通過在兩肢體間測量獲得心血管信息的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一拍接一拍地、專門基于兩肢體間的測量結(jié)果、借助于一對在各肢體上的末梢電極完成的用于連續(xù)地獲得關(guān)于心血管系統(tǒng)信息的方法和裝置。通過使交流電流在各肢體的一個電極間流動和測量另外兩電極間的電位差進行該測量，這兩個電極同樣在各肢體上。所述電壓具有其為心電圖（或ECG）的低頻分量，以及具有注入交流電流的頻率的另一個分量并且從其提取所謂的阻抗體積描記圖。通過測量ECG的預(yù)定特征元素和來自IPG的一個預(yù)定特征元素之間的間隔確定心血管信息。
【專利說明】通過在兩肢體間測量獲得心血管信息的方法和裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]測量和控制儀器。本發(fā)明總體上涉及通過非傾入性物理手段的生理參數(shù)測量和監(jiān)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]獲得心血管參數(shù)的信息對于確定人們的健康狀態(tài)有極大的重要性?？梢慌慕又慌倪B續(xù)地、簡單地和舒適地獲得所述信息，而不需要用戶自身或助手具有任何特定能力或訓(xùn)練的裝置的可用性受到極大的關(guān)注。特別是，當(dāng)不在臨床的或衛(wèi)生保健環(huán)境下測量時，非常需要受試者不需要任何輔助就能夠進行測量。
[0003]在提供心血管系統(tǒng)信息的非侵入性測量中，生物電信號測量結(jié)果是如果用干電極(不使用導(dǎo)電凝膠)進行的所有測量結(jié)果中最容易得到的一些。該做法將測量區(qū)域限制為肢體(手臂和腿)，因為可以通過固定電極或?qū)㈦姌O握在手中或?qū)⑹只蚰_擱在電極上實現(xiàn)與電極的機械接觸。將電極應(yīng)用到身體的其它部位，例如胸部，要求用達到足夠壓力的方式來固定電極以確保良好的接觸，這明顯地不方便并且需要時間來放置它們。
[0004]兩種提供心血管系統(tǒng)信息的生物電信號是心電圖(或ECG)和在有歸因于血流量的變化處的身體的體積中測量的電阻抗信號?；跍y量電阻抗的體積變化的測量(體積描記法)被稱為阻抗體積描記法(IPG)?；跍y量光吸收率的體積描記法被稱為光學(xué)體積描記法(PPG)。
[0005]ECG和IPG不僅單獨地還共同地提供心血管系統(tǒng)的信息。確切地說，動脈脈搏波(包含體積的同時的 變)到達身體部位花費的時間不僅取決于所述部位與心臟間的距離，還取決于動脈的直徑、厚度和硬度，以及取決于血液的流變學(xué)特性。包含所述信息的時間是被稱為PAT (脈搏到達時間)的時間，其具有極大的診斷興趣，例如見，Eliakim等人，Pulse wave velocity in healthy subjects and in patients with variousdisease states, American Heart Journal, vol.82,n ° 4，pp448_457，0ctoberl971。特別是，在E CG的R波和在一只手的手指上的光學(xué)體積描記法的峰谷(與心室收縮期相關(guān)的快速上升的起點)間測量的PAT往往被用來估算收縮壓，例如，如Chen等人，在“Continuous estimation of systolic blood pressure using the pulse arrivaltime and intermittent calibration，， ;Medical and Biological Engineering andComputing, vol.38，pp.569-574，2000中所描述的。由于PPG和IPG均測量體積的變化，兩個信號產(chǎn)生的波形是相似的，并且因此IPG已被用作PPG的可替代信號來測量與脈搏波在動脈中的傳播相關(guān)的時間間隔。
