专利名称：监视与成象装置和方法
技术领域：
本发明涉及对心脏、肺和其它器官、组织以及部件的运动进行监视并处理相应的生物电位信号的监视器和监视方法。
在心肺监视领域中，一般使用扩音器、电的、压力的或应变的测量装置，用来检测人或动物的心血管器官的跳动。在19世纪早期由Laennec发明的声学听诊器现在还非常通用，并且在本世纪几乎没有变化。这种听诊器通过研究由被破坏的组织发出的声音的特性来诊断人体的胸部疾病。
现在对现有的心肺监视仪及其发展趋势的例子说明如下美国专利号专利权人
公开日期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这些装置大部分根据声学原理操作，并基本上都放大由心肺产生的声音。
这些监视装置具有许多严重缺点。这些装置的声学频谱低，并处于听觉频谱的低的一端，即100Hz或以下，因而使机体的声音难于听见。虽然机体器官和组织是运动的，但它们本质上是静的，因此发出的声音十分低而微弱，不能提供足够的声学特征。
Chartinitski等人在美国专利4,248,244中披露了一种用于测量心跳速率的指示器，其中具有用于接收相应于心脏每次跳动的电脉冲的电极。这些电极被连接到响应由每次心跳产生的每个电脉冲而引起交变电子信号脉冲串的电路。
因此，需要一种非侵入的、非声学的监视器和监视方法，用来监视心脏、肺和其它机体器官、组织或部件的壁的运动，并用来处理相应的电信号。这种监视器应该显著地减小或完全消除扩音器效应，并且应该能够通过衣服或离开某一距离来检测人体内部的运动。这种监视器应该是价廉的、简单的，以便供家庭保健或在体育运动中被非专业人员使用。
超声监视器和磁共振已经研制了超声监视器用来检测人体器官的位置和运动。这些监视器也被用于其它图象装置例如核磁成象(NMI)/核磁共振(NMR)系统。现有的超声监视器和磁共振成象系统的例子是美国专利号 专利权人
公开日期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这些常规的监视器一般体积大，价格贵，在技术上操作和维护复杂，并且不能由非专业人员操作。另外，超声波不能很好地通过骨骼传播，例如肋或胸骨，也不能很好地通过厚的脂肪层传播，此外，还不能很好地通过空气传播，并在检测器和胸壁之间可能还需要系数匹配润滑剂。
光学图象技术在Slump等人的美国专利5,040,201中披露的用于监视运动物体例如心脏的一种技术是X射线同步曝光法，用来响应在给定位置上预料要出现危害的时刻产生的定时脉冲使心脏成象。
在Swanson等人的美国专利5,321,501中披露的另一种光学图象方法，其中涉及试样的光学成象，通过改变引向试样的光路和引向参考反射镜的光路的相对光路长度或者通过改变从光源输出的光的特性，提供纵向或横向扫描。
因此，需要一种新的图象和监视装置，它可以代替现有的X射线技术和其它图象设备，或和现有的X射线技术以及图象设备结合使用，用来监视体内器官、组织和其它结构以及嵌在人体或动物中的外部物体的运动。
本发明是一种用于根据发出的非常短的电压脉冲并对其进行检测，从而检测心脏和其它器官运动的监视器及监视方法。在一种典型的方式中，使用脉冲回波反射方式，借以使大量的反射脉冲被平均，从而产生一个用来调制音频振荡器的电压，以便产生相应于心脏运动的一个单音。在这种监视器中使用的天线一般是两个扁铜箔，从而可以把天线装在扁的壳体内。监视器把检测到的电压转换成具有幅值调制和多普勒效应的可听信号。它还使用双时间常数来减少整个检测器对表面运动的影响。
另一个实施例包括用来通过材料例如垫子填料来检测和监视心脏和呼吸运动的装置。非接触操作范围可以大于12英寸。该装置也基于以脉冲回波反射方式，发出并检测非常短的电压脉冲。对大量的反射脉冲进行平均，从而产生被来自心脏、动脉和肺的反射脉冲调制的电压。
由于这种装置的设计相当简单，所以可以用非常低的费用进行生产。此外，根据2微米CMOS工艺，可以把电路集成在一个成本低的硅片上。在心脏和呼吸监视器中的天线可以用简单的金属丝制成，它可以和电路一起被嵌埋在垫、垫层或靠背垫中，从而提供低成本的生命监视器，即用来确定躺在垫上或坐在椅子上的病人是否仍然活着，或用来确定病人的生命征兆是否已发生变化。
一个可能的应用是用来区分在任何环境中例如被埋在废墟下面或不容易看到的人或动物是否还活着。在这种应用中，可以检测整个运动或者最好可以检测呼吸。呼吸监视能提供活着的和死去的人(或动物)之间的区别，即使是死去的人或动物的心脏还在轻轻跳动，因为死后心脏轻轻跳动一次为2秒钟或更少(大于0.5Hz)，而呼吸一次的时间一般大于2秒钟(小于0.5Hz)。因而，利用双带滤波器，这种监视器可以识别死的机体的心脏轻跳运动和活的机体的呼吸与轻跳运动。这种监视器还可以增加一个附加的大动率发送机/阶跃脉冲发生器和反射器天线，以便提高距离/灵敏度。这样，这些监视器对于灾害受害者的检查是有用的。
