用于在mri中使用的无线患者参数传感器的制作方法

专利名称：用于在mri中使用的无线患者参数传感器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电子患者监视器，并且尤其涉及适合于在磁共振成像 机的恶劣电磁环境中使用的患者监视器。
背景技术：
磁共振成像(MRI)允许根据由软组织的核发射的微弱电共振信号 (NMR信号)来产生该软组织的图像。当该组织处于强磁场中并且由射频 脉冲激发时，产生该共振信号。
MRI图像的质量部分依赖于磁场的质量，该磁场必须是强大的并且非 常同质。通常将铁磁材料排除于MRI环境之外以避免不期望的磁力作用在 这些材料上并且防止这些材料使同质场失真。
进行MRI"扫描"的患者可以位于MRI磁体中相对窄的孔或洞中。在 这期间，患者被远程监视以确定例如心跳、呼吸、温度和血氧。典型的远 程监视系统为患者提供"孔内"传感器，该传感器通过电缆或光缆连接到 位于该孔外侧的监控单元。
可以使用长距离的电缆或光缆将孔内传感器连接到监视单元。这些电 缆或光缆的长距离会成为问题，这是因为，这些长距离电缆或光缆很笨重 并且会干扰接近患者以及工作人员在该磁体本身周围的自由移动。
解决这种电缆问题的一种方案在转让给本发明的受让人并且在此引入 作为参考的2005年3月15日递交的申请号为11/080,958和2005年3月15 日递交的申请号为11/080,743共同待审的美国专利申请中有所描述。本专 利申请描述一种无线患者监视器，其可以放置在患者附近以在MRI检査期间提供患者生理信号的实时监视。
MRI系统的电环境产生大量的电噪声，其会干扰孔内传感器对生理信 号的收集。该噪声可以包括由用于模拟患者组织的光子运动的射频脉冲产 生的噪声以及由快速变换梯度磁场感应的噪声。由MRI机产生的电噪声的 特性会依赖于该机器和特定的扫描协议而变化。
为了降低电噪声对所获取的通过孔内传感器获得的生理信号的影响， 公知的是，在位于孔外侧的监视单元处提供适合于不同成像情形的不同类 型的信号滤波器。观察生理信号的操作者可以在不同的滤波器中进行选择 以选择提供具有最低噪声的生理信号的滤波器。
在使用无线孔内传感器时，在传输之前，通常必须对所传输的信号进 行预滤波以限制所传输信号的带宽。预滤波并不期望从生理信号中分离全 部噪声并且通常不会提供为此目的整体优化的滤波器。然而，就预滤波器 必要地改变所传输的信号来说，其限制了操作者完全访问作用于生理信号 上的噪声量和/或完全控制所述生理信号的滤波的能力。

发明内容
本发明通过在所述传输单元处提供一组不同的电和/或固件预滤波器而 提供一种无线传输的生理信号的改善滤波，所述传输单元在所述发射机的 所述预滤波之前或者代替所述预滤波而提供对所述生理信号的滤波。按照 这种方式，可以通过所述发射机的预滤波器而坚定地执行更加复杂的滤波。 可以自动地或者通过无线命令来选择所述特定的信号滤波器。
具体地说，本发明提供一种用于监视患者生理信号的MRI兼容的无线 系统，其包括在所述MRI检查期间位于所述患者近侧的传输单元。所述传 输单元包括至少一个传感器输入，用于接收来自与所述患者通信的传感器 的生理信号，以及一组电和/或固件滤波器，所述滤波器具有适合于为来自 所述生理信号的MRI电干扰提供信号滤波的不同特性。位于所述传输单元 中的滤波器选择器在MRI扫描期间接收选择信号以选择所述电和/或固件 滤波器中的一个或多个，以对所述生理信号进行滤波，并且将该信号提供 到无线发射机，所述无线发射机按照与所述MRI检查兼容的方式将所述生 理信号传输到外部监视单元。
7因而，本发明至少一个实施例的特征在于，其允许与滤波兼容的减少
的带宽数据的无线传输，所述滤波对于去除MRI感应噪声进行优化。
所述传输单元可以包括接收机，以从所述外部监视器接收命令，并且 所述选择信号可以是从所述外部监视器接收的命令。
因而，本发明至少一个实施例的另一方面在于允许手动地选择基于发
