监测体内脉动对象的装置.pdf

本发明涉及检测个体体内循环脉动对象暂时静止的瞬间的装置、系统、可佩戴装置和伴随的处理系统，这种对象是心脏、动脉或肺。本发明的本质在于多普勒雷达运动检测器的应用，通常用于车辆速度检测或对建筑物居住情况的检测。将多普勒雷达运动检测器布置为向对象传输电磁信号并且接收来自对象的反射电磁信号，并且进一步将该装置布置为识别反射信号指示对象暂时静止的瞬间。本发明尤其适于心脏的走动的监测。

1、  一种检测个体体内循环脉动对象暂时静止的瞬间的装置，其特征在于，其包括：
-多普勒雷达运动检测器201，将其布置为向所述对象传输电磁信号并且接收来自所述对象的反射电磁信号，
-进一步将所述装置布置为识别所述反射信号指示所述对象暂时静止的所述瞬间。

2、  如权利要求1所述的装置，其特征在于，将所述装置布置为检测运动对象朝向所述检测器或远离所述检测器的运动方向，进一步将所述装置布置为识别所述反射信号指示所述对象既不朝向所述检测器也不远离所述检测器运动的瞬间。

3、  如权利要求2所述的装置，其特征在于，将所述多普勒雷达运动检测器201布置为输出两个另外的信号，其中，当所述对象朝向所述检测器或远离所述检测器运动时，这两个另外的信号之间的相移为非零，将所述装置进一步布置为识别所述两个另外的信号之间基本上无相位差的瞬间。

4、  如权利要求3所述的装置，其特征在于，将所述装置布置为识别所述两个另外的信号基本上同期达到其最大幅值或最小幅值的瞬间。

5、  如权利要求3所述的装置，其特征在于，将所述装置布置为识别所述两个另外的信号的一阶导数都同时基本为零的瞬间。

6、  如先前权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，将所述多普勒雷达运动检测器201布置为发射连续波电磁信号。

7、  如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多普勒雷达运动检测器201以400MHz和5GHz之间的范围中的频率发射连续波电磁信号。

8、  如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多普勒雷达运动检测器201以800MHz和4GHz之间的范围中的频率发射连续波电磁信号。

9、  如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多普勒雷达运动检测器201以2.45GHz的频率发射连续波电磁信号。

10、  一种检测个体体内循环脉动对象暂时静止的瞬间的方法，所述方法包括以下步骤：从多普勒雷达运动检测器201向所述对象传输多普勒雷达并且接收来自所述对象的反射雷达；以及识别所述反射信号指示所述对象并未运动的所述瞬间。

11、  一种检测个体体内循环脉动对象暂时静止的瞬间的系统，其特征在于，其包括多普勒雷达运动检测器201，将其布置为向所述对象传输电磁信号并且接收来自所述对象的反射电磁信号，将所述多普勒雷达运动检测器201布置为将表示所述接收到的信号的信息传输给处理器，将所述处理器布置为接收所传输的信号并且进一步布置为识别所述反射信号指示所述对象暂时静止的所述瞬间。

12、  一种监测个体的心脏活动的可佩戴装置，包括多普勒雷达运动检测器201，将其布置为向所述个体的心脏传输电磁信号并且接收来自所述心脏的反射电磁信号，所述多普勒雷达运动检测器201耦合至处理器，将所述处理器布置为传输表示所接收到的反射电磁信号的信号信息，所传输的信号信息由处理系统接收，将所述处理系统布置为识别所述反射信号指示所述对象暂时静止的瞬间。

13、  一种处理系统，用于接收从可佩戴装置传输的信号信息以监测个体的心脏活动，所述可佩戴装置包括多普勒雷达运动检测器，将所述处理系统布置为接收表示从个体的心脏反射的所述电磁信号的信号信息，将所述处理系统布置为识别所述反射信号指示所述心脏暂时静止的瞬间。

