ДАТЧИК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК A61B5/408 

Настоящее изобретение относится к датчикам для получения физиологических сигналов, устройствам, содержащим такие датчики, а также предметам одежды, содержащим такие устройства.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Датчики, содержащие электроды, широко применяются при определении клинического состояния, например при наблюдении за состоянием сердца. Электроды размещают в контакте с кожей человеческого тела и исследуют получаемые электрические физиологические сигналы.

Тем не менее на устойчивость, шум и чувствительность данных сигналов могут оказывать воздействие разные причины; двумя наиболее значимыми являются движение и продолжительный сбор данных сигнала.

Одним физиологическим сигналом из наиболее подверженных воздействию различных типов шума, таких как шум электродного контакта или шум от движения, является сигнал электрокардиограммы (ЭКГ). ЭКГ представляет собой продолжительный анализ, и для получения хорошего сигнала решающим является устойчивость параметров сигнала.

Поскольку ЭКГ представляет собой продолжительный анализ, предмет одежды, в который помещен датчик ЭКГ, является актуальным для наблюдения данного типа физиологических сигналов в повседневной жизни.

В уровне техники известны предметы одежды с датчиками, интегрированными в ткань. Датчик для интеграции в предмет одежды должен представлять собой минимально инвазивную систему, быть гибким, удобным для человеческого тела, в том числе при движении, удобным для многократной стирки и устойчивым к ней.

Настоящий уровень техники тканевых датчиков имеет различные недостатки:

i) Низкая адгезия к коже. Любое относительное движение между кожей и электродом вызывает изменения сигнала. Данное ограничение очень существенно в контексте применения электродов во время физической активности.

ii) Изменения сигнала. Они происходят из-за движения проводящих волокон и образования складок.

iii) Снижение качества сигнала со временем. В некоторых датчиках для обеспечения контакта с кожей могут применяться жидкости, такие как вода или смазка, между контактным слоем и кожей. В сухом окружении невозможно сохранить уровень влажности кожи постоянным, и электрическая проводимость контактного слоя уменьшается.

Патентная заявка EP1361819, заявителем которой является Polar Electro, OY., описывает датчик, который содержит контактный слой, включающий в себя проводящие волокна, и влажный слой для сохранения влаги поверх контактного слоя. Влажный слой удерживает продукты секреции кожи, такие как влага и электролиты. Это улучшает контакт между кожей и контактным слоем и увеличивает электрическую проводимость контактного слоя, но удобство предмета одежды становится малым, поскольку влажность в коже и в предмете одежды повышается.

Патентная заявка EP2072009 описывает предмет одежды, содержащий по меньшей мере один датчик для электрокардиограммы, интегрированный в предмет одежды, содержащий электрод на внутренней поверхности предмета одежды, расположенный так, чтобы находиться в контакте с кожей пользователя и упругий сжимаемый наполнитель между предметом одежды и электродом. Упругий сжимаемый наполнитель удерживает электрод на месте, когда предмет одежды сдвигается. Упругий сжимаемый наполнитель может быть неудобным для пользователя.

Патентная заявка US20100234715 описывает предмет одежды для измерения физиологических сигналов. Предмет одежды содержит электродный датчик, связанный с внутренней поверхностью предмета одежды для осуществления контакта с кожей, для обнаружения физиологических сигналов; сигнальную линию связи, соединенную с электродным датчиком, застежку и блок измерения. Блок электродного датчика соединен с желаемой частью предмета одежды с помощью соединительного липкого элемента, который может быть выполнен в виде открытой рамки для присоединения краев электродного датчика к предмету одежды. Противоскользящая липкая лента (элемент) может проходить вдоль края электродного датчика и соединительного липкого элемента.

Таким образом, из того, что известно в данной области техники, следует, что разработка датчика и предмета одежды, содержащего такой датчик, которые позволят регистрацию физиологических сигналов, особенно в движении, с улучшенными липкими свойствами, но без липких элементов, которые вызывают раздражение кожи, и с эластичными свойствами, все еще представляет большой интерес.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретатели открыли датчик 1 с улучшенными противоскользящими свойствами, в частности в том случае, когда датчик 1 помещен в предмет одежды 7 и субъект, который носит предмет одежды 7, проявляет высокую активность, что имеет место, например, во время спортивных тренировок. Датчик 1 демонстрирует отличные гибкие свойства.

Датчик 1 содержит проводящий слой 2, содержащий множество отверстий 6 или углублений 11, расположенных в соответствии с предварительно определенным рисунком, заполненных силиконовым каучуком. Силиконовый каучук позволяет избежать использования липких материалов для фиксации датчика 1 на коже 12, что полезно, поскольку такие липкие материалы при продолжительном сборе сигналов могут раздражать кожу, и они теряют свои липкие свойства при многократной стирке. Датчик 1 также содержит электрический соединитель 5.

Проводящий слой 2 настоящего изобретения содержит металл, обычно слой такого типа не является гибким, но отверстия 6 или углубления 11 в проводящем слое 2 улучшают гибкость и улучшают приспособление проводящего слоя к форме тела.

Тот факт, что датчик 1 настоящего изобретения демонстрирует отличные противоскользящие и гибкие свойства, предпочтителен для приема физиологических сигналов с требуемым качеством и в течение длительного времени. Кроме того, хороший контакт датчик-кожа и отличная фиксация уменьшают шум сигнала.

В некоторых физиологических сигналах, таких как ЭКГ, шум может сильно затруднить измерение сигнала. Качество датчиков ЭКГ может оказывать значительное влияние на получение сигнала. Качество зависит от электрических свойств электрода и устойчивости контакта электрод/кожа. Чем выше качество и устойчивость сигнала, тем легче врач может различать патологии, и тем выше надежность диагноза пациента.