射机的预滤波器。
或者，所述传输单元可以包括噪声分析器，监视所述生理信号中的噪 声以自动地提供所述选择信号。
因而，本发明至少一个实施例的另一方面在于允许在通过传输改变之 前使用对未被滤波的信号的分析而在所述发射机处进行滤波器选择。
所述噪声分析器可以监视通过所述预滤波器的每一个进行滤波后的所 述生理信号以选择提供具有最佳特性输出的所述预滤波器。
因而，本发明至少一个实施例的一方面在于提供对信号质量的一种简 单自动评估。
所述一组电和/或固件预滤波器可以是现场可编程门阵列和/或数字信 号处理器。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于提供一种非常紧凑而通 用的滤波器实现。
所述一组电和/或固件滤波器nJ以被调谐以适应由来自所述MR1检査 的干扰导致的不同模式的干扰，所述干扰选自如下源磁梯度线圈干扰和
射频线圈干扰。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于允许使用关于MRI处理 的公知常识进行滤波。
所述生理信号选自包括以下信号的组心跳、呼吸、体温和血氧。
本发明的一方面在于其可以基于所传输的生理信号的类型而提供不同 的滤波器类型。
本发明还为无线患者监视器提供使用所谓的"超级电容器"的电源，
通常所述电容器具有1法或更大的尺寸并且从而避免了在MRI机的限制和 强烈磁环境中使用电池的问题。
更具体地说，本发明的该方面提供一种用于在MRI检查期间监视患者的无线患者传感器，所述无线患者传感器具有在所述MRI检查期间位于所 述患者附近的机架以及用于从所述患者接收生理信号的输入电路。所述传 感器还提供发射机，用于按照与所述MRI机的操作兼容的方式向外部站无 线传输所述生理信号。所述传感器通过电源上电，所述电源采用电容器存 储器而不用化学电池。
因而，本发明至少一个实施例的一个特征在于，不需要昂贵的电池系 统，该电池系统会通过结合磁元件而负面影响所述成像处理。
所述电容器存储器可以提供至少1法的电容值。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于采用所谓的超级电容器 作为传统的短期能量存储系统。
所述传感器可以还包括显示器，用于显示所述电容器存储器上的电荷。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于对传感器的准备就绪提 供简单而精确的评估。
在以给定电压使用所述电容器存储器时，所述显示器可以显示所述电 容器存储器的电压和/或所述生理监视器的操作时间。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于提供对所述电容器上的 所述电荷的精确读取，这可以根据它们的输出电压而直接推导。
所述传感器还包括用于在所述电容器存储器电压下降时提供恒定电压 输出的DC/DC变换器。
因而，本发明至少一个实施例的另一方面在于提供一种功率系统，其 在使用功率时适应电容器电压的稳定下降。
所述DC/DC变换器可以是升压变换器。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于提供一种功率系统，其 最大化所述电压处于可使用的电平的时间。
所述传感器可以与充电站一起使用，所述充电站为可移除的电容器电 源提供插座，以在将所述可移除的电容器电源保持在所述插座中时容纳和 充电所述可移除的电容器电源。
因而，本发明至少一个实施例的特征在于在使用所述便携式系统的地 点提供简单而快速的充电站。
所述充电站可以提供恒定的电流源以充电所述电容器电源。本发明至少一个实施例的另一方面在于在没有损害的情况下提供所述 电容器存储器的高速充电。
所述充电站可以还包括电感器，表示位于插座中的每一个电容器电源 的所述充电的完成程度。
