專利名稱：用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置、方法和計(jì)算機(jī)程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置、方法和計(jì)算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
US6, 228，033B1公開了一種用于測(cè)量患者的三個(gè)重要的生理系統(tǒng)(循環(huán)、呼吸和 身體水隔室)的裝置和方法。更具體的，公開了用于通過組合使用生物阻抗和連續(xù)血壓測(cè) 量技術(shù)和可選的呼吸量測(cè)定法和/或體積描記法，連續(xù)同時(shí)/同步的并且非入侵式測(cè)量心 臟泵送功能、血管系統(tǒng)的彈性特性、系統(tǒng)血管阻力、肺活量、和身體水隔室的裝置和方法。該 裝置和方法需要大量的用于測(cè)量患者的不同特性的傳感器。雖然一方面，它似乎是在具有大量傳感器的情況下使用多種測(cè)量的合理方法，同 時(shí)這可能很容易變成總體負(fù)載過重的系統(tǒng)。大量的傳感器導(dǎo)致該系統(tǒng)的極端復(fù)雜的操作。 具體而言，在個(gè)人衛(wèi)生保健應(yīng)用中患者沒有足夠的醫(yī)療或技術(shù)訓(xùn)練并且經(jīng)常是視力受損和 運(yùn)動(dòng)技能減弱，因此他們不能正確的使用具有這樣復(fù)雜操作的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置、方法和計(jì)算機(jī)程序，其減 少了用于確定對(duì)象的不同特性所需要的傳感器的數(shù)量。在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置，其中該裝置包括用于 發(fā)射用于測(cè)量對(duì)象的特性的電磁波到該對(duì)象和/或接收來自該對(duì)象的電磁波的天線；其中 該天線包括用作用于測(cè)量該對(duì)象的其它特性的電極的導(dǎo)電元件。本發(fā)明基于這樣的構(gòu)思因?yàn)橛糜诎l(fā)射用于測(cè)量對(duì)象的特性的電磁波到該對(duì)象和 /或接收來自該對(duì)象的該電磁波的天線包括用作用于測(cè)量其它特性的電極的導(dǎo)電元件，該 天線通過用作天線并另外用作電極能夠測(cè)量對(duì)象的不同特性，其中用于確定對(duì)象的特性的 傳感器的數(shù)量減少了。對(duì)象的特性例如能夠被看作為對(duì)象的特征或狀況。對(duì)象的特性例如是類似心電圖 的電生理特性，該電生理特性優(yōu)選地通過使用用作電極的導(dǎo)電元件來測(cè)量。其它特性例如 是對(duì)象(優(yōu)選是心臟)的機(jī)械活動(dòng)，特別是運(yùn)動(dòng)，并且這優(yōu)選地通過發(fā)射電磁波到該對(duì)象和 接收來自該對(duì)象的電磁波來測(cè)量。該裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)天線，該天線包括用作電極的導(dǎo)電元件。利用幾個(gè)導(dǎo) 電元件作為電極，多個(gè)天線的使用允許測(cè)量其它特性，特別是電生理特性，例如通過執(zhí)行阻 抗心動(dòng)描記法或生物阻抗測(cè)量法。而且，例如，天線中的一個(gè)能夠發(fā)射電磁波，其中另一個(gè) 天線能夠接收從對(duì)象反射的電磁波。導(dǎo)電元件優(yōu)選是金屬板。因?yàn)樵搶?dǎo)電元件優(yōu)選是金屬板，所以該導(dǎo)電元件能夠用 于貼片天線或者貼片天線的一部分，即該天線優(yōu)選是貼片天線，其中該貼片天線的金屬板 優(yōu)選用作電極，用于測(cè)量(特別是同時(shí)測(cè)量)對(duì)象的特性，尤其是電生理特性。優(yōu)選地，導(dǎo)電元件適于心電圖測(cè)量。
更優(yōu)選地，所述對(duì)象是運(yùn)動(dòng)對(duì)象，其中，天線適于發(fā)射電磁波，該電磁波可被運(yùn)動(dòng) 對(duì)象反射，并且其中該天線適于接收從該運(yùn)動(dòng)對(duì)象反射的電磁波。這允許根據(jù)從運(yùn)動(dòng)對(duì)象 反射的電磁波來確定對(duì)象或者對(duì)象的一部分的運(yùn)動(dòng)。該對(duì)象優(yōu)選是人類心臟，其中電磁波 從人類心臟的壁反射，特別是從該壁的一部分反射。這樣，優(yōu)選地在測(cè)量心電圖的同時(shí)確定 人類心臟的壁的運(yùn)動(dòng)。因此通過測(cè)量人類心臟的運(yùn)動(dòng)可以確定心肌的電刺激(心電圖)和 該刺激至機(jī)械活動(dòng)的轉(zhuǎn)換。這樣，能夠通過該優(yōu)選實(shí)施例的裝置來確定心臟的電刺激和對(duì) 該電刺激的機(jī)械反應(yīng)，特別的該裝置具有單一傳感器。特別的，可以確定心肌多快地對(duì)電激 勵(lì)作出機(jī)械響應(yīng)，這對(duì)于非入侵式的無箍帶血壓測(cè)量和用于確定動(dòng)脈硬化是重要的。在優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置包括多個(gè)天線，其中該多個(gè)天線中的至少一個(gè)適于發(fā)射 和/或接收在一頻率的電磁波，該頻率不同于該多個(gè)天線中的另一個(gè)的電磁波的頻率。這 允許同時(shí)操作各天線。優(yōu)選地，該裝置包括運(yùn)動(dòng)確定單元，用于利用多普勒效應(yīng)，根據(jù)所接收的從運(yùn)動(dòng)對(duì) 象反射的電磁波來確定指示該對(duì)象的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息。這允許精確地并且以低的計(jì)算工作 量來確定指示該對(duì)象的運(yùn)動(dòng)(特別是，對(duì)象本身的運(yùn)動(dòng))的運(yùn)動(dòng)信息。