本發(fā)明涉及一種用于非侵入性測定身體的組織和器官的生理性質(zhì)和病況的方法與設(shè)備，例如腦部，特別是通過測量所述腦部搏動(dòng)的特性。

通常，可通過使用磁共振成像(mri)掃描或計(jì)算機(jī)x射線斷層掃描(ct)對身體的相關(guān)部位進(jìn)行成像(即構(gòu)建不同組織的可視化圖)來辨識(shí)對于身體各部位的損傷或身體各部位的病理，例如腦病理，諸如蛛網(wǎng)膜下出血或中風(fēng)。

mri利用核磁共振在身體的原子的原子核中的性質(zhì)來提供可在三個(gè)維度生成的圖像。該設(shè)備非常龐大和笨重，而且還要求非常大的、大功率的磁體。這樣的掃描儀不是便攜式的。因此，mri掃描儀在它們的使用方面是受限的，因?yàn)樗鼈冎荒茉卺t(yī)療機(jī)構(gòu)的專用單位中使用。

此外，mri掃描儀要求患者被放置在一有限的空間內(nèi)并保持靜止達(dá)數(shù)量級(jí)為約15到90分鐘之間的一延長的時(shí)間長度。在很多情況下，最小化治療時(shí)間對于增加治療的有利結(jié)果是至關(guān)重要的；mri掃描儀所花費(fèi)的時(shí)間長度與這個(gè)目標(biāo)并不相符。

ct掃描儀利用電離輻射(例如x射線、γ射線、或正電子)源。在它們穿過身體后檢測所述電離輻射，從而構(gòu)建所掃描區(qū)域的斷層圖像。

存在一些缺點(diǎn)與ct掃描儀相關(guān)聯(lián)。特定地，電離輻射的使用帶來了癌癥風(fēng)險(xiǎn)的增加。此外，ct掃描儀很笨重(即使便攜式掃描儀也是體積龐大且笨重不利運(yùn)輸)且昂貴。

因此，存在對于便宜和輕量(高度便攜)的設(shè)備的需要和對應(yīng)的方法，它們可快速檢測身體是否有問題，特別是腦部，且它們不會(huì)使患者暴露于電離輻射。

微波成像技術(shù)方面的最新進(jìn)展顯示其適用于無損測試方面中的潛力，包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

在這樣的技術(shù)中，微波設(shè)備將微波輻射施加至到成像物體。當(dāng)輻射傳輸通過所述物體時(shí)，待成像的物體對微波電磁場產(chǎn)生影響。電磁場的這樣的變化有關(guān)于衰減、反射、和衍射。這些過程都取決于所調(diào)查物體的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的空間變化。介電常數(shù)測量當(dāng)在電介質(zhì)(可由所施加的電場所極化的電絕緣體)中形成電場時(shí)遭遇多少電阻。另一方面，電導(dǎo)率測量材料導(dǎo)通這樣的電流的能力。

衰減是由于介電傳播(微波在電場中傳播的方式)在各種類型的組織中強(qiáng)度的逐漸損傷。這樣類型的組織的復(fù)介電常數(shù)的所誘導(dǎo)的變化繼而在不同組織之間的接口處創(chuàng)建反射。這反射導(dǎo)致在特定部位處的組合的反向傳播和部分透射的波，即衍射。

流向腦部的血流不穩(wěn)定；它與心跳同步變化。由于腦部被封閉在一有限的容積內(nèi)(顱骨)，變化的血壓導(dǎo)致腦部搏動(dòng)。腦部的這個(gè)特性稱為搏動(dòng)，或顱內(nèi)脈動(dòng)。正常靜止的成人的心率范圍為每分鐘60到80次。運(yùn)動(dòng)或壓力后，心臟可跳動(dòng)得更快。因此，腦部搏動(dòng)頻率為1赫茲或以下的數(shù)量級(jí)。

