胎儿监视设备和方法

专利名称：胎儿监视设备和方法
技术领域：
此处描述的设备和方法涉及用于产妇和胎儿的生理监视的胎儿监视领域。特别地， 本发明涉及使用超宽带(UTO)医学雷达的传感器以及用于无创伤地监视和跟踪胎儿和/或产妇健康的一个或多个指标的分析技术和软件。
背景技术：
超宽带(UWB)是相对较新的术语，其描述从60年代初作为“无载波”、“基带”或“脉冲”技术被了解的技术。来自UWB设备的传输频谱与无线电、电视和雷达系统的传输频谱不同，无线电、电视和雷达系统的传输频谱发射具有中心频率的通常小于10%的带宽的窄带信号，而UWB频谱可能具有中心频率的50%或更多的带宽。由于这个非常宽的带宽，UWB设备具有相比于更多传统系统的优势。它们可以携带或收集显著地更大数量的数据，以非常低的功率等级进行操作，更少受到多路径干扰的影响，并且能够更好地穿透各种材料。UWB后面的基本概念是生成、传送以及接收射频(RF)能量的非常短持续时间的突发-典型持续时间为几十个微微秒(一秒的万亿分之一)到几个纳秒(一秒的十亿分之一)。这些突发包括一个或仅几个周期的RF载波。由此产生的波形是极宽带，以至于通常难以确定真实的RF中心频率-因此，是术语“无载波”。较短的脉冲持续时间还允许雷达在更近的距离上以及按比多数的传统系统更好的分辨率来“观看”。通过它的超低功率脉冲，以及良好的分辨率成像能力，该技术可以用于许多生物医学应用，例如我们正在描述的胎儿监视系统。统计已经显示，具有对用于危险妊娠在医院环境外进行胎儿监视的很大需要。每年在美国有超过6百万的妊娠，导致4百20万登记的分娩。在这些妊娠中，大约有10%被分类为较高危险的，其中较高危险表示产妇或胎儿患病或死亡的发生率增加或者在分娩之前或之后并发症发生率增加。有被称为危险因素的多个条件或特性，其表示妊娠为较高危险。这些危险因素中的一些是在产妇妊娠之前出现的，例如包括较年轻或较老的产妇年龄，体重过重或过轻，在之前的妊娠中有问题，或之前已存在的健康条件，例如高血压、糖尿病或HIV。在妊娠过程中可能会出现其它危险因素，包括子痫前症和妊娠惊厥、妊娠糖尿病、细菌性阴道炎、出血、妊娠胆汁阻塞、宫颈机能不全以及胎盘附着。医生识别并且试图确定这些因素的量以确定特定女士或小孩的危险等级，允许医师调整出生前和出生后的护理以使危险最小。具有可用于帮助定量危险以及跟踪胎儿生长的多种过程。一种特殊的测试，非压力测试(NST)，通常用于评估在妊娠过程中以规则间隔在有限的时间段上变化的胎儿心率。 典型地，胎儿监视器用于响应于胎儿的移动来测量胎儿的心率。

超声波和电子胎儿心率监视通常用于估计分娩之前或其间的胎儿良好性。尽管胎儿监视允许胎儿检测折中或损害，仍具有与当前可用的和所实现的胎儿监视方法相关的危险，包括可能导致不必要的外科干预的误诊(false positive)。由于胎儿心率跟踪的可变的和不一致的解释可能影响妊娠的管理，解释模式的系统方法是重要的。响应于胎儿环境和刺激，胎儿心率经过不断的调整和微调。将胎儿心率模式分类为好、不好或较差。诸如胎儿心动过速、心动过缓和具有良好的短期变化的晚期减速的不好的模式，典型地要求干预以排除胎儿酸中毒。较差模式需要紧急子宫内胎儿复苏和立即分娩。区别好与不好胎儿心率图是精确解释的主要内容，其对引导适当的治疗方法决定是重要的。通过外部或内部装置来执行胎儿心率(FHR)的听诊。通过使用手持多普勒超声波探头在子宫收缩期间听诊且计数FHR，并且在30秒之后识别胎儿的响应来完成外部监视。 还可以使用外部传感器来执行，将外部传感器放置在产妇腹部并且通过松紧带或腰封保持到位置上。传感器使用多普勒超声波来检测胎儿心脏动作并且连接到FHR监视器。监视器计算FHR并在连续带状纸上记录FHR。最近，第二代胎儿监视器已经结合了微处理器和算术过程以改进FHR信号和记录的准确性。然而，公知的是，已有的超声波测量装置具有频率数据遗失并且可能导致被传达为对FHR的正确评估的错误测量。例如，当实际中超声波设备简单地不拾取用于FHR的任何信号时，当前的超声波FHR系统被获知插入提示心率升高的错误数据。母亲或操作者的传感器移动胎儿可能导致错误数据的出现，导致超声波传感器丢失信号，有效地创建趋于是实际FHR的两倍的FHR的非经验估计。由于需要保证超声波FHR传感器适当地定位以跟踪来自胎儿心脏跳动的多普勒压力波形的波前，上述问题可能会加剧。如果传感器没有适当地定位，将不会收集精确的数据。通过将螺杆式电极附着到与FHR监视器连接的胎儿头皮来实现内部监视。必须割裂胎儿膜，并且在将电极可放置到胎儿头皮上之前必须至少部分扩张宫颈。电子胎儿心率监视的最主要危险是其倾向于产生误诊结果。电子胎儿心率监视与增加的外科干预率相关，这导致费用增加和产妇和胎儿的并发症危险增加。研究表明，经过连续的电子胎儿心率监视与间歇性听诊相比，每1000个分娩进行38个额外的剖腹产分娩以及30个额外的钳手术分娩。临床医师对胎儿心率跟踪的可变和不一致的解释可能影响患者的管理。关于连续电子胎儿心率监视效果的医疗事故赔偿责任还没有很好的建立。与EFM相关的其它罕见危险包括胎儿头皮感染和通过子宫内分娩力计或导管的子宫穿孔。针对现有技术的某些限制，极为有利的是，提供能够无创伤地监视胎儿心率和其它胎儿指标的传感器，其会增加测量的可靠性，使潜在的胎儿损伤的误诊最小化，通过监视方法消除其它并发症的可能性，改善产妇健康，提供连续的监视以可靠地识别正常的基线或好的表现与不好或较差的表现，并且最后，改善了通过精确的解释做出的决定以使合适的治疗类选法决定的概率最大化。特别地，其将有利地提供一种传感器，其更少地依赖于在胎儿和胎儿心脏附近特定定位以保证准确的FHR读取。
