專利名稱：監(jiān)視與成象裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)心臟、肺和其它器官、組織以及部件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視并處理相應(yīng)的生物電位信號(hào)的監(jiān)視器和監(jiān)視方法。
在心肺監(jiān)視領(lǐng)域中，一般使用擴(kuò)音器、電的、壓力的或應(yīng)變的測(cè)量裝置，用來(lái)檢測(cè)人或動(dòng)物的心血管器官的跳動(dòng)。在19世紀(jì)早期由Laennec發(fā)明的聲學(xué)聽(tīng)診器現(xiàn)在還非常通用，并且在本世紀(jì)幾乎沒(méi)有變化。這種聽(tīng)診器通過(guò)研究由被破壞的組織發(fā)出的聲音的特性來(lái)診斷人體的胸部疾病。
現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)有的心肺監(jiān)視儀及其發(fā)展趨勢(shì)的例子說(shuō)明如下美國(guó)專利號(hào)專利權(quán)人
公開(kāi)日期4,903,794Klippert et al.02-27-19904,972,841Iguchi 11-27-19904,991,581Andries02-12-19914,997,055Grady 03-05-19915,003,605Phillipps et al. 03-26-19915,010,889Bredesen et al.04-30-19915,010,890Pfohl et al. 04-30-19915,012,820Meyer 05-07-19915,022,405Hok et al. 06-11-19915,025,809Johnson et al. 06-25-19915,027,825Phelps et al. 07-02-19915,213,108Bredesen et al.05-25-19935,218,969Bredesen et al.06-15-19935,288,954Peart 02-22-19945,295,489Bell et al.03-22-1994這些裝置大部分根據(jù)聲學(xué)原理操作，并基本上都放大由心肺產(chǎn)生的聲音。
這些監(jiān)視裝置具有許多嚴(yán)重缺點(diǎn)。這些裝置的聲學(xué)頻譜低，并處于聽(tīng)覺(jué)頻譜的低的一端，即100Hz或以下，因而使機(jī)體的聲音難于聽(tīng)見(jiàn)。雖然機(jī)體器官和組織是運(yùn)動(dòng)的，但它們本質(zhì)上是靜的，因此發(fā)出的聲音十分低而微弱，不能提供足夠的聲學(xué)特征。
Chartinitski等人在美國(guó)專利4,248,244中披露了一種用于測(cè)量心跳速率的指示器，其中具有用于接收相應(yīng)于心臟每次跳動(dòng)的電脈沖的電極。這些電極被連接到響應(yīng)由每次心跳產(chǎn)生的每個(gè)電脈沖而引起交變電子信號(hào)脈沖串的電路。
因此，需要一種非侵入的、非聲學(xué)的監(jiān)視器和監(jiān)視方法，用來(lái)監(jiān)視心臟、肺和其它機(jī)體器官、組織或部件的壁的運(yùn)動(dòng)，并用來(lái)處理相應(yīng)的電信號(hào)。這種監(jiān)視器應(yīng)該顯著地減小或完全消除擴(kuò)音器效應(yīng)，并且應(yīng)該能夠通過(guò)衣服或離開(kāi)某一距離來(lái)檢測(cè)人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。這種監(jiān)視器應(yīng)該是價(jià)廉的、簡(jiǎn)單的，以便供家庭保健或在體育運(yùn)動(dòng)中被非專業(yè)人員使用。
超聲監(jiān)視器和磁共振已經(jīng)研制了超聲監(jiān)視器用來(lái)檢測(cè)人體器官的位置和運(yùn)動(dòng)。這些監(jiān)視器也被用于其它圖象裝置例如核磁成象(NMI)/核磁共振(NMR)系統(tǒng)。現(xiàn)有的超聲監(jiān)視器和磁共振成象系統(tǒng)的例子是美國(guó)專利號(hào) 專利權(quán)人
公開(kāi)日期5,000,182Hinks 03-19-19915,032,793Yamamoto et al.07-16-19915,062,427Seo et al. 11-05-19915,099,847Powers et al. 03-31-19925,152,290Freeland 10-06-19925,295,485Shinomura et al. 03-22-1994這些常規(guī)的監(jiān)視器一般體積大，價(jià)格貴，在技術(shù)上操作和維護(hù)復(fù)雜，并且不能由非專業(yè)人員操作。另外，超聲波不能很好地通過(guò)骨骼傳播，例如肋或胸骨，也不能很好地通過(guò)厚的脂肪層傳播，此外，還不能很好地通過(guò)空氣傳播，并在檢測(cè)器和胸壁之間可能還需要系數(shù)匹配潤(rùn)滑劑。
光學(xué)圖象技術(shù)在Slump等人的美國(guó)專利5,040,201中披露的用于監(jiān)視運(yùn)動(dòng)物體例如心臟的一種技術(shù)是X射線同步曝光法，用來(lái)響應(yīng)在給定位置上預(yù)料要出現(xiàn)危害的時(shí)刻產(chǎn)生的定時(shí)脈沖使心臟成象。
在Swanson等人的美國(guó)專利5,321,501中披露的另一種光學(xué)圖象方法，其中涉及試樣的光學(xué)成象，通過(guò)改變引向試樣的光路和引向參考反射鏡的光路的相對(duì)光路長(zhǎng)度或者通過(guò)改變從光源輸出的光的特性，提供縱向或橫向掃描。
因此，需要一種新的圖象和監(jiān)視裝置，它可以代替現(xiàn)有的X射線技術(shù)和其它圖象設(shè)備，或和現(xiàn)有的X射線技術(shù)以及圖象設(shè)備結(jié)合使用，用來(lái)監(jiān)視體內(nèi)器官、組織和其它結(jié)構(gòu)以及嵌在人體或動(dòng)物中的外部物體的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明是一種用于根據(jù)發(fā)出的非常短的電壓脈沖并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，從而檢測(cè)心臟和其它器官運(yùn)動(dòng)的監(jiān)視器及監(jiān)視方法。在一種典型的方式中，使用脈沖回波反射方式，借以使大量的反射脈沖被平均，從而產(chǎn)生一個(gè)用來(lái)調(diào)制音頻振蕩器的電壓，以便產(chǎn)生相應(yīng)于心臟運(yùn)動(dòng)的一個(gè)單音。在這種監(jiān)視器中使用的天線一般是兩個(gè)扁銅箔，從而可以把天線裝在扁的殼體內(nèi)。監(jiān)視器把檢測(cè)到的電壓轉(zhuǎn)換成具有幅值調(diào)制和多普勒效應(yīng)的可聽(tīng)信號(hào)。它還使用雙時(shí)間常數(shù)來(lái)減少整個(gè)檢測(cè)器對(duì)表面運(yùn)動(dòng)的影響。
另一個(gè)實(shí)施例包括用來(lái)通過(guò)材料例如墊子填料來(lái)檢測(cè)和監(jiān)視心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)的裝置。非接觸操作范圍可以大于12英寸。該裝置也基于以脈沖回波反射方式，發(fā)出并檢測(cè)非常短的電壓脈沖。對(duì)大量的反射脈沖進(jìn)行平均，從而產(chǎn)生被來(lái)自心臟、動(dòng)脈和肺的反射脈沖調(diào)制的電壓。