腦部的搏動(dòng)可受到各種醫(yī)療性病況的影響，特別是腦血管病理，例如，諸如蛛網(wǎng)膜下出血或中風(fēng)。因此，對腦部搏動(dòng)特性的測量可用做這些(和其他)腦血管病理的指標(biāo)。

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，此處提供一種測定腦部的第一部分的搏動(dòng)特性的方法，包括：發(fā)送微波脈沖至所述腦部的所述第一部分；接收對應(yīng)于所述脈沖的檢測的信號(hào)；并處理所述信號(hào)。

所檢測到的脈沖可以是從所述腦部的所述第一部分反射出來的反射的脈沖，或可以是傳輸通過所述腦部的所述第一部分的脈沖。

優(yōu)選地，所述微波脈沖是超寬帶微波脈沖。此處，“超寬帶”具有本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)含義，即發(fā)射的信號(hào)帶寬超過500mhz或中心頻率的20％中較小者的脈沖。超寬帶脈沖特別適合，因?yàn)樗鼈兛啥叹嚯x(例如，傳播達(dá)到身體里的約10cm處)和可具有低功耗(例如，-10到-30dbm)。

優(yōu)先地，所確定的所述特性是所述腦部的所述第一部分的搏動(dòng)(脈動(dòng))的頻率。可選地或附加地，所確定的所述特性是所述腦部的所述第一部分的搏動(dòng)(脈動(dòng))的幅度。可選地或附加地，所述特征可以是腦組織的運(yùn)動(dòng)的模式或特性。

優(yōu)先地，所述方法還包括確定所述腦部的第二部分搏動(dòng)的特性并且與所述腦部的所述第一部分的搏動(dòng)特性相比較。此處，所述腦部的所述第一部分和所述第二部分可以是所述腦部中任何兩個(gè)空間分離的區(qū)域。例如，所述腦部的所述第一部分可以是腦部半球中一個(gè)的一部分，且所述腦部的所述第二部分可以是所述腦部相對的半球的一部分。可選地，所述腦部的所述第一部分可以是所述腦部前面(前部)區(qū)域的一部分，且所述腦部的所述第二部分可以是所述腦部后面(后部)區(qū)域的一部分。

對所述腦部的第二部分的各搏動(dòng)特性的比較可用于指示特定腦部病理的存在或不存在。例如，在對于所述腦部的一部分的創(chuàng)傷性頭部損傷后，血流至顱骨可影響受損傷部分的搏動(dòng)。受損傷部分和未受損傷部分的搏動(dòng)之間的比較可允許確定特定腦部病理的存在或不存在。

可選地，所述腦部的所述第一部分的搏動(dòng)特性可與所述特性的期望值比較，所述特性的期望值例如是從醫(yī)學(xué)研究推導(dǎo)出的，所述醫(yī)學(xué)研究例如，健康患者樣本的分析、數(shù)學(xué)模型、或?qū)ν换颊哌M(jìn)行的腦部的第一部分的搏動(dòng)特性的早期測量。

因此，這些實(shí)施例是基于底層的腦組織搏動(dòng)反映大腦的健康這樣的認(rèn)識(shí)，然而在所檢測到的特性中擾動(dòng)(例如振幅和頻率)可代表一異常的病理狀態(tài)，例如，出血、中風(fēng)、或腫塊。此處“擾動(dòng)”是指所述特性的期望值(從以前的醫(yī)學(xué)研究獲知，例如)和實(shí)際所測量到的之間的差異，或者是指在腦部不同部分中所測得的特性之間的差異。

優(yōu)先地，所述超寬帶微波脈沖具有在0.5ghz至10ghz之間的寬帶頻率。每個(gè)脈沖可具有1納秒數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間。可由脈沖雷達(dá)收發(fā)器生成所述脈沖。所述脈沖雷達(dá)收發(fā)器可提供為單片集成電路。

