本发明的装置、系统和方法用于被动式地监护一个或者多个病人、 婴儿、疗养院病人、家庭保健治疗病人，或监护能够对之有益的任何 其他个人或人们。“被动式监护(passive monitoring)”一般指的是，依 据本发明的监护不需要将装置直接固定到病人。一般地，通过仅仅让 病人躺、坐、倚靠、站或以类似动作作用在其上安装有该装置的表面 上，或在一些实施例中，让病人贴着皮肤或者隔着一层或多层衣服来 穿戴装置，而使得病人与本发明的装置相耦合。因此，在这里所使用 的术语“被动式监护”一般指这样的情况：本发明的装置通常不需要 直接固定到病人以监护该病人。
在一些实施例中，本发明的传感器装置包括至少两个与一平面或 平垫结合的压电传感器，它们可以安置于床、椅座、椅背、轮椅、手 术室台、牙医椅或者类似物上。传感器装置可以置于一层或多层被褥 下，并可以穿过一层或多层病人衣服、病人手术服或类似物来监护病 人。所述传感器装置典型地是将通过有线或无线通信而与处理器相耦 合的。处理器接收由压电传感器所检测到的数据，并将该检测到的数 据处理成可由医师、护士或其他使用者利用的形式。任何合适的病人 参量都可以受到监测，例如但不局限于：病人运动，病人位置，呼吸 频率，心率，血压和/或类似参量。这类装置可以被用于单独一个病人， 诸如在清醒镇静下经历一个手术的病人，或可以被用来同时监护多个 病人，诸如在医院的普通护理楼层或病房的多个病人。
本发明的另一方面，被动式监护至少一个病人的方法包括：在一 表面上设置传感器装置，该传感器装置具有至少两个压电传感器；然 后通过使病人躺、坐、倚靠、站在该表面上或穿戴该表面，而使病人 与至少一部分所述传感器装置耦合。用传感器装置的第一压电传感器 来检测第一机械信号，而用传感器装置的第二压电传感器来检测第二 机械信号，第一和第二机械信号被转换为第一和第二数字信号，且比 较第一和第二数字信号；最后，基于这些数字信号的比较，而将病人 数据提供给使用者。
所述传感器装置可以被设置于任何合适的表面上，诸如病床、床、 手术室台、检查台、操作椅或操作台、牙医椅、医院病椅(hospital chair)、 椅座、椅背、轮椅、婴儿床、担架、葛尼椅(gurney)或者任何其他表 面。在一些实施例中，传感器装置可以作为某种可穿戴装置来提供。 通常，除了至少两个压电传感器外，所述传感器装置还包括一个平面， 该平面具有用于使压电传感器与该平面结合的装置。因此，使病人与 传感器装置耦合可以包括仅仅使病人躺在设置有该装置的床上。在其 他实施例中，将病人和传感器装置连接可以包括使病人坐到设置有该 装置的椅子上，或者坐到椅座、靠到椅背上或两者兼有。有时，将会 通过至少一层衣服、被褥或其他材料而让病人与传感器耦合。
在各种不同的实施例中，可以由压电传感器来检测任何数量的机 械信号。例如，在一个实施例中，可以检测应力信号、热信号和/或声 信号。在任何特定环境中均可以检测病人或非病人的此类信号。例如， 病人可以是某个在医院普通护理区、长期疗养院(long-term care facility)或疗养院的病人。在另一实施例中，病人可以是在清醒镇静下 经历外科操作的病人。
所述传感器装置可以包含任何合适数量的压电传感器。在各种不 同的实施例中，传感器装置可以包括2、4、6、8、16、18、32或36 个压电传感器。可以考虑任何数量、组合、型式、尺寸、形状或类型 的压电传感器。当两个以上的传感器包含于传感器装置中时，可以用 传感器的任何组合形式来检测机械信号，而且可以比较来自各个传感 器的信号的任何组合，以给使用者提供病人数据。例如，一种方法可 以包括检测转换为第三和第四数字信号的第三和第四机械信号，并且 比较上述的第一、第二、第三和第四数字信号。
比较数字信号可以包括，将一个信号的存在或不存在与另一信号 的存在或不存在加以比较。例如，如果在一个传感器中有正机械信号， 而在另一传感器中没有信号，这就可以被用来在传感器装置上提供关 于病人位置的信息。比较数字信号可以进一步包括，将第一信号的数 量、质量和/或信息内容与第二信号的数量、质量和/或信息内容加以比 较。例如，来自安置在病人胸部附近的传感器的机械信号，其对应于 心博信号，会比来自安置于病人右脚附近的传感器的心博信号具有更 高的质量。在一个实施例中，方法进一步包括，基于哪个信号具有最 高的质量或信息内容，而在其他信号中选择一个信号，以提供数据给 使用者。任选地，方法也可以包括，基于两个或更多个信号的比较， 来确定病人是否在上述表面上。该方法可以进一步包括确定病人在该 表面上的位置。
在一个实施例中，所述方法包括将数字信号分为至少两组，其对 应于至少两种病人参量。例如，参量可以包括但不局限于在传感器装 置上的病人运动、在传感器装置上的病人位置、病人呼吸频率和/或病 人心率。任选地，该方法可以包括将至少其中一个数字信号与至少一 个预先设定的阈值加以比较。此类阈值可以包括任一病人参量或各个 参量的组合。例如，一个或多个病人身体运动的数字信号可以与身体 最小运动量和身体最大运动量中的至少一个进行比较。在另一个实施 例中，一个或多个呼吸频率数字信号可以与最小呼吸频率和最大呼吸 频率中的至少一个比较。在又一个实施例中，一个或多个心率数字信 号可以与至少一个最小心率比较。在其他实施例中，其他信号或信号 的组合可以与多个阈值比较。在使用阈值的场合，当至少一种数字信 号不符合至少一个预先设定的阈值时，提供病人数据给使用者可以包 括激活警报器。在其他实施例中，如果在一个或多个病人参量中检测 到某种负面趋势，警报器便会被激活。例如，心博信号可以与较早的 心博信号相比较，而呼吸信号则可以与较早的呼吸信号相比较，并且， 如果出现负面的心博趋势、负面的呼吸趋势或它们的某种组合，便激 活警报器。
病人数据可以以任何合适的形式提供给一个或者多个使用者。例 如，提供病人数据可以包括基于数字信号的比较而激活警报器。在一 些实施例中，提供病人数据可以进一步包括提供病人在所述表面上的 位置。在其他实施例中，提供病人数据给使用者可以包括提供病人的 呼吸频率、病人的心率或者两者兼有。在一些实施例中，诸如在医院 的普通护理区中、在长期疗养院中、或在疗养院中，多个病人可以同 时受到监护，并且提供病人数据包括在一个公共位置提供数据。例如， 所述公共位置可以包括但不局限于护理台、显示监控器、数字寻呼机、 无线手持装置、现有的护士呼叫台和/或监控室。
