BR112021000784A2

BR112021000784A2 - Radar móvel de banda ultralarga para monitoramento de níveis de fluido torácico e função cardiorrespiratória

Info

Publication number: BR112021000784A2
Application number: BR112021000784-9A
Authority: BR
Inventors: Emre Ertin; William T. Abraham
Original assignee: Ohio State Innovation Foundation
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-04-13
Also published as: CN112839567A; CA3106409A1; EP3823522A4; EP3823522A1; EP4332627A2; JP2021530287A; HRP20240185T1; WO2020018707A1; JP7465561B2; US20210290074A1; EP3823522C0; IL280164A; EP4332627A3; SG11202100325XA; EP3823522B1

Abstract

radar móvel de banda ultralarga para monitoramento de níveis de fluido torácico e função cardiorrespiratória. vários exemplos relacionados a monitoramento corporal móvel usando radar de banda ultralarga são fornecidos. em um exemplo, um método para determinar uma característica corporal inclui a coleta de conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos para uma sequência de pulsos de banda ultralarga (uwb) transmitidos por meio de um sensor de uwb, e uma medição de calibração correspondente de um canal de calibração; determinar coeficientes de reflexão para cada interface de tecido com base nos conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos; e determinar um conteúdo de nível de fluido do tecido pulmonar com base nos coeficientes de reflexão. os coeficientes de reflexão podem ser determinados a partir de perfis de reflexão com base nos dados de retroespalhamento refletidos para essa sequência de pulsos de uwb e a medição de calibração correspondente. o sensor de uwb pode incluir uma série de pares de antenas de transmissão (tx) e recepção (rx) posicionados no corpo de um usuário. o perfil de reflexão pode ser associado a um modelo de camadas de tecido no corpo entre o sensor de uwb e o tecido pulmonar.

Description

“RADAR MÓVEL DE BANDA ULTRALARGA PARA MONITORAMENTO DE NÍVEIS DE FLUIDO TORÁCICO E FUNÇÃO CARDIORRESPIRATÓRIA” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica a prioridade e o benefício do pedido provisório copendente dos EUA intitulado “Mobile Ultrawideband Radar for Monitoring Thoracic Fluid Levels and Cardio- Respiratory Function” com o número de série 62/699.076, depositado em 17 de julho de 2018, que é incorporado por meio deste por referência em sua totalidade.

DECLARAÇÃO SOBRE PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADA FEDERALMENTE

[0002] Esta invenção foi feita com o apoio do governo sob U54 EB020404 concedido pelo National Institutes of Health e ISS1231577 concedido pelo NSF Div. of Information Robotics & Intelligent Systems (IIS). O Governo detém certos direitos sobre a invenção.

ANTECEDENTES

[0003] A Insuficiência Cardíaca Congestiva (ICC) afeta quase 6 milhões de americanos, com 670.000 diagnosticados anualmente. A insuficiência cardíaca é uma das principais causas de admissão e readmissão hospitalar e morte nos Estados Unidos (EUA) e também é uma das síndromes de doença mais caras, com custos diretos e indiretos de atendimento estimados em 34,4 bilhões de dólares americanos por ano. Cerca de 80% desse alto custo do atendimento está relacionado ao manejo de episódios de descompensação da insuficiência cardíaca no hospital. Os esforços devem ser direcionados para melhorar os resultados da insuficiência cardíaca e reduzir os custos do tratamento. A identificação e o tratamento precoces do agravamento da insuficiência cardíaca no ambiente ambulatorial podem prevenir o desenvolvimento de exacerbações da insuficiência cardíaca que levam ao aumento da morbidade e hospitalizações. Os atuais identificadores do agravamento da insuficiência cardíaca, ou seja, ganho de peso e dispneia, não são confiáveis e costumam se desenvolver tarde demais no cronograma de progressão da doença para alterar os resultados.

SUMÁRIO

[0004] Aspectos da presente divulgação estão relacionados a sistemas, aparelhos e métodos para monitoramento corporal móvel usando radar de banda ultralarga. Em um aspecto, entre outros, um método para determinar uma característica corporal compreende coletar conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos para uma sequência de pulsos de banda ultralarga (UWB) transmitidos por meio de um sensor de UWB que compreende uma matriz de pares de antenas de transmissão (TX) e recepção (RX) posicionados em um corpo de um usuário, e uma medição de calibração correspondente de um canal de calibração no sensor de UWB; determinar coeficientes de reflexão para cada interface de tecido com base nos conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos, nos coeficientes de reflexão determinados a partir de perfis de reflexão com base nos dados de retroespalhamento refletidos para essa sequência de pulsos de UWB e a medição de calibração correspondente, no perfil de reflexão associado a um modelo de camadas de tecido no corpo entre o sensor de UWB e o tecido pulmonar; e determinar um conteúdo de nível de fluido do tecido pulmonar com base nos coeficientes de reflexão.

[0005] Em um ou mais aspectos, os conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos podem compreender dados de retroespalhamento refletidos obtidos para cada um dos pares de antenas de TX e RX no sensor de UWB que são combinados para gerar um sinal em forma de feixe de banda larga para cada conjunto de dados de retroespalhamento refletidos. Os perfis de reflexão podem ser determinados com base na desconvolução esparsa do sinal em forma de feixe de banda larga desse conjunto de dados de retroespalhamento refletidos usando uma forma de pulso de UWB compensada que é baseada na medição de calibração correspondente.

A desconvolução esparsa do sinal em forma de feixe de banda larga pode ser implementada para cada uma das bandas de frequência K. Em vários aspectos, o método pode compreender identificar a profundidade de uma interface de tecido pulmonar nos pontos superior (inalação), de meio e inferior (exalação) em um ciclo de respiração do tecido pulmonar com base nos coeficientes de reflexão; e determinar o conteúdo do nível de fluido do tecido pulmonar pode compreender determinar o conteúdo do nível de fluido nos pontos superior, médio e inferior do ciclo de respiração. Em alguns aspectos, o método pode compreender determinar as características das camadas de tecido localizadas entre o sensor de UWB e o tecido pulmonar. As características das camadas de tecido podem compreender a localização de pelo menos uma interface de camada de tecido ou uma propriedade dielétrica de pelo menos uma camada de tecido.

[0006] Em outra modalidade, entre outras, um sistema de monitoramento corporal móvel compreende um sensor de banda ultralarga (UWB) que compreende uma matriz de antenas que compreende pares de antenas de transmissão (TX) e recepção (RX) e um canal de calibração, o sensor de UWB configurado para ser posicionado no corpo de um usuário; uma radiofrequência (RF) inicial que compreende um gerador de pulsos de UWB acoplado às antenas de TX da matriz de antenas e um receptor de UWB acoplado às antenas de RX da matriz de antenas, em que os pulsos de UWB gerados pelo gerador de pulsos de UWB são transmitidos sequencialmente para o corpo do usuário através das antenas de TX e os sinais de retroespalhamento refletidos são recebidos através da antena de RX desse par de antenas de TX e RX; um transmissor sem fio configurado para comunicar dados associados com o retroespalhamento refletido e uma medição de calibração correspondente do canal de calibração; e um dispositivo de computação configurado para receber os dados e determinar as características corporais do usuário com base no retroespalhamento refletido e medição de calibração correspondente.

[0007] Em um ou mais aspectos, o dispositivo de computação pode ser configurado para: determinar um perfil de reflexão com base nos dados associados ao retroespalhamento refletido e na medição de calibração correspondente para a sequência de pulsos de UWB transmitidos, o perfil de reflexão associado a um modelo de camadas de tecido no corpo entre o sensor de UWB e um tecido-alvo; determinar coeficientes de reflexão com base nos perfis de reflexão; e determinar as características do tecido-alvo a partir dos dados gerados do tecido-alvo. As características do tecido-alvo podem compreender a profundidade de uma interface com o tecido-alvo ou propriedades dielétricas do tecido-alvo. O tecido-alvo pode ser tecido pulmonar. O dispositivo de computação pode ser configurado para identificar uma medida de conteúdo de fluido pulmonar com base nas características do tecido pulmonar. O dispositivo de computação pode ser configurado para identificar simultaneamente um ou mais dentre frequência cardíaca, variabilidade da frequência cardíaca, frequência respiratória ou volume corrente. O dispositivo de computação pode ser configurado para identificar as profundidades superior e inferior de uma interface de tecido pulmonar ao longo de um ciclo de respiração do tecido pulmonar. O dispositivo de computação pode ser configurado para identificar propriedades dielétricas nas profundidades superior e inferior e em uma profundidade média no ciclo de respiração do tecido pulmonar.

