CN112423656A - 生物阻抗测量配置 - Google Patents

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CN112423656A CN201980046134.8A CN201980046134A CN112423656A CN 112423656 A CN112423656 A CN 112423656A CN 201980046134 A CN201980046134 A CN 201980046134A CN 112423656 A CN112423656 A CN 112423656A
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S·考卡拉
T·哈提凯宁
J·坎佩宁
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Polar Electro Oy
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Abstract

本文档公开了一种由柔性材料制成的衣服，包括：第一测量电极，在第一位置处集成到衣服中；第二测量电极，在不同于第一位置的第二位置处集成到衣服中；以及测量电路系统，被配置为通过使用第一测量电极和第二电极来测量生物阻抗并传输测得的生物阻抗，并通过使用第一测量电极和第二电极中的至少一个或另一个电极来测量心电图，其中衣服是上身衣服，其中第一测量电极部署在心脏水平之上并且第二测量电极部署在心脏水平之下。

Description

生物阻抗测量配置
技术领域
本发明涉及生理或生物特征测量的领域，尤其涉及用于测量来自人体的生物阻抗的测量配置。
背景技术
用于测量生物阻抗的典型配置包括一次性使用以与皮肤接触的测量电极的集合，用于测量来自一个或多个电极的生物阻抗的测量电路系统，以及用于处理测量数据的处理电路系统。还可以提供用于以有线或无线方式传送经处理的测量数据的通信电路系统。
发明内容
本发明由独立权利要求的主题限定。
实施例在从属权利要求中限定。
附图说明
在下文中，将参考附图借助于优选实施例来更详细地描述本发明，其中
图1图示了根据实施例的包括测量电路系统的衣服；
图2是测量电路系统的实施例；
图3和图4图示了电极在衣服中的放置的另外的实施例；
图5图示了用于切换衣服的一个或多个电极的模式的布置的实施例；
图6图示了根据本发明的实施例的用于配置衣服的电极的操作的过程的流程图；
图7和图8图示了用于使生物阻抗测量与心动周期同步的实施例；
图9图示了根据本发明实施例的用于对生物阻抗测量信号执行运动补偿的过程的流程图；
图10图示了根据本发明实施例的用于生产电极的制造过程的阶段和中间产品；
图11和图12图示了衣服中的电极的分层结构的实施例；
图13和图14图示了用于衣服的可分离电子模块的实施例；
图15图示了根据本发明实施例的用于提供训练指导的过程；
图16图示了根据本发明实施例的用于调整间歇锻炼的休息时段的持续时间的过程；
图17图示了根据本发明实施例的用于调整间歇锻炼的工作时段的持续时间的过程；
图18图示了当采用图16和图17的过程时在体育锻炼期间进行指导的示例；
图19图示了根据本发明实施例的用于监测锻炼期间用户疲劳水平的过程；
图20图示了根据本发明实施例的装置的框图；以及
图21图示了减少测量电极之间的不期望电耦合的实施例。
具体实施方式
以下实施例是例示。虽然说明书可以在文本的几个位置引用“一”、“一个”或“一些”实施例，但这并不一定意味着每处引用都指向相同的(一个或多个)实施例，或者特定特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可以组合以提供其它实施例。
图1图示了由柔性材料制成的衣服100的实施例。衣服包括：在第一位置处集成到衣服中的第一测量电极120、在与第一位置不同的第二位置处集成到衣服中的第二测量电极122，以及测量电路系统114，测量电路系统114被配置为通过使用第一测量电极和第二电极来测量生物阻抗并传输测得的生物阻抗，并且通过使用第一测量电极和第二电极中的至少一个或另一个电极来测量心电图(ECG)，其中衣服是上身衣服，其中第一测量电极部署在心脏水平之上并且第二测量电极部署在心脏水平之下。
在实施例中，衣服是衬衫、背心或吊带。衣服同样可以是胸罩或任何其它被设计为底层以接触人110(用户)的皮肤的衣服。衣服可由以下材料中的一种或多种制成：尼龙、聚酰胺、弹性纤维、聚酯、棉和羊毛。
在图1的实施例中，当用户110穿着衣服时，第一测量电极120部署在心脏水平之上，而第二测量电极122部署在心脏水平之下。测量电路系统114可以设置在衣服中任意位置处的外壳中，并且信号线116、118可以将测量电极120、122连接到测量电路系统114。信号线可以集成到衣服中。
现在让我们参考图示装置的实施例的图2来更详细地描述测量电路系统114的结构。该装置可以包括至少一个处理器204和至少一个存储器220，该至少一个存储器220存储计算机程序228，该计算机程序228包括将至少一个处理器配置为执行本文描述的实施例的程序指令。该装置还可以包括用户接口214，该用户接口214至少包括显示设备和用户输入设备。
生物阻抗测量可以通过将信号馈送电极210布置在衣服中并且进一步将测量电极212布置在衣服中来执行。测量电极212可以包括电极120、122。测量电路系统114可以被配置为例如按以下方式控制信号馈送和测量。一个或多个处理器204可以控制电流发生器202以将电流输出到馈送电极210。电流发生器202可以是信号合成器，其能够输出各种频率的交流电流。生物阻抗测量可以被用于估计身体成分，并且为此可以输出多个频率。
