CN1212806C - 使用封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备 - Google Patents

Abstract

在以往的生物医学信息收集设备中，由于要直接在生命体上粘贴电极并通过导线进行测量，故不仅不能长时间地收集准确的信息，而且还会因导线等限制人体的自由。用于解决这些问题而提出的设备因其在生命体信号的探测上使用了静电容量型传感器，故又存在受到温度特性差、低频区域信号易于变动等的制约的问题。本发明使用由具有气密性的柔软的橡胶、塑料、布等制作的空气袋或利用金属、橡胶、塑料、木材等制作的内部容积可变的封闭空腔的封闭空气型声传感器，通过利用微音器或压力传感器探测包括人体的呼吸、心脏跳动次数(心动周期)、咳嗽或打鼾在内的身体动作等生物医学信息，可实现不限制人体的自由的测量，解决了以往设备的问题。

Description

使用封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备

本发明涉及一种生物医学信息收集设备，该设备使用一个安装在具有可变内部体积的封闭舱上的封闭空气型声传感器收集生物医学信息，如心率、呼吸速率及包括咳嗽和打鼾的身体运动。

作为一种用来收集诸如心率、呼吸速率及身体运动之类的常规设备，频繁使用这样一种设备，其中用来探测各种信息的电极附着到人体上，并且把由电极探测的信号经导线传输到测量仪器上以收集人体的生物医学信息。

在上述这样一种常规设备中，由于把用于信息探测的电极附着到人体上，他们在使用期间易于从其原始位置移动，导致其输出信号的变化，并且收集导线易于受到在电极交点处的脱开或床上用品的折叠之害，及在使用工业电源的场合，有这样一种危险，如果收集导线与活机体接触，那么活机体可能接收电击。而且，导线非常可能起天线的作用，并且受外部电磁波噪声之害。以这种方式，常规设备具有要解决的各种课题。而且，不仅在长时间段期间不能收集准确的信息，而且由于电极固定仪器和导线也失去人体的自由，从而人体受到限制甚至不能在床上摇摆和翻身。

作为用来解决描述类型的常规生物医学信号探测设备的问题的对策，已经提出了在日本专利公开No.Hei 10-14889的官方公报中公开的设备。该设备包括：身体运动测量装置，用来根据在一个第一电极与活机体之间形成的第一静电电容和在一个第二电极与活机体之间形成的第二静电电容的串联连接静电电容测量活机体的振荡信号；和身体测量装置，用来借助于第一或第二电极和一个第三电极测量源于有活机体重量的身体压力信号，并且该设备进一步包括计算装置，用来根据身体运动测量装置和身体压力测量装置的输出计算活机体的特征量，如体重、心率、呼吸速率、有效质量或生命状态，而不用把测量电极直接附着到活机体

一般地，静电电容型传感器在温度特性方面不好，并且在靠近直流的低频区域中呈现信号的变化。同时，压力敏感传感器具有漂移特性等，并且响应速度较低。总之，压力敏感传感器在绝对压力的测量精度方面较差，并且不能捕捉动态高频信号。尽管把失真阻抗元件用作压力敏感传感器是一个可能的主意，但失真阻抗元件的输出信号大大地取决于诸如安装条件或温度之类的环境。结果，常规生物医学信号传感器具有要解决的问题：他们受到这样一种限制，从而每当开始测量时，用户本身进行零点调节或增益调节，或者分别提供用来稳定传感器的安装环境的保护设备，或者把生物医学信号传感器仅用作通/断开关。

已经提出了一种方法作为一种补偿上述缺陷的方法，其中一诸如气囊之类的柔软封闭体放置在活机体下，并且由压力传感器或麦克风测量由活机体的运动造成的在封闭体内中的压力变化以收集生物医学信息。

