用于測(cè)量、處理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電生物阻抗的單元、模塊化系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明的測(cè)量與處理單元（20）包括：電生物阻抗測(cè)量子單元（9）、以及用于離散地處理測(cè)量值、包括有用于存儲(chǔ)所述測(cè)量值的存儲(chǔ)元件的處理子單元（10）。模塊化電生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括至少一個(gè)前述生物阻抗測(cè)量與處理單元（20）。模塊化系統(tǒng)使得能夠?qū)y(cè)量值發(fā)送至外部單元（30），例如計(jì)算機(jī)或PDA，以處理和/或監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^因特網(wǎng)或GSM網(wǎng)絡(luò)將生物阻抗數(shù)據(jù)從外部單元（30）發(fā)送至用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程單元。
【專利說明】用于測(cè)量、處理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電生物阻抗的單元、模塊化系統(tǒng)和方法
[0001 ] 本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】和目的
[0002]本發(fā)明涉及電阻抗或生物阻抗(bioimpedance)的測(cè)量，特別是在生物體的或者動(dòng)物源或植物源制品的生物材料、動(dòng)物組織或植物組織、整個(gè)人體或整個(gè)動(dòng)物體或者人體或動(dòng)物體的一部分中的電阻抗或生物阻抗的測(cè)量。
[0003]生物阻抗測(cè)量包括生物阻抗光譜測(cè)定技術(shù)，從而以特定頻率范圍掃描交流激勵(lì)電流。
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種生物阻抗測(cè)量與測(cè)量值處理單元。本發(fā)明的另一目的是提供一種生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)，用于處理并監(jiān)測(cè)測(cè)量值，這使得能夠與外部測(cè)量值監(jiān)測(cè)單元(特別地，例如計(jì)算機(jī)或個(gè)人數(shù)字助理(PDA))合作來以模塊化方式集成多個(gè)所述單元。本發(fā)明的最后的目的是提供一種方法，該方法使得能夠通過因特網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)等將所述測(cè)量值發(fā)送至遠(yuǎn)程處理單元來遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)測(cè)量值。
[0005]本發(fā)明本質(zhì)上應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和食品【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0006]發(fā)達(dá)國家的人們持續(xù)增加的預(yù)期壽命造成人口老齡化。因此，不斷增加的老年人口部分需要不僅在醫(yī)院而且在自己家中(家庭監(jiān)護(hù))的包括預(yù)防性衛(wèi)生保健的先進(jìn)的更廣泛的衛(wèi)生保健，但是這降 低了健康中心的訪問數(shù)目。
[0007]另一方面，人們所要求的較高的生活質(zhì)量通常需要進(jìn)行意在早期發(fā)現(xiàn)健康問題的預(yù)防性檢查，在該預(yù)防性檢查中，明顯增加了不同治療成功的機(jī)會(huì)，同時(shí)降低了費(fèi)用。
[0008]以上考慮已經(jīng)不斷影響發(fā)達(dá)國家的公共健康系統(tǒng)所需要的資源。然而，所述公共健康系統(tǒng)經(jīng)常面對(duì)的事實(shí)正好相反，其必須面對(duì)在更少資源的情況下更大的需求。
[0009]在食品【技術(shù)領(lǐng)域】，例如存在如下加工(例如肉制品熟化加工或腌制加工):其用于制造主要為動(dòng)物原料的產(chǎn)品并且包括改變組織材料或生物材料的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。在許多情況下，這些加工仍保持不利于產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)步以及最終這樣的產(chǎn)品在高要求的市場上的暢銷度的大量的手工成分，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化和暢銷度又具有最大購買力。
[0010]另一方面，在工業(yè)中所使用的用于確定食物屬性(組成)的大多數(shù)方法是破壞性的，從而致使研究的部分無用。設(shè)計(jì)非破壞性的測(cè)量系統(tǒng)是一種挑戰(zhàn)。然而，除了保持所分析的樣本的完整性，所需要的新的分析技術(shù)必須具有不依據(jù)熟練工人的低成本并且簡單的操作，甚至非常關(guān)注消費(fèi)者自身執(zhí)行某些控制的可能性。
[0011]近幾年在微電子和電信行業(yè)所經(jīng)歷的顯著進(jìn)步連同對(duì)應(yīng)的相關(guān)聯(lián)的成本的下降開創(chuàng)了用于對(duì)上述問題提供滿意的解決方案的大的前景。
