固有频率血流动力学波形分析的制作方法
【专利摘要】描述了用于心脏健康测量的硬件和软件的方法论。获取的受验者的各种血流动力学波形被分析，以计算或近似跨接重搏脉的两个区域中的固有频率。固有频率提供关于受验者心脏健康的度量/测量。系统可以被用来监测状况和/或被用来诊断。示例性使用包括，识别(诊断)以下情况的存在：心律不齐、心力衰竭、心房纤颤、动脉瘤、血管狭窄、或主动脉瓣功能障碍、和瓣膜移植的必要性；和/或监测充血性心力衰竭发展；连同结合日常对任何这种情况的测试，识别住院治疗的紧急需要。
【专利说明】固有频率血流动力学波形分析
[0001]相关申请
[0002]本文件要求以下专利申请的权益:在2011年12月22号递交的美国临时专利申请序列号为61/579，456、在2012年10月22号递交的美国临时专利申请序列号为61/717，008、以及在2012年12月20号递交的美国临时专利申请序列号为61/739，880，这些申请中的每一个本文通过引用方式整个地将其被并入。
[0003]领域
[0004]本文件涉及血流动力学波形分析。
[0005]背景
[0006]在美国，心血管疾病(CVD)是每年大约三个死者中就有一个死者的根本起因。同样，大约34%的美国成年人患有一种或多种类型的CVD。在2010年，CVD的直接或间接消费总额大约5030亿美元。
[0007]这样，就存在着对开发用于诊断和监测CVD的新方法和新设备的迫切需要。诊断有助于早期介入和治疗。监测，对于行为矫正、和导致紧急住院、发病率和/或死亡率的急性事件的预测和避免之中的任意一项，可能是有用的工具。满足这些需求的新方法和新设备优势地采用了无创测量以降低医疗并发症并改善病人的舒适度。理想地，它们也易于医务人员和在家庭环境中的受:验者的使用。
[0008]概述
[0009]本发明实施方式包括满足上述需求中的一些或全部需求的设备和系统(例如，包括本文提到的传感器硬件、另外的计算机处理器等配套/辅助电子设备和各种外壳组件)、和方法(包括用于执行上述提到的硬件和软件)。这些方法和设备适用于对血流动力学波形的分析。
[0010]该波形源自于心脏的脉动泵送机构。血液的泵送压力和流动波到顺应性的主动脉和血管网络。由心脏产生的压力和流动波在顺应性的动脉血管中传播。这些波在存在于动脉系统中的不同的反射部位被反射。随着波进入了较小的血管并且最终在毛细血管床中消失，该压力的强度和脉动以及产生的扩张波变小。因此波动力学主导着大血管的血流动力学,大血管诸如上升主动脉、降主动脉、和腹主动脉。
[0011]这些波形曲线携带关于心脏是健康状态还是疾病状态、血管系统和/或心脏和血管的结合的信息。结果，从这些波形中提取的信息提供了进行确定关于非常重要的是健康状况还是疾病状况的机会。
[0012]健康心脏根据其泵送特征(心输出量、每搏输出量)和血管系统的波动力学之间的微妙平衡来运转。该微妙平衡可能由于年老、吸烟、或疾病状况(例如，高血压、心力衰竭、2-型糖尿病)而被损伤。本文中的分析设备、系统、和方法能够诊断、根据这种严重程度的状况进行分级和/或监测受验者的状况。
[0013]受验者设备、系统、和方法对波形根据瞬时/固有频率理论利用计算机分析，以提供能够检测在不同年龄段和不同疾病状况下的心脏和主动脉之间损伤平衡的指数/度量。设备、系统和方法包括:评估用于检测的压力波、壁位移波、或速率/流动波的频率(通常:血流动力学波形)，和监测应用。血流动力学波形的固有(或主导)频率优选地在两个或多个时间域上被确定。
[0014]如主动脉压力曲线图形中所表现的，在整个心动周期，这些区域中的至少两个区域对应于主动脉瓣收缩前和收缩后。该曲线图在任何波形中显示了小幅下降(“切迹”或“重搏脉”)。另外，提供了检测重搏脉的设备、系统、方法，这些对于患有瓣膜功能障碍并且因此限制了瓣膜的关闭的受验者尤其有用。
