用于测量包括PH在内的流体属性的方法和设备.pdf

本发明公开了一种用在人体的胃肠道内的流体传感器。所述传感器包括：感测线圈，其可以被浸入在胃肠道的样品流体中；信号发生器，其与所述感测线圈进行电通信，以便对所述感测线圈施加电流脉冲；信号接收器，其与所述感测线圈进行通信，以便测量相对于所述电流脉冲的电反射；以及数据处理器，其用于接收所述电反射并且基于所述电反射来计算表示至少一种属性(比如所述样品流体的pH)的数据。所述流体传感器还可以包括用于校准所述感测线圈的参考线圈。所述传感器线圈和参考线圈可以被封装在可吞咽的药片壳中。所述传感器线圈还可以充当用于向/从远程位置发送及接收信号的天线。

1、  一种流体传感器系统，其包括：
感测线圈，所述感测线圈具有隔离涂层，所述感测线圈可以被浸入在样品流体中；
信号发生器，其与所述感测线圈进行通信，以便对所述感测线圈施加电流脉冲；
信号接收器，其与所述感测线圈进行通信，以便测量相对于所述电流脉冲的电反射；以及
数据处理器，其用于接收所述电反射并且基于所述电反射来计算表示所述样品流体的至少一种属性的数据。

2、  权利要求1的传感器系统，其中，所述感测线圈的尺寸和形状被设定成容纳在能够穿过人体的胃肠道的药片壳内。

3、  权利要求2的传感器系统，其还包括用于封装所述感测线圈的药片壳。

4、  权利要求2的传感器系统，其中，所述隔离涂层是离子选择性聚合物涂层，其基本上不受存在于样品流体内的未被选择的离子的影响。

5、  权利要求4的传感器系统，其中，所述离子选择性聚合物涂层至少部分地是由VBC-TCPA制造的。

6、  权利要求4的传感器系统，其中，所述离子选择性聚合物涂层是H离子渗透性聚合物。

7、  权利要求4的传感器系统，其中，所述离子选择性聚合物涂层至少部分地是由全氟磺酸/PTFE共聚物制造的。

8、  权利要求1的传感器系统，其中，所述数据处理器还包括微处理器。

9、  权利要求1的传感器系统，其中，所述数据处理器把所存储的反射率值与所测量的反射率值进行比较，以便计算属性值。

10、  权利要求1的传感器系统，其还包括参考线圈，所述参考线圈具有用于接收来自与所述感测线圈共享的背景电环境的信号的空心以用于校准所述感测线圈。

11、  权利要求10的传感器系统，其中，所述数据处理器还包括微处理器。

12、  权利要求11的传感器系统，其中，所述数据处理器把所存储的反射率值与所测量的反射率值进行比较，以便计算样品流体的属性值。

13、  权利要求3的传感器系统，其中，所述药片壳还包括隔膜，所述隔膜允许样品流体与感测线圈发生接触并且阻止固体粒子与所述感测线圈发生接触。

14、  权利要求10的传感器，其中，所述参考线圈不与样品流体接触。

15、  根据任一条在前权利要求的传感器，其中，样品流体的至少一种属性是pH。

16、  一种pH传感器，其包括：
感测线圈，所述感测线圈具有离子选择性聚合物涂层，所述感测线圈可以被浸入在样品流体中；
收发器，其与所述感测线圈进行电通信；以及
微处理器，其与所述收发器进行电通信，
其中，所述感测线圈、所述收发器以及所述微处理器一起充当频率响应分析器。

17、  权利要求16的pH传感器，其还包括参考线圈。

18、  权利要求17的pH传感器，其中，所述参考线圈包括用于接收来自与所述感测线圈共享的背景电环境的信号的空心。

19、  权利要求17的pH传感器，其中，所述参考线圈用来校准所述感测线圈。

20、  一种pH传感器，其包括：
感测线圈，所述感测线圈具有离子选择性聚合物涂层，所述感测线圈可以被浸入在样品流体中，所述感测线圈充当用于向远程位置发送pH测量的天线；
收发器，其与所述感测线圈进行电通信；以及
微处理器，其与所述收发器进行电通信，
其中，所述感测线圈、所述收发器以及所述微处理器一起充当频率响应分析器。

21、  一种利用电子药片测量pH的方法，所述电子药片包括感测线圈，所述感测线圈具有离子选择性聚合物涂层，所述方法包括以下步骤：
把所述感测线圈浸入在样品流体中；
对所述感测线圈施加电流脉冲；
测量相对于所述电流脉冲的电反射；以及
基于所述电反射计算表示样品流体的pH的数据。

