Сверхширокополосное устройство для определения профиля слоев ткани живого организма и соответствующий способ
Группа изобретений относится к области медицины для двух или трехмерной визуализации структуры тканей живого организма с использованием сверхвысокочастотного датчика, предназначенного для определения профиля слоев ткани живого организма. Формируют сверхвысокочастотные сигналы в виде сигналов сверхширокополосного спектра, используя контроллер. Передают сверхвысокочастотные сигналы в живой организм, используя передающую антенну сверхширокополосного датчика. Принимают отраженные сверхвысокочастотные сигналы от живого организма посредством приемной антенны сверхширокополосного датчика. Перемещают сверхширокополосный датчик по поверхности живого организма. Определяют множество положений сверхширокополосного датчика. Определяют амплитудные и фазовые частотные характеристики отраженных сверхвысокочастотных сигналов во множестве положений, используя контроллер, во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности тела. Определяют профиль слоев ткани живого организма, используя информацию о множестве положений сверхширокополосного датчика и информацию об амплитудных и фазовых частотных характеристиках во множестве положений. При этом передачу и прием сверхвысокочастотных сигналов осуществляют во множестве положений во время непрерывного перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма. Определение профиля слоев ткани живого организма осуществляют посредством совокупных измерений из множества положений во время перемещения сверхширокополосного датчика. Обеспечивается упрощение определения параметров живого организма в выбранной области, повышение скорости измерения параметров живого организма в выбранной области и анализа полученных данных. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 14 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сверхвысокочастотному датчику, особенно бесконтактному сверхширокополосному (СШП) датчику тканей живого организма, в частности, к датчику тканей живого организма, используемому для определения профиля слоев ткани живого организма и для трех или двухмерной медицинской визуализации, предназначенной для визуализации структуры ткани под поверхностью кожи и для определения толщины слоя ткани (например, жира и т.п.).
Известный уровень техники
Персонифицированный мониторинг параметров здоровья имеет жизненно важное значение для каждого человека: мониторинг массы жира в организме, система визуализации головы для выявления опухоли, система визуализации грудной железы для выявления злокачественной опухоли, анализ функций сердца, движения крови в сосудах имеют огромное значение для контроля здоровья.
Существует общее мнение, что абдоминальное ожирение способствует возникновению заболеваний, связанных с образом жизни, таких как диабет, гипертония, гиперлипидемия. Эффективной профилактикой абдоминального ожирения может быть мониторинг висцерального жира, т.е. жира, который накапливается вокруг внутренних органов на внутренней стороне мышц брюшной полости и мышц спины и который отличается от подкожного жира, располагающегося близко к поверхности туловища.
До сих пор не существует средств, которые бы позволяли осуществлять периодический контроль толщины жира в домашних условиях. Для медицинской визуализации используются системы трехмерной реконструкции, требующие применения сложного и дорогого оборудования и алгоритма обработки. Существует потребность в новых методах, которые бы позволяли выявлять изменения толщины жира с точностью до миллиметра и которые были бы пригодны для повседневного персонального применения. Система мониторинга жира необходима, так как широкие исследования показали, что раннее обнаружение симптомов ожирения позволяют обеспечить наиболее эффективное лечение.
Из патентного документа US 7725150 B2 известен вариант СШП датчика, так называемого микромощного импульсного датчика, который в совокупности с усовершенствованным методом обработки сигналов предлагает новый вид технологии медицинской визуализации, включающий в себя анализ частотного спектра и современные методы статистической фильтрации для поиска, получения, отслеживания или опроса физиологических данных. Недостатки известных изобретений, таких как US 7725150 B2, заключаются в следующем:
- Приемник активируется запаздывающей версией последовательности импульсов основной полосы частот; анализ информации по глубине требует последовательной развертки значения задержки в диапазоне задержки. Обработка данных и статистическая фильтрация необходимы для каждого значения задержки, поэтому процесс занимает много времени. Метод извлечения физиологических данных требует неподвижного положения СШП датчика на поверхности кожи. Сканирование физиологических данных по поверхности органов тела не поддерживается.
- Это устройство должно располагаться неподвижно над интересующей областью и реконструировать сигналы, характеризующие жизнедеятельность, во временной области.
- Перемещение СШП датчика прерывает измерение, так как не предусмотрена синхронизация между процессом сканирования в глубине органов тела (режим поиска дальности) и механическим перемещением СШП датчика относительно поверхности. Поэтому сканирование физиологических данных по поверхности органов тела не поддерживается. В этом случае невозможно реконструировать изображение структуры тканей в трехмерном или двухмерном виде.
- Отсутствует возможность измерения физиологических параметров во время непрерывного перемещения СШП датчика по поверхности тела человека.
В патентном документе US 8089396 B2 описан способ объемной визуализации в СШП датчике и система для него. В патенте описан способ обработки результатов измерения и трехмерной репрезентации данных.
Применение решения US 8089396 ограничено из-за следующих недостатков:
- Неподвижное положение СШП датчика относительно объема визуализации ограничивает разрешающую способность трехмерной визуализации. Приемлемое разрешение может быть достигнуто только в том случае, когда конструкция антенной решетки имеет такой же размер, как весь измерительный объем. Поэтому для сканирования жира может потребоваться устройство, размер которого превысит размер всего тела человека.
- Приемная антенная решетка в описанном СШП датчике не может принимать сигналы от объекта, расположенного сбоку от нее, из-за эффекта затенения. Поэтому СШП датчик, предложенный в US 8089396, невозможно использовать непосредственно в контакте с телом человека.
Учитывая перечисленные недостатки, способ, предложенный в US 8089396, не является оптимальным для применений, раскрытых в настоящем изобретении.
В патенте JP5224454 множество передающих и приемных антенн зафиксировано в заданных положениях вокруг неподвижного измерительного объема. Ткань тела должна быть размещена плотно внутри этого измерительного объема. Для калибровки измерительной системы JP5224454 используются модели тканей тела человека. Измерительный объем полностью заполняется моделью тканей тела человека во время калибровки.
Применение решения, предложенного в JP5224454, ограничено из-за следующих недостатков:
- Конструкция антенны должна иметь такой же размер, как размер органа тела, подвергающегося визуализации. Поэтому для сканирования жира потребуется устройство, размер которого превосходит размер тела человека.
- Перед измерениями требуется калибровка моделей ткани тела человека, которую невозможно осуществить в домашних условиях.
- Неподвижный измерительный объем должен иметь конкретный размер, соответствующий части тела человека. Следовательно, невозможно измерять жир на различных частях тела (например, животе, ногах, руках, шее).
- В этом решении заявлена задача выявления злокачественной ткани, однако измерение толщины нормальной ткани является совершенно другой задачей, которая требует другого метода измерения.
В заявке на патент US 2010/0274145 Al описаны устройства, системы и методы для мониторинга состояния плода и/или матери с использованием медицинского СШП датчика. Это решение является наиболее близким аналогом настоящего изобретения. Основное применение данного решения - детектирование сигналов, характеризующих жизнедеятельность. Его применение для визуализации структуры ткани ограничивают следующие недостатки:
- Устройство согласно этому изобретению должно быть неподвижно расположено над интересующей областью и реконструировать сигналы, характеризующие жизнедеятельность, во временной области.