[0015]血流动力学波形的固有频率(还可以优选地称为主导频率)，对应于在特定时间间隔瞬时频率中的所有频率中携带最高能量(或功率)的频率。受验者设备、系统和方法包括用来直接计算这些值的装置。它们还包括估计主导频率(固有频率)的装置，如下文中详细所述。
[0016]然而，在本文的实施方式中所定义的，只是需要血流动力学波形的形态(未校准波形)来为波形的每一部分确定固有频率/主导频率。不需要血流动力学波形的强度。这样，无创的硬件和方法论，诸如超声波、超声心动图、和心脏微波，可以被用来进行测量。而且，避免了对测量系统校准的需要。因此，音调测定式传感器硬件也轻易地使用，如光传感器和其它传感器设备那样——任意类型扫描器可以被用来提供用于受验者设备、系统和方法的血流动力学波形输入信号。
[0017]然而，硬件被配置为，在紧急情况下(是否有一个初级护理医师还是专科医生)，根据受验者方法论运行软件的系统，可以被用来检测心房颤动、或主动脉瓣功能障碍、以及对外科手术的需要。可选地，这些设备可以被用来结合用于高血压的药物治疗或监测充血性心脏衰竭(CHF)作为长期护理的一部分来进行监测(每天在家里或定期与初级护理医师)。通过观测血流动力学 波形状态中的变化，该实施方式对于预测导致住院治疗或需要住院治疗的事件类型，也是有用的。
[0018]而且，据此看来，本文中设备、系统和方法的变化(其中给定波形的固有频率被确定)实现了一系列的其它应用。这些包括诊断舒张功能障碍、心房纤颤、低心排血量、主动脉瓣关闭不全、或接近每搏输出量、冠动脉疾病的风险、冠状动脉支架植入术后再狭窄的预测(全部通过压力或血管壁位移波形)、或通过速率波形诊断二尖瓣关闭不全。
[0019]附图简要说明
[0020]本文提供的【专利附图】
【附图说明】的是示例和实施方式，并且可能是概略附图而并非严格按照比例绘制，其中，为了清晰阐述的目的，附图一些组件和技术特征被放大和抽象出。根据图中所绘的实施方式进行变化是可以设想出的。因此，图中描述的各方面和元素并不旨在用来限制权利要求的范围，除非这样的意图被明确地阐述出。
[0021]图1A和IB概括地示例了人体的循环系统中心脏和主动脉的动态结合。
[0022]图2A和2B示例了本文描述的系统的示例性的实施方式。
[0023]图3A和3B示例了两个年轻成年人的压力波形和他们的计算出来的IF值；图4A-4C示例了三个30-40岁的中年成年人的压力波形和他们的计算出来的IF值；以及图5A和5B示例了老年人的压力波形和另一个患有严重的心力衰竭的人的压力波形，每个图分别带有他们的计算出来的IF值。
[0024]图6A绘制了血流动力学波形IF的变化趋势；图6B绘制了与图6A中的IF值的不同部分。[0025]图7是表示关于受验者IF值的可能的诊断结果的表。
[0026]图8是示例了本文中各种方法选项的过程流程图。
[0027]图9A和9B分别示例了在主动脉升部和隐动脉之间的压力波和流动波中的轮廓的特征变化。
[0028]图1OA是模拟的压力波形的例子；图1OB示例了与其相关的瞬时波形频率。
[0029]图1lA是重搏脉(Dicrotic Notch)不容易从压力波形中区分出来的受验者的压力波形示例图；图1lB示例了波形的二阶导数波形。
[0030]图12A-12C和13A-13C平面示例了量化模型的血流动力学分析。
[0031]图14A-14C示例了三个盲测实例的压力波形。
【具体实施方式】
[0032]下文描述了各种示例的实施方式。对这些示例的参考是在非限制情形下进行的。它们被提供来说明本发明各方面的可更宽泛的应用的方面。对所述的实施方式可以进行各种变形，并且其等价物可以被取代而不偏离它们真正的精神和范围。此外，可以做出一些修改来适应特定环境、材料、事物的组合、过程、对对象的处理操作或步骤、本文所要进行保护的范围或精神。
[0033]也就是说，本主题内容是基于这样一个事实，人体内的健康心脏-主动脉系统呈现了在心脏泵送特征和主动脉(动脉)波动力学之间的微妙结合。该最佳结合由于动脉疾病(例如动脉硬化、年纪变大、高血压)、心脏疾病(例如心力衰竭、冠状动脉疾病)、或其它负面影响因素(例如吸烟)而被损伤。
