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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Monitore bzw. Überwachungsvorrichtungen
zum Erfassen, Überwachen
und Messen der Bewegen von Herz, Lunge und anderen Körperorganen,
Geweben und Elementen sowie zum Verarbeiten entsprechender biopotentieller
Signale.
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Stethoskope
und akustische Monitore
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Auf dem Gebiet der kardiopulmonaren Überwachung
ist es allgemein üblich,
mikrofonische, galvanische, Druck verwendende oder Dehnungsmessgeräte für die Aufnahme
der Schläge
bzw. Impulse kardiovaskulärer
Organe einer lebenden Person oder eines lebenden Tiers aufzunehmen.
Das Anfang des 19. Jahrhunderts von Laennec erfundene akustische
Stethoskop zur Diagnose von Brustraumerkrankungen in lebenden Patienten
durch Untersuchen der Beschaffenheit der durch verletztes Gewebe
erzeugten Töne
wird gegenwärtig
sehr weitverbreitet eingesetzt, wobei sich das Stethoskop im Laufe
des letzten Jahrhunderts praktisch nicht verändert hat.
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Beispiele für bestehende kardiopulmonare
Monitore und deren entsprechender Entwicklungstrend werden in den
folgenden Bezugsdokumenten veranschaulicht:
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Die meisten dieser Vorrichtungen
arbeiten nach akustischen Prinzipien und verstärken grundsätzlich von Herz und Lunge erzeugte
Töne.
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Diese Überwachungsvorrichtungen leiden
unter schwer wiegenden Nachteilen. Das akustische Spektrum dieser
Vorrichtungen ist gering und liegt innerhalb des unteren Endes des
Gehörspektrums,
d. h. im Bereich von 100 Hz und darunter, so dass die Körpertöne nur schwer
hörbar
sind. Die Körperorgane
und Körperteile
weisen zwar erhebliche Bewegungen auf, wobei sie jedoch inhärent ruhig
sind, und wobei die dadurch erzeugten Töne verhältnismäßig niedrig und schwach sind,
wobei sie ferner keine signifikante akustische Signatur vorsehen.
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In dem U.S. Patent US-A-4,248,244
an Chartinitski et al. wird ein Indikator zum Messen des Herzschlags
offenbart, wobei das Anzeigegerät
Elektroden zur Kopplung mit elektrischen Impulsen aufweist, die jedem
Herzschlag entsprechen. Diese Elektroden sind mit einer Schaltung
zur Erzeugung eines Bündels
alternierender elektronischer Signale als Reaktion auf jeden bei
jedem Herzschlag erzeugten elektrischen Impuls verbunden.
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Benötigt wird somit eine nicht
invasive Überwachungsvorrichtung
bzw. ein Monitor zur Überwachung der
Wandbewegung des Herzens, der Lunge und anderer Körperorgane,
Gewebe oder Elemente sowie zum Verarbeiten entsprechender biopotentieller
Signale. Der Monitor sollte mikrofone Effekte signifikant reduzieren oder
vollständig
beseitigen, und er sollte Bewegungen in einem Körper durch Bekleidung oder
aus einer gewissen Entfernung detektieren können. Der Monitor sollte kostengünstig und
durch Laien für
die Gesundheitsvorsorge zuhause und bei Sportveranstaltungen bzw.
Wettkämpfen
leicht einsetzbar sein.
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Ultraschallmonitore
und Magnetresonanz
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Ultraschallmonitore wurden zum Erfassen
der Position und der Bewegung von Körperorganen entwickelt. Diese
Monitore werden auch in Verbindung mit anderen bilddarstellenden
Vorrichtungen verwendet, wie etwa kernmagnetischen bilddarstellenden
(NMI)/ Kernresonanzsystemen (NMR) eingesetzt. Beispiele für bestehende
Ultraschallmonitore und bilddarstellende Magnetresonanzsysteme sind:
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Diese herkömmlichen Monitore bzw. Überwachungsvorrichtungen
sind allgemein sperrig, teuer im Einkauf, beim Betrieb und in der
Wartung, technisch komplex und können
von Technikern betrieben werden, die nicht vom Fach sind. Zusätzlich breiten
sich Ultraschallwellen nicht gut durch Knochen wie etwa die Rippen oder
das Brustbein oder durch dicke Fettschichten aus, und wobei sie
sich ferner nicht gut durch Luft ausbreiten, und wobei zwischen
dem Sensor und der Brustwand ein Gleitmittel zur Abstimmung des
Index erforderlich sein kann.
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Technologie
der optischen Abbildung
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Art. 54(3) des europäischen Patentübereinkommens
für internationale
Anmeldungen WO-A-94/24579 und WO-A-94/27168 offenbaren entsprechend
einen Ultrabreitband-Radarbewegungssensor
und einen elektromagnetischen Detektor für verdeckte bzw. verborgene
Objekte.
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Das Patent US-A-4,991,585 offenbart
einen nicht invasiven Respirations- und/oder Herzschlagmonitor.
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Das U.S. Patent US-A-5,040,201 an
Slump et al. beschreibt eine Technik zur Überwachung sich bewegender
Objekte wie etwa des Herzens, wobei es sich dabei um ein Röntgenstrahl-Synchronisierungsverfahren
zur bildlichen Darstellung des Herzens als Reaktion auf periodische
Impulse handelt, die zu Zeitpunkten des Zeitraums erzeugt werden,
bei denen eine bestimmte Position der Gefahr antizipiert wird.
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Ein anderes optisches Abbildungsverfahren
beschreibt das U.S. Patent US-A-5,321,501 an Swanson et al., mit
einer optischen Abbildung eines Abtastwertes, wobei die longitudinale
oder transversale Abtastung entweder durch Variation der relativen
optischen Weglängen
für einen
optischen Weg vorgesehen wird, der zu der Abtastposition und einem
Referenzreflektor führt, oder
durch Variation eines optischen Merkmals der Leistung bzw. Ausgabe
einer optischen Quelle.
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Benötigt wird somit eine neue bilddarstellende
und überwachende
Vorrichtung, welche die bestehende Röntgenstrahltechnologie sowie
andere Abbildungstechniken ersetzen oder in Verbindung mit dieser
eingesetzt werden kann, wobei die Vorrichtung die Bewegung von Organen,
Gewebe und anderen Strukturen sowie Fremdkörpern in einem Körper überwacht,
die in den Körper
eines Menschen oder eines Tiers eingebettet sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Bei der vorliegenden Erfindung handelt
es sich gemäß dem gegenständlichen
und anhängigen
Anspruch 1 um einen Monitor zur Erfassung der Bewegung des Herzens
und anderer Organe auf der Basis der Emission und der Erfassung
sehr kurzer Spannungsimpulse. Ein Impuls-Echo-Radarmodus wird in
einem sich wiederholenden Modus eingesetzt, wobei der Mittelwert
einer großen
Anzahl reflektierter Impulse vorgenommen wird, um eine Spannung
zu erzeugen, die einen Audio-Oszillator moduliert, so dass ein Ton
erzeugt wird, welcher der Herzbewegung entspricht. Bei der in diesem
Monitor eingesetzten Antenne handelt es sich für gewöhnlich um zwei flache Kupferfolien,
wodurch es ermöglicht
wird, dass die Antenne in einem im Wesentlichen flachen Gehäuse vorgesehen
werden kann. Der Monitor wandelt die erfasste Spannung in ein akustisches
Signal um, und zwar sowohl mit Amplitudenmodulation und Doppler-Effekt.
Ferner verwendet der Monitor eine doppelte Zeitkonstante zur Reduzierung
der Effekte der Sensor-zu-Oberflächenbewegung
insgesamt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine
Vorrichtung zum Erfassen und Überwachen
der Herz- und Atmungsbewegung über
Materialien, wie etwa Matratzenpolster. Der berührungsfreie Betriebsbereich kann
größer sein
als 30,48 cm (12 Zoll). Die Vorrichtung basiert ferner auf der Emission
und der Erfassung sehr kurzer Spannungsimpulse in einem Impuls-Echo-Radarmodus.
Aus einer großen
Anzahl reflektierter Impulse wird ein Mittelwert gebildet, um eine
Spannung zu erzeugen, die durch Reflexionen vom Herzen, von Arterien
und der Lunge moduliert wird.
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Aufgrund der verhältnismäßig einfachen Konstruktion
können
diese Monitore sehr kostengünstig
produziert werden. Ferner kann die Schaltkreisanordnung in einen
einzigen, kostengünstigen
Siliziumchip auf der Basis eines 2 Mikron CMOS-Prozesses integriert
werden. Die Antennen des Herz- und Atmungsmonitors werden aus einfachen
Drähten
gebildet, die in eine Matte, eine Matratze oder eine Rückenlehne
gemeinsam mit der Schaltkreisanordnung eingebettet werden können, so
dass eine kostengünstige
Lebensüberwachungsvorrichtung
vorgesehen wird, die also dazu dient, zu bestimmen, ob eine auf
der Matte liegende oder auf einem Stuhl sitzende Person, noch am
Leben ist, oder wenn sich die Lebenszeichen der Person geändert haben.
