專利名稱：超寬帶監(jiān)視系統(tǒng)和天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)視人或者動物的存在、行為和/或生理體征的設備和方法。例如，本發(fā)明可用于監(jiān)視療養(yǎng)院內的病人的存在、行為、心率和/或呼吸速率中的一個或多個。本發(fā)明還涉及用于發(fā)送和/或接收電磁信號的天線。
背景技術：
超寬帶(UWB)電磁信號可用于廣泛應用中。這樣的信號通常包括呈現(xiàn)低的占空比的很短的脈沖。因此，特別是在期望保持低的平均功率電平的應用中，UWB信號可以是有利的。UWB雷達可以用于測量短距離內的物體的位置，或者用于獲取物體的圖像。UWB裝置還可以用于無線通信，特別是用于短距離和高速率的數(shù)據(jù)傳輸。
UffB電磁信號的頻率可以在幾百MHz到約12GHz的范圍內。在典型的應用中，UWB 信號被用于從3. IGHz到10. 6GHz的頻帶中。在特定的UWB裝置中，電磁信號的頻率可限于特定的頻譜區(qū)域，以符合適當?shù)墓芾硪?。例如，某些裝置可制造成在UWB頻譜中的占用 3. 6GHz到4. 6GHz的范圍的UWB頻譜的子頻帶內工作。在美國，該子頻帶已被聯(lián)邦通信委員會(FCC)分配用于特定的UWB裝置。
雖然存在各種UWB裝置，但仍然需要在UWB系統(tǒng)內使用的實用且節(jié)省成本的解決方案。例如，需要實用且節(jié)省成本的天線和天線系統(tǒng)，所述天線和天線系統(tǒng)可以用于在各種環(huán)境內發(fā)送和/或接收UWB信號。特別需要緊湊并且提供定向輻射模式的這種天線。還需要實用且節(jié)省成本的UWB雷達收發(fā)器電路。
要求實用且節(jié)省成本的技術的另一領域是監(jiān)視人和動物的生命指征的領域。例如，有益的是提供一種能夠監(jiān)視在療養(yǎng)院或人們家中的病人的心率和呼吸速率的系統(tǒng)。雖然存在這樣的系統(tǒng)，但是大多數(shù)具有各種缺點。例如，有些系統(tǒng)要求將電極或其他裝置附接到每個被監(jiān)視人員，另外一些系統(tǒng)非常昂貴或者不夠通用，另外一些系統(tǒng)僅能夠監(jiān)視諸如心率等的一個生命指征。
現(xiàn)有技術包括
· Newham 的 US 5，471，198 和 Edwards 的 US 6，788，206，它們公開了用于使用反射能量來監(jiān)視人的存在的系統(tǒng)。
· Richards等人的US 6，900, 732，其公開了一種用于使用UWB信號來監(jiān)視資產、物體、人或者動物的系統(tǒng)。
· Richards等人的US 6，466，125，其公開了一種當病人需要醫(yī)療救助時使用脈沖無線技術來警示醫(yī)務人員的系統(tǒng)、電子監(jiān)視器和方法。
· Richards等人的US 6，504，483，其公開了使用脈沖無線電來跟蹤繞賽道行進的馬的位置和/或使得人們能夠監(jiān)視正在行進的馬的一個或多個生命指征。該專利公開了所述技術也可以用于諸如狗的其他動物以及人。
· Hall等人的US 6，661，342，其公開了使用脈沖無線電來跟蹤移動的運動員并提供與運動員的安全通信。
· Nowogrodzki等人的US 4，513，748，其公開了一種使用兩個射頻信號的心率監(jiān)視器。
· Bloice的US 3，796，208，其公開了一種用于使用微波雷達單元來監(jiān)視病人的移動的系統(tǒng)。
· Lye等人的WO 2004/047630，其公開了一種使用UWB信號來發(fā)送與用戶的健康狀況有關的信息的系統(tǒng)。
^Tupin等人的US 2004/0249258，其公開了使用UWB雷達對生理數(shù)據(jù)進行成像和獲取。
· McEwan的US 5，361070，其公開了一種UWB雷達運動傳感器。
· Edwards的US 6，788，206，其公開了一種病人監(jiān)視系統(tǒng)。發(fā)明內容
本發(fā)明提供了涉及UWB系統(tǒng)的設備和方法。所述設備和方法可以被應用到用于監(jiān)視人或者動物的生命指征的系統(tǒng)。所述設備和方法還可應用于其他方面。這樣的方法和設備可以包含在此所述的各種UWB技術?？梢允褂眠B續(xù)波(CW)技術來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一些方面的系統(tǒng)。
本發(fā)明的一些具體方面提供了 可以用于發(fā)送和/或接收UWB信號的天線和天線陣列；UWB雷達收發(fā)器電路；以及病人監(jiān)視系統(tǒng)。本發(fā)明的這些具體方面可以彼此獨立地應用，并且還能夠以各種組合來應用。
本發(fā)明提供了一種用于監(jiān)視一個或多個活體的生命指征的設備，所述設備包括 監(jiān)視臺；與所述監(jiān)視臺通信的至少一個傳感器。所述傳感器包括天線系統(tǒng)；超寬帶雷達系統(tǒng)，該超寬帶雷達系統(tǒng)耦接到所述天線系統(tǒng)；信號處理器，該信號處理器被連接用于接收來自所述超寬帶雷達系統(tǒng)的信號，并且被配置用于從所述信號中提取與在對應于所述天線系統(tǒng)的感測范圍內的人或者動物的一個或多個生命指征有關的信息；以及通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)被配置用于向所述監(jiān)視臺發(fā)送所述信息。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括墊，所述天線系統(tǒng)位于所述墊的上表面下。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括墊，所述天線系統(tǒng)位于所述墊下。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)被天線罩覆蓋，所述天線罩對于超寬帶輻射基本上是透射的，其中，所述天線罩位于所述墊下。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括位于所述天線系統(tǒng)下面的金屬安裝表面，其中， 所述天線系統(tǒng)通過氣隙與所述安裝表面間隔開。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括天線陣列，所述天線陣列在所述墊的頭端和腳端之間的某個位置的帶中延伸跨過所述墊。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括多個天線組，天線組包括至少一個發(fā)送天線，所述發(fā)送天線被連接用于發(fā)送由所述超寬帶雷達系統(tǒng)產生的超寬帶脈沖；以及多個接收天線，所述接收天線被連接用于接收由所述人或者動物反射的超寬帶脈沖。所述多個接收天線以大致相等的間隔與所述發(fā)送天線間隔開。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述發(fā)送天線和所述多個接收天線被布置在基本上為平面的基底上。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括至少一個發(fā)送天線，所述發(fā)送天線被連接用于發(fā)送由所述超寬帶雷達系統(tǒng)產生的超寬帶脈沖；以及接收天線，該接收天線被連接用于接收由所述人或者動物反射的超寬帶脈沖。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述發(fā)送天線的增益比所述接收天線的增益低。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括布置在基本上為平面的構件上的天線陣列。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括布置在基本上為平面的構件上的接收天線陣列和至少一個發(fā)送天線。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述雷達系統(tǒng)包括發(fā)送器，該發(fā)送器被配置用于產生持續(xù)時間為3ns或者更短的脈沖；以及接收器，該接收器由長度超過5ns的脈沖來選通。