当电流发生器向身体输出电流时，处理器204可以将电压测量电路系统206配置为测量测量电极212之间的电压并从测量电极获取电压测量数据。然后，可以根据众所周知的公式Z＝U/I，将测得的电压U和施加的电流I的知识用于计算生物阻抗Z。
测量电路系统114还可以包括或可以访问至少一个存储器220。存储器220可以存储计算机程序代码，该计算机程序代码包括可以由(一个或多个)处理器204读取和执行并且配置(一个或多个)处理器的上述操作的指令。存储器220还可以存储配置数据库224，该配置数据库224限定用于(一个或多个)处理器的参数，例如，用于电流馈送控制的参数。
该装置还可以包括通信电路系统，该通信电路系统被配置为将由测量电路系统获取的测量数据传输到外部设备，诸如智能电话或腕式计算机。外部设备可以是被配置为监视用户执行的体育锻炼的训练计算机。通信电路系统可以是支持无线通信协议的无线通信电路系统，无线通信协议诸如是ANT、ANT+或
Figure BDA0002889370940000041
(例如Bluetooth
Figure BDA0002889370940000042
)。
如在本申请中使用的，术语“电路系统”是指以下所有：(a)仅硬件的电路实施方式，诸如仅模拟和/或数字电路系统中的实施方式，以及(b)电路和软件(和/或固件)的组合，诸如(如适用的)：(i)(一个或多个)处理器的组合或(ii)(一个或多个)处理器/软件的部分，包括协同工作以使装置执行各种功能的(一个或多个)数字信号处理器、软件和(一个或多个)存储器，以及(c)需要软件或固件才能操作的电路(即使软件或固件实际上不存在)，诸如(一个或多个)微处理器或(一个或多个)微处理器的一部分。“电路系统”的定义适用于本申请中这个术语的所有使用。作为另一个示例，如在本申请中使用的，术语“电路系统”还将涵盖仅处理器(或多个处理器)或处理器的一部分及其随附软件和/或固件的实施方式。
本文描述的技术和方法可以通过各种手段来实现。例如，可以以硬件(一个或多个设备)、固件(一个或多个设备)、软件(一个或多个模块)或其组合来实现这些技术。对于硬件实施方式，可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计为执行本文描述的功能的其它电子单元或其组合中实现实施例的(一个或多个)装置。对于固件或软件，可以通过执行本文描述的功能的至少一个芯片组的模块(例如，过程、功能等)来执行该实施方式。可以将软件代码存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元可以在处理器内部或处理器外部实现。在后一种情况下，如本领域中已知的，它可以经由各种手段通信耦合到处理器。此外，本文描述的系统的组件可以由附加组件重新布置和/或补充，以便促进关于它们所描述的各个方面等的实现，并且它们不限于给定附图中阐述的精确配置，如本领域技术人员将认识到的。
根据测得的生物阻抗可以计算其它生理特点，例如心搏量。专利公开US 2002/0193689公开了一种通过使用生物阻抗和ECG来计算心搏量的方法，并且在一些实施例中，处理器204可以采用这种方法。
在图1的实施例中，电极120、122既可以用作通过其施加电流的馈送电极，又可以用作电压测量电极。可以应用切换机构，其在电流馈送和电压测量之间切换电极120、122的功能。切换机构可以执行时分复用，在处理器204的控制下取决于电极120、122的期望功能而将电极连接到电流发生器202或者电压测量电路系统。
在另外的实施例中，电极120和122中的一个或多个还被配置为测量ECG。在这种情况下，切换机构还可以控制电极切换到差分放大器，该差分放大器在ECG测量中用作前端。
图3和图4图示了根据其它实施例的另外的测量配置。在图3的实施例中，还有另外的电极124、126、130、132。在该配置中，电极120和122可以用作电流馈送电极，并且电极124和126可以是测量电极。如图3中所示，每个电极设置在不同的位置。可以选择电极120至126的位置，使得从测量电极124到测量电极126绘制的线与从馈送电极120到馈送电极122绘制的线相交。这提供了电流馈送和电压测量之间的对称性。电极130和132可以被配置为ECG测量电极并且被部署在衣服中的任意位置。
图4图示了一个实施例，其中电极124、126、130、132被电极134和136代替，通过使用切换机构，电极134和136被配置为既用作用于生物阻抗测量的电压测量电极又用作ECG测量电极。同样在这个实施例中，馈送电极和测量电极被部署为使得上面提到的线将相交。
在图3和图4的实施例中，馈送电极之一在心脏水平之上，而另一个馈送电极在心脏水平之下。以类似的方式，测量电极之一在心脏水平之上，而另一个测量电极在心脏水平之下。
衣服可以具有被布置为面向用户背侧的背侧，并且还具有被布置为面向用户前侧的前侧。在图1、3和4的任何一个实施例中，部署在心脏水平之上的(一个或多个)电极120、124、134可以至少在衣服的背侧上部署在衣服的颈部或肩部区域。这改善了体育锻炼(诸如跑步)期间的皮肤接触。在实施例中，心脏水平之上的(一个或多个)电极是细长的，并且在用户的肩部之上从衣服的背侧延伸到衣服的前侧。在锻炼期间，衣服的肩部区域通常具有最佳的皮肤接触，并且这个实施例进一步改善了皮肤接触。