- Приемник активируется запаздывающей версией последовательности импульсов основной полосы частот; анализ информации по глубине требует последовательной развертки значения задержки в диапазоне задержки. Обработка данных и статистическая фильтрация необходимы для каждого значения задержки, поэтому процесс занимает много времени. Метод извлечения физиологических данных требует фиксированного положения СШП датчика на поверхности кожи.
- Перемещение СШП датчика прерывает измерение, так как не предусмотрена синхронизация между процессом сканирования в глубине органов тела (режим поиска дальности) и механическим перемещением СШП датчика относительно поверхности. Поэтому сканирование физиологических данных по поверхности органов тела не поддерживается. В этом случае невозможно реконструировать изображение структуры тканей в трехмерном или двухмерном виде.
- Отсутствует возможность измерения физиологических параметров во время непрерывного перемещения СШП датчика по поверхности тела человека.
Известно несколько алгоритмов для реконструкции двухмерного или трехмерного изображения из собранных данных. Ряд алгоритмов реконструкции описан в следующих источниках: патент US 6061589, Jack E. Bridges et al., Lopez-Sanchez, J.M., Fortuny-Guasch, 1, "3-D Radar Imaging using Range Migration Techniques," ISSN 0018-926X (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, no. 5, May 2000). Эти алгоритмы основаны на определении характеристик антенны в зоне ближнего поля с использованием ее диаграммы направленности, и их невозможно применить для анализа ближнепольных электромагнитных волн, индуцированных в слоях ткани.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении раскрыто устройство для сверхвысокочастотного определения и визуализации профиля слоев ткани, которое позволяет осуществлять двух или трехмерную визуализацию "сечения" структуры объектов для реконструкции слоев ткани организма. Также в изобретении раскрыто устройство для сверхвысокочастотной визуализации, которое отображает области висцерального жира и подкожного жира и представляет результаты исследования в визуальной форме для более легкого восприятия.
Сверхширокополосное устройство для контроля здоровья или медицинских применений способно осуществлять неинвазивное измерение профиля толщины слоев ткани живого организма вдоль его поверхности, при этом устройство для мониторинга включает в себя сверхвысокочастотный СШП датчик, содержащий сверхвысокочастотные сверхширокополосные передающую и приемную антенны.
Один аспект изобретения относится к сверхширокополосному устройству для определения профиля слоев ткани живого организма, содержащему: сверхширокополосный датчик для получения информации о параметрах ткани во множестве положений на теле, причем сверхширокополосный датчик выполнен с возможностью передачи сверхвысокочастотных сигналов в живой организм посредством передающей антенны сверхширокополосного датчика и приема отраженных сверхвысокочастотных сигналов от живого организма посредством приемной антенны сверхширокополосного датчика; датчик движения для определения множества положений во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности тела; и контроллер для формирования информации о параметрах ткани по поверхности тела на основании сигналов сверхширокополосного датчика во множестве положений во время перемещения сверхширокополосного датчика и на основании сигналов датчика движения во множестве положений и для определения профиля слоев ткани живого организма на основании информации о параметрах ткани.
Дополнительные аспекты раскрывают, что датчик движения способен измерять координаты сверхширокополосного датчика, полученные во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма; устройство дополнительно выполнено с возможностью визуализации информации о параметрах ткани или профиле слоев ткани живого организма посредством дисплея; сверхширокополосный датчик дополнительно содержит блок передатчика, блок приемника; блок передатчика предназначен для формирования непрерывных сигналов сверхширокополосного спектра со ступенчатым изменением частоты или шумоподобных сигналов сверхширокополосного спектра, направляемых в передающую антенну; блок передатчика предназначен для формирования импульсных или линейно-частотно-модулированных импульсных сигналов сверхширокополосного спектра, направляемых в передающую антенну; передающая антенна предназначена для излучения передаваемых сигналов в живой организм, упомянутая передающая антенна выполнена с возможностью минимизации отражений на границе антенны с кожей живого организма; приемная антенна предназначена для приема отраженных сигналов из живого организма, упомянутая приемная антенна выполнена с возможностью минимизации отражений на границе антенны с кожей живого организма; сверхширокополосный датчик размещают близко к поверхности живого организма, но не обязательно в прямом контакте с кожей; передающая и приемная антенны выполнены с возможностью определения пространственного разрешения посредством ближнепольной фокусировки передаваемых и отраженных сигналов; эталонный соединитель соединен с передающей антенной и приемной антенной и предназначен для передачи маркерных сигналов в приемную антенну; маркерные сигналы предназначены для калибровки задержек сверхвысокочастотных сигналов в сверхширокополосном датчике и идентификации поверхности кожи как "нулевого" уровня глубины; эталонный соединитель выполнен в виде материала с определенными диэлектрическими свойствами и толщиной; упомянутый материал расположен между антеннами и поверхностью живого организма; блок приемника предназначен для обнаружения ослабления амплитуды и отставания по фазе принятых сигналов по сравнению с переданным сигналом; контроллер предназначен для синхронизации блока передатчика, блока приемника и получения данных ослабления амплитуды и отставания по фазе отраженного сигнала во время перемещения мобильного устройства по поверхности живого организма; датчик движения предназначен для передачи координат положения сверхширокополосного датчика в контроллер во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма; контроллер предназначен для реконструкции профиля слоев ткани живого организма с использованием ослабления и отставания по фазе отраженных сигналов и координат сверхширокополосного датчика, измеренных во множестве положений во время его перемещения по поверхности живого организма; контроллер выполнен с возможностью осуществления реконструкции профиля слоев ткани живого организма с использованием методов преобразования Фурье, обратной фильтрации, косинусного преобразования Фурье или связанных методов обработки данных; контроллер предназначен для реконструкции профиля слоев ткани живого организма с учетом неравномерного и прерывистого перемещения сверхширокополосного датчика; контроллер предназначен для настройки в реальном времени диапазона рабочей частоты блока передатчика и блока приемника, чтобы тем самым конфигурировать максимальную глубину определения профиля слоев ткани живого организма; функции передающей и приемной антенн может выполнять одна антенна; передающая и приемная антенны могут быть размещены вместе в одном узле и не могут перемещаться относительно друг друга; передающая и приемная антенны изготовлены с использованием гибких материалов, например, в виде гибкой печатной платы, пленки оксидов индия и олова и т.п.; передающая и приемная антенны могут гибким образом перемещаться относительно друг друга; устройство выполнено с возможностью конформной адаптации его поверхностью контуров живого организма во время ручного перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма; передающая антенна и приемная антенна могут быть выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга, чтобы повысить точность измерений для определения профиля слоев ткани живого организма и толщины слоев; дисплей выполнен с возможностью индикации результатов измерений в виде поперечного сечения структуры ткани живого организма в виде двух и/или трехмерного изображения и/или графика профиля толщины для тканей живого организма; контроллер предназначен для измерения толщины определенного вида ткани живого организма, например, жировой ткани, ткани кожи или мышечной ткани, или всех этих тканей; устройство может быть встроено в потребительское электронное устройства типа смартфона, планшетного компьютера, или любое другое носимое или мобильное устройство; контроллер может быть встроен как часть блока обработки данных, встроенного в потребительское электронное устройство; устройств может быть реализовано как независимое устройство.