此外，还具有提供能够确定除了胎儿健康的产妇健康的一个或多个指标的监视器。当前的系统和设备典型地要求多个独立运行的设备，以确定产妇和胎儿健康的一个或多个指标。这个过程需要附加的时间，并且增加了过程的复杂度。最后，非常有利地是，提供一种用于通过超宽带(UWB)监视胎儿和/或产妇健康的系统，其中超宽带能够调制所施加的信号的功率和能量等级。所应用的功率等级的调制可以允许系统阻止将胎儿和母亲暴露于不必要的较高能量等级，以及调整系统的能量需要。此处描述的是可以处理上述需要的方法、设备和系统。

发明内容
此处描述的是使用超宽带(UWB)医疗雷达的胎儿和/或产妇监视器。此处描述的 UffB设备和系统可以用作监视系统的一部分，所述监视系统包括一个或多个传感器(UWB 传感器)、用于处理器UWB信号和/或附加的传感器信号的处理器，并且还可以包括用于存储原信号或经处理的信号(或提取的数据)的存储器、以及用于将原信号或经处理的信号传送到外部服务器和/或网络的通信模块。系统还可以包括被配置为允许监视、报告、或者数据或信号的存储的软件、固件、或硬件，以及还可以包括用于呈现患者信息和/或用于提供有关产妇和/或胎儿健康的警告的医师或医疗服务提供者接口。此处描述的设备、系统和方法被配置为允许同时和/或并行监视胎儿和/或产妇健康的多个参数或指标。例如，可以处理相同的“扫描”(例如，单个UWB脉冲或系列脉冲) 以提供胎儿和/或产妇健康的多个指标，例如胎儿身体移动、胎儿心率、胎儿呼吸(伪-呼吸)、产妇子宫收缩率、产妇心率、产妇呼吸、产妇血压等。设备和方法在此处描述了可以由穿透深度索引的矩阵的形成，其提供关于各种移动频率或速率的信息；处理器可以分析这个矩阵以提取产妇和/或胎儿健康的一些或全部指标。在一些变形中，系统还可以被配置为动态地监视母亲和/或胎儿，并且基于接收的信号强度来控制所提供的功率。因此，可以根据需要来增加或减小输出UWB信号的功率， 限制施加到胎儿和/或母亲的功率。此处描述的系统和设备可以包括多个传感器，所述传感器包括多个UWB传感器和 /或多种类型的传感器(UWB和超声波、UffB和压力传感器、UffB和温度传感器等)。在具有多个UWB传感器的变形中，传感器可以包括用于发射和接收UWB信号的单个天线，或其可以包括一个或多个发射天线和一个或多个接收天线。当使用多个UWB传感器时，系统可以被配置为提供单静态或多静态(例如，双静态)监视。在单静态模式中，执行发射(TX)和接收(RX)的天线是相同的或位置相同(例如，传统的雷达)，而在多静态模式中，系统可以切换用于发射(TX)和接收(RX)的天线对。可替换地，单个发射天线可以与多个接收天线一起使用。例如，腹部顶部的TX/RX天线可以发送脉冲，而位于身体周围的其它位置的一个或多个接收天线可以从发射的脉冲接收反射。如果胎儿心脏的主要表面不与传播的方向接近于垂直(例如，最佳反射)，多静态技术可以用于改进反射信号的质量。这些多静态配置 (例如，具有两个或多个接收天线)还可以被配置为支持前向散射技术。在前向散射中，一个TX/RX天线或天线对位于一个位置(例如，在母亲的腹部的左侧)，并且第二 TX/RX天线或天线对位于另一位置(例如，在她腹部的右侧)，使得在第二位置通过RX天线从第一位置接收TX信号，反之亦然。这些技术可以更好地隔离和跟踪胎儿活动。
这些胎儿监视设备和系统可以用在临床(例如，医院)环境，或在家庭环境的一些变形中。例如，此处描述的是能够并行监视胎儿和产妇的健康指标的超宽带(UWB)胎儿监视系统，所述系统包括传感器，被配置用于接收和传送UWB信号数据，所述传感器包括至少一个天线；以及信号处理器，被配置为从传感器接收信号且将信息处理成由深度和时间来索引的反射信号的矩阵，并且从矩阵提取多个胎儿或胎儿和产妇的健康指标。传感器还包括单独的接收天线和发射天线，或其可以包括被配置用于接收和发射的组合天线。在一些变形中，系统包括多个传感器，每个传感器被配置用于接收和发射UWB 数据并且包括至少一个天线。如所陈述的，系统可以 被配置为单静态操作，其中由相同的传感器接收从每个传感器发射的UWB信号，或对于多静态操作，其中由不同的传感器接收从一个传感器发射的UWB信号。信号处理器可以被配置为确定胎儿健康的一个或多个指标，所述指标选择自包括以下内容的组胎儿心率、胎儿心率变化、胎儿呼吸、胎儿身体移动。信号处理器可以被配置为确定产妇健康的一个或多个指标，所述指标选自包括以下内容的组产妇心率、产妇子宫收缩率和强度、产妇血压、产妇呼吸。通常，系统还可以包括连接到天线的发射器，所述发射器被配置为生成用作来自天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲。接收器可以连接到天线，接收器被配置为接收由天线接收的发射信号的反射并且将它们处理为要传递给信号处理器的数据。接收器可以被配置为基于信号的深度来放大信号，使得在距离传感器更远处反射的信号比在较接近传感器处反射的信号被放大地更多。信号处理器可以被配置为具体地确定胎儿心率和产妇子宫收缩率。在一些变形中，系统还包括用于存储数据和/或信号(例如，矩阵信息)的本地存储器。系统还可以包括用于与监视系统通信的通信模块。监视系统可以包括被配置为存储和发送数据的计算机系统。例如监视系统可以包括网络服务器。