CN103220967A

CN103220967A - 用于检测婴儿心肺不适的超宽带（uwb）婴儿监测器

Info

Publication number: CN103220967A
Application number: CN2011800477602A
Authority: CN
Inventors: J·P·小蒂潘
Original assignee: LifeWave Inc
Current assignee: LifeWave Inc
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-07-24
Also published as: WO2012018756A3; US20120059268A1; US10398342B2; EP2600762A2; EP2600762A4; US20150250402A1; US20170325706A1; JP2013538598A; JP5918234B2; WO2012018756A2

Abstract

超宽带患者监测系统，特别为婴儿监测系统，适合于防止天线与患者身体之间的反射损失。此处描述的设备、系统和方法可用于高效地将UWB能量耦合到患者以用于患者监测。具体而言，此处描述了阻抗变换器衬垫、床垫等，患者可舒适地躺在其上，同时通过一个或多个UWB传感器（例如，天线）被监测；阻抗变换器衬垫帮助匹配阻抗并防止UWB能量的反射损失。此处还描述了摇篮，包括NICU摇篮和婴儿监测器。

Description

用于检测婴儿心肺不适的超宽带(UWB)婴儿监测器

相关申请的交叉引用

本专利申请主张2010年8月2日提交的标题为“Non-Contact BabyMonitor for the Neonatal Intensive Care Unit With Application to HomeMonitoring for Detection of Cardiopulmonary Distress”（适用于家庭监测心肺不适的非接触式新生儿特护病房婴儿监测器）的美国临时专利申请序号61/369843中的优先权。

引用并入

本说明书中提及的所有出版物和专利申请在此通过引用并入，就像各出版物或专利申请被特别、单独地指示通过引用并入一样。

技术领域

本发明涉及用于监测婴儿的非接触式婴儿监测器。具体而言，本发明涉及用于测量婴儿心肺状态以及检测不适的超宽带（UWB）婴儿监测系统。本发明还涉及包括集成式UWB监测器和摇篮和/或阻抗变换器衬垫（impedance transformer pad）的设备，用于优化UWB系统与被监测婴儿之间的能量传递。

背景技术

新生儿特护病房（NICU）是医院专门用于护理患病或早产的新生儿的病房。在美国，每年近500,000名出生婴儿新生儿特护病房接受治疗，常见的入住原因包括早产、难产、呼吸问题、感染和先天缺陷。

NICU协议规定持续监测生命体征、通知看护人恶化的状况或紧急事件。这些事件可能像在可导致心律失常的高钾血症中那样缓慢发展，也可能像在呼吸困难中常见的那样突然出现。目前的监测技术严重依赖于ECG技术，这种技术需要用贴附电极直接接触皮肤，因此由于需要接触皮肤而非常不理想。早产儿的皮肤极为娇嫩，很容易受到损伤和感染，从而增加了并发症风险，并可能会延长其在NICU中的时间。30至32周以下的早产儿皮肤非常薄，缺少本来在孕期最后几周会增加的体脂肪层。对于过早出生的早产儿而言，尚未形成粗质上层皮肤。当他们待在NICU中时，需要竭力避免皮肤接触，甚至限制父母和看护人的身体接触。

除了将电极直接放在婴儿皮肤上可能导致并发症之外，已认识到还必须减少对新生特护患者的身体接触量，因为已知这种接触会给婴儿带来压力并可能影响康复和发育。因此，非常需要一种能够最小化电极与患者的接触以及最小化看护人接触患者来收集生命体征信息的需要的监测技术。

因此，需要非接触式幼儿/婴儿监测器，并且这种需求在NICU上下文中更为迫切。已经提出若干非接触式UWB传感器变形，例如由Sensiotec提供的、在U.S.7,432,847和U.S.2009/0227882中描述的传感器。但是，这些设备在其配置中具有内在的限制，从而导致信号强度损失。这种信号强度损失造成设备低效，并限制穿透力和精确度。因此，需要提供以可靠、低能耗和非接触式的方式监测婴儿、特别是监测NICU环境中的婴儿的系统、设备和方法。此处描述了可能解决此需求的系统、设备和方法。

发明内容

此处描述非接触式监测UWB系统，也称为UWB雷达系统或UWB雷达监测系统。具体而言，此处描述了在发射器（和/或接收器）天线与患者之间提供阻抗匹配、从而高效地发射和接收所发射的UWB能量的UWB监测系统。在某些变形中，所述系统可以包括阻抗变换器，该变换器被配置为将天线阻抗（例如，介电值）与患者阻抗进行匹配的衬垫或其他倚靠面。这样，阻抗变换器可减少天线与患者之间的UWB能量反射，从而防止能量损失并实现更高效的操作。在某些变形中，所述系统包括其中集成了UWB组件的专用摇篮；集成可允许优化UWB天线定位。此处还描述被配置为与现有婴儿床或摇篮结合使用以进行监测（包括在家监测）的系统。

例如，此处描述与超宽带（UWB）监测系统结合使用以最小化UWB能量的反射损失的阻抗变换器衬垫。所述阻抗变换器衬垫可以包括：至少部分地从厚度介于大约0.4cm至7cm之间的阻抗变换器区域形成的柔软或弹性倚靠面，其中该阻抗变换器区域具有至少一个介电常数介于大约5和大约20之间的层；以及邻接阻抗变换器区域的UWB天线；其中UWB天线被配置为穿过阻抗变换器区域发射和接收UWB信号以监测放在衬垫上的患者。

无论如何，其中此处描述的衬垫可与摇篮结合使用（或集成到其中）。例如，倚靠面的大小可正好放入摇篮。

在某些实现中，阻抗变换器区域具有单个同质层。该层的介电值介于UWB天线的介电常数与患者的介电常数之间（例如，为这两个介电常数的几何平均数）。阻抗变换器区域可以包括多个层（例如，2、3、4、5、6等）；实际上可以包括任意数量的层，但是这样可能增加设备的成本与复杂性。在某些变形中，阻抗变换器区域具有至少两个相邻的平面层，其中每个平面层具有不同的厚度与介电常数。例如，在某些变形中，阻抗变换器区域具有三个相邻的平面层，其中每个平面层具有不同的厚度和介电常数。

阻抗变换器区域（包括其每个层）可由任何适当的材料形成，所述材料可以具有所需的厚度和介电特性，是生物相容的、易弯曲的/柔软的、易于清洗的、无毒性的、低变应原性的和防水的。例如，在某些变形中，阻抗变换器区域的层由硅酮形成。

阻抗变换器区域的大小可具有介于大约0.5cm至5cm之间的厚度，包括所有层，如果存在一个以上的层的话。

在某些变形中，衬垫包括位于阻抗变换器区域和UWB天线下面的背衬层。衬垫可以包括多个位于阻抗变换器区域下面并与之邻接的UWB天线。天线可被配置为发射具有某个带宽的UWB信号，且其中所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，且其中每个层的厚度大约为该层介电质中的带宽中心频率的波长的四分之一或二分之一。