由于這種裝置的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，所以可以用非常低的費(fèi)用進(jìn)行生產(chǎn)。此外，根據(jù)2微米CMOS工藝，可以把電路集成在一個(gè)成本低的硅片上。在心臟和呼吸監(jiān)視器中的天線可以用簡(jiǎn)單的金屬絲制成，它可以和電路一起被嵌埋在墊、墊層或靠背墊中，從而提供低成本的生命監(jiān)視器，即用來(lái)確定躺在墊上或坐在椅子上的病人是否仍然活著，或用來(lái)確定病人的生命征兆是否已發(fā)生變化。
一個(gè)可能的應(yīng)用是用來(lái)區(qū)分在任何環(huán)境中例如被埋在廢墟下面或不容易看到的人或動(dòng)物是否還活著。在這種應(yīng)用中，可以檢測(cè)整個(gè)運(yùn)動(dòng)或者最好可以檢測(cè)呼吸。呼吸監(jiān)視能提供活著的和死去的人(或動(dòng)物)之間的區(qū)別，即使是死去的人或動(dòng)物的心臟還在輕輕跳動(dòng)，因?yàn)樗篮笮呐K輕輕跳動(dòng)一次為2秒鐘或更少(大于0.5Hz)，而呼吸一次的時(shí)間一般大于2秒鐘(小于0.5Hz)。因而，利用雙帶濾波器，這種監(jiān)視器可以識(shí)別死的機(jī)體的心臟輕跳運(yùn)動(dòng)和活的機(jī)體的呼吸與輕跳運(yùn)動(dòng)。這種監(jiān)視器還可以增加一個(gè)附加的大動(dòng)率發(fā)送機(jī)/階躍脈沖發(fā)生器和反射器天線，以便提高距離/靈敏度。這樣，這些監(jiān)視器對(duì)于災(zāi)害受害者的檢查是有用的。
這種監(jiān)視器非聲學(xué)地檢查一個(gè)或幾個(gè)機(jī)體內(nèi)部器官的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，例如心臟、肺、動(dòng)脈、靜脈、胎心跳以及聲帶(Vocal Chord)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并包括一個(gè)用來(lái)向發(fā)送通路和選通通路同時(shí)輸入脈沖序列的脈沖發(fā)生器。沿著發(fā)送通路發(fā)送的脈沖用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈沖發(fā)生器，提供加于發(fā)送天線的相應(yīng)的發(fā)送脈沖。
選通通路包括一個(gè)距離延遲(range delay)發(fā)生器，它發(fā)生定時(shí)控制脈沖。定時(shí)控制脈沖使接收通路選擇地傳遞來(lái)自機(jī)體部件的并通過(guò)接收天線接收的反射脈沖。監(jiān)視器輸出電壓可被分離成分別表示心臟和肺的物理運(yùn)動(dòng)的心臟輸出和肺輸出。
監(jiān)視器的定時(shí)控制脈沖控制沿著接收通路的采樣和保持電路，監(jiān)視器還包括雙時(shí)間常數(shù)電路，對(duì)于關(guān)于相對(duì)于肺運(yùn)動(dòng)的顯著的檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)的大的信號(hào)，有一個(gè)快的交流耦合時(shí)間常數(shù)，而對(duì)于關(guān)于心臟運(yùn)動(dòng)的正常的信號(hào)電平，有一個(gè)慢得多的交流耦合時(shí)間常數(shù)。


圖1是按照本發(fā)明的心臟監(jiān)視器的方塊圖。
圖2是圖1的監(jiān)視器的定時(shí)圖。
圖3是圖1的天線構(gòu)成部分的示意圖，并表示扁殼體的總體剖視圖。
圖4是在心臟附近的兩個(gè)位置由圖1的監(jiān)視器收到的信號(hào)的兩個(gè)定時(shí)響應(yīng)曲線。
圖5是描繪由圖1的監(jiān)視器收到的相應(yīng)于從各個(gè)血管反射的信號(hào)的4個(gè)定時(shí)響應(yīng)曲線。
圖6是圖1的監(jiān)視器的電路圖的例子。
圖7是按照本發(fā)明的非接觸心肺監(jiān)視器的方塊圖。
圖8是圖7的天線組成部分的示意圖，并表示扁殼體的剖視圖。
圖9是由圖7的監(jiān)視器收到的信號(hào)的兩個(gè)定時(shí)響應(yīng)曲線，上面表示心肺響應(yīng)，下面表示呼吸停止后的心臟響應(yīng)。
圖10是使用零差式電路的監(jiān)視器的另一實(shí)施例的方塊圖。
圖11是圖10的監(jiān)視器的電路例圖。
圖12是使用圖1的監(jiān)視器作為咽喉擴(kuò)音器并相應(yīng)于說(shuō)“onethousand”時(shí)的定時(shí)圖。
監(jiān)視器的一般操作基于由發(fā)送天線發(fā)送一個(gè)脈沖，等待一段短暫的時(shí)間，然后打開(kāi)和接收天線連接的門電路，對(duì)反射脈沖進(jìn)行采樣。在一種應(yīng)用中，監(jiān)視器被用作聽(tīng)診器，等待時(shí)間相當(dāng)于在組織中以光速大約在1英寸的距離來(lái)回飛行的時(shí)間。在另一種應(yīng)用中，該監(jiān)視器用作非接觸式心肺監(jiān)視器，等待時(shí)間相當(dāng)于在自由空間(或在自由空間和一英寸的組織的組合內(nèi))以光速飛行1 2英寸或更多的一個(gè)來(lái)回所用的時(shí)間。已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)確定，可以在11英尺的距離上檢測(cè)到呼吸。
這種處理以1MHz的頻率被重復(fù)地進(jìn)行，從而使得在驅(qū)動(dòng)輔助設(shè)備之前有大約10,000個(gè)接收脈沖被平均，所述輔助設(shè)備包括但不限于可聽(tīng)裝置或可看到的顯示裝置。大的平均數(shù)值可把伴隨采樣信號(hào)的隨機(jī)噪聲減少到如此的程度，以致使得可以檢測(cè)到極低幅值的信號(hào)。重復(fù)的操作也導(dǎo)致整個(gè)電路的極大的簡(jiǎn)化。這一平均后的脈沖提供一個(gè)電壓電平，它相應(yīng)于由發(fā)送脈沖的時(shí)間和與接收天線相配合選通或開(kāi)啟采樣器電路的時(shí)間之間的延遲確定的距離上的定位反射率。這處理稱為“距離選通(range gating)”，它提供關(guān)于被掃描的器官、組織、膜或其它結(jié)構(gòu)的深度的信息。
這種監(jiān)視器能夠掃描或成象“距離門(range gate)”(即被掃描的區(qū)域)，并檢測(cè)預(yù)定深度的反射率。因?yàn)樾呐K肌肉通過(guò)該距離門運(yùn)動(dòng)，這將改變?cè)谠摼嚯x門內(nèi)的反射率。根據(jù)這些原理的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器由Thomas E.Mc Ewan在美國(guó)專利號(hào)為No.5,361,070，于1994年11月1日公開(kāi)的名稱為“Ultra-Wideband RadarMotion Sensor”中描述。該門一般只在等于發(fā)射脈沖寬度的期間內(nèi)保持打開(kāi)。本發(fā)明也利用由Thomas E.Mc Ewan在1994年9月6日公開(kāi)的名稱為“Ultra-Wideband Receiver”的美國(guó)專利No.5,345,471描述的超寬帶接收機(jī)。