該裝置優(yōu)選地包括適于形成一束電磁波的幾個(gè)天線，尤其是通過使用天線相控陣 來形成該一束電磁波。這允許將電磁波引導(dǎo)到這樣的區(qū)域中電磁波將要被傳送到該區(qū)域 或者從該區(qū)域中被接收。此外，該天線對(duì)特定的方向敏感，同時(shí)抑制來自其它方向的輸入信 號(hào)。因此，如果例如使用可調(diào)移相器，則可以掃描給定區(qū)域以尋找輸入信號(hào)，而不必機(jī)械移 動(dòng)天線。更優(yōu)選地，該對(duì)象是位于外部對(duì)象內(nèi)的內(nèi)部對(duì)象，其中，天線附著于外部對(duì)象的表 面，用于防止在該表面，特別是患者的皮膚，與天線之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。特別的，該導(dǎo)電元件附 著于作為外部對(duì)象的患者的表面，特別是皮膚。例如，天線，特別是導(dǎo)電元件，能夠粘附至該 外部對(duì)象的表面，以便粘性地將天線附著于外部對(duì)象的表面。這保證在該表面和天線之間 沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。特別是，如果利用多普勒效應(yīng)來確定內(nèi)部對(duì)象，特別是心壁的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，則 在外部對(duì)象的表面和天線之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能夠使由該天線接收的電磁波失真，這是因?yàn)殡?磁波通常也在該表面上反射，這可能引起附加的多普勒相移。優(yōu)選地適配導(dǎo)電元件和/或天線使得可通過由導(dǎo)電元件檢測(cè)具有一頻率的電信 號(hào)來測(cè)量對(duì)象的其它特性，特別是電生理特性，所述頻率不同于由天線發(fā)射和/或接收的 電池波的頻率。特別的，電磁波的頻率比用于測(cè)量其它特性，特別是電生理特性的電信號(hào)的 頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，導(dǎo)電元件用作電極的其它測(cè)量的電信號(hào)，特別是電生理測(cè)量的電 信號(hào)，和天線的電磁波的電信號(hào)能夠容易地被分離，例如通過使用濾波器，并且能夠同時(shí)執(zhí) 行其它測(cè)量(特別是電生理測(cè)量)和使用電磁波的測(cè)量，該使用電磁波的測(cè)量特別是例如 對(duì)象的壁(特別是壁的一部分)的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械特性的測(cè)量。優(yōu)選地，該對(duì)象是患者的心臟，該患者特別是人類患者或動(dòng)物患者，其中該裝置包 括特性確定單元，用于基于由用作天線中的至少兩個(gè)的電極的導(dǎo)電元件測(cè)量的心電信號(hào)并 且基于由該至少兩個(gè)天線發(fā)射到對(duì)象和從該對(duì)象接收的電磁波確定的心臟的機(jī)械活動(dòng)，確 定血壓和/或動(dòng)脈硬化。這允許非入侵式和優(yōu)選無箍帶地確定血壓和/或動(dòng)脈硬化。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了用于測(cè)量對(duì)象的特性的方法，其中使用用于測(cè) 量對(duì)象特性的裝置，該裝置包括天線，該天線包括導(dǎo)電元件，其中由用于測(cè)量對(duì)象的特性的天線向該對(duì)象發(fā)射電磁波和/或接收來自該對(duì)象的電磁波，其中通過使用作為電極的導(dǎo)電 元件來測(cè)量對(duì)象的其它特性。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了用于測(cè)量對(duì)象的特性的計(jì)算機(jī)程序，其中該計(jì) 算機(jī)程序包括程序代碼模塊，用于引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求11所述的方法的步驟，其中 該計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行在控制如權(quán)利要求1所述的裝置的計(jì)算機(jī)上。應(yīng)該理解，權(quán)利要求1所述的裝置，權(quán)利要求11所述的方法和權(quán)利要求12所述的 計(jì)算機(jī)程序具有相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例，特別是如從屬權(quán)利要求中所述的那些實(shí)施 例。應(yīng)該理解，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還可以是從屬權(quán)利要求與各個(gè)獨(dú)立權(quán)利要求的任
思組合。


根據(jù)參考下面描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是顯而易見的。在附圖 中圖1示意性和示例性地示出了用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置；圖2示意性和示例性地示出了包括導(dǎo)電元件的天線；圖3示意性和示例性地示出了單一矩形貼片天線的主瓣；圖4示意性和示例性地示出了相控陣天線的工作原理；圖5示意性和示例性地示出了兩個(gè)貼片天線、對(duì)象和裝置的電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處 理單元；圖6示意性和示例性地示出了多普勒雷達(dá)信號(hào)；以及圖7示出了示例性地圖示說明用于測(cè)量對(duì)象的特性的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示意性和示例性地示出了用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置1。在本實(shí)施例中該裝 置1包括附著于外部對(duì)象8的兩個(gè)天線3、4，內(nèi)部對(duì)象2位于該外部對(duì)象8內(nèi)。