此处还描述了具有阻抗变换器衬垫以最小化反射损失的超宽带（UWB）患者监测系统，所述系统具有用于发射传感信号的UWB带宽，所述系统进一步包括：具有位于阻抗变换器区域下面的UWB天线的阻抗变换器衬垫，所述天线被配置为穿过阻抗变换器区域将UWB信号发射到放在衬垫上的患者，其中阻抗变换器区域具有一个或多个平面层并且每个层的厚度大约为该层介电质中的带宽中心频率的波长的四分之一或二分之一；以及被配置为从UWB天线接收信号以监测患者的处理器。此处描述的任何系统和设备还可以包括UWB电子器件（可与处理器隔离或集成到处理器内），用于产生由UWB天线发射和接收的UWB信号。此类UWB电子器件可以包括信号发生器、D/A和A/D转换器、定时电路、比较器、放大器、过滤器等。例如，请参阅U.S.7,725,150、公开号为US2010/0274145A1的美国专利申请序号12/765,680、公开号为US2011/0060215A1的美国专利申请序号12/749,861。UWB电子器件通常被配置为产生用于从天线发射的UWB信号，并处理接收的信号（反射）来提取生理数据。

如上所述，阻抗变换器衬垫还可以包括位于阻抗变换器层和天线后面的背衬层。背衬层可以支撑由阻抗变换器区域形成的倚靠面（背衬层也可以形成带有阻抗变换器区域的倚靠面）。

在某些变形中，衬垫包括连接阻抗变换器衬垫的天线与UWB电子器件和/或处理器的电缆。

通常，阻抗变换器衬垫具有弹性、低变应原性性和防水性。衬垫可用于婴儿床或摇篮。例如，衬垫的大小可调节为用于婴儿床或摇篮，包括NICU。在某些变形中，衬垫包括指示器（例如，标记），用于指示传感器/天线的位置和/或躺在衬垫上的患者（例如，婴儿）的优选位置。

在某些变形中，阻抗变换器衬垫的阻抗变换器区域具有单个同质层，该同质层被配置为四分之一波长层，其中厚度大约为该层介电质中的带宽中心频率的波长的四分之一。在某些变形中，阻抗变换器衬垫的阻抗变换器区域具有两个或更多个层。

在某些变形中，阻抗变换器衬垫的阻抗变换器区域具有三层，包括被配置为四分之一波长层、二分之一波长层和四分之一波长层的相邻平面层。

在此处描述的任何变形中，阻抗变换器衬垫可以包括多个UWB天线。可使用不同的天线，也可使用同一类型的天线。例如，UWB天线可以是空气天线（air antenna）（例如，可轻易购买到的天线，此类天线被配置为用于空气中传输，因此被设计为将能量传输到相对介电常数大致为1的介质内）。

此处还描述了使用包括阻抗变换器衬垫的超宽带（UWB）雷达系统监测婴儿的方法，所述方法包括：将婴儿放到阻抗变换器衬垫上面；以及通过UWB天线发射UWB信号，其中信号从天线发出，穿过阻抗变换器衬垫的阻抗变换器区域，到达婴儿体内，进一步地，其中阻抗变换器区域具有至少一个介电常数介于大约5至大约20之间的层，其中阻抗变换器衬垫减少天线与婴儿之间的阻抗失配，从而减少信号的能量的反射损失。

所述方法还可以包括使用UWB天线接收来自婴儿的UWB反射信号，然后分析该信号以对婴儿进行监测。所述方法可以包括判定婴儿生命体征，且在某些变形中，显示生命体征。例如，可分析信号以判定心律等。所述系统可以包括一个或多个警报器，以根据监测在婴儿不适时发出指示。一般而言，此处描述的系统、方法和设备可以使用一个或多个天线，这些天线可被配置为发射天线（发射UWB信号）和/或接收天线（接收反射的UWB信号）或这两者。因此，接收天线与发射天线可以完全相同。

发射UWB信号的步骤可以包括使信号穿过阻抗变换器区域，其中阻抗变换器区域具有单个同质层，该同质层的介电值是天线的介电值和婴儿的介电值的几何平均数。在某些变形中，发射UWB信号包括使信号穿过阻抗变换器区域，其中阻抗变换器区域的厚度介于大约0.4cm至大约7cm之间。

发射UWB信号的步骤可以包括使信号穿过阻抗变换器区域，其中阻抗变换器区域具有多个层，每个层具有一个介电值，其中每个层的厚度接近该层介电质中的发射信号的带宽中心频率的波长的四分之一或二分之一。一般而言，发射步骤包括将来自天线的UWB信号穿过阻抗变换器区域发射到婴儿，而无需UWB通过空气或标准床垫（这在使用此处描述的阻抗变换器衬垫时，可导致损失增加）。

在此处描述的任何方法中，将婴儿放在衬垫上可以包括将婴儿放在NICU摇篮内的阻抗变换器衬垫上面。

此处还描述了超宽带（UWB）婴儿监测系统，所述系统包括：阻抗变换器衬垫，该衬垫具有可放置婴儿的柔软或弹性倚靠面；UWB天线，该天线与阻抗变换器衬垫相连并被配置为穿过变换器衬垫将UWB信号发射到婴儿体内，其中阻抗变换器衬垫被配置为防止UWB信号能量的超过50%的反射损失；以及处理器，该处理器与UWB天线进行通信并被配置为当婴儿放在阻抗变换器衬垫上时监测婴儿。如上所述，此处描述的任何系统和设备还可以包括UWB电子器件作为处理器的一部分（或作为处理器的补充）。

所述系统通常被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，其中阻抗变换器衬垫包括形成倚靠面的阻抗变换器区域，阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有不同的介电值。例如，所述系统可被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，其中阻抗变换器衬垫包括形成倚靠面的阻抗变换器区域，阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，其中每个层的厚度小于或等于该层介电质中的中心频率的波长的二分之一。具体而言，所述系统可被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，其中阻抗变换器衬垫包括形成倚靠面的阻抗变换器区域，阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，其中每个层的厚度接近该层介电质中的中心频率的波长的四分之一或二分之一。

如上所述，阻抗变换器衬垫可被配置为正好放入摇篮。进一步地，阻抗变换器衬垫可由无毒的低变应原性防水材料形成。

此处还描述了针对超宽带（UWB）婴儿监测配置的摇篮。例如，所述摇篮可以包括：具有壁和底面的温控摇篮外壳；以及至少一个集成到摇篮内的UWB天线，该天线被配置为穿过摇篮的底面将UWB能量发射到摇篮中的婴儿体内；其中摇篮的底面阻抗匹配以最小化UWB天线与婴儿之间的UWB能量反射损失。

在某些变形中，摇篮的底面包括覆盖UWB天线的阻抗变换器衬垫，以便UWB天线穿过阻抗变换器衬垫发射UWB信号。可使用上述任何衬垫；在某些变形中，衬垫可集成到摇篮内。

UWB天线可被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，进一步地，其中底面包括覆盖UWB天线的阻抗变换器区域，可在该区域上放置婴儿，其中阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，其中每个层的厚度小于该层介电质中的中心频率的波长的二分之一。

在某些变形中，UWB天线可以具有与婴儿的介电值几乎匹配的介电值。例如，天线可被配置为具有接近50的介电值。介电质的外表面可配置为使得婴儿舒适地躺在上面。例如，天线的上表面可以是柔软的、适应的（compliant）等。在此处描述的任何变形中，摇篮可以包括多个UWB天线。进一步地，摇篮可以包括被配置为接收来自UWB天线的信号以监测婴儿的处理器（例如，UWB雷达处理器）和/或用于发射和接收UWB信号并提取生理数据的UWB电子器件。

