专利名称：微波心肺感测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及体部器官活动的微波感测领域，并且特别公开一种用于感 测人类和动物内的器官活动的方法和装置。
背景技术：
用于测量或监视人类或动物内的器官活动的各种方法是公知的。特别 地，心脏和肺的监视方法是公知的。
先前的非-成像和非-侵入方法一直基于雷达原理、压力传感器(体积描
记仪)、心电图描记法(ECG)或心音描记法的变体。已经见诸报道的基于 雷达的方法(既有脉冲的也有连续波的)性能很差，并且认为没有商业上 使用雷达的心脏监视设备。体积描记仪效果较好但是必须将其夹在或捆绑 在体部上(指尖、耳垂，前额等等)而且只能送出心率，尽管可以被扩展 以提供血氧。ECG方法需要与多个位置的皮肤进行欧姆"接触"联系。好 的ECG描记图像在诊断上可以是完美的但是需要专门的解释。有关电容性、 非欧姆电极的一些研究己有报道但是这些都具有易变性并缺少稳定性。因 为将电极与皮肤隔离开的绝缘材料(例如，丁基合成橡胶)必须接触皮肤， 所以最好的方法实际上并不是非-接触的。而且所有ECG方法还容易受到骨 骼上肌肉产生的电噪声信号的影响而几乎无法提供关于肺运动的任何信 息。心音描记法是有用的，但是仅提供有限数量的信息。
发明内容
本发明的目的在于使用体部内的子表面或以其它方式隐藏的器官的微 波感测而提供一种非-侵入的体部监视能力，由其空间非均匀性和域时间变 化进行区分，这种非-侵入的体部监视能力提供了现在设备不能提供的信息。 尽管可以应用在其它使用中，但是这里公开的方法和装置尤其适用于人类 或动物内器官活动的非-侵入感测。这里公开一种用于监视体部中的变化的方法和装置，所述方法包括如 下步骤(a)沿着至少两条接近的分离路径发射辐射使其通过体部；(b) 在沿着所述至少两条接近的空间路径发射所述辐射之后，分析所接收的对 所述辐射模式的响应中的差异以确定所述体部的一部分中的变化。
为了通过至少一个接收器以同步时分复用的方式进行接收，分隔开的 发射器能够以时分复用的方式发射辐射。发射器的数量可以是两个并且接 收器的数量可以是一个。由于发射器与接收器之间的二元性，在任何配置 中，发射器和接收器的作用可以互换。
本发明优选的形式将参照附图描述如下
图1示意性示出了优选实施例的结构；
图2详细示出了优选实施例的电路图3表示用于监视体部变化的方法实施例的流程图4表示用于监视体部变化的另一方法实施例的流程图；以及
图5表示用于监视体部变化的再一方法实施例的流程图。
具体实施例方式
在优选实施例中，提供一种新颖的和具有创造性的方法，其利用简单 的体积-散射(volume-scattered)微波的非-相干检测来为器官提供监视能力。 优选实施例利用一种切换(switched)比较方法，其采用锁相放大器检测来 自体部内的两个或更多体积内的散射微波辐射的功率差异。
首先参照图1，其示意性地表示优选实施例1的一种结构形式，其中将 一系列微波发射和接收天线2放置于邻近心脏和肺系统4的人体3旁边。 天线系统2由在微控制器7控制下的模拟驱动系统6驱动。微控制器7在 设备1中提供数字处理能力并且经由总线8互连到存储器9和外部网络连 接设备10。
图1中示意性公开的结构以外的其它结构对于熟悉本领域的普通技术 人员来说很明显，但是设计图1的结构是为了适合可佩带的便携式电池供 电设备，其能够被无线电连接到远程登录和联网设备。网络互连10能够提供例如802.11联网能力的标准无线网络互连。此外，设备l可以可选地具 有其自己的用户界面。可选地，非最佳形式可以包括将监视能力限定到基 站。
现在参照图2，其详细示出了优选实施例的示意性结构。提供包括两个 发射天线20， 21和一个接收器天线22的三个微波天线以放置在临近所述 待测体部的位置。天线形式可以包括通过子-波长距离分隔开的近各向同性、 子-波长尺寸的"基本"形式。这些天线可以单独封装为限定的模块。天线 放置的几何对称结构简化了后-处理但并不是强制的。