Сигналы ЭКГ, регистрируемые с помощью интеллектуальной одежды, в случае высокой активности демонстрируют возмущения, такие как периодическая потеря сигналов от электродов.

В данной области техники отсутствуют подтверждения того, что датчик с проводящим слоем, содержащим множество отверстий, заполненных силиконовым каучуком, может обеспечивать отличные свойства фиксации и гибкости.

Таким образом, один аспект настоящего изобретения относится к датчику 1, который размещен в контакте с кожей 12 пользователя для получения физиологических сигналов, который содержит: a) проводящий слой 2, содержащий по меньшей мере проводящие волокна, которые размещены в контакте с кожей 12, для приема физиологических сигналов;

b) электрический соединитель 5, соединенный с данным проводящим слоем 2, отличающийся тем, что данный проводящий слой 2 содержит множество отверстий 6, заполненных силиконовым каучуком, по всей проводящей площади.

Датчик 1 способен на обнаружение электрических физиологических сигналов пользователя.

Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству, содержащему по меньшей мере один датчик 1 настоящего изобретения и электронное устройство 14 для приема и сбора и/или хранения и/или обработки и/или передачи данных от упомянутого датчика 1.

Настоящее изобретение предлагает датчик 1, пригодный для интегрирования в предмет одежды 7, так чтобы он мог быть приведен в контакт с кожей 12 пользователя во время использования предмета одежды 7. Таким образом, другой аспект настоящего изобретения относится к предмету одежды 7, содержащему по меньшей мере устройство настоящего изобретения.

Кроме того, предлагается способ получения датчика 1, который включает в себя этапы:

a) вырезания по шаблону проводящего слоя из проводящей ткани;

b) добавления горячего расплавленного адгезива на одну поверхность данного проводящего слоя;

c) трафаретной печати противоскользящим силиконовым каучуком на отверстиях 6 или углублениях 11 электрода 3; и

d) отверждения силикона;

причем этапы a), b) можно осуществлять в любом порядке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1A иллюстрирует рисунок отверстий 6 в электроде 3. Фиг. 1B иллюстрирует рисунок углублений 11 в электроде 3. Фиг. 1C иллюстрирует схему отверстий 6 в электроде 3 со схемой расположения силиконового каучука на поверхности электрода 3. Фиг. 1D иллюстрирует вид спереди проводящей ткани с отверстиями 6, заполненными силиконовым каучуком.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в перспективе с пространственным разделением деталей варианта осуществления датчика 1 в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3A иллюстрирует сечение варианта осуществления датчика 1 в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 3B иллюстрирует сечение варианта осуществления датчика 1 в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 иллюстрирует вид в вертикальном разрезе предмета одежды 7 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5 иллюстрирует вид в вертикальном разрезе соединения между вариантом осуществления датчика 1 в соответствии с настоящим изобретением и электронного устройства 14.

Фиг. 6 демонстрирует амплитуду RS(A(v)) в состоянии покоя (A), при стоянии (B), вставании/приседании (C), наклонах (D), движениях рук (E), ходьбе (F) и всех видах активности, покое, стоянии, вставании/приседании, наклонах, движениях рук и ходьбе (G) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 7 демонстрирует величину (RMS/амплитуда RS) в состоянии покоя (A), при стоянии (B), вставании/приседании (C), наклонах (D), движениях рук (E), ходьбе (F) и всех видах активности, покое, стоянии, вставании/приседании, наклонах, движениях рук и ходьбе (G) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 8 демонстрирует долю в процентах хороших комплексов QRS в состоянии покоя и при ежедневной активности для пояса Zephyr (I), пояса Polar (II), рубашки Numetrex (III) и рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 9 демонстрирует значение автокорреляции для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV) при ходьбе (F), движениях рук (E), стоянии (B), наклонах (D), вставании/приседании (C) и в состоянии покоя (A).

Фиг. 10 демонстрирует амплитуду RS(A(v)) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K), прыжках (L) и всех типах активности, средней скорости, высокой скорости, движении туловищем, движении ракеткой и прыжках (M) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 11 демонстрирует величину (RMS/амплитуда RS) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K), прыжках (L) и всех типах активности, средней скорости, высокой скорости, движении туловищем, движении ракеткой и прыжках (M) для пояса Zephyr (I), пояса Polar (II), рубашки Numetrex (III) и рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 12 демонстрирует долю в процентах хороших комплексов QRS при интенсивной физической активности для пояса Zephyr (I), пояса Polar (II), рубашки Numetrex (III) и рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 13 демонстрирует значение автокорреляции для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K) и прыжках (L).

Фиг. 14 демонстрирует величину (RMS/амплитуда RS) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K), прыжках (L) и всех типах активности, средней скорости, высокой скорости, движении туловищем, движении ракеткой и прыжках (M) для рубашки настоящего изобретения (IV), черные столбцы и рубашки настоящего изобретения без силиконового каучука (V), белые столбцы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является наблюдение за пользователем при физической активности непрерывным и неинвазивным образом, без введения каких-либо ограничений. Таким образом, датчик 1 настоящего изобретения делает возможным измерение электрических физиологических сигналов во время физической активности.

Как упомянуто выше, первый аспект настоящего изобретения относится к датчику 1, который размещен в контакте с кожей 12 пользователя, для получения физиологических сигналов, который содержит: a) проводящий слой 2, содержащий по меньшей мере проводящие волокна, которые размещены в контакте с кожей 12, для приема физиологических сигналов; b) электрический соединитель 5, соединенный с данным проводящим слоем, отличающийся тем, что данный проводящий слой содержит множество отверстий 6, заполненных силиконовым каучуком, по всей проводящей площади.