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號處理器包括數(shù)據(jù)處理器，該數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行指令， 所述指令使得所述數(shù)據(jù)處理器將所述信號變換到頻域并且識別經變換的信號中位于具有心率的頻率特性的頻帶內的峰值。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述指令使得所述數(shù)據(jù)處理器搜索至少部分地基于先前確定的心率的頻率范圍內的峰值。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，如果所述數(shù)據(jù)處理器識別頻帶內的多個峰值，則所述指令使得所述數(shù)據(jù)處理器選擇多個峰值中最接近先前確定的心率的一個峰值。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號處理器包括數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行指令，所述指令使得所述數(shù)據(jù)處理器將所述信號變換到頻域并且識別位于具有呼吸速率的頻率特性的頻帶內的峰值。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述數(shù)據(jù)處理器被配置用于在所述信號內檢測運動偽象， 并且產生用于指示所述人或者動物正在移動的運動感測信號。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺被配置用于響應于所述運動感測信號而暫時抑制對關于生命指征的更新信息的顯示。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述雷達系統(tǒng)包括反射功率輸出端，并且所述信號處理器被配置用于監(jiān)視在所述反射功率輸出端處的反射功率信號，并且至少部分地基于所述反射功率信號而產生占用信號。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括放大器和低通濾波器，其中，所述反射功率信號是已經被所述放大器放大并且被所述低通濾波器濾波的信號。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述雷達系統(tǒng)包括第一和第二反射功率輸出端，所述第一和第二反射功率輸出端承載第一和第二反射功率信號，并且所述信號處理器被配置用于監(jiān)視所述第一和第二反射功率信號之間的差，并且至少部分地基于所述差而產生占用信號。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括至少一個天線，所述至少一個天線包括在大體上為平面的基底的第一面上的第一元件以及在所述基底的與所述第一面相對的第二面上的第二元件，其中，所述第一元件和所述第二元件中的每個是關于中心線對稱的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述元件中的每個包括多個短截線。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述短截線是尖的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述短截線具有不同的長度。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述短截線包括中心短截線，所述中心短截線具有沿著相交的直線的邊緣。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述直線以90士5度的角度相交。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，每個元件具有到傳輸線的饋送連接，并且所述元件的邊緣的第一段在所述饋送連接附近是圓形的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述第一段并入延伸至所述短截線中的外部短截線的拐角的發(fā)散的直線段。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述元件的短截線從所述中心線延伸開。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述元件中的每個具有三個短截線。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述短截線中的每個延伸至尖的拐角，在該尖的拐角處，所述元件的邊緣的線段相交。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線與50歐姆的不平衡的傳輸線直接匹配。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述天線系統(tǒng)包括至少一個天線，所述至少一個天線包括三維輻射元件，所述三維輻射元件在電路板的地平面之上直接安裝于該電路板，其中，所述輻射元件包括開放端和在所述開放端上延伸的短截線。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括輸入饋送點，所述輸入饋送點從所述輻射元件的邊緣凹陷。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述短截線和所述輸入饋送點在所述輻射元件的相對端。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述輻射元件在寬度上向所述開放端逐漸變細。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述輻射元件包括裙部，所述裙部沿著所述輻射元件的側邊向地平面延伸。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括顯示器，并且被配置用于在所述顯示器上顯示由所述傳感器檢測到的心率。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述心率以每分鐘跳動次數(shù)為單位來測量。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括顯示器，并且被配置用于在所述顯示器上顯示由所述傳感器檢測到的呼吸速率。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述呼吸速率以每分鐘呼吸次數(shù)為單位來測量。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括顯示器，并且被配置用于在所述顯示器上顯示用于指示所述傳感器是否檢測到活體的標志。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括顯示器，并且被配置用于在所述顯示器上顯示用于指示所述傳感器是否檢測到活體正在移動的標志。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括用于監(jiān)視用于指示活體的運動的運動信號、并且至少部分地根據(jù)所述運動信號的幅度或持續(xù)時間來確定所述活體的運動不正常的裝置， 其中，所述監(jiān)視臺被配置用于在所述顯示器上顯示用于指示所述活體的運動不正常的標ο
