CN112839567A - 用于监测胸腔流体水平和心肺功能的移动式超宽带雷达 - Google Patents

用于监测胸腔流体水平和心肺功能的移动式超宽带雷达 Download PDF

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Abstract

提供了与使用超宽带雷达的移动身体监测相关的各种示例。在一个示例中，一种用于确定身体特征的方法包含：收集经由超宽带(UWB)传感器传输的UWB脉冲序列的反射反向散射数据集，以及来自校准通道的对应的校准测量；基于反射反向散射数据集确定每个组织界面的反射系数；以及基于反射系数确定肺组织的流体水平含量。基于该UWB脉冲序列的反射反向散射数据和对应的校准测量，可以从反射剖面确定反射系数。UWB传感器可以包含位于用户的身体上的传输(TX)和接收(RX)天线对阵列。反射剖面可以与UWB传感器与肺组织之间的身体内的组织层的模型相关联。

Description

用于监测胸腔流体水平和心肺功能的移动式超宽带雷达
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月17日提交的、发明名称为“用于监测胸腔流体水平和心肺功能的移动式超宽带雷达”的第62/699,076号共同未决美国临时申请的优先权和利益，该申请通过引用整体并入本文中。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在美国国家卫生研究院授予的U54 EB020404和美国国家科学基金会信息机器人与智能***(IIS)部授予的ISS1231577的政府支持下完成的。政府对本发明有一定的权利。
背景技术
充血性心力衰竭(CHF)影响着近600万美国人，每年诊断出670,000人。心力衰竭是美国(US)住院、再入院和死亡的主要原因之一，也是成本最高的疾病综合征之一，每年的直接和间接护理成本估计为344亿美元。大约80％的高护理成本与医院心力衰竭失代偿期的管理有关。努力的目标应是改善心力衰竭的结果和降低护理成本。在门诊环境中对恶化的心力衰竭进行更早识别和治疗，可以防止心力衰竭恶化的发展，心力衰竭恶化的发展导致发病率和住院率的增加。目前心力衰竭恶化的标识符，即体重增加和呼吸困难，是不可靠的，并且通常在疾病进展的时间表中发展得太晚而不能改变结果。
发明内容
本公开的各方面涉及使用超宽带雷达进行移动身体监测的***、装置和方法。在一个方面，一种用于确定身体特征的方法包括：收集通过超宽带(UWB)传感器传输的UWB脉冲序列的反射反向散射数据集，以及来自UWB传感器中的校准信道的对应的校准测量，UWB传感器包括位于用户的身体上的传输(TX)和接收(RX)天线对阵列；基于反射反向散射数据集确定每个组织界面的反射系数，反射系数是基于UWB脉冲序列的反射反向散射数据和对应的校准测量从反射剖面确定的，反射剖面与UWB传感器和肺组织之间的身体内的组织层的模型相关联；以及基于反射系数确定肺组织的流体水平含量。
在一个或多个方面，反射反向散射数据集可以包括为UWB传感器中的TX和RX天线对中的每一个获得的反射反向散射数据，反射反向散射数据被组合以生成用于每组反射反向散射数据的宽带波束成形信号。反射剖面可以基于使用基于对应的校准测量的补偿UWB脉冲形状对反射反向散射数据集的宽带波束成形信号进行稀疏解卷积确定。宽带波束成形信号的稀疏解卷积可以是针对K个频带中的每个频带实现的。在各个方面，该方法可以包括基于反射系数识别在肺组织的呼吸循环中的顶部(吸气)、中部和底部(呼气)点处的肺组织界面的深度；以及确定肺组织的流体水平含量可以包括确定呼吸循环中的顶部、中部和底部点处的流体水平含量。在一些方面，该方法可以包括确定位于UWB传感器与肺组织之间的组织层的特征。组织层的特征可以包括至少一个组织层界面的位置或至少一个组织层的介电特性。
在另一个实施例中，移动身体监测***包括：超宽带(UWB)传感器，包括天线阵列和校准信道，天线阵列包括发射(TX)和接收(RX)天线对，UWB传感器被配置为定位在用户的身体上；射频(RF)前端，包括耦合到天线阵列的TX天线的UWB脉冲生成器以及耦合到天线阵列的RX天线的UWB接收器，其中，由UWB脉冲生成器生成的UWB脉冲通过TX天线顺序地传输到用户的身体内，并且反射反向散射信号通过TX和RX天线对的RX天线接收；无线传输器，被配置为传送与反射反向散射和来自校准信道的对应的校准测量相关联的数据；以及计算设备，被配置为接收数据并基于反射反向散射和对应的校准测量来确定用户的身体特征。
在一个或多个方面，计算设备可以被配置为：基于与反射反向散射相关联的数据和传输的UWB脉冲序列的对应的校准测量来确定反射剖面，反射剖面与UWB传感器与目标组织之间的身体内的组织层的模型相关联；基于反射剖面确定反射系数；以及根据生成的目标组织数据确定目标组织的特征。目标组织的特征可以包括与目标组织的界面的深度或目标组织的介电特性。目标组织可以是肺组织。计算设备可以被配置为基于肺组织的特征来识别肺流体含量的度量。计算设备可以被配置为同时识别心率、心率变异性、呼吸率或潮气量中的一个或多个。计算设备可以被配置为在肺组织的呼吸循环期间识别肺组织界面的顶部和底部深度。计算设备可以被配置为识别在肺组织的呼吸循环中的顶部和底部深度以及平均深度处的介电特性。