这种监视器非声学地检查一个或几个机体内部器官的机械运动，例如心脏、肺、动脉、静脉、胎心跳以及声带(Vocal Chord)的机械运动，并包括一个用来向发送通路和选通通路同时输入脉冲序列的脉冲发生器。沿着发送通路发送的脉冲用来驱动一个脉冲发生器，提供加于发送天线的相应的发送脉冲。
选通通路包括一个距离延迟(range delay)发生器，它发生定时控制脉冲。定时控制脉冲使接收通路选择地传递来自机体部件的并通过接收天线接收的反射脉冲。监视器输出电压可被分离成分别表示心脏和肺的物理运动的心脏输出和肺输出。
监视器的定时控制脉冲控制沿着接收通路的采样和保持电路，监视器还包括双时间常数电路，对于关于相对于肺运动的显著的检测器运动的大的信号，有一个快的交流耦合时间常数，而对于关于心脏运动的正常的信号电平，有一个慢得多的交流耦合时间常数。
图1是按照本发明的心脏监视器的方块图。
图2是图1的监视器的定时图。
图3是图1的天线构成部分的示意图，并表示扁壳体的总体剖视图。
图4是在心脏附近的两个位置由图1的监视器收到的信号的两个定时响应曲线。
图5是描绘由图1的监视器收到的相应于从各个血管反射的信号的4个定时响应曲线。
图6是图1的监视器的电路图的例子。
图7是按照本发明的非接触心肺监视器的方块图。
图8是图7的天线组成部分的示意图，并表示扁壳体的剖视图。
图9是由图7的监视器收到的信号的两个定时响应曲线，上面表示心肺响应，下面表示呼吸停止后的心脏响应。
图10是使用零差式电路的监视器的另一实施例的方块图。
图11是图10的监视器的电路例图。
图12是使用图1的监视器作为咽喉扩音器并相应于说“onethousand”时的定时图。
监视器的一般操作基于由发送天线发送一个脉冲，等待一段短暂的时间，然后打开和接收天线连接的门电路，对反射脉冲进行采样。在一种应用中，监视器被用作听诊器，等待时间相当于在组织中以光速大约在1英寸的距离来回飞行的时间。在另一种应用中，该监视器用作非接触式心肺监视器，等待时间相当于在自由空间(或在自由空间和一英寸的组织的组合内)以光速飞行1 2英寸或更多的一个来回所用的时间。已经由实验确定，可以在11英尺的距离上检测到呼吸。
这种处理以1MHz的频率被重复地进行，从而使得在驱动辅助设备之前有大约10,000个接收脉冲被平均，所述辅助设备包括但不限于可听装置或可看到的显示装置。大的平均数值可把伴随采样信号的随机噪声减少到如此的程度，以致使得可以检测到极低幅值的信号。重复的操作也导致整个电路的极大的简化。这一平均后的脉冲提供一个电压电平，它相应于由发送脉冲的时间和与接收天线相配合选通或开启采样器电路的时间之间的延迟确定的距离上的定位反射率。这处理称为“距离选通(range gating)”，它提供关于被扫描的器官、组织、膜或其它结构的深度的信息。
这种监视器能够扫描或成象“距离门(range gate)”(即被扫描的区域)，并检测预定深度的反射率。因为心脏肌肉通过该距离门运动，这将改变在该距离门内的反射率。根据这些原理的运动检测器由Thomas E.Mc Ewan在美国专利号为No.5,361,070，于1994年11月1日公开的名称为“Ultra-Wideband RadarMotion Sensor”中描述。该门一般只在等于发射脉冲宽度的期间内保持打开。本发明也利用由Thomas E.Mc Ewan在1994年9月6日公开的名称为“Ultra-Wideband Receiver”的美国专利No.5,345,471描述的超宽带接收机。
因而，本发明的根据是检测电磁脉冲传播的往返时间的脉冲回波定位原理。这里所使用的术语“定位脉冲(radar impulse)”指的是短的发射脉冲，它代替在常规雷达技术中使用的长的正弦脉冲串。这里没有和脉冲定位(impulse radar)相关的专用频率，而其频谱与脉冲的付里叶变换有关。这种自由空间发射的脉冲是一种大约200ps宽的半正弦脉冲。其中的天线一般比电压脉冲中的最高频率成分的1/2波长短。脉冲定位的重要优点之一是，在组织衰减(tissue attenuation)最低处，频谱的位置尽量低。其它的优点包括简单和成本低。
图1说明一种监视器1。在这种具体应用中，监视器1用作听诊器。不过，应当理解，监视器1可以用于其它许多用途。
噪声发生器9调制脉冲重复率/脉冲重复间隔(PRF/PRI)发生器10，从而产生平均频率为1MHz，并在1MHz周围大约有1-10％的随机改变，即具有1-10％PRF高频脉动。这高频脉动展宽来自天线T的发送频谱，从而减轻对其它频谱用户的电位干扰，高频脉动还使出现在接收采样器26的接收天线R上的外部干扰信号的采样随机化。天线R上的信号被采样并被平均，其中随机的采样平均为零，基本上消除了来自其它源例如RF发送机的干扰。所需要的回波不受这高频脉动的影响，这是因为它们在其被发送之后在一个固定的短的时间被接收，并且也不受下一个重复间隔发生的精确时刻的影响。高频脉动提供和常规RF用户的频谱的兼容性，因而允许在附近使用多个脉冲监视器。由其它脉冲系统发出的短脉冲的采样机会是随机的并且是非常低的，并且从另一个脉冲系统相继采样足够的脉冲以建立相关的可检测的信号的几率是极低的。