[0006]在 Bang 等人的文獻“A pulse transit time measurement method based onelectrocardiography and bioimpedance，l3iomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS) 2009, PP.153-156中，測量了用每個手臂上的電極獲得的ECG R波和用前臂上的四個電極獲得的IPG峰之間的經(jīng)過時間，并且將該時間與ECG R波和PPG峰之間經(jīng)過的時間對比。兩個時間之間具有良好的相關(guān)性。雖然由Bang等人提出的這種方法具有不需要胸部電極的優(yōu)勢，但使用傳統(tǒng)的附著至手臂以獲得ECG和IPG的電極(使用導(dǎo)電凝膠)使過程緩慢且不舒適。
[0007]另一篇描述其中通過ECG和IPG而不需要必須將電極置于胸部來測量生理學(xué)參數(shù)的文獻是美國專利 US6, 228，033 (Apparatus and methods for a noninvasivemeasurement of physiological parameters, K00bO人，2001)。在該專利中,優(yōu)選通過在兩手臂和兩腿間同時注入電流獲得IPG，并還同時在兩手臂和兩腿間檢測，如圖1所示，其中注入電極為電極對31和電極對32，而檢測電極為電極對11和電極對12，在該文件中描述的優(yōu)選實施方式中，距離注入電極5cm。在所述專利中陳述使用這些電極連接獲得的IPG反應(yīng)手臂和腿間的全部總體阻抗變化，其將與從左心室泵出血液成正比。為了獲得末梢脈搏波，K00bi等人通過使用另外的兩個電極(21和22)在一個肢體的部位處獲得IPG。他們用同樣的電極(電極對11和電極對12)獲得ECG，用其檢測了由注入電流產(chǎn)生的電位差來測量阻抗而而無需胸部電極。該文件描述通常至少在一只手臂和一條腿間注入電流來獲得總體IPG ;在圖2中示出根據(jù)該實施方式的電極的一種可能的安排，其中通過電極31和電極32注入而通過電極11和電極12檢測。然而，根據(jù)K00bi等人，甚至在其中僅通過一只手臂和一只腳發(fā)生注入的該實施方式中，通過在一個肢體部分處的IPG獲得末梢脈搏波，沿著所述部位設(shè)置的另外兩個檢測電極(21和22)仍是必需的。因此，根據(jù)在美國專利US6, 228，033中描述的方法得出結(jié)論:至少需要六個電極來同時獲得末梢脈搏波和ECG，雖然還獲得了主要反映在胸部阻抗變化的另外的IPG。為了獲得脈搏波到達末梢部位的經(jīng)過時間，他們計算了獲得的兩個阻抗信號的峰之間的距離，一個來自在電極11和電極12 (圖2)或電極對11和電極對12 (圖1)間檢測到的電壓而另一個來自電極21和22間檢測到的電壓。
[0008]另一方面，K60bi等人的該專利考慮用于臨床環(huán)境，并且可能出于這個原因他們考慮使用電極與凝膠作為優(yōu)勢的可能性，由于它們在心電描記法中是常見的。事實上，至少必須用于肢體四個的電極(圖2中11，12，31和32)可被干電極替代。另一方面，如果用于通過肢體部分中的IPG獲得局部脈搏波所需的兩個電極(圖2中21和22)是干的，它們將不得不由皮帶或其他類 似方式固定到位。此外，始終需要與至少一只手臂和一條腿連接不利于設(shè)計如此緊湊的系統(tǒng)，如可以是一個僅需要雙手或雙腳的系統(tǒng)。
[0009]在文獻W02005/010640 ^Non-1nvasion mult1-channel monitoring ofhemodynamic parameters” Tsoglin和Margolin, 2005中也描述在了在肢體和胸部的不同部位使用電極來測量它們間的總電阻抗和身體不同部位的電阻抗，以及它們隨著時間的變化。但是，為了測量外周血流量，他們例如在一根手指上(13頁和圖1、圖21、圖3A、圖3B、圖3C、圖4C和圖5)使用了另外的電極。此外，在Tsoglin和Margolin的該文獻中，雖然一些被用來測量生物阻抗的電極也被用來獲得ECG，它們不是同時完成的，而是儀器包括連接電極的轉(zhuǎn)換電路(該文獻的圖6中部件29)用于執(zhí)行一個功能或另一個功能，但從來不一起執(zhí)行，因此不可能從同時測量兩個的組合中獲得心血管信息。