因而，本发明至少一个实施例的另一特征在于在使用之前能够快速确 定所述电容器存储器的电荷状态。
所述电容器电源可以由非铁磁材料构成。
因而，本发明至少一个实施例的一方面在于提供一种与MRI环境具有 改善的兼容性的电源。
这些特定的特征和优点可以仅应用于落入权利要求书范围内的一些实 施例，并且因而并不限定本发明至少一个实施例的范围。


图1是表示MRI机的磁体的断续透视图，表示位于扫描之前的患者， 患者传感器向基本单元无线传输患者生理信号；
图2是患者传感器和结合有现场可编程门阵列("FPGA")的基本单元 的方框图，所述现场可编程门阵列用于实现本发明的多个数字滤波器；
图3是附接到所述基本单元并且保持用于在使所述患者传感器上电之 前进行再充电的超级电容器的充电站的方柩图4是在滤波之前和之后通过图1的患者传感器接收的生理信号的图 形表示；
图5是由图2的FPGA实现的一组滤波器的方框图，表示多个并行滤 波器的实现以及通过接收选择信号的选择器对单个滤波器的选择，所述选 择信号或者远程接收或者通过分析生理信号的方差或其它统计测量而本地 接收；
图6是图2的患者单元的透视图，表示关于操作时间和百分比电荷的 电容器功率保存的两个显示器；
图7是在电容器存储时和升压变换器接收电容器电压之后电压与时间 的曲线图；以及
图8是与图3类似的图，表示充电站接受整个患者单元而没有去除电
10容器电源。
具体实施例方式
现在参照图1， MRI套件10可以包括MRI磁体12，该MRI磁体12
保持例如产生实质电干扰的各种射频和梯度磁场线圈，这在本领域是公知 的。
位于可移动平台17上的患者14可以位于磁体12的孔的外侧以容纳无 线患者监视器16，该无线患者监视器16通过引线18从患者14接收信号。 然后可以将患者14移动到磁体12的？L中，该无线患者监视器16允许连续 监视患者14。无线患者监视器16可以结合其自己的电源以将来自患者14 的监视信号经由无线电传输信号19或类似的信号传输到位于磁体12附近 但位于孔外侧的基站24。
在例如转让给本发明的受让者并且在此引入作为参考的发明名称为 "Patient Supported In-Bore Monitor For MRI (用于MRI的患者支持的孔内 监视器)"的共同待审的美国专利申请No. 2006/0247512中描述了在患者上 支持该种类型的无线发射机的方法。
现在参照图2，无线患者监视器16的引线18可以接收生理信号22， 例如心跳、呼吸、体温和血氧，该生理信号22可以由信号调节电路25进 行处理并且被提供到微控制器26以在给定的采样率处将该生理信号22从 模拟信号转换为数字信号。微控制器26可以与显示器28通信以用于调节 患者监视器16 (例如，在扫描之前的床边)，在委任与基站24通信期间验 证其正确操作。在这点上，显示器28可以提供对所接收的生理信号22的 呈现或者指示信号状态的指示器灯。用于该监视器的显示系统在转让给本 发明的受让人并且在此结合作为参考的发明名称为"Wireless In-Bore Patient Monitor For MRI With Integral Display (用于具有集成显示器的MRI的无线 孔内患者监视器)"的美国专利申请No.2006/0241384中有所描述。
显示器28还可以用于将无线患者监视器16与给定的传输通道相关联。 在后面的这点上，微控制器26可以与连接到天线32的发射机/接收机30 通信，用于在由操作控制29选择的信道上与基站24进行数据发送和接收， 该操作控制29选择然后将在显示器28上显示的传输通道。对于由MRI机的转换射频和磁梯度场引起的噪声，在噪声不干扰传输 并且传输不干扰MRI机的灵敏接收机电子设备的情况下，在MRI套件10 的电噪声环境中生理数据的无线传输要求专用的传输技术，例如在转让给 本发明的受让人并且在此引入作为参考的发明名称为"Wireless In Bore Patient Monitor For MRI (用于MRI的无线孔内患者监视器)"的美国专利 申请No.2006/0206024中有所教导。
