脈搏波傳導速度的測量的製作方法

2023-06-13 08:40:06 1

專利名稱：脈搏波傳導速度的測量的製作方法
脈搏波傳導速度的測量本發明涉及一種利用置於受體表面的第一傳感器和第二傳感器測量沿著受體心血管系統中的通路的脈搏波傳導速度PWV的設備，該第一傳感器用於檢測源自受體心血管系統中的通路上的第一位置 的第一信號，在第一時間對該第一信號進行檢測，該第一傳感器耦合 到處理器，該第二傳感器用於檢測源自受體心血管系統中的通路上的 第二位置的第二信號，在第二時間對該第二信號進行檢測，該第二傳感器耦合到該處理器；該第一和第二位置沿該通路隔開一距離，該處 理器布置成根據第一位置、第二位置、第一時間和第二時間計算 PWV。眾所周知，個體動脈脈搏的脈搏波傳導速度pwv依賴於個體的健康狀況，並由此可被用於診斷動脈病理。Craig J.Hartley等人在2002年10月23—26的Proceedings of the Second Joint EMBS/BMES Conference 上的文章Noninvasive Assessment of Vascular Mechanics in Mice公開了禾J用都卜勒超聲測量 速度脈搏(velocity pulse)到達時間以確定脈搏波傳導速度。在分隔 開已知距離的兩個部位同時對傳導速度進行測量。將獲得的這兩個信 號進行顯示，並且提取脈搏到達時間之間的差以計算脈搏波傳導速度 PWV。WO76473公開了使用沿身體外表面分開某己知距離放置的機 械或壓力傳感器，沿解剖學流動管道對流動進行測量。這些傳感器附 著在設計為纏繞肢體的剛性支撐部件上，這些傳感器藉助於該剛性支 撐部件可以實現與身體表面的可靠接觸。這些傳感器檢測在身體表面 可探知的壓力或者機械信號。包括了一種相對於電開始信號記錄檢測第二信號的時間的選項，例如ECG測量。然而，該支撐部件是非常 有限的並且難以放置。此外，通過測量在身體表面處的壓力或者機械 信號，該設備不直接測量動脈脈搏之間的時間差，而是測量間接信號， 然後從該信號計算PWV。David S.Charles禾B Martin.D.Fox在IEEE上發表的Pulse Wave Velocity for Cardiovascular Characterization公開了通過在沿雲力脈通路 已知距離處放置都卜勒超聲探頭，在每個探頭處檢測都卜勒信號，並 且使用每個信號的檢測之間的時間差計算PWV來測量人體內的 PWV。提供了一種使用ECG來代替第一都卜勒超聲探頭的選項。在 後一種情況中，ECG提供開始信號，根據該開始信號記錄心臟產生 的初始脈衝到達第二探頭的時間。如在文章中所描述的那樣，如果該 探頭正確且小心地與皮膚表面呈角度地放置，都卜勒超聲探頭可以僅 提供所需的信號。這需要熟練的和有經驗的人員，並且因此將這種測 量設備的使用限制在有這種熟練的和有經驗的工作人員的情況下。此 外，使用都卜勒超聲需要在探頭和皮膚之間提供聲學凝膠以便提供良 好的聲匹配。這種凝膠觸摸起來是粘性的且溼的，並且在接觸時容易 轉移，這使得其難以清除。而且，患者常常不喜歡與這種凝膠相接觸 的感覺。本發明的目的是提供一種直接測量PWV但不需要使用聲學凝膠 的備選設備。根據本發明，該目的是如下實現的至少一個傳感器是換能器， 其布置成以特定頻率發射電磁信號並檢測表示在心血管系統中相應 位置產生的脈動運動的都卜勒頻移反射電磁信號。電磁信號從任何具有不同介電常數的材料之間的邊緣反射。使用 布置成發射電磁信號並檢測都卜勒頻移返回信號的換能器的特徵使 得允許將信號發射到體內，該信號能夠被具有不同介電常數的兩種組 織類型之間的任何邊緣反射，並且其可以對這些邊緣的任何運動進行 編碼，所述邊緣的運動具有沿電磁信號傳播方向的分量。因此，這些 信號可以用於檢測沿體內心血管路徑的脈搏的經過，並由此可以用於測量脈搏通過時間。