来自1MHz脉冲重复频率/间隔(PRF/PRI)发生器10的脉冲被输入两个并行通路，发送通路12和选通通路14。在发送通路12中，PRF/PRI发生器10驱动脉冲发生器16，它提供施加于发送天线(T)18上的200ps脉宽的5V发送脉冲。
接收天线(R)20接收来自被扫描的试样的反射脉冲，并把其送给由来自选通通路14的选通脉冲选通的采样/保持(S/H)电路26。试样可以是机体器官，包括但不限于在胸壁后面的心脏22，胎儿，卵巢，声带，骨骼，血块(血肿)，大脑，脊椎，肌肉，前列腺，甲状舌骨膜。为了便于说明，以心脏22为例。选通脉冲被从发送天线18发送脉冲的时间延迟大约2ns。来自PRF/PRI发生器10的被输入发送通路12的脉冲同时输入选通通路14，它们通过那里的在脉冲发生器32前方的距离延迟发生器30，所述脉冲发生器32产生200ps的选通脉冲，用来控制选通开关34。
延迟发生器30的范围被可调地设定，用来控制监视器1的深度灵敏度或距离门。在本例中，脉冲被延迟大约2ns，从而使得监视器1的距离为在组织内的大约1英寸到2英寸。选通脉冲使开关34闭合，从而使来自距离门的反射脉冲沿着接收通路15被输入到采样/保持电路(S/H)26。
在本最佳实施例中，S/H电路包括接地电容器28。借以对发生在与天线20距离1至2英寸的反射脉冲或无反射脉冲进行采样。在采样/保持电路26中的电容器28的大小应该足够大，使得每次采样仅使其部分地充电，并且大约需要10,000次采样才能使电路用接收的天线信号达到均恒。在一个设计的例子中，电容器28的数量级为100微微法。接收天线20的阻抗和电容器28的电容的乘积产生比选通脉冲宽度大得多的时间常数，从而使得需要许多脉冲对电容器28充电。
定时关系示于图2。在一个脉冲重复间隔(PRI)内示出了4个波形。从发送天线18发送200ps宽的脉冲。来自接收天线20的反射脉冲和选通脉冲一致。每一接收脉冲在S/H电路26的电容器28上产生一个增加的电压改变ΔV。电容器电压是该平均S/H电路26的输出。增量ΔV等于总的接收脉冲的1/N，其中N是被平均的采样数，一般约为10,000，也可取其它不同的值。
采样/保持电路26中的噪声电压按照与平均的采样次数的方根有关的系数被减少，在此例中为100倍，并按照和相对于系统的PRF的平均电路的实际时间常数和采样器的瞬时带宽有关的系数，即取决于采样/保持电路26的采样数据性质的系数被减少。总的看来，和具有2GHz带宽即发送脉冲的带宽的电路相比，获得了大于60dB的噪声减少。
采样/保持的输出被送到电压求和元件或求和器36，它减去此处所述的背景反射。求和器36的输出被放大器(A)38放大，它一般具有60dB的增益，其带通为直流到16Hz。通过乘法器37，方波发生器或振荡器39的输出与来自放大器38的交流耦合的幅值相乘，而其频率由来自放大器38的信号的变化率调制，以产生和心脏肌肉运动的速度有关的多普勒效应。放大器38的输出被送到带通滤波器44(20-5000Hz)，并进而被送到选择开关45，用来进行试样运动例如心脏跳动的听觉检测。
低通滤波器46通过小于20Hz的频率，并被连接于放大器38的输出端。由微分电路40得到变化的速率。在简单的设计中，微分电路可以由包括电容器40C和分流电阻40的RC电路构成，电容一般为1微法的数量级，电阻一般为10KΩ的数量级。低通滤波器41用来衰减形成在乘法器37的输出端的谐波，从而通过耳机、杨声器或头载受话器42产生悦耳的声音音调。
虽然对在放大器38和乘法器37的输出端的生物电位信号分别作为带通滤波器44和低通滤波器41以及耳机42的输入进行了说明，但是应该理解，这些生物电位信号可以交替地或同时地连接于计算机或其它装置或系统43，其中包括但不限于视觉显示，用来提供视觉指示和/或用于驱动这些装置，或和这些装置或系统连合工作。如果使用视觉显示，这种显示应当包括发光二极管(LED)装置，它们按顺序与所加电压成比例地发光，所加电压与来自心脏22的反射脉冲的反射幅值呈线性关系。
方波发生器39可感知地响应出现在接收天线20的相应于大约1毫伏的电平。因为在采样/保持电路26，求和器36以及放大器38中的系统误差可以达到几十毫伏，为了检测小的例如由小动脉引起的1毫伏的变化，必须减去这一误差。此外，来自胸壁24的表面反射也会产生这种必须被减去的误差电压。