減少的帶寬將劣化縱向(沿束)分辨率，且所以優(yōu)選的是最大化所述帶寬從而最大化所述脈沖的信息內(nèi)容。所述頻率的下限可受限于于天線尺寸和衍射效應(yīng)，所述頻率的上限可受傳播介質(zhì)中損耗的控制。

天線尺寸和發(fā)射波長高度耦合。在0.5ghz以下，已知天線成為全向(即，它成為點(diǎn)源且不再是真正的天線)。為了獲得良好的聚焦波束，必須使用大口徑天線或小波長(高頻率)。這樣的小波長與天線尺寸的比例用橫向窄的天線波束表示。例如，對于30-40毫米的給定的實(shí)際天線的尺寸，最低適用的波長將是0.5ghz。

此外，對于類似應(yīng)用，已知的天線的效率降低到0.5ghz，從而所述天線主要產(chǎn)生熱量或?qū)⑤斎氲男盘?hào)反射回發(fā)射機(jī)。

在其中更大的天線將是可接受的應(yīng)用中，使用低于0.5ghz的頻率是可能的。

所述寬帶頻率的上限受控于身體組織中高頻輻射的衰減程度。例如，肌肉，有較高的含水量，容易出現(xiàn)強(qiáng)度的高損耗，具有以較快的速度增加3-4ghz以上的損耗。因此，取決于身體組織的觀測深度，即使對于較小傳播距離(厘米數(shù)量級(jí))，高于10ghz的脈沖中的波信息含量會(huì)丟失。

在其中期望深入掃描至腦部的實(shí)施例中，(例如，到50至60mm的深度)，頻譜的上部(從約7至10ghz)可省略，因?yàn)檫@些頻率的功率將被組織所吸收。

優(yōu)先地，對應(yīng)于脈沖檢測的信號(hào)包括對于每個(gè)脈沖的多個(gè)樣本。即，可多次采樣所反射的或發(fā)射的信號(hào)。此處稱為“快時(shí)間”采樣。快時(shí)間采樣可在納秒時(shí)間比例或以下，例如從1皮秒到1納秒。

快時(shí)間采樣可按時(shí)間順序進(jìn)行。每個(gè)可包括對于所反射或發(fā)射的信號(hào)的所測量的幅值，其可在采樣時(shí)已被檢測到。信號(hào)將被檢測的時(shí)間將取決于信號(hào)所行進(jìn)的距離。因此，每個(gè)樣本可包括來自沿信號(hào)軸的不同深度的幅值測量。即，沿信號(hào)軸的，對應(yīng)于進(jìn)入腦部的距離(深度、范圍)的快時(shí)間信號(hào)。

可在與其中存在不同組織之間的接口處的顱骨深度處對應(yīng)的深度處測量最大幅值，從那點(diǎn)引起相對強(qiáng)烈的反射。因此，快時(shí)間信號(hào)可用于定位每個(gè)脈沖的腦部較外部分的深度。

為了測量腦部搏動(dòng)的特性，可考慮脈沖到脈沖的變化。此處稱為“慢時(shí)間”采樣。慢時(shí)間采樣可在毫秒的時(shí)間尺度上，例如從1毫秒到500毫秒。

慢時(shí)間采樣的時(shí)間分辨率取決于脈沖重復(fù)率(慢時(shí)間采樣率)。

優(yōu)先地，超寬帶微波脈沖具有大于5hz的脈沖重復(fù)率，更優(yōu)選地大于10hz，且最優(yōu)選地為20hz或更高。用更高的脈沖重復(fù)率來收集數(shù)據(jù)可提供具有更高靈敏度的數(shù)據(jù)且對于相同的掃描時(shí)間可改進(jìn)信噪比。然而，這必須與附加處理能力是處理增加的脈沖重復(fù)率所必須這樣的考慮相平衡。

