用于非侵入式自主神經(jīng)活動監(jiān)視的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于非侵入式自主神經(jīng)活動監(jiān)視的系統(tǒng)和方法
[0001]交叉引用
[0002]本申請基于2012年12月 7 日提交的題為“System and Method for Non-1nvasiveAutonomic Nerve Activity Monitoring” 的美國序列第 61/734，771 號以及 2013 年 6 月6 日提交的題為“System and Method for Non-1nvasive Autonomic Nerve ActivityMonitoring”的美國序列第61/831，817號、要求它們的優(yōu)先權(quán)，并通過引用將它們整體合并到本文中。
[0003]政府權(quán)利
[0004]本發(fā)明是在政府資助下進(jìn)行的，所述資助來自國立衛(wèi)生研宄院給予的HL071140。政府擁有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005]本公開內(nèi)容一般地涉及用于監(jiān)視神經(jīng)活動的系統(tǒng)和方法，具體地，涉及用于采用皮電極和皮下電極進(jìn)行神經(jīng)活動的非侵入式監(jiān)視的系統(tǒng)和方法。
[0006]醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和生物學(xué)領(lǐng)域中的許多診斷和治療方法依賴于對患者和測試對象的神經(jīng)活動的測量。人類和其他動物的神經(jīng)活動生成通過電子裝置如示波器和其他電信號處理裝置可檢測的電信號。為了檢測神經(jīng)活動，將一個或多個導(dǎo)體或電極接近被測量的神經(jīng)而放置。電極可以接收電信號用于進(jìn)一步醫(yī)療分析。許多醫(yī)療方法還使用電極來向神經(jīng)遞送電信號從而引起患者的響應(yīng)。
[0007]心臟護(hù)理是醫(yī)療中的在很大程度上利用對神經(jīng)活動的測量的一個特定區(qū)域。自主神經(jīng)系統(tǒng)中的活動對心率和血壓的變異性進(jìn)行控制。自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)分支和副交感神經(jīng)分支對心臟活動進(jìn)行調(diào)節(jié)。已知交感神經(jīng)活動(SNA)的升高的水平與心臟衰竭、冠狀動脈疾病相關(guān)，并且可能與高血壓的引發(fā)相關(guān)聯(lián)。SNA還被認(rèn)為是包括心源性猝死的心律紊亂預(yù)測器的重要因素。因此，根據(jù)對SNA的測量而產(chǎn)生的“自主神經(jīng)張力”的診斷指標(biāo)具有相當(dāng)大的臨床價值。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，自主神經(jīng)活動的臨床應(yīng)用大多來源于生物擾動，像β受體阻斷劑在高血壓管理中的使用。而已知SNA的升高的水平與這些醫(yī)療條件相關(guān)，所以在交感神經(jīng)測量可以成為有用的診斷或預(yù)后工具之前，需要對由交感神經(jīng)產(chǎn)生的特定電信號進(jìn)行更精確的分析?，F(xiàn)有技術(shù)中的缺陷導(dǎo)致整合植入式電子增強(qiáng)(像遙測、片上放大、存儲器以及運(yùn)動傳感器)中存在的一些困難或差的自主信號質(zhì)量。
[0008]測量神經(jīng)活動的一個挑戰(zhàn)是交感神經(jīng)中的電信號的量值相對低，而存在于患者中的各種其他電信號提供對交感神經(jīng)活動的檢測和隔離進(jìn)行干擾的噪聲。例如，在人體和許多動物體中，相對于神經(jīng)的電信號的幅度，心肌的電活動生成更大幅度的電信號。體內(nèi)的其他肌肉還可以生成大的電信號，但是在任何神經(jīng)監(jiān)視操作中，持續(xù)發(fā)生心跳的心肌收縮，并且來自心肌收縮的電信號在監(jiān)視神經(jīng)纖維的較低幅度信號時存在困難。
