(57)【要約】  脳（5）の拍動の特性を判定するための装置は、超広帯域マイクロ波パルス（6）を生成するように構成されている超広帯域マイクロ波送受信機（1）と、超広帯域マイクロ波パルスを送信するように構成されている送信手段（3）と、パルスの検出に対応する信号を受信するように構成されている受信手段（3）とを備える。脳の第1の部分の拍動の特性を判定する方法は、超広帯域マイクロ波パルスを脳の第1の部分へと送信するステップと、パルスの検出に対応する信号を受信するステップと、信号を処理するステップとを含む。
2017524493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脳の第1の部分の拍動の特性を判定する方法であって、
超広帯域マイクロ波パルスを前記脳の前記第1の部分へと送信するステップと、
前記パルスの検出に対応する信号を受信するステップと、
前記信号を処理するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
判定される前記特性は、前記脳の前記第1の部分の拍動の周波数および／または振幅である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記脳の前記第1の部分の前記拍動の前記測定されている特性を、前記脳の前記第1の部分の前記拍動の予測される特性と比較するステップを含む、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記脳の第2の部分の拍動の特性を判定するステップと、前記脳の前記第2の部分の前記拍動の前記特性を、前記脳の前記第1の部分の前記拍動の前記特性と比較するステップとを含む、請求項1または2に記載の方法。
【請求項５】
前記脳の前記第1の部分は、前記脳の一方の半球の一部分であり、前記脳の前記第2の部分は、前記脳の反対の半球の一部分である、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記脳の前記第1の部分は前記脳の前頭（前方）部分であり、前記脳の前記第2の部分は、前記脳の後方部分である、請求項4に記載の方法。
【請求項７】
前記超広帯域マイクロ波パルスは、0.5GHzから10GHzの間の広帯域周波数を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記超広帯域マイクロ波パルスは、5Hzよりも大きい、より好ましくは10Hzよりも大きい、最も好ましくは20Hz以上のパルス繰り返し率を有し、かつ／または、前記超広帯域マイクロ波パルスは、150Hz未満、より好ましくは100Hz未満、最も好ましくは50Hz以下のパルス繰り返し率を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
単一パルス内での高速時間サンプリング、および低速時間パルス間変動に関して前記信号を処理するステップを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記信号は、主成分分析を使用して処理される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記超広帯域マイクロ波パルスは、インパルスレーダ送受信機を使用して送信される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
脳の拍動の特性を判定するための装置であって、
超広帯域マイクロ波パルスを生成するように構成されている超広帯域マイクロ波送受信機と、
前記超広帯域マイクロ波パルスを送信するように構成されている送信手段と、
前記パルスの検出に対応する信号を受信するように構成されている受信手段と
を備える、装置。
【請求項１３】
前記脳の拍動の特性を判定するために前記信号を処理するように動作可能な処理ユニットを備える、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
好ましくは遠隔通信ネットワークを介して、遠隔処理ユニットと通信するための通信ユニットを備える、請求項12に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置は警告表示器を備え、前記処理ユニットは、前記脳の拍動の前記特性が所定の範囲外である場合に、警告を出力するよう前記警告表示器を制御するように動作可能である、請求項13または14に記載の装置。
【請求項１６】
各々が超広帯域マイクロ波送受信機と、超広帯域マイクロ波送信アンテナと、超広帯域マイクロ波受信アンテナとを備える、複数の超広帯域マイクロ波ユニットを備える、請求項12〜15のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