Другой аспект изобретения относится к способу бесконтактного определения профиля слоев ткани живого организма, содержащему этапы, на которых формируют сверхвысокочастотные сигналы в виде сигналов сверхширокополосного спектра, используя контроллер; передают сверхвысокочастотные сигналы в живой организм, используя передающую антенну сверхширокополосного датчика; принимают отраженные сверхвысокочастотные сигналы от живого организма приемной антенной сверхширокополосного датчика, перемещают сверхширокополосный датчик по поверхности живого организма; определяют множество положений сверхширокополосного датчика; определяют амплитудные и фазовые частотные характеристики отраженных сверхвысокочастотных сигналов во множестве положений с помощью контроллера во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности тела; определяют профиль слоев ткани живого организма, используя информацию о множестве положений сверхширокополосного датчика и информацию об амплитудных и фазовых частотных характеристиках во множестве положений; причем передачу и прием сверхвысокочастотных сигналов осуществляют во множестве положений во время непрерывного перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма; и определение профиля слоев ткани живого организма осуществляют путем совокупных измерений из множества положений во время перемещения сверхширокополосного датчика.
Дополнительный аспект раскрывает, что способ также включает в себя визуализацию определенного профиля слоев ткани живого организма посредством дисплея.
Целью настоящего изобретения является обеспечение широкодоступного метода определения профиля слоев ткани живого организма, визуализации ткани и мониторинга жира в потребительских электронных устройствах, таких как смартфоны или планшетные компьютеры, применимого для контроля здоровья и медицинских обследований. Несмотря на простоту системы, изобретение обеспечивает высокое разрешение изображения благодаря применению сверхширокополосного (СШП) сигнала и необходимости визуализации ткани на небольшой глубине (около 5-10 см).
Для достижения этой цели используется потребительское устройство с интегрированным СШП датчиком, который позволяет измерять толщину слоя ткани посредством обработки данных из ряда положений во время перемещения СШП датчика по поверхности живого организма.
Техническим результатом изобретения является более простое определение интересующей области и параметров живого организма в выбранной области, более высокая скорость измерения параметров живого организма в выбранной области, и более высокая скорость анализа полученных данных.
Изобретение позволяет отображать следующие данные для исследуемой части живого организма: процент жира, распределение жира на теле, объем жира в каждой части живого организма отдельно. Распределение объема жира отображается в виде двухмерного или трехмерного изображение.
Технический результат изобретения достигается с помощью сверхширокополосного датчика, который можно легко перемещать по поверхности тела, в совокупности с датчиком движения для определения положения сверхширокополосного датчика. Затем данные из сверхширокополосного датчика и датчика движения используются для определения профиля слоев ткани живого организма и визуализации параметров ткани.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1A иллюстрирует конструкцию потребительского устройства со встроенным СШП измерительным модулем и его положение над поверхностью кожи.
Фиг. 1B иллюстрирует конструкцию СШП датчика в виде самостоятельного устройства и его положение над поверхностью кожи.
Фиг. 2A иллюстрирует ручное перемещение СШП датчика по поверхности живого организма.
Фиг. 2B иллюстрирует поперечное сечение тканей живого организма и перемещение СШП датчика во время измерения.
Фиг. 2C иллюстрирует ручное спиральное или зигзагообразное перемещение СШП датчика по поверхности живого организма, необходимое для реконструкции трехмерного изображения.
Фиг. 3А иллюстрирует трехмерную расчетную модель для оценки максимальной глубины измерения СШП датчика.
Фиг. 3B иллюстрирует оценки ослабления сверхвысокочастотных сигналов для кожной, жировой и мышечной ткани.
Фиг. 4A иллюстрирует конструкцию СШП датчика с эталонным соединителем для калибровки ответного сигнала от поверхности кожи, "нулевой" уровень глубины.
Фиг. 4B иллюстрирует конструктивное выполнение СШП датчика с калибровочным материалом для калибровки ответного сигнала от поверхности кожи, "нулевой" уровень глубины.
Фиг. 5 иллюстрирует процедуру измерения и анализа данных для извлечения профиля слоев ткани живого организма.
Фиг. 6 иллюстрирует излучение передаваемого сигнала в живой организм; поперечное сечение живого организма получено в центре передающей антенны.
Фиг. 7 иллюстрирует конформное повторение СШП датчиком контуров живого организма.
Фиг. 8 иллюстрирует структуру слоев ткани живого организма, как она может быть представлена после измерения.
Фиг. 9 иллюстрирует пример реконструкции трехмерного изображения для распределения объема жира.
Подробное описание
Конструкция и функционирование мобильного устройства со встроенным СШП измерительным модулем
Настоящее изобретение раскрывает устройство 100, такое как смартфон, планшетный компьютер, или любое другое носимое или мобильное устройство, которое содержит СШП измерительный модуль (датчик) 130. В предпочтительном варианте СШП измерительный модуль 130 встроен в устройство 100 и использует его модули обработки данных и управления. На Фиг. 1A показаны конструкция устройства 100 с СШП измерительным модулем 130 и его положение над поверхностью кожи живого организма 101.
Согласно данному предпочтительному варианту в устройство 100 интегрированы следующие модули: интегральная схема, содержащая блок передатчика 104 и блок приемника 105; передающая антенна 102 и приемная антенна 103, соединенные с блоком передатчика 104 и блоком приемника 105.
Передающая 102 и приемная 103 антенны выполнены в форме щелей и профилей в существующих проводящих частях устройства 100.
Передающая антенна 102 соединена непосредственно с выходом блока передатчика 104, а приемная антенна 103 соединена непосредственно с входом блока приемника 105. Блок передатчика 104 генерирует сверхвысокочастотные сигналы, которые поступают в передающую антенну 102 и передаются в живой организм 101. Сигналы, отраженные от живого организма 101, принимаются приемной антенной 103 и детектируются блоком приемника 105.
Блок приемника 105 предназначен для обнаружения ослабления амплитуды и отставания по фазе принятых сигналов по сравнению с переданными сигналами.
Центральное процессорное устройство (ЦПУ) 121 устройства 100 используется для реконструкции профиля тканей живого организма. Работа блоков передатчика 104 и приемника 105 синхронизируется посредством ЦПУ 121. ЦПУ 121 автоматически предварительно настраивает блок передатчика 104 и блок приемника 105 на требуемую глубину измерения тканей живого организма 101, режимы мощности и другие параметры измерения. ЦПУ 121 принимает параметры отраженного сигнала из блока приемника 105 и вычисляет структуры ткани живого организма 101. Различные реализации соединения ЦПУ 121 с блоком передатчика 104 и блоком приемника 105 определяются архитектурой ЦПУ 121, воплощением однокристальной системы и периферийными интерфейсами.
