Система сбора данных - RU2587795C2

Чертежи

Описание

Согласно п.35 § 119 Патентного кодекса США настоящая заявка претендует на приоритет заявки США под серийным номером 61/300435, поданной 01.02.2010 года и озаглавленной ″Система сбора данных на двух запястьях″, и заявки США под номером 61/378878, поданной 31.08.2010 года и озаглавленной ″Система сбора данных″. Каждая из предшествующих заявок полностью включена в настоящую заявку во всей ее полноте посредством ссылки.

Введение

Некоторые электромагнитные сигналы, например сигналы ЭКГ, сигналы проводимости, высокочастотные сигналы и т.п., весьма сложны для обнаружения и сбора, что вынуждает пользоваться неудобными или громоздкими системами сбора данных. В общей окружающей среде могут находиться источники помех в любых дозах рассматриваемого спектра электромагнитных (ЭМ) излучений. Источник целевого ЭМ сигнала (например, устройства, находящегося внутри пациента) может быть подавлен - полностью или частично - сигналами, присущими пациенту естественным образом. Устройство сбора данных, скорее всего, будет оснащено микроконтроллером и другими электронными компонентами, излучающими сигналы, которые способны еще более снизить отношение сигнал-шум для собираемых данных.

Возможно, в меньшей степени, но также очень важны паразитные емкости, которые несмотря на небольшую абсолютную величину могут рассеивать электромагнитную энергию в соответствующем частотном диапазоне. На величину паразитной емкости может влиять относительное положение пар измерительных электродов, относительное положение каждого отдельного электрода относительно печатных плат, имеющих земляные шины, и относительное положение каждого отдельного электрода относительно больших металлических или проводящих поверхностей, например, батарей или элементов питания.

Примером устройства, находящегося внутри пациента, которое может передавать соответствующие сигналы, является проглатываемый отметчик режимов (″ПОР″), описанный в патентной публикации США 2010-0185055, озаглавленной ″Системы проглатываемых отметчиков режимов″, патентной публикации США 20100081894, озаглавленной ″Системы связи с расщепленным источником питания″, патентной публикации США 20100022836, озаглавленной ″Вживляемое устройство с всенаправленным передатчиком″, патентной публикации США 20090256702, озаглавленной ″Многомодовые коммуникационные проглатываемые отметчики режимов и системы, а также способы их применения″, патентной публикации США 20090135886, озаглавленной ″Системы для передачи информации через тело пациента с использованием коммуникационных каналов″, а также патентной публикации США номер 20090082645, озаглавленной ″Вживляемое устройство с усилением сигнала виртуальным диполем″, патентной публикации США 20100312188, озаглавленной ″Связанный с телом пациента приемник сигналов и способ его применения″, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки.

Подобного рода ПОР неизбежно крайне ограничен в имеющемся запасе электрической энергии, а также в размерах антенны, соединяющей передатчик с близлежащей средой передачи информации. Поэтому уровень излучаемого сигнала ненамного превосходит уровень излучения типовых окружающих источников фоновых помех. До настоящего времени для обнаружения подобных сигналов ПОР требовалось использование клейкой накладки, выполненной наподобие большой лейкопластырной повязки, накладка прикладывалась к области живота пациента как можно ближе к ПОР, излучающему сигнал. Потенциальные недостатки использования клейкой накладки заключаются в риске раздражения эпидермиса вследствие контакта с клеящим веществом, возможном ограничении свободы перемещений и, возможно, в неэстетичном внешнем виде.

