壓力信號中干擾脈沖與生理脈沖的分離的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及對從體外流體回路中的壓力傳感器獲得的壓力信號進行處理的技術， 特別地用于在壓力信號中將干擾脈沖與生理脈沖分離。該干擾脈沖源自與體外流體回路關 聯的干擾發生器，該生理脈沖源自連接至體外流體回路的主體（subject)的生理脈沖發生 器。本發明例如可以結合體外血液處理來應用。
【背景技術】
[0002] 在體外血液處理中，將血液從人體取出、處理（例如處理過的）然后通過體外流體 回路（"EC回路"）再次引入到人體，體外流體回路是血液處理裝置的一部分。一般來說， 通過血液泵使得血液通過EC回路周期。在某些類型的體外血液處理中，EC回路包括用于 取出血液的接入裝置（例如動脈針或導管）和用于血液再引入的接入裝置（例如，靜脈針 或導管），它們被插入到主體上專用的血管接入點（如瘺管或移植部）。這種體外血液處理 包括血液透析、血液透析過濾、血液過濾、血漿置換、血液存儲、捐贈者血液的血液分量（例 如細胞）分離、血漿分離置換、體外血液氧化、輔助血液周期、體外肝支撐/透析、超濾等。
[0003] 將EC回路中出現故障的風險降到最小是非常重要的，因為這些風險可能導致對 主體帶來潛在生命威脅的情況。例如，如果血液泵下游EC回路例如由于其中靜脈針從血管 接入點松動的靜脈針移位（VND)事件而中斷，則可能出現嚴重的情況。這種中斷可能會導 致主體血液干涸幾分鐘。W097/10013、US2005/0010118、W02009/156174、W02010/149726 和 US2010/0234786都提出了各種技術來通過在EC回路中血液泵下游側的壓力傳感器（"靜 脈壓力傳感器"）的壓力信號中識別出不存在心跳或呼吸脈沖來檢測VND事件。
[0004] 近年來，基于EC回路中的壓力記錄，監測并分析諸如心臟或呼吸系統之類生理壓 力發生器的行為也被認為是可行的。在W02010/149726、W02011/080189、W02011/080190、 W02011/080191、W02011/080194中發現了各種應用，并且這些專利文獻通過引用的方式并 入本文。例如，這些應用包括監測主體的心臟脈搏、血壓、心律、心輸出量、通過導管接入 點的血液流量（"通路流量"）、動脈僵硬度、以及識別血管接入點內狹窄形成（stenosis formation)的標志、預測有癥狀的快速血壓下降、以及檢測、跟蹤并預測各種呼吸疾病。
[0005] 此外，W02011/080188提出了一種技術，該技術用來通過檢測和分析EC回路中記 錄的壓力信號中的生理脈沖而識別血管通路中用于血液取出和血液再引入的裝置的反轉 放置，并將其通過信號表示。
[0006] 所有這些監測技術都假設能夠在壓力信號中可靠地檢測到生理脈沖。為了能夠進 行監測，對壓力信號進行濾波以去除或抑制信號干擾是必要的。信號干擾包括源自血液泵 的壓力脈沖（"泵脈沖"），并且還可能包括例如由于EC回路中另外的泵、閥、平衡腔等造成 的進一步的干擾壓力脈沖。適當地去除例如泵脈沖可能是一項艱巨的任務，因為生理脈沖 的速率和血液泵的速率（即，通過EC回路的血流量）可以隨時間變化。如果生理脈沖的速 率與泵脈沖的速率匹配，則通過濾波將生理脈沖也去除并不是不可能，從而導致監測技術 失效。壓力信號中泵脈沖通常遠比生理脈沖更強，由于這一事實使得濾波變得困難。
[0007] 現有技術包括W097/10013,其提出了被稱為"陷波等效濾波器"的濾波技術，該技 術假設血液泵的頻率和相位是已知的。在已知的頻率和已知的頻率的倍數處產生竇信號 (sinus signal)。將竇信號輸入到自適應濾波器，該濾波器將每個竇信號的振幅和相位適 應于將被濾波的壓力信號。然后在各振幅和相位處從壓力信號中減去竇信號。
[0008] 現有技術還包括W02009/156175,其提出通過減去源自血液泵的壓力脈沖的預測 信號輪廓而在時域中對壓力信號進行濾波。該預測信號輪廓可以通過基準測量或通過模擬 來獲得。在一種實施方式中，基于血液泵的當前工作頻率從預先存儲的基準輪廓的庫中取 出預測的信號輪廓，并基于專用泵傳感器給出的時序信息（timing information)或血液泵 的控制信號將預測的信號輪廓從壓力信號中減去。在另一種實施方式中，通過最佳匹配技 術取出并減去預測的信號輪廓，在最佳匹配技術中，在進行減法之前，將預測的信號輪廓進 行縮放和移位，以使得與壓力信號的差異最小化。在又一實施方式中，預測的信號輪廓和壓 力信號被輸入到自適應濾波器結構中，該濾波器結構進行操作以修改（adapt)它的濾波器 系數，從而生成其中來自血液泵的壓力脈沖被抑制的誤差信號。
