CN1332617A - 体积生理参数测量系统 - Google Patents

Abstract

一种采用电磁感应技术测量体积和面积的系统。电流生成后送到两个线圈装置中的一个(107),从而在另一个线圈装置(101)中形成感应电压以提供精确的体积值,特别是哺乳动物至少一部分由于呼吸而产生的体积。

Description

体积生理参数测量系统

发明的技术领域

本发明涉及一种采用电磁感应技术精确测量对象体积和面积的系统和方法。

发明的背景

在许多场合中，体积和面积的精确测量都非常重要，特别是对象或对象的一部分具有可变体积或面积的场合。比如，医学领域中病人呼吸量的记录通常非常重要。然而这些测量通常都非常粗略和不准确，或者最多都依赖于过时的技术模式或可靠性差的技术。现在，病人呼吸量的记录要么是将一个体积流量传感设备连到对象的气道(如采用肺活量计或记速仪)，要么是测量胸腔壁和腹腔壁的机械移动量。对于长期监视，由于基于气道的技术会影响正常呼吸使病人感觉不好，因而不适于这种目的，特别是不适于孩子和其它某些病人。尽管现在基于气道的技术都用在那些依赖辅助呼吸设备的病人上，但也可用一些插入深度较少并且更为可靠的装置来获取这些数据。

同样，那些记录胸腔壁和腹腔壁运动的技术要么是以应变仪为基础的(记录身体周长的变化)，要么是基于布置在病人胸腔和腹腔周围的弹性的电导体感应回路。通过对回路感应值的记录就能估算出胸腔腹腔横截面变化的大小。美国专利文献No.4,308,872就是一例这种自感应回路估算的技术。这种方法只有在病人吸入已知空气量并对胸腔和腹腔间隔之间呼吸运动的分布变化进行校准后才能用来对呼吸量进行量化测量。

现在，大多数用来测量胸腔体积变化的设备都在校准、稳定性、精度或可靠性上存在缺陷。这些方法要么是基于对胸腔和腹腔周边的测量(应变传感器)，要么是基于对布置在胸腔和腹腔周围导体回路的电感测量。采用腹腔传感器的原因在于吸气过程中隔膜向下运动会引起胸腔和腹腔在体积上发生变化，必须加上这种变化才能估算量肺部体积在呼吸运动时的移动量。腹腔和胸腔体积的变化没有固定的比值。实际上，总体积变化的分配关系甚至还会随着呼吸运动、气道阻塞或者是否处于睡眠状态这一系列因素而变化。因此，(在采用已知技术时)必须对各个测量点单独进行校准从而估算出体积因呼吸运动所产生的实际变化量。

应变仪或周长测量法并不能在测得的变化值与被测的体积之间形成简单的或可重复的对应关系。这种对应关系依赖于回路封闭面积和回路长度之间所假定的关系条件，而这种假定只在几何尺寸固定时才有效。尽管一些基于感应的方法声称能够测量面积(即，其假定与回路感应成正比)，但是这种假定只有在回路的形状保持相对不变时才有效。然而，呼吸所引起的人体胸腔或腹腔横截面面积的变化却并不适于这种情况。

所有基于面积的方法都有一个共同点，即从估算的面积变化计算出体积变化时都有相当大的不确定性。一个原因是测量的仅是该面积取样点(传感器所处的点)的参数。为了使面积转换成体积还必须采用一些校准装置。为了获得胸腔和腹腔测量点的系数，校准过程高度依赖于病人的配合，因此对于小孩、具有呼吸困难(呼吸短促)的病人以及没有意识的病人，这种方法实际上无法使用。

本发明描述了新的测量体积和面积的系统和方法，其基于电感原理，并能消除上述的缺点。本发明不需要病人配合来完成校准并且不依赖于周长、面积和体积之间关系的假定，是一种真正的体积或面积测量方法。

发明概述

本发明提供一族或一类新的设备来记录对象特别是人体部分的横截面面积和体积。其包括静态的测量，也包括由呼吸运动和心脏运动所引起的很小的面积或体积变化叠加后的测量。其原理就是测量缠绕在被测体部分上一个或多个电导体回路和一个或多个远程布置的电磁线圈之间的电磁感应。通过适当地设计线圈，可使所测的感应电压与被测面积或体积成正比。

在一实施例中，提供一测量对象运动的设备，其包括一个用来生成随时间变化的磁场的装置，该磁场至少应大到将对象完全环绕。电路在设计上应与对象的表面形状一致，并将电压监视装置连到该电路上，这样表面的运动就能使与该对象运动相关联的电路的感应电压发生可测的变化。

另一实施例中，提供一种测量对象面积或体积的方法，其包括以下步骤：电路设计成与对象的表面形状一致；测量环绕在对象周围的随时间变化的磁场在电路中形成的感应电压；因此不用针对每个对象进行校准，该设备就能计算出对象面积或体积的变化。