[0034]图1A示例了收缩期的心脏-主动脉结合系统10，其中主动脉瓣张开(没有显示)并且血液被心脏12处泵送到主动脉14中。这样，在主动脉瓣闭合前，心脏和主动脉构造了动态结合系统。如图1B所不,舒张期间在辦I旲闭合后,心脏和王动脉系统在弟二个系统状态10’中被分离。包含在每个状态中的主动脉波形包括关于心脏动态的信息、主动脉网络动态的信息和心脏-主动脉结合的信息。
[0035]如本文中进一步详细描述的通过分析对这些信息进行的抽象，是基于固有(瞬时)频率且包括进行如下操作的设备、系统、和方法:
[0036]根据压力波形诊断不同的CVD ；
[0037]根据压力波形评估CVD的严重程度；
[0038]根据壁位移波形诊断不同的CVD ；
[0039]根据壁位移波形评估CVD的严重程度；
[0040]根据流动波形诊断不同的CVD的；
[0041 ] 根据流动波形评估CVD的严重程度；
[0042]根据压力波形、壁位移波形、和/或流动波形的结合诊断不同的CVD ;以及
[0043]根据压力波形、壁位移波形、和/或流动波形的结合评估CVD的严重程度。
[0044]数据分析的 传统方法是基于假定数据是静止的和线性的。傅里叶分析仅仅是典型的、且常用的方法。然而，已知的情况是，静止的和线性的假定并不支持主动脉波形。由此，一种稀疏时-频表示(STFR)的新方法已经被开发出，其可以被用来实现本文上述的方法和目的，还有其它的方法和目的。[0045]STFR方法被采用，是因为它可以更好的适用于非线性数据分析，它对于噪音干扰具有较低的敏感性以及，更重要地，它保存了信号的一些固有的物理特性。普通的STFR问题被定义如下:
[0046]最小化M
[0047]条件为:
【权利要求】
1.一种用于获取和分析受验者血流动力学波形的系统，所述系统包括: 光扫描器，所述扫描器适用于捕捉对应于血流动力学波形的信号；以及 至少一个计算机处理器，其通过有线连接方式或无线连接方式被连接到所述扫描器，其中所述计算机处理器适用于进行以下操作:接收用于所述血流动力学波形的所述信号；利用所述信号来确定重搏脉；计算所述波形的重搏脉的每一侧的第一固有频率和第二固有频率(ωι，ω2);并且输出对应于固有频率结果的信号。
2.一种用于获取和分析受验者血流动力学波形的系统，所述系统包括: 超声波扫描器，所述扫描器适用于捕捉对应于血流动力学波形的信号；以及 至少一个计算机处理器，其通过有线连接方式或无线连接方式被连接到所述扫描器，其中所述计算机处理器适用于进行以下操作:接收用于所述血流动力学波形的所述信号；利用所述信号来确定重搏脉；计算所述波形的重搏脉的每一侧的第一固有频率和第二固有频率(ωι，ω2);并且输出对应于固有频率结果的信号。
3.一种用于获取和分析受验者血流动力学波形的系统，所述系统包括: 音调测定扫描器，所述扫描器适用于捕捉对应于血流动力学波形的信号；以及 至少一个计算机处理器，其通过有线连接方式或无线连接方式被连接到所述扫描器，其中所述计算机处理器适用于进行以下操作:接收用于所述血流动力学波形的所述信号；利用所述信号来确定重搏脉；计算所述波形的重搏脉的每一侧的第一固有频率和第二固有频率(ωι，ω2);并且输出对应于固有频率结果的信号。
4.一种用于获取和分析受验者血流动力学波形的系统，所述系统包括: 微波扫描器，所述扫描器适用于捕捉对应于血流动力学波形的信号；以及 至少一个计算机处理器，其通过有线连接方式或无线连接方式被连接到所述扫描器，其中所述计算机处理器适用于进行以下操作:接收用于所述血流动力学波形的所述信号；利用所述信号来确定重搏脉；计算所述波形的重搏脉的每一侧的第一固有频率和第二固有频率(ωι，ω2);并且输出对应于固有频率结果的信号。
5.如权利要求1-4中的任意一个所述的系统，其中所述处理器还适用于计算所述血流动力学波形的瞬时频率曲线，并且其中，所述重搏脉根据所述瞬时频率曲线来确定。