[0010]在下文中描述的本發(fā)明提出的方法和裝置允許能夠僅使用兩對電極(干的或另外的)來獲得ECG和末梢脈搏波，一對電極與兩個上肢中的每個或與兩個下肢中的每個接觸已足夠，雖然一對電極可以被設(shè)置在一只手臂上而另一對可以被設(shè)置在一條腿上，在身體的亦或同側(cè)亦或?qū)?cè)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明使得能夠用在兩肢的每一個上的一對末梢電極通過僅在兩肢間測量一拍接一拍并且連續(xù)地獲得心血管系統(tǒng)的信息。為此，在兩肢間注入交流電流并測量兩個電極間的電位差，每一個電極與兩個注入電極之一相鄰。
[0012]參考圖3,激勵/[目號300是交流電流，廣生其以在電極A和電極B之間流動，電極A在一個肢體的末梢部位處，電極B在另一肢體的末梢部位處。另外兩個電極C和D分別檢測接近各注入電極的區(qū)域中的電位，并且由電路310檢測它們間的電位差。第一對電極301在一個肢體上而第二對電極302在另一個肢體上。
[0013]在檢測器310入口處的電壓具有兩個分量(component):一個由于心臟的電活動由身體自身產(chǎn)生的低頻分量(低于40Hz)(其為心電圖(或ECG))，以及一個具有注入的交流電流的頻率和取決于在所述電流通過的導(dǎo)電體中的電阻抗的振幅的分量。所述阻抗具有由被測量的肢體間的基礎(chǔ)電阻抗產(chǎn)生的、相對大振幅的連續(xù)的分量(其將保持不變)，以及由于心血管活動產(chǎn)生的小很多的可變分量。電阻抗的該可變分量的記錄就是所謂的阻抗體積描記圖(IPG)。因此，IPG和ECG可在檢測器310出口處被分離，并且可以通過各自的常規(guī)電路320和330的方式放大這些信號中的每個。
[0014]在Journal of Physics D:Applied Physics, vol.40，pp.9-14，2007 中出版的他們的文章“Sources of error in tetrapolar impedance measurements on biomaterialand other ionic conductors，，中，Grimnes 和 Martinsen 警告說米取(assume)當(dāng)用四個電極測量僅由檢測電極間的體積確定阻抗時將是錯誤的，并且顯示注入電極和檢測電極間的體積也是阻抗的原因。因此，測量的阻抗將是電極間所有部位的阻抗的總和，每個阻抗根據(jù)各部位(segment)和它們的截面(section)的固有電學(xué)性質(zhì)加權(quán),較小截面的部位將對測量的總阻抗具有更大的貢獻。
[0015]當(dāng)在兩肢的末梢部位間測量時，注入電極間的導(dǎo)電體積由各肢體和胸部組成的。由于它的相對的橫斷尺寸，期望胸部阻抗比肢體阻抗小很多。事實上，s.Grimnes在Medicaland Biological Engineering and Computing, vol.21, pp.750-755，1983 上他的文章“Impedance measurement of individual skin surface electrodes，，的表 3 中不出胸骨和大腿的中部之間的阻抗是胸骨和上臂中央部之間的阻抗的三分之一、是一只手臂的阻抗的七分之一、以及是手指的阻抗的十分之一。用此數(shù)據(jù)，由于本發(fā)明中個電極對被設(shè)置在肢體的末梢部位上，期望獲得的阻抗的主要部分是由肢體組織產(chǎn)生的，其截面比胸部的截面小很多。記住手上和腳上存在大量的動脈，由于動脈壓力脈搏的到達和隨后的體積變化，所述局部阻抗將隨著每次心跳一起變化。由于呼吸和每次心跳從心臟射出的血液，胸部阻抗也將變化，但由于它的截面要大得多，在胸部處電極對由動脈壓力波產(chǎn)生的這些變化的敏感度將遠低于在肢體處對變化的敏感度。
[0016]一旦已經(jīng)將ECG和IPG數(shù)字化，將可以通過測量例如ECG的R波，以及阻抗的脈沖分量的預(yù)定元素，如它的快速變化的開始、最大振幅(峰)點、兩者間的中間點(例如，對應(yīng)于脈沖振幅10%或50%的那個)、最大斜率點、或其他任何常規(guī)元素之間的間隔計算脈搏波的傳播時間。這些時間與動脈的彈性和動脈壓力相關(guān)。