在一些变形中，传感器可以被配置为一次性使用的、用后可弃的传感器，其被配置为与信号处理器耦合和去耦。例如，传感器可以是黏性传感器，其被配置为(通过粘合剂) 附着到母亲的身体。在另一实例中，传感器被配置为戴到或附着到母亲的衣服。在一些变形中，传感器被配置为是耐用的或可重用的。在一些变形中，系统包括一个或多个非UWB传感器，例如，温度传感器、心率(脉搏)传感器(例如，确定产妇心率)、加速度计(用于确定胎儿或产妇移动)等。来自非UWB 传感器的数据可以与UWB数据相整合，并且可以被发送到处理器。此处还描述了能够并行监视胎儿和产妇健康的指标的超宽带(UWB)胎儿监视系统。这些系统可以包括传感器，被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线；连接到天线的发射器，所述发射器被配置以生成用作来自天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲；以及信号处理器，被配置为从传感器接收数据且将信息处理成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵，并且从矩阵提取胎儿心率和产妇子宫收缩率。此处还描述了被配置用于胎儿健康指标的自适应能量监视的超宽带(UWB)胎儿监视系统，所述系统包括传感器，被配置用于接收和发射UWB信号数据，所述传感器包括至少一个天线；以及信号处理器，被配置以从传感器接收信号数据且将信息处理成根据深度和时间索引的反射信号的矩阵，并且确定胎儿所反射的信号的能量等级；以及发射能量等级适配器，被配置以根据胎儿所反射的信号的能量等级，调整由传感器所发射的UWB信号的能量等级。此处描述的任意系统还可以包括用于呈现关于胎儿和/或母亲的信息的一个或多个输出。例如，输出可以包括视频监视器、纸带/图表打印机和/或记录仪、打印机、音频输出等。发射能量等级适配器可以包括比较器，被配置为将由胎儿所反射的信号的能量等级与预定目标的能量等级进行比较，其中发射能量等级适配器被配置为调整UWB信号的能量等级以将由胎儿所反射的信号的能量等级保持在预定目标能量等级内。此处还描述了用于监视胎儿和产妇健康的指标的超宽带(UWB)胎儿监视系统。这些系统可以包括传感器，被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线，电源以及发射器，被配置以生成用作来自天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲；充电支座，被配置为对电源充电；以及通信设备，被配置为从传感器接收信息并将信息传递给信号处理器，其中信号处理器被配置将信息处理成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵，从矩阵提取多个胎儿或胎儿和产妇健康的指标。信号处理器可以被配置为通过矩阵来确定胎儿心率和产妇子宫收缩率。系统还可以包括被配置为显示胎儿或产妇健康的多个指标的一个或多个的输出。此处还描述了使用超宽带(UWB)系统来同时监视胎儿和产妇健康的两个或多个指标的方法。所述方法可以包括以下步骤将一系列低电压、短时长宽带脉冲作为超宽带频谱中的发射信号向胎儿发射；从该系列低电压、短时长宽带脉冲接收反射信号；将反射信号处理成由深度和时间索引的矩阵；并且从矩阵提取胎儿健康的第一指标和胎儿健康的第二指标或产妇健康的第一指标。在一些变形中，方法还包括显示胎儿健康的第一指标和胎儿健康的第二指标或产妇健康的第一指标。所述方法还可以包括在孕妇患者上或附近放置传感器，其中传感器包括被配置用于接收和发射UWB数据的天线，所述传感器包括至少一个天线。处理反射信号的步骤可以包括将与单个宽带脉冲对应的反射信号分成反映宽带脉冲的穿透深度的多个库(bin)。在一些变形中，提取步骤可以包括通过矩阵来确定产妇子宫收缩率以及通过矩阵来确定胎儿心率。 通常，可以通过首先确定一个或多个界标来执行提取步骤，所述界标帮助在矩阵中胎儿和产妇区域之间进行区分。例如，提取步骤可以包括通过矩阵确定第一深度的产妇子宫收缩率，通过矩阵确定第二深度的产妇子宫收缩率，并且通过从矩阵分析第一和第二深度之间的区域来确定胎儿健康的第一指标。所述方法还可以包括基于反射信号的深度来放大反射信号的步骤，使得与发射天线有更深距离的反射信号比较接近发射天线的发射信号更为放大。此处还描述了用于在阵痛和分娩过程中使用超宽带(UWB)系统来同时监视胎儿和产妇健康的方法，所述方法包括在用于分娩期监视的怀孕妇女上放置传感器、所述传感器被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线；发射作为超宽带频谱中的发射信号的一系列低电压、短时长宽带脉冲；从该系列低电压、短时长宽带脉冲接收反射信号；将反射信号处理成根据深度和时间索引的矩阵；以及从矩阵提取胎儿心率和产妇子宫收缩率。