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Eine potentielle Anwendung ist die
Unterscheidung des Vorhandenseins von lebenden Personen oder Tieren
von unbelebten Objekten in jeder Umgebung, wie etwa Personen, die
unter Trümmern
bzw. Schutt begraben oder einfach nicht sofort sichtbar sind. Bei
derartigen Anwendungen kann die Bewegung insgesamt oder vorzugsweise
die Atmung gemessen werden. Die Atmungsüberwachung sieht eine gute
Unterscheidung zwischen lebendigen Personen (oder Tieren) und unbelebten
Objekten vor, wenn sich letztere wackelnd bewegen, da das Wackeln
für gewöhnlich in
einem Zeitrahmen von zwei Sekunden oder darunter (über 0,5
Hz) auftritt, wohingegen die Atmung für gewöhnlich in einem Zeitmaßstab von über 2 Sekunden
(unter 0,5 Hz) auftritt. Demgemäß kann der
Monitor bei Dualbandfiltern zwischen der wackelnden Bewegung von
unbelebten Objekten und der Atmung und der wackelnden bzw. schwingenden
Bewegung lebendiger Kreaturen unterscheiden. Mögliche Verbesserungen der vorliegenden
Monitore können
unter anderem das Hinzufügen
eines leistungsstarken Sender-/Schrittgenerators und einer Reflektorantenne
für einen
verbesserten Entfernungsbereich/Empfindlichkeit aufweisen. Diese
Monitore wären
somit nützlich
zum Detektieren von Katastrophenopfern.
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Der vorliegende Monitor detektiert
nicht-akustisch die mechanische Bewegung eines oder mehrerer innerer
Körperteile,
wie etwa des Herzens, der Lunge, der Arterien, der Venen, den Herzschlag
von Föten
sowie der Stimmbänder,
und der Monitor weist einen Impulsgenerator zur gleichzeitigen Eingabe
einer Impulsfolge in einen Sendepfad und in einen Tastpfad ein.
Die entlang des Sendepfads übermittelten
Impulse steuern einen Impulsgenerator und sehen entsprechende Sendeimpulse
vor, die einer Sendeantenne zugeführt werden.
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Der Tastpfad weist einen Bereichsverzögerungsgenerator
auf, der einen zeitgesteuerten Auftastimpuls erzeugt. Der zeitgesteuerte
Auftastimpuls bewirkt, dass der Empfangspfad selektiv von den Körperteilen reflektierte
und von einer Empfangsantenne empfangene Impulse leitet. Das Ausgabepotenzial
des Monitors kann in ein Herzausstoßvolumen und ein Lungenausstoßvolumen
getrennt werden, welche entsprechend die physikalische Bewegung
des Herzens bzw. der Lunge anzeigen.
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Die zeitgesteuerten Auftastimpulse
des Monitors tasten eine Abtast-Halte-Schaltung entlang dem Empfangspfad.
Der Monitor weist ferner eine doppelte Zeitkonstante auf, wodurch
für große Signale
im Verhältnis
zu der Gesamtbewegung des Sensors im Verhältnis zu der Lungenbewegung
eine schnelle Wechselstromkopplungs-Zeitkonstante gegeben ist, und
wobei für
normale Signalebenen in Bezug auf die Herzbewegung eine deutlich
langsamere Wechselstromkopplungs-Zeitkonstante gegeben ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Herzmonitors;
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2 ein
Zeitsteuerungsdiagramm des Monitors aus 1;
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3 eine
schematische Darstellung einer Antenne, die Bestandteil des Monitors
aus 1 ist, und wobei
ein Ausschnitt eines allgemein flachen Gehäuses dargestellt ist;
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4 zwei
Zeitsteuerungsverlaufsdiagramme, welche die von dem Monitor aus 1 empfangenen Signale an
zwei Positionen in der Nähe
des Herzens darstellt;
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5 vier
Zeitsteuerungsverlaufsdiagramme, welche die von dem Monitor aus 1 empfangenen Signale darstellt,
und wobei diese Signalen entsprechen, die von verschiedenen Blutgefäßen reflektiert
werden;
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6 ein
beispielhaftes Schaltdiagramm des Monitors aus 1;
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7 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen kontaktfreien bzw. berührungslosen
Herz-Lungen-Monitors;
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8 eine
schematische Darstellung einer Antenne, die Bestandteil des Monitors
aus 7 ist, und wobei
ein Ausschnitt eines allgemein flachen Gehäuses dargestellt ist;
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9 zwei
Zeitsteuerungsverlaufsdiagramme, welche die von dem Monitor aus 7 empfangenen Signale darstellen,
wobei das obere Diagramm das Herz- und Lungenverhalten darstellt,
und wobei das untere Diagramm das Herzverhalten bei angehaltener
Atmung darstellt;
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10 ein
Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Monitors
unter Verwendung einer homodynen Schaltung;
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11 ein
beispielhaftes Schaltdiagramm des Monitors aus 10; und
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12 einen
Zeitsteuerungsgraphen unter Verwendung des Monitors aus 1 als Rachenmikrofon, das
den gesprochen Worten "one
thousand" entspricht
und diese veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Der allgemeine Betrieb des Monitors
basiert auf der Emission eines Impulses von einer Sendeantenne,
wobei eine kurze Zeit gewartet und danach ein mit einer Empfangsantenne
verbundenes Gatter geöffnet wird,
um das Abtasten des reflektierten Impulses zu ermöglichen.
Bei einer Anwendung, bei welcher der Monitor als Stethoskop verwendet
wird, entspricht die Wartezeit etwa der Umlaufflugzeit bei Lichtgeschwindigkeit in
Gewebe von einem Zoll, d. h. 2,54 cm. Bei einer anderen Anwendung,
bei welcher der Monitor als berührungsloser
Herz-Lungen-Monitor
eingesetzt wird, entspricht die Wartezeit etwa der Umlaufflugzeit
bei Lichtgeschwindigkeit in freiem Raum (oder in einer Kombination
aus freiem Raum und einem Zoll Gewebe) von 30,48 cm (12 Zoll) oder
darüber.
Es konnte experimentell bestimmt werden, dass Atmung bei einer Entfernung
von 335,28 cm (11 Fuß)
bestimmt werden kann.
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Der Ablauf wird mit einer Frequenz
von 1 MHz wiederholt, so dass vor der Steuerung von Zubehöreinrichtungen
eine Mittelwertbildung aus 10.000 Empfangsimpulsen möglich ist,
wobei derartige Einrichtungen unter anderem akustische oder visuelle
Anzeigen umfassen können.
Die Mittelwertbildung auf hohem Niveau reduziert das abgetastete
Signal begleitende Rauschstörungen
in einem derartigen Ausmaß,
dass Signale mit außerordentlich
niedriger Amplitude erfasst werden können. Der wiederholte Betrieb
führt ferner
zu einer extremen Vereinfachung der gesamten Schaltung. Die mittelwertgebildeten
Impulse sehen ein Spannungsniveau vor, das dem Radarreflexionsvermögen bei
einer Entfernung entspricht, die durch die Verzögerung zwischen dem emittierten
Impuls und dem Zeitpunkt des Auftastens oder dem Betrieb einer mit
der Empfangsantenne zusammenwirkenden Abtastschaltung definiert
ist. Dieser Prozess wird als "Bereichsabtastung" bzw. "Entfernungsabtastung" bezeichnet und sieht
Tiefeninformationen über
das abgetastete Organ, Gewebe, die abgetastete Membran oder Struktur
vor.
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Der Monitor kann das "Entfernungsgatter" (d. h. den gescannten
Bereich abtasten, scannen oder bildlich darstellen, und er misst
die Reflektivität
auf einer vorbestimmten Tiefe. Während
sich der Herzmuskel durch das Entfernungsgatter bewegt, ändert sich
das Reflexionsvermögen
innerhalb des Entfernungsgatters. Ein auf diesen Grundsätzen basierender
Bewegungssensor wird in dem 1. November 1994 erteilten U.S. Patent
U5-A-5,361,070 an Thomas E. McEwan mit dem Titel "Ultra-Wideband Radar
Motion Sensor" offenbart. Das
Gatter wird kennzeichnenderweise nur für eine Dauer offen gehalten,
die der emittierten Impulsbreite entspricht. Die vorliegende Erfindung
verwendet ferner einen Ultrabreitband-Empfänger, der in dem am 6. September 1994 an
Thomas E. McEwan erteilten U.S. Patent US-A-5,345,471 mit dem Titel "Ultra-Wideband Receiver" beschrieben ist.
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Die vorliegende Erfindung basiert
somit auf dem Impuls-Echo-Radarprinzip
der Taktung der Umlaufflugzeit eines elektromagnetischen Impulses.