優(yōu)選地，超寬帶微波脈沖具有小于150hz的脈沖重復(fù)率，更優(yōu)選地小于100hz，且最優(yōu)選地為50hz或更少。

優(yōu)選地，應(yīng)該測量至少一個(gè)搏動(dòng)周期。所以，為了得到1hz的搏動(dòng)信號(hào)(60bpm)測量，至少需要一秒的掃描。掃描更長可提供具有更高靈敏度的數(shù)據(jù)。因此，接收與脈沖檢測相對應(yīng)的信號(hào)可執(zhí)行達(dá)5秒或更長時(shí)間，更優(yōu)選地10秒或更多，且最優(yōu)選地20秒或更多。優(yōu)選地，接收與脈沖檢測相對應(yīng)的信號(hào)可需要執(zhí)行1分鐘或更少。

優(yōu)選地，所述方法包括相對于快時(shí)間(對于每個(gè)脈沖)和脈沖到脈沖的變化(慢時(shí)間)來處理信號(hào)。快時(shí)間采樣可為每個(gè)脈沖確定給定接口的位置(例如，大腦的外層)，且慢時(shí)間采樣可因變于時(shí)間來測量給定接口位置的變化(例如，由于搏動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng))。即，慢時(shí)間采樣可被用于測量腦部的動(dòng)態(tài)。因此，可確定搏動(dòng)的頻率。

可通過尋找對應(yīng)于搏動(dòng)信號(hào)峰值的樣本號(hào)、和對應(yīng)于搏動(dòng)信號(hào)低谷的樣本號(hào)來測量搏動(dòng)的空間振幅(即，腦部的移動(dòng)了多少)。在這些之間的差異對應(yīng)于一距離，如果每個(gè)樣本之間的時(shí)間是已知的，且微波在組織中的速度也是已知的，則所述距離可被計(jì)算。

通過能在1到3秒范圍內(nèi)提取周期性信號(hào)分量的合乎需要的方法從數(shù)據(jù)推導(dǎo)出腦部動(dòng)態(tài)。所述方法優(yōu)選地對于干擾的內(nèi)部和外部噪聲是穩(wěn)健的，并能區(qū)分包含醫(yī)療信息的數(shù)據(jù)和源自收發(fā)器電子元器件中固有漂移的信號(hào)變化。

因此，可通過先進(jìn)的算法獲得來自收發(fā)器電子元器件中慢漂移中的低頻脈動(dòng)醫(yī)療信息的去耦。

優(yōu)選地，使用主分量分析(pca)處理所述信號(hào)。

然而，可替代地使用pca以外的算法。例如，可使用如下進(jìn)程或算法中的一個(gè)或多個(gè)來在pca之外使用或代替pca：濾波(帶通/巴特沃斯(butterworth),等等)、fft(快速傅里葉變換)、ica(獨(dú)立分量分析)、非線性回歸、功率譜密度算法。

pca嘗試將多元信號(hào)分解為獨(dú)立非高斯信號(hào)。在其中pca的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性假設(shè)是正確的情況下(如此處所假設(shè)的那樣)，對于適中的信噪比而言，混合信號(hào)的盲pca分離至它的分量內(nèi)是相對穩(wěn)健的方法。

在這樣的分析中，可將一個(gè)收發(fā)天線配置的測量表示為具有維度mxn的2-d矩陣x(i,j)。指數(shù)'i'表示可在納秒級(jí)的快時(shí)間(或進(jìn)入腦部的距離)，而'j'表示脈沖到脈沖的慢時(shí)間指數(shù)。使用一個(gè)天線，可在深度維度中只產(chǎn)生一個(gè)測量。為了在三維構(gòu)建測量，附加信息是必要的。其可通過提供空間分離的天線陣列、和/或通過天線或天線陣列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來提供，從而提供兩個(gè)附加維度的測量。因此，與頭部的橫向尺寸有關(guān)的數(shù)據(jù)可添加到給出廣義的4-d表示x(i,j,k,l)的數(shù)據(jù)矩陣，其中指數(shù)'k'和'i'表示方位坐標(biāo)。利用某種定位算法，例如，延遲求和，腦部動(dòng)態(tài)可準(zhǔn)確指向頭部的三維空間位置(不僅到特定深度，如同用單個(gè)固定天線可能的那樣)。