接收器天线22连接到包括第一带通滤波器25、对数放大器26、功率 检测器27和锁相放大器28的处理序列。这种锁相放大器具有相位敏感检 测器。输出被低通滤波并且在输出30之前被进一步放大29。该输出由AGC 伺服系统31进行自动增益控制。
两个外部发射器20， 21依次由连续-波微波振荡器40驱动。输出信号 经由单刀双掷(SPDT) RF开关41从一个天线切换到另一个天线以将微波 功率依次传向发射天线20， 21中的一个或另一个。开关41的位置是电动 控制的。传送到每一个发射器的输出功率由平衡伺服系统43电动控制。
天线之间的切换由时钟信号45电动控制，该时钟信号可以包括稳定的 音频基准振荡器。该基准还控制锁相采样放大器28。因此，接收器天线22 交替地提供有以时钟速率切换的来自两个外部天线中的每一个附近的散射 辐射。
相同的时钟信号45对于锁相放大器28形成切换基准。锁相放大器28 的输出与来自两个外部天线的观察的散射功率的分贝测量之间的差异成比 例。该差异信号在低通放大器29中被进一步放大，该低通放大器29提供 从DC到大约35赫兹的放大并且包含AGC伺服系统31以调节该信号幅值。
更宽的带输出是可能的，尽管在非常高的带宽处时钟频率的增加是必 要的。
从而，接收器链路22到31检测来自两个发射器20， 21的散射辐射中 的小的差异。即使存在对于两侧共有的大的变化，也能够感测到该小的差 异。这些共有的变化可以是呼吸、体部移动、RF振荡器功率级别漂移以及 电路中的增益变化的结果。在锁相放大器的加和信号输出中最好地保留了倾向于作为共模信号的 呼吸信号(未示出)。
如果电路接近平衡点，其中差异信号的长期平均值大致为零，则该电
路运行得最好。为此，包括有自动平衡伺服系统43，其调整可变RF衰减 器42， 44以恢复可能由于电路漂移、持续不同的组织样本以及天线系统2 被放置在胸壁附近时的未对准产生的任何长期不平衡。
可以将模拟输出30传送到微控制器(图1中的7)，在那里将该模拟输 出30转换为数字信号并且记录下来用于分析。该微控制器可以连接到任何 通信网络以进行远程感测、分析和记录。
前面以具有最小数量(2)的散射路径的最简单示例描述了本发明的优 选形式。对于本领域的普通技术人员来说很明显，可以在不偏离本发明范 围的情况下对本发明进行各种修改。例如，可以按照各种布置并且在所承 担的接收到的差异信号的各种处理中利用其它数量的发射器和接收器，以 对产生的体部运动不仅提供时域信息而且提供空间信息。 一些子系统，例 如AGC和平衡伺服系统以及RP放大器的对数形式，也并不是在所有情况 下都是必须的。
图3示出了用于监视体部变化的方法实施例的流程图。在这个实施例 中，该方法包括如下步骤
(a) 沿着至少两条接近的分离路径发射辐射信号使其通过体部100;
(b) 在沿着各自路径发射辐射信号后，接收对于每一个辐射信号的散 射响应101;以及
(c) 产生与接收的响应之间的差异成比例的信号103。 在一个实施例中，沿着两条路径发射辐射信号使其通过体部。这些辐
射信号可以是非-相干的。优选地，相对于接收的响应的体积(例如，接收 的功率)来测量接收的响应之间的差异。
图4示出了用于监视体部变化的另一方法实施例的流程图。在该实施
例中，所述方法包括如下步骤
(a) 沿着至少两条接近的分离路径发射时分复用的辐射信号使其通过
体部110;
(b) 通过至少一个接收器接收对于沿着各自路径发射的每一个辐射信号的时分复用的散射响应111;
(c) 产生与接收的时分复用的散射响应的信号功率成比例的信号 112;以及
(d) 产生与从每一条各自路径接收的散射信号功率之间的差异成比例
的信号113。