在圖1中， 僅僅示意性示出了內(nèi)部對(duì)象2和外部對(duì)象8。該外部對(duì)象8優(yōu)選是具有心臟2的患者。該 天線3、4優(yōu)選地附著于外部對(duì)象8的表面，特別是人類患者的皮膚，以使天線3、4不會(huì)相對(duì) 于對(duì)象8的表面移動(dòng)，但是內(nèi)部對(duì)象2，特別是患者的心臟仍然可以關(guān)于天線3、4的位置移 動(dòng)。在本實(shí)施例中天線3、4是貼片天線。在圖2中示意性和示例性地示出貼片天線3。 在本實(shí)施例中，貼片天線3和貼片天線4具有相同的結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，不同的天線 可以具有不同的結(jié)構(gòu)。例如，采用不同的天線以提供不同的操作頻率，使得例如通過使用濾 波單元將不同天線的電磁波分離開。參考圖2，貼片天線3包括導(dǎo)電元件21，在本實(shí)施例中該導(dǎo)電元件21是金屬板。 導(dǎo)電元件21附著于具有介電常數(shù)、的非導(dǎo)電的電介質(zhì)基片23。導(dǎo)電元件21優(yōu)選地粘附 至基片23。接地板22布置在該基片23的一側(cè)上，導(dǎo)電元件21位于與該側(cè)相對(duì)的一側(cè)面。 優(yōu)選地，接地板22也粘附在基片23上。優(yōu)選地，在測(cè)量?jī)?nèi)部對(duì)象2的特性期間，導(dǎo)電元件21接觸外部對(duì)象8，特別是患者的皮膚，其中導(dǎo)電元件21用作用于電生理測(cè)量的電極。此外，貼片天線3、4適于發(fā)射電磁 波到內(nèi)部對(duì)象2和/或接收來自該內(nèi)部對(duì)象2的電磁波。在優(yōu)選實(shí)施例中，適配貼片天線3、4以使得他們具有適合于研究心臟機(jī)械活動(dòng)的 操作頻率。這樣的操作頻率優(yōu)選是在2-3GHz的范圍內(nèi)的頻率，更優(yōu)選在2. 4-2. 6GHz的范 圍內(nèi)的頻率，并且優(yōu)選是2. 45GHz的頻率。為了適配貼片天線3、4，優(yōu)選使用下面的等式 在等式(1)中，W表示導(dǎo)電元件21的寬度，f；表示貼片天線3、4的操作頻率，V。表 示真空中的光速。一旦計(jì)算出寬度W，就可以借助下面給出的等式來確定導(dǎo)電元件21的合 適長(zhǎng)度。實(shí)際上，導(dǎo)電元件21的長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上長(zhǎng)于物理尺寸，這是由于在貼片的邊緣處的場(chǎng) 線的彎曲而發(fā)生的效應(yīng)。為了將這一點(diǎn)計(jì)入考慮，優(yōu)選根據(jù)下面的等式來確定貼片天線3、 4的有效介電常數(shù)或電容率
其中h是基片23的高度。
導(dǎo)電元件21的實(shí)質(zhì)變長(zhǎng)Δ L可以通過使用下面的等式來確定 其中C1... C4和K是常數(shù)。這些常數(shù)優(yōu)選具有下面的值Cl = 0.3，C2 = 0.264， C3 = 0. 258，C4 = 0. 8和K = 0. 412。這些常數(shù)優(yōu)選地是在實(shí)驗(yàn)中以經(jīng)驗(yàn)確定的。關(guān)于等 ζ (3) Constantine A. Balanis ^"Antenna theory-Analysis and Design”，出自John Wiley & Sons，公司的1997年第二版，其通過全文引用并入本文。最后，導(dǎo)電元件21的物理長(zhǎng)度L能夠通過下面的等式來確定
1
2^Zr-Viff-V-uO-fO(4)例如，如果操作頻率是2. 45GHz，如果基片23的高度是3mm并且如果基片23的介 電常數(shù)或電容率是4. 2，可以計(jì)算出該導(dǎo)電元件21的長(zhǎng)度是29mm和寬度是38mm。這大約 是標(biāo)準(zhǔn)的心電描記術(shù)電極的尺寸。通過使用具有高電容率或介電常數(shù)ε r的基片23來容易地減小導(dǎo)電元件21的尺 寸。圖6示意性和示例性地示出了在任意單元中由貼片天線3接收的相對(duì)于時(shí)間的信 號(hào)25 (多普勒雷達(dá)信號(hào))。在采集該信號(hào)25期間，貼片天線附著于患者的赤裸的胸膛。圖3示意性和示例性地示出了單一矩形貼片天線3或4的輻射圖案的主瓣40。該 主瓣40基本上是對(duì)稱的。在該實(shí)施例中，該貼片天線位于χ-y平面內(nèi)并且該主瓣從該平面 垂直地突出。
圖4示意性和示例性地示出了陣列配置27，該陣列配置27包括幾個(gè)貼片天線3， 特別地，包括6個(gè)貼片天線3。適配該貼片天線3以使得其產(chǎn)生基本上聚焦的主瓣，其中存 在幾個(gè)小的旁瓣，但是其中大部分輻射集中在主瓣中。優(yōu)選地，適配貼片天線3的陣列配置從而使得其可以在不同方向擺動(dòng)主瓣。這優(yōu) 選通過在幾個(gè)貼片天線3 (相控陣)的饋送線中引入可調(diào)相位延遲來獲得。對(duì)于波束形成 可以使用不同的相位延遲。使用移相器34將相移外…灼引入到發(fā)射器的激勵(lì)信號(hào)35中，能夠在不同方向上引 導(dǎo)主瓣。該激勵(lì)信號(hào)35被輸入到移相器34中。移相器34移動(dòng)激勵(lì)信號(hào)35的相位以使得 由貼片天線3發(fā)射的輻射的輻射方向36指向期望的方向。用33指示經(jīng)相移的信號(hào)。通過 修改相移&···&，輻射32即從貼片天線3得到的波前能夠在期望的方向上發(fā)射。例如，修改 相移外…約從而使得輻射32擺動(dòng)。在用這樣的天線陣列配置接收電磁波時(shí)，使用不同相移