Der hierin verwendete Begriff Radarimpuls betrifft einen kurzen, abgestrahlten
Impuls, der das lange sinuskurvenförmige Bündel ersetzt, das in der herkömmlichen
Radartechnologie zum Einsatz kommt. Dem Impulsradar ist keine spezielle
Frequenz zugeordnet, vielmehr stehlt das Frequenzspektrum hier im
Verhältnis
zu der Fourier-Transformation
des Impulses. Die im freien Raum abgestrahlte Impuls stellt einen
Sinushalbwellenimpuls mit einer Breite von etwa 200 ps dar. Die
Antenne ist kennzeichnenderweise kürzer als eine halbe Wellenlänge der
Komponente mit der höchsten
Frequenz in dem Spannungsimpuls. Einer der wichtigen Vorteile des
Impulsradars ist es, dass das Spektrum so niedrig wie möglich angeordnet
ist, dort wo die Gewebedämpfung
am geringsten ist. Zu den weiteren Vorteilen zählen die einfache Bauweise
und die niedrigen Kosten.
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Die Abbildung aus 1 veranschaulicht einen Monitor 1.
Bei dieser speziellen Anwendung wird der Monitor 1 als
Stethoskop verwendet. Hiermit wird jedoch festgestellt, dass der
Monitor 1 auch für
eine Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt werden kann.
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Ein Rauschgenerator 9 moduliert
den Impulsfolgefrequenz/Impulsfolgeintervall-Generator 10 (PRF/PRI-Generator),
so dass eine Impulsfolgefrequenz mit durchschnittlich 1 MHz und
einer Zufallsschwankung von 1–10%
um etwa 1 MHz erzeugt wird, d. h. ein PRF-Zittern von 1–10%. Das
Zittern (Dithering) erweitet das Emissionsspektrum von der Antenne
T, so dass mögliche
Interferenzen für
andere Spektrumnutzer reduziert werden, und wobei das Zittern ferner
die Abtastungen extern interferierender Signale randomisiert, die
an der Empfangsantenne R auftreten, die von der Empfangsabtasteinrichtung 26 aufgenommen
werden. Die empfangenen Signale an der Antenne R werden abgetastet
und aus ihnen wird ein Mittelwert gebildet, wobei die randomisierten
Abtastwerte einen Mittelwert von Null ergeben, wobei die Interferenzen
von anderen Quellen wie etwa Hochfrequenzsendern im Wesentlichen
eliminiert werden. Die gewünschten
Echos bleiben von dem Dithering bzw. Zittern unberührt, da
sie zu einem festen Zeitpunkt kurz nachdem sie gesendet wurden empfangen
werden und nicht von dem genauen Zeitpunkt des Auftretens des nächsten Wiederholungsintervalls
betroffen sind. Das Dithering sieht eine Spektrumkompatibilität mit herkömmlichen
Hochfrequenznutzern vor und ermöglicht
den Einsatz einer Mehrzahl von Impulsüberwachungseinrichtungen, die
dicht aneinander angeordnet sind. Die Abtastwahrscheinlichkeit für die von
anderen Impulssystemen emittierten kurzen Impulse ist sowohl willkürlich als
auch außerordentlich
gering, und wobei die Wahrscheinlichkeit des sequentiellen Abtastens
von ausreichend Impulsen von einem anderen Impulssystem für die Konstruktion
eines zusammenhängenden,
detektierbaren Signals außerordentlich
gering ist.
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Impulse von einem 1 MHz Impulsfolgefrequenz/Impulsfolgeintervall-Generator
10 (PRF/PRI-Generator) werden in zwei parallele Pfade bzw. Wege
eingegeben, und zwar in einen Sendepfad 12 und einen Tastpfad 14.
In dem Sendepfad 12 steuert der PRF/PRI-Generator 10 einen
Impulsgenerator 16, der einen 5V-Sendeimpuls mit einer
Impulsbreite von 200 ps vorsieht, welcher der Sendeantenne (T) 18
zugeführt
wird.
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Die Empfangsantenne (R) 20 nimmt
den von einer abgetasteten Probe reflektierten Impuls auf und führt diesen
einer Abtast-Halte-Schaltung 26 (S/H)
zu, die durch einen Auftastimpuls von dem Tastpfad 14 getastet
wird. Die abgetastete Einrichtung kann ein Körperorgan darstellen, darunter
unter anderem das Herz 22 hinter einer Brustwand 24,
ein Fötus,
die Eierstöcke,
die Stimmbänder,
ein Knochen, ein Blutgerinnsel (Hämatom), das Gehirn, das Rückenmark,
Muskeln, die Prostata, die Schilddrüse. Zur einfacheren Veranschaulichung
wird das Objekt durch das Herz 22 beispielhaft dargestellt.
Der Auftastimpuls wird um ungefähr
2 ns von dem Zeitpunkt verzögert,
zu dem die Sendeantenne 18 den Impuls abstrahlt. Impulse
von dem PRF/PRI-Generator 10,
die in den Sendepfad 12 eingegeben werden, werden gleichzeitig
in den Tastpfad 14 eingegeben, wo sie durch einen Bereichsverzögerungsgenerator 30 gefolgt
von einem Impulsgenerator 32 verlaufen, der einen Auftastimpuls
von 200 ps zur Steuerung eines Tastschalters 34 erzeugt.
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Der Bereich bzw. die Entfernung des
Verzögerungsgenerators 30 wird
verstellbar so geregelt, dass die Tiefenempfindlichkeit oder das
Tastgatter des Monitors 1 gesteuert wird. In dem vorliegenden
Beispiel wird der Impuls um etwa 2 ns verzögert, so dass der Bereich des
Monitors 1 etwa 2,54 cm bis 5,08 cm (1 Zoll bis 2 Zoll) in
Gewebe entspricht. Der Auftastimpuls schließt den Schalter 34,
so dass reflektierte Impulse von dem Bereichsgatter entlang eines
Empfangspfads 15 in die Abtast-Halte-Schaltung (S/H) 26 eingegeben
werden.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die S/H-Schaltung 26 einen mit der Erde verbundenen Kondensator 28 auf.
Dadurch werden Reflexionen oder fehlende Reflexionen, die in 2,54
cm bis 5,08 cm (1 bis 2 Zoll) von der Antenne 20 auftreten,
abgetastet. Die Größe des Kondensators 28 in
der Abtast-Halte-Schaltung 26 ist
ausreichend groß,
so dass er durch jede Abtastung nur teilweise geladen wird, und
wobei ungefähr
10.000 Abtastungen erforderlich sind, damit die Schaltung ein Gleichgewicht
mit dem Empfangsantennensignal erreicht. Bei einer beispielhaften
Konstruktion liegt der Kondensator 28 im Bereich von 100
Picofarad. Das Produkt der Impedanz der Empfangsantenne 20 und
der Kapazität
des Kondensators 28 ergibt eine Zeitkonstante, die deutlich
größer ist
als die Breite des Auftastimpulses, so dass zum Laden des Kondensators 28 zahlreiche
Impulse erforderlich sind.
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Das Zeitsteuerungsverhältnis ist
in der Abbildung aus 2 dargestellt.
Die vier Wellenformen sind über
ein Impulswiederholintervall (PRI) dargestellt. Ein Impuls mit einer
Breite von 200 ps wird von der Sendeantenne 18 abgestrahlt.
Der reflektierte Impuls von der Empfangsantenne 20 fällt mit
dem Auftastimpuls zusammen. Jeder empfangene Impuls erzeugt eine
inkrementale Spannungsänderung ΔV an dem
Kondensator der S/H-Schaltung 26. Die Kondensatorspannung ist die
Ausgabe der Mittelwert bildenden S/H-Schaltung 26. Das Inkrement ΔV = 1/N der
insgesamt empfangenen Impulse, wobei N die Anzahl der Abtastungen
darstellt, aus denen ein Mittelwert gebildet worden ist, wobei diese
Anzahl kennzeichnenderweise 10.000 entspricht, wobei N aber auch
einen anderen Wert annehmen kann..
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Die Rauschspannung an der Abtast-Halte-Schaltung 26 wird
durch einen Faktor reduziert, der im Verhältnis zu der Quadratwurzel
der Anzahl der Abtastungen steht, für die ein Mittelwert gebildet
worden ist, wobei die Zahl in diesem Fall 100 entspricht,
und durch einen Faktor, der im Verhältnis zu der effektiven Zeitkonstante der
Mittelbildungsschaltung im Verhältnis
zu dem PRF des Systems und der momentanen Bandbreite der Abtasteinrichtung
steht – ein
Faktor, der von der abgetasteten Datenbeschaffenheit der Abtast-Halte-Schaltung 26 stammt.
Im Vergleich zu einer Schaltung mit einer Bandbreite von 2 GHz,
d. h. der Bandbreite des abgestrahlten Impulses, wird eine Rauschreduzierung
von über
60 dB erreicht.