各々が超広帯域マイクロ波送受信機と、超広帯域マイクロ波送受信アンテナとを備える、複数の超広帯域マイクロ波ユニットを備える、請求項12〜15のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記アンテナ（複数可）はマイクロストリップパッチアンテナ（複数可）である、請求項16または17に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の超広帯域マイクロ波ユニットが取り付けられる支持構造を備える、請求項16、17、または18に記載の装置。
【請求項２０】
前記支持構造は、頭蓋骨に対する接触媒質を含む、請求項19に記載の装置。
【請求項２１】
前記支持構造はヘルメットであり、好ましくは、前記複数のユニットは、前記脳の対向する領域へとマイクロ波放射線を方向付けるように構成されている、請求項19または20に記載の装置。
【請求項２２】
前記支持構造はハンドヘルドデバイスである、請求項18、19または20に記載の装置。
【請求項２３】
前記超広帯域マイクロ波送受信機は、インパルスレーダ送受信機である、請求項12〜22のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法を実行するための、請求項12〜23のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
実質的に、添付の図面に関連して本明細書において記載されているような装置。
【請求項２６】
実質的に、前記添付の図面に関連して本明細書において記載されているような方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、身体の組織および臓器、たとえば、脳の生理学的特性および状態を、特に脳の拍動の特性を測定することによって、非侵襲的に判定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、身体部分に対する損傷またはその病変、たとえば、くも膜下出血または脳卒中のような脳病変は、磁気共鳴イメージング（MRI）走査を使用して、または、コンピュータ断層撮影（CT）を使用して身体の関連部分をイメージングすること（すなわち、種々の組織の視覚マップを構築すること）によって識別され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／１７４１７９号明細書
【特許文献２】米国特許第６２３３４７９号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５４７１１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０３９７１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
MRIは、画像を提供するために、身体の原子の核内の核磁気共鳴の特性を利用する。画像は、三次元で生成することができる。この装置は、極端にかさばり、重く、また、非常に大きい強力な磁石をも必要とする。そのようなスキャナは可搬性でない。したがって、MRIスキャナは、それらが医療施設内の専用ユニットにおいてしか使用することができないという点において、その用途が限られている。
【０００５】
さらに、MRI走査は、患者が、限定空間内に配置され、15分から90分の間程度の長時間にわたって静止したままであることを必要とする。多くの事例において、処置時間を最小限に抑えることは、処置の好ましい結果が出る確率を増大させるために必須であり、MRIにかかる時間の長さは、この目的と相容れない。
【０００６】
CTスキャンは、イオン化放射線（たとえば、x線、ガンマ線または陽電子）の線源を利用する。イオン化放射線は、走査されている領域の断層画像を構築するために、身体を通過した後に検出される。
【０００７】
CTスキャンと関連付けられるいくつかの欠点がある。特に、イオン化放射線の使用は、発がんリスクの増大を伴う。加えて、CTスキャナは重く（可搬性スキャナでさえかさばり、運搬が面倒である）、高価である。
【０００８】
それゆえ、身体、特に脳に問題があるか否かを迅速に検出することができ、患者をイオン化放射線に曝露しない、安価で軽量な（可搬性の高い）装置、および対応する方法が必要とされている。
【０００９】
マイクロ波イメージング技術の近年の進歩は、これを、医学の分野を含む非破壊検査に使用する可能性を示している。
【００１０】