部署在心脏水平之下的(一个或多个)电极122、126、136可以部署在衣服的胸部区域中，其中衣服被布置为在第二电极的位置处贴身。可以通过衣服的弹性材料或通过衣服中的带子来实现贴身。
在根据以上结合图3和图4描述的实施例修改的实施例中，电极中的至少一些可以部署在人体的相对侧。例如，一个或多个或甚至所有电极122、126、130、132、136可以部署在身体的背侧。部署在心脏水平之下的那些电极可以部署在衣服的背侧或任一侧。在实施例中，衣服包括在背侧上部署在心脏水平之下的一个或多个电极以及在前侧上部署在心脏水平之下的(一个或多个)另外的电极。
在实施例中，馈送电极可以具有与测量电极不同的形状。例如，测量电极可以是细长的，而馈送电极可以具有圆形或点形。点形使得能够更精确地确定馈送电极之间的电流路径，从而简化系统配置。细长的测量电极为测量提供了更好的皮肤接触，从而改善了测量准确度。
图5图示了包括切换机构520的测量电路系统的框图。切换机构520可以由一个或多个开关来实现，该一个或多个开关执行至少一个测量电极的功能在ECG测量和生物阻抗测量之间的切换。切换机构520可以包括一个或多个电子开关。
在实施例中，切换机构520在以下测量模式中的至少两个之间切换测量电极的功能：所有测量电极用于测量ECG的完全ECG模式，所有测量电极用于测量生物阻抗的完全生物阻抗测量模式，以及其中测量电极的第一子集用于测量ECG并且测量电极的第二子集用于测量生物阻抗的混合测量模式。切换机构可以由处理器204控制。处理器204可以包括模式选择器电路系统504，其被配置为根据图6的流程图执行用于选择测量布置的过程。
参考图6，在方框600中，模式选择器电路系统504选择测量模式。例如，可以基于测量简档来进行选择，该测量简档是基于用户输入获取的。在方框600中选择完全ECG模式后，过程可以前进到方框604，在那里模式选择器将切换机构520配置为将所有电极120至132耦合到ECG测量电路系统502的输入端。ECG测量电路系统502可以包括多个差分放大器，并且每对电极120至132可以连接到差分放大器之一的输入端。例如，切换机构520可以将电极120和122耦合到差分放大器之一的不同输入端，将电极124和126耦合到另一个差分放大器的不同输入端，并将电极130和132耦合到又一个差分放大器的不同输入端。以这种方式，切换机构可以实现多通道ECG测量布置，其中两对或更多对电极连接到ECG测量电路系统502。模式选择器504还可以激活ECG测量电路系统502以开始多通道ECG测量。ECG测量电路系统502可以组合通过不同测量通道接收的ECG测量信号。当仅监视心率或心脏活动时，例如在体育锻炼期间，可以使用完全ECG模式。
在方框600中选择完全生物阻抗模式后，过程可以前进到方框602，在那里模式选择器504将切换机构520配置为将所有电极120至132耦合为进行生物阻抗测量。在完全生物阻抗模式下，切换机构520可以耦合用于电流馈送的至少一对电极以及用于电压测量的至少一对电极。在实施例中，电流馈送电极可以耦合到被配置为馈送恒定电流的电流发生器202。在实施例中，电压测量电极耦合到电压表500，电压表500被配置为在电流发生器馈送电流时测量电压测量电极之间的电压。
如上面结合图3所描述的，在使用四个电极(例如，电极120至126)的实施例中，电极120和122可以耦合到电流发生器202以用于电流馈送，并且电极124、126耦合到电压表500。在使用六个电极(例如，电极120至132)的实施例中，可以通过将电极130、132中的一个或多个也耦合到电压表500来实现测量通道。例如，可以实现电极124和132之间和/或124和130之间的另外的电压测量。
在仅使用两个电极的实施例中，切换机构可以被配置为以确定的频率交替地将电极切换到电流发生器202和电压表500。以这种方式，当测量生物阻抗时可以使用仅两个电极。电压表可以被配置为在电极耦合到电压表时测量电压样本，而在电极耦合到电流发生器时不获取样本。
例如，当测量身体成分时，可以使用完全生物阻抗模式。在完全生物阻抗模式下，电流发生器可以被配置为同时或以时间复用方式以至少两个频率输出电流。
在方框600中选择混合模式后，过程可以前进到方框606，在那里模式选择器504将切换机构520配置为将电极的子集耦合为用于生物阻抗测量并且将电极的另一个子集耦合为用于ECG测量。例如，当在体育锻炼期间测量心搏量和心率时，或者当同时测量身体成分和心率时，可以采用这种模式。
在混合模式下，切换机构可以将至少两个电极耦合到ECG测量电路系统502，将至少两个电极耦合到电流发生器202，并且将至少两个电极耦合到电压表500。在使用六个电极的图3的实施例中，在混合模式下每个电极可以以固定的方式被配置为具有特定功能。例如，电极120、122可以耦合到电流发生器202，电极124、126可以耦合到电压表500，并且电极130、132可以耦合到ECG测量电路系统502。
在使用电极的精简集合(例如，如图4中的四个电极)的实施例中，切换机构520可以被配置为以确定的频率交替地将电极切换到ECG测量电路系统502和电压表500。电压表可以被配置为在电极耦合到电压表时测量电压样本，而在电极耦合到ECG测量电路系统时不获取样本。ECG测量电路系统502可以被配置为在电极耦合到ECG测量电路系统时测量ECG样本，而在电极耦合到电压表时不获取样本。
在使用交替切换的实施例中，切换频率可以高于60赫兹(Hz)。
