用于监测心肺参数的系统和方法

用于监测心肺参数的系统和方法
【专利摘要】公开了用于监测运动、呼吸、心率并且用来由所述信号导出和显示心肺性能的测量的设备、系统和方法。信号通过施加于以非接触方式，典型地使用射频传感器得到的原始信号的处理而得到。描述了处理成分离的心脏和呼吸分量。心率可通过使用频谱或时域处理被确定。呼吸速率可使用频谱分析被计算。描述了使用本系统导出心率、呼吸性窦性心律失常、或通气阈值参数的处理。传感器、处理器和显示器可并入单个装置中，并且可以集成有其它传感器，如位置定位器，该单个装置在健身时可佩戴在身体上或接近于身体被固定，或者可选择地被放置在距离身体一定距离的健身器械的固定件上。
【专利说明】用于监测心肺参数的系统和方法
[0001] 本申请是2009年6月17日提交的发明名称为"用于监测心肺参数的系统和方法" 的中国专利申请200780046662. 0的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉参考
[0003] 本申请要求于2006年11月1日提交的美国临时申请第60/863, 862号的优先权， 该临时申请的全部内容通过参考结合于此。

【技术领域】
[0004] 本发明涉及以例如在心肺健康和活动标志的评定中有用的方便且低成本的方式 监测活体例如人的运动、呼吸、以及心率，并且更具体地说，涉及一种用于以可容易理解的 方式获取、处理以及显示相应信息的设备、系统和方法。在本申请中，参考可测量运动、呼 吸、以及心率的系统作为心肺监测装置或系统。

【背景技术】
[0005] 心率和呼吸的监测有利于评定心肺系统的性能。例如，当评定人的健康水平时心 率的测量是有用的，因为已经有了响应不同的活动水平而良好地建立生理正常的心率范围 的准则。心率的测量被广泛用在健康训练计划中。例如，将心率保持在每分钟100与120 次搏动（bpm)之间的范围内的运动可能对于减肥和耐力训练有用，而竞技运动员可能希望 承受将心率水平提升到160-180bpm的活动。此外，已经确定了对于年龄和性别能可靠地 进行调节的水平，使得对所构建的心血管健康规划感兴趣的个人能够定量地监测他们的进 步。因此，期望能够在各种环境下测量心率。然而，在运动条件下可靠的心率测量提出了一 定的技术挑战。在跑步或骑车的时候，运动假象可破坏心率测量。在游泳的时候，对由于水 的传导特性，心率的电气测量可能是困难的。
[0006] 除心率外，呼吸速率、呼吸深度和呼吸模式也是心肺系统的整体状态的有用指示 器。清楚观察到的是，呼吸速率响应于运动而增大，但增大（或在运动恢复时段期间减小） 的速率是整体心肺健康的标志。对于具有被损害的心肺状态的人，例如可能经历呼吸困难 的人，提_的呼吸速率是状态的有用标志。
[0007] 心率和呼吸的分离测量是有价值的，但有用的测量也可从提供了所有标志的这 些测量的组合中导出。例如，已知的是，呼吸通过称为呼吸性窦性心律失常（RSA)的生理 机理直接调整心率，其中，心脏在吸气期间加速，并且在呼气期间减速。RSA在年轻人中 特别显著，并且往往随年龄趋于下降。然而，一般地，高程度的RSA与健康相关联，并且 将响应于运动和饮食变化而变化（参见例如，RonaldE.DEMeersman的"Respiratory sinusarrhythmiaalterationfollowingtraininginenduranceathletes(在耐力 运动员训练之后的呼吸性窦性心律失常变化）"，发表在EuropeanJournalofApplied Physiology,vol. 64,no. 5 中，1992 年 9 月，第 434-436 页）。然而，为 了量化RSA，心率和呼 吸的同时测量是期望的。