为此，在放大器38的反馈通路50中的积分器48用于修正放大器38的输出，直到达到均衡为止，从而使放大器38的输出被强制等于加到积分器48上的参考电压。因为积分器具有极高的直流增益，所以在放大器38的输出端和参考电压之间的电压差被减小到一个可以忽略不计的值。在放大器38的反馈通路50中的积分器48和在其正向通路中的微分器相当，即它使得放大器的行为好象是交流耦合的。使用积分器48的优点在于，它给监视器提供偏置电流，减去放大器38中的误差，并可以简单地实现双时间常数。
放大器/积分器电路的整个响应是这样的，对于和显著的检测器相对于病人胸部的运动有关的大的信号，有一个快的交流耦合时间常数，而对于和心脏运动有关的正常的信号电平，有慢得多的交流耦合时间常数，从而能够可靠地再现心脏运动。双时间常数通过双时间常数电路51提供，它由和电阻54并联的两个二极管52、53构成。一般地说，电阻54为1MΩ的数量级，二极管52、53是普通的计算机型二极管，例如1N4148。
虽然图中没有示出，应当理解，合适的直线传动装置或其它机构可以和监视器1连接，以便相对于试样(即心脏22)作纵向或横向运动，从而提供二维的或多维的扫描。可以提供一个类似的机构使监视器1作横向或侧向运动，从而对试样进行多维的扫描。
图18表示天线18、20的几何形状。如在顶视图中示意地表示的，发送天线(T)18和接收天线(R)20一般呈矩形的片状天线，由铜制成，其边的尺寸范围在1/4至1英寸之间。这些天线18、20被形成在电路板55的介电保持基片55A上，并与金属例如铜的接地平板55B相连。在这一具体例子中，电路板55的宽度W大约为2英寸，长度L大约为4英寸。天线18、20被装在一个扁的薄壳体55H内，其厚度D大约0.75英寸。
在接地平板55B和天线18、20之间产生电磁场，从而形成和高介电常数材料例如胸部很好地耦合的宽带单极。天线18、20旨在用于近距离监视，其尺寸应适合于在介电常数比空气高的机体内传播电磁波。结果，在设计监视器1的距离门或“距离选通”时，应考虑到相对于空气而言电磁波通过机体组织的传播速度较慢。对于这一效应，在自由空间内的传播阻抗Z0(空间)为
其中μ0是真空的导磁率，ε0是真空的介电常数。在具有εr＝40的物质(例如肌肉或人体组织)中的传播阻抗为
肌肉传播阻抗是60Ω，血的传播阻抗(εr＝60)是49Ω。这一阻抗差引起在心脏肌肉和其血液之间的反射幅值的不同。
在对沿传输线进行的一维模拟中，这可看作是时域的反射测量术(TDR)，离开心脏肌肉的反射相当于来自传输线断开处的反射。可以应用反射系数Γ，它被定义为(Y-1)/(Y+1)，其中Y＝Z(心脏)/Z(血液)，以便确定反射的是发送脉冲的哪一部分。例如，具有εr＝40的心脏肌肉具有9.9％的相对于血液的反射辐值。这样，在有无心脏肌肉之间的反射辐值差是9.9％。
在一个具体应用中，如果一个金属物体例如心脏起搏器引线22L(图1的虚线所示)被装在心脏22的内部，或者如果一个机械阀门22V(图1的虚线所示)被使用，则反射将是非常高的，例如对于金属物体为1.0，因为金属容易从机体组织中辨认，并且其反射辐值为后者的几倍。所以即使金属物体具有小的横截面，象在引线22L的情况下，在实践中仍然可以容易地辨认，只要对于垂直放置的监视器1金属线的极性和监视器天线匹配。对于引线22L的情况下，一般总是如此。
本发明克服了由胸壁24的第一表面的可变的反射幅值引起的严重限制。变化的第一表面反射辐值的问题由发射一个含有后发射(post-shoot)或减幅振荡(ringing)的脉冲引起的，当通过天线发射脉冲时，这是一种公共效应。在时间上后发射的脉冲当离开比预定的距离门54近的物体或组织反射时落入采样门(sampler′sgate)，即有一个移动的距离门。因而，减幅振荡分量离开胸24前表面反射，并同时折叠成为来自心脏22的反射。的确，这些前表面反射可以超过所需的反射。
这一问题的解决通过发生半正弦的且没有减幅振荡的特定波形来完成。这样，在本实施例中，监视器1发出一个具有所需波形的脉冲。这可以通过合适地设计发送天线18来实现，使其尺寸小于由半正弦脉冲确定的1/4波长。如果波形中含有减幅振荡或偏离规则的半正弦脉冲成分，则通过距离门54而运动的心脏肌肉的响应将包括多个脉冲，从而实际上放大了检测的心脏速率。因而发送天线18和接收天线20必须不是环形的，因此由电阻使其终止，并且两者的尺寸小于1/4波长。
图4是描绘在心脏附近的两个位置上由图1的监视器接收的信号的两个定时响应曲线。图5是由监视器1接收的信号并相应于来自左颈动脉，左腕，左臂动脉，和左股动脉的反射信号的4个定时响应曲线。
距离门的定时可在两个距离门54和54A(图1中用虚线部分地示出了)之间改变。相应的检测电压可被存储在两个单独的S/H电路上，如名称为“Ultra Wideband Radar Motion Sensor”的美国专利5,361,070所述。
第二距离门54A的操作类似于第一距离门54的操作，并且每个距离门54、54A可以被独立地控制和设定。因此，来自独立的距离门54和54A的反射率可被独立地或互相联合地处理。例如，如果第一距离门54被设定用于检查心脏22的前壁22F，第二距离门54A被设定用于检查心脏22的后壁22R，则可以采集关于心脏22的收缩和扩张周期以及其状态的重要而有价值的信息。