在一个实施例中，辐射信号沿着两条路径进行发射以通过体部。这些 辐射信号是时分复用的，从而输出信号在两个发射器之中的一个之间交替。 然后，接收到的信号由单个接收器接收并且包含时分复用信号，该吋分复 用信号包括沿着每一个发射器和接收器之间的各自路径的散射信号。由于 发射器与接收器之间的二元性，在任何配置中，发射器和接收器的作用可 以互换。
优选地产生与接收的信号功率成比例的信号，并且该信号对于每一条 各自路径还具有时分复用响应。在两个独立的信号之间时分复用地产生的 信号包括以时分复用率为中心的频率分量，该时分复用率与两个信号之间 的差异成比例。
这些以时分复用率为中心的频率分量被选择性地测量以产生与从每一 条各自路径接收的散射信号功率之间的差异成比例的信号。在一个实施例 中，通过模拟锁相放大器执行该选择性测量。在另一实施例中，处理器可 以执行锁相放大器的功能。
在这些实施例中，锁相放大器的功能包括相位灵敏检测器，该检测器 检测时分复用的切换信号并且产生具有在时分复用率处的主频分量的基准 信号。
然后，锁相放大器对基准信号与时分复用响应进行乘法运算。基准信 号与时分复用响应的乘积产生包括差异频率分量的备份的输出信号，其原 来以时分复用率为中心，现在以零赫兹为中心。
在这些实施例中，进一步通过低通滤波器分离该差异分量。产生的信 号与从每一条各自路径接收的散射信号功率之间的差异成比例。
图5示出了用于监视体部变化的另一方法实施例的流程图。在该实施 例中，所述方法包括如下步骤
(a)沿着至少两条接近的分离路径发射时分复用的辐射信号使其通过体部120;
(b)通过至少一个天线接收对于沿着各自路径发射的每一个辐射信号 的时分复用的散射响应121;
(C)产生与接收的时分复用散射响应的信号功率成比例的信号122;
(d) 对产生的时分复用功率信号与具有该时分复用率的主频分量的信 号进行乘法运算123;
(e) 分离以零赫兹为中心的乘积信号的频率分量124;以及
(f) 产生与从每一条各自路径接收的散射信号功率之间的差异成比例
的信号125。
熟悉本领域的普通技术人员将进一步认识到，可以使用数字或者模拟 技术类似地执行上述方法的适当部分。可以理解，在一个实施例中执行的 方法的适当步骤可以通过执行指令(计算机可读代码)的计算机系统的处 理器(或多个处理器)完成。本发明并不局限于任何特定的实现或编程技 术并且本发明可以使用用于实现上述功能的任何适当技术来实现。
进一步，处理器可以执行附加的控制和信号的后续处理。在可选的实 施例中，该处理器可以通过经由有线或无线连接的通信网络接收产生的信 号，该产生的信号与从每一条各自路径接收的散射信号功率之间的差异成 比例。
解释
除非以其它方式明确说明，根据下面的讨论很明显可以意识到，在整 个说明书中，使用诸如"处理"、"使用计算机计算"、"计算"、"确定"等 的术语的讨论是指计算机或计算机系统或者类似的电子计算设备的动作和/ 或处理，该动作和/或处理将表示为物理量(例如电学量)的数据处理和/ 或转变为类似地表示为物理量的其它数据。
按照类似的方式，术语"处理器"可以指任何设备或者处理电子数据 的设备的一部分。"计算机"或者"计算机器"或者"计算平台"可以包括 一个或多个处理器。在可选实施例中，该一个或多个处理器作为单机设备 工作或者可以按照联网配置的方式连接，例如联网到其它处理器，该一个 或多个处理器在服务器-客户端网络环境中以服务器或者客户机的能力工 作，或者在点对点或分布式网络环境中作为个别机器工作。在本申请文件的上下文中，术语"无线"及其衍生词可以用于描述电 路、设备、系统、方法、技术和通信信道。该术语并不意味着所相关联的 设备不包含任何线路。
如这里所使用的，除非以其它方式指明，为了描述共同的对象，序数 形容词"第一"、"第二"、"第三"等的使用表明正在参照类似对象的不同 实例，并且并不意欲表明如此描述的该对象必须在时间上、空间上、等级 上或者以任何其它方式按照该给定的序列。