因而，本發(fā)明的根據(jù)是檢測(cè)電磁脈沖傳播的往返時(shí)間的脈沖回波定位原理。這里所使用的術(shù)語(yǔ)“定位脈沖(radar impulse)”指的是短的發(fā)射脈沖，它代替在常規(guī)雷達(dá)技術(shù)中使用的長(zhǎng)的正弦脈沖串。這里沒(méi)有和脈沖定位(impulse radar)相關(guān)的專用頻率，而其頻譜與脈沖的付里葉變換有關(guān)。這種自由空間發(fā)射的脈沖是一種大約200ps寬的半正弦脈沖。其中的天線一般比電壓脈沖中的最高頻率成分的1/2波長(zhǎng)短。脈沖定位的重要優(yōu)點(diǎn)之一是，在組織衰減(tissue attenuation)最低處，頻譜的位置盡量低。其它的優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單和成本低。
圖1說(shuō)明一種監(jiān)視器1。在這種具體應(yīng)用中，監(jiān)視器1用作聽(tīng)診器。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)理解，監(jiān)視器1可以用于其它許多用途。
噪聲發(fā)生器9調(diào)制脈沖重復(fù)率/脈沖重復(fù)間隔(PRF/PRI)發(fā)生器10，從而產(chǎn)生平均頻率為1MHz，并在1MHz周圍大約有1-10％的隨機(jī)改變，即具有1-10％PRF高頻脈動(dòng)。這高頻脈動(dòng)展寬來(lái)自天線T的發(fā)送頻譜，從而減輕對(duì)其它頻譜用戶的電位干擾，高頻脈動(dòng)還使出現(xiàn)在接收采樣器26的接收天線R上的外部干擾信號(hào)的采樣隨機(jī)化。天線R上的信號(hào)被采樣并被平均，其中隨機(jī)的采樣平均為零，基本上消除了來(lái)自其它源例如RF發(fā)送機(jī)的干擾。所需要的回波不受這高頻脈動(dòng)的影響，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谄浔话l(fā)送之后在一個(gè)固定的短的時(shí)間被接收，并且也不受下一個(gè)重復(fù)間隔發(fā)生的精確時(shí)刻的影響。高頻脈動(dòng)提供和常規(guī)RF用戶的頻譜的兼容性，因而允許在附近使用多個(gè)脈沖監(jiān)視器。由其它脈沖系統(tǒng)發(fā)出的短脈沖的采樣機(jī)會(huì)是隨機(jī)的并且是非常低的，并且從另一個(gè)脈沖系統(tǒng)相繼采樣足夠的脈沖以建立相關(guān)的可檢測(cè)的信號(hào)的幾率是極低的。
來(lái)自1MHz脈沖重復(fù)頻率/間隔(PRF/PRI)發(fā)生器10的脈沖被輸入兩個(gè)并行通路，發(fā)送通路12和選通通路14。在發(fā)送通路12中，PRF/PRI發(fā)生器10驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器16，它提供施加于發(fā)送天線(T)18上的200ps脈寬的5V發(fā)送脈沖。
接收天線(R)20接收來(lái)自被掃描的試樣的反射脈沖，并把其送給由來(lái)自選通通路14的選通脈沖選通的采樣/保持(S/H)電路26。試樣可以是機(jī)體器官，包括但不限于在胸壁后面的心臟22，胎兒，卵巢，聲帶，骨骼，血塊(血腫)，大腦，脊椎，肌肉，前列腺，甲狀舌骨膜。為了便于說(shuō)明，以心臟22為例。選通脈沖被從發(fā)送天線18發(fā)送脈沖的時(shí)間延遲大約2ns。來(lái)自PRF/PRI發(fā)生器10的被輸入發(fā)送通路12的脈沖同時(shí)輸入選通通路14，它們通過(guò)那里的在脈沖發(fā)生器32前方的距離延遲發(fā)生器30，所述脈沖發(fā)生器32產(chǎn)生200ps的選通脈沖，用來(lái)控制選通開(kāi)關(guān)34。
延遲發(fā)生器30的范圍被可調(diào)地設(shè)定，用來(lái)控制監(jiān)視器1的深度靈敏度或距離門。在本例中，脈沖被延遲大約2ns，從而使得監(jiān)視器1的距離為在組織內(nèi)的大約1英寸到2英寸。選通脈沖使開(kāi)關(guān)34閉合，從而使來(lái)自距離門的反射脈沖沿著接收通路15被輸入到采樣/保持電路(S/H)26。
在本最佳實(shí)施例中，S/H電路包括接地電容器28。借以對(duì)發(fā)生在與天線20距離1至2英寸的反射脈沖或無(wú)反射脈沖進(jìn)行采樣。在采樣/保持電路26中的電容器28的大小應(yīng)該足夠大，使得每次采樣僅使其部分地充電，并且大約需要10,000次采樣才能使電路用接收的天線信號(hào)達(dá)到均恒。在一個(gè)設(shè)計(jì)的例子中，電容器28的數(shù)量級(jí)為100微微法。接收天線20的阻抗和電容器28的電容的乘積產(chǎn)生比選通脈沖寬度大得多的時(shí)間常數(shù)，從而使得需要許多脈沖對(duì)電容器28充電。
定時(shí)關(guān)系示于圖2。在一個(gè)脈沖重復(fù)間隔(PRI)內(nèi)示出了4個(gè)波形。從發(fā)送天線18發(fā)送200ps寬的脈沖。來(lái)自接收天線20的反射脈沖和選通脈沖一致。每一接收脈沖在S/H電路26的電容器28上產(chǎn)生一個(gè)增加的電壓改變?chǔ)。電容器電壓是該平均S/H電路26的輸出。增量ΔV等于總的接收脈沖的1/N，其中N是被平均的采樣數(shù)，一般約為10,000，也可取其它不同的值。
采樣/保持電路26中的噪聲電壓按照與平均的采樣次數(shù)的方根有關(guān)的系數(shù)被減少，在此例中為100倍，并按照和相對(duì)于系統(tǒng)的PRF的平均電路的實(shí)際時(shí)間常數(shù)和采樣器的瞬時(shí)帶寬有關(guān)的系數(shù)，即取決于采樣/保持電路26的采樣數(shù)據(jù)性質(zhì)的系數(shù)被減少?？偟目磥?lái)，和具有2GHz帶寬即發(fā)送脈沖的帶寬的電路相比，獲得了大于60dB的噪聲減少。
采樣/保持的輸出被送到電壓求和元件或求和器36，它減去此處所述的背景反射。求和器36的輸出被放大器(A)38放大，它一般具有60dB的增益，其帶通為直流到16Hz。通過(guò)乘法器37，方波發(fā)生器或振蕩器39的輸出與來(lái)自放大器38的交流耦合的幅值相乘，而其頻率由來(lái)自放大器38的信號(hào)的變化率調(diào)制，以產(chǎn)生和心臟肌肉運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)的多普勒效應(yīng)。放大器38的輸出被送到帶通濾波器44(20-5000Hz)，并進(jìn)而被送到選擇開(kāi)關(guān)45，用來(lái)進(jìn)行試樣運(yùn)動(dòng)例如心臟跳動(dòng)的聽(tīng)覺(jué)檢測(cè)。
低通濾波器46通過(guò)小于20Hz的頻率，并被連接于放大器38的輸出端。由微分電路40得到變化的速率。在簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中，微分電路可以由包括電容器40C和分流電阻40的RC電路構(gòu)成，電容一般為1微法的數(shù)量級(jí)，電阻一般為10KΩ的數(shù)量級(jí)。低通濾波器41用來(lái)衰減形成在乘法器37的輸出端的諧波，從而通過(guò)耳機(jī)、楊聲器或頭載受話器42產(chǎn)生悅耳的聲音音調(diào)。