,導(dǎo)致天線配置對(duì)特定方向敏感，同時(shí)抑制來自其他方向的輸入信號(hào)。因此，如果使用 電子的可調(diào)移相器34，可能掃描輸入電磁波的給定區(qū)域而不必機(jī)械地移動(dòng)天線陣列配置。再次參考圖1，將貼片天線3、4連接到電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5，其中在圖5 中示意性和示例性地且更詳細(xì)地示出了該電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5的實(shí)施例。電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5適于產(chǎn)生電磁波，該電磁波通過貼片天線3、4被發(fā) 送到對(duì)象中，并且還通過貼片天線3、4接收從對(duì)象反射的電磁波。此外，電磁波產(chǎn)生和信號(hào) 處理單元5適于接收來自貼片天線3、4的導(dǎo)電元件21的信號(hào)，其中該導(dǎo)電元件21用作為 電極。在本實(shí)施例中，電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5處理從貼片天線3、4接收的信號(hào)，特別 是來自貼片天線3、4的導(dǎo)電元件21的信號(hào)，使得可以確定對(duì)象的電生理特性和機(jī)械特性。在圖5中，貼片天線3、4附著于患者8以用于確定心臟2的特性。貼片天線3、4 連接到電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5。貼片天線3連接到電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5的電容器9和低通濾波器11。該 電容器9還連接到電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5的發(fā)射器13和接收器14。電磁波產(chǎn)生和 信號(hào)處理單元5還包括混頻器16，用于將來自發(fā)射器13和接收器14的信號(hào)混合；和低通 濾波器15，用于對(duì)經(jīng)混合的信號(hào)低通濾波。該經(jīng)混合和低通濾波的信號(hào)具有頻率f A， 該頻率能夠由下面的等式來描述
U^ ,^k^(5)在等式(5)中，fu是由發(fā)射器14通過貼片天線3發(fā)射到患者8的電磁波的頻率， Va表示心壁的一部分的運(yùn)動(dòng)的速度，頻率為fu的電磁波從心壁的該部分反射。該混頻器將所發(fā)射信號(hào)乘以所接收信號(hào)。特別地，具有不同頻率的兩個(gè)信號(hào)的相 乘例如可以由下面的等式描述
sin(/J · sin(/,) = T.(哪(人 一 fy) - cos(fx +/,))( 6 ) 其中&和。是不同的頻率。因此，混合的結(jié)果是具有兩個(gè)分量的信號(hào)，一個(gè)分量 具有差頻率fx_fy，另一個(gè)分量具有和頻率fx+fy。低通濾波器去掉具有和頻率的分量。這意 味著如果反射電磁波的對(duì)象沒有移動(dòng)，則沒有多普勒頻移，即在兩個(gè)混合的信號(hào)之間沒有
7頻率差，因此在低通濾波器的輸出處是零。如果對(duì)象確實(shí)移動(dòng)了，則存在多普勒頻移，即頻 率差，因此在低通濾波器輸出處有信號(hào)。將具有多普勒頻率A的經(jīng)混合和低通濾波的信號(hào)提供給裝置1的運(yùn)動(dòng)確定 單元7以用于確定指示對(duì)象運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)值。在該實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)確定單元7適于觀察這些 運(yùn)動(dòng)值。例如，運(yùn)動(dòng)確定單元7能夠通過使用等式(5)計(jì)算心壁的一部分的運(yùn)動(dòng)的速度ν 和觀察該速度，特別是和從電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5接收的經(jīng)混合和低通濾波的信號(hào) 一起觀察。在該實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)確定單元7從兩個(gè)貼片天線3、4分別接收兩個(gè)經(jīng)混合和低 通濾波的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)分別具有多普勒頻率和 ^_,Β。在該實(shí)施例中，對(duì)于貼 片天線3、4中每一個(gè)，通過移動(dòng)確定單元7確定心臟2的壁的一部分的速度并且與相應(yīng)的 經(jīng)混合和低通濾波的信號(hào)一起觀察該速度。圖6示意性和示例性地示出了多普勒雷達(dá)信號(hào)25，其可以是下面進(jìn)一步描述的低 通濾波器15或低通濾波器19的輸出?？梢钥闯鋈祟愋呐K的機(jī)械活動(dòng)，因?yàn)槿绻麤]有心臟 的機(jī)械活動(dòng)，則信號(hào)25將基本上是水平線。然而，因?yàn)樾呐K是跳動(dòng)的，在每一次心跳處在信 號(hào)25中出現(xiàn)峰值。電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5還包括第二電容器10，其連接到貼片天線4和電磁 波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5的發(fā)射器17和接收器18。來自發(fā)射器17和接收器18的信號(hào)被 混頻器20混合并被低通濾波器19低通濾波。經(jīng)混合和低通濾波的信號(hào)具有多普勒頻率f ,β并且被提供給運(yùn)動(dòng)確定單元7。通過下面的等式描述該多普勒頻率
f多蝥勒,B = 土/ο』 ~( 7)