そのような技術において、マイクロ波装置が、物体をイメージングするためにマイクロ波放射線を当てる。放射線が物体を透過すると、イメージングされるべき物体はマイクロ波電磁場に対して一定の影響を生成する。そのような電磁場の変化は、減衰、反射および回折に関係する。これらの過程はすべて、調査されている物体の誘電体誘電率および伝導性の空間的変動に依存する。誘電体誘電率は、誘電体媒質（印加される電場によって分極され得る電気絶縁体）内に電場を形成するときにどの程度の抵抗に直面するかの測度となる。他方、伝導性は、その物質がそのような電流を伝導する能力の測度となる。
【００１１】
減衰は、誘電体伝播（マイクロ波が電場内を進行する様態）に起因して様々な種類の組織において強度が漸進的に失われることである。そのような種類の組織の複素誘電率の変化が誘発されることによって、結果として、異なる組織の間の界面において反射が生成される。この反射の結果として、特定の部位における逆に伝播する波と部分的に透過される波との組み合わせ、すなわち、回折がもたらされる。
【００１２】
脳への血流は一定ではなく、心拍に一致して変動する。脳は限定された容積（頭蓋骨）内に封止されているため、血圧の変化が、脳を振動させる。脳のこの特性は、拍動性、または頭蓋内振動として知られている。通常、休んでいる成人の心拍数は、1分あたり60〜80拍に及ぶ。運動またはストレス後、心臓ははるかにより速く拍動し得る。それゆえ、脳拍動の周波数は1Hz以下程度である。
【００１３】
脳の拍動性は、様々な医学的状態、特に、たとえば、くも膜下出血または脳卒中のような脳病変によって影響を受ける可能性がある。それゆえ、脳の拍動の特性の測定を、これらの（および他の）脳病変の指標として使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第1の態様によれば、脳の第1の部分の拍動の特性を判定する方法であって、マイクロ波パルスを脳の第1の部分へと送信するステップと、パルスの検出に対応する信号を受信するステップと、信号を処理するステップとを含む、方法が提供される。
【００１５】
検出されるパルスは、脳の第1の部分から反射されている反射パルスであり得、または、脳の第1の部分を透過されている透過パルスであり得る。
【００１６】
好ましくは、マイクロ波パルスは、超広帯域マイクロ波パルスである。ここで、「超広帯域」は、当該技術分野において知られている標準的な意味を有し、すなわち、放出される信号帯域が、500MHzまたは中心周波数の20%のうちのより小さい方を超えるパルスである。超広帯域パルスは、短距離（たとえば、身体内で約10cmまで伝播する）であり得、低い出力（たとえば、-10〜-30dBm）を有し得るため、特に適切である。
【００１７】
好ましくは、判定される特性は、脳の第1の部分の拍動（振動）の周波数である。代替的にまたは付加的に、判定される特性は、脳の第1の部分の拍動（振動）の振幅である。代替的にまたは付加的に、特性は、脳組織の運動のパターンまたは特性であってもよい。
【００１８】
好ましくは、方法は、脳の第2の部分の拍動の特性を判定するステップと、当該第2の部分の拍動の特性を、脳の第1の部分の拍動の特性と比較するステップとをさらに含む。ここで、脳の第1の部分および第2の部分は、脳内の任意の2つの空間的に分離された領域であってもよい。たとえば、脳の第1の部分は、一方の脳半球の一部分であってもよく、脳の第2の部分は、脳の反対の半球の一部分であってもよい。代替的に、脳の第1の部分は、脳の前頭野（前方領域）の一部分であってもよく、脳の第2の部分は、脳の後頭野（後方領域）の一部分であってもよい。
【００１９】
脳の第2の部分の拍動の特性間の比較は、特定の脳病変の存否を示すために使用することができる。たとえば、脳の一方の部分に対する頭部外傷の後、頭蓋内への出血が、負傷部分の拍動性に影響を与える場合がある。負傷部分の拍動性と非負傷部分の拍動性との間の比較によって、特定の脳病変の存否を判定することが可能になり得る。
【００２０】
代替的に、脳の第1の部分の拍動の特性は、たとえば、医学的研究、たとえば健常な患者のサンプルの分析から導き出される特性の予測値、数学モデル、または、同じ患者について測定されている脳の第1の部分の拍動の特性の先行する測定値に対して比較されてもよい。
【００２１】
したがって、これらの実施形態は、基礎となる脳組織内の拍動性が、脳の健全性を反映し、一方で、検出される特性（たとえば、振幅および周波数）の擾乱は、異常な病理状態、たとえば、大出血、脳卒中または腫瘤病変を表す場合があるという認識に基づく。ここで、「擾乱」とは、特性の予測値（たとえば、以前の医学的研究から分かる）と、実際に測定されるものとの間の差、または、脳の異なる部分において測定される特性の間の差のいずれかを指す。
【００２２】
好ましくは、超広帯域マイクロ波パルスは、0.5GHzから10GHzの間の広帯域周波数を有する。各パルスは、1ナノ秒程度の継続時間を有し得る。パルスは、インパルスレーダ送受信機によって生成され得る。インパルスレーダ送受信機は、単一チップ集積回路として提供されてもよい。
