電極的主動放電的製作方法

2023-05-02 17:43:26

專利名稱：電極的主動放電的製作方法
電極的主動放電
本公開涉及一種電容傳感器以及將其用在測量源於受檢對象的生物醫學信號的方法，例如測量人的心電圖、腦電圖或肌電圖。傳感器包括用於釋放傳感器電極上積累的電荷的監測和調節電路，放電可能導致測量值誤差。
測量生物醫學信號是重要的，但對於患者而言並非始終是舒適的。為了以不引人注目的方式測量生物醫學信號，電容式測量方法是一種有潛力的候選方法。
不直接接觸皮膚的電容式傳感器為用戶提供了更大的自由度，實現患者更舒適和不引人注目的測量和或監測。
可以採用這種電容式傳感器測量例如患者的心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)或肌電圖(EMG)。
使用電容傳感器也造成如下問題，即電荷累積在耦合到高阻抗/電阻電路的感測電極上。本發明公開描述了一種方法，以主動對電極放電，並在發生放電時向系統其餘部分提供數據無效信號，以避免信號處理中的誤差。
當前測量生物醫學信號的方法涉及到使用必需要接觸皮膚的電極。使用這種測量技術的優點是獲得的測量值質量較高。
在近來的文獻中，已經報導過生物醫學信號的不接觸(無電流接觸)
儘管無接觸測量提供不了接觸測量的穩定性和精確度，但這種測量的可能性很大。
已經提出了多種系統和方法來測量源於對象的電荷，例如2002年3月5日授權的美國專利6353324、 2001年10月9日授權的6300616、以及2004年10月19日授權的6807438;以及2006年3月16日公開的美國專利申請No.2006/0058694。
不過，這些系統和方法仍然存在問題，尤其是在將感測電極用於測量源於對象的生物醫學電荷而不接觸對象時。本文披露的系統和方法克服了這種問題。
本公開涉及一種用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷的電容傳感器，包括具有電極的輸入電路元件，該電極用於感測電荷以提供作為被測電荷函數的輸出信號，其中，該電極不與對象接觸；連接到輸入電路
元件的放大電路元件；處理電路元件，用於接收和處理所述放大的輸出信號並提供所述測量值；以及至少耦合到所述輸入電路元件的調節和監測電路元件，所述調節和監測電路元件包括監測電路元件和調節電路元件；其中，所述監測電路元件用於監測所述放大的輸出信號以檢測由於所述電極上的電荷累積導致的大於預設值的測量值誤差；且其中，所述調節電路元件用於在所述監測電路元件檢測到測量值誤差時被啟動以對所述電極放電，且所述調節電路元件在不再檢測到測量值誤差時被停用。
具體而言，目的是提供一種用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷的電容傳感器，包括
輸入電路元件，用於感測所述電荷以提供作為被測電荷函數的輸出信號，其中，所述輸入電路元件包括用於感測源於對象的電荷的電極以及電連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒有電接觸；
放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件並用於放大所述輸出信號以提供測量值；
處理電路元件，用於接收和處理所述放大的輸出信號並提供所述測量值；以及
調節和監測電路元件，至少耦合到所述輸入電路元件的所述調節和監測電路元件，包括監測電路元件和調節電路元件；其中，所述監測電路元件用於監測所述放大的輸出信號以檢測由於所述電極上的電荷累積導致的大於預設值的測量值誤差；且其中，所述調節電路元件用於在所述監測電路元件檢測到測量值誤差時被啟動以對所述電極放電，且所述調節電路元件在不再檢測到測量值誤差時被停用。
另一個目的是提供一種傳感器，其中，所述調節和監測電路元件還包括用於指示何時由於誤差導致測量值無效的顯示指示器。另一個目的是提供一種傳感器，其中，所述調節電路元件還包括連接 到開關的第二電阻元件，所述開關連接到地電勢並通過配置使得在處於閉 合位置時，所述調節電路元件被啟動，在處於打開位置時，所述調節電路
元件不被啟動；其中，所述第二電阻元件的電阻遠小於所述第一電阻元件
的電阻。
另一個目的是提供一種傳感器，其中，所述開關是電氣開關、繼電器 開關或半導體開關。
另一個目的是提供一種傳感器，其中，所述第二電阻元件和所述閉合
位置的開關的電阻約為0。
另一個目的是提供一種傳感器，其中，所述第二電阻元件和所述打開 位置的開關的電阻大於所述第一 電阻元件的電阻。
另一個目的是提供一種用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷的
