活体信息测定系统及方法与流程

1.实施例涉及活体信息测定系统及方法。


背景技术：

2.在全世界范围内，为了管理数亿人患有的糖尿病而需要实现最基本的血糖测定。因此，对于糖尿病患者而言，血糖测定装置属于必不可少的重要诊断装置。
3.迄今为止，虽然开发有多种血糖测定装置，但是，通常采用的是刺破手指采血来直接测定血液内葡萄糖浓度的测定方法。在采用侵入式方法的情况下，待侵入型传感器深入皮肤内部并测定规定时间后，需通过外部的读取器进行识别来测定血糖。相反，在非侵入式方法中，存在利用发光二极管(led，light-emitting diode)-光电二极管(pd，photo diode)的方法。然而，非侵入式方法存在需附着在皮肤的限制性，因此，存在因汗水、温度等环境要素及异物等而导致精确度低的问题。
4.上述说明的信息仅用于理解层面上的便利，可包括无法形成现有技术的部分内容，也可不包括能够公开给现有技术所属领域的普通技术人员的内容。


技术实现要素：

5.技术问题
6.本发明的目的在于，提供如下的的活体信息测定系统及方法，即，可通过植入设备及外部设备测定基于血糖变化的特性变化来精确测定血糖。
7.技术方案
8.本发明提供的活体信息测定系统包括：植入设备，插入在体内，用于测定活体信息；以及外部设备，扫描(sweep)频率并向上述植入设备传输信号。
9.根据一实施方式，活体信息的测定基于共振频率随着上述植入设备周围的介电常数而变化的特性实现。
10.根据再一实施方式，上述植入设备包括：电磁(em，electro-magnetic)式传感器，使得上述外部设备传输的信息被反射；以及传感器接口，测定从上述电磁式传感器反射回来的信号电平并将其转换为数字数据。
11.根据还有一实施方式，上述传感器接口包括：频率选择滤波器，基于体内的周围靶物质相关浓度对频率选择的特性进行滤波；以及包络检波器，从上述频率选择滤波器输出的多个频率中搜索最小值并输出。
12.根据另一实施方式，上述包络检波器通过将从s参数中的在s11反射的信号转换为直流(dc，direct current)电平来搜索最低点。
13.根据又一实施方式，上述传感器接口还包括：放大器，将上述包络检波器的输出大小调整为预设大小以上；以及数模转换器(adc，analog-digital converter)，接收上述放大器的输出并将其转换为数字数据。
14.根据又一实施方式，上述外部设备包括无线电力传输部，用于向上述植入设备传
输无线电力，上述植入设备包括无线电力接收部，用于接收上述外部设备传输的无线电力。
15.根据又一实施方式，上述外部设备包括：锁相环(phase-locked loop)，为了驱动上述植入设备所包括的电磁式传感器而扫描频率；以及功率放大器，提供用于驱动上述植入设备的电力。
16.根据又一实施方式，上述外部设备还包括数据恢复模块，用于恢复从上述植入设备传输的数字数据。
17.根据又一实施方式，上述外部设备还包括通信模块，用于与其他外部设备进行通信。
18.根据又一实施方式，上述外部设备还包括至少一个电磁式传感器，用于在体外测定体内的活体信息。
19.本发明提供的活体信息测定方法包括如下步骤：接收外部设备传输的特定频率的射频(rf，radio frequency)信号；基于上述外部设备传输的扫描(sweep)频率信号通过频率选择滤波器对植入设备所包括的电磁(em，electro-magnetic)式传感器反射的信号进行滤波；通过包络检波器(envelope detector)将经滤波的上述信号转换为直流(dc，direct current)电平来搜索最小值；将包括上述最小值的信号转换为数字数据；以及向上述外部设备传输上述数字数据。
20.本发明提供的活体信息测定方法包括如下步骤：为了驱动植入设备所包括的电磁(em，electro-magnetic)式传感器而通过锁相环(phase-locked loop)扫描(sweep)频率并向植入设备传输信号；通过功率放大器提供用于驱动上述植入设备的电力；以及基于上述扫描频率信号从上述植入设备接收在上述电磁式传感器反射的信号中由上述植入设备检测的包括最小值的信号转换的数字数据。
21.发明的效果