所述pca分析可找到一組變量解釋在所有樣本中盡可能多的方差，且這些變量彼此并不相關(guān)。前六個(gè)分量一起可解釋一些情況，像是所有數(shù)據(jù)的99％。其中(至少)兩個(gè)可反映脈動(dòng)信號(hào)：一個(gè)表示峰值處的頻率且一個(gè)表示低谷處的。頻率將會(huì)是相同的，但數(shù)據(jù)將不同。可對于在0.5-2hz的預(yù)期范圍的搏動(dòng)信號(hào)來檢查每一個(gè)分量。然后可分析所述脈動(dòng)信號(hào)以確定搏動(dòng)的特性(諸如振幅和頻率)。

本發(fā)明利用微波輻射的衍射和反射特性來研究腦部的特性，特定地，腦部的搏動(dòng)。

本發(fā)明并不依賴于所生成的腦部的圖像。相反，本發(fā)明可被認(rèn)為是提供簡單的檢測系統(tǒng)。

有利的是，通過允許對于腦部健康進(jìn)行快速評(píng)估和/或在現(xiàn)場進(jìn)行運(yùn)作(例如，在緊急情況下)，本發(fā)明可用于補(bǔ)充更多的已建立的技術(shù)(如ct和mri掃描)。構(gòu)想監(jiān)測健康的腦部功能與生理情況以及創(chuàng)傷后腦部搏動(dòng)的變化(諸如蛛網(wǎng)膜下腔出血或中風(fēng))的潛力。

盡管所述第一方面的所述方法涉及一種確定腦部的脈動(dòng)特性的方法，本發(fā)明被認(rèn)為是更普遍適用的。因此，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種確定腦部第一部分特性的方法，所述方法包括：發(fā)射微波脈沖至腦部的第一部分；接收與脈沖檢測相對應(yīng)的信號(hào)；以及處理信號(hào)。

優(yōu)選地，所述微波脈沖是超寬帶微波脈沖。

其中有機(jī)病理失調(diào)導(dǎo)致反射信號(hào)性質(zhì)的變化的疾病可導(dǎo)致特異性腦病變的新圖譜(fingerprint)。將這些數(shù)據(jù)與其他措施的集合可導(dǎo)致臨床評(píng)估中更大的特異性和敏感性。因此，本發(fā)明也發(fā)現(xiàn)，例如在兒科和老年癡呆癥評(píng)估方面的臨床應(yīng)用。

超寬帶微波傳感器對超低功率信號(hào)的大帶寬和高靈敏度使超寬帶微波雷達(dá)原理適用于更一般的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括人體內(nèi)關(guān)鍵機(jī)能(例如，肺功能/運(yùn)動(dòng)，或動(dòng)脈功能)的移動(dòng)和連續(xù)監(jiān)測。速度、分辨率和潛在靈敏度可對現(xiàn)有技術(shù)提供替代或互補(bǔ)的形態(tài)。

因此，甚至更一般地，根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種確定身體組織或器官的特性的方法，包括：發(fā)射微波脈沖至體內(nèi)；接收與脈沖檢測相對應(yīng)的信號(hào)；以及處理信號(hào)。

優(yōu)選地，所述微波脈沖是超寬帶微波脈沖。

在適用的情況下，如上所述的所述第一個(gè)方面的優(yōu)選特征與第二和第三方面等同地相關(guān)。特定地，與所述第二和第三方面組合，所述分析包括慢時(shí)間和快時(shí)間采樣(如上所述)是特別優(yōu)選的。