在各个方面，可以基于与UWB脉冲序列的反射反向散射相关联的数据，通过平均宽带反向散射信号的稀疏解卷积来确定反射剖面。计算设备可以被配置为确定一系列反射反向散射数据集的每一个的反射剖面，反射反向散射数据集中的每一个包括与集相关联的传输UWB脉冲序列的反射反向散射相关联的数据。在一些方面，校准信道可以包括温度校准回路，该温度校准回路具有位于天线阵列附近的已知阻抗的负载。可以基于对应的校准测量来补偿传输的UWB脉冲中的变化。在一个或多个方面，移动身体监测***可以包括数字信号处理(DSP)电路，该数字信号处理电路被配置为获得并处理反射反向散射信号和对应的校准测量，以传输到计算设备。在各个方面，UWB脉冲可以每秒约10,000的速率传输到身体内。
通过研究以下附图说明和具体实施方式，本公开的其它***、方法、特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。所有这些附加的***、方法、特征和优点都包含在本说明书中，在本公开的范围内，并由所附权利要求保护。此外，所描述实施例的所有可选的和优选的特征和修改可用于本文教导的公开内容的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征，以及所描述实施例的所有可选的和优选的特征和修改是可组合的，并且可以彼此互换。
附图说明
参考以下附图，可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的组件不一定是按比例绘制的，而是强调清楚地说明本公开的原理。此外，在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示对应的部分。
图1A是示出根据本公开的各种实施例的移动身体监测***的示例的示意图。
图1B和1C是根据本公开的各种实施例的图1A的移动身体监测***的部分的图像。
图2A-2F示出了根据本公开的各种实施例的图1A的身体监测***的超宽带(UWB)传感器的示例。
图3A和3B示出了根据本公开的各种实施例，使用图2A-2F的UWB传感器感测组织。
图4A-4C示出了根据本公开的各种实施例，由图2A-2F的UWB传感器传输的UWB脉冲的反向散射响应。
图5A和5B示出了根据本公开的各种实施例的图2A-2F的UWB传感器的多层模型和定位。
图6是示出根据本公开的各种实施例的***成像模型的示例的示意图。
图7A-7C示出了根据本公开的各种实施例的测量的反向散射数据、恢复的稀疏反射剖面和学习的脉冲形状的示例。
图8A和8B示出了根据本公开的各种实施例的反向散射数据的频带的示例。
图9A和9B示出了根据本公开的各种实施例，从反向散射数据处理的相位返回的示例。
图10是示出根据本公开的各种实施例的图1A的身体监测***的操作示例的流程图。
图11示出了根据本公开的各种实施例的可以与图1A的身体监测***一起使用的计算设备的示例。
图12A、12B、13和14A-14D示出了根据本公开的各种实施例，使用图1A的身体监测***的试点研究结果的示例。
图15示出了根据本公开的各种实施例，使用多组织体模测量的反射系数的示例。
具体实施方式
本文公开了与使用超宽带雷达进行移动身体监测的***、装置和方法相关的各种示例。现在将详细参考附图中所示的实施例的描述，其中，在几个视图中相同的附图标记表示相同的部分。
心力衰竭更早检测的技术进步围绕着经胸和胸内阻抗的测量，因为流体积聚发生在症状之前。该概念基于：电导率随着流体的增加而增加，以及阻抗对应地降低。目前的方法，如从植入式心脏除颤器(ICD)获得的OptiVol流体指数，有助于侵入性测量阻抗；然而，检测肺水肿或预测住院的准确性一直存在很大差异。另一种方法使用专用的植入式血液动力学传感器来监测肺动脉压力。这些方法依赖于植入式设备提供的信息，其适用性可能仅限于除最晚期心力衰竭患者以外的所有患者。因此，需要能够复制这些基于设备的诊断***的效用的更好的非侵入性工具。
本公开提出了一种为容易的身体感测而开发的非侵入式技术，该技术通过传输超宽带射频脉冲和分析反向散射波，除了测量心脏和肺运动之外，还测量胸腔流体水平。身体监测***可以使用放置在用户胸部前方的单个传感器单元来进行测量。传感器单元可以放置在其它位置以确定其它组织特征。与类似技术不同，移动身体监测***可用于评估胸部组织中的流体体积及其空间分布，告知血管内和血管外的体积；潜在的临床相关度量。此外，身体监测***的快速采集速度允许跟踪心脏和肺的运动，从而能够连续监测心率、心率变异性、呼吸率和潮气量。肺和心脏测量可以相互关联以进一步评估用户的状况。这些心血管***状态标记与胸腔流体水平一起使用，可以提供一套全面的测量方法，用于预测心力衰竭事件，具有高灵敏度、低虚警率和足够的提前期。
参考图1A，示出了说明移动身体监测***100的示例的示意图，该移动身体监测***可以通过诸如例如智能手机接口的计算设备接口来控制。身体监测***100是超宽带(UWB)雷达***，其向用户103的身体发送短脉冲(例如，0.3-0.4ns持续时间，UWB为0.5-3.5GHz)，并记录来自组织的反向散射。射频(RF)感测是监测细颗粒内部运动的理想选择，因为它能够穿透组织。例如，在空气/皮肤、皮肤/脂肪、脂肪/肌肉和/或肌肉/肺转变处的每个组织界面都提供了反射点，可以通过处理反向散射回波信号来实时跟踪该反射点。
移动身体监测***100可以利用低功率微型UWB平台来检测由组织及其转变反射的反向散射能量，并测量心脏和肺的运动，以及确定其它身体特征，诸如胸腔流体水平，其可以用于检测CHF中的充血。如图1A所示，移动身体监测***100可以包含UWB脉冲生成器106，其生成一个或多个UWB脉冲，该脉冲由通过传输(TX)切换矩阵112耦合的天线109t传输到用户103的组织中。例如，UWB脉冲生成器106可以生成工作频率为0.45-3.55GHz的UWB脉冲。来自组织界面的反向散射由耦合到接收(RX)切换矩阵115的天线109r接收。RX切换矩阵115通过宽带低噪声放大器(LNA)124将接收到的反向散射信号导向UWB接收器121。压缩采样调度器118可以协调不同天线109之间的切换，用于传输UWB雷达脉冲和接收反向散射。多输入/多输出(MIMO)分集可用于将信号聚焦在运动源或目标区域。图1B是示出了TX切换矩阵112和RX切换矩阵115与天线109耦合的平台的示例的图像。