附图的简要说明

图1为串联回路及磁场向量的布置图；

图2为本发明系统第一实施例的方块图；

图3为用作线圈装置的传感器(transducer)的一个实施例；

图4为采用图2所示系统的一个采样记录；

图5为图4中原始的体积曲线的放大图，其展示了心脏脉动的体积。

图6为本发明第二实施例的示意图；

图7为本发明第三实施例的示意图；

图8为本发明第四实施例的示意图；

图9为本发明第五实施例的示意图；

图10为本发明第六实施例的示意图；

图11为本发明第七实施例的示意图；

图12为用本发明的系统和肺活量计同时记录时的屏幕曲线图；

图13为心脏跳动所引起的胸腔和腹腔中血量变化的屏幕曲线图；

图14为本发明系统一实施例的方块示意图。

本发明的详细描述

利用背景技术并参考附图1，可以看到与随时间变化的均匀磁场相垂直的封闭导体回路10的感应电压为：

U_loop＝(dB/dt)A_loop    公式1)其中B为磁场强度，A_loop为不考虑形状时回路的面积，t为时间。

这样，当一个强度已知并且随时变化的均匀磁场沿着病人身体轴线的方向产生时，只要测得缠绕在病人身体周围导体回路中的感应电压，就能精确地测出面积。为了测出体积，就需要将一组片段的体积累加起来，而每一个片段都具有已知的厚度和测出的面积。这样只需将多个导体回路缠绕在病人身体周围，就能很容易地实现这一测量。如果回路之间的间距为已知的定值，那么测得的体积可表示如下： $V_{\mathrm{body}}=s\underset{s\→0}{\lim }\mathrm{\Σ}{A}_{\mathrm{loop}}=s(\mathrm{dt}/\mathrm{dB})\underset{s\→0}{\lim }\mathrm{\Σ}{U}_{\mathrm{loop}}$ 公式2)其中s为回路之间的间距。

感应电压的累加可通过回路的串联来实现，由于只需测量一个电压，因此这样可有效地降低系统的复杂性。这里，降低系统的复杂性是本发明的一个重要优点。在体积传感器设计中，回路间距s(其可与距离d互换)的选择是精度与方便性折中的结果。s的值越低意味着包绕测量区域的回路数越多，在对躯干进行测量时，测量区通常从腋窝到臀顶。如果回路的数目很多，串联回路自感会猛烈增加，这会影响到电路的设计。在一个优选实施例中，s的值在四到八厘米之间，对于婴儿来说，这是最小值，因此婴儿身上通常只能缠八(8)到十(10)圈。当然以上也可采用其它配置，磁场只需在病人身体或其它被测对象相关部分所处的体积内形成均匀磁场即可。实践经验表明，只需将导线沿着房间的地板、墙壁及天花板布置成垂直的矩形回路并使回路通过交变电流，就能产生足够强度和均匀性的磁场。该交变电流的频率优选为10kHz到200kHz，且低于1A，当然也可采用其它配置，如采用的导电回路不只一个。

下面讨论图2—8所涉及的本发明第一实施例。本实施例如方框图图2所示，包括一个单元，其集成了用于使电流回路生成磁场的交变电流源和将返回信号放大、整流的电路。稳定的晶体振荡器30控制系统20，其中振荡器的输出频率可通过二进制计数器34分成所需的值，在此所建议的值1MHz和16分频是任意选定的。然而送入功率放大器36的信号最好是对称的方波信号，因为这种波形没有偶次频率谐波，采用滤波器37能更为容易地将不需要的谐波频率滤掉。为了避免其它电子设备的辐射干扰，应优选将这些谐波滤掉。放大器的输出最终会送到一个几乎不吸收任何能量的感应负载。通过采用(D级)开关放大器以及合适的低通滤波器，放大单元的总功耗可降到最低，从而减少对电路冷却以及电源容量的要求。低通滤波器37通常为无源的，并且不会在所用频率处引起电压波形明显的相移。串联回路提取的信号首先被送到带通滤波器44，在一实施例中该串联回路如图6及其说明所示缠绕在病人身上，该滤波器的目的是用来提高系统的抗干扰性。该滤波器可设计成一个窄带谐振变压器，从而有效地将靠近病人的导线与设备其它部分的导线进行电分离。

由于放大器的噪声特性要好于解调器53的噪声特性，因此前置放大器48非常有用。放大器的增益不必为了抑制解调器的噪声而超过所需的值，所述噪声值通常约为20到25dB。

相干解调器53可用来对交变电压信号进行整流，而且通过CMOS模拟转换器如CD4016或CD4066电路就能很容易地实现。采用相干解调器具有两个优点：一是其在很宽的信号强度范围内都保持很好的线性特征，并与低通滤波器58一起在噪声抑制上具有明显的改进；第二，放大器链的有效带宽是低通滤波器阻断频率的两倍，该阻断频率的一个例子是其值通常在5Hz到15Hz，最高值适于具有较高自然呼吸频率的婴儿。

信号调整模块63具有几个用途。该模块可用来对信号放大，使该信号适于在微机系统中进一步处理；还有，该单元可提供一些对信号放大进行粗调的装置，并且该装置优选由分析软件来控制。由于低通滤波器58输出的信号包括一个基本上为直流的或恒定的成分(该成分对应于线圈内人体的总体积)，因此可采用某些装置将该成分去除，以增加系统在检测小体积变化时的灵敏性。这种去除可通过一个高通电子滤波器来实现，其阻断频率必须明显低于通常的呼吸频率(0.05Hz或之下)。为了缩短输出信号在系统启动后的稳定时间，需要一个缩短该滤波(通过电阻转换)时间常量的装置。有时，测得的变化很慢与呼吸无关，这时可能需要不进行任何消零操作的绝对的体积读数。其可用来监视水肿的发展、脉管的体积反射、肌肉的生长或萎缩、治疗过程的效果等。

上述电路很容易就能在面积小于50cm²的电路板上做出来，并与A/D转换器以及普通个人计算机插板上的接口控制电路集成在一起，如下图14中所示的例子。当然也可做成一个完整的独立单元，其尺寸与复杂性取决于分析信号的数量、显示能力、单元的存贮容量。这里需要强调的是上述说明仅是本发明的一个实施例，其它许多实现本技术的装置也在权利要求书的保护范围之内。图2所示方块图中的功能可用数字信号处理装置或其它装置来实现。至少有一种变型结构可对所有接收来的数字信号进行处理并且包括一个解调器53，其采样速率为回路电流频率的两倍。