Термин "датчик", как применяется в настоящем описании, относится к компоненту, который принимает физиологические сигналы и преобразует их в электрические сигналы.

Термин "электрод", как применяется в настоящем описании, относится к участку проводящего слоя, который находится в контакте с кожей и в котором принимается физиологический сигнал.

Термин "дорожка", как применяется в настоящем описании, относится к участку проводящего слоя, в котором расположен электрический соединитель. Дорожка передает физиологический сигнал от электродного участка на электрический соединитель.

Термин "электрический соединитель", как применяется в настоящем описании, относится к электромеханическому устройству, которое предоставляет разъемный интерфейс между двумя электронными подсистемами, датчиком и электронным устройством, без неприемлемого воздействия на целостность сигнала.

Термин "противоскользящий материал", как применяется в настоящем описании, относится к материалу с коэффициентом трения материал/кожа, составляющим по меньшей мере 0,5. В предпочтительном варианте осуществления противоскользящий материал представляет собой силиконовый каучук.

Термин "горячий расплавленный адгезив", как применяется в настоящем описании, относится к термопластическому неструктурному адгезиву, который течет, когда нагрет, и становится твердым и прочным, когда остывает.

Термин "трафаретная печать", как хорошо известно в данной области техники, относится к процессу, осуществляемому с применением шаблона, при котором изображение или рисунок печатается на сетке с очень мелкими отверстиями, и печатаемый материал наносится ракелем на запечатываемую поверхность через участок сетки, который не покрыт шаблоном.

Традиционно данный процесс назывался трафаретной печатью или шелкотрафаретной печатью, поскольку в данном процессе применяли шелк. Таким образом, "шелкография", "трафаретная печать" и "шелкотрафаретная печать" являются синонимами.

В варианте осуществления первого аспекта настоящего изобретения проводящий слой 2 изготовлен из проводящего материала, выбранного из проводящей ткани.

В другом варианте осуществления первого аспекта настоящего изобретения предлагается датчик 1, пригодный для интегрирования в предмет одежды 7, так чтобы он мог быть приведен в контакт с кожей 12 пользователя во время использования предмета одежды 7, причем упомянутый датчик 1 содержит проводящий слой 2, который размещен в контакте с кожей 12 для приема физиологических сигналов, содержащий по меньшей мере электрод 3; дорожку 4 и электрический соединитель 5, соединенный с дорожкой 4; причем электрод 3 проводящего слоя 2 содержит множество отверстий 6 или углублений 11, расположенных в соответствии с предварительно определенной схемой, заполненных противоскользящим материалом. Предпочтительно, электрод 3 проводящего слоя 2 содержит множество отверстий.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения электрод 3 и дорожка 4 изготовлены из одинаковых или разных материалов. В предпочтительном варианте осуществления первого аспекта настоящего изобретения электрод 3 и дорожка 4 независимо друг от друга представляют собой проводящую ткань, содержащую проводящие волокна и непроводящие волокна.

В предпочтительном варианте осуществления первого аспекта настоящего изобретения электрод 3 и дорожка 4 относятся к проводящей ткани, изготовленной из проводящих волокон.

В другом предпочтительном варианте осуществления первого аспекта настоящего изобретения электрод 3 и дорожка 4 относятся к проводящей ткани, изготовленной из проводящих волокон и непроводящих волокон.

Предпочтительно, проводящие волокна изготовлены из нейлона, покрытого серебром (такого как нити Xstatic® от Laird Sauquoit Industries), а непроводящие волокна изготовлены из нейлона.

Неограничивающими примерами проводящих волокон являются волокно, изготовленное из серебра, меди, никеля, нержавеющей стали, золота, непроводящие волокна, покрытые проводящим материалом, или их смеси. Неограничивающими примерами покрывающих проводящих материалов являются серебро, медь, никель, нержавеющая сталь, золото и силиконовый каучук с введенным угольным или серебряным порошком.

Неограничивающими примерами непроводящих волокон являются шерсть, шелк, хлопок, лен, джут, акриловое волокно, полиамидное волокно, полиэфирное волокно, нейлон и/или волокно с эластичными нитями (такое как спандекс марки LYCRA® от Invista™ S.a.r.l).

Проводящий слой с проводящими и непроводящими волокнами является не только более гибким, чем проводящий слой, изготовленный только из металлических волокон, но также должен оказаться легче и устойчивее к окислению. Поскольку волокна можно соединить плотно, электрическую проводимость ткани можно сохранить, несмотря на частичную потерю проводящего покрытия на отдельных нитях, тогда как в проводящих тканях из металлического волокна ткань может потерять работоспособность после поломки одного из волокон, особенно если волокна расположены далеко друг от друга. Количество металла в ткани представляет собой компромисс между требованием увеличить проводимость и необходимостью улучшить осязательное восприятие ткани.

В результате переплетения волокон в ткани обнаруживается множество отверстий 6 между волокнами. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения электрод просверливают или прорезают, для того чтобы проделать дополнительные отверстия 6 или углубления 11, или для того чтобы увеличить отверстия 6 электрода в соответствии с предварительно определенным рисунком.

Множество отверстий 6 или углублений 11 имеет различные рисунки, такие как круговой, синусоидальный рисунок, прямолинейный рисунок, гексагональный рисунок и другие различные геометрические рисунки или их комбинации. Множество отверстий 6 образует случайную или организованную матрицу.

