CN110267589A - 使用生物电阻抗经由触摸屏进行生命体征监测 - Google Patents

使用生物电阻抗经由触摸屏进行生命体征监测 Download PDF

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Abstract

用于通过使用生物电阻抗光谱学(BIS)来检测身体生命体征的方法和装置，或通过(a)与人的直接接触(诸如通过人的手指中的一个或多个)或(b)对来自投影到人的身体中的场的反射的测量。可以使用诸如智能电话或平板计算机的屏幕或膝上型计算机的触摸板之类的设备中的投影电容触摸阵列来实现这些技术。

Description

使用生物电阻抗经由触摸屏进行生命体征监测
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2016年8月26日提交并给予了序号62/379,959的标题为“Vital SignMonitoring Via Touchscreen Using Bioelectric Impedance（使用生物电阻抗经由触摸屏进行生命体征监测）”的共同未决美国临时专利申请的权益。该临时申请的全部内容特此通过引用并入。
背景技术
已知生物电阻抗光谱学(BIS)可以被用于估计人的某些生命体征。BIS在便携式设备中相对易于实现，并且与其他方法相比较成本相对较低。BIS涉及通过身体组织来确定电阻抗或与电流的流动的对立。BIS通常在可以根据其来外推细胞外和细胞内体积的电阻的频率的频谱下测量此阻抗。然后可使用(一个或多个)实测阻抗来计算无脂肪体重和总身体水分的估值。BIS技术还已被建议用于检测心率、血压、心电图(EKG)、葡萄糖水平；使用类似的技术来检测呼吸率、药物水平、水合作用、溃疡、温度和其他生命体征可以是可能的。
作为一个示例，在Anas, M. N., “A Bioimpedance Approach（生物阻抗方法）”,IEEE International Conference on Smart Instrumentation Measurement andApplications (ICSIMA)（IEEE智能仪器测量与应用国际会议）, 2013年11月25日-27日,第1-5页(通过引用并入本文)中，说明了人类皮肤的阻抗提供关于底下组织的生理结构和化学成分的细节。葡萄糖浓度被观察到影响细胞膜的介电性质，并且因此，影响血液的阻抗变化。
其他人已报道了用于检测葡萄糖浓度、肌肉机能、骨骼肌、病症和癌症的BIS技术。参见：
Quazi D Mussain,“Characterization of physiological glucose concentrationusing electrical impedance spectroscopy（使用电阻抗谱表征生理葡萄糖浓度）”,International Journal of Computer Science（国际计算机科学杂志）,第10卷，第1期，2013年1月;
Tushar Kami Bera, “Bioelectrical Impedance Methods for Noninvasive HealthMonitoring, A Review（用于无创健康监测的生物电阻抗方法，综述）”, Journal ofMedical Engineering（医学工程杂志）, 卷2014, 文章 ID 381251;
Ingrid Anne P. Nazareth, “Analysis of Blood Glucose using ImpedanceTechniques（使用阻抗技术分析血糖）”, International Journal of InnovativeResearch in Electrical, Electronics, Instrumentation and control Engineering（国际电工，电子，仪器和控制工程创新研究期刊）, 卷1, 第 9期, 2013年12月;
I Beberashvili, “Bioimpedance phase angle predicts muscle function（生物阻抗相位角预测肌肉机能）”, European Journal of Clinical Nutrition（欧洲临床营养学杂志）, 68, 683-689, 2014年6月;