在另一方面，一种被动式地监护多个病人生理的方法包括：首先 在多个表面上设置多个传感器装置，每个传感器装置具有至少两个压 电传感器。通过让每个病人躺、坐、倚靠、站在其中一个表面上或穿 戴其中一个表面，而使每个病人与其中一个传感器的至少一部分相耦 合。用每一传感器装置上的至少两个压电传感器，来检测至少一种机 械信号，而且将检测到的机械信号转换为数字信号。然后对于每个病 人，比较对应于上述至少两个压电传感器的数字信号；并基于数字信 号的比较，而将对应于多个病人的病人数据提供给位于一中心位置的 使用者。
在又一方面，用于被动式地监护病人的设备包括：用于与病人接 合的一个表面；和与该表面结合的至少两个压电传感器，其用于检测 至少一种来自病人的机械信号。一处理器与所述压电传感器连接，用 于将至少一种机械信号转换为至少一种数字信号，并用于比较对应于 至少两个压电传感器中的每个传感器的数字信号，以提供关于病人的 数据。第一连接器连接压电传感器与处理器，第二连接器则供用于连 接处理器和各设备，以将病人数据提供给使用者。
在一些实施例中，所述表面包括平垫。举例来说，平垫可以包括 至少一层弹性泡沫材料。压电传感器可以以任何合适的形式，沿着所 述表面布置，从而能够监护病人。所述表面可以具有任何合适的尺寸。 在一个实施例中，所述表面所具有的尺寸让该表面能够被安置在椅座 和椅背的至少其中之一上，以监护在清醒镇静条件下受到外科操作的 病人。在其他实施例中，所述表面的尺寸能够让该表面被安置在婴儿 床或床上，用于监护婴儿。在进一步的实施例中，所述表面的尺寸能 够让该表面被安置在床上，用于监护医院或疗养院中的病人。
任选地，所述装置还可以包括一外罩(sheath)，用于容纳至少一 部分所述表面，以提供介于该表面和病人之间的一个保护层。典型地， 此种外罩将是防水性的。有时，外罩包括至少一个连接器，用于连接 所述的外罩和表面。而且为了监控病人的至少一种机械信号，所述表 面必须与所述连接器相结合。在一些实施例中，当被用于监护一个病 人之后，该外罩可以被废弃。
所述压电传感器可以由任何合适的材料制造。例如，在一些实施 例中，传感器包括聚偏二氟乙烯膜、聚偏乙烯电缆、压电陶瓷盘 (piezoelectric ceramic discs)和压电泡沫中的一种或者多种。传感器装 置可以被设置于一张床的平面上，且当病人躺在该表面上时，病人的 至少一种机械信号可以受到监控。该机械信号可以包括任何合适的信 号或信号的组合，但在一个实施例中，包括应力信号、热信号和/或声 信号。
所述第一连接器和第二连接器可以包括任何合适的连接器。在一 些实施例中，这两个连接器是有线连接器，而在一些实施例中，它们 却都是无线的，并且在其他实施例中，所述连接器包括有线和无线连 接器的组合。在一个实施例中，第一连接器可以包括这样的装置：该 装置用于检测通过第一连接器而连接到处理器的传感器装置的类型， 或者用于检测传感器已被使用的次数。例如，当传感器装置是通过第 一连接器而与处理器连接时，连接器便可以检测该装置是否是与该处 理器兼容的类型，和/或该装置已被使用过多少次。在一些实施例中， 第一连接器此后即能够基于已经被检测的一个或者多个标准，来激活 传感器装置。
通常，处理器能够以任何合适的形式或以多种形式来提供病人数 据。例如，病人数据可以通过激活警报器的形式来提供。在一个实施 例中，如果数据信号的比较表明病人在所述表面上没有运动、病人没 有与该表面接触、或病人在该表面上过度运动，处理器就激活警报器。 在另一个实施例中，如果病人的心率低于一个预先设定的最小心率或 上升到高于一个预先设定的最大心率，处理器激活警报器。在又一个 实施例中，如果病人的呼吸频率低于一个预先设定的最小呼吸频率或 上升到高于一预先设定的最大呼吸频率，处理器激活警报器。在其他 实施例中，如果发生上述任何情况的组合，处理器便激活警报器。一 些实施例中，如果出现某种负面趋势，诸如负面的(negative)心率、 呼吸频率、病人运动或其他趋势，或是多种趋势的组合，则发出警报。 在一些实施例中，处理器还以病人的呼吸频率、心率或上述两者的形 式来提供病人数据。
而另一方面，则为一种可弃型外罩，其用于容纳被动式地监护病 人的传感器装置的至少一部分，包括用于与病人连接的平面，以及至 少一个用于容纳所述传感器装置的至少一部分的外套。在一些实施例 中，该外罩是防水的。在一些实施例中，上述外罩包括至少一个连接 器，用于可移动地将外罩连接到用于被动式地监护生理情况的装置， 而将外罩连接到装置，便使得该装置能够被激活，从而监护病人的生 理情况。
在另一方面，则为一种用于被动式地监护多个病人的系统，包括 多个传感器装置，每个传感器装置具有一个用于接合病人的表面，及 至少两个与该表面结合、用于检测至少一个来自病人的机械信号的压 电传感器。该系统还包括多个处理器，每个处理器与一个传感器装置 相连接，用于将至少一种机械信号变换为至少一种数字信号，并用于 比较对应于上述至少两个压电传感器中的每一个的数字信号，以提供 关于病人的数据。最后，该系统包括至少一个与各处理器连接的连接 器，用于将每个处理器与一公共设备连接，以提供多个病人的病人数 据给使用者。在各种实施例中，这种系统可包括上述装置的任何一个 或多个技术特征。
附图说明
图1是依据本发明实施例的一种被动式病人监护系统的示意图。
图1A是依据本发明实施例的一种被动式多病人监护系统的示意 图。
图2是依据本发明实施例的一种传感器装置的正视图。
图2A至图2F是依据本发明各种不同实施例的传感器装置的示意 性正视图。
图3A是依据本发明的实施例，在传感器装置中使用的压电传感 器和发送器的正视图。
图3B是依据本发明的实施例，用于安置两个如图3A所示的压 电传感器的一表面的正视图。
图3C是一个完整的传感器装置的正视图，包括一个外罩，用于 安置图3A和图3B所示的表面和压电传感器。
图4是一个方框图，显示依据本发明的实施例，用于处理信号的 一个处理器的各个单元。