然而，为了使用该方法在全和宽范围内收集生物医学信息，封闭体必须放在宽区域上。

而且，必须把封闭体的内部压力保持得高于外部空气压力和使用在膨胀状态下的封闭体。

发明内容：

根据本发明，通过实现一种生物医学信息收集设备解决常规设备的问题，其中使用每个由一个无方向性麦克风形成的多个封闭空气型声传感器或/和用来探测在具有气密性并且每个具有一个可变体积的封闭舱的每一个中的空气压力并且把其转换成一个电信号的压力传感器，并且一个弹簧件放置在封闭舱的每一个中，及由无方向性麦克风或/和压力传感器探测在一种其中空气保持在其中并且人体直接放置在板形件上或有床上用品等插入在其之间的状态下当板形件放置在封闭空气型声传感器上时的空气压力，由此能测量生物医学信息，例如呼吸、心率即心动周期、或包括人体咳嗽或打鼾的身体运动，而不损害人体的自由度。

对于本发明的生物医学信息收集设备，由于板形件放置在其每一个中放置一个弹簧件的多个封闭空气型声传感器上，所以在活机体的整个范围上能准确地测量生物医学信号。因此，生物医学信息收集设备最适于医院中住院病人的远程监护等。

根据本发明，这里提供一种生物医学信息收集设备，其特征在于，包括：多个封闭舱，由具有气密性的金属、橡胶、塑料、木材制成，放置在彼此离开的位置处，所述封闭舱的每一个具有一个可变内部体积；一个弹簧件，放置在所述封闭舱内部的每一个中；一个封闭空气型声传感器，由用来探测在所述封闭舱每一个中的空气压力并且把其转换成一个电信号的无方向性麦克风或/和压力传感器形成；及一个板形件，放置在所述多个封闭舱上；当人体直接放置在相称形状的所述封闭舱上或有床上用品插入在其之间时，在空气保持在封闭空气型声传感器的所述封闭舱中的同时，在所述封闭舱中的空气压力由无方向性麦克风或/和压力传感器探测，以测量生物医学信息，呼吸、心率即心动周期、或包括人体咳嗽或打鼾的身体运动。

附图说明：

图1是示意图，表示用在本发明中和使用带有一个可变内部体积的封闭舱的封闭空气型声传感器的一个实施例；

图2表示使用压力传感器的常规生物医学信息校正设备；

图3至5表示使用本发明的封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备的使用状态；

图6表示封闭空气型声传感器10的无方向麦克风的输出信号的例子；

图7表示通过放大其电平是稳定的但在图6中表示的封闭空气型声传感器10的无方向性麦克风的输出信号内呈现较小变化的部分(在图6中由一个圆围绕的部分)的信号得到的一个信号S1、和通过微分相同部分的信号得到的另一个信号S2；及

图8是方块图，表示用来处理封闭空气型声传感器10的输出信号以得到各类生物医学信息的信号处理电路的一个例子。

具体实施方式：

图1是示意图，表示用在本发明中和使用带有一个可变内部体积的封闭舱的封闭空气型声传感器的一个实施例。

图1的(a)是示意图，表示具有一个可变内部体积的封闭舱的结构，而(b)是封闭舱的剖视图。

参照图1的(a)和(b)，标号10指示具有气密性；由金属、橡胶、塑料、木材等制成；及具有一个可变内部体积的封闭舱。标号字符SP指示一个用来保持封闭舱10的内部气隙的弹簧件。标号41指示一根连接到封闭舱10上的软管。标号21指示一个无方向性麦克风或压力传感器，及31指示一根用来传送无方向性麦克风或压力传感器21的导线。

参照图1(b)的剖视图描述弹簧件SP的布置状态。图1(b)表示沿图1(a)的平面A-A′得到的剖视图，而(1)、(2)、(3)和(4)表示使用结构彼此不同的弹簧件的例子。

图1(b)的(1)表示一个例子，其中封闭舱10的内部填充有具有气密性的连续泡沫海绵的弹簧件SP，以支撑在封闭舱10内部中的气隙。在该例子中，封闭舱10的侧壁由可弯曲材料制成，以便当泡沫海绵的弹簧件SP的形状变化时是可运动的。