Пример системы сбора, которую можно создать, представлен на фиг.2. Задачей такой системы 201 является регистрация сигнала, обнаруживаемого между (а) поверхностью 102, например биологической тканью тела пациента, и (б) ″воздухом″ или общей окружающей областью пространства (на фиг.2 расположенной в любой точке вне этой ткани и системы обнаружения). Регистрация сигналов осуществляется при помощи электрода 203, соединенного с поверхностью 102, и электрода 204, соединенного с ″воздухом″. Печатная плата 208 содержит электронную схему 207 и подключается к батарее или элементу питания (″батарее″) 209. Электронная схема 207 соединена с электродами 203, 204. Принцип работы заключается в том, что сигналы от каждого из двух электродов 203, 204 поступают на вход дифференциального усилителя в электронной схеме 207, и, таким образом, обнаруживается целевой сигнал. Система 201 может быть соединена с биологической тканью сухим образом (в отличие от только что рассмотренной клейкой накладки) и может быть удобно расположена в месте, отличном от области живота, например в браслете или манжете, однако это возможно только в случае эффективного обнаружения соответствующих сигналов в таких условиях.

Между тем эксперименты показывают, что на соответствующих частотах (порядка десятков килогерц) паразитные емкости, присутствующие в устройстве 201, приводят к потерям значительной части любого обнаруженного сигнала. В условной модели эти паразитные емкости могут находиться между электродом 204 и земляной шиной печатной платы 208, между электродом 204 и батареей 209, между электродом 203 и земляной шиной печатной платы 208, а также между электродом 203 и батареей 209. Также вероятно наличие некоторой паразитной емкости между электродом 203 и электродом 204.

Эксперименты указывают также на вероятность излучения электронной схемой 207 ВЧП (высокочастотных помех) и их последующую регистрацию электродами 203, 204. Предпочтительно малые размеры устройства 201 будут исключать использование традиционных индуктивностей на ферритовых сердечниках и т.п., которые, в противном случае, могли бы использоваться для фильтрации высокочастотных помех в цепях связи. Также, вследствие малых размеров устройства, электроды и источники высокочастотных помех расположены на очень небольшом расстоянии друг от друга.

Одним из решений, используемых для снижения уровня высокочастотных помех, является экранирование их источника. В устройстве 201 это может быть сделано путем установки металлического экрана, выполненного из соответствующего металла или сплава, вокруг электронной схемы 207. При использовании подобного решения уровень высокочастотных помех, конечно, снижается, однако его недостатком является внесение еще больших паразитных емкостей, например, между электродами 203, 204.

Было бы весьма желательно найти решение для надежного обнаружения таких слабых электрических сигналов, более соответствующее требованиям пациента, чем решения известного уровня техники. Такое решение должно в меньшей степени раздражать эпидермис, в меньшей степени ограничивать свободу движений, или вообще не ограничивать ее, и быть более эстетически привлекательным.

Сущность изобретения

Устройство для сбора данных имеет первый и второй электроды. Первый электрод соединяется с целевой поверхностью, а второй электрод соединяется со ″всем остальным″ или с ″воздухом″. Первый электрод экранируется от второго и от большинства источников паразитной емкости с помощью защитного экрана, управляемого активным формирователем, создающим на защитном экране потенциал, повторяющий мгновенный потенциал на электроде, а в идеальном случае совпадающий с ним. Второй электрод экранируется от большинства источников паразитной емкости аналогичным образом. Эти экраны также помогают ограничить уровень проникновения высокочастотных помех от электронных компонентов устройства к любому из электродов. За счет этого достигается значительно лучшее отношение сигнал-шум датчика в соответствующей полосе частот.

Описание чертежей

Фиг.1 представляет вид в разрезе датчика в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 представляет вид в разрезе варианта датчика в соответствии с известным уровнем техники; и

Фиг.3 представляет датчик по фиг.1, изображенный в составе функциональной блок-схемы.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 в разрезе представлен датчик 101 в соответствии с настоящим изобретением. Датчик имеет первый и второй электроды 103 и 104. Первый электрод 103 соединен с соответствующей поверхностью 102, которая может быть биологической тканью тела пациента, а второй электрод 104 соединен со ″всем остальным″ или с ″воздухом″. Хотя данный вопрос носит преимущественно семантический характер, можно считать второй электрод 104 электродом, подключенным к "земле" или "пространственной земле".

