專利名稱：與超聲波監(jiān)測器一起使用的凝膠墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量活體受檢者的心率和脈搏率的超聲波監(jiān)測器。
背景技術(shù)：
測量活體受檢者的心率和脈搏率已成為身體鍛煉和健康監(jiān)測中頗有價值的工具。脈搏率是通過計算受檢者的動脈脈動速率而測量的。心率是通過基于心電圖(例如，EKG和ECG)感應心臟的電活動而測量的。想要增加耐力或行為的個體可能希望在維持靶心率的同時進行鍛煉。相反，有心臟病或其它與心臟有關(guān)的病癥史的受檢者應避免超出某一心率或脈搏率以減少對其心臟不必要的應力。
受檢者的心率與脈搏率是相關(guān)的。心率可定義為特定時間周期內(nèi)心臟收縮的次數(shù)，通常以每分鐘的搏動來定義。脈搏定義為由于通過心臟收縮而被迫通過脈管的血液量增加而產(chǎn)生的脈管的有節(jié)奏的擴張。由于心臟收縮通常產(chǎn)生可測量為脈搏的血液量，所以心率與脈搏率理想地是相同的。然而，在不規(guī)律的心搏或過早心搏期間，脈搏率可能不同于心率。在此情況下，心臟收縮不會迫使足夠的血液通過血管以致可以被測量為脈搏。
需要連續(xù)心率讀數(shù)的大多數(shù)受檢者選擇需要胸帶的監(jiān)測器。盡管它連續(xù)地提供心率，但胸帶較笨重且通常佩帶不便。除了胸帶解決方案外，便攜式患者監(jiān)測器(例如，生命征象監(jiān)測器、胎兒監(jiān)測器)可對受檢者執(zhí)行例如心律失常分析、藥物劑量計算、ECG波形級聯(lián)等測量功能。然而，這些監(jiān)測器通常相當大且通過令人不舒適的引線而附接到受檢者。
腕部的橈動脈較淺的深度提供用于在腕部實現(xiàn)連續(xù)脈搏檢測的許多優(yōu)點。監(jiān)測腕部的壓力脈沖的現(xiàn)有傳感器并不有效。壓力脈沖由于動脈與傳感器之間的組織而衰減。大多數(shù)高頻率信號分量由于這種衰減而丟失。另外，肌肉運動可能在壓力傳感器處產(chǎn)生大量噪音。低頻率噪音信號使可靠地識別低頻率血壓脈沖非常困難。
開發(fā)了使用聲納技術(shù)的超聲波監(jiān)測器來克服噪音信號問題。超聲波監(jiān)測器傳輸超聲波能量作為脈沖信號。當電源驅(qū)動換能器元件(例如，壓電晶體)以產(chǎn)生脈沖信號時，在所有方向(包含待測量對象(例如血管)的方向)上產(chǎn)生超聲波脈沖信號。超聲波脈沖信號的到達脈管的部分接著被脈管反射。當血管經(jīng)歷運動(例如，由于來自心臟收縮的血液流動而導致的擴張)時，所反射的脈沖信號經(jīng)歷頻率偏移，也稱為多普勒頻移(Doppler shift)。
當超聲波信號源或雷達信號的觀察者處于運動中時，將導致頻率明顯偏移。這稱為多普勒效應(Doppler effect)。如果R是從超聲波監(jiān)測器到血管的距離，那么超聲波監(jiān)測器與目標之間的雙向路徑中含有的波長λ的總數(shù)目為2R/λ。假定將以相同單位測量距離R和波長λ。由于一個波長對應于2π弧度的角偏移(angular excursion)，所以電磁波在其往返通過血管期間所形成的總角偏移Φ為4πR/λ弧度。當血管經(jīng)歷運動時，R和相位Φ連續(xù)不斷地變化。Φ相對于時間的變化等于頻率。其為多普勒角頻率Wd，由下式給定Wd=2πfd=dΦdt=4πλdRdt=4πVrλ]]>其中，fd是多普勒頻率偏移，且Vr是目標相對于超聲波監(jiān)測器的相對(或徑向)速度。
因此，頻率偏移的量與反射信號的移動對象的速度有關(guān)。因此，對于心率監(jiān)測器應用來說，血液通過血管的流動速率或流動速度與所反射的信號的多普勒頻移的量有關(guān)。
可使用壓電晶體作為功率產(chǎn)生器和信號檢測器兩者。在此情況下，以脈沖模式發(fā)射超聲波能量。在輸出電源被切斷之后，所反射的信號接著由同一晶體接收。接收所反射的信號所需的時間取決于所述源與對象之間的距離。使用單個晶體來測量心率由于源與對象之間的距離較短而需要高速功率切換。另外，肌肉運動產(chǎn)生損害系統(tǒng)中的信噪比的反射。肌肉運動噪音的頻率范圍類似于從血管壁運動中檢測到的頻率偏移。因此，用這種方法測定心率非常困難。然而，這種途徑的優(yōu)點是低成本和低功率消耗。
在一些超聲波信號系統(tǒng)中，使用兩個壓電元件來連續(xù)測量脈搏。所述兩個元件定位在底板(base plate)上，與血液方向成某一角度。在連續(xù)脈搏率測量過程中，由于血液流動而產(chǎn)生的多普勒頻移的頻率高于由于肌電偽跡(muscle artifact)或組織運動而產(chǎn)生的偏移的頻率。因此，即使肌肉運動引發(fā)的信號具有較大振幅，其可通過高通濾波器而去除以保留較高頻率的血流信號。連續(xù)模式遜于脈沖模式的缺點是較高成本和較多功率消耗。
此項技術(shù)中已知若干種安裝在腕部的超聲波監(jiān)測器裝置。然而，超聲波信號傾向于在不同密度的兩個媒介的界面處衍射并衰減。因此，媒介中或監(jiān)測器與受檢者皮膚之間的空氣使超聲波能量傳輸不可靠?，F(xiàn)有的超聲波監(jiān)測器需要在換能器模塊與活體受檢者之間施加水或含水凝膠以消除任何氣隙。因為水和含水凝膠均在露天快速蒸發(fā)，所以其并非可行的解決方案。
Lo等人的第10/758,608號美國專利申請案、第20040167409號美國專利申請案揭示了使用熱塑性和熱固性凝膠作為超聲波信號的傳輸媒介以克服與水和含水凝膠解決方案相關(guān)聯(lián)的問題。在第6,716,169號美國專利中，Muramatsu等人揭示了以硅凝膠(一種熱固性凝膠)為主的軟接觸層作為超聲波信號傳輸?shù)拿浇?。這些凝膠主要由截留在輕微交聯(lián)彈性體網(wǎng)絡(luò)中的大量非蒸發(fā)(在周圍條件下)液體稀釋液組成。這些交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)可為物理的(例如，在熱塑性凝膠中)或其性質(zhì)可為化學的(例如，熱固性凝膠)。
兩種凝膠類型均具有不足之處。第一，液體稀釋液盡管截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中，但仍可能在較長時段的接觸后擴散到使用者的皮膚中。由于硅凝膠使用硅油作為稀釋液，所以硅凝膠的擴散是關(guān)系到健康的重要問題。因此，需要具有一種防止油擴散到活體受檢者中的凝膠設(shè)計。第二，這些已知方法的軟凝膠難以處理。盡管較軟的凝膠允許與皮膚較好地接觸并形成較好的超聲波傳輸，但軟凝膠較軟弱且難以處理。極其需要具有一種易于處理但仍保持良好的超聲波傳輸?shù)哪z設(shè)計。第三，已知現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的凝膠容易聚集污垢。凝膠表面上的污垢導致與皮膚的接觸不良并影響超聲波傳輸。