包含电流回路的传感器可由不同的材料制成，如铜或者类似的导电金属化材料制成，传感器也可采用其它的设计。比如，一种弹性电导体的设计可将弹性元件与电导体集成。此外加工的方便程度及成本非常重要。另一个方法是开发出一种可置换(disposable)单元，其以金属化塑料带作为导电元件基础。由于其感应电压很低(为几个毫伏的量级)并且阻抗很小(除非回路的数目很多)，因此不必采用绝缘导体。实际上，房间内线圈产生的磁场比电视机内偏转磁体产生的磁场小，因此长期暴露于这种磁场中一般不会有损害。由于缠绕在病人身上用来提取信号的导体线圈可在电流上与设备的其它部分分开(这一点如其它大多数用于监视病人的电气设备已经做到的一样)，因此这里也不会有任何的电击危险。

图3所示为一个可置换传感器的设计实施例。约一厘米宽的条形金属箔片72和塑料平箔片74通过在交叉面焊接形成网状。作为选择整个部件可由一片其上具有金属化条带的箔片压制而成。箔片厚度的选择应使Z形条具有适当的弹性。将这种矩形网状片缠绕在病人或对象上并倾斜一角度，使导电条形成螺旋状。接缝处必须通过某种夹子或者简单地将条带一对对拧在一起而导电相连。将电缆与记录装置相连。应该认识到这里也可如下面的例子所述，采用其它设备将线圈布置在被测对象的周围。

本系统根据图2的一个实施例在进行一些小的改进之后，采用下面的参数测试：

电流频率：70KHz

回路电流：200mA(回路为4匝，因此有效电流为800mA)

回路尺寸：2×2米

病人体内磁场强度：≈2μT

体积增大灵敏度(系统噪声级)：1ml

本实施例相对于图2所示方块图略有不同，其采用自由振荡的RC振荡器作为频率控制元件，并且省去了功率放大器和房间回路之间的低通滤波器。与图2所示方块图越严格一致，系统的性能特别是相对于噪声水平的性能越好。

图4所示为本实施例的一个取样记录。通过体积波形81的振幅就可计算出呼吸之间进出的体积值77(以升为单位)。将每次呼吸之间的体积除以循环的时间就得出每秒的换气量(以升为单位)75。每一时刻的呼吸频率(图中未示出)可通过将循环周期求取倒数得出。通过仔细观察，就能观测到与心率同步显示的体积变化，其反映出因心脏跳动引起的胸腔和腹腔血量的变化。图5为图4中原始体积曲线81(在时间轴线上从61秒到64秒)的放大图，其显示了心脏在体积上的脉动变化。然而这些脉动变化远远小于该对象所预期的心搏量，其反映的是腹腔与胸腔血量相加后变化的净体积值，这可能与心搏量中输送到四肢及脑部的部分有关。显然，通过对这种波形的分析就可提供数值诊断显示，以监视、评估那些带有心脏病、脉管疾病或瓣膜病的病人。该波形通过一致平均的方法以病人的ECG作为时间参数能够很容易地从交叠的呼吸变化中提取出来。带有箭头标记的Ces表示的是伴随心脏结束收缩的体积最小值。这样就形成了一种具有呼吸监视和心脏监视功能的装置。图5中的曲线轨迹还显示出系统的噪声水平，该噪声水平转换成被测的体积后处于一毫升RMS或标准偏差的量级。

如上所述，本发明的一个典型用途是连续地测量病人胸部和腹部区域的体积或面积。该体积或面积随着呼吸运动而同步变化。由于被测得的体积中所有流体和组织都不可压缩，所以这些变化对应的是肺内气体体积的变化。这些变化还包括测得的腹腔因为呼吸运动还包括隔肌的上下收缩、以及该收缩引起的腹壁内外运动。通过对体积随着时间变化过程的分析，可以估算出呼吸的量值，还可分辨出多个描述呼吸特征的参数，如频率、呼吸深度(呼吸量)以及气道流量。

这里需要指出的是本发明的出现是由于认识到现有技术在测量那种具有外部材料而其内部体积又会发生变化的对象的体积和面积时具有缺点。本发明除了对人体躯干和四肢进行测量外，还适合于用在各种类型的工业场合，如内部为燃料的容器、推进剂、或其它具有变化体积或面积的材料。与这些应用无关，本发明者还意识到在导体回路中由均匀的交变磁场产生的感应电压与回路面积完全成正比，并与回路形状无关。当回路串联时，回路中的感应电压相互累加，这正如将单个原电池的电压加到日常的电气设备中一样。这就为从距离相等的一组回路读取一个电压值来测量体积提供了基础。

本系统和方法除了在获取测量结果上具有更高的精度外，本发明的技术还具有速度上重要优势。特别是，本发明的系统不需要对每一个病人进行校准。只要导电线圈沿着对象/病人表面轮廓缠绕，不论对象/病人的形式如何变化，都能获得精确的体积和面积的测量结果。比如，在一实施例中，病人可配上一件紧身的弹性衬衣或外套。该衬衣内埋有电导体，该电导体包括有多个环形封闭回路紧紧地绕住身体的轮廓。将交变电流(其频率约在10kHz-200kHz范围内)输入该身体线圈或另一个远程固定线圈，在另一个线圈中测量感应电压，这样就可测得这两个线圈之间的电磁感应。这里需要注意的是，本发明中的磁场不会受身体组织的影响或发生变化，因此那些描述空间中电磁现象的物理定律依然有效。