[0012]在術(shù)語電生物阻抗下，基本概念是如下反抗:其中生物體、組織和生物材料通常反對(duì)交流電流的通過。注入組織中的電流強(qiáng)度非常低以至于其不刺激可興奮組織，這使得能夠在健康領(lǐng)域?qū)⑵溆糜诓煌瑮l件的患者，并且甚至用于新生兒。
[0013]如眾所周知的，電阻抗通常是復(fù)數(shù)，并且在生物阻抗的特別情況下，以與在電容器中所出現(xiàn)的類似的方式，實(shí)部表示細(xì)胞內(nèi)液或細(xì)胞外液的電阻，相比之下，相位反應(yīng)細(xì)胞膜中的臨時(shí)荷電保留。相應(yīng)地并且依據(jù)其組成，生物組織以較大或較小程度類似于導(dǎo)體或電介質(zhì)，并且所述組成可以從電(生物阻抗)特征獲得。
[0014]相對(duì)于交流激勵(lì)電流的頻率，可以通過使用作為電流以加權(quán)方式流過細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液的頻率的單一頻率(通常為50KHz)來應(yīng)用生物阻抗技術(shù)。與前述相比，生物阻抗光譜測(cè)定技術(shù)包括以特定分辨率掃描激勵(lì)電流的特定頻率范圍的信號(hào)。
[0015]因此，電生物阻抗不是生理變量，而是允許通過其電性來表征組織和生物材料的技術(shù)。
[0016]現(xiàn)在，眾所周知電生物阻抗技術(shù)的如下應(yīng)用:確定人體的全局組成；診斷某些疾??；并且更一般地，控制食品行業(yè)加工或用于確定食品組成。
[0017]通常，電生物阻抗技術(shù)具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?？梢酝怀龅挠欣矫姘ㄆ涫且环N簡單、非入侵、非破壞性、非電離并且相對(duì)成本效益的技術(shù)。關(guān)于負(fù)面方面，與其他現(xiàn)存替換技術(shù)(X射線、電腦斷層攝影、磁核共振等)相比，該技術(shù)在基本的醫(yī)學(xué)診斷的應(yīng)用中不是非常精確，即使這些替換技術(shù)是不能重復(fù)使用的入侵式昂貴的技術(shù)。此外，電生物阻抗技術(shù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制方法。
[0018]生物阻抗分析的第一應(yīng)用旨在確定全局身體的組成(去脂體重、細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的水含量等)。已知執(zhí)行這樣的身體組成的一般分析的大量商用設(shè)備，即使所有的商用設(shè)備均使用間接的調(diào)節(jié)方法來基于生物阻抗測(cè)量值確定所述參數(shù)。這些間接的調(diào)節(jié)方法是基于得到脂肪含量、肌肉含量和水含量，例如，根據(jù)生物阻抗測(cè)量的結(jié)果，依據(jù)人體測(cè)量參數(shù)例如體重、身高、性別、年齡等。
[0019]旨在進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷的生物阻抗技術(shù)的其他已知應(yīng)用是例如:確定隱藏的腹部脂肪；檢測(cè)各種類型的腫瘤、肝損傷、齲齒、營養(yǎng)狀態(tài)、骨關(guān)節(jié)炎、肌腱發(fā)炎等。在這些情況下，在身體的良好定位區(qū)域進(jìn)行生物阻抗分析。
[0020]通常，用于測(cè)量電生物阻抗的主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的設(shè)備是基于相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。復(fù)雜性意味著這些設(shè)備通常僅嚴(yán)格地用于僅能夠被熟練技術(shù)人員操作的醫(yī)院和保健中心。
[0021]在食品【技術(shù)領(lǐng)域】，這些生物阻抗技術(shù)也是非常有用的。生物阻抗具體為如下技術(shù):其感興趣于控制在細(xì)胞級(jí)別具有相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)變化的那些食品制造加工；以及用于食品組成質(zhì)量控制。歸因于商業(yè)利益而待在工業(yè)部門實(shí)現(xiàn)的另一目的是使用能夠估計(jì)食品組成的非破壞性的關(guān)聯(lián)方法來開發(fā)成本效益的便攜式易于使用的裝置。
[0022]鑒于關(guān)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的已知狀態(tài)的前述內(nèi)容，因此期望具有用于測(cè)量、處理、監(jiān)測(cè)生物阻抗的單元、系統(tǒng)、設(shè)備或裝備，其以非常小的尺寸帶來簡易、操作簡單和便攜式的優(yōu)點(diǎn)，使得患者自身或任意非專業(yè)人員能夠進(jìn)行操作。同樣地，也期望將一個(gè)相同的系統(tǒng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和食品領(lǐng)域兩者中的各種應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0023]為了解決上述技術(shù)問題，并且改進(jìn)已知生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)單元和系統(tǒng)，所提出的發(fā)明提供了下述技術(shù)特征和效果。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的電生物阻抗測(cè)量與處理單元的特征在于:其包括生物阻抗測(cè)量子單元和處理子單元，該處理子單元包括用于存儲(chǔ)測(cè)量值的存儲(chǔ)元件。對(duì)在生物體的或者動(dòng)物源或植物源制品等的身體(特別地，例如生物材料、動(dòng)物組織或植物組織、整個(gè)人體或整個(gè)動(dòng)物體或者人體或動(dòng)物體的一部分中)進(jìn)行生物阻抗測(cè)量，這可以應(yīng)用于若干領(lǐng)域。