[0008] 心肺健康的其它有用参数是厌氧阈值（AT)和通气阈值（VT)。厌氧阈值是心肺系 统不向肌肉提供足够氧的点，因为肌肉的能量需要通过有氧代谢过程完全满足。因此，身体 在厌氧代谢过程中使用其糖原储备以维持肌肉输出。在这点，人已经达到他们的最大氧摄 取，并且将在短时间内变得太疲劳而不能维持他们的活动水平（最大氧摄取称作vo2，_)。 为了准确地测量AT，要求专门的实验室设备和血液取样，因此尽管这被用作"黄金标准"，但 它对于由对健康感兴趣的个人普遍使用是不实用的。通气阈值在生理上与厌氧阈值相关。 它是对于运动强度的分钟通气响应（呼吸空气的升/分）成为非线性的点，并且由呼吸速 率的大幅度增加而标记。从有氧健康观点看，已经表明，厌氧阈值和通气阈值是非常相关 的。由于许多健康规划的目标是增加AT，所以能够将VT用作可靠的替代标志是有用的。心 肺监测器可用于通过使用呼吸速率和心率的组合而估计VT。这将为监测器的用户提供实用 性，因为他们可在长时间段上（例如，在健康训练规划的过程上）跟踪他们的VT的趋势。
[0009] 在临床环境中，具有心肺健康的可靠标志也是有用的。例如，患有心力衰竭的 人具有很高的运动不耐性。具有心力衰竭的一些对象是心脏移植的候选人，但一定程 度可用心脏的缺乏性，医生必须按病人疾病的严重性的顺序给病人排序。同样，对于 这种情况，VT的测量在评定病人的整体健康方面可以是有用的。在D.Ramos-Barb6n、 D.Fitchett、W.J.Gibbons、D.A.Latter、和R.D.Levy的"MaximalExerciseTesting fortheselectionofHeartTransplantationCandidates-LimitationofPeak OxygenConsumption(用来选择心脏移植候选人的最大运动测试-峰值氧消耗的极 限）"Chest. 1999 ; 115:410-417中给出为了评定心脏移植候选人而评定心肺标志的挑战性 讨论。
[0010] 出于评定心肺健康的目的的心率测量具有许多种类技术。表面引线心电图（ECG) 是捕获心脏电活动、以及因此捕获心率的高度准确的途径。然而，它们要求对象将胶质电极 放在胸部区，并且也携带或佩戴相关的电子处理和/或记录装置。所以一般地，ECG测量完 全限于临床应用。
[0011] 已经引入用于心电图测量的更方便的技术，并且现在被广泛用在商业可购得的心 率健康监测器中，这些技术为了方便性而牺牲信号质量。这些技术使用嵌在被放置到皮肤 附近的导电织物中的电极。典型地，织物形成在胸部高度处绕胸佩戴的胸带的一部分。由 于纺织材料的导电性取决于含水量，所以这些传感器在人正在用力运动并且皮肤被汗水湿 润时工作得最好（可选择地用户可涂敷一些导电胶以保证良好的电气测量）。该系统的缺 点是，要求人佩戴胸带、和当人的皮肤没有湿润时信号质量降低。
[0012] 用来在运动期间评定心率的另一种技术是使用脉搏血氧测量法，该脉搏血氧测量 法测量穿过血管的反射/透射光的变化。可产生特征光电容积脉搏波图，在该特征光电容 积脉搏波图中，每次心脏收缩作为相异的脉冲是可见的。然而，用来测量心率的脉搏血氧测 量法受运动假象和不良灌注特性限制。在血氧计中使用的发光二极管的功率要求也可能是 这种装置的电池寿命的限制因素。
[0013] 呼吸努力和呼吸速率也可以多种方式测量。用于测量呼吸努力的普通方法使用电 感容积描记法，在该电感容积描记法中，人绕他们的胸部佩戴紧密配合的松紧带，当人吸入 和呼出时该松紧带的电感变化。从方便的观点看该方法的限制是，人必须佩戴带，并且经导 线保持连接到相关电子记录装置上。用于测量呼吸努力的可选系统是使用阻抗呼吸描记 法，在该阻抗呼吸描记法中，测量胸部的阻抗变化。该技术的限制是，它要求电极连到身体 上，并且具有需要由对象携带的有源电气元件。
[0014]为了心肺健康评定，测量全身运动是有用的，因为这是日常活动和运动强度的整 体指示。用来测量自由生活活动的最普通技术是使用加速计，该加速计可测量加速度。当 由人携带时，这种装置可提供人的运动的总持续时间和强度的有用指示。这种装置在商业 上常常作为计步器（步进计数器）销售。该技术的限制是要求人携带该装置、和用于将测 得的加速度转换成活动模式的算法上的限制。