C在等式(7)中，Lb表示發(fā)射器17的頻率，并且νΒ表示心臟2的壁的一部分的運(yùn) 動(dòng)速度，發(fā)射器17通過貼片天線4發(fā)射的電磁波在心臟2的壁的該部分被反射。使用發(fā)射器13、電容器9和貼片天線3將具有頻率La的電磁波發(fā)射到患者8體 內(nèi)。人類心臟2的壁的一部分反射該電磁波，并且使用貼片天線3和電容器9由接收器14 接收反射的電磁波，該反射的電磁波優(yōu)選具有頻率fuif^f ^。對(duì)應(yīng)地，發(fā)射器17通過電 容器10和貼片天線4發(fā)射具有頻率fu的電磁波到患者8體內(nèi)，在患者8體內(nèi)該電磁波被 心臟2的壁的一部分反射。優(yōu)選地，假設(shè)該反射的電磁波具有頻率fu士 ^#1],Β。由接收器 18通過貼片天線4和電容器10接收反射的電磁波。電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5還包括用于對(duì)心電信號(hào)低通濾波的低通濾波器11， 其中該低通濾波器11耦合在電容器9和貼片天線3之間以及電容器10和貼片天線4之間。 這種方法阻止了借助天線3、4發(fā)射和接收的高頻來侵襲心電圖放大器12。包含在電磁波 產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5中的該放大器12放大從低通濾波器11接收的經(jīng)低通濾波的心電信 號(hào)。提供該經(jīng)低通濾波和放大的心電信號(hào)ECGfl^給觀察單元6以用于顯示該心電信號(hào)。優(yōu)選地使用裝置1以使得貼片天線3、4的導(dǎo)電元件21用作心電電極，并且使得該 貼片天線3、4都用于發(fā)射出和接收電磁波，其中兩個(gè)貼片天線3、4優(yōu)選以不同頻率操作，使 得它們能夠同時(shí)操作。然而，以時(shí)分多路復(fù)用模式運(yùn)行貼片天線3、4，使得在每次僅僅操作 一個(gè)天線也是可能的。此外，能夠適配裝置1使得僅天線3、4中的一個(gè)發(fā)射電磁波而天線 3、4中的另一個(gè)接收從對(duì)象特別是心臟2的壁的一部分反射的電磁波。
對(duì)于正如后面描述的射血前期的確定，僅僅需要一個(gè)表示機(jī)械的心臟運(yùn)動(dòng)的信 號(hào)，即，其足以操作兩個(gè)電極中的僅一個(gè)作為天線。在放大器12前面的低通濾波器11去掉高頻分量。補(bǔ)充的，電容器9和10表示高 通濾波器，其使得僅僅電磁波的高頻能夠通過。以這種方式，能夠分離兩個(gè)測(cè)量形態(tài)的信號(hào)。通過使用裝置1，能夠同時(shí)確定對(duì)象2的心電圖和關(guān)于機(jī)械活動(dòng)的信息，特別是患 者8的心臟2的心電圖和機(jī)械活動(dòng)的信息。在患者的胸膛上的貼片天線3、4同時(shí)操作為心 電圖電極和用于發(fā)射和接收電磁波的天線。在圖1和8中，兩個(gè)貼片天線3、4每個(gè)都具有用作電極的導(dǎo)電元件21，這兩個(gè)天線 3、4用于測(cè)量心電圖。然而，為了測(cè)量心電圖或執(zhí)行其他生理測(cè)量，可以使用其它數(shù)量的天 線。例如臨床的12導(dǎo)線的心電圖需要在患者身體上的10個(gè)電極。在這種情況中，優(yōu)選使 用包括用作電極的導(dǎo)電元件的10個(gè)天線。在上述的實(shí)施例中，使用矩形貼片天線。但是，在其他實(shí)施例中，可以使用其它 類型的貼片天線或其他類型的天線，這些天線包括用作用于電生理測(cè)量的電極的導(dǎo)電元 件。例如，使用環(huán)形貝占片天線，如在“Microstrip andPrinted Antenna Design", Randy Bancroft, ISBN : 1884932-58-4，Publisher =Noble-SciTech, 2004 中所描述的。裝置1還包括特性確定單元36，其連接到觀察單元6和運(yùn)動(dòng)確定單元7。特性確定 單元36適于確定對(duì)象的特性，特別是適于基于由導(dǎo)電元件21測(cè)量的心電信號(hào)和心臟的機(jī) 械活動(dòng)，來確定血壓和/或動(dòng)脈硬化，其中該導(dǎo)電元件用作兩個(gè)貼片天線3、4的電極，該心 臟的機(jī)械活動(dòng)是根據(jù)由兩個(gè)貼片天線3、4發(fā)射到對(duì)象和從該對(duì)象接收的電磁波所確定的。下面，參考圖7示出的流程圖來描述測(cè)量對(duì)象的特性的方法的實(shí)施例。在步驟101中，通過使用貼片天線3、4的導(dǎo)電元件21來測(cè)量心電圖，并且同時(shí)，發(fā) 射器13、17通過該貼片天線3、4發(fā)射電磁波到患者8的心臟2，其中從該心臟2的壁的一部 分反射的電磁波由接收器14和18通過貼片天線3、4接收。在步驟102中，由貼片天線3、4的導(dǎo)電元件21接收的心電信號(hào)被低通濾波器11 低通濾波并且被放大器12放大，并且被提供給觀察單元6。另外，在每一情況中，與由相應(yīng) 的發(fā)射器13和17通過貼片天線3、4發(fā)射的電磁波相對(duì)應(yīng)的信號(hào)、和與被反射并分別由接 收器14和18通過貼片天線3、4接收的電磁波相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，被相應(yīng)的混頻器16和20進(jìn) 行混合并且由相應(yīng)的低通濾波器15和19進(jìn)行低通濾波。所得的分別具有多普勒頻率
f 的信號(hào)被提供給運(yùn)動(dòng)確定單元7。在步驟103中，運(yùn)動(dòng)確定單元7根據(jù)從電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5接收的信號(hào) 來確定關(guān)于對(duì)象的運(yùn)動(dòng)的信息，特別是關(guān)于心壁運(yùn)動(dòng)的信息。特別地，如果從電磁波產(chǎn)生和信號(hào)處理單元5接收的信號(hào)(其中這些信號(hào)之一能 夠例如看起來像圖6中示出的信號(hào))基本上是平直的線，則基本上不存在人類心臟的運(yùn)動(dòng)。 信號(hào)中的峰值表示心跳。因此，運(yùn)動(dòng)信息優(yōu)選是信號(hào)的峰值的時(shí)間位置，即心跳的時(shí)間位 置。這些峰值優(yōu)選表示心臟的機(jī)械活動(dòng)。在步驟104中，用于確定對(duì)象的特性的特性確定單元36確定諸如血壓的特性，該 確定特別是基于所謂的脈沖渡越時(shí)間進(jìn)行的。