在本明的一个实施例中，病人身上的线圈采用无源线圈，如后面图6的论述中所用到线圈。该实施例中，室内线圈101生成磁场，而不是采用向病人身上的线圈通电来代替远程或室内线圈通电的相反布置。这种相反布置将在涉及图7时进一步论述。上述第一实施例包括一个大(几米或更长)的电导体回路，其沿着建筑物结构如墙、地板或天花板安装以免构成妨碍物。然而，该线圈如图8所示也可采用另一实施例形式，其由多个如三个精确定位并匹配的小线圈构成。这些线圈合起来在病人测试点处产生的磁场与大型线圈产生的磁场相同。线圈部件的这些实施例可用来代替庞大的室内线圈既作为磁场发生器又在相反布置中作为磁场传感器。当整个系统在设计上采用这种线圈配置作为传感器时，可能要采用非感应技术如点传感器或磁力计等类似物。在图7所示的实施例中，不是用室内线圈生成磁场，而是激励病人线圈使之通电生成磁场，该磁场的特性取决于被测的体积和面积，而上述室内线圈或三线圈装置则用来获取磁场产生的感应电压。通过适当地设计激励病人线圈的电路(恒流放大器)，就能使面积或体积与感应电压保持所需的线性关系。

本系统的另一改进在于能够同时测量一个对象的两个部分如病人的多个体腔，通常为胸腔和腹腔。这可用来提供呼吸过程中肌肉力量分配的附加信息以及与婴儿肺病诊断特别是与气阻疾病诊断相关的信息。将两个测得的体积相加便可体现出其它实施例中总体积测量的优势。如图10所示，为了同时进行测量，在线圈的中间匝位置通过电气搭接，将病人线圈分成两半。

这样当回路位于均匀磁场中时，本发明通过记录回路中的感应电压就能测出电导体回路的面积。磁场必须是交变磁场如交变电流产生的磁场。根据物理学定律，回路的面积与感应电压成正比。此外本发明通过将各个感应电压记录下来或者在多个导体回路电性串联时以一个测量值的形式记录下来，就能测出多个导体回路面积的和。测出面积的和之后，将该测得的面积乘以回路之间的距离，就得到体积，因此本发明还公开了一种测量多个等距布置的导体回路内包含的体积的方法。这些测量动物体或人体横截面面积或体积的技术，采用一个或多个弹性和柔性的导体回路紧紧缠绕在身体上的系统，使用起来非常有利。本发明系统和方法的其它优点还有：通过上述技术精确测量动物体或人体体积的变化从而对呼吸过程进行记录；还有通过上述技术精确测量动物体或人体体积的变化从而对心脏跳动引起的体积变化进行记录。本发明所公开的其它实施例具有的进一步优点包括：内线圈反向连接优点；由两个或多个形状及位置最优配置的小线圈构成的室内线圈在设计上更加紧凑；由三个缠绕在铁氧体铁芯上的杆状小线圈沿一直线布置，其以最优的位置和信号强度来加权生成均匀的磁场或感受环绕病人身体或身体部分的体积；采用上述技术，通过相位、频率或时间等多路转换技术同时测量两个或多个面积或体积。

本发明者确定以下实施例的实现需要遵守几项原则。第一，缠绕在被测身体部分或对象上的电导体线圈必须贴着身体/对象的轮廓，即使在这些轮廓的形状发生改变时也是这样，因此线圈部件必须具有弹性并可变形。第二，在测量体积时，缠绕在身体/对象部分上的线圈必须以已知的回路间距布置；当间距不变时，布置的线圈回路可电性串联从而使电压累加起来并使体积计算更为容易。第三，远程线圈或线圈组在通电时生成的磁场在被测的身体部位处必须相当均匀(具有相同的磁场强度)。这里的均匀性只考虑与缠绕在身体周围的线圈相垂直的磁场向量；此外远程线圈最好还能根据位于被测体积(即病人身体)内部的点级磁性偶极子记录下磁场，其灵敏度应与偶极子的位置无关，只要该偶极子在方向上垂直于病人身体的线圈回路就能记录。此外，最好是用远程线圈或线圈组来生成磁场(使交变电流通过这些线圈)，然后记录下在缠绕在被测体部分上的线圈中的感应电压。电压与线圈封闭的面积或体积成正比。远程线圈或线圈组在布置上应满足前面所述的均匀性的标准。最后，最好将交变电流输入缠绕在被测身体部分上的线圈，然后可通过记录远程线圈或线圈组中的感应电压来测量该电流产生的磁场。电压与病人身体上的线圈封闭的面积或体积呈精确的正比关系。测量中，即使该线圈的自感由于形状的动态变化而发生改变，也要使病人线圈内的电流保持基本恒定，因此必须采用一种恒流电路或等效装置来为病人线圈供电。这种电路的设计对于本领域内普通技术人员非常简单。

图6-11是本发明系统和方法的另几个实施例。在图6的布置中，导电线圈装置107紧贴地配置在人体110躯干部分的各个圆周上。固定线圈装置相对于导电线圈装置位于人体的远程位置。所设置的电流生成装置通常由图示的信号发生器117和功率放大器123表示，其在导电线圈装置中产生感应电压，该感应电压由于人体110的呼吸运动随着时间而变化。导电线圈装置中的感应电压经放大器装置127放大后，经整流器装置133整流，然后作为体积信号输出用于面积或体积的测量。图7所示实施例中的系统和方法除了导电线圈装置107通以恒定电流以及固定线圈装置或室内线圈中的感应电压用于面积或体积的测量外，其它均类似于图6中的系统与方法。如上所述，该实施例中设有一个恒流放大器装置136或与之相当的电路部件。

