Система збору даних

Реферат: Пристрій для збору даних має перший і другий електроди. Перший електрод з'єднують з поверхнею, що становить інтерес, а другий електрод з'єднують з "навколишнім простором" або з "повітрям". Перший електрод екранований від другого й від більшості джерел паразитної ємності за допомогою захисного екрана, на якому активний утворювач потенціалу утворює потенціал, що відповідає миттєвому потенціалу на електроді, а в ідеальному випадку співпадає з ним. Другий електрод екранований від більшості джерел паразитної ємності аналогічним чином. Ці екрани також допомагають обмежити рівень проникнення високочастотних перешкод від електронних схем пристрою до кожного з електродів. За рахунок цього досягається значно краще співвідношення "сигнал-шум" системи у смузі частот, що становить інтерес. UA 110023 C2 (12) UA 110023 C2 UA 110023 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відповідно до § 119 розділу 35 Кодексу законів США, ця заявка претендує на пріоритет заявки США під номером 61/300,435, поданої 01.02.2010 року під назвою "Two-wrist datagathering system", і заявки США під номером 61/378,878, поданої 31.08.2010 року під назвою "Data Gathering System". Кожна зі згаданих заявок повністю включена в цю заявку у всій її повноті шляхом посилання. Вступ Виявляти та реєструвати деякі електромагнітні сигнали, наприклад, сигнали ЕКГ, сигнали провідності, високочастотні сигнали тощо, може бути дуже непросто, що змушує користуватися незручними або громіздкими системами збору даних. Навколишнє середовище може вносити перешкоди, які б ділянки спектра електромагнітних (ЕМ) випромінень не досліджувалися. Джерело цільового електромагнітного сигналу (наприклад, пристрій, розташований усередині пацієнта) може бути заглушене або майже заглушене сигналами, природно властивими пацієнтові. Пристрій збору даних, скоріше за все, буде оснащено мікроконтролером та іншими електронними засобами, що випромінюють сигнали, які ще більше погіршують відношення "сигнал-шум" системи для збору даних. Можливо, менш наочними, але також дуже важливими є паразитні ємності, які, попри невелику абсолютну величину, можуть розсіювати електромагнітну енергію у частотному діапазоні, що становить інтерес. Джерелами паразитної ємності можуть бути певне відносне розташування пар чутливих електродів, певне відносне розташування кожного окремого електрода щодо друкованих плат, які мають заземлений шар, і певне відносне розташування кожного окремого електрода щодо більших металевих або провідних об'єктів, таких як батареї або елементи живлення. Прикладом пристрою, що розташовується усередині пацієнта, який може передавати сигнали, що становлять інтерес, є проковтуваний датчик (відомий фахівцям як "ingestible event marker", або ІЕМ), описаний у патентній публікації США 2010-0185055, озаглавленій "Ingestible event marker systems", патентній публікації США 20100081894, озаглавленій "Communication system with partial power source", патентній публікації США 20100022836, озаглавленій "In-body device having a multi-directional transmitter", патентній публікації США 20090256702, озаглавленій "Multi-mode communication ingestible event markers and systems, and methods of using same", патентній публікації США 20090135886, озаглавленій "Transbody communication systems employing communications channels", a також патентній публікації США номер 20090082645, озаглавленій "In-body device with virtual dipole signal amplification", патентній публікації США 20100312188, озаглавленій "Body-Associated Receiver and Method", кожна з яких включена в цей документ шляхом посилання. Такий ІЕМ-пристрій неминуче є вкрай обмеженим у наявному запасі електричної енергії, а також у розмірах антени для зв'язку передавача із наявним поблизу середовищем передавання. Як наслідок, випромінюваний сигнал не набагато потужніший, ніж типові джерела перешкод з навколишнього середовища. Дотепер приймання таких сигналів від ІЕМ-пристрої потребувало використання клейкої накладки, подібної до великої лейкопластирної пов'язки, яка накладалася до живота пацієнта, щоб бути поблизу ІЕМ-пристрою, коли він випромінюватиме сигнал. Потенційні недоліки використання клейкої