Первый электрод 103 экранируется от второго электрода 104 и от большинства источников паразитной емкости экраном 105, управляемым активным формирователем (не показанным на фиг.1 для ясности), создающим на защитном экране 105 потенциал, повторяющий мгновенный потенциал на электроде 103, а в идеальном случае совпадающий с ним. Второй электрод 104 аналогичным образом экранируется от большинства источников паразитной емкости экраном 106. Эти экраны 105, 106 также помогают ограничить уровень проникновения высокочастотных помех от электронной схемы 107 к любому из электродов 103, 104. Таким образом, достигается значительно лучшее соотношение сигнал-шум датчика 101 в соответствующей полосе частот по сравнению с датчиками, созданными в соответствии с известным уровнем техники.

В отсутствие экранирующего эффекта экранов 105, 106 электроды 103, 104 были бы связаны через паразитные емкости с батареей 109, земляными шинами на печатной плате 108, а также друг с другом.

Фиг.3 представляет датчик 101 фиг.1, изображенный в составе функциональной блок-схемы. Блок электрода/экрана 104/106 подключается к печатной плате 108 с помощью разъема 301. Блок электрода/экрана 103/105 аналогичным образом подключается к печатной плате 108 с помощью разъема 302. Сигнал, принимаемый электродом 104, усиливается с помощью усилителя 304, изменяющего потенциал экрана 106. Сигнал, принимаемый электродом 103, усиливается с помощью усилителя 306, изменяющего потенциал экрана 105. Сигнал, принимаемый электродом 104, усиливается также с помощью усилителя 303 и подается на один из двух входов дифференциального усилителя 307. Результирующий сигнал (разность мгновенных потенциалов между двумя электродами) впоследствии может быть пропущен через полосовой фильтр 308 и преобразован в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя 309.

При выборе усилителя 304 следует учитывать полосу пропускания, достаточную для изменения электрического потенциала экрана 106 в соответствующей полосе частот и, предпочтительно, на несколько более высоких частотах. При выборе усилителя 304 также необходимо учитывать мощность, требуемую для передачи достаточного заряда к экрану 106 и обратно, с учетом его физических размеров и полного сопротивления. То же самое может быть сказано об усилителе 306 в отношении соответствующего экрана 105.

В одном из примеров предлагаемого изобретения соответствующая полоса частот составляет 54 килогерца плюс или минус пять килогерц. Следовательно, полосовой фильтр 308 выбирается так, чтобы пропускать эту полосу частот. Считается, однако, что может быть разработан ряд ПОР, излучающих сигналы с частотой порядка одного мегагерца и выше, при этом желательно, чтобы устройство сбора данных 101 могло выполнять свои функции и в этих полосах частот. В других устройствах 101 может использоваться полоса частот около 20 килогерц.

Следует учитывать то, что амплитудно-частотные характеристики усилителей 303, 305 и 307, а также фильтра 308 и аналого-цифрового преобразователя 309 должны быть достаточными для работы в соответствующей полосе частот. Кроме того, следует понимать, что, хотя электронная схема на фиг.3 изображена в виде дискретных элементов, таких как отдельные операционные усилители 303, 304, 305, 306, 307 и активный фильтр 308, собранный на дискретных элементах, преимущества настоящего изобретения также могут быть получены при замене некоторых или большей части компонентов, изображенных на фиг.3, цифровым сигнальным процессором, что не выходит за пределы настоящего изобретения. Усилители 304, 306 должны иметь высокий коэффициент усиления на соответствующих частотах, а также низкий уровень собственных шумов.