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述至少一個傳感器包括椅子傳感器，所述椅子傳感器被安裝在椅子的靠背上或者置于椅子的靠背內。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述至少一個傳感器和所述監(jiān)視臺每個包括無線數(shù)據(jù)收發(fā)器，并且通過所述無線數(shù)據(jù)收發(fā)器以無線的方式從所述至少一個傳感器向所述監(jiān)視臺發(fā)送所述信息。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述超寬帶雷達系統(tǒng)發(fā)送具有小于約12GHz的頻率的脈沖。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述頻率在3. 6GHz到4. 6GHz的范圍內。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述頻率在約6GHz的頻帶內。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述超寬帶雷達系統(tǒng)發(fā)送具有在0. 5μ s到1 μ s的范圍內的脈沖重復間隔的脈沖。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述超寬帶雷達系統(tǒng)包括振蕩器；混合器，該混合器被連接用于接收來自所述振蕩器的輸入以及來自由所述天線系統(tǒng)檢測到的反射信號的輸入，以在所述混合器的輸出處生成基帶信號；以及模數(shù)轉換器，該模數(shù)轉換器被連接用于數(shù)字化基帶信號。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該設備包括在所述天線系統(tǒng)和所述混合器之間的信號路徑上的放大器和濾波器。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括可聽見的警報器，并且所述監(jiān)視臺被配置用于響應于檢測到被監(jiān)視的主體已經停止呼吸超過閾值時間而使所述可聽見的警報器發(fā)出聲音。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括可聽見的警報器，所述監(jiān)視臺被配置用于響應于檢測到被監(jiān)視的主體的呼吸速率在預設的范圍之外而使所述可聽見的警報器發(fā)出聲音。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括可聽見的警報器，所述監(jiān)視臺被配置用于響應于檢測到被監(jiān)視的主體的心臟活動已經停止超過閾值時間而使所述可聽見的警報器發(fā)出聲音。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括可聽見的警報器，所述監(jiān)視臺被配成用于響應于檢測到被監(jiān)視的主體的心率在預設的范圍之外而使所述可聽見的警報器發(fā)出聲音。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括可聽見的警報器，所述監(jiān)視臺被配置用于響應于檢測到被監(jiān)視的主體不在位超過閾值時間而使所述可聽見的警報器發(fā)出聲音。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述超寬帶雷達系統(tǒng)被設置用于檢測被監(jiān)視人員在床或椅子上的存在。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述監(jiān)視臺包括可聽見的警報器，所述監(jiān)視臺被配置用于響應于檢測到被監(jiān)視的主體的異常運動而使所述可聽見的警報器發(fā)出聲音。
下面說明本發(fā)明的其他方面和本發(fā)明的具體實施例的特征。


在示出本發(fā)明的非限定性的實施例的附圖中，
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的病人監(jiān)視系統(tǒng)的框圖2是示出用于圖1的病人監(jiān)視系統(tǒng)的一種可能顯示的示意圖3是可以在圖1的監(jiān)視系統(tǒng)內使用的感測單元的框圖4是示出了感測單元的示意圖，所述感測單元借助于射頻脈沖通過墊來檢測人的存在以及人的心臟和呼吸活動；
圖4A-4C圖示天線的各種替選設置；
圖5是感測單元的框圖6是可在感測單元內使用的射頻雷達收發(fā)器的框圖7是圖6的雷達收發(fā)器的各部分的時序圖8是可用于發(fā)送和接收UWB信號的天線陣列的俯視圖8A是圖8的天線陣列的背面的俯視圖8B是圖8的天線陣列的天線元件的放大視圖；以及
圖9、9A、9B和9C是可以用于發(fā)送和/或接收UWB信號的緊湊天線的視圖。
具體實施方式
為了提供對本發(fā)明的更徹底的理解，下面的說明中給出了具體的細節(jié)。但是，本發(fā)明也可以在沒有這些細節(jié)的情況下實施。在其他實例中，為了避免不必要地混淆本發(fā)明，沒有詳細示出或者描述公知的元件。因此，本說明書以及附圖應視為示例性的，而不是限制性的。
下面的說明描述了 用于發(fā)送和/或接收超寬帶信號的天線；用于產生超寬帶信號的電路；以及用于監(jiān)視人或者動物的存在、活動和/或生命指征的系統(tǒng)。將參考包含所有這些元素的病人監(jiān)視系統(tǒng)來描述本發(fā)明。但是，在此所述的各創(chuàng)新部件和子系統(tǒng)也以其他的組合來使用，并可用于其他環(huán)境中。
圖1示意性地示出了病人監(jiān)視系統(tǒng)10。例如，系統(tǒng)10可以用于醫(yī)院病房、長期療養(yǎng)院或者托兒所等。系統(tǒng)10具有監(jiān)視臺12和一個或多個感測單元14。在圖示的實施例中， 感測單元14包括位于床17的床墊16之下的感測單元14A和14B ；置于(或者安裝在) 輪椅19的靠背18中的感測單元14C ；安裝在限制區(qū)22的入口 20(例如，限制區(qū)22可以是其中存儲藥物的藥房、設施出口等)處的感測單元14D;以及縛于人的胸部(如圖所示)或者腕部(未示出)的感測單元14E。
除了傳感器14之外，監(jiān)視臺12還可以接收來自另外的傳感器(未示出)的信號。 例如，監(jiān)視臺12可以接收來自門開關、附近的傳感器、諸如EEG機或血氧傳感器等的其他病人監(jiān)視裝置等的信號。
每個感測單元14與監(jiān)視臺12通信。所述通信最好是無線通信。如下所述，感測單元14A、14B、14C和14E監(jiān)視位于感測單元14的位置的人的存在、行為和生命指征。感測單元14D用于檢測人在限制區(qū)22內的存在。感測單元14D可以沒有用于檢測生命指征等的能力。感測單元14可以監(jiān)視下述參數(shù)中的一個或多個
人的心率；
人的呼吸速率；
人的呼吸或者心跳是否已經停止；
人的呼吸或者心跳是否具有異常模式；
人是否在活動(即移動)；
人是否正以異常方式移動(例如人是否正以可能指示發(fā)作或發(fā)病的方式移動)；
在感測單元的附近是否有人；以及
諸如此類。
包含來自監(jiān)視操作的結果的數(shù)據(jù)信號對被發(fā)送到監(jiān)視臺12。
監(jiān)視臺12包括顯示器沈、有線或者無線通信模塊27和警報器觀，例如，警報器28 可以包括警報聲音發(fā)生器。通信模塊27接收來自感測單元14的數(shù)據(jù)信號對。監(jiān)視臺12 顯示與被監(jiān)視的各人有關的信息。
圖2示出了可能的顯示的一個示例。例如，監(jiān)視臺12可以位于護士站，在護士站， 當班護士可以使用該監(jiān)視臺監(jiān)視病人的狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)信號滿足規(guī)定的警報標準，則監(jiān)視臺12可以產生警報。例如，所述警報標準可以包括
有人，但是這個人沒有移動，并且在超過閾值時段的時間中沒有可檢測到的心跳或者呼吸；
檢測不到應當保持位于感測單元14處的人；
在限制區(qū)內檢測到人；以及
諸如此類。
警報可以使得在顯示器沈上顯示可視的標記四(參見圖幻，并且還可或者可選地使得警報器洲產生可聽見的信號，警報器觀可以包括蜂音器等。除了監(jiān)視臺12之外，可以還提供遠程監(jiān)視臺(未示出)。監(jiān)視臺12可選地與便攜監(jiān)視裝置通信，所述便攜監(jiān)視裝置諸如尋呼機等，所述便攜監(jiān)視裝置可以在監(jiān)視臺12檢測到警報狀況時向負責人員發(fā)信號。