【００２３】
帯域幅が低減すると長手方向（ビームに沿った）分解能が低減するため、パルスの情報内容を最大化するために帯域幅を最大化することが好ましい。周波数の下限は、アンテナサイズおよび回折効果によって限定され得、周波数の上限は、伝播媒質における損失によって示され得る。
【００２４】
アンテナ寸法および送信波長は高度に関連している。0.5GHz未満において、既知のアンテナは全方向性になる（すなわち、点線源になり、もはや適切なアンテナではない）。良好に合焦したビームを得るために、大きいアンテナ開口または小さい波長（高い周波数）のどちらかが使用されなければならない。そのような小さい波長対アンテナ寸法比は、横方向に狭いアンテナビームによって表される。たとえば、30〜40mmの所与の実際的なアンテナサイズについて、適用可能な最小周波数は0.5GHzになる。
【００２５】
加えて、同様の応用形態について既知のアンテナの効率は、0.5GHzを下回って劣化し、それによって、アンテナは主に熱を発生させるか、または、入来する信号を送信機に反射し戻す。
【００２６】
より大きいアンテナが許容可能である応用形態においては、0.5GHzよりも低い周波数を使用することが可能である。
【００２７】
広帯域周波数の上限は、身体組織におけるマイクロ波放射線の高周波数の減衰の度合いによって左右される。たとえば、含水量の高い筋肉は、強度の損失が高い傾向にあり、損失は速い速度で3〜4GHzを上回って増大する。したがって、身体組織の観察深度に応じて、たとえ伝播距離が小さくても（センチメートル単位）、10GHzを上回るパルス内の波情報内容が失われる。
【００２８】
脳内へと深く（たとえば、50〜60mmの深さまで）走査することが望ましい実施形態において、スペクトルの上側部分（約7〜10GHz）は、これらの周波数のパワーが組織によって吸収されるため、省略されてもよい。
【００２９】
好ましくは、パルスの検出に対応する信号は、パルスごとに複数のサンプルを含む。すなわち、反射または透過信号が、複数回サンプリングされ得る。これは本明細書においては「高速時間」サンプリングと称される。高速時間サンプリングは、ナノ秒以下の時間スケール、たとえば、1ピコ秒〜1ナノ秒であり得る。
【００３０】
高速時間サンプルは、時間的に連続して採取され得る。各々が、サンプルが採取された時点において検出されている、反射または透過信号の測定振幅を含み得る。信号が検出されるのにかかる時間は、信号が進行する距離に依存する。したがって、各サンプルは、信号軸に沿って異なる深度からの振幅測定値を含み得る。すなわち、高速時間信号は、信号軸に沿った脳内への距離（深度、範囲）に対応する。
【００３１】
その点から相対的に強い反射を引き起こす、異なる組織間の界面がある頭蓋骨内の深度に対応する深度において、最大振幅が測定され得る。したがって、高速時間信号を使用して、パルスごとに脳の外側部分の深度を位置特定することができる。
【００３２】
脳の拍動の特性を測定するために、パルス間変動が考慮され得る。これは本明細書においては「低速時間」サンプリングと称される。低速時間サンプリングは、ミリ秒の時間スケール、たとえば、1ミリ秒〜500ミリ秒であり得る。
【００３３】
低速時間サンプリングの時間分解能は、パルス繰り返し率に依存する（低速時間サンプリングレート）。
【００３４】
好ましくは、超広帯域マイクロ波パルスは、5Hzよりも高い、より好ましくは10Hzよりも高い、最も好ましくは20Hz以上のパルス繰り返し率を有する。より高いパルス繰り返し率を有するデータの収集によって、より高い感度でデータを提供することができ、同じ走査時間で信号対雑音比が改善されることを可能にすることができる。しかしながら、これは、パルス繰り返し率の増大に対処するために追加の処理能力が必要であるという考慮事項とバランスをとらなければならない。
【００３５】
好ましくは、超広帯域マイクロ波パルスは、150Hz未満、より好ましくは100Hz未満、最も好ましくは50Hz以下のパルス繰り返し率を有する。
【００３６】
好ましくは、少なくとも1つの拍動サイクルが測定されるべきである。そのため、1Hz拍動信号（60bpm）の測定値を得るために、少なくとも1秒の走査が必要とされる。より長い走査によって、より高い感度でデータを提供することができる。したがって、パルスの検出に対応する信号を受信することは、5秒以上、より好ましくは10秒以上、最も好ましくは20秒以上にわたって実行され得る。好ましくは、パルスの検出に対応する信号を受信することは、1分以下にわたって実行される必要があり得る。
【００３７】