当根据生物阻抗计算心搏量时，ECG测量信号可以被用于获取心搏量测量的时间基准。图7图示了用于由(一个或多个)处理器204获取用于心搏量估计的生物阻抗样本集的实施例。参考图7，该过程包括以同步方式测量ECG信号和生物阻抗(方框700)。处理器可以维护两个测量所共有的时间基准。当在ECG和电压测量之间执行切换时，切换频率可以足够高，使得维持令人满意的同步准确度。
处理器可以监视ECG信号中的签名。R峰是可以被监视的典型强签名点。图8图示了生物阻抗信号，并且在其下方图示了ECG信号。R峰在ECG信号中圈出。在方框702中检测到ECG信号中的签名后，处理器可以在方框704中触发新的生物阻抗样本集的开始(图8中的生物阻抗信号中的圆圈)。以这种方式，图7的过程可以生成例如用于心搏量测量的生物阻抗样本的多个集合。图7的过程还使心搏量估计与用户的心动周期同步。
在实施例中，处理器对生物阻抗样本集执行求平均。求平均可以是平滑的，其中在相应样本集中具有相同索引的样本被求平均。参考图示了生物阻抗样本的多个样本集的图8，该求平均将导致从生物阻抗样本的多个样本集计算出的平均生物阻抗样本集。如图8所示，生物阻抗可以是易失性的，并且平滑可以改善心搏量估计的准确度。
在实施例中，处理器还可以根据签名估计呼吸率。例如，可以根据ECG信号的相位来计算呼吸率。在另一个实施例中，通过测量ECG信号的R-R间隔来计算呼吸率。可以通过使用以下知识来根据R-R间隔检测呼吸率：用户吸气时的R-R间隔比用户呼气时的R-R间隔短。通过监视R-R间隔中的这种周期性，可以计算呼吸率。处理器可以通过使用测得的生物阻抗代替ECG或作为其补充来计算呼吸率。在实施例中，(一个或多个)处理器204可以执行针对生物阻抗测量的运动补偿。衣服可以包括集成在其中的一个或多个运动传感器。在实施例中，运动传感器被集成在测量电极(例如，被配置为测量电压的电极)的位置处。在另一个实施例中，(一个或多个)运动传感器与测量电路系统包括在相同的外壳中。
(一个或多个)运动传感器可以被配置为在测量电极的(一个或多个)位置处测量衣服的运动，并且测量电路系统可以被配置为基于测得的运动来对测得的生物阻抗执行运动补偿。图9图示了用于由测量电路系统114执行运动补偿的实施例。
参考图9，在方框900中，(一个或多个)处理器可以从(一个或多个)运动传感器获取运动测量数据。处理器可以被配置为尝试检测运动测量数据中的节奏。在方框902中检测到节奏后，处理器可以触发运动补偿算法以开始运动补偿。
在实施例中，通过计算运动测量数据的傅立叶变换并对经变换的数据执行峰检测来检测节奏。如果已经检测到高于确定的阈值的频率分量，那么在方框902中，处理器可以确定已经检测到节奏。
在实施例中，方框904中的运动补偿包括对于在上述平滑中使用的求平均窗口的调整(方框906)。例如，可以基于节奏来确定求平均窗口的长度，即，要包括在平滑中的样本集的数量。对于较高的节奏，可以选择较大的窗口。代替于节奏，可以使用另一个标准，例如，从测得的心率获取的训练强度。对于较高的强度，可以选择较大的窗口。在另一个实施例中，窗口的尺寸还取决于或者替代地取决于生物阻抗测量信号的信噪比的估计。
在实施例中，方框904中的运动补偿包括干扰抑制算法(方框908)。干扰抑制可以尝试检测频率为确定的节奏的信号分量，并从生物阻抗测量信号中去除该信号分量。
在又一个实施例中，运动补偿可以包括使用辅助数据。例如，当执行心搏量测量并检测节奏、差的信噪比或需要运动补偿的另一个指标时，处理器可以在心搏量估计中使用辅助数据。例如，处理器可以存储将训练强度或心率映射到心搏量的映射表。在检测到需要运动补偿后，处理器可以至少部分地基于映射表来计算心搏量。在实施例中，在检测到节奏高于确定的阈值或信号质量低于另一个确定的阈值之后，处理器可以仅将映射表用于心搏量估计。
现在让我们描述关于衣服中的电极和电子器件的实施方式的一些实施例。
在实施例中，电极的材料是热塑性聚氨酯(TPU)。TPU的特性包括使其适合用于衣服的弹性、透明性以及耐油、耐油脂和耐磨性。电极材料的另一种选择是银。
在实施例中，通过层压或印刷工艺将电极制造到衣服中。通过印刷，可以将电极布置为在衣服中形成任意图案。图10以该过程期间电极的中间产物来图示该过程。首先，提供织物层1000，其中织物层是衣服或衣服的一部分。然后，在电极和将电极连接到测量电路系统的信号线的预期位置处，在织物上形成传热基板1002。此后，可以将EMI屏蔽件1004部署在基板上。可以通过印刷在基板上的导电油墨来实现EMI屏蔽件。EMI屏蔽件1004可以覆盖电极和信号线的预期位置，从而保护它们两者。然后，可以在EMI屏蔽件上形成另外的基板层1006，以将EMI屏蔽件与电极和信号线隔离。在另外的基板层1006上，可以部署导电油墨1008以形成信号线以及信号线和电极之间的电连接。此后，可以在电极位置的边缘并且进一步在信号线上部署传热覆盖层1010，以覆盖信号线。这个层将信号线和导电油墨与用户的皮肤隔离开。此后，可以用包括一个或多个通孔的传热膜覆盖传热覆盖层，以使得能够电耦合到导电油墨1008。在传热膜之上，例如由导电热塑性塑料形成电极层1012。传热膜中电极位置处的(一个或多个)孔实现电极层与导电油墨1008之间的电耦合。
在实施例中，电极被布置为具有分层结构。图11图示了这种实施例。在图11的实施例中，被布置为接触皮肤的第一层1100是例如由TPU制成的导电层。这可以形成电极层。下一层可以包括具有(一个或多个)孔的传热膜和覆盖层1102，该覆盖层1102将第一层1100与外部(例如，衣服的织物)隔离，并且仍然为电极层提供电耦合。层1102可以包括用于电极和信号线之间的电耦合的一个或多个孔。信号线在图11中用附图标记1114图示。第一层1100可以通过层1102中的(一个或多个)孔接触接触点1104(诸如接触板)，并且信号线(例如，116或118)可以被带到接触点1104。另一个TPU层1108可以部署在传热覆盖层上。TPU层1108可以通过隔离构件1106与接触点隔离。然后，可以将传热膜1110或基板层1002提供为衣服1112的耦合构件。传热膜可以充当胶并且可以渗透衣服的织物材料，从而将其它层固定到衣服。