[0015] 那么所需要的是，一种用来测量心率、呼吸速率和努力、以及运动的方法、系统及 设备，该方法、系统及设备克服常规手段的各种限制。


【发明内容】

[0016] 本发明提供用来监测心率、呼吸和运动的设备、系统和方法的各个实施例和方面。 在一个实施例中，传感器单元可被佩戴（为了步行使用），或者被放置在固定位置（例如，作 为健身车的部分）。传感器与处理器和显示器通信，并且在一个方面，传感器、处理器以及显 示器可以物理地在同一单元中实施。处理器可以用来提取关于心率、呼吸以及运动的信息 和更高级的信息（例如，相对于以前时期的当前心率）。显示器配置成向用户提供反馈，诸 如显示当前心率或呼吸速率。也可以使用声音（例如，用于探测到的每次心搏的声音）提 供反馈。在一个方面，完整系统可以包括一个或多个运动传感器（用来探测一般身体运动、 呼吸、以及心率）；处理能力（导出与心脏活动、呼吸以及运动直接相关的信号，并因此导出 诸如呼吸速率、心率、以及运动等参数）；显示能力（提供可视反馈）；听觉能力（提供声音 反馈，例如其频率随呼吸变化的音调、或关于每次探测到的心搏的声音）；和/或将获取的 数据发射到分离的单元的通信能力（有线的或无线的）。这个分离的单元可以配置成执行 上述处理、显示及听觉功能。
[0017] 在一个或多个实施例中，一种用来测量、分析和显示呼吸、心脏活动、以及身体运 动的系统包括：一个或多个传感器，配置成接收来自活体的反射射频（RF)信号，其中RF信 号包括脉冲RF信号。配置处理器用于分析该反射信号以确定活体的生理活动的测量结果。 显示器设置成将与该生理活动相关的选中信息提供给系统的用户。在另一个方面，一种用 来测量、分析和显示呼吸、心脏活动以及身体运动的系统包括：一个或多个传感器，配置成 接收来自活体的反射射频（RF)信号，其中RF信号包括单一RF频率。在另一个方面，一种 用来测量、分析和显示呼吸、心脏活动以及身体运动的系统包括：一个或多个传感器，配置 成接收来自活体的反射射频（RF)信号；和处理器，配置成分析该反射信号以确定活体的生 理活动的测量。该系统还可以包括发射器，该发射器产生来自活体的反射射频信号，并且由 本系统发出的功率级对于供人连续使用是安全的。监测的生理活动与可包括呼吸、心脏活 动和身体的大运动（诸如手臂摆动）的运动相对应。
[0018] 在另一个实施例中，一种用来测量、分析和显示呼吸、心脏活动以及身体运动的方 法包括：接收从人体反射的射频信号；分析该反射信号以产生与人体的呼吸、心脏活动和 身体运动相关的测量结果；以及将选中信息提供给系统的用户。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
[0020] 图1是表示实施例的系统可如何用在运动和活动的评定中的示意图；图I(a)示出 了作为上臂袖带的系统的实施例；图1(b)示出了作为可附着到衬衣口袋上的夹式装置的 系统；图1(c)示出了作为挂在脖子上的挂件佩戴的装置的实例；图1(d)表示在跑步机健 身系统中的心肺监测器；图1(e)给出了嵌入健身车的心肺监测器的实例；以及图1(f)示 出了在游泳时作为手表状装置的装置。
[0021] 图2提供了一个实施例的传感器元件的示意性图解。
[0022] 图3提供了当传感器接近于身体表面（例如，5cm内）时得到的代表性的原始传感 器信号。
[0023]图4的上部曲线示出了从成人体得到的光电容积脉搏波信号的时间过程，其中每 次心搏与相异的图案（distinctivepattern)相关联，并且图4的下部曲线表示在几米距 离处从同一对象同时得到的信号，示出了有分离的呼吸和心脏信号。
[0024] 图5表示应用用于使用时间-频率表示，诸如短时傅立叶变换和波峰检出算法来 评定和可视化呼吸和心脏信息的技术的结果。
[0025] 图6提供当与在图2中描绘的那些射频（RF)块相类似的多个射频（RF)块用于无 线电波的发射和接收时的系统示意图。
[0026] 图7表不用于系统的显不器的不意图。
[0027] 图8示出了系统如何能计算与通气阈值相关的参数的示意图。