因此，優(yōu)選地，所述第二和第三方面的方法包括相對于快時(shí)間(對于每個(gè)脈沖)和脈沖到脈沖的變化(慢時(shí)間)處理信號(hào)。快時(shí)間采樣可使對于每個(gè)脈沖確定給定接口的位置，且慢時(shí)間采樣可使因變于時(shí)間測得給定接口的位置的變化。

本發(fā)明還擴(kuò)展到配置為執(zhí)行上述討論的方法的設(shè)備。因此，根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，提供了一設(shè)備，包括：設(shè)置為生成微波脈沖的微波收發(fā)器；設(shè)置為發(fā)射所述微波脈沖的發(fā)射裝置；以及一接收裝置，所述接收裝置被設(shè)置為接收對應(yīng)于所述脈沖的檢測的信號(hào)。

優(yōu)選地，所述微波脈沖是超寬帶微波脈沖。

所述設(shè)備可適于，或可操作以，確定腦部脈動(dòng)的特性。更一般地，所述設(shè)備可用于，或可操作以，確定腦部的特性。甚至更一般地，所述設(shè)備可用于，或可操作以，確定身體的組織或器官的特性。

所述設(shè)備可包括處理單元，所述處理單元可操作以處理信號(hào)來確定腦部搏動(dòng)的特性。可選地，所述設(shè)備可包括通信單元，用于經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程處理單元進(jìn)行通信。在本實(shí)施例中，遠(yuǎn)程服務(wù)器可包括處理單元，所述處理單元可操作以處理信號(hào)來確定腦部搏動(dòng)的特性。

優(yōu)選地，所述設(shè)備包括多個(gè)超寬帶微波單元，各自包括一超寬帶微波收發(fā)器、一超寬帶微波發(fā)射天線、和一超寬帶微波接收天線。即，發(fā)射天線和接收天線是被分開設(shè)置的不同天線。

可選地，所述設(shè)備包括多個(gè)超寬帶微波單元，各自包括一超寬帶微波收發(fā)器和一超寬帶微波發(fā)射/接收天線。在這種情況下，還可提供耦合器。

所述設(shè)備可包括支撐結(jié)構(gòu)，多個(gè)超寬帶微波單元附連至所述支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，多個(gè)單元被布置成以便將微波輻射引導(dǎo)至腦部的空間分離(且優(yōu)選為是相對的)區(qū)域。所述區(qū)域可例如是腦部的前部和后部，或腦部相對的半球。

所述支撐結(jié)構(gòu)可包括用于耦合至待檢身體的部分的耦合介質(zhì)，例如，用于耦合至顱骨的耦合介質(zhì)。其可結(jié)合到一合適的外殼內(nèi)。將被理解的是，這樣的單元是易于攜帶的。

因此，在一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述支撐結(jié)構(gòu)被布置成順應(yīng)身體的有關(guān)部位。因此，在對腦部進(jìn)行研究的裝置的情況下，它可能是一頭盔的形式。其可被設(shè)計(jì)成在創(chuàng)傷和疾病的情況下放置在患者頭部的醫(yī)療設(shè)備，或者可能是為其他原因而穿戴的一頭盔。這樣的頭盔可能是在休閑事務(wù)、運(yùn)動(dòng)或旅行期間所穿戴的頭盔。一些非限制性示例包括摩托車頭盔、滑雪頭盔、拳擊頭盔、美式橄欖球頭盔，等等。所述設(shè)備可被被改造為現(xiàn)有的頭盔，或頭盔可特制以包括所述設(shè)備。

可選地，所述支撐結(jié)構(gòu)可以是手持式裝置。這種裝置可能不能將超寬帶微波輻射引導(dǎo)至身體的空間分離部分(例如腦部)。在這種情況下，在使用中，所述手持式裝置可放置于相對于待檢身體部位的第一位置，且可進(jìn)行第一次測量，且然后，所述手持式裝置可被移動(dòng)并放置在第二、不同的位置，從而在第二位置對待檢身體進(jìn)行第二次測量。