在图12中所示的另一个实施例中，例如，可以在TPU层1108内部或在TPU层1108和传热覆盖层1102之间提供电磁干扰(EMI)屏蔽层1200(图10中的1004)。EMI屏蔽层可以与接触点1104隔离，如图10的实施例。
信号线116或118可以被缝合在织物中或设置在织物之上。信号线可以由导电纱形成。在实施例中，为装置的信号线116、118提供EMI屏蔽。根据这些实施例的EMI屏蔽可以适于容易受到EMI影响的传导电信号的任何信号线。信号线可以包括电导体，其可以由导电线或穿在衣物、服装或衣服中的穿线形成。可以通过保护电导体并隔离电导体的隔离层来隔离电导体。在电导体之上，可以通过布置导电穿线以覆盖电导体来提供EMI屏蔽。可以通过用缝纫机缝合或缝制导电穿线来将导电线布置在电导体之上。可以通过使用锯齿形缝合来形成导电穿线，使得锯齿形图案覆盖信号线而不会穿透隔离层。可以将导电穿线缝制穿过其中设置有信号线的基材(例如，织物或衣服)。当用在基材与用户皮肤接触的应用中时，导电穿线因此与用户的皮肤接合，并作为用于将EMI接地的皮肤电极。
在另一个实施例中，可以通过使用同轴纱线来实现屏蔽，该同轴纱线基本上是具有同轴电缆的结构的纱线。内部信号线可以被隔离层和接地保护层包围。同轴信号线可以非常细，使得它可以被缝制。同轴信号线可以包括两条信号线：一条连接到接触点1104，另一条接地(例如EMI屏蔽件1200)。以这种方式，可以实现对信号线的屏蔽。
在又一个实施例中，从一个位置到另一个位置绘制两条或更多条信号线，例如，在电极的位置处采用运动传感器的实施例中，其中从电极到测量电路系统的位置绘制信号线，信号线可以相对于彼此扭绞。因而，形成了双绞线信号线，其提供了针对EMI的保护。
在实施例中，信号线可以被硅树脂或另一种保护材料覆盖。
在实施例中，可以为信号线的EMI屏蔽提供涂覆在信号线上的导电膏。
在实施例中，容纳包括测量电路系统114的电子器件的外壳可从衣服上分离。外壳可以是防水的，并且例如通过使用卡扣紧固而机械地附接到衣服。卡扣紧固还可以使外壳相对于衣服对准，使得衣服中的信号线将与外壳中的对应接口耦合。图13图示了这种实施例的示例。
参考图13，测量电路系统可以包括例如以固定或永久方式集成或附接到衣服1112的壳体1322。壳体可以用作用于容纳测量电路系统的外壳1320的定位构件。壳体1322可以包括信号连接器的第一集合1300、1302，其连接到衣服中的电极(例如，ECG电极和生物阻抗电极)。壳体1322可以包括信号连接器的第二集合1304、1306，其被配置为提供与外壳1320中的相应连接器的连接。当模块1320从壳体1322分离时，连接器1304、1306可以暴露。连接器1300、1302可以被覆盖(例如，在壳体中)，并且在壳体中连接到通向相应电极的相应信号线1114。内部布线可以部署在壳体1322中，以将第一集合的连接器1300、1302连接到第二集合的适当连接器1304、1306，如图13的底部所示。
外壳1320可以包括连接器的集合1310、1312，其部署为使得当外壳1320附接到壳体时，连接器连接到第二集合的适当连接器1304、1306。可以在模块中设置内部布线以将连接器连接到测量电路系统的相应组件，例如，连接到差分放大器502、电压表500和/或电流发生器202。
在实施例中，壳体在将附接外壳的位置处包括孔。图14图示了这种实施例。孔1400被示为在壳体中，并且在外壳1402中的对应位置中布置有传感器头1410。可以在外壳的表面上在传感器头1410中设置传感器，该传感器被设计为进入孔1400并接触皮肤。传感器头1410可以包括光电传感器、光电描记图(PPG)传感器、ECG传感器和/或温度传感器。在这种实施例中，取决于外壳1402在衣服中的位置，外壳中的传感器头1410可以代替上述电极中的一个或多个。例如，如果该位置在心脏水平之上，那么传感器头可以代替传感器120、124和134中的一个或多个。如果该位置低于心脏水平，那么传感器头可以代替传感器122、126、136中的一个或多个。传感器头可以代替ECG传感器130、132。不过，切换机构520仍可以以上述方式工作。
在以下实施例中，可以使用上述测量配置中的任何一种来监视用户100执行的体育锻炼。图15图示了用于提供与体育锻炼相关的训练指导的过程。该过程可以由训练计算机执行。参考图15，该过程包括：通过使用心脏活动传感器来测量(方框300)在体育锻炼期间用户的心脏活动；通过使用生物阻抗测量传感器来测量(方框300)在体育锻炼期间用户的生物阻抗；由处理电路系统通过使用测得的心脏活动来与用户的心动周期同步地根据生物阻抗计算(方框302)心搏量；由处理电路系统通过至少使用计算出的心搏量来计算(方框304)体育锻炼或体育锻炼的一部分的训练强度；以及由处理电路系统将训练强度与至少一个阈值进行比较(方框306和308)，并基于该比较输出(方框310)至少一个训练指导指令。