雖然對(duì)在放大器38和乘法器37的輸出端的生物電位信號(hào)分別作為帶通濾波器44和低通濾波器41以及耳機(jī)42的輸入進(jìn)行了說(shuō)明，但是應(yīng)該理解，這些生物電位信號(hào)可以交替地或同時(shí)地連接于計(jì)算機(jī)或其它裝置或系統(tǒng)43，其中包括但不限于視覺(jué)顯示，用來(lái)提供視覺(jué)指示和/或用于驅(qū)動(dòng)這些裝置，或和這些裝置或系統(tǒng)連合工作。如果使用視覺(jué)顯示，這種顯示應(yīng)當(dāng)包括發(fā)光二極管(LED)裝置，它們按順序與所加電壓成比例地發(fā)光，所加電壓與來(lái)自心臟22的反射脈沖的反射幅值呈線性關(guān)系。
方波發(fā)生器39可感知地響應(yīng)出現(xiàn)在接收天線20的相應(yīng)于大約1毫伏的電平。因?yàn)樵诓蓸?保持電路26，求和器36以及放大器38中的系統(tǒng)誤差可以達(dá)到幾十毫伏，為了檢測(cè)小的例如由小動(dòng)脈引起的1毫伏的變化，必須減去這一誤差。此外，來(lái)自胸壁24的表面反射也會(huì)產(chǎn)生這種必須被減去的誤差電壓。
為此，在放大器38的反饋通路50中的積分器48用于修正放大器38的輸出，直到達(dá)到均衡為止，從而使放大器38的輸出被強(qiáng)制等于加到積分器48上的參考電壓。因?yàn)榉e分器具有極高的直流增益，所以在放大器38的輸出端和參考電壓之間的電壓差被減小到一個(gè)可以忽略不計(jì)的值。在放大器38的反饋通路50中的積分器48和在其正向通路中的微分器相當(dāng)，即它使得放大器的行為好象是交流耦合的。使用積分器48的優(yōu)點(diǎn)在于，它給監(jiān)視器提供偏置電流，減去放大器38中的誤差，并可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)雙時(shí)間常數(shù)。
放大器/積分器電路的整個(gè)響應(yīng)是這樣的，對(duì)于和顯著的檢測(cè)器相對(duì)于病人胸部的運(yùn)動(dòng)有關(guān)的大的信號(hào)，有一個(gè)快的交流耦合時(shí)間常數(shù)，而對(duì)于和心臟運(yùn)動(dòng)有關(guān)的正常的信號(hào)電平，有慢得多的交流耦合時(shí)間常數(shù)，從而能夠可靠地再現(xiàn)心臟運(yùn)動(dòng)。雙時(shí)間常數(shù)通過(guò)雙時(shí)間常數(shù)電路51提供，它由和電阻54并聯(lián)的兩個(gè)二極管52、53構(gòu)成。一般地說(shuō)，電阻54為1MΩ的數(shù)量級(jí)，二極管52、53是普通的計(jì)算機(jī)型二極管，例如1N4148。
雖然圖中沒(méi)有示出，應(yīng)當(dāng)理解，合適的直線傳動(dòng)裝置或其它機(jī)構(gòu)可以和監(jiān)視器1連接，以便相對(duì)于試樣(即心臟22)作縱向或橫向運(yùn)動(dòng)，從而提供二維的或多維的掃描?？梢蕴峁┮粋€(gè)類似的機(jī)構(gòu)使監(jiān)視器1作橫向或側(cè)向運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)試樣進(jìn)行多維的掃描。
圖18表示天線18、20的幾何形狀。如在頂視圖中示意地表示的，發(fā)送天線(T)18和接收天線(R)20一般呈矩形的片狀天線，由銅制成，其邊的尺寸范圍在1/4至1英寸之間。這些天線18、20被形成在電路板55的介電保持基片55A上，并與金屬例如銅的接地平板55B相連。在這一具體例子中，電路板55的寬度W大約為2英寸，長(zhǎng)度L大約為4英寸。天線18、20被裝在一個(gè)扁的薄殼體55H內(nèi)，其厚度D大約0.75英寸。
在接地平板55B和天線18、20之間產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而形成和高介電常數(shù)材料例如胸部很好地耦合的寬帶單極。天線18、20旨在用于近距離監(jiān)視，其尺寸應(yīng)適合于在介電常數(shù)比空氣高的機(jī)體內(nèi)傳播電磁波。結(jié)果，在設(shè)計(jì)監(jiān)視器1的距離門或“距離選通”時(shí)，應(yīng)考慮到相對(duì)于空氣而言電磁波通過(guò)機(jī)體組織的傳播速度較慢。對(duì)于這一效應(yīng)，在自由空間內(nèi)的傳播阻抗Z0(空間)為
其中μ0是真空的導(dǎo)磁率，ε0是真空的介電常數(shù)。在具有εr＝40的物質(zhì)(例如肌肉或人體組織)中的傳播阻抗為
肌肉傳播阻抗是60Ω，血的傳播阻抗(εr＝60)是49Ω。這一阻抗差引起在心臟肌肉和其血液之間的反射幅值的不同。
在對(duì)沿傳輸線進(jìn)行的一維模擬中，這可看作是時(shí)域的反射測(cè)量術(shù)(TDR)，離開(kāi)心臟肌肉的反射相當(dāng)于來(lái)自傳輸線斷開(kāi)處的反射?？梢詰?yīng)用反射系數(shù)Γ，它被定義為(Y-1)/(Y+1)，其中Y＝Z(心臟)/Z(血液)，以便確定反射的是發(fā)送脈沖的哪一部分。例如，具有εr＝40的心臟肌肉具有9.9％的相對(duì)于血液的反射輻值。這樣，在有無(wú)心臟肌肉之間的反射輻值差是9.9％。
在一個(gè)具體應(yīng)用中，如果一個(gè)金屬物體例如心臟起搏器引線22L(圖1的虛線所示)被裝在心臟22的內(nèi)部，或者如果一個(gè)機(jī)械閥門22V(圖1的虛線所示)被使用，則反射將是非常高的，例如對(duì)于金屬物體為1.0，因?yàn)榻饘偃菀讖臋C(jī)體組織中辨認(rèn)，并且其反射輻值為后者的幾倍。所以即使金屬物體具有小的橫截面，象在引線22L的情況下，在實(shí)踐中仍然可以容易地辨認(rèn)，只要對(duì)于垂直放置的監(jiān)視器1金屬線的極性和監(jiān)視器天線匹配。對(duì)于引線22L的情況下，一般總是如此。
本發(fā)明克服了由胸壁24的第一表面的可變的反射幅值引起的嚴(yán)重限制。變化的第一表面反射輻值的問(wèn)題由發(fā)射一個(gè)含有后發(fā)射(post-shoot)或減幅振蕩(ringing)的脈沖引起的，當(dāng)通過(guò)天線發(fā)射脈沖時(shí)，這是一種公共效應(yīng)。在時(shí)間上后發(fā)射的脈沖當(dāng)離開(kāi)比預(yù)定的距離門54近的物體或組織反射時(shí)落入采樣門(sampler′sgate)，即有一個(gè)移動(dòng)的距離門。因而，減幅振蕩分量離開(kāi)胸24前表面反射，并同時(shí)折疊成為來(lái)自心臟22的反射。的確，這些前表面反射可以超過(guò)所需的反射。
這一問(wèn)題的解決通過(guò)發(fā)生半正弦的且沒(méi)有減幅振蕩的特定波形來(lái)完成。這樣，在本實(shí)施例中，監(jiān)視器1發(fā)出一個(gè)具有所需波形的脈沖。這可以通過(guò)合適地設(shè)計(jì)發(fā)送天線18來(lái)實(shí)現(xiàn)，使其尺寸小于由半正弦脈沖確定的1/4波長(zhǎng)。如果波形中含有減幅振蕩或偏離規(guī)則的半正弦脈沖成分，則通過(guò)距離門54而運(yùn)動(dòng)的心臟肌肉的響應(yīng)將包括多個(gè)脈沖，從而實(shí)際上放大了檢測(cè)的心臟速率。因而發(fā)送天線18和接收天線20必須不是環(huán)形的，因此由電阻使其終止，并且兩者的尺寸小于1/4波長(zhǎng)。