22.在此情况下，本发明实施例可通过植入设备及外部设备测定基于血糖变化的特性变化来精确测定血糖。
附图说明
23.图1为本发明一实施例的活体信息测定系统的例示图。
24.图2为本发明一实施例的植入设备的内部结构的例示图。
25.图3为本发明一实施例的外部设备的内部结构的例示图。
26.图4为示出本发明一实施例的植入设备的s11参数的响应曲线的曲线图。
27.图5为示出本发明一实施例的外部设备的s21参数的响应曲线的曲线图。
28.图6为示出本发明一实施例的活体信息测定系统在各个模式下的工作的图。
29.图7为示出本发明一实施例的血糖测定传感器在各个模式下的传播方式的图。
30.图8为示出本发明一实施例的活体信息测定系统的植入设备及外部设备的散射参数的响应曲线的曲线图。
31.图9为本发明一实施例的植入设备的活体信息测定方法的例示图。
32.图10为本发明一实施例的外部设备的活体信息测定方法的例示图。
33.最佳实施方式
34.以下，参照附图详细说明实施例。但由于，可对实施例施加多种变更，因此，这种实
施例并不限制或限定本技术的发明要求保护范围。应当理解的是，有关实施例的所有变更、等同技术方案及代替技术方案均属于发明要求保护范围。
35.在实施例中，所使用的术语仅用于说明，不应解释为限定的含义。除非在文脉上明确表示其他含义，否则单数的表达包括复数的表达。在本说明书中，“包括”或“具有”等术语用于指定说明书中所记载的特征、数字、步骤、工作、结构要素、部件或它们的组合的存在，并不预先排除一个或一个以上的其他特征、数字、步骤、工作、结构要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
36.除非另有定义，否则包括技术术语或科学术语在内的在此使用的所有术语的含义与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同。通常使用的词典中定义的术语应解释成含义与相关技术在文脉上所具有的含义相同，除非在本说明书中明确定义，否则不应以理想化或过于形式化的含义加以解释。
37.并且，在参照附图进行说明的过程中，对相同的结构要素赋予了相同的附图标记，与附图标记并无关联，并且，将省略对其的重复说明。在说明实施例的过程中，当判断有关公知技术的具体说明有可能不必要地混淆实施例的主旨时，将省略其详细说明。
38.并且，在说明实施例的结构要素过程中，可使用“第一”、“第二”、“a”、“b”、“(a)”、“(b)”等术语。这种术语仅用于对一个结构要素和其他结构要素进行区分，这种术语并不限定相应结构要素的本质、重要程度或顺序等。当表示某结构要素与其他结构要素“相连接”、“相结合”或“相联接”时，虽然表示其结构要素可直接与其他结构要素相连接或相联接，但是，也可理解为在各个结构要素之间还“连接”、“结合”或“联接”有其他结构要素。
39.对于任一实施例所包括的结构要素和包括共同功能的结构要素赋予与其他实施例相同的名称进行说明。除非存在特别相反的记载，否则任一实施例所记载的说明可适用于其他实施例，并且，将省略重复范围内的具体说明。
40.图1为本发明一实施例的活体信息测定系统的例示图。本实施例的活体信息测定系统可包括植入设备100及外部设备200。
41.在间质液中，植入设备100位于皮肤下方，包括用于测定活体信息的电磁式传感器110，具有共振频率(resonant frequency)随着植入设备100周围的介电常数(permittivity)而变化的特性。若使得植入设备100所包括的电磁式传感器110进行工作，则需要传输频率恒定变化的信号，若这种信号因电磁式传感器110而产生变化，则需要用于测定变化的传感器接口120。并且，外部设备200可通过基于散射场(fringing field)的耦合强度变化来预测间质液的活体信息变化(例如，血糖的浓度变化)。在此情况下，可利用上述植入设备100和外部设备200的各种多模式确保活体信息的测定精确度。