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Die Abtast-Halte-Ausgabe wird einem
Spannungs-Summierelement oder einem Summierer 36 zugeführt, der
Hintergrundreflexionen subtrahiert, wie dies hierin beschrieben
ist. Die Ausgabe des Summierers 36 wird durch einen Verstärker (A)
38 verstärkt,
der kennzeichnenderweise eine Verstärkung von 60 dB mit einem Gleichstrom-Durchlassbereich
bis 16 Hz aufweist. Die Ausgabe eines Rechteckimpulsgenerators oder
Oszillators 39 wird durch einen Multiplizierer 37 mit
der wechselstromgekoppelten Amplitude der Spannung von dem Verstärker 38 multipliziert
und durch die Änderungsrate
des Signals von dem Verstärker 38 frequenzmoduliert,
wodurch ein Doppler-Effekt erzeugt wird, der im Verhältnis zu
der Geschwindigkeit der Herzmuskelbewegung steht. Die Ausgabe des
Verstärkers 38 wird
einem Bandpassfilter 44 (20–5000 Hz) zugeführt, und
von dort an einen Auswahlschalter 45, der die akustische
Detektierung der Abtastbewegung ermöglicht, wie etwa des Herzschlags.
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Ein Tiefpassfilter 46 lässt Frequenzen
von weniger als 20 Hz durch und ist mit dem Ausgang des Verstärkers 38 verbunden.
Die Änderungsrate
wird von einer Unterscheidungsschaltung (40) abgeleitet,
die in einer vereinfachten Konstruktion aus einer RC-Schaltung gebildet
werden kann, die einen Kondensator 40C umfasst, kennzeichnenderweise
im Bereich von 1 Mikrofarad, und einen Parallelwiderstand 40R,
kennzeichnenderweise im Bereich von 10 Kiloohm. Ein Tiefpassfilter 41 wird
dazu verwendet, die resultierenden Oberschwingungen am Ausgang des
Multiplizierers 37 abzuschwächen, um einen angenehmen akustischen
Ton über
eine Hörmuschel,
einen Lautsprecher oder einen Kopfhörer 42 zu erzeugen.
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Die biopotentiellen Signale an dem
Ausgang des Verstärkers 38 und
des Multiplizierers 37 sind zwar als Eingabe in den Bandpassfilter 44 und
den Tiefpassfilter sowie entsprechend den Kopfhörer 42 veranschaulicht,
wobei hiermit jedoch festgestellt wird, dass diese biopotentiellen
Signale alternativ oder gleichzeitig mit einem Computer oder anderen
Vorrichtungen oder Systemen 43 verbunden werden können, zu
denen unter anderem eine visuelle Anzeige zum Vorsehen visueller
Anzeigen zählt,
und/oder um diese Vorrichtungen oder Systeme zu steuern bzw. in
Verbindung mit diesen zu arbeiten. Wenn eine visuelle Anzeige verwendet
wird, würde
diese eine Anordnung von Lumineszenzdioden (LEDs) aufweisen, die
sequentiell im Verhältnis
zu der angelegten Spannung aufleuchten, wobei dabei eine lineare
Beziehung zu der Reflexionsstärke
des von dem Herzen 22 reflektierten Impulses steht.
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Der Rechteckimpulsgenerator 39 spricht
merklich auf einem Niveau an, das ungefähr 1 Mikrovolt entspricht,
die an der Empfangsantenne 20 auftreten. Da systematische
Fehler in der Abtast-Halte-Schaltung 26, dem Summierer 36 und
dem Verstärker 38 deutlich
im zweistelligen Millivoltbereich liegen können, müssen diese Fehler durch Subtraktion
entfernt werden, um geringfügige Änderungen
zu detektieren, wie etwa eine Änderung
von 1 Mikrovolt, die durch eine kleine Arterie verursacht wird.
Zusätzlich
tragen Oberflächenreflexionen
von der Brustwand 24 zu der Fehlerspannung bei, welche
subtrahiert werden müssen.
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Zu diesem Zweck führt der Integrator 48 in
dem Rückkopplungsweg 50 des
Verstärkers 38 eine
Folgesteuerung der Ausgabe des Verstärkers 38 durch, bis
ein Gleichgewicht erreicht worden ist, so dass dafür gesorgt
wird, dass die Ausgabe des Verstärkers 38 einer
dem Integrator 48 zugeführten
Bezugsspannung entspricht. Da Integratoren eine besonders hohe Gleichstromverstärkung aufweisen,
wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang des Verstärkers 38 und
der Bezugsspannung auf einen zu vernachlässigenden Wert reduziert. Der
Integrator 48 in dem Rückkopplungsweg 50 des
Verstärkers 38 entspricht
einem Differentiator in dem Vorwärtsweg,
d.h. der Verstärker
verhält
sich als wäre
er wechselstromgekoppelt. Der Vorteil des Einsatzes des Integrators 48 ist
es, dass er dem Monitor Vormagnetisierungsstrom zuführt, Fehler
in dem Verstärker 38 subtrahiert
und eine einfache Implementierung einer doppelten Zeitkonstante
ermöglicht.
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Das Ansprechverhalten der Verstärker-/Integratorschaltung
insgesamt ist derart, dass für
große
Signale im Verhältnis
zu der Sensorbewegung insgesamt im Verhältnis zu der Brust des Patienten
eine schnelle Wechselstromkopplungs-Zeitkonstante existiert, und
wobei für
normale Signalebenen im Verhältnis
zu der Herzbewegung eine deutlich langsamere Wechselstromkopplungs-Zeitkonstante
gegeben ist, die eine treue Wiedergabe der Herzbewegung ermöglicht.
Die doppelte Zeitkonstante wird über
eine doppelte Zeitkonstantenschaltung 51 vorgesehen, die
aus zwei Dioden 52, 53 gebildet wird, nebengeschlossen
durch einen Widerstand 54. Kennzeichnenderweise liegt der
Widerstand 54 im Bereich von 1 Megaohm, und bei den Dioden 52, 53 handelt
es sich um übliche
Computerdioden wie etwa 1N4148.
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Obwohl dies grafisch nicht veranschaulicht
ist, wird hiermit festgestellt, dass eine geeignete lineare Translations-
oder Übersetzungsstufe
oder ein anderer Mechanismus mit dem Monitor 1 verbunden
werden kann, um diesen entweder transversal oder lateral im Verhältnis zu
dem Abtastobjekt (d.h. dem Herzen 22) zu bewegen, um eine
zweidimensionale oder mehrdimensionale Abtastung vorzusehen. Ein ähnlicher
Mechanismus kann vorgesehen werden, um den Monitor 1 in
die andere transversale oder laterale Richtung zu bewegen, um die
mehrdimensionale Abtastung des Abtastobjekts vorzusehen.
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Die Abbildung aus 3 zeigt die Geometrie der Antennen 18, 20.
Wie dies in der Draufsicht schematisch dargestellt ist, sind die
Sendeantenne (T) 18 und die Empfangsantenne (R) 20 als allgemein
rechteckige Schaltantennen aus Kupferfolie veranschaulicht, deren
seitliche Abmessung zwischen 0,635 cm und 2,54 cm (1/4 bis 1 Zoll)
liegt. Die Antennen 18, 20 werden aus einem dielektrischen
Haltesubstrat 55A einer Schaltplatte 55 ausgebildet
und mit einer Grundebenenplatte 55B aus Metall, wie etwa
aus Kupfer verbunden. In dem veranschaulichten Beispiel entspricht
die Breite W der Schaltlatte 55 etwa 5,08 cm (2 Zoll),
während die
Länge L
etwa 10,16 cm (4 Zoll) entspricht. Die Antennen 18, 20 befinden
sich in einem allgemein flachen und dünnen Gehäuse 55H mit einer Dicke D von
etwa 1,905 cm (0,75 Zoll).
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Ein elektromagnetisches Feld entwickelt
sich zwischen der Grundebenenplatte
55B und den Antennen
18,
20,
so dass ein Breitbandmonopol gebildet wird, der gut mit einem Material
mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
gekoppelt werden kann, wie etwa der Brust. Die Antennen
18,
20 dienen
zur Nahbereichsüberwachung
und sind für
die Ausbreitung der Wellen in dem Körper bemessen der eine höhere Dielektrizitätskonstante
als Luft aufweist. Folglich wird bei der Konstruktion des Entfernungsgatters
oder bei der "Entferungstastung" des Monitors
1 die
langsamere Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen
durch die Körpergewebe
im Verhältnis
zu Luft berücksichtigt.
Diesbezüglich
entspricht die Ausbreitungsimpedanz in freiem Raum Z
o (Raum)
wobei μ
o die
Permeabilität
von Vakuum und ε
o die Dielektrizitätskonstante von Vakuum darstellen.
Die Ausbreitungsimpedanz in einem Material (z. B. Muskel- oder Körpergewebe)
mit ε
r = 40 entspricht:
Die Muskelausbreitungsimpedanz
entspricht 60 Ohm, und die Ausbreitungsimpedanz von Blut (ε
r =
60) ist gleich 49 Ohm. Der Impedanzunterschied bewirkt eine unterschiedliche
Reflexionsstärke
zwischen dem Herzmuskel und dessen Blut.