[0009]在現(xiàn)有技術(shù)中，醫(yī)生或醫(yī)療保健專業(yè)人員對患者執(zhí)行微小神經(jīng)照相術(shù)操作以監(jiān)視神經(jīng)活動。在微小神經(jīng)照相術(shù)中，一個或多個金屬電極或玻璃電極被插入到患者體內(nèi)且非常接近神經(jīng)纖維束。電極形成為細(xì)針，醫(yī)生將每個電極的針尖非常接近神經(jīng)束而放置以用來精確監(jiān)視神經(jīng)束的電活動。將電極非常接近神經(jīng)而放置以使電極能夠檢測由于神經(jīng)活動而生成的電信號，并且對神經(jīng)活動與體內(nèi)由于例如心肌活動而產(chǎn)生的較大的電信號進(jìn)行區(qū)分。電極接收與神經(jīng)纖維束的神經(jīng)活動對應(yīng)的電信號，并通過電導(dǎo)聯(lián)從電極傳播電信號以使用電子監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行顯示和處理。因?yàn)殡姌O被插入到患者的體內(nèi)，所以微小神經(jīng)照相術(shù)是侵入式操作。在一些情況下，醫(yī)生采用針電極刺穿患者的皮膚來監(jiān)視靠近身體的表面的一些神經(jīng)纖維。在待被監(jiān)視的神經(jīng)位于體內(nèi)較深處的情況下，醫(yī)生必須執(zhí)行手術(shù)來植入電極。
[0010]雖然微小神經(jīng)照相術(shù)在監(jiān)視某些類型的神經(jīng)活動方面是有效的，但是所述操作包括若干缺點(diǎn)。因?yàn)槲⑿∩窠?jīng)照相術(shù)是侵入式操作，所以患者通常被固定以在監(jiān)視過程中防止損壞電極、對患者造成傷害以及保持電極的非常接近神經(jīng)纖維的位置。在微小神經(jīng)照相術(shù)期間，醫(yī)生或醫(yī)療專業(yè)人員插入電極并且在相對短的監(jiān)視時段后移除電極，這就阻止了對神經(jīng)活動的長期監(jiān)視，并且需要患者住在醫(yī)院或其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)以進(jìn)行神經(jīng)監(jiān)視。此外，因?yàn)樯窠?jīng)位于體內(nèi)的難以接近的區(qū)域，所以微小神經(jīng)照相術(shù)不適合于監(jiān)視人類患者的許多神經(jīng)。例如，雖然微小神經(jīng)照相術(shù)用于對動物測試對象的心臟神經(jīng)活動進(jìn)行研宄，但是沒有批準(zhǔn)微小神經(jīng)照相術(shù)用于監(jiān)視人類接近于心臟的神經(jīng)纖維如星狀神經(jīng)節(jié)。
[0011]醫(yī)學(xué)專業(yè)人員、科學(xué)家以及患者需要以比現(xiàn)有技術(shù)如微小神經(jīng)照相術(shù)更低創(chuàng)的方式來監(jiān)視神經(jīng)活動，并且在微小神經(jīng)照相術(shù)不能實(shí)行的情況下執(zhí)行神經(jīng)監(jiān)視。因此，對用于監(jiān)視人類和動物患者的神經(jīng)活動的系統(tǒng)和操作進(jìn)行改進(jìn)是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明通過提供消除侵入式方法的局限性的用于監(jiān)視受檢者的神經(jīng)活動的系統(tǒng)和方法來克服前述缺點(diǎn)。
[0013]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個方面，提供了一種用于監(jiān)視受檢者的神經(jīng)活動的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括被配置成接近受檢者的皮膚而放置的多個電極，電連接至多個電極并且被配置成生成與通過電極從受檢者接收到的多個電信號對應(yīng)的多個經(jīng)放大的信號的放大器，以及在工作上連接至放大器的信號處理器。該信號處理器被配置成對多個經(jīng)放大的信號應(yīng)用高通濾波器以根據(jù)多個經(jīng)放大的信號生成多個經(jīng)濾波的信號，該高通濾波器被配置成對具有與心跳期間的心肌活動對應(yīng)的頻率的多個所述經(jīng)放大的信號進(jìn)行衰減；識別多個經(jīng)濾波的信號中的神經(jīng)活動；以及生成與多個經(jīng)濾波的信號中的神經(jīng)活動對應(yīng)的輸出信號。
[0014]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一方面，提供了一種用于監(jiān)視受檢者的神經(jīng)活動的方法。該方法包括放大從接近受檢者的皮膚而放置的多個電極接收到的電信號以生成多個經(jīng)放大的信號；對多個經(jīng)放大的信號應(yīng)用高通濾波器以生成多個經(jīng)濾波的信號，該高通濾波器對具有與心跳期間的心肌活動對應(yīng)的頻率的多個所述經(jīng)放大的信號進(jìn)行衰減；識別多個經(jīng)濾波的信號中的神經(jīng)活動；以及生成與多個經(jīng)濾波的信號中的神經(jīng)活動對應(yīng)的輸出信號。