[0009] W02013/000777提出了另一種濾波技術，該技術可以被實施以抑制壓力信號中的 第一脈沖，該第一脈沖已知為在壓力脈沖中重復的脈沖周期中出現。這種第一脈沖例如可 以源自體外血流回路中的血液泵。所提出的該技術通過針對壓力信號中每個當前數據樣本 將基準值減去而對壓力信號進行濾波，該基準值根據同一壓力信號中另外的（多個）數據 樣本計算。在一個實施例中，該另外的（多個）數據樣本與當前數據樣本周期同步，這意味 著它們在它們各自的脈沖周期中的相對位置與當前數據樣本在當前脈沖周期中的相對位 置相同。從而，每個基準值將代表當前脈沖周期內來自（多個）第一脈沖的瞬時信號貢獻 的估計。通過從各當前數據樣本中減去該瞬時信號貢獻，能夠針對當前脈沖周期生成輸出 樣本的時間序列（time sequence)，從而基本上沒有第一脈沖。
[0010] 就如下情況中的一個或多個而言，仍然需要實現濾波技術的改進：處理生理脈沖 和干擾脈沖（例如泵脈沖）的速率變化的能力；處理干擾脈沖和生理脈沖之間的頻率和/ 或時間重疊的能力；濾波技術的復雜性；實時地生成濾波后的信號的能力；濾波期間的處 理效率以及存儲器使用；濾波后的信號的精度；以及濾波技術的魯棒性。
【發明內容】
[0011] 本發明的目的是至少部分克服現有技術中的一個或多個限制。
[0012] 另一目的是提供一種能夠滿足上述需求中的一個或多個的濾波技術。
[0013] 將從以下描述中變得清晰的這些目的中的一個或多個以及其他目的是通過根據 獨立權利要求的用于對壓力信號進行濾波的裝置、對壓力信號進行濾波的方法以及計算機 可讀介質實現的，這些獨立權利要求的實施例是通過從屬權利要求來限定的。
[0014] 本發明的實施例是基于如下認識來設計的：可以通過實施一連串的模板減法來將 信號片段中的兩種不同類型的脈沖（在以下的討論中稱為A脈沖和B脈沖）彼此分離，每 次模板減法之后都跟隨著信號細化，以將不希望的殘余成分（residual)從各次減法中去 除。首先，從信號片段中減去初始模板信號，目的是去除B脈沖而保留A脈沖。初始模板信 號中的缺陷將造成所得到的"第一差信號"包含不希望的B脈沖的殘余成分（剩余部分）。 然后，通過信號細化處理第一差信號，目的是進一步抑制這些殘余成分。從而，信號細化使 得信號片段中A脈沖序列的表示（即，A脈沖的模板信號）得以改進。通過從信號片段中減 去A脈沖的模板信號，生成了代表信號片段中B脈沖序列的另一差信號（"第二差信號"）。 同樣，A脈沖的模板信號中的缺陷造成第二差信號包含不希望的殘余成分，這次是A脈沖的 殘余成分。因此，通過信號細化處理第二差信號，目的是進一步抑制這些殘余成分。該信號 細化使得信號片段中B脈沖序列的表示（即，B脈沖的模板信號）得以改進。實現了交替 模板減法以及信號細化的這一處理使得A和B脈沖分離成為第一和第二差信號，并且分離 成為各自的模板信號。
[0015] 本發明的實施例還基于如下認識來設計：可以通過從信號片段中減去B脈沖的模 板信號以生成新的差信號（該新的差信號是第一差信號的更新后的版本）來進一步改善信 號片段中各脈沖的表示，然后在多次迭代中重復交替信號細化和模板減法的步驟。該迭代 方法能夠顯著改善差信號和模板信號的精度，從而生成對于信號片段中A和B脈沖的時序 (時刻，timing)、形狀和大小的精確表示。應當指出，信號片段可能包含其他類型的脈沖， 該其他類型的脈沖也可以在每次模板減法之后在各自的差信號中表示。
[0016] 還應當指出，上述技術可以擴展為將多于兩種不同類型的脈沖（例如，A、B和C脈 沖）進行分離。在該變型例的示例中，可以從信號片段中減去兩個初始模板信號（例如，一 個是B脈沖的初始模板信號，一個是C脈沖的初始模板信號），或者共用初始模板信號，目的 是去除B脈沖和C脈沖同時保留A脈沖。第一差信號將包含B和C脈沖的不希望的殘余成 分。通過信號細化處理第一差信號，以生成A脈沖的模板信號。從信號片段中減去A脈沖 的模板信號和B脈沖的初始模板信號，以生成代表信號片段中的C脈沖的中間差信號。該 中間差信號將包含A和B脈沖的不希望的殘余成分。通過信號細化處理該中間差信號，以 生成C脈沖的模板信號。從信號片段中減去C脈沖的模板信號和A脈沖的模板信號以生成 代表信號片段中的B脈沖的第二差信號。該第二差信號將包含A和C脈沖的不希望的殘余 成分。通過信號細化處理第二差信號以生成B脈沖的模板信號。從前述示例類推，通過從 信號片段中減去B和C脈沖的模板信號從而再次生成第一差信號并且通過信號細化和模板 減法的上述操作的迭代可以改善分離出的脈沖的精度。將A、B和C脈沖分離的示例可以認 為包括兩個初始模板信號（B和C脈沖）的第一減法、對所得到的第一差信號的信號細化以 生成A脈沖的模板信號、用于生成C脈沖的模板信號的中間步驟（附帶地也涉及模板減法 和信號細化）、A和C脈沖的模板信號的第二減法以及對于所得到的第二差信號的信號細化 以生成B脈沖的模板信號。
[0017] 上述技術的實施例被應用以將壓力信號中的脈沖分離，尤其是將源自體外流體回 路中干擾發生器的干擾脈沖和源自連接至體外流體回路的主體中的生理脈沖發生器的生 理脈沖分離。
[0018] 參照前述示例，應當理解，壓力信號可以包含一種或多種其他類型的脈沖，該其他 類型的脈沖可以被分離或可以不被