[0025]存儲(chǔ)元件布置在處理子單元中，使得子單元能夠離散地提供測(cè)量值。為了本說明書的目的，“離散地提供測(cè)量值”被理解為測(cè)量值被存儲(chǔ)在單元的存儲(chǔ)元件中直至提供測(cè)量值為止，例如，直至如將在下面解釋的，將測(cè)量值發(fā)送至外部或遠(yuǎn)程處理或監(jiān)測(cè)單元的時(shí)間為止。本發(fā)明的用于離散地提供測(cè)量值的特征和功能使得能夠提供一種比已知系統(tǒng)相對(duì)較簡單和較易于使用的阻抗測(cè)量系統(tǒng)，并且該阻抗測(cè)量系統(tǒng)也非常便攜，這是因?yàn)榭梢允÷杂糜诖_保以連續(xù)方式來提供測(cè)量值通常所必須的部件和設(shè)備。
[0026]在根據(jù)本發(fā)明的電生物阻抗測(cè)量子單元的實(shí)施例中，所述子單元包括具有以下元件的生物阻抗測(cè)量裝置:交流發(fā)電機(jī)；生物阻抗電壓測(cè)量電路；參考電壓測(cè)量電路；以及幅度和相位檢測(cè)電路。交流發(fā)電機(jī)電耦接至通過其注入電流的電流極(I+)并且耦接至通過其收集電流的電流極0- )，從而在與身體接觸的電流極之間提供激勵(lì)電流。同樣地，迫使該電流流過參考阻抗。生物阻抗電壓測(cè)量電路電耦接至正生物阻抗電極(V+)和負(fù)生物阻抗電極(V—)，以用來獲得在與身體接觸的生物阻抗電極之間的激勵(lì)電流的電壓降。參考電壓測(cè)量電路用來獲得參考阻抗的激勵(lì)電流的電壓降。最后，幅度和相位檢測(cè)電路用來獲得由生物阻抗電壓測(cè)量電路獲得的電壓與由參考電壓測(cè)量電路獲得的電壓之間的模比和相位差，這使得能夠獲得待處理的測(cè)量值。
[0027]通過布置四個(gè)電極來測(cè)量生物阻抗，使得分別地，電流極之一(I+)將交流激勵(lì)電流注入身體，并且另一電流極0-)收集電流，并且，兩個(gè)剩余的生物阻抗電極(V+和v_)也分別固定在其間測(cè)量電壓差 的點(diǎn)處。
[0028]交流發(fā)電機(jī)優(yōu)選地被配置成以可調(diào)節(jié)的分辨率來生成具有約10μ A的幅值和包括在IKHz與IMHz之間的頻率范圍內(nèi)的交流電。注入組織中的電流的強(qiáng)度足夠低，以不刺激可興奮組織，這使得能夠在健康領(lǐng)域?qū)⑵溆糜诓煌瑮l件的患者，并且甚至用于新生兒。另一方面，相對(duì)高的頻率使得能夠在身體內(nèi)部進(jìn)行更好的信號(hào)傳播，這使得能夠獲得與身體內(nèi)部的最深區(qū)域的組成有關(guān)的信息。
[0029]在電生物阻抗測(cè)量子單元的變形中，生物阻抗測(cè)量裝置中的生物阻抗電壓測(cè)量電路和參考電壓測(cè)量電路可以分別包括標(biāo)稱相同的生物阻抗電壓儀表放大器和參考電壓儀表放大器。
[0030]響應(yīng)于獲得根據(jù)其確定復(fù)數(shù)電生物阻抗的模和相位的兩個(gè)DC電壓電平，檢測(cè)電路根據(jù)兩個(gè)電信號(hào)的相位差和幅度之比來進(jìn)行計(jì)算。
[0031]每個(gè)儀表放大器可以被形成為包括如下的放大器電路:級(jí)聯(lián)的電壓電流轉(zhuǎn)換級(jí)和電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí)。因此，可以消除放大器的輸入端和輸出端之間的共模電壓依賴性，從而降低功耗并且另外地提高信噪比。特別地，每個(gè)放大器可以是具有第一電壓電流轉(zhuǎn)換級(jí)和第二電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí)的兩級(jí)放大器。
[0032]補(bǔ)充地，生物阻抗測(cè)量裝置可以包括生物阻抗電壓整流電路和參考電壓整流電路。生物阻抗電壓整流電路可以耦接在生物阻抗電壓測(cè)量電路與檢測(cè)電路之間，使得其能夠?qū)⒂伤鰷y(cè)量電路獲得的電壓轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)該電信號(hào)可以直接提取由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的模和相位的值。可以類似地使用耦接在參考電壓測(cè)量電路與檢測(cè)電路之間的參考電壓整流電路。生物阻抗測(cè)量裝置優(yōu)選地包括:耦接在生物阻抗電壓測(cè)量電路與檢測(cè)電路之間的生物阻抗電壓整流電路；以及耦接在參考電壓測(cè)量電路與檢測(cè)電路之間的參考電壓整流電路。生物阻抗電壓整流電路使得能夠?qū)⒂缮镒杩闺妷簻y(cè)量電路獲得的電壓轉(zhuǎn)化為具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的相位相同的相位的第一電方波信號(hào)和具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的模相同的DC電壓電平的第二電信號(hào)。另一方面，參考電壓整流電路使得能夠?qū)⒂伤鰠⒖茧妷簻y(cè)量電路獲得的電壓轉(zhuǎn)化為具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的相位相同的相位的第三電方波信號(hào)和具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的模相同的DC電壓電平的第四電信號(hào)。為了這些目的，術(shù)語“相同”意味著根據(jù)相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)的幅度和相位來定義和確定所述電信號(hào)的幅值和相位，對(duì)于生物阻抗電壓整流電路的情況和參考電壓整流電路的情況，所述功能標(biāo)稱相同。例如，可以通過與由測(cè)量電路獲得的電壓的模或相位成比例的DC電壓信號(hào)來形成相同的電信號(hào)。