如本領域技術人員所知的那樣，脈搏通過時間的 測量可以與測量的或者計算的傳感器之間的距離相聯繫，所述傳感器 用於測量經過的脈搏，並可以相結合來計算脈搏波傳導速度或者 PWV。如已知的那樣，脈搏波傳導速度可以用作動脈生理狀態和患 者血液動力學狀態的指示器。心臟作為將血液泵送到周身的器官可以分為4個腔室2個接收 進入心臟的血液的心房和2個將血液泵送出心臟的較大的心室。從身 體返回的缺氧血進入右心房並通過右心室泵送到肺。從肺返回的氧合 血進入心臟的左心房，並通過心臟中最大的腔室，即左心室，經由脈 管系統泵送到身體其餘各部分。整個心臟和血管系統稱為心血管系 統。血管分為動脈、毛細管和靜脈。動脈是強健並且重要的管狀血管， 其能經受住自心臟噴射的血液的脈動流動。心臟的泵送動作導致血液 以一系列強脈衝進入動脈系統，並且動脈壁被展開以經受當血液泵送出來時由每個血液團(bolus ofblood)的經過所導致的循環的舒張和收縮。動脈系統從心臟將血液分配走並且分配到毛細管網，在該毛細管 網中由血紅細胞攜帶的氧氣傳送到周圍組織，並且廢物傳送到這些血 細胞。從這裡，現在基本上是缺氧的並且包含廢物的血液進入靜脈系 統或者靜脈的系統，並由此傳送回心臟。當血液泵送出心臟並沿動脈系統泵送時的每個血液團的經過都 會導致動脈壁脈動的舒張以沿動脈方向傳播。換能器所檢測的就是這種經過脈動運動並且這使得換能器能用於PWV的計算。由換能器檢測的經過脈搏在動脈脈搏沿動脈通路傳送時產生。血液脈搏的經過和周圍動脈組織的相關脈動舒張導致反射雷達(radar) 的都卜勒頻移，並允許對指示脈搏已經從靜止的換能器之下經過的信 號進行檢測。該信號的檢測允許對脈搏的經過計時，並由此允許對脈 搏沿動脈路徑或通路的一距離的通過時間進行測量。本發明不需要在皮膚表面和換能器表面之間提供氣密或者其它 耦合連接，因為電磁信號可以通過空氣傳播。因此使用該設備不需要 使用任何凝膠。因此可以清楚地看出本發明實現了無需聲學凝膠而計 算PWV的目的。6進一步有利的是，其不需要直接緊貼在裸露的皮膚放置，而是可 以放置到衣物上。本發明進一步有利的是，其不需要將都卜勒換能器附著到皮膚表 面的剛性構造，而可以是僅僅將換能器人工放置並保持。現在將描述多個有利的實施方式。在第一實施方式中，利用兩個 換能器，這兩個換能器沿動脈通路隔開一距離放置。特別有利的是， 放置換能器的位置為沿手臂內側或者中間表面。可以對來自這兩個換 能器的信號進行檢測和處理，以識別在換能器之下經過的動脈脈搏， 並且進一步識別兩個脈搏之間的最小時間，並由此識別脈搏經過上部 換能器之下和脈搏到達下部換能器之間的時間差。如本領域所公知的 那樣，該時間差可以和換能器分開放置的已知距離 一 起用於計算PWV。在第二實施方式中，使用ECG排列來識別動脈脈搏的產生，並 且將換能器用於識別沿動脈樹遠處某點的脈搏經過。可以計算ECG 信號的測量和來自換能器的信號檢測之間的時間差，並如本領域所公 知的那樣，將該時間差和都卜勒換能器的已知位置一起用於計算 PWV。在第三實施方式中，使用換能器作為第一傳感器，而第二傳感器 是光電容積描記傳感器。進一步的可能性包括使用定位到胸腔上以拾取心音的音頻麥克 風，或者其它一些能感受聲音的傳感器。本發明的設備可以使用布置成產生頻率範圍在400MHz到5GHz 之間的電磁信號的換能器。在該範圍能夠根據經過脈動運動產生反射 信號。然而，當頻率範圍在800MHz到4GHz之間時，該設備可以以 更有利的方式工作。用於檢測都卜勒頻移信號的換能器在商業上可以得到，其通常出 於運動的遠場檢測的目的，例如交通速度的雷達測量。現在發現，根 據本發明，這種換能器還可以用於近場測量，並且令人驚訝地適於對 心血管系統中的脈搏經過進行檢測。