CN1286046C - 用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人体体表信息的采集及分析处理的数字化系统，包括：附着载体、离散地附着在该附着载体内侧上的传感器和物理量刺激源，与各传感器相连的数据采集仪，及与各数据采集仪相连的计算机；物理量刺激源包括对人体进行物理量刺激的微热源、微电源、微磁场源、声学刺激源、光学刺激源、化学刺激源或它们的组合，各传感器和物理量刺激源通过伸出附着载体外侧的连线分别与数据采集仪相连；使用时，待检测对象进入与操作间独立的检测室内，并将内侧布满传感器的衣服穿于身上呈站立放松状态，开通全部数字采集仪及相互联网的计算机群，则人体全身体表的多种物理信息如温度、电场及磁场等即被同时采集入计算机，并通过一台主机进行可视化成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于人体体表信息的采集及分析处理的数字化系统，特别是涉及一种内部设有按一定空间分布规律排列的多种传感器，以采集人体体表的温度场、电场、磁场等全身数字化信息，并对其进行分析处理的数字化系统。
背景技术
人体作为一种相当复杂的对象，其体表包含的信息有电学、磁学、声学、光学及热学物理量等重要信息。比如，局部皮肤表面温度异常(升高、降低或出现特异分布等)往往说明皮肤下面有某种病变。同样，对体表电、磁学信号等的采集也同样富有重大的疾病诊断价值，临床上常用的心电、脑电信号采集及分析等即为此方面突出的例子，事实上，人体表面温度、电场、磁场等受皮下血液循环、局部组织的新陈代谢、皮肤热、电及磁传导性等影响，局部血流、组织病变、神经反射、物理性压迫以及环境物理状况等都要影响其分布情况。因而合理地揭示和监测出其中的规律，具有重要的临床意义。而人体在对外界物理因素作出响应后，其体表发生的动态信息变化，则提供了更多的体内信息；此外，体表信息的空间关联规律也存在类似意义。揭示体表空间信息的分布特点具有相当重要的医学生物学意义，这些问题都提出了对人体体表物理信息进行数字化的要求。然而，以往研究大多只注意到局部问题，将整体信息综合起来加以分析至今鲜有尝试。随着现代计算机与传感技术的飞速发展，对人体内外海量信息进行采集并实现综合分析不再成为一件难事。现今逐步得到认同的一个观点是，二十一世纪是充满数字化的世纪，它已成为技术进步和社会进步的一个重要标志，目前，数字化的概念已渗透到几乎所有领域，对于生命体这样一个极其复杂的对象，从人体全三维解剖结构的数字化，到人类基因组的超大规模测序等，无不充满着数字化的卓越贡献。
基于人体体表信息实现医学诊断的途径不会像射线和同位素等检查手段那样对人体产生副作用，因此逐步得到了应用，就此开展的无损诊断研究一直是医学界和工程界的重要目标，至今虽已取得了许多大的进展，但总体而言，仍处于探索之中。比如，现有方法大多只能实现静态诊断，即通过一定成像装置对静息下的人体体表温度、电学或磁学信息等进行成像后再对其是否存在疾病状态加以判定。实际上，人体组织病变的重要信息往往蕴含在其动态过程中，因而实现动态诊断一直是提高医学诊断有效性的关键。
以上阐述表明，人体体表信息如温度、电场或磁场分布反映了人体的内在健康或疾病状态。对这些信息加以数字化采集和处理具有重大的临床医学价值。然而迄今尚无一种方法被提出来同时获取人体体表全身的多种物理量的数字化信息。由于工程手段的介入远远不够，同时又缺乏完备的装置，也缺乏对体表物理状态的准确控制，因此以往的检测装置大多仅具备单一功能，即仅记录电场或磁场特性，或仅具备热场记录功能；而且，往往是局部信息，并未实现整个人体全身体表信息的数字化。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术只能单一、局部地采集人体体表局部信息的缺陷，从而提供一种可以实现人体全身体表物理信息同时采集的人体体表信息的采集及分析处理的数字化系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，包括：附着载体、离散地附着在该附着载体内侧上的传感器和物理量刺激源，与各传感器相连的数据采集仪，及与各数据采集仪相连的计算机；
所述的物理量刺激源包括对人体进行物理量刺激的微热源、微电源、微磁场源、声学刺激源、光学刺激源、化学刺激源或它们的组合，所述的传感器和物理量刺激源通过伸出附着载体外侧的连线分别与数据采集仪相连；
所述附着载体为适体型衣服式附着载体或为床垫式附着载体；其适体型衣服式附着载体为具有松紧性能的棉布制作的布质附着载体，即为上衣型附着载体、下衣型附着载体或其组合；