图1(b)的(2)表示一个例子，其中封闭舱10的内部部分由独立的泡沫海绵元件SP1、SP2和SP3支撑，以支撑在封闭舱10内的气隙。

图1(b)的(3)表示一个例子，其中多个弹簧SP4、SP5和SP6布置在封闭舱10的内部中，以支撑封闭舱10内气隙。

图1(b)的(4)表示一个例子，其中封闭舱10本身提供有通过舱表面材料的形状的弹性，以支撑在封闭舱10内的气隙，并且把封闭舱10的内部划分成多个气室。

标号21指示无方向性麦克风或压力传感器，并且31指示用来发信号无方向性麦克风或压力传感器21的信号的导线。标号41指示一根连接到封闭舱10上的软管。

无方向性麦克风或压力传感器21附着到软管41的端部上。

把空气封闭在封闭舱10的内部，并且把空气的压力经软管41传送到无方向性麦克风或压力传感器21。无方向性麦克风或压力传感器21把封闭舱10的内部压力转换成电信号，并且经导线31传输电信号。

封闭舱10带有一个提供在其中的显微针孔，作为一种用来使对探测空气压力和把其转换成电信号的无方向性麦克风或压力传感器21的影响最小的空气泄漏对策。

图2表示使用封闭空气型声传感器的常规生物医学信息校正设备的状态。

参照图2，标号60指示由从其收集生物医学信息的人使用的床。标号50指示用来收集和处理医学信息的信息处理设备。标号10指示由可弯曲橡胶、塑料、布等制成的已知封闭空气型声传感器。标号30指示用来传输封闭空气型声传感器的探测信号。标号70指示从其收集生物医学信息的人，并且标号80指示由从其收集生物医学信息的人使用的枕头。

当为了远程监护打算收集诸如医院中住院病人的心率和呼吸速率之类的生物医学信息时，由于必须在长时间段期间进行测量，所以在收集其生物医学信息的人70处于一种其中人70使用枕头80躺在床60上的状态下的同时，进行测量。在这种情况下，用来收集生物医学信息的封闭空气型声传感器10放置在背的一个位置处，在背上最大施加要收集其生物医学信息的封闭空气型声传感器10的重量，并且要收集其生物医学信息的人70恢复一种其中它躺在封闭空气型声传感器10上的状态。

诸如要收集其生物医学信息的人70的呼吸和心脏脉动之类的无意机械运动和诸如摇摆和翻身之类的身体无意识运动的无意机械运动经密封在封闭空气型声传感器10内部中的空气传输到无方向性麦克风或压力传感器，通过该传感器把他们转换成电信号。

由封闭舱10探测的电信号经导线30传输到信息处理设备50，并且由信息处理设备50进行生物医学信息的处理和监护。

在该方法中，不能容易地抽取超越封闭空气型声传感器的人体部分的信号，并且为了防止这点，必须使封闭型声传感器的面积大于人体尺寸。

图3表示使用本发明的封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备的一个例子。参照图3，标号60指示由要收集其生物医学信息的人使用的床。标号10和20每个指示具有图1中表示的结构的封闭空气型声传感器，并且31和32指示用来传输由封闭空气型声传感器探测的信号的导线。标号70指示一个其上躺着要收集其生物医学信息的人的板形件。

封闭空气型声传感器10和20放置在床60上，并且板形件70放置在他们上。封闭空气型声传感器10和20放置在板形件70的相对端部处，并且以这样一种位置关系设置，板形件70由封闭空气型声传感器10和20支撑着。在图3实施例的情况下，由于要收集其生物医学信息的人躺在封闭空气型声传感器10和20上，所以即使当在其中人躺在板形件70上的状态下要收集其生物医学信息的人通过摇摆和翻身改变其身体位置时，也能稳定地收集生物医学信息。

图4表示使用本发明的封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备的另一个实施例。参照图4，标号60指示由要收集其生物医学信息的人使用的床。标号10、20、30和40每个指示具有图1中表示的结构的封闭空气型声传感器。标号31和32指示用来传输由封闭空气型声传感器探测的信号的导线，并且41和42指示空气管。标号70指示一个其上躺着要收集其生物医学信息的人的板形件。

封闭空气型声传感器10、20、30和40放置在床60的四个角处，并且板形件70放置在他们上。封闭空气型声传感器10、20、30和40放置在板形件70的四个角处，并且以这样一种位置关系设置，从而板形件70由封闭空气型声传感器10、20、30和40支撑着。在这种其中使用在其每一个中在气隙内部提供一个声传感器的封闭空气型声传感器的情况下，如果封闭空气型声传感器10和30的气室及封闭空气型声传感器20和40的气室分别由空气管41和42彼此连接，那么有可能共同使用为用来探测空气压力的封闭空气型声传感器10和30或20和40提供的无方向性麦克风或压力传感器。也有可能在床60的四个角处的支腿中插入封闭空气型声传感器10、20、30和40。