图5是一个流程图，显示一种依据本发明的实施例，被动式地监 护病人的方法。

一般的说，本发明提供了多种装置、系统和方法，用于被动式地 监护一个或多个病人、婴儿，疗养院疗养人员或任何其他需要监护的个 人或人群。所述装置一般包括：一传感器装置，其具有至少两个压电 传感器，用于检测一种或多种来自病人的机械信号；一处理器，其与 传感器装置连接，用于处理机械信号以提供病人数据；以及一装置， 其用于使上述的处理器和装置相连接，以提供数据给使用者。在一些 系统中，可以用多个传感器装置和多个处理器来同时监护多个病人， 而且每个处理器可以与一公共设备相连接，以将病人数据给提供使用 者。
一般的说，所述方法包括在一表面上设置传感器装置，通过使病 人躺、坐、倚靠、站在该表面上或穿戴该表面，而让病人与该装置相 耦合；用第一压电传感器来检测至少一种机械信号；处理该信号；并 基于所处理的信号，而将数据提供给使用者。所述短语“被动式病人监 护(passive patient monitoring)”或简称为“被动式监护(passive monitoring)”一般指这样的概念：本发明的各种方法和装置，一般是 通过让病人躺、坐、倚靠、站或以类似动作作用在安置有传感器装置 的表面上，或可能的话舒适地穿戴上传感器装置，来提供对病人的监 护的。此种监护是“被动式的(passive)，因为它不需要直接将一个或 多个装置固定到病人的身体上。事实上，常常可以在病人甚至没有意 识到存在有监护装置的情况下，利用本发明的装置、方法和/或系统来 监护病人。通常，本发明的传感器装置可以被放置于一层或多层被单 或其他被褥之下，并能通过被褥以及病人的手术服或其他衣服来检测 病人参量。因此，本发明的方法和装置有时可以被称之为是“看不见的 (invisible)”和被动式的，这是因为它们可以隐藏在被褥下、座垫内、 或类似物体中。
一般的说，关于病人或其他被监护人员的任何数量的参量或各种 参量组合都可以受到测量。例如在一个实施例中，被监控的是病人在 病床上的位置和/或运动。可选择的是，也可以监控病人的呼吸频率和/ 或心率。其他参量，诸如血压、心输出量(Cardiac Output)、体温和温度 变化，和/或类似参量，在各种不同的实施例中也可以适合地受到检测 和监控。在处于任何合适特定环境下的任何合适人或人群中，任何上 述病人参量都可以受到监控。例如，在医院普通护理区的多个病人、 在清醒镇静下受到外科操作的病人、急诊室或手术室的病人、疗养院 或长期护理的病人、熟睡的婴儿，或甚至家庭保健治疗病人都可以受 到监护。类似地，当一个人躺在病床、普通床、手术台或担架或轮椅 上时，当坐在椅子或轮椅上时，或当躺、倚靠或站在任何其他合适的 表面上时，可以受到监护。因此，尽管以下描述常常集中于监护医院 普通护理楼层或病房中的病人的示范性实施例，但这一描述仅被用于 示范性目的，而不应该被解释为限制权利要求中描述的本发明范围。
病人的监护数据可以以任何合适的形式被提供给使用者。在一些 实施例中，数据被用于激活警报器。例如，如果检测到的病人信号高 于或低于某个预先设定的阈值或是代表着某种负面趋势，如果多个病 人参量(如呼吸频率、心率和身体运动)的组合符合一个预先设定的负面 趋势或类似情况的定义，警报器可以被激活。在其他实施例中，数据 可以被提供在监控器上，以便保健护理工作人员或其他使用者读取。 在其他实施例中，数据可以被用于激活警报器和显示在监控器上。警 报器、显示监控器或类似物可以给使用者提供关于一个病人的信息或 关于多个病人的信息。例如，警报器和/或显示监控器可以置于医院病 房的一个公共护理台上，以将整个病房的病人的信息提供给处于该护 理台处的一个或多个护士。在其他实施例中，数据可以被提供于病人 床边处，或可以被提供于床边处和一个中心位置处。可以考虑任何其 他合适的形式来给一个或多个使用者提供生理数据，诸如通过一个或 多个数字寻呼机、无线手持装置或类似物来提供生理数据。对于本专 利申请的目的而言，短语“数据显示装置(data display device)”或“显示装 置(display device)”指用于提供生理数据给使用者的任何装置，如警报 器、监控器、警报及监控器，或任何其他合适的装置。
还有，本发明的装置、系统和方法可以在任何合适的特定环境下 使用，用于病人护理、研究、兽医和/或类似情况。在一个实施例中， 医院普通护理楼层中的多个病人同时受到被动式监护以提供持续监 护，而不需要有医护专业人员出现在病人床边。此种监护系统可以被 用于医院或诊所的任何合适的楼层、病房或区域。在另一个实施例中， 在清醒镇静下受到外科操作的病人的生理情况受到监控。本发明的装 置、系统和方法可以被用于监护容易遭受突然的婴儿死亡综合症威胁 的熟睡的婴儿，以及疗养院、长期疗养院或熟练护理设施中的人员、 紧急医疗设备中运送的病人、家庭保健治疗病人或其他合适的病人或 非病人。此外，本发明的各种实施例可以被附加到现有的病人监护系 统中，和/或与其他可兼容监护系统如原始的设备制造商的子系统一起 使用。例如，一个实施例可以包括多个传感器装置以及多个处理器， 其中的后者全都连接到一个现有的护士呼叫台系统(nurse call station system)，以将病人数据提供给处于一公共位置的一个或多个护士。
现参看图1，用于被动式病人监护的系统100适合包括传感器装置 102，该传感器装置具有至少两个压电传感器202而与处理器104相连 接，该处理器再与数据显示装置106相连接，以给使用者提供生理数 据。一般地，传感器102能够通过任何合适的连接器110(或多个连接 器)，诸如电缆、电线、无线发送器或类似物，与处理器104相连接。 类似地，任何合适的连接器108可以均可用于使处理器104与数据显 示装置106相连接。任一给定的实施例均可包括多个传感器102、多个 处理器104和/或多个显示装置106。例如，多个病人可以同时受到监 护，每个病人对应于一个独立的传感器装置102。在一些实施例中，每 个传感器装置102与其各自的、独立的处理器104相连接，而在其他 实施例中，多个传感器装置102可以与一共用的处理器104相连接。 在另外的实施例中，处理器104的一部分可以包括针对每个传感器的 多个独立单元，而处理器104的另一部分可以包括一个中心单元，诸 如中心计算机。类似地，显示装置106可以包括一个公共的显示监控 器、警报器或类似物，但是可以选择性地包括多个警报器、显示器、 数字寻呼机、无线装置或类似物。因此，系统100的各种不同的实施 例可以包括一个传感器装置102、一个处理器104和一个显示装置106， 但是可以选择性地包括许多套一个或多个这些组件。在各种不同的实 施例中，可以作为单个或多个组件，来类似地提供连接器108、110。