所述設(shè)備可包括一警告指示器。優(yōu)選地，如果腦部搏動(dòng)的特性在預(yù)定的范圍外，所述處理單元可操作以控制所述警告指示器輸出警告。所述警告指示器可以輸出光和/或聲音。例如，所述警告指示器可以是揚(yáng)聲器。所述警告指示器可以是可閃爍的led。

優(yōu)選地，所述天線中的一個(gè)或多個(gè)是微帶貼片天線。所述天線的厚度可小于5mm，優(yōu)選小于2mm，且最優(yōu)選為1mm或更小。此處，天線的厚度是指在微帶貼片天線的地平面與上平面之間的距離。

本發(fā)明還延伸到第四方面的設(shè)備(其還可結(jié)合上述的任何優(yōu)選特征)，用于實(shí)施第一、第二或第三個(gè)方面的方法(其可結(jié)合上述的任何優(yōu)選特征)。

本發(fā)明的上述任一方面的方法或設(shè)備(或其優(yōu)選特征)可與現(xiàn)有技術(shù)(諸如超聲、近紅外光譜、eeg,、ct和/或mr)相結(jié)合，且可與上述技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)組合來處理雷達(dá)數(shù)據(jù)以增強(qiáng)整個(gè)(組合的)系統(tǒng)的靈敏度和特異性。

現(xiàn)將僅通過示例的方式且參考相應(yīng)附圖來描述特定優(yōu)選的實(shí)施例，在附圖中：

圖1示出用在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)備中的超寬帶微波單元的示意圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)備；

圖3示出圖1的設(shè)備的一個(gè)收發(fā)天線的示例性的2-d數(shù)據(jù)矩陣；

圖4示出實(shí)驗(yàn)測試設(shè)置；且

圖5示出在圖4的測試設(shè)置中的獨(dú)立組件分析后，因變于第一至第六個(gè)組件的頻率的功率密度。

圖1示出：超寬帶收發(fā)微波和數(shù)據(jù)處理單元1；連接裝置2，用于連接到后處理單元(未顯示)；超寬帶天線3；和耦合介質(zhì)4。超寬帶脈沖6被發(fā)射到腦部5內(nèi)。

超寬帶收發(fā)微波雷達(dá)1是一完全集成的納米級(jí)別的脈沖雷達(dá)收發(fā)器，帶有專為低功耗(-20dbm)的高性能應(yīng)用設(shè)計(jì)的一單芯片的基于脈沖的雷達(dá)。這樣的雷達(dá)為廣泛的遙感應(yīng)用提供了低成本、高度集成且高魯棒性的解決方案，且可為最大的幀深度和靈敏度而采用32位數(shù)字集成和512平行取樣器，以及為廣泛檢測范圍的完全可編程幀偏移。此種單元的非限制性示例是由noveldaas提供的xethrux1(原為nva6100)和x2(原為nva6201)單芯片脈沖雷達(dá)收發(fā)器集成電路(cmos芯片)。超寬帶微波輻射脈沖6是以使用3到6ghz的正弦天線(具有20hz的脈沖重復(fù)頻率)的頻率所發(fā)射的。

超寬帶天線3是一發(fā)射/接收微帶貼片天線。

對于給定的孔徑尺寸，耦合介質(zhì)4確保耦合(最小的波反射)且防止光束散射(因?yàn)樗鼤?huì)在空氣中發(fā)生)。

圖2示出包括圖1的單元的設(shè)備，結(jié)合在一摩托車頭盔10里。所述頭盔包括由頭盔支撐且繞頭盔間隔的多個(gè)單元，以便微波輻射可從分開的單元引導(dǎo)至腦部的兩個(gè)半球的每一個(gè)，且引導(dǎo)至腦部的前部和后部。此舉允許兩個(gè)半球搏動(dòng)的比較，且獨(dú)立地，，腦部前部和后部搏動(dòng)的比較。