数字信号处理(DSP)和无线传输电路127可以处理反向散射信号，并将信号数据无线传输(例如，通过
Figure BDA0002964008110000051
WLAN或其它合适的无线链路)到单独的计算设备，诸如但不限于计算机、智能手机、平板电脑或其它移动处理单元，用于后续处理。DSP电路127可以压缩或以其他方式处理反向散射信号，以有效传输数据。惯性测量单元(IMU)130还可以向DSP电路127提供方位和/或运动信息，该信息也可以被传输到单独的处理单元。图1B是示出UWB平台的一个示例，用四分之一来示出它的整体大小。
接下来参考图2A，示出了包含具有圆形天线109阵列的UWB RF传感器的移动身体监测***100的示例的图像。如图2A所示，UWB RF传感器可以放置在用户的胸部，天线阵列靠近皮肤，将传输的UWB脉冲导入组织并接收反射反向散射。UWB RF传感器的放置可以通过计算设备(如智能手机、平板电脑或其它移动设备)上的接口来实现。传感器可以固定在用户的胸部，并通过接口启动校准。如果需要提供与身体组织的充分耦合，可以向用户提供反馈以调整传感器的位置。N对天线阵列可以被设计成在目标宽带频率上具有良好的阻抗匹配。该设计可以优化相位中心，使得每个频带的电磁(EM)传输发生在传输天线的中点，以确保所有频带看起来具有相同的组织成分(例如，厚度等)。图2B是包含6对天线109的圆形阵列的图像，图2C示出了以TX天线为中心发射EM波的辐射图的示例。可以对天线109的TX和RX对进行平均，以找到穿过组织的一维(1D)切口。较大的线性或平面阵列可用于制作被观察组织(如脂肪、皮肤、肌肉、骨骼、肺等)的2D和3D图像。
反向散射信号的测量对硬件的微小变化很敏感，这些变化是由于温度和其它环境影响而引起的。为了补偿这些影响，UWB RF传感器可以包含与DSP和无线传输电路127通信的校准信道(或环路)。校准信道包含位于天线阵列附近的已知阻抗的负载，该负载用于获得回送测量，该回送测量用于校准传输脉冲的变化，包含其相对于数字触发器的定时。图2D是显示位于UWB RF传感器外壳上的负载的图像，当组装时，该外壳邻近天线109。对回送信号进行处理，以提取传输脉冲及其相对于触发器的定时的瞬时估计值，该瞬时估计值又可用于根据该传输脉冲的反向散射回波来估计组织剖面。
图2E和2F是包含6对天线109的柔性圆形阵列的图像，这些天线可以用作人体工程学的共形UWB RF传感器。UWB RF传感器可以放置在用户的胸部，天线阵列固定在皮肤上(例如，使用粘性贴片)，以将传输的UWB脉冲导入组织并接收反射反向散射。UWB RF传感器的放置可以通过例如计算设备(例如智能手机、平板电脑或其它移动设备)上的接口来实现。传感器可以放置在用户的胸部，并通过接口启动校准。如果需要提供与身体组织的充分耦合，可以向用户提供反馈以调整传感器的位置。N对天线阵列可以被设计成在目标宽带频率上具有良好的阻抗匹配。图2E和2F的人体工程学RF贴片将天线元件109集成在柔性衬底上，该衬底可以容易地应用在前面，例如用户的右胸上，并且在获得测量结果之后移除。连接器允许耦合到每个天线109。例如，RF电子电路和数字后端可以位于传感器舱中，该传感器舱使用低剖面RF连接器连接到柔性天线阵列。切换电路(例如，TX切换矩阵112和RX切换矩阵115)和/或UWB脉冲生成器和采样器也可以集成到衬底上，或者可以作为连接器组件的一部分来提供，用于耦合到天线109的连接器。数字信号处理(DSP)和无线传输电路127也可以集成到衬底上。这可以允许通过由DSP或其它集成处理电路实现的软件(和/或固件)进行实时、即时的肺水测量和肺水流体估计。
为了将RF能量耦合和聚焦到身体内，可以使用包括与中心接地面平衡的贴片天线的天线阵列。如图2E和2F的示例所示，六个圆形贴片可以以交替的传输-接收对布置在圆形地面周围。虽然该技术不需要皮肤接触，但是在柔性衬底上以轻型粘性贴片的形式实现天线阵列可以支持稳固一致的放置方法，而不需要诸如背心或背带的外部支撑装置。由受控电介质制成的RF贴片天线可以消除空气间隙并最小化来自皮肤的第一次反射，从而增加测量的动态范围。
图2A和2B示出了在柔性衬底上实现天线阵列的两个示例，这也可以集成电子元件(或电路)，例如切换矩阵和雷达芯片组。图2A示出了带有陶瓷芯和铜表面的柔性RF层压板。这些柔性层压板可以用减法工艺加工，用铣床去除铜，形成天线表面、信号走线和集成电路(IC)焊盘。可以应用标准的流动焊接将电子元件集成到天线贴片上。这项技术使电子元件的集成变得容易，允许将多层刚性IC板或芯片焊接到柔性两层衬底上的设计。
图2B示出了在聚酯薄膜上丝网印刷银油墨来形成天线。银油墨具有优异的导电性，并允许以添加的方式制造印刷电路板，导电油墨和绝缘层沉积在聚酯薄膜上。这种工艺成本低，并且允许形成多层结构(例如，信号走线和天线贴片)，但是集成元件更加困难，因为焊接中使用的标准合金不粘附到导电油墨上，并且聚酯衬底是热敏的。因此，导电环氧粘合剂用于连接连接器和组件。此外，导电油墨可能变脆，限制了可施加到贴片上的剪切应力和扭转量。然而，对于一次性或有限使用的应用，这些可能不是问题。