顯示器沈可以顯示被監(jiān)視人員的運動趨向以及所監(jiān)視的任何生命指征及系統(tǒng)10 所監(jiān)視的各種生命指征的值。
監(jiān)視臺12可以與整個病人管理系統(tǒng)集成在一起，所述病人管理系統(tǒng)跟蹤病人信息、治療史等。這樣的系統(tǒng)是商業(yè)可用的，因此在此不作進一步的說明。位于監(jiān)視臺12的人員可以觀察被監(jiān)視病人的心率和呼吸速率，并在病人離床或者從床上掉下、病人停止呼吸、病人的心跳停止、病人異常運動或者存在監(jiān)視臺12會提供警報的某些其他條件或者條件組合時得到警示。
感測單元14包括超寬帶(UWB)雷達系統(tǒng)。圖3是示例性感測單元14的框圖。感測單元14具有連接到天線系統(tǒng)31的UWB雷達系統(tǒng)30。UWB雷達系統(tǒng)30具有UWB發(fā)送器 30A和UWB接收器30B。UffB雷達系統(tǒng)30產生由天線系統(tǒng)31發(fā)送到人可能位于的空間內的 UffB脈沖。由于UWB雷達系統(tǒng)30可用于檢測在所述空間內的人，因此這個空間可稱為“感測空間”。如果所述空間內有人，則脈沖在人體內的界面(諸如肺和心的表面)處被反射。 天線31接收反射的脈沖，并且由UWB雷達30檢測所述反射的脈沖。
在一些實施例中，UWB脈沖在C頻帶(3. 6到4. 6GHz)內。所發(fā)送的UWB脈沖的寬度例如可以在Ins到3ns的范圍內。以適當?shù)乃俾蕘韨魉蚒WB脈沖。所述脈沖速率的值可以被設置得足夠低，使得平均發(fā)送功率足夠低，以滿足適當?shù)墓芾硪?。例如，在一些實施例中，脈沖重復間隔(PRI)在0.5ys到Iys的范圍內。所發(fā)送的時間平均的輸出功率可以較小。例如，最大有效各向同性輻射功率(EIRP)可以是-41.3dBm/MHz或者更低。
來自UWB雷達系統(tǒng)30的接收器輸出信號32被傳送到信號處理系統(tǒng)33。信號處理系統(tǒng)33處理接收器輸出信號32，以獲得感測單元14所監(jiān)視的心率、呼吸速率和/或其他特征的值。包含所述特征的值的輸出信號被傳送到無線通信裝置35，所述無線裝置35通過天線36向監(jiān)視臺12發(fā)送承載表示所述值的數(shù)據(jù)的信號M。在示出的實施例中，控制部 38協(xié)調感測單元14的操作。舉例而言，控制部38可以包括可編程的微處理器執(zhí)行的軟件指令、邏輯電路或者其的某種組合。
圖4圖示了位于床墊17之下的天線系統(tǒng)31如何可以發(fā)送UWB脈沖40。脈沖40 傳送到人P，并在各表面(包括人的肺L和心H的表面)處被反射，從而形成由天線31 檢測到的反射脈沖42。通過使用處于反向散射遠程感測模式中的UWB雷達，所述系統(tǒng)可以在沒有附接于人體的電極或其他裝置的情況下監(jiān)視人的心率和呼吸速率。
天線系統(tǒng)31可以包括發(fā)送天線陣列31A和接收天線陣列31B。發(fā)送和接收天線分布在一個區(qū)域上，所述區(qū)域足夠寬，使得能夠導致并檢測從床墊16上的任何合理的位置和姿勢的病人P反射的脈沖42。發(fā)送天線31A可以是低增益天線。使用低增益發(fā)送天線31A 允許UWB信號的發(fā)送具有較高的平均幅度，而不會使得EIRP超過可由適用的規(guī)則規(guī)定的閾值。在一些管轄區(qū)域內，規(guī)則要求EIRP不超過規(guī)定的閾值。而且，由于低增益天線一般具有寬的輻射模式，因此，所述輻射分布于廣角空間中。
接收天線31B可以是較高增益的天線，以便為包含反射脈沖42的接收信號提供較好的信噪比(SNR)。
圖4A示出了床墊16下的天線陣列的示例性布置。多個發(fā)送陣列31A和接收陣列 31B被布置在位于躺在床墊16上的人P的軀體的預期水平高度的、在床墊16上延伸的區(qū)域46內。每個發(fā)送陣列31A在一簇接收陣列31B的中心。在所示的實施例中，每個發(fā)送陣列31A位于一組四個接收陣列31B的中心，所述四個接收陣列31B與中心的發(fā)送陣列31A 相距大致相等的距離。以交錯的方式布置發(fā)送天線31A和接收天線31B利于獲得良好的信噪比。發(fā)送天線31A可以是提供較大覆蓋角的低增益的天線。這允許使用較少的發(fā)送天線 31A來覆蓋區(qū)域46。
圖4B示出了另一種可能的布置，其中，多個天線模塊43中每個具有多個發(fā)送天線 31A和多個接收天線31B。模塊43可以通過諸如同軸電纜45等的適當波導而連接到包含 UWB收發(fā)器的電子模塊44。例如，每個模塊43可以為約8英寸見方。在所示的實施例中， 每個模塊43具有四個接收天線31B和一個發(fā)送天線31A。所述天線可以直接安裝或者形成 (例如通過蝕刻或者印刷)在電路板上。每個模塊可以可選地包括四進一的功率合成器，用于收集來自接收天線的功率，以傳送到電子模塊44。
圖4B的設備可以密封于適當?shù)耐鈿?，以便放置在床墊之下。所述外殼防止天線 31A和31B與可能影響它們的性能的任何電介質或金屬表面的接觸。所述外殼可以在天線模塊43和下層的安裝表面之間提供氣隙。所述外殼可以包括固體基板，可以將天線模塊和電子模塊安裝于該基板。例如，所述基板可以包含鋁或其他適當材料的片。所述外殼可以包括用于環(huán)境保護的天線罩。例如，所述天線罩可以用薄的塑料層形成?？梢詾殡娮幽K1244提供金屬屏蔽罩。
圖4C示出了另一個實施例，其具有比圖4B的實施例少的天線。其他的天線布置也是可能的。
在圖5所示的一個示例實施例中，UffB發(fā)送器30A包括振蕩器50，振蕩器50被猝熄，以產生脈沖的射頻(RF)波形，所述波形通過選通放大器52，以產生UWB脈沖40。通常期望振蕩器50的中心頻率是可調節(jié)的，以便能夠在需要時進行頻率優(yōu)化。振蕩器50中可以使用任何適當?shù)恼袷幤麟娐?。本領域的技術人員已知有多種適合的振蕩器。例如，振蕩器50可以包括基于二極管、FET或者結式晶體管的振蕩器。
在所述示例性實施例中，UWB接收器30B接收來自天線系統(tǒng)31的接收天線31B的信號53，并且將所接收的信號傳送通過射頻信號調整級M，該射頻信號調整級M包括例如濾波器陽和放大器56。經調整的信號被提供到混合器58，在此，該經調整的信號與來自振蕩器50的信號混合，以得到基帶信號59。基帶信號59在基帶調整級60中由例如濾波器 61和放大器62進一步調整。經調整的信號然后由模數(shù)轉換器(ADC)64數(shù)字化。ADC 64優(yōu)選地至少是12/14比特的ADC，使得經調整的基帶信號能夠在動態(tài)范圍內以SOdB而被數(shù)字化。在使用約IOHz的模擬抗混淆濾波器的情況下，ADC的采樣率不必超過約50Hz，以獲得經數(shù)字化的信號，從該經數(shù)字化的信號中可以提取心率和呼吸速率。為了降低感測單元14 的整體成本、大小和功耗，ADC 64可以包括組合的ADC/微處理器的ADC部分。
在當前的優(yōu)選實施例中，應用相干的多普勒檢測方案來檢測反射脈沖42。經調整的基帶信號具有隨著病人的心跳而變化的頻率分量以及隨病人呼吸而變化的頻率分量。經調整的基帶信號可以是音頻信號(例如經調整的基帶信號的頻率可以幾分之一 Hz到幾Hz 的范圍內)。
在所示的實施例中，基帶調整級60提供用于調整基帶信號59的呼吸速率分量和心率分量的單獨的信號路徑。這允許針對每個信號分量來優(yōu)化信號調整。圖5示出了濾波級61，其包括單獨的濾波器61A和61B ；放大級62，其包括單獨的放大器62A和62B;以及數(shù)字化級64，其包括單獨的模數(shù)轉換器64A和64B，模數(shù)轉換器64A和64B分別調整心率信號65A和呼吸速率信號65B。
數(shù)字化的信號65 (在所示的示例中具有經調整的分量65A和65B)傳送到信號處理級33。信號處理級33包括適當?shù)臄?shù)據(jù)處理器，諸如信號處理器或者微處理器；或者包括適當?shù)哪M或數(shù)字信號處理電路，諸如適當配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。在圖5中，信號處理級33包括數(shù)字信號處理器(DSP) 66，該數(shù)字信號處理器66執(zhí)行DSP 66可訪問的程序存儲器中存儲的軟件指令68。DSP 66從信號65中提取心率和呼吸速率信息。