所述頭盔10包括警告指示器11和12。第一個(gè)指示器11包括多個(gè)led，如果確定腦部已經(jīng)受損，它發(fā)光(例如，紅色閃光)。第一個(gè)指示器12包括揚(yáng)聲器，如果確定腦部已經(jīng)受損，它可發(fā)出聲音。

所述頭盔10還包括經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器(未顯示)通信的通信系統(tǒng)(未顯示)，服務(wù)器分析來自微波單元的數(shù)據(jù)以確定腦部是否受損。如果做出這樣的確定，信號(hào)從服務(wù)器發(fā)送到頭盔，以激活警告指示器11、12。

由微波單元獲得的數(shù)據(jù)的后處理由遠(yuǎn)程服務(wù)器執(zhí)行。將相對于快時(shí)間(在納秒量級(jí)的時(shí)間比例上)和脈沖到脈沖變化(在毫秒級(jí)的時(shí)間比例上)來處理所述信號(hào)。

如圖4所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括具有分離的tx和rx輸入/輸出的收發(fā)雷達(dá)系統(tǒng)和為單天線操作而被包括的定向耦合器。所述天線耦合到分層有耗負(fù)載，包括耦合介質(zhì)(5mm厚)、顱骨介質(zhì)(1mm層)、28mm的仿腦組織肌肉假體中。通過移動(dòng)在假體26mm深度處的28mm的方形充液體的阱內(nèi)的目標(biāo)圓柱(23mm直徑)來模擬搏動(dòng)變化。

對于傳入的電磁脈沖而改變所述液體和圓柱材料以獲得具有較多或較少反射對比的組合。圓柱的縱向運(yùn)動(dòng)在1-2mm的范圍內(nèi)，且周期為1秒到0.25秒。

對收發(fā)天線配置的測量被表示為具有維度mxn的2-d矩陣x(i,j)。指數(shù)'i'表示可在納秒級(jí)的快時(shí)間(或到目標(biāo)的距離)，而'j'表示脈沖到脈沖的慢時(shí)間指數(shù)(在秒的級(jí)別上)。

如圖3a中示出這樣的矩陣。快時(shí)間對應(yīng)沿雷達(dá)波束的范圍且慢時(shí)間采樣由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)引起的脈沖到脈沖的變化。陰影帶對應(yīng)于給定的深度且黑點(diǎn)表示在慢時(shí)間級(jí)別上采樣的脈動(dòng)變化。

圖3b示出搏動(dòng)信號(hào)的示意圖(但是這是高度簡化的，因?yàn)樵趯?shí)際情況下，它將被淹沒在噪聲或其他更多主信號(hào)中，如接收機(jī)系統(tǒng)增益變化)。搏動(dòng)信號(hào)預(yù)期為類似于給出具有主頻且較少被標(biāo)記但可檢測、更高諧波的頻譜響應(yīng)的脈沖串。圖3b中所示的搏動(dòng)信號(hào)是使用主成分分析從矩陣中提取出來的。數(shù)據(jù)矩陣x的m主成分由如下給出：

y＝a^τx

此處，且是零均值輸入數(shù)據(jù)(mxn)

且且是主分量的輸出矩陣。

a可使用協(xié)方差矩陣計(jì)算，

下一步是找到cx,λ和φ的特征值和特征向量矩陣。

λ＝diag(λ1,λ2…λm)其中λ1,λ2…λm是特征值。

在將特征值降序排列后，a由下式給出：

主分量矩陣s由下式給出：

s＝a^tx

所述向量是方差強(qiáng)度中所設(shè)置的主分量。

圖5示出使用圖4所示的測試設(shè)置進(jìn)行的獨(dú)立分量分析的結(jié)果。此處，在第三到第六個(gè)分量中1hz處的信號(hào)是清晰可見的。