如图2A和2B的图像所示，天线阵列的原型都是用这两种工艺制造的(没有集成电路)。在每种情况下，都使用网络分析仪来表征天线阵列将能量耦合到身体内的能力。这两种设计在***使用的宽带频率(如0.5GHz-3.5GHz)内提供了良好的阻抗匹配和增益。在各种实施方式中，雷达芯片组可以通过可附着在右前胸部前方的粘性共形RF贴片集成到天线层。一个小型传感器舱可以包含数字后端、电池和
Figure BDA0002964008110000081
收发器，
Figure BDA0002964008110000082
收发器使用例如自导向磁性连接器连接到RF贴片，为RF贴片供电并获得测量。为了允许患者和护理人员在家中以及在护理点(POC)环境实时评估流体状态水平，肺流体估计技术可以在传感器设备或传感器波特图内实现，在移动设备上具有用于控制和存储的无线接口。为了在没有云连接的情况下提供实时POC测量，可以在传感器中内置一个处理器(例如，ARM CortexM4F)来实现分析。这可以简化从传感器到智能手机、平板电脑或其它移动设备的数据路径，并最小化数据速率和相关延迟。
图3A示出了使用TX和RX天线对109对感测组织。UWB雷达脉冲303可以从通过图1A的TX切换矩阵112耦合的TX天线109t发射到身体内。当UWB脉冲303通过身体的组织传播时，来自组织界面的反向散射306被反射回RX天线109r。从图1A的横截面图像中可以看出，人体由不同介电特性的各种组织组成，当UWB脉冲303和反向散射306在身体内传播时，这些组织会对其产生影响。例如，相对介电常数影响通过组织的传播延迟，损耗角正切影响组织对RF能量的吸收。可以看出，对于不同的层，例如皮肤、脂肪、肌肉、骨骼、肺等，存在多个组织界面。图3B的表格提供了一些组织的损耗角正切和相对介电常数的示例。反射回RX天线109r并由该RX天线接收的反向散射包含这些重叠的返回，这些返回可以被处理以解析各种组织界面的位置和相关的复反射系数，从而揭示组成界面的组织的特征。UWB脉冲的高带宽和窄持续时间(例如，0.3-0.4ns)允许比例如多普勒雷达更高的空间分辨率，并且能够门控到目标组织深度的返回。
在移动身体监测***100的操作期间，每秒数千个脉冲(例如每秒10,000个)可以从TX天线106t发送。每个脉冲返回含有几个延迟的回波，指示进入身体的深度。如图4A(Radar Principles,N.Levanon,1988)所示，反向散射响应包含来自不同深度(或范围)的返回，可以在短时间周期(例如，每0.1秒)或间隔(例如，每100个脉冲)内进行平均。考虑到60秒的间隔包含15-20个呼吸周期，在如此短的时间周期内平均响应提高了返回信噪比，而不牺牲深度信息。以这种方式，身体监测***100在呼吸循环期间多次提供通过组织的1-D回波。
在一些实施例中，身体监测***100可以处理反向散射信号，以100Hz的速率产生距离剖面。如图4B所示，当与传输脉冲形状卷积时，每个距离剖面可以指示反射边界的位置。对脉冲信号进行滤波，使其频率与心脏运动(例如，0.5-2Hz)和/或肺运动(例如，0.1-0.3Hz)一致，从而揭示如图4C所示的结构。
皮肤、脂肪、肌肉、肺和/或其它组织的属性被建模和估计，以便估计可用于确定肺水或流体含量的肺组织的介电常数。考虑EM波传播通过的组织(例如皮肤、脂肪和肌肉)的多层模型，如图5A所示，可以估计肺参数(例如厚度和成分)。图5B示出了UWB RF传感器在用户胸部的定位示例，并示出了UWB脉冲进入身体的传播路径。肺组织的反射/透射系数可以使用来自反射雷达脉冲(0.5-3.5Ghz)的宽带测量和UWB RF传感器与肺之间的组织的估计多层EM传播模型来估计。由于肺组织介电特性在呼吸循环期间发生变化，因此肺组织介电特性在呼吸循环的三个点(呼气底部、吸气顶部和呼吸循环的中间(或平均)点)进行估计，以便对肺组织进行整体评估。
界面(如皮肤、脂肪、肌肉和/或骨骼)的数学模型是非参数的，可以从传感器数据本身获知，而不需要关于组织厚度和顺序的先验信息。假设在UWB RF传感器与肺组织之间有K层(例如，K＝3或K＝4)，假设损耗角正切的平均值，可以估计每层的厚度和介电常数。由于这些参数可能与频率有关，因此传感器测量可分为M个频带，宽度为，例如，500MHz，在此范围内，组织特性可假设为常数。然后，来自多个TX和RX天线对的返回可以针对每个频带进行组合，并使用校准信道(或环路)的测量结果来校正触发延迟的漂移。校准测量可用于考虑硬件产生的失真和延迟，但不考虑天线对与身体之间的传输接口。这个传递函数可以用***模型来考虑。
图6是示出用于RF成像的***模型的示例的示意图。该模型可以表示为：
Figure BDA0002964008110000091
其中，yi是帧i的雷达返回(或反向散射),xi是帧i的估计反射(或反射率)剖面，p(t)是雷达的脉冲响应，Qm是第m信道的双基地投影矩阵，H(p)是表示与发射脉冲卷积pi的Toeplitz结构矩阵，Gm是天线/身体传递函数。
同样，参考信道响应可以表示为：
ri＝H(pi)zi+ni
首先，在存在温度和其它环境因素的情况下，可以使用稀疏去卷积反演算法(或其它正则化反演)来反演参考信道，以获得传输脉冲的估计，对功率和频带受限的频率支持施加约束，并使用l1-范数来在参考信道中实施反射的稀疏集合(理想情况下是单个反射，但实际上由于不完美的连接器不匹配，会有一些)
Figure BDA0002964008110000092
个外通带