而且其中一个声传感器提供在气隙外的另一个封闭空气型声传感器用于封闭空气型声传感器10、20、30和40的场合，一般能使用用来探测封闭空气型声传感器10和30或20和40的气室的空气压力的无方向性麦克风或压力传感器。

在图4实施例的情况下，由于要收集其生物医学信息的人躺在封闭空气型声传感器10、20、30和40上有板形件70插入在其之间，所以即使当在其中躺在板形件70上的状态下要收集其生物医学信息的人通过摇摆和翻身等改变身体位置时，总是能收集稳定的生物医学信息。

要注意，尽管在图3和4的描述中，描述了其中一个封闭空气型声传感器放置在床60上并且板形件70放置在封闭空气型声传感器上的例子，但封闭空气型声传感器和放置在其上的板形件70不必放置在床60上，而是可以直接放置在垫或地上。

图5表示使用本发明的封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备的又一个实施例。参照图5，标号70指示一个其上躺着要收集其生物医学信息的人的板形件。标号51、52、53和54每个指示用于板形件70的支撑柱。支撑柱51、52、53和54的每一个是一个由一个其中密封空气的舱形成的封闭空气型声传感器。在支撑柱51、52、53和54每一个的空气室中，能提供一个用来探测空气室的空气压力的唯一无方向性麦克风或压力传感器。在这种情况下，能选择性地使用支撑柱传感器的信号的最佳一个。也有可能由一根空气管4把支撑柱51、52、53和54的空气室彼此连接，从而一般能使用一个无方向性麦克风或压力传感器。

在图5的实施例的情况下，由于用于生物医学信息收集的封闭空气型声传感器在四个角部处借助于每个由一个其中密封空气的舱形成的支撑柱支撑着板形件70，所以当在其中躺在板形件70上的状态下要收集其生物医学信息的人也通过摇摆和翻身等改变身体位置时，能更稳定地收集生物医学信息。

使用本发明的封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备最适于医院中住院病人的远程监护等，因为它在其中它根本不限制躺在板形件上的人的行为的状态下把呼吸、心脏脉动及包括咳嗽和打鼾的身体运动一般作为一个叠加信号，并且依据振幅能进行身体运动次数的选择和分析，及根据频率进行呼吸和心脏脉动的选择和分析。

由用在本发明的生物医学信息收集设备中的封闭空气型声传感器探测的生物医学信息包括无意机械运动，如呼吸和心脏脉动。生物医学信息进一步包括无意机械运动，如诸如摇摆和翻身之类的无意识身体运动，并且在睡觉期间，无意识身体运动也是作为警戒电平的显著信息。

在医院中住院病人的远程监护等中，有可能由病人已经入睡的住院病人的呼吸、呼吸速率等的生物医学信息的状态自动探测，并且进行这样一种操作以便熄灭病房的灯、关闭电视或调节收音机的音量。而且，通过把本发明的设备包括在日常使用的物品中，如对其活机体接触的床、椅子、地毯、浴缸或坐便器中，能辨别活机体的健康状态而不用把生疏感给与活机体本身。已知在白天活动的普通人在早晨六点左右的睡眠期间呈现人体深部的最低温度，并且得到不受活动影响的基本生物医学信息，及能与诸如女性周期性性激素变化之类的感冒或新陈代谢信息相等同。

图6表示封闭空气型声传感器10的无方向麦克风的输出信号的一个例子。

横坐标轴指示时间(秒)，纵坐标轴指示输出信号的电平(V)。在图6中呈现较大变化的输出信号的一部分指示无意识身体运动的无意机械运动BMT，如要收集其生物医学信息的人70的翻身。同时，呈现稳定电平和呈现较小变化的输出信号的另一部分指示无意机械运动，如要收集其生物医学信息的人70的呼吸或心脏脉动。

图7表示是在图6中表示的封闭空气型声传感器10的无方向性麦克风的输出信号的、在其内电平是稳定的并且呈现较小变化的部分(在图6中由一个圆围绕的部分)的信号放大信号的一个信号S1；和通过微分在该部分处的信号得到的另一个信号S2。