好ましくは、本方法は、高速時間（パルスごと）およびパルス間変動（低速時間）に関して信号を処理するステップを含む。高速時間サンプリングは、所与の界面（たとえば、脳の外層）の位置がパルスごとに判定されることを可能にすることができ、低速時間サンプリングは、所与の界面の位置の変化（たとえば、拍動に起因する移動）が時間の関数として測定されることを可能にすることができる。すなわち、低速時間サンプリングを使用して脳の動態を測定することができる。それゆえ、拍動の周波数を判定することができる。
【００３８】
拍動の空間振幅（すなわち脳がどれだけ動くか）は、拍動信号のピークに対応するサンプル数、および、拍動信号のトラフに対応するサンプル数を求めることによって測定することができる。これらの間の差は、各サンプル間の時間が分かっており、かつ組織内でのマイクロ波の速度も分かっている場合に計算することができる距離に対応する。
【００３９】
1〜3秒の範囲内の周期信号成分を抽出することが十分に可能な方法によって、データセットから脳動態を導き出すことができる。方法は、干渉する内部および外部雑音に対してロバストであることが好ましく、医療情報を含むデータと、送受信機電子機器内の固有のドリフトに由来する信号変動との間で区別することが可能であり得る。
【００４０】
したがって、先進アルゴリズムによって、送受信機電子機器内の低速ドリフトから低周波数拍動医療情報を分離することを達成することができる。
【００４１】
好ましくは、信号は、主成分分析（PCA）を使用して処理される。
【００４２】
しかしながら、PCA以外のアルゴリズムが代わりに使用されてもよい。たとえば、PCAに加えて、またはその代わりに、以下の過程またはアルゴリズム、すなわち、フィルタリング（バンドパス／バターワースなど）、FFT（高速フーリエ変換）、ICA（独立成分分析）、非線形回帰、パワースペクトル密度アルゴリズムのうちの1つまたは複数が使用されてもよい。
【００４３】
PCAは、多変量信号を独立した非ガウス信号に分解するよう試行する。PCAの統計独立仮定が正確である（ここで仮定されるものとして）場合、混合信号の、その成分へのブラインドPCA分離が、穏やかな信号対雑音比のための相対的にロバストな方法である。
【００４４】
そのような分析において、1送受信アンテナ構成に関する測定は、寸法M×Nを有する2D行列X（i,j）として表すことができる。インデックス「i」は、ナノ秒スケールであり得る高速時間（または脳までの距離）を示し、一方で「j」は、パルス間低速時間インデックスを示す。1つのアンテナを使用すると、深度寸法における測定しか行うことができない。三次元における測定を蓄積するためには、追加の情報が必要である。これは、2つの追加の次元における測定値を提供するために、空間的に分離したアンテナのアレイを提供すること、および／または、アンテナもしくはアンテナのアレイの機械的運動によって、提供され得る。したがって、頭部の側方寸法に関する情報をデータ行列に加えることができ、一般化された4D表現X（i,j,k,l）が与えられ、インデックス「k」および「l」は、公差範囲座標を示す。何らかの種類の定位アルゴリズム、たとえば、遅延和を使用して、（単一の固定アンテナを用いて可能であるように、特定の深度に対してだけではなく）頭部内の3D空間位置に対して脳動態を正確に示すことができる。
【００４５】
PCA分析は、すべてのサンプル内の変動を、互いに対して無相関なままで可能な限り多く説明する変数のセットを見出すことができる。最初の6つの成分がともに、すべてのデータのおおよそ99%を説明し得る。これらの（少なくとも）2つが、拍動信号を反映し得、1つがピークにおける周波数を表し、1つが谷における周波数を表す。周波数は同じになるが、データは異なる。各成分が、0.5〜2Hzの予測範囲内の拍動信号についてチェックされ得る。その後、拍動信号は、拍動の特性（振幅および周波数など）を判定するために分析され得る。
【００４６】
本発明は、脳、特に脳の拍動の特性を究明するために、マイクロ波放射線の回折および反射の特性を利用する。
【００４７】
本発明は、生成されている脳の画像には依拠しない。むしろ、本発明は、単純な検出システムを提供するものと考えることができる。
【００４８】
有利には、本発明は、現場の（たとえば、緊急の部位における）脳の健康および／または機能の迅速な評価を可能にすることによって、より確立されている技術（CTおよびMRIスキャンなど）を補完するために使用することができる。健康な脳機能および生理機能、ならびに、くも膜下出血または脳卒中のような外傷後の脳振動の変化をモニタリングする可能性が想定される。
【００４９】
第1の態様の方法は脳の拍動の特性を判定する方法に関するが、本発明は、より一般に適用可能であると考えられる。したがって、本発明の第2の態様によれば、脳の第1の部分の拍動の特性を判定する方法であって、マイクロ波パルスを脳の第1の部分へと送信するステップと、パルスの検出に対応する信号を受信するステップと、信号を処理するステップとを含む、方法が提供される。
【００５０】