因?yàn)橥瑫r(shí)測(cè)量心臟2的電(心電圖)和機(jī)械 活動(dòng)，其中使用單一傳感器即一個(gè)貼片天線來測(cè)量電和機(jī)械活動(dòng)，所以特性確定單元36可以確定心肌需要用來機(jī)械地響應(yīng)電刺激的時(shí)間?；诿}沖渡越時(shí)間的測(cè)量，該反應(yīng)時(shí)間可 以被用于非入侵式的無箍帶的血壓測(cè)量。脈沖渡越時(shí)間是從脈沖波在心臟處啟動(dòng)開始直到其達(dá)到身體的某一部分例如手 指時(shí)的時(shí)間段。脈沖渡越時(shí)間取決于幾個(gè)生理參數(shù)，其中這些生理參數(shù)之一是血壓。因此， 如果其它生理參數(shù)已知，通過測(cè)量脈沖渡越時(shí)間，就可能計(jì)算當(dāng)前的血壓。因此特性確定單 元36能夠適配于非入侵式且無箍帶地確定當(dāng)前血壓。特別地，將在表示心臟的機(jī)械活動(dòng)的雷達(dá)信號(hào)中出現(xiàn)峰值的時(shí)刻與在心電圖信號(hào) 中出現(xiàn)峰值的時(shí)刻相比較。心電圖是心臟的電刺激，所以其總是開始于心電圖中的峰值。隨 后經(jīng)過一段時(shí)間直到心肌對(duì)該刺激反應(yīng)并且開始收縮。因此心臟開始建立壓力，但是起初 什么都不發(fā)生，這是因?yàn)閯?dòng)脈系統(tǒng)中的壓力較高。僅僅在心肌越來越收縮的一段時(shí)間之后， 心臟的內(nèi)部壓力非常高以致使它最終超過了動(dòng)脈壓力，然后心瓣打開并且發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 因此在心電圖中的峰值和表示機(jī)械活動(dòng)的雷達(dá)信號(hào)中的峰值之間存在顯著延遲，該時(shí)間差 被稱為“射血前期”。這兩個(gè)信號(hào)被同時(shí)測(cè)量。探測(cè)在心電圖和雷達(dá)信號(hào)二者中的峰值并且 計(jì)算該時(shí)間差(射血前期)。通過確定心電圖中的峰值作為心臟處的脈沖波的開始點(diǎn)，并通過測(cè)量(特別是光 學(xué)地測(cè)量)脈沖波的到達(dá)時(shí)間，例如到達(dá)手指尖，可以根據(jù)脈沖渡越時(shí)間來確定血壓。血壓 越高，從心臟到達(dá)手指的行進(jìn)時(shí)間越短。通常，心電圖中的峰值不表示脈沖波在心臟處的真實(shí)的開始時(shí)間，這是因?yàn)樯厦?解釋的射血前期的緣故。這可以通過下面的等式來表示PAT = PEP+PTT(8)其中脈沖到達(dá)時(shí)間PAT是射血前期PEP+脈沖渡越時(shí)間PTT (例如從心臟到達(dá)手指 的行進(jìn)時(shí)間)。可以如在步驟101中執(zhí)行的那樣，通過同時(shí)觀看心臟的電刺激和其機(jī)械響應(yīng)，確 定射血前期。這樣，優(yōu)選地在步驟104中確定和使用射血前期PEP以便借助于測(cè)量PAT來提供 精確的血壓指示，也優(yōu)選在步驟101中測(cè)量PAT，但是在其他實(shí)施例中也能夠在執(zhí)行步驟 101之前或之后測(cè)量PAT。如果PAT和PEP已知，可以根據(jù)等式(8)計(jì)算PTT，并且根據(jù)PTT，例如使用校準(zhǔn)等 式來得出血壓BP ΒΡ = Α·-^— + Β,λ、
PTT(9)血壓BP與PTT成反比，并且A和B是校準(zhǔn)因子。該血壓確定法在下面的參考資料
:Muehlsteff, J. ；"Aubert, X. L. ；Schuett, Μ. ^"Cuffless Estimation of Systolic Blood Pressure for Short Effort Bicycle Tests :The Prominent Role of the Pre-Ejection Period" ；Engineering in Medicine andBiology Society,2006. EMBS apos ；06.28th Annual International Conferenceof the IEEE,Aug. 2006 Page(s) 5088-5092，該參考資料通過全文引用并入本文。這樣，優(yōu)選在步驟101中，同時(shí)測(cè)量心電圖和機(jī)械心臟活動(dòng)。然后，在步驟102之后，在步驟103中確定雷達(dá)信號(hào)中的峰值作為關(guān)于心臟的運(yùn)動(dòng)
10的信息。在步驟104中，確定心電圖中的峰值并且計(jì)算在心電圖中的峰值和在雷達(dá)信號(hào)中 的峰值之間的時(shí)間差，這就是射血前期PEP。使用等式(8)計(jì)算從心臟到手指的脈沖波的真 實(shí)行進(jìn)時(shí)間，即脈沖渡越時(shí)間并且使用等式(9)將其轉(zhuǎn)換成血壓.，其中為了計(jì)算脈沖渡越 時(shí)間，執(zhí)行附加測(cè)量，特別是附加光學(xué)測(cè)量，例如在手指尖處執(zhí)行該附加測(cè)量，以探測(cè)手指 中脈沖波的達(dá)到。優(yōu)選在步驟101中執(zhí)行這種測(cè)量。如上面提及的，通常假設(shè)在心電圖中的峰值是脈沖波在心臟開始的時(shí)刻。然而，由 于心肌需要一個(gè)反應(yīng)時(shí)間來響應(yīng)電刺激，所以這不是真實(shí)的。在心電圖中的峰值和脈沖波 的實(shí)際開始之間的時(shí)間被稱為射血前期。這樣，優(yōu)選地，通過使用心電圖測(cè)量的脈沖渡越時(shí) 間不得不通過減去射血前期來校正，以便根據(jù)使用脈沖渡越時(shí)間的進(jìn)一步計(jì)算來獲得更精 確的血壓值。在一個(gè)實(shí)施例中，估計(jì)射血前期并且減去該估計(jì)的射血前期。但是，更優(yōu)選地， 如上面已經(jīng)提及的，由特性確定單元36確定射血前期，特別是對(duì)于每一次心臟跳動(dòng)確定射 血前期，以便提高脈沖渡越時(shí)間的精確性，以及由此確定的當(dāng)前血壓的精確性。盡管在上面描述的實(shí)施例中，使用天線3、4的導(dǎo)電元件21來測(cè)量心電圖，在其它 實(shí)施例中，可以執(zhí)行使用電極的任何其它電生理測(cè)量，其中電極是天線的導(dǎo)電元件，該其它 電生理測(cè)量例如特別是阻抗心動(dòng)描記法或生物阻抗測(cè)量，以便獲得附加的生理信息而不必 使用附加傳感器。