如本領域所公知的那樣，通常在這種都卜勒換能器中，天線發射電磁波，當該電磁波從物體的表面反射吋，反射回天線的電磁波的頻 率產生偏移，所述物體以與撞擊電磁波不橫向的速度分量運動。這種 頻率的偏移稱為都卜勒頻移。該都卜勒頻移反射波然後由換能器中的 天線進行檢測，該換能器可以是發射換能器也可以不是發射換能器。 進行反射的物體的相關運動速度在檢測到的反射波的頻移中被編碼， 並且可以使用現有技術對該值進行提取。描述的換能器有利地包括2.45GHz以連續方式操作的振蕩器。眾 所周知，頻率在2到10GHz附近的電磁輻射被人體組織強烈地吸收， 但是根據本發明很有利的實施方式發現，由在2.45GHz操作的天線所 產生的輻射儘管在某種程度上被組織各層吸收和散射，其仍產生可檢 測的信號。在一個特別有利的實施方式中，利用了商業上可得到的由Micro Systems Engineering GmbH生產的KMY 24單元。其在同 一外殼內包 括2.45GHz振蕩器和接收器，並且以連續波方式工作。該模塊包括四 層的具有SMD成分的環氧多層板並且具有三平板(tripjate)濾波結構 以最小化諧波的發射。尤其，波束的尺寸依賴於天線的尺寸，並且在 該情況下該單元包括優化的貼片天線，該天線具有最小的尺寸並且其 寬度為3.5cm，產生具有近場半徑為2cm的波束。接收器的敏感度足以處理通過發射的電磁波束由脈搏經過所反 射的信號。本領域普通技術人員使用公知的數據處理技術可以在記錄數據 的處理過程中執行各技術步驟，以提供PWV輸出。本發明還涉及計算沿受體心血管系統中的通路的脈搏波傳導速 度PWV的方法，其中，將第一時間計算為第一傳感器檢測到來自第 一脈搏的第一信號的時間，該第一脈搏源自於受體心血管系統中通路 上的第一位置；將第二時間計算為第二傳感器檢測到來自第二脈搏的 第二信號的時間，該第二脈搏源自於受體心血管系統中通路上的第二 位置；該第一和第二位置沿該通路隔開一距離，並且根據第一位置、 第二位置、第一時間和第二時間計算PWV，並且其中至少一個傳感 器是布置成以特定頻率發射電磁信號，並檢測表示在心血管系統中相應位置處產生的脈動運動的都卜勒頻移反射電磁信號的換能器。該方 法的有利之處在於其可以和該裝置一起用於執行本發明。対本發明的進一步闡明和實施方式的描述使用如下附圖

圖1示出在本發明的設備中有利地使用的換能器的特徵的高級方框圖；圖2示出本發明的設備用於人的手臂的實施方式；圖3示出來自圖2中所示設備的輸出<言號；圖4示出本發明的設備用於受體的進一步實施方式；圖5示出用於本發明第二實施方式中的典型ECG i^戔；圖6示出來自圖4中所示第二實施方式的換能器和ECG設備的輸出信號，其中換能器用於上臂。圖7示出來自圖4中所示第二實施方式的換能器和ECG設備的輸出信號，其中換能器用於腕部。圖1示出在本發明的設備中有利地使用的換能器的特徵的高級方框 圖。處理電子器件101命令又Xr器102縦由纖103魏的頻率為《的 電磁信號。天線103接收都卜勒頻移為頻率fr的反射電磁信號，該反射電磁 信號被傳遞迴只XT器102並錢到處理電子器件104，該電子器件襲收該信 號，並如本領域公知的那樣計算對寸和接收電磁信號之間的頻率的移動fD。 儘管這裡示出的是單個天線103，也可以j頓多個3拉的天線來發送和接收 電磁信號。頻率的偏移fo被傳送到處理器105，處理器105執行同步和分析。圖2示出本發明第一實施方式的設備。在該實施方式中，在受體的手 臂上施加兩個換能器，並且這兩個換能器用於測量信號從由血流導致的沿 手臂的脈動運動返回時的時間。第一換能器201定位在手臂的肱動E^上。 第二換能器202有利地定位在Jli共清晰的信號的橈動E^上。還可以定位 第二換能器203使得電磁信號束從沿尺動脈的脈動流動進行都卜勒頻移。 本領域普通技術人員應當理解，這兩個換能器的確切定位應選擇為能沿感 興趣的動E31I各測量PWV，且必須將換能器調整成能掛共最佳信號。