42.除用于在间质液测定活体信息的电磁式传感器110外，植入设备100可一并包括传感器接口120，用于测定通过电磁式传感器110变化的信号，传感器接口120可包括低噪声放大器(lna，low-noise amplifier)121、包络检波器(envelope detector)122及数模转换器(adc，analog-digital converter)123。对于上述传感器接口120，将参照图2进一步详细说明。
43.外部设备200可通过共振器300向植入设备100传输电力，植入设备100与外部设备200之间的数据传输也可通过上述共振器300实现。共振器300可通过植入设备100包括的第一电路(例如，由线圈及电容器形成电路的无线电力接收部)与外部设备200包括的电路(例
如，由线圈及电容器形成电路的无线电力传输部)之间的共振现象来引导特定频率的波或振动。在图1的实施例中，虽然说明了使用13.56mhz频率的示例，但并不限定于此。
44.在此情况下，为了管理通过共振器300传输的电力，植入设备100还可包括整流器(rectifier)130、保护器(protector)140及调节器(regulator)150。整流器130可用于在通过共振器300传输的交流电中获得直流电，调节器150可用于维持恒定电压。保护器140作为过压保护器，当从外部设备200发送电力时，可用于在植入设备100保护系统因高电力而受损。
45.如图1所示，外部设备200可包括功率放大器(power amplifier)210、应用程序处理器(ap，application processor)220、数据恢复(data recovery)模块230、外部传感器240、电池(battery)250、晶体振荡器(x-talosc(oscillator))260、调节器270及蓝牙模块280。外部传感器240可包括：基于电磁的血糖传感器(glucose sensor)241，用于使外部设备200直接测定活体信息；以及环境传感器242(environmental sensor)，用于测定周围环境相关信息(例如，温度)。基于电磁的血糖传感器241仅为一个示例，外部传感器240可包括一个以上的电磁式传感器，以便测定各种活体信息。电池250可用于向外部设备200供给电力，晶体振荡器260可用于生成准确频率。调节器270可用于维持恒定电压，蓝牙模块280可用于与智能手机等其他外部设备进行通信。蓝牙仅为一个示例，也可应用用于与其他外部设备进行通信的多种通信协议及对应于通信协议的通信模块。应用程序处理器220作为微控制单元(mcu，micro control unit)，可通过监控植入设备100和外部设备200的电力来管理(power control)需求以上的电力传输。并且，可控制从蓝牙模块280、外部传感器240接收的数据，可处理从植入设备100传输的数据。这种功率管理或数据的控制/处理可通过应用程序处理器包括的算法(algorithm)来实现。数据恢复模块230可包括带内数据恢复(in-band data recovery)系统，用于恢复从植入设备100传输的数据。作为一例，植入设备100通过调制(modulation)方法(例如，lsk、fsk、osk等)将测定数据从数百khz调制成数千khz的信号后，可加载到13.56mhz的信号传输。在此情况下，针对电力因数据而减少一定程度并再次表现正常电平的情况，外部设备200的数据恢复模块230可通过解调对13.56mhz信号进行滤波来恢复用于数据的信号。除此之外，外部设备200可包括无线电力传输系统，用于传输植入设备100驱动所需电力。
46.图2为本发明一实施例的植入设备的内部结构的例示图。传感器接口120测定电磁式传感器110的s参数(s-parameter)特性，即，可测定从电磁式传感器110反射回来的射频(rf，radio frequency)的电平(power level)并将其转换为数字数据。被转换为数字数据的数据可通过植入设备100传输至体外(例如，外部设备200)。
47.如上所述，传感器接口120可包括低噪声放大器121、包络检波器122及数模转换器123。在图2的实施例中，还可包括频率选择滤波器(frequency-selective filter)124及放大器(amp，amplifier)125。