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Bei einer eindimensionalen Analogie
zu der Ausbreitung entlang einer Übertragungsleitung, die mit
der Zeitbereichsreflektometrie (TDR-Verfahren) gleichgesetzt werden
kann, werden Reflexionen von dem Herzmuskel gleich den Reflexionen
von einer Unterbrechung der Übertragungsleitung.
Der Reflexionskoeffizient Γ, der
als (Y – 1)/(Y
+ 1) definiert ist, mit Y = Z(Herz)/Z(Blut), kann angewandt werden,
um zu bestimmen, welcher Anteil des abgestrahlten Impulses zurückgeführt wird.
Zum Beispiel weist ein Herzmuskel mit εr =
40 eine Reflexionsgröße von 9,9%
im Verhältnis
zu Blut auf. Somit entspricht die Differenz der Reflexionsgröße zwischen dem
Vorhandensein und dem Fehlen des Herzmuskels 9,9%.
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Bei einer bestimmten Anwendung, bei
der ein metallisches Objekt, wie etwa die Zuleitung 22L (in der Abbildung
aus 1 durch eine gestrichelte
Linie dargestellt) eines Herzschrittmachers in dem Herz 22 vorgesehen
ist, oder beim Einsatz eines mechanischen Ventils 22V (das
in der Abbildung aus 1 durch
eine gestrichelte Linie dargestellt ist), wäre die Reflexion sehr hoch,
wie etwa bei einem metallischen Objekt bei 1,0, da das Metall leicht
von Körpergewebe
unterschieden werden kann und eine mehrfach höhere Reflexionsstärke aufweist.
Selbst wenn das metallische Objekt einen deutlich kleineren Querschnitt
aufweist, wie dies bei der Zuleitung 22L der Fall sein kann, lässt es sich
in der Praxis leicht erkennen, solang die Polarisierungen des Drahts
und der Monitorantenne übereinstimmen – was im
Falle der Zuleitung 22L und in Bezug auf die vertikale Ausrichtung
des Monitors 1 allgemein der Fall ist.
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Die vorliegende Erfindung überwindet
die schwere Einschränkung
als Folge einer veränderlichen
Reflexionsstärke
von der ersten Oberfläche
der Brustwand 24. Das Problem der Änderung der Reflexionsstärke der
ersten Oberfläche
wird durch Abstrahlen eines Impulses bewirkt, der ein Nachschwingen
bzw. Nachhallen aufweist, einen häufig auftretenden Effekt, wenn
Impulse durch eine Antenne gestrahlt werden. Was zeitlich später gestrahlt
wird, fällt
in das Abtastgatter, wenn es von Objekten oder Gewebe reflektiert
wird, die dichter an dem vorgesehenen Bereichsgatter 54 angeordnet
sind, d.h. es existiert ein verschobenes Bereichsgatter. Demgemäß werden
Nachhallkomponenten von der vorderen Oberfläche der vorderen Oberfläche der
Brustwand 24 reflektiert und fallen gleichzeitig in die
Reflexionen von dem Herz 22. Tatsächlich können diese Reflexionen der
vorderen Oberfläche
die gewünschten
Reflexionen überschreiten.
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Die Lösung dieses Problems wird durch
Strahlen einer bestimmten Wellenform mit Halbsinuskurvenform und
ohne Nachschwingen erreicht. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
emittiert der Monitor 1 somit einen Impuls mit der gewünschten
Wellenform. Dies kann durch die zweckmäßige Konstruktion der Sendeantenne 18 erreicht
werden, wobei die Abmessungen im Verhältnis zu einer 1/4 Wellenlänge kurz
ist, wie sie durch eine Sinushalbwelle definiert ist. Wenn die Wellenform
Nachschwingen oder Komponenten aufweist, die von einem sauberen
Sinushalbwellenimpuls abweichen, so weist das Ansprechverhalten
des sich durch das Bereichsgatter 54 bewegenden Herzmuskels
mehrere Impulse auf, die wirksam die wahrgenommene Herzfrequenz
multiplizieren. Demgemäß dürfen die
Sendeantenne 18 und die Empfangsantenne 20 nicht
nachschwingen, so dass beide durch einen Widerstand abgeschlossen
werden und eine geringere Dimension als 1/4 Wellenlänge aufweisen.
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Die Abbildung aus 4 veranschaulicht zwei Zeitsteuerungsverlaufsdiagramme,
welche die von dem Monitor 1 aus 1 empfangenen Signale an zwei Positionen
in der Nähe
des Herzens darstellt. Die Abbildung aus 5 veranschaulicht vier Zeitsteuerungsverlaufsdiagramme,
welche die von dem Monitor 1 empfangenen Signale darstellt
sowie entsprechende Signale, die von der linken Halsschlagader,
dem linken Handgelenk, der linken Oberarmschlagader und der linken
Oberschenkelarterie reflektiert werden.
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Die Zeitsteuerung des Bereichsgatters
kann zwischen den beiden Bereichsgattern 54 und 54A alterniert
werden (teilweise in der Abbildung aus 1 durch eine gestrichelte Linie dargestellt).
Die entsprechende Erfassungsspannung kann an zwei separaten S/H-Schaltungen
gespeichert werden, wie dies in dem U.S. Patent US-A-5,361,070 mit
dem Titel "UltraWideband
Radar Motion Sensor" veranschaulicht
wird.
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Der Betrieb des zweiten Bereichsgatters 54A ist
dem Betrieb des ersten Bereichsgatters 54 ähnlich, und
jedes Bereichsgatter 54, 54A kann unabhängig geregelt
und eingestellt werden. Folglich kann die Reflektivität von den
unabhängigen
Bereichsgattern 54 und 54A unabhängig voneinander
oder in Verbindung miteinander verarbeitet werden. Wenn das erste
Bereichsgatter 54 zum Beispiel so eingestellt wird, dass
es die vordere Wand 22F des Herzens 22 detektiert,
und das zweite Bereichsgatter 54A so eingestellt wird,
dass es die hintere Wand 22R des Herzens 22 detektiert,
so können
signifikante und wertvolle Informationen gesammelt werden, die sich
auf den Kontraktions- und Expansionszyklus des Herzens 22 beziehen.
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Der Einsatz von doppelten Bereichsgattern 54 und 54A führt zu einem "Stereoeffekt", wobei der Zuhörer mit
scharfer Wahrnehmung zwischen den vorderen und hinteren Wänden des
Herzens 22 platziert wird. Zusätzliche Bereichsgatter können eingesetzt
werden.
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Die Abbildung aus 6 zeigt ein Schaltungsausführungsbeispiel
des Monitors 1. Der 2 MHz PRF/PRI-Generator 10 und der
Rauschgenerator 9 werden gemeinsam aus zwei in Reihe geschalteten
Invertern (I1) 60, 61 gebildet; ein Kondensator 62 ist
zwischen den Ausgang des Inverters 61 und den Eingang des Inverters 60 verbunden,
und ein Parallelwiderstand 63 ist zwischen den Ausgang
und den Eingang des Inverters 60 verbunden. Auf den PRF/PRI-Generator
10 folgt ein Puffer, der einen Inverter (I1) 64 umfasst, und mit einem
Impulsbreitenbegrenzer 65, der einen Kondensator 66 und
einen Parallelwiderstand 67 umfasst. Die Impulse verlaufen
zu dem Impulsgenerator 16, der aus einem Transistor Q1
= BFW92. gebildet wird, dessen Kollektor über den Widerstand RT mit der Sendeantenne 18 verbunden
ist. Die Impulse von dem PRF/PRI-Generator 10 folgen
ferner einem zweiten Weg durch den Bereichsverzögerungsgenerator 30,
der aus einem Stellwiderstand RX, einer
Streukapazität
und einer Eingangskapazität
eines Puffergatters (I1) gebildet wird. Der verzögerte Impuls wird in den Impulsgenerator 32 eingegeben,
der aus einem weiteren Transistor Q2 = BFW92 gebildet wird, der
einen Auftastimpuls erzeugt.
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Die reflektierten Signale werden
von der Empfangsantenne 20 aufgenommen und in den Kondensator 28 der
S/H-Schaltung eingegeben, der durch den Auftastimpuls über eine
Schottky-Diode Dl
= MBD701 getastet wird. Die Ausgabe der S/H-Schaltung 26 wird in
den Verstärker
(I2) 38 eingegeben. Der Eingang 36 des Verstärkers 38 dient
als Summierer für
die Ausgabe der S/H-Schaltung 26. Die Ausgabe des Verstärkers 38 stellt
das gemessene Biopotenzial dar und kann durch verschiedene Einrichtungen
und/oder Instrumente genutzt, verarbeitet oder mit diesen verbunden
werden, wie etwa dem Kopfhörer 42 ( 1). In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
gilt I1 = 74HCO4, I2 = TLC274. Ferner strahlt der sich ausbreitende
Impuls leicht über einen
Luftzwischenraum oder Material (wie etwa Muskeln, Blut, etc.) mehrerer
Zentimeter.