在一些實施例中，DSP 66被編程以將經調整的基帶信號變換到頻域中。這樣的變換的示例是傅立葉變換，傅立葉變換可以被實現(xiàn)為快速傅立葉變換(FFT)算法。人的心跳通常具有在0. 8Hz到3Hz的范圍內的頻率(50-180心跳/分鐘)。人的呼吸的頻率通常在 0. IHz到0.7Hz的范圍(6-42次呼吸/分鐘)內。DSP 66可以通過下述方式來提取病人的心率和呼吸速率在所變換的頻域信號內搜索心率和呼吸速率的預期范圍內的頻率的峰值。心率和呼吸速率的頻率范圍可以在DSP軟件68中指定，或者存儲在DSP 66可訪問的數(shù)據(jù)寄存器內。
心率和呼吸速率的范圍可以是用戶可配置的。例如，嬰兒可以具有基本上比成人的心率高的心率。當根據(jù)本發(fā)明的設備用于監(jiān)視嬰兒時，可以通過適當?shù)挠脩艚缑鎸⑿穆屎秃粑俾实念l率范圍設置為較高的值。
通過將較大的數(shù)據(jù)塊變換到頻域內，可以改善結果的精度。例如，可以一次取3個或者更多個經調整的基帶數(shù)據(jù)的塊來執(zhí)行頻域變換。每個塊可以包含例如經調整的基帶數(shù)據(jù)的256、521或者IOM個采樣。每次獲得新塊時，通過丟棄最老的塊并且添加最新的塊來重復所述變換。因此，每個連續(xù)的變換所基于的數(shù)據(jù)與用于緊挨著的先前變換的數(shù)據(jù)交迭。 例如，當一次取4個數(shù)據(jù)塊時，在用于每個變換的數(shù)據(jù)中存在75%的交迭。
而且，可以通過使用先前確定的平均心率來進行進一步的增強，以有助于在對應于預期的心率的頻率范圍內的頻譜中存在多個峰值的情況下識別心率信號。在DSP 66識別出頻域數(shù)據(jù)內的不止一個峰值可能是心率的情況下，DSP 66可以被編程為選擇最接近先前確定的平均心率的峰值。
呼吸頻率的諧波可以落在心率的頻率范圍內。接收器30B可以被設計成最小化這樣的諧波。在一些實施例中，DSP 66可以被編程為檢測作為心率或者呼吸速率的諧波的頻率分量，并且根據(jù)所述諧波的頻率來整體地或者部分地確定心率或者呼吸速率。例如，可以通過檢測和測量心率的二次諧波的頻率并且將結果除以2來確定心率。
在一些情況下，人可以具有較高的呼吸速率和較低的心率。在這樣的情況下，不可能將心率和呼吸速率信號分離開(特別是因為呼吸速率的信號電平通常比心率信號的信號電平大得多-在一些情況下呼吸速率信號在幅度上可能比心率信號大20dB到30dB)?？梢酝ㄟ^提供濾波器，以在一定程度上減少這個幅度差，所述濾波器在信號調整級60中降低呼吸信號的幅度。例如，信號調整級60可以將呼吸頻率范圍內的信號的幅度相對于心率頻率范圍內的信號降低10dB-15dB。
可以通過對經調整的基帶信號進行時域分析來增強對呼吸和心跳信號的頻率的識別和測量。例如，可以通過對經調整的基帶信號(可以通過適當?shù)臑V波而進一步對該信號進行調整)內的峰值和過零點進行計數(shù)來測量呼吸速率。通過濾除經調整的基帶信號內的較低頻率，還可以通過對從心臟運動產生的信號內的峰值進行計數(shù)來測量心率?？梢詫⑼ㄟ^時域分析獲得的呼吸速率信息和/或心率信息與通過頻域分析獲得的對應的信息組合在一起，以獲得對呼吸速率和/或心率的精確的估計值。在一個替選實施例中，可以通過時域分析而不是通過頻域分析來獲得呼吸速率信息和/或心率信息。
在一些實施例中，可以用兩種或者更多種不同的方式來確定呼吸速率和心率，并且可以通過組合以所述兩種或者更多種的不同方式獲得的結果來建立呼吸速率或者心率的值。例如，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括用于通過在經調整的基帶信號的傅立葉變換中直接地識別對應于心率的頻率分量而確定心率的第一裝置；用于通過在經調整的基帶信號的傅立葉變換中識別對應于心率的二次諧波的頻率分量而確定心率的第二裝置；用于通過經調整的基帶信號進行時域分析來確定心率的第三裝置；以及組合裝置，用于組合由所述第一、第二和第三裝置提供的結果來獲得心率的值。例如，所述組合裝置可以獲得所述結果的平均值或者加權平均值。
DSP 66對適當?shù)拇翱谏系男穆屎秃粑俾蔬M行平均，并且向通信子系統(tǒng)35提供更新的平均值。例如，可以在15至30秒的窗口上對心率和呼吸速率二者進行平均。因為呼吸速率通常小于心率，因此可選地可以在較長的窗口上對呼吸速率進行平均。在開始時，可以使用較短的平均時間，以減少加電與獲得心率和呼吸速率信息之間的時間。
以足以提供及時的結果的頻率對心率和呼吸速率進行更新。例如，可以每幾秒 (例如每1至5秒)更新心率一次。如果需要，可以以更低的頻率(每5至15秒)來更新呼吸速率。
當病人運動時，該運動引起經調整的基帶信號內出現(xiàn)大幅度的低頻分量。這些低頻分量可以淹沒心率信號或呼吸速率信號，或者淹沒這兩個信號。在這種運動的持續(xù)時間中，可能難于識別心率信號或者呼吸速率信號或者這兩個信號。優(yōu)選地，DSP 66被編程為 檢測這樣的運動偽像，并且產生一個信號(例如通過設置運動感測標記)，所述信號向監(jiān)視臺12指示檢測到運動，并且所述運動正在阻礙對呼吸速率和/或心率的更新。DSP 66可以通過識別經調整的基帶信號65內的大幅度的低頻分量來檢測運動偽像。
通信子系統(tǒng)35向監(jiān)視臺12發(fā)送更新的平均值和任何附加的信息，諸如運動標記和用于識別感測單元14的ID代碼?？梢蕴峁┤魏芜m當?shù)耐ㄐ偶夹g和協(xié)議，以從感測單元 14向監(jiān)視臺12發(fā)送數(shù)據(jù)。一些非限定性的示例有有線或者無線的局域網(LAN)，諸如以太網局域網；IEEE 802. 11網絡；或者符合ZigBee 規(guī)范的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。注意，某些處理可以在監(jiān)視臺12處執(zhí)行，而不能在信號處理級33處執(zhí)行。
心率通常不會相對于心率的周期而突然變化。監(jiān)視臺12 (或DSP 66)可以對心率和呼吸速率的平均值執(zhí)行統(tǒng)計分析。例如，可以將新的心率值與前一個平均心率值相比較。 如果新的心率值與前一個平均心率值相差超過閾值量(例如50%)，則監(jiān)視臺12(或DSP 66)可以被配置成不顯示該新值。在這種情況下，監(jiān)視臺12可以通過下述方式指示心率值不可靠通過顯示符號來取代心率值或者除了顯示心率值還顯示符號、不顯示心率值、使用不同的顯示參數(shù)(例如閃爍、不同顏色等)來顯示心率值等。
監(jiān)視臺12可以監(jiān)視心率和呼吸速率信號中的指示潛在問題的圖案。例如，監(jiān)視臺 12可以被配置用于在人的呼吸速率單獨地或者與其他因素相結合地突然升高并且持續(xù)為高的情況下觸發(fā)警報。
圖6示出了可以被用作UWB雷達30的電路70。電路70具有信號產生部分70A和信號接收部分70B。信號產生部分70A產生本地振蕩器信號71和UWB脈沖信號72。信號 71和72具有不同的波形。信號72由具有幾納秒(ns)的脈沖寬度的短UWB脈沖構成。
本地振蕩器信號71提供的脈沖比信號72中的脈沖長，具有與信號72中的脈沖相同的載波頻率。本地振蕩器信號71中的脈沖的長度應當足夠長，以便能夠捕獲到所感興趣的范圍內的所有的反射脈沖42。在本地振蕩器信號的結尾后到達的反射的脈沖42將不會被檢測到。期望的是，使本地振蕩器信號71內的脈沖保持為短，以排除來自周圍的不想要的信號，并且避免不必要的RF耦合。例如，信號71內的脈沖的長度通常在大約5納秒到10 納秒左右的范圍內，并且是可調整的。在一些實施例中，、信號71和72內的脈沖可以具有相同或者相似的長度。
在信號產生部分70A中，時鐘74用來以期望的脈沖重復頻率(例如約IMHz)向長脈沖選通電路76提供時鐘信號。長脈沖選通電路76產生脈沖，所述脈沖使得猝熄電路78 猝熄以適當?shù)念l率(例如C頻帶頻率)運行的振蕩器78。在信號分離器80處去除本地振蕩器信號71。
在通過延遲電路84設置的時延后，由SP選通電路86來產生短脈沖。所述短脈沖操作開關82，以經由濾波器88向發(fā)送天線陣列傳送很短的RF脈沖。將所發(fā)送的脈沖保持為短表示所發(fā)送的脈沖將具有較寬的帶寬，具有低的平均信號電平?？梢允惯@樣的低電平信號滿足管理要求，諸如美國的聯(lián)邦通信委員會(FCC)實行的要求，這些要求限制可允許的時間平均和最大信號電平。延遲電路84允許對信號72中的發(fā)送脈沖與本地振蕩器信號 71之間的相對定時進行控制。