本发明的一些实施例是作为图1中所示系统100的各个部分提供 的。例如，在一些实施例中，如果使用者已经拥有处理器104和显示 装置106或者其中之一、及可兼容的处理器和显示装置，举例来说， 便给使用者单独提供传感器装置102。本发明的另一个实施例包括传感 器装置102和一个附加式的处理器104。附加式处理器104举例来说可 以由软件或硬件构成，其可以被附加到一个已有的计算机、床边监控 器或类似装置上，用以处理从传感器装置102接收到的数据。因此， 尽管在一个实施例中，系统100包括传感器装置102、处理器104、显 示装置106，以及连接器108、110，其他实施例可以包括较少的元件 或额外的元件，而不脱离本发明的范围。下面将更详细地描述图1中 所展示的本发明的每个不同的元件。
现在参看图1A，一个多病人监护系统101以合适的方式包括任何 数量的传感器装置102a至102n、任何数量的处理器104a至104n、一 公共显示装置106诸如警报器、监控器或类似装置，以及任何数量的 连接器110a-110n及108a-108n。在其他实施例中，多个传感器102a-102n 可以与一个公共处理器相连接，而且该处理器可依次再与显示装置106 相连接。在另外的实施例中，一个或多个处理器可以将数据传输到多 个显示装置，诸如传输到多个数字寻呼机、数字手持装置、多个监控 器或类似装置。在本发明范围之内，可考虑传感器装置102a-102n、处 理器104a-104n、连接器108a-108n和110a-110n以及显示装置106的 任何组合。
连接器108a-108n、110a-110n可以包括任何合适的装置，用于使 传感器装置102a-102n与处理器104a-104n相连接，及用于使处理器 104a-104n与显示装置106相连接。在一些实施例中，举例来说，连接 器包括有线连接装置，而在其他实施例中，则有一个或多个连接器是 无线的。例如，传感器装置102a-102n与处理器104a-104n之间的连接 器110a-110n可以是无线的，而其他连接器108a-108n则可包含电线。 在一个实施例中，连接器110a-110n包括一种“智能连接器”装置。智能 连接器可以包括微芯片或任何其他合适的数据携带或处理装置，并可 以被用于确保传感器装置与处理器之间的兼容性。例如，当传感器102 通过智能连接器110而与处理器104相连接时，该智能连接器即能够 检测何种类型的传感器装置102已经与处理器104相连接，传感器装 置102已被使用多少次，传感器装置102是否与处理器104兼容或类 似情况。此种智能连接器可以包括有线连接，具有互补的接插头或任 何其他合适的连接器。然而，应该理解的是，任何连接装置均可被用 于连接本发明的各种不同的元件。
现在参看图2，传感器装置102一般包括两个或更多个压电传感器 202，这些压电传感器沿着表面212安置，以使得传感器能够以方便且 被动式的方式与病人耦合。每个传感器202可具有任何尺寸、形状、 构造、材料等等。一般地，每个传感器202包含压电材料。在许多实 施例中，所使用的材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)，但是可以使用任何压 电材料或多种材料的组合，包括但不局限于PVDF膜、PVDF电缆、 压电陶瓷盘(piezoelectric ceramic discs)和/或压电泡沫(piezoelectric foam)。本发明的压电材料可以具有任何合适的形状、尺寸和构造。例 如，在一些实施例中，使用的是一种薄PVDF膜，其单独使用或与PVDF 电缆组合使用。在一些实施例中，传感器202包括PVDF膜的矩形的 平薄片。在其他实施例中，传感器202可以包括：圆形的、三角形的、 正方形的或任何其他形状的PVDF膜；圆形或任何其他合适形状的平 的压电陶瓷材料，或任何其他合适的材料。例如，在一个实施例中， 每个传感器202纸般地薄或者更薄，并且具有约6英寸的宽度和约9 英寸的长度。在其他实施例中，每个传感器可以更大，可以在宽度和 长度上只有几毫米，或甚至可以在纳米级。
现在参看图2A-2F，其中显示了传感器装置102a-102f的若干实施 例，每个具有结构不同的传感器。在图2A中，包括两个平的矩形PVDF 膜传感器218。在图2B中，三个PVDF膜传感器218被与PVDF电缆 220结合起来使用。在图2C中，PVDF电缆220是以Z字型结构而被 单独使用的，其可包括一根电缆或多根电缆。在图2D中，使用了多个 压电陶瓷盘230。在图2E中，PVDF膜传感器218、222是按一定模式 来使用的，其中在装置的一个区域传感器222的密度较高，而在其他 区域传感器218的密度较低。例如，在病人测量强度可能较强的位置， 安置较高密度的传感器时，此种模式可能是有利的，如直接在病人胸 下安置较高密度的传感器以监护心率以及与呼吸频率相关的信号。最 后，在图217中，使用了两个压电泡沫传感器240。因此，可以清楚地 看到，可以使用传感器的任何合适的组合和配置。
