先进机械-声学感测和其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种用于测量活受试者的生理参数的电子装置，所述电子装置包含：至少第一惯性测量单元(IMU)和第二IMU，所述第一IMU和所述第二IMU彼此时间同步并且在空间上和机械上彼此分离；以及微控制器单元(MCU)，所述MCU电子地耦接到所述第一IMU和所述第二IMU，以用于处理来自所述第一IMU和所述第二IMU的数据流。数据流。数据流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】先进机械
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声学感测和其应用
[0001]在联邦政府资助研究下的权利声明
[0002]本专利技术是根据由准备和响应助理秘书长办公室(the Office of the Assistant Secretary for Preparedness and Response)授予的75A50119C00043以及由美国国立卫生研究院(the National Institutes ofHealth)授予的AG062023和AG060812在政府支持下完成的。政府享有本专利技术中的某些权利。
[0003]相关专利申请的交叉引用
[0004]本申请要求于2020年11月2日提交的美国临时专利申请序列号63/108,514的优先权和权益。
[0005]本申请也是于2020年8月14日提交的美国专利申请序列号16/970,023的部分继续申请，所述美国专利申请是于2019年2月15日提交的PCT专利申请序列号PCT/US2019/018318的国家阶段条目，所述专利申请本身要求于2018年2月16日提交的美国临时专利申请序列号62/710,324、于2018年2月17日提交的62/631,692和于2018年10月31日提交的62/753,203的优先权和权益。
[0006]以上标识的申请中的每个申请通过引用全文并入本文。


[0007]本专利技术总体上涉及生物传感器，并且更具体地涉及先进机械
‑
声学感测系统和其应用。

技术介绍

[0008]本文提供的
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描述是出于总体上呈现本专利技术的上下文的目的。本专利技术的
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部分中讨论的主题不应仅仅由于在本专利技术的
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部分中对主题的提及而被假设为现有技术。类似地，在本专利技术的
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部分中提及的或与本专利技术的
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部分的主题相关联的问题不应假设为先前已经在现有技术中被识别。本专利技术的
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部分中的主题仅代表不同的方法，所述方法本身也可以是专利技术。当前指定专利技术人的工作——本专利技术的
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部分中对其进行描述的程度上——以及在提交时可能不会以其它方式有资格作为现有技术的本说明书的方面既不明确地也不隐含地被承认为相对于本专利技术的现有技术。
[0009]能够对生理健康进行多模式临床级监测的可佩戴技术的出现增加了对在自然日常活动期间实现可靠、连续操作的传感器、系统和数据分析方法的需求。与松散地耦接到手腕的传统装置相比，皮肤安装技术由于其与身体的持久、亲密的接口而提供了非常优越的测量能力。这种操作模式可以支持一系列临床标准诊断评估，如基于心电图描记术、光学体积描记术、动脉眼压测定法等的评估。最近一组重要的能力来自于皮肤表面的细微运动和振动(即，机械
‑
声学(MA)响应)的宽带宽测量，所述细微运动和振动是由内部器官的活动和由于身体的整体移动而产生的加速度引起的。用于此类目的的皮肤接口装置在优化对皮肤表面在从接近零至几千赫兹的宽频率范围内的运动的灵敏度的布局中使用基于微机电系