在實踐中發現，必須使換能器相對於艦或者衣物保織止幾秒沐以允許降低運動偽影並允許對接收的任何信號進行檢測。顯然，如果換能 器放錯位置至贓該電磁信號束中沒有脈動流動產生的禾號，貝贓這種情況 下不會接收到信號。圖3示出從如圖2中所示的第一實施方式的設備接收的都卜勒頻移信 號的圖，並且示出兩條分別從換能器之一中得至啲 301和302，該麟 是相對於時間繪製的。在第一瞬時(temporally)產生的信號301來自於第一實 施方式中放置在手臂上部位置的換能器。這些信號是同時記錄的。脈搏經 過每個換能器的時間差清晰可見，並且在該情況下是50ms。如本領域所公 知的那樣，使用本領域普通技術人員所公知的標準算法來自動提取峰值時 間之間的差值，並且這和傳if^之間的已知距離一起用-7i十算PWV。也可 以將換能器放置到人體的其它部分上，例如沿腿部中動脈所形成的通路。 如果正確地定位，肖^夠將一個或者兩個換能器都放置在主動脈之上並且測 量沿主動脈或沿從主動脈到比如上肢肱動脈的通路的動脈脈搏的PWV。通常，PWV可以高達12m/s，其高於血f速度，血流速度低於lm/s。圖4示出將本發明的設備施加於受體的另一實施方式。在該第二實施 方式中，第二傳感器是換能器401，並且使用ECG電極402、 403、 404的 排歹訴口處理裝置405來獲取第一信號。在這種情況下，該信號M自心臟 自身的ECG信號。如本領i^萬公知的那樣，來自心電圖ECG的觀糧結果 顯示心臟以周期方式泵送，並允許以心臟電序列識別特定相位。圖5示出自ECG測量的典型輸出跡線。在典型跡線中示出的特徵尖峰 ^H己為P、 Q、 R、 S禾口T。 ^^f周知，P尖峰或者波表示心房的去極化或者 興奮。QPS尖峰，通常稱為QRS複合波，表示心室的興奮。QRS複合波掩 蓋了心房復極化的樹可信號。T尖峰或者T波表示心室的復極化。圖6示出來自第二實施方式的換能器601和ECG設備602的輸出信號， 其中，換能器施加到上臂並由此檢測從肱動脈的運動返回的信號。同樣， 如本令頁^^f公知的那樣，可以lOT標準算^^提取如圖戶/ ^的R峰和多普 勒雷達信號特徵點之間的時間差，並且如本領域所公知的那樣，這用於計 算PWV。圖7示出相似的輸出，這該情況下，，出來自第二實施方式中的換 能器701和ECG設備702，其中換能器施加到腕部並由此檢測從橈動脈的運動返回的信號。同樣，如本領J^; 公知的那樣，可以使用標準算^^提取如圖所示的R峰和都卜勒雷達信號恃徵點之間的時間差，並且如本領域所公知的那樣，這用於計算PWV。在第三實施方式中，用光電容積描記傳感器作為第二傳感器。在外科 手術中當將光電容積描記傳感器放置於手指尖端以監觀嘛醉過程中的血氧 時，該實施方式特別有用。在該實施方式中，都卜勒換能器可以施加於沿 手臂的任意位置，只要在夕卜私序術的約束^[牛下可以到達該位置並可以找到魏的信號。光電容積描記傳感器設計用於檢測血液^IR中的微小變化， 其用於檢觀呼指的尖端中脈動血流的到達。使用該實施方式計算的PWV可以用於砂卜禾4^術期間提供關於上臂動脈生理狀態的信息。在另一實施方式中，使用麥克風作為第一傳感器。這與經由第一傳感器檢測ECG的實施方式相比，對除去典型未知的射血前期非常有用，因為 ECG表示心臟的電瓶和血液的機Mig動。在該實施方式中，都卜勒換能 器可以施加到沿手臂或者腿部的任意位置。麥克離測來自胸腔的心音(例 如，心臟瓣膜的開和閉)，這很好理解，並且使得育,計算良好定義的血液 團的起始和終末時間點。此外，還應當了解，脈搏通過時間和脈搏波傳導速度可以與個體的血壓 相互聯繫，從而可以得到每次心跳的血壓讀數。特別是，如本領域所公知 的那樣，脈搏波傳導速度可以用於經由適當的校準技術、利用每次心跳的 血壓值測量相對動脈血壓變化和絕對動脈血壓這兩者。