Устройство 100 содержит акселерометр 123 и камеру 124, соединенные с ЦПУ 121 и предназначенные для измерений относительных перемещений. Акселерометр 123 и камера 124 используются вместе для измерений на равноудаленной глубине, которые позволяют достичь лучших результатов. Акселерометр 123 или камеру 124 можно использовать раздельно или вместе для измерения относительных перемещений с худшими результатами. В этом варианте акселерометр 123 имеет функцию блока контроля движения, которая будет более подробно описана ниже. Видеоданные из камеры 124 передаются в ЦПУ 121 устройства 100, информация об относительном изменении положения извлекается с помощью алгоритмов обработки изображений. Во время измерения устройство 100 автоматически определяет свое перемещение относительно поверхности живого организма 101 посредством анализа информации из акселерометра 123 и камеры 124. Данные положения посылаются из акселерометра 123 и камеры 124 в ЦПУ 121, чтобы связать измерения с соответствующими положениями устройства 100 на теле.
ЦПУ 121 предназначено для реконструкции профиля слоев ткани живого организма с использованием ослабления и отставания по фазе отраженных сигналов и координат устройств 100, измеренных во множестве положений во время перемещения устройства 100 по поверхности живого организма 101.
Результаты измерения отображаются на дисплее 122 устройства 100. Дисплей 122 соединен с ЦПУ 121 и предназначен для представления результатов измерения. В результате обработки данных ЦПУ 121 отображает на дисплее 122 поперечное сечение (двух или трехмерное) профиля толщины ткани живого организма, информацию о соответствующем положении на живом организме 101; профиль толщины жирового слоя и другие параметры ткани живого организма 101.
Конструкция и функционирование СШП датчика в виде самостоятельного устройства
Конструкция СШП датчика 110 в виде самостоятельного устройства и его положение над поверхностью кожи показаны на Фиг. 1B.
Передающая антенна 102 и приемная антенна 103 соединены с блоком передатчика 104 и блоком приемника 105. Работа блоков передатчика 104 и приемника 105 синхронизируется блоком 107 управления. Блок 107 управления автоматически настраивает блок передатчика 104 и блок приемника 105 на требуемую глубину измерения тканей живого организм 101, режимы мощности и другие параметры измерения. Блок 107 управления принимает параметры отраженного сигнала из блока приемника 105 и посылает их в блок обработки данных (БОД) 108 для вычисления структур тканей живого организма 101.
СШП датчик 110 следует перемещать вручную по поверхности живого организма 101. Во время измерения СШП датчик 110 автоматически определяет свое перемещение относительно поверхности живого организма 101, используя блок контроля движения (БКД) 106. БКД 106 способен измерять координаты сверхширокополосного датчика, полученные во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма. БКД 106 соединен с БОД 108; БКД 106 посылает данные в БОД 108, чтобы связать измерения с соответствующим положением СШП датчика 110 на теле.
БОД 108 предназначен для реконструкции профиля слоев ткани живого организма с использованием ослабления и отставания по фазе отраженных сигналов и координат мобильного устройства, измеренных в нескольких положениях во время перемещения мобильного устройства по поверхности живого организма. Кроме того, БОД 108 вычисляет профиль толщины слоя жира и другие параметры ткани живого организма 101.
Дисплей 109 соединен с БОД 108 и предназначен для представления результатов измерения. В результате обработки данных БОД 108 посылает на дисплей 109 поперечное сечение (двух или трехмерное) профиля толщины тканей живого организма, включая информацию о соответствующем положении на живом организме 100,
Бесконтактные измерения различных частей живого организма
В предпочтительном варианте настоящего изобретения СШП датчик 110 следует расположить перед живым организмом 101. Это позволяет анализировать все части тела любого размера и формы (т.е. живот, ноги, руки, шею).
Ткани живого организма имеют сильно различающиеся значения диэлектрической проницаемости. Например, проницаемость жировой ткани составляет около 4,7, а мышечной ткани - около 45. Такое различие почти в 10 раз обуславливает высокий коэффициент отражения от границы между тканями. Это физическое явление положено в основу настоящего изобретения, а именно, СШП датчика 110 и способа измерения границ между жировым слоем и другими слоями (кожи, мышц) живого организма. В результате формируется высококачественный профиль слоев ткани живого организма и при этом сохраняется низкая излучаемая мощность СШП датчика 110 и маленький размер передающей 102 и приемной 103 антенн.
Измерения выполняются бесконтактным методом. Передающую антенну 102 и приемную антенну 103 следует размещать вплотную к поверхности живого организма 101 (но не обязательно в электрическом контакте с кожей). Прямой контакт с кожей живого организма 101 не является необходимым. Во время измерений между поверхностью живого организма 101 и антеннами 102, 103 может находиться любая легкая одежда, например футболка.
В предпочтительном варианте настоящего изобретения СШП датчик 110 вручную перемещают по поверхности живого организма 101.
Процесс измерения
В предпочтительном варианте настоящего изобретения формируют виртуальную антенну путем перемещения СШП датчика 110 по некоторой траектории и выполнения ряда измерений (Фиг. 2A). При этом структуру тканей живого организма 101 вычисляют, используя результаты измерений, полученных в нескольких положениях, с относительными координатами этих положений. Это метод обеспечивает такую точность, как если бы СШП датчик 110 имел передающую 102 и приемную 103 антенные решетки достаточно большого размера, чтобы одновременно покрыть все положения СШП датчика 110, перемещающегося по этой траектории. Следовательно, описанный вариант обеспечивает существенное повышение разрешающей способности визуализации ткани живого организма без увеличения размера СШП датчика 110,
В предпочтительном варианте настоящего изобретении используется БКД 106 для определения положения при каждом измерении во время сканирования профиля толщины слоев ткани живого организма. Результаты измерений из нескольких различных положений СШП датчика 110 используются для визуализации ткани живого организма 101.
На Фиг. 2B показан процесс измерения с использованием поперечного сечения живого организма 101 и СШП датчика 110. СШП датчик 110 перемещается по поверхности кожи 202. Например, живой организм 101 содержит кожный слой 202, жировой слой 203 и мышечный слой 204.
СШП датчик 110 вручную перемещается по поверхности кожи 202 в направлении 205 и выполняет ряд измерений в нескольких положениях 206. При каждом таком измерении 206 СШП датчик 110 посылает передаваемый сигнал и принимает отраженный сигнал. БКД 106 непрерывно определяет перемещение СШП датчика 110 и связывает информацию положения с каждым измерением.
После завершения перемещения 205 все данные измерений собираются в БОД 108. Улучшение разрешения изображения достигается путем обработки параметров принятого сигнала в БОД 108 для множества положений СШП датчика 110,
Если требуется реконструировать трехмерное изображение, датчик 110 следует перемещать по поверхности тела 101 по спиральной или зигзагообразной траектории 207, показанной на Фиг. 2C. В этом случае датчик 110 покрывает область на поверхности тела 101 и собирает достаточно данных для реконструкции трехмерного изображения ткани живого организма. Также, в этом случае БКД 106 отслеживает это перемещение по поверхности и сохраняет координаты множества положений. Ниже описана обработка данных для двух и трехмерной реконструкции.
Техническая реализация СШП датчика
В различных вариантах реализации настоящего изобретения СШП датчик 110 может использовать различные виды сверхвысокочастотных сигналов в качестве сигналов сверхширокополосного спектра, такие как:
- импульсный СШП радиосигнал;
- импульсный линейно-частотно-модулированный СШП сигнал;
- СШП сигнал со ступенчатым изменением частоты;
- шумоподобный СШП сигнал;
- СШП сигнал с двоичной последовательностью максимальной длины.