与根据心率确定训练强度的常规技术相比，通过使用心搏量来计算训练强度有几个优点。心率不能显示出心动输出和用户的努力水平的完整图景。例如，这会导致训练负荷或能量消耗估计不准确。心率是次优测量的典型示例是高强度间歇训练(HIIT)或力量训练。在完成高强度的工作时段之后，心率下降相对快。这导致估计出锻炼的轻度训练效果，虽然用户的肌肉变得精疲力尽。心搏量表现有所不同，并且与组织饱和指数的相关性比心率更好。组织饱和指数是对血液中氧合血红蛋白的测量，并且可以被认为表示真正的训练强度。在心率达到其最大值之后，心搏量也可增加。这意味着，通过使用心搏量来估计训练强度使得能在心率饱和时量化训练强度。因而，通过使用心搏量来计算训练强度在估计运动期间和/或之后的训练强度方面提供了更好的准确度。
在实施例中，训练强度是根据心搏量来计算的。
在实施例中，处理电路系统根据测得的心脏活动计算心率，并根据由计算出的心搏量(SV)和心率(HR)的乘积定义的心动输出(CO)来计算训练强度：
CO(n)＝SV(n)×HR(n)
其中n表示时间/样本索引。如上所述，可以同步地计算生物阻抗和心脏活动。因此可以从具有相同的一个或多个时间索引的样本或样本集计算CO。
在实施例中，处理电路系统根据测得的心脏活动来计算心率，并进一步根据由计算出的心搏量、心率和常数因子的乘积定义的氧气摄入量(VO2)来计算训练强度：
VO2(n)＝SV(n)×HR(n)×avdiff
其中avdiff表示动静脉氧差。avdiff是随着血液在体内循环，多少氧气从毛细血管中的血液被去除的指示。换言之，它可以被定义为主动脉与静脉之间的氧气含量净差，以每升血液中的氧气升数表示。对于处理电路系统，这个因子可以被认为是常数。它可以是特定于用户的预定义的参数。
在实施例中，处理电路系统根据测得的心脏活动来计算心率，并且还根据由计算出的心搏量、心率、因子avdiff和与用户相关的预定参数的乘积定义的能量消耗(EE)来计算训练强度：
EE(n)＝SV(n)×HR(n)×avdiff×oec
其中oec是氧能量系数，其表示用户将氧气转化为能量的能力，例如每升氧气5千卡路里。EE可以是时刻n的瞬时能量消耗。
在方框304中可以使用上述训练强度测量结果中的任何一个或组合。它们都是基于心搏量的训练强度度量。
在实施例中，处理电路系统可以通过使用心搏量作为训练强度的因子来利用被映射到不同训练强度范围的训练强度区。在这个实施例中，处理电路系统可以基于心搏量来确定多个训练强度区，其中每个训练强度区的范围被映射到心搏量值的唯一范围。此后，处理电路系统可以通过将训练强度与至少一个训练强度区进行比较来执行方框306和308中的所述比较。在这个实施例中，至少一个阈值可以包括至少一个训练强度区的至少一个极限。
可以针对上述任何一个训练强度测量(例如，SV、CO、VO2或EE)来创建训练强度区。它们全都基于心搏量，因此比例如心率区更好地表示训练强度和训练效果。例如，将基于心搏量的训练强度区与心率区区分开的另一个特征是，处理电路系统可以通过使用与这些区所基于的因子(例如，心搏量)不同的因子向用户指示这些区。可以将区的范围映射到SV、CO、VO2或EE的值，但是可以通过使用口头定义或通过最大值的百分比向用户指示训练强度区，如图4的中间列所示。照此，心搏量或心动输出可以不向普通用户说明，因此，使用更多说明性区定义可达到改善训练指导的目的。
心率可以是用于测量力量训练或HIIT锻炼的训练强度和训练负荷的次优度量。在作为间歇训练的示例的典型HIIT锻炼中，用户在工作时段期间表现出高训练强度，并且在休息时段期间休息或表现出轻度训练强度。TSI的总体趋势是，在高强度工作时段开始后不久，TSI急剧下降，并且在休息时段期间缓慢恢复。这指示用户在工作时段期间在无氧区锻炼，这对于HIIT锻炼是典型的。在工作时段期间，心率增加，但在休息期间，心率会取决于用户的心率恢复能力而迅速下降。但是，心搏量在工作时段期间上升并且在工作时段期间保持为高。最终，SV开始下降，但是例如速度比心率慢得多。
HIIT是最大化处于最大SV的时间的高效锻炼。在休息时段期间，SV示出保持为高，或甚至超过在工作时段期间测得的SV值，而在休息时段期间，VO2和HR相当快速地下降。因此，降低HIIT锻炼的休息时段的训练强度或者甚至在休息时段期间休息，可以延长达到精疲力竭的时间。它还可以允许在高强度区累积更多的时间，延长在最大SV、最大CO、最大VO2和/或最大EE上花费的累积时间，并导致提高训练收益。
在实施例中，处理电路系统确定训练指导，使得SV值最大化。处理电路系统可以指示用户将SV维持在确定的阈值水平之上。在实施例中，在检测到SV下降到确定的水平以下后，处理电路系统可以指示用户增加训练强度。附图图示了一个实施例，其中处理电路系统使间歇锻炼的工作时段适应于测得的心搏量的观察结果。在这个实施例中，至少一个阈值包括用于在体育锻炼的休息时段之后触发下一个工作间隔的阈值。
参考图16，在方框950中，处理电路系统可以触发休息时段的开始。触发可以是前一个工作时段的结束，并且可以基于工作时段的测得的时间或工作时段期间的测得的训练强度累积来检测该结束。在休息时段期间，处理电路系统可以执行方框302并计算SV。在方框952中，处理电路系统将计算出的心搏量与阈值进行比较，以触发下一个工作间隔。在方框954中检测到该比较指示心搏量已下降到由阈值限定的确定的水平以下时(方框954中为“是”)，处理电路系统输出训练指导指令，该指令指示用户开始下一个工作间隔(方框956)。否则，过程可以返回到方框302以计算下一个SV值。这个实施例使得能够将SV维持在阈值水平之上，从而优化间歇训练的训练效果。
在实施例中，由阈值限定的确定的水平是心搏量从恢复间隔开始时测得的参考心搏量的选择的下降，例如，5％和15％之间的值。换言之，当SV从休息时段开始时已经下降了由该值确定的量时，在方框956中，处理电路系统可以触发下一个工作时段。