方法，包括
將電容傳感器放置得緊密接近但不接觸受檢對象的表面； 使用所述電容傳感器測量所述生物醫學電荷；以及 向接收和觀察單元發送測量值以觀察測量值； 其中，所述電容傳感器包括
輸入電路元件，用於感測所述電荷以提供作為被測電荷函數的輸出信 號，其中，所述輸入電路元件包括用於感測源於對象的電荷的電極以及電 連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒有電接觸；
放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件並用於放 大所述輸出信號以提供測量值；
處理電路元件，用於接收和處理所述放大的輸出信號並提供所述測量 值；以及
至少耦合到所述輸入電路元件的調節和監測電路元件，所述調節和監 測電路元件包括監測電路元件和調節電路元件；其中，所述監測電路元件 用於監測所述放大的輸出信號以檢測由於所述電極上的電荷累積導致的大 於預設值的測量值誤差；且其中，所述調節電路元件用於在所述監測電路 元件檢測到測量值誤差時被啟動以對所述電極放電，且所述調節電路元件 在不再檢測到測量值誤差時被停用。另一個目的是提供一種方法，其中，所述調節和監測電路元件還包括 用於指示何時由於誤差導致測量值無效的顯示指示器。
另一個目的是提供一種方法，其中，所述調節電路元件還包括連接到 開關的第二電阻元件，所述開關連接到地電勢並通過配置使得在處於閉合 位置時，所述調節電路元件被啟動，在處於打開位置時，所述調節電路元
件不被啟動；其中，所述第二電阻元件的電阻遠小於所述第一電阻元件的 電阻。
另一個目的是提供一種方法，其中，所述開關是電氣開關、繼電器開 關或半導體開關。
另一個目的是提供一種方法，其中，所述第二電阻元件和所述閉合位 置的開關的電阻約為0。
另一個目的是提供一種方法，其中，所述第二電阻元件和所述打開位 置的開關的電阻大於所述第一電阻元件的電阻。
另一個目的是提供一種方法，包括測量人的心電圖、腦電圖或肌電圖。
將參考以下實施例並參考附圖更詳細地解釋本發明的這些和其他方面。


圖1是示出了基本電容性探針的概念圖示； 圖2圖解示出了放大器作為輸入電阻R函數的輸出噪聲； 圖3從概念上繪示了根據本發明的具有主動電極放電功能的電容傳感 器實施例；
圖4示出了根據本發明的調節/監測方案的範例。
圖1示出了根據現有技術的基本電容性探針，例如可以將其用於無接 觸地感測心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)和肌電圖(EMG)。
圖1中所示的電極不必與皮膚有電流接觸測量例如ECG、EEG或EMG。
由於測量的生物醫學信號非常小，因此無接觸測量系統的輸入阻抗必 需儘可能大。於是，圖1中所示的R的值必需要大。
在文獻[2]中，還示出了具有大輸入電阻將導致放大 輸出更低的噪聲 水平。圖2中示出了輸入電阻R和放大器輸出噪聲之間的關係。因此，對於無接觸生物醫學感測系統而言，具有大輸入阻抗/電阻至少 有兩個原因
對(人)身體產生的少量電荷具有高靈敏度； 降低了這種感測系統的初始放大器狀態的輸出噪聲。
在[l]中描述了增大無接觸生物醫學信號感測系統輸入阻抗/電阻的技術。
由於這種感測系統具有大的輸入阻抗/電阻，因此系統對幹擾將非常敏 感。此外，無接觸感測系統的電極可能變得帶電。
該電極的電荷將能夠在放大器的輸出信號中檢測到。由於這種感測系 統的輸入阻抗/電阻非常高，電荷不能經由輸入阻抗/電阻迅速釋放，將導致 很長時間內不能使用感測系統。
本發明公開提出為基本電容性探針使用附件，以在電極上積累的電荷 千擾測量過程時主動對電極放電。
圖3示出了根據本發明的用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷 的電容傳感器的實施例。在該圖中，為了方便起見未示出圖1中所示的高
輸入阻抗/電阻R (換言之，第一電阻元件)。
通過調節/監測電路實現電極的主動放電。該電路監測放大器的輸出。
如果檢測到電極上累積了幹擾測量(進一步處理)的電荷，經由電阻器R1
(換言之，第二電阻元件)將電極連接到固定電勢(在本實施例中為電路 地)。在本發明的範圍之中希望術語"電阻元件"或"電阻器"還能夠指像具有 電阻的元件那樣行為的電路。調節/監測電路能夠在離散時段期間中不斷或
間歇地監測放大器的輸出。遵循Nyquist/Shannon準則實現間歇性監測，亦 即，採樣頻率必需至少為要採樣信號的兩倍。例如，在測量ECG信號時， 所有相關信息都來自DC-200Hz的水平；於是以lkHz進行採樣是可接受的。
為了能夠迅速對電極放電，根據本發明在下面給出了相對電阻水平
R！《R