虽然这里使用稀疏去卷积反演来锐化反射剖面，但是也可以使用其它正则化反演方法来实现这一结果。例如，诸如Tikhonov正则化、TV(全变差)范数正则化、Lp范数正则化等正则化反演方法和基于机器学习的反演方法，诸如生成性逆序网络或深度神经网络，可以用于锐化距离剖面。接下来，来自参考信道的估计脉冲
Figure BDA0002964008110000103
可用于估计对应于组织界面和天线传递函数的反射器的稀疏集合。混合L21-范数施加了组稀疏性，编码了在短时间帧内组织边界位置相对于范围仓是静止的知识，但是它们的复振幅可以基于呼吸和其它内部运动而变化。
Figure BDA0002964008110000101
Gm是单位功率和带宽受限的
应注意，由于内部反射，K层模型通常会生成大量大于K的不同返回。组织/流体估计可以仅关注来自每个组织界面的第一次返回。
这两个优化问题的解决方案可以通过交替最小化对应于各种约束的多个凸问题来实现，并导致对复反射系数
Figure BDA0002964008110000102
的绝对测量，实现针对脉冲失真以及针对由于天线的替换和身体失谐引起的天线传递函数变化的宽带(在我们的情况下超过3GHz带宽)校准。
图7A示出了测量的反向散射数据的示例，图7B和7C分别示出了恢复的稀疏反射剖面和学习的脉冲形状。通过使用来自校准电路的回送测量来调整传输响应中的失真和延迟，可以极大地改善反射剖面的确定。
例如，来自两个频带的返回在图8A和8B中给出，中心频率分别为1.25GHz和2GHz。进入身体内的深度(或范围)在y轴上给出，呼吸循环的时间在x轴上给出。在一分钟的呼吸周期内，呼吸周期的顶部、底部和中部可以识别呼吸周期和平均返回的不同点。
然后，可以估计多层组织模型(包含例如皮肤、脂肪、肌肉和/或骨骼)的效果，并从测量中去除，仅留下肺组织的反射和透射返回。图9A示出了从所有组织返回的相位，图9B示出了界面(例如，皮肤、脂肪、肌肉和/或骨骼)的去除效果。
接下来，可以从反射剖面确定反射系数，并且可以聚集对应于肺内容物的深度(或范围)上的肺响应，以提供肺水或流体内容物的度量。应注意，由于通过组织和界面位置的传播延迟，反射系数是复数值，包含关于反向散射信号的幅度和相位信息。基于反向散射的监测***的独特之处在于它能够基于延迟来分辨组织，因此除了流体的量之外，还可以通知在哪里(在哪个组织中)发生流体体积的变化。这对于使用贯通测量的替代***是不可能的，贯通测量使用放置在身体后部和前部的发射器和接收器。
参考图10，示出了说明移动身体监测***100的操作示例的流程图。如上所述，身体监测***100包括UWB脉冲生成器106，其生成用于传输到用户103的组织中的UWB脉冲，如图1A所示。从1003开始，使用位于用户胸部的UWB传感器中的TX-RX天线对109收集反向散射数据样本。为TX-RX天线对109的N个空间信道中的每一个收集反向散射。综合采样调度器118可以控制TX切换矩阵112，以将生成的UWB脉冲导向每个TX天线，并控制RX切换矩阵115，以接收由每对中对应的RX天线反射的反向散射。在1006，由UWB接收器121从不同的空间信道获得的捕获的反向散射数据被DSP电路127(图1A)延迟和求和，以生成平均的宽带波束成形信号，然后在1009，该信号被分为K个频带。
在1003完成通过每个天线对109的TX-RX循环之后，在1012，可以从UWB脉冲生成器106引导UWB脉冲通过校准电路(或环路)，以获得回送测量，该回送测量可以用于考虑由硬件生成的失真和延迟以及温度效应。然后在1015，测量的校准信号被分为K个频带。在1018，利用测量的校准信号的频带信息，计算设备(或DSP电路)可以确定被电路硬件失真和延迟的瞬时UWB脉冲。
在1021，计算设备(或DSP电路)可以使用瞬时UWB脉冲来引导波束成形信道信号的组织层的反射器和对应反射系数的稀疏集合的确定。如上所述，稀疏去卷积可用于识别UWB脉冲形状和K频带的反射剖面。频带的反射剖面可以被组合以确定平均反射剖面。在1018处确定的瞬时UWB脉冲的使用补偿了工作期间UWB RF传感器上的温度效应，这提高了所确定的反射剖面的准确性和一致性。反射系数可以从反射剖面中提取。
如图10所示，对于TX-RX天线对109的每组N个空间信道，在定义的时间段内多次重复该过程(1003至1021)。例如，反向散射数据样本(以及通过校准电路的对应测量)可以使用TX-RX天线对109为P个一系列传输脉冲收集。可以针对预定数量的数据集或在预定时间段内收集数据。利用为P组反向散射数据确定的反射剖面和反射系数，在1024，计算设备可以基于所确定的信息来跟踪呼吸循环中的肺位置和特征。例如，由吸入和呼出产生的肺组织界面深度的变化以及肺组织特征可以在一段时间内确定。可以对已经被识别为处于吸气顶部或呼气底部的结果求平均，以提供对肺组织特征的更好的度量。此外，可以确定并平均呼吸周期中中间(或平均)点的结果，以提供用于评估肺组织的公共点。
在1027，可以将反射系数转换成肺组织中的流体水平估计。通过使用呼吸循环底部、顶部和中部的平均数据，可以提高组织位置和特征的准确性。除了肺组织之外，关于周围组织(例如，皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和心脏)的信息也可以从反射系数中确定。在一些情况下，可以分析和评估不同组织之间的相关性。该信息可以被转换成由计算设备实时(或接近实时)显示。
可以理解，反向散射数据的处理可以由DSP电路127(图1A)和计算设备的组合来执行。例如，反向散射数据和校准测量可以由DSP电路处理，以提供频带信息(1003至1015)，然后可以将其传输到计算设备，用于组织信息的后续处理和确定(1018至1027)。在其它实施方式中，在传输到计算设备之前，可以使用DSP电路127来执行附加处理。