统技术的精确的高带宽加速度计。所产生的数据不仅反映身体的整体运动，如通过常规可佩戴装置得到的，而且反映来自宽范围的身体声音的特征，如通过数字听诊器得到的，但不受环境声音的影响。另外的信息出现在这些限制之间的频率范围内。当安装在颈部或胸部上时，记录使得能够根据心脏的运动和通过近表动脉的血液脉动流动、根据胸壁移动的呼吸循环、根据通过肺和气管的气流的呼吸声音、根据喉部运动和食道动作的吞咽行为、根据声带激活的发声模式以及核心主体的移动和取向变化来详细评估心脏活动。这些过程的时间和频谱特性中的独特特征以无缝方式通过大量常规(例如，心率(HR))和非常规(例如，咳嗽频率)度量产生对身体活动和健康状态的洞察，而没有因使用麦克风或其它记录装置而产生的隐私问题。
[0010]通过这些机制，仅需要机械耦接到皮肤的密封的防水包装中的单个装置可以产生巨大范围的健康相关信息。重要的注意事项是，MA信号的不同范围以时间重叠的方式对单个时间序列数据流作出贡献。高级数据过滤和分析方法可以基于独特的时间和频谱特征分离和定量不同的特征事件，但所述方法无法在实际关注的许多场景中可靠地操作。当具有类似频谱内容的不同活动同时发生时，将出现特殊的挑战。这些情况使得数字信号处理方法无效。例如，在跑步时无法准确地确定呼吸率。相关类型的运动伪影是对于安装在手腕上的消费者可佩戴设备和临床级有线监测系统两者的基本限制。
[0011]因此，本领域中存在迄今尚未解决的解决前述缺陷和不足的需要。

技术实现思路

[0012]在某些方面，本专利技术公开了一种新型方法，所述方法通过系统设计中的先进概念和解剖学安装位置中的优化选择在硬件层面上克服上述限制，而不需要复杂且通常无效的数字信号处理策略。在一些实施例中，所述方法利用皮肤介接的装置的相对端处的一对时间同步的高带宽加速度计(惯性测量单元(IMU))，所述皮肤介接的装置将IMU中的IMU定位在胸骨上切迹(SN)处并且将另一个IMU定位在胸骨柄(SM)处。与这些区域之间的心脏和呼吸活动相关联的皮肤的移动的差异导致由这些IMU捕获的信号的差异。相比之下，颈部和身体核心的整体移动产生几乎相同的响应。因此，简单的差分测量干净地消除了共模特征，由此将与心肺和相关过程相关联的信号与由于身体移动而产生的信号分离。这种架构的另外的益处在于，集成在这些IMU中的温度传感器可以以类似的差分方式使用，以产生核心体温的估计值，这在很大程度上不受环境的影响。在此，仔细选择装置布局的热方面而不是固有解剖梯度会产生必要的差分响应。
[0013]在一方面，本专利技术涉及一种用于测量活受试者的生理参数的电子装置，所述电子装置包括：至少第一IMU和第二IMU，所述第一IMU和所述第二IMU彼此时间同步并且在空间上和机械上彼此分离；以及微控制器单元(MCU)，所述MCU电子地耦接到所述第一IMU和所述第二IMU，以用于处理来自所述第一IMU和所述第二IMU的数据流。
[0014]在一个实施例中，所述第一IMU被配置成测量包含与所述活受试者的生理信号相关的第一信号和第二信号的数据，并且所述第二IMU被配置成测量包含至少所述第二信号的数据。由所述第一IMU测量的所述第一信号的信号强度大于由所述第一IMU测量的所述第二信号的信号强度。
[0015]在一个实施例中，由所述第一IMU和所述第二IMU测量的所述数据被处理成使得从
由第一传感器测量的所述第二信号中减去由第二传感器测量的所述第二信号产生更强的第一信号，所述更强的第一信号是所关注信号。
[0016]在一个实施例中，所述第二信号与环境、运动和振动中的至少一者相关。
[0017]在一个实施例中，由所述第二IMU测量的所述数据包含所述第一信号和所述第二信号。
[0018]在一个实施例中，由所述第一IMU和所述第二IMU一起测量的信号的信噪比(SNR)低于由所述第一IMU单独测量的信号的第一SNR或由所述第二IMU单独测量的信号的第二SNR。