發(fā)射換能器的效率是佩帶于腕部的心率監(jiān)測器和其它小型心率監(jiān)測器的重要特征。發(fā)射換能器進行的超聲波信號發(fā)射可通過使用反射體而變得更有效?？赏ㄟ^在換能器的一個或一個以上側(cè)部使用反射體來反射從目標產(chǎn)生出的發(fā)射信號。一些心率監(jiān)測器包含泡沫物質(zhì)，其在壓電晶體下方具有氣孔。如圖1所說明，泡沫層120可放置在超聲波模塊110內(nèi)處于換能器130和140下方。泡沫材料氣孔部分地抑制超聲能量穿透并提供相當有效的超聲信號反射。利用這種泡沫背襯，導向泡沫的一些超聲波信號被朝向所需方向反射。并入泡沫層的缺點是，其是在制造期間手動安裝的。其它現(xiàn)有系統(tǒng)通過在底板上用溝道使兩個壓電晶體分離來增加效率。這將換能器之間的串擾減小到某一程度，但不能消除由底板引起的負載或阻尼效應。
需要一種改進的心率監(jiān)測器，其通過傳輸媒介來提供連續(xù)的心率讀數(shù)，所述傳輸媒介使換能器與活體受檢者之間的氣隙最小。所述傳輸媒介不應在監(jiān)測期間變干，留下令人不舒適的濕膜，或易于積聚污垢。還需要一種更具有功率效益但生產(chǎn)起來較便宜的超聲波監(jiān)測器。

發(fā)明內(nèi)容
概括地說，本發(fā)明涉及超聲波監(jiān)測器。所述超聲波監(jiān)測器在活體受檢者體外使用超聲波信號來測量活體受檢者的身體內(nèi)部的運動。所述運動可以是心搏收縮、流動血液或血管本身的運動。根據(jù)從這些運動收集到的信息，監(jiān)測器內(nèi)的電子元件可測定活體受檢者的血液流動速率、心率或脈搏率。
在一個實施例中，將監(jiān)測器構(gòu)建在電路板(例如，印刷電路板(PCB))上。通過構(gòu)建在PCB上，監(jiān)測器系統(tǒng)可集成至非常小的占用面積。這實現(xiàn)了一種功率要求比現(xiàn)有系統(tǒng)低得多的非常有效的系統(tǒng)。將一對換能器直接安裝到PCB。這與換能器附接到某一支撐結(jié)構(gòu)(例如，玻璃底板)藉此引起信號負載的先前實施方案相比產(chǎn)生較高的效率。
PCB可用于構(gòu)建超聲信號反射層。在一個實施例中，去除PCB外層的一部分以形成氣隙部分。所述氣隙部分作用是反射超聲信號。發(fā)射換能器在氣隙上方安裝到PCB。當被驅(qū)動時，發(fā)射晶體產(chǎn)生除了朝向目標的所需方向外還朝向PCB行進的超聲信號。最初發(fā)射的超聲信號的朝向PCB行進的部分由薄氣隙反射離開PCB并朝向既定目標反射。
在一些實施例中，使用多層凝膠墊在超聲波監(jiān)測器與受檢者的皮膚之間傳輸超聲波信號。所述凝膠墊包含粘合到隔膜層的凝膠層。可將隔膜層施加到凝膠層的一個或一個以上表面并防止凝膠層內(nèi)的稀釋液溢出。這在凝膠包含不希望與活體受檢者或其它表面接觸的元素時是有利的。
在另一實施例中，PCB可完全包封在塑料、防水凝膠或兩者的組合中。這用于使超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)免受例如污垢、灰塵和水的碎屑的影響。
超聲波監(jiān)測器可包含由硬件、軟件和/或硬件與軟件兩者的組合組成的電路。所述電路對所接收的超聲波信號進行解調(diào)，如參看圖3-5所論述。用于本發(fā)明的軟件存儲在一個或一個以上處理器可讀存儲媒介上，所述處理器可讀存儲媒介包含硬盤驅(qū)動器、CD-ROM、DVD、光盤、軟盤、磁帶驅(qū)動器、RAM、ROM，或其它適宜的存儲裝置。在替代實施例中，所述軟件中的一些或全部可由專門的硬件代替，所述專門的硬件包含定制集成電路、門陣列、FPGA、PLD，和專用計算機。


圖1說明現(xiàn)有技術(shù)的超聲波監(jiān)測器的橫截面。
圖2A說明與顯示裝置實體連接的超聲波監(jiān)測器的一個實施例。
圖2B說明與顯示裝置無線連接的超聲波監(jiān)測器的一個實施例。
圖3說明超聲波監(jiān)測器的方框圖的一個實施例。
圖4說明超聲波監(jiān)測器的操作方法的一個實施例。
圖5說明通過超聲波監(jiān)測器執(zhí)行額外處理的方法的一個實施例。
圖6說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的透視圖的一個實施例，所述PCB具有氣隙。
圖7說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的側(cè)視圖的一個實施例，所述PCB具有氣隙。
圖8A說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的透視圖的一個實施例，所述PCB具有帶有支撐部件的氣隙。
圖8B說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的側(cè)視圖的一個實施例，所述PCB具有帶有支撐部件的氣隙。
圖9A說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的透視圖的一個實施例，所述PCB具有一個由兩個換能器共享的氣隙。
圖9B說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的側(cè)視圖的一個實施例，所述PCB具有一個由兩個換能器共享的氣隙。
圖9C說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的前視圖的一個實施例，所述PCB具有一個由兩個換能器共享的氣隙。
圖10說明凝膠囊(gel pouch)層的一個實施例。
圖11A說明凝膠囊的透視圖的一個實施例。
圖11B說明凝膠囊的側(cè)視圖的一個實施例。
圖12A說明凝膠墊配置的一個實施例。
圖12B說明凝膠墊配置的一個實施例。
圖12C說明凝膠墊配置的一個實施例。
圖13A說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的透視圖的一個實施例，所述PCB具有模具。
圖13B說明PCB上的超聲波監(jiān)測器的側(cè)視圖的一個實施例，所述PCB具有模具。
圖14A說明經(jīng)包封的PCB板的側(cè)視圖的一個實施例。
圖14B說明經(jīng)包封的PCB板的側(cè)視圖的一個實施例。
圖14C說明經(jīng)包封的PCB板的側(cè)視圖的一個實施例。
圖15A說明具有經(jīng)包封的凝膠墊的超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)的實施例。
圖15B說明具有現(xiàn)場附接的凝膠墊的超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)的實施例。
具體實施例方式
概括地說，本發(fā)明涉及超聲波監(jiān)測器。所述超聲波監(jiān)測器使用超聲波信號來測量活體受檢者的身體內(nèi)部的運動。所述運動可以是心搏收縮、流動血液或血管本身的運動。根據(jù)從這些運動收集到的信息，監(jiān)測器內(nèi)的電子元件可測定活體受檢者的血液流動速率、心率或脈搏率。
在一個實施例中，超聲波監(jiān)測器測量通過人體動脈的血流。由于血管擴張(由于血液運動通過脈管的緣故而引起的擴張)而反射的超聲信號的頻率范圍類似于由于肌電偽跡和組織運動而引起的噪音的頻率范圍。由流動的血液本身反射的超聲信號的頻率范圍高于與肌肉和組織有關(guān)的噪音的頻率范圍。因此，由流動的血液反射的信號比由于血管本身的擴張而反射的那些信號更易于處理以查明率值。