好ましくは、マイクロ波パルスは、超広帯域マイクロ波パルスである。
【００５１】
臓器病変が反射信号の特性に変化をもたらす疾患は、特定の脳病変の新たなフィンガープリントをもたらす場合がある。これらのデータを他の測度と統合することによって、臨床的評価においてより大きい特異度および感度をもたらすことができる。それゆえ、本発明はまた、たとえば、小児科および認知症の評価にも、臨床的有用性を見出すことができる。
【００５２】
超低パワー信号に対する超広帯域マイクロ波センサの大きい帯域幅および高い感度は、超広帯域マイクロ波レーダ原理を、人体の生体機能（たとえば、肺機能／運動、または動脈機能）の可搬性で連続的なモニタリングを含む、より一般的な医療用途に適したものにする。この速度、分解能および可能性としての感度は、既存の技術に対する代替的なまたは補完的なモダリティを提供することができる。
【００５３】
したがって、さらにより一般的に、本発明の第3の態様によれば、身体の組織または臓器の特性を判定する方法であって、マイクロ波パルスを身体へと送信するステップと、パルスの検出に対応する信号を受信するステップと、信号を処理するステップとを含む、方法が提供される。
【００５４】
好ましくは、マイクロ波パルスは、超広帯域マイクロ波パルスである。
【００５５】
上記で記載したような第1の態様の好ましい特徴が、適用可能な場合に、第2の態様および第3の態様に等しく関係する。特に、第2の態様および第3の態様と組み合わせた、低速時間および高速時間サンプリング（上記で記載したような）を含む分析は、特に好ましい。
【００５６】
したがって、好ましくは、第2の態様および第3の態様の方法は、高速時間（パルスごと）およびパルス間変動（低速時間）に関して信号を処理するステップを含む。高速時間サンプリングは、所与の界面の位置がパルスごとに判定されることを可能にすることができ、低速時間サンプリングは、所与の界面の位置の変化が時間の関数として測定されることを可能にすることができる。
【００５７】
本発明はまた、上述した方法を実施するように構成されている装置にまでも及ぶ。したがって、本発明の第4の態様によれば、マイクロ波パルスを生成するように構成されているマイクロ波送受信機と、マイクロ波パルスを送信するように構成されている送信手段と、パルスの検出に対応する信号を受信するように構成されている受信手段とを備える装置が提供される。
【００５８】
好ましくは、マイクロ波パルスは、超広帯域マイクロ波パルスである。
【００５９】
装置は、脳の拍動の特性を判定するのに適したものであり得るか、または、判定するように動作可能であり得る。より一般的には、装置は、脳の特性を判定するためのものであり得るか、または、判定するように動作可能であり得る。さらにより一般的には、装置は、身体の組織または臓器の特性を判定するためのものであり得るか、または、判定するように動作可能であり得る。
【００６０】
装置は、脳の拍動の特性を判定するために信号を処理するように動作可能な処理ユニットを備えてもよい。代替的に、装置は、通信ネットワークを介して遠隔処理ユニットと通信するための通信ユニットを備えてもよい。この実施形態において、遠隔サーバは、脳の拍動の特性を判定するために信号を処理するように動作可能である処理ユニットを備えてもよい。
【００６１】
好ましくは、装置は、各々が超広帯域マイクロ波送受信機と、超広帯域マイクロ波送信アンテナと、超広帯域マイクロ波受信アンテナとを備える、複数の超広帯域マイクロ波ユニットを備える。すなわち、送信アンテナと受信アンテナとは、別個に設けられる異なるアンテナである。
【００６２】
代替的に、装置は、各々が超広帯域マイクロ波送受信機と、超広帯域マイクロ波送受信アンテナとを備える、複数の超広帯域マイクロ波ユニットを備える。この事例において、結合器も提供されてもよい。
【００６３】
装置は、複数の超広帯域マイクロ波ユニットが取り付けられる支持構造を備えることができる。好ましくは、複数のユニットは、マイクロ波放射線を脳の空間的に分離された（そして、好ましくは反対の）領域へと方向付けるように構成されている。それらの領域は、たとえば、脳の前方および後方、または、脳の対向する半球同士であってもよい。
【００６４】
支持構造は、検査されるべき身体の部分に結合するための接触媒質、たとえば、頭蓋骨に結合するための接触媒質を含むことができる。これは、適切なハウジングに一体化されてもよい。そのようなユニットは容易に可搬であり得ることが諒解されよう。
【００６５】