圖4是描繪在心臟附近的兩個(gè)位置上由圖1的監(jiān)視器接收的信號(hào)的兩個(gè)定時(shí)響應(yīng)曲線。圖5是由監(jiān)視器1接收的信號(hào)并相應(yīng)于來(lái)自左頸動(dòng)脈，左腕，左臂動(dòng)脈，和左股動(dòng)脈的反射信號(hào)的4個(gè)定時(shí)響應(yīng)曲線。
距離門的定時(shí)可在兩個(gè)距離門54和54A(圖1中用虛線部分地示出了)之間改變。相應(yīng)的檢測(cè)電壓可被存儲(chǔ)在兩個(gè)單獨(dú)的S/H電路上，如名稱為“Ultra Wideband Radar Motion Sensor”的美國(guó)專利5,361,070所述。
第二距離門54A的操作類似于第一距離門54的操作，并且每個(gè)距離門54、54A可以被獨(dú)立地控制和設(shè)定。因此，來(lái)自獨(dú)立的距離門54和54A的反射率可被獨(dú)立地或互相聯(lián)合地處理。例如，如果第一距離門54被設(shè)定用于檢查心臟22的前壁22F，第二距離門54A被設(shè)定用于檢查心臟22的后壁22R，則可以采集關(guān)于心臟22的收縮和擴(kuò)張周期以及其狀態(tài)的重要而有價(jià)值的信息。
使用雙距離門54和54A產(chǎn)生“立體聲”效果，這使聽(tīng)者意識(shí)到其位于心臟22的前壁和后壁之間。可以使用附加的距離門。
圖6是監(jiān)視器1的電路的實(shí)施例。2MHz的PRF/PRI發(fā)生器10和噪聲發(fā)生器9由兩個(gè)串聯(lián)的反相器(I1)60，61共同構(gòu)成；電容器62被連接在反相器61的輸出和反相器60的輸入端之間，分流電阻63連接在反相器60的輸出和輸入之間。PRF、PRI發(fā)生器10的后面是包括反相器(I1)的緩沖器64，以及由電容器66和分流電阻67構(gòu)成的脈寬限制器65。脈沖送到由晶體管Q1＝BFW92構(gòu)成的脈沖發(fā)生器16，其集電極通過(guò)電阻RT和發(fā)送天線18相連。來(lái)自PRF/PRI發(fā)生器10的脈沖也通過(guò)距離延遲發(fā)生器30進(jìn)入第二通路，距離延遲發(fā)生器30由可變電阻Rx、雜散電容和緩沖器門(I1)的輸入電容構(gòu)成。被延遲的脈沖送入由另一晶體管Q2＝BFW02構(gòu)成的脈沖發(fā)生器32，從而產(chǎn)生選通脈沖。
反射信號(hào)由接收天線20接收，并輸入到由選通脈沖通過(guò)Schottky二極管D1＝MBD701選通的S/H電路的電容器28。來(lái)自S/H電路26的輸出被輸入放大器(I2)38。放大器38的輸入端36作為加法器用于S/H電路26的輸出。放大器38的輸出代表測(cè)量的生物電位，并可被各種設(shè)備使用，或被連接到不同設(shè)備進(jìn)行處理，例如耳機(jī)42(圖1)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，I1＝74HCO4，I2＝TLC274。另外，傳播著的脈沖容易跨過(guò)幾英寸的空氣間隙或物質(zhì)(例如肌肉、血液等)發(fā)送。
放大器38的輸出被連接到放大電路70，從而對(duì)放大器38提供附加的增益。放大電路70包括運(yùn)算放大器71，它通過(guò)電阻72被連接到放大器38的輸出端，并被并聯(lián)連接的電容73和電阻74分流。
放大器71的輸出被連接到門限檢測(cè)器網(wǎng)絡(luò)75，用來(lái)檢測(cè)監(jiān)視器輸出電平是否超過(guò)預(yù)定的上下門限電平。門限檢測(cè)器網(wǎng)絡(luò)75一般包括兩個(gè)比較器或運(yùn)算放大器76，77(I3＝TLC274)，其輸出通過(guò)兩個(gè)二極管78，79和電阻80被組合送到開(kāi)關(guān)81(Q3)。在操作時(shí)，如果上下門限電平的任何一個(gè)被超過(guò)，則相應(yīng)的運(yùn)算放大器76或77就驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)81導(dǎo)通。然后開(kāi)關(guān)81的輸出可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)報(bào)警或任何其它的合適電路。例如，如果監(jiān)視器和起搏器結(jié)合使用，或作為起搏器的一部分，則通過(guò)合適的電阻82檢測(cè)開(kāi)關(guān)81的輸出，從而提供所需的指示，例如活動(dòng)性檢查，以便啟動(dòng)或禁止步測(cè)(pacing)。門限檢測(cè)器網(wǎng)絡(luò)75的靈敏度可用電位計(jì)84調(diào)整，從而控制加到運(yùn)算放大器76，77上的信號(hào)的幅值。
電壓整流網(wǎng)絡(luò)86連接于PRF/PRI發(fā)生器10，用來(lái)對(duì)監(jiān)視器的各個(gè)元件例如放大器71提供-3伏的電壓。電壓整流網(wǎng)絡(luò)86一般包括兩個(gè)并聯(lián)的反相器(I1)87，88，用來(lái)提供0-5V的方波電壓。兩個(gè)二極管89，90通過(guò)電容器91連接于反相器87，88的輸出端。分流電容器92被連接于二極管90，使得電壓整流網(wǎng)絡(luò)86對(duì)方波電壓進(jìn)行整流和電平變換，以便產(chǎn)生-3V的穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電阻93被連接于放大器電路70的輸出端，用來(lái)阻止吸取過(guò)量的電流。在圖6和11的電路圖中所示的許多元件的值和上述美國(guó)專利5,345,471以及5361070的相同。
圖7說(shuō)明另一個(gè)監(jiān)視器100，它一般用和圖1的監(jiān)視器類似的方式操作，不過(guò)已經(jīng)過(guò)修正，用來(lái)通過(guò)材料例如墊子或椅子靠背從遠(yuǎn)處檢查心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)。監(jiān)視器100的天線已經(jīng)過(guò)修正，從而允許較大的掃描范圍。聲音輸出已被省略，不過(guò)，本領(lǐng)域的人員可以選擇地加上這一特征。提供了距離控制，并可被設(shè)定在大約6英尺的距離檢查呼吸。圖1和圖7的相同的標(biāo)號(hào)代表具有相同功能的元件。
監(jiān)視器100的一般操作原理也是基于從發(fā)送天線發(fā)出一個(gè)脈沖，等待一個(gè)短暫的時(shí)間，然后打開(kāi)和接收天線相連的門，對(duì)反射脈沖進(jìn)行采樣。不過(guò)，此處把監(jiān)視器用作非接觸式的心肺監(jiān)視器，等待時(shí)間相當(dāng)于在自由空間內(nèi)(或在自由空間和一英寸的機(jī)體組織的組合內(nèi))以光速往返12英寸所需的時(shí)間。
在發(fā)送通路112中，PRF/PRI發(fā)生器10驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器116，它提供一個(gè)5V的200ps寬的施加于發(fā)送天線(T)118上的半正弦發(fā)送脈沖。發(fā)送天線118的電長(zhǎng)度被設(shè)定得相對(duì)于半正弦的頻譜成分來(lái)說(shuō)較小，以便避免減幅振蕩。