监测体内脉动对象的装置
技术领域
本发明涉及检测个体体内的循环脉动对象暂时静止的瞬间的装置。
背景技术
检测心脏静止的瞬间，换句话说，检测正常心动周期内的暂时静止，在医学成像中是已知的，并且允许表示针对心脏运动进行了校正的所采集的诊断数据。特别地，‘Application Guide，GYROSCAN NT VOLUME 2：ScanMethods’，5.9节，冠状动脉成像，描述了使用触发延迟以在相对平静的时刻获取心脏的图像。E.Mark Haacke等人的‘Magnetic Resonance Imaging，Physical Principles and Sequence Design’，Wiley-Liss，ISBN 0-471-35128-8，24.4.1节，描述了触发对心动周期的数据采集。同时，这些公开指示出可以如何开发与ECG门控结合的磁共振成像技术以识别跳动的人体心脏在正常脉动周期内静止的瞬间。
US 3,483,860公开了使用多普勒雷达以测量心脏活动，并且尤其公开了对输出的多普勒信号进行数学微分以提供表示射血率的信号。
磁共振成像很昂贵并且要花费相当长的时间采集图像数据。因此，磁共振成像不适于对心脏活动的常规监测，并且尤其不适于走动的监测。此外，其不适于对体内任何其他脉动对象(例如动脉)的静止时间段的测量，因为对ECG门控的依赖将该成像技术的应用限制于心脏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于识别体内脉动对象静止的瞬间的替代方法。这是根据本发明实现的，由此，装置包括多普勒雷达运动检测器，将该多普勒雷达运动检测器布置为向对象传输电磁信号并且接收来自对象的反射电磁信号，并且其中，进一步将该装置布置为识别反射信号指示对象并未运动的瞬间。
多普勒雷达运动检测器用于在路边速度检测相机中检测车辆运动的速度和方向，并且还用于检测建筑物内居住者的运动。在后者情况中，多普勒雷达运动检测器合并到被称为“入侵者报警器”并且通常还称为“防盗检测器”的装置中。在操作中，运动检测器传输电磁信号并且检测在电磁波束的路径中从对象反射回的返回信号。该传输的波束中的电磁波根据以沿着波束行进方向的运动分量运动的对象的反射而经历频移，并且该频移在反射信号中可检测。
在测量车辆速度和测量车辆运动方向这两者中，以及同样在基于居住者运动的检测的对房间居住情况的检测中，多普勒雷达运动检测器接收来自通常尺寸为米的数量级的大的、物理地平移的对象的反射电磁信号。在车辆运动检测的情况中，该对象通常为轿车、厢式货车、卡车或其他车辆。在检测建筑物居住者的情况中，对象为运动的人，通常量级为米或者更高。此外，在所有这些情况中，多普勒雷达运动检测器所检测的对象物理地、横向地运动，从某种意义上说，其在将其总质量横向地从一个位置平移至另一位置。将多普勒雷达运动检测器设计为记录该总的横向运动。
已惊人地发现，多普勒雷达运动检测器适于测量人体中脉动对象的运动，其中这些对象自身尺寸为厘米的数量级并且脉动的幅值为厘米左右或低至毫米的量级。可被检测的脉动对象并不横向地运动，从某种意义上说并不将其总质量从一个位置平移至另一位置，而是停留在一个地点并且脉动。经历这种形式的运动的人体中的对象的示例为心脏，并且分别为动脉，并且还有肺。在所有情况中，不存在对象的总体平移而替代地为总体对象的一些稳定的节律性运动。对象自身保持其在体内的通常位置。
此外，惊人地发现，尽管脉动对象并不将其位置横向地平移，来自多普勒雷达运动检测器的信号对于检测对象在脉动周期内暂时并不脉动的瞬间是足够的。
因而多普勒雷达运动检测器可用于检测体内的循环运动并进一步检测循环运动何时停止，虽然暂时停止。