したがって、好ましい実施形態において、支持構造は、身体の関連部分に適合するように構成される。したがって、脳を調査するための装置の事例において、これは、ヘルメットの形態であってもよい。これは、外傷または疾病の場合に患者の頭部に配置される医療装置として設計されてもよく、または、他の理由で装着されるヘルメットであってもよい。そのようなヘルメットは、余暇、スポーツまたは旅行中に装着されるためのヘルメットであってもよい。いくつかの非限定例は、オートバイ用ヘルメット、スキーヘルメット、ボクシングヘルメット、アメリカンフットボール用のヘルメットなどを含む。装置は、既存のヘルメットに組み込むことができ、または、ヘルメットを、装置を含むのに専用のものにすることができる。
【００６６】
代替的に、支持構造はハンドヘルドデバイスであってもよい。そのようなデバイスは、超広帯域マイクロ波放射線を、身体の空間的に別個の部分（たとえば、脳）へと方向付けることが可能でない場合がある。その場合、使用時に、ハンドヘルドデバイスは、検査されるべき身体部分に対して第1の位置に配置され得、第1の測定が行われ得、その後、ハンドヘルドデバイスは移動され、第2の異なる位置に配置されて、第2の位置において検査されるべき身体部分の第2の測定が行われ得る。
【００６７】
装置は、警告表示器を備えることができる。好ましくは、処理ユニットは、脳の拍動の特性が所定の範囲外である場合に、警告を出力するよう警告表示器を制御するように動作可能である。警告表示器は、光および／または音を出力することができる。たとえば、警告表示器は、スピーカであってもよい。警告表示器は、点滅することができるLEDであってもよい。
【００６８】
好ましくは、アンテナ（複数可）は、マイクロストリップパッチアンテナ（複数可）である。アンテナの厚さは、5mm未満、好ましくは2mm未満、最も好ましくは1mm以下であってもよい。ここで、アンテナの厚さは、マイクロストリップパッチアンテナの接地平面と上面平面との間の距離を指す。
【００６９】
本発明はまた、（上述したその好ましい特徴のいずれかを組み込むことができる）第1の態様、第2の態様または第3の態様の方法を実行するための（同じく上述したその好ましい特徴のいずれかを組み込むことができる）第4の態様の装置にも及ぶ。
【００７０】
本発明の上述した態様のいずれかの方法または装置（またはその好ましい特徴）は、既存の技法（超音波、近赤外線分光法、EEG、CTおよび／またはMRなど）と組み合わされてもよく、レーダデータは、全体的な（組み合わされた）システムの感度および特異度を増強するために、言及されている技法の1つまたは複数と組み合わせて処理されてもよい。
【００７１】
ここで、特定の好ましい実施形態を例としてのみ、添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態による装置において使用するための超広帯域マイクロ波ユニットの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による装置を示す図である。
【図３Ａ】図１の装置の1つの送受信アンテナのための例示的な2Dデータ行列を示す図である。
【図３Ｂ】拍動信号の概略図を示す
【図４】実験的検査設定を示す図である。
【図５】図４の検査設定における独立成分分析後の第1の成分〜第6の成分の、周波数の関数としてのパワー密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
図1は、超広帯域送受信マイクロ波およびデータ処理ユニット1、後処理ユニット（図示せず）に接続するための接続手段2、超広帯域アンテナ3、および接触媒質4を示す。超広帯域パルス6が、脳5へと送信される。
【００７４】
超広帯域送受信マイクロ波レーダ1は、低出力（-20dBm）高性能用途向けに設計された単一チップインパルスベースレーダを有する、完全一体型ナノスケールインパルスレーダ送受信機である。そのようなレーダは、広範囲の遠隔検知用途のための、低コストで、高度に一体化された、ロバスト性の高いソリューションを提供し、最大フレーム深度および感度、ならびに、大規模な検出範囲のために完全にプログラム可能なフレームオフセットのために、32ビットデジタル積分および512並列サンプラを利用することができる。そのようなユニットの非限定例は、Novelda ASによって提供されているXeThru X1（旧NVA6100）およびX2（旧NVA6201）単一チップインパルスレーダ送受信機集積回路（CMOSチップ）である。超広帯域マイクロ波放射パルス6が、正弦アンテナを使用して3〜6GHzの周波数、20Hzのパルス繰り返し率で放出される。
【００７５】
超広帯域アンテナ3は、送受信マイクロパッチアンテナである。
【００７６】
接触媒質4は結合（最小限の波反射）を保証し、所与の開口寸法についてビームが（空気中においてそうなるように）発散するのを防止する。
【００７７】
図2は、オートバイ用ヘルメット10に一体化されている、図1のユニットを含む装置を示す。ヘルメットは、ヘルメットによって支持され、その周囲に離間されている複数のユニットを備え、それによって、マイクロ波放射線は、別個のユニットから2つの脳半球の各々へと、ならびに、脳の前方および後方へと方向付けることができる。これによって、2つの半球の拍動性を比較すること、ならびに、独立して、脳の前方および後方の拍動性を比較することが可能である。