Digani Gupta, “Bioelectrical impedance phase angle as a prognosticindicator in breast cancer（生物电阻抗相角作为乳腺癌的预后指标）”, BMC Cancer,2008, 8:249; 以及
Yosuke Yamada,“Comparison of single or multifrequency bioelectricalimpedance analysis and spectroscopy for assessment of appendicular skeletalmuscle（单频或多频生物电阻抗分析和光谱学评估附肢骨骼肌的比较）”,Journal ofApplied Physiology（应用生理学杂志）,115, 812-818, 2013。
附图说明
以下描述参考附图，其中：
图1是并入触摸屏的设备的等距视图，所述触摸屏可以被用于经由生物电阻抗光谱学(BIS)对生命体征进行非侵入性监测。
图2是可以与图1的触摸屏一起用于直接阻抗测量的示例电路。
图3是可以在使用投影场的另一实施例中使用的电路。
具体实施方式
图1是示例设备100，诸如智能电话、平板电脑、计算机，视频监视器、游戏控制台，个人数字助理、电子书阅读器或类似的信息处理装置，所述信息处理装置并入具有触摸阵列102或类似的触敏区域(诸如膝上型计算机上的触控板)的屏幕。在此示例中，触摸屏包括在电子显示器之上分层的触敏阵列102。如本领域中众所周知的，用户可以使用其手指110来与触摸屏交互，并且因此触摸阵列102向信息处理系统提供输入或者控制信息处理系统。用户可以通过用一个或多个手指110触摸或者接近触摸阵列102来指示多触摸手势。用户还可使用触摸阵列102来对显示的东西起反应并且控制信息如何被显示。
触摸阵列102(或触摸屏)可以是投影电容(pro-cap)型组件。目前讨论特别感兴趣的是当人与这种触摸阵列102交互时，底层传感器阵列对人的手指在表面上或附近的触摸起反应。触摸阵列102包括被设置为二维阵列或网格的元件。每个传感器元件(在本文中还称为“交叉点”)可以作为连接到线的网格中的相应位置的电容传感器被实现。然而，还应该理解的是，传感器阵列可以不是实际的线网格，而是可以包括按照覆盖导电元件的菱形图案、图腾柱图案或其他几何图案重叠的电容垫。重要的是传感器阵列提供沿着X和Y轴布置的一组交叉点作为逻辑网格。
尽管在这里未详细地示出，然而存在用于将投影电容传感器阵列的输出转换成可检测信号的许多已知方法，包括感测电流对电压、相移、电阻器-电容器充电定时、电容器桥分配器、电荷转移、逐次逼近、Σ-Δ调制器、电荷累积电路、场效应、互电容、频移、许多其他技术。用于检测由于用户的手指的接近而导致的相对电容变化的特定方法应该能够检测阻抗变化。可在通过引用并入本文的转让给赛普拉斯半导体的美国专利公开US 2013/0222331中找到示例触摸传感器阵列的更多细节。
典型的信息处理设备100的其他组件可以包括中央处理单元、存储器、储存器、无线接口、诸如按钮104之类的其他输入设备，以及诸如在本文中未示出的相机、麦克风、扬声器等之类的其他外围设备。
图2示出了可以与触摸阵列102一起用于通过人的手指110来检测人的生命体征的示例电路。电路200包括处理器250(诸如微处理器、数字信号处理器、控制器或固定或可编程逻辑)、数字信号处理器(DSP) 226、数模转换器(DAC) 221以及包括至少一条或多条y轴网格线222和一条或多条x轴网格线223的触摸阵列102的一个或多个部分和模数转换器(ADC) 225。在一种操作模式下，设备100通过处理器250和/或可选地DSP 251和DAC 221的操作来将信号强加于网格线222上，并且在网格线223处检测由用户的手指110呈现的阻抗。例如，处理器可以使DAC 221在y轴线222上放置信号，所述y轴线222在网格结201处与手指110相交。手指110的阻抗影响经由x轴线223测量的电流，所述电流然后由ADC 225和/或可选的DSP 226检测，并且作为数字信号返回给处理器250。处理器250和/或DSP 226然后执行一个或多个生物电阻抗光谱学(BIS)算法以使用前述感测电流对电压、相移、电阻器-电容器充电定时、电容器桥、电荷转移、逐次逼近、Σ-Δ调制器、电荷累积电路、场效应、互电容、频移等中的一个或多个来从可检测的阻抗信号变化中检测一个或多个生命体征的存在。