执行该方法的设备比与磁共振成像有关的设备更易于使用，并且需要简单地将多普勒雷达运动检测器靠着人体放置，例如当用于检测心脏活动时靠着胸部放置。该设备还足够紧凑以靠着手臂或腿放置，例如，用于检测动脉的活动。由于该设备可以在胸部周围以舒适的吊带或背带(harness)佩戴，其尤其适于心脏活动的简单测量，并且相应地，其适于对心脏静止的瞬间的简单检测。如本领域已知的，这种瞬间的识别允许对心脏周期中生理相关时间段的计算，诸如对心房期和心室期的计算。由于可以使用简单并且小的设备来执行本发明，本发明还更适于例如在患者监测过程中进行重复测量。本发明因此可用于对患者心脏的相关生理期的长度的长期监测。例如，本发明的每天或每周的重复使用将允许指示例如患者心脏的心室期的随时间的任何延长，并且因而是心脏监测的现有方法的有用附加。
本发明还涉及一种检测个体体内循环脉动对象暂时静止的瞬间的系统，其包括布置为向对象传输电磁信号并且接收来自对象的反射电磁信号的多普勒雷达运动检测器，将该多普勒雷达运动检测器布置为将表示该接收到的信号的信息传输至处理器，将该处理器布置为接收所传输的信号并且识别反射信号指示对象暂时静止的瞬间。
该系统具有如下优点，其允许尤其在多个设备上执行本发明的方法，并且从而在评估个体体内的脉动对象的内部运动方面提供最大的灵活性。该多普勒雷达运动检测器和处理器可以以任何已知的方式彼此耦合，并且这包括例如通过诸如导线或总线的物理连接耦合，或无线耦合。
该系统可以应用于监测心脏活动或动脉活动或肺活动，或者甚至人体内的任何其他脉动对象。
本发明还涉及监测个体的心脏活动的可佩戴装置，其包括多普勒雷达运动检测器，将其布置为向个体的心脏传输电磁信号并接收来自心脏的反射电磁信号，多普勒雷达运动检测器耦合至处理器，将该处理器布置为传输表示所接收到的反射电磁信号的信号信息，所传输的信号信息由处理系统接收，将该处理系统布置为识别反射信号指示对象暂时静止的瞬间。所述传输包括任何已知形式的传输，该任何已知形式的传输包括通过任何已知手段的无线传输、使用远程通信或电话线的传输和沿着例如导线的固定连接的传输。
在传输为无线或使用远程通信或沿着电话线的传输的情况中，该装置具有如下优点，即其可以在个体到处运动的同时佩戴，并且因而可以在个体走动的同时采集允许监测心脏活动的信号。其还具有如下优点，即该可佩戴装置只需包括用于产生电磁信号的合适的多普勒雷达运动检测器，而不需要包括识别所述瞬间的处理系统。该处理系统可以远离可佩戴装置，由此节省该可佩戴装置的空间和重量。因而该可佩戴装置具有如下优点，即其将输出信号提供到执行对所述瞬间的计算的远程处理系统。远程处理器可以物理地位于与个体相同的房间中，可以位于同一建筑物的另一房间中或者甚至另一建筑物中。
个体可以在皮带或背带上或者使用其他携带工具来佩戴该可佩戴装置。由于电磁信号可以穿透布和其他可佩戴材料，该装置也可以携带在个体衣物上的口袋中，并且布置为位于换能器可检测最优信号的位置。
本发明还涉及处理系统，其用于接收从可佩戴装置传输的信号，以监测个体的心脏活动，该可佩戴装置包括多普勒雷达运动检测器，将该处理系统布置为接收表示从个体的心脏反射的电磁信号的信号信息，并且将该处理系统布置为识别反射信号指示心脏暂时静止的瞬间。
该处理系统具有如下优点，即其处理来自布置为检测来自个体的胸部内的多普勒雷达信号的便携式装置的信号，并且处理这些信号以产生表示根据本发明的静止瞬间的信号。
因而，可佩戴装置结合远程处理器一起提供了一种解决方案，其解决了如何进行布置以对个体的心脏活动进行走动的监测的问题，并且其还可以识别心脏暂时静止的瞬间。