接收天線(R)120接收從機(jī)體反射的脈沖，例如肺122(分別具有前后翌122F和122R)和胸壁后方的心臟22，或例如椅子124的物體，并把收到的脈沖加于被選通通路114的選通脈沖選通的采樣/保持(S/H)電路26。選通脈沖從發(fā)送天線18發(fā)送脈沖時(shí)起被延遲大約3ns。借以使在離開(kāi)天線118和120大約12英寸處發(fā)生的反射被采樣。被輸入到發(fā)送通路112的來(lái)自PRF/PRI發(fā)生器10的脈沖被同時(shí)輸入到選通通路114，在那里它們通過(guò)脈沖發(fā)生器132前面的距離延遲發(fā)生器130，脈沖發(fā)生器132產(chǎn)生200ps寬的選通脈沖用于控制選通開(kāi)關(guān)34。圖2所示的定時(shí)關(guān)系也適用于監(jiān)視器100。
在接收通路115中，求和元件36的輸出被放大器38放大，一般在0.05-10Hz的帶通范圍放大70dB，并被選擇地分別送到心肺帶通濾波器141、142。
圖8是構(gòu)成圖7的監(jiān)視器100的一部分的天線118、120的示意圖，并表示扁而薄的殼體155H的剖視圖。天線118、120是直線雙極型的，它可以被交替地折疊，具有發(fā)送元件118和接收元件120，每個(gè)尺寸為大約為0.5英寸×2英寸，但可以更長(zhǎng)一些。天線可以發(fā)送符合FCC要求的帶寬在2GHz之內(nèi)的電磁波。
用天線本身就足夠了，因而不需要和接地板155B連接。接地板155B用來(lái)保持監(jiān)視器電路。天線元件118和120可以被套疊地延伸或縮回，以便容易儲(chǔ)存、運(yùn)動(dòng)并也可用于改變天線元件的有效長(zhǎng)度。天線元件118、120可沿其長(zhǎng)度標(biāo)以不同的標(biāo)記，例如標(biāo)記點(diǎn)P，用于不同用途。例如，標(biāo)記點(diǎn)P被置于天線元件118，120的全部延伸長(zhǎng)度的一半處，用于小兒科。
如果波形含有減幅振蕩或偏離純正的半正弦形脈沖的分量，則心臟肌肉運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)或肺邊界通過(guò)距離門54的響應(yīng)將包括多個(gè)脈沖，從而有效地?cái)U(kuò)大了可覺(jué)察的心臟速率。因而，發(fā)送天線元件118和接收天線元件120在其末端分別接有電阻RT和RR，被制成不具減幅振蕩的，如圖6所示。因而，凈的T-R響應(yīng)是純正的半正弦形脈。
精確的或最佳的距離延遲54與/或54A可由下式確定距離門＝1/2[行進(jìn)時(shí)間(空氣)＋行進(jìn)時(shí)間(組織)]
其中C是光速，εr是組織的介電常數(shù)。距離門54的定時(shí)可在一組距離上被掃描，以便擴(kuò)大有效響應(yīng)距離。否則，利用對(duì)于12英寸為最佳的固定距離門，心肺檢測(cè)保持在從0到12英寸，肺檢測(cè)保持在從0到18英寸。心臟帶通濾波器141和肺帶通濾波器142(圖7)在放大器38的輸出端選擇地對(duì)信號(hào)濾波，以便分離和辨別肺運(yùn)動(dòng)和心臟運(yùn)動(dòng)。一般地說(shuō)，心臟速率范圍在每分鐘40或更少到每分鐘180跳之間，而呼吸速率的范圍在每分鐘2到20次之間。不過(guò)，根據(jù)所需的應(yīng)用，可以選擇其它的范圍。監(jiān)視器100的電路圖一般和圖6所示的監(jiān)視器1的電路圖相同，使得在放大器38的輸出端的監(jiān)視器輸出被連接到兩個(gè)帶通濾波器141和142。
圖9是描繪由監(jiān)視器100收到的信號(hào)的兩個(gè)定時(shí)響應(yīng)曲線(A)或(B)。上部曲線(A)代表結(jié)合在一起的心肺響應(yīng)，下部曲線(B)代表在呼吸停止條件下的心臟響應(yīng)。兩個(gè)曲線的數(shù)據(jù)是從與監(jiān)視器100離開(kāi)12英寸的胸壁124獲得的。其中的數(shù)據(jù)是放大器38的輸出端的電壓或生物電位。
圖10是使用零差式電路的監(jiān)視器200的另一個(gè)實(shí)施例的方塊圖。零差式電路在Thomas E.Mc Ewan的1994年5月9日提交的序列號(hào)為PCT/US 94/04813，名稱為“Electromagnetic HiddenObject Detector”的PCT專利申請(qǐng)中描述了。
監(jiān)視器200一般包括接收通路中的交流耦合放大器，用來(lái)阻止直流信號(hào)從平均采樣和保持電路被送到監(jiān)視器輸出。這一交流耦合的放大器濾除S/H電路26中的直流偏置。對(duì)發(fā)送脈沖施加交流調(diào)制，然后在接收機(jī)中對(duì)這交流調(diào)進(jìn)行同步整流(零差式技術(shù))，借以使得能在接收機(jī)中使用交流耦合放大器。
總的來(lái)說(shuō)，監(jiān)視器1和100已經(jīng)被修正，以便用于零差式操作。零差式技術(shù)涉及在發(fā)射和檢測(cè)連續(xù)波(CW)信號(hào)之前調(diào)制來(lái)自PRF發(fā)生器的信號(hào)。然后，接收放大器以中心在CW信號(hào)上的帶通操作。并因而被交流耦合。在放大之后，該信號(hào)通過(guò)使用同一CW信號(hào)被同步地檢測(cè)。
監(jiān)視器200包括一般在幾kHz下操作的零差振蕩器202(在本例中為2kHz)，和PRF發(fā)生器204(類似于圖1所示的PRF發(fā)生器10)，它一般在從1MHz到幾MHz(本例中為2MHz)的頻率下。操作零差信號(hào)還可以是具有幾KHz數(shù)量級(jí)的中間頻率(mean frequency)并且平均為零的任意脈沖序列。
來(lái)自零差振蕩器202和PRF發(fā)生器204的信號(hào)被送到階躍發(fā)生器或脈沖發(fā)生器206，在那里零差振蕩器202對(duì)由脈沖發(fā)生器26產(chǎn)生的階躍信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)制，即，以所需的零差頻率例如2kHz使脈沖發(fā)生器導(dǎo)通和截止。因此，由脈沖發(fā)生器206發(fā)出的并由發(fā)送天線218發(fā)送的信號(hào)包括具有頻率為2kHz的脈沖周期包，從而使得每個(gè)脈沖一般包括頻率為2MHz的0.5ms脈沖間隔的脈沖串(例如1000個(gè)脈沖)。
當(dāng)這些脈沖在發(fā)送天線218上發(fā)送時(shí)，它們由運(yùn)動(dòng)物體例如心臟(或肺)22的壁反射，以便由接收天線220接收。由心臟22反射的信號(hào)由相應(yīng)于發(fā)送包的周期脈沖序列構(gòu)成，并具有2kHz的頻率。在接收天線220處，2kHz包絡(luò)的幅值與來(lái)自心臟22的反射有關(guān)。
在監(jiān)視器200的一個(gè)實(shí)施例中，需要使2kHz包絡(luò)參照來(lái)自積分器48的預(yù)定的參考電平，從而使監(jiān)視器200基本上以類似于監(jiān)視器1、100的方式操作。為此，接收機(jī)采樣與保持電路26平均在大約0.1ms的時(shí)間內(nèi)的2MHz脈沖串(脈沖)，使得只有2kHz的零差頻率保留在采樣與保持電容器28上。零差頻率由交流耦合放大器229放大，然后借助于同步整流器230A被同步地整流成直流電平。
同步整流器230A包括電容器230C和整流器開(kāi)關(guān)230S。整流器開(kāi)關(guān)230S包括一個(gè)飽和的晶體管，電容器230C一般為0.01微法的數(shù)量級(jí)，當(dāng)晶體管230S被零差振蕩器202驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)通時(shí)，電容230C被用來(lái)保持整流開(kāi)關(guān)或晶體管230S的輸出側(cè)的電壓值。