图8和图9中固定线圈装置采用一种结构更为紧凑的三线圈系统设计以代替前面实施例中大型的室内线圈结构。各个线圈144可如图8和图9所示串联，当然也可考虑设计成并联，作为选择也可采用不基于电磁感应原理的磁场感应设备，如基于公知霍尔效应的传感器。被测对象上多个小线圈的布置在设计上应生成均匀磁场。线圈通常缠在铁氧体杆芯上，每个线圈生成的磁场图谱都类似于一个磁偶极子的磁场。线圈回路的匝数和位置优选为能达到上述磁场均匀性标准。串联可保证所有三个线圈中的电流都相同。各个线圈磁场强度的分布可由其线圈回路的数量、物理尺寸或磁芯材料的磁导率来设定。例如一个三线圈系统包括一个小的长约10cm、直径为1cm的圆柱线圈，其生成的磁场非常类似于线圈两端极性相反的两个磁极子。将一根由高磁通率材料制成的杆插入线圈就能使磁场明显加强。合适的材料是铁氧体，其类似于高频电子变压器中的铁芯材料。这样一种设备的远程磁场非常接近于一个理想磁偶极子的远程磁场，其可由非常准确的数学形式来表达。均匀磁场的最优设计可通过限定一组物理参数来确定，如均匀磁场空间体积所需的形状和大小，以及给定数量线圈所处的空间等。还必须确定一组参数或自由度的度数，其中典型参数是各个线圈的位置和角度方位座标以及各个线圈产生的磁场强度。然后采用一种通用的数字式误差最小化方法如Levenberg-Marquard方法来调整参数从而解决均匀磁场最大化的问题。这里所说的三线圈设计就是用这种方法开发出来的。

这些实施例的系统中还包括检测及对系统进行控制的控制装置，也可包括计时及多路开关装置从而使系统能够同时对被测对象的多个部分如胸部及腹部，或者是多个肢体进行测量。在同时进行多个体积或面积测量的方法中，有一种方法采用信号的相位编码技术。如图10所示，这种方法适用于病人线圈通电、室内线圈用来检测磁场的系统。两个恒流放大器136分别由信号驱动，该信号在相移装置158中彼此相移90°。病人线圈或导电线圈107上配有中心搭接装置，这样线圈的两半可独立地通电流。两个解调器169将三个室内线圈144获取并经放大的信号进行整流。由于解调器接受的参考信号以与电流放大器输入的信号相同的方式产生相移，因此它们将响应于与两个病人线圈信号的相位相配的信号成分。输出信号的表面交换(其即接收信号在相位上与腹部线圈电流相同的解调器所给的输出，反映的是胸腔的体积)是在检测室内线圈时感应电压相对于病人线圈电流磁场强度所产生的固有90°相移而产生的。显然，也可采用其它不同的技术来实现两个或多个体积或面积的同时测量。如果室内线圈生成磁场，那么由其它图中所示的放大器和整流器组成的各自独立的信号处理链就可与缠绕在病人身上的任何数量的线圈相连。对于图10所示线圈的布置，不同的病人线圈107可由不同频率的电流驱动，然后采用电子带通滤波器将不同的体积信号从共同的室内线圈及预前置大器中提取出来。还可采用多路分时技术，以很快的重复序列使病人线圈分别通电，通常为每秒钟循环通过所有线圈10次到1000次。然后与该序列同步地对同一体积输出信号采样，从而将不同体积的测量结果相互分离出来。另一种同时测量几个体积的技术是采用不同的、非相关的伪随机位序列，其用来在两个或多个病人线圈中形成电流变化模式。由室内线圈获取的电压被放大后，采用与参考信号对应的位序列对复合信号进行解调，从而将各体积信号恢复出来。由于伪随机位序列具有加密特性，所以这类仪器不会受到电磁干扰噪声的影响，而且即使这类仪器彼此靠的很近，也不会相互干扰彼此的工作。

上述任何带有室内线圈设计或电气连接布置的测量系统都要在开始时进行校准，但在对病人或对象的每一次测量期间就不用再校准了。校准可以补偿以下变化：用来生成磁场的电流；室内线圈相对于病人所具有的确切的几何布置；电子放大器的增益以及整流器电路的特性。校准时可用一个参考线圈来代替病人线圈连入系统，并在随后的测量中将该参考线圈放在与病人身体线圈相同的位置上。参考线圈回路横截面面积的总和可由该线圈的匝数及几何尺寸获知。通常，该面积应与病人线圈的面积处于同一量级。常量kc可由下式计算出来：

k_c＝a_c/U_c   公式3)其中a_c为参考线圈的面积，U_c为体积输出信号的电压读数值。

当用一个导体回路缠绕在身体相关部位来测量面积时，面积A计算为：

A＝U·k_c       公式4)其中U为测得的电压。

采用等距布置的串联回路来测量体积时，瞬时体积V可由电压读数值U计算出来：

V＝U·d·k_c    公式5)其中d为病人线圈回路之间的间距。例1

将半径为1.5米的环形电导体回路布置在地板上，将0.1A频率为100kHz的交变电流从信号发生器通入导体中。将一个10cm×10cm(100cm²)的方形小导体回路连在增益为40dB的宽带信号放大器的输入端，放大器的输出不带增益地通过100kHz的窄带通滤波器，滤波器的输出信号出现在示波器的屏幕上，通过光标可读取电压值。当小回路平置在大电流回路中心的地板上时，测得的电压为5mV峰对峰(p/p)。当小回路抬升到地板之上50cm高度时，该电压基本保持不变，并且当小回路以任何水平方向移到离开大电流回路中心50cm高度处时，电压也都保持恒定。之后，用另一个14.1×14.1cm、面积为200cm²的方形回路代替10×10cm的回路，电压读数值则为10mV。例2

采用例1所述同样的导体回路，但是将0.1A的电流从信号发生器送入100cm²的回路，并将地板上的大回路连在40dB宽带放大器的输入端。小回路的位置同例1。感应电压与回路的位置和面积之间的关系总体与例1中观察到的一样，但当回路采用100cm²时，电压减少到250μV，采用200cm²的回路时，电压减少到500μV。例3