本发明还具有进一步的优点，即其可以用于使用万维网服务提供对心脏活动的监测。在该情况中，所监测的个体在住宅内佩戴换能器，如上所述将换能器以一定方式布置在他或她身上，从而使得检测已经从心脏反射的合适信号，并且用于计算心脏静止的瞬间的处理器可以经由万维网联系。在该情况中，本领域技术人员可以进行布置以将来自可佩戴装置的信号传输到中间处理器——与万维网连接的计算机，即，将其布置为通过万维网将表示检测信号的信号传输至远程处理器。可替代地，可佩戴装置可以装备有合理的处理，以允许直接将表示检测信号的信号传输到万维网中至远程处理器。
因而，该系统解决了如何从远离正在被监测的个体的位置的位置提供对心脏活动的监测的问题。
当本发明的装置发射连续波电磁波时，尤其有利地对其进行布置，尽管这作为并非必需的特征。如果发射信号和反射信号具有使得它们能够对来自至少单次心跳的信息进行编码的持续时间，那么本发明的装置可实现期望的结果。这可以通过以连续波束的形式发射电磁信号来实现。然而，如果每个单一脉冲足够长以对来自单次心跳的信息进行编码，或者例如如果与心脏跳动一次所需的时间相比，脉冲之间的时间间隔非常短，那么也可以使用脉冲电磁信号。在后者情况中，每个脉冲对每次心跳中可获得的关于心脏活动的信息的一些部分进行编码。在使用具有非常短的时间间隔的一列非常短的脉冲的情况中，编码在多普勒频移反射信号中的信息表示来自心脏的信息的采样。
可以将本发明的装置与布置为产生具有400MHz和5GHz之间的范围中的频率的电磁信号的双通道多普勒雷达运动检测器一起使用。已发现该范围对于产生从心脏反射的信号尤其有利。然而，当频率在800MHz和4GHz之间的范围中时，该装置以尤其有利的方式工作。
如本领域技术人员将意识到的，当该装置发射具有单一频率的电磁信号时，其可在电磁天线的常规操作的限制内有利地进行操作。
在本发明的尤其有利的实施例中，多普勒雷达运动检测器用于将来自发生了频移的反射电磁波的信号与原始发射信号在两个混频二极管中进行混合。这两个混频二极管由同一振荡器驱动，但具有已定义的相位差。结果为允许检测反射对象的运动方向(朝向该多普勒雷达运动检测器或者远离多普勒雷达运动检测器)的两个输出电压信号。以这种方式，多普勒雷达运动检测器能够检测反射对象何时朝向该检测器或远离该检测器运动，并且因此在本发明的该实施例中，该装置检测反射信号指示反射对象既不朝向多普勒雷达运动检测器也不远离多普勒雷达运动检测器运动的瞬间。
这两个信号之间的相移的极性取决于目标是朝向多普勒雷达运动检测器运动还是远离多普勒雷达运动检测器运动。如果对象朝向多普勒雷达运动检测器运动，则相移为负，而当对象远离多普勒雷达运动检测器运动时，这两个信号之间的相移为正。已经发现，对于该特定多普勒雷达运动检测器，来自反射对象的反射信号指示反射对象朝向多普勒雷达运动检测器运动的时间段与反射信号指示对象远离多普勒雷达运动检测器运动的时间段之间存在交点。当这两个信号之间无相位差时出现该交点。已惊人地发现，该交点可以用于指示人体中的脉动对象暂时静止的瞬间。因而在尤其有利的实施例中，对象静止的瞬间被识别为这两个信号之间的相位差或相移基本上为零的瞬间。如技术人员所意识到的，基本为零是指信号测量和处理的正常公差内的零。
已经发现，检测两个信号之间的相位差为零的瞬间的尤其有利的技术为检测两个信号同期达到相同的最大幅值或相同的最小幅值的瞬间。此外发现，可将此实现的尤其有利的技术为检测两个信号的一阶导数同时基本为零的瞬间。如技术人员所意识到的，基本为零是指信号测量和处理的正常公差内的零。
使用下列附图来进一步阐明本发明并解释本发明的各实施例。
附图说明
图1示出了来自心脏ECG测量的典型描记线(trace)；
图2示出了本发明的装置的框图；
图3示出了用位于胸骨处的多普勒雷达运动检测器采集的测量的结果、输出的一阶时间导数的曲线图以及来自标准一导联ECG的信号的曲线图；
图4示出了来自多普勒雷达运动检测器的从腿内动脉反射的并与作为参考的手指光电血管容积图(finger photo-plethysmogram)同步的测量信号的时间导数。
具体实施方式