Присутствие таких отверстий 6 или углублений 11 в проводящем слое приводит к улучшению эластичности данного слоя. Посредством заполнения отверстий 6 или углублений 11 проводящего слоя силиконовым каучуком достигается улучшение сцепления датчика с кожей, и в то же время это улучшает измеряемый сигнал, поскольку уменьшается шум сигнала.

Перед процессом отверждения силиконовый каучук находится в жидком состоянии. Когда силикон находится в жидком состоянии, происходит печать на ткань. Это означает, что соединение силикон-ткань представляет собой соединение без адгезива. Электрически проводящий слой, описанный в данном изобретении, интегрирован в ткань. Силикон в жидком состоянии, когда запечатывается на ткани, способен проникать в отверстия ткани, прикрепляясь к структуре проводящего слоя.

Когда отверстия 6 или углубления 11 заполнены, силиконовый каучук имеет плоский или рельефный профиль. В предпочтительном варианте осуществления силиконовый каучук демонстрирует рельефный профиль.

В предпочтительном варианте осуществления силиконовый каучук представляет собой силиконовый каучук с молекулярным весом в диапазоне от 400 г/моль до 600 г/моль.

Как описано выше, датчик 1 настоящего изобретения должен приводиться в контакт с кожей 12. В предпочтительном варианте осуществления доля проводящего слоя 2, которая находится в контакте с кожей, составляет от 50% до 80% данного проводящего слоя, и доля силиконового каучука, которая находится в контакте с кожей 12, составляет от 20% до 50% по отношению ко всему проводящему слою 2. В наиболее предпочтительном варианте осуществления доля проводящего слоя 2, которая находится в контакте с кожей 12, составляет от 60% до 70% проводящего слоя 2, и доля силиконового каучука, которая находится в контакте с кожей 12, составляет от 30% до 40% по отношению ко всему проводящему слою 2.

В предпочтительном варианте осуществления дорожка 4 и электрический соединитель 5 покрыты изолирующим материалом 8.

В датчике при контакте с кожей пользователя сопротивление электрод/кожа является одним из элементов, определяющих шум сигналов. В предпочтительном варианте осуществления сопротивление электрода 3 лежит в диапазоне от 1 Ом до 10 Ом. В более предпочтительном варианте осуществления сопротивление дорожки 4 лежит в диапазоне от 1 Ом до 50 кОм.

Второй аспект настоящего изобретения представляет собой устройство, содержащее по меньшей мере один датчик 1 настоящего изобретения и электронное устройство 14 для приема и сбора и/или хранения и/или обработки и/или передачи данных от упомянутого датчика.

Детектируемые с применением датчика настоящего изобретения физиологические сигналы могут представлять собой по меньшей мере одни из следующих данных: сердечный пульс, частота дыхания, электрокожный ответ (EDR), степень электрической проводимости кожи, электрокардиография (ЭКГ), электромиография (ЭМГ). Данные сигналы относятся к электрическим сигналам, производимым в организме. Предпочтительно, эти данные представляют собой данные ЭКГ.

Третий аспект настоящего изобретения представляет собой предмет одежды 7, в который интегрировано устройство настоящего изобретения.

В варианте осуществления третьего аспекта предмет одежды 7 разработан для приложения давления, равного или превышающего 2 кПа. В другом варианте осуществления предмет одежды 7 содержит два слоя, внутренний и внешний слой 13, и внешний слой 13 прижимает датчик к телу с давлением по меньшей мере 2 кПа. В наиболее предпочтительном варианте осуществления внешний слой 13 содержит систему для регулировки давления.

Предпочтительно, внутренний слой обладает низкой эластичностью, а внешний слой 13 обладает высокой эластичностью. Внутренний слой состоит из смеси синтетического волокна и спандекса, причем синтетическое волокно составляет от 85% до 90% по весу композиционного эластичного материала и, наиболее предпочтительно, от 87% до 89%, и причем спандекс составляет от 10% до 15% по весу композиционного эластичного материала и, наиболее предпочтительно, от 11% до 13%. Внешний слой 13 состоит из смеси синтетического волокна и спандекса, причем синтетическое волокно составляет от 92% до 97% по весу композиционного эластичного материала и, наиболее предпочтительно, от 94% до 96%, и причем спандекс составляет от 3% до 8% по весу композиционного эластичного материала и, наиболее предпочтительно, от 4% до 6%. Внешний слой 13 прижимает датчик к коже, и устойчивость и закрепление датчика 1 улучшены.

В варианте осуществления третьего аспекта дорожка 4 проводящего слоя 2 датчика 1 помещена между внутренним и внешним слоем 3 предмета одежды и электрод 3 расположен над внутренним слоем предмета одежды, причем электрод 3 имеет возможность быть в контакте с кожей 12 пользователя предмета одежды 7.

Датчик 1 можно получать посредством способа, включающего в себя этапы:

a) вырезания по шаблону проводящего слоя из проводящей ткани;

b) добавления горячего расплавленного адгезива на одну поверхность данного проводящего слоя;

c) трафаретной печати противоскользящим силиконовым каучуком на отверстиях 6 или углублениях 11 электрода 3 при температуре в диапазоне 10-30°C; и

d) отверждения силикона, предпочтительно в течение вплоть до двух минут при температуре в диапазоне 130-190°C.

Данный способ может дополнительно включать в себя стадию трафаретной печати силиконовым каучуком с введенным проводящим материалом для формирования дорожки 4.