[0008] Em vários aspectos, um perfil de reflexão pode ser determinado por meio de desconvolução esparsa de um sinal de retroespalhamento de banda larga média com base nos dados associados ao retroespalhamento refletido para a sequência de pulsos de UWB. O dispositivo de computação pode ser configurado para determinar perfis de reflexão para cada um de uma série de conjuntos de dados retroespalhados refletidos, cada um dos conjuntos de dados retroespalhados refletidos compreendendo dados associados ao retroespalhamento refletido para a sequência de pulsos de UWB transmitidos associados a esse conjunto. Em alguns aspectos, o canal de calibração pode compreender um circuito de calibração de temperatura que tem uma carga de impedância conhecida posicionada adjacente à matriz de antenas. As variações nos pulsos de UWB transmitidos podem ser compensadas com base na medição de calibração correspondente. Em um ou mais aspectos, o sistema de monitoramento corporal móvel pode compreender circuitos de processamento de sinal digital (DSP) configurados para obter e processar os sinais de retroespalhamento refletidos e a medição de calibração correspondente para transmissão para o dispositivo de computação. Em vários aspectos, os pulsos de UWB podem ser transmitidos para o corpo a uma taxa de cerca de 10.000 por segundo.

[0009] Outros sistemas, métodos, recursos e vantagens da presente divulgação serão ou se tornarão evidentes para aqueles versados na técnica mediante exame dos seguintes desenhos e descrição detalhada. Pretende-se que todos esses sistemas, métodos, recursos e vantagens adicionais sejam incluídos nesta descrição, estejam dentro do escopo da presente divulgação e sejam protegidos pelas reivindicações anexas. Além disso, todos os recursos e modificações opcionais e preferenciais das modalidades descritas são utilizáveis em todos os aspectos da divulgação ensinados no presente documento. Além disso, as características individuais das reivindicações dependentes, bem como todas as características e modificações opcionais e preferidas das modalidades descritas, são combináveis e intercambiáveis umas com as outras.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] Muitos aspectos da presente divulgação podem ser mais bem compreendidos com referência aos seguintes desenhos. Os componentes nos desenhos não estão necessariamente em escala, em vez disso, a ênfase é colocada na ilustração clara dos princípios da presente divulgação. Além disso, nos desenhos, números de referência semelhantes designam partes correspondentes ao longo das várias vistas.

[0011] A Figura 1A é um diagrama esquemático que ilustra um exemplo de um sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0012] As Figuras 1B e 1C são imagens de porções do sistema móvel de monitoramento corporal da Figura 1A, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0013] As Figuras 2A a 2F ilustram exemplos de sensores de banda ultralarga (UWB) do sistema de monitoramento corporal da Figura 1A, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0014] As Figuras 3A e 3B ilustram detecção dos tecidos usando o sensor de UWB das Figuras 2A a 2F, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0015] As Figuras 4A a 4C ilustram respostas de retroespalhamento de pulsos de UWB transmitidos por um sensor de UWB das Figuras 2A a 2F, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0016] As Figuras 5A e 5B ilustram um modelo de múltiplas camadas e o posicionamento do sensor de UWB das Figuras 2A a 2F, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0017] A Figura 6 é um diagrama esquemático que ilustra um exemplo de um modelo de imagem do sistema, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0018] As Figuras 7A a 7C ilustram exemplos de dados de retroespalhamento medidos, perfil de reflexão esparsa recuperado e forma de pulso aprendida, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0019] As Figuras 8A e 8B ilustram exemplos de bandas de frequência de dados retroespalhados, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0020] As Figuras 9A e 9B ilustram exemplos de retornos de fase processados a partir dos dados de retroespalhamento, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0021] A Figura 10 é um fluxograma que ilustra um exemplo da operação do sistema de monitoramento corporal da Figura 1A, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0022] A Figura 11 ilustra um exemplo de um dispositivo de computação que pode ser usado com o sistema de monitoramento corporal da Figura 1A, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0023] As Figuras 12A, 12B, 13 e 14A a 14D ilustram exemplos de resultados de estudo piloto usando o sistema de monitoramento corporal da Figura 1A, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

[0024] A Figura 15 ilustra um exemplo de coeficientes de reflexão medidos usando um fantoma de múltiplos tecidos, de acordo com várias modalidades da presente divulgação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0025] São divulgados no presente documento vários exemplos relacionados a sistemas, aparelhos e métodos para monitoramento corporal móvel usando radar de banda ultralarga. Agora, será feita referência em detalhes à descrição das modalidades, conforme ilustrado nos desenhos, em que números de referência semelhantes indicam partes semelhantes ao longo das várias vistas.

[0026] Os avanços tecnológicos na detecção precoce de insuficiência cardíaca giram em torno de medidas de impedância transtorácica e intratorácica, uma vez que o acúmulo de fluido se desenvolve antes dos sintomas. O conceito é baseado no aumento da condutividade elétrica com o aumento do fluido e na diminuição correspondente da impedância. Os métodos atuais, como o índice de fluido OptiVol derivado de desfibriladores cardíacos implantáveis (ICDs), têm sido úteis na medição da impedância de forma invasiva; no entanto, a acurácia na detecção de edema pulmonar ou na previsão de hospitalização tem sido bastante variável. Outra abordagem usa um sensor hemodinâmico implantado dedicado para monitorar a pressão da artéria pulmonar. Essas abordagens baseiam-se em informações fornecidas por dispositivos implantáveis, cuja aplicabilidade pode ser limitada a todos, exceto aos pacientes com insuficiência cardíaca mais avançada. Portanto, há uma necessidade de melhores ferramentas não invasivas que possam replicar a utilidade desses sistemas de diagnóstico baseados em dispositivos.

[0027] Esta divulgação apresenta uma tecnologia não invasiva desenvolvida para fácil detecção corporal, que mede os níveis de fluido torácico, além do movimento cardíaco e pulmonar, transmitindo pulsos de radiofrequência de banda ultralarga e analisando as ondas retroespalhadas. O sistema de monitoramento corporal pode empregar uma única unidade de sensor colocada anteriormente no tórax de um usuário para fazer suas medições. A unidade do sensor pode ser colocada em outros locais para determinar outras características do tecido. Ao contrário de tecnologias semelhantes, o sistema de monitoramento corporal móvel pode ser usado para avaliar tanto a quantidade de líquido no tecido torácico quanto sua distribuição espacial, informando sobre os volumes intravascular e extravascular; medidas potencialmente clinicamente relevantes. Além disso, a velocidade de aquisição rápida do sistema de monitoramento corporal permite o rastreamento do movimento cardíaco e pulmonar, permitindo assim o monitoramento contínuo da frequência cardíaca, variabilidade da frequência cardíaca, frequência respiratória e volume corrente. As medições do pulmão e do coração podem ser correlacionadas para avaliar melhor a condição do usuário. Esses marcadores do estado do sistema cardiovascular, usados junto com os níveis de fluido torácico, podem fornecer um conjunto abrangente de medidas que podem ser usadas para prever eventos de insuficiência cardíaca com alta sensibilidade, baixa taxa de falsos alarmes e tempo de espera suficiente.

[0028] Com referência à Figura 1A, é mostrado um diagrama esquemático que ilustra um exemplo de um sistema de monitoramento corporal móvel 100, que pode ser controlado através de uma interface de dispositivo de computação, como, por exemplo, uma interface de smartphone. O sistema de monitoramento corporal 100 é um sistema de radar de banda ultralarga (UWB) que envia pulsos curtos (por exemplo, duração de 0,3 a 0,4 ns com uma UWB de 0,5 a 3,5 GHz) para o corpo de um usuário 103 e registra o retroespalhamento do tecido. A detecção de radiofrequência (RF) é ideal para monitorar movimentos internos de grãos finos devido à sua capacidade de penetração nos tecidos. Cada interface de tecido, por exemplo, nas transições ar/pele, pele/gordura, gordura/músculo e/ou músculo/pulmão, fornece um ponto de reflexão que pode ser rastreado em tempo real através do processamento dos sinais de eco retroespalhado.