整个说明书中对"一个实施例"或者"某一实施例"的提及意味着结 合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施 例中。因而，在说明书各个位置处出现的短语"在一个实施例中"或者"在 某个实施例中"并不是必须都指代相同的实施例，而是可以指代不同的实 施例。而且，对于本领域的普通技术人员来说很明显，特定的特征、结构 或者特性可以按照任何适当的方式在一个或多个实施例中组合。
而且，尽管这里描述的一些实施例包括一些并未包括在其它实施例中 其它特征，但是不同实施例的特征组合在本发明的范围之内并且形成不同 的实施例，这对于本领域的普通技术人员来说很明显。例如，在下面的权 利要求书中，可以按照各种组合使用所要求保护的实施例的任何一个。
这里提供的说明书中描述了各种具体细节。然而，可以理解，本发明 可以在不具有这些具体细节的情况下进行实施。在其它实例中，为了使对 本说明书的理解清楚，没有详细表示公知的方法、结构和技术。
在下面的权利要求书和此处的说明书中，"包含"、"由……组成"或者 "其包含……"的任何一个术语都是开放性术语，这意味着其包括后面的 至少一个元件/特征但不排除其它元件/特征。因而，当术语"包含"用在权 利要求书中时，不应该被解释为对其后所列出的装置或元件或步骤的限制。
例如，"一种设备包括A和B"的表述不应该被限制为该设置仅由元件A和 B组成。这里使用的任何术语"包括"、"其包括"或者"包括……的"也 是开放性术语，也意味着其至少包括跟在该术语后面的元件/特征但不排除 其它元件/特征。因而，"包括"与"包含"同义并且其意思为"包含"。
因而，尽管这里描述了被认为是本发明优选实施例的内容，但是熟悉 本领域的普通技术人员可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种其它和进一步修改，并且意欲要求保护所述这些变 化和修改都落在本发明的范围之内。可以向方框图中增加功能或者从方框 图中删除功能，并且在功能图之间可以互换操作。可以向在本发明范围内 描述的方法增加步骤或者从其删除步骤。
权利要求
1、一种监视体部中的变化的方法，所述方法包括如下步骤a)沿着至少两条接近的分离路径投射辐射使其通过所述体部；b)在沿着所述至少两条接近的空间路径投射所述辐射之后，分析接收的对所述辐射模式的响应中的差异以确定所述体部的一部分中的变化。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤a)进一步包括从至少 两个分隔幵的发射器放射辐射。
3、 根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中所述步骤a)进一 步包括利用至少两个分隔开的接收器接收辐射响应。
4、 根据权利要求2所述的方法，其中所述分隔开的发射器以时分复用 的方式放射辐射以由至少一个接收器以时分复用的方式接收。
5、 根据前述权利要求2到3的任意一项所述的方法，其中所述发射器 和接收器中的一个连接到所述体部的壁。
6、 根据前述权利要求2到3的任意一项所述的方法，其中所述发射器 的数量是两个并且所述接收器的数量是一个。
7、 一种监视体部中的变化的方法，所述方法包括如下步骤a) 从临近所述体部放置的一组分隔开的发射器放射微波辐射；b) 经由至少一个接收器分别从所述发射器接收辐射模式；以及c) 分析所述分别接收的辐射模式之间的差异以确定所述体部中的变化。
8、 一种监视体部中的变化的方法，所述方法包括如下步骤a)沿着至少两条接近的分离路径投射时分复用的辐射信号使其通过体部；b) 通过至少一个接收器接收对沿着各自路径投射的每一个辐射信号的 时分复用的散射响应；c) 产生与所接收的所述时分复用的散射响应的信号功率成比例的信 号；以及d) 产生与从每一条各自路径接收的所述散射信号功率之间的差异成比 例的信号。