接收部分70B接收來自接收天線陣列的信號。所述信號在濾波器90被濾波，并且在混合器94中與本地振蕩器信號71混合之前被低噪聲放大器92放大。衰減器73可以被提供用來降低在混合器94的上游的本地振蕩器信號71的幅度。從混合器94輸出的基帶信號在濾波器95中被濾波，在差分放大器96A中被調整偏移，在放大器98A中被放大，并且在濾波器99A中被濾波。
在所示的實施例中，差分放大器96A、放大器98A和濾波器99A承載從中可以確定心率的信號。提供了獨立的差分放大器96B、放大器98B和濾波器99B用于調整從中可以確定呼吸速率的信號。這利于心率和呼吸信號的分離。承載關于呼吸的信息的、在混合器94 的輸出處的解調信號的分量在幅度上通常比表示心率的信號的分量高大約20dB到30dB。 在心率通道內的高通濾波器99A可以濾除許多呼吸信號。例如，所述高通濾波器可以濾除具有小于約0. 5Hz的頻率的信號分量，并且使高頻信號通過。呼吸信號與心率信號的分離允許將呼吸和心率信號放大到有利于對所述信號進行時域信號處理的電平。
接收部分70B提供獨立的輸出，所述輸出承載從其可以檢測人的反射功率和運動的信號。運動檢測輸出102接收經放大器100放大并且經高通濾波器101濾波的信號。如果在運動檢測輸出102處的信號具有超過閾值的值，則這表示病人正在移動，該移動足以中斷對心率或呼吸速率的測量。
放大器104和濾波器105對在混合器94的輸出處獲得的信號分別進行放大和低通濾波。這個信號在輸出106處被提供。當由接收天線31B拾取的反射功率提高時，在輸出106處的所述信號的幅度會增大。
可以通過包絡檢測器來測量反射功率。反射功率的幅度一般依賴于所述設備的配置、監(jiān)視對象的特性、監(jiān)視對象的姿勢和位置等。在一些實施例中，通過比較兩個不同組的天線(所述兩組天線通常是兩個天線陣列)所接收的反射功率來確定監(jiān)視對象的在位與否。可以將在兩個陣列處接收的反射功率的差與閾值相比較，以確定監(jiān)視對象是否在位。在這樣的實施例中，放大器104可以包括差分放大器，如圖6所示。這種構造的優(yōu)點是需要很少的調整或者不需要調整來補償設備內的變化。
當感測范圍內沒有人(或者其他人狀的物體)時，則輸出106的信號將具有在給定范圍內的幅度。在床傳感器的情況下，這表示所述床未被占用。在其他應用內使用的傳感器的情況下，這表示人未在所述感測范圍內。當人進入感測范圍內時，則由輸出106的信號指示的反射功率(或者反射的功率差)發(fā)生改變。系統(tǒng)10可以監(jiān)視輸出106的信號，并且當輸出106的信號改變到在沒有人時所具有的范圍之外的值時，將狀態(tài)標記從例如Ν0Τ_ OCCUPIED (未占用)改變?yōu)镹ORMAL (正常)。
電路70可以執(zhí)行校準例程，該基準例程設置當其加電時對應于未被占用的床的值的范圍、或者響應于用戶輸入而設置當床未被占用時的其他時間對應于未被占用的床的值的范圍。
信號處理系統(tǒng)33可以根據(jù)輸出102和106的信號的組合來設置狀態(tài)標記。所述狀態(tài)標記例如可以具有值N0T_0CCUPIED (未占用)、M0TI0N (運動)和NORMAL (正常)。一些實施例可以具有用于正常運動和異常運動的狀態(tài)標記?？梢栽O置當被監(jiān)視人員以正常和預期的方式翻身或者改變位置時用于表示正常運動的狀態(tài)標記?？梢栽O置當被監(jiān)視人員進行指示可能需要干預的可能有問題的運動時用于指示異常運動的狀態(tài)標記。例如，可以設置當被監(jiān)視人員進行可能伴隨某種類型的發(fā)作的連續(xù)翻滾的運動時用于指示異常運動的狀態(tài)標記。當狀態(tài)標記具有除了 “N0RMAL(正常)”之外的值時，可以抑制對心率和呼吸速率值的更新。
圖7是圖示了較短脈沖選通信號87與較長脈沖信號77之間的相對定時的時序圖，較短脈沖選通信號87控制信號72中的所發(fā)送的UWB脈沖的時間和長度，而較長脈沖信號77控制本地振蕩器信號71中的脈沖的時間和持續(xù)時間。信號77具有長度A(如5-10 納秒)的脈沖，所述脈沖通過長度B(如大約1微秒)的間隔而分開。在所示的實施例中， 信號87內的脈沖始于時間C，所述時間C通常在信號77內的較長脈沖的啟動后的幾納秒。 這有利于振蕩開始的頻率和相位的穩(wěn)定性。信號87內的脈沖的長度D具為幾個納秒(例如1-5納秒，最好是3納秒或更短，如1-2納秒)?？梢赃x擇脈沖長度D和脈沖重復率，以獲得時間平均的功率密度，該功率密度足夠低，使得符合由可應用的規(guī)定而實行的限制。
接收信號89將在不同的時隙到達接收器70B。脈沖長度A(在該脈沖程度期間可以獲得本地振蕩器信號71)足夠長，以包括所有的接收信號89。在接收器70B通過本地振蕩器信號對接收信號進行時間選通。使用比發(fā)送信號長的本地振蕩器信號允許同時檢測來自所有接收天線的信號。這樣，不需要信道復用。本地振蕩器信號不應不必要的長，以便防止接收器70B接收到不需要的噪聲信號。在一些實施例中，在每個發(fā)送脈沖SP的開始產生空信號MP?？招盘朚P用來在發(fā)送UWB脈沖的同時抑制對接收信號89的接收。這防止由于近場耦合到一個或多個發(fā)送天線而在接收天線內誘發(fā)的信號被誤認為期望的接收信號89。
如上所述的基本技術可以被應用到監(jiān)視單人的系統(tǒng)。例如，可以提供感測單元14 來監(jiān)視嬰兒床內的嬰兒或者床或椅子內的人的在位、呼吸速率?？梢詫⒕瘓笃髋c感測單元 14集成在一起，或者感測單元14可以被連接用來向遠程警報單元發(fā)送警報信號(例如通過有線或者無線的連接)。在一個實施例中，感測單元14與嬰兒監(jiān)視器組合。嬰兒監(jiān)視器的基站接收由嬰兒發(fā)出的聲音，并且還在來自傳感器14的輸出指示可能出問題(諸如嬰兒已經停止呼吸)的情況下提供警報信號。在另一個實施例中，傳感器14直接地連接到警報器，并且如果傳感器14檢測到被監(jiān)視人員已經停止呼吸超過一段短的時間則啟動警報器。 在具有或者不具有外部監(jiān)視的情況下，這樣的系統(tǒng)可以用來通過觸發(fā)警報器而喚醒患有睡眠呼吸暫停的人。
圖8、8A和8B示出了可用于在此所述的類型的系統(tǒng)中并且可用于其他應用的天線陣列120的設計。在圖8B所示類型的單獨天線可以被組合為其他類型的陣列，或者用于獨立的應用中。陣列120包括布置在諸如電路板等的平面基底121上的多個偶極狀的天線。 基底121可以包括雙面包銅的層壓板，其中，如圖8所示已經形成包銅的圖案。
在圖8中，以實線輪廓示出了在基底121的第一面上的導電區(qū)域，同時以虛線輪廓示出了在基底121的第二面上的導電區(qū)域。圖8A示出了在基底121的第二面上的導電區(qū)域的圖案。17
在所示的實施例中，12個接收天線122通過波導123而互連。接收天線122位于矩形網格的節(jié)點。雙向信號組合器126將來自所有的接收天線122的信號組合為單個輸出 128。發(fā)送天線130位于陣列120的中心。當陣列120位于地平面之上的適當高度時，發(fā)送天線120和接收天線130都具有定向輻射模式。
每個天線122和130具有在基底121的相對面上、在相反方向上延伸的元件124A 和124B。圖8B詳細示出了單個天線122。元件124A和124B是彼此的鏡像，并且各自相對于中線131而對稱。每個元件124A在其饋送點133附近具有圓形段132，并且在其開放段具有不等長度的多個短截線(stub)。在所示的實施例中，在每個元件124內，圓形段132并入直的發(fā)散的邊緣段134，該邊緣段延伸到外部短截線137的拐角136。元件124的開放段是W形的。直線段138在拐角136處形成銳角。在拐角144處相交的大體為直的線段142 之間限定中央短截線140。在所示的實施例中，拐角144近似為直角。
主要通過元件IM在Z方向(即在與線131平行的方向上)上的有效長度來確定天線122或者130的諧振頻率。通過在饋送點附近提供彎曲的幾何形狀并在所述元件的開放端提供不同長度的多個(在所示的示例內為3個)短截線來實現(xiàn)寬頻帶寬。這種幾何形狀由于其變化的有效元件長度而允許在多個頻率處的諧振。在一些實施例中，可以在利用或者不利用反射的地平面的情況下獲得超過30%的頻率帶寬。