[0019]在一个实施例中，所述第一IMU和所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测量活受试者的生理参数的电子装置，所述电子装置包括：至少第一惯性测量单元(IMU)和第二IMU，所述第一IMU和所述第二IMU彼此时间同步并且在空间上和机械上彼此分离；以及微控制器单元(MCU)，所述MCU电子地耦接到所述第一IMU和所述第二IMU，以用于处理来自所述第一IMU和所述第二IMU的数据流。2.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述第一IMU被配置成测量包含与所述活受试者的生理信号相关的第一信号和第二信号的数据，并且所述第二IMU被配置成测量包含至少所述第二信号的数据，其中由所述第一IMU测量的所述第一信号的信号强度大于由所述第一IMU测量的所述第二信号的信号强度。3.根据权利要求2所述的电子装置，其中由所述第一IMU和所述第二IMU测量的所述数据被处理成使得从由第一传感器测量的所述第二信号中减去由第二传感器测量的所述第二信号产生更强的第一信号，所述更强的第一信号是所关注信号。4.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述第二信号与环境、运动和振动中的至少一者相关。5.根据权利要求2所述的电子装置，其中由所述第二IMU测量的所述数据包含所述第一信号和所述第二信号。6.根据权利要求2所述的电子装置，其中由所述第一IMU和所述第二IMU一起测量的信号的信噪比(SNR)低于由所述第一IMU单独测量的信号的第一SNR或由所述第二IMU单独测量的信号的第二SNR。7.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述第一IMU和所述第二IMU两者可操作地与所述活受试者的皮肤机械连通。8.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述第一IMU和所述第二IMU中的一个IMU可操作地与所述活受试者的皮肤直接机械连通，而所述第一IMU和所述第二IMU中的另一个IMU可操作地与所述活受试者的皮肤间接机械连通。9.根据权利要求8所述的电子装置，其中所述第一IMU和所述第二IMU可操作地与所述活受试者的皮肤直接机械连通。10.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述第一IMU和所述第二IMU之一与所述电子装置的其余刚性组件分离。11.根据权利要求1所述的电子装置，其进一步包括至少第一热感测单元和第二热感测单元，其中所述第一热感测单元和所述第二热感测单元中的一个热感测单元与周围环境热隔离并且被配置成测量所述活受试者的体温，并且所述第一热感测单元和所述第二热感测单元中的另一个热感测单元被配置成测量环境温度。12.根据权利要求11所述的电子装置，其中所述第一热感测单元和所述第二热感测单元中的每个热感测单元嵌入在所述第一IMU和所述第二IMU中的相应IMU中。13.根据权利要求1所述的电子装置，其被配置成测量从心肺系统的活动和核体的移动到跨胸腔、食道、咽和口腔的与呼吸、语言、吞咽、喘息、咳嗽和打喷嚏相关的各种过程集合的一系列生理信息。14.根据权利要求13所述的电子装置，其被配置成将与所述心肺系统和相关过程相关联的信号与由于身体移动而产生的信号分离。
15.根据权利要求13所述的电子装置，其被配置成在心脏和呼吸活动期间，对所述电子装置所附接到的解剖结构的此区域处的皮肤的移动进行时空映射。16.根据权利要求13所述的电子装置，其被配置成跨一系列剧烈活动和条件连续地测量温度、心率(HR)、呼吸率(RR)、活动水平和身体取向。17.根据权利要求13所述的电子装置，其被配置成监测患有COVID
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19感染的患者的关键症状，以跟踪在医院和/或家中的恢复进展和对疗法的响应。18.根据权利要求13所述的电子装置，其被配置成测量与咳嗽、吞咽和/或特定运动相关活动相关联的任何呼吸或运动相关数字生物标志物。19.根据权利要求18所述的电子装置，其被配置成当所述活受试者正在移动或不移动时评估咳嗽，和/或当所述活受试者正在移动时测量肌肉运动。20.根据权利要求1所述的电子装置，其进一步包括双向无线通信系统，所述双向无线通信系统电子地耦接到所述电子装置并且被配置成从所述电子装置向外部装置发送输出信号。21.根据权利要求20所述的电子装置，其中所述双向无线通信系统被进一步配置成将命令从所述外部装置递送到所述电子装置。22.根据权利要求20所述的电子装置，其中所述双向无线通信系统包括控制器，所述控制器利用近场通信(NFC)、Wi
