固有頻率血流動力學波形分析的制作方法
【專利摘要】描述了用于心臟健康測量的硬件和軟件的方法論。獲取的受驗者的各種血流動力學波形被分析，以計算或近似跨接重搏脈的兩個區域中的固有頻率。固有頻率提供關于受驗者心臟健康的度量/測量。系統可以被用來監測狀況和/或被用來診斷。示例性使用包括，識別(診斷)以下情況的存在：心律不齊、心力衰竭、心房纖顫、動脈瘤、血管狹窄、或主動脈瓣功能障礙、和瓣膜移植的必要性；和/或監測充血性心力衰竭發展；連同結合日常對任何這種情況的測試，識別住院治療的緊急需要。
【專利說明】固有頻率血流動力學波形分析
[0001]相關申請
[0002]本文件要求以下專利申請的權益:在2011年12月22號遞交的美國臨時專利申請序列號為61/579，456、在2012年10月22號遞交的美國臨時專利申請序列號為61/717，008、以及在2012年12月20號遞交的美國臨時專利申請序列號為61/739，880，這些申請中的每一個本文通過引用方式整個地將其被并入。
[0003]領域
[0004]本文件涉及血流動力學波形分析。
[0005]背景
[0006]在美國，心血管疾病(CVD)是每年大約三個死者中就有一個死者的根本起因。同樣，大約34%的美國成年人患有一種或多種類型的CVD。在2010年，CVD的直接或間接消費總額大約5030億美元。
[0007]這樣，就存在著對開發用于診斷和監測CVD的新方法和新設備的迫切需要。診斷有助于早期介入和治療。監測，對于行為矯正、和導致緊急住院、發病率和/或死亡率的急性事件的預測和避免之中的任意一項，可能是有用的工具。滿足這些需求的新方法和新設備優勢地采用了無創測量以降低醫療并發癥并改善病人的舒適度。理想地，它們也易于醫務人員和在家庭環境中的受:驗者的使用。
[0008]概述
[0009]本發明實施方式包括滿足上述需求中的一些或全部需求的設備和系統(例如，包括本文提到的傳感器硬件、另外的計算機處理器等配套/輔助電子設備和各種外殼組件)、和方法(包括用于執行上述提到的硬件和軟件)。這些方法和設備適用于對血流動力學波形的分析。
[0010]該波形源自于心臟的脈動泵送機構。血液的泵送壓力和流動波到順應性的主動脈和血管網絡。由心臟產生的壓力和流動波在順應性的動脈血管中傳播。這些波在存在于動脈系統中的不同的反射部位被反射。隨著波進入了較小的血管并且最終在毛細血管床中消失，該壓力的強度和脈動以及產生的擴張波變小。因此波動力學主導著大血管的血流動力學,大血管諸如上升主動脈、降主動脈、和腹主動脈。
[0011]這些波形曲線攜帶關于心臟是健康狀態還是疾病狀態、血管系統和/或心臟和血管的結合的信息。結果，從這些波形中提取的信息提供了進行確定關于非常重要的是健康狀況還是疾病狀況的機會。
[0012]健康心臟根據其泵送特征(心輸出量、每搏輸出量)和血管系統的波動力學之間的微妙平衡來運轉。該微妙平衡可能由于年老、吸煙、或疾病狀況(例如，高血壓、心力衰竭、2-型糖尿病)而被損傷。本文中的分析設備、系統、和方法能夠診斷、根據這種嚴重程度的狀況進行分級和/或監測受驗者的狀況。
[0013]受驗者設備、系統、和方法對波形根據瞬時/固有頻率理論利用計算機分析，以提供能夠檢測在不同年齡段和不同疾病狀況下的心臟和主動脈之間損傷平衡的指數/度量。設備、系統和方法包括:評估用于檢測的壓力波、壁位移波、或速率/流動波的頻率(通常:血流動力學波形)，和監測應用。血流動力學波形的固有(或主導)頻率優選地在兩個或多個時間域上被確定。
[0014]如主動脈壓力曲線圖形中所表現的，在整個心動周期，這些區域中的至少兩個區域對應于主動脈瓣收縮前和收縮后。該曲線圖在任何波形中顯示了小幅下降(“切跡”或“重搏脈”)。另外，提供了檢測重搏脈的設備、系統、方法，這些對于患有瓣膜功能障礙并且因此限制了瓣膜的關閉的受驗者尤其有用。