[0033]可以分別借助于標(biāo)稱相同的生物阻抗電壓對(duì)數(shù)放大器和參考電壓對(duì)數(shù)放大器來形成所述生物阻抗電壓整流電路和參考電壓整流電路。
[0034]也考慮處理子單元另外包括耦接至存儲(chǔ)元件的控制裝置，該控制裝置包括用于選擇生物阻抗測(cè)量的類型的電路。“生物阻抗測(cè)量的類型”被理解為選擇激勵(lì)電流的幅值和頻率或在生物阻抗頻譜測(cè)定分析的情況下的幅值和頻率范圍。
[0035]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，處理子單元包括:耦接至控制裝置的用于將存儲(chǔ)元件中所存儲(chǔ)的測(cè)量值發(fā)送至外部單元(特別地，例如計(jì)算機(jī)或PDA)的發(fā)送/接收裝置。同樣地，處理子單元可以被配置成接收和處理關(guān)于待從外部單元取得的測(cè)量值的類型的數(shù)據(jù)和/或命令。為了這樣的目的，測(cè)量單元發(fā)送/接收裝置可以是基于無線通信協(xié)議的，為此測(cè)量單元發(fā)送/接收裝置包含射頻通信電路和天線。補(bǔ)充地，外部單元發(fā)送/接收裝置可以被布置成與外部單元相關(guān)聯(lián)，例如，所述裝置可以從外部裝置中移除并且通過USB連接至外部裝置，以用作用于在生物阻抗測(cè)量與處理單元與外部單元之間發(fā)送與測(cè)量值的類型有關(guān)的命令并且接收測(cè)量值的接口。
[0036]可替代地或補(bǔ)充地，測(cè)量處理子單元可以包括耦接至控制裝置并且被配置成顯示測(cè)量值和/或顯示關(guān)于測(cè)量值的類型的信息等的LCD屏幕。
[0037]可以使用為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)所定制的專用集成電路來制造生物阻抗測(cè)量裝置。當(dāng)前的制造技術(shù)提供0.35 μ m和更小的長度。制造技術(shù)的改進(jìn)又增加了生產(chǎn)量，這使得能夠制造其中以越來越成本效益的價(jià)格包括若干功能塊的集成電路。因此，生物阻抗測(cè)量與處理單元的實(shí)際尺寸可以非常小，從而具有非常低的功耗，這確保使用微電池進(jìn)行長期操作。同時(shí)，將形成測(cè)量與處理單元的所有功能塊集成進(jìn)單個(gè)集成電路中便于制造標(biāo)稱相同的塊。這是通過使用如下微電子設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的:其降低變形對(duì)CMOS裝置制造參數(shù)的影響。
[0038]另一方面，本發(fā)明涉及模塊化生物阻抗測(cè)量、處理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明在上述描述的類型的生物阻抗測(cè)量與處理單元。
[0039] 當(dāng)具體應(yīng)用包括若干生物阻抗單元時(shí)，生物阻抗單元之一可以用作無線網(wǎng)絡(luò)的用于將測(cè)量值發(fā)送至外部單元以在所述外部單元中進(jìn)行處理和/或監(jiān)測(cè)的協(xié)調(diào)器(協(xié)調(diào)單元)。協(xié)調(diào)單元的功能包括:接收來自測(cè)量與處理單元的測(cè)量值；將測(cè)量值發(fā)送至外部單元；和/或接收來自外部單元的對(duì)測(cè)量值的類型的選擇；以及將來自外部單元的對(duì)測(cè)量值的類型的選擇發(fā)送至測(cè)量與處理單元。考慮如下兩種情況:協(xié)調(diào)單元集成了測(cè)量與處理單元；以及協(xié)調(diào)單元僅被配置成執(zhí)行所述協(xié)調(diào)功能。如果所述應(yīng)用包括多于一個(gè)測(cè)量的結(jié)果，則測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)在測(cè)量與處理單元和/或系統(tǒng)的相對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)單元的存儲(chǔ)元件中。在外部單元和協(xié)調(diào)單元互相檢測(cè)時(shí)，將測(cè)量值優(yōu)選地發(fā)送至外部單元?？梢酝ㄟ^因特網(wǎng)或GSM網(wǎng)絡(luò)將生物阻抗數(shù)據(jù)從外部單元發(fā)送至遠(yuǎn)程地處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程單元，這在關(guān)于健康的應(yīng)用的情況下是基本應(yīng)用，或者可以在外部單元中直接處理和/或監(jiān)測(cè)生物阻抗數(shù)據(jù)，這可能對(duì)于所提出系統(tǒng)的其他應(yīng)用是足夠的。具體地，遠(yuǎn)程處理單元也可以是計(jì)算機(jī)或PDA。