【具体实施方式】
[0028] 图1是表示各种环境的示意图，在这些环境中，本系统可以用在运动和活动的评 定中。首先，本装置可用在步行应用中（其中人可自由地运动，因为他们正佩戴着心肺监测 器）。图I(A)示出了作为上臂袖带的系统的实施例。图I(B)示出了作为可附着于衬衣口 袋上的夹式装置的系统。图I(C)示出了作为挂在脖子上的挂件佩戴的装置的实例，图I(D) 表示在跑步机健身系统中的心肺监测器，图I(E)给出了嵌入健身车中的心肺监测器的实 例，以及图I(F)示出了在游泳时作为手表状装置的装置。该装置也可配置成与其它已知的 健身器械一起使用。
[0029] 图2提供了示例性传感器元件的示意表示。传感器元件使用射频检测和处理来提 取与呼吸和心率相关联的身体运动。与呼吸相关联的身体运动是易于观察的，因为呼吸引 起胸部和腹部的运动。与心脏活动相关联的运动较不明显，但生理学家使用术语"心冲击描 记图"来指代由于心脏收缩而在皮肤表面处显现的压力波。这种很小的运动可由灵敏运动 传感器探测。
[0030] 本系统向人发射射频信号。反射信号然后被接收、放大并与原始信号的一部分相 混频，并且这个混频器的输出然后被低通滤波。这个混频器的输出因此可当作从反射的射 频信号导出的已处理的时域信号。这种产生的信号包含关于人的运动、呼吸及心脏活动的 信息，并且被称作原始传感器信号。在图2中，为了举例表示，用脉冲连续波信号表示系统 的射频传感器分量。在可选择实施例中，本系统也可以使用正交发射，在该正交发射中，使 用相位相差90度的两个载波信号。在脉冲变得时间非常短的极限下，这种系统可重新特征 化为超宽带（UWB)射频传感器。通过使用连续波系统也可得到改进的信噪比，其中连续地 发射RF信号。
[0031] 图3给出当传感器接近于身体表面（例如，5cm内）时得到的代表性的原始传感 器信号。接收到的原始传感器信号中的主要分量将是心冲击描记图、和传感器与人的相对 运动。为了减小相对运动，传感器单元可使用弹性约束机构、或类似机构机械地固定到皮 肤上。图3是具有占主导的心冲击描记图分量的原始传感器信号的实例（在这种情况下， 在上臂的肘部内侧处测得）。这表示使用26GHz脉冲连续波原型的系统收集到的5秒的数 据。在这样的情况下，将利用阈值通过技术确定心搏（脉冲与其中信号大于或小于阈值的 点相关联）。更复杂地（但是为典型情况），心冲击描记图将呈现较复杂但可重复的脉冲形 状。因此，例如由匹配滤波器实施的脉冲形状模板可与获取的心脏信号相关，并且相关性高 的地方将用作心搏位置。相应地，本系统通过辨别所处理的时域信号中的波峰、或通过接收 信号与原型心脏信号的时域相关性、或通过其它手段，识别活体的心搏。这种处理产生用以 辨别每次心搏的发生时间的一系列时间标记。可通过处理器使用这些时间标记来发出活体 的每次心搏的声音信号，或者点亮显示器上的断续图标。
[0032]当给定每次事件发生时的时间标记，计算心率是可能的。对于在图3中示出的信 号，我们将把信号穿过阈值的点标记为心脏事件时间Bn(其中，n是搏动数）。由此我们可将 瞬时心率计算为l/BBn，其中，BBn =Bn-Blri (搏动间隔）。在实践中，较有用的是，定义在时 间时期（例如，10秒）内的平均心率。这可通过对在10秒窗口内发生的搏动数进行计数、 然后除以10以得到每秒的平均搏动数来实现。例如，在图3中示出的实例中，在五秒窗口 内发生了 5. 9次搏动，从而报告的心率是每分钟（5. 9/5)X60 = 71次搏动。
[0033]当本装置进一步远离身体（例如，1米或更远）时，接收到的原始传感器信号将是 全身运动、呼吸、以及心脏活动的组合。图4的上部曲线示出了从成人体得到的光电容积脉 搏波信号的时间过程，其中每次心搏与相异的模式（distinctivepattern)相关联。图4的 下部曲线表示在几米距离处从同一对象同时得到的信号，并且示出了有分离的（separate) 呼吸和心脏信号。具体而言，圆圈凸显与每次心搏相关联的皮肤运动。皮肤运动典型地与 脉冲波形中的二色性（dichrotic)波峰对准。