[0015]血流動力學波形的固有頻率(還可以優選地稱為主導頻率)，對應于在特定時間間隔瞬時頻率中的所有頻率中攜帶最高能量(或功率)的頻率。受驗者設備、系統和方法包括用來直接計算這些值的裝置。它們還包括估計主導頻率(固有頻率)的裝置，如下文中詳細所述。
[0016]然而，在本文的實施方式中所定義的，只是需要血流動力學波形的形態(未校準波形)來為波形的每一部分確定固有頻率/主導頻率。不需要血流動力學波形的強度。這樣，無創的硬件和方法論，諸如超聲波、超聲心動圖、和心臟微波，可以被用來進行測量。而且，避免了對測量系統校準的需要。因此，音調測定式傳感器硬件也輕易地使用，如光傳感器和其它傳感器設備那樣——任意類型掃描器可以被用來提供用于受驗者設備、系統和方法的血流動力學波形輸入信號。
[0017]然而，硬件被配置為，在緊急情況下(是否有一個初級護理醫師還是專科醫生)，根據受驗者方法論運行軟件的系統，可以被用來檢測心房顫動、或主動脈瓣功能障礙、以及對外科手術的需要。可選地，這些設備可以被用來結合用于高血壓的藥物治療或監測充血性心臟衰竭(CHF)作為長期護理的一部分來進行監測(每天在家里或定期與初級護理醫師)。通過觀測血流動力學 波形狀態中的變化，該實施方式對于預測導致住院治療或需要住院治療的事件類型，也是有用的。
[0018]而且，據此看來，本文中設備、系統和方法的變化(其中給定波形的固有頻率被確定)實現了一系列的其它應用。這些包括診斷舒張功能障礙、心房纖顫、低心排血量、主動脈瓣關閉不全、或接近每搏輸出量、冠動脈疾病的風險、冠狀動脈支架植入術后再狹窄的預測(全部通過壓力或血管壁位移波形)、或通過速率波形診斷二尖瓣關閉不全。
[0019]附圖簡要說明
[0020]本文提供的【專利附圖】
【附圖說明】的是示例和實施方式，并且可能是概略附圖而并非嚴格按照比例繪制，其中，為了清晰闡述的目的，附圖一些組件和技術特征被放大和抽象出。根據圖中所繪的實施方式進行變化是可以設想出的。因此，圖中描述的各方面和元素并不旨在用來限制權利要求的范圍，除非這樣的意圖被明確地闡述出。
[0021]圖1A和IB概括地示例了人體的循環系統中心臟和主動脈的動態結合。
[0022]圖2A和2B示例了本文描述的系統的示例性的實施方式。
[0023]圖3A和3B示例了兩個年輕成年人的壓力波形和他們的計算出來的IF值；圖4A-4C示例了三個30-40歲的中年成年人的壓力波形和他們的計算出來的IF值；以及圖5A和5B示例了老年人的壓力波形和另一個患有嚴重的心力衰竭的人的壓力波形，每個圖分別帶有他們的計算出來的IF值。
[0024]圖6A繪制了血流動力學波形IF的變化趨勢；圖6B繪制了與圖6A中的IF值的不同部分。[0025]圖7是表示關于受驗者IF值的可能的診斷結果的表。
[0026]圖8是示例了本文中各種方法選項的過程流程圖。
[0027]圖9A和9B分別示例了在主動脈升部和隱動脈之間的壓力波和流動波中的輪廓的特征變化。
[0028]圖1OA是模擬的壓力波形的例子；圖1OB示例了與其相關的瞬時波形頻率。
[0029]圖1lA是重搏脈(Dicrotic Notch)不容易從壓力波形中區分出來的受驗者的壓力波形示例圖；圖1lB示例了波形的二階導數波形。
[0030]圖12A-12C和13A-13C平面示例了量化模型的血流動力學分析。
[0031]圖14A-14C示例了三個盲測實例的壓力波形。
【具體實施方式】
[0032]下文描述了各種示例的實施方式。對這些示例的參考是在非限制情形下進行的。它們被提供來說明本發明各方面的可更寬泛的應用的方面。對所述的實施方式可以進行各種變形，并且其等價物可以被取代而不偏離它們真正的精神和范圍。此外，可以做出一些修改來適應特定環境、材料、事物的組合、過程、對對象的處理操作或步驟、本文所要進行保護的范圍或精神。
[0033]也就是說，本主題內容是基于這樣一個事實，人體內的健康心臟-主動脈系統呈現了在心臟泵送特征和主動脈(動脈)波動力學之間的微妙結合。該最佳結合由于動脈疾病(例如動脈硬化、年紀變大、高血壓)、心臟疾病(例如心力衰竭、冠狀動脈疾病)、或其它負面影響因素(例如吸煙)而被損傷。