本文中術(shù)語超聲波和超聲可互換使用且指的是頻率在約30KHz與約30MHz之間的聲波。本文使用的超聲波換能器、換能器或換能器元件是用于將聲能引入活體受檢者中并從活體受檢者中檢測反射信號的裝置。超聲波換能器響應來自驅(qū)動裝置的電脈沖和由受檢者反射的超聲波脈沖。
超聲波監(jiān)測器由電子部分和傳輸部分組成。所述電子部分包含如參看圖3-5所論述的發(fā)射、接收和處理超聲波信號所需的電組件。處理可包含放大、濾波、解調(diào)、數(shù)字化、求平方和其它功能(通常為信號處理功能)。可由數(shù)字電路全部或部分地執(zhí)行處理。舉例來說，可使所接收的超聲波信號數(shù)字化。接著可由數(shù)字電路執(zhí)行本文描述的對所接收信號的處理。傳輸部分包含用作監(jiān)測器與受檢者之間的傳輸媒介的凝膠墊。凝膠墊定位成與活體受檢者和超聲波監(jiān)測器直接接觸。
在一個實施例中，本發(fā)明的監(jiān)測器構(gòu)建在印刷電路板(PCB)上。通過將電路構(gòu)建在PCB上，監(jiān)測器系統(tǒng)被有效地集成至非常小的占用面積，且功率要求大大降低。換能器被直接安裝到PCB。
PCB可構(gòu)建超聲信號反射層。在一個實施例中，去除PCB外層的一部分以形成氣隙部分。將換能器元件放置在氣隙部分上方。當被驅(qū)動時，發(fā)射晶體產(chǎn)生除了朝向目標的所需方向外還朝向PCB行進的超聲信號。最初發(fā)射的超聲信號的朝向PCB行進的部分被薄氣隙反射離開PCB并朝向既定目標反射。
在一些實施例中，使用多層凝膠墊在超聲波監(jiān)測器與受檢者的皮膚之間傳輸超聲波信號。所述凝膠墊包含粘合到隔膜層的凝膠層。隔膜層防止凝膠層內(nèi)的稀釋液溢出。這在凝膠包含不希望與活體受檢者或其它表面接觸的元素時是有利的。
在另一實施例中，可將PCB完全包封在塑料、防水凝膠或兩者的組合中。這用于使超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)免受例如污垢、灰塵和水的碎屑的影響。下文更詳細地論述這些優(yōu)點。
超聲波監(jiān)測器可與顯示器一起實施。圖2A說明一個實施例中的佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)200。系統(tǒng)200包含超聲波監(jiān)測器模塊210、條帶220、顯示裝置230和凝膠墊240。超聲波監(jiān)測器模塊210檢測流過受檢者的腕部處的橈動脈的血流。接著，將心率數(shù)據(jù)直接提供到顯示器模塊230。在一個實施例中，將連接引線模制成超聲波監(jiān)測器模塊210與顯示裝置230之間的條帶220。
超聲波監(jiān)測器也可與遠程顯示器一起實施。圖2B的超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)250包含監(jiān)測器模塊260、附接到監(jiān)測器模塊260的第一條帶270、遠程顯示器模塊280，和附接到遠程顯示器模塊280的第二條帶290。超聲波監(jiān)測器模塊260檢測流過腕部中的橈動脈的血流。接著，將心率數(shù)據(jù)提供到遠程顯示器模塊280。監(jiān)測器260可使用無線發(fā)射器以無線方式將信息傳輸?shù)竭h程顯示器280。遠程顯示器260包含用于從監(jiān)測器260接收傳輸?shù)慕邮掌鳌＿h程顯示器280也可為監(jiān)視器屏幕或其它裝置。超聲波監(jiān)測器模塊280可用粘合劑或凝膠墊附接到身體的另一部分(例如，受檢者心臟上方的胸腔)。
確定使用何種超聲信號頻率可取決于所監(jiān)測的特定對象。腕部提供用于定位監(jiān)測裝置的便利位置。腕部中橈動脈的相對較淺的焦深(focal depth)要求使用高頻率載波信號。
換能器元件的尺寸也影響超聲信號頻率。較小的機電諧振器以較高頻率發(fā)射。由高頻率信號驅(qū)動的換能器元件與以較低頻率操作的那些換能器元件相比往往振動得較快并消耗較多功率。這主要是由于內(nèi)部損耗的緣故。超聲波監(jiān)測器放大器和解調(diào)電路也將消耗較多功率處理較高頻率。
圖3說明超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)300的一個實施例的方框圖。超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)300包含微控制器310、連接到微控制器310的發(fā)射換能器元件320、接收換能器元件330、連接到接收換能器330的射頻(RF)放大器340、連接到RF放大器340和微控制器310的混頻器350、連接到混頻器350的音頻放大器360，以及連接到音頻放大器360和微控制器310的帶通(BP)濾波器370。超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)300可視情況包含連接到微控制器310的本地顯示器380、連接到微控制器310的無線發(fā)射器390、從無線發(fā)射器390接收無線信號的無線接收器392，和連接到接收器392的遠程顯示器394。
在一個實施例中，超聲波監(jiān)測器可和與由方框圖300表示的系統(tǒng)類似但具有驅(qū)動器電路和高通濾波器及低通濾波器的系統(tǒng)一起實施。在此情況下，微控制器以載波信號來驅(qū)動驅(qū)動器電路。驅(qū)動器電路驅(qū)動發(fā)射換能器以載波頻率發(fā)射超聲波信號。超聲波信號被反射并由接收換能器接收。所接收的信號包含從由換能器發(fā)射的信號發(fā)生的頻率偏移。所接收的超聲波信號由RF放大器電路放大。接著，經(jīng)放大的超聲波信號由混頻器處理，所述混頻器解調(diào)所接收的信號并產(chǎn)生具有音頻范圍頻率的信號。接著，所得信號由音頻放大器電路放大。接著，經(jīng)放大的音頻信號由高通濾波器電路和低通濾波器電路濾波。接著，經(jīng)濾波的信號由微控制器接收。微控制器處理經(jīng)濾波的信號并將輸出信號提供到無線發(fā)射器。無線發(fā)射器通過無線方法將信號傳輸?shù)浇邮掌?。接著，顯示器從接收器接收信號并顯示從所述信號獲取的信息。
圖4的方法400說明例如圖3所表示的超聲波監(jiān)測器的一個實施例的操作。在步驟410處，發(fā)射超聲信號。參照系統(tǒng)300，微控制器310以載波信號fC來驅(qū)動發(fā)射換能器元件320。因此，發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲信號。在一個實施例中，載波信號可在30KHz到30MHz范圍內(nèi)。在另一實施例中，載波信號可在1MHz到10MHz范圍內(nèi)。在又一實施例中，載波信號約為5MHz。