накладки полягають у ризику подразнення епідермісу внаслідок контакту з клейкою речовиною, можливому обмеженні вільних переміщень і, можливо, у неестетичному зовнішньому вигляді. Приклад системи збору даних, що бути використана, показаний на фіг. 2. Задачею такої системи 201 є реєстрація сигналу, виявлюваного між (а) поверхнею 102, такою як біологічна тканина тіла пацієнта, і (б) "повітрям" або загальною навколишньою ділянкою простору (на фіг. 2, розташована будь-де поза цією тканиною й системою збору даних). Реєстрація сигналів здійснюється за допомогою електрода 203, з'єднаного з поверхнею 102, і електрода 204, з'єднаного з "повітрям". Друкована плата 208 включає в себе схеми 207 і підключена до батареї або елемента живлення ("батареї") 209. Схеми 207 з'єднані з електродами 203, 204. Принцип роботи полягає в тому, що сигнали від кожного із двох електродів 203, 204 надходять на вхід диференціального підсилювача в електронних схемах 207, і, таким чином, детектується цільовий сигнал. Система 201 могла б бути з'єднана з біологічною тканиною у "сухий" спосіб (на відміну від розглянутої вище клейкої накладки) і могла б бути зручно розташована в місці, відмінному від ділянки живота, наприклад, у браслеті, якби за таких умов вдалося домогтися надійного приймання сигналів, що становлять інтерес. Між тим, експерименти показують, що на частотах, що становлять інтерес, (порядку десятків кілогерц) паразитні ємності, наявні у пристрої 201, призводять до втрат значної частини будьякого виявленого сигналу. Як можна змоделювати, паразитні ємності можуть виникати між електродом 204 і земляним шаром друкованої плати 208, між електродом 204 і батареєю 209, 1 UA 110023 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 між електродом 203 і земляним шаром друкованої плати 208, а також між електродом 203 і батареєю 209. Також імовірна наявність певної паразитної ємності між електродом 203 і електродом 204. Експерименти вказують також на ймовірність випромінювання електронними схемами 207 високочастотних перешкод, які згодом реєструватимуться електродами 203, 204. Бажання мати пристрій 201 малого розміру виключатиме використання традиційних феритових сердечниках та інших засобів, які в іншому випадку могли б використовуватися для фільтрації високочастотних перешкод у ланцюгах. Також малі розміри пристрою обумовлюють розташування електродів й джерел високочастотних перешкод на дуже невеликих відстанях між собою. Одним з рішень, використовуваних для зниження рівня високочастотних перешкод, є екранування їх джерела. У випадку пристрою 201 це може здійснюватися шляхом встановлення металевого екрана, виготовленого з відповідним чином підібраного металу або сплаву, навколо електронних схем 207. Хоча при використанні подібного рішення рівень високочастотних перешкод дійсно може знизитися, воно має недолік, який полягає у внесенні ще більших паразитних ємностей з електродами 203, 204. Було б бажано розробити метод надійного приймання таких слабких електричних сигналів, який би більшою мірою відповідав вимогам пацієнтів, ніж рішення, відомі з рівня техніки. Таке рішення має менше подразнювати епідерміс, менше обмежувати вільність рухів, або взагалі не обмежувати її, і бути більш естетичним на вигляд. Суть винаходу Пристрій для збору даних має перший і другий електроди. Перший електрод з'єднаний із поверхнею, яка становить інтерес, а другий електрод з'єднаний з "навколишнім простором", або "повітрям". Перший електрод екранований від другого й від більшості джерел паразитної ємності за допомогою захисного екрана, на якому утворювач потенціалу утворює потенціал, що мав би відповідати миттєвому потенціалу на електроді, а в ідеальному випадку співпадав би з ним. Другий електрод екранований від більшості джерел паразитної ємності аналогічним чином. Ці екрани також допомагають обмежити рівень проникнення високочастотних перешкод від електронних схем пристрою до кожного з електродів. За рахунок цього досягається значно краще відношення "сигнал-шум" системи збирання даних у смузі частот, що становить інтерес. Опис фігур Фіг. 1 - вигляд у розрізі датчика відповідно до цього винаходу; Фіг. 2 вигляд у розрізі прикладу датчика, відомого з