通過改變線段134之間的對向角(subtended angle) θ (參見圖8)來調整每個天線122或者130的帶寬。一般而言，帶寬在所述對向角增大時增大，并且在所述對向角減小時減小。通過選擇用于發(fā)送信號的天線內的適當?shù)膶ο蚪铅龋梢哉{整所發(fā)送的輻射的頻譜。通過選擇用于檢測信號的天線內的適當?shù)膶ο蚪铅?，可以從所接收的信號中濾除不想要的信號。
輻射元件124的輸入阻抗通過寬度恒定的一對平衡的帶狀線150而匹配到50歐姆的不平衡的微帶傳輸線123。通過選擇平衡的帶狀線150的適當長度并且通過選擇天線 122或者130的饋送點133的適當?shù)某叨?，可以將天線122或者130匹配到50歐姆的不平衡的傳輸線，而不需要任何另外的匹配網絡。
天線陣列120具有以下優(yōu)點可以利用標準電路板制造技術來制造，并且提供適合于發(fā)送和接收UWB脈沖的緊湊的平衡偶極結構。
如上所述，UWB雷達可以用于檢測坐在椅子中的人的在位、移動、心率和呼吸速率。 與要捆扎到人的胸部或背部上的傳感器、要結合嬰兒床而使用的傳感器或者在類似的應用中使用的傳感器一樣，用于椅背上的感測單元不必覆蓋象全尺寸的床中所使用的感測單元那樣大的區(qū)域。因此，用于這種應用的感測單元的天線可以比需要覆蓋全尺寸的床的感測單元所需要的天線少。例如，用于感測小嬰兒床內的嬰兒的在位、心率和/或呼吸速率的感測單元不必覆蓋大的區(qū)域，并且可以僅具有一個天線或者僅具有幾個天線。
圖9、9Α和9Β和9C示出了緊湊天線170。天線170包括輻射元件172，該輻射元件172可以通過焊接或者通過導電粘合劑的附接等被直接地安裝到電路板。天線170可以用于在此所述的感測單元內，或者可以用于其他應用內。
天線170具有三維的配置。輻射元件172被安裝在導電地平面174之上。地平面 174可以包括例如在印刷電路板基底上的金屬層。可以通過例如壓印薄金屬片來形成輻射元件172。
在一些實施例中，包含UWB雷達的電子模塊包括電路板，輻射元件172可以附接到該電路板以提供天線。所述電路板還可以包括波導可以連接外部天線或者天線陣列的位置。根據(jù)所述應用，輻射元件172或者一個或多個外部天線或者天線陣列可以連接到電路板。這允許同一電路板用于各種類型的感測單元中。例如，多個天線陣列可以連接到用作床內的傳感器的電路板，而輻射元件172可以連接到作為椅背內或者嬰兒床的床墊下等的傳感器的電路板。
天線170通過在所述輻射元件和所述地平面174之間的窄間隙178來輻射線性極化的E場。主要通過天線170在X和Y方向上的整體尺寸來確定所述天線的諧振頻率?？梢蕴峁┰谳椛湓?72的開放端182上延伸的小短截線180，以精細地調諧天線170的諧振頻率。還可以通過在輻射元件172和地平面174之間提供電介質材料而改變天線170的特性。
天線170在Y方向上的幾何形狀和尺寸確定了天線170的頻率帶寬。在天線170 的兩面的幾何形狀三角形184允許寬帶頻率的操作?？梢岳眠m當?shù)某尚蝸慝@得超過20% 的頻率帶寬。根據(jù)地平面174的大小，天線170的一些實施例具有心形輻射圖，具有在6dBi 到8dBi之間的方向性。
輸入饋送點188向天線170內凹陷。通過選擇饋送點188與邊緣190的適當距離， 天線170可以直接地匹配到50歐姆的傳輸線，而不需要另外的匹配網絡。
對于UWB操作，天線170可以具有約1毫米的輻射間隙178和在大約5毫米到6 毫米的范圍內的輻射元件172的頂部和地平面174之間的距離。
可以理解，本發(fā)明具有以下幾個方面，包括
天線，具有象圖8、8A和8B所示特征一樣的天線特征，可用于任何目的；
天線，具有象圖9、9A和9B所示特征一樣的天線特征，可用于任何目的；
監(jiān)視系統(tǒng)，可以用于監(jiān)視一個或多個人的在位、心率和/或呼吸速率，其中圖1 的系統(tǒng)是一個示例；
監(jiān)視系統(tǒng)，可以用于監(jiān)視嬰兒或者單個人的舒適-這樣的示例包括嬰兒監(jiān)視器和用于在患有睡眠呼吸暫停的人停止呼吸超過短時間則喚醒他的系統(tǒng)；以及
基于UWB雷達的傳感器，可以用于監(jiān)視人的在位、心率和/或呼吸速率。例如， 這樣的傳感器可以由應緊人員(例如消防隊員、救護車人員、應急響應技術人員或者軍事醫(yī)生等)使用來測試傷者或者病人的生命指征的存在。這樣的傳感器可以是便攜的。在一些實施例中，所述傳感器被配置為壓在人的背部或者胸部，并且包括顯示器或者其他指示器，該顯示器或者其他指示器標識是否可以檢測到生命指征(例如心跳和/或呼吸)，并且可以提供諸如心率和呼吸速率等的信息。
基于UWB雷達的傳感器，可以用于檢測個人的某位置的脈沖。這樣的傳感器可以用于例如非侵入性的血壓監(jiān)視器，所述非侵入性血壓監(jiān)視器根據(jù)個人的循環(huán)系統(tǒng)內的脈沖的傳播速度來計算個人的血壓。例如，這樣的傳感器可以設置在人的頸部和踝關節(jié)處。在這兩個位置檢測到的脈沖在時間上的差可能與個人的血壓相關?？梢詫蓚€這樣的傳感器連接到控制器，所述控制器確定脈沖到達傳感器的時間上的差別，并且至少部分地根據(jù)所述時間差來計算血壓或者血壓的變化。
本發(fā)明的特定實現(xiàn)方式包括計算機處理器，該計算機處理器執(zhí)行軟件指令，所述軟件指令使得處理器執(zhí)行本發(fā)明的方法。例如，在感測單元內的一個或多個處理器或者在感測單元內的處理器和監(jiān)視臺的組合可以實現(xiàn)用于通過執(zhí)行所述處理器可訪問的程序存儲器內的軟件指令而獲得在此所述的心率和呼吸速率信息的方法。還可以用程序產品的形式來提供本發(fā)明。所述程序產品可以包括承載一組計算機可讀信號的任何介質，所述計算機可讀信號包括指令，當由數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行所述指令時，使得所述數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明的程序產品可以利用多種形式中的任何一種。所述程序產品可以包括例如物理介質，諸如包括軟盤、硬盤驅動器等的磁數(shù)據(jù)存儲介質、包括CD R0M、DVD等的光數(shù)據(jù)存儲介質、包括ROM、快閃RAM等的電子數(shù)據(jù)存儲介質等?？蛇x地，可以對程序產品上的計算機可讀信號進行壓縮或者加密。
當引用上面的部件(例如軟件模塊、處理器、組件、裝置、電路等)時，除非另外指示，對于該部件的引用(包括對“裝置”的引用)應當被解釋為包括作為該部件的等同物的、 執(zhí)行上述部件的功能的(即在功能上等同的)任何部件，其中包括在結構上不等同于所公開的結構(在該結構中執(zhí)行本發(fā)明所述的示例性實施例中的功能)的部件。
根據(jù)上述的公開，對于本領域的技術人員顯然的是，在不脫離本發(fā)明的精神或者范圍的情況下，在對本發(fā)明的實踐中，許多改變和修改是可能的。例如
在一些實施例中，發(fā)送脈沖被分布于幾個發(fā)送天線間，使得發(fā)送天線在不同的時隙發(fā)送UWB脈沖。在每個所述時隙內，可以在多個接收天線檢測到反射脈沖。在一些實施例中，這是通過將發(fā)送信號分布于位于不同位置并且與UWB發(fā)送器間隔不同的RF路徑長度的幾個天線中的每個天線而實現(xiàn)的。
在如上所述的一些實現(xiàn)方式中，使用開關放大器來用于RF開關82。但是，還可以使用諸如PIN 二極管、肖特基(Schottky) 二極管、微電子機械(MEM)開關等的其他技術來實現(xiàn)適當?shù)腞F開關。
一些被設計用于短距離的實施例沒有開關82。
因此，本發(fā)明的范圍應視為基于由所附的權利要求所限定的實質。
權利要求