在步驟420處，接收所反射的超聲波信號。所反射的超聲波信號是由血管反射步驟410的超聲波信號而產(chǎn)生的。當將超聲波監(jiān)測器佩帶在腕部上時，橈動脈反射所述信號。所接收的超聲波信號將包含超聲波載波頻率，其已經(jīng)歷從由發(fā)射換能器320發(fā)射的信號發(fā)生的多普勒頻移。接著在步驟430處，放大所接收的信號。在一個實施例中，系統(tǒng)300的放大器340實施為射頻放大器。所接收的超聲波信號被放大允許其被處理以進行解調(diào)的倍數(shù)。一旦在步驟430處放大超聲波信號，其就在步驟440處由混頻器350處理?；祛l器使用載波信號fC來解調(diào)所反射的超聲波信號，以便提取多普勒信號。因此，混頻器350由載波信號fC和所反射的超聲信號驅(qū)動。由混頻器350提供的輸出信號接著在步驟450處由放大器360放大。由于混頻器的輸出將具有音頻范圍中的頻率分量，所以放大器360是經(jīng)設(shè)計以放大經(jīng)解調(diào)的音頻范圍多普勒頻率的音頻放大器。
在經(jīng)解調(diào)的信號已被放大之后，在步驟460處對經(jīng)放大的信號進行濾波。在一個實施例中，步驟460的濾波器是帶通濾波器。帶通濾波器可經(jīng)配置以去除混疊效應、噪音和其它不需要的頻率因素。在另一實施例中，帶通濾波器可與高通濾波器和低通濾波器一起實施。在步驟460處對信號進行濾波之后，所述信號在步驟470處經(jīng)受額外處理。
步驟470的額外處理可視超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)而定包含若干步驟。所述處理可由微控制器或其它電路執(zhí)行。盡管方法多樣化，但在圖5的方法500中說明額外處理的典型實例。來自方法400的步驟460的經(jīng)濾波的信號在步驟510處由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理。在一個實施例中，如果先前未曾執(zhí)行數(shù)字化，那么就執(zhí)行數(shù)字化。接著在步驟520處，確定數(shù)字化信號的絕對值?；蛘撸稍诓襟E520處確定信號的平方。接著，從步驟520獲得的信號在步驟530中由低通濾波器濾波。低通濾波器去除信號的噪音和其它不需要的頻率元素。方法500是由超聲波系統(tǒng)執(zhí)行的額外處理的實例。應了解，對信號的處理可依據(jù)系統(tǒng)的不同而不同，且超聲波監(jiān)測器的實施例不希望僅限于所論述的實例的范圍。接著在步驟540處獲取心率。在步驟510-530的處理之后，所得信號是從接收換能器檢索到的脈沖信號。所述信號呈現(xiàn)為一系列脈沖，其中每一脈沖的面積由其振幅往返于峰值振幅的路徑?jīng)Q定。所得心率或脈搏率是從脈沖的頻率獲取的(例如，每分鐘160個脈沖對應于每分鐘160次心搏)。通過對脈沖波形下方的面積求積分來確定流動速率。
超聲波監(jiān)測器的微控制器可實施為若干常用微控制器集成電路中的一者或一者以上，所述共同微控制器集成電路包含Samsung KS57C 3316系列、Samsung S3C7335、Intel8051系列，和Texas Instruments MSP430系列微控制器。超聲波監(jiān)測器的混頻器可實施為若干常用混頻器IC或調(diào)頻IC中的一者或一者以上?？赡艿幕祛l器IC的非詳盡列表包含NJC的NJM2295、NJM2292和NJM2537混頻器、Toko的TK8336IM混頻器，和Motorola的MC3371混頻器。
本發(fā)明中使用的換能器遵守一些普通設(shè)計準則。超聲波監(jiān)測器的換能器可以是壓電換能器。每一換能器的長度通常為至少一厘米長。換能器長度通常還等于或大于其寬度的五倍。換能器操作的頻率通常與換能器的厚度有關(guān)。若干類型的換能器可用于本發(fā)明中。一個實例是由Keramos Division，Piezo Technologies提供的K-350，改良的鋯-鈦酸鉛換能器。此類型換能器的等效材料包含PZT-5A或NAVY-II等效物。
電路板上的超聲波監(jiān)測器超聲波監(jiān)測器系統(tǒng)的一個實施例構(gòu)建在印刷電路板(PCB)上?？墒褂美绫砻姘惭b(SMT)和板上芯片(COB)的PCB技術(shù)將監(jiān)測器構(gòu)建在PCB上。將電路構(gòu)建在PCB上將監(jiān)測器系統(tǒng)集成至非常小的占用面積。這實現(xiàn)了更有效的系統(tǒng)、更低的功率要求、一致的產(chǎn)品性能和降低的生產(chǎn)成本。
將監(jiān)測器系統(tǒng)構(gòu)建在PCB上允許容易地構(gòu)造氣隙部分。為了形成氣隙部分，去除PCB的外層的一個或一個以上區(qū)段。接著將換能器放置在氣隙部分上方。這形成了在換能器元件下方具有一個或一個以上氣隙的氣隙部分。氣隙部分使超聲波信號反射離開PCB并朝向所需方向反射。氣隙比現(xiàn)有系統(tǒng)的泡沫層更有效且容易構(gòu)造得多。另外，換能器元件由于氣隙的緣故而機械上隔離，藉此減小由于被任何其它材料接觸而對換能器造成的任何阻尼或負載效應。氣隙還用于顯著減少(如果未消除)換能器之間的串擾噪音。在一些實施例中，可從PCB去除額外的層以產(chǎn)生厚度較大的氣隙部分。在此情況下，可使用額外的蝕刻、鉆孔或其它方法來控制氣隙的深度。在一些實施例中，可產(chǎn)生穿透整個電路板的氣隙。此方法能夠簡單地產(chǎn)生有效反射超聲信號的氣隙。
所述超聲波監(jiān)測器比現(xiàn)有監(jiān)測器更有效地傳輸超聲信號。超聲波監(jiān)測器換能器使用導電環(huán)氧樹脂或焊錫膏而直接安裝到PCB。先前系統(tǒng)的換能器通常完全膠合到支撐結(jié)構(gòu)(例如，玻璃底板)。將換能器的整個表面附接到支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了對換能器的振動起阻尼作用的機械負載。阻尼作用降低效率并從超聲波信號中汲取功率。本發(fā)明的換能器由于負載最小化而可使用較少功率產(chǎn)生與先前系統(tǒng)的超聲信號相同的超聲信號。
PCB可包含若干層，例如電力層、接地層和絕緣層。絕緣層可使換能器與監(jiān)測器系統(tǒng)電路隔離。在一些四層PCB中，存在四個銅層和三個絕緣層。兩個銅層是外層，且兩個是內(nèi)層。在一個實施例中，為了使兩個換能器電隔離使其不會干擾PCB上電路的其余部分，可將內(nèi)銅層中的緊靠著換能器的一個內(nèi)銅層用作接地平面或接地層。此內(nèi)銅層接地平面將遮蔽由換能器產(chǎn)生或接收的RF干擾。這防止電路引起對換能器信號傳輸?shù)母蓴_。在一個實施例中，PCB的一個表面可用于構(gòu)建監(jiān)測器系統(tǒng)電路，且相對的表面可用于安裝換能器。在另一實施例中，換能器可不與監(jiān)測器系統(tǒng)電路構(gòu)建在同一PCB上。
圖6說明構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測器600的一個實施例的俯視圖。監(jiān)測器600包含外層610、安裝到外層610的第一換能器622和第二換能器624、分別駐留在換能器622和624下方的氣隙626和627、專用銅墊630和635，以及分別連接在專用銅墊630和635與換能器元件622和624之間的連接引線640和645。在一個實施例中，外層610由例如以錫或金鍍敷的銅的導電材料組成。