使用双距离门54和54A产生“立体声”效果，这使听者意识到其位于心脏22的前壁和后壁之间。可以使用附加的距离门。
图6是监视器1的电路的实施例。2MHz的PRF/PRI发生器10和噪声发生器9由两个串联的反相器(I1)60，61共同构成；电容器62被连接在反相器61的输出和反相器60的输入端之间，分流电阻63连接在反相器60的输出和输入之间。PRF、PRI发生器10的后面是包括反相器(I1)的缓冲器64，以及由电容器66和分流电阻67构成的脉宽限制器65。脉冲送到由晶体管Q1＝BFW92构成的脉冲发生器16，其集电极通过电阻RT和发送天线18相连。来自PRF/PRI发生器10的脉冲也通过距离延迟发生器30进入第二通路，距离延迟发生器30由可变电阻Rx、杂散电容和缓冲器门(I1)的输入电容构成。被延迟的脉冲送入由另一晶体管Q2＝BFW02构成的脉冲发生器32，从而产生选通脉冲。
反射信号由接收天线20接收，并输入到由选通脉冲通过Schottky二极管D1＝MBD701选通的S/H电路的电容器28。来自S/H电路26的输出被输入放大器(I2)38。放大器38的输入端36作为加法器用于S/H电路26的输出。放大器38的输出代表测量的生物电位，并可被各种设备使用，或被连接到不同设备进行处理，例如耳机42(图1)。在一优选实施例中，I1＝74HCO4，I2＝TLC274。另外，传播着的脉冲容易跨过几英寸的空气间隙或物质(例如肌肉、血液等)发送。
放大器38的输出被连接到放大电路70，从而对放大器38提供附加的增益。放大电路70包括运算放大器71，它通过电阻72被连接到放大器38的输出端，并被并联连接的电容73和电阻74分流。
放大器71的输出被连接到门限检测器网络75，用来检测监视器输出电平是否超过预定的上下门限电平。门限检测器网络75一般包括两个比较器或运算放大器76，77(I3＝TLC274)，其输出通过两个二极管78，79和电阻80被组合送到开关81(Q3)。在操作时，如果上下门限电平的任何一个被超过，则相应的运算放大器76或77就驱动开关81导通。然后开关81的输出可被用来驱动报警或任何其它的合适电路。例如，如果监视器和起搏器结合使用，或作为起搏器的一部分，则通过合适的电阻82检测开关81的输出，从而提供所需的指示，例如活动性检查，以便启动或禁止步测(pacing)。门限检测器网络75的灵敏度可用电位计84调整，从而控制加到运算放大器76，77上的信号的幅值。
电压整流网络86连接于PRF/PRI发生器10，用来对监视器的各个元件例如放大器71提供-3伏的电压。电压整流网络86一般包括两个并联的反相器(I1)87，88，用来提供0-5V的方波电压。两个二极管89，90通过电容器91连接于反相器87，88的输出端。分流电容器92被连接于二极管90，使得电压整流网络86对方波电压进行整流和电平变换，以便产生-3V的稳定的输出电压。输出电阻93被连接于放大器电路70的输出端，用来阻止吸取过量的电流。在图6和11的电路图中所示的许多元件的值和上述美国专利5,345,471以及5361070的相同。
图7说明另一个监视器100，它一般用和图1的监视器类似的方式操作，不过已经过修正，用来通过材料例如垫子或椅子靠背从远处检查心脏和呼吸运动。监视器100的天线已经过修正，从而允许较大的扫描范围。声音输出已被省略，不过，本领域的人员可以选择地加上这一特征。提供了距离控制，并可被设定在大约6英尺的距离检查呼吸。图1和图7的相同的标号代表具有相同功能的元件。
监视器100的一般操作原理也是基于从发送天线发出一个脉冲，等待一个短暂的时间，然后打开和接收天线相连的门，对反射脉冲进行采样。不过，此处把监视器用作非接触式的心肺监视器，等待时间相当于在自由空间内(或在自由空间和一英寸的机体组织的组合内)以光速往返12英寸所需的时间。
在发送通路112中，PRF/PRI发生器10驱动脉冲发生器116，它提供一个5V的200ps宽的施加于发送天线(T)118上的半正弦发送脉冲。发送天线118的电长度被设定得相对于半正弦的频谱成分来说较小，以便避免减幅振荡。
接收天线(R)120接收从机体反射的脉冲，例如肺122(分别具有前后翌122F和122R)和胸壁后方的心脏22，或例如椅子124的物体，并把收到的脉冲加于被选通通路114的选通脉冲选通的采样/保持(S/H)电路26。选通脉冲从发送天线18发送脉冲时起被延迟大约3ns。借以使在离开天线118和120大约12英寸处发生的反射被采样。被输入到发送通路112的来自PRF/PRI发生器10的脉冲被同时输入到选通通路114，在那里它们通过脉冲发生器132前面的距离延迟发生器130，脉冲发生器132产生200ps宽的选通脉冲用于控制选通开关34。图2所示的定时关系也适用于监视器100。