Ri開關閉合《 OOo
為了不影響測量
Ri開關打開> R
注意，儘管開關被繪示為真實開關，但不同的開關實現是可能的，例如，使用超過一個開關或將一個或多個開關設置在放大器輸出的下遊。此 外，例如，在本發明範圍內還想到過開關的繼電器或半導體實現。如果使 用半導體開關，那麼可以將Rl不選擇為0。這樣做可能會導致靜電放電
(ESD)，這可能會破壞開關。那麼，Rl的值必需要選擇得與所用開關符合。
處理電路元件是常規的且為本領域的技術人員公知的，取決於正測量 的生物醫學信號類型。例如，可以在DC-200Hz的頻帶中測量ECG。對於 EMG而言，頻帶一般為DC-500Hz。而且，如果僅對患者心率以及心率變 化性感興趣，會使用DC-100Hz。因此幾乎始終要採用帶通濾波器。此外， 來自電源的50Hz (在美國和日本為60Hz)是支配性信號。因此，常常採用 50Hz (或60Hz)的陷波濾波器。在一些情況下，這種信號的高次諧波也是 大的，因此可以使用100Hz、 150Hz、 200Hz、 250Hz、 350Hz (或60Hz的 高次諧波)的陷波濾波器。在這種濾波背後繼續進行處理。例如，確定心 率和心率變化性需要與為醫生提供好看的ECG波形所需處理不同種類的處 理。此外，除了利用陷波濾波器之外，還可以藉助於鎖相環路(PLL)產生 擾動信號，並隨後從測量信號減去擾動信號。於是，可以通過很多方式實 現噪聲的消除。換言之，累積在感測電極上的電荷是要通過這裡根據本發 明的電容傳感器和方法克服的問題，儘管使用處理電路元件從提供不可用 信號的第一放大器產生測量信號。
可以在調節/監測電路中實現的放電方案實施例在圖4中示出。在該圖 中，示出了正常情況，ECG。如果電極上發生電荷累積，放大器的輸出值 將增大。這樣的結果是放大器的輸出可以在V2和VI之間或V3和V4之間 結束。值VI和V4例如可以是放大器的輸出飽和電平。值V2和V3例如可 以是放大器開始非線性行為的電平。例如，利用這些電平，可以定義感測 系統的問題區域。在圖4中，將它們稱為Pl和P2。
於是， 一種可能的放電方案是，只要放大器輸出保持在問題區域P1和 P2 (如圖4所示的所謂安全值Vout (SV)區域)外部，就將開關保持如圖 3所示打開。當放大器輸出進入Pl或P2時，然後調節/監測電路可以閉合 開關，由此對電極放電，使放大器輸出返回到SV範圍。
調節/監測電路能夠產生放電指示信號(在圖3中被示為"Dis.Ind.")，以 讓系統的其餘部分(圖3中的進一步處理)知道放大器的測量信號是無效的。
本發明公開中討論的方式為上述問題提供了解決方案。
通過對電極放電，當電荷累積達到會導致測量錯誤的水平時，在調節/ 監測電路的控制下消除了電荷，這也可以向系統其餘部分表明信號的這一 短暫無效。
第二項優點在於，當被測量的人運動過大時，放大器輸出信號也可能 變得無效(區域P1或P2中的信號)，因為人的運動可能導致電荷運動，電 荷運動由電容性探針檢測。當發生這種情況時，調節/監測電路還產生信號， 告知系統其餘部分信號是無效的。
儘管已經相對於其具體實施例描述了本發明，但本領域的普通技術人 員將認識到，可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下做出很多修改、 提高和/或變化。因此，明確的意圖是，本發明僅受權利要求及其等價要件 的範圍限制。參考文獻
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Prance， R. J.和A. Debray， T. D. Clark, H. Prance, M. Nock， C. J. Harland, A. J. Clippingdale (2000)。
AN ULTRA-LOW-NOISE ELECTRICAL-POTENTIAL PROBE FOR HUMAN-BODY SCANNING。
Measurement Science & Technology,第11巻，2000年3月，第3期， 291-297頁。
權利要求
1、一種用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷的電容傳感器，包括輸入電路元件，用於感測所述電荷以提供作為被測電荷函數的輸出信號，其中，所述輸入電路元件包括用於感測源於所述對象的所述電荷的電極以及電連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒有電接觸；放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件並用於放大所述輸出信號；處理電路元件，用於接收和處理經放大的輸出信號並提供測量值；以及至少耦合到所述輸入電路元件的調節和監測電路元件，所述調節和監測電路元件包括監測電路元件和調節電路元件；其中，所述監測電路元件用於監測所述經放大的輸出信號以檢測由於所述電極上的電荷累積導致的大於預設值的測量值誤差；且其中，所述調節電路元件用於在所述監測電路元件檢測到所述測量值誤差時啟動以使所述電極放電，且所述調節電路元件在不再檢測到所述測量值誤差時停用。