[0034]圖1A示例了收縮期的心臟-主動脈結合系統10，其中主動脈瓣張開(沒有顯示)并且血液被心臟12處泵送到主動脈14中。這樣，在主動脈瓣閉合前，心臟和主動脈構造了動態結合系統。如圖1B所不,舒張期間在辦I旲閉合后,心臟和王動脈系統在弟二個系統狀態10’中被分離。包含在每個狀態中的主動脈波形包括關于心臟動態的信息、主動脈網絡動態的信息和心臟-主動脈結合的信息。
[0035]如本文中進一步詳細描述的通過分析對這些信息進行的抽象，是基于固有(瞬時)頻率且包括進行如下操作的設備、系統、和方法:
[0036]根據壓力波形診斷不同的CVD ；
[0037]根據壓力波形評估CVD的嚴重程度；
[0038]根據壁位移波形診斷不同的CVD ；
[0039]根據壁位移波形評估CVD的嚴重程度；
[0040]根據流動波形診斷不同的CVD的；
[0041 ] 根據流動波形評估CVD的嚴重程度；
[0042]根據壓力波形、壁位移波形、和/或流動波形的結合診斷不同的CVD ;以及
[0043]根據壓力波形、壁位移波形、和/或流動波形的結合評估CVD的嚴重程度。
[0044]數據分析的 傳統方法是基于假定數據是靜止的和線性的。傅里葉分析僅僅是典型的、且常用的方法。然而，已知的情況是，靜止的和線性的假定并不支持主動脈波形。由此，一種稀疏時-頻表示(STFR)的新方法已經被開發出，其可以被用來實現本文上述的方法和目的，還有其它的方法和目的。[0045]STFR方法被采用，是因為它可以更好的適用于非線性數據分析，它對于噪音干擾具有較低的敏感性以及，更重要地，它保存了信號的一些固有的物理特性。普通的STFR問題被定義如下:
[0046]最小化M
[0047]條件為:
【權利要求】
1.一種用于獲取和分析受驗者血流動力學波形的系統，所述系統包括: 光掃描器，所述掃描器適用于捕捉對應于血流動力學波形的信號；以及 至少一個計算機處理器，其通過有線連接方式或無線連接方式被連接到所述掃描器，其中所述計算機處理器適用于進行以下操作:接收用于所述血流動力學波形的所述信號；利用所述信號來確定重搏脈；計算所述波形的重搏脈的每一側的第一固有頻率和第二固有頻率(ωι，ω2);并且輸出對應于固有頻率結果的信號。
2.一種用于獲取和分析受驗者血流動力學波形的系統，所述系統包括: 超聲波掃描器，所述掃描器適用于捕捉對應于血流動力學波形的信號；以及 至少一個計算機處理器，其通過有線連接方式或無線連接方式被連接到所述掃描器，其中所述計算機處理器適用于進行以下操作:接收用于所述血流動力學波形的所述信號；利用所述信號來確定重搏脈；計算所述波形的重搏脈的每一側的第一固有頻率和第二固有頻率(ωι，ω2);并且輸出對應于固有頻率結果的信號。
3.一種用于獲取和分析受驗者血流動力學波形的系統，所述系統包括: 音調測定掃描器，所述掃描器適用于捕捉對應于血流動力學波形的信號；以及 至少一個計算機處理器，其通過有線連接方式或無線連接方式被連接到所述掃描器，其中所述計算機處理器適用于進行以下操作:接收用于所述血流動力學波形的所述信號；利用所述信號來確定重搏脈；計算所述波形的重搏脈的每一側的第一固有頻率和第二固有頻率(ωι，ω2);并且輸出對應于固有頻率結果的信號。
4.一種用于獲取和分析受驗者血流動力學波形的系統，所述系統包括: 微波掃描器，所述掃描器適用于捕捉對應于血流動力學波形的信號；以及 至少一個計算機處理器，其通過有線連接方式或無線連接方式被連接到所述掃描器，其中所述計算機處理器適用于進行以下操作:接收用于所述血流動力學波形的所述信號；利用所述信號來確定重搏脈；計算所述波形的重搏脈的每一側的第一固有頻率和第二固有頻率(ωι，ω2);并且輸出對應于固有頻率結果的信號。
5.如權利要求1-4中的任意一個所述的系統，其中所述處理器還適用于計算所述血流動力學波形的瞬時頻率曲線，并且其中，所述重搏脈根據所述瞬時頻率曲線來確定。