[0017]可以由處理器340或?qū)＜以陲@示器350使用光標(biāo)完成ECG和IPG中的預(yù)定元素的識別和組合。處理器也可以計算IPG的某些預(yù)定點的振幅(并且這些振幅指數(shù)或參數(shù)與文獻中限定的用于動脈壓力波中的等價點的那些類似)，并且可以限定有助于更好地表征脈搏波形的另外的參數(shù)。傳統(tǒng)限定的用于心血管系統(tǒng)中的壓力波的指數(shù)和參數(shù)的診斷價值是充分有據(jù)可查的，例如，在由W.W.Nichols和M.F.0’ Rourke編寫的由HodderArnold (London)，2005 出版的書 “McDonald，s blood flow in arteries” 中。特別是，所述指數(shù)被用來非侵入性評估動脈的硬度。(參見例如出版物“Noninvasive assessmentof arterial stiffness and risk of atherosclerotic events，，Oliver 和 Webb,Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology,vol.23, pp.554—566，2003,和"Arterial stiffness and cardiovascular events: the Framingham heartstudy〃Mitchell 等人，Circulation, vol.121, pp.505-511，2010)。使用本發(fā)明，可以以僅使用四個電極在雙手間、雙腳間、或身體同側(cè)或?qū)?cè)的一手和一腳間獲得的信號計算所述指數(shù)和參數(shù)。
[0018]由于在該方法中不需要在軀干上或必須在肢體部位上應(yīng)用電極，而是可以用手或腳完成與電極的接觸，獲得了能夠使用干電極的優(yōu)勢。因此，例如，可以例如用手指或用腳底完成與它們的接觸，提到的是兩種方式對使用者來說特別舒適。但所提出的方法其自身并不要求電極必須是干的，它可使用導(dǎo)電凝膠，例如，在一些人身上，他們的一些部位被截肢，肢體的最末梢是殘肢。然而，如果電極位于身體上，它們的位置的可變性比在肢體表面接觸的電極更廣泛，特別是如果用手指完成接觸。由于電極的位置影響IPG波形，保證接觸的位置始終相同是重要的優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1示出在美國專利US6，228，033的優(yōu)選實施方式中描述的電極的排布，電極的設(shè)計與原始文件一致。
[0020]圖2示 出在美國專利US6，228，033中描述的優(yōu)選實施方式的衍生性實施方式中的電極的排布，電極的設(shè)計與原始文件一致。
[0021]圖3是所提出的測量方法的框圖。
[0022]圖4示出在本發(fā)明中所描述的方法的優(yōu)選實施方式。
[0023]圖5示出使用圖4的優(yōu)選實施方式獲得的ECG和IPG。
[0024]圖6示出隨著每分鐘6次呼吸的速率的周期性呼吸，使用所提出的方法(實線)測量的PAT和使用傳統(tǒng)方法(從ECG的R波到PPG (光學(xué)體積描記圖)的點)測量的PAT的演化。
【具體實施方式】
[0025]圖4示出用圖3的圖表描述的和示出的測量方法的優(yōu)選實施方式。在此優(yōu)選的實施方式中，電極對301和電極對302均為兩個銅薄片且兩個電極對均設(shè)置在使用者用他/她的手握住的共有表面，以這種方式右手401的食指與電極對301的電極A接觸而相同手的中指與相同電極對301的電極C接觸。同時，左手402的食指與電極對302的電極B接觸而相同手的中指與相同電極對302的電極D接觸。
[0026]交流電源產(chǎn)生激勵信號300，其為IOkHz和0.5mA峰的正弦電流，在電極A和B間注入；該第二電極B連接到裝置的電輸入電路的信號地線。電極C和電極D各自連接到單位增益放大器，其整體構(gòu)成檢測器310。用并聯(lián)的具有差分輸入的兩個電路測量這兩個放大器出口間的電位差，一個用來獲得IPG而另一個用來獲得ECG。在該優(yōu)選實施方式中，用來獲得IPG的電路320由以下組成:具有差分輸入和輸出的高通濾波器；具有IkHz截止頻率；緊跟六個增益儀表放大器；基于由放大器形成的相干檢波器的振幅解調(diào)器，其增益是在+1和-1間與載波信號同時地周期性轉(zhuǎn)換；允許0.05Hz到30Hz的頻帶通過的濾波器；以及14，000增益輸出放大器。用來獲得ECG的電路330由以下組成:具有差分輸入和輸出的允許0.05Hz到IOOHz頻帶通過的濾波器；緊跟1000增益的儀表放大器和具有IOOHz的截止頻率的低通濾波器。IPG和ECG均用16比特分辨率和IOkHz采樣頻率數(shù)字化。