[0029] O sistema de monitoramento corporal móvel 100 pode utilizar uma plataforma de UWB micro de baixa potência para detectar a energia retroespalhada refletida pelo tecido e suas transições e medir o movimento do coração e dos pulmões e determinar outras características corporais, como níveis de fluido torácico, que podem ser usadas na detecção de congestionamento em CHF. Como mostrado na Figura 1A, o sistema de monitoramento corporal móvel 100 pode incluir um gerador de pulso de UWB 106 que gera um ou mais pulsos de UWB transmitidos para o tecido do usuário 103 por antenas 109t acopladas através da matriz de comutação de transmissão (TX) 112. Por exemplo, o gerador de pulso de UWB 106 pode gerar os pulsos de UWB com operação de 0,45 a 3,55 GHz. O retroespalhamento das interfaces de tecido é recebido por antenas 109r acopladas para receber (RX) matriz de comutação 115. A matriz de comutação RX 115 direciona o sinal de retroespalhamento recebido para um receptor de UWB 121 através de um amplificador de baixo ruído de banda larga (LNA) 124. Um programador de amostragem compressivo 118 pode coordenar a comutação entre as diferentes antenas 109 para transmissão do pulso de radar de UWB e recepção do retroespalhamento. A diversidade de múltiplas entradas/múltiplas saídas (MIMO) pode ser usada para focar os sinais nas fontes de movimento ou áreas de interesse. A Figura 1B é uma imagem que mostra um exemplo de uma plataforma para a matriz de comutação de TX 112 e a matriz de comutação de RX 115 para acoplar com as antenas 109.

[0030] O circuito de transmissão sem fio e processamento de sinal digital (DSP) 127 podem processar os sinais de retroespalhamento e transmitir sem fio (por exemplo, via Bluetooth®, WLAN ou outro enlace sem fio apropriado) os dados do sinal para um dispositivo de computação separado, como, mas não limitado a, um computador, smartphone, tablet ou outra unidade de processamento móvel para processamento subsequente. O circuito de DSP 127 pode comprimir ou de outra forma processar os sinais de retroespalhamento para transmissão eficiente dos dados. Uma unidade de medição inercial (IMU) 130 também pode fornecer orientação e/ou informação de movimento para o circuito de DSP 127, que também pode ser transmitido para a unidade de processamento separada. A Figura 1B é uma imagem que mostra um exemplo da plataforma de UWB, com um quarto para ilustrar seu tamanho geral.

[0031] Com referência a seguir à Figura 2A, são mostradas imagens de um exemplo de um sistema de monitoramento corporal móvel 100 incluindo um sensor de UWB RF que tem uma matriz circular de antenas 109. Conforme ilustrado na Figura 2A, o sensor de UWB RF pode ser posicionado no peito do usuário com a matriz de antenas adjacentes à pele para direcionar o pulso de UWB transmitido para os tecidos e receber o retroespalhamento refletido. O posicionamento do sensor de UWB RF pode ser facilitado por meio de, por exemplo, uma interface no dispositivo de computação (por exemplo, smartphone, tablet ou outro dispositivo móvel). O sensor pode ser colocado no peito do usuário e a calibração pode ser iniciada por meio da interface. A retroalimentação pode ser fornecida ao usuário para ajustar a posição do sensor, se necessário, para fornecer o acoplamento adequado com o tecido corporal. Uma série de N pares de antenas pode ser projetada para ter uma boa combinação de impedância na ampla banda de frequências de interesse. O projeto pode otimizar o centro de fase para que a transmissão eletromagnética (EM) ocorra no ponto médio da antena de transmissão para cada banda de frequência, para garantir que todas as bandas de frequência tenham a mesma composição de tecido (por exemplo, espessura, etc.). A Figura 2B é uma imagem da matriz circular incluindo 6 pares de antenas 109 e a Figura 2C ilustra um exemplo de um padrão de radiação do lançamento centrado da antena de TX de ondas EM. Os pares de antenas de TX e RX 109 podem ser ponderados para encontrar um corte unidimensional (1D) através dos tecidos. Matrizes lineares ou planas maiores podem ser usadas para fazer imagens 2D e 3D dos tecidos (por exemplo, gordura, pele, músculo, osso, pulmão, etc.) em observação.

[0032] As medições dos sinais de retroespalhamento são sensíveis a pequenas variações no hardware devido à temperatura e outros efeitos ambientais ao longo do tempo. Para compensar esses efeitos, o sensor de UWB RF pode incluir um canal de calibração (ou circuito fechado) em comunicação com o circuito de transmissão sem fio e DSP 127. O canal de calibração inclui uma carga de impedância conhecida posicionada adjacente à matriz de antenas, que é usada para obter medições de realimentação que são usadas para calibrar variações no pulso transmitido, incluindo seu tempo em relação ao gatilho digital. A Figura 2D é uma imagem que mostra a carga posicionada no revestimento do sensor de UWB RF, que é adjacente às antenas 109 quando montado. O sinal de realimentação é processado para extrair uma estimativa instantânea do pulso transmitido e seu tempo em relação ao gatilho, que por sua vez pode ser usado para estimar perfis de tecido do eco retroespalhado desse pulso transmitido.

[0033] As Figuras 2E e 2F são imagens de matrizes circulares flexíveis, incluindo 6 pares de antenas 109, que podem ser usadas como um sensor de UWB RF ergonômico conforme. O sensor de UWB RF pode ser posicionado no peito do usuário com o conjunto de antenas fixadas à pele (por exemplo, usando um emplastro adesivo) para direcionar o pulso de UWB transmitido para os tecidos e receber o retroespalhamento refletido. A colocação do sensor de UWB RF pode ser facilitada por meio de, por exemplo, uma interface no dispositivo de computação (por exemplo, smartphone, tablet ou outro dispositivo móvel). O sensor pode ser posicionado no peito do usuário e a calibração pode ser iniciada por meio da interface. A retroalimentação pode ser fornecida ao usuário para ajustar a posição do sensor, se necessário, para fornecer o acoplamento adequado com o tecido corporal. Uma série de N pares de antenas pode ser projetada para ter uma boa combinação de impedância na ampla banda de frequências de interesse. Os emplastros de RF ergonômicos das Figuras 2E e 2F integram elementos de antena 109 em um substrato flexível que pode ser facilmente aplicado anteriormente, por exemplo, no tórax direito do usuário, e removido após as medições terem sido obtidas. Os conectores permitem o acoplamento a cada uma das antenas 109. Por exemplo, o circuito eletrônico de RF e a câmera digital de back-end estão localizados em um agrupamento de sensor que se conecta ao conjunto de antenas flexíveis usando conectores de RF de baixo perfil. Os circuitos de comutação (por exemplo, a matriz de comutação de TX 112 e a matriz de comutação de RX 115) e/ou amostrador e gerador de pulsos de UWB também podem ser integrados ao substrato ou podem ser fornecidos como parte de um conjunto de conector para acoplamento aos conectores para as antenas 109. O circuito de transmissão sem fio e processamento de sinal digital (DSP) 127 também pode ser integrado no substrato. Isso pode permitir estimativa de fluido de água pulmonar e medições de água pulmonar em ponto de atendimento em tempo real e por meio de software (e/ou firmware) implementado pelo DSP ou outro circuito de processamento integrado.

[0034] Para acoplar e focar a energia de RF no corpo, um conjunto de antenas que compreende antenas de emplastro contrapostas a um plano de aterramento central pode ser usado. Conforme ilustrado no exemplo das Figuras 2E e 2F, seis emplastros circulares podem ser dispostos em torno de um terreno circular em pares de transmissão-recepção alternados. Embora a tecnologia não exija contato com a pele, a implementação do conjunto de antenas em um substrato flexível na forma de um emplastro adesivo leve pode oferecer suporte a um método de colocação consistente robusto sem a necessidade de meios de suporte externos, como um colete ou arnês. Uma antena de emplastro de RF feita de dielétricos controlados pode eliminar a lacuna de ar e minimizar a primeira reflexão da pele, aumentando assim a faixa dinâmica das medições.

[0035] As Figuras 2A e 2B ilustram dois exemplos para implementar o conjunto de antenas em um substrato flexível, que também pode integrar componentes (ou circuitos) eletrônicos, por exemplo, das matrizes de comutação e do conjunto de chips de radar. A Figura 2A mostra laminados de RF flexíveis com núcleos de cerâmica e superfícies de cobre. Esses laminados flexíveis podem ser processados em um processo subtrativo, em que uma máquina de moagem é usada para remover o cobre para criar as superfícies da antena, traços de sinal e almofadas para circuitos integrados (ICs). A soldagem de fluxo padrão pode ser aplicada para integrar os componentes eletrônicos no emplastro da antena. Essa tecnologia facilita a integração de componentes eletrônicos, permitindo projetos que combinam placas ou chips rígidos de IC de múltiplas camadas soldados ao substrato flexível de duas camadas.