此处描述的设备、系统和方法可以提供适于在临床环境内和外收集NST数据的远程胎儿监视。在一些变形中，胎儿监视器系统将包括至少一个(UWB)传感器、充电支座、通信设备(或多个通信设备)和处理站(例如，服务器)。所述系统可以遵从由医师提供的指令。例如，在一些变形中，所述系统可以用于家庭护理。在这种变形中，母亲(或其它看护者)可以在规定时间，通过将传感器从充电支座移走并将传感器放置到腹部来启动测试序列。可以包括集成的扬声器以提供与胎儿心跳成比例的音频信号，以辅助母亲对传感器的放置。一旦放置合适，传感器将记录数据，所述数据可以包括胎儿心率、与整体身体移动和伪-呼吸相关的胎儿活动，以及子宫收缩。传感器还可以连接到可拆卸的按钮，母亲可以使用所述按钮手动标记胎儿活动(“踢计数器”)。在医师指定的时间段(例如，5分钟、10分钟、30分钟)之后，传感器可以自动地终止测试，向母亲提供测试结束的音频和视频提示。 在测试结束时，母亲将把传感器返回到充电支座。一旦传感器包含单元被返回到充电支座，母亲可以检索通信设备(例如，智能电话)并且启动数据传送小程序。智能电话上的小程序可以激活传感器和电话之间的无线蓝牙连接，通过蜂窝网络连接到服务器，以及上传数据到服务器。在上传结束时，在关闭与服务器的会话之前，母亲将有机会将短的语音或文本消息添加到服务器。一旦测试数据已经上传到服务器，服务器将警告母亲的医疗服务提供者。医疗服务提供者于是可以通过能够经标准浏览器访问因特网的任意设备来访问服务器。在登录之后，医疗服务提供者可以检查数据并且如果需要，运行可分析数据的软件，识别胎儿活动的时间段、胎儿心脏加速和减速、以及子宫收缩。分析软件还可基于数据来计算胎儿分数以指示胎儿的状态。在完成数据检查之后，医疗服务提供者可以向母亲发送消息，所述消息指示胎儿的健康或要求母亲联系提供者以进行后继行动。最后，在任意时间，医疗服务提供者可以输入一系列日期，所述日期将导致在那些日期将提示发送给母亲以提醒她执行测试。此处还描述了用于处理超宽带(UWB)胎儿监视数据的系统。例如，用于处理UWB 胎儿(和胎儿/产妇)数据的系统可以包括传感器，被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线，电源以及发射器，所述发射器被配置以生成用作来自天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲；以及信号处理器，被配置以处理由传感器接收的UWB反射数据以形成由深度和时间所索引的反射信号的矩阵，通过所述矩阵可以提取胎儿或胎儿和产妇的健康的一个或多个指标；以及服务器，被配置以从信号处理器接收信息并且将所提取的胎儿或胎儿和产妇的健康指标传递到一个或多个远程报告站。信号处理器可以被配置为从矩阵提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标。可以提取上面描述的任意指标。在一些变形中，服务器被配置为从矩阵提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标。因此，可以在各个信号处理器级别上执行从矩阵的提取，或可以将其从患者侧设备发送到用于处理的集中式服务器。因此，在一些变形中，信号处理器主要调节信号并且准备信号用于传递给处理器。可替换地，信号处理器可以从反射信号提取信息。提取信息可以允许更有效率地且流线型地发送给服务器。所述服务器可以是足以执行用于处理提取的信息或用于处理矩阵信息以提取胎儿和/或产妇的健康的一个或多个指标的逻辑的计算机服务器。在一些变形中，服务器被配置为将提取的指标传递给一个或多个移动设备。例如， 系统可以提供用于患者医生、看护者等的一个或多个账户以访问患者数据。该数据可以被直接地发送到医师或看护者，或其可以由医师/看护者从远程位置进行访问。在一些变形中，系统被配置为基于胎儿/产妇健康的指标向医师/看护者或其它人发送警告。


图1示出耦合到怀孕妇女的传感器的一种变形；图2A示出了此处描述的时间相对深度的矩阵；图2B是矩阵的另一变形；图3示出了此处描述的使用移动窗口 FFT分析的和从系统收集的数据的部分分析；图4A是示出了从相比于分析胎儿心率的超声波胎儿监视器系统的此处描述的根据本发明的系统的变形获取的数据的图表；图4B示出了用于测量胎儿心率的根据本发明的UWB雷达设备和超声波胎儿监视器的另一比较；图4C和4D示出了检测子宫收缩的根据本发明的UWB雷达系统的使用；图5示出了此处描述的用于通过反射值的矩阵来确定胎儿健康(例如，胎儿心率) 的指标的方法的一种变形；以及图6示出了此处描述的UWB胎儿监视系统的一种变形。
具体实施例方式此处描述的任意胎儿监视系统可以包括一个或多个UWB传感器，所述传感器用于发射UWB信号且用于接收UWB信号的反射，以及处理器，被配置为处理反射UWB信号。处理器可以被配置为将反射信号组织到由时间和组织中的深度或或由频率和组织中的深度索引的矩阵中。处理器还可以被配置为专用于胎儿和/或产妇健康的两个或多个指示的移
动信息。例如，在一些变形中，此处描述的胎儿医学雷达传感器包括具有相关电子元件和/ 或逻辑的传感器(或“传感器单元”)。逻辑可以包括执行此处描述的功能的硬件、固件、和 /或软件。传感器20可以包括发射(Tx)和接受(Rx)天线，或结合的发射/接收天线。传感器20可以与处理器进行双向模式的通信，处理器可以是电子壳体的一部分。电子壳体还可以包括收发器Tx/Rx，用于将电磁信号传递到发射天线且用于从接收天线接收反射信号的发射器电路和接收器电路。处理器可以是中央处理器单元(CPU)。在一些变形中，传感器与处理器相集成，或传感器可以无线地连接到处理器或经过物理连接连接到处理器。系统还可以包括数据存储器，用于从收发器接收原始数据的输入，以及用于传感器的电源。可以使用处理器中的专用逻辑(例如，在CPU上运行的软件中实施的算法)来处理器所接收的或记录的原 始数据，并且所接收的或记录的原始数据可以用于确定胎儿/产妇健康的多个指标。