Конкретный вариант осуществления рисунка отверстий 6 электрода 3 настоящего изобретения проиллюстрирован на фиг. 1A. Фиг. 1B демонстрирует предпочтительный рисунок углублений 11 электрода 3. Фиг. 1C иллюстрирует электрод 3 с отверстиями 6, заполненными силиконовым каучуком, причем электрод 3 демонстрирует силиконовый каучук в соответствии с предварительно определенным рисунком на их поверхности с выпуклым профилем. Таким образом, силиконовый каучук прикреплен к ткани электрода посредством заполнения отверстий.

Фиг. 2 показывает вид в перспективе с пространственным разделением деталей датчика 1, причем проводящий слой 2 содержит электрод 3 и дорожку 4. Как упомянуто выше, электрод 3 имеет круглые отверстия 6, заполненные силиконовым каучуком. Электрический соединитель 5 находится в контакте с дорожкой 4 проводящего слоя 2, и дорожка 4 может быть покрыта изолирующим материалом 8. Электрический соединитель 5 содержит первую и вторую часть, причем первая часть содержит часть 9, являющуюся охватывающим зажимом, и вторая часть соединителя может содержать часть 10, являющуюся охватываемым штырем со шляпкой, каковые части соответствуют друг другу.

Альтернативно, первая часть соединителя может содержать часть, являющуюся охватываемым штырем со шляпкой, и вторая часть соединителя может содержать часть, являющуюся охватывающим зажимом, каковые части соответствуют друг другу. Как правило, когда датчик 1 интегрирован в предмет одежды 7, охватываемую и охватывающую части электрического соединителя помещают на противоположных друг другу сторонах предмета одежды. Таким образом, охватываемую или охватывающую часть, которую помещают с внутренней стороны, которая будет находиться в контакте с кожей 12 пользователя, покрывают изолирующим материалом 8, который также покрывает дорожку 4 проводящего слоя 2.

Фиг. 3A иллюстрирует сечение датчика 1 настоящего изобретения. Сечение датчика 1 изображает область электрода 3 и круговые отверстия 6, заполненные силиконовым каучуком. Дорожка 4 изготовлена из того же материала, что и электрод 3. Дорожка и электрод изготовлены из проводящей ткани. Датчик настоящего изобретения находится в контакте с кожей 12.

Фиг. 3B иллюстрирует сечение варианта осуществления датчика 1 в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте осуществления электрод изготовлен из проводящей ткани, а дорожка 4 изготовлена из силиконового каучука с введенным проводящим материалом.

Фиг. 4 иллюстрирует вид в вертикальном разрезе предмета одежды 7 с двумя датчиками 1, помещенными в области груди. Внешний слой 13 предмета одежды 7 прижимает датчик с давлением по меньшей мере 2 кПа.

Фиг. 5 иллюстрирует вид в вертикальном разрезе соединения между вариантом осуществления датчика 1 в соответствии с настоящим изобретением и электронного устройства 14. Датчик 1 соединен с электронным соединителем 5 с применением части 9, являющейся охватывающим зажимом, и части 10, являющейся охватываемым штырем со шляпкой.

На протяжении данного описания и формулы изобретения слово "содержит" и варианты данного слова не предполагают исключения других технических особенностей, дополнений, компонентов или этапов. Дополнительные цели, преимущества и признаки настоящего изобретения станут понятны специалисту в данной области техники после изучения настоящего описания, или могут быть усвоены посредством реализации настоящего изобретения на практике. Следующие примеры и чертежи предлагаются с целью иллюстрации и не предполагается, что они ограничивают настоящее изобретение. Ссылочные позиции, относящиеся к чертежам и помещенные в скобках в формуле изобретения, являются исключительно попыткой улучшить понятность формулы изобретения и не должны рассматриваться как ограничения объема формулы настоящего изобретения. Кроме того, настоящее изобретение охватывает все возможные комбинации частных и предпочтительных вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.

ПРИМЕРЫ СРАВНЕНИЯ ПРЕДМЕТА ОДЕЖДЫ С ДАТЧИКОМ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ И ДРУГИХ ПРЕДМЕТОВ ОДЕЖДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СПОСОБ ТКАНЕВОГО ДАТЧИКА

Испытанию подвергали Zephyr™ HxM (производимый Zephyr Technology Corporation) (I), Polar TEAM² (производимый Polar Electro, OY.) (II), Numetrex® Cardio-Shirt (производимый Textronics, Inc.) (III) и рубашку настоящего изобретения (IV), в которой дорожка и электрод изготовлены из проводящей ткани и электродный участок имеет отверстия, заполненные силиконовым каучуком. Numetrex® Cardio-Shirt представляет собой рубашку с тканевыми электродами, вплетенными в материал. Пояс Zephyr™ HxM и пояс Polar TEAM² представляют собой пояса с тканевыми электродами. Пояс Zephyr™ HxM включает в себя электрод и упругий сжимаемый наполнитель между предметом одежды и электродом, так что при использовании электрод удерживается по существу на месте относительно кожи, когда предмет одежды движется по отношению к коже пользователя. Пояс Polar TEAM² включает в себя контактный слой, содержащий проводящие волокна, и влажный слой для удержания влаги поверх контактного слоя.

Протокол исследования, в котором выполняемые виды активности подразделены по различным уровням физического напряжения: покой, ежедневная активность и интенсивная физическая активность.

За субъектом наблюдали с помощью устройства, совместимого со всеми исследованными поясами и рубашками.

Упражнения данного протокола были определены следующим образом:

Покой (A): субъект оставался в положении лежа на столе в течение 30 секунд.

Ежедневную активность определяли как:

Стояние (B): субъект стоял на своих ногах неподвижно в течение 20 секунд без движения.