Специалистам будет понятно, что в зависимости от вида используемых сверхвысокочастотных сигналов необходимо применять соответствующие методы передачи и приема сигналов. Блок передатчика 104 и блок приемника 105 выполнены с возможностью функционирования с использованием сигнала соответствующего сверхширокополосного спектра. Разрешение визуализации тканей живого организма пропорционально полосе используемого сигнала. В предпочтительном варианте настоящего изобретения используются СШП сигналы.
Рассмотрим, например, использование неимпульсной ступенчатой частотной модуляции в некотором диапазоне частот, чтобы получить сверхвысокочастотный СШП спектр. Принятый сигнал во временной области вычисляют из частотного спектра, используя обратное преобразование Фурье. Хотя этот метод повышает разрешение изображения ткани живого организма, его чувствительность ограничена тем фактом, что СШП датчик 110 непрерывно осуществляет передачу и прием на одних и тех же частотах. Сигналы паразитной связи из блока передатчика 104 в блок приемника 105 уменьшают динамический диапазон блока приемника 105. Следовательно, максимальная глубина визуализации тканей живого организма 101 ограничена развязкой передающей антенны 102 и приемной антенны 103.
В предпочтительных вариантах настоящего изобретения передающая 102 и приемная 103 антенны конфигурируют пространственное разрешение посредством ближнепольной фокусировки передаваемых и отраженных сигналов в области визуализации тканей живого организма 101. На Фиг. 6 показано излучение передаваемого сигнала в живой организм 101, где поперечное сечение организма 101 взято в центре передающей антенны 102. Интенсивность электрического поля в воздухе 601 ниже, чем интенсивность электрического поля в живом организме 101; излучение 610 передаваемого сигнала направлено к внутренним слоям тканей живого организма. Следовательно, уменьшаются паразитные обратные и боковые отражения.
В некоторых вариантах настоящего изобретения передающая 102 и приемная 103 антенны изготовлены с применением гибких материалов, например в виде программируемой пользователем схемной платы, пленки оксидов индия и олова и т.п. В этом варианте передающая 102 и приемная 103 антенны могут гибким образом перемещаться относительно друг друга. Следовательно, СШП датчик 110 может конформно повторять контуры живого организма, как показано на Фиг. 7.
Антенну, выполненную из гибкого материала, можно изогнуть вокруг живого организма, чтобы обеспечить постоянную ширину зазора между антеннами и поверхностью кожи (ткани) во время перемещения. При постоянной ширине зазора паразитные отражения от кожи живого организма и ткани одежды также постоянные и легко удаляются.
В этих вариантах во время ручного перемещения СШП датчика 110 по поверхности живого организма 101 передающая 102 и приемная 103 антенны повторяют форму тела. Это позволяет измерять слои 202, 203, 204 ткани для каждой части тела (т.е. живота, ног, рук, шеи) независимо от ее размеров и кривизны. При измерении через ткань одежды может применяться как гибкая, так и жесткая антенна без электрического контакта с кожей. Также конформная гибкая антенна исключает наличие заполненных воздухом зазоров разной ширины между антенной и живым организмом, следовательно, минимизирует изменения отражения на границе антенны с кожей живого организма (делая его постоянным и более простым для удаления). Можно использовать камеру для определения положения, как в обычном методе слежения, используемом в компьютерной мыши. Следовательно, при перемещении передающей антенны 102 относительно приемной антенны 103 повышается точность реконструкции изображения профиля слоев ткани живого организма и измерения толщины слоев. Этот подход обеспечивает реконструкцию изображения, если диэлектрические свойства исследуемой ткани не определены. В данном случае диэлектрические свойства можно определить с помощью известных методов обработки данных.
Специалистам будет понятно, что высокая диэлектрическая проницаемость жировой и мышечной тканей уменьшает длину волны в ткани в 3-7 раз. Поэтому можно эффективно реализовать ближнепольную фокусировку при использовании передающей 102 и приемной 103 антенн малого размера.
В альтернативных вариантах настоящего изобретения передающая 102 и приемная 103 антенны размещены вместе в одном узле. Это обеспечивает максимальную компактность СШП датчика 110, Такой вариант реализации предназначен для использования в миниатюрных устройствах.
Оценка точности измерений
Точность СШП датчика 110 определяется как точность по глубине (или вертикальная) и горизонтальная точность.
Точность по глубине определяется как изменение толщины слоя, которую можно разрешить. Эта точность пропорциональна длине волны на центральной частоте передаваемого сигнала, генерированного блоком передатчика 104. Изменение толщины слоя можно достоверно разрешить, если она приблизительно Ad=λ0/3…λ0/2, где λ0 - длина волны в ткани живого организма 202-204 (см. Фиг. 2). Здесь, λ0≈λ/Re(√ε'), ε' - диэлектрическая проницаемость. Изменения толщины меньше Ad не будут разрешены. Например, рассмотрим применение сигналов СШП спектра с центральной частотой f=8 ГГц, и измерение мышечного слоя с диэлектрической проницаемостью ε'=40. При этом получаем теоретический предел для точности по глубине: Ad=0,0019 м (λ=0,0375 м, λ0=0,0059 м).
Горизонтальная точность зависит от длины волны λ0, глубины слоев 202-204 ткани живого организма и диаграммы направленности передающей антенны 102 и приемной антенны 103. Горизонтальная точность для извлечения профиля слоев ткани живого организма пропорциональна Ah~λ0. Следовательно, если f=8 ГГц, ε'=40, то Ah=0,0059 м. Этой точности достаточно для отображения структуры подповерхностных горизонтальных слоев.
Пользовательский сценарий для измерения тканей живого организма с помощью СШП датчика
Процедура измерения профиля толщины подповерхностных слоев ткани:
1) Взять устройство 100 в руки и нажать на кнопку "Старт" на экране. После нажатия пользователем на эту кнопку устройство 100 ожидает размещения на теле.
2) Вручную приложить устройство 100 вплотную к поверхности исследуемого тела и перемещать его по телу, сохраняя плотный контакт.
3) В течение всего времени перемещения в плотном контакте устройство 100 отслеживает свое положение и пройденное расстояние, используя БКД 108.
4) Когда устройство 100 идентифицирует момент "Конец", оно обрабатывает данные в ЦПУ для получения конечного результата профиля толщины жировой ткани. После этого устройство 100 выводит полученные результаты на дисплей.
5) Пользователь может убрать устройство 100 с тела и просмотреть результаты профиля толщины жировой ткани на дисплее устройства 100. Результаты отображаются в виде графика профиля толщины жира, связанного с положением на теле, включая общее пройденное расстояние.
Устройство 100 различает свое размещение на поверхности живого организма и тот момент, когда пользователь снимает его с поверхности тела. Момент снятия с поверхности тела идентифицируется как конец измерений. Восприятие размещения может быть реализовано, например, через изменения импеданса антенн, когда антенны размещаются на теле.
Если пользователь выполняет двухмерную или трехмерную визуализацию, он должен просто перемещать устройство 100 по различной траектории (прямая линия 205 на Фиг. 2A или зигзагообразная линия 207 на Фиг. 2C). Все эти траектории могут различаться БКД 108 устройства 100 благодаря его возможности видеть перемещения на теле в двух осях.