如图1所示，在一个实例中，系统可以包括传感器20，其结合了发射和接收天线， 所述传感器被放置在怀孕妇女的腹部上。在这个实例中，传感器20通过导线连接到收发器单元，其被放置到受监视对象的一侧。来自收发器单元的音频线直接地连接到计算机的声卡PCI上的音频输入。在计算机中实施的逻辑(在本实例中为软件)于是被用于处理和转换如此处描述的原始数据，以确定、跟踪和监视胎儿和/或产妇的健康的多个指标。通常，此处描述的系统可以监视胎儿健康的一个或多个指标(例如，胎儿心率、身体移动、伪-呼吸等)。另外，系统可以同时监视产妇健康的一个或多个指标(例如，产妇心率、产妇呼吸、产妇子宫收缩率/强度等)。为了符合包括由美国食品和药品监督局(FDA) 和美国联邦通信委员会(FCC)这两者所要求的那些标准的各种常规要求，可以将传感器的能量输入限制为某个等级以使对象安全最大化。将所有人类(包括怀孕妇女)连续公开地暴露于能量场的当前的FDA限制，是整个身体平均0. 08瓦每千克(W/kg)和对局部暴露为1. 6W/kg。本发明包括仅0. Smff的最大平均功率输出，明显小于现有FDA限制并是其的 1/1000。由于母亲皮肤、皮下脂肪、子宫肌肉、羊水所导致的吸收或反射所引起的发射信号中能量的衰减，使胎儿暴露于甚至更低入射能量。如此处所描述的，系统还可以进一步适于通过将发射能量和反射能量相匹配来使发射能量最小化，使得系统动态地改变发射能量， 以根据需要仅施加最小级别的能量。以传感器所发射的无线电波形式的电磁能量，将在包括母亲和胎儿的对象上产生有限的热效应。设备的平均功率输出典型地小于0.001mW/cm2。再者，在入射能量到达胎儿之前，产妇组织吸收该入射能量的主要部分。在问诊的心脏区域中胎儿身体温度将增加小于0.001摄氏度，很好地在可接受范围内。将这个置于目前广泛使用的其它设备的范围内，人类日常暴露于来自微波电器、蜂窝电话和无线网络的能量。此处描述的系统的能量暴露典型地是从蜂窝电话发射的能量的千分之一。基于评估无线电波的子宫内效果的可用证据、并给定低能量输出，传感器用于人类基本是安全的，没有已知的产生畸形的影响，所述已知的产生畸形的影响可能干扰胚胎或胎儿的生长或发育。设备或系统的发射部分典型地产生射频信号，通过传感器发送所述射频信号并向胎儿发射。射频信号释放和发射的定时与相应接收器(例如，Rx天线)同步，使得接收信道在已经发射了发射信号之前从不是激活的。可以按任意合适的方式来配置传感器10，包括具有发射天线和接收天线两者的较小的矩形条。该条可以被配置为黏附地锁定到患者皮肤或衣服，或者附着到患者。在一些变形中，传感器元件被配置为结合到患者所穿的衣服， 或患者所在的床或卧具。当接收天线拾取所发射信号的反射时，发射天线典型地向胎儿传送所发射的信号。接收天线将收集的反射信号传送回系统，并且可以包括用于在将感测的信号发送到处理器之前用于处理感测的信号的接收预处理器(或接收电路)。在一些变形中，预处理器功能可以由处理器来执行；可替换地，可以使用单独的设备或电路。例如，由接收器定时电路的间隔所驱动的接收器电路可以接收数据包中的未经处理的反射雷达信号，接收器定时电路与发射的信号持续地同步。在每个信号数据包中，捕获处于增加的深度的发射信号的反射。例如，可以使用增益补偿电路来放大每个数据包，其中数据包的前端被最小地放大且数据包的后端被最大地放大。这样可以增强更深的组织中的反射，其会比接近表面的反射衰减得更多。一旦已经放大了信号，所述信号可以通过一系列低通滤波器以阻止一旦数据变为数字化的失真在一个变形中，从传感器将收集的反射和定时同步(sync)信号发送到处理器；并行地，可以将反射的定时信号发送到输出，诸如音频或视频输出。例如，反射的定时信号可以通过连接到音频输出(例如，计算机声卡)的音频缆线发送。两个信号可以用于创建用于输出的立体声信号，例如立体声信号的左侧是同步信号；右侧是反射信号。可以使用逻辑来输出信号(例如，在计算机的声卡上)，且并行地写入和保存用于处理的收集数据。可以由处理器执行对胎儿/产妇健康的多个指标的监视，处理器可以组织和分析数据。例如，处理器可以包括用于通过一系列变换处理数据以确定胎儿和/或产妇健康的多个指标的逻辑。可以将收集的和/或保存的数据(例如，反射数据)重形成到图2A中所示形式的矩阵中，其中将数据的流动数据包排列到列中。在本实例中，每个数据包代表身体 (胎儿和/或产妇)在各个深度的特性，还被称为，特定采样时间的范围库。在这些范围库中的数据的分析可以用于根据特定范围库中的反射信号确定组织的电介质特性，所述特定范围库根据用于进一步分析的深度和时间来关联。可以根据过滤方案来处理在表示特定问诊深度的特定时间的每个范围库的数据。 在另一实施例中，数据可能代表反射强度；可替换地，数据可能代表频率数据。可以将过滤应用于矩阵中的数据或作为进入矩阵的数据。可以基于矩阵中信号的频率构成，和/或基于相比于矩阵中其它信号的矩阵的一个区域中的信号关系来确定一个或多个参数。例如， 可以通过忽略在目标频率范围之外的信号，从其它信号确定胎儿心跳。其它抑制信号可以关联于其它生物效应、与设备相关的电子信号、或周围环境中的其它杂散电子信号。例如，可以基于特征的或期望的频率分量，例如产妇呼吸( 20BPM)、胎儿呼吸或伪呼吸( 50-60BPM)、以及产妇心率(90-100BPM)，来确定其它信号。在期望范围120-160BPM内的胎儿心率是一个关注的目标频率范围。因此，通过对期望范围内的频率随着时间扫描矩阵，可以确定预测的估计。