圖7說明構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測器750的側(cè)視圖，且進一步說明附接到PCB的相對的表面的電路760。電路760包含可構(gòu)建超聲波監(jiān)測器的電系統(tǒng)的表面安裝IC和電組件(例如，電阻器和電容器)。
PCB的大部分(如果不是全部)構(gòu)造都是自動化的。施加焊錫膏、放置換能器元件和引線結(jié)合均可通過現(xiàn)有的PCBA生產(chǎn)技術(shù)而全部自動化。這顯著降低了制造成本。對于表面安裝封裝中的典型電子組件(例如，電阻器、電容器和集成電路)來說，使用模板(stencil)將焊錫膏首先施加到PCB的一側(cè)。接著自動拾放機放置這些組件。接著使PCB經(jīng)受紅外(IR)熔爐的作用，所述紅外熔爐使焊錫膏熔融并在所述組件與預蝕刻于PCB上的下伏電路之間形成電連接?？蓱孟嗤襟E將換能器元件安裝在PCB的相反側(cè)。這大大降低了生產(chǎn)成本并增強了產(chǎn)品性能一致性。
通過去除外層的一部分來構(gòu)造圖6和7的氣隙部分626和627?？蓤?zhí)行化學蝕刻來去除PCB的外層的一部分。因此，氣隙部分的深度是所去除的層的厚度。外層610的被蝕刻去掉的面積與換能器622和624的表面積成比例。氣隙部分626和627經(jīng)構(gòu)造使得換能器元件622和624與氣隙部分略微重疊。換能器的這種重疊允許將換能器的末端安裝到PCB的外層。
本發(fā)明的氣隙部分可以若干方式構(gòu)建。在圖6和7所說明的實施例中，氣隙部分是每一換能器下方的單一未劃分的區(qū)域。氣隙延伸約與換能器的寬度一樣長且略微短于換能器的長度。圖8A是構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測器800的實施例的俯視圖。監(jiān)測器800包含PCB外層810、連接到外層的換能器822和824、處于換能器822下方并通過支撐部件830而分離的氣隙826和827、處于換能器824下方并通過支撐部件831而分離的氣隙828和829、銅接觸墊840，和將銅墊840連接到換能器822和824的連接引線845。圖8B是構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測器800的側(cè)視圖，且進一步說明附接到PCB的相對的表面的電路860。圖8A和8B的氣隙部分包含兩個氣隙。氣隙部分延伸約與換能器的寬度一樣長且略微短于換能器的長度。然而，每一換能器的氣隙部分包含支撐部件。因此，換能器822的氣隙部分包括氣隙826、氣隙827和支撐部件830，且換能器824的氣隙部分包括氣隙828、氣隙829和支撐部件831。
通過留下PCB的外層的上面將駐留換能器的部分來構(gòu)造支撐部件。在圖8A和8B的實施例中，支撐部件830和831是在氣隙部分的寬度上延伸并位于換能器長度的約中部處的薄條帶。在不同的實施例中，支撐部件可在PCB的氣隙部分內(nèi)以不同的形狀和位置構(gòu)建。舉例來說，支撐部件可構(gòu)建為延伸小于氣隙部分的整個寬度的條帶、沿著氣隙部分的長度的條帶，或為氣隙部分內(nèi)的多個小區(qū)域。當構(gòu)建為一個或一個以上區(qū)域時，支撐部件可與外層的其余部分隔離或與外層的一部分接觸。萬一換能器從外力接收壓力，則支撐部件可支撐換能器。
圖9A-C描繪構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測器900的實施例。圖9A提供監(jiān)測器900的俯視圖。監(jiān)測器900包含第一層910、附接到第一層的安裝層940和942、分別安裝到安裝層940和942的換能器920和922、位于換能器920和922下方的氣隙945、位于安裝層940與942之間的氣隙通道946和948，以及銅墊951。安裝層940和942具有u形形狀?？赏ㄟ^去除PCB層的一部分以形成u形層或通過將u形部件附接到PCB的層來構(gòu)建安裝層。在一些實施例中，可構(gòu)建具有與圖9A-C所說明的那些安裝層位置和形狀不同的位置和形狀的一個或一個以上安裝層來支撐每一換能器并在每一換能器下方提供氣隙。圖9B是從由圖9A中箭頭所指示的視點來看監(jiān)測器900的剖視側(cè)視圖。圖9B說明構(gòu)建在PCB上的監(jiān)測器，其中換能器920安裝到安裝層940，安裝層940附接到第一層910，氣隙930處于換能器920下方，且電路960附接到PCB的相對表面。圖9C是說明監(jiān)測器900的前視圖。在圖9A、9B和9C的監(jiān)測器中，去除外層以在換能器920和922下方形成未劃分的氣隙。所去除的部分在換能器周圍延伸以展現(xiàn)下伏層910的未由換能器元件覆蓋的部分。
如圖7A-B、8A-B和9A-C的PCB中所說明，換能器安裝到PCB的其中換能器長度與氣隙部分略微重疊的外層處。在一些實施例中，可形成氣隙部分使得換能器安裝到PCB的其中換能器寬度與氣隙略微重疊之處。在一個實施例中，將不會使氣隙部分的寬度和長度大于換能器元件的寬度和長度。這防止可施加到換能器的任何以硅樹脂為主的環(huán)氧樹脂或熔融的熱塑性凝膠進入氣隙部分中。如果環(huán)氧樹脂或凝膠確實穿透氣隙，那么凝膠與包括PCB的暴露的纖維玻璃材料的聲阻抗足夠不同，使得超聲能量仍將有效地朝向所需方向反射。由于氣隙相對較薄，所以能量損耗(如果有的話)將可忽略。
用于超聲波頻率傳輸?shù)哪z墊凝膠墊用于在超聲波監(jiān)測器與受檢者之間傳輸超聲波頻率信號。凝膠墊與受檢者的皮膚以及換能器或與換能器直接或間接接觸的表面(例如，RTV層)接觸。含油量高的凝膠對于超聲通常是可透射的。因此，顯著地使傳輸期間的能量損耗最小。這使超聲波監(jiān)測器能夠有效地準確測量血液流動速率和心輸出量。
在一個實施例中，凝膠墊可構(gòu)建為凝膠囊。圖10說明凝膠囊的一個實施例。凝膠囊1000包含凝膠層1010、底漆層1020和1030、隔膜層1040和1050，以及粘合層1060和1070。凝膠層1010是凝膠囊的主要傳輸媒介。底漆層可施加到凝膠層的表面。在凝膠層大體上成形為具有頂部和底部表面的實施例中，底漆層可施加為上底漆層1020和/或下底漆層1030。隔膜層經(jīng)由底漆層附接到凝膠層。隔膜層用于輔助處理較軟的凝膠并防止稀釋液與受檢者的皮膚接觸。上隔膜層1040附接到上底漆層1020，且下隔膜層1050附接到下底漆層1030。隔膜層可施加到凝膠層的一個或一個以上表面。接著可將粘合層施加到隔膜層的外表面。粘合劑用于將凝膠囊附接到受檢者的皮膚、換能器或與換能器接觸的RTV元件。粘合劑還可消除可能存在于凝膠囊與其它表面之間的任何氣穴。上粘合層1060可施加到上隔膜層1040，且下粘合層1070可施加到下隔膜層1050。