Максимальная глубина измерения СШП датчика 110
Была разработана трехмерная расчетная модель, показанная на Фиг. 3А, для оценки ослабления сверхвысокочастотных сигналов в зависимости от вида и толщины ткани живого организма. Две антенны 302, 303 разместили на противоположных сторонах макета живого организма 301. Макет живого организма 301 имел переменную толщину. Антенны для использования в трехмерной расчетной модели представляли собой антенну типа треугольного вибратора с треугольными плечами с центральной точкой возбуждения. Размер антенны был 10×10×2,5 мм. На обратной стороне антенны был предусмотрен заземленный металлический экран для уменьшения обратного излучения. Внутреннее пространство антенны было заполнено диэлектриком для согласования полного сопротивления антенн с тканями живого организма. Для всех моделей использовалась диэлектрическая проницаемость ε=4. Между антенной и поверхностями ткани был дополнительно помещен тонкий (0,25 мм) полиэфирный материал для моделирования случая визуализации через тонкую одежду.
На Фиг. 3B представлены оценки ослабления сверхвысокочастотных сигналов для кожной ткани 305, жировой ткани 304 и мышечной ткани 306 при частоте 8 ГГц. С помощью результата на Фиг. 3B можно оценить максимальную глубину визуализации тела СШП датчиком 110 по его характеристикам. Например, выходная пиковая мощность блока передатчика 104 Ptx=0 дБм, коэффициент усиления передающей 102 и приемной 103 антенн Gtx=Grx=2 дБи, чувствительность блока приемника 105 Srx=-60 дБм. В этом случае максимальное ослабление Ach в ткани можно определить как:
Ach=Ptx+Gtx+Grx-Srx.
В рассмотренном примере Ach=64 dB. Теперь, используя результаты на Фиг. 3B, можно оценить максимальную глубину сканирования при частоте 8 ГГц как dskin>7 мм, dfat≈57 мм, dmuscle≈13 мм.
Калибровка для измерения толщины слоев ткани
В некоторых вариантах настоящего изобретения СШП датчик 110 имеет эталонный соединитель 401 (Фиг. 4A). Вход эталонного соединителя 401 подключен к передающей антенне 102, выход - к приемной антенне 103. Эталонный соединитель 401 предназначен для формирования маркерных сигналов на выходе приемной антенны 103 с использованием ослабленных переданных сигналов. Эти маркерные сигналы прибавляются к принятому сигналу и детектируются блоком приемника 105. Маркерные сигналы предназначены для калибровки задержек сверхвысокочастотных сигналов в СШП датчике 110.
В некоторых вариантах настоящего изобретения калибровка ответа системы осуществляется с помощью калибровочного материала 402, помещенного в зазоре между антеннами 102, 103 и живым организмом 101 (Фиг. 4B). Материал 402 может представлять собой пластинку из однородного диэлектрика типа FR-4. Отражения сигналов от калибровочного материала 402 определяются предварительно из известных физических свойств калибровочного материала 402.
В некоторых вариантах настоящего изобретения маркерные сигналы детектируются как сигнал практически незатухающей волны с минимальным временем задержки. Действительные сигналы, принятые из живого организма, определяют путем вычитания детектированных маркерных сигналов из измеренных принятых сигналов.
При использовании эталонного соединителя 401 или калибровочного материала 402 граница между передающей 102 и приемной 103 антеннами и поверхностью кожи идентифицируется как "нулевой" уровень глубины. Эталонный соединитель 401 или калибровочный материал 402 позволяет найти положение отклика отраженного сигнала от поверхности кожи. Таким образом, процедура калибровки выполняется автоматически во время визуализации отражения от тканей живого организма. Эта калибровка также предназначена для удаления сигналов паразитного отражения.
Способ бесконтактного извлечения профиля слоев ткани живого организма с использованием сверхширокополосного датчика для мобильных приложений контроля здоровья
На Фиг. 5 представлен предпочтительный вариант настоящего изобретения, в котором реализована процедура измерения и анализа данных.
Измерение выполняется путем размещения СШП датчика 110 на части живого организма и ручного перемещения СШП датчика 110 по поверхности живого организма (этап 501).
Во время перемещения мобильного устройства по поверхности живого организма измерение выполняется, по меньшей мере, в двух положениях следующим образом:
блок передатчика 104 генерирует сверхвысокочастотные сигналы в виде сигналов сверхширокополосного спектра;
передающая антенна 102 излучает сверхвысокочастотные сигналы в живой организм 101;
приемная антенна 103 принимает отраженный сигнал от живого организма;
блок приемника 105 определяет амплитудные и фазочастотные характеристики отраженного сигнала;
блок 107 управления принимает данные ослабления амплитуды и отставания по фазе отраженного сигнала из блока приемника 105.
БКД 106 измеряет координаты положений мобильного устройства на поверхности живого организма 101. Параметры отраженного сигнала и координаты соответствующих положений мобильного устройства посылаются в БОД 108 (этап 502). Координаты измеряются, чтобы гарантировать, что все измерения производятся через равные промежутки на теле. В реальных устройствах этими координатами могут быть, например, смещение относительно стартового положения в сантиметрах, или смещение по осям x и y в сантиметрах на поверхности тела относительно стартовой точки. БКД измеряет кратковременные сдвиги (в течение приблизительно микросекундных интервалов времени) по поверхности, например, путем объединения данных из встроенного трехкомпонентного акселерометра (сдвиг определяется как корень квадратный из суммы квадратов интегралов данных х, y, z) или любого другого прибора определения пройденного расстояния. После этого БКД суммирует все кратковременные сдвиги, чтобы определить смещение относительно стартового положения. БОД 108, зная реальные координаты, в которых производились измерения, может выбрать равноудаленные измерения для корректной реконструкции изображения. Этот метод необходим, чтобы обеспечить успешную реконструкцию изображения, даже если пользователь перемещает устройство по телу неравномерно или с изменяющейся скоростью.
Для каждого измерения маркерные сигналы от эталонного соединителя 401 идентифицируются БОД 108 как ответный отраженный сигнал от поверхности кожи, а именно, "нулевой" уровень глубины. Это обеспечивает автоматическую калибровку в реальном времени во время визуализации ткани живого организма (этап 503).
БОД 108 обрабатывает ослабление и отставание по фазе отраженных сигналов и координаты мобильного устройства, измеренные во множестве положений во время перемещения мобильного устройства по поверхности живого организма. Изображение слоев ткани формируется путем совокупных измерений из множества положений.
На этом этапе выполняется усреднение сигнала, чтобы учесть неравномерность и прерывистость перемещения мобильного устройства (этап 504).
Блок обработки данных выполняет реконструкцию изображения профиля слоев ткани живого организма и измерение слоев толщины, используя апертурный синтез, преобразование Фурье, обратную фильтрацию, косинусное преобразование Фурье или родственные методы обработки данных (этап 505).
На последнем этапе измерения дисплей 109 показывает поперечное сечение (двух или трехмерное) профиля толщины ткани живого организма, включая информацию о соответствующем положении на живом организме (этап 506).