现在参考图11，示出了可以包含在移动身体监测***100中的计算设备1103的示例。计算设备1103可以是一个或多个计算设备1103，其包含至少一个处理器电路，例如，具有处理器1109和存储器1112，两者都耦合到本地接口1115。为此，计算设备1103可以包括例如计算机、膝上型电脑、智能手机、平板电脑或提供计算能力的其它移动处理单元。计算设备1103可以包含例如一个或多个显示设备，诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、基于气体等离子体的平板显示器、LCD投影仪或其它类型的显示设备等。计算设备1103还可以包含例如各种***设备。具体地，***设备可以包含输入设备，例如键盘、小键盘、触摸板、触摸屏、麦克风、扫描仪、鼠标、操纵杆或一个或多个按钮等。尽管计算设备1103是单数，但是应理解，多个计算设备1103可以在如上所述的各种布置中使用。可以理解，本地接口1115可以包括例如具有伴随的地址/控制总线或其它总线结构的数据总线。
存储在存储器1112中的是数据和可由处理器1109执行的几个组件。特别地，存储在存储器1112中并且可由处理器1109执行的是身体监测应用1118和潜在的其它应用。数据存储1121和其它数据也可以存储在存储器1112中。例如，存储在数据存储1121中的数据与下面描述的各种应用和/或功能实体的操作相关联。例如，数据存储可以包含数据样本、反射剖面和可以理解的其它数据或信息。此外，操作***1124可以存储在存储器1112中，并且可由处理器1109执行。数据存储1121可以位于单个计算设备中，或者可以分散在许多不同的设备中。
身体监测***100可以通过无线通信链路或网络通信耦合到计算设备1103。在一些实施例中，身体监测***100可以直接连接到计算设备1103。
在计算设备1103上执行的组件包含，例如，身体监测应用1118和这里没有详细讨论的其它***、应用、服务、过程、引擎或功能。可以理解，可以有存储在存储器1112中并且可由处理器1109执行的其它应用。在这里讨论的任何组件以软件的形式实现的情况下，可以使用多种编程语言中的任何一种，诸如例如，C、C++、C#、Objective C、Java、JavaScript、Perl、PHP、Visual Basic、Python、Ruby、Delphi、Flash或其它编程语言。
许多软件组件存储在存储器1112中，并且可由处理器1109执行。在这方面，术语“可执行的”是指程序文件，其形式最终可以由处理器1109运行。可执行程序的示例可以是，例如，可以被翻译成机器代码的编译程序，该机器代码的格式可以被加载到存储器1112的随机存取部分中并由处理器1109运行，可以适当格式表达的源代码，诸如能够被加载到存储器1112的随机存取部分中并由处理器1109执行的目标代码，或源代码，其可以被另一个可执行程序解释以在存储器1112的随机存取部分中生成将由处理器1109执行的指令，等等。可执行程序可以存储在存储器1112的任何部分或组件中，包含例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、固态驱动器、USB闪存驱动器、存储卡、诸如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD)的光盘、软盘、磁带或其它存储组件。
存储器1112在此被定义为包含易失性和非易失性存储器以及数据存储组件。易失性组件是断电时不保留数据值的组件。非易失性组件是在断电时保留数据的组件。因此，存储器1112可以包括例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、固态驱动器、USB闪存驱动器、经由存储卡读取器访问的存储卡、经由相关联的软盘驱动器访问的软盘、经由光盘驱动器访问的光盘、经由适当的磁带驱动器访问的磁带和/或其它存储器组件，或者这些存储器组件中的任何两个或更多个的组合。此外，RAM可以包括例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)或磁性随机存取存储器(MRAM)和其它这样的设备。ROM可以包括例如可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其它类似的存储设备。
此外，处理器1109可以代表多个处理器1109，存储器1112可以代表分别在并行处理电路中操作的多个存储器1112。在这种情况下，本地接口1115可以是便于多个处理器1109中的任何两个之间、任何处理器1109和任何存储器1112之间、或者任何两个存储器1112之间等通信的适当网络。本地接口1115可以包括被设计为协调该通信的附加***，包含例如执行负载平衡。处理器1109可以是电的或一些其它可用的结构。
尽管身体监测应用1118和本文所描述的其它各种***可以软件或由如上所述的通用硬件执行的代码来实现，但是作为替代，同样也可以专用硬件或软件/通用硬件和专用硬件的组合来实现。如果包含在专用硬件中，每一个都可以实现为采用多种技术中的任何一种或组合的电路或状态机。这些技术可包含但不限于具有逻辑门的离散逻辑电路，用于在应用一个或多个数据信号时实现各种逻辑功能，具有适当逻辑门的专用集成电路，或其它组件等。这些技术通常为本领域技术人员所熟知，因此本文不再详细描述。