附图说明

图1示出一个具有一个UWB监测系统变形的NICU摇篮变形。

图2示出包括阻抗匹配衬垫的一个UWB婴儿监测系统变形。

图3A是通过一个阻抗变换器衬垫变形的局部剖视图。图3B是图3A中的阻抗变换器衬垫的顶视图。

图4A是通过另一阻抗变换器衬垫变形的局部剖视图。图4B是图4A中的阻抗变换器衬垫的顶视图。

图5示出另一UWB婴儿监测系统变形，其中阻抗匹配衬垫在阻抗匹配区域具有三个层。

具体实施方式

此处描述的超宽带（UWB）监测系统还可称为医学雷达系统。这些系统可实现安全和有效的小型超低功率医疗监测系统。UWB医学雷达是一种主动成像技术，在功能概念上与超声波类似，但它基于电磁能而非声能。在实践中，此处描述的系统通常发射大约一百皮秒时间的电磁能微脉冲，这些微脉冲传播到人体中。当能量进入人体时，少量入射能会反射回设备。这些反射的出现主要是因为下层组织与器官的介电特性不同，并且可以被检测为信号（“反射信号能量”）。反射信号能量随后被接收并使用信号处理算法被处理以提取有关被照射组织和器官的位置、大小和相对运动的信息。与更传统的雷达系统相比，这种短暂的脉冲时间还允许雷达在更近的距离上、以更高的分辨率进行“观察”。发射到患者的能量通常被UWB天线与患者身体之间出现的无用反射减少（“反射损失”）。某些现有技术UWB系统中的单向反射损失可占发射能量的85-90%之多。这一损失导致较低的整体信号强度，以及来自内部解剖结构的反射能量显著降低，从而使得提取所需的生理数据更难、并且更不精确和可靠。

因此，此处描述的系统描述用于降低UWB传感器系统反射损失的系统。此处描述的所有UWB系统采用能够穿透诸如塑料、衣服、空气和骨骼之类物质的超低功率电磁能，无需直接皮肤接触、导电膏、电极或导线。实际发射的功率水平显著低于为政府安全标准设置的阈值，也低于广泛采用的商业无线技术（例如，移动电话、蓝牙设备、ZigBee设备、2.4/5.8GHz无绳电话、无线对讲机和婴儿监测器、以及802.11无线互联网设备）所使用的阈值。

NICU环境中的婴儿为非入侵式生命体征监测提出了一些独特的挑战和机会。首先，NICU婴儿通常为早产儿，因此解剖结构非常小，从而使采用非接触式主动技术收集生命体征数据变得复杂。第二，进入NICU的婴儿呆在为婴儿提供保护环境的专用隔离摇篮内。摇篮通常为封闭结构，控制温度、光照、湿度和气流。这种摇篮的特征包括由透明塑料制成的侧面。顶盖可手动或机动掀开，且通常包括一个开关，用于在顶盖打开或闭合时发信号。

在此处描述的设备的某些变形中，所述系统包括UWB医学雷达来查询隔离摇篮空间，从而允许以非接触方式监测包括心脏和呼吸活动的生命体征，而无需接触婴儿。这些摇篮通常使用均为非导电的透明塑料外壳和衬垫制成；UWB雷达可通过壁或衬垫操作。

附接到摇篮的UWB传感器

在某些变形中，此处描述的系统包括具有集成UWB检测系统的摇篮。在此变形中，UWB监测系统和摇篮可一起被配置为优化信号传输与检测，从而优化监测系统的效率。例如，可以优化婴儿生命体征检测的方式，在摇篮周围排列UWB天线（位置可能固定）。在某些变形中，摇篮可以包括一个或多个指示器，用于以提供最优监测的方式，在摇篮内定位婴儿。此外，摇篮底部可以包括被配置优化UWB能量传递以监测婴儿的倚靠面。UWB系统还可被配置为检测婴儿是否位于摇篮内，被配置为自动执行监测或关闭检测，以及根据婴儿状况发出或提供各种警报。

例如，图1示出摇篮外壳101的一个变形，其中位于隔离摇篮的壁上的一个或多个雷达组件（例如，发射器103、接收器105或收发器）允许以不接触身体的方式检测和监测心脏和呼吸活动。在图1中，NICU摇篮包括以双站（bistatic）模式配置的UWB传感器，其中在外壳101的一端上具有发射器103，另一端上具有接收器105。因此，一般而言，所述系统架构可以包括单站（monostatic）、双站或多站（multistatic）拓扑，其位置包括摇篮的角落、侧面、顶面、底面、前面和后面。在一个实现中，可将组件固定到外表面以最小化可能与婴儿的任何物理接触。但在某些变形中，可以有利地将雷达组件安装在摇篮内，例如安装在一个或多个角上，以提供更宽阔的搜索范围。可使用集成外盖开关，以便在顶盖打开时禁用雷达。

在某些变形中，所述系统包括多个位于摇篮内预定位置上的UWB发射器/接收器。发射器、接收器或收发器可布置在各种配置中。在一个变形中，UWB组件位于一个内角中（例如，相同位置的发射器和接收器以单站模式操作）。替代地，UWB组件可以位于任意两个相对的内角中，其中分离的发射器和接收器以双站模式操作。在某些变形中，UWB组件位于摇篮较短一侧的外表面上，其中位置相同的发射器和接收器以单站模式执行操作。在某些变形中，UWB组件位于相对的较短侧的外表面上，其中分离的发射器和接收器以双站模式操作。在某些变形中，UWB组件位于较长一侧的外表面上，其中位置相同的发射器和接收器以单站模式操作。替代地，UWB组件可以位于相对的较长侧的外表面上，其中分离的发射器和接收器以双站模式操作。在某些变形中，UWB组件可以在相邻的较长侧的外表面上操作，其中分离的发射器和接收器以双站模式操作。一般而言，三个或更多相邻的较长侧的外表面与分离的发射器和接收器的组合可以多站模式操作。

除了刚才描述的变形之外，摇篮可配置为使得UWB组件（例如，发射器、接收器或收发器）形成倚靠面（例如，摇篮底部或用作摇篮底部的衬垫）的一部分或与倚靠面相连，该倚靠面可以像在此处描述的那样阻抗匹配。这可进一步改善UWB信号发射/接收，因此改善监测器的可靠性和操作。如果未执行此处描述的阻抗匹配，则可能在UWB天线与婴儿身体范围之间损失大量能量（高达85-90%），从而导致效率大幅降低并且来自内部解剖结构的反射能量显著减少，这样使提取所需的生理数据更困难、精确度更低和可靠性更低。

一般而言，可使用多个UWB发射器、接收器和/或收发器。这些元件可以多路复用或用作相位阵列的一部分。UWB天线的相位阵列布置的示例在US2003/0090407（特定于使用此类阵列成像）中被阐述。

在某些变形中，倚靠面（例如，直接放置婴儿的摇篮底部）与一个或多个UWB天线（发射器、接收器和/或收发器）的外表面齐平，即使没有如下面描述的中间阻抗变换器衬垫。在这样的情况下，天线的外表面专门被配置，（1）以便婴儿可以直接放在上面，不会产生不适或者不会损害婴儿或天线（例如，它可能由柔软或弹性材料形成），并且天线本身可被配置为具有接近婴儿身体介电值（例如，大约50）的介电值。

在隔离摇篮中操作UWB传感器的一个优势是摇篮结构在各侧都具有物理边界。摇篮代表一个受限的空间，因此具有有限范围，其中目标—婴儿可以在摇篮中被定位。所述系统可在安装时或在将婴儿放入摇篮之前进行调校，以便优化雷达范围和表征空的摇篮。然后可使用此调校数据创建代表空摇篮的过滤器。一旦将婴儿放入摇篮，过滤器便会在雷达回波上执行操作，从而产生增强检测婴儿存在和动作的优化信号，最小化检测到误报的可能性。