参见图11，三个直径8mm、长150mm、导磁率100的完全相同的铁氧体圆柱杆175沿一水平直线共轴布置。两杆端对端之间的水平距离为50cm。外侧的两个线圈为0.1mm的漆包铜线以163匝均匀地布置在杆中8cm的区段内，而中间的杆则是100匝漆包铜线以同样的方式布置，线圈之间相互电性串联。这里应注意确保电流在所有的线圈中都是相同的方向。然后将串联的线圈用一个约10nF的共用电容177调到100kHz的并联谐振频率，并用示波器直接观测谐振电路的信号。将一个载有0.1A100kHz交变电流的、10cm×10cm的电流回路置于线圈部件附近，并使回路的方向与铁氧体杆的共用轴线保持垂直。这时可以看到无论探测线圈位于图11所示均匀磁场区域182中的那一点，铁氧体杆电路中的感应电压的变化都不超过平均值的5％。例4

将例1中环形室内线圈水平放在地板上方120cm处，并将100kHz0.1A的交变电流从信号发生器输入线圈。人体躯干从腋窝到臀顶穿上一件弹性的莱克拉(Lycra)织物衬衣。将一个螺旋形电导体接在织物衬衣表面，沿躯干等距地绕上10匝，匝间距为5cm。导体以严格的之字形布置从而当圆周变化时，不致于形成过分的拉伸或与身体轮廓过松的接触。当对象站立并且胸腔和腹腔位于室内线圈中心附近时，螺旋线圈中感应电压的峰峰振幅用示波器观测为350mV。将该值与例1中的参考值合起来，躯干的体积可计算为： $350\mathrm{mV}.5\mathrm{cm}.\frac{100{\mathrm{cm}}^2}{5\mathrm{mV}}=35000{\mathrm{cm}}^3=35\mathrm{liters}$ 例5

采用与例4同样的对象并穿着同样的、带有电导体的弹性织物衬衣。对象仰面朝上躺在椅子上，将如例3的三个小铁氧体线圈装在对象所躺表面上高90cm处，使其与对象身体的轴线平行并位于对象胸部和腹部上方的中间位置。将0.1A的恒定交变电流输入线圈，该线圈沿躯干表面轮廓缠绕。用示波器来测量铁氧体线圈中产生的感应电压。将该电压与有0.1A的100cm²线圈置于躯干同样位置时测定的电压相比，体积的计算与例4类似。例6

重复例4中的实验。将病人线圈产生的感应电压整流以生成反映躯干瞬时体积的DC电压信号。该信号用14位分辨率的模/数转换器以25Hz的速率采样后传送到计算机中。用上述公式5将电压读数值转换成体积值。然后将该信号送入阻断频率为0.05Hz的数字高通滤波器。这可将时间平均(time-averaged)的体积分量从信号中去掉，过滤后的信号反映是的呼吸运动。还可用一个通过管接头连在病人气道的干密封式肺活量计来记录对象的呼吸运动。图12所示为同时采用两种方法来记录呼吸的情况。如图所示用连接在病人气道的干密封式肺活量计(虚线)和例4所述设备(实线)同时记录呼吸体积时的对比结果，两者基本相同。轨迹向上的变化意味着肺部空气容量的增加。为了使对比更为容易，肺活量计的轨迹被翻转了过来。两个轨迹在前四秒期间的偏差可能与封闭式肺活量计系统中的热平衡有关。例7

重复例6的实验。被测对象呼气时屏住呼吸，用感应设备测量体积并连续记录8秒钟。如图13中的线188所示，这时可以看到体积随着心跳变化的幅值约为15ml。这些变化可认为是心跳所引起的胸腔和腹腔内总血量的变化。

尽管上述例子展示了本发明的一些性能，然而它们并非是对本发明范围的限定。还有，如上所述，本发明系统已构思了多个实施例，图14在这里还公开了测量系统的另一实施例。固定线圈装置101配置成传感器，从而在信号发生器117和电流放大器123生成电流并送到均匀磁场区域182中的导电线圈装置107时，用来感应产生的电压。测到的电压经放大器127放大后通过整流器133、A/D转换器192，然后形成测量值195传送到个人计算机和/或显示装置201。最后，状态及控制装置输出信号197以给出状态及控制命令。

显然，本发明在这里公开的系统和方法，其测量的精确数值在功能性和显示性上对使用者来说都具有明显的优点。多个数值的实时轨迹：具有很陡的X轴和波形信息的轨迹；时间轴为几分钟到数小时的轨迹；以及轨迹的显示刷新等在速度和精度上都大大提高。由于上述优点，系统还可具有其它许多显示特性以及诊断功能。

我们应该知道，在不超出本发明范围的条件下，这里所述的优选实施例还有许多不同的改进及变化，包括这些改进、变化的发明以及等同于这些改进变化的发明都在权利要求的保护范围内。

Claims (60)

1.一种测量哺乳动的物至少一部分由于呼吸而产生的体积变化的系统，其包括：

a.导电线圈装置，其紧贴地配置在哺乳动物至少一部分的不同圆周上；

b.固定线圈装置，其相对于导电线圈装置布置在哺乳动物的远程位置处；以及

c.电流发生装置，其有选择地为其中一个导电线圈装置或固定线圈装置提供交变电流，从而在另外的线圈装置中生成感应电压，该电压由于哺乳动物的呼吸而不断地随时间变化。

2.如权利要求1的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路等距地布置在适于哺乳动物穿着的柔性基体上。

3.如权利要求1的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路为封闭的圆周回路。

4.如权利要求1的系统，其中电流发生装置生成频率范围约为10kHz到200kHz，大小约为1mA到1A的电流。

5.如权利要求1的系统，其中导电线圈装置包括多个线圈回路，这些回路紧紧地配置在哺乳动物的胸部区域和腹部区域。

6.如权利要求1的系统，其进一步包括检测和控制装置以控制系统的运行，测量和控制装置与导电线圈装置、固定线圈装置和电流发生装置电气相连。

7.如权利要求6的系统，其中检测和控制装置包括定时和多路转换开关装置从而能同时测量哺乳动物的胸部区域和腹部区域的体积。

8.如权利要求7的系统，其中检测和控制装置包括多路装换装置从而利用相位、频率或时间多路转换技术同时测量哺乳动物的多个区域。

9.如权利要求1的系统，其中电流发生装置包括一个恒流电路，从而使紧紧配置在哺乳动物至少一部分的不同圆周上的导电线圈装置无论产生怎样的动态变化，该恒流电路都能使导电线圈装置中的电流保持恒定。