22、  权利要求16的方法，其中，所述计算步骤进一步包括以下步骤：把所存储的反射率值与所测量的反射率值进行比较，以便计算pH值。

23、  权利要求16的方法，其中，样品流体是与人体的胃肠道相关联的流体。

用于测量包括pH在内的流体属性的方法和设备
技术领域
本公开内容涉及通过电感的方式测量流体属性，更具体来说涉及一种用于测量人体胃肠道或其他流体系统中的pH的方法和设备。
背景技术
可以基于具有电容性分量和电感性分量的频率相关的阻抗来对线圈进行建模，例如参照图2所示出的那样。可以从下式计算线圈12的电感L：
L=μ0μrN2Al]]>
其中，
μ₀是自由空间的磁导率(4π×10^-4亨利每米)
μ_r是核心14的相对磁导率(无量纲)
N是线圈12的匝数
A是以平方米为单位计的线圈12的横截面积
l是以米计的线圈12的长度
应当注意到，线圈12的电感L与核心14的相对磁导率成比例。
在实践中，每一个线圈还具有DC电阻R以及组合分布电容C。电组件的电容C取决于其物理配置，并且通常与分离线圈12的相邻绕组的该线圈12的核心14的介电常数成比例。线圈12的复数阻抗Z_LRC是频率的函数，并且作为一次近似可以由下式给出：
1ZLRC=1R+jωL+jωC]]>
其中，ω＝2πf，f是所施加的信号的频率。
线圈12的阻抗可以在特定频率(谐振频率)下达到最大值。如果这种线圈被浸入在具有频率相关的介电常数和/或磁导率的样品流体22中，则可以观察到多个谐振频率。在这种情况下，L和C变为频率的函数并且由下式给出：
1ZLRC(ω)=1R+jωμ0μr(ω)N2Al+jωϵ0ϵr(ω)G]]>
其中，
ε₀是自由空间的电容率8.845×10^-12[F/m]
ε_r(ω)是样品流体的频率相关的相对电容率(无量纲)
G是描述电感器的等效电容的频率无关的几何表示[m]
μ_r(ω)是样品流体的频率相关的相对磁导率(无量纲)
因此，线圈的频率相关的阻抗Z_LRC(ω)可以进一步揭示介电常数和磁导率的频率相关的变化，其取决于样品流体中的离子的类型和浓度。
胃肠流体包含其浓度是对应于消化活动和解剖位置的诊断的重要生物医学指标的许多种物质。这些物质包括离子浓度、酶、葡萄糖等等。在化学和生物系统中都非常重要的一个测量数量是pH。pH是“pondus hydrogenii(氢离子浓度)”的缩写，其由丹麦科学家S.P.L.于1909年提出，以用来表示非常小的氢离子(H+)浓度。用于计算pH的精确公式由下式给出：
pH＝-log₁₀aH
其中，aH表示H⁺离子的活性并且没有单位。一种用于测量pH的技术是采用两个玻璃电极：指示电极和参考电极。在典型的当今的pH探测器中，玻璃和参考电极被组合到一个实体中。最好把pH计视为管内的管。在内管的内部是参考探测器的阴极端。阳极指示电极自身缠绕在内管的外部，其末端是与该内管的内部类型相同的参考探测器。内管和外管都包含参考溶液，但是仅有外管通过充当盐桥的多孔塞与pH探测器外部的溶液接触。
所述设备实质上被组装为原电池。参考末端实质上是pH计的内管，其不会损失离子到周围环境中。外管包含被允许与外部环境混合的介质。通过在膨胀隔膜的全部两个表面处发生的玻璃的离子与溶液的H+之间的交换而导致响应，这种离子交换受到全部两种溶液中的H+浓度的控制。
在许多具有临床重要性的参数当中，胃肠(GI)道的pH值是非常重要的，这是因为其可以被用来诊断GI道中的疾病以及/或者定位其内部的某一位置。在小型化基于玻璃电极的pH感测技术方面的努力只取得了有限的成功。迄今为止，本领域内已知的最小的pH感测设备是Heidelberg pH胶囊，其尺寸为7.1mm×15.4mm。这种设备测量体内的pH值并且通过遥测方式报告数据。
另一种值得注意的pH感测技术是基于离子敏感的场效应晶体管(ISFET)。在ISFET中，把H+敏感的缓冲涂层施加到栅极电极上。漏极电极与源极电极之间的电压降变成栅极暴露于其中的H+浓度的函数。基于ISFET的pH传感器可以被构造到相对较小的容积(mm³数量级)内。虽然ISFET pH传感器可以被制作得非常小，但是其生物兼容性一直是所关注的。