在实施例中，通过处理电路系统利用类似的方法来调整工作时段的长度，尤其是调整工作时段的结束。在这个实施例中，至少一个阈值包括指示间歇锻炼的工作时段的最小训练强度的阈值。处理电路系统在工作时段期间累积心搏量保持在阈值以上的时间，并输出训练指导指令作为结束工作时段的指令。在检测到心搏量保持在阈值之上达确定的目标时间间隔T后，由处理电路系统触发该指令。图17图示了根据这个实施例的过程。
参考图17，在方框1050中，处理电路系统在间歇锻炼中触发工作时段的开始。可以根据图16的过程或者通过使用针对前一休息时段的持续时间和结束的预设定时来触发该开始(方框1050)。在工作时段期间，在方框302中，处理电路系统可以以上述方式计算心搏量。在方框1052中，可以将计算出的心搏量与指示工作时段的最小训练强度的阈值进行比较。如果心搏量指示训练强度在阈值水平之上，那么处理电路系统可以累积训练强度在阈值水平之上的时间(未示出)。在方框1054中，处理电路系统将累积的时间与目标时间间隔T进行比较。如果在方框1054中确定由心搏量指示的训练强度保持在阈值水平之上达目标时间间隔或在目标时间间隔之上，那么处理可以前进到方框1058，在那里处理电路系统触发工作时段的结束、后续休息时段的开始，并且为用户输出结束工作时段的指令。此后，例如，根据图9的实施例，在方框1060中，处理电路系统可以开始监视开始下一个工作时段的触发。在方框1054中确定训练强度尚未在阈值水平以上足够长时间之后，过程可以确定维持继续工作时段的指令(方框1056)，然后返回到方框302。
图18以曲线的形式图示了锻炼期间的指导的示例，该曲线图示了锻炼期间基于心搏量的训练强度。图18的曲线图的Y轴表示基于心搏量的训练强度，诸如SV、CO、VO2或EE。将两个阈值映射到Y轴，根据图17的实施例，THwork用于在工作时段期间训练强度的累积，并且根据图16的实施例，THrest用于触发休息时段的结束。参考图18，可以以任意方式触发间歇锻炼的开始，例如，用户开始锻炼并向执行图16和图17的过程的训练计算机提供开始输入。因而，第一工作时段开始。热身阶段可以在第一工作时段之前，但为简洁起见，在本说明书中将其省略。在第一工作时段期间，处理电路系统执行图17的过程，计算心搏量，并将基于SV的训练强度与阈值THwork进行比较。每当训练强度高于阈值时，就累积时间值。当时间值达到目标时间间隔Ttarget时，处理电路系统触发休息时段的开始，并开始将心搏量与阈值THrest进行比较。当心搏量下降到阈值THrest以下时，处理电路系统可以触发下一个工作时段的开始。以这种方式，该过程可以一直继续到间歇锻炼结束。
在实施例中，在图16的实施例中监视的基于SV的训练强度可以不同于在图17的实施例中监视的基于SV的训练强度。例如，基于SV的训练强度中的任何一种(SV、CO、VO2、EE)可以适合于图17的实施例，但是在图16的实施例中仅测量SV可以是有利的。让我们提醒一下，由于快速下降的特点，HR对于休息时段的调整可能是次优的。因而，涉及HR的度量也可能不如不具有HR而具有SV的度量更优。
在实施例中，处理电路系统被配置为在工作间隔期间根据计算出的心搏量检测用户的疲劳，并输出训练指导指令以供用户结束间歇锻炼。图19图示了用于在检测到用户疲劳后取消锻炼的实施例。可以通过评估工作时段期间的SV和心率来检测疲劳。参考图19，处理电路系统可以以上述方式执行方框1050、302、1052、1054、1056、1058和1060。在方框1054中确定工作时段继续后，处理电路系统可以接着检查用户的疲劳水平。该检查可以包括评估SV的发展。如果处理电路系统检测到在工作时段期间SV下降了至少确定的量(例如，通过使用阈值比较)，那么处理电路系统可以将其视为疲劳的指标，然后检查用户的表现的发展(方框1250)。如果一个或多个其它指标指示用户仍表现为高强度，那么在方框1250中处理电路系统可以确定用户疲劳了，并且前进到方框1252，在那里处理电路系统结束锻炼。方框1252可以包括向用户输出结束锻炼的指示。方框1252可以包括向用户输出用户可能疲劳并且应当休息的指示。
指示用户仍表现为高强度的一个或多个其它指标可以包括心率或运动强度。可以通过使用运动传感器、力传感器、节奏传感器或这些传感器的组合来测量运动强度。在方框1250中可以采用一个或多个阈值，例如，一个用于确定SV的足够的下降，而另一个用于确定训练强度保持为足够高，以触发锻炼的结束。
在实施例中，方框1250的疲劳检查可以在该过程的另一个实例或在相对于图10和/或图9的过程并行的过程中执行。
图20图示了训练计算机的实施例，其包括用于在计算机实现的过程中执行图15的过程或其任何实施例的处理电路系统。训练计算机可以是智能电话、平板计算机、腕式计算机，或者甚至是服务器计算机。训练计算机可以包括测量电路系统10，该测量电路系统10被配置为在监视用户执行的体育锻炼时例如在锻炼期间或之后执行计算和接口。测量电路系统10包括上述处理电路系统14。测量电路系统还可以包括传感器接口12，该传感器接口12被配置为提供与训练计算机内部的一个或多个传感器25的通信连接。例如，腕式计算机可以包括用于测量心脏活动的ECG传感器或PPG传感器。在一些实施例中，传感器接口和内部传感器被省略。测量电路系统还可以包括通信接口16，该通信接口16提供与外部传感器28(例如，衣服中包括的测量电路系统114)的无线通信连接。通信接口16可以支持蓝牙
Figure BDA0002889370940000211