10.如权利要求1的系统，其中电流发生装置包括与线圈装置电气相连的一个信号发生器和一个恒流放大器，该线圈装置接收所生成的电流。

11.如权利要求1的系统，其中检测和控制装置包括与线圈装置电性相连的放大器和整流器，该线圈装置接收来自其它线圈的感应电压。

12.如权利要求2的系统，其中导电线圈装置电性串联，因此瞬时体积V由接收感应电压的线圈装置的体积输出信号的电压读数U经下式计算得出：

V＝U·d·kc

其中d为线圈之间的间距；

并且kc＝a_c/Uc；

其中a_c为参考线圈的面积，Uc为接入校准线圈时体积信号的电压读数。

13.如权利要求1的系统，其中固定线圈装置包括多个小线圈元件，其在结构和位置上配置成使固定线圈装置所生成的均匀磁场与单个大线圈的相似，以便控制来自导电线圈装置的感应电压或者是生成磁场并在导电线圈中产生感应电压。

14.如权利要求13的系统，其中多个小线圈元件包括三个小线圈元件。

15.如权利要求14的系统，其中每一个小线圈元件都缠在一个铁氧体铁芯上并线性设置在最佳的位置上和使信号强度加权，从而在哺乳动物被测的部分生成均匀磁场。

16.如权利要求1的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路等距布置并承载在合适的弹性基体上，该基体应适于哺乳动物像穿紧身衣一样穿在身上，并且在哺乳动物的呼吸运动中无论该部分外形发生怎样的变化，该紧身衣在结构上都应使线圈回路与哺乳动物的同一表面部分始终一致。

17.如权利要求1的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路以一已知的固定间隔分开并承载在合适的弹性基体上，该基体应适于哺乳动物像穿紧身衣一样穿在身上，并且在哺乳动物的呼吸运动中无论该部分外形发生怎样的变化，该紧身衣在结构上都应使线圈回路与哺乳动物的同一表面部分始终一致。

18.如权利要求1的系统，其进一步包括计算装置，以接收代表哺乳动物被测部分体积的信号值并将该信号转换成真正的体积值。

19.一种测量哺乳动物至少一部分由于心脏运动而产生的面积变化的系统，其包括：

a.导电线圈装置，其紧贴地配置在哺乳动物至少一部分的不同圆周上；

b.固定线圈装置，其相对于导电线圈布置在哺乳动物的远程位置处；以及

c.电流发生装置，其有选择地为其中一个导电线圈装置或固定线圈装置提供交变电流，从而在另外的线圈装置中生成代表着线圈装置内真实面积的感应电压，该线圈装置紧贴地配置在哺乳动物一部分或几个部分的不同圆周上，得到的信号和面积由于哺乳动物的心脏运动而不断地随时间变化。

20.如权利要求19的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路等距地布置在适于哺乳动物穿着的柔性基体上。

21.如权利要求19的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路为封闭的圆周回路。

22.如权利要求19的系统，其中电流发生装置生成频率范围约为10kHz到200kHz，大小约为1mA到1A的电流。

23.如权利要求19的系统，其中导电线圈装置包括多个线圈回路，这些回路紧紧地配置在哺乳动物的胸部区域和腹部区域。

24.如权利要求19的系统，其进一步包括检测和控制装置以控制系统的运行，测量和控制装置与导电线圈装置、固定线圈装置和电流发生装置电气相连。

25.如权利要求24的系统，其中检测和控制装置包括定时和多路开关装置从而能同时测量哺乳动物的胸部区域和腹部区域。

26.如权利要求25的系统，其中测量和控制装置包括多路转换装置从而利用相位、频率或时间等多路转换技术同时测量哺乳动物的多个区域。

27.如权利要求19的系统，其中电流发生装置包括一个恒流电路，从而紧紧配置在哺乳动物至少一部的不同个圆周上的导电线圈装置无论产生怎样的动态变化，该恒流电路都能使导电线圈装置中的电流保持恒定。

28.如权利要求19的系统，其中电流发生装置包括与线圈装置电气相连的一个信号发生器和一个恒流放大器，该线圈装置接收所生成的电流。

29.如权利要求19的系统，其中检测和控制装置包括与线圈装置电性相连的放大器和整流器，该线圈装置接收来自其它线圈的感应电压。

30.如权利要求20的系统，其中导电线圈装置电性串联，因此面积A由接收感应电压的单个线圈回路测得的电压U经下式计算得出：

    A＝U·kc

其中k_c＝a_c/Uc；并且

这里a_c为参考线圈的面积，Uc为接入校准线圈时体积信号的电压读数。

31.如权利要求19的系统，其中固定线圈装置包括多个小线圈元件，其在结构和位置上配置成使固定线圈装置所生成的均匀磁场与单个大线圈的相似，以便检测来自导电线圈装置的感应电压或者是生成磁场并在导电线圈中产生感应电压。

32.如权利要求31的系统，其中多个小线圈元件包括三个小线圈元件。

33.如权利要求32的系统，其中每一个小线圈元件都缠在一个铁氧体铁芯上并线性布置成最佳的位置和使信号强度加权，从而在哺乳动物被测的部分生成均匀磁场。

34.如权利要求19的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路等距布置并承载在合适的弹性基体上，该基体应适于哺乳动物像穿紧身衣一样穿在身上，并且在哺乳动物的心脏运动中无论该部分外形发生怎样的变化，该紧身衣在结构上都应使线圈回路与哺乳动物的同一表面部分始终一致。