[0036] A Figura 2B mostra a impressão da tela de tinta prateada em filme de poliéster para formar as antenas. A tinta prata tem excelente condutividade e permite que os cartões impressos sejam criados de forma aditiva, com tinta condutora e camadas isolantes depositadas em filme de poliéster. Este processo é de baixo custo e permite a formação de estruturas multicamadas (por exemplo, traços de sinal e emplastros de antena), no entanto, integrar componentes é mais difícil, pois ligas padrão usadas na soldagem não aderem à tinta condutora e o substrato de poliéster é sensível ao calor. Portanto,

o adesivo epóxi condutor é usado para conectar conectores e componentes. Além disso, a tinta condutora pode se tornar quebradiça, limitando a quantidade de tensão de cisalhamento e torção que pode ser aplicada ao emplastro. No entanto, isso pode não ser um problema para aplicações de uso único ou limitado.

[0037] Conforme mostrado nas imagens das Figuras 2A e 2B, versões de protótipo de matrizes de antenas foram fabricadas (sem circuito eletrônico integrado) usando ambos os processos. A capacidade do conjunto de antenas de acoplar energia ao corpo foi caracterizada em cada caso usando um analisador de rede. Ambos os projetos fornecem boa combinação de impedância e ganho na ampla banda de frequências (por exemplo, 0,5 GHz a 3,5 GHz) usada pelo sistema. Em várias implementações, os chipsets de radar podem ser integrados à camada de antena com um emplastro de RF conformado adesivo que pode ser anexado anteriormente no tórax frontal direito. Um pequeno agrupamento de sensor pode incluir o back-end digital, bateria e um transceptor Bluetooth® que se conecta ao emplastro de RF usando, por exemplo, um conector magnético autoguiado que alimentará o emplastro de RF e obterá as medições. Para permitir que os pacientes e os cuidadores avaliem os níveis de estado de fluidos em tempo real em casa, bem como nas configurações do ponto de atendimento (POC), a técnica de estimativa de fluido pulmonar pode ser implementada dentro do dispositivo de sensor ou corpo de sensor, com interface sem fio em um dispositivo móvel para controle e armazenamento. Para fornecer medições de POC em tempo real sem conectividade em nuvem, um processador pode ser integrado ao sensor (por exemplo, um ARM Cortex M4F) para implementar a análise. Isso pode agilizar o caminho de dados do sensor para um smartphone, tablet ou outro dispositivo móvel e minimizar a taxa de dados e latência associada.

[0038] A Figura 3A ilustra a detecção dos tecidos usando os pares de antenas de TX e RX 109. Um pulso de radar UWB 303 pode ser lançado em um corpo a partir de uma antena de TX 109t acoplada através da matriz de comutação de TX 112 da Figura 1A. À medida que o pulso de UWB 303 se propaga através dos tecidos do corpo, o retroespalhamento 306 das interfaces de tecido é refletido de volta para a antena de RX 109r. Como pode ser visto na imagem em corte transversal da Figura 1A, o corpo humano é feito de vários tecidos de diferentes propriedades dielétricas que afetam o pulso de UWB 303 e o retroespalhamento 306 à medida que se propaga através do corpo. Por exemplo, a permissividade relativa influencia o atraso de propagação através do tecido e a tangente de perda afeta a absorção de energia de RF pelo tecido. Como pode ser visto, existem várias interfaces de tecido para diferentes camadas de, por exemplo, pele, gordura, músculo, osso, pulmão, etc. A tabela da Figura 3B fornece exemplos da tangente de perda e permissividade relativa de alguns dos tecidos. O retroespalhamento refletido de volta e recebido pela antena de RX 109r inclui esses retornos sobrepostos, que podem ser processados para resolver a localização das várias interfaces de tecido e coeficientes de reflexão complexos associados, revelando as características dos tecidos que compõem a interface. A alta largura de banda e a duração estreita (por exemplo, 0,3 a 0,4 ns) dos pulsos de UWB permitem uma resolução espacial mais alta do que, por exemplo, o radar Doppler, e permite o bloqueio dos retornos à profundidade do tecido de interesse.

[0039] Durante a operação do sistema de monitoramento corporal móvel 100, milhares de pulsos por segundo (por exemplo, 10.000 por segundo) podem ser enviados da antena de TX 106t. Cada retorno de pulso contém vários ecos atrasados no tempo, indicando a profundidade no corpo. Conforme ilustrado na Figura 4A (Radar Principles, N. Levanon, 1988), as respostas de retroespalhamento incluem retornos de diferentes profundidades (ou faixas), que podem ser calculados em curtos períodos de tempo (por exemplo, a cada 0,1 segundo) ou intervalos (por exemplo, a cada 100 pulsos). Considerando que um intervalo de 60 segundos abrange 15 a 20 ciclos de respiração, calcular a média das respostas durante esses períodos curtos de tempo aumenta a razão sinal/ruído de retorno sem sacrificar as informações de profundidade. Dessa forma, o sistema de monitoramento corporal 100 fornece ecos 1-D através dos tecidos várias vezes durante o ciclo de respiração.

[0040] Em algumas modalidades, o sistema de monitoramento corporal 100 pode processar os sinais de retroespalhamento para produzir perfis de faixa a uma taxa de 100 Hz. Conforme ilustrado na Figura 4B, cada perfil de faixa pode indicar a posição dos limites de reflexão quando convolvido com a forma de pulso transmitida. Filtrar o sinal em pulsos para frequências consistentes com o movimento do coração (por exemplo, 0,5 a 2 Hz) e/ou movimento do pulmão (por exemplo, 0,1 a 0,3 Hz) revela a estrutura como mostrado na Figura 4C.

[0041] As propriedades da pele, gordura, músculo, pulmão e/ou outro tecido são modeladas e estimadas a fim de estimar a permissividade do tecido pulmonar, que pode ser usada para determinar o conteúdo de água ou fluido do pulmão. Considerando um modelo de múltiplas camadas para os tecidos através dos quais as ondas EM se propagam (por exemplo, pele, gordura e músculo), como o ilustrado na Figura 5A, os parâmetros pulmonares (por exemplo, espessura e composição) podem ser estimados. A Figura 5B mostra um exemplo do posicionamento do sensor de UWB RF no tórax do usuário e ilustra o caminho de propagação dos pulsos de UWB para o corpo. O coeficiente de reflexão/transmissão para o tecido pulmonar pode ser estimado usando as medições de banda larga dos pulsos de radar refletidos (0,5 a 3,5 GHz) e o modelo de propagação EM multicamadas estimado para os tecidos entre o sensor de UWB RF e o pulmão. Uma vez que as propriedades dielétricas do tecido pulmonar mudam durante o ciclo de respiração, as propriedades dielétricas do tecido pulmonar são estimadas nos três pontos do ciclo de respiração (na base da expiração, no topo da inspiração e no meio (ou média) do ciclo de respiração) para avaliação geral do tecido pulmonar.

[0042] O modelo matemático para a interface (por exemplo, pele, gordura, músculo e/ou osso) é não paramétrico e pode ser aprendido a partir dos próprios dados do sensor, sem informações prévias sobre a espessura e a ordem dos tecidos. Supondo que haja K camadas entre o sensor de UWB RF e o tecido pulmonar (por exemplo, K = 3 ou K = 4), a espessura e a permissividade de cada camada podem ser estimadas, assumindo um valor médio para a tangente de perda. Uma vez que esses parâmetros podem ser dependentes da frequência, as medições do sensor podem ser divididas em bandas de frequência M com uma largura de, por exemplo, 500 MHz, sobre a qual as propriedades do tecido podem ser consideradas constantes. Os retornos de vários pares de antenas de TX e RX podem então ser combinados para cada banda e corrigidos para desvios no atraso de gatilho usando a medição do canal de calibração (ou circuito fechado). A medição da calibração pode ser usada para contabilizar a distorção e o atraso produzidos pelo hardware, mas não contabiliza a interface de transmissão entre os pares de antenas e o corpo. Esta função de transmissão pode ser contabilizada usando um modelo de sistema.