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Fi/互联网、蓝牙、蓝牙低功耗(BLE)和蜂窝通信协议中的至少一者进行无线通信。23.根据权利要求20所述的电子装置，其进一步包括定制应用程序，所述定制应用程序具有部署在所述外部装置中的用户接口，以允许用户配置和操作所述电子装置进行数据收集、数据传输、数据存储和分析、无线充电和用户状况监测。24.根据权利要求23所述的电子装置，其中所述定制应用程序被配置成允许多个所述电子装置同时进行的时间同步操作。25.根据权利要求20所述的电子装置，其中所述外部装置是移动装置、计算机或云服务。26.根据权利要求1所述的电子装置，其进一步包括电源模块，所述电源模块耦接到所述第一IMU、所述第二IMU和所述MCU，以用于向所述第一IMU、所述第二IMU和所述MCU提供电力。27.根据权利要求26所述的电子装置，其中所述电源模块进一步包括故障防止元件，所述故障防止元件包含短路保护组件或电路以避免电池故障。28.根据权利要求26所述的电子装置，其中所述电源模块包括用于提供所述电力的至少一个电池。29.根据权利要求28所述的电子装置，其中所述电池是可再充电电池。30.根据权利要求29所述的电子装置，其中所述电源模块进一步包括用于对所述可再充电电池进行无线充电的无线充电模块。31.根据权利要求28所述的电子装置，其中所述第二IMU以所述第二IMU弯曲并折叠在所述电池上方的方式放置。32.根据权利要求26所述的电子装置，其进一步包括柔性印刷电路板(fPCB)，所述fPCB具有电连接到包含所述第一IMU、所述第二IMU和所述MCU以及所述电源模块的电子组件的
柔性且可拉伸的互连件。33.根据权利要求32所述的电子装置，其进一步包括弹性体包封层，所述弹性体包封层至少部分地包围所述电子组件和所述柔性且可拉伸的互连件，以形成可操作地附接到所述活受试者的面向组织的表面和面向环境的表面，其中所述面向组织的表面被配置成适形于所述活受试者的皮肤表面。34.根据权利要求33所述的电子装置，其中所述包封层由阻燃材料形成。35.根据权利要求34所述的电子装置，其中所述弹性体包封层是防水且生物相容的硅酮壳体。36.根据权利要求1所述的电子装置，其进一步包括生物相容性水凝胶粘合剂，所述生物相容性水凝胶粘合剂用于将所述电子装置附接在所述活受试者的相应区域上，其中所述生物相容性水凝胶粘合剂适于使得来自所述活受试者的信号能够可操作地传导到所述第一IMU和所述第二IMU。37.根据权利要求1至36中任一项所述的电子装置，其是柔性的并且能够以特定几何极性适形于皮肤，以便安装在所述活受试者的所关注解剖学位置中。38.根据权利要求1至37中任一项所述的电子装置，其是可佩戴、可扭转的、可拉伸的和/或可弯曲的。39.一种用于测量活受试者的生理参数的电子装置，所述电子装置包括：传感器网络，所述传感器网络包括多个传感器单元，所述多个传感器单元可操作地部署在所述活受试者的皮肤上，所述多个传感器单元彼此时间同步并且在空间上和机械上彼此分离；以及微控制器单元(MCU)，所述MCU电子地耦接到所述多个传感器单元，以用于处理来自所述多个传感器单元的数据流。40.根据权利要求39所述的电子装置，其中所述多个传感器单元被配置成测量相同的生理参数或不同的生理参数。41.根据权利要求39或40所述的电子装置，其中所述多个传感器单元中的每个传感器单元包括至少第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器彼此时间同步并且在空间上和机械上彼此分离。42.根据权利要求41所述的电子装置，其中对于每个传感器单元，所述第一传感器被配置成测量包含与所述活受试者的生理信号相关的第一信号和第二信号的数据，并且所述第二传感器被配置成测量包含至少所述第二信号的数据，其中由所述第一传感器测量的所述第一信号的信号强度大于由所述第一传感器测量的所述第二信号的信号强度。43.根据权利要求42所述的电子装置，其中由所述传感器单元的所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐帅，郑孝英，李钟尹，李坤赫，约翰，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：