Приседание/вставание (C): субъект садился и вставал со стула 4 раза, оставаясь в каждом состоянии 3 секунды.

Наклоны (D): субъект наклонялся 3 раза, всегда одинаковым образом (не сгибая колени).

Движение рук (E): субъект двигал своими руками в различных направлениях (вперед, вбок и вверх), 3 раза в каждом.

Ходьба (F): субъект шел со скоростью приблизительно 3 км/ч в течение 20 секунд.

Интенсивную физическую активность (H) определяли как:

Бег со средней скоростью (I): субъект бежал со скоростью 6 км/ч в течение 20 секунд.

Бег с высокой скоростью (J): субъект ускорял свой шаг до тех пор, пока не достигал 10 км/ч, затем продолжал бежать с данной скоростью в течение 15 секунд.

Интенсивное движение рук (движение ракеткой) (K): субъект интенсивно двигал своей рукой, изображая удар по мячу ракеткой (обеими руками), делая это движение 5 раз.

Повороты туловища (L): удерживая ноги в одном и том же положении, субъект поворачивал свой торс в обоих направлениях, 5 раз в каждом.

Прыжки (M): субъект прыгал вверх, пробегал два или три метра и затем прыгал снова. Он повторял это движение 5 раз.

Интенсивная физическая активность требует больше физических сил, чем ежедневная активность. Также важно отметить, что субъект потел во время данных упражнений, так что все результаты были получены в таких условиях.

Все упражнения, осуществляемые в покое и при ежедневных видах активности, проводились с поясом или рубашкой, надетыми непосредственно на субъекта (без пота), и все виды интенсивной физической активности проводились с поясом или рубашкой, надетыми субъектом, когда он был уже вспотевшим.

При получении различных электрокардиографических сигналов с каждой рубашкой или поясом осуществляли определенные действия над данными сигналами, для того чтобы оценить различные технологии.

Осуществлявшиеся действия над сигналами (для каждого упражнения каждой активности):

ВИЗУАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ

Данная оценка представляет собой непосредственное определение, лишь по виду сигнала, качества получаемого сигнала в отношении морфологии и детектированных ударов. Данное визуальное определение также применяют для определения того, какие удары (комплексы QRS) могут быть распознаны как удары, и какие из них слишком зашумлены, для того чтобы кардиолог мог их определить. Всего проанализировали 250 ударов для покоя и ежедневной активности и для интенсивной физической активности. Всего проанализировали 500 ударов.

ДЕЙСТВИЯ НАД СИГНАЛОМ

Данные действия осуществлялись над сигналом, регистрируемым в каждом упражнении каждого сеанса активности. Данные действия включают ручной и автоматический анализ регистрируемых сигналов.

АВТОКОРРЕЛЯЦИЯ

Сигнал сегментировали каждые 3 секунды с перекрыванием, равным 2 секундам, между блоками и проводили автокорреляцию каждого блока. Данное действие проводится по следующей формуле:

,

где x представляет собой сигнал от N образцов. Затем его нормализуют относительно значения R_x(0). Затем мы получаем максимум автокорреляции, который не является максимумом в R_{x norm}(0), поскольку мы, безусловно, имеем максимум в данной точке, так как сигнал сравнивается сам с собой без сдвига.

Данный индекс дает нам меру того, насколько сигнал походит на себя после сдвига (исходя из того, что следующие друг за другом сердцебиения очень похожи). В данном случае значения, близкие к 1, показывают, что сигнал очень похож на свою копию со сдвигом, так что он чист от шума, тогда как низкие значения, близкие к нулю, показывают, что сигнал искажен шумом.

RMS СЕГМЕНТА T-P

RMS (среднеквадратичное) сегмента T-P вычисляли между сердцебиениями (приблизительно 20 сегментов). Данное действие было осуществлено для каждого упражнения и усредненное дало оценку шума в сигнале, особенно в состоянии покоя, поскольку сегмент T-P является изоэлектрическим.

Данные действия осуществляли вручную (для того чтобы выбирать начало и конец каждого сегмента). В тех сигналах, где зубец T отсутствовал (пояса Zephyr™ HxM и Polar TEAM² и Numetrex® Cardio-Shirt в состоянии покоя и при ежедневной активности), данный сегмент определяли между двумя последовательными сердцебиениями. Данное значение должно быть настолько малым, насколько возможно, но должно быть согласовано с амплитудой QRS (смотри пункт "RMS/амплитуда RS").

МАКСИМАЛЬНЫЙ СЕГМЕНТ T-P

Он отражает максимальный пик шума различных сегментов T-P. Данное значение было полезным для того, чтобы видеть, не загрязняют ли наш сигнал высокие пики шума.

МАКСИМАЛЬНЫЕ АМПЛИТУДЫ

При каждом упражнении для ударов измеряли амплитуды пиков QRS (пики R и пики S, для того чтобы получить амплитуду RS). Предпочтительное значение отсутствовало, но более высокие значения могут быть лучше низких (низкие значения больше предрасположены к шуму).

RMS/АМПЛИТУДА RS

Данный фактор вычисляли с помощью величин, объясненных в предыдущих пунктах. Данный фактор дает нам точное представление о шуме системы при различных упражнениях. Его нормализуют относительно амплитуды RS, поскольку каждая рубашка/пояс принимает различное количество сигналов, различные амплитуды, так что RMS в сегменте T-P следует согласовывать для каждого сенсорного пояса или рубашки. Для данного значения, чем оно меньше, тем лучше.

Из всех получаемых индексов и значений наиболее важными являются (RMS/амплитуда RS) и автокорреляция, поскольку оба они являются очень хорошими индикаторами шума, который загрязняет сигналы, и того, насколько различимыми являются сердцебиения в регистрируемых сигналах.