[0043] A Figura 6 é um diagrama esquemático que ilustra um exemplo de um modelo de sistema para a imagem de RF. O modelo pode ser expresso como: 𝑦𝑖𝑚 = 𝐺 𝑚 𝐻(𝑝𝑖 )𝑄𝑚 𝑥𝑖 + 𝑛𝑖

[0044] em que 𝑦𝑖 é o retorno do radar (ou retroespalhamento) por quadro 𝑖, 𝑥𝑖 é o perfil estimado de reflexão (ou refletividade) por quadro 𝑖, 𝑝(𝑡) é a resposta ao impulso do radar, 𝑄𝑚 é a matriz de projeção bistática para o 𝑚-ésimo canal, e 𝐻(𝑝) é a matriz estruturada de Toeplitz que representa a convolução com o pulso transmitido 𝑝𝑖 , 𝐺 𝑚 é a função de transferência antena/corpo.

[0045] Da mesma forma, a resposta do canal de referência pode ser representada como: 𝑟𝑖 = 𝐻(𝑝𝑖 )𝑧𝑖 + 𝑛𝑖

[0046] Primeiro, algoritmo de inversão de desconvolução esparsa (ou outra inversão regularizada) pode ser usado para inverter o canal de referência para obter uma estimativa do pulso transmitido, na presença de temperatura e outros fatores ambientais, impondo restrições na potência e suporte de frequência de banda limitada e usando ℓ1-norma para impor o conjunto esparso de reflexos no canal de referência (idealmente, um único reflexo, mas na prática, alguns, devido às incompatibilidades do conector imperfeito) 2 min |𝑧𝑖 |1 s.t. |𝑟𝑖 − 𝐻(𝑝𝑖 )𝑧𝑖 |2 ≤ 𝜎𝑟𝑒𝑓 |𝑝𝑖 |2 ≤ 1 ∑𝑙 𝑝𝑖 (𝑙)𝑒 {−𝑗𝜔𝑙} = 0 fora da banda {pi ,yi} passante

[0047] Embora a inversão de desconvolução esparsa seja usada no presente documento para aguçar os perfis de reflexão, outros métodos de inversão regularizados também podem ser utilizados para atingir este resultado. Por exemplo, métodos de inversão regularizados, como regularização de Tikhonov, regularização de norma de TV (variação total), regularização de norma Lp e métodos de inversão baseados em Aprendizado de Máquina, como redes adverserial generativas ou redes neurais profundas, podem ser usados para aprimorar os perfis de faixa. Em seguida, o pulso estimado 𝑝̂𝑖 do canal de referência pode ser usado para estimar um conjunto esparso de refletores correspondentes às interfaces de tecido e a função de transferência de antena. A norma L21 mista impõe a dispersão do grupo, codificando o conhecimento de que, em um curto período de tempo, as localizações dos limites do tecido são estacionárias em relação aos limites de faixa, mas suas amplitudes complexas podem variar com base na respiração e outros movimentos internos. min |{𝑥1𝑚 , … , 𝑥𝑁𝑚 }|2,1 s.t. |𝑦𝑖𝑚 − 𝐺 𝑚 𝐻(𝑝̂𝑖 )𝑥𝑖𝑚 |2 ≤ 𝜎𝑚𝑒𝑠 2 , 𝐺 𝑚 é limitado por banda e {G,xi } potência unitária

[0048] Deve-se observar que, devido às reflexões internas, um modelo de camada K produzirá em geral um número de retornos distintos maiores do que K. A estimativa de tecido/fluido pode se concentrar apenas no primeiro retorno de cada interface de tecido.

[0049] A solução para ambos os problemas de otimização pode ser alcançada alternando a minimização de vários problemas convexos correspondentes às várias restrições e resultando em medições absolutas dos coeficientes de reflexão complexos {𝑥1𝑚 , … , 𝑥𝑁𝑚 }, implementando uma calibração de banda larga (mais de 3 GHz de largura de banda em nosso caso) contra distorções de pulso, bem como contra variações da função de transferência da antena devido à substituição e dessintonização do corpo da antena.

[0050] A Figura 7A mostra um exemplo de dados de retroespalhamento medidos, e as Figuras 7B e 7C mostram o perfil de reflexão esparsa recuperado e a forma de pulso aprendida, respectivamente. A determinação do perfil de reflexão pode ser muito melhorada usando as medições de realimentação do circuito de calibração para ajustar a distorção e o atraso na resposta transmitida.

[0051] Por exemplo, os retornos de duas bandas de frequência são dados nas Figuras 8A e 8B, com frequências centrais de 1,25 GHz e 2 GHz, respectivamente. A profundidade (ou faixa) no corpo é dada no eixo y e o tempo ao longo dos ciclos de respiração está no eixo x. Diferentes pontos no ciclo respiratório e retornos médios podem ser identificados para o topo, a base e o meio do ciclo respiratório durante os períodos de respiração em um minuto.

[0052] Então, o efeito do modelo de tecido multicamadas (incluindo, por exemplo, pele, gordura, músculo e/ou osso) pode ser estimado e removido das medições, deixando apenas a reflexão e a transmissão dos retornos do tecido pulmonar. A Figura 9A mostra os retornos de fase de todos os tecidos e a Figura 9B ilustra o efeito de remoção da interface (por exemplo, pele, gordura, músculo e/ou osso).

[0053] Em seguida, os coeficientes de reflexão podem ser determinados a partir do perfil de reflexão e a resposta pulmonar através das profundidades (ou faixas) correspondentes ao conteúdo pulmonar pode ser agregada para fornecer uma medida de conteúdo de fluido ou água pulmonar. Deve-se notar que, devido aos atrasos de propagação através dos tecidos e dos locais de interface, os coeficientes de reflexão são valores complexos, incluindo informações de magnitude e fase sobre os sinais de retroespalhamento. O sistema de monitoramento baseado em retroespalhamento é único em sua capacidade de resolver os tecidos com base no atraso e, portanto, pode informar onde (em quais tecidos) ocorre a mudança no volume do fluido, além da quantidade de fluido. Isso não é possível com sistemas alternativos que usam medições de passagem usando transmissor e receptores posicionados posterior e anteriormente ao corpo.

[0054] Com referência à Figura 10, é mostrado um fluxograma que ilustra um exemplo da operação do sistema de monitoramento corporal móvel 100. Como discutido anteriormente, o sistema de monitoramento corporal 100 compreende um gerador de pulsos de UWB 106 que gera pulsos de UWB para transmissão para o tecido do usuário 103, como mostrado na Figura 1A. Começando em 1003, as amostras de dados de retroespalhamento são coletadas usando os pares de antenas de TX-RX 109 em um sensor de UWB posicionado no peito do usuário. O retroespalhamento é coletado para cada um dos canais espaciais N para os pares de antenas de TX-RX 109. O programador de amostragem abrangente 118 pode controlar a matriz de comutação TX 112 para direcionar um pulso de UWB gerado para cada antena de TX e controlar a matriz de comutação RX 115 para receber o retroespalhamento refletido pela antena de RX correspondente em cada par. Os dados de retroespalhamento capturados obtidos a partir dos diferentes canais espaciais pelo receptor de UWB 121 são atrasados e somados pelos circuitos de DSP 127 (Figura 1A) em 1006 para gerar um sinal em forma de feixe de banda larga média, que é então dividido em bandas de frequência K em 1009.

[0055] Depois de completar o ciclo TX-RX através de cada um dos pares de antenas 109 em 1003, um pulso de UWB pode ser direcionado do gerador de pulso de UWB 106 através do circuito de calibração (ou circuito) em 1012 para obter medições de realimentação que podem ser usadas para contabilizar distorção e atraso produzidos pelo hardware, e efeitos de temperatura. O sinal de calibração medido é então dividido nas bandas de frequência K em 1015. Utilizando as informações da banda de frequência do sinal de calibração medido, o dispositivo de computação (ou circuito de DSP) pode determinar o pulso de UWB instantâneo que é distorcido e atrasado pelo hardware do circuito em 1018.