正是接近网格交叉点201的手指110的存在强加电路200的阻抗变化，并且因此，电流流过电路200。然后可以针对感兴趣的(一个或多个)生命体征(例如，由处理器250)对照已知阻抗的库来使此实测阻抗相关。例如，可在50 kHz范围内的频率下测量葡萄糖。处理器250和/或DSP 226可以将任何已知的模式识别、匹配滤波器、卡尔曼滤波器或其他技术用于与针对感兴趣模式的响应匹配。可以随着时间的推移而存储响应以供以后分析。例如，可以定期针对特定个体收集生物特征的基线集。对与基线的某个偏差(诸如心率、葡萄糖水平、血压、EKG、呼吸率、药物水平、水合作用、溃疡、温度或其他生命体征中的相对变化)的检测可以使处理器250提供人应该寻求医疗看护的指示。
在此第一模式下，阻抗测量可被认为是双端口阻抗测量，其中在测量接收线223处的响应的同时连续地激励发送线222。
更一般地，提供给线222的信号是射频(RF)信号，所述射频(RF)信号可以包括从大约0 Hz (DC)到大约100 kHz的正弦波或其他基带信号。应理解的是，某些生命体征可以涉及在多于一个频率下检测阻抗。例如，感兴趣的特定生命体征可以涉及在三个不同频率下检测阻抗。处理器250因此可以生成一个或多个相关频带，所述频带包括表征该生命体征的(一个或多个)已知预期阻抗响应。处理器250因此可以生成一系列信号来在遍布长时段(例如，诸如一秒或更多秒)的时间序列中在许多频率下测量阻抗，以检测一个或多个生命体征。
在一些实施方式中，所生成的信号可以采取连续线性啁啾的形式，其中频率随时间而在一定频率范围内增加(向上啁啾)或者减小(向下啁啾)。
在线222上呈现的驱动信号可以是连续RF信号，或者在感兴趣频率之间步进，或者是脉冲的，或者是涵盖一个或多个感兴趣频带的连续线性扫描。
使用的频率的具体范围还可以取决于可用DAC 221和ADC 225的规格以及在从线223检测到的信号的结果信号处理中的抗混叠考虑事项。
在第二操作模式下，可测量不仅一个手指110的阻抗，而且可测量用户的身体的其他部分的阻抗。这涉及使用放置在设备100的另一参考点上(诸如在第二网格交叉点202上或附近)的第二手指210。第二手指可以在同一只手上，或者在不同的手上。第二节点202通常通过网格的电极间电容240或由设备100呈现的其他电容被接地241。不同手上的两个手指110和210(或其他点)的使用允许测量通过包括用户的身体的至少一部分的路径235的阻抗，这适用于心电图分析。以这种方式通过身体传播的信号还可以作为时域反射计；在响应信号中结果得到的扰动可以提供关于身体中的异常的相对位置的信息。例如，如果BIS操作模式被设置来检测癌细胞的存在，则相对到达时间差可以指示肿瘤在人的身体上的位置。
人自然地将智能电话握在一只手的手掌中，同时使用另一只手来与触摸屏交互。因此，参考点不必一定是另一只手的手指，而是还可以是具有已知阻抗的设备100上的另一点，诸如人的接触或接近设备100的壳体的背面上的导电节点或设备100上的某个其他导电点的手或手掌。
图3图示了又一种模式，其中触摸阵列102可以经由投影场310通过生物电阻抗效应来检测生命体征或其他状况。在此实施方式中，投影电容阵列102被划分成两个部分：第一部分301和第二部分302。每个部分301、302被设置在其中相应的网格交叉点全部被连接在一起的模式下。这实际上产生一对辐射表面，并且因此产生偶极天线303，通过所述偶极天线303可以传播和检测射频信号。因此，设备100现在可用于在甚至无需人用其手指(或其他物体)与触摸阵列102物理接触的情况下检测生命体征。实际上，触摸阵列102作为偶极辐射器303操作以投影RF场310，所述RF场310通过诸如人的身体之类的物体300(或诸如液体、固体或气体之类的某个其他事物)；相同的偶极303还可以用于检测结果得到的反射315。尽管在附图中未示出，然而可以包括调谐电路来调谐偶极辐射器303以便在预期操作频率下高效地操作。
身体或其他物体300的反射系数可以包含与通过上面针对图2所描述的直接接触生物电阻抗测量所检测到的相同的信息。图3的投影场模式(或在你愿意的情况下为“雷达”模式)涉及在接收来自物体300的反射的同时发送辐射信号。因此在此模式下使用的电路320可以类似于连续波(CW)、啁啾或其他类型的雷达中的电路。