协议，例如蓝牙低功耗或蓝牙智能。
训练计算机还可以包括用户接口26，该用户接口26包括显示屏和输入部件，诸如按钮或触敏显示器。处理电路系统14可以将关于锻炼的指令输出到用户接口26。
训练计算机还可以包括或可以访问至少一个存储器20。存储器20可以存储计算机程序代码24，计算机程序代码24包括可由处理电路系统14读取和执行的指令，并且配置处理电路系统14的上述操作。存储器20还可以存储配置数据库22，该配置数据库22限定用于处理电路系统的参数，例如，图16的实施例的阈值和/或映射表。
本文描述的一些实施例可以以由计算机程序或其部分限定的计算机过程的形式来执行。结合图6、图7、图9、图15至图17和图19描述的方法的实施例可以通过执行包括对应指令的计算机程序的至少一部分来执行。计算机程序可以是源代码形式、目标代码形式或某种中间形式，并且可以存储在某种载体中，该载体可以是能够携带程序的任何实体或设备。例如，计算机程序可以存储在计算机或处理器可读的计算机程序分发介质上。计算机程序介质可以是例如但不限于记录介质、计算机存储器、只读存储器、电载波信号、电信信号和软件分发包。计算机程序介质可以是非暂态介质。用于执行所示和所描述的实施例的软件的编码完全在本领域普通技术人员的范围内。
图21图示了用于实现电极并且尤其是改善皮肤与电极之间的电耦合的另一个实施例。电极在图21中由附图标记124和127示出。例如，当包括多个电极的衣服在锻炼期间变湿时，可以形成电极之间的通过衣服的电耦合。这种耦合会降低测量的性能。为了隔离这种形式的电耦合，可以隔离电极之间的通过衣服的电路径。图21图示了一个实施例，其中通过由隔离元件125、129将电极与衣服隔离来实现隔离。隔离元件可以由例如TPU或另一种电隔离材料制成。隔离元件可以设置在相应电极和衣服之间，例如包围相应电极。以这种方式，电极124、127之间的通过衣服的电耦合被隔离，从而改善了测量准确度。
对于本领域技术人员将清楚的是，随着技术的进步，可以以各种方式来实现本发明构思。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种由柔性材料制成的衣服，包括：
第一测量电极，在第一位置处集成到衣服中；
第二测量电极，在不同于第一位置的第二位置处集成到衣服中；以及
测量电路系统，被配置为通过使用第一测量电极和第二电极来测量生物阻抗并传输测得的生物阻抗，并且通过使用第一测量电极和第二电极中的至少一个或另一个电极来测量心电图，
其中衣服是上身衣服，其中第一测量电极部署在心脏水平之上并且第二测量电极部署在心脏水平之下。
2.如权利要求1所述的衣服，其中测量电路系统被配置为在检测到测得的心电图中的确定的签名后触发新的生物阻抗样本集的开始，并且从一个或多个生物阻抗样本集计算心搏量。
3.如权利要求1或2所述的衣服，其中测量电路系统包括至少一个开关，所述至少一个开关在心电图测量和生物阻抗测量之间切换所述测量电极中的至少一个测量电极的功能。
4.如权利要求3所述的衣服，其中所述至少一个开关在以下测量模式中的至少两种测量模式之间切换测量电极的功能：完全心电图模式，其中所有测量电极都用于测量心电图；完全生物阻抗测量模式，其中所有测量电极都用于测量生物阻抗；以及混合测量模式，其中测量电极的第一子集用于测量心电图并且测量电极的第二子集用于测量生物阻抗。
5.如前述权利要求中的任一项所述的衣服，其中衣服具有被布置为面向穿着该衣服的用户的背侧的背侧，并且还具有被布置为面向用户的前侧的前侧，其中第一测量电极在至少衣服的背侧上部署在衣服的颈部或肩部区域。
6.如权利要求5所述的衣服，其中第二电极部署在衣服的胸部区域中，其中衣服被布置为在第二电极的位置处贴身。
7.如权利要求5或6所述的衣服，其中第一测量电极是细长的，并且在用户的肩部之上从衣服的背侧延伸到衣服的前侧。
8.如前述权利要求中的任一项所述的衣服，还包括：
第三电极，在第三位置处集成到衣服中；
第四电极，在第四位置处集成到衣服中，其中从第一测量电极到第二测量电极绘制的线与从第三电极到第四电极绘制的线相交，以及
其中测量电路系统被配置为通过使用第三电极和第四电极来形成电流馈送电路系统，通过使用第一测量电极和第二测量电极来形成电压测量电路系统。
9.如前述权利要求中的任一项所述的衣服，还包括至少一个运动传感器，所述至少一个运动传感器被配置为在第一位置和/或第二位置处测量衣服的运动，其中测量电路系统被配置为基于测得的运动对测得的生物阻抗执行运动补偿。
10.如权利要求9所述的衣服，其中测量电路系统被配置为从测得的运动检测节奏，并且在检测到节奏后，通过基于测得的运动调整生物阻抗测量的求平均窗口来执行运动补偿。
11.如前述权利要求中的任一项所述的衣服，其中测量电路系统被包括在能够从衣服分离的外壳中，并且其中衣服还包括壳体，该壳体被配置为接纳并定位所述外壳并且将测量电路系统连接到第一测量电极和第二测量电极。
12.如权利要求11所述的衣服，其中外壳包括耦合到测量电路系统的传感器头，其中壳体包括接纳传感器头的孔，并且其中当外壳连接到壳体并且用户穿着衣服时，传感器头被布置为接触用户的皮肤。
13.如权利要求12所述的衣服，其中传感器头包括第一测量电极和第二测量电极中的至少一个。
14.如权利要求12所述的衣服，其中传感器头包括光电体积描记图传感器头和温度传感器头中的至少一个。
15.如前述权利要求中的任一项所述的衣服，其中衣服是衬衫、背心或吊带。
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