[0056] Em 1021, o pulso de UWB instantâneo pode ser usado pelo dispositivo de computação (ou circuito de DSP) para iniciar a determinação de um conjunto esparso de refletores e coeficientes de reflexão correspondentes para as camadas de tecido para o sinal do canal formado por feixe. A desconvolução esparsa pode ser usada para identificar a forma do pulso de UWB e os perfis de reflexão para as bandas de frequência K conforme discutido anteriormente. Os perfis de reflexão para as bandas de frequência podem ser combinados para determinar uma média de perfis de reflexão. O uso do pulso de UWB instantâneo determinado em 1018 compensa os efeitos da temperatura no sensor de UWB RF durante a operação, o que melhora a precisão e a consistência dos perfis de reflexão determinados. Os coeficientes de reflexão podem ser extraídos dos perfis de reflexão.

[0057] Como mostrado na Figura 10, o processo (1003 a 1021) é repetido para cada conjunto dos canais espaciais N para os pares de antenas de TX-RX 109 várias vezes durante um período de tempo definido. Por exemplo, amostras de dados de retroespalhamento (e uma medição correspondente através do circuito de calibração) podem ser coletadas usando os pares de antenas de TX-RX 109 para uma série de pulsos transmitidos P. Os dados podem ser coletados por um número predefinido de conjuntos de dados ou por um período de tempo predefinido. Com os perfis de reflexão e coeficientes de reflexão determinados para os conjuntos P de dados de retroespalhamento, o dispositivo de computação pode rastrear as características e a posição do pulmão ao longo do ciclo de respiração em 1024 com base nas informações determinadas. Por exemplo, a mudança na profundidade da interface do tecido pulmonar, bem como as características do tecido pulmonar, produzida por inalação e exalação, podem ser determinadas ao longo do período de tempo. Os resultados que foram identificados como estando no topo da inspiração ou na base da expiração podem ser calculados para fornecer uma medida melhor das características do tecido pulmonar. Além disso, os resultados em um ponto no meio (ou médio) durante o ciclo respiratório podem ser determinados e calculados para fornecer um ponto comum para avaliação do tecido pulmonar.

[0058] Em 1027, os coeficientes de reflexão podem ser convertidos em estimativas de nível de fluido no tecido pulmonar. Usando os dados médios na base, no topo e no meio do ciclo de respiração, a precisão das localizações e características do tecido pode ser melhorada. Além do tecido pulmonar, as informações sobre os tecidos periféricos (por exemplo, pele, gordura, músculo, osso e coração) também podem ser determinadas a partir dos coeficientes de reflexão. Em alguns casos, as correlações entre os diferentes tecidos podem ser analisadas e avaliadas. As informações podem ser convertidas para exibição pelo dispositivo de computação em tempo real (ou quase em tempo real).

[0059] Como pode ser entendido, o processamento dos dados de retroespalhamento pode ser realizado por uma combinação dos circuitos de DSP 127 (Figura 1A) e do dispositivo de computação. Por exemplo, os dados de retroespalhamento e a medição de calibração podem ser processados pelos circuitos de DSP para fornecer as informações da banda de frequência (1003 a 1015), que podem então ser transmitidas ao dispositivo de computação para posterior processamento e determinação das informações do tecido (1018 a 1027). Em outras implementações, processamento adicional pode ser realizado usando os circuitos de DSP 127 antes da transmissão para o dispositivo de computação.

[0060] Com referência agora à Figura 11, é mostrado um exemplo de um dispositivo de computação 1103 que pode ser incluído no sistema de monitoramento corporal móvel 100. O dispositivo de computação 1103 pode ser um ou mais dispositivos de computação 1103, que incluem pelo menos um circuito de processador, por exemplo, tendo um processador 1109 e uma memória 1112, ambos os quais são acoplados a uma interface local 1115. Para este fim, o dispositivo (ou dispositivos) de computação 1103 pode compreender, por exemplo, um computador, laptop, smartphone, tablet ou outra unidade de processamento móvel fornecendo capacidade de computação. O dispositivo (ou dispositivos) de computação 1103 podem incluir, por exemplo, um ou mais dispositivos de exibição, tais como tubos de raios catódicos (CRTs), telas de cristal líquido (LCD), telas planas baseadas em plasma de gás, projetores LCD ou outros tipos de dispositivos de exibição, etc. O dispositivo (ou dispositivos) de computação 1103 também pode incluir, por exemplo, vários dispositivos periféricos. Em particular, os dispositivos periféricos podem incluir dispositivos de entrada, como, por exemplo, um teclado, teclado numérico, painel tátil, tela de toque, microfone, scanner, mouse, joystick ou um ou mais botões de pressão, etc. Mesmo que o dispositivo de computação 1103 seja referido no singular, entende-se que uma pluralidade de dispositivos de computação 1103 pode ser empregada nos vários arranjos, conforme descrito acima. A interface local 1115 pode compreender, por exemplo, um barramento de dados com um barramento de controle/endereço ou outra estrutura de barramento como pode ser apreciado.

[0061] Armazenados na memória 1112 estão dados e vários componentes que são executáveis pelo processador 1109. Em particular, armazenado na memória 1112 e executável pelo processador 1109 está uma aplicação de monitoramento corporal 1118 e potencialmente outras aplicações. Também armazenado na memória 1112 pode estar um armazenamento de dados 1121 e outros dados. Os dados armazenados no armazenamento de dados 1121, por exemplo, estão associados à operação das várias aplicações e/ou entidades funcionais descritas abaixo. Por exemplo, o armazenamento de dados pode incluir amostras de dados, perfis reflexivos e outros dados ou informações que podem ser entendidos. Além disso, um sistema operacional 1124 pode ser armazenado na memória 1112 e executável pelo processador 1109. O armazenamento de dados 1121 pode estar localizado em um único dispositivo de computação ou pode estar disperso entre muitos dispositivos diferentes.

[0062] O sistema de monitoramento corporal 100 pode ser acoplado comunicativamente ao dispositivo de computação 1103 através de um enlace ou rede de comunicação sem fio. Em algumas modalidades, o sistema de monitoramento corporal 100 pode ser conectado diretamente ao dispositivo de computação 1103.

[0063] Os componentes executados no dispositivo de computação 1103 incluem, por exemplo, uma aplicação de monitoramento corporal 1118 e outros sistemas, aplicações, serviços, processos, motores ou funcionalidade não discutidos em detalhes no presente documento. Entende-se que pode haver outras aplicações que são armazenadas na memória 1112 e são executáveis pelo processador 1109, como pode ser apreciado. Quando qualquer componente discutido no presente documento é implementado na forma de software, qualquer uma de uma série de linguagens de programação pode ser empregada, como, por exemplo, C, C++, C#, Objective C, Java, Java Script, Perl, PHP, Visual Basic, Python, Ruby, Delphi, Flash ou outras linguagens de programação.

[0064] Uma série de componentes de software são armazenados na memória 1112 e são executáveis pelo processador 1109. A este respeito, o termo "executável" significa um arquivo de programa que está em uma forma que pode finalmente ser executado pelo processador 1109. Exemplos de programas executáveis podem ser, por exemplo, um programa compilado que pode ser traduzido em código de máquina em um formato que pode ser carregado em uma porção de acesso aleatório da memória 1112 e executado pelo processador 1109, código-fonte que pode ser expresso em formato adequado, como código de objeto que é capaz de ser carregado em uma porção de acesso aleatório da memória 1112 e executado pelo processador 1109, ou código-fonte que pode ser interpretado por outro programa executável para gerar instruções em uma porção de acesso aleatório da memória 1112 para ser executado pelo processador 1109, etc. Um programa executável pode ser armazenado em qualquer porção ou componente da memória 1112, incluindo, por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM), memória somente de leitura (ROM), disco rígido, unidade de estado sólido, unidade flash USB, cartão de memória, disco óptico, como disco compacto (CD) ou disco versátil digital (DVD), disquete, fita magnética ou outros componentes de memória.

[0065] A memória 1112 é definida no presente documento como incluindo memória volátil e não volátil e componentes de armazenamento de dados. Os componentes voláteis são aqueles que não retêm os valores dos dados após a perda de energia. Os componentes não voláteis são aqueles que retêm dados após uma perda de energia. Assim, a memória 1112 pode compreender, por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM), memória somente de leitura (ROM), unidades de disco rígido, unidades de estado sólido, unidades flash USB, cartões de memória acessados através de um leitor de cartão de memória, disquetes acessado por meio de uma unidade de disquete associada, discos óticos acessados por meio de uma unidade de disco ótico, fitas magnéticas acessadas por meio de uma unidade de fita apropriada e/ou outros componentes de memória, ou uma combinação de dois ou mais desses componentes de memória. Além disso, a RAM pode compreender, por exemplo, memória de acesso aleatório estática (SRAM), memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM) ou memória de acesso aleatório magnética (MRAM) e outros dispositivos semelhantes. A ROM pode compreender, por exemplo, uma memória somente de leitura programável

(PROM), uma memória somente de leitura programável apagável (EPROM), uma memória somente de leitura programável apagável eletricamente (EEPROM) ou outro dispositivo de memória semelhante.