權利要求
1、一種用於測量沿受體心血管系統中的通路的脈搏波傳導速度PWV的設備，包括置於所述受體表面的第一傳感器，其用於檢測源自所述受體心血管系統中的通路上的第一位置的第一信號，在第一時間檢測所述第一信號，所述第一傳感器耦合到處理器；置於所述受體表面的第二傳感器，其用於檢測源自所述受體心血管系統中的通路上的第二位置的第二信號，在第二時間檢測所述第二信號，所述第二傳感器耦合到所述處理器；所述第一和第二位置處於沿所述通路隔開一距離的位置；所述處理器布置成根據所述第一位置、所述第二位置、所述第一時間和所述第二時間的值計算所述PWV，其特徵在於至少一個傳感器是換能器，其布置成以特定頻率發射電磁信號，並檢測表示所述心血管系統中相應位置處產生的脈動運動的都卜勒頻移反射電磁信號。
2、 如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述換能器是固定 頻率的連續波都卜勒雷達換能器。
3、 如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，所述第一傳感 器是ECG信號接收系統的傳感器，且所述第二傳感器是所述換能器。
4、 如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於， 一個傳感器是 光電容積描記傳感器。
5、 如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述第一傳感器是 所述換能器，且所述第二傳感器是所述光電容積描記傳感器。
6、 如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，所述都卜勒雷達系統布置成以400MHz到5GHz範圍內的頻率操作。
7、 如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，所述都卜勒雷 達系統布置成以800MHz到4GHz範圍內的頻率操作。
8、 如權利耍求1或2所述的設備，其特徵在於，所述都卜勒雷 達系統布置成以2.45GHz的頻率操作。
9、 一種用於計算沿受體心血管系統中的通路的脈搏波傳導速度 PWV的方法，包括計算通過第一傳感器檢測到來自第一脈搏的第一信號時的第一 吋間，所述第一脈搏源自所述受體心血管系統中的通路上的第一位 置；計算通過第二傳感器檢測到來自第二脈搏的第二信號時的第二 吋間，所述第二脈搏源自所述受體心血管系統中的通路上的第二位 置；所述第一和第二位置沿所述通路隔開一距離，根據所述第一位置、所述第二位置、所述第一時間和所述第二時 間的值計算PWV，其特徵在於至少一個傳感器是換能器，其布置成以特定頻率發射電磁信號， 並檢測表示所述心血管系統中相應位置處產生的脈動運動的都卜勒 頻移反射電磁信號。
全文摘要
描述了一種用於測量沿受體心血管系統中的通路的脈搏波傳導速度PWV的設備，該設備包括與處理器耦合的第一傳感器；與該處理器耦合的第二傳感器；該處理器，其布置成根據這些傳感器所測量的和計算的值計算PWV。至少一個傳感器是換能器，其布置成以特定頻率發射電磁信號，並檢測表示在心血管系統中相應位置處產生的脈動運動的都卜勒頻移反射電磁信號。該換能器可以直接施加到皮膚上，或者可以施加到覆蓋皮膚的衣物上，並允許在不使用聲學凝膠的情況下對脈搏波傳導速度PWV進行計算。
文檔編號G01S13/58GK101247757SQ200680030987
公開日2008年8月20日 申請日期2006年8月17日 優先權日2005年8月26日
發明者J·A·J·西傑斯, J·米爾施泰夫, O·祖赫, R·埃爾夫林 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司