然而，可以扩展期望的范围以捕获异常或范围外的测量，例如，可能表示胎儿危险的胎儿心率。在一个实施例中，对UWB传感器编程以对从母亲的内部解剖结构和胎儿反射的发射能量获得的接收信号进行采样。可以通过发射器和接收器采样器之间的可变时间延迟来触发采样器，其中时间延迟等于从发射天线到关注的解剖深度和最后到接收天线的传播时间。这个延迟可能在对应于解剖区域的时间窗上变化，所述解剖区域包括子宫和胎儿，并且考虑补偿传感器中的电路和传播延迟所需的任何附加的延迟。UWB传感器的定时参数可能依赖于传感器内的雷达配置、内在电路和传播延迟，以及母亲内问诊的期望范围。对于被配置用于单静态运行的UWB传感器，例如IOns的传感器内的测量电路和传播延迟，和所期望50cm的解剖范围，其中50cm可能更充分地覆盖从母亲的腹部皮肤表面到她脊柱的范围，并且因此可以确保包括子宫和胎儿。为了传感器内电路和传播延迟的原因，最小的时间延迟可以设置为10ns，而最大时间延迟可以被设置为IOns 加上对应于50cm的往返传播时间。假设，平均电介质常量为50，计算的传播往返时间为大约24ns，产生34ns的最大时间延迟。在用于改变跨过激活的24ns范围窗口的采样器定时的步长被设置为250ps，提供大约5mm的径向分辨率。给定24ns范围和250ps步长，在范围窗口中将有96个范围库。时间延迟可以按明显大 于关注的最大频率的速率在这个范围窗口上扫描，以避免数字化信号中的失真。给定期望范围为120-240 BPM或2-4Hz的胎儿心率，可以将扫描速率(rate)设置为100Hz。如果范围窗口产生一系列采样，其中每个离散范围库的采样数量典型地被设置为4或8，每个扫描允许在任何单个深度上对采样取均值以降低噪声。因此， 利用IOOHz的扫描速率、每个扫描的96步以及每个步的4个采样，接收器采样速率将大约是38k采样每秒。对每个范围库4个采样的每个组取平均值，产生大约9. 6k采样每秒的有效采样速率。在一些变形中，例如，图2B所示的一个，时间/范围矩阵可以具有总共96列，其中每个列包含用于相关范围库的平均数据。行的数量可能依赖于所期望的生理数据的类型以及提取所述数据所需的算法。典型地，将行计数设置为允许存储1到5分钟价值数据，并且经常利用新数据进行更新，提供滑动数据窗口。算法从简单的差分和用于识别子宫收缩的峰值检测变化到更为复杂的动作检测算法，其中移动平均滤波器衰减静态返回并且傅里叶分析技术允许胎儿心率的测量。附加的时间和频率域技术可以被应用以进一步提炼数据并且改进准确度和一致性。参见图3，系统可以实时地计算和确定胎儿和/或产妇健康的指标。例如，系统可以按问诊的每个各种深度上在矩阵内“库”的范围上执行光谱分析，如与每个范围库相关的反射所实现的。将移动快速傅里叶变换(FFT)窗应用到本实例中，以确定每个范围库中随时间的反射信号的每个频率分量的强度。可以将每个时间按窗口中具有最高强度的频率确定和记录为时间曲线中的矢量，以提供胎儿心率的视频显示。所述方法的准确性已经通过比较超声波胎儿心率监视器对胎儿心率的测量得到确认。图3示出了用于提取与光谱分析相关的本发明的胎儿和/或产妇健康的特性指标的一种变形。在本实例中，可以通过使用移动FFT窗口的计算来确定指标(例如，心率)。 在该实例中，将在该特定窗口中具有最大强度的频率确定为胎儿心率。构造此处描述的系统的早期、根据本发明的模型，并用其确定胎儿心率。在图4A 中示出了从这个测试设备收集的一些数据的一个实例。图4A是相比于超声波胎儿心率监视器的、使用早期原型设备的最大测量频率的示意图。在该实例中，使用具有3秒宽度的移动FFT窗口，其中95%的每个连续窗口重叠之前的窗口。移动FFT方法的这个应用提供了基本上连续的胎儿心率的评估和测量，最小的光谱泄露，由此增加测量的和计算的值中可靠性和可信性。在每个范围库处执行高度重叠的移动FFT窗口过程，以确定每个范围库中的测量值是否是指示胎儿心率的展示行为。图4B示出了通过上述原型UWB系统401和现有的胎儿心跳监视器403确定胎儿心跳的另一比较。信号比较非常接近。图4C和图4D示出了从相同原型设备提取子宫收缩信息。如上所述，可以分析相同的反射数据，以同时或并行确定胎儿心跳/率或产妇子宫收缩。因此，可以避免过多的采样。系统可以在反复迭代过程中检查用于胎儿和/或产妇健康的一个或多个指标的每个范围库；然而，每个范围库不是必须展示指示一个或多个指标的行为。因此，系统可以调整为隔离一个或多个深度，以捕获来自展示所期望指标的特性的范围库的反射。在一些变形中，系统可以使用界标来确定使用哪个范围的库来确定胎儿和/或产妇健康的一个或多个指标。例如，由于信号可以完全通过母亲身体，可以使用围绕胎儿的指示母亲身体区域的标记(例如，子宫收缩)来确定所获得深度内的胎儿位置，并且因此可以使用所述深度来缩小矩阵的哪个部分，以检查何时确定胎儿和/或产妇健康的指标。此外，生理标记的扩展位置可以有助于隔离和确认所检查的指标。 在一些变形中，系统可以包括逻辑，以确定发射的信号是否穿透足够地母亲的组织以达到心脏的已知深度。系统可以进一步使用穿透度量来估计哪个范围库将最有可能展示指示胎儿心脏活动的行为。例如，所述方法可以确定由发射信号要穿透的组织的相对介电常数。相对介电常数是无单位的常量，其用于计算光穿过不同介质的速度。下面的表格 1示出了确定穿透是否足够到达胎儿心脏时所考虑的各种组织的相对介电常数
权利要求