图10的流程图示出了身体监测应用1118的部分的实现的功能和操作。如果包含在软件中，每个块可以表示包括实现指定逻辑功能的程序指令的模块、代码段或代码部分。程序指令可以源代码的形式来实现，源代码包括以编程语言编写的人类可读语句或机器代码，机器代码包括可由合适的执行***(诸如计算机***或其它***中的处理器1109)识别的数字指令。机器代码可以从源代码等转换而来。如果以硬件实现，每个块可以代表一个电路或多个互连电路，以实现特定的逻辑功能。
尽管图10的流程图示出了特定的执行顺序，但是应理解，执行顺序可以不同于所描述的顺序。例如，两个或更多块的执行顺序可以相对于所示的顺序进行加扰。此外，图10中连续示出的两个或更多个框可以同时执行或者部分同时执行。此外，在一些实施例中，图3和/或6所示的一个或多个框可以被跳过或省略。此外，出于增强效用、记账、性能测量或提供故障排除帮助等目的，可以将任何数量的计数器、状态变量、警告信号或消息添加到本文描述的逻辑流程中。应理解，所有这些变化都在本公开的范围内。
此外，本文所描述的包含身体监测应用1118在内的包括软件或代码的任何逻辑或应用可以包含在任何非暂时性计算机可读介质中，以供指令执行***(诸如例如计算机***或其它***中的处理器1109)使用或与指令执行***结合使用。在这个意义上，逻辑可以包括例如包含指令和声明的语句，这些语句可以从计算机可读介质中取出并由指令执行***执行。在本公开的上下文中，“计算机可读介质”可以是能够含有、存储或维护本文描述的由指令执行***使用或结合指令执行***使用的逻辑或应用的任何介质。计算机可读介质可以包括许多物理介质中的任何一种，诸如例如电子、磁、光、电磁、红外或半导体介质。合适的计算机可读介质的更具体的示例包含但不限于磁带、磁性软盘、磁性硬盘驱动器、存储卡、固态驱动器、USB闪存驱动器或光盘。此外，计算机可读介质可以是随机存取存储器(RAM)，包含例如静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)，或者磁性随机存取存储器(MRAM)。此外，计算机可读介质可以是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其它类型的存储设备。
对主要诊断为急性失代偿性心力衰竭的患者进行了移动身体监测***100的试点研究。通过身体监测技术对患者进行评估，以便将胸腔流体测量与充血性心力衰竭的临床情况联系起来。移动身体监测***100能够向患者提供个性化的测量，其可用于帮助确定患者离“干燥”状态有多近。将身体监测***100获得的流体水平与住院期间的总净流体体积损失进行比较。每天对患者进行评估，以便将胸腔流体测量与充血性心力衰竭的临床情况联系起来。图12A示出了作为图像捕获的原始传感器读数，其中，回波产生界面的深度沿着一个轴显示，时间(T)沿着第二个轴显示；组织界面朝向和远离换能器的运动(M)(类似于超声波的TM模式)。注意，呼吸引起的肺组织运动是可见的，有助于识别相关的组织转换。图12B是示出净流体体积损失(以升为单位)与由移动身体监测***100提供的标准化胸腔流体度量的比较的曲线图。数据是从研究对象那里收集的，历时八天。
图13示出了反射系数在身体的深度(或范围)上的平均相位的示例的曲线图。曲线1303高于零表明肺干燥，尤其是在两个隔室。还用转盘进行了受控的重复实验。图14A和14B分别示出了反向散射幅度和相位的原始数据。幅度显示组织的分层结构，而相位显示呼吸引起的时间变化。平均过度呼吸的恢复的分层结构幅度和相位分别在图14C和14D中绘出。可以看出，幅度和相位都显示了身体内深层流体水平的变化。呼吸循环的波峰和波谷也可以恢复。
为了测试移动身体监测***提供的测量结果的有效性，创建了由三个组织层(皮肤、骨骼和肌肉)组成的多层体模，并将其放置在已知介电系数的泡沫层上。模拟组织层的介电系数(介电常数和电导率)分别使用聚乙烯粉末(PEP)和氯化钠进行调整。琼脂用于将混合物自成型为固体层，TX-151粉末用于增加混合物的粘度。使用Agilent 85070E介电探针套件验证仿真组织的介电常数。将仿真组织的测量介电系数与参考值进行比较，发现测量的电导率和介电常数与这些组织类型的报告值一致。图15示出了深度与反射振幅的测量(类似于超声波A型)。观察到的延迟和反射振幅可用于估计多层组织剖面的介电特性。对于三层(皮肤、骨骼、肌肉)，估计的介电系数的大小为(41、12、55)，平均误差为4.5％。
应强调的是，本公开的上述实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而阐述的实现的可能示例。在实质上不脱离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例进行许多变化和修改。所有这些修改和变化都旨在包含在本公开的范围内，并由所附权利要求保护。
术语“基本上”是指允许偏离描述性术语，但不会对预期目的产生负面影响。描述性术语被隐含地理解为被词语基本上修饰，即使该术语没有被词语基本上明确修饰。
应注意，比率、浓度、量和其它数值数据在本文可以用范围格式表示。应理解，这样的范围格式是为了方便和简洁而使用的，因此，应以灵活的方式解释为不仅包含作为范围的限制而明确列举的数值，还包含包含在该范围内的所有单个数值或子范围，就好像每个数值和子范围都被明确列举一样。为说明起见，“约0.1％至约5％”的浓度范围应解释为不仅包含明确列举的约0.1wt％至约5wt％的浓度，还包含指示范围内的单个浓度(例如1％、2％、3％和4％)和子范围(例如0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。术语“约”可以包含根据数值的有效数字的传统舍入。此外，词语“约‘x’到‘y’”包含“‘x’到‘y’”。