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Der Ausgang des Verstärkers 38 ist
mit einer Verstärkungsschaltung 70 verbunden,
um den Verstärker 38 zusätzlich zu
verstärken.
Die Verstärkungsschaltung 70 weist
einen Operationsverstärker 71 auf,
der über einen
Widerstand 72 mit dem Ausgang des Verstärkers 38 verbunden
ist, und der durch einen parallel verbundenen Kondensator 73 und
einen Widerstand 74 nebengeschlossen wird.
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Der Ausgang des Verstärkers 71 ist
mit einem Schwellenwertdetektornetz 75 verbunden, um festzustellen,
ob die Monitorausgangsleistung vorbestimmte obere und untere Schwellenwerte übersteigt.
Das Schwellenwertdetektornetz 75 umfasst allgemein zwei
Komparatoren oder Operationsverstärker 76, 77 (I3
= TLC274), deren Ausgänge über zwei
Dioden 78, 79 und einen Widerstand 80 mit
einem Schalter 81 (Q3) verknüpft sind. Wenn im Betrieb der
obere oder der untere Schwellenwert überschritten wird, steuert
der entsprechende Operationsverstärker 76 oder 77 den
Schalter 81 in einen leitfähigen Zustand. Der Ausgang
des Schalters 81 kann daraufhin dazu verwendet werden,
eine Alarm- oder eine andere geeignete Schaltung zu steuern. Wen
der Monitor in Verbindung mit oder als Teil eines Herzschrittmachers
verwendet wird, wird der Ausgang des Schalters 81 über einen
entsprechenden Widerstand 82 gemessen, um eine gewünschte Anzeige
vorzusehen, wie etwa eine Aktivitätserkennung, um den Betrieb
einzuleiten oder zu sperren. Die Empfindlichkeit des Schwellenwertdetektornetzes 75 kann
durch ein Potentiometer 84 geregelt werden, um die Amplitude
des den Operationsverstärkern 76, 77 zugeführten Signals
zu regeln.
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Ein Spannungsgleichrichternetz 86 ist
mit dem PRF/PRI-Generator 10 verbunden,
um –3
Volt verschiedenen Komponenten des Monitors zuzuführen, wie
etwa dem Verstärker 71.
Das Spannungsgleichrichternetz 86 weist allgemein zwei
parallele Inverter (I1) 87, 88 für
die Zufuhr einer Rechteckwellenspannung von 0 bis 5 V auf. Zwei
Dioden 89, 90 sind über einen Kondensator 91 mit
dem Ausgang der Inverter 87, 88 verbunden. Ein
Parallelkondensator 92 ist mit der Diode 90 verbunden,
so dass das Spannungsgleichrichternetz 86 die Rechteckwellenspannung
gleichrichtet und Pegel verschiebt, um eine dauerhafte Ausgangsspannung von –3V zu erzeugen.
Ein Ausgangswiderstand 93 ist mit dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 70 verbunden,
um eine übermäßige Stromentnahme
zu verhindern. Die Werte vieler in den Schaltdiagrammen aus den 6 und 11 dargestellten Komponenten sind in
den oben genannten U.S. Patenten US-A-5,345,471 und US-A-5,361,070 identifiziert.
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Die Abbildung aus 7 veranschaulicht einen weiteren Monitor 100,
der allgemein auf ähnliche
Art und Weise arbeitet wie der Monitor 1 aus 1, wobei der Monitor zur
Ferndetektierung der Herz- und Atembewegung durch Materialien wie
ein Matratzenpolster oder eine Stuhlrückenlehne modifiziert worden
ist. Die Antennen des Monitors 100 wurden so modifiziert,
dass sie einen größeren Abtastbereich
ermöglichen.
Die akustische Ausgabe wurde weggelassen, wobei der Fachmann diese
Funktion optional hinzufügen
kann. Eine Bereichsregelung ist vorgesehen und kann so eingestellt
werden, dass die Atmung in einer Entfernung von etwa 182,88 cm (6
Fuß) erfasst
wird. Übereinstimmende
Bezugsziffern aus den Abbildungen der 1 und 7 bezeichnen identische Komponenten
mit identischen Funktionen.
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Der allgemeine Betrieb des Monitors 100 basiert
ferner auf der Emission eines Impulses von einer Sendeantenne, wobei
eine kurze Zeit gewartet wird, bevor ein mit einer Empfangsantenne
verbundenes Gatter geöffnet
wird, um das Abtasten des reflektierten Impulses zu ermöglichen.
Wenn der Monitor jedoch als berührungsloser
Herz-Lungen-Monitor verwendet wird, entspricht die Wartezeit 30,48
cm (12 Zoll) oder mehr der Umlaufflugzeit bei Lichtgeschwindigkeit
in freiem Raum (oder in einer Kombination aus freiem Raum und einem
Zoll Gewebe).
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In dem Sendepfad 112 steuert
der PRF/PRI-Generator 10 einen Impulsgenerator 116, der
einen 5 V Sinushalbwellen-Sendeimpuls mit einer Breite von 200 ps
vorsieht, der einer Sendeantenne (T) 118 zugeführt wird. Die elektrische Länge der
Sendeantenne 118 wird im Verhältnis zu dem spektralen Inhalt
der Sinushalbwelle kurz festgelegt, um ein Nachschwingen zu verhindern.
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Eine Empfangsantenne (R) 120 nimmt
den von einem Körperorgan
reflektierten Impuls auf, wie etwa einer Lunge 122 (mit
entsprechenden vorderen und hinteren Wänden 122F bzw. 122R)
und einem Herz 22 hinter einer Brustwand oder einem Objekt
wie etwa einem Stuhl 124, und wobei die Antenne den Impuls
einer Abtast-Halte-Schaltung (S/H) 26 zuführt, die durch einen Auftastimpuls
von einem Tastpfad 114 getastet wird. Der Auftastimpuls
wird um ungefähr
3 ns von dem Zeitpunkt verzögert,
an dem die Sendeantenne 118 den Impuls abstrahlt. Dadurch
werden Reflexionen abgetastet, die etwa 30,48 cm (12 Zoll) entfernt
von den Antennen 118 und 120 auftrete4n. Impulse
von dem PRF/PRI-Generator 10, die in den Sendepfad 112 eingegeben werden,
werden gleichzeitig in den Tastpfad 114 eingegeben, wo
sie durch einen Bereichsverzögerungsgenerator 130 verlaufen,
gefolgt von einem Impulsgenerator 132, der einen 200 ps
breiten Auftastimpuls zur Steuerung eines Tastschalters 34 erzeugt.
Die in der Abbildung aus 2 veranschaulichten
Zeitsteuerungsverhältnisse
gelten auch für
den Monitor 100.
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In dem Empfangspfad 115 wird
die Ausgabe des Summierungselements 36 durch den Verstärker 38 verstärkt, kennzeichnenderweise
70 dB über
einen Durchlassbereich von 0,05 bis 10 Hz und optional entsprechend
den Herz- und Lungen-Bandpassfiltern 141, 142 zugeführt.
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Die Abbildung aus 8 ist eine schematische Darstellung einer
Antenne 118, 120, die einen Teil des Monitors 100 aus 7 bildet, und wobei ein
Ausschnitt eines allgemein flachen und dünnen Gehäuses 155H dargestellt ist.
Die Antenne 118, 120 ist eine gerade Dipolantenne,
die alternativ gefaltet werden kann, mit einem Sendeelement 118 und
einem Empfangselement 120, die jeweils die Abmessungen
1,27 cm × 5,08
cm (0,5 Zoll × 2
Zoll) aufweisen und länger
sein können.
Die Antenne kann elektromagnetische Wellen innerhalb des 2 GHZ-Bands
in Übereinstimmung
mit den FCC-Anforderungen abstrahlen.
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Die Antenne ist unabhängig und
muss nicht mit einer Grundebene 155B gekoppelt werden.
Die Grundebene 155B hält
die Monitor-Schaltkreisanordnung.
Die Antennenelemente 118 und 120 können teleskopisch ausgefahren
oder eingezogen werden, um die Aufbewahrung, den Transport und auch
die Änderung
der effektiven Länge
der Antennenelemente zu erleichtern. Die Antennenelemente 118, 120 können für verschiedene
Anwendungen mit verschiedenen Markierungen entlang ihrer Längen versehen
werden, wie etwa den Markierungspunkten P. Der Markierungspunkt
P wird zum Beispiel für
Anwendungen bei Kindern etwa an der Hälfte der voll ausgezogenen
Länge der
Antennenelemente 118, 120 platziert.
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Wenn die Wellenform Nachschwingungen
oder Komponenten aufweist, die von einem sauberen Sinushalbwellenimpuls
abweichen, würde
die Reaktion des Herzmuskels oder der Lungenbegrenzung, die sich durch
das Bereichsgatter 54 bewegen, mehrere Impulse aufweisen,
wobei die wahrgenommene Herzfrequenz effektiv multipliziert wird.