6.如权利要求1-4中的任意一个所述的系统，其中所述处理器还适用于计算所述血流动力学波形的二阶导数波形，并且所述重搏脉根据所述二阶导数波形来确定。
7.如权利要求1-4中任意一个所述的系统，其中所述结果包括ωρω2、和Λ ω。
8.如权利要求1-4中任意一个所述的系统，其中所述结果包括对所述受验者健康状态的指示。
9.如权利要求任意8所述的系统，其中所述指示是用于住院治疗的警报。
10.一种计算机可读介质，其具有存储在其上的指令，所述计算机指令在执行时，引起一个或多个处理器执行如下步骤: 接收对应于血流动力学波形的输入信号； 利用所述输入信号，确定重搏脉； 计算所述波形的重搏脉的每一侧的第一固有频率和第二固有频率；以及 输出对应于所述固有频率的信号。
11.一种用于分析信号的计算机实现方法，包括:输入受验者的血流动力学波形数据，所述波形包括重搏脉； 确定所述波形中的所述重搏脉的位置，用来将所述信号分割为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，来确定第一固有频率和第二固有频率(CO1, ω2)，其中每个固有频率是在瞬时频率曲线的所有频率中承载最高能量的频率的频率，或每个固有频率是在瞬时频率曲线的所有频率中承载最高能量的频率的频率附近；以及 输出所述分析的结果。
12.如权利要求11所述的计算机实现方法，其中所述结果包括ω”ω2、和Λ ω。
13.如权利要求11所述的计算机实现方法，其中所述结果包括对所述受验者的健康状态的指示。
14.如权利要求13所述的计算机实现方法，其中所述受验者是人类受验者。
15.如权利要求14所述的计算机实现方法，其中所述指示是心房纤颤的诊断。
16.如权利要求14所述的计算机实现方法，其中所述指示是心力衰竭的诊断。
17.如权利要求14所述的计算机实现方法，其中所述指示是主动脉瓣功能障碍的诊断。
18.如权利要求14所述的计算机实现方法，其中所述指示是动脉疾病的诊断。
19.如权利要求18所述的计算机实现方法，其中所述动脉疾病是从动脉瘤、狭窄、和高血压中选择的。
20.如权利要求14所述的计算机实现方法，其中所述指示是心率不齐的诊断。
21.如权利要求14所述的计算机实现方法，其中所述指示是用于住院治疗的警报。
22.如权利要求11所述的计算机实现方法，其中所述波形是从动脉压力波、壁位移波、和流量或速率波中选择的。
23.如权利要求11所述的计算机实现方法，其以周期性的方式重复，以监测所述受验者。
24.如权利要求23所述的计算机实现方法，还包括将用于所述受验者的ωι、《2和Δ ω中的至少一个与用于所述受验者的ω”《2和Λ ω中的至少一个的历史结果进行比较。
25.如权利要求11所述的计算机实现方法，还包括将用于所述受验者的ω”《2和Δ ω中的至少一个与非受验者的ωι、(02和Λ ω值进行比较。
26.如权利要求11所述的计算机实现方法，其中所述受验者的所述结果被记录。
27.如权利要求11所述的计算机实现方法，其中所述波形数据由传感器输入，并且所述方法包括扫描所述受验者。
28.如权利要求26所述的计算机实现方法，其中所述传感器是从超声波传感器、微波传感器、光传感器和音调测定传感器中所选择出的一种类型的传感器。
29.如权利要求11所述的计算机实现方法，还包括计算所述血流动力学波形的瞬时频率曲线,并且其中所述重搏脉根据所述瞬时频率曲线来确定。
30.如权利要求11所述的计算机实现方法，还包括，计算所述血流动力学波形的二阶导数波形，并且其中所述重搏脉根据所述二阶导数波形来确定。
【文档编号】A61B5/0205GK104010566SQ201280064112
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】尼曼·巴甫洛夫, 佩曼·塔瓦拉利, 托马斯·伊召·候, 莫泰扎·格哈比 申请人:加州理工学院