电路320包括微处理器350(或其他控制器或信号处理器)、DSP 351、DAC 321、发送器322、定向耦合器325、接收器326、ADC 327和DSP 328(其可以或者可以不是与DSP 351相同的机器)。在此实施例中，处理器350控制DSP 351和DAC 321以生成要发射以产生场310的信号的模拟表示。发送信号然后被馈送到发送器322(其可以包括模拟滤波电路)，从而通过定向耦合器325并向偶极天线303传递以产生发射场310。在接收方向上来自物体300的反射场315由偶极天线303检测，并且结果得到的信号通过定向耦合器325被馈送到接收器326(其可以包括带通滤波器)，由ADC 327转换为数字形式，并且馈送到DSP 328和/或处理器350以进行BIS分析。
如在上面描述的实施例中一样，感兴趣的RF场频率将取决于感兴趣的(一个或多个)特定生命体征和BIS操作模式，并且可以从例如DC到100 kHz变动。
虽然所示出的是DAC 321和模拟滤波322的使用，但是应理解的是，直接数字合成、数字检测或其他技术可以由DSP 351和328使用来生成投影场310并且检测响应场315。
在其他实施方式中，可能的是可以不用触摸阵列102而是用单独的金属辐射器实现偶极天线303。例如，某些智能电话已经具有位于壳体的周边中用于在蜂窝、蓝牙和全球定位系统(GPS)频率下操作的偶极天线。在其他实施方式中，可以使用为经由BIS进行生命体征检测专门地设计的单独的偶极天线。
图3的实施例因此还依靠生物电阻抗效应，但是利用投影场310和所对应的反射反射场315，而不是通过像在图2中那样测量的直接接触电流。
在另一实施例中，可以能够使用相同或类似的装置和方法以使用除BIS以外的技术来检测身体或其他物质的某些非生物学性质。更一般地，介电光谱学技术(有时称作阻抗光谱学，并且还称为电化学阻抗光谱学(EIS))可以测量接近触摸屏的其他介质(诸如气体、液体或固体)的介电性质。根据这些反射测量结果，可以能够确定此类其他介质的化学成分或其他特性。
辐射场的频率(波长)将通常取决于感兴趣的物质。例如，为了检测某人呼吸时的酒精或食品中的麸质的存在，可以使用按近红外频率而操作的其他光谱学技术。核四极共振(NQR)和核磁共振(NMR)技术可以扩展根据反射检测诸如爆炸物或麻醉剂之类的物质的能力。还有其他的方法可以从反射信号中获取人的呼吸中的物理振动，这可用于检测其他状况，诸如支气管炎。
在仍然其他的实施例中，位于设备100内的相机可以用于将由触摸屏形成的偶极天线303瞄准主体300或其他待分析的材料。
对上面描述的实施例的各种修改现在将变得显而易见。例如，如智能电话中所使用的大多数投影电容阵列102已经包括某种类型的ADC 225，但是可能有必要扩增标准智能电话电路以包括DAC 221和/或DSP和/或天线或在较高的RF频率和/或红外波长下操作的其他结构。
还应理解的是，(一个或多个)处理器250、350通常可以在不同模式下操作，在该不同的模式下在BIS光谱学模式与“正常”触摸屏操作模式之间周期性地来回切换(诸如以检测用户手势等)。在这种实施方式中，因此可以在后台中(例如在操作系统内核的控制下)发生对物体的生物特征或其他性质的检测，使得用户不必运行单独的软件应用。

Claims (6)

1.一种用于检测身体生命体征的方法，其包括：
测量生物电阻抗效应，或通过(a)经由人的一个或多个手指与投影电容触摸阵列的组件的接近进行的直接阻抗测量；或(b)对由投影场产生的来自身体的反射的测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中恰好一个手指与所述触摸阵列物理接近。
3.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述人的两只不同手的两个手指与所述触摸阵列物理接近。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述触摸阵列被握在所述人的一只手的手掌中，并且所述一个或多个手指来自所述人的另一只手。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物电阻抗指示心率、葡萄糖水平、血压、EKG、呼吸率、药物水平、水合作用、溃疡、温度或其他生命体征。
6.根据权利要求1所述的方法，其中阻抗变化使用感测电流对电压、相移、电阻器-电容器充电定时、电容器桥、电荷转移、逐次逼近、Σ-Δ调制器、电荷累积电路、场效应、互电容或频移中的一个或多个来检测。
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