玻璃pH传感器和基于ISFET的pH传感器两者的一个问题是记忆效应现象。在短时环境中，在从第一位置行进到第二位置(特别是没有流动的流体的第二位置)时，基于任一种现有技术的pH传感器都可能仍然读取第一位置的pH值。由于全部两种pH传感器都依赖于离子扩散，因此其在所俘获的离子没有机会扩散开的情况下将表现出记忆效应。结果，玻璃电极pH计需要频繁的“调节”。
期望有一种pH传感器可以装入电子药片或其他可比单元的容积中、具有生物兼容性并且没有记忆效应。这里所描述的方法和设备可以实现上述和其他优点。实际上，基于这里所公开的有利设计和设计原理，还可以设计、构造以及实施能够在没有材料交换的情况下感测其他流体属性的传感器。
发明内容
本公开内容涉及一种用于测量人体胃肠(GI)道或其他流体系统(例如自来水系统)内的流体属性(特别是pH)的系统和方法。在一个示例性实施例中，一种pH感测方法包括以下步骤：提供具有离子选择性聚合物涂层的感测线圈，所述感测线圈可以被浸入在胃肠道(或其他流体系统)的流体中；提供信号发生器，其与所述感测线圈进行通信以便对该感测线圈施加电流脉冲；提供信号接收器，其与所述感测线圈进行通信以便测量相对于所述电流脉冲的电反射；以及提供数据处理器，其用于接收所述电反射并且基于所述电反射计算表示样品流体的pH的数据。应当注意到，根据本公开内容的示例性实施例的pH传感器和相关联的感测线圈不需要与样品流体进行材料交换并且不会表现出记忆效应。
在本公开内容的另一个示例性实施例中，所公开的pH传感器还包括参考线圈，其具有用于接收来自与感测线圈共享的背景电环境的信号的空心以用于校准该感测线圈。可以把存储在数据处理器中或者可以由数据处理器访问的反射率的预定值与所测量的反射率值进行比较，以便计算pH值。在这里描述的pH感测技术的优选的解剖实现方式中，传感器线圈和参考线圈被封装在可吞咽的药片壳(pill shell)内。
在另一个实施例中，pH传感器可以包括配备有微处理器、收发器以及线圈形状的天线的药片壳。所述线圈形状的天线既充当pH感测线圈又充当向/从收发器以及向/从远程位置发送及接收信号的装置。所述线圈形状的天线涂覆有pH敏感聚合物。所述感测线圈、收发器以及微处理器一起充当频率响应分析器。
通过特别结合附图阅读下面的描述，所公开的pH感测技术的附加特征、功能和益处将变得显而易见。
附图说明
为了更加全面地理解本公开内容，下面将结合附图参照对示例性实施例的详细描述，其中：
图1是根据本公开内容的一个示例性实施例的具有感测线圈的流体传感器的方框图；
图2是对图1的感测线圈的电行为进行建模的示意性电路图；
图3是根据本公开内容的另一个示例性实施例的具有感测线圈和参考线圈的pH传感器的方框图；
图4是根据本公开内容的第三实施例构造的合并有图3的pH传感器的示例性电子药片的示意图；
图5是根据本发明的用于测量pH感测线圈的频率响应的测试设置的方框图；
图6是对应于来自根据本公开内容的示例性感测线圈的信号反射的相对反射与频率的关系曲线图，其中所述线圈的核心充满了具有不同pH值的自来水；
图7是100MHz到180MHz频带内的图6的展开图；
图8是420MHz到520MHz频带内的图6的展开图；以及
图9是对应于来自根据本公开内容的示例性感测线圈的信号反射的250MHz到300MHz频率范围内的相对反射与频率的关系曲线图，其中所述线圈的核心充满了具有不同pH值的盐水。
具体实施方式
参照图1，其中示出了根据本发明的示例性流体传感器10的方框图。所述流体传感器10包括感测线圈12，其具有空心14。所述流体传感器与信号发生器16、信号接收器18以及数据处理器20进行通信。当要测量介质的属性时，将所述空心14充满样品流体22。所述感测线圈12的电线可以涂覆有不导电材料以使得该感测线圈12对于所述样品流体22的活性较低，从而提高传感器响应的可靠性和可重复性。用于所述线圈12的涂层材料优选地是(但不限于)不受可能存在于所述样品流体22中的盐离子干扰的材料。这种涂层材料包括离子选择性聚合物(比如聚(对氯甲基苯乙烯与2，4，5-三氯苯基丙烯酸盐(vinylbenzylchloride-co-2，4，5-trichlorophenyl acrylate))(“VBC-TCPA”))或者H离子渗透性聚合物(比如可以从DuPont买到的NAFION全氟磺酸/PTFE共聚物)。所述感测线圈12不一定是环形的(如在图1中示意性地描绘的那样)，而是可以采用其他优选的形状。此外，只要线圈12的核心14基本上充满样品流体22，例如在把填充有流体的管保持在所述线圈核心内部时，所述感测线圈12就不需要被浸入在所述样品流体22中。