圖11A說明凝膠墊1180的一個實施例的俯視圖。凝膠墊1180包含凝膠囊1182、第一覆蓋物1184和第二覆蓋物1186。圖11B說明凝膠墊1180的側(cè)視圖。凝膠囊1182通常保持平坦的盤狀形狀。覆蓋物在制造期間施加到凝膠囊并在其被使用之前對其進行保護。覆蓋物可由蠟紙或某種其它類型的材料構(gòu)造。對于超聲波監(jiān)測器來說，凝膠囊用作一次性凝膠墊。就在使用之前，從凝膠囊去除覆蓋物。接著將凝膠囊施加到超聲波監(jiān)測器與受檢者的皮膚之間的區(qū)域。在監(jiān)測器佩帶在腕部上的一個實施例中，將凝膠囊施加在佩帶在腕部的監(jiān)測器與受檢者的腕部之間。監(jiān)測器的一個實施例在向受檢者施加的監(jiān)測器的外表面中提供凹進。凝膠囊可施加到監(jiān)測器上的凹進區(qū)域以幫助使其保持在適當位置。當凝膠墊包含壓敏粘合劑且在監(jiān)測器與受檢者之間壓縮時，凝膠墊可粘合到監(jiān)測器和受檢者。凝膠墊可在如下情況時壓縮用條帶將監(jiān)測器綁縛到受檢者、在沒有條帶的情況下保持在適當位置持續(xù)一時間段、或以某種其它方式而將監(jiān)測器用條帶綁縛、緊固或以其它方式施加到受檢者。
凝膠墊形狀和厚度可經(jīng)設(shè)計以允許超聲波監(jiān)測器以不同的偏角操作。圖12A的凝膠墊方位1200說明附接到具有矩形橫截面的凝膠墊1210的監(jiān)測器模塊1205。圖12B的凝膠墊方位1220說明附接到具有三角形橫截面的凝膠墊1230的監(jiān)測器模塊1225。圖12C的凝膠墊方位1240說明附接到具有梯形橫截面的凝膠墊1240的監(jiān)測器模塊1245。這些凝膠墊形狀的尺寸基于所需的偏角和待檢測的移動對象的深度。
可使用若干類型的材料來構(gòu)造本發(fā)明的凝膠墊。凝膠墊的凝膠層(圖10的凝膠1010)可由熱塑性凝膠、熱固性凝膠、水凝膠或其它類似材料構(gòu)造。熱塑性凝膠通常由具有較大比例的內(nèi)部擴散稀釋液(interdispersed diluent)的熱塑性彈性體制成。熱塑性彈性體包含嵌段共聚物，例如，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、苯乙烯/乙烯-共-丁烯/苯乙烯，和苯乙烯/乙烯-共-丙烯/苯乙烯。苯乙烯端基嵌段在室溫下形成玻璃質(zhì)區(qū)域(glassy domain)。玻璃質(zhì)區(qū)域充當提供聚合物的彈性體特性的物理交聯(lián)。在加熱到苯乙烯的玻璃轉(zhuǎn)換溫度(即，約100℃)以上期間，玻璃質(zhì)區(qū)域熔化且聚合物恢復到液態(tài)。冷卻期間，玻璃質(zhì)區(qū)域再次重新形成。因此，所述過程是可逆的。含有結(jié)晶聚乙烯端基嵌段的其它嵌段共聚物(例如，乙烯-(乙烯-共-丁烯)-乙烯共聚物)也可用于制備熱塑性凝膠。
熱固性凝膠(例如，聚氨酯或硅凝膠)通常由化學鍵連接的三維彈性體網(wǎng)絡(luò)制成，所述彈性體網(wǎng)絡(luò)截留有大量低揮發(fā)性液體或稀釋液。彈性體網(wǎng)絡(luò)是永久的且無法通過加熱而恢復到液態(tài)。有必要使用一定量的稀釋液以便確保凝膠對皮膚的良好適應性以及超聲傳輸?shù)牡退p，同時仍維持承載特性。凝膠可在-30℃到+70℃范圍內(nèi)的溫度下使用，在所述范圍中凝膠保持其形狀和承載彈性特性。
熱固性凝膠和熱塑性凝膠總是含有截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中的較大百分比的稀釋液。當適當配制時，這些凝膠是穩(wěn)定的且可抵抗應力或溫度循環(huán)。穩(wěn)定性受例如彈性體網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度和稀釋液與彈性體網(wǎng)絡(luò)的相容性的熱力學因素控制。然而，即使是在熱力學上穩(wěn)定的凝膠，當與皮膚接觸時，凝膠中的稀釋液也可能仍擴散出去并進入活體受檢者中。這是由于以下事實的緣故皮膚上的稀釋液具有濃度梯度；稀釋液的自然趨勢是遷移出凝膠(其中稀釋液濃度較高)并進入皮膚(其中稀釋液的初始濃度為零)。因此，所述擴散由菲克定律(Fick’s Law)以動力學方式控制。稀釋液(尤其是硅油)的擴散可能對生物造成有害影響。在一個實施例中，通過將適應的障壁隔膜粘合或?qū)訅旱侥z層來防止稀釋液擴散。
水凝膠可由例如聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚(丙烯酸-共-丙烯腈)、聚(丙烯酰胺-共-丙烯腈)等水溶性聚合物組成。其溶解在以總混合物的重量計近似50％到98％的大量水中?；旌衔镆暻闆r通過例如鈉、鋅、鈣等離子而增稠，所述離子是通過添加相應的金屬鹽而提供的。當使用隔膜時，隔膜可有效地密封混合物以防止水蒸發(fā)或遷移。
隔膜層可由聚氨酯、硅樹脂、聚(氯乙烯)、天然或合成橡膠、聚酯、聚酰胺，或包含低密度的聚乙烯、塑性體、茂金屬烯烴共聚物或其它類似材料在內(nèi)的聚烯烴的薄膜制成。事實上，柔韌且合適的任何薄聚合物膜均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可依據(jù)所選擇的凝膠材料來確定適宜的隔膜材料。隔膜可使用粘合劑層壓到凝膠墊。也可通過將例如聚氨酯彈性體溶液或膠乳的成膜液體噴射或涂覆到凝膠層的表面上來形成隔膜。在干燥液體時形成薄隔膜，其可實現(xiàn)與層壓工藝相同的結(jié)果。依據(jù)凝膠層中稀釋液的類型，選擇隔膜以提供最佳障壁效應。隔膜優(yōu)選地盡可能薄且柔軟，使得其較好地適應皮膚并使截留空氣的可能性最小。隔膜還使得能夠較容易地進行凝膠墊處理、減少污垢積聚，并較容易地進行清潔。
可使用若干類型的粘合劑和底漆來產(chǎn)生圖10和11A-B的凝膠囊。舉例來說，可使用3MTM提供的AutomixTM聚烯烴粘合促進劑05907和Loctite提供的LOCTITETM770聚烯烴底漆作為凝膠層與隔膜層之間的底漆?？墒褂肁shland Specialty Chemical Company提供的AROSETTM3250壓敏粘合劑作為隔膜層與受檢者的皮膚之間的粘合劑?？墒褂肈ow CorningTM提供的與SYL-OFF 4000催化劑一起使用的DOW CORNING 7657粘合劑作為隔膜層與RTV元件之間的粘合劑。
視凝膠的基礎(chǔ)材料而定，施加到隔膜層的外表面的壓敏粘合劑可以橡膠、硅樹脂或丙烯酸系聚合物為主。舉例來說，如果使用熱塑性凝膠，那么以橡膠為主的壓敏粘合劑將提供較好的粘合力。同樣優(yōu)選的是，壓敏粘合劑是醫(yī)用的而不會引起皮膚致敏。如果隔膜直接與皮膚接觸，那么還需要隔膜本身不會引起皮膚致敏。已知由天然橡膠膠乳制成的一些隔膜材料會對一些人的皮膚引起過敏性反應。
在另一實施例中，凝膠墊可由單個熱塑性凝膠材料層組成。這當使用例如醫(yī)用礦物油的生物相容的流體作為凝膠中的稀釋液時尤其便利。這種油如果遷移到皮膚中不會對活體組織造成有害影響。舉例來說，嬰兒油(一種醫(yī)用礦物油)可用作稀釋液。在此情況下，熱塑性凝膠材料與受檢者的表面足夠適應，使得凝膠墊與受檢者的皮膚之間不需要粘合劑。特定而言，當施加微量的壓力(例如，通過用腕部條帶佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測器施加的壓力)時，大體上消除任何存在的氣穴。需要最小的粘合力來使單層熱塑性凝膠墊在與超聲波監(jiān)測器和受檢者的皮膚接觸時保持在適當位置。因為構(gòu)造起來簡單、便宜，并允許使用大量粘合劑來保持凝膠墊與RTV接觸，所以這是有利的。在一個實施例中，凝膠的厚度可在約1與10毫米之間。在一些實施例中，凝膠的厚度可在1與5毫米之間。