再次参见图2，压电传感器202一般充当应变传感器，来检测作用 在传感器202上的应力变化。被检测到的应力变化然后可以被转换成 为对于病人监护目的来说有用的数据。作用在一个传感器202上的病 人的体重可以作为作用在一个传感器上的应力来测量，并与来自同一 传感器装置102上的一个或多个其他传感器202的类似测量进行比较， 以确定在装置上病人所处的位置、病人是否在运动和/或类似情况。吸 气时病人肺部的扩张或病人心脏的跳动可以对置于病人胸下或附近的 一个或多个传感器装置202产生应力。传感器202检测此应力变化， 而被检测到的变化则可以受到处理，从而确定呼吸频率、心率、身体 运动、身体位置和类似情况。多种其他可能的测量值，其中一些下面 将会作描述，能够从传感器202所收集的信息导出。对于压电材料的 压力检测能力的进一步描述，可以参考序列号为09/662,006、名称为 “Passive Physiological Monitoring Systems and Methods”的美国专利申 请，该申请由本发明的发明人于2000年9月9日提交，该申请的全部 公开内容并入本文，以作参考。
如上所述，本发明的装置一般包括一个表面212，以及两个或更多 个压电传感器202。表面212和传感器202均可以具有任何合适的结构。 例如，在一些实施例中，表面212简单地包括一片或多片弹性泡沫材 料、塑料、纸或任何其他合适的材料。在其他实施例中，表面212包 括两层泡沫材料，它们以粘合剂或任何其他合适的方式连接在一起。 通过粘合剂、通过将传感器202夹在两层表面212之间并借助于粘合 剂、或通过任何其他合适的方式，传感器202可以与表面212相结合。 因此，下面的描述是供解释本发明的一个实施例的，而不应被解释为 是用来限制阐述于权利要求中的本发明范围的。
在一些实施例中，传感器装置102包括表面212，其具有外套210， 外套210带有用于容纳压电传感器202a-202h的袋子208a-208h。如图 2所示，各压电传感器202a-202h与发送器204a-204h相连接，这些发 送器可以包括电导线或电线，如图所示，或可选择地包括无线发送器 或类似物。最后，在一些实施例中，多个传感器发送器204可以与传 感器发送器连接器206连接。传感器发送器连接器206一般充当公共 的连接器，用于使压电发送器204a-204h和处理器104相连接。在其他 实施例中，可考虑任何其他合适的装置用来使压电传感器与处理器104 相连接。此种连接可以包括通过射频、微波、红外线或任何其他合适 的无线传输方式进行的无线连接，可以包括多个电线，可以包括从自 表面212内一个位置引出的共用电线——在该位置处连接有独立的发 送器204a-204h，或者类似的连接。
可以使用任何合适的尺寸、形状、厚度和整体结构的表面212、外 套210、袋子208a-208h和传感器202a-202h。例如，一些实施例只有 两个压电传感器202与两个相应的袋子208，而其他实施例则有4个、 8个(如图2中)、16个、32个或任何其他合适数量的传感器202和袋 子208。传感器202在表面212上的一种排列可以被称为“阵列”或“被 动式传感器阵列(PSA)”。此种被动式传感器阵列一般包括位于表面上 的栅格状的传感器202。此种栅格可以包括多个矩形PVDF膜传感器 202，如图2中所示，或任何其他形状、尺寸或类型的传感器，如图2A-2F 中所示。PSA可以包含任何合适数量的排或列的传感器202，而且某些 形式在一定的特定环境下有其优点。例如，在传感器102设计用于椅 座或椅背上的实施例中，在表面212上只有两个202传感器便可能是 可取的。在另一个实施例中，对也许被设计用于婴儿床的传感器装置 102来说，可能具有两列，每列有四个传感器，会是有利的。在又一个 实施例中，3列8个传感器202各自可被用于医院病床构造。任何数量 的排、列和传感器202都可用于任一给定的实施例。在一些实施例中， 使用PVDF电缆——单独使用或与PVDF膜一起使用，可能会有利的。 例如，在一个实施例中，PVDF电缆可以用于表面212周围，以检测病 人在床边缘的运动。
在一个实施例中，每个传感器202均被包含在一个独立的袋子208 中，但也可考虑其他结构和组合形式。例如，传感器202可以被简单 地夹在两层表面212之间，并且可以通过粘合剂而与表面212结合。 外套210可以包括多个袋子208a-208h或袖子，每个用于容纳一个传 感器202，或外套210可以包括一个或多个较大的袋子，用于容纳多 个传感器202。尽管能够使用任何尺寸，但在如图2所示的一个实施例 中，8个传感器是沿着尺寸为约32英寸×24英寸的表面布置的。在此 种实施例中，每个传感器可以具有约9英寸×约6英寸的尺寸。应该强 调的是，任何结构、形式、尺寸和类似情况的传感器202和表面212 均在本发明的考虑范围内。
表面212、外套210和袋子208a-208h可以由任何合适的材料或 多种材料的组合来制成，例如但不局限于氯丁橡胶、塑料、聚丙烯、 天然或人造纤维、Poron、Scappa、PVC、泡沫、Tyvek和类似物。在 一个实施例中，表面212、外套210和袋子208a-208h包括弹性泡沫 材料如氯丁橡胶。例如，可以用一层氯丁橡胶作为表面212，而且可以 用另一层来构成袋子202a-202h。在另一个实施例中，两层氯丁橡胶是 夹在一起的，它们之间是传感器，且用粘合剂来将这两层结合在一起 并将传感器结合到氯丁橡胶上。此种氯丁橡胶表面212和外套210可 以构成一个类似垫子的平板状装置。且在一些实施例中，当传感器装 置102被置于床、椅子或类似物上，在病人下方时，氯丁橡胶材料可 以提供垫子般的舒适感。在一些实施例中，表面212也可以包含额外 的氯丁橡胶或任何其他合适材料的填料，以改善躺在或换句话说将重 力施加在表面212上的病人的舒适度。因此，表面212有时可以一般 地被称为“垫子”或“传感器垫”。
袋子208a-208h可具有任何合适的形状，以固定或容纳传感器 202a-202h。如图2所示，一些袋子208可以被设置成一层氯丁橡胶或 其他材料，附着于表面212上，并具有开口以便让传感器202能够被 放置于袋子208中。开口也可以让传感器发送器204——如电线、柔性 连接器或类似物，能够穿过外套210，而与传感器发送器连接器206 相连接。在一些情况下，如图2所示，每个袋子208可以有一个能够 让传感器202穿过的开口，以及一个能够让传感器发送器204穿过的 开口。在一些实施例中，开口的宽度小于传感器202的宽度，从而使 得传感器202可以被弯曲或折叠，以适合装在袋子208中，且随后能 够在袋子208中铺平，因此通常传感器202将会保持在袋子208内适 当位置。在一些实施例中，当废弃表面212时，开口可使传感器202 能够重复使用。可选择的，且更为优选的是，在制造时用开口将传感 器202放置在袋子208中，但是在放置传感器202之后开口便被永久 性地密封起来。在其他实施例中，没有开口。可以使用任何其他合适 构造的袋子。
