专利名称：用于多普勒雷达的自动发射功率调节的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用多普勒(Doppler)雷达技术检测心脏运动的领域。更具体而言， 本发明涉及一种多普勒雷达心脏传感器和用于调节多普勒雷达心脏传感器的发射功率的 方法。
背景技术：
通常，检测和评价心脏活动和健康状态对于医生和保健专业人员而言是常见并 且重要的任务。这适用于人心脏和动物心脏两者。当前对于心脏活动检测和评价有几种 选择。ECG测量在个人保健方面作为评估患者的心肌电激励性能的标准工具具有较长的 历史。更近来的产品通过在小型手持装置中的心率变异性分析使患者能够观察其心脏负 荷(stress)水平。当今仍然缺乏的是同时检测ECG(电激活)以及其通过心肌到机械作 用的转换，这将实现临床以及个人保健(PHC)情形下的广泛应用。与ECG信息一起分析的 心脏机械运动中的问题与心脏负荷以及甚至严重的心-血管状况相关。已经发现射血前 期-限定为ECG的Q波和主动脉瓣打开的时间差-是心理学中精神紧张的指示符(例如， 参见 H. Boudoulas 等人的文章，"Effectof increased Adrenergetic Activity on the Relationship Between Electrical andMechanical Systole，，，Circulation 64，No. 1， 198，在此将其公开全文并入)并且与基于脉搏波方法的血压测量尤其相关。为了测量内 部器官的机械运动，现有技术是超声、阻抗心动描记术、心音描记术或计算机断层摄影(CT) 和磁共振断层摄影(MRT)成像模式。这些技术中的大部分仅在非常有限数量的情况下适用 于PHC应用。像MR和CT的一些技术并不适用于PHC应用。超声测量通常需要受过训练的人 员在允许超声波穿透身体的窗口之一上定位探头。阻抗心动描记术要求在患者胸廓上放置 若干电极，这对于非专业人员而言是困难的。尽管智能纺织物是即将来临的新机遇，但对于 点测量的工作仍然十分重要。心音描记术是医学界中非常成熟的技术，并提供经由瓣膜打 开和闭合时的心音以及与严重状况相关的杂音的信息。在实践中，发现放置扩音器相当困 难。雷达技术已经得到深入研究，用于军事和援救应用中受检者心率和呼吸率的远程监测。 此外，电磁(EM)波允许经由检测身体内导电边界层上的反射来配准内部器官的运动。我们 已经证明，可以检测心率、呼吸、血管扩张-适于脉搏传播时间测量-和更为复杂的心脏运 动阶段(例如，参见发明人J. Muehlsteff等人发表的文章“The use of a two channel Doppler Radar Sensor for the detection of heartmotion phases，，，2006, IEEE EMBC 2006，会议录)。本文涉及多普勒雷达传感器的使用，例如如发明人发表的上述文章所述，以 前可以从hfineon获得的KMYM型多普勒雷达传感器。在此通过引用将J. Muehlsteff等 人在 2006，IEEE EMBC 2006，会议录中的文章"The use of a two channel DopplerRadar Sensor for The detection of heart motion phases，，全文并入。当使用多普勒雷达传感器对不同受检者进行心脏测量时发生的问题之一是身体 尺度和脂肪组织层厚度的差异。身体组织对电磁波具有高吸收系数。因此，尤其对于超重 和肥胖受检者而言，接收到的多普勒雷达信号被严重衰减。增大发射功率将补偿这一衰减，并且为了具有可靠的可诊断信号将要求这样做。然而，过多增大功率将致使传感器过于灵 敏，并导致从感兴趣区域之外的运动引起伪影。此外，在电池供电的应用中，应当避免不必 要的高功率消耗。本申请描述了可用于以尽可能低的电磁辐射水平和发射功率获得最高信号质量 的两个实施例。本申请增大发射功率直到识别出心脏信号或使用外部已知的运动以将发射 功率调节到最佳值。
发明内容