Demgemäß werden
das Sendeantennenelement 118 und das Empfangsantennenelement 120 dadurch
frei von Nachschwingungen gestaltet, dass sie durch entsprechende
Widerstände
RT und RR mit einem
Widerstand abschließen,
wie dies in der Abbildung aus 6 veranschaulicht
ist.
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Folglich entspricht die reine T-R-Reaktion
einem sauberen Sinushalbwellenimpuls.
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Die exakte oder optimale Bereichsverzögerung
54 und/oder
54A kann durch die folgenden Gleichungen bestimmt werden
Bereichsgatter = 1/2 [Flugzeit(Luft) + Flugzeit(Gewebe)
wobei C die Fluggeschwindigkeit
bezeichnet, und wobei er die Dielektrizitätskonstante des Gewebes darstellt.
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Die Zeitsteuerung des Bereichsgatters 54 kann
eine Reihe von Bereichen abtasten, um den effektiven Reaktionsbereich
zu erweitern. Bei einem ansonsten auf 12 Zoll optimierten Bereichsgatter
funktioniert die Herz-Lungen-Detektion von 0 bis 30,48 cm (0 bis
12 Zoll), während
die Lungendetektion von 0 bis 45,72 cm (0 bis 18 Zoll) funktioniert.
Der Herz-Bandpassfilter 141 und
der Lungen-Bandpassfilter 142 (7) filtern selektiv das Signal an dem
Ausgang des Verstärkers 38,
um die Lungenbewegung von der Herzbewegung zu trennen und zu identifizieren.
Kennzeichnenderweise variiert die Herzfrequenz zwischen 40 Schlägen oder
weniger pro Minute und 180 Schlägen
pro Minute, während
die Atemfrequenz zwischen 2 und 20 Atemzügen pro Minute variiert. Abhängig von
den gewünschten
Anwendungen können
jedoch auch andere Bereiche ausgewählt werden. Das Schaltdiagramm
des Monitors 100 entspricht grundsätzlich dem Schaltdiagramm des
Monitors 1, dargestellt in 6,
so dass der Monitorausgang an dem Ausgang des Verstärkers 38 mit
den beiden Bandpassfiltern 141 und 142 verbunden
ist.
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Die Abbildung aus 9 veranschaulicht zwei Zeitsteuerungsverlaufsdiagramme
(A) und (B), welche die von dem Monitor 100 empfangenen
Signale darstellen. Das obere Diagramm (A) stellt eine kombinierte Herz-
und Lungenreaktion dar, und das untere Diagramm (B) stellt das Herzverhalten
bei angehaltener Atmung dar. Die Daten für beide Diagramme wurden bei
einer Entfernung der Brustwand 124 von dem Monitor 100 von etwa
30,48 cm (12 Zoll) gewonnen. Bei den Daten handelt es sich um die
Spannung oder das Biopotenzial an dem Ausgang des Verstärkers 38.
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Die Abbildung aus 10 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren
Ausführungsbeispiels
eines Monitors 200 unter Verwendung einer homodynen Schaltung.
Die homodyne Schaltung wird in der PCT Patentanmeldung mit dem Titel "Electromagnetic Hidden
Object Detektor",
WO-A-94/27168, eingereicht am 9. Mai 1994 von Thomas E. McEwan,
beschrieben.
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Der Monitor 200 weist allgemein
einen Wechselstrom gekoppelten Verstärker in dem Empfangspfad auf,
der es verhindert, dass Gleichstromsignale aus der mittelbildenden
Abtast-Halte-Schaltung
zu dem Monitorausgang verlaufen. Der Wechselstrom gekoppelte Verstärker filtert
die Gleichstrom-Verzerrungsverschiebungen
in der S/H-Schaltung 26 heraus. Die Sendeimpulse werden einer Wechselstrommodulation
unterzogen, und diese Wechselstrommodulation wird daraufhin synchron
in dem Empfänger
gleichgerichtet (homodyne Technik), wodurch der Einsatz des Wechselstrom
gekoppelten Verstärkers
in dem Empfänger
ermöglicht wird.
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Zusammengefasst wurden die Monitore 1 und 100 für den homodynen
Betrieb modifiziert. Die homodyne Technik umfasst die Modulation
eines Signals von einem PRF-Generator vor der Strahlung und Detektierung
mit einem ungedämpften
Signal (CW-Signal).
Der Empfangsverstärker
arbeitet danach mit einem Durchlassbereich, der auf dem CW-Signal
zentriert und somit Wechselstrom gekoppelt wird. Nach der Verstärkung wird
das Signal unter Verwendung des gleichen CW-Signals synchron detektiert.
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Der Monitor 200 weist einen
Homodynoszillator 202 auf, der kennzeichnenderweise mit
mehreren kHz (in dem vorliegenden Beispiel 2 kHz) arbeitet, sowie
einen PRF-Generator 204 (ähnlich dem in der Abbildung aus 1 dargestellten PRF- Generator 10),
der allgemein im Bereich zwischen 1 MHz und mehreren MHz (in dem
vorliegenden Beispiel 2 MHz) arbeitet. Das homodyne Signal kann
alternativ eine willkürliche
Impulsfolge mit einer Mittenfrequenz im Bereich von mehreren kHz
und einem Nulldurchschnitt darstellen.
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Die Signale von dem Homodynoszillator 202 und
dem PRF-Generator 204 werden
in einen Stufen- oder Impulsgenerator 206 eingegeben, wobei
der Homodynoszillator 202 eine Amplitudenmodulation des durch
den Impulsgenerator 206 erzeugten Stufensignals vornimmt,
wobei der Impulsgenerator dadurch auf der gewünschten homodynen Frequenz
von z. B. 2 kHz ein- und ausgeschaltet wird. Somit weist das von
dem Impulsgenerator 206 ausgegebene und von der Sendeantenne 218 übermittelte
Signal periodische Impulspakete mit einer Frequenz von 2 kHz auf,
so dass jeder Impuls kennzeichnenderweise Bündel (wie etwa 1.000 Impulse)
auf einer Frequenz von 2 MHz mit einem Bündelintervall von 0,5 ms umfasst.
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Wenn die Impulse über die Sendeantenne 218 übermittelt
werden, werden sie von den Wänden
eines sich bewegenden Objekts wie zum Beispiel eines Herzens (oder
einer Lunge) 22 zum Empfang durch die Empfangsantenne 220 übermittelt.
Die von dem Herz 22 reflektierten Signale werden aus einer
Folge periodischer Impulse gebildet, die den übermittelten Paketen entspricht
und eine Frequenz von 2 kHz aufweist. An der Empfangsantenne 220 wird
die Amplitude der 2 kHz Hülle
ins Verhältnis
zu der Reflexion von dem Herz 22 gesetzt.
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In einem Ausführungsbeispiel des Monitors 200 ist
es wünschenswert,
die Hülle
von 2 kHz ins Verhältnis
zu einem vorbestimmten Referenzwert des Integrators 48 zu
setzen, so dass der Monitor 200 grundsätzlich ähnlich wie die Monitore 1, 100 arbeiten
kann. Zu diesem Zweck führt
eine Empfänger-Abtast-Halte-Schaltung 26 eine
Mittelbildung der 2 MHz Bündel
(Impulse) über
eine Dauer von etwa 0,1 ms durch, so dass nur die 2 kHz Homodynfrequenz
an dem Abtast-Halte-Kondensator verbleibt. Die homodyne Frequenz
wird durch einen Wechselstrom gekoppelten Verstärker 229 verstärkt und
danach gleichzeitig durch einen synchronen Gleichrichter 230A in
einen Gleichstromwert gleichgerichtet.
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Der synchrone Gleichrichter 230A weist
einen Kondensator 230C und einen Gleichrichterschalter 2305 auf.
Der Gleichrichterschalter 2305 weist einen gesättigten
Transistor auf, und der Kondensator 230C liegt kennzeichnenderweise
im Bereich von 0,01 Mikrofarad und wird dazu verwendet, den Wert
der Spannung an der Ausgangsseite des Gleichrichterschalters oder
Transistors 2305 zu halten, wenn letzterer durch den Homodynoszillator 202 in
den leitenden Zustand gebracht wird.
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Der Vorteil des Wechselstromverstärkers 229 ist
es, dass die Gleichstrom-Vorspannungswerte des Monitors, d.h. die
Gleichstrom-Vorspannungswerte an der Abtast-Halte-Schaltung 26 nicht
durchgelassen werden (d. h. sie werden herausgefiltert). Diese Gleichstrom-Vorspannungswerte
schwanken mit Stromversorgungsschwankungen sowie abhängig von
dem in die Nähe
der Empfangsantenne 220 gebrachten Material. Der gleichgerichtete
Gleichstromwert an dem Ausgang des synchronen Gleichrichters 230A stellt
die reflektierten Impulse von dem Herz 22 dar, und der
folgende Betrieb des Monitors 200 entspricht dem der Monitore 1, 100.