35.如权利要求19的系统，其中导电线圈装置包括导电线圈回路，该回路以一已知的固定间隔分开并承载在合适的弹性基体上，该基体应适于哺乳动物像穿紧身衣一样穿在身上，并且在哺乳动物的心脏运动中无论该部分外形发生怎样的变化，该紧身衣在结构上都应使线圈回路与哺乳动物的同一表面部分始终一致。

36.如权利要求19的系统，其进一步包括计算装置，其用来接收代表哺乳动物被测部分面积的信号值并将该信号转换成真正的面积值。

37.一种从测量系统获得信号的方法，其对应于均匀磁场中至少一个对象面积或体积的经验值，该方法包括以下步骤：

a.将导电线圈装置紧贴地配置在对象至少一部分的不同圆周上；

b.将固定线圈装置布置在导电线圈装置的较远位置处，这样当固定线圈载有电流时，导电线圈装置周围形成均匀的磁场；以及

c.在导电线圈装置或固定线圈装置中形成电流从而在另一个线圈装置中生成感应电压信号。

38.如权利要求37的方法，其中电流发生步骤生成频率范围约为10kHz到200kHz，大小约为1mA到1A的电流。

39.如权利要求37的方法，进一步包括将导电线圈装置配置成导电线圈回路的步骤，该回路等距地布置在对象周围的柔性基体上。

40.如权利要求37的方法，其中配置导电线圈的步骤包括将多个线圈回路紧紧地置于对象的第一部分和第二部分上。

41.如权利要求37的方法，进一步包括提供检测和控制装置以控制系统运行的步骤，该检测和控制装置与导电线圈装置、固定线圈装置和电流发生装置电气相连。

42.如权利要求41的方法，进一步包括提供一个带有定时和多路转换开关装置的检测和控制装置的步骤，从而能同时测量对象的第一部分和第二部分。

43.如权利要求41的方法，进一步包括在检测和控制装置中采用多路转换装置的步骤，从而利用相位、频率或时间等多路转换技术同时测量对象的多个部分。

44.如权利要求37的方法，其中电流发生装置采用恒流电路，从而使紧紧配置在对象至少一部分不同圆周上的导电线圈装置部分无论产生怎样的动态变化，都能使导电线圈装置中的电流保持恒定。

45.如权利要求37的方法，其中电流发生装置采用与线圈装置电气相连的一个信号发生器和一个恒流放大器，该线圈装置接收所生成的电流。

46.如权利要求37的方法，其中检测和控制装置采用与线圈装置相连的放大器和整流器，该线圈装置接收来自其它线圈的感应电压。

47.如权利要求39的方法，进一步包括导电线圈回路电性串联的步骤。

48.如权利要求37的方法，进一步包括将固定线圈装置配置成多个小线圈元件的步骤，该小线圈元件在结构和位置上配置成使固定线圈装置所生成的均匀磁场与单个大线圈的相似，以此来测量来自导电线圈装置的感应电压或者是生成磁场并在导电线圈中形成感应电压。

49.如权利要求48的方法，进一步包括将每一个小线圈元件都缠在一个铁氧体铁芯上并线性布置成最佳的位置和使信号强度加权的步骤，从而在对象被测的部分生成均匀磁场。

50.如权利要求37的方法，其中配置导电线圈装置的步骤包括有提供导电线圈回路的步骤，该导电线圈回路等距布置并承载在合适的弹性基体上，该基体适于对象像穿紧身衣一样置于其上，并且无论这部分对象的外形发生怎样的变化，该紧身衣在结构上都应使线圈回路与这部分对象的同一表面部分始终一致。

51.如权利要求37的方法，其中配置导电线圈装置的步骤包括有提供导电线圈回路的步骤，该导电线圈回路以一已知的固定间隔分开并承载在合适的弹性基体上，该基体适于对象像穿紧身衣一样置于其上，并且无论这部分对象的外形发生怎样的变化，该紧身衣在结构上都应使线圈回路与这部分对象的同一表面部分始终适应。

52.如权利要求37的方法进一步包括提供计算装置的步骤，该计算装置用来接收代表对象被测部分面积或体积的信号值并将该信号转换成真正的面积或体积并在显示器上显示该值。

53.一种测量对象面积或体积的方法，包括以下步骤：

a.使电路与对象的表面适应；以及

b.通过环绕在对象周围的随时间变化的磁场来测量电路中的感应电压，从而计算出对象面积或体积的变化，而不必为每个对象校准设备。

54.如权利要求53的方法，其中磁场配置成均匀磁场。

55.如权利要求53的方法，其中测量电压和计算体积的步骤包括通过测量回路中感应电压的总和来计算出体积的步骤，以及由这些回路串联构成的测量电压总和的装置。

56.一种测量对象运动的设备，包括：

a.一个装置，其生成的随时间变化的磁场大到至少应足以将对象环绕；

b.与对象表面相适应的电路；以及

c.与电路相连的电压监测装置，由此表面的运动使电路中的感应电压产生可测的变化，并且该电路与对象的运动相关联。

57.如权利要求56的设备，其中电压监测装置与一个计算装置相连，该计算装置适于进行一系列运算步骤以便从测得的感应电压计算出体积变化。

58.如权利要求56的设备，其中电路设计成与人体一个或多个部分相适应。

59.如权利要求19的系统，其中导电线圈装置包括多个线圈回路，该回路配置成紧贴在哺乳动物一个或多个肢体部分上。

60.一种测量对象面积或体积的方法，包括以下步骤：

a.将一电路设计成与对象的表面相适应；

b.在距离对象较远的位置处设置其它电路；

c.测量两个电路之间的耦合电磁感应，由此计算出对象面积或体积的变化，而不必为每个对象校准设备。

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