希望实现一种多普勒雷达心脏传感器，其以这样一种方式调节发射功率使其适 于获得预期的信号质量，但不高于该值，即不高于需要的值。这种策略节省电能，这在电池 供电的装置中是有益的，与此同时，使患者对电磁辐射的暴露最小化，同时维持足够的信号 质量。还希望使多普勒雷达心脏传感器能够考虑到患者的物理性质。为了更好地解决这些 问题中的一个或多个，在本发明的第一方面中，提供了一种多普勒雷达心脏传感器，其包括 雷达信号发射器、雷达信号接收器、信号模式匹配器和发射功率调节器。信号模式匹配器被 连接到雷达信号接收器并被布置成分析接收的雷达信号。信号模式匹配器还被布置成将接 收的雷达信号与信号模式进行比较，并在检测到接收的雷达信号与信号模式中的至少一个 之间具有足够高的相似性时发出对应的指示信号。发射功率调节器被连接到雷达信号发射 器和信号模式匹配器。发射功率调节器被布置成逐步修改传递给雷达信号发射器的发射功 率，直到信号模式匹配器发出指示信号。雷达信号接收器可以包括天线和放大器。此外，雷达信号接收器可以包括多普勒 分析部分，其确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的频率偏移量。雷达信号发射器 可以包括天线和可调节的放大器。还希望提供一种能够可靠地区分心搏信号与来自其他源的信号的多普勒雷达心 脏传感器。在实施例中，通过将接收的雷达信号的性质与典型心搏信号的性质进行比较的 信号模式匹配器来解决这一问题。心率和检测到的运动的形状是这种性质的范例。还希望提供一种多普勒雷达心脏传感器，其能够直接将接收的雷达信号与已知对 应于心脏活动的信号进行比较。可以预先记录这些已知对应于心脏活动的信号，记录可能 覆盖若干类型的患者(身高、年龄、性别、健康状态、……)和患者活动的水平(休息、行走、 工作、……)。此外，希望通过提供校准来辅助确定最佳发射功率设置。在实施例中，通过包括雷 达信号接收器覆盖区域中已知的校准运动的多普勒雷达感测信号的信号模式来解决这一 问题。多普勒雷达传感器对其覆盖区域中的活动做出反应。已知校准运动的性质中的至少 一些是预先知道的。因此，识别它们对接收的雷达信号和/或在发射的雷达信号和接收的 雷达信号之间比较所得信号的贡献是相对简单的任务。还希望提供一种多普勒雷达心脏传感器，其能够执行校准运动，用以直接访问和/ 或控制校准运动的性质。在实施例中，通过包括用于产生已知校准运动的运动物体的多普 勒雷达心脏传感器来解决这一问题。应当指出，在多普勒雷达心脏传感器的主要部件和运 动物体之间不必有物理连接。此外，希望提供一种多普勒雷达心脏传感器，其能够调节其发射功率，以便获得足以用于对接收的信号的后续分析的标准信号质量。此外还希望利用代表或指示信号质量的 标准将观察到的信号质量与标准信号质量进行匹配。在实施例中，通过还包括用于先前校 准会话的校准信号质量测量的存储器的多普勒雷达心脏传感器来解决这些问题和其他问 题，其中，信号模式匹配器确定当前信号质量，而发射功率调节器在当前质量测量等于或优 于校准信号测量时停止修改发射功率。还希望提供一种多普勒雷达心脏传感器，其在确定在接收的雷达信号中是否存在 可检测的心脏信号时能够使用来自其他信息源的信息。在实施例中，通过还包括被连接到 信号模式匹配器的心电图信号接口的多普勒雷达心脏传感器来解决这一问题，其中，信号 模式匹配器还将接收的雷达信号与经由心电图接口提供的信号进行比较。在上述多普勒雷达心脏传感器之外，希望实现一种用于调节多普勒雷达心脏传感 器的发射功率的方法，其以这样一种方式调整发射功率使得装置的功耗不会高于所需，并 使患者对电磁辐射的暴露最小化，同时维持足够的信号质量。还希望该方法考虑到患者的 物理性质。为了更好地解决这些问题中的一个或多个，在本发明的第一方面中，在本发明的 第二方面中，提供了一种用于调节多普勒雷达心脏传感器的发射功率的方法，其包括a)发送多普勒雷达信号；b)接收接收的雷达信号；c)分析接收的雷达信号；d)将接收的雷达信号与信号模式进行比较；e)如果所述比较表明接收的雷达信号与信号模式中的至少一个之间具有足够高 的相似性时终止用于调节的方法，或通过逐步修改发射功率并重复动作a)到e)来调节发 射功率。应当指出，在该方法终止之后，可以基于时间安排(例如每10秒钟)、基于操作员 的交互或基于对工作期间接收的雷达信号的持续/间断分析再次调用该方法。此外，希望提供一种用于发射功率调节的方法，其避免了对发射功率的可能有害 设置。在实施例中，通过以下操作解决这一问题调节发射功率包括将发射功率从低水平逐 步增大到检测到足够高相似性的水平。还希望提供一种用于发射功率调节的方法，其对信号质量的变化做出反应并调节 发射功率，从而可以实现必需的信号质量和功耗之间的合理折衷。这样具有附加的优点，即 患者对电磁辐射的暴露不高于所需值。在实施例中，通过以下方式解决这些问题调节发射 功率包括将发射功率从先前的高水平逐步减小到接收的雷达信号与信号模式中的至少一 个之间的相似性具有最低容许值的水平。此外，希望提供一种用于发射功率调节的方法，其能够可靠地区分心搏信号与来 自其他源的信号。在实施例中，通过以下操作解决这一问题，将接收的雷达信号与信号模式 进行比较包括将接收的雷达信号的性质与典型心脏信号的性质进行比较。还希望提供一种用于发射功率调节的方法，其便于通过提供校准来确定最佳发射 功率设置。