)如果所述平均值处于过渡区内，则执行迭代进程，即通过第二量值降低记录最高值，所述第二量值为此前记录最高值与最低值的第三函数，和通过第三量值提高记录最低值，所述第三量值为此前记录最高值与最低值的第四函数，直至最近值处于过渡区之外为止。
10.如权利要求9所述的系统，其中控制单元可以：
(c)将经过处理的数据发送给远程系统；
(d)如果涉及人员在/不在的不好情况出现，则发出报警；以及
(e)如果特定的输入被接收，则停止报警。
11.如权利要求10所述的系统，包含本地输出单元，其被配置为，针对基于来自压敏垫的信息所判定的人员的不良状况，发出报警。
12.如权利要求10所述的系统，还包含本地输入，其被配置为接收终止信号，通报给控制单元，条件是控制器被配置为终止已发出的报警。
13.如权利要求10所述的系统，包含远程通信单元，其被配置为将经过控制单元处理的数据传送至远程系统。
14.如权利要求13所述的系统，其中传送的所述数据为提示数据。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述数据为重量数据。
16.一种压敏垫置于重量未知的床垫下方、人位于床垫上的情况下检测人重量的可变压敏垫的校准方法，所述校准包含：
a)将可变压敏垫置于床垫下方；
b)测量来自压敏垫的最高值、最低值、最近读数和平均值；
c)如果介于最高读数和最低读数的差值小于阈值，则收集更多的数据，直至超过阈值；
d)如果差值大于所述阈值，则：
i)确定去激活区，其中所述去激活区是从所述最高值到所述最低值和所述最高值的函数的变化值；
ii)确定激活区，其中激活区是从所述最低值到所述最低值和所述最高值的第二函数的变化值；以及
iii)确定过渡区，其中所述过渡区是激活区的最高值与去激活区的最低值之间的变化值；
e)如果所述平均值处于过渡区内，则执行迭代进程，即通过第二量值降低记录最高值，所述第二量值为此前记录最高值与最低值的第三函数，和通过第三量值提高记录最低值，所述第三量值为此前记录最高值与最低值的第四函数，直至最近值处于过渡区之外为止。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述第二量值与所述第三量值相等。
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