在一些实施例中，多个传感器发送器204可以连接到一个或多个 传感器发送器连接器206或者说与传感器发送器连接器相耦合。传感 器发送器连接器206可以被置于表面212上或周围的任何位置，且通 常用于更方便地将传感器发送器204耦合到处理器104或其他装置。 任何其他合适的用于将一个或多个传感器发送器204耦合到处理器的 装置均可选择性地使用。
现在参见图3A，所示传感器202和发送器204是独立的。如在图 313中所示，可以用两个或更多个袋子208a-208b，使两个或更多个传 感器202a-202b和发送器204a-204b与具有外套210的表面212相结合。 参看图3C，传感器装置102的一些实施例进一步包括外罩302，用于 覆盖或容纳全部或一部分表面212和传感器202。外罩302可以具有任 何合适的构型和尺寸，并可以包括任何合适的材料和多种材料的组合。 例如，在一个实施例中，外罩302包括一包封状结构，具有第一边302a 和第二边302b。在一个实施例中，此种外罩302沿着一边可以通过一 连接部分而打开或闭合(曲线箭头)，从而使得表面212和传感器202能 够被置于外罩302中。另一个实施例可以包括一种类似的外罩302，其 具有两层或两边302a-302b，它们沿着两个或三个边缘被连接起来，从 而产生可以放置表面212和传感器202的袋子或袖子。
尽管任何合适的材料或多种材料的组合都可用于制造外罩302，但 一个典型实施例使用的是具有一定程度防水能力的材料。例如，外罩 可以由泡沫材料、塑料、纸、尼龙、PVC、纤维材料及其任何组合制 成，或任何其他合适的材料或多种材料的组合制成。在许多病人监护 特定环境中，采用防水的外罩302以保护表面212和传感器202免遭 尿、水、血或任何其他液体损坏是有利的，这些液体可能会洒在病人 的床或椅子上，并且它们可能损害未受保护的表面212或传感器202。 因此，外罩302通常保护表面212和传感器202，从而使得它们能够反 复用于多个病人并增加它们的使用寿命。例如，一些表面212和传感 器202可以使用长达6个月或更长时间。另一方面，在一些实施例中， 外罩302可以是可废弃的，且仅用于一个病人、仅用一天或类似情况。
为了确保正确地使用和/或防止外罩302的重复使用，外罩302和 表面212的一些实施例包括互补的连接器(未显示)，用以在外罩302 和表面212之间产生连接。此种连接器可以是任何合适的连接装置， 例如电子连接装置、通过互补部分的连接而接通的电路，或类似形式， 而且通常被设计成能够启动传感器装置102。因此，在一些实施例中， 要求在使用传感器装置102去监护病人之前，使表面212和外罩302 相结合。外罩302可以激活或使装置102工作，以监护病人。这种结 合/启动的要求可以防止外罩302在病人之间重复使用，这会有助于防 止传染病在病人之间传播，防止传感器装置102的滥用，并且增加传 感器装置102的使用寿命。
如前面解释的，表面212、外套210、传感器202和类似物可以具 有任何合适的尺寸、形状和构型。例如，在一个实施例中，如在图3B 和3C中所显示的，表面可以具有约16英寸的长度和约12英寸的宽度。 外套210可以具有约10英寸的宽度304和约14英寸的长度。一个袋 子208a或208b可以具有约10英寸的长度304，以及约7英寸的宽度 306。在此构造中，一传感器202a或202b可具有约6英寸×约9英寸 的尺寸。这只是一些示范性尺寸，然而，对于表面212、传感器202、 外套210、袋子208和类似物来说，任何合适尺寸均可考虑。
再次参见图1，传感器装置102通常可以与处理器104连接。处理 器104包括任何合适的装置，用于接收由传感器装置102(或任何其他 合适的传感器装置)的压电传感器202检测到的机械信号，并处理这 些信号，以提供病人数据给一个或多个使用者。在一些实施例中，处 理器104包括一床边单元，其能通过一种或多种有线连接、无线连接 或类似连接方式，而与传感器装置102相耦合。在其他实施例中，处 理器可以包括电路板、计算机芯片、软件程序和/或任何其他合适的处 理手段。因此，在一些实施例中，处理器104包括一个独立的装置， 其可以与传感器102连接，用于处理信号并将数据提供给使用者。而 在其他实施例中，处理器104包括一个附加的装置，其可以与单独提 供的硬件配合使用，该硬件例如为原始设备25生产商提供的硬件。
现在参看图4，其中显示了一个附加式处理器104的实施例，附加 式处理器104是与硬件如床边监护单元或其他任何合适的硬件一起使 用的。通常，处理器104包括任何合适的装置，用于将机械信号处理 成可使用的病人数据。对于信号处理装置和方法的进一步描述，可参 考序列号为09/662,006的美国专利申请，该申请通过参考并入本文。 在一些实施例中，处理器104因地制宜地包括与处理模块404和电源 440相耦合的采集模块402。采集模块可以包括连接器模块406、减震 保护模块408、可编程可变增益差动放大器模块410、电磁干扰(EMI) 滤波器模块412、模拟滤波器模块414、模拟-数字(AD)转换器模块 414，以及数字-模拟转换器模块416。应该强调的是，在各种实施例中， 采集模块402都可以包括较少的组件或额外的组件，和/或各种模块均 可被组合起来从而产生较少的模块。通常，采集模块402从传感器装 置102获取模拟机械信号，用一个或多个过滤装置过滤这些信号，并 将经过过滤的信号转换成数字信号。可以使用任何装置来进行获取、 过滤和转换。