在实施例中，通过该方法解决这一需求，该方法还包括在多普勒雷达心脏传感器 的覆盖区域中放置执行已知校准运动的运动物体。此外，希望提供一种用于发射功率调节的方法，其能够获得足以用于对接收的信 号的后续分析的标准信号质量。此外还希望利用代表或指示信号质量的标准将观察到的信号质量与标准信号质量进行匹配。在实施例中，通过还包括以下步骤的方法解决这些问题 和其他问题在动作a)之前使用校准物体和预选定的发射功率校准多普勒雷达心脏传感 器以确定校准信号测量。这一校准信号测量代表动作e)中的信号模式之一。还希望提供一种用于发射功率调节的方法，其能够在确定接收的雷达信号中是否 存在可检测的心脏信号时使用来自其他信息源的信息。在实施例中，通过还包括以下步骤 的方法解决这一问题接收与心脏的电活动对应的心电图信号以及将接收的雷达信号与心 电图信号进行比较以确定接收的雷达信号是否与由心脏的电活动导致的心搏对应。此外还希望实现一种计算机程序，其在为多普勒雷达心脏传感器找到最佳发射功 率设置时起辅助作用。为了更好地解决这一问题和可能的其他问题，在本发明的第三方面 中，提供了一种计算机程序，其使得处理器能够执行上述方法。可以任意组合不同的技术特征并于此一起公开了这种组合。具体而言，但并非排 他地，多普勒雷达心脏传感器可以包括以下的任何组合雷达信号发射器、雷达信号接收 器、信号模式匹配器、发射功率调节器、用于生成已知的校准运动的运动物体、用于校准信 号质量测量的存储器以及心电图接口。关于用于调节多普勒雷达心脏传感器发射功率的方 法，上述动作的任何组合都是可能的并于此一起被公开。具体而言，但并非排他地，可以组 合以下动作中的两个或更多发送多普勒雷达信号；接收接收的雷达信号；分析接收的雷达信号；将接收的雷达信号与信号模式进行比较；如果所述比较表明接收的雷达信号与信号模式中的至少一个之间具有足够高的 相似性时终止用于调节的方法，或通过逐步修改发射功率并重复先前的动作来调节发射功 率；将发射功率逐步从低水平增大到某一水平；将发射功率从先前的高水平逐步减小到接收的雷达信号与信号模式中的至少一 个之间的相似性具有最低容许值的水平；比较接收的雷达信号与信号模式中的至少一个的性质具有最低容许值；在多普勒雷达心脏传感器的覆盖区域中放置运动物体，执行已知的校准运动；使用校准物体和预选定的发射功率校准多普勒雷达心脏传感器以确定校准信号 测量；接收与心脏的电活动对应的心电图信号以及将接收的雷达信号与心电图信号进 行比较以确定接收的信号是否与由心脏电活动导致的心搏对应。各种实施例可以解决以下问题中的一个或多个当使用多普勒雷达传感器时，信号质量达到最高，同时功耗和患者对电磁辐射的
暴露最小；使外部噪声源的影响最小化；针对患者的胸廓特性(尺度、脂肪)调整辐射功率。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得到阐述。
图1示出了本发明实施例的示意性方框图。图2和3示出了随时间接收的雷达信号的无可见心跳(图2)和有可见心跳(图 3)的图示。图4示出了根据本发明实施例的方法的流程图。图5示出了根据本发明另一实施例的方法的流程图。图6示出了图示说明针对苗条人士的信号质量和发射功率之间关系的图示。图7示出了图示说明针对肥胖人士的信号质量和发射功率之间关系的图示。图8示出了本发明实施例的示意性方框图。图9示出了用于校准的多普勒雷达心脏传感器、患者和运动物体的布置。
具体实施例方式图1示出了本发明实施例的示意性方框图。多普勒雷达心脏传感器100包括多普 勒雷达信号发射器102和多普勒雷达信号接收器103。在工作期间，多普勒雷达信号发射器 102在人或动物胸部的方向上发射雷达信号104。在示意图中利用患者的皮肤124、身体组 织123和心脏122图示说明人的胸部。心脏122位于皮肤IM下方的特定深度，并且在图 1中图示说明了该深度并由字母d表示。心脏深度d在患者之间可能变化很大。对于苗条 的人士，深度d相当小，而对于大个人士或肥胖人士，d可以取相对高的值。在不同身体组织中电磁波的传播性质变化显著。在2. 4GHz的频率，以下性质是相 关的
权利要求
1.一种多普勒雷达心脏传感器，包括雷达信号发射器(102)；雷达信号接收器(103)；信号模式匹配器(106)，所述信号模式匹配器被连接到所述雷达信号接收器(102)并 被布置成分析接收的雷达信号(105)，将所述接收的雷达信号与信号模式进行比较，并在检 测到所述接收的雷达信号与所述信号模式中的至少一个之间具有足够高的相似性时发出 对应的指示信号；被连接到所述雷达信号发射器(10 和所述信号模式匹配器(106)的发射功率调节器 (108)，所述发射功率调节器被布置成逐步修改传递给所述雷达信号发射器(10 的发射 功率，直到所述信号模式匹配器发出所述指示信号。