Результаты представлены в трех разделах: результаты для состояния покоя и ежедневной активности, результаты для интенсивной физической активности.

СОСТОЯНИЕ ПОКОЯ И ЕЖЕДНЕВНАЯ АКТИВНОСТЬ

Фиг. 6 демонстрирует амплитуду RS (A(v)) в состоянии покоя (A), при стоянии (B), вставании/приседании (C), наклонах (D), движениях рук (E), ходьбе (F) и всех видах активности, покое, стоянии, вставании/приседании, наклонах, движениях рук и ходьбе (G) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV). Амплитуда RS дает представление о том, насколько большой сигнал принимает наша система, поэтому более высокая амплитуда RS лучше. Фиг. 6 демонстрирует, что рубашка настоящего изобретения принимает лучший сигнал, чем другие системы, она лучше работает в сухих условиях (в данный сеанс активности не включено потение).

Фиг. 7 демонстрирует величину (RMS/амплитуда RS) в состоянии покоя (A), при стоянии (B), вставании/приседании (C), наклонах (D), движениях рук (E), ходьбе (F) и покое и ежедневной активности (покой, стояние, вставание/приседание, наклоны, движения рук и ходьба) (G) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV). Эти данные важны, поскольку шум согласован с амплитудой RS, и это является хорошей оценкой SNR (отношения сигнал/шум) системы. Значение, вычисляемое в данном случае, представляет собой шум/сигнал, так что чем данное значение ниже, тем лучше. Рубашка настоящего изобретения (IV) демонстрирует самое низкое значение.

Фиг. 8 демонстрирует долю в процентах хороших комплексов QRS в состоянии покоя и при ежедневной активности для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV). Фиг. 8 определяет, как много ударов распознаются как QRS на первый взгляд. Всего для каждой системы проанализировали 250 ударов, и представленные здесь результаты являются суммарными для сеансов покоя и ежедневной активности (без разделения по упражнениям). Чем выше данная доля, тем лучше. Наивысшим значением является значение для рубашки настоящего изобретения (IV).

Фиг. 9 демонстрирует значение автокорреляции для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV) при ходьбе (F), движениях рук (E), стоянии (B), наклонах (D), вставании/приседании (C) и в состоянии покоя (A). Данная информация также важна, поскольку она представляет собой хороший индикатор качества, воспроизводимости и сходства сердцебиений. Чем ближе данное значение к 1, тем лучше. Рубашка настоящего изобретения демонстрирует наиболее близкое к 1 значение.

ИНТЕНСИВНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Фиг. 10 демонстрирует амплитуду RS (A(v)) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K), прыжках (L) и всех типах активности (средней скорости, высокой скорости, движении туловищем, движении ракеткой и прыжках) (M) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV). При интенсивной физической активности благодаря поту амплитуда сигнала меньше отличается при использовании разных способов, поскольку пот способствует проведению электрических потенциалов к электроду и уменьшает импеданс области контакта кожа-электрод.

Фиг. 11 демонстрирует величину (RMS/амплитуда RS) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K), прыжках (L) и всех типах активности, средней скорости, высокой скорости, движении туловищем, движении ракеткой и прыжках (M) для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV). Снова мы можем видеть, что рубашка настоящего изобретения демонстрирует наилучшие результаты.

Фиг. 12 демонстрирует долю в процентах хороших комплексов QRS при интенсивной физической активности для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV). Рубашка настоящего изобретения демонстрирует наилучшие результаты.

Фиг. 13 демонстрирует значение автокорреляции для пояса Zephyr™ HxM (I), пояса Polar TEAM² (II), Numetrex® Cardio-Shirt (III) и рубашки настоящего изобретения (IV) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K) и прыжках (L). Рубашка настоящего изобретения демонстрирует наилучшие результаты.

В результате, рубашка настоящего изобретения выглядит лучше других, когда мы находимся в ситуации сухой области контакта кожа-электрод (без пота), давая гораздо лучший сигнал и более устойчивый, чем другие системы. В случае интенсивной физической нагрузки все системы работают с точки зрения приема сигнала лучше благодаря поту, но рубашка настоящего изобретения дает более распознаваемую морфологию сигнала и устойчивый сигнал и показывает наилучший результат во всех ситуациях и при всех типах активности.

ПРИМЕР СРАВНЕНИЯ ПРЕДМЕТА ОДЕЖДЫ С ДАТЧИКОМ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕДМЕТОВ ОДЕЖДЫ С ДАТЧИКОМ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ, В КОТОРЫХ ОТВЕРСТИЯ ЭЛЕКТРОДНОГО УЧАСТКА НЕ ЗАПОЛНЕНЫ СИЛИКОНОВЫМ КАУЧУКОМ.

Испытывали рубашку настоящего изобретения (IV), в которой дорожка и электрод изготовлены из проводящей ткани и электродный участок имеет отверстия, заполненные силиконовым каучуком, и рубашку настоящего изобретения без силиконового каучука (V).

Следовали протоколу, описанному выше. Значительные отличия были получены при интенсивной физической активности.