在操作中，信号发生器16向感测线圈12发送具有特定带宽的AC脉冲。信号接收器18接收并记录所述感测线圈12对所述AC脉冲的响应。其核心14充满样品流体22的感测线圈12对所施加的AC信号的特征响应被用来导出样品流体22的pH值。由数据处理器20来分析线圈-介质组合的响应。信号发生器16、信号接收器18以及数据处理器20可以充当频率响应分析器。优选地在以433MHz为中心的350-450MHz范围内测量频率响应。由于感测线圈12的响应取决于其构造和配置并且通常不发生改变，因此可以把线圈12的属性相关的响应存储在与所述数据处理器20相关联的存储器(未示出)中，以便简化数据处理。在测量期间，可以有利地把所测量的线圈12的响应与例如具有查找表的形式的所存储的属性相关的响应数据进行比较，以便确定样品流体22的属性值。如上所述，可以基于电容性分量和电感性分量来对线圈进行建模，正如在图2中示意性地描绘的那样。
参照图3，其中描绘了根据本公开内容的第二实施例的具有感测线圈和参考线圈的示例性pH传感器的方框图。对应于上面结合图1的流体传感器10描述的各元件的图3中示出的各元件由相应的附图标记加100进行标识。
在图3的示例性实施例中，pH传感器110包括具有空心114的感测线圈112和具有空心126的参考线圈124，其与信号发生器116、信号接收器118以及数据处理器120进行通信。在图3的实施例中，一对相同的线圈112、124被用来构造传感器110。感测线圈112被用来感测样品流体122。参考线圈124被用作参考以便消除环境电磁干扰并且不暴露于样品流体122。参考线圈124具有由空气、液体或其他材料构成的固定核心。
在操作中，信号发生器116向感测线圈112和参考线圈124两者发送具有预定带宽的AC脉冲。信号接收器118接收并记录感测线圈112和参考线圈124对AC脉冲的响应。参考线圈124的电响应被数据处理器120使用来校准感测线圈112的背景电环境，其被用来消除(析出(factor out))来自感测线圈112的响应的环境电磁干扰。由数据处理器120来分析感测线圈112的经过校准的响应，以便导出居间的样品流体122的pH值。
由于线圈112、124的响应取决于其构造和配置并且通常不发生改变，因此可以预先表征所述线圈112、124的pH相关的响应，这是通过将其存储在与数据处理器120相关联的存储器(未示出)中而实现的，从而可以简化数据处理。在pH测量期间，把线圈112的所测量的响应与例如具有查找表形式的所存储的pH相关的响应数据进行比较，以便确定样品流体122的pH值。
参照图4，其中描绘了根据本公开内容的第三实施例的另一种示例性pH传感器210的方框图，其具有被集成到电子药片壳230中的感测线圈212和参考线圈224。对应于在上面结合图3的pH传感器110描述的各元件的图4中所示的各元件由相应的附图标记加100进行标识。除非另行表明，否则pH传感器110和pH传感器210两者都具有相同的构造和操作。所述药片壳230具有药片壳实体232，其具有在一侧由隔膜235封闭的矩形缺口234，从而在所述药片壳实体232的一端238处在所述药片壳232内形成空间236。如图所示，感测线圈212和参考线圈224被集成到电子药片壳中，其中所述感测线圈212采用空间236作为其核心，并且被包含在所述药片壳实体232内的参考线圈224不暴露于任何液体。由于隔膜234是半渗透性的，因此固体粒子不会进入空间236，而样品流体介质则可以进入。有利的是，pH传感器210的所公开的实施例小到足以被吞咽，从而进入患者的GI道。根据pH传感器210的设计/操作，电极不会暴露于GI环境，从而消除了任何生物兼容性或毒性问题。此外，到位于内部的线圈212、224的电线或导线不会物理地穿透所述药片壳230。