6.如權利要求1-4中的任意一個所述的系統，其中所述處理器還適用于計算所述血流動力學波形的二階導數波形，并且所述重搏脈根據所述二階導數波形來確定。
7.如權利要求1-4中任意一個所述的系統，其中所述結果包括ωρω2、和Λ ω。
8.如權利要求1-4中任意一個所述的系統，其中所述結果包括對所述受驗者健康狀態的指示。
9.如權利要求任意8所述的系統，其中所述指示是用于住院治療的警報。
10.一種計算機可讀介質，其具有存儲在其上的指令，所述計算機指令在執行時，引起一個或多個處理器執行如下步驟: 接收對應于血流動力學波形的輸入信號； 利用所述輸入信號，確定重搏脈； 計算所述波形的重搏脈的每一側的第一固有頻率和第二固有頻率；以及 輸出對應于所述固有頻率的信號。
11.一種用于分析信號的計算機實現方法，包括:輸入受驗者的血流動力學波形數據，所述波形包括重搏脈； 確定所述波形中的所述重搏脈的位置，用來將所述信號分割為第一部分和第二部分以用于分析； 分析所述波形的第一部分和第二部分中的每一部分，來確定第一固有頻率和第二固有頻率(CO1, ω2)，其中每個固有頻率是在瞬時頻率曲線的所有頻率中承載最高能量的頻率的頻率，或每個固有頻率是在瞬時頻率曲線的所有頻率中承載最高能量的頻率的頻率附近；以及 輸出所述分析的結果。
12.如權利要求11所述的計算機實現方法，其中所述結果包括ω”ω2、和Λ ω。
13.如權利要求11所述的計算機實現方法，其中所述結果包括對所述受驗者的健康狀態的指示。
14.如權利要求13所述的計算機實現方法，其中所述受驗者是人類受驗者。
15.如權利要求14所述的計算機實現方法，其中所述指示是心房纖顫的診斷。
16.如權利要求14所述的計算機實現方法，其中所述指示是心力衰竭的診斷。
17.如權利要求14所述的計算機實現方法，其中所述指示是主動脈瓣功能障礙的診斷。
18.如權利要求14所述的計算機實現方法，其中所述指示是動脈疾病的診斷。
19.如權利要求18所述的計算機實現方法，其中所述動脈疾病是從動脈瘤、狹窄、和高血壓中選擇的。
20.如權利要求14所述的計算機實現方法，其中所述指示是心率不齊的診斷。
21.如權利要求14所述的計算機實現方法，其中所述指示是用于住院治療的警報。
22.如權利要求11所述的計算機實現方法，其中所述波形是從動脈壓力波、壁位移波、和流量或速率波中選擇的。
23.如權利要求11所述的計算機實現方法，其以周期性的方式重復，以監測所述受驗者。
24.如權利要求23所述的計算機實現方法，還包括將用于所述受驗者的ωι、《2和Δ ω中的至少一個與用于所述受驗者的ω”《2和Λ ω中的至少一個的歷史結果進行比較。
25.如權利要求11所述的計算機實現方法，還包括將用于所述受驗者的ω”《2和Δ ω中的至少一個與非受驗者的ωι、(02和Λ ω值進行比較。
26.如權利要求11所述的計算機實現方法，其中所述受驗者的所述結果被記錄。
27.如權利要求11所述的計算機實現方法，其中所述波形數據由傳感器輸入，并且所述方法包括掃描所述受驗者。
28.如權利要求26所述的計算機實現方法，其中所述傳感器是從超聲波傳感器、微波傳感器、光傳感器和音調測定傳感器中所選擇出的一種類型的傳感器。
29.如權利要求11所述的計算機實現方法，還包括計算所述血流動力學波形的瞬時頻率曲線,并且其中所述重搏脈根據所述瞬時頻率曲線來確定。
30.如權利要求11所述的計算機實現方法，還包括，計算所述血流動力學波形的二階導數波形，并且其中所述重搏脈根據所述二階導數波形來確定。
【文檔編號】A61B5/0205GK104010566SQ201280064112
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2011年12月22日
【發明者】尼曼·巴甫洛夫, 佩曼·塔瓦拉利, 托馬斯·伊召·候, 莫泰扎·格哈比 申請人:加州理工學院