交流放大器229的優(yōu)點(diǎn)在于，不允許通過(guò)監(jiān)視器的直流偏置電平，即在采樣與保持電路26上的直流偏置電平(即它們被濾掉)。這些直流偏置電平隨電源波動(dòng)以及接收天線220附近的材料而變化。在同步整流器230A的輸出端被整流的直流電平代表來(lái)自心臟22的反射脈沖，監(jiān)視器200的以后的操作類似于監(jiān)視器1、100的操作。
在操作中，整流器開(kāi)關(guān)230S在零差振蕩器的半個(gè)周期期間閉合，在這半個(gè)周期期間，向電容器230C充電。在零差振蕩器的互補(bǔ)的(即剩余的)半周期間，開(kāi)關(guān)230S打開(kāi)，整流器230A不檢測(cè)來(lái)自零差振蕩器202的信號(hào)。結(jié)果，加于電容器230C上的平均信號(hào)代表在交流耦合放大器229的輸出端的信號(hào)(方波)的峰值，借以產(chǎn)生相應(yīng)于來(lái)自心臟22的反射信號(hào)的而不是來(lái)自采樣與保持電路26的直流電壓。
在電容器230C上產(chǎn)生的直流電壓代表來(lái)自心臟22的所需的反射信號(hào)和來(lái)自包括監(jiān)視器殼體以及天線之間直接耦合的各種源的不需要的反射之和。直流耦合放大器38的輸出被導(dǎo)致等于直流參考電壓。
圖11是圖10的監(jiān)視器200的電路圖的例子。該監(jiān)視器包括零差振蕩器202，它一般包括兩個(gè)CMOS反相器150、151。零差振蕩器202的輸出被連接到脈沖發(fā)生器206和同步整流器230A。
監(jiān)視器200的電路的接收通路一般和監(jiān)視器1和100的相同，并且包括交流耦合放大器229和同步整流器230A。交流耦合放大器229被連接在平均采樣與保持電路26以及和加法器36相連的同步整流器230A之間。交流耦合放大器229包括兩個(gè)Motorola的以線性方式作為放大器使用的MC14069UB CMOS反相器。同步整流器230A包括雙極晶體管，例如National Semiconductor的2N2222，它由零差振蕩器202控制導(dǎo)通與截止。
直流耦合放大器38包括Motorola的兩個(gè)作為線性放大器使用的MC14069UB反相器。類似地，積分器48包括一個(gè)MC14069UB反相器。直流放大器的輸出根據(jù)需要進(jìn)行處理。雖然披露的實(shí)施例的電路已經(jīng)按照離散元件進(jìn)行了描述，但是這些電路可以被集成在集成電路上或芯片上，以使其體積最小。
監(jiān)視器1，100和200在許多應(yīng)用中也可用作擴(kuò)音器。例如，圖12是說(shuō)明監(jiān)視器1作為咽喉擴(kuò)音器使用的定時(shí)圖，它相應(yīng)于，即圖示了一個(gè)所說(shuō)的詞“one thousand”。監(jiān)視器100和200也可以用作咽喉擴(kuò)音器。在操作中，咽喉擴(kuò)音器被置于喉結(jié)上方或接近喉結(jié)處，以便監(jiān)視和測(cè)量聲帶的運(yùn)動(dòng)。在咽喉擴(kuò)音器的一種設(shè)計(jì)中，圖1的放大器38具有20Hz到3kHz的帶寬范圍，并且可以不用電壓控制的振蕩器而利用監(jiān)視器輸出產(chǎn)生可聽(tīng)的聲音。
咽喉擴(kuò)音器的另一個(gè)應(yīng)用的例子是辨別聲帶區(qū)域的損傷或其它異常，這通過(guò)用聲音刺激這一區(qū)域來(lái)進(jìn)行。從口向咽喉施加聲音刺激，咽喉擴(kuò)音器用來(lái)記錄發(fā)生的響應(yīng)，損傷或異常將產(chǎn)生能被咽喉擴(kuò)音器檢查和測(cè)量出的異常諧振。類似地，可以刺激耳膜，并用擴(kuò)音器檢查和記錄相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)以便用于診斷。
這種監(jiān)視器/擴(kuò)音器也可以和機(jī)械的或聲學(xué)的模擬源結(jié)合使用。例如，如果把聲束聚集在一個(gè)腫瘤區(qū)域上，則會(huì)使腫瘤在其特定性質(zhì)的預(yù)定頻率特征下諧振。監(jiān)視器/擴(kuò)音器可以檢測(cè)該諧振運(yùn)動(dòng)，幫助識(shí)別腫瘤類型和位置。此外，監(jiān)視器/擴(kuò)音器可被用于確定骨傳導(dǎo)。把聲音的或機(jī)械的模擬源加在被檢查的骨骼的一端，把監(jiān)視器/擴(kuò)音器置于沿骨骼長(zhǎng)度的不同位置上，以便測(cè)量和檢查骨骼對(duì)刺激的傳播。斷裂或類似的異常狀態(tài)將產(chǎn)生異常的或不規(guī)則的聲音或指示。
監(jiān)視器/擴(kuò)音器可被用于聽(tīng)肺內(nèi)部的聲音，用于檢查和確定與疾病有關(guān)的癥狀的異常聲音或其它運(yùn)動(dòng)特征。監(jiān)視器/擴(kuò)音器也可以用于識(shí)別嵌入的金屬心臟閥或其它類似物體的斷裂。例如，監(jiān)視器/擴(kuò)音器通過(guò)檢查閥的定向反射率(即橫斷面定向或RCS)的改變可以識(shí)別機(jī)械心臟閥的斷裂，因?yàn)槿毕莼驍嗔褧?huì)產(chǎn)生間斷的電接觸。
一些應(yīng)用的例子包括但不限于(1)起搏器，通過(guò)把監(jiān)視器及其調(diào)整裝置埋入而來(lái)檢測(cè)心臟壁的運(yùn)動(dòng)，其原理和技術(shù)與常規(guī)起搏器相同或是與之的給合；(2)遙測(cè)技術(shù)；(3)熒光屏檢查；(4)胎兒監(jiān)視設(shè)備；(5)埋入體內(nèi)的物體的檢測(cè)器；(6)嬰兒突發(fā)死亡綜合癥(SID)；(7)心電圖(EKG)；(8)回波心動(dòng)圖；(9)圖象、測(cè)量和掃描監(jiān)視器及方法，可用監(jiān)視器代替常規(guī)系統(tǒng)或和常規(guī)系統(tǒng)結(jié)合使用，例如超聲波裝置，NMR，NMI，用于各種器官、構(gòu)件或組織的造影，其中包括但不限于子宮，胎兒，卵巢，骨骼，血塊，腦，脊髓，肌肉，前列腺和甲狀舌骨膜；(10)骨骼斷裂掃描監(jiān)視器；(11)增強(qiáng)型乳房X線照相術(shù)；(12)插入管道或其它結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部引導(dǎo)或掃描裝置，例如使用血管窺鏡、內(nèi)窺鏡或?qū)Ч懿迦胙堋⒎沃夤?、胃腸管、生殖器管道或尿道中的裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于檢查一個(gè)或幾個(gè)機(jī)體部分的運(yùn)動(dòng)的監(jiān)視器，包括(a)用于同時(shí)向發(fā)送通路和選通通路輸入脈沖序列的脈沖發(fā)生器；(b)所述沿所述發(fā)送通路發(fā)送的脈沖用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈沖發(fā)生器，以便提供要被施加于發(fā)送天線的相應(yīng)的發(fā)送脈沖；(c)所述選通通路包括用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)選通脈沖的距離延遲(rangedelay)發(fā)生器；(d)包括接收天線的接收通路；以及(e)所述定時(shí)選通脈沖使所述接收通路選擇地傳遞由機(jī)體部分反射的并被所述接收天線接收的脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)視器，其中內(nèi)部機(jī)體部分包括心臟，并且其中所述監(jiān)視器提供心臟運(yùn)動(dòng)的非聲音指示。