48.低噪声放大器121可接收从外部设备200传输的特定频率的射频信号，频率选择滤波器124与插入皮下的电磁式传感器110相联动，具有基于传感器周围的靶物质(例如，血糖)相关浓度选择频率的特性，因此，可对从电磁式传感器110反射回来的信号大小执行滤波工作。包络检波器122可通过将从s参数中的在s11反射的信号转换为直流(dc，direct current)电平来搜索最低点。放大器125可按照数模转换器123调节包络检波器122的输出，
数模转换器123可将放大的信号实现数字化并传输至无线携能通信(swipt，simultaneous wireless information and power transfer)集成电路(ic，integrated circuit)。上述无线携能通信集成电路(swipt ic)可以为包括上述整流器130、保护器140、调节器150及共振器300的植入设备100所包括的第一电路等电路。作为一例，数模转换器123可充分处理30db以上的信号范围。
49.图3为本发明一实施例的外部设备的内部结构的例示图。外部读取模块(external reader module)400可存在于外部设备200，可包括功率放大器(power amp(amplifier))210及锁相环(phase-locked loop)410。上述外部读取模块400可包括扫频驱动(frequency sweeping and driving)电路，为了测定植入设备100所包括的电磁式传感器110的s参数特性变化而通过足够宽的频带驱动电磁式传感器110。由此，构成外部读取模块400的锁相环410可对插入皮下的植入设备100实现频率扫描，功率放大器210可提供用于驱动植入设备100的电力。
50.图4为示出本发明一实施例的植入设备的s11参数的响应曲线的曲线图，图5为示出本发明一实施例的外部设备的s21参数的响应曲线的曲线图。
51.图6为示出本发明一实施例的活体信息测定系统在各个模式下的工作的图。活体信息测定系统的模式可包括三种模式，即，侵入模式、单模式及排列模式。
52.在三种模式中，侵入模式作为精密测定血糖的模式，可通过注射器插入皮下的直径小于3mm的超小型电磁式传感器以5分钟间隔测定扩散在间质液层的血糖变化。用于侵入模式的传感器可在宽频带以密集频率扫描传感器周围的电磁波并按照频率分析反射的电磁特性来精密测定基于血糖变化的介电常数变化。对比基于电磁的非侵入式外部附着型血糖传感器，上述侵入模式可在测定过程中排除压力、温度、湿度、动作等影响来实现精确的血糖测定。
53.单模式作为负责更广泛区域的血糖测定的模式，虽然精准度略低于侵入模式，但是，与侵入模式相同地，可通过附着在体外皮肤表面的电磁传感器以5分钟间隔测定间质液层的血糖变化。单模式传感器为非侵入式血糖测定模式，可基于两个电磁式传感器之间的干扰(coupling)变化分析深入间质液层的电磁波变化来测定血糖。即，虽然单模式多少有些粗糙，但是，可在广范围内确定(粗扫描(coarse scanning))血糖的大致范围(粗扫描)，而侵入模式可通过确定范围内的精密扫描(fine scanning)对模式1(mode1)与模式2(mode2)检测信息进行融合(fusion)来实现能够在40mg/dl～600mg/dl的广范围内精确测定血糖值的异构传感网冗余(heterogeneous sensor redundancy)。
54.在血糖变化相对较大的情况下，排列模式作为实时检测其危险性的模式，虽然精准度大幅降低，但是，可通过附着在体外皮肤表面的电磁式传感器实时监控位于比间质液层更深处的血管内的血糖变化。排列模式传感器可基于使得多个电磁式传感器同时并联工作来增加电磁渗透深度的原理实时检测血管内的急剧血糖变化。相比于血管内实际血糖值，由于间质液层中的血糖值存在5分钟～20分钟的时间延迟，因此，排列模式可通过血管内血糖变化实现实时血糖测定。
55.图7为示出本发明一实施例的血糖测定传感器在各个模式下的传播方式的图。其中，示出作为模式1的侵入模式针对皮下的脂肪层，作为模式2的单模式使传播到达部分肌肉层为止，作为模式3的排列模式使传播到达血管为止的例。