[0066] Além disso, o processador 1109 pode representar vários processadores 1109 e a memória 1112 pode representar várias memórias 1112 que operam em circuitos de processamento paralelo, respectivamente. Nesse caso, a interface local 1115 pode ser uma rede apropriada que facilita a comunicação entre quaisquer dois dos múltiplos processadores 1109, entre qualquer processador 1109 e qualquer uma das memórias 1112, ou entre quaisquer duas das memórias 1112, etc. A interface local 1115 pode compreender sistemas adicionais projetados para coordenar esta comunicação, incluindo, por exemplo, a realização de balanceamento de carga. O processador 1109 pode ser elétrico ou de alguma outra construção disponível.

[0067] Embora a aplicação de monitoramento corporal 1118 e outros vários sistemas descritos no presente documento possam ser incorporados em software ou código executado por hardware de uso geral conforme discutido acima, como alternativa, o mesmo também pode ser incorporado em hardware dedicado ou uma combinação de software/hardware de propósito geral e hardware dedicado. Se incorporados em hardware dedicado, cada um pode ser implementado como um circuito ou máquina de estado que emprega qualquer uma ou uma combinação de várias tecnologias. Essas tecnologias podem incluir, mas não estão limitadas a, circuitos lógicos distintos tendo portas lógicas para implementar várias funções lógicas mediante uma aplicação de um ou mais sinais de dados, circuitos integrados de aplicação específica tendo portas lógicas apropriadas ou outros componentes, etc. Essas tecnologias são geralmente bem conhecidas por aqueles versados na técnica e, consequentemente, não são descritas em detalhes no presente documento.

[0068] O fluxograma da Figura 10 mostra a funcionalidade e operação de uma implementação de porções de uma aplicação de monitoramento corporal 1118. Se incorporado em software, cada bloco pode representar um módulo, segmento ou porção do código que compreende as instruções do programa para implementar as funções lógicas especificadas. As instruções do programa podem ser incorporadas na forma de código-fonte que compreende declarações legíveis por humanos escritas em uma linguagem de programação ou código de máquina que compreende instruções numéricas reconhecíveis por um sistema de execução adequado, tal como um processador 1109 em um sistema de computador ou outro sistema. O código de máquina pode ser convertido a partir do código-fonte, etc. Se incorporado em hardware, cada bloco pode representar um circuito ou uma série de circuitos interconectados para implementar a função (ou funções) lógica especificada.

[0069] Embora os fluxogramas da Figura 10 mostrem uma ordem de execução específica, entende-se que a ordem de execução pode ser diferente daquela que está representada. Por exemplo, a ordem de execução de dois ou mais blocos pode ser embaralhada em relação à ordem mostrada. Além disso, dois ou mais blocos mostrados em sucessão na Figura 10 podem ser executados simultaneamente ou com concorrência parcial. Além disso, em algumas modalidades, um ou mais dos blocos mostrados nas Figuras 3 e/ou 6 podem ser ignorados ou omitidos. Além disso, qualquer número de contadores, variáveis de estado, semáforos de aviso ou mensagens podem ser adicionados ao fluxo lógico descrito no presente documento, para fins de utilidade aprimorada, contabilidade, medição de desempenho ou fornecimento de ajuda para solução de problemas, etc. Entende-se que todas essas variações estão dentro do escopo da presente divulgação.

[0070] Além disso, qualquer lógica ou aplicação descrita no presente documento, incluindo a aplicação de monitoramento corporal 1118, que compreende software ou código, pode ser incorporado em qualquer meio legível por computador não transitório para uso por ou em conexão com um sistema de execução de instrução, como, por exemplo, um processador 1109 em um sistema de computador ou outro sistema. Nesse sentido, a lógica pode compreender, por exemplo, instruções incluindo instruções e declarações que podem ser obtidas a partir do meio legível por computador e executadas pelo sistema de execução de instruções. No contexto da presente divulgação, um "meio legível por computador" pode ser qualquer meio que pode conter, armazenar ou manter a lógica ou aplicação descrita no presente documento para uso por ou em conexão com o sistema de execução de instrução. O meio legível por computador pode compreender qualquer um de muitos meios físicos, como, por exemplo, meios eletrônicos, magnéticos, ópticos, eletromagnéticos, infravermelhos ou semicondutores. Exemplos mais específicos de um meio legível por computador adequado incluiriam, mas não estão limitados a, fitas magnéticas, disquetes magnéticos, discos rígidos magnéticos, cartões de memória, unidades de estado sólido, unidades flash USB ou discos ópticos. Além disso, o meio legível por computador pode ser uma memória de acesso aleatório (RAM) incluindo, por exemplo, memória de acesso aleatório estática (SRAM) e memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM) ou memória de acesso aleatório magnética (MRAM). Além disso, o meio legível por computador pode ser uma memória somente de leitura (ROM), uma memória somente de leitura programável (PROM), uma memória somente de leitura programável apagável (EPROM), uma memória somente de leitura programável apagável eletricamente (EEPROM) ou outro tipo de dispositivo de memória.

[0071] Um estudo piloto do sistema de monitoramento corporal móvel 100 foi conduzido em pacientes com diagnóstico primário de insuficiência cardíaca aguda descompensada. Os pacientes foram avaliados com tecnologia de monitoramento corporal para correlacionar a medição do fluido torácico com um cenário clínico de insuficiência cardíaca congestiva. O sistema de monitoramento corporal móvel 100 é capaz de fornecer medidas personalizadas para o paciente, que podem ser usadas para ajudar a determinar o quão próximo o paciente está de um estado “seco”. Níveis de fluidos obtidos pelo sistema de monitoramento corporal 100 foram comparados com a perda líquida de volume de fluido total durante a hospitalização. Os pacientes foram avaliados diariamente para correlacionar a medida do fluido torácico com o quadro clínico de insuficiência cardíaca congestiva. A Figura 12A mostra leituras brutas do sensor capturadas como uma imagem na qual a profundidade das interfaces de produção de eco é exibida ao longo de um eixo com o tempo (T) ao longo do segundo eixo; o movimento (M) das interfaces de tecido na direção do, e na direção oposta ao, transdutor (semelhante ao modo TM do ultrassom). Observa-se que o movimento do tecido pulmonar devido à respiração é visível e ajuda a identificar as transições de tecido relevantes. A Figura 12B é um gráfico que mostra uma comparação da perda líquida de volume de fluido (em litros) com a medida de fluido torácico padronizada fornecida pelo sistema de monitoramento corporal móvel 100. Os dados foram coletados do sujeito do estudo ao longo de oito dias.

[0072] A Figura 13 mostra um gráfico de um exemplo da fase média dos coeficientes de reflexão ao longo da profundidade (ou faixa) no corpo. A curva 1303 estando acima de zero mostra a secagem dos pulmões, especialmente em dois compartimentos. Experimentos repetidos controlados também foram realizados com uma mesa giratória. As Figuras 14A e 14B mostram os dados brutos da magnitude e fase do retroespalhamento, respectivamente. A magnitude mostra uma estrutura em camadas de tecidos, enquanto a fase mostra a variação no tempo devido à respiração. A magnitude e fase da estrutura em camadas recuperada para a média sobre a respiração é representada graficamente nas Figuras 14C e 14D, respectivamente. Como pode ser visto, tanto a magnitude quanto a fase mostram mudanças nos níveis de fluido nas profundezas do corpo. Os picos e vales do ciclo respiratório também podem ser recuperados.