带有集成式UWB传感器的阻抗变换器衬垫

此处描述的任何系统可以包括带有集成UWB组件的倚靠面，所述UWB组件被配置为匹配和/或优化UWB天线与婴儿之间的阻抗。从而大幅减少反射损失。一般而言，倚靠面可以是衬垫、台子（table）、平台、床垫、靠垫、毯子等，可使婴儿躺在、坐在或倚在上面，其中倚靠表面充当与UWB天线之间的界面，还充当阻抗变换器以最小化反射损失并改善天线与婴儿之间的能量传递。

例如，NICU摇篮中的睡垫可配置为与UWB天线连接以监测婴儿的阻抗变换器衬垫（或包括该衬垫）。NICU摇篮衬垫通常由具有乙烯基涂层的高密度泡沫橡胶制成，其设计主要以舒适为目的。这种泡沫衬垫的能量损耗一般非常大，至少部分地是因为泡沫材料中存在气袋，因此如果将衬垫放在UWB天线与婴儿之间，所应用的大量UWB能量将在反射或散射中损失。阻抗变换器衬垫可被配置为在保持舒适的同时避免反射损失。除了提供舒适的表面之外，衬垫还可被优化为与UWB医学雷达协同工作以优化雷达与婴儿之间的能量传递，在给定婴儿中的解剖结构目标的小尺寸的情况下尤其重要。因此，雷达天线与衬垫表面之间的衬垫的成分和衬垫厚度可被配置为充当阻抗变换器。包括发射器、接收器和/或收发器的UWB传感器可集成到阻抗变换器衬垫内，且阻抗变换器衬垫可放在婴儿下面，包括放在现有摇篮衬垫/床垫上面或替换这种衬垫。

此处描述的阻抗变换器表面在本文中可称为阻抗变换器衬垫，或者为方便起见简称为“衬垫”，尽管可使用任何适当的表面（不仅限于床垫类衬垫）。这种被配置为阻抗变换器的备选实施例（包括毯子、枕头、座椅、座套、衣服、床套等）也可称为阻抗变换器衬垫、阻抗匹配衬垫、阻抗变换器，或者被称为阻抗变换器结构，其中所述结构是指实施例的形式，例如，毯子、枕头、座椅等。

阻抗变换器衬垫可用于通过最小化两个介质之间阻抗失配导致的UWB能量反射，高效地将能量从一个介质传递到另一介质（例如，从天线到婴儿）。一般而言，对于非导电、非磁性材料而言，两个介质（例如，天线与主体（subject）之间）的相对介电常数是为实现此目的考虑的参数。

通常，阻抗变换器衬垫可由置于UWB天线外表面（天线表面）与将安放患者的衬垫外表面（倚靠面）之间的一个或多个材料（层）形成。选择衬垫的这些阻抗变换器层以通过控制变换器层的厚度和介电特性，高效地在天线表面与倚靠表面之间传递预定带宽中的UWB能量。

理论上，简单的单层阻抗变换器可使用介电值为变换器两侧的两个主要介质（例如，天线和婴儿）的几何平均数的材料制造，且厚度为能量基波长的奇数倍。也可使用更复杂的阻抗变换器衬垫，其中衬垫包括多个材料层，这些材料层具有不同的介电常数和特定厚度，下面将详细进行介绍。

虽然可以像这里讨论并在下面详细介绍地那样，更加准确地判定阻抗变换器衬垫的阻抗层厚度及介电成分，但是在某些变形中，具有一个或多个层的阻抗变换器衬垫一般可被描述为具有厚度介于0.4cm至7cm（例如，0.5cm至5cm，或者在某些变形中为0.5至7cm）之间的阻抗变换器区域（例如，天线的发射/接收面与倚靠面之间的区域），其中该阻抗变换器区域的至少一个平面层具有介于大约5至20的介电值。例如，基于下面描述的理论计算和考量，典型的阻抗变换器衬垫可以包括由一个或多个同质材料（平面）层形成的阻抗变换器区域；衬垫外表面（例如，接触婴儿的表面）与天线的发射/接收面之间的阻抗变换器区域的厚度通常位于大约0.4cm至大约7cm的范围中，该层中的至少一个材料层的介电常数介于大约0.5至大约20之间。

这种一般的阻抗变换器衬垫（其厚度和介电特性在上述范围中）可充分地最小化UWB天线与婴儿身体之间的UWB信号反射损失，从而大幅增加两个介质之间的能量传递效率，因而增加从患者内部结构反射的能量，提高接收信号强度以及系统精确度。在操作中，此处描述的阻抗变换器衬垫可以将天线与主体之间的单向反射损失减少到50%以下。

在此处描述的监测器上下文中，NICU摇篮中的主介质为雷达天线和婴儿；因而，可以选择相对介电常数为这两个介质的几何平均数的变换器材料。因此，阻抗变换器衬垫可被配置为使得衬垫厚度被控制并与UWB传感器系统的能量基波波长匹配，且阻抗变换器衬垫的材料成分可被控制，以便选定材料的介电值位于最优值范围（例如，天线和婴儿的几何平均数）内。

阻抗变换器衬垫可被配置为厚度位于基于天线介电值（假设平均患者介电值）和UWB信号带宽的最优范围内，并且介电值（或者多层衬垫情况中的多个介电值）位于也基于天线特性和UWB信号带宽的最优范围内。厚度和介电值的最优范围可通过基于下面详细描述的原理的计算来确定。此外，阻抗变换器衬垫还可以包括一个或多个集成式UWB天线，用于发射和/或接收UWB探测信号。此类组件可以集成在衬垫的阻抗变换器区域的背面（不接触婴儿的一面）上，和/或集成在阻抗变换器衬垫内。例如，衬垫可以包括一个或多个背衬层，其中天线嵌入阻抗变换器区域的下面。在下面的描述中，阻抗变换器区域是指天线外表面（发射和/或接收面）与可安放婴儿的衬垫外表面（倚靠面）之间的衬垫区域。

如上所述，衬垫的阻抗变换器区域的最佳厚度可以取决于系统应用的UWB信号带宽和衬垫的阻抗变换器区域的介电特性。衬垫的阻抗变换器区域的介电值可以取决于天线和患者的介电值，且在阻抗变换器区域具有多个层的情况下，每个层的介电值还可基于阻抗变换器区域的其他层的介电值。

图3A示出阻抗变换器衬垫303的一个变形，其包括由单个层形成的阻抗变换器区域305。阻抗变换器层下面具有至少一个UWB天线307。UWB天线可以是平面天线，并且可被配置为发射器、接收器和/或收发器。UWB天线连接到（例如，通过电缆308）可形成UWB监测系统一部分的处理器309。所述系统可包括衬垫、天线和处理器。处理器可以根据来自天线的UWB信号分析和/或输出传感信号。还可以包括附加的UWB电子器件。例如，此处描述的系统和设备还可以包括与处理器分离或集成到处理器内的UWB电子器件。这些UWB电子器件一般被配置为产生待发射UWB信号，以及帮助处理UWB天线接收的UWB信号（反射信号）。UWB电子器件可以包括信号发生器、D/A和A/D转换器、计时电路、比较器、放大器、过滤器等。例如，请参阅U.S.7,725,150、公开号为US2010/0274145A1的美国专利申请序号12/765,680、以及公开号为US2011/0060215A1的美国专利申请序号12/749,861。UWB电子器件可被配置为产生用于从天线发射的UWB信号，并处理接收的信号（反射）来提取生理数据。