Claims (21)

1.一种用于确定身体特征的方法，包括：
收集通过超宽带(UWB)传感器传输的UWB脉冲序列的反射反向散射数据集，以及来自所述UWB传感器中的校准信道的对应的校准测量，所述UWB传感器包括位于用户的身体上的传输(TX)和接收(RX)天线对阵列；
基于所述反射反向散射数据集确定每个组织界面的反射系数，所述反射系数是基于所述UWB脉冲序列的所述反射反向散射数据和所述对应的校准测量从反射剖面确定的，所述反射剖面与所述UWB传感器和肺组织之间的身体内的组织层的模型相关联；以及
基于所述反射系数确定所述肺组织的流体水平含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反射反向散射数据集包括为所述UWB传感器中的所述TX和RX天线对中的每一个获得的反射反向散射数据，所述反射反向散射数据被组合以生成用于每组反射反向散射数据的宽带波束成形信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述反射剖面是基于使用基于所述对应的校准测量的补偿UWB脉冲形状对所述反射反向散射数据集的所述宽带波束成形信号进行稀疏解卷积来确定的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述宽带波束成形信号的所述稀疏解卷积是针对K个频带中的每个频带实现的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，包括：
基于所述反射系数识别在所述肺组织的呼吸循环中的顶部、中部和底部点处的肺组织界面的深度；以及
其中，确定所述肺组织的所述流体水平含量包括确定所述呼吸循环中的所述顶部、中部和底部点的流体水平含量。
6.权利要求1-4中任一项的方法，包括确定位于所述UWB传感器与所述肺组织之间的组织层的特征。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述组织层的所述特征包括至少一个组织层界面的位置或至少一个组织层的介电特性。
8.一种移动身体监测***，包括：
超宽带(UWB)传感器，包括天线阵列和校准信道，所述天线阵列包括发射(TX)和接收(RX)天线对，所述UWB传感器被配置为定位在用户的身体上；
射频(RF)前端，包括耦合到所述天线阵列的所述TX天线的UWB脉冲生成器以及耦合到所述天线阵列的所述RX天线的UWB接收器，其中，由所述UWB脉冲生成器生成的UWB脉冲通过所述TX天线顺序地传输到所述用户的身体内，并且反射反向散射信号通过所述TX和RX天线对的所述RX天线接收；
无线传输器，被配置为传送与所述反射反向散射和来自所述校准信道的对应的校准测量相关联的数据；以及
计算设备，被配置为接收所述数据并基于所述反射反向散射和对应的校准测量来确定所述用户的身体特征。
9.根据权利要求8所述的移动身体监测***，其中，所述计算设备被配置为：
基于与所述反射反向散射相关联的所述数据和所述传输的UWB脉冲序列的所述对应的校准测量来确定反射剖面，所述反射剖面与所述UWB传感器与目标组织之间的所述身体内的组织层的模型相关联；
基于所述反射剖面确定反射系数；以及
根据所述生成的目标组织数据确定所述目标组织的特征。
10.根据权利要求9所述的移动身体监测***，其中，所述目标组织的所述特征包括与所述目标组织的界面的深度或所述目标组织的介电特性。
11.根据权利要求10所述的移动身体监测***，其中，所述目标组织是肺组织。
12.根据权利要求11所述的移动身体监测***，其中，所述计算设备被配置为基于所述肺组织的所述特征来识别肺流体含量的度量。
13.根据权利要求12所述的移动身体监测***，其中，所述计算设备被配置为同时识别心率、心率变异性、呼吸率或潮气量中的一个或多个。
14.根据权利要求11所述的移动身体监测***，其中，所述计算设备被配置为在所述肺组织的呼吸循环期间识别肺组织界面的顶部和底部深度。
15.根据权利要求14所述的移动身体监测***，其中，所述计算设备被配置为识别在所述肺组织的所述呼吸循环中的所述顶部和底部深度以及平均深度处的介电特性。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的移动身体监测***，其中，基于与所述UWB脉冲序列的所述反射反向散射相关联的数据，通过平均宽带反向散射信号的稀疏解卷积来确定反射剖面。
17.根据权利要求9-15中任一项所述的移动身体监测***，其中，所述计算设备被配置为确定一系列反射反向散射数据集的每一个的反射剖面，所述反射反向散射数据集中的每一个包括与所述集相关联的所述传输UWB脉冲序列的所述反射反向散射相关联的数据。
18.根据权利要求8-15中任一项所述的移动身体监测***，其中，所述校准信道包括温度校准回路，所述温度校准回路具有位于所述天线阵列附近的已知阻抗的负载。
19.根据权利要求18所述的移动身体监测***，其中，基于所述对应的校准测量来补偿所述传输的UWB脉冲中的变化。
20.根据权利要求8-19中任一项所述的移动身体监测***，包括数字信号处理(DSP)电路，所述数字信号处理电路被配置为获得并处理所述反射反向散射信号和所述对应的校准测量，以传输到所述计算设备。
21.根据权利要求8-19中任一项所述的移动身体监测***，其中，所述UWB脉冲以约每秒10,000的速率传输到所述身体内。
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