[0027]在優(yōu)選實施方式中被限定用于ECG和IPG的特定元素為ECG的R波和在IPG上升側(cè)面上的點，其振幅從阻抗脈搏的峰谷和峰頂是相等的。
[0028]結(jié)果
[0029]圖5示出了用所描述的優(yōu)選實施例獲得的IPG和ECG?？煽闯?，上部曲線(IPG)的峰相對于下部曲線的峰總是出現(xiàn)相當(dāng)大的延遲，其為ECG的R波。如果檢測到的阻抗變化是在胸部上產(chǎn)生的，由于這與心室收縮和隨后從心臟排出的血液一致，IPG峰頂將緊隨R波出現(xiàn)。IPG峰和ECG R波之間的長延遲確定了本發(fā)明提出的電極排布的優(yōu)勢，其中注入電極是在兩肢的末梢端處而檢測電極靠近注入電極。
[0030]為了驗證在ECG和IPG信號的兩個預(yù)定點之間測量的、并且在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中的識別的PAT間隔與脈搏波傳播中的變化有關(guān)， 申請人:已經(jīng)進行由以下組成的實驗:用近似周期頻率呼吸；并且使ECG和用本發(fā)明所描述的方法獲得的IPG間的PAT與相同ECG和用設(shè)置在一只手無名指上的市售的光學(xué)體積描記法獲得的IPG間的PAT相比較；為了精確，在R波和PPG的上升側(cè)面上的點間測量PAT，其振幅是PPG的峰谷加上PPG的峰頂和峰谷的差值的10%。脈搏波的傳播速率和動脈壓力均取決于呼吸是眾所周知的，由于呼吸引起胸廓內(nèi)壓力變化。圖6示出，以約0.1Hz呼吸(約每分鐘6次吸入)ECG和IPG之間測量的PAT的波動十分接近與在ECG和P`PG間測量的PAT的波動。兩個信號之間的相關(guān)系數(shù)顯示為0.93。
[0031]已充分描述了本發(fā)明以及優(yōu)選實施方式，應(yīng)只補充說明可以在它的組成、使用的材料和形式以及電極的尺寸上做修改而不偏離隨附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于非侵入性地、連續(xù)地并且一拍接一拍地獲得心血管系統(tǒng)的信息的方法，其特征在于: a)在兩肢間注入電流并測量電位差，使用總共四個電極，其中，對于每個肢體，一個注入電極和一個測量電極是靠近彼此的并且位于肢體末梢部分； b)從兩肢間的測量獲得ECG; c)從兩肢間的相同測量獲得阻抗體積描記圖(IPG)； d)識別ECG和IPG中的特定預(yù)定元素； e )測量在ECG和IPG信號中識別的特定元素間的時間間隔； f)從所述時間間隔估算心血管的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，一對所述電極與一只手的兩個點接觸而另一對所述電極與另一只手的兩個點接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，一對所述電極與一只腳的兩個點接觸而另一對所述電極與另一只腳的兩個點接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 方法，其特征在于，一對所述電極與一只手的兩個點接觸而另一對所述電極與一只腳的兩個點接觸。
5.一種用于非侵入性地、連續(xù)地并且一拍接著一拍地獲得心血管系統(tǒng)的信息的裝置，并且包括: a)兩對電極，每對的一個電極是測量電極而另一個是電流注入電極，兩個電極靠近在一起; b)電流注入系統(tǒng)； c)用于測量電位差的系統(tǒng)； d)用于在電壓中將測量的來自心電圖的分量與來自注入電流的分量分離的系統(tǒng)； e)由來自所述心電圖和來自所述注入電流的信息的組合獲得心血管信息的計算系統(tǒng)。
【文檔編號】A61B5/05GK103826531SQ201280036674
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月29日
【發(fā)明者】拉蒙·帕拉斯阿雷尼, 拉蒙·卡薩內(nèi)利亞阿朗索, 霍安·戈麥斯克拉佩爾斯 申請人:德加泰羅尼亞理工大學(xué)