在接收通路115中，求和元件36的输出被放大器38放大，一般在0.05-10Hz的带通范围放大70dB，并被选择地分别送到心肺带通滤波器141、142。
图8是构成图7的监视器100的一部分的天线118、120的示意图，并表示扁而薄的壳体155H的剖视图。天线118、120是直线双极型的，它可以被交替地折叠，具有发送元件118和接收元件120，每个尺寸为大约为0.5英寸×2英寸，但可以更长一些。天线可以发送符合FCC要求的带宽在2GHz之内的电磁波。
用天线本身就足够了，因而不需要和接地板155B连接。接地板155B用来保持监视器电路。天线元件118和120可以被套叠地延伸或缩回，以便容易储存、运动并也可用于改变天线元件的有效长度。天线元件118、120可沿其长度标以不同的标记，例如标记点P，用于不同用途。例如，标记点P被置于天线元件118，120的全部延伸长度的一半处，用于小儿科。
如果波形含有减幅振荡或偏离纯正的半正弦形脉冲的分量，则心脏肌肉运动的响应或肺边界通过距离门54的响应将包括多个脉冲，从而有效地扩大了可觉察的心脏速率。因而，发送天线元件118和接收天线元件120在其末端分别接有电阻RT和RR，被制成不具减幅振荡的，如图6所示。因而，净的T-R响应是纯正的半正弦形脉。
精确的或最佳的距离延迟54与/或54A可由下式确定距离门＝1/2[行进时间(空气)＋行进时间(组织)]
其中C是光速，εr是组织的介电常数。距离门54的定时可在一组距离上被扫描，以便扩大有效响应距离。否则，利用对于12英寸为最佳的固定距离门，心肺检测保持在从0到12英寸，肺检测保持在从0到18英寸。心脏带通滤波器141和肺带通滤波器142(图7)在放大器38的输出端选择地对信号滤波，以便分离和辨别肺运动和心脏运动。一般地说，心脏速率范围在每分钟40或更少到每分钟180跳之间，而呼吸速率的范围在每分钟2到20次之间。不过，根据所需的应用，可以选择其它的范围。监视器100的电路图一般和图6所示的监视器1的电路图相同，使得在放大器38的输出端的监视器输出被连接到两个带通滤波器141和142。
图9是描绘由监视器100收到的信号的两个定时响应曲线(A)或(B)。上部曲线(A)代表结合在一起的心肺响应，下部曲线(B)代表在呼吸停止条件下的心脏响应。两个曲线的数据是从与监视器100离开12英寸的胸壁124获得的。其中的数据是放大器38的输出端的电压或生物电位。
图10是使用零差式电路的监视器200的另一个实施例的方块图。零差式电路在Thomas E.Mc Ewan的1994年5月9日提交的序列号为PCT/US 94/04813，名称为“Electromagnetic HiddenObject Detector”的PCT专利申请中描述了。
监视器200一般包括接收通路中的交流耦合放大器，用来阻止直流信号从平均采样和保持电路被送到监视器输出。这一交流耦合的放大器滤除S/H电路26中的直流偏置。对发送脉冲施加交流调制，然后在接收机中对这交流调进行同步整流(零差式技术)，借以使得能在接收机中使用交流耦合放大器。
总的来说，监视器1和100已经被修正，以便用于零差式操作。零差式技术涉及在发射和检测连续波(CW)信号之前调制来自PRF发生器的信号。然后，接收放大器以中心在CW信号上的带通操作。并因而被交流耦合。在放大之后，该信号通过使用同一CW信号被同步地检测。
监视器200包括一般在几kHz下操作的零差振荡器202(在本例中为2kHz)，和PRF发生器204(类似于图1所示的PRF发生器10)，它一般在从1MHz到几MHz(本例中为2MHz)的频率下。操作零差信号还可以是具有几KHz数量级的中间频率(mean frequency)并且平均为零的任意脉冲序列。
来自零差振荡器202和PRF发生器204的信号被送到阶跃发生器或脉冲发生器206，在那里零差振荡器202对由脉冲发生器26产生的阶跃信号进行幅值调制，即，以所需的零差频率例如2kHz使脉冲发生器导通和截止。因此，由脉冲发生器206发出的并由发送天线218发送的信号包括具有频率为2kHz的脉冲周期包，从而使得每个脉冲一般包括频率为2MHz的0.5ms脉冲间隔的脉冲串(例如1000个脉冲)。
当这些脉冲在发送天线218上发送时，它们由运动物体例如心脏(或肺)22的壁反射，以便由接收天线220接收。由心脏22反射的信号由相应于发送包的周期脉冲序列构成，并具有2kHz的频率。在接收天线220处，2kHz包络的幅值与来自心脏22的反射有关。
在监视器200的一个实施例中，需要使2kHz包络参照来自积分器48的预定的参考电平，从而使监视器200基本上以类似于监视器1、100的方式操作。为此，接收机采样与保持电路26平均在大约0.1ms的时间内的2MHz脉冲串(脉冲)，使得只有2kHz的零差频率保留在采样与保持电容器28上。零差频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电平。