在通过微分封闭空气型声传感器10的无方向性麦克风的输出信号得到的信号S2的波形的高电平中的周期信号指示心跳周期，并且在高电平的周期与中间电平的周期信号之间的间隔指示左心室排出时间。

以这种方式，在一个长时间段上从封闭空气型声传感器10的无方向性麦克风的输出信号能连续地得到各类生物医学信息。

图8是方块图，表示用来处理封闭空气型声传感器10的输出信号以得到各类生物医学信息的信号处理电路的一个例子。

参照图8，标号字符PT指示封闭空气型声传感器10的无方向性麦克风，它输出图6中所示的这样一种信号。

标号字符LV指示一个电平探测电路，当无方向性麦克风PT的输出超过一个预定电平时，该电路输出一个脉冲A。标号字符LP指示一个低通滤波器，它除去无方向性麦克风PT的输出信号的高频分量。标号字符DF指示一个微分放大器，它输出通过微分无方向性麦克风PT的输出信号得到的、由图7的S2表示的这样一种信号。

标号字符DT1、DT2和DT3指示最大值探测器，其每一个每当探测到施加到其上的一个信号的最大值时输出正极性脉冲。

标号字符CU1、CU2和CU3指示计数器，其每一个计数施加到其上的脉冲，并且当计数值变得等于预置值时产生一个输出信号。标号字符TM1、TM2、TM3和TM4指示计时器，其每一个测量在把一个信号施加到其启动终端上之后直到一个信号施加到其一个停止终端上的时间段，并且在其输出终端处输出测量结果。标号字符DV指示一个衰减器，衰减施加到其上的一个信号t并且输出衰减的信号。标号字符SW1指示一个开关，而M1指示一个存储器。

无方向性麦克风PT的一个输出信号施加到电平探测电路LV、低通滤波器LP和微分放大器DP上。

从电平探测电路LV输入的一个脉冲作为一个启动信号供给到计时器TM1，并且也施加到计数器CU1上。

计数器CU1每当它接收到来自电平探测电路LV的第一脉冲A时，输出一个不同极性的脉冲，并且是一个这样操作的预置计数器，从而当它从电平探测电路LV接收到第一脉冲时，输出一个负极性脉冲，然后当它接收到下个脉冲时输出一个正极性脉冲。

计时器TM1测量在它从电平探测电路LV接收一个正极性脉冲之后直到它从计数器CU1接收到一个正极性脉冲的时间段，并且输出测量值作为一个身体测量时间BMT。

低通滤波器LP的输出施加到最大值探测器DT1上，并且把一个从DT1输出的脉冲作为一个启动信号供给到计时器TM2，及进一步施加到计数器CU2上。

计时器TM2测量在它从最大值探测器DT1接收一个正极性脉冲A之后直到它从计数器CU2接收到一个正极性脉冲F的时间段，并且输出测量值作为一个呼吸周期RP。

微分放大器DF的输出信号连接到最大值探测器DT2上。

把从最大值探测器DT2输出的脉冲作为一个启动信号供给到计时器TM3，并且进一步施加到计数器CU3上。计时器TM3测量在它从最大值探测器DT2接收一个正极性脉冲之后直到它从计数器CU3接收到一个正极性脉冲的时间段，并且输出测量值作为一个心动周期RR。

计时器TM4响应从最大值探测器DT2输出的脉冲，并且仅在由计时器TM3测量的和存储的一次心跳之前等于1/n心动周期RR的时间段期间接通开关SW1，从而只有一次主动脉瓣关闭声音由最大值探测器DT3探测，并且作为一个停止信号施加到计时器TM4上。然后，输出计时器TM4的测量值作为一个左心室排出时间ET。

具有上述这样一种结构的图8的电路的操作如下。

图6中所示的或由图7中的S1指示的生物医学信息的这样一种电信号从无方向性麦克风PT输出。该信号指示这样的无意机械运动，如要收集其生物医学信息的人70的呼吸和心脏脉动。