[0015]根據(jù)下述說明，本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和其他優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
【附圖說明】
[0016]圖1是用于監(jiān)視受檢者的靠近皮膚的表面的神經(jīng)的電活動的系統(tǒng)的示意圖。
[0017]圖2是用于監(jiān)視受檢者的靠近皮膚的表面的神經(jīng)的電活動的過程的框圖。
[0018]圖3是結(jié)合監(jiān)視受檢者的心電圖(ECG)用于監(jiān)視受檢人的靠近皮膚的表面的神經(jīng)的電活動的過程的框圖。
[0019]圖4是由受檢人的皮膚上的電極所記錄的一組圖形，描繪在心動過緩發(fā)作之前和期間受檢者的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心臟活動之間的關(guān)系。
[0020]圖5是由受檢人的皮膚上的電極所記錄的一組圖形，描繪在心動過速發(fā)作之前和期間受檢人的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心臟活動之間的關(guān)系。
[0021]圖6是由受檢人的皮膚上的電極所記錄的一組圖形，描繪在心肌收縮發(fā)作之前和期間受檢人的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心臟活動之間的關(guān)系。
[0022]圖7是由受檢人的皮膚上的電極所記錄的一組圖形，描繪在心臟間歇性心律失常發(fā)作之間受檢人的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心臟活動之間的關(guān)系。
[0023]圖8是由受檢人的皮膚上的電極所記錄的另一組圖形，描繪在心臟間歇性心律失常發(fā)作之間受檢人的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心臟活動之間的關(guān)系。
[0024]圖9是由受檢人的皮膚上的電極所記錄的另一組圖形，描繪在心臟間歇性心律失常發(fā)作之間受檢人的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心臟活動之間的關(guān)系。
[0025]圖10是由受檢犬的皮下電極所記錄的一組圖形，描繪受檢犬的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心率加速之間的關(guān)系。
[0026]圖11是由受檢犬的皮下電極所記錄的另一組圖形，描繪受檢犬的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心率加速之間的關(guān)系。
[0027]圖12是由受檢犬的皮下電極所記錄的另一組圖形，描繪受檢犬的靠近皮膚的神經(jīng)的電活動與受檢者的心率減速之間的關(guān)系。
[0028]圖13A是描繪受檢犬的心率與星狀神經(jīng)節(jié)神經(jīng)束的神經(jīng)活動之間的關(guān)系的圖形。
[0029]圖13B是描繪受檢犬的心率與迷走神經(jīng)束的神經(jīng)活動之間的關(guān)系的圖形。
[0030]圖13C是描繪受檢犬的心率與由皮下電極測量的神經(jīng)活動之間的關(guān)系的圖形。
[0031]圖14是用于監(jiān)視受檢者的神經(jīng)活動的包括與起搏裝置或除纖顫裝置結(jié)合的皮下電極的系統(tǒng)的一個實(shí)施方式的圖示。
[0032]圖15是在皮結(jié)構(gòu)中與受檢者的皮膚的表面接合的用于監(jiān)視接近于受檢者的皮膚的神經(jīng)的電活動的電極的圖示。
[0033]圖16示出SGNA和SCNA兩者同時激活，以及SGNA和SCNA的激活與HR加速相關(guān)聯(lián)。
[0034]圖17示出SCNA獨(dú)立于SGNA激活。
[0035]圖18示出SCNA和SGNA的不一致激活。
[0036]圖19示出代表性犬在24小時時間段內(nèi)的整合的神經(jīng)活動與HR之間的關(guān)系。
[0037]圖20示出iSCNA、iSGNA和iVNA的晝夜變化。
[0038]圖21示出犬的心率與神經(jīng)活動之間的相關(guān)性。