处理器104还可包括处理模块404。处理器模块404可以包括数字 信号处理器/中央处理器(DSP/CPU)模块418、闪速存储器模块420、静 态RAM模块422、非易失性储存器模块424、实时时钟模块426、联 合测试行动小组(joint test action group，JTAG)仿真器模块428、数字输 入/输出模块430、模拟-数字(AD)同步串行通信模块432，和输入/ 输出异步串行通信模块434以及胶合逻辑(glue logic)现场可编程门 阵列(FPGA)装置436。还有，各种模块可以被组合、略去或增加，而 并不脱离本发明范围。
在一些实施例中，电源440与采集模块402、处理模块404相耦合， 以便为处理器104提供电源。电源440可以是任何合适的供电形式， 诸如电池、连接到外部电源和/或类似供电形式。在一些实施例中不包 含电源440。例如，在一些实施例中，采集模块402和处理模块404 能够被设置成与已存在的硬件一起使用，而该硬件可以已经包含电源。 例如，这将发生在这些实施例中，其中采集模块402和/或处理模块404 是以一个或多个电路板、芯片或类似物的形式提供的，它们被附加到 计算机、床边监控器或其他病人监护装置上。因此，应该再次强调的 是，在图4中所显示和描述的处理器104仅仅是一个示范性实施例， 而不应该理解为以任何形式限制了本发明的范围。
如上面简要描述的，处理器104通常接受一个或多个来自传感器 装置102的机械信号，并处理这些信号，以提供病人数据给使用者。 例如，处理器可以接收来自传感器装置的压力变化信号形式的机械信 号。此种信号通常是通过多通道电路而被处理器接收的，每个通道对 应于传感器装置102的一个压电传感器202。过滤工具，诸如EMI滤 波器模块412、模拟滤波器模块414、过滤软件、处理软件、智能算法 和/或类似物然后过滤信号，举例来说去除背景干扰(noise)和类似物。 信号然后被AD转换器模块416转换成数字信号。数字信号然后可以 被各种装置处理。在一些实施例中，如在序列号为09/662,006的美国 专利申请中进一步描述的，可以使用快速傅里叶变换(FFT)方法。在 其他实施例中，可以使用时域分析。进一步的其他实施例可以使用这 两种方法的组合。在信号处理期间的某些时刻，传感器装置102的多 个压电传感器202之间，比较至少一种类型的信号。例如，在传感器 装置102上的多个传感器202之间，可以比较机械压力变化信号。这 种信号的比较，可以使处理器104能够将病人数据提供给使用者，诸 如在传感器装置102上病人位于何处、在传感器装置102上病人是否 运动、在传感器装置102上是否出现病人、是否病人的全部运动均已 停止或已处于一个预先设定的水平之下，和/或类似情况。
在一些实施例中，可以比较信号，从而使处理器104能够选择一 种具有最好保真度、信息内容或类似状况的信号。例如，可以比较信 号，而且可以从具有最高质量的呼吸信号的传感器202选择与呼吸有 关的信号。类似地，最高保真度的心博信号可以被选择来自检测到了 最高保真度的心博信号的传感器202。也可能一个传感器202同时检测 到最高质量的呼吸信号和最高质量的心博信号(或任何两种或更多种 类型的信号)，并作为数据提供这些信号给使用者。传感器202之间的 比较也可以使处理器能够确定哪部分的机械信号与一个给定的生理参 量有关。例如，来自位于病人胸下的第一传感器202的机械信号，相 比起来自位于病人左脚下的第二传感器202的机械信号，通常会含有 较强的呼吸成分。这些信号可以被比较，从而分离和确定呼吸信号。 还有，此种处理信号的方法——其中任何信号均可恰当地被处理器104 使用，在序列号为09/662,006的美国专利申请中得到了更充分的描述， 该申请并入本文以作参考。
除了过滤信号和比较各个传感器202之间的信号外，处理器104 可以以任何合适的形式，处理从传感器装置102接收到的机械、模拟 信号。例如，在一些实施例中，处理器104将给定的一种信号或多种 信号与一个或多个阈值水平进行比较，并提供数据，如果给定的信号 高于或低于阈值便激活警报器。例如，病人在医院病床上运动的最小 和最大量的阈值、最小或最大呼吸频率的阈值、最小或最大心率的阈 值和/或类似阈值均可存储在处理器104中。如果从病人检测到的信号 落在一个或多个阈值之外，处理器104能够以警报器激活信号的形式， 将数据提供给使用者。在一些实施例中，可以设定多个阈值的组合。 例如，可以规定最小心率阈值，从而在病人的呼吸频率低于阈值且病 人的心率低于心率阈值的情况下，将只会引起警报器激活。可以考虑 任何此种阈值、警报器激活处理和类似物的组合。还有，对于医院普 通护理楼层或类似情况，可以选择由处理器104的制造商设定一个或 多个阈值，从而使这些阈值对所有病人来说都是“硬连线的(hard wired)”，或者它们可以是能够被护士、医师或其他使用者针对各个病 人来调整的。
处理器104进一步的功能可以包括处理信号，以提供呼吸频率和/ 或心率数据。此种数据可以用呼吸/分钟、心率/分钟、显示代表呼吸、 心博和/或类似参量的线或波形曲线的波形信号数据的形式，或用任何 其他形式来提供。也可以用任何合适的形式来提供病人的运动或位置， 如运动量、运动位置、病人在医院病床或椅子上的位置或类似参量。 如前面描述的，也可以测量和提供其他参量，如血压、心输出量，血容 量、呼吸潮气量(respiratory tidal volume)、体温和温度变化，和/或类 似参量。
再次参看图1，一旦传感器装置102检测到一个或多个来自病人的 信号，且处理器104处理了这些信号以提供病人数据，这些数据便通 常以某种合适的形式被提供给使用者。在许多实施例中，处理器104 仅仅将数据提供给使用者的一个此前已有的系统。例如，在一个实施 例中，处理器104是通过以太网连接而与内联网或因特网相耦合的。 使用者然后便可通过任何计算机或其他具有内联网或因特网接口的装 置来获得数据。在各种实施例中，处理器104还能够以预定的间隔时 间，例如每30秒、每分钟或类似计时单位，在几天、几周或任何其他 时间段中，提供数据以便储存、显示和/或下载。30所储存的数据可以 被下载到计算机、监控器、打印机、可携式数据存储装置或任何其他 合适的硬件或软件单元。在另一个实施例中，处理器104以激活一个 已有警报器系统、诸如医院护士呼叫系统的警报器的形式来提供数据。 此种系统可以置于床边、每个病房的外面、公共护士呼叫台和/或类似 位置。在进一步的其他实施例中，可以通过无线传送的方式，经由一 个或多个数字寻呼机或无线手持装置来提供数据。