在图3A中，衬垫还包括背衬区域311，该区域还可以充当放置天线和阻抗变换器表面的衬底。背衬区域可以是泡沫材料，或者其他任何适当的材料，并且可以具有与上面的阻抗变换器表面的介电值不匹配的介电值。在图3A中，阻抗变换器表面可以具有介于大约0.4cm至7cm（例如，0.5cm至5cm，或者在某些变形中为0.5至7cm）之间范围内的厚度。该阻抗变换器表面由介电值一般介于5至20之间的同质材料形成。在某些变形中，该阻抗变换器表面由硅酮溶液形成，此溶液已通过添加添加剂（例如，盐等）被调整为具有所需的介电值。在该示例中，外部阻抗变换器层直接层压在背衬层和天线上。为了舒适，衬垫可以提供支撑，但不是太硬/刚性，从而避免在身体的压力点上产生溃疡。衬垫还可易于清洗，且无毒、低变应原性和防水。因此，在某些变形中，衬垫的外部阻抗变换区域可通过硅凝胶制造。如上所述，这些硅凝胶可掺杂普通材料，例如，炭黑或钛酸钡，以制备介电值位于所需范围（例如，<30）内的层。

衬垫的整体形状（包括UWB天线的数量和方位）可变化。图3B示出与UWB监测系统结合使用的UWB变换器衬垫的一个变形，该UWB监测系统具有四个跨衬垫中线区域布置的天线。图3B示出向下观察阻抗变换器区域外表面的顶视图；位于该区域下面的天线307、307’、307’’、307’’’由虚线方框指示。在某些变形中，衬垫还可以包括标记来指示躺在衬垫上的患者（例如，婴儿）的优选位置。在图3B中，这通过婴儿321的阴影轮廓示出。这可以可视的方式在衬垫上指示，或者衬垫可以简单地标记（例如，通过颜色和/或文字）天线位置和/或理想的患者方位。衬垫可以具有任何适当的大小。例如，衬垫可以为一平方英尺，也可以更小或更大。UWB天线的类型和大小也可调整；在该实例中，天线长度为2英寸。

上面针对图3A和3B所示示例提供的阻抗变换器区域的厚度和介电值范围是大概值，但是如果给定天线特性，并且假设了UWB信号带宽，则可以计算更精确的值。例如，在一个具有衬垫的单层阻抗变换器区域的阻抗变换器衬垫变形中，衬垫的传输层厚度通常集中于所应用的UWB信号的中心频率（例如，带宽的几何平均数）的大约1/4周围。因此，可通过此估计判定最优或适当的厚度范围。为了估计这些值，做出下列假设：(1)所需的传输带宽大约3GHz至6GHz；(2)天线的特性阻抗大约377Ohm（空气），以及相对介电常数为1；(3)假设患者的相对介电常数大约50（对于诸如早产儿之类的低脂肪含量身体来说，这个值特别准确）。

假设UWB信号带宽大约3-6GHz，几何平均数大约4.25GHz，该几何平均数可称为中心频率(f_c)。在该单层示例中，单个层的近似优化介电值可以基于天线介电值与目标介电值（例如，婴儿身体的总介电值）之间的平均值。例如：对于单层四分之一波长衬垫，衬垫的相对介电常数为空气介电值(ε_air)与患者介电值(ε_patient)的几何平均数或近似为7.07(ε_d)。因此，用于四分之一波长情况的衬垫厚度等于介电质中的中心频率处的波长的四分之一，或者：

衬垫厚度=介电质中的

λ / 4 = \frac{c}{4 f_{c} \sqrt{ϵ_{d}}} = \frac{3e10 cm / s}{4 \times 4.24e9 c / s \times \sqrt{7.07}} = 0.67 cm

（其中，c是光速，f_c是中心频率，ε_d是衬垫的阻抗变换器区域的介电值）。

因此，在该示例中，如图3A和3B所示的衬垫可使用可轻易购买到的用于3-6GHz带宽的空气天线(ε_air)制造，且因此外部阻抗变换器区域的厚度大约为0.67cm（例如，位于0.6至0.9cm之间）并且该区域的介电值大约为7.07（例如，位于5至9之间）。该外部阻抗变换器区域可由掺杂炭黑的硅酮形成以实现该阻抗值。衬垫还可以包括由泡沫橡胶形成的背衬区域，以及多个邻接阻抗变换器区域的天线（例如，2、3、4、5、6、7、8等），从而引导UWB能量穿过阻抗变换器区域到达患者。包括这种衬垫的系统可以包括上述衬垫（或此处描述的其他任何变形中的衬垫）、处理器和/或衬垫中与天线通信的附加UWB电子器件；在某些变形中，输出（例如，一个或多个音频输出、视频输出、电子输出等）也可以是系统的一部分。处理器可以包括外壳，以及一个或多个用于接收信息的输入（例如，触摸屏、小键盘等）。在某些变形中，天线可以直接连接到UWB电子器件以产生UWB信号和/或处理接收的信号反射并提取生理数据。例如，天线可与部分或全部UWB电子器件集成，或者它可连接到这些电子器件，并且UWB电子器件（和/或其他处理器）可与衬垫分开放置，如图3A所示。

假设的患者介电常数基于针对早产儿的合理值。由于早产儿没有很多身体脂肪，因此他们的总相对介电常数大约40至60。如上所述，根据这个值范围，单层四分之一波长变换器衬垫可以至少部分地由相对介电常数位于大约5至大约20之间的材料形成，以高效地将能量从天线耦合到患者。用于此处描述的衬垫的天线可以具有不同的介电值（例如，与空气介电值不同）并且可优化为将能量从电路耦合到空气以外的介质，这还可缩小天线的物理大小。因此，根据天线变形，阻抗变换器衬垫的介电常数的最优值可以稍低或稍高，并且可以位于例如大约5至25之间的范围内。

单层四分之一波长阻抗变换器衬垫对于窄带信号可尤其有用，尽管随着信号带宽增加，其性能可能降低，如对于UWB雷达的情况。为了对此进行补偿，可使用多层变换器衬垫，并且其可更适合于最小化跨所需频谱部分的反射。示例性多层变换器衬垫可以包括2层“四分之一-四分之一”变换器衬垫和3层“四分之一-二分之一-四分之一”变换器衬垫，其中四分之一和二分之一的用语是相对于UWB监测器的中心频率的估计波长。还可以构想具有用于阻抗变换器区域的三个以上层的衬垫。

例如，阻抗变换器衬垫的三个示例性变形包括：四分之一、四分之一-四分之一、以及四分之一-二分之一-四分之一变形。四分之一-四分之一是这样一种变形，其可以提供改善的带宽并且可使用介电值介于天线特性阻抗的介电值与患者介电值之间的材料制造。四分之一-二分之一-四分之一对于二分之一层可使用介电值明显高于另两个（四分之一层）层中的任何一个的介电值的材料，从而使其带宽优于四分之一变形和四分之一–四分之一变形。很多种其他拓扑，包括三个以上层，是可能的。但是一般而言，层数越多，相关材料成本就越大，制造复杂度也越高；但是，更多的层可提供适度的性能改善。

作为示例，三层变换器（“四分之一–二分之一–四分之一”变换器衬垫）在100%带宽情况（例如，3GHz至6GHz）上可以提供优异性能。类似地，可采用其他变换器衬垫结构（包括多个层）来改善能量传递。

图5示出阻抗变换器衬垫的一个变形，其阻抗变换器区域由三个层形成：1/4波长层、1/2波长层以及1/4波长层。通过使用多个层，可以扩展变换器衬垫在上面有效传递能量的带宽。每个层由作为该层介电值函数的中心频率(f_c)的分数指定，例如，1/4波长、1/2波长等。