2、 根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述調節和監測電路元件還 包括用於指示何時由於所述誤差導致測量值無效的顯示指示器。
3、 根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述調節電路元件還包括連 接到開關的第二電阻元件，所述開關連接到地電勢並通過配置使得在閉合 位置時，所述調節電路元件啟動，在打開位置時，所述調節電路元件停用； 其中，所述第二電阻元件的電阻遠小於所述第一電阻元件的電阻。
4、 根據權利要求3所述的傳感器，其中，所述開關是電氣開關、繼電 器開關或半導體開關。
5、 根據權利要求3所述的傳感器，其中，在所述閉合位置時所述第二 電阻元件和所述開關的電阻約為0。
6、 根據權利要求3所述的傳感器，其中，在所述打開位置時所述第二 電阻元件和所述開關的電阻大於所述第一電阻元件的電阻。
7、 一種用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷的方法，包括 將電容傳感器放置成緊密接近但不接觸所述受檢對象的表面； 使用所述電容傳感器測量所述生物醫學電荷；以及 向接收和觀察單元發送所述測量值以觀察所述測量值；其中，所述電容傳感器包括輸入電路元件，用於感測所述電荷以提供作為被測電荷函數的輸出信 號，其中，所述輸入電路元件包括用於感測源於所述對象的所述電荷的電 極以及電連接到所述電極的第一電阻元件；其中，所述電極與所述對象沒 有電接觸；放大電路元件，所述放大電路元件連接到所述輸入電路元件並用於放 大所述輸出信號以提供所述測量值；處理電路元件，用於接收和處理經放大的輸出信號並提供所述測量值；以及至少耦合到所述輸入電路元件的調節和監測電路元件，所述調節和監 測電路元件包括監測電路元件和調節電路元件；其中，所述監測電路元件 用於監測所述經放大的輸出信號以檢測由於所述電極上的電荷累積導致的 大於預設值的測量值誤差；且其中，所述調節電路元件用於在所述監測電 路元件檢測到測量值誤差時啟動以對所述電極放電，且所述調節電路元件 在不再檢測到測量值誤差時停用。
8、 根據權利要求7所述的方法，其中，所述調節和監測電路元件還包 括用於指示何時由於所述誤差導致測量值無效的顯示指示器。
9、根據權利要求7所述的方法，其中，所述調節電路元件還包括連接到開關的第二電阻元件，所述開關連接到地電勢並通過配置使得在閉合位置時，所述調節電路元件啟動，在打開位置時，所述調節電路元件停用； 其中，所述第二電阻元件的電阻遠小於所述第一電阻元件的電阻。
10、 根據權利要求9所述的方法，其中，所述開關是電氣開關、繼電 器幵關或半導體開關。
11、 根據權利要求9所述的方法，其中，在所述閉合位置時所述第二 電阻元件和所述開關的電阻約為0。
12、 根據權利要求9所述的方法，其中，在所述打開位置時所述第二 電阻元件和所述開關的電阻大於所述第一電阻元件的電阻。
13、 根據權利要求7所述的方法，包括測量人的心電圖、腦電圖或肌 電圖。
全文摘要
本發明涉及一種用於測量源於受檢對象的少量生物醫學電荷的電容傳感器，包括具有電極的輸入電路元件，該電極用於感測電荷以提供作為被測電荷函數的輸出信號，其中，該電極不與對象接觸；連接到輸入電路元件的放大電路元件(A)；處理電路元件，用於接收和處理所述放大的輸出信號並提供所述測量值；以及調節和監測電路元件，所述調節和監測電路元件至少耦合到所述輸入電路元件，包括監測電路元件和調節電路元件；(R1)其中，所述監測電路元件用於監測所述放大的輸出信號以檢測由於所述電極上的電荷累積導致的大於預設值的測量值誤差；並且其中，所述調節電路元件用於在所述監測電路元件檢測到測量值誤差時被啟動以對所述電極放電，且所述調節電路元件在不再檢測到測量值誤差時被停用。
文檔編號A61B5/0428GK101677777SQ200880015132
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月7日 優先權日2007年5月8日
發明者A·U·道格拉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司