9、 一种监视体部中的变化的方法，所述方法包括如下步骤a) 沿着至少两条接近的分离路径投射时分复用的辐射信号使其通过体部；b) 通过至少一个天线接收对沿着各自路径发射的每一个辐射信号的时 分复用的散射响应；c) 产生与所接收的所述时分复用的散射响应的信号功率成比例的信号；d) 对所产生的时分复用的功率信号与具有所述时分复用率的主频分量 的信号进行乘法运算；e) 分离所述乘法所得的信号中以零赫兹为中心的所述频率分量；以及f) 产生与从每一条各自路径接收的所述散射信号功率之间的所述差异 成比例的信号。
10、 根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中通过锁相放大器 (也被称为相位-敏感或同步检测)技术实现在所接收的功率中所述差异的产生，所述锁相放大器(也被称为相位-敏感或同步检测)技术采用用于所 述辐射发射器和接收器的时分复用的共同时钟。
11、 根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中对所接收的功率 的所述数值和/或所述差异进行数字化并将其传送到微计算机系统以进行储 存和进一步分析。
12、 根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中所述微计算机系 统控制所述发射器、接收器和锁相放大器的任意或所有参数。
13、 根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中所述微计算机系 统经由有线或无线连接将来自所述传感器系统的数据传送到通信网络。
14、 一种监视体部中的变化的方法，其基本上与这里参照附图和/或实 例示出的本发明的实施例的任意一个所描述的相同。
15、 一种体部变化感测系统，包括一系列发射器和接收器，用于在体部内沿着至少两条路径投射辐射并 且从所述路径的每一条接收所反射的辐射；处理装置，用于处理从所述路径分别接收的反射的辐射以确定其中的 差异。
16、 根据权利要求15所述的系统，其中以时分复用的方式放射沿着所 述路径的每一条的所述辐射。
17、 根据权利要求15到16中的任意一项所述的系统，其中所述发射 器的数量是两个并且所述接收器的数量是一个。
18、 根据权利要求15到17中的任意一项所述的系统，其中通过锁相 放大器(也被称为相位-敏感或同步检测)技术实现在所接收的功率中所述 差异的形成，所述锁相放大器(也被称为相位-敏感或同步检测)技术采用 用于所述发射器和所述接收器的所述时分复用的共同时钟。
19、 根据权利要求15到18中的任意一项所述的系统，其中对所接收 的功率的所述数值和/或差异进行数字化并且将其传送到微计算机系统以进 行储存和进一步分析。
20、 根据权利要求15到19中的任意一项所述的系统，其中所述微计 算机系统控制所述发射器、接收器和锁相放大器的任意或所有参数。
21、 根据权利要求15到20中的任意一项所述的系统，其中所述微计 算机系统经由有线或无线连接将来自所述传感器系统的数据传送到通信网 络。
22、 一种体部变化感测系统，其基本上与这里参照附图和/或实例示出 的本发明的实施例的任意一个所描述的相同。
全文摘要
本发明公开一种监视体部中的变化的方法和系统，所述方法包括如下步骤(a)从临近所述体部放置的一组分隔开的发射器放射微波辐射；(b)经由至少一个接收器分别从所述发射器接收辐射模式；(c)分析分别接收的辐射模式之间的差异以确定所述体部中的变化。
文档编号A61B6/00GK101442935SQ200780017246
公开日2009年5月27日 申请日期2007年4月12日 优先权日2006年4月13日
发明者C·N·于因, J·G·埃布尔斯, K·云韦尔, R·D·肖 申请人:联邦科学技术研究组织