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Im Betrieb schließt sich der Gleichrichterschalter 2305 während einer
Hälfte
des Zyklus des Homodynoszillators und lädt den Kondensator 230C während dieser
Zyklushälfte.
Während
der ergänzenden
(d. h. der verbleibenden) Zyklushälfte des Zyklus des Homodynoszillators
ist der Schalter 2305 offen, und der Gleichrichter 230A detektiert
keine Signale von dem Homodynoszillator 202. Als Folge
dessen stellt das dem Kondensator 230C zugeführte durchschnittliche
Signale die Spitzenamplitude des Signals (Rechteckwelle) an dem Ausgang
des Wechselstrom gekoppelten Verstärkers 29 dar, wodurch
eine Gleichstromspannung erzeugt wird, die dem Reflexionssignal
von dem Herzen 22 und nicht von der Gleichstromspannung
der Abtast-Halte-Schaltung 26 entspricht.
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Die an dem Kondensator 230C entwickelte
Gleichstromspannung stellt die Summe der von dem Herzen 22 reflektierten
gewünschten
Signale sowie der unerwünschten
Reflexionen von verschiedenen Quellen dar, einschließlich dem
Monitorgehäuse
und direkter Antennen-zu-Antennen-Kopplungen. Es wird bewirkt, dass
die Ausgabe des Gleichstrom gekoppelten Verstärkers 38 mit der Gleichstrom-Bezugsspannung übereinstimmt.
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Die Abbildung aus 11 zeigt ein beispielhaftes Schaltdiagramm
des Monitors 200 aus 10.
Der Monitor weist einen Homodynoszillator 202 auf, der
kennzeichnenderweise zwei CMOS-Inverter 150, 151 umfasst.
Die Ausgänge
des Homodynoszillators 202 sind mit dem Impulsgenerator 206 und
des synchronen Gleichrichters 230A verbunden.
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Der Empfangspfad der Schaltung des
Monitors 200 entspricht allgemein dem der Monitore 1 und 100 und
weist den Wechselstrom gekoppelten Verstärker 229 und den synchronen
Gleichrichter 230A auf. Der Wechselstrom gekoppelte Verstärker 229 ist
zwischen die mittelbildende Abtast-Halte-Schaltung 26 und
den synchronen Gleichrichter 230A geschaltet, der mit dem
Summierer 36 verbunden ist. Der Wechselstrom gekoppelte
Verstärker 229 weist
zwei CMOS-Inverter MC14069UB von Motorola auf, die als Verstärker in
einem linearen Modus verwendet werden. Der synchrone Gleichrichter 230A weist
einen bipolaren Transistor auf, wie z. B. einen Transistor 2N2222
von National Semiconductor, der durch den Homodynoszillator 202 ein-
oder ausgeschaltet wird.
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Der Gleichstrom gekoppelte Verstärker 38 weist
zwei Inverter MC14069UB von Motorola auf, die in dem linearen Modus
als Verstärker
verwendet werden. In ähnlicher
Weise weist der Integrator 48 einen Inverter MC14069UB
auf. Die Ausgabe des Gleichstromverstärkers wird nach Bedarf verarbeitet.
Während
die Schaltungen aus den offenbarten Ausführungsbeispielen als diskrete
Komponenten beschrieben worden sind, können diese Schaltungen alternativ
auch kleiner gestaltet werden, indem die Komponenten auf einer integrierten
Schaltung oder einem Chip integriert werden.
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Die Monitore 1, 100 und 200 können auch
in verschiedenen Anwendungen als Mikrofone verwendet werden. Die
Abbildung aus 12 zeigt
zum Beispiel einen Zeitsteuerungsgraphen, der den Einsatz des Monitors 1 als
Rachenmikrofon veranschaulicht, der den gesprochen Worten "one thousand" entspricht und diese grafisch
veranschaulicht. Die Monitore 100 und 200 können ebenfalls
für den
Einsatz als Rachenmikrofone angepasst werden. Im Betrieb wird das
Rachenmikrofon über
dem Bereich des Adamsapfels oder in der unmittelbaren Umgebung positioniert,
um die Bewegung der Stimmbänder
zu überwachen
und zu messen. Bei einer Konstruktion des Rachenmikrofons weist
der Verstärker 38 aus 1 einen Bandbreitenbereich
von 20 Hz bis 3 KHz auf, und die Monitorausgabe kann ohne spannungsgeregelten
Oszillator verwendet werden, um akustische Töne vorzusehen.
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Eine weitere exemplarische Anwendung
des Rachenmikrofons betrifft die Identifikation von Läsionen oder
anderen Anomalitäten
im Bereich der Stimmbänder
durch akustische Erregung dieses Bereichs. Eine akustische Erregung
wird von dem Mund aus in Richtung des Rachens ausgeübt, wobei
das Rachenmikrofon zum Aufzeichnen des resultierenden Ansprechverhaltens
verwendet wird. Eine Läsion
oder eine Anomalität würde eine
außergewöhnliche
Resonanz bzw. ein außergewöhnliches
Ansprechverhalten erzeugen, das von dem Rachenmikrofon detektiert
und gemessen werden würde.
In ähnlicher
Weise kann das Trommelfell erregt und die entsprechende Schwingungsreaktion
von dem Mikrofon detektiert und zu verschiedenen diagnostischen
Zwecken aufgezeichnet werden.
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Der vorliegende Monitor/das Mikrofon
kann alternativ in Verbindung mit mechanischen oder akustischen
Reizquellen verwendet werden. Wenn zum Beispiel ein akustischer
Strahl auf einen tumorösen
Bereich fokussiert wird, kann der Tumor mit einem vorbestimmten
Frequenzverhaltens mit den jeweiligen bestimmten Eigenschaften in
Resonanz treten. Der Monitor/das Mikrofon kann die Resonanzbewegung
detektieren und die Identifikation der Art und der Position des
Tumors unterstützen.
Darüber
hinaus kann der Monitor/das Mikrofon zur Bestimmung der Knochenleitung
verwendet werden. Eine akustische oder mechanische Reizquelle wird an
einem Ende des betreffenden Knochens vorgesehen, und der Monitor/das
Mikrofon wird an verschiedenen Positionen entlang der Länge des
Knochens positioniert, um die Reizausbreitung durch den Knochen
zu messen und zu detektieren. Risse oder ähnliche Anomalitäten können analoge
oder unregelmäßige Töne oder
Indikationen erzeugen.
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Der Monitor/das Mikrofon kann dazu
verwendet werden, innere Geräusche
der Lunge abzuhören,
anomale Geräusche
oder andere Bewegungen zu detektieren, die für Symptome kennzeichnend sind,
die bestimmten Krankheiten oder Erkrankungen zugeordnet werden.
Der Monitor/das Mikrofon kann auch zum Identifizieren eines Bruchs
in einer implantierten Herzklappe aus Metall oder ähnlichen
Objekten verwendet werden. Zum Beispiel kann der Monitor/das Mikrofon
Brüche
in einer mechanischen Herzklappe identifizieren, indem Änderungen
der Radarreflektivität
(d.h. des Radardquerschnitts oder RCS) der Klappe detektiert werden, wenn
der Defekt oder der Riss einen unterbrochenen elektrischen Kontakt
erzeugt.
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Zu einen beispielhaften Anwendungen
zählen
unter anderem: (1) Herzschrittmacher, wobei die Monitore und deren
Abwandlungen implantiert werden, um die Herzwandbewegung zu erfassen,
und wobei sie als oder in Verbindung mit herkömmlichen Grundsätzen und
Technologien für
Herzschrittmacher verwendet werden; und (2) Telemetrie; (3) Durchleuchtung;
(5) Ausrüstungen
zur Überwachung
von Föten;
(5) Detektore für Objekte
innerhalb des Körpers;
(6) plötzlicher
Kindstod; (7) Elektrokardiografie (EKG); (8) Echokardiografie, (9)
Monitore und Verfahren zur bildlichen Darstellung, zum Messen und
zum Abtasten, wobei die Monitore auch als Ersatz für oder in
Verbindung mit herkömmlichen
Systemen eingesetzt werden können,
wie etwa von Ultraschallgeräten,
NMR oder NMI zur Abbildung verschiedener Organe, Elemente oder Gewebe,
wozu unter anderem die folgenden zählen: die Gebärmutter,
Föten,
Eierstücke,
Knochen, Blutgerinnsel, Gerhin, Rückenmark, Muskeln, Prostata
und Schilddrüse;
(10) Monitore zum Screening von Knochenbrüchen; (11) Verbesserungen im
Bereich Mammografie; (12) innere Führungs- oder Abtastvorrichtungen,
die in röhrenförmige oder andere
Strukturen eingeführt
werden können,
wie etwa Blutgefäße, den
Bronchialbaum der Lunge, den Magen-Darm-Trakt, den Urogenitalapparat
unter Verwendung eines Angioskops, eines Endoskops oder eines Katheters.