рівня техніки; і Фіг. З функціональна блок-схема датчика, зображеного на фіг. 1. Докладний опис винаходу На фіг. 1 зображений датчик 101 за цим винаходом у розрізі. Датчик має перший і другий електроди 103 і 104. Перший електрод 103 з'єднаний з поверхнею 102, що становить інтерес, яка може бути біологічною тканиною тіла пацієнта, а другий електрод 104 з'єднаний з "навколишнім простором", або з "повітрям". Хоча це питання здебільшого має термінологічний характер, можна вважати другий електрод 104 електродом, підключеним до "землі" або "землінавколишнього простору". Перший електрод 103 екранований від другого електрода 104 і від більшості джерел паразитної ємності екраном 105, на якому активний утворювач потенціалу (не показаний на фіг. 1 з міркувань ясності зображення) утворює потенціал, що мав би відповідати миттєвому потенціалу на електроді 103, а в ідеальному випадку співпадає з цим потенціалом. Другий електрод 104 подібним чином екранований від більшості джерел паразитної ємності екраном 106. Ці екрани 105, 106 також допомагають обмежити проникнення високочастотних перешкод від електронних схем 107 пристрою до кожного з електродів 103, 104. У такий спосіб досягається значно краще співвідношення "сигнал-шум" датчика 101 у смузі частот, що становить інтерес, у порівнянні з відомими датчиками. У разі відсутності екрануючої дії екранів 105, 106 електроди 103, 104 були б зв'язані через паразитні ємності з батареєю 109, із шарами заземлення друкованої плати 108, а також між собою. Фіг. 3 являє собою функціональну блок-схему датчика, 101 зображеного на фіг. 1. Блок електрод-екран 104/106 підключений до друкованої плати 108 за допомогою з'єднувача 301. Подібним чином блок електрод-екран 103/105 підключений до друкованої плати 108 за допомогою з'єднувача 302. Сигнал, що детектується електродом 104, підсилюється підсилювачем 304, який утворює потенціал на екрані 106. Сигнал, що детектується електродом 103, підсилюється підсилювачем 306, який утворює потенціал на екрані 105. Сигнал, що детектується на електроді 104, підсилюється також підсилювачем 303, утворюючи один з двох вхідних сигналів для диференціального підсилювача 307. Результуючий сигнал (різниця 2 UA 110023 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 миттєвих потенціалів на двох електродах) згодом може бути підданий фільтруванню через смуговий фільтр 308 і перетворений у цифровий сигнал за допомогою аналого-цифрового перетворювача 309. Фахівцю буде зрозуміло, що має бути вибраний підсилювач 304 з частотною характеристикою, достатньою для утворення потенціалу на екрані 106 у смузі частот, що становить інтерес, і, бажано, на дещо вищих частотах. Також має бути вибраний підсилювач 304 з потужністю, достатньою для передавання достатнього заряду до екрана 106 і назад, з урахуванням його фізичних розмірів і повного опору. Те ж саме може бути сказане і про підсилювач 306, відносно його відповідного екрана 105. В одному з аспектів цього винаходу, що розглядається як один з прикладів, смуга частот, що становить інтерес, дорівнює 54 кГц ± 5 кГц. Відповідно, смуговий фільтр 308 підібраний так, щоб пропускати цю смугу частот. Проте вважається, що можуть бути розроблені такі ІЕМ-пристрої, які випромінюють сигнали із частотою порядку одного мегагерца й вище, і бажано, аби пристрій збору даних 101 міг виконувати свої функції й у таких смугах частот. В інших пристроях 101 може використовуватися смуга частот приблизно 20 кГц. Фахівцю буде зрозуміло, що частотні характеристики підсилювачів 303, 305 і 307, а також фільтра 308 і аналого-цифрового перетворювача 309 мають бути достатніми для роботи у смузі частот, що становить інтерес. Фахівцю також буде зрозуміло, що, хоча електронні схеми на фіг. 3 показані з окремими елементами, такими як окремі операційні підсилювачі 303, 304, 305, 306, 307 і окремий активний фільтр 308, переваги цього винаходу так само можуть бути забезпечені при заміні деяких або більшої частини компонентів, зображених на фіг. 3, процесором цифрової обробки сигналів, що, звісно, не виводитиме за межі цього винаходу. Підсилювачі 304, 306 повинні мати високий коефіцієнт підсилення на частотах, що становлять інтерес, а також мати низький