1.一種用于非侵入性確定一個或多個活體的血壓的設備，所述設備包括 監(jiān)視臺；與所述監(jiān)視臺通信的多個傳感器，每個傳感器包括 天線系統(tǒng)；超寬帶雷達系統(tǒng)，該超寬帶雷達系統(tǒng)耦接到所述天線系統(tǒng)；信號處理器，該信號處理器被連接用于接收來自所述超寬帶雷達系統(tǒng)的信號，并且被配置用于從所述信號中檢測在對應于所述天線系統(tǒng)的感測范圍內的人或者動物的血壓脈沖的定時信息；以及通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)被配置用于向所述監(jiān)視臺發(fā)送所述定時信息， 其中，所述監(jiān)視臺被配置用于至少部分地基于由所述傳感器檢測到的血壓脈沖的定時信息來確定所述人或者動物的血壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述監(jiān)視臺被配置用于基于所述多個傳感器中的不同傳感器處的血壓脈沖的檢測之間的至少一個時間差來確定所述人或者動物的血壓。
3.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，所述監(jiān)視臺被配置用于至少部分地基于所述人或者動物的循環(huán)系統(tǒng)內的至少一個血壓脈沖的估計傳播速度來確定所述人或者動物的血壓。
4.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，所述多個傳感器中的至少一個被配置成設置在所述人或者動物的頸部處。
5.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，所述多個傳感器中的至少一個被配置成設置在所述人或者動物的踝關節(jié)處。
6.根據(jù)權利要求4所述的設備，其中，所述多個傳感器中的至少一個被配置成設置在所述人或者動物的踝關節(jié)處。
7.根據(jù)權利要求1-6中的任一項所述的設備，其中，針對至少一個所述傳感器所述天線系統(tǒng)包括至少一個發(fā)送天線，所述發(fā)送天線被連接用于發(fā)送由所述超寬帶雷達系統(tǒng)產生的超寬帶脈沖；以及至少一個接收天線，所述接收天線被連接用于接收由所述人或者動物反射的超寬帶脈沖，其中，所述超寬帶雷達系統(tǒng)被配置用于在由所述至少一個發(fā)送天線發(fā)送超寬帶脈沖的同時抑制在所述接收天線處接收的信號的接收。
8.一種用于確定一個或多個活體的生命指征的設備，所述設備包括 監(jiān)視臺；與所述監(jiān)視臺通信的至少一個傳感器，所述傳感器包括 天線系統(tǒng)；耦接到所述天線系統(tǒng)的超寬帶雷達系統(tǒng)，所述超寬帶雷達系統(tǒng)包括 振蕩器；混合器，該混合器被連接用于接收來自所述振蕩器的輸入以及來自由所述天線系統(tǒng)檢測到的反射信號的輸入，以在所述混合器的輸出處生成基帶信號；以及第一基帶信號調整路徑，該第一基帶信號調整路徑被配置用于調整所述基帶信號的第一頻率分量；以及第二基帶信號調整路徑，該第二基帶信號調整路徑被配置用于調整所述基帶信號的第二頻率分量，所述第二分量與所述第一分量不同；信號處理器，該信號處理器被連接用于接收對應于所述第一基帶信號調整路徑的第一經調整的信號和對應于所述第二基帶信號調整路徑的第二經調整的信號，并且該信號處理器被配置用于從所述第一經調整的信號和所述第二經調整的信號中提取關于對應于所述天線系統(tǒng)的感測范圍內的人或者動物的至少一個生命指征的信息；以及通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)被配置用于向所述監(jiān)視臺發(fā)送與所述至少一個生命指征有關的所述信息。
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其中，所述信號處理器被配置用于從所述第一經調整的信號中提取關于對應于所述天線系統(tǒng)的感測范圍內的人或者動物的第一生命指征的信息，以及從所述第二經調整的信號中提取關于對應于所述天線系統(tǒng)的感測范圍內的人或者動物的第二生命指征有關的信息。
10.根據(jù)權利要求9所述的設備，其中，所述第一生命指征包括心率。
11.根據(jù)權利要求10所述的設備，其中，所述第二生命指征包括呼吸速率。
12.根據(jù)權利要求8所述的設備，其中，所述第二頻率分量包括所述第一頻率分量的諧波。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，所述至少一個生命指征包括心率，其中所述信號處理器包括用于通過在所述第一經調整的信號的傅立葉變換中直接地識別對應于心率的頻率分量而確定心率的第一裝置；用于通過在所述第二經調整的信號的傅立葉變換中識別對應于心率的諧波的頻率分量而確定心率的諧波的第二裝置；以及組合裝置，用于組合所述第一裝置和所述第二裝置的結果來獲得心率的值。
14.根據(jù)權利要求13所述的設備，其中，所述心率的諧波包括二次諧波。
15.根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，所述至少一個生命指征包括心率，并且其中所述信號處理器包括用于通過在所述第一經調整的信號的傅立葉變換中直接地識別對應于心率的頻率分量而確定心率的第一裝置；用于通過在所述第二經調整的信號的傅立葉變換中識別對應于心率的諧波的頻率分量而確定心率的諧波的第二裝置；用于通過所述第一經調整的信號的時域分析來確定心率的第三裝置；以及組合裝置，用于組合所述第一裝置、所述第二裝置和所述第三裝置的結果來獲得心率的值。
16.根據(jù)權利要求8-15中的任一項所述的設備，其中，所述天線系統(tǒng)包括至少一個發(fā)送天線，所述發(fā)送天線被連接用于發(fā)送由所述超寬帶雷達系統(tǒng)產生的超寬帶脈沖；以及至少一個接收天線，所述接收天線被連接用于接收由所述人或者動物反射的超寬帶脈沖，并且其中，所述超寬帶雷達系統(tǒng)被配置用于在由所述至少一個發(fā)送天線發(fā)送超寬帶脈沖的同時抑制在所述接收天線處接收的信號的接收。
17.一種傳感器，包括 天線系統(tǒng)；以及超寬帶雷達系統(tǒng)，該超寬帶雷達系統(tǒng)耦接到所述天線系統(tǒng)，其中，所述天線系統(tǒng)包括至少一個天線，所述至少一個天線包括在大體上為平面的基底的第一面上的第一元件以及在所述基底的與所述第一面相對的第二面上的第二元件，其中，所述第一元件和所述第二元件是關于中心線對稱的，并且其中所述第一和第二元件各自包括多個尖的短截線。
18.根據(jù)權利要求17所述的設備，其中，所述短截線具有不同的長度。
19.根據(jù)權利要求17所述的設備，其中，所述短截線包括中心短截線，所述中心短截線具有沿著相交的直線的邊緣。
20.一種傳感器，包括天線系統(tǒng)；以及超寬帶雷達系統(tǒng)，該超寬帶雷達系統(tǒng)耦接到所述天線系統(tǒng)，其中，所述天線系統(tǒng)包括至少一個天線，所述至少一個天線包括三維輻射元件，所述三維輻射元件在電路板的地平面之上直接安裝于該電路板，其中，所述輻射元件包括開放端和在所述開放端上延伸的短截線。
21.根據(jù)權利要求1-6、8-15和17-20中的任一項所述的設備，其中，所述天線系統(tǒng)包括多個天線組，天線組包括至少一個發(fā)送天線，所述發(fā)送天線被連接用于發(fā)送由所述超寬帶雷達系統(tǒng)產生的超寬帶脈沖；以及多個接收天線，所述接收天線被連接用于接收由所述人或者動物反射的超寬帶脈沖；其中，所述多個接收天線以大致相等的間隔與所述發(fā)送天線間隔開。
22.根據(jù)權利要求21所述的設備，其中，所述發(fā)送天線和所述多個接收天線被布置在基本上為平面的基底上。
全文摘要
用于監(jiān)視一個或多個活體的生命指征的設備，包括監(jiān)視臺和與所述監(jiān)視臺通信的至少一個傳感器。所述傳感器包括天線系統(tǒng)；耦接到所述天線系統(tǒng)的超寬帶雷達系統(tǒng)；信號處理器；以及通信系統(tǒng)。所述信號處理器被連接用于接收來自所述超寬帶雷達系統(tǒng)的信號，并且被配置用于從所述信號中提取與在對應于所述天線系統(tǒng)的感測范圍內的人或者動物的一個或多個生命指征有關的信息。所述通信系統(tǒng)被配置用于向所述監(jiān)視臺發(fā)送所述信息。
文檔編號A61B5/00GK102512148SQ20111028323
公開日2012年6月27日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權日2006年3月6日
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