[0040]最后，根據(jù)本發(fā)明的用于醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用的模塊化系統(tǒng)的可能的實(shí)施例包括被布置成與人體接觸以進(jìn)行生物阻抗測(cè)量的生物阻抗測(cè)量帶。所述帶可以是腰帶(圍繞腰部)或臂帶(圍繞手臂或腿)，例如，電流電極和阻抗電極布置在所述帶的與身體接觸的面上。模塊化系統(tǒng)實(shí)施例的特征在于每個(gè)生物阻抗測(cè)量與處理單元的電流電極(I+和i-)以及相應(yīng)的生物阻抗電極(V+和v_)被布置成彼此充分間隔開，使得生物阻抗測(cè)量值相對(duì)于身體的表面部分的貢獻(xiàn)適當(dāng)?shù)胤磻?yīng)身體的內(nèi)部部分的貢獻(xiàn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]為了補(bǔ)充本發(fā)明的說明并且為了旨在于更好地理解本發(fā)明的技術(shù)特征的目的，說明書的剩余部分參照其中已經(jīng)通過非限制的實(shí)際示例的方式描述了本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的附圖。
[0042]在附圖中:
[0043]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量與處理單元的框圖； [0044]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有三個(gè)生物阻抗測(cè)量與處理單元的模塊化生物阻抗測(cè)量與處理系統(tǒng)。圖2還示出了與模塊化生物阻抗測(cè)量與處理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的用于監(jiān)測(cè)通過模塊化生物阻抗測(cè)量與處理系統(tǒng)取得的測(cè)量值的外部單元(計(jì)算機(jī))。
[0045]圖3示出了用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的具體應(yīng)用(例如測(cè)量內(nèi)臟脂肪)的實(shí)施例，生物阻抗測(cè)量腰帶被放置為圍繞人體的腰部。所示出的生物阻抗測(cè)量腰帶具有兩個(gè)生物阻抗測(cè)量與處理單元。
[0046]以下為附圖所使用的標(biāo)記:
[0047]1:身體
[0048]2:交流發(fā)電機(jī)
[0049]3:參考阻抗
[0050]4:生物阻抗電壓儀表放大器
[0051]5:參考電壓儀表放大器
[0052]6:生物阻抗電壓對(duì)數(shù)放大器
[0053]7:參考電壓對(duì)數(shù)放大器
[0054]8:幅度和相位檢測(cè)電路
[0055]9:生物阻抗測(cè)量子單元
[0056]10:測(cè)量處理子單元
[0057]11:控制裝置
[0058]12:發(fā)送/接收裝置[0059]13:天線
[0060]20:生物阻抗測(cè)量與處理單元
[0061]21:協(xié)調(diào)單元
[0062]30:外部單元
[0063]31:外部單元發(fā)送/接收裝置
[0064]40:用于測(cè)量內(nèi)臟脂肪的生物阻抗測(cè)量腰帶
[0065]以下為附圖所使用的標(biāo)記:
[0066]I+:電流注入電極
[0067]I-:電流收集電極
[0068]V+:正生物阻抗電極
[0069]V_:負(fù)生物阻抗電極
[0070]R:參考電阻
[0071]Z:電生物阻抗
[0072]Vm:與模比成比例的電壓
[0073]Vp:與相位差成比例的電壓
【具體實(shí)施方式】
[0074]以下參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0075]圖1是執(zhí)行生物阻抗測(cè)量(特別地，生物阻抗光譜測(cè)定)、由封裝在單元中的微電池(未示出)供電的測(cè)量與處理單元(20)的簡化框圖。該測(cè)量與處理單元(20)具有兩個(gè)很好區(qū)分的部分(9，10)。第一生物阻抗測(cè)量子單元(9)負(fù)責(zé)進(jìn)行如下測(cè)量:如可以看到的，與單元(20)的四個(gè)電極(I+，V+，I-，V_)接觸的身體(1)的生物阻抗的模和相位。所述測(cè)量子單元(9)被特別設(shè)計(jì)成用于該應(yīng)用并且以CMOS技術(shù)制造。第二測(cè)量處理子單元(10)負(fù)責(zé)與外部單元或另一測(cè)量或處理單元進(jìn)行通信。測(cè)量與處理單元(20)的實(shí)施例的一個(gè)變形可以包括使用用于如下那些應(yīng)用的LCD屏幕來代替發(fā)送/接收裝置(12):在這些應(yīng)用中，不需要發(fā)送測(cè)量結(jié)果，并且僅需要觀察所述結(jié)果。
[0076]在所示實(shí)施例中，測(cè)量子單元(9)包括四個(gè)電極(I+，V+，I_，V_)的觸點(diǎn)。將用于刺激已知其復(fù)阻抗Z的存在于生物阻抗電極(V+，V_)的接觸點(diǎn)之間的身體(1)的交流電流注入電極(I+，O之間。同樣地，迫使該電流流過電阻式的參考阻抗或具有已知值R的參考電阻(3)。同時(shí)收集電極(V+，V—)所接觸的身體(1)的兩個(gè)點(diǎn)之間的電壓降。
[0077]交流發(fā)電機(jī)(2)負(fù)責(zé)注入小的激勵(lì)電流，從而以10 μ A的幅值在電流電極(I+，I-)之間流動(dòng)。為了進(jìn)行光譜測(cè)定分析，發(fā)電機(jī)(2)被配置成使得其能夠以在IKHz與IMHz之間所包括的頻率范圍進(jìn)行掃描。然而，可以在另一不同范圍內(nèi)對(duì)激勵(lì)電流的頻率的變形進(jìn)行編程。