所述的传感器为温度传感器、用铂丝或金丝制作的微电极传感器、微磁极传感器(选用可测定微弱磁场的基于超导量子干涉器件即SQUID组成的磁强计)、微型声学传感器、微光学传感器或化学传感器；所述的数据采集仪和计算机数目为1到100台；所述的传感器和物理量刺激源元件可编织于附着载体的内侧；传感器数量在1-100,000枚之间；传感器之间间距为2-100mm，其相互间的空间位置呈正方形、矩形或三角形；所述的物理量刺激源数量在1-100,000枚之间；各物理量刺激源数量之间间距为2-100mm，其相互间的空间位置呈正方形、矩形或三角形。
使用时，待测病人进入与操作间隔开的检测室内，并将内侧布满传感器和物理量刺激源的适体型附着载体穿于身上或平卧于布满传感器和物理量刺激源的床垫式附着载体上，开通所有数字采集仪及计算机群，则人体全身体表的多种物理信息如温度、电场及磁场信息即被采集入计算机，从而实现数字化分析或显示，这些数字化信息通过进一步的分析软件可用于人体健康状况的评价。
本发明的优点在于：
1.本发明的装置可以实现人体全身体表物理信息的同时采集；
2.本发明的装置采用的适体型附着载体，建立一种结构固定的测试装置，使传感器和物理量刺激源及其连线不易缠绕及毁坏，又可适于不同体型人体的测试；
3.本发明的装置结构简单、体积微小、成本低；
4.本发明的装置采用计算机群来同时、全面的采集数据，并将所有计算机采集到的信息通过局域网传送至专门用于分析和成像的主计算机，再进行综合处理，由于各台计算机采集到的信息其空间和时间均是确定的，在分析用计算机上经适当处理后即得到一个被测量人体的体表数字化信息，该信息将具有十分重要的医学诊断价值。
附图说明
图1是本发明的人体体表信息的采集及分析处理的数字化系统的结构示意图；
图2(a)为附着载体及附着在该载体内侧的传感器及物理量刺激源相对位置的俯视图；图2(b)为图2(a)的侧视图；
图3是将本发明提供的人体体表信息的采集及分析处理的数字化系统用于人体全身体表信息采集及分析处理的示意图；
其中：
适体型衣服式附着载体(上衣)1 适体型衣服式附着载体(下衣)10
传感器2、3、4 物理量刺激源5、6、7
计算机9、99 数据采集仪8
连线81 数据采集仪连线82
计算机联网线66
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步描述本发明：
如图1所示为本发明的人体体表信息的采集及分析处理的数字化系统的结构示意，包括：适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10；传感器为热电偶传感器，用标号2、3和4表示，物理量刺激源(微热源)用标号5表示，物理量刺激源(微电场)用标号6表示；物理量刺激源(微磁场)用标号7表示；计算机9和99、计算机联网线66；多阵列式数据采集仪8、传感器连线81、数据采集仪连线82；电源、导线(图中未示)。
适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10的布料为具有一定柔韧性的弹性纯棉，其内侧为纤维薄膜，按图1中所标定的位置(传感器和物理量刺激源对应的位置)处的纤维薄膜上开有直径为100μm的微孔，并将传感器和物理量刺激源按图1中所标定的位置从相应的微孔装入，传感器2，3，4的测量端从这些微孔处穿过露出纤维薄膜表面，以便与人体体表接触而测取该处数据；传感器2，3，4处进行细致而坚固的微观缝纫编织，以便将该处的传感器2，3，4固定住；以同样的方法将物理刺激源固定在纤维薄膜上；所述的适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10可设计成不同型号，且在衣服外设置松紧带，以便衣服穿于人体后能适合于不同体型人体的物理信息监测，保证传感器阵列的测量点能与人体良好接触；而传感器2，3，4的连线81从适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10的外侧引出，分别与各自的数据采集仪8(本实施例为Agilent 34907A型信号采集)相连，数据采集仪8则通过数据采集仪连线82与各自的计算机9相连，各计算机通过计算机网线66传输到主分析机99上。
使用时，待测病人进入与操作间隔开的检测室内，并将适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10穿在身(微热源)物理量刺激源{也可根据实际需要，单独穿着适体型衣服式附着载体(上衣)1或适体型衣服式附着载体(下衣)10}，图3即为穿着适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10的待测病人在接受检测的示意图；人体体表的多种物理信息被采集，并通过计算机网线66传输到主分析机99上，由所编制的图像和分析软件处理并成像到计算机显示屏上，同时提供对人体健康状况的评价。