通過使用本發(fā)明的實(shí)施例，可以在單一傳感器中組合兩個(gè)補(bǔ)充測(cè)量形態(tài)，其中可 以同時(shí)使用兩個(gè)測(cè)量形態(tài)。而且，可以增強(qiáng)采用在皮膚上的電極的電生理測(cè)量，尤其是在沒 有附加的體上傳感器的情況下。另外，如果在心電圖測(cè)量機(jī)構(gòu)中使用具有導(dǎo)電元件的天線， 其允許捕獲心臟性能的完整描繪，即心臟的電刺激和機(jī)械活動(dòng)，并且使得能夠進(jìn)行非入侵 式的無箍帶血壓測(cè)量和動(dòng)脈硬化確定。而且，可以改善患者在個(gè)人健康護(hù)理設(shè)施方面的處 理和簡(jiǎn)易使用并且簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)，減小患者在個(gè)人健康護(hù)理設(shè)施中的錯(cuò)誤使用的風(fēng)險(xiǎn)。而 且，通過節(jié)省傳感器和附件，降低了系統(tǒng)成本。動(dòng)脈硬化是繼血壓之后的影響PTT的參數(shù)之一。在上述等式(9)中，動(dòng)脈硬化包含 在校準(zhǔn)因子A和B中。雖然血壓能夠快速變化，但動(dòng)脈硬化是恒定的。這有時(shí)候被用作為 動(dòng)脈“年齡”的指標(biāo)，這是因?yàn)槲覀冏兝系耐瑫r(shí)動(dòng)脈變硬。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，借助其它 方法來確定當(dāng)前血壓，例如血壓箍帶，然后使用測(cè)量的PTT，根據(jù)等式(9)來計(jì)算動(dòng)脈硬化 的指標(biāo)。這將在例如下面的參考資料中被更詳細(xì)的描述“Arterial StiffnessEstimation in Hypertension，，，Juan Du, Gangmin Ning, Yingqi Li, XiaoxiangZheng, Engineering in Medicine and Biology Society,2005, IEEE-EMBS 2005. 27th Annual International Conference of the Volume, Issue, 2005, Page (s) :5507_5510，該參考資料通過全文引入 并入本文。優(yōu)選地，電磁波的頻率遠(yuǎn)高于通常的心電圖帶寬(0. 67Hz. . . 150Hz)，即電磁波的 頻率優(yōu)選比電生理測(cè)量的頻率高一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其中電生理測(cè)量使用導(dǎo)電元件作為電 極。這允許借助于濾波器容易地將兩個(gè)測(cè)量值分離開。在對(duì)象上尤其是在心臟的壁上反射的電磁波承載了關(guān)于該對(duì)象的機(jī)械活動(dòng)的信 息，特別是承載了心臟的機(jī)械活動(dòng)的信息。在下面的等式中， k(t)是由具有相關(guān)速度分量 Vk(t)的反射表面引起的隨時(shí)間變化的相位，Ht是傳感器-反射器的距離。
11 等式(10)能夠用于確定關(guān)于機(jī)械活動(dòng)的信息。這種機(jī)械活動(dòng)的確定在下面的 參考資料中更詳細(xì)的描述J. A. J. Thijs，J. Muehlsteff, R. Pinter, "The use of a two channel Doppler Radar Sensor for the characterization ofheart motion phases，，， IEEE EMBC 2006，其通過全文引用并入本文。盡管在上述的實(shí)施例中，對(duì)象優(yōu)選是人類患者體內(nèi)的人類心臟，但是在其他實(shí)施 例中，測(cè)量對(duì)象的特性的裝置、方法和計(jì)算機(jī)程序能夠適配于測(cè)量動(dòng)物的特性，特別是動(dòng)物 的一部分的特性。例如使用天線來測(cè)量動(dòng)物的心臟的機(jī)械活動(dòng)并且天線的導(dǎo)電元件能夠用 作用于測(cè)量該動(dòng)物的心臟的心電圖的電極，其中優(yōu)選使用兩個(gè)天線，每個(gè)天線都包括用作 電極的導(dǎo)電元件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解和實(shí)現(xiàn)對(duì)上述實(shí)施例的其它變化，并且根據(jù)對(duì)附圖、 公開內(nèi)容和隨屬的權(quán)利要求的研究可以實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明。在權(quán)利要求書中，單詞“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一 個(gè)”不排除多個(gè)。單一處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求書中敘述的多個(gè)項(xiàng)的功能。在相互不 同的從屬權(quán)利要求中敘述了特定措施這一僅有事實(shí)不表示這些措施的組合不能被有利地 使用。使用任何其它數(shù)量的單元或裝置能夠執(zhí)行通過一個(gè)或幾個(gè)單元或裝置執(zhí)行的確 定和計(jì)算，例如使用電生理測(cè)量的結(jié)果和使用電磁波的測(cè)量的結(jié)果來確定關(guān)于對(duì)象的運(yùn)動(dòng) 的信息或確定對(duì)象的特性。例如，通過單一單元或其它數(shù)量的單元可以執(zhí)行運(yùn)動(dòng)確定單元 7的功能、特性確定單元36的功能和優(yōu)選的觀察單元6的功能。利用根據(jù)本發(fā)明的方法的 計(jì)算、確定和/或裝置的控制可以被實(shí)施為計(jì)算機(jī)程序的程序代碼模塊和/或?qū)Ｓ糜布Ｓ?jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)或分布在合適的介質(zhì)上，例如光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)或與其它硬件一 起或作為其它硬件的一部分提供的固態(tài)介質(zhì)，但是也可以以其它形式分布，例如通過因特 網(wǎng)或其它有線或無線電信系統(tǒng)。在權(quán)利要求書中的任何參考標(biāo)號(hào)都不應(yīng)該被解讀為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。