[0078]電極(V+，V_)所收集的電信號(hào)又是提取并放大身體中的電壓的第一生物阻抗電壓儀表放大器(4)的輸入信號(hào)。第二參考電壓儀表放大器(5)同時(shí)收集參考電阻(3)的端子之間的電壓，并且通過與儀表放大器相同的因子來放大該信號(hào)。
[0079]儀表放大器(4，5)標(biāo)稱相同，并且可以被設(shè)計(jì)成以完全不同的模式進(jìn)行操作，使得其將編碼信號(hào)傳遞為在輸出端的每一端處所存在的兩個(gè)反相信號(hào)的差異，從而提高信噪Ito儀表放大器(4,5)具有雙級(jí)結(jié)構(gòu)。第一級(jí)將輸入處的電交流電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為電交流電流信號(hào)。第二級(jí)將這些電流信號(hào)重新轉(zhuǎn)換為電交流電壓信號(hào)。從而可以消除在儀表放大器的輸入端和輸出端中的共模電壓依賴性，這便于降低電池的最小供電電壓，因此，相對(duì)大地降低功耗。此外，通過使用兩級(jí)，實(shí)現(xiàn)高注入輸入信號(hào)的共模分量，以限制存在于電極與身體之間的接觸表面上的寄生阻抗的影響。
[0080]儀表放大器(4，5)的差分輸出信號(hào)又分別形成在標(biāo)稱彼此相同的兩個(gè)生物阻抗電壓和參考電壓對(duì)數(shù)放大器(8，9 )的輸入信號(hào)。兩個(gè)對(duì)數(shù)放大器以差分配置對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行操作，并且兩個(gè)對(duì)數(shù)放大器中的每個(gè)對(duì)數(shù)放大器提供作為輸入信號(hào)的對(duì)數(shù)函數(shù)的簡單直流電壓輸出。同樣地，兩個(gè)對(duì)數(shù)放大器提供具有方波并且具有與在其輸入端中存在的電壓信號(hào)相同頻率的交流電壓信號(hào)。
[0081]為了獲得表示與電極(V+，V_)之間的身體(1)相關(guān)聯(lián)的生物阻抗的幅度和相位的兩個(gè)直流電壓信號(hào)，以及由在發(fā)電機(jī)(2)中生成的激勵(lì)電流的頻率所確定的頻率，對(duì)數(shù)放大器(6，7 )的輸出信號(hào)又是幅度和相位檢測(cè)電路(8 )的輸入。檢測(cè)電路(8 )又具有兩個(gè)電路。這兩個(gè)電路之一專用于生成與由對(duì)數(shù)放大器(6，7)提供的交流電壓信號(hào)之間的相位差\成比例的信號(hào)。相比之下，第二電路同樣地使用由儀表放大器(4，5)提供的電壓信號(hào)的模的比Vm的對(duì)數(shù)。因此并且通過使用相量表示法，生物阻抗的值Z符合以下表達(dá)式:
[0082]Z=| Z I.eJ$=R.IOvm.eJVp
[0083]其中，R是參考 電阻(3)的值并且Φ是電生物阻抗的相位。
[0084]如以上說明的，處理子單元(10)的目的是:控制測(cè)量子單元；處理測(cè)量值；以及通過使用無線通信協(xié)議針對(duì)在(2)中所生成的交流激勵(lì)電流的頻率中的每個(gè)頻率來發(fā)送/接收與生物阻抗的模和相位相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。所述子單元(10)又具有控制裝置(11)和包括有天線(13)的測(cè)量單元發(fā)送/接收裝置(12)。
[0085]控制裝置(11)執(zhí)行以下功能:
[0086]?選擇交流電流信號(hào)的在由發(fā)電機(jī)(2)提供的IKHz至IMHz的范圍內(nèi)的頻率。
[0087]?根據(jù)所選擇的通信協(xié)議來控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模式。
[0088]?存儲(chǔ)與存儲(chǔ)塊中的生物阻抗的模和相位相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。從而，可以存儲(chǔ)這些值，直至例如外部單元需要測(cè)量值為止。
[0089]針對(duì)處理子單元(10)的實(shí)際實(shí)施例，可以選擇包括模數(shù)轉(zhuǎn)換級(jí)和存儲(chǔ)元件的ATmegal28微控制器作為控制裝置(11);可以將2.4GHz頻帶的使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行操作的商業(yè)CC2420模塊用作測(cè)量單元發(fā)送/接收裝置(12)。
[0090]參照?qǐng)D2，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的模塊化生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理念圖。已經(jīng)將由三個(gè)生物阻抗測(cè)量與處理單元(20)(其中之一是協(xié)調(diào)單元(21))形成的網(wǎng)絡(luò)布置在其中，在人體的情況下，布置在身體的表面上，所有的生物阻抗測(cè)量與處理單元(20)具有如圖1所示的相同的電路結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元(20)被設(shè)置有四個(gè)電極，為了附圖的簡化起見，四個(gè)電極可能被布置在與身體的皮膚接觸的面上，并且分別進(jìn)行在其所接觸皮膚的區(qū)域中的生物阻抗測(cè)量。將通過測(cè)量與處理單元(20)獲得的生物阻抗測(cè)量值通過無線通信協(xié)議發(fā)送至協(xié)調(diào)單元(21)。