[0073] Para testar a validade das medições fornecidas pelo sistema de monitoramento corporal móvel, um fantoma multicamadas consistindo em três camadas de tecido (pele, osso e músculo) foi criado e colocado contra uma camada de espuma de coeficiente dielétrico conhecido. O coeficiente dielétrico (permissividade e condutividade) das camadas de tecido emulado foi ajustado usando pó de polietileno (PEP) e cloreto de sódio, respectivamente. O ágar foi usado para a autoformação da mistura em camadas sólidas, e um pó TX-151 foi usado para aumentar a viscosidade da mistura. A constante dielétrica dos tecidos emulados foi verificada usando um kit de sonda dielétrica Agilent 85070E. Os coeficientes dielétricos medidos do tecido emulado foram comparados com os valores de referência e a condutividade e permissividade medidas foram consideradas consistentes com os valores relatados para esses tipos de tecido. A Figura 15 mostra medições de profundidade vs amplitude de reflexão (semelhante ao modo A de ultrassom). Os atrasos observados e as amplitudes de reflexão podem ser usados para estimar as propriedades dielétricas do perfil de tecido de multicamadas. Para as três camadas (pele, osso, músculo), a magnitude dos coeficientes dielétricos estimados foi (41, 12, 55) com um erro médio de 4,5%.

[0074] Deve ser enfatizado que as modalidades acima descritas da presente divulgação são apenas exemplos possíveis de implementações estabelecidas para uma compreensão clara dos princípios da divulgação. Muitas variações e modificações podem ser feitas na modalidade (ou modalidades) acima descrita sem se afastar substancialmente do espírito e dos princípios da divulgação. Todas essas modificações e variações se destinam a ser incluídas no presente documento dentro do escopo desta divulgação e protegidas pelas seguintes reivindicações.

[0075] O termo "substancialmente" destina-se a permitir desvios do termo descritivo que não afetem negativamente o propósito pretendido. Os termos descritivos são implicitamente entendidos como modificados pela palavra substancialmente, mesmo se o termo não for explicitamente modificado pela palavra substancialmente.

[0076] Deve-se notar que razões, concentrações, quantidades e outros dados numéricos podem ser expressos no presente documento em um formato de faixa. Deve ser entendido que tal formato de faixa é usado por conveniência e brevidade e, portanto, deve ser interpretado de uma maneira flexível para incluir não apenas os valores numéricos explicitamente citados como os limites da faixa, mas também para incluir todos os valores numéricos ou subfaixas individuais englobados dentro dessa faixa, como se cada valor numérico e subfaixa fosse explicitamente recitado.

Para ilustrar, uma faixa de concentração de “cerca de 0,1% a cerca de 5%” deve ser interpretada para incluir não apenas a concentração explicitamente recitada de cerca de 0,1% em peso a cerca de 5% em peso, mas também incluir concentrações individuais (por exemplo, 1%, 2%, 3% e 4%) e as subfaixas (por exemplo, 0,5%, 1,1%, 2,2%, 3,3% e 4,4%) dentro da faixa indicada.

O termo “cerca de” pode incluir o arredondamento tradicional de acordo com figuras significativas de valores numéricos.

Além disso, a frase “cerca de ‘x’ a ‘y’” inclui “cerca de ‘x’ a cerca de ‘y’”.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para determinar uma característica corporal caracterizado pelo fato de que compreende: coletar conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos para uma sequência de pulsos de banda ultralarga (UWB) transmitidos por meio de um sensor de UWB que compreende uma matriz de pares de antena de transmissão (TX) e recepção (RX) posicionados em um corpo de um usuário e uma medição de calibração correspondente de um canal de calibração no sensor de UWB; determinar coeficientes de reflexão para cada interface de tecido com base nos conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos, sendo que os coeficientes de reflexão são determinados a partir de perfis de reflexão com base nos dados de retroespalhamento refletidos para essa sequência de pulsos de UWB e a medição de calibração correspondente, sendo que o perfil de reflexão é associado a um modelo de camadas de tecido no corpo entre o sensor de UWB e o tecido pulmonar; e determinar um conteúdo de nível de fluido do tecido pulmonar com base nos coeficientes de reflexão.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os conjuntos de dados de retroespalhamento refletidos compreendem dados de retroespalhamento refletidos obtidos para cada um dos pares de antenas de TX e RX no sensor de UWB que são combinados para gerar um sinal em forma de feixe de banda larga para cada conjunto de dados de retroespalhamento refletidos.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os perfis de reflexão são determinados com base na desconvolução esparsa do sinal em forma de feixe de banda larga desse conjunto de dados de retrodifusão refletidos usando um formato de pulso de UWB compensado que é baseado na medição de calibração correspondente.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a desconvolução esparsa do sinal em forma de feixe de banda larga é implementada para cada uma das bandas de frequência K.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende: identificar a profundidade de uma interface de tecido pulmonar nos pontos superior, de meio e inferior em um ciclo de respiração do tecido pulmonar com base nos coeficientes de reflexão; e em que determinar o conteúdo do nível de fluido do tecido pulmonar compreende determinar o conteúdo do nível de fluido nos pontos superior, de meio e inferior no ciclo de respiração.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende determinar as características das camadas de tecido localizadas entre o sensor de UWB e o tecido pulmonar.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as características das camadas de tecido compreendem a localização de pelo menos uma interface de camada de tecido ou uma propriedade dielétrica de pelo menos uma camada de tecido.

8. Sistema de monitoramento corporal móvel caracterizado pelo fato de que compreende: um sensor de banda ultralarga (UWB) que compreende uma matriz de antenas que compreende pares de antenas de transmissão (TX) e recepção (RX) e um canal de calibração, em que o sensor de UWB é configurado para ser posicionado no corpo de um usuário; uma radiofrequência (RF) inicial que compreende um gerador de pulsos de UWB acoplado às antenas de TX da matriz de antenas e um receptor de UWB acoplado às antenas de RX da matriz de antenas, onde os pulsos de UWB gerados pelo gerador de pulsos de UWB são transmitidos sequencialmente para o corpo do usuário através das antenas de TX e os sinais de retroespalhamento refletidos são recebidos através da antena de RX desse par de antenas de TX e RX; um transmissor sem fio configurado para comunicar dados associados com o retroespalhamento refletido e uma medição de calibração correspondente do canal de calibração; e um dispositivo de computação configurado para receber os dados e determinar as características corporais do usuário com base no retroespalhamento refletido e na medição de calibração correspondente.

9. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de computação é configurado para: determinar um perfil de reflexão com base nos dados associados ao retroespalhamento refletido e na medição de calibração correspondente para a sequência de pulsos de UWB transmitidos, sendo que o perfil de reflexão é associado a um modelo de camadas de tecido no corpo entre o sensor de UWB e um tecido-alvo; determinar coeficientes de reflexão com base nos perfis de reflexão; e determinar as características do tecido-alvo a partir dos dados do tecido-alvo gerados.

10. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as características do tecido-alvo compreendem a profundidade de uma interface com o tecido-alvo ou propriedades dielétricas do tecido-alvo.

11. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o tecido-alvo é o tecido pulmonar.

12. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de computação é configurado para identificar uma medida de conteúdo de fluido pulmonar com base nas características do tecido pulmonar.

13. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de computação é configurado para identificar simultaneamente um ou mais dentre frequência cardíaca, variabilidade da frequência cardíaca, frequência respiratória ou volume corrente.

14. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de computação é configurado para identificar as profundidades superior e inferior de uma interface de tecido pulmonar ao longo de um ciclo de respiração do tecido pulmonar.

15. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de computação é configurado para identificar propriedades dielétricas nas profundidades superior e inferior e em uma profundidade média no ciclo de respiração do tecido pulmonar.

16. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado pelo fato de que o perfil de reflexão é determinado por meio de desconvolução esparsa de um sinal de retroespalhamento de banda larga média com base nos dados associados ao retroespalhamento refletido para a sequência de pulsos de UWB.

17. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de computação é configurado para determinar perfis de reflexão para cada um de uma série de conjuntos de dados retroespalhados refletidos, sendo que cada um dos conjuntos de dados retroespalhados refletidos compreende dados associados com o retroespalhamento refletido para a sequência de pulsos de UWB transmitidos associados a esse conjunto.

18. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 15, caracterizado pelo fato de que o canal de calibração compreende um circuito de calibração de temperatura que tem uma carga de impedância conhecida posicionada adjacente à matriz de antenas.

19. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que as variações nos pulsos de UWB transmitidos são compensadas com base na medição de calibração correspondente.

20. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 19, caracterizado pelo fato de que compreende um circuito de processamento de sinal digital (DSP) configurado para obter e processar os sinais de retroespalhamento refletidos e a medição de calibração correspondente para transmissão para o dispositivo de computação.

21. Sistema de monitoramento corporal móvel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 19, caracterizado pelo fato de que os pulsos de UWB são transmitidos para o corpo a uma taxa de cerca de 10.000 por segundo.