[发明专利]用于液体变化的检测的诊断系统

说明书

技术领域

本申请涉及非入侵的诊断医疗设备、系统和方法。更具体地，本公开的一些实施例涉及使用磁感应相位偏移波谱学(“MIPS”)来监视脑或人体的其它部位中的液体的变化的设备、系统和方法。

背景技术

在许多不同的医疗设置中，有利的是能够以非入侵的方式在体液变化发生时检测该变化。例如，监视重症监护室的病人中的液体的颅内变化常常是至关重要的。对这些患者的监护标准包括侵入式监视器，其要求在颅骨中钻孔并插入诸如颅内压力(ICP)监视器之类的探针或用于测量脑中的液体的化学变化的微量渗析或“licox”探针。当前没有商业可获得的非侵入式测量技术用于检测出血或水肿时会发生的大脑液体变化，并且许多脑损伤没有严重到需要在颅骨中钻孔以进行侵入式监视。因此，对于具有脑损伤的许多患者，不存在当存在水肿或出血时的潜在有害增大时可用于警告治疗人员的持续监视技术。而是，这些患者通常是由护理人员采用临床神经学检查来观测，并且在脑中的增大的液体引起可观测的脑功能损伤之前，医师或护士不能做出反应。换而言之，当前没有可用的方式用于监视颅内液体变化本身，因此对这样的变化进行补偿的能力受到限制。

之前已经提出了MIPS用于脑液体异常的诊断。已经对所提出的设备授予过专利权，并且在文献中记载了对于原型设备的有希望的科学研究。例如，Rubinsky等人在美国专利7,638,341，7,910,374和8,101,421中记载了MIPS对于该用途的使用，这些专利的公开被全部结合于此(在此称为“Rubinsky专利”)。然而，还没有出现基于MIPS技术的实际的、大量生产的医疗设备来向专长于脑治疗和其它医学领域的治疗师提供这样的设备的所预示的益处。

Albert Einstein最先假设电磁辐射在真空中的传输速率等于磁导率与电介电常数的乘积的均方根的倒数。该公式产生了公知的约3x10⁸米/秒的光速值。然而，电磁场传播通过介质所需的有限时间导致时间延迟，其表现为从发射器发射的场与接收器处感测的场之间的相位偏移(偏移或延迟)。换而言之，电磁场通常在真空中传播最快，并且如果在发射器和接收器之间存在任何物质或介质，则传播较慢。变慢的量与介质的相对磁导率和相对介电常数的乘积的均方根成反比。

由生物材料构成的材料几乎是完全无磁性的，具有约为1的相对磁导率。通过生物材料的时间延迟/相位偏移的变化因此可以主要依赖于沿着电磁场通过的路径的平均相对介电常数。相对介电常数对于不同组织类型和体液不同。生物材料的介电常数也可以依赖于时变电磁场的频率并且可以依赖于环境温度。体液的相对介电常数高于大多数脑组织，因此，脑中液体水平的变化会在电磁场传播通过脑或其它介质时对电磁场的总体相移具有相对大的影响。

对于低于大约200MHz的射频(“RF”)频率，脑的相对侧之间的距离小于用于正常传播横向电磁波的的一个波长。这称为近场，并且在该区域中电磁波没有完全形成。对于该近场磁场传播情况，传播时间和相位变化主要由路径中的组织和流体的损耗因子而不是它们的相对介电常数决定。损耗因子是复数介电常数的虚部和导电率的函数。能量损耗的物理机制是极化分子与变化的场极性的恒定对齐。因此，给定物质的损耗因子主要依赖于其离子含量。脑组织和脑流体的离子含量对于每种物质不同。当与相对介电常数的变化组合时，当看低频近场传播和高频正常传播情况时，脑中的各种生物组织和流体显示特有的相位符号。由于引起相位延迟的物理的主要差异，使用200MHz以上或以下的RF频率的多频谱测量允许不仅表征脑中的流体的分数量，还表征流体含量的准确本质的子分类，诸如血的分数、脑脊髓液(CFS)或由于出血或水肿在脑腔内累积的其他流体。

此外，尽管研究了使用MIPS用于身体中的液体变化的诊断，但是当前并不存在用于这样做的基于MIPS技术的实际医疗设备。存在对这样的技术的强烈需要。理想地，医疗设备方案将提供具有改进的性能、可用性和可制造性的MIPS系统，使得其能够用于脑和/或身体的其它部位中的非侵入式液体变化检测。这些目标中的至少一些将通过本文中所描述的实施例来解决。

发明内容