рівень власних шумів. У прикладі реалізації ідей даного винаходу, що розглядається в цьому тексті, сигнали надходять у мікроконтролер (не показаний на фіг. 3 з міркувань ясності зображення) і зберігаються в ньому (або запам'ятовувальному пристрої, підключеному до мікроконтролера) у вигляді даних, після чого ці дані можуть бути передані у зовнішні стосовно пристрою 101 системи, наприклад, в звичайний комп'ютер, що виконує відповідне програмне забезпечення для аналізу отримуваних сигналів. Джерелом живлення електронних схем 107 є елемент живлення або батарея у вигляді диска малих розмірів ("таблетка"). В іншому варіанті дані можуть передаватися до обладнання, зовнішнє стосовно пристрою 101, у бездротовий спосіб, наприклад через Bluetooth. Таким обладнанням може бути смартфон, що виконує відповідну прикладну програму для приймання даних через Bluetooth і подальшого передавання цих даних на віддалений вузол, за протоколом GPRS або за іншим протоколом мобільного зв'язку для передавання даних. У прикладі реалізації ідей даного винаходу, що розглядається в цьому тексті, пристрій 101 являє собою плоский пристрій у формі квадрата зі стороною 3 см. Його можна виконати у форматі, подібному до наручного годинника, з розмірами, що лиш дещо перевищують розміри елемента живлення у вигляді диска ("таблетки"), що використовується для живлення пристрою 101. Бажаний результат полягає в реєстрації сигналів, що становлять інтерес, в одній віддаленій точці, наприклад на зап'ястку. Зв'язок може здійснюватися за допомогою сухого неприлипливого електрода, який має ємнісний зв'язок з тілом, або, у ряді випадків, безпосереднє електричне з'єднання з тілом. З точки зору користувача відповідний пристрій може мати вигляд еластичного пояса на грудях або попереку, еластичного браслета або "нашийника". Електрод 103 може бути виготовлений із золота, платини або нержавіючої сталі. Активне екранування, здійснюване за допомогою екранів 105, 106, на яких утворюється потенціал утворювачами потенціалу 304, 306, дозволяє пристрою 101 реєструвати сигнали, такі як сигнали ІЕМ-пристрою, навіть попри більшу відстань від ІЕМ-пристрою, у порівнянні з відомими аналогами у вигляді накладок типу липких пластирів-наклейок, і навіть попри те, що пристрій є неприлипливим. Завдяки цьому система, що складається з пристрою 101 та проковтуваного ІЕМ-пристрою, стає зручнішою для користувачів. Додаткове екранування може бути розташоване навколо електронних схем 107 і підключене, наприклад, до заземленого шару друкованої плати 108, або підключене, наприклад, до точки з потенціалом, значення якого є проміжним між значеннями потенціалів на контактах батареї. Слід мати на увазі, що пристрої 101 можуть бути використані парами, при цьому кожний пристрій торкається тіла в окремому місці. Кожний з двох пристроїв 101 може бути підключений до "землі-навколишнього простору", і тому вони будуть до певної міри зв'язані між собою - через 3 UA 110023 C2 5 електроди 104. Відповідно, такі парні пристрої можуть збирати дані з тіла пацієнта в конфігурації, що певною мірою може розглядатися як "дипольна". Фахівці в цій галузі техніки зможуть розробити численні очевидні варіанти і модифікації розкритих в цьому тексті засобів, не відхиляючись від ідеї цього винаходу, при цьому всі такі очевидні варіанти і модифікації слід вважати охопленими формулою винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Пристрій для збору даних, який включає в себе: перший неприлипливий електрод, передбачений для утворення ємнісного зв'язку або безпосереднього електричного з'єднання з певною поверхнею; другий неприлипливий електрод, передбачений для утворення ємнісного зв'язку або безпосереднього електричного з'єднання з певною ділянкою навпроти згаданої поверхні: електронні схеми, розташовані між згаданими першим і другим електродами; при цьому перший електрод екранований екраном, розташованим між першим електродом і електронними схемами; при цьому другий електрод екранований екраном, розташованим між другим електродом і електронними схемами; причому електронні схеми включають в себе перший утворювач потенціалу і перший підсилювач, на входи яких надходить сигнал з першого електрода, при