56.图8为示出本发明一实施例的活体信息测定系统的植入设备及外部设备的散射参数的响应曲线的曲线图。图8的曲线图示出基于活体信息(例如，血糖)变化产生的植入设备100及外部设备200中的共振频率(resonance frequency)变化。在植入设备100中，若介电常数增加，则通过模拟导出血糖数值降低的现象，若血糖数值上升，则介电常数降低且共振频率上升。
57.由于用于生成驱动内部传感器(例如，植入设备100)所需频率的频率生成系统的面积相对较大，因此，为了改善这种问题，本发明实施例可从外部(例如，外部设备200)向内部的传感器传输频率。
58.在这种活体信息测定系统中，虽然可对无线电力传输和数据传输使用13.56mhz的频率，但并不限定于此。可通过无线电力传输技术从外部设备200向没有如电池等额外供电单元的植入设备100供电，由此，可向植入设备100的传感器接口120供电。外部设备200可通过外部读取模块400生成以规定间隔匹配用于驱动植入设备100的数千兆赫兹频率的扫描频率(sweeping frequency)并传输至植入设备100。
59.从外部设备200传输至植入设备100的频率可驱动电磁式传感器110。在此情况下，电磁式传感器110可基于周围的血糖变化使得介电常数(permittivity)产生变化来改变s参数特性。
60.散射参数s11的值在特定共振频率处降低。为了搜索最低点，外部设备200可通过外部读取模块400对宽频带进行频率扫描(frequency sweep)并向植入设备100传输。从电磁式传感器110反射的各个频率特性可通过频率选择滤波器124以与电磁式传感器110相同的方式按照周围靶物质(例如，血糖)相关浓度改变频率选择(frequency selective)的特性来实现滤波。各个频率可传输至包络检波器122，可从包络检波器122搜索最小值。由于包络检波器(envelope detector)的输出功率过大或过小可对数模转换器123输入产生影响，因此，可通过基频放大器(baseband amplifier，如放大器125)将输入于数模转换器123的信号大小调节为30db以上的输入。随着基频放大器(baseband amplifier)调节的输出由数模转换器123所接收而被转换为0、1的数字信号后，可通过负载调制键控(lsk，load shift keying)等反向散射通信(back scattering communication)技术向外部的外部设备200传输。外部设备200可基于从植入设备100传输的数字信号(数字数据)生成活体信息相关数据，可通过通信模块向其他外部设备(例如，智能手机)传输所生成的数据。
61.图9为本发明一实施例的植入设备的活体信息测定方法的例示图。本实施例的活体信息测定方法可由以上说明的植入设备100执行。
62.在步骤910中，植入设备100可接收外部设备200传输的特定频率的射频信号。其中，所接收的射频信号可包括通过无线电力传输的电力，可用于驱动植入设备100。
63.在步骤920中，植入设备100可基于外部设备200传输的扫描频率信号通过频率选择滤波器124对植入设备所包括的电磁式传感器110反射的信号进行滤波。可基于共振频率随着植入设备100周围的介电常数而变化的特性测定血糖，为此，外部设备200可通过锁相环410扫描频率并向植入设备100传输信号。在此情况下，植入设备100可接收电磁式传感器110反射的信号并通过频率选择滤波器124进行滤波来输出滤波的频率信号。
64.在步骤930中，植入设备100可通过包络检波器122将经滤波的信号转换为直流电平来搜索最小值。
65.在步骤940中，植入设备100可将包括最小值的信号转换为数字数据。作为一例，植入设备100可通过放大器125将包括最小值的信号大小放大为规定大小以上，可将由数模转换器123放大的信号转换为数字数据。
66.在步骤950中，植入设备100可向外部设备200传输数字数据。如上所述，可利用无线携能通信集成电路(swipt ic)向外部设备200传输数字数据。
67.图10为本发明一实施例的外部设备的活体信息测定方法的例示图。本实施例的活体信息测定方法可由以上说明的外部设备200执行。