權(quán)利要求
一種用于測(cè)量對(duì)象(2)的特性的裝置，其中，所述裝置包括天線(3，4)，所述天線(3，4)用于發(fā)射電磁波到所述對(duì)象(2)和/或從所述對(duì)象(2)接收電磁波以測(cè)量所述對(duì)象的特性，其中，所述天線(3，4)包括用作用于測(cè)量所述對(duì)象的其它特性的電極的導(dǎo)電元件(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述導(dǎo)電元件(21)是金屬板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述導(dǎo)電元件(21)適于心電圖測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述對(duì)象(2)是運(yùn)動(dòng)對(duì)象，其中，所述天線(3，4) 適于發(fā)射電磁波，所述電磁波可被所述運(yùn)動(dòng)對(duì)象反射，并且其中，所述天線(3，4)適于接收 從所述運(yùn)動(dòng)對(duì)象反射的電磁波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述裝置包括多個(gè)所述天線，其中，所述多個(gè)所 述天線中的至少一個(gè)適于發(fā)射和/或接收在一頻率的電磁波，所述頻率不同于所述多個(gè)天 線中的另一天線的電磁波的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其中，所述裝置包括運(yùn)動(dòng)確定單元(7)，所述運(yùn)動(dòng) 確定單元(7)用于利用多普勒效應(yīng)，根據(jù)所接收的從所述運(yùn)動(dòng)對(duì)象反射的電磁波來確定指 示所述對(duì)象(2)的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述裝置包括適于形成一束所述電磁波的幾個(gè) 所述天線，特別地，所述一束所述電磁波是通過使用所述天線的相控陣來形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述對(duì)象⑵是位于外部對(duì)象⑶內(nèi)的內(nèi)部對(duì) 象，其中，所述天線可附著于所述外部對(duì)象(8)的表面以防止所述表面和所述天線之間的 相對(duì)移動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，適配所述導(dǎo)電元件和/或所述天線從而使得通過 由所述導(dǎo)電元件探測(cè)具有一頻率的電信號(hào)可測(cè)量所述對(duì)象的所述其它特性，所述頻率不同 于由所述天線發(fā)射和/或接收的所述電磁波的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述對(duì)象(2)是患者(8)的心臟，其中，所述裝 置包括特性確定單元(36)，用于基于由用作所述天線(3，4)中的至少兩個(gè)的電極的所述導(dǎo) 電元件(21)測(cè)量的心電信號(hào)并且基于由所述天線中的所述至少兩個(gè)發(fā)射到所述對(duì)象和從 所述對(duì)象接收的電磁波確定的所述心臟的機(jī)械活動(dòng)，來確定血壓和/或動(dòng)脈硬化。
11.一種用于測(cè)量對(duì)象(2)的特性的方法，其中，使用用于測(cè)量對(duì)象的特性的裝置，所 述裝置包括天線(3，4)，所述天線(3，4)包括導(dǎo)電元件(21)，其中，由用于測(cè)量所述對(duì)象⑵ 的特性的所述天線(3，4)向所述對(duì)象⑵發(fā)射電磁波和/或從所述對(duì)象⑵接收電磁波， 并且其中，通過使用作為電極的所述導(dǎo)電元件(3，4)來測(cè)量所述對(duì)象的其它特性。
12.一種用于測(cè)量對(duì)象(2)的特性的計(jì)算機(jī)程序，其中，所述計(jì)算機(jī)程序包括程序代碼 模塊，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在控制如權(quán)利要求1所述的裝置的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，所述程序代 碼模塊用于引起計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求11所述的方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量對(duì)象(2)的特性的裝置。本發(fā)明還涉及對(duì)應(yīng)的方法和對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。該裝置包括用于發(fā)射電磁波到該對(duì)象(2)和/或接收來自該對(duì)象(2)的電磁波的天線(3，4)，以測(cè)量該對(duì)象的特性，其中該天線(3，4)包括用作用于測(cè)量該對(duì)象的其它特性的電極的導(dǎo)電元件。
文檔編號(hào)A61B5/02GK101902951SQ200880121105
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者J·A·J·西杰斯, J·米爾史蒂夫, R·平特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司