1.一种能够并行监视胎儿和产妇的健康的指标的超宽带(UWB)胎儿监视系统，所述系统包括传感器，被配置用于接收和发射UWB信号数据，所述传感器包括至少一个天线；以及信号处理器，被配置为从所述传感器接收信号数据以及将信息处理成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵，以及从所述矩阵提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器包括接收天线和发射天线。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器包括被配置用于接收和用于发射的组合天线。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括多个传感器，所述多个传感器的每个被配置用于接收和发射UWB数据并且包括至少一个天线。
5.根据权利要求4所述的系统，被配置用于单静态操作，其中由相同的传感器接收从每个传感器发射的UWB信号。
6.根据权利要求4所述的系统，被配置用于多静态操作，其中由不同的传感器接收从一个传感器发射的UWB信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器被配置为确定胎儿健康的一个或多个指标，所述指标选自包括以下内容的组胎儿心率、胎儿心率变化、胎儿呼吸、胎儿身体移动。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器被配置为确定产妇健康的一个或多个指标，所述指标选自包括以下内容的组产妇心率、产妇子宫收缩率、产妇血压、产妇呼吸。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括连接到天线的发射器，所述发射器被配置为生成用作来自天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括连接到所述天线的接收器，所述接收器被配置为接收由所述天线接收的发射信号的反射并且将它们处理为要传递给所述信号处理器的数据。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述接收器被配置为基于信号的深度来放大信号，使得在距离传感器更远处反射的信号比在更接近传感器处反射的信号被放大地更多。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器被配置为确定胎儿心率和产妇子宫收缩率。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括用于存储矩阵信息的本地存储器。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括用于与监视系统通信的通信模块。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述监视系统包括被配置为存储和发射数据的计算机系统。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述监视系统包括网络服务器。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器被配置为与所述信号处理器耦合和去耦的一次性使用的、用后可弃的传感器。
18.根据权利要求1所述的系统，还包括非UWB传感器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述非UWB传感器包括加速度计。
20.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为显示胎儿或胎儿和产妇的健康的一个或多个提取指标的输出。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述输出被配置为将至少一个所述提取的指标显示为图表记录。
22.一种能够并行监视胎儿和产妇的健康的指标的超宽带(UWB)胎儿监视系统，所述系统包括传感器，被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线； 连接到所述天线的发射器，所述发射器被配置为生成用作来自所述天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲；以及信号处理器，被配置为从所述传感器接收数据且将信息处理成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵，并且从所述矩阵提取胎儿心率和产妇子宫收缩率。
23.一种被配置用于胎儿健康指标的自适应能量监视的超宽带(UWB)胎儿监视系统， 所述系统包括传感器，被配置用于接收和发射UWB信号数据，所述传感器包括至少一个天线；以及信号处理器，被配置为从所述传感器接收信号数据且将信息处理成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵，并且确定由胎儿反射的信号的能量等级；以及发射能量等级适配器，被配置为根据所述由胎儿反射的信号的能量等级，调整由所述传感器发射的UWB信号的能量等级。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述发射能量等级适配器包括比较器，所述比较器被配置为将由胎儿反射的信号的能量等级与预定目标能量等级进行比较，并且，其中所述发射能量等级适配器被配置为调整所述UWB信号的能量等级以将由胎儿反射的信号的能量等级保持在预定目标能量等级内。