所述測(cè)量值連同由協(xié)調(diào)單元(21)自身取得的測(cè)量值存儲(chǔ)在所述單元的存儲(chǔ)元件中，直至檢測(cè)到通過通用串行總線(USB)連接至外部單元(30)的外部單元發(fā)送/接收裝置(31)為止。此刻，發(fā)送由形成網(wǎng)絡(luò)的所有單元(20，21)記錄的生物阻抗測(cè)量的結(jié)果連同具有相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的多個(gè)結(jié)果中的每個(gè)結(jié)果的標(biāo)識(shí)。在外部單元(30)中存儲(chǔ)和/或處理所述數(shù)據(jù)，或者通過因特網(wǎng)或GSM網(wǎng)絡(luò)將所述數(shù)據(jù)簡單地發(fā)送至另一遠(yuǎn)程服務(wù)器。協(xié)調(diào)單元(21)也可以與PDA進(jìn)行通信，并且通過因特網(wǎng)或GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)從PDA發(fā)送至遠(yuǎn)程處理單元。
[0091]最后，作為所提出的模塊化系統(tǒng)的應(yīng)用的示例，圖3示出了在估計(jì)個(gè)體中的隱藏脂肪或內(nèi)臟脂肪的應(yīng)用的上下文中，生物阻抗測(cè)量與處理單元的網(wǎng)絡(luò)的可能布置。在健康領(lǐng)域中根據(jù)實(shí)施例的模塊化系統(tǒng)的應(yīng)用的目的是使得能夠借助于使用多于一個(gè)電子通路來精確估計(jì)圍繞內(nèi)臟的內(nèi)臟脂肪。在此情況下，包括有放置成在他的/她的肚臍高度處圍繞個(gè)體的腰部的生物阻抗測(cè)量腰帶(40)。在這個(gè)具體情況下，所述腰帶(40)具有兩個(gè)生物阻抗單元(20)。該兩個(gè)單元(20)中的每個(gè)單元包括四個(gè)電極(I+，V+，I_，V_)的觸點(diǎn)。負(fù)責(zé)注入激勵(lì)電流(I+，)的電極被布置成相距足夠距離，使得生物阻抗測(cè)量反應(yīng)更多隱藏脂肪的貢獻(xiàn)，而非皮下脂肪。
[0092]認(rèn)為沒有必要對(duì)該描述進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，使得本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的范圍以及從該發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)。具體地，針對(duì)不同部件的制造，制造過程和必要的材料在【技術(shù)領(lǐng)域】是已知的并且是完全容易取得的。通常，在假定不改變本發(fā)明的基本特征的情況下，可以改變?cè)男螤?、尺寸和布置?br>
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)量和處理生物體的或者動(dòng)物源或植物源制品的身體的電生物阻抗的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，所述身體特別地例如為生物材料、動(dòng)物組織或植物組織、整個(gè)人體或整個(gè)動(dòng)物體、或者人體或動(dòng)物體的一部分，其特征在于，所述電生物阻抗測(cè)量與處理單元包括: 生物阻抗測(cè)量子單元，其用于測(cè)量所述身體的生物阻抗；以及 處理子單元，其用于離散地處理測(cè)量值并且包括用于存儲(chǔ)所述測(cè)量值的存儲(chǔ)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述生物阻抗測(cè)量子單元包括生物阻抗測(cè)量裝置，所述生物阻抗測(cè)量裝置包括: -交流發(fā)電機(jī)，其電耦接至電流注入電極(I+)、電流收集電極0-)以及參考阻抗，用于生成在與所述身體接觸的所述電流電極之間并且通過所述參考阻抗流動(dòng)的激勵(lì)電流； -生物阻抗電壓測(cè)量電路，其電耦接至正生物阻抗電極(V+)和負(fù)生物阻抗電極(V_)，用于獲得所述激勵(lì)電流在與所述身體接觸的所述生物阻抗電極之間的電壓降； -參考電壓測(cè)量電路，其用于獲得所述激勵(lì)電流在所述參考阻抗中的電壓降；以及 -幅度和相位檢測(cè)電路，其用于獲得在由所述生物阻抗電壓測(cè)量電路獲得的電壓與由所述參考電壓測(cè)量電路獲得的電壓之間的模比(Vm)和相位差(Vp)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述生物阻抗測(cè)量裝置的所述生物阻抗電壓測(cè)量電路和所述參考電壓測(cè)量電路分別包括標(biāo)稱相同的生物阻抗電壓儀表放大器和參考電壓儀表放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，每個(gè)儀表放大器通過級(jí)聯(lián)的電壓電流轉(zhuǎn)換級(jí)和電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí)形成，使得消除所述放大器的輸入端與輸出端之間的共模電壓依賴性，從而降低功耗并提高信噪比。