微控制器26还可以与现场可编程门阵列(FPGA) 34通信，该FPGA 提供数字信号处理器(DSP)的各种特征以实现在下面将要进一步描述的自 动梯度滤波器选择算法中使用的多个梯度滤波器。
在优选的实施例中，通过超级电容器36为信号调节电路25、微控制器 26、发射机/接收机30以及FPGA34供电，该超级电容器36为包含在患者 监视器16中的串联或并联到一起的一个或多个分立电容器，具有至少1法 的电容值。在患者监视器16的应用中，超级电容器36提供足够的功率密 度以在正常MRI扫描期间操作患者监视器16，并且避免经常在电池中找到 的铁磁材料或危险物质。由于铁磁材料会受到极化磁场的强引力的影响和/ 或干扰磁体孔中磁场的同质性，该铁磁材料会在磁体12附近成为问题，其 中同质性对于精确成像很关键。
现在参照图2和图7，在使用期间，超级电容器36提供可以由DC-DC 变换器35接收的渐进变小的电压37。该DC-DC变换器可以是所谓的"升 压"变换器，其通过结合根据本领域公知技术的小的非铁磁升压电感器而 即使在电压37下降到低于恒定电平时也能够提供恒定的DC电压37'。按 照这种方式，尽管电容器电压下降，可以利用超级电容器36的全部能量容
现在参照图1和图2，可以从无线患者监视器16去除这些超级电容器 36并且将其放置在通常位于远程基站24上的充电站38中。或者，如图6 所示，超级电容器36可以完全结合在患者监视器16的RF屏蔽41中，仅 其端子49暴露，并且如图8所示，可以将整个患者监视器16放置在充电 站38中。在后者的实施例中，完全不需要提供用户对电池部分等的访问， 这允许更加稳健的射频屏蔽。
在任何一种情况下，充电站38可以提供用于保持超级电容器36或者
12整个患者监视器16的一系列充电座40，使得连接到超级电容器36的端子 49被暴露以连接到座40中的相应端子42。 一旦将超级电容器36放置到座 40中，每一个超级电容器36的接地端子可以连接到充电站38的电源44的 地，并且每一个超级电容器36的正端子可以连接到实现在电源44中的独 立电流源46。每一个电流源46提供被预设到每一个超级电容器36的最大 允许充电电流百分比的受控(通常是恒定的)电流。电流源46的使用通过 根据需要改变充电电压而确保了超级电容器36的最大充电速度，以提供一 致的电流用于充电。
电源44还可以向指示器仪表52提供表示超级电容器36上的电压的电 压信号50，在一个实施例中，每一个指示器仪表52是表示超级电容器36 上的总电荷百分比的LED条形仪表，该总电荷百分比为单个超级电容器36 上的电压的简单函数。典型地，超级电容器36将以对于可比较的电池所需 时间的一小部分时间进行再充电，并且将比电池具有高出许多倍的再充电 次数。
再次参照图6和图7，无线患者监视器16还可以提供显示器39和39'， 该显示器39和39'提供在超级电容器36安装到远离充电站38的特定无线 患者监视器16中时位于该超级电容器36上的电荷表示。与指示器仪表52 类似，显示器39可以表示超级电容器36的总电荷百分比，该总电荷百分 比例如可以由诸如用于定义与位于渐进变小的电压37的曲线下方的总区域 相比位于渐进变小的电压37的曲线下方的较低区域43的电压信号50进行 推导。此外，无线患者监视器16可以提供显示器39'以表示由总运行时间 简单推导的无线患者监视器16的剩余运行时间，该总运行时间通过完全充 电的超级电容器36与通过对区域43的分析而推导的百分比的乘积而获得。
现在参照图4，通常，通过患者监视器16接收的生理信号22将包括由 与MRI磁体12相关联的线圈产生的感应电流和电压引起的明显的电干扰 60。干扰的特定类型通常与所执行的成像类型相关，并且潜在的生理信号 22的干扰程度取决于生理信号22的类型。电干扰60将增加信号22的方差 62和其它统计测量，例如功率谱宽度等。