25.一种用于监视胎儿和产妇的健康的指标的超宽带(UWB)胎儿监视系统，所述系统包括传感器，被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线、电源以及发射器，所述发射器被配置为生成用作来自所述天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲；以及通信设备，被配置为从所述传感器接收信息并将所述信息传递给信号处理器，其中所述信号处理器被配置为将所述信息处理成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵， 并从所述矩阵提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述信号处理器被配置为从所述矩阵确定胎儿心率和产妇子宫收缩率。
27.根据权利要求25所述的系统，还包括被配置为显示胎儿或产妇的健康的多个指标的一个或多个的输出。
28.根据权利要求25所述的系统，还包括被配置为对电源充电的充电支座。
29.一种使用超宽带(UWB)系统来同时监视胎儿和产妇的健康的两个或多个指标的方法，所述方法包括向胎儿发射作为超宽带频谱中的发射信号的一系列低电压、短时长宽带脉冲； 从该系列低电压、短时长宽带脉冲接收反射信号；将所述反射信号处理成通过深度和时间索引的矩阵；以及从所述矩阵提取胎儿健康的第一指标和胎儿健康的第二指标或产妇健康的第一指标。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括显示所述胎儿健康的第一指标和所述胎儿健康的第二指标或所述产妇健康的第一指标。
31.根据权利要求29所述的方法，还包括在孕妇患者上或附近放置传感器，其中所述传感器包括被配置用于接收和发射UWB数据的天线，所述传感器包括至少一个天线。
32.根据权利要求29所述的方法，其中所述处理反射信号的步骤包括将与单个宽带脉冲相对应的反射信号分成反映宽带脉冲的穿透深度的多个库。
33.根据权利要求29所述的方法，其中所述提取步骤包括从所述矩阵确定产妇子宫收缩率以及从所述矩阵确定胎儿心率。
34.根据权利要求29所述的方法，其中所述提取步骤包括，从所述矩阵确定第一深度的产妇子宫收缩率，并且从所述矩阵确定第二深度的产妇子宫收缩率，以及通过从所述矩阵分析所述第一和第二深度之间的区域来确定所述胎儿健康的第一指标。
35.根据权利要求29所述的方法，还包括基于反射信号的深度来放大反射信号的步骤，使得在距离所述发射天线更深处的反射信号比在更接近所述发射天线处的反射信号被放大地更多。
36.一种用于在阵痛和分娩过程中使用超宽带(UWB)系统来同时监视胎儿和产妇的健康的方法，所述方法包括在用于分娩期监视的怀孕妇女上放置传感器，所述传感器被配置用于接收和发射UWB 数据，所述传感器包括至少一个天线；发射作为超宽带频谱的发射信号的一系列低电压、短时长宽带脉冲；从该系列低电压、短时长宽带脉冲接收反射信号；将所述反射信号处理成通过深度和时间索引的矩阵；以及从所述矩阵提取胎儿心率和产妇子宫收缩率。
37.一种用于处理超宽带(UWB)胎儿监视数据的系统，所述系统包括传感器，被配置用于接收和发射UWB数据，所述传感器包括至少一个天线、电源以及发射器，所述发射器被配置为生成用作来自天线的作为超宽带频谱信号的发射信号来发射的一系列低电压、短时长宽带脉冲；以及信号处理器，被配置为处理由传感器接收的UWB反射数据以形成通过深度和时间索引的反射信号的矩阵，从所述矩阵能够提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标；以及服务器，被配置为从所述信号处理器接收信息并且将所提取的胎儿或胎儿和产妇的健康的指标传递到一个或多个远程报告站。
38.根据权利要求37所述的系统，其中所述信号处理器被配置为从所述矩阵提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标。
39.根据权利要求37所述的方法，其中所述服务器被配置为从所述矩阵提取胎儿或胎儿和产妇的健康的多个指标。
40.根据权利要求37所述的方法，其中所述服务器被配置为将提取的指标传递给一个或多个移动设备。
全文摘要
此处描述的是使用UWB医学雷达的胎儿和/或产妇监视设备、系统和方法。这些设备和系统可以包括高分辨率和可靠地同时监视胎儿和/或产妇健康的多个指标的UWB传感器，指标例如为怀孕的基本全部阶段和分娩过程中的胎儿心率、胎儿心率变化、胎儿呼吸、胎儿身体移动、产妇子宫收缩、产妇心率、产妇呼吸、以及其它获得的参数。传感器允许使用单个传感器或多个传感器的生理数据的新颖的收集，以提供单独和聚集的正常活动指标，所述指标用于确定何时从正常活动指标的偏离表示胎儿或产妇危险。
文档编号A61B5/1482GK102421371SQ201080017878
公开日2012年4月18日 申请日期2010年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者J·P·小蒂潘, J·P·蒂潘, S·斯特凡森四世 申请人:莱夫韦弗公司