在图5中，UWB系统包括具有三个层的阻抗变换衬垫：四分之一（1/4波长）层501、二分之一（1/2波长）层503、以及另一四分之一（1/4波长）层504。因此，此变形可被称为四分之一–二分之一–四分之一波长阻抗变换器衬垫，并且包括至少一个集成式UWB天线505。如图2所示，天线可以是UWB平面天线505，并且可与UWB处理器509进行通信（例如，通过RF电缆507或其他方式，包括无线的方式）。如上所述，可以包括附加UWB电子器件作为处理器的一部分，或与处理器分开放置，这些附加UWB电子器件用于产生待发射UWB信号、接收UWB信号反射、以及用于处理反射以提取所需的生理数据。进一步地，这些特征可与天线集成或与天线分开放置并以上述方式相连。

一般而言，此衬垫变形也可落入上面一般性描述的阻抗变换器区域的厚度值和介电值范围内，但是每个层可具有自己的特性介电值和特定厚度。整体厚度一般可以介于0.4cm至7cm之间（阻抗变换器区域的全部层的总厚度），且阻抗变换器区域的至少一个层可以具有介于大约5至大约20之间的介电值。

例如，可形成一个具有三层四分之一–二分之一–四分之一阻抗变换器区域的阻抗变换器衬垫变形，以便每个层具有下面的介电值和厚度值，这些值可以估计。现在参考图5的布置并做出与上面相同的假设（例如，天线的ε_air为1，带宽为3-6GHz，患者的ε_body为50），可根据下面所示计算这些值。

二分之一波长层（第2层）503可由基于成本和/或制造简易度选择的材料形成。在该示例中，假设介电值(ε_d2)为5。可使用具有其他介电值（范围从1至>50）的材料。根据该值，按照以下方式计算厚度：

第2层的厚度=介电质中的

λ / 2 = \frac{c}{2 f_{c} \sqrt{ϵ_{d 2}}} = \frac{3e10 cm / s}{2 \times 4.24e9 c / s \times \sqrt{5}} = 1.58 cm

类似地，第3层（与天线最接近的阻抗变换器区域层）的相对介电常数是空气和第2层的几何平均数，或者大约2.24（例如，ε_air和ε_d2的平方根）。根据该介电值，按照以下方式计算该层的厚度：

第3层的厚度=介电质中的

λ / 4 = \frac{c}{4 f_{c} \sqrt{ϵ_{d 3}}} = \frac{3e10 cm / s}{4 \times 4.24e9 c / s \sqrt{2.24}} = 2.64 cm

第1层是与阻抗变换器区域的外表面最接近的剩余层。第1层的相对介电常数(ε_d1)是天线、第3层和患者的介电常数的函数。它可使用以下方程计算出：

\sqrt{\frac{ϵ_{3}^{2} * ϵ_{body}}{ϵ_{α}}}

其中：

ε_a=与天线关联的相对介电常数，

ε₃=第3层的相对介电常数，以及

ε_body=患者身体的相对介电常数

因此，根据该介电值，第1层的厚度可根据上面所述计算出：

第1层的厚度=介电质中的

λ / 4 = \frac{c}{4 f_{c} \sqrt{ϵ_{d 1}}} = \frac{3e10 cm / s}{4 \times 4.24e9 c / s \times \sqrt{15.84}} = 0.44 cm

因此，阻抗变换器区域的厚度为所有三个层的厚度总和（0.4cm+1.58cm+2.64cm），即4.66cm，并且介电常数为：15.84、2.24和5。诸如上面所示具有三个层的衬垫（例如，被配置为四分之一–二分之一–四分之一衬垫）可能尤其有用，因为带宽可能优于单层或双层变形。

图4A和4B示出UWB系统的阻抗变换器衬垫的双层变形，此变形被配置为四分之一–四分之一变换器衬垫。在该示例中，衬垫包括由第一层403和第二层401形成的阻抗变换器区域405。在该示例中，天线407、407’邻接第二层401，并包括信号处理组件409、409’，这些组件可包括板上（on-board）电路（例如，信号处理）和/或通信电路以将信号传递到UWB系统409的其他部分，所述UWB系统409可以包括衬垫外处理器和/或UWB电子器件。在某些变形中，处理器和任何附加UWB电子器件可集成到衬垫内。

图4B示出阻抗变换器衬垫400的另一变形的顶视图，此变形与图3B所示的变形类似。在该示例中，两个天线的位置由位于衬垫外表面下面的虚线方框407、407’指示。如上所述，可使用允许UWB信号到达躺在衬垫上的婴儿的任何适当的天线数量和天线定位。可用作阻抗变换器衬垫一部分的天线包括平面结构（天线），此结构可最小化不适，且通常被设计为将能量从电子电路耦合到空气。

阻抗变换器区域由多个层形成的任何阻抗变换器衬垫变形中，各层可层压在一起。因此，例如可使用单层、双层、三层或更多层，如指示的那样。此外，可以层压一个或多个附加背衬层（例如，泡沫背衬层），或者以其他方式将这些背衬层固定在阻抗变换器区域上。

在上面所示的所有变形中，阻抗变换器区域形成为一个平面层，该层跨衬垫的整个表面延伸。在某些变形中，阻抗变换器区域仅在衬垫表面的子区域上延伸，该区域可限于仅位于天线上以及在天线发射/接收面与衬垫的上表面（倚靠面）之间的区域。在某些变形中，阻抗变换器区域可能稍微大于底层天线表面。多个这种阻抗变换器区域（“岛”）可以跨每个天线上的衬垫表面延伸；这些分离的阻抗变换器区域可以被位于阻抗变换器区域下面的同一支撑层材料（例如，泡沫橡胶等）围住。这种变形对于使用具有不同特性（例如，不同介电值）的多个天线类型的情况尤其有用。在此变形中，不同的阻抗变换器区域可以具有不同数量的层，或者可以具有不同的特征厚度和/或介电值。

现在返回参考图2，其示出阻抗变换器衬垫的另一变形，此变形被配置为具有集成式UWB天线的四分之一–四分之一阻抗变换器衬垫。在该示例中，阻抗变换器衬垫包括两个层（第一层201和第二层202）以及集成式平面UWB天线205，该天线附着在阻抗变换器衬垫下面。UWB天线被示出为通过RF电缆207连接到UWB处理器209，该处理器可以位于摇篮外部。还可以包括（作为UWB处理器的一部分或补充的）附加UWB电子器件（未示出）以产生信号、调节（condition）接收到信号和/或从接收的信号中提取信息。替代地，在某些变形中，处理器209和其他UWB组件（例如，电子器件）可位于摇篮内，或者可通过无线的方式连接到天线205。在某些变形中，处理器控制UWB信号的发射和接收，并且可以提供信号处理并分析患者（例如，婴儿）的体征。还可由处理器协调和控制UWB系统的输出，包括警报、信号（包括警报等）的存储，以及数据传输。

此处描述的阻抗变换器衬垫可以解决其他UWB传感器系统（特别是那些用于斜躺患者的传感器系统）中存在的问题和低效率。如上所述，描述了用于监测床上或座椅上个人的身体状况的“床垫”UWB传感器，但是尚未将它们优化以提升雷达性能。当UWB系统与标准的床垫材料结合使用时，不可能进行优化。例如，多数床垫中使用的泡沫橡胶由丁苯（styrene-butadiene）或聚氨酯（polyurethane）制成，它们在转换为泡沫之前的相对介电常数在2至4的范围内，处于最优介电值范围之外。为了形成泡沫橡胶，在制造期间将气体注入生胶料（base rubber compound）内以降低硬度并提高舒适度，同时增加绝缘特性，并且注入气体使得这些材料介电常数与产品中所用气体体积的百分比成比例地下降。此外，气泡导致散射，从而降低雷达性能。超低相对介电常数的失配和气泡导致的散射两者都使得传统泡沫橡胶床垫材料不适合用于在此描述的阻抗变换器。进一步地，床垫厚度远大于此处描述的用于阻抗变换器衬垫最优配置的厚度范围。