如通常已知的，心脏是将血液泵送至身体各处的器官。心脏被细分成四个腔室，包括两个心房和两个更大的心室，所述心房接收进入心脏的血液，其中，从身体返回的脱氧血液进入右心房，而来自肺的氧合血液进入左心房，心室负责将血液泵送出心脏。右心室将从右心房接收的脱氧血液泵送出心脏并且送至肺部，在肺部血液被氧合。左心室，作为心脏中最大的腔室，负责将从左心房接收的氧合血液泵送到身体的其余部分中。如同样已知的，来自心电图ECG的测量示出了心脏以循环方式泵送，并且ECG测量允许识别心脏电序列共有的某些相位。图1示出了来自ECG测量的典型输出描记线。如图所示，将典型描记线中所示的特征波峰标记为P、Q、R、S和T。已知的是，P波峰或波表示心房的去极化或激励。通常已知为QRS复合波的QRS波峰表示心室的激励。QRS复合波遮蔽心房复极化的任何信号。T波峰或T波表示心室的复极化。
用于检测多普勒频移信号的多普勒雷达运动检测器商业上可获得，并且通常用于使用波束的远场进行运动检测的目的，例如，在对车辆速度的测量或对房间内居住者的运动的测量中。现在发现，根据本发明，不仅可以将这种运动检测器用于近场测量，并且事实上经由对来自心脏的多普勒频移信号的检测而惊人地适于检测机械心脏活动，还可以将这种运动检测器用于识别心脏静止的瞬间，换句话说，识别正常心动周期内的暂时静止。
一般地在这种多普勒雷达运动检测器中，如本领域中已知的，天线发射电磁波，当该电磁波从以对于撞击电磁波并非横向的速度分量运动的对象的表面反射时，产生反射回天线的电磁波的频移。该频移称作多普勒频移。该多普勒频移反射波由运动检测器中的天线检测，该天线可以与发射天线是相同天线，也可以与其不同。反射对象运动的相对速度被编码在已检测的反射波的频移中，并且可以使用已知技术提取该值。从心脏或者以基本上与心脏相同的频率振荡的组织边界(例如动脉壁)反射的电磁信号所经历的频率变化为约1Hz，并且在该情况中，如果测量出信号的相变，则可以实现测量的更高精确度。
在本发明的装置中有利地使用的换能器包含以连续模式运行的2.45GHz振荡器。已知的是，在2至10GHz的频率周围，在人体组织中强烈吸收电磁辐射，但是发现，根据本发明的该非常有利的实施例，虽然在一定程度上由组织层吸收和散射，从以2.45GHz运行的天线产生的辐射产生了可检测信号。
尤其有利的实施例利用了商业上可获得的由Micro Systems EngineeringGmbH制造的双通道运动检测器——微波运动传感器(Microwave MotionSensor)KMY 24单元。其在同一外壳中包括2.45GHz振荡器和接收器，并以连续波模式工作。波束的尺度主要取决于天线的尺度，并且在该情况中，该单元包含具有最小化尺度和3.5cm宽度的最优贴片天线，从而产生了具有约2cm的近场半径的波束。这在过大天线和过小天线之间提供了可操作的折衷，所述过大天线将产生易于被来自其他结构的反射所污染的宽波束，所述过小天线将产生难以满意地定位的窄波束。实际上，具有1cm至2.5cm范围中的宽度的波束是有利的，因为其在上述两个极值之间提供了可操作的折衷。具有1.5cm至3cm范围中的宽度的波束尤其有利于将装置应用于体型大的成人或具有扩大的心脏的成人。具有0.5cm至1.75cm范围中的宽度的波束有利于将装置应用于体型小的儿童。
以下列方式利用商业上可获得的单元。图2示出了装置的框图。多普勒换能器201由电压源202供电。通过高通滤波器203、前置放大器204和低通滤波器205处理运动检测器201的输出。已经实验发现，高通滤波器203应当包括100nF的电容和1MΩ的电阻器，因为这能够在移除来自多普勒模块的信号的DC部分的同时实现信号的更快衰减。0.1s的时间常数τ产生了1.59Hz的截止频率。虽然从以1Hz量级的频率跳动的心脏反射了正被检测的信号，该一阶高通滤波器的衰减足够低以至于不破坏信号。可以将前置放大器204的增益设置在1至1000的范围中，但是已经发现，尤其有利的增益为500。为了能够实现采样，使用运算放大器实现具有100Hz的截止频率的八阶低通滤波器。