滤波器64，例如偏移滤波器、传统带通、低通或高通滤波器或数字信 号处理领域公知的其它滤波器，可以应用于生理信号22以产生能够更好地反应潜在的生理信号22的具有减少的电干扰60的清晰信号22'。通常，清 晰信号22，相对于信号22的方差62将具有较小的方差62'。
参照图5，FPGA34从而可以实现多个滤波器64a、64b和64c(或更多)， 每一个滤波器具有选择的参数以适合于特定的MRI机或成像序列或生理信 号22。每一个滤波器64a、 64b和64c可以对信号22和电干扰60进行并行 操作。将每一个滤波器64a、 64b和64c的输出提供到方差分析器66以例如 通过最低统计方差来确定表现出最好地降低电干扰60的滤波器64a、 64b 和64c。也可以替代地使用用于估计噪声降低的其它技术。
方差分析器66通过实现为软件的开关阵列68自动地选择提供最好滤 波的一个滤波器64a、 64b和64c，而不需要操作干涉。可替代地，并且参 照图2和图5，可以通过经由所传输的信号21从无线基站24无线通信的控 制信号来手动控制开关阵列68。在这种情况下，通过在键盘或输入面板65 上输入期望的滤波器或滤波器参数并且观看所传输的生理信号22 (由不同 滤波器64a、 64b和64c进行滤波)，操作者可以选择特定的滤波器。不需要 对所传输的信号19的预滤波，除非选择了可选择的滤波器64a、 64b和64c 其中之一。在一个实施例中，由于将缺省地选择一个滤波器，不需要单独 的带宽降低滤波器来在无线传输之前提供带宽降低。或者，在保持单独的 带宽降低滤波器的情况下，例如可以在该提供带宽降低的滤波器之前进行 方差的分析。在任何一种情况下，仅需传输滤波后的信号22';因而，显著 地降低了无线传输的负担和带宽。
应该理解，本发明并不限于包含在这里的所述实施例和说明，并且权 利要求书应该被理解为包括这些实施例的修改形式，包括在所附权利要求 书范围内的所述实施例的一部分以及不同实施例的元件的组合。
权利要求
1、一种传输单元，位于对患者生理信号进行监视的MRI兼容的无线患者监视系统中，所述传输单元在MRI检查期间位于所述患者近侧并且包括至少一个传感器输入，用于从与所述患者通信的传感器接收生理信号；具有不同特性的一组信号滤波器，适合于为所述生理信号中的MRI感应出的电干扰提供电滤波；滤波器选择器，在MRI扫描期间，所述滤波器选择器接收选择信号以选择所述电滤波器之一，以便对所述生理信号进行滤波；以及无线发射机，接收由所选择的电滤波器滤波后的所述生理信号并且采用与所述MRI检查兼容的方式将所述生理信号无线传输到外部监视单元。
2、 根据权利要求1所述的传输单元，还包括接收机，采用与所述MRI 检查兼容的方式接收从所述外部监视器无线传输到所述接收机的命令，并 且其中所述选择信号是从所述外部监视器接收的命令。
3、 根据权利要求1所述的传输单元，还包括噪声分析器，用于监视所 述生理信号中的噪声以自动地提供所述选择信号。
4、 根据权利要求1所述的传输单元，其中，所述噪声分析器监视由所 述滤波器中的每一个滤波后的所述生理信号，以选择提供具有最低方差的 输出的所述滤波器。
5、 根据权利要求1所述的传输单元，其中，所述一组电滤波器由现场 可编程门阵列来实现。
6、 根据权利要求1所述的传输单元，其中，所述一组电滤波器由数字 信号处理器来实现。
7、 根据权利要求1所述的传输单元，其中，所述一组电滤波器被调谐以便适应由来自所述MRI检查的干扰导致的不同模式的干扰，所述干扰选 自如下源磁梯度线圈干扰和射频线圈干扰。
8、 根据权利要求1所述的传输单元，其中，所述生理信号选自包括以下信号的组心跳、呼吸、体温和血氧。