当无方向性麦克风PT的输出的电信号超过一个预定电平时，就是说，当对于要收集其生物医学信息的人70某种身体运动发生时，电平探测电路LV输出一个脉冲A，并且供给到计时器TM1。响应脉冲A，计时器TM1开始身体运动时间BMT的测量。

计时器TM1测量在它从电平探测电路LV接收到脉冲A之后直到它从计数器CU1接收一个脉冲B的时间段，就是说，图6中表示的要收集其生物医学信息的人70的身体运动时间BMT，并且输出测量值。

源于身体运动等的无方向性麦克风PT的输出的电信号的高频分量由低通滤波器LP除去，并且电信号的最大值，就是说，源于呼吸的要收集其生物医学信息的人70的身体运动，由最大值探测器DT1探测，并且从其输出一个脉冲A。

计时器TM2测量在它从最大值探测器DT1接收到脉冲A之后直到它从计数器CU2接收脉冲B的时间段，就是说，图6中表示的呼吸周期RP，并且输出测量值。

无方向性麦克风PT的输出的电信号由微分放大器DF微分，从而把它转换成由图7的S2指示的这样一种信号，并且微分信号的一个最大值由最大值探测器DT2探测。

计时器TM3测量在它从最大值探测器DT2接收到脉冲A之后直到它从计数器CU3接收脉冲B的时间段，就是说，图6中表示的心动周期RR，并且输出测量值。

而且，计时器TM4仅在它从最大值探测器DT2接收脉冲A之后一次心跳之前等于1/n心动周期RR的时间段期间接通开关SW1，并且测量直到它从最大值探测器DT3接收脉冲B的时间段，就是说，图7中表示的左心室排出时间ET，并且输出测量值。

通过借助于信号处理电路以这样一种方式处理封闭空气型声传感器10的输出信号能得到各类生物医学信息。

本发明的生物医学信息收集设备能在长时间段期间用于年长的人或身体健康减弱的严重情况和相反积极运动的活机体，因为它使用每个在其内部带有一个弹簧件的多个封闭空气型声传感器，并且能从放置在封闭空气型声传感器上的板形件的整个面积收集生物医学信息。

如果使用本发明的封闭空气型声传感器的生物医学信息收集设备与短或长距离通信装置一起使用，则它作为用于医院的住院病人的监视器、用于家中在医治下的病人的监视器或在健康人睡觉期间的监视器也是有用的，并且也能用于在睡觉期间的窒息症状、心律不齐的探测。而且，它也能用来观察由感冒、激素或发热变化产生的心率或呼吸的变化。另外，它也允许确定睡眠深度(REM(快眼动)睡眠、NONREM(非快眼动)睡眠)，并且也能为睡醒提供良好计时。

Claims (4)

1.一种生物医学信息收集设备，其特征在于，包括：

多个封闭舱，由具有气密性的金属、橡胶、塑料、木材制成，放置在彼此离开的位置处，所述封闭舱的每一个具有一个可变内部体积；

一个弹簧件，放置在所述封闭舱内部的每一个中；

一个封闭空气型声传感器，由用来探测在所述封闭舱每一个中的空气压力并且把其转换成一个电信号的无方向性麦克风或/和压力传感器形成；及

一个板形件，放置在所述多个封闭舱上；

当人体直接放置在相称形状的所述封闭舱上或有床上用品插入在其之间时，在空气保持在封闭空气型声传感器的所述封闭舱中的同时，在所述封闭舱中的空气压力由无方向性麦克风或/和压力传感器探测，以测量生物医学信息，呼吸、心率即心动周期、或包括人体咳嗽或打鼾的身体运动。

2.根据权利要求1所述的生物医学信息收集设备，其特征在于，所述的无方向性麦克风或/和压力传感器安装在所述的多个封闭舱之中每个的内部。

3.根据权利要求1所述的生物医学信息收集设备，其特征在于，所述的无方向性麦克风或/和压力传感器安装在连接到所述封闭舱上的一根软管的一端处。

4.根据权利要求1所述的生物医学信息收集设备，其特征在于，一个封闭空气型声传感器，其内有一个显微针孔，设在所述封闭舱的每一个中，用于建立一种空气泄漏对策，以使对于用来探测空气压力和把其转换成一个电信号的所述无方向性麦克风或/和压力传感器的影响最小化。

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