цьому вихід першого утворювача потенціалу підключений до екрана першого електрода; причому електронні схеми включають в себе другий утворювач потенціалу і другий підсилювач, на входи яких надходить сигнал з другого електрода, при цьому вихід другого утворювача потенціалу підключений до екрана другого електрода; причому електронні схеми також включають в себе диференціальний підсилювач, який має перший і другий входи, з'єднані, відповідно, з виходами першого та другого підсилювачів, та один вихід; причому електронні схеми також включають в себе засоби для передавання даних, що відображають сигнал на виході диференціального підсилювача, в обладнання, зовнішнє відносно даного пристрою. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що перший електрод і другий електрод є загалом плоскими й паралельними один іншому, при цьому електронні схеми розташовані між першим і другим електродами паралельно їм. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що засоби для передавання даних, що відображають сигнал на виході диференціального підсилювача, в обладнання, зовнішнє відносно даного пристрою, включають в себе з'єднувач послідовного інтерфейсу для передавання даних. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що засоби для передавання даних, що відображають сигнал на виході диференціального підсилювача, в обладнання, зовнішнє відносно даного пристрою, включають в себе засоби технології Bluetooth. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що сигнал з виходу диференціального підсилювача пропускають через смуговий фільтр зі смугою пропускання, що включає частоту 54 кГц. 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що не одержує живлення ззовні пристрою. 7. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що додатково включає в себе екран, що оточує електронні схеми. 8. Спосіб для використання в процесі приймання сигналів, який включає такі кроки: надання першого неприлипливого електрода, який має ємнісний зв'язок або безпосереднє електричне з'єднання з певною поверхнею; надання другого неприлипливого електрода, який має ємнісний зв'язок з певною ділянкою навпроти згаданої поверхні; надання електронних схем, розташованих між згаданими першим електродом і другим електродом; надання першого екрана між першим електродом і електронними схемами; надання другого екрана між другим електродом і електронними схемами; утворення на першому екрані потенціалу відповідно до сигналу, наявному на першому електроді; утворення на другому екрані потенціалу відповідно до сигналу, наявному на другому електроді; визначення різниці між сигналом, наявним на першому електроді, і сигналом, наявним на другому електроді; і 4 UA 110023 C2 5 10 15 передавання даних, що відображають згадану різницю, в обладнання, зовнішнє відносно даного пристрою; причому електронні схеми включають в себе перший утворювач потенціалу і перший підсилювач, на входи яких надходить сигнал з першого електрода, при цьому вихід першого утворювача потенціалу підключений до екрана першого електрода; причому електронні схеми включають в себе другий утворювач потенціалу і другий підсилювач, на входи яких надходить сигнал з другого електрода, при цьому вихід другого утворювача потенціалу підключений до екрана другого електрода; причому електронні схеми також включають в себе диференціальний підсилювач, який має перший і другий входи, з'єднані, відповідно, з виходами першого та другого підсилювачів, та один вихід, сигнал з якого відображає згадану різницю. 9. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що передавання даних, що відображають згадану різницю, в обладнання, зовнішнє відносно даного пристрою, включає передавання послідовних даних через з'єднувач послідовного інтерфейсу для передавання даних. 10. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що передавання даних, що відображають згадану різницю, в обладнання, зовнішнє відносно даного пристрою, включає передавання даних по Bluetooth. 11. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що згадана поверхня є шкірою тіла. 12. Спосіб за п. 11, який відрізняється тим, що шкіра є шкірою зап'ястка. 5 UA 110023 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6