【００７８】
ヘルメット10は、警告表示器11および12を含む。第1の表示器11は、脳が損傷を受けていると判定される場合に、光（たとえば、赤色点滅光）を放出するLEDを含む。第2の表示器12は、脳が損傷を受けていると判定される場合に、音を放出することができるスピーカを含む。
【００７９】
ヘルメット10はまた、脳が損傷を受けているか否かを判定するためにマイクロ波ユニットからのデータを分析するサーバ（図示せず）と、遠隔通信ネットワークを介して通信するための通信システム（図示せず）をも備える。そのような判定が行われる場合、警告表示器11、12を作動させるために、サーバからヘルメットへと信号が送信される。
【００８０】
マイクロ波ユニットによって得られるデータの後処理は、遠隔サーバによって実行される。信号は、高速時間（ナノ秒単位の時間スケール）およびパルス間変動（ミリ秒単位の時間スケール）に関して処理される。
【００８１】
図4に示す実験的設定は、別個のTxおよびRx入出力を有する送受信レーダシステムと、モノスタティックアンテナ動作のために含まれている方向性結合器とを備える。アンテナは、脳組織を模倣している、接触媒質から構成されている層状の損失の多い負荷（5mm厚）、頭蓋骨媒質（1mm層）、および28mm筋肉ファントムに結合されている。拍動変動が、ファントム内で26mmの深度にある28mmの正方形液体充填ウェル内で標的円筒体（23mm径）を動かすことによってシミュレートされる。
【００８２】
液体および円筒体材料は、入来する電磁パルスのためのより多いまたはより少ない反射コントラストを有する組み合わせを得るために変更された。円筒体の長手方向運動は、1秒〜0.25秒の周期性で1〜2mmの範囲内であった。
【００８３】
その送受信アンテナ構成に関する測定は、寸法M×Nを有する2D行列X（i,j）として表される。インデックス「i」は、ナノ秒スケールの高速時間（または標的までの距離）を示し、一方で「j」は、パルス間低速時間インデックス（秒のスケール）を示す。
【００８４】
そのような行列が、図3Aに示されている。高速時間は、レーダビームに沿った範囲に対応し、低速時間は、標的の動態に起因するパルス間変動をサンプリングしている。斜線付き帯域は、所与の深度に対応し、黒点は、低速時間スケールでサンプリングされている拍動変動を示す。
【００８５】
図3Bは、拍動信号の概略図を示す（ただし、実際の事例において、この信号は雑音または他のより支配的な信号、たとえば、受信機システム利得変動に埋もれることになるため、この図はかなり単純化されている）。拍動信号は、優位周波数、および、それほど顕著ではないが検出可能なより高い高調波を有するスペクトル応答を与えるパルストレインと同様であると予測される。図3Bに示す拍動信号は、主成分分析を使用して行列から抽出される。データ行列XのM個の主成分は以下によって与えられる。
【００８６】
【数１】
2017524493.tif 000003
【００８７】
ここで、
【００８８】
【数２】
2017524493.tif 000004
【００８９】
であり、これはゼロ平均入力データ（M×N）であり、
【００９０】
【数３】
2017524493.tif 000005
【００９１】
であり、これは主成分の出力行列である。
【００９２】
Aは、共分散行列を使用して計算することができる。
【００９３】
【数４】
2017524493.tif 000006
【００９４】
次のステップは、Cx,、ΛおよびΦの固有値および固有ベクトル行列を求めることである。
【００９５】
【数５】
2017524493.tif 000007
【００９６】
ここで、λ1、λ2．．．λMは固有値である。
【００９７】
固有値が降順に配列された後、Aが以下によって与えられる。
【数６】
2017524493.tif 000008
主成分行列Sは以下によって与えられる。
【００９８】
【数７】
2017524493.tif 000009
【００９９】
【数８】
2017524493.tif 000010
【０１００】
ベクトルは、分散の強度で配列されている主成分である。
【０１０１】
図4に示す検査設定を使用して実行される、そのような独立成分分析の結果が、図5に示されている。ここで、1Hzにおける信号が、第3の成分〜第6の成分内に明瞭に見えている。
【図１】
2017524493.tif 000011
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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