В настоящем экспериментальном аспекте сигналы поступают в микроконтроллер (не показан на фиг.3 для ясности) и сохраняются в нем (или запоминающем устройстве, подключенном к микроконтроллеру), после чего эти данные могут быть переданы внешним по отношению к устройству 101 системам, например ЭВМ общего назначения, выполняющей соответствующее программное приложение для анализа полученных сигналов. Источником питания электронной схемы 107 является ″пуговичный″ элемент или батарея малых размеров. В другом варианте данные могут быть переданы оборудованию, внешнему по отношению к устройству 101, беспроводным способом, например через интерфейс Bluetooth. Таким оборудованием может быть интеллектуальный сотовый телефон (смартфон), выполняющий соответствующее приложение для приема данных через интерфейс Bluetooth и последующую передачу этих данных на удаленный сервер по протоколу GPRS (система пакетной радиосвязи общего пользования) или другому протоколу передачи данных сотовой связи.

В настоящем экспериментальном аспекте устройство 101 представляет собой плоское устройство квадратной формы со стороной 3 см. Его можно выполнить в носимом варианте в виде наручных часов с размерами, лишь незначительно превышающими размеры пуговичного элемента, используемого для питания устройства 101.

Требуемый результат заключается в регистрации соответствующих сигналов в одной дистальной точке, например на запястье. Связь может осуществляться посредством неприлипающего сухого электрода, имеющего емкостную связь с телом, или, в ряде случаев, электропроводящее соединение с телом. С точки зрения пользователя устройство может иметь вид эластичного пояса на груди или пояснице, эластичного браслета или колье.

Электрод 103 может быть выполнен из золота, платины или нержавеющей стали.

Активное экранирование, выполненное с помощью экранов 105, 106, управляемых формирователями 304, 306, позволяет устройству 101 регистрировать сигналы, такие как сигналы ПОР, несмотря на большее расстояние от ПОР по сравнению с тем, на котором действуют накладки типа липких пластырей-наклеек, созданные в соответствии с известным уровнем техники, и несмотря на то что устройство не обладает липкостью. Вследствие этого система устройство-маркер становится более удобной для пользователей.

Дальнейшее экранирование может быть расположено вокруг электронной схемы 107 и подключено, например, к земляной шине на печатной плате 108, или подключено, например, к точке с потенциалом, находящимся между потенциалами шин, соединенных с батареей.

Следует понимать, что устройства 101 могут быть использованы парами, при этом каждое из них касается тела в своем месте. Два устройства 101 могут быть связаны с ″пространственной землей″ и, следовательно, быть в некоторой степени связаны друг с другом через электроды 104. В этом случае парные устройства могут производить сбор данных с тела пациента в некоторой ″дипольной″ конфигурации приемника.

Специалисты в данной области техники смогут разработать множество очевидных вариантов и усовершенствований приведенных здесь примеров, оставаясь в пределах настоящего изобретения, при этом все очевидные варианты и усовершенствования охватываются следующей далее формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к медицине. Способ сбора данных осуществляют с использованием системы регистрации сигнала, характеризующего разность между первым сигналом, принимаемым у поверхности биологической ткани тела пациента, и вторым сигналом, принимаемым в «воздухе» или общей окружающей области пространства, отличной от этой ткани тела пациента. Создают первый и второй неприлипающие электроды, имеющие емкостную связь или электропроводящее соединение соответственно с поверхностью и с областью пространства, отличной от поверхности. Создают электронную схему между первым и вторым электродами. Создают первый и второй экраны между соответственно первым и вторым электродами и электронной схемой. Создают третий экран вокруг электронной схемы. Управляют потенциалами первого и второго экранов так, что эти потенциалы повторяют сигналы, присутствующие соответственно на первом и втором электродах. Определяют разность между сигналами на первом и втором электродах соответственно и передают данные, отображающие эту разность, к внешнему по отношению к системе регистрации сигнала оборудованию. Электронная схема содержит первый формирователь и первый усилитель, а также второй формирователь и второй усилитель, на входы которых поступает сигнал соответственно с первого и второго электродов. Выходы первого и второго формирователей подключены к экранам соответственно первого и второго электродов. Электронная схема содержит дифференциальный усилитель, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей. Выходной сигнал дифференциального усилителя показывает разницу сигналов. До

Формула