同步整流器230A包括电容器230C和整流器开关230S。整流器开关230S包括一个饱和的晶体管，电容器230C一般为0.01微法的数量级，当晶体管230S被零差振荡器202驱动而导通时，电容230C被用来保持整流开关或晶体管230S的输出侧的电压值。
交流放大器229的优点在于，不允许通过监视器的直流偏置电平，即在采样与保持电路26上的直流偏置电平(即它们被滤掉)。这些直流偏置电平随电源波动以及接收天线220附近的材料而变化。在同步整流器230A的输出端被整流的直流电平代表来自心脏22的反射脉冲，监视器200的以后的操作类似于监视器1、100的操作。
在操作中，整流器开关230S在零差振荡器的半个周期期间闭合，在这半个周期期间，向电容器230C充电。在零差振荡器的互补的(即剩余的)半周期间，开关230S打开，整流器230A不检测来自零差振荡器202的信号。结果，加于电容器230C上的平均信号代表在交流耦合放大器229的输出端的信号(方波)的峰值，借以产生相应于来自心脏22的反射信号的而不是来自采样与保持电路26的直流电压。
在电容器230C上产生的直流电压代表来自心脏22的所需的反射信号和来自包括监视器壳体以及天线之间直接耦合的各种源的不需要的反射之和。直流耦合放大器38的输出被导致等于直流参考电压。
图11是图10的监视器200的电路图的例子。该监视器包括零差振荡器202，它一般包括两个CMOS反相器150、151。零差振荡器202的输出被连接到脉冲发生器206和同步整流器230A。
监视器200的电路的接收通路一般和监视器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被连接在平均采样与保持电路26以及和加法器36相连的同步整流器230A之间。交流耦合放大器229包括两个Motorola的以线性方式作为放大器使用的MC14069UB CMOS反相器。同步整流器230A包括双极晶体管，例如National Semiconductor的2N2222，它由零差振荡器202控制导通与截止。
直流耦合放大器38包括Motorola的两个作为线性放大器使用的MC14069UB反相器。类似地，积分器48包括一个MC14069UB反相器。直流放大器的输出根据需要进行处理。虽然披露的实施例的电路已经按照离散元件进行了描述，但是这些电路可以被集成在集成电路上或芯片上，以使其体积最小。
监视器1，100和200在许多应用中也可用作扩音器。例如，图12是说明监视器1作为咽喉扩音器使用的定时图，它相应于，即图示了一个所说的词“one thousand”。监视器100和200也可以用作咽喉扩音器。在操作中，咽喉扩音器被置于喉结上方或接近喉结处，以便监视和测量声带的运动。在咽喉扩音器的一种设计中，图1的放大器38具有20Hz到3kHz的带宽范围，并且可以不用电压控制的振荡器而利用监视器输出产生可听的声音。
咽喉扩音器的另一个应用的例子是辨别声带区域的损伤或其它异常，这通过用声音刺激这一区域来进行。从口向咽喉施加声音刺激，咽喉扩音器用来记录发生的响应，损伤或异常将产生能被咽喉扩音器检查和测量出的异常谐振。类似地，可以刺激耳膜，并用扩音器检查和记录相应的振动响应以便用于诊断。
这种监视器/扩音器也可以和机械的或声学的模拟源结合使用。例如，如果把声束聚集在一个肿瘤区域上，则会使肿瘤在其特定性质的预定频率特征下谐振。监视器/扩音器可以检测该谐振运动，帮助识别肿瘤类型和位置。此外，监视器/扩音器可被用于确定骨传导。把声音的或机械的模拟源加在被检查的骨骼的一端，把监视器/扩音器置于沿骨骼长度的不同位置上，以便测量和检查骨骼对刺激的传播。断裂或类似的异常状态将产生异常的或不规则的声音或指示。
监视器/扩音器可被用于听肺内部的声音，用于检查和确定与疾病有关的症状的异常声音或其它运动特征。监视器/扩音器也可以用于识别嵌入的金属心脏阀或其它类似物体的断裂。例如，监视器/扩音器通过检查阀的定向反射率(即横断面定向或RCS)的改变可以识别机械心脏阀的断裂，因为缺陷或断裂会产生间断的电接触。
一些应用的例子包括但不限于(1)起搏器，通过把监视器及其调整装置埋入而来检测心脏壁的运动，其原理和技术与常规起搏器相同或是与之的给合；(2)遥测技术；(3)荧光屏检查；(4)胎儿监视设备；(5)埋入体内的物体的检测器；(6)婴儿突发死亡综合症(SID)；(7)心电图(EKG)；(8)回波心动图；(9)图象、测量和扫描监视器及方法，可用监视器代替常规系统或和常规系统结合使用，例如超声波装置，NMR，NMI，用于各种器官、构件或组织的造影，其中包括但不限于子宫，胎儿，卵巢，骨骼，血块，脑，脊髓，肌肉，前列腺和甲状舌骨膜；(10)骨骼断裂扫描监视器；(11)增强型乳房X线照相术；(12)插入管道或其它结构中的内部引导或扫描装置，例如使用血管窥镜、内窥镜或导管插入血管、肺支气管、胃肠管、生殖器管道或尿道中的装置。