2.根据权利要求1所述的多普勒雷达传感器，其中，所述信号模式匹配器(106)将所述 接收的雷达信号(10 的性质与典型心搏信号的性质进行比较。
3.根据权利要求1所述的多普勒雷达心脏传感器，其中，所述信号模式对应于多普勒 雷达感测的心脏活动的信号。
4.根据权利要求1所述的多普勒雷达心脏传感器，其中，所述信号模式包括在所述雷 达信号接收器的覆盖区域中多普勒雷达感测的已知的校准运动的信号。
5.根据权利要求4所述的多普勒雷达心脏传感器，还包括用于生成所述已知的校准运 动的运动物体(901)。
6.根据权利要求1所述的多普勒雷达心脏传感器，还包括用于先前校准会话的校准信 号质量测量的存储器，其中，所述信号模式匹配器(106)确定当前信号质量，并且所述发射 功率调节器(108)在所述当前信号质量测量等于或优于所述校准信号测量时停止修改所 述发射功率。
7.根据权利要求1所述的多普勒雷达心脏传感器，还包括被连接到所述信号模式匹配 器(106)的心电图信号接口，其中，所述信号模式匹配器还将所述接收的雷达信号与经由 所述心电图接口提供的信号进行比较。
8.一种用于调节多普勒雷达心脏传感器的发射功率的方法，所述方法包括a)发送多普勒雷达信号(104)；b)接收接收的雷达信号(105)；c)分析所述接收的雷达信号；d)将所述接收的雷达信号与信号模式进行比较；e)如果所述比较表明在所述接收的雷达信号与所述信号模式中的至少一个之间具有 足够高的相似性时终止用于调节的所述方法，否则通过逐步修改所述发射功率并重复动作 a)到e)来调节所述发射功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，调节所述发射功率包括将所述发射功率从低水 平逐步增大至检测到所述足够高的相似性的水平。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，调节所述发射功率包括将所述发射功率从先前 的高水平逐步减小到所述接收的雷达信号(10 与所述信号模式中的至少一个之间的相 似性具有最低容许值的水平。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述接收的雷达信号(10 与信号模式进行比较包括将所述接收的雷达信号的性质与典型心搏信号的性质进行比较。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括放置运动物体(901)，在所述多普勒雷达心脏 传感器的覆盖区域中执行已知的校准运动。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括在动作a)之前，使用校准物体和预选定的发射功率校准所述多普勒雷达心脏传感器 以确定校准信号测量；其中，所述校准信号测量表示在动作e)中的所述信号模式中的一个。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括接收与所述心脏(12 的电活动对应的心电图 信号以及将所述接收的雷达信号与所述心电图信号进行比较以确定所述接收的雷达信号 是否对应于由所述心脏(122)的所述电活动导致的心搏。
15.一种计算机程序产品，其包括指令，所述指令使处理器能够执行根据权利要求8所 述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种多普勒雷达心脏传感器，包括雷达信号发射器(102)；雷达信号接收器(103)；信号模式匹配器(106)；以及发射功率调节器(108)。信号模式匹配器(106)被连接到所述雷达信号接收器(102)并被布置成分析接收的雷达信号(105)，将所述接收的雷达信号与信号模式进行比较，并在检测到所述接收的雷达信号与信号模式中的至少一个之间具有足够高的相似性时发出对应的指示信号。发射功率调节器(109)被连接到所述雷达信号发射器(102)和所述信号模式匹配器(106)，所述发射功率调节器被布置成逐步修改传递给所述雷达信号发射器(102)的发射功率，直到所述信号模式匹配器发出所述指示信号。本发明还涉及一种对应的方法和计算机程序产品。
文档编号G01S13/58GK102088903SQ200980126732
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月3日 优先权日2008年7月11日
发明者J·A·J·西杰斯, J·米尔史蒂夫, R·平特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司