凝膠墊可以若干方式附接到超聲波監(jiān)測器。在一個實施例中，熱塑性凝膠可加熱到熔融狀態(tài)并上覆式模制(over-mold)到換能器的塑料外殼上。盡管熱塑性凝膠將粘合到換能器，但可使用粘合劑來確保持久結(jié)合。此粘合劑的實例包含GLS Corporation提供的Versaflex6000和Teknor Apex Corporation提供的Monprene。在一個實施例中，可在對凝膠進行上覆式模制之前，通過注入模制而對粘合劑進行上覆式模制。適合上覆式模制的粘合劑包含ECLECTRIC PRODUCTS，Inc提供的EC6000。接著可將隔膜層層壓在凝膠層上方以防止稀釋液擴散。
在另一實施例中，利用模具來形成傳輸媒介的一部分。在此情況下，將包圍換能器和PCB外表面的一部分的模具安裝到PCB。接著，將室溫硫化(RTV)硅橡膠層粘合劑置于模具中。盡管RTV層將粘合到模具內(nèi)暴露的PCB表面，但可使用粘合劑將RTV進一步固定到PCB。RTV提供優(yōu)良的超聲波信號傳輸且比熱塑性凝膠墊略微堅固。RTV層的堅固性可防止由于與凝膠墊和其它物體的接觸而對換能器元件造成損害。
圖13A和13B中展示并入有經(jīng)模制的RTV層的PCB系統(tǒng)的實施例。圖13A的系統(tǒng)1300的監(jiān)測器包含PCB的外層1310、安裝到外層的換能器1320和1330、RTV模具1340、銅觸點1342、將銅觸點1342連接到換能器1320和1340的連接引線1344、處于換能器1320下方的氣隙部分1322和1324，和處于換能器1330下方的氣隙部分1326和1328。圖13B說明PCB系統(tǒng)的側(cè)視圖，且進一步說明用于構(gòu)建安裝到換能器的相對的表面的監(jiān)測器的電路。RTV模具經(jīng)構(gòu)造使得其包圍換能器、氣隙部分，和PCB的外層的一部分。連接引線1344可位于模具上方或下方。模具可構(gòu)建為焊接模具并使用上文論述的適當粘合劑附接到PCB。在生產(chǎn)期間，將RTV材料置于RTV模具中。接著可使用適當粘合劑將凝膠墊附接到RTV。
在一個實施例中，凝膠墊的凝膠層部分可模制在RTV材料上方。接著可將凝膠墊的隔膜層和/或聚氨脂部分施加在凝膠層的外表面上。隔膜層可與粘合劑一起施加或不與粘合劑一起施加。在此實施例中，不將隔膜層施加到與RTV層接觸的凝膠層表面(即，此實施例中，RTV材料與凝膠層之間不使用隔膜)。接著可將隔膜層的外表面放置成與受檢者的皮膚接觸。可視需要將粘合劑施加到隔膜層的與受檢者的皮膚接觸的外表面。
可選擇RTV材料使得其充當換能器與外力之間的機械隔離物。RTV材料吸收外力(例如，與受檢者的皮膚接觸或來自受檢者的皮膚壓力)，并防止其影響換能器的諧振頻率。RTV可由若干類型的材料構(gòu)造，所述材料包含全部由DOW CORNINGTM提供的SilasticTME RTV硅橡膠以及DOW CORNING 3110、3112和3120 RTV橡膠。可使用CORNINGTM1301底漆和其它類似底漆將RTV材料附接到PCB。
經(jīng)包封的超聲波監(jiān)測器在本發(fā)明的一個實施例中，可對超聲波監(jiān)測器進行包封以使其防水?？墒褂肁BS塑料材料、凝膠材料或兩者來密封超聲波監(jiān)測器。舉例來說，可將電子組件側(cè)密封在ABS塑料材料中，而通過較軟的凝膠材料(例如，含油量高的熱塑性材料)來密封換能器側(cè)。在另一實施例中，可使用ABS塑料材料來密封換能器側(cè)和電子組件側(cè)兩者。
密封的組合件可形成有位于換能器上方的凹進部分或超聲波監(jiān)測器的RTV部分?？蓪⒁淮涡阅z墊現(xiàn)場放置在凹進區(qū)域處以改進超聲波信號傳輸并維持凝膠墊的位置。參看圖11A-B說明和論述的凝膠囊可用于此實施例中。在一些實施例中，所得組合件可進一步經(jīng)模制或以某種方式機械耦合到以聚氨脂為主的手表帶。兩種最終組合件均將是防水的，且對于受檢者保持良好的超聲波傳輸特性。
圖14A說明密封的超聲波監(jiān)測器1400的實施例。監(jiān)測器1400包含PCB 1410、電路1412、塑料外殼1414、凝膠或環(huán)氧樹脂層1420、換能器1422和1424，以及凝膠墊1425。PCB 1410、電路1412經(jīng)模制并密封在塑料(例如，ABS塑料)外殼1410中。將凝膠或環(huán)氧樹脂層1420模制或澆鑄在換能器上方并對塑料外殼進行密封。
圖14B說明密封的超聲波監(jiān)測器1430的實施例。監(jiān)測器1430包含PCB 1440、電路1442、塑料外殼1444、粘合層1450、凝膠或環(huán)氧樹脂層1452、換能器1454和1456，以及凝膠墊1458。監(jiān)測器1430類似于監(jiān)測器1400，只是粘合層1450施加在換能器和PCB上方。
圖14C說明密封的超聲波監(jiān)測器1460的實施例。監(jiān)測器1460包含PCB 1470、電路1472、塑料外殼1474、凝膠或環(huán)氧樹脂層1480、換能器1482和1484，以及凝膠墊1490。監(jiān)測器1460類似于監(jiān)測器1400，只是塑料外殼1474包圍整個監(jiān)測器。
經(jīng)包封的超聲波監(jiān)測器可與永久附接的凝膠囊或可現(xiàn)場附接的一次性凝膠囊一起使用。圖15A說明包封在外殼中的佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測器1500的實施例。監(jiān)測器1500包含超聲波監(jiān)測器模塊1510、附接到監(jiān)測器模塊1510的凝膠墊1515、顯示裝置1530，以及附接到顯示裝置和監(jiān)測器模塊的條帶1520。凝膠囊1515在生產(chǎn)期間附接到監(jiān)測器模塊。在一個實施例中，凝膠墊可通過模制工藝而附接到監(jiān)測器模塊1510。圖15B說明包封在外殼中的佩帶在腕部的超聲波監(jiān)測器1580的一個實施例。監(jiān)測器1580包含超聲波監(jiān)測器模塊1560、附接到監(jiān)測器模塊1560的一次性凝膠墊1565、顯示裝置1580，以及附接到顯示裝置和監(jiān)測器模塊的條帶1570。一次性凝膠囊1565可就在使用監(jiān)測器之前附接到監(jiān)測器模塊。超聲波監(jiān)測器模塊1510和1560具有略微不同的形狀。這僅僅是為了提供實例。圖15A和15B的超聲波監(jiān)測器模塊的形狀可互換且不希望限制本發(fā)明的范圍。