处理器104可以包括任何合适的连接器108，用于使处理器104 和使用者用来获取数据的装置相耦合。例如，连接器108可以包括有 线连接、无线连接、对计算机网络的连接、对警报器系统的电子连接 或任何其他合适的连接。因此，尽管图1中的系统100包括显示装置 106，应该理解的是，本发明的系统、装置和方法可以因地制宜地包括 传感器装置102和处理器装置104，且可以将数据提供给一个或多个已 有的显示装置、警报器、寻呼机、或其他系统。
在其他实施例中，显示装置106可以被设置或者安置在一个独立 的装置中，或者其中容纳了处理器104的同一个装置中。例如，一个 耦合到传感器装置102的床边盒状单元(bedside box-like unit)可以包 括处理器104和显示装置106，显示装置106包括警报器以及用于观察 生理数据的屏幕。可替代地，在其他实施例中，处理器104和显示装 置106可以是独立的部分。例如，处理器104可以是一床边单元，且 可以传送数据给一个或多个中心和/或远程显示装置106。如上述简单 论述的，显示装置106可包含一个或多个装置，用于将关于一个或多 个病人的生理数据提供给使用者。在一些实施例中，显示装置106包 括一床边警报器，当病人达到某个预先设定的生理阈值时，该警报器 便发声。在另一个实施例中，显示装置106包括警报器和显示监控器， 或用于观察关于一个或多个病人生理数据的屏幕。
显示装置106可置于任何合适的位置。例如，一些显示装置106 是被置于病人的床边或病人的房间内的。而在其他实施例中，显示装 置被置于一个公共位置，诸如在医院病房或类似环境内的一个医院楼 层(hospital floor)上的护士台或中央监护台。在又一个实施例中，显 示装置106可以包括一个或多个移动、无线装置，例如数字寻呼机或 无线手持装置，它们让护士、医师或其他使用者能够远程接收病人的 生理数据。在进一步的其他实施例中，经由与因特网的安全连接，可 以在个人计算机、手持装置或类似装置上获得病人数据。因此，在本 发明的范围内，考虑到了显示装置106的任何形式、数量或组合。
现在参见图5，根据本发明的一个实施例，方法500因地制宜地包 括：502，使病人与传感器装置相耦合；504，检测病人的至少一种机 械信号；506，将机械信号处理成病人数据；以及508，提供病人数据 给使用者。通常，在502，使病人与传感器装置相耦合之前，是将传感 器装置102设置在一个表面上。如上所述，该表面可以包括任何合适 的表面，例如但不局限于病床、普通床、手术室台、医生办公室里的 检查台、用于在清醒镇静下进行操作的操作椅或操作台、牙医椅、医 院病椅或其他椅子、椅座和/或椅背、轮椅、婴儿床、担架或葛尼椅或 类似物。在其他实施例中，上述表面可以具有手术服、无袖夹克、皮 带或类似物的形式，是可穿戴的。在表面上设置传感器装置102，可以 包括简单地将传感器装置102放在该表面上，或可以包括将传感器装 置102集成到该表面之内。例如，传感器装置102可以被内建于病床 表面或椅座或椅背内部。在一些实施例中，传感器装置102可以被设 置在一层或多层材料之下，例如传感器装置被置于床上的一层或多层 被单下，被置于床上的一个封套状或棉被状的覆盖物之内，被置于一 个座位的垫子下面，或类似情况。因此，传感器装置102可以以任何 合适的方式，被设置于任何合适的表面上，而不脱离本发明的范围。
502，使病人与传感器装置相耦合，通常包括使病人能够躺、坐、 依靠在或换句话说将重力或压力施加在已设置了传感器装置102的表 面上。此种躺、坐、依靠或类似动作包括了“被动式监护”的成分，这 是因为病人甚至没有意识到传感器装置102的存在，而且因为不需要 将传感器装置102固定到病人。这与目前能够使用的装置，如测血压 袖袋、脉搏血样传感器、鼻套管、ECGs及类似物形成明显的对照，所 有这些现有装置都需要将一个或多个装置主动地、直接地固定到病人。
504，检测机械信号，通常包括，用传感器装置102的至少一个压 电传感器来检测至少一种机械信号。通常，所检测的信号可以包括压 力信号、温度信号、声信号或任何其他合适的机械信号。传感器202 通常检测任一给定的机械参量的变化，但在一些实施例中，可以检测 绝对机械信号。由传感器202检测的信号可以包括正信号(positive signals)，或者是信号的缺失(absence)。例如，如果在传感器装置102 的一个传感器202中检测到正压力变化信号，而在传感器装置102的 另一个传感器202中没有检测到压力变化信号，这可能表示病人位置 在前一个传感器202上，而不在后一个传感器202上；还可能表示前 一个传感器202检测到病人的呼吸频率或心率，而后一个传感器202 则没有检测到；和/或类似情况。因此，在一些实施例中，第一传感器 可以检测至少一种机械信号，第二传感器可以检测至少一种机械信号， 并可以比较检测到的信号。如果第一传感器、第二传感器或这两者都 实际上检测不到信号，那么就可以在传感器之间比较信号的这种缺失， 以将数据提供给使用者。
506，处理机械信号，在上面已经被详细描述过。通常，506这种 处理至少包括将机械信号变换为数字信号，且比较传感器102的至少 两个压电传感器202之间的信号。处理506也包括将机械信号处理成 为可以提供给使用者的数据。上文已经描述了508，提供给病人数据给 使用者。数据可以基于阈值标准，如病人运动、呼吸频率和/或心率标 准，用激活警报器的形式来提供。数据也可以作为定量或定性的病人 运动或位置数据、呼吸频率数据、心率或类似数据来提供。
尽管相对于各种示范性实施例，而在上文中充分描述了本发明， 应该理解的是，所提供的实施例的描述只是示范性的，不应该被理解 为限制在随附权利要求所述的发明范围。对所述的任何实施例和其他 实施例的添加或修改都应被认为处于本发明的范围内。