3.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)視器，其中機(jī)體部分包括肺，并且其中所述的監(jiān)視器提供肺的非聲音指示。
4.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)視器，其中機(jī)體部分還包括肺，所述監(jiān)視器提供相應(yīng)于心臟和肺的物理運(yùn)動(dòng)的輸出電位，并且所述輸出電位可被分離成指示心臟的物理運(yùn)動(dòng)的心臟輸出和指示肺的物理運(yùn)動(dòng)的肺輸出。
5.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)視器，還包括用來(lái)把所述輸出電位分離成為所述心臟輸出的帶通濾波器。
6.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)視器，還包括用來(lái)把所述輸出電位分離成為所述肺輸出的帶通濾波器。
7.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)視器，其中所述接收通路還包括由來(lái)自所述選通通路的所述選通脈沖選通的采樣與保持電路。
8.如權(quán)利要求7所述的監(jiān)視器，其中的選通脈沖被從所述發(fā)送天線發(fā)送發(fā)送脈沖的時(shí)間延遲大約2ns，并且其中所述選通通路還包括產(chǎn)生200ps的選通脈沖的脈沖發(fā)生器，用來(lái)選通所述采樣和保持電路。
9.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)視器，其中所述定時(shí)選通脈沖確定監(jiān)視器的距離選通(range gating)。
10.如權(quán)利要求9所述的監(jiān)視器，其中所述接收通路還包括被來(lái)自所述選通通路的所述選通脈沖選通的采樣與保持電路，并且其中所述采樣與保持電路沿著所述接收通路至少采樣1000次。
11.如權(quán)利要求9所述的監(jiān)視器，其中所述接收通路還包括用于減去背景反射的求和元件和用于放大所述求和元件的輸出的放大器。
12.如權(quán)利要求11所述的監(jiān)視器，還包括其輸出被所述放大器的輸出相乘的音頻振蕩器，其中所述音頻振蕩器的輸出由來(lái)自所述放大器的信號(hào)變化的速率進(jìn)行頻率調(diào)制，用來(lái)產(chǎn)生和所述機(jī)體部分的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的多普勒效應(yīng)。
13.如權(quán)利要求12所述的監(jiān)視器，其中所述接收通路還包括用于導(dǎo)出來(lái)自所述放大器的信號(hào)的變化速率的微分電路。
14.如權(quán)利要求11所述的監(jiān)視器，其中所述接收通路還包括反饋通路，其中包括積分器，它補(bǔ)償所述交流耦合放大器的輸出，直到達(dá)到平衡為止，從而使得所述交流耦合放大器的輸出被強(qiáng)制等于加于所述積分器上的參考電壓。
15.如權(quán)利要求11所述的監(jiān)視器，還包括雙時(shí)間常數(shù)電路，使得對(duì)于和與肺運(yùn)動(dòng)有關(guān)的顯著的檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大信號(hào)，具有快的交流耦合時(shí)間常數(shù)，而對(duì)于關(guān)于心臟運(yùn)動(dòng)的正常信號(hào)電平，具有短得多的交流耦合時(shí)間常數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的監(jiān)視器，其中所述雙時(shí)間常數(shù)電路包括和一個(gè)電阻并聯(lián)的兩個(gè)彼此反向的二極管。
17.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)視器，其中所述定時(shí)選通脈沖確定至少第一和第二距離門(range gate)。
18.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)視器，其中所述發(fā)送通路還包括零差振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生零差振蕩。
19.如權(quán)利要求18所述的監(jiān)視器，其中所述零差信號(hào)被送入所述脈沖發(fā)生器，用來(lái)選擇地以預(yù)定的零差頻率使所述脈沖發(fā)生器導(dǎo)通和截止。
20.一種用于監(jiān)視一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)部機(jī)體部分運(yùn)動(dòng)的方法，包括(a)向發(fā)送通路和選通通路同時(shí)輸入脈沖序列；(b)沿所述發(fā)送通路傳送所述脈沖，用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈沖發(fā)生器，以便提供要被加到發(fā)送天線的相應(yīng)的發(fā)送脈沖；(c)借助于距離延遲(range delay)發(fā)生器沿所述選通通路產(chǎn)生定時(shí)選通脈沖；(d)所述定時(shí)選通脈沖使接收通路選擇地傳遞由機(jī)體部分反射的并被接收天線接收的脈沖。
全文摘要
一種非聽(tīng)覺(jué)脈沖定向監(jiān)視器(1)，它平均大量的反射脈沖，從而產(chǎn)生用來(lái)調(diào)制音頻振蕩器(39)的電壓，用來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)于心臟(22)或其它機(jī)體部分運(yùn)動(dòng)的可聽(tīng)的單音。其中使用幅值調(diào)制和多普勒效應(yīng)。使用雙時(shí)間常數(shù)，以便減少整個(gè)檢測(cè)器對(duì)表面運(yùn)動(dòng)的影響。該監(jiān)視器包括用來(lái)同時(shí)向發(fā)送通路(12)和選通通路(14)輸入脈沖序列的脈沖發(fā)生器(10)。發(fā)送通路上的脈沖驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生送入發(fā)送天線(18)的脈沖的脈沖發(fā)生器(16)。選通通路包括產(chǎn)生定時(shí)選通脈沖的距離延遲發(fā)生器(30)。定時(shí)選通脈沖使接收通路(15)選擇地傳遞從機(jī)體部分(22)反射的并被接收天線(20)接收的脈沖。兩個(gè)天線(18)(20)是可以裝在扁的殼體的扁銅箔。
文檔編號(hào)G01S13/18GK1155236SQ95194547
公開(kāi)日1997年7月23日 申請(qǐng)日期1995年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月9日
發(fā)明者托馬斯·E·邁克埃萬(wàn) 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)