已出于說明和描述的目的呈現(xiàn)了對本發(fā)明的以上詳細描述。不希望所述描述是詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。根據(jù)上文的教示，可能作出許多修改和變化。選擇所描述的實施例是為了最佳地闡釋本發(fā)明的原理及其實踐應用，從而使所屬領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠最佳地將本發(fā)明用于各種實施例中且可作出適于所預期的特定用途的各種修改。希望本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書界定。
權(quán)利要求
1.一種超聲波監(jiān)測器，其包括發(fā)射換能器，其經(jīng)配置以發(fā)射超聲波信號；接收換能器，其經(jīng)配置以接收反射的超聲波信號；電路，其處理所述接收到的超聲波信號；外殼，其包含所述發(fā)射換能器、所述接收換能器和所述電路；和凝膠墊，其附接到所述外殼，所述凝膠墊具有凝膠層和隔膜，所述超聲波信號和所反射的超聲波信號通過所述凝膠墊在所述換能器與受檢者的皮膚之間傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述隔膜被層壓到所述凝膠層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述隔膜用底漆粘合到所述凝膠層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測器，所述凝膠墊進一步包含壓敏粘合劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測器，所述凝膠層具有截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中的高百分比稀釋液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測器，其進一步包括RTV硅橡膠層，所述RTV硅橡膠層定位在所述凝膠墊與所述換能器之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述外殼包含對應于所述換能器的位置的凹進部分，所述凝膠墊定位在所述凹進部分上方。
8.一種超聲波監(jiān)測器，其包括超聲波監(jiān)測器模塊，和凝膠墊，所述凝膠墊包含凝膠層和隔膜，所述凝膠墊定位成與所述超聲波監(jiān)測器模塊和受檢者的皮膚接觸，并在所述超聲波監(jiān)測器模塊與受檢者的皮膚之間提供超聲波信號傳輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述凝膠墊進一步包含粘合劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述凝膠墊現(xiàn)場附接到所述超聲波監(jiān)測器模塊。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述超聲波監(jiān)測器模塊包含凹進處，所述凝膠墊現(xiàn)場附接在所述凹進處上方。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述隔膜經(jīng)定位以防止所述凝膠層擴散到所述受檢者的皮膚。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波監(jiān)測器，所述超聲波監(jiān)測器進一步包含附接構(gòu)件，其附接到所述超聲波監(jiān)測器模塊，所述附接構(gòu)件將外殼維持在所述凝膠墊上方抵靠所述受檢者皮膚的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲波監(jiān)測器，所述凝膠墊包含壓敏粘合劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲波監(jiān)測器，其中所述壓敏粘合劑在所述凝膠的施加到所述受檢者的皮膚的第一表面上及所述凝膠墊的施加到所述超聲波監(jiān)測器模塊的第二表面上。
16.一種用于監(jiān)測心率的方法，其包括將凝膠墊施加到超聲波監(jiān)測器模塊，所述凝膠墊包含凝膠材料和隔膜；通過所述凝膠墊將超聲波信號從所述超聲波監(jiān)測器模塊傳輸?shù)绞軝z者；通過所述凝膠墊從所述受檢者接收由所述超聲波監(jiān)測器模塊反射的超聲波信號；和處理所述接收到的超聲波信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述凝膠包含截留在彈性體網(wǎng)絡(luò)中的高百分比稀釋液。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述隔膜防止所述稀釋液擴散到所述受檢者。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述凝膠墊包含壓敏粘合劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中施加所述凝膠包含將所述凝膠墊定位在所述超聲波監(jiān)測器模塊與所述受檢者之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中將所述超聲波監(jiān)測器模塊和所述凝膠墊定位在動脈上方。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述凝膠墊包含底漆。
23.一種凝膠墊，其包括凝膠層和隔膜，所述凝膠層具有上表面和下表面且厚度在1與5毫米之間，所述凝膠層經(jīng)配置以當定位在超聲波監(jiān)測器與受檢者的皮膚之間并通過所述超聲波監(jiān)測器施加到所述受檢者的皮膚時消除氣穴。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述凝膠層包括熱塑性凝膠。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述凝膠層包括熱固性凝膠。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述凝膠層包括水凝膠。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述隔膜是聚氨酯膜。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的凝膠墊，其中所述隔膜是合成橡膠膜。
全文摘要
一種構(gòu)建在PCB上的超聲波監(jiān)測器包含凝膠墊，所述凝膠墊由凝膠層和隔膜層組成。超聲波信號通過所述凝膠墊在所述超聲波監(jiān)測器與活體受檢者之間傳輸。在所述PCB中換能器元件下方形成氣隙以提供更有效的信號傳輸。這些特征提供了低功率、低成本、更有效的超聲波監(jiān)測器?？蓪⑺稣麄€超聲波監(jiān)測器包封在塑料、凝膠或兩者中以提供防水特性。
文檔編號A61B8/14GK101080194SQ200580043382
公開日2007年11月28日 申請日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者托馬斯·英清·羅, 張龍永 申請人:薩魯特倫公司