根据待测试体表信号分布精度的大小，传感器之间的间距可在2-10mm之间随意调整，其相互的空间位置也可呈不同结构，如正方形、矩形或三角形等，在将适体型衣服式附着载体(上衣)1和适体型衣服式附着载体(下衣)10穿于人体后，对衣服外观进行拍照，并通过计算机成像软件判读出各传感器的位置，将它们的相对坐标信息存储于计算机中。在上述部位的传感器采得体表物理量后，即可通过成像软件将该物理量的空间分布形貌以数字或彩图形式显示在计算机屏幕上。这样，体表瞬态物理信号响应即可实时成像，这些信息提供了疾病诊断的重要定量数据。
由图2和图3可知，本发明的的物理量刺激源5——(微热源)物理量刺激源可采用由Peltier半导体元件构成的器件制成微热源，其Peltier元件作成100cm2大小，分散排列，根据需要对人体体表实施加热或冷却。在电场效应的控制方面，本发明采用1mm-5cm的两平行金属板上连接微电源，通过连通电源在两平行板间形成一微电场，从而构成物理量刺激源(微电场刺激源)6。物理量刺激源(磁场效应元件)7与电场类似，包括有一定距离的一对永磁体薄片，用于在其间产生磁场，永磁体也可从衣服本底上取下，此时的衣服即为近零磁场情形。其他物理量刺激源如声学刺激可采用微型扬声器实现，光刺激则采用特定激光光源如半导体激光器实现。综上所述，组成本发明装置的热学和电学刺激元件均可在连通电源后开始工作，且各自的强度可通过电流或电压大小的调节，所以使用起来十分方便。
图3为传感器2，3，4和物理量刺激源5、6、7的连线81从适体型衣服式附着载体的外侧引出示意图。
本发明所采用的各类传感器及信号采集，均采用以往在人体测试上获得成功应用的元件和方法。比如，温度传感器可由热电偶制成；而微电极可由铂丝或金丝制作而成；磁极传感器则选用可测定微弱磁场的基于超导量子干涉器件SQUID的磁强计(有关内容可参见：唐孝威主编，脑功能成像，pp.160-191，合肥：中国科技大学出版社，1999)；人体体表声信号可采用压电薄膜式微型声学传感器测定；微光学信号则可采用微型光纤测定。
综上所述，本发明提供的设备可对人体全身体表的多种物理量进行数字化存储，而现有其他设备均只能对其中一种物理信息进行测定，且仅为局部体表的物理信息。显然，由于人体是一个同时兼含多种能量过程的系统，要对其作出全面诊断和评价，最完善的作法毫无疑问是同时监测出所有可能发生的物理效应。本发明的提出将使得这方面的尝试成为可能，其实施将大大拓展以往仅考虑单一效应的不足，因而具有重要的医学生理学意义。直接将传感器编织在适体型衣服或床垫中从而直接对所触及体表的物理信息进行量测是较佳的办法(见图3)，这也是本发明提出的关键之处。本发明的核心原理在于在衣服上设置多种类型的传感器阵列，来获取多种信息。连续性好，能较好地满足三维数据采集的要求。且由于选择用衣服作为基底后再制作传感器阵列时相对容易，而且测试时穿戴也极为方便(见图3)，数据采集及处理十分方便，测温和评价体表组织的热状态比较容易，测试范围广(可对稳态或动态实施成像)。本系统适宜于不同体表部位、不同面积大小的体表热图成像，且完全无损。
现代纺织工业已达到高度发达的程度，因此完成本发明提出的衣服传感和刺激源系统的编制和加工并非难事。进一步地，还可将各种高度集成的传感器纺织到衣服中，实现更多的功能。
应该指出，本系统所用传感元件并不仅限于上述所提及的温度、电学或磁学传感器，其他物理传感器如：微型声学传感器、微光学传感器甚至化学传感器以及它们的组合都可编制到衣服中用以测取更多的人体体表信息。同样，本系统所用刺激元件也不仅限于上述所采用的热学、电学或磁学刺激源，其他类型刺激源如：声学、光学及化学刺激源等以及它们的组合也均可采用。
此外，本发明提出的用于人体体表数字化信息获取的衣服不仅仅作为以上所论及的数据采集和分析，其概念还可扩展到更宽范围，如在衣服各部位设置相应的微型理疗器械后，则本发明提出的集成有多种特殊器件乃至集成化芯片的衣服还可充当一种全身治疗装置。这种系统既可对人体全身物理状况作出全面评价，也可根据具体情况设置相应的理疗刺激参数，因而理疗中可望达到较好的效果。特别是，上述思路还可用于普通衣服，如在普通衣服上编制一定有特殊治疗功能的微型器件后，则所做成的衣服，可作为一种可随时随地执行理疗功能的衣服，这将大大拓展目前衣服仅作装饰、保暖等简单用途的思路。
本发明提供的对人体全身体表信息进行数字化记录的过程是这样实现的：