Обработка данных для реконструкции тканей живого организма
Обработку данных СШП датчика можно разделить на несколько этапов:
1. Все наборы данных, измеренные в определенных положениях на теле, необходимо преобразовать во временную область. Например, если наборы данных были измерены в частотной области, сначала следует применить преобразование Фурье для получения наборов данных во временной области.
2. Находятся и удаляются паразитные сигналы, ближайшие к нулевому уровню глубины. Ими являются сигналы, не отраженные от внутренних тканей живого организма, а прошедшие непосредственно между передающей и приемной антеннами по воздуху, коже, и т.п. После удаления паразитных сигналов остаются наборы данных, содержащие только импульсы, отраженные от глубоких границ тканей.
3. Эти наборы данных можно обработать, чтобы найти данные пиковых отражений в каждом наборе данных. К пиковым отражениям данных можно применить дополнительное сглаживание.
4. Выполняется реконструкция изображения профиля слоев ткани живого организма с использованием апертурного синтеза, преобразования Фурье, обратной фильтрации, косинусного преобразования Фурье или родственных методов обработки данных.
5. Выполняется измерение толщины слоев путем определения глубины границ ткани (по меньшей мере, одной) и показ его пользователю.
СШП датчик 110 может отобразить слоистую структуру тканей в двухмерном виде после перемещения его пользователем по поверхности кожи 101. Пример результата измерений, показываемого СШП датчиком 110, проиллюстрирован на Фиг. 8. В предпочтительном варианте можно отобразить детальную структуру тканей живого организма в виде сечения или графика профиля толщины различных тканей.
В предпочтительных вариантах настоящего изобретения трехмерная реконструкция реализуется как наложение множества двухмерных изображений, полученных для различных поперечных сечений. Двухмерная обработка данных должна применяться в ортогональных измерениях, например, в горизонтальном и вертикальном измерении на живом организме. Обработка данных для трехмерной реконструкции требует нескольких наборов данных, измеренных на поверхности тела 101 при среднем расстоянии 10 мм между положениями измерения. Пример трехмерного изображения реконструкции для распределения объема жира показан на Фиг. 9.
Для обеспечения максимальной точности может быть важным проводить измерения в известных положениях на поверхности кожи живого организма. Информация о положении на теле также важна для представления окончательно обработанных наборов данных (данных пиковых отражений), относящихся к действительному положению СШП датчика на поверхности кожи живого организма.
Применения настоящего изобретения для домашнего контроля и в медицине
Настоящее изобретение можно применять для медицинской диагностики путем визуализации органов внутри тела. Можно выполнять динамическую реконструкцию ткани органов тела и анализ функционирования органов. Чтобы реконструировать изображение СШП датчик должен произвести ряд измерений во множестве положений на органе живого организма. Продолжительность этого измерения должна быть больше, чем средний период движения данного органа.
Метод бесконтактного измерения движения органов имеет следующие преимущества: неинвазивность, отсутствие инфекций и удобство. Он пригоден для постоянного мониторинга в домашних условиях, показывающего состояние здоровья и восстановления пользователя.
В некоторых вариантах предложенный СШП датчик идентифицирует характеристику движения каждой части сердца отдельно для сердечно-легочного анализа, а именно: для определения силы сердца, возраста сосудов, артериальной жесткости и других сердечно-легочных параметров.
В другом варианте может выполняться мониторинг перистальтики кишечника для наблюдения за состоянием кишечника и обнаружения таких нарушений, как хроническая окклюзия, спазмы и парез кишечника. Вариант настоящего изобретения обеспечивает неинвазивный мониторинг физиологической информации, такой как вздутие живота и хронические запоры. Это позволяет осуществлять мониторинг здоровья в домашних условиях и раннюю диагностику.
Другое полезное свойство СШП датчика заключается в возможности дифференциации ткани. СШП датчик может различать ткани на основании измеренной диэлектрической проницаемости. СШП датчик определяет параметры ткани, если его антенны можно перемещать относительно друг друга во время процесса измерения. В качестве альтернативы датчик может иметь передающую антенну и несколько электрически коммутируемых приемных антенн, расположенных в ряд. СШП датчик определяет проницаемость ткани по разности времени распространения сигнала между различными парами передающей и приемной антенн. Коммутируемый метод позволяет использовать один ВЧ модуль для нескольких антенн, упростить конструкцию датчика и снизить его стоимость. Также этот метод обеспечивает более быстрые измерения и более высокую точность благодаря исключению необходимости в ручном перемещении датчика пользователем.
Промышленная применимость
Предложенное изобретение может найти применение в потребительских электронных системах датчиков визуализации ткани живого организма; в частности, оно позволяет осуществлять измерения толщины ткани и отображать структуру в двух или трехмерном виде на глубину до нескольких сантиметров. Предложенное изобретение особенно пригодно для применения в области потребительских устройств для контроля здоровья и фитнеса.
Применения изобретения:
Точное отслеживание состава тела во время курса фитнеса:
- Распределение жира в частях живого организма, таких как грудь, живот, бедра, нижняя часть спины, бицепс, шея, и т.д. Определение, что означает распределение жира в организме человека для его состояния здоровья, и какая стратегия фитнеса даст лучшие результаты.
- Профиль толщины ткани, объем жира в каждой части живого организма.
- Оптимизация плана фитнеса в целях обеспечения наилучшего пути улучшения состава тела.
- Персонифицированное определение целей и отслеживание прогресса.
- Мониторинг ожирения для профилактики болезней, связанных с образом жизни: диабета, гипертонии, гиперлипидемии.
Реконструкция органов тела и их функционирования, измерение физиологических параметров:
- Система визуализации головы для выявления опухолей,
- Система визуализации молочной железы для раннего выявления злокачественной опухоли,
- Мониторинг моторики кишечника,
- Сердечно-легочные обследования: определение cилы сердца, возраста сосудов, артериальной жесткости,
- Анализ внутренних органов: печени, почек, и т.д.
Предпочтительный вариант предложенного СШП датчика обеспечивает возможность визуализации путем отображения областей висцерального жира и подкожного жира. Детали результатов обследования можно представить визуально для облегчения восприятия. Подкожный жир измеряется непосредственно датчиком, а висцеральный жир можно оценить путем вычитания количества подкожного жира из общего количества жира тела. Общее количества жира тела можно измерить обычными методами на основании веса и роста. В этом случае точность измерения висцерального жира будет ограничена общей точностью метода.
Высококачественная визуализация профиля слоев ткани живого организма достигается при низкой излучаемой мощности СШП датчика и использовании антенн малого размера. Достигаемая точность разрешения толщины ткани составляет 2 мм.
Временные графики сохраняются и отображаются для каждой части тела в рамках персонифицированного профиля здоровья. Эта информация сравнивается с эталонными данными, показывающими общее состояние здоровья данного человека.
В предпочтительном варианте настоящего изобретения дисплей, используемый для отображения, реализован в виде экрана мобильного электронного устройства, такого как смартфон или планшетный компьютер.
В некоторых вариантах настоящего изобретения полученные данные профиля здоровья отправляются личному врачу, терапевту или тренеру.