在本公开内容的另一个实施例中，类似于所述药片壳230的药片壳可以配备有微处理器、收发器以及线圈形状的天线。所述线圈形状的天线既充当pH感测线圈又充当向/从收发器以及向/从远程位置发送及接收信号的装置。根据本公开内容的示例性实施例，所述线圈形状的天线有利地涂覆有pH敏感聚合物，例如参照图1、3和4的实施例公开的其中一种聚合物。微处理器与收发器以及天线/线圈一起充当频率响应分析器。
参照图5，其中描绘了用于测量根据本公开内容的pH感测线圈的频率响应的示例性测试设置240。所述测试设置240包括铜线圈242，其具有围绕圆形塑料试管(cuvette)244的空心，所述试管包含待测样品流体246。所述铜线圈242通常由适当的线规格(例如30号线)制成并且受到所期望的卷绕(例如30匝)，以便形成在低频空心的情况下具有大约0.01mH的电感的电感器。在一个示例性实施例中，所述圆形塑料试管244具有大约8mm的外直径以及大约6mm的内直径。使用由Hewlett-Packard制造的HP 8753C型网络测试器246来仿真信号发生器和信号收发器。所述铜线圈242通过BNC连接器248电耦合到所述网络测试器246。通过配备有Labview数据采集接口250以用于显示数据的个人计算机(PC)来仿真所述数据处理器。
可以利用所公开的测试设置来采样多种流体。例如，已经对于被修改成具有几种pH值的自来水、被修改成具有几种pH值的盐水、仿真胃液(SGF)以及仿真肠液(SIF)执行了测试。通过与HCl进行混合把自来水pH调节到7.3、6.1、5.1、4.1、3.2、2.1和1.0的值，并且利用由Corning制造的CHEKMITE pH-15玻璃电极pH计进行了校准。盐水溶液包括0.2％的盐并且被调节到7.0、5.1、4.0、3.1、2.0和1.1的pH。没有蛋白质的仿真胃液(SGF)是从Ricca Chemical Part#7108-32获得的，其具有0.7％v/v HCl中的0.2％w/v NaCl(pH 1.1)。仿真肠液(SIF)是从Ricca Chemical Part#7109.75-16获得的USPXXII与0.68％单碱磷酸钾和氢氧化钠的混合，最终溶液的pH被设置到大约7.4。
图6-9示出了利用测量上面讨论的各种样品流体的pH值的所公开的测试设置从实验数据得到的相对反射与频率的关系曲线图。图6示出了对应于具有各种pH值的自来水溶液、pH为1.1的SGF以及pH为7.4和4.9的SIF的总体相对反射与频率的关系。图7是100MHz到180MHz的频带内的图6的展开图。图8是420MHz到520MHz的频带内的图6的展开图。图9示出了对应于具有各种pH值的盐水溶液、pH为1.1的SGF、pH为7.4的SIF、pH为4.5的去离子水以及pH为7.4的自来水的250MHz到300MHz的频率范围内的相对反射与频率的关系。
在图9所反映出的结果中，盐水中的Na⁺的存在改变了线圈的响应，但是利用所公开的设备/方法仍然可以区分具有1.1、2.0、3.1和4.0-7.0的pH的盐水。所述样品流体的电导率随着pH的减小而提高。从图6-9的曲线图还可以注意到，线圈的反射响应在更大程度上可以归因于介电常数(或电导率)的改变而不是磁导率的改变。
本公开内容的方法和设备提供了优于现有技术pH感测设备的几个优点。例如，所公开的方法和设备提供了一种可以以非常小的形状因数制造的快速响应pH感测机制。实际上，所公开的pH感测设备的几何结构和其他物理特性可以被配置并设计尺寸以用于人体摄取，从而提供了对于多个GI道位置的pH感测。此外，本公开内容的pH传感器没有材料(离子)交换、通常没有记忆效应并且可以按照成本有效的方式被制造及利用。
本公开内容的方法和设备可以有多种应用。所公开的pH感测方法和设备可以被应用来确定具有已知的基本成分的样品流体的近似pH值，比如用来测量胃肠液的活体pH值。此外，本发明可以被用作线内pH传感器以用来监控管道中的流体的pH值或者用来监控住宅内的自来水的pH值。此外，本发明的方法和设备可以与射频标识设备(RFID)集成在一起，以用来监控瓶装饮料或者其他产品/系统的pH值。
应当理解的是，这里描述的实施例仅仅是示例性的，本领域技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下做出许多改变和修改。所有这种改变和修改都应当被包括在本发明的范围内。