权利要求
1.一种用于检查一个或几个机体部分的运动的监视器，包括(a)用于同时向发送通路和选通通路输入脉冲序列的脉冲发生器；(b)所述沿所述发送通路发送的脉冲用来驱动一个脉冲发生器，以便提供要被施加于发送天线的相应的发送脉冲；(c)所述选通通路包括用来产生定时选通脉冲的距离延迟(rangedelay)发生器；(d)包括接收天线的接收通路；以及(e)所述定时选通脉冲使所述接收通路选择地传递由机体部分反射的并被所述接收天线接收的脉冲。
2.如权利要求1所述的监视器，其中内部机体部分包括心脏，并且其中所述监视器提供心脏运动的非声音指示。
3.如权利要求2所述的监视器，其中机体部分包括肺，并且其中所述的监视器提供肺的非声音指示。
4.如权利要求2所述的监视器，其中机体部分还包括肺，所述监视器提供相应于心脏和肺的物理运动的输出电位，并且所述输出电位可被分离成指示心脏的物理运动的心脏输出和指示肺的物理运动的肺输出。
5.如权利要求4所述的监视器，还包括用来把所述输出电位分离成为所述心脏输出的带通滤波器。
6.如权利要求4所述的监视器，还包括用来把所述输出电位分离成为所述肺输出的带通滤波器。
7.如权利要求1所述的监视器，其中所述接收通路还包括由来自所述选通通路的所述选通脉冲选通的采样与保持电路。
8.如权利要求7所述的监视器，其中的选通脉冲被从所述发送天线发送发送脉冲的时间延迟大约2ns，并且其中所述选通通路还包括产生200ps的选通脉冲的脉冲发生器，用来选通所述采样和保持电路。
9.如权利要求1所述的监视器，其中所述定时选通脉冲确定监视器的距离选通(range gating)。
10.如权利要求9所述的监视器，其中所述接收通路还包括被来自所述选通通路的所述选通脉冲选通的采样与保持电路，并且其中所述采样与保持电路沿着所述接收通路至少采样1000次。
11.如权利要求9所述的监视器，其中所述接收通路还包括用于减去背景反射的求和元件和用于放大所述求和元件的输出的放大器。
12.如权利要求11所述的监视器，还包括其输出被所述放大器的输出相乘的音频振荡器，其中所述音频振荡器的输出由来自所述放大器的信号变化的速率进行频率调制，用来产生和所述机体部分的运动速度相关的多普勒效应。
13.如权利要求12所述的监视器，其中所述接收通路还包括用于导出来自所述放大器的信号的变化速率的微分电路。
14.如权利要求11所述的监视器，其中所述接收通路还包括反馈通路，其中包括积分器，它补偿所述交流耦合放大器的输出，直到达到平衡为止，从而使得所述交流耦合放大器的输出被强制等于加于所述积分器上的参考电压。
15.如权利要求11所述的监视器，还包括双时间常数电路，使得对于和与肺运动有关的显著的检测器运动相关的大信号，具有快的交流耦合时间常数，而对于关于心脏运动的正常信号电平，具有短得多的交流耦合时间常数。
16.如权利要求15所述的监视器，其中所述双时间常数电路包括和一个电阻并联的两个彼此反向的二极管。
17.如权利要求1所述的监视器，其中所述定时选通脉冲确定至少第一和第二距离门(range gate)。
18.如权利要求1所述的监视器，其中所述发送通路还包括零差振荡器，用来产生零差振荡。
19.如权利要求18所述的监视器，其中所述零差信号被送入所述脉冲发生器，用来选择地以预定的零差频率使所述脉冲发生器导通和截止。
20.一种用于监视一个或几个内部机体部分运动的方法，包括(a)向发送通路和选通通路同时输入脉冲序列；(b)沿所述发送通路传送所述脉冲，用来驱动一个脉冲发生器，以便提供要被加到发送天线的相应的发送脉冲；(c)借助于距离延迟(range delay)发生器沿所述选通通路产生定时选通脉冲；(d)所述定时选通脉冲使接收通路选择地传递由机体部分反射的并被接收天线接收的脉冲。
全文摘要
一种非听觉脉冲定向监视器(1)，它平均大量的反射脉冲，从而产生用来调制音频振荡器(39)的电压，用来产生相应于心脏(22)或其它机体部分运动的可听的单音。其中使用幅值调制和多普勒效应。使用双时间常数，以便减少整个检测器对表面运动的影响。该监视器包括用来同时向发送通路(12)和选通通路(14)输入脉冲序列的脉冲发生器(10)。发送通路上的脉冲驱动产生送入发送天线(18)的脉冲的脉冲发生器(16)。选通通路包括产生定时选通脉冲的距离延迟发生器(30)。定时选通脉冲使接收通路(15)选择地传递从机体部分(22)反射的并被接收天线(20)接收的脉冲。两个天线(18)(20)是可以装在扁的壳体的扁铜箔。
文档编号G01S13/18GK1155236SQ95194547
公开日1997年7月23日 申请日期1995年8月8日 优先权日1994年8月9日
发明者托马斯·E·迈克埃万 申请人:加利福尼亚大学董事会