1. Сверхширокополосное устройство для определения профиля слоев ткани живого организма, содержащее: сверхширокополосный датчик для получения информации о параметрах ткани во множестве положений на теле, причем сверхширокополосный датчик выполнен с возможностью передачи сверхвысокочастотных сигналов в живой организм посредством передающей антенны сверхширокополосного датчика и приема отраженных сверхвысокочастотных сигналов от живого организма посредством приемной антенны сверхширокополосного датчика; датчик движения для определения множества положений во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности тела; и контроллер для формирования информации о параметрах ткани по поверхности тела на основании сигналов сверхширокополосного датчика во множестве положений во время перемещения сверхширокополосного датчика и на основании сигналов датчика движения во множестве положений и для определения профиля слоев ткани живого организма на основании информации о параметрах ткани.
2. Устройство по п. 1, в котором датчик движения выполнен с возможностью измерять координаты сверхширокополосного датчика, полученные во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма.
3. Устройство по п. 1, в котором упомянутое устройство дополнительно выполнено с возможностью визуализации информации о параметрах ткани или профиля слоев ткани живого организма с использованием дисплея.
4. Устройство по п. 1, в котором сверхширокополосный датчик дополнительно содержит блок передатчика, блок приемника.
5. Устройство по п. 4, в котором блок передатчика предназначен для формирования непрерывных сигналов сверхширокополосного спектра со ступенчатым изменением частоты или шумоподобных сигналов сверхширокополосного спектра, направляемых в передающую антенну.
6. Устройство по п. 4, в котором блок передатчика предназначен для формирования импульсных или линейно-частотно-модулированных импульсных сигналов сверхширокополосного спектра, направляемых в передающую антенну.
7. Устройство по п. 4, в котором передающая антенна предназначена для излучения передаваемых сигналов в живой организм; упомянутая передающая антенна выполнена с возможностью минимизации отражений на границе антенны с кожей живого организма.
8. Устройство по п. 1, в котором приемная антенна предназначена для приема отраженных сигналов из живого организма; упомянутая приемная антенна выполнена с возможностью минимизации отражений на границе антенны с кожей живого организма.
9. Устройство по п. 1, в котором сверхширокополосный датчик размещается близко к поверхности живого организма, но не обязательно в прямом контакте с кожей.
10. Устройство по п. 1, в котором передающая и приемная антенны выполнены с возможностью определения пространственного разрешения посредством ближнепольной фокусировки передаваемых и отраженных сигналов.
11. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее эталонный соединитель, соединяемый с передающей антенной и с приемной антенной и предназначенный для передачи маркерных сигналов в приемную антенну.
12. Устройство по п. 11, в котором маркерные сигналы предназначены для калибровки задержек сверхвысокочастотных сигналов в сверхширокополосном датчике и идентификации поверхности кожи как "нулевого" уровня глубины.
13. Устройство по п. 11, в котором эталонный соединитель выполнен в виде материала с определенными диэлектрическими свойствами и толщиной; этот материал расположен между антеннами и поверхностью живого организма.
14. Устройство по п. 4, в котором блок приемника предназначен для обнаружения ослабления амплитуды и отставания по фазе принятых сигналов по сравнению с переданным сигналом.
15. Устройство по п. 4, в котором контроллер предназначен для синхронизации блока передатчика, блока приемника и для получения ослабления амплитуды и отставания по фазе данных отраженного сигнала во время перемещения мобильного устройства по поверхности живого организма.
16. Устройство по п. 1, в котором датчик движения предназначен для передачи координат положения сверхширокополосного датчика в контроллер во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма.
17. Устройство по п. 1, в котором контроллер предназначен для реконструкции профиля слоев ткани живого организма с использованием ослабления и отставания по фазе отраженных сигналов и координат сверхширокополосного датчика, измеренных во множестве положений во время его перемещения по поверхности живого организма.
18. Устройство по п. 1, в котором контроллер выполнен с возможностью выполнения реконструкции профиля слоев ткани живого организма с помощью методов преобразования Фурье, обратной фильтрации, косинусного преобразования Фурье или связанных методов обработки данных.
19. Устройство по п. 1, в котором контроллер предназначен для реконструкции профиля слоев ткани живого организма с учетом неравномерного и прерывистого перемещения сверхширокополосного датчика.
20. Устройство по п. 4, в котором контроллер предназначен для настройки в реальном времени диапазона рабочей частоты блока передатчика и блока приемника, чтобы тем самым конфигурировать максимальную глубину определения профиля слоев ткани живого организма.
21. Устройство по п. 1, в котором функции передающей и приемной антенн выполняет одна антенна.
22. Устройство по п. 1, в котором передающая и приемная антенны размещены вместе в одном узле и не могут перемещаться относительно друг друга.
23. Устройство по п. 1, в котором передающая и приемная антенны изготовлены с применением гибких материалов, например, в виде гибкой печатной платы, пленки оксидов индия и олова и т.п.; передающая и приемная антенны выполнены с возможностью гибким образом перемещаться относительно друг друга.
24. Устройство по п. 23, в котором сверхширокополосное устройство выполнено с возможностью конформной адаптации его поверхностью к живому организму во время ручного перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма.
25. Устройство по п. 23, в котором передающая антенна и приемная антенна выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга, чтобы повысить точность измерений для определения профиля слоев ткани живого организма и измерения толщины слоев.
26. Устройство по п. 3, в котором дисплей выполнен с возможностью индикации результатов измерений как поперечного сечения структуры тканей живого организма в виде двух, и/или трехмерного изображения, и/или графика профиля толщины для тканей живого организма.
27. Устройство по п. 1, в котором контроллер предназначен для измерения толщины определенного вида тканей живого организма, например жировой ткани, или ткани кожи, или мышечной ткани, или их всех.
28. Устройство по п. 1, в котором сверхширокополосное устройство встроено в потребительское электронное устройства, такое как смартфон, планшетный компьютер, или любое другое носимое или мобильное устройство.
29. Устройство по п. 28, в котором контроллер выполнен в виде части блока обработки данных, встроенного в потребительское электронное устройство.
30. Устройство по п. 1, в котором сверхширокополосное устройство реализовано в виде независимого устройства.
31. Способ бесконтактного определения профиля слоев ткани живого организма, содержащий этапы, на которых: формируют сверхвысокочастотные сигналы в виде сигналов сверхширокополосного спектра, используя контроллер; передают сверхвысокочастотные сигналы в живой организм, используя передающую антенну сверхширокополосного датчика; принимают отраженные сверхвысокочастотные сигналы от живого организма посредством приемной антенны сверхширокополосного датчика; перемещают сверхширокополосный датчик по поверхности живого организма; определяют множество положений сверхширокополосного датчика; определяют амплитудные и фазовые частотные характеристики отраженных сверхвысокочастотных сигналов во множестве положений, используя контроллер, во время перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности тела; определяют профиль слоев ткани живого организма, используя информацию о множестве положений сверхширокополосного датчика и информацию об амплитудных и фазовых частотных характеристиках во множестве положений; причем передачу и прием сверхвысокочастотных сигналов осуществляют во множестве положений во время непрерывного перемещения сверхширокополосного датчика по поверхности живого организма; и определение профиля слоев ткани живого организма осуществляют путем совокупных измерений из множества положений во время перемещения сверхширокополосного датчика.
32. Способ по п. 31, в котором дополнительно осуществляют визуализацию определенного профиля слоев ткани живого организма посредством дисплея.