信号处理

来自UWB医学雷达系统的数据可被处理以提供适当的输出，包括心壁运动波形或指示、心律波形或指示，呼吸波形或指示以及从这些基本数据类型导出的精细数据。看护人可以设置可编程警报来通知其婴儿状况的变化。所得到数据可显示在本地监测器或中央监测器上。通过连接到医院网络，医疗专家可远程访问数据。

除了检测基本生命体征（包括心脏和呼吸活动）之外，此处描述的UWB传感器系统还可被编程为检测其他运动，包括头部转动或肢体运动，并且可被配置，以便在预定时间内没有出现适于年龄的动作将触发警报，提示看护人检查婴儿。例如，在某些变形中，处理器可以接收一个或多个可帮助其监测婴儿的输入。例如，处理器可以接收婴儿年龄并使用此信息适当地切换警报或分析信息。例如，通常在早产儿身上观察到的动作量是出生时的孕龄的函数。例如，在28周或更小孕周出生的婴儿不会有很多动作，其动作仅限于拳头紧握或肢体弯曲。对于妊娠在29至32周之间的婴儿，动作是急动并且可包括头部转动。在35周，婴儿能够做出多种动作，包括蜷缩成胎姿。此外，可以集成诸如温度（例如，红外线）传感器、压力传感器等之类的其他传感器来提供增强的监测功能。

一般而言，可根据上面的描述的方式，例如，根据在U.S.7,725,150、公开号为US2010/0274145A1的美国专利申请序号12/765,680、公开号为US2011/0060215A1的美国专利申请序号12/749,861中的描述的方式，处理产生的、并被处理以判定生命体征（例如，心律、身体动作等）的UWB信号。

所述系统可以进一步被配置为与一个或多个其他医院监测器、记录、医院控制系统集成。因此，这些监测器可与现有婴儿监测系统进行接口。例如，处理器可允许与其他监测或医院病人看护系统进行通信/接口。

此外，此处描述的系统和设备可以包括自动开/关或其他电源管理功能，所述功能还可用于切换警报和数据收集。例如，此处描述的UWB传感器/阻抗变换器衬垫可以判定何时患者（例如，婴儿）躺在倚靠面（例如，阻抗变换器衬垫）上。由于这些设备在UWB天线与患者之间高效地传递能量，因此，电压驻波比(VSWR)将反映何时患者不在衬垫上。这可相对简单地在传感器中检测并且可用作告知何时患者在场的途径，从而允许雷达在患者离开衬垫时进入“睡眠”模式。在睡眠模式中，雷达可以偶尔“醒来”以检测患者是否在场，且如果检测到患者在场，则恢复完全的操作。所述系统还可被设置为在VSWR率指示患者离开阻抗变换器衬垫时触发警报。

一般而言，此处描述的阻抗变换器衬垫可被配置以便舒适，因为可以将婴儿直接放在上面。此外，这些衬垫可完全被配置为用作睡眠表面，特别是用作婴儿的睡眠表面。例如，阻抗变换器衬垫可以是柔性的、容易弯曲的、柔软的和/或具有弹性的。衬垫可被配置为可轻松移除（因此可以包含连接/解除连接功能，借此，阻抗变换器衬垫中的集成式UWB天线组件可以解除连接并重新连接到UWB监测系统的其他部分（包括一个或多个处理器、显示器等））。阻抗变换器衬垫还可被配置为能够轻松、安全地清洗或洗涤和/或消毒。因此，阻抗变换器衬垫可以包括防水或抗水性外涂层，防止天线组件因洗涤，或者被血、尿等污染而发生腐蚀或退化。

上面描述的任何阻抗变换器衬垫还可以包括一个或多个指示器，包括标记、照明区（例如，LED等），它们用于指示衬垫上主体的最优放置或定位，和/或指示摇篮、床、座椅等上的衬垫的方位或衬垫相对于这些部件的方位。例如，阻抗变换器衬垫可以包括彩色或以其他方式标示的区域，用于指示在将婴儿放到衬垫上时如何定向，例如在哪里最优地放置婴儿头部和躯干。

虽然上述UWB监测系统变形在婴儿/NICU实施例中进行阐述，但这些系统和设备也可以用于和/或配置为用于非婴儿（包括成人和兽医）用途。例如，阻抗变换器衬垫可在成人尺寸床垫上使用以便用于一个或多个成人患者，包括用于老年看护或医疗用途。

此处描述的其他设备和系统变形具体包括被配置为与UWB监测系统结合使用的阻抗变换器衬垫的衣服、座椅和/或毯子。此类阻抗变换器衬垫可被配置为带有集成式天线并具有适当的厚度和介电特性。例如，阻抗变换器衬垫可被配置为可在现有汽车座椅上面使用的汽车座椅的一部分，并且可以最优方式为汽车UWB监测系统提供反馈。在其他变形中，毯子或床被可被配置为阻抗变换器衬垫，其可以施加在患者身上，也可作为床垫或类似物品在患者身下。

具体而言，此处描述的系统变形可用于家庭（而非仅用于NICU）监测。例如，父母，尤其是患病婴儿的父母，经常担心在婴儿睡着时无法观察到紧急病情的发作。因此需要使用此处描述的设备执行主动式婴儿监测。当前可用的婴儿监测器包括传统的音频和视频监测器，以及具有能够检测动作和呼吸的动作传感器的婴儿床垫。上述系统可用于提供能够检测心脏活动和其他生命体征（包括总的身体动作）的监测功能。简化的系统变形可适用于家庭使用，包括限于一个或两个雷达组件（例如，单个收发器、分离的发射器和接收器，或两个收发器）的系统。这些系统可以包括上述阻抗变换器衬垫，或者可被配置为安装或悬挂在婴儿床上。可使用通信链路将婴儿数据发射到父母可随身携带或放在附近的小型接收站。

尽管上面的内容参考本发明的特定实施例，但是本领域的技术人员将理解，可在不偏离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例做出修改，本发明的范围由所附权利要求定义。此处描述的本发明是指在涵盖落在所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物或替代物。上面所述的特定实施例仅作为示例，因为本发明可以不同但等效的方式进行修改或实施，这些方式对于得益于此处教导的本领域的技术人员是显然的。此外，除了下面的权利要求中描述的内容，对于此处所示的构造或设计细节没有任何限制。因此很明显，上面公开的特定实施例可以进行修改或改变，并且所有这些变形均被视为处于本发明的范围和精神内。相应地，此处要求保护的内容在下面的权利要求中给出。

Claims

1.一种与超宽带（UWB）监测系统结合使用以最小化UWB能量反射损失的阻抗变换器衬垫，所述阻抗变换器衬垫包括：

至少部分地通过厚度介于大约0.4cm至大约7cm之间的阻抗变换器区域形成的柔软或弹性倚靠面，其中所述阻抗变换器区域具有至少一个介电常数介于大约5至大约20之间的层；以及