9、 一种用于在MRI检查期间监视患者生理信号的方法，包括(a) 在所述MRI检査期间将传输单元放置在所述患者近侧以从与所述 患者通信的传感器接收生理信号；(b) 在所述传输单元中的一组具有不同特性的电滤波器之中进行选 择，所述一组具有不同特性的电滤波器适合于为所述生理信号中的MRI感 应出的干扰提供电滤波；以及(c) 采用与所述MRI检査兼容的方式，将由所选择的滤波器滤波后的 所述生理信号无线传输到外部监视单元。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中，所述传输单元还釆用与所述 MRI检査兼容的方式从所述外部监视器接收无线传输到所述传输单元的命 令以在所述滤波器之中进行选择。
11、 根据权利要求9所述的方法，还包括步骤在所述传输单元处分 析所述生理信号中的噪声以自动地选择所述滤波器。
12、 根据权利要求10所述的方法，其中，选择了提供的输出具有最佳 统计特性的所述滤波器。
13、 根据权利要求9所述的方法，其中，调谐所述电滤波器以便适应 由来自所述MRI检査的干扰导致的不同模式的干扰，所述干扰选自如下源: 磁梯度线圈干扰和射频线圈干扰。
14、 根据权利要求9所述的方法，其中，所述生理信号选自包括以下信号的组心跳、呼吸、体温和血氧。
15、 一种用于在MRI检査期间监视患者的无线患者传感器，所述患者传感器包括机架，在所述MRI检査期间位于所述患者近侧； 输入电路，用于从所述患者接收生理信号；发射机，用于采用与所述MRI机的操作兼容的方式向外部站无线传输 所述生理信号；以及电源，包含在所述机架中并且为所述输入电路和所述发射机提供功率， 所述电源包括电容器存储器而不用化学电池。
16、 根据权利要求15所述的无线患者传感器，其中，所述电容器存储器提供至少l法的电容值。
17、 根据权利要求15所述的无线患者传感器，还包括用于显示所述电 容器存储器上的电荷的显示器。
18、 根据权利要求17所述的无线患者传感器，其中，在以给定电压使 用所述电容器存储器时，所述显示器显示所述电容器存储器的电压和所述 生理监视器的操作时间中的一个。
19、 根据权利要求15所述的无线患者传感器，还包括用于在所述电容 器存储器电压下降时提供恒定电压输出的DC/DC变换器。
20、 根据权利要求19所述的无线患者传感器，其中，所述DC/DC变换器是升压变换器。
21、 一种用于远程监视进行MRI检査的患者的无线系统，包括 至少一个无线患者传感器，用于在MRI检查期间监视患者并且提供用于从所述患者接收生理信号的输入电路和用于采用与MRI机的操作兼容的方式向外部站无线传输所述生理信号的发射机，每一个无线患者传感器包 括为所述输入电路和所述发射机提供功率的可移除的电容器电源；以及充电站，为可移除的电容器电源提供插座，以在将所述可移除的电容 器电源固定在所述插座中时容纳所述可移除的电容器电源，并对所述可移 除的电容器电源充电。
22、 根据权利要求21所述的无线系统，其中，所述充电站提供恒定的 电流源来对所述电容器电源充电。
23、 根据权利要求21所述的无线系统，其中，所述充电站还包括指示 器，其示出了位于插座中的每一个电容器电源的所述充电的完成程度。
24、 根据权利要求21所述的无线系统，其中，所述电容器电源由非铁 磁材料构成。
全文摘要
本发明涉及一种用于MRI的无线患者监视器，所述无线患者监视器对于来自所述患者的生理信号提供板上滤波以在通过所述传输处理影响所述信号之前提供对MRI噪声的改善的评估和处理。本发明还提供一种使用电容器使无线患者监视器上电的系统。
文档编号A61B5/05GK101588754SQ200780026102
公开日2009年11月25日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月12日
发明者J·C·穆尔, J·F·兰伯特二世, J·基尔登-佩德森, J·里肯博格, K·范阿尔斯戴尔, R·A·哈韦尔, S·D·费希尔, S·诺兰, 小A·R·威克斯 申请人:因维沃公司