图2还示出了来自多普勒换能器的两个输出信号DR1和DR2，测量这两个输出信号之间的相位差以提供关于反射对象运动方向的附加信息。
已经发现，整个组件对于处理由心脏反射的信号是足够敏感的。
实验结果示出，换能器相对于心脏的定位对于检测有用信号是很重要的。电磁信号必须从心脏自身反射，以便于将机械心脏信息编码在反射信号中。然而，实验发现，主体之间的个体差异改变了换能器关于每个个体的最优信息检测的正确位置或多个位置。然而，如果已检测和输出的信号可视地显示在显示屏上，有可能查看是否正确地放置了换能器。如果以如下方式放置换能器，即心脏不处于发射的信号波束中，或者未将发射的信号反射回接收器，那么在反射波束中将几乎不能或完全不能看到循环活动。如果良好地定位了换能器，将会看到循环信号。在识别合适的信号并因此识别正确的位置之前，需要一定量的实验来将换能器正确地定位在个体胸部表面上。已经发现，将传感器布置为使得发射的波束撞击基本上平行于换能器平面的平面结构(例如心脏壁肌肉的截面)对于接收适当的反射信号是非常有利的。
所述换能器可以合并在合适的外壳中，有利地设计该外壳的尺度，从而使得可以将其布置为平坦地抵靠胸部，例如个体的胸骨。合适的尺度是宽在3cm和6cm之间，而长在4cm和7cm之间。这些尺寸将允许硬件包含在外壳中，同时将外壳维持在能够有效地用在个体上的尺寸。
一旦本领域技术人员意识到输出信号中的这些点是所寻找的，本领域技术人员就可以采取将在处理所采集的数据的过程中执行的以提供所述瞬间的技术步骤。特别地，在存在具有相对相变的两个输出信号的特定实施例中，例如在KMY24单元中，使用信号处理的已知技术可以很容易地实现对两个输出信号之间无相变的瞬间的识别。
图3示出了利用位于胸骨处的多普勒雷达运动检测器的测量组合的结果，并且示出了标准一导联ECG。来自一导联ECG的曲线图在顶部示出。中间的图示出了来自双通道的雷达测量。图的下部示出了两个雷达信号的时间导数。可以看出每个心跳时间段存在两个时间导数具有同时过零点的几个点。这些点由数字1至5指示。通过检查图3可以看出，点5与点1位于心动周期的相同点，因而可以清楚地看出，当应用于心脏监测时，本发明允许识别心动周期的4个特定点。这些过零点指示心脏运动由于运动的方向变化或暂停而具有零速度的点的时间点。这些点可用于区分心脏泵送功能的不同期：
1、心房期：从点1至点2，心房收缩在两个通道都产生小的速度变化。
2、收缩期：点2至点3定义心室收缩发生的期。这也可以在此期的大的速度变化中得到反映。
3、点3至点5示出速度减小并且心房重新充盈的充盈期，点4不能由ECG的特征解释。
尽管单通道的时间导数存在几个过零点，只有有限数量的点示出两个导数中同时发生的过零点。因而这表明双通道多普勒雷达运动检测器的实施例对检测心脏暂时静止的瞬间尤其有利。
图4示出了与作为参考的手指光电血管容积图同步的所测量的多普勒信号的时间导数，该信号来自定位以接收来自一33岁男性的右腿动脉的反射电磁波的双通道多普勒雷达传感器。两个多普勒雷达信号导数在指示点1、2和3具有共同的过零点，并且这些点指示动脉中无运动的状态。这些动脉中无运动的状态还表示心脏周期中无运动的状态，因为心脏位于动脉的上游并且心脏通过其节律性射血来支配动脉壁的运动。正如血管容积领域的技术人员所已知的，这些无运动的状态还与PPG的特征点相符。小的时间差是由于到腿和手指的传输时间不同所引起的。因此，多普勒雷达技术与所提出的信号分析一起构成评价动脉的扩张和收缩或者脉搏传导时间的舒适提取的有前途的方法。