邻接所述阻抗变换器区域的UWB天线；

其中所述UWB天线被配置为穿过所述阻抗变换器区域发射和接收UWB信号以监测放在衬垫上的患者。

2.根据权利要求1的衬垫，其中所述倚靠面的大小正好放入摇篮。

3.根据权利要求1的衬垫，其中所述阻抗变换器区域具有单个同质层。

4.根据权利要求1的衬垫，其中所述阻抗变换器区域具有至少两个相邻的平面层，其中每个平面层具有不同的厚度和介电常数。

5.根据权利要求1的衬垫，其中所述阻抗变换器区域具有三个相邻的平面层，其中每个平面层具有不同的厚度和介电常数。

6.根据权利要求1的衬垫，其中所述阻抗变换器区域由硅酮形成。

7.根据权利要求1的衬垫，其中所述阻抗变换器区域的厚度介于大约0.5cm至5cm之间。

8.根据权利要求1的衬垫，进一步包括位于所述阻抗变换器区域和所述UWB天线下面的背衬层。

9.根据权利要求1的衬垫，进一步包括多个位于所述阻抗变换器区域下面并与其邻接的多个UWB天线。

10.根据权利要求1的衬垫，其中所述天线被配置为发射具有一带宽的UWB信号，且其中所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，且其中每个层的厚度大约为该层介电质中的带宽中心频率的波长的四分之一或二分之一。

11.一种具有阻抗变换器衬垫以最小化反射损失的超宽带（UWB）患者监测系统，所述系统具有用于发射传感信号的UWB带宽，所述系统进一步包括：

具有位于阻抗变换器区域下面的UWB天线的阻抗变换器衬垫，所述天线被配置为穿过所述阻抗变换器区域将UWB信号发射到放在所述衬垫上的患者，

其中所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层并且每个层的厚度大约为该层介电质中带宽中心频率的波长的四分之一或二分之一；以及

被配置为从所述UWB天线接收信号以监测所述患者的处理器。

12.根据权利要求11的系统，其中所述阻抗变换器衬垫进一步包括位于所述阻抗变换器层和所述天线下面的背衬层。

13.根据权利要求11系统，进一步包括连接所述阻抗变换器衬垫的所述天线与所述处理器的电缆。

14.根据权利要求11系统，其中所述阻抗变换器衬垫具有弹性、低变应原性和防水性。

15.根据权利要求11的系统，其中所述阻抗变换器衬垫的所述阻抗变换器区域具有单个同质层，所述单个同质层被配置为四分之一波长层，其厚度大约为该层介电质中带宽中心频率的波长的四分之一。

16.根据权利要求11的系统，其中所述阻抗变换器衬垫的所述阻抗变换器区域具有两层或更多层。

17.根据权利要求11的系统，其中所述阻抗变换器衬垫的所述阻抗变换器区域具有三层，包括被配置为四分之一波长层、二分之一波长层和四分之一波长层的相邻平面层。

18.根据权利要求11的系统，其中所述阻抗变换器被配置为正好放入摇篮。

19.根据权利要求11的系统，其中所述阻抗变换器衬垫包括多个UWB天线。

20.根据权利要求11的系统，其中所述UWB天线为空气天线。

21.一种使用包括阻抗变换器衬垫的超宽带（UWB）雷达系统监测婴儿的方法，所述方法包括：

将所述婴儿放置到所述阻抗变换器衬垫上面；以及

通过UWB天线发射UWB信号，其中所述信号从天线发出，穿过所述阻抗变换器衬垫的阻抗变换器区域，到达所述婴儿体内，进一步地，其中所述阻抗变换器区域具有至少一个介电常数介于大约5至大约20之间的层，

其中所述阻抗变换器衬垫减少所述天线与所述婴儿之间的阻抗失配，从而减少所述信号的能量的反射损失。

22.根据权利要求21的方法，进一步包括使用所述UWB天线接收来自所述婴儿的UWB反射信号。

23.根据权利要求21的方法，其中发射UWB信号包括使所述信号穿过所述阻抗变换器区域，其中所述阻抗变换器区域具有单个同质层，所述单个同质层的介电值是所述天线的介电值和所述婴儿的介电值的几何平均数。

24.根据权利要求21的方法，其中发射UWB信号包括使所述信号穿过所述阻抗变换器区域，其中所述阻抗变换器区域的厚度介于大约0.4cm至大约7cm之间。

25.根据权利要求21的方法，其中发射UWB信号包括使所述信号穿过所述阻抗变换器区域，其中所述阻抗变换器区域具有多个层，每个层具有一个介电值，所述每个层的厚度大约为该层介电质中发射信号带宽中心频率的波长的四分之一或二分之一。

26.根据权利要求21的方法，其中放置包括将所述婴儿放在NICU摇篮内的所述阻抗变换器衬垫上面。

27.根据权利要求21的方法，其中发射包括将来自所述天线的所述UWB信号穿过所述阻抗变换器区域发射到所述婴儿，而不通过空气。

28.一种超宽带（UWB）婴儿监测系统，所述系统包括：

阻抗变换器衬垫，所述衬垫具有可放置婴儿的柔软或弹性倚靠面；

UWB天线，所述天线与所述阻抗变换器衬垫相连并被配置为穿过所述变换器衬垫将UWB信号发射到所述婴儿体内，其中所述阻抗变换器衬垫被配置为防止所述UWB信号能量的超过50%的反射损失；以及

处理器，所述处理器与所述UWB天线进行通信并被配置为在所述婴儿放在所述阻抗变换器衬垫上时监测所述婴儿。

29.根据权利要求28的系统，被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，其中所述阻抗变换器衬垫包括形成所述倚靠面的阻抗变换器区域，所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有不同的介电值。

30.根据权利要求28的系统，被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，其中所述阻抗变换器衬垫包括形成所述倚靠面的阻抗变换器区域，所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，其中每个层的厚度小于该层介电质中的中心频率的波长的二分之一。

31.根据权利要求28的系统，被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，其中所述阻抗变换器衬垫包括形成所述倚靠面的阻抗变换器区域，所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，其中每个层的厚度大约为该层介电质中的中心频率的波长的四分之一或二分之一。

32.根据权利要求28的系统，其中所述阻抗变换器衬垫被配置为正好放入摇篮。

33.根据权利要求28的系统，其中所述阻抗变换器衬垫包括无毒的低变应原性防水材料。

34.一种针对超宽带（UWB）婴儿监测配置的摇篮，所述摇篮包括：

具有壁和底面的温控摇篮外壳；以及

至少一个集成到所述摇篮内的UWB天线，所述天线被配置为从所述摇篮的底面将UWB能量发射到所述摇篮中的婴儿体内；

其中所述摇篮的底面阻抗匹配以最小化所述UWB天线与所述婴儿之间的UWB能量反射损失。

35.根据权利要求34的摇篮，其中所述底面包括覆盖所述UWB天线的阻抗变换器衬垫，以便所述UWB天线穿过所述阻抗变换器衬垫发射UWB信号。

36.根据权利要求34的摇篮，其中所述UWB天线被配置为应用具有中心频率的带宽中的UWB信号，进一步地，其中所述底面包括覆盖所述UWB天线的阻抗变换器区域，可在所述区域上放置婴儿，其中所述阻抗变换器区域具有一个或多个平面层，每个平面层具有一个介电值，其中每个层的厚度小于该层介电质中的中心频率的波长的二分之一。

37.根据权利要求34的摇篮，其中所述UWB天线具有与所述婴儿的介电值大致匹配的介电值。

38.根据权利要求34的摇篮，其中所述UWB天线具有大约50的介电值。

39.根据权利要求34的摇篮，其中进一步包括多个UWB天线。

40.根据权利要求34的摇篮，进一步包括被配置为接收来自所述UWB天线的信号以监测所述婴儿的处理器。