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的一項(xiàng)所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述生物阻抗測(cè)量裝置還包括: -生物阻抗電壓整流電路，其耦接在所述生物阻抗電壓測(cè)量電路與所述檢測(cè)電路之間，用于將由所述測(cè)量電路獲得的電壓轉(zhuǎn)化為具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的相位相同的相位的第一電方波信號(hào)和具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的模相同的DC電壓電平的第二電信號(hào)；以及 -參考電壓整流電路，其耦接在所述參考電壓測(cè)量電路與所述檢測(cè)電路之間，用于將由所述測(cè)量電路獲得的電壓轉(zhuǎn)化為具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的相位相同的相位的第三電方波信號(hào)和具有與由所述測(cè)量電路獲得的所述電壓的模相同的DC電壓電平的第四電信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述處理子單元還包括耦接至所述存儲(chǔ)元件的控制裝置，所述控制裝置包括用于選擇生物阻抗測(cè)量值的類型的電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述處理子單元包括耦接至所述控制裝置的LCD屏幕，所述LCD屏幕被配置成執(zhí)行選自包括如下內(nèi)容的組的功能:顯示測(cè)量值；顯示關(guān)于所述測(cè)量值的類型的信息；以及上述功能的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6至7中任一項(xiàng)所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述處理子單元包括發(fā)送/接收裝置，所述發(fā)送/接收裝置耦接至所述控制裝置并且被配置成執(zhí)行選自包括如下內(nèi)容的組的功能:將測(cè)量值發(fā)送至外部單元，特別地例如計(jì)算機(jī)或PDA ；接收和處理來自所述外部單元的關(guān)于測(cè)量值的類型的命令；以及上述功能的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述發(fā)送/接收裝置包括射頻通信電路和天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的電生物阻抗測(cè)量與處理單元，其特征在于，所述生物阻抗測(cè)量裝置符合CMOS技術(shù)。
11.一種模塊化電生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所限定的至少一個(gè)生物阻抗測(cè)量與處理單元。
12.一種包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求10至11中任一項(xiàng)所述的生物阻抗測(cè)量與處理單元的模塊化電生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)單元，所述協(xié)調(diào)單元被配置成執(zhí)行選自包括如下內(nèi)容的組的功能:接收來自所述測(cè)量與處理單元的測(cè)量值；將測(cè)量值發(fā)送至所述外部單元；接收來自所述外部單元的對(duì)測(cè)量值的類型的選擇；以及將來自所述外部單元的對(duì)所述測(cè)量值的類型的所述選擇發(fā)送至所述測(cè)量與處理單元；以及上述功能的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模塊化電生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述協(xié)調(diào)單元被集成在所述生物阻抗測(cè)量與處理單元之一中。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的模塊化電生物阻抗測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括被布置成與所述身體接觸以進(jìn)行生物阻抗測(cè)量的生物阻抗測(cè)量帶，特別地，所述帶使用腰帶或臂帶形成，電流電極和阻抗電極被布置在所述帶的與所述身體接觸的面上；其特征在于，每個(gè)生物阻抗測(cè)量與處理單元的正電流電極和負(fù)電流電極以及相應(yīng)的正生物阻抗電極和負(fù)生物阻抗電極被布置成彼此充分間隔開，使得所述生物阻抗測(cè)量值相對(duì)于所述身體的表面部分的貢獻(xiàn)適當(dāng)?shù)胤磻?yīng)所述身體的內(nèi)部部分的貢獻(xiàn)。
15.一種測(cè)量、處理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電生物阻抗的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: -使用在權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所限定的模塊化測(cè)量、處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來獲得生物阻抗測(cè)量值；以及 -通過因特網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)等將所述測(cè)量值發(fā)送至遠(yuǎn)程處理單元，特別地例如計(jì)算機(jī)或PDA。
【文檔編號(hào)】A61B5/053GK103930021SQ201280051825
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月30日
【發(fā)明者】何塞·路易斯·奧辛桑切斯, 哈維爾·拉莫斯馬加內(nèi)斯, 胡安·弗朗西斯科·杜凱卡里洛 申請(qǐng)人:埃斯特雷馬杜拉大學(xué)