Фиг. 14 демонстрирует величину (RMS/амплитуда RS) при средней скорости (H), высокой скорости (I), движении туловищем (J), движении ракеткой (K), прыжках (L) и всех типах активности, средней скорости, высокой скорости, движении туловищем, движении ракеткой и прыжках (M) для рубашки настоящего изобретения (IV) и рубашки настоящего изобретения без силиконового каучука. Рубашка настоящего изобретения демонстрирует наилучшие результаты, что означает меньший шум и лучший сигнал с силиконом, чем без него. Результаты продемонстрировали лучшее сцепление с кожей.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам для получения физиологических сигналов. Датчик размещается в контакте с кожей пользователя и содержит проводящий слой, содержащий проводящую ткань из проводящих волокон и непроводящих волокон и множества отверстий по всей проводящей ткани, заполненных силиконовым каучуком без использования адгезива, электрический соединитель с проводящим слоем, обеспечивающий разъемный интерфейс между проводящим слоем и электронным устройством. Устройство содержит по меньшей мере один датчик и электронное устройство для приема и сбора и/или хранения и/или обработки и/или передачи данных от датчика. Предмет одежды содержит устройство. Способ получения датчика содержит этапы, на которых разрезают по шаблону проводящую ткань, содержащую проводящие волокна и непроводящие волокна и множество отверстий по всей проводящей ткани, добавляют жидкий силикон таким образом, что он заполняет множество отверстий, присутствующих в проводящей ткани, и отверждают жидкий силикон для образования силиконового каучука. Использование изобретения позволяет расширить арсенал средств для получения фотоплетизмографических сигналов. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Датчик (1) для получения физиологических сигналов, который размещается в контакте с кожей (12) пользователя, причем упомянутый датчик содержит:
a) проводящий слой (2), содержащий проводящую ткань из проводящих волокон и непроводящих волокон и множества отверстий по всей проводящей ткани,
при этом множество отверстий заполнены силиконовым каучуком, и
при этом силиконовый каучук прикреплен к проводящей ткани без использования адгезива; и
b) электрический соединитель (5), соединенный с упомянутым проводящим слоем, причем электрический соединитель обеспечивает разъемный интерфейс между упомянутым проводящим слоем и электронным устройством.

2. Датчик (1) по п. 1, в котором проводящий слой (2) содержит по меньшей мере электрод (3) и дорожку (4), причем электрический соединитель соединен с дорожкой (4), и при этом проводящая ткань, содержащая электрод (3), является независимо такой же или другой, чем проводящая ткань, содержащая дорожку (4).

3. Датчик (1) по п. 2, в котором дорожка (4) покрыта изолирующим материалом (8).

4. Датчик (1) по любому одному из пп. 2-3, в котором проводящие волокна содержат 1) волокна, включающие в себя серебро, медь, никель, нержавеющую сталь, золото и силиконовый каучук с введенным угольным или серебряным порошком, 2) непроводящие волокна, покрытые проводящим материалом, или 3) их смесь.

5. Датчик (1) по любому одному из пп. 2-3, в котором непроводящие волокна содержат волокна, включающие в себя шерсть, шелк, хлопок, лен, джут, акриловое волокно, полиамидное волокно, полиэфирное волокно, нейлон и/или волокно с эластичными нитями.

6. Датчик (1) по любому одному из пп. 1-3, в котором проводящие волокна содержат волокна из нейлона, покрытого серебром, и непроводящие волокна содержат волокна из нейлона.

7. Датчик (1) по любому одному из пп. 1-3, в котором силиконовый каучук представляет собой силиконовый каучук с молекулярным весом, составляющим от 400 г/моль до 600 г/моль.

8. Датчик (1) по любому одному из пп. 1-3, в котором множество отверстий образуют случайный рисунок или организованный рисунок.

9. Датчик (1) по п. 8, в котором организованный рисунок является круговым рисунком, синусоидальным рисунком, прямолинейным рисунком, гексагональным рисунком, рисунком с другими геометрическими формами или их комбинацией.

10. Датчик (1) по любому одному из пп. 1-3, в котором доля проводящего слоя (2), предназначенная находиться в контакте с кожей (12), составляет от 50% до 80% от упомянутого проводящего слоя, и доля силиконового каучука, предназначенная находиться в контакте с кожей (12), составляет от 20% до 50% от упомянутого проводящего слоя (2).

11. Датчик (1) по любому одному из пп. 1-3, в котором силиконовый каучук расположен только во множестве отверстий.

12. Датчик (1) по любому одному из пп. 1-3, в котором детектированные физиологические сигналы содержат сердечный пульс, частоту дыхания, электрокожный ответ, степень электрической проводимости кожи, электрокардиографию и/или электромиографию.

13. Устройство для получения физиологических сигналов, причем упомянутое устройство содержит:
(a) по меньшей мере один датчик (1) по любому одному из пп. 1-12,
(b) электронное устройство (14) для приема и сбора и/или хранения и/или обработки и/или передачи данных от упомянутого датчика (1).

14. Предмет одежды (7), содержащий устройство по п. 13.

15. Предмет одежды (7) по п. 14, в котором часть предмета одежды, которая связана с датчиком, разработана для приложения давления, равного или превышающего 2 кПа.

16. Предмет одежды (7) по п. 14 или 15, в котором данный предмет одежды содержит два слоя, внутренний и внешний слой (13), и внешний слой (13) способен прижимать датчик к телу с давлением по меньшей мере 2 кПа.

17. Предмет одежды (7) по п. 16, в котором внешний слой (13) содержит систему для регулировки давления.

18. Способ получения датчика (1) по любому одному из пп. 1-12, который содержит этапы, на которых:
а) разрезают по шаблону проводящую ткань, содержащую проводящие волокна и непроводящие волокна и множество отверстий
по всей проводящей ткани;
b) добавляют жидкий силикон таким образом, что жидкий силикон проникает и заполняет множество отверстий, присутствующих в проводящей ткани; и
c) отверждают жидкий силикон для образования силиконового каучука;
причем этап а) и этап b) можно осуществлять в любом порядке.