a)为隔绝外界因素干扰测试，人体体表数据的采集可在一个与周围环境分离的检测室内进行。当实施数字化采集时，待检测对象进入温度、湿度适宜的检测室，并进行更衣，将本发明提供的衣服穿着于身体(见图3)；启动数据采集仪及计算机群；伺人体处于安静状态后，即可开始测量。
b)对体表实施数字化成像时，可分静态和动态检测依次进行。这里先介绍静态成像步骤：将本发明提供的衣服小心传戴在身上时，确定好各传感器的位置，确保它们贴紧待测试人体全身体表，开通计算机9，99和数据采集仪8，记录下所测试体表的物理信息分布，然后通过软件进行分析及处理，根据其分布规律对人体身体状况作出评价。在完成静态信息成像后，即可开始动态成像的准备。此时，将设置在衣服各处的相应刺激源5，6，7开通，比如，若开通的是热源或冷源5，则体表由于受到加热或冷却作用，其温度即发生改变，经一定时间后，终止体表加热或降温，并开启计算机和数据采集仪，记录下不断变化的体表瞬态温度分布。结合临床上建立的正常体表物理信息图谱，即可判断人体各部位是否出现病变特征，本发明提供的检测手段对于亚健康状态的评价可能会非常有用。与上述热动态过程监测同时的是，随着体表热状态的改变，其电学、磁学状态也有可能发生改变，于是，依赖于本系统提供的传感器网，这种在人体全身体表上因热而引起的其他物理效应则可记录到，它们也提供了极其重要的医学诊断信息。同样，若在人体体表施加电场刺激，则由电学效应引起的热状态或磁状态改变也可加以检测。当然，利用本系统，还可同时或交替地实施热学、电学或磁学的刺激，以综合考察其规律。以往，同时对人体体表的多种物理信号进行监测尚未有尝试，即，要么仅依靠红外摄像仪获取其温度分布，要么仅采用电生理仪获取电信号，等等，各种效应常常被割裂开来单独予以分析，这必然会忽略许多本来十分关键的诊断信息。
Claims (10)
1、一种用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，包括：附着载体、离散地附着在该附着载体内侧上的传感器和物理量刺激源，与各传感器相连的数据采集仪，及与各数据采集仪相连的计算机；
所述的物理量刺激源包括对人体进行物理量刺激的微热源、微电源、微磁场源、声学刺激源、光学刺激源、化学刺激源或它们的组合，所述的传感器和物理量刺激源通过伸出附着载体外侧的连线分别与数据采集仪相连。
2、按权利要求1所述的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述附着载体为适体型衣服式附着载体，所述适体型衣服式附着载体为具有松紧性能的棉布制作的布质附着载体，为上衣型附着载体、下衣型附着载体或其组合。
3、按权利要求1所述的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述附着载体为床垫式附着载体。
4、按权利要求1所述的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述的传感器为温度传感器、用铂丝或金丝制作的微电极传感器、可测定微弱磁场的基于超导量子干涉器件的磁极传感器、压电薄膜式微型声学传感器、光纤传感器或测量体味的微化学传感器。
5、按权利要求1的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述的数据采集仪和计算机数目为1到100台。
6、按权利要求1、2、3、4或5所述的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述的传感器和物理量刺激源元件编织于附着载体的内侧。
7、按权利要求1、2、3、4或5的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述的传感器之间间距为2-10mm，其相互间的空间位置呈正方形、矩形或三角形。
8、按权利要求6的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述的传感器之间间距为2-10mm，其相互间的空间位置呈正方形、矩形或三角形。
9、按权利要求1、2、3、4或5的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，所述的物理量刺激源之间间距为2-100mm，其相互间的空间位置呈正方形、矩形或三角形。
10、按权利要求6的用于人体体表信息采集及分析处理的数字化系统，其特征在于，其特征在于，所述的物理量刺激源之间间距为2-100mm，其相互间的空间位置呈正方形、矩形或三角形。
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