68.在步骤1010中，为了驱动植入设备100包括的电磁式传感器110，外部设备200可通过锁相环410扫描频率并向植入设备100传输信号。
69.在步骤1020中，外部设备200可通过功率放大器提供用于驱动植入设备100的电力。作为一例，外部设备200可通过功率放大器210向植入设备100传输特定频率的射频信号。
70.在步骤1030中，外部设备200可基于扫描频率信号从植入设备接收在电磁式传感器110反射的信号中由植入设备100检测的包括最小值的信号转换的数字数据。在此情况下，外部设备200可基于共振频率随着植入设备周围的介电常数而变化的特性测定血糖。
71.在此情况下，本发明实施例可通过植入设备及外部设备测定基于血糖变化的特性变化来精确测定血糖。
72.以上说明的装置可通过硬件结构要素、软件结构要素和/或硬件结构要素及软件结构要素的组合来实现。例如，在实施例中说明的装置及结构要素可利用处理器、控制器、算术逻辑单元(alu，arithmetic logic unit)、数字信号处理器(digital signal processor)、微型计算机、现场可编程门数组(fpga，field programmable gate array)、可编程逻辑单元(plu，programmable logic unit)、微型处理器或可执行并响应指令(instruction)的其他装置等的至少一个通用计算机或特殊目标计算机实现。处理装置可执行操作系统(os)及在上述操作系统上执行的至少一个软件应用程序。并且，处理装置可响应软件的执行来访问、存储、操作、处理及生成数据。为了便于理解，虽说明了仅使用一个处理装置的情况，但是，本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解的是，处理装置可包括多个处理要素(processing element)和/或多个类型的处理要素。例如，处理装置可包括多个处理器或一个处理器及一个控制器。并且，还可包括如同并联处理器(parallel processor)等的其他处理结构(processing configuration)。
73.软件可包括计算机程序(computer program)、代码(code)、指令(instruction)或它们中的一种以上的组合，能够以按需要进行工作的方式构成处理装置或者独立或结合性(collectively)地向处理装置下达指令。软件和/或数据可为了通过处理装置解释或者为了向处理装置提供指令或数据而由任何类型的机械、结构要素(component)、物理装置、计算机存储介质或装置具体化(embody)。软件分散在网络连接的计算机系统上，从而可通过分散的方法存储或执行。软件及数据可存储于至少一个计算机可读记录介质。
74.实施例的方法体现为可通过多种计算机单元执行的程序指令形态来记录在计算机可读介质。在此情况下，介质也可以为用于持续存储、执行或下载计算机可执行程序而临时存储的。并且，介质可以为单个多种记录装置或存储装置或由多个硬件结合的多种记录装置或存储装置，并不限定于与某计算机系统直接连接的介质，也可以为分散存在于网络
上的介质。作为一例，介质包括硬盘、软盘及磁盘等磁介质、cd-rom及dvd等光记录介质、光磁软盘(floptical disk)等磁光介质(magneto-optical medium)及只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、闪存等用于存储程序指令语言的装置。并且，作为其他介质的一例有用于流通应用程序的应用商店、提供或流通其他多种软件的网站及由服务器等管理的记录介质或存储介质。
具体实施方式
75.以上，虽然通过限定实施例和附图说明了实施例，但是，本发明所属技术领域的普通技术人员可基于以上内容进行多种修改及变形。例如，即使所说明的技术以与所说明的方法不同的顺序执行和/或所说明的系统、结构、装置、电路等结构要素以与所说明的方法不同的实施方式结合或组合，或者，即使被其他结构要素或等同技术方案所代替或置换也可实现适当结果。
76.因此，其他实施方式、其他实施例及等同于发明要求保护范围的内容也属于本发明的保护范围内。