[0039]圖22示出在同時記錄的心電圖(ECG)上的非持續(xù)性室性心動過速的發(fā)病之前存在星狀神經(jīng)節(jié)神經(jīng)活動和皮下神經(jīng)活動兩者。
[0040]圖23示出在犬的心室過早收縮之前發(fā)生增大的神經(jīng)活動的示例。
[0041]圖24示出在對患者執(zhí)行瓦式(Valsava)動作期間記錄的皮膚電極的示例。
[0042]圖25示出使用位于第二左指和第三左指上的電極記錄的經(jīng)濾波的記錄的示例。
[0043]圖26示出對健康受檢女性進(jìn)行冷水加壓測試期間在控制、干預(yù)以及恢復(fù)時段期間的增大的交感神經(jīng)傳出的示例。
[0044]圖27示出根據(jù)具有電風(fēng)暴的患者記錄的顯示非持續(xù)性室性心動過速發(fā)作的示例。
[0045]圖28示出根據(jù)患者記錄的顯示在非持續(xù)性室性心動過速發(fā)生之前出現(xiàn)高頻信號的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面的描述和附圖提供對文中所公開的系統(tǒng)和方法的環(huán)境以及系統(tǒng)和方法的細(xì)節(jié)的一般理解。在附圖中，在全文中使用類似的附圖標(biāo)記表明類似的元件。如文中所使用的，術(shù)語“電極”是指被配置成與生物組織如患者或測試對象的組織建立電接觸的電導(dǎo)體。如文中所使用的，術(shù)語“心律失?！笔侵甘軝z者的心臟的任何異常活動。心律失常的示例包括但不限于:心動過速、心動過緩、心房撲動、心房顫動、過早收縮、心室顫動、心臟心悸以及心臟停搏。
[0047]如文中所使用的，術(shù)語“接近”和“接近于”當(dāng)用來描述電極相對于測試對象的皮膚的位置時是指電極被放置在皮膚的表面上(表皮)或皮膚的靠近皮下組織之下以使得電極能夠接收與支配皮膚的神經(jīng)對應(yīng)的電信號的位置。例如，在皮結(jié)構(gòu)中，電極被放置成與測試對象的皮膚的表面接觸，且一些實(shí)施方式使用電導(dǎo)體如導(dǎo)電性凝膠來促進(jìn)電極與皮膚之間的電接觸。在皮下結(jié)構(gòu)中，電極被植入到測試對象的皮膚之下以使得電極能夠接收支配皮下組織的神經(jīng)的電信號。在皮下結(jié)構(gòu)中，電極與皮下組織接觸或者位于距皮下組織的短距離內(nèi)，例如，在皮膚之下的脂肪組織層之下。
[0048]如文中所使用的，術(shù)語“皮(cutaneous) ”當(dāng)應(yīng)用到電極的使用時是指將電極放置在受檢者的皮膚的表面上而不刺穿受檢者的皮膚。如下面所描述的，皮電極對與接近于受檢者的皮膚的神經(jīng)相關(guān)聯(lián)的電活動進(jìn)行檢測，所述神經(jīng)包括自主神經(jīng)系統(tǒng)中的支配皮膚的交感神經(jīng)。
[0049]如文中所使用的，術(shù)語“皮下(subcutaneous) ”當(dāng)應(yīng)用到電極的使用時是指將電極完全地放置在皮膚下面并且來自電極的導(dǎo)聯(lián)電連接至放置在測試對象的體內(nèi)的裝置如內(nèi)部心臟起搏器、除纖顫器或心臟再同步裝置。文中所描述的皮下電極不同于現(xiàn)有技術(shù)微小神經(jīng)照相術(shù)操作中所使用的電極。首先，皮下電極完全處于皮膚之下，并且電極部分或?qū)?lián)不會延伸穿過皮膚。第二，皮下電極不需要非常接近特定神經(jīng)纖維而放置以用來對來自神經(jīng)活動的電信號進(jìn)行檢測。第三，皮下電極被定形狀成具有鈍的接觸表面而沒有微小神經(jīng)照相術(shù)的電極的尖銳針尖，這使得皮下電極能夠保持在能走動的對象的皮膚之下以長期監(jiān)視神經(jīng)活動而不損傷對象。第四，在一些實(shí)施方式中植入裝置的金屬殼體可以用來容納皮下電極。在后一種情況下，不需要額外的電極。
[0050]在上述的皮結(jié)構(gòu)和皮下結(jié)構(gòu)兩者中，電極位于接近于支配皮膚的神經(jīng)處。如醫(yī)療領(lǐng)域中所知的，支配皮膚的許多神經(jīng)是交感神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，從而也是人類和許多動物的自主神經(jīng)系統(tǒng)的一部分。交感神經(jīng)系統(tǒng)中的不同的神經(jīng)纖維還支配心臟組織以及體內(nèi)的其他肌肉和器官。例如，交感神經(jīng)系統(tǒng)與其中交感神經(jīng)系統(tǒng)活動增大以及瞳孔擴(kuò)張、心