[0034]在进一步远离身体使用的情况下，如以上描述的那样，接收到的原始信号包含关 于呼吸和心率、以及全身运动的信息。用来评定和可视化呼吸和心脏信息的技术是使用时 间-频率表示法，如短时傅立叶变换和波峰检出算法。处理器也可配置成使用接收信号的 频域处理来识别活体的生理活动。在下面提供详细描述，但广泛地它包括取得以时间h为 中心的时期的频谱，并且求出与期望的呼吸和心脏频率对应得最好的频谱波峰。对于该时 期，两个波峰可被注意到，并且被认为是时间A处的心脏和呼吸频率。然后可形成新时期， 该新时期与以前时期重叠，但现在该新时期以t2为中心，并且可计算形成在时间t2处的心 脏和呼吸频率的两个新频率。图5表示将这种技术应用于50秒数据的结果，具有20秒的窗 口长度、和19秒的重叠。随着时间的过去，可跟踪在每分钟大约20次呼吸下的呼吸分量、 和在每分钟近似70次搏动下的心脏分量。
[0035]图6提供当多个射频（RF)块被用于无线电波的发射和接收时系统的示意图。在 这个示意图中，有三个独立的RF块，每个RF块均能够接收和发射无线电波。各个RF块类 似于先前在图2中示出的RF块。它们将从被检测的个人产生整体信号的多个独立拷贝，从 而可使用信号处理提取独立的运动分量（例如，呼吸、心脏信号、以及上身运动）。注意，如 果需要则天线也能以分离的频率发射。天线的物理分离（例如，通过大于四分之一波长） 也将使发射路径在统计上独立。
[0036] 图7表示用于本系统的显示器的示意图。本系统将典型地显示诸如当前心率、当 前呼吸速率、以及呼吸性窦性心律失常程度等参数。由于本系统可以容易地集成有能够测 量位置的装置（例如，使用全球定位系统-GPS)，所以也可以在系统输出装置上显示位置。 本系统也将具有对于用户显示有用趋势的能力，诸如在过去一小时的心率、上周的RSA值 等。并入位置信息的进一步优点是，它允许本系统用在标准健康测试中。例如，一般心血管 健康的良好标志是"一英里健康测试"。在这个测试中，人轻快地行走一英里，并且记录其在 一英里的结束处的脉搏。定位系统在人已经行走了一英里时将自动地通知他们，并且记录 此时的心率。类似地，在临床应用中，六分钟行走测试被常规地使用。在这种行走中，要求 人按他们自己的步调行走六分钟，并且走过的距离作为他们一般心血管健康的标志。集成 的定位系统将自动保持对走过距离的跟踪、和在该时段期间的心率和呼吸速率。这样，通过 包括定位系统可提高本系统的利用率，该定位系统配置成监测活体的位置，并且同时跟踪 他们的生理活动。
[0037] 图8示出了本系统如何计算与通气阈值相关的参数的示意图。本装置可记录在运 动时段上的心率和呼吸速率。在运动结束时，本装置可画出心率对在该心率下看到的平均 呼吸速率。在图8中示出这样一条曲线的示意图解。如果运动强度接近于人的最大值，那 么曲线可用来辨别"转折点"，在该"转折点"处，呼吸速率相对于心率更快地增加。这种情 况发生处的呼吸速率可用作通气阈值（VT)的替代物。当人经历健康规划时，可在数周或数 月的过程中跟踪这个参数的值。
[0038] 在一个实施例中，本系统包括传感器单元、和监测与显示单元，其中结果可被分 析、可视化及传送给用户。如果需要，传感器单元和显示/监测单元可并入单个独立装置 中。该装置可以包括一个或多个运动传感器（用来探测一般身体运动、呼吸、及心率）；处 理能力（导出与心脏活动、呼吸及运动直接相关的信号，并因此导出诸如呼吸速率、心率及 运动等参数）；显示能力（提供视觉反馈）；听觉能力（提供声音反馈，例如其频率随呼吸变 化的音调、或每次探测的心搏的声音）；将获取的数据发送到分离的单元的通信能力（有线 的或无线的）。这个分离的单元可以执行上述的处理、显示和听觉能力。
[0039] 更明确地说，典型的传感器将包括一个或多个射频多普勒（Doppler)传感器，这 些射频多普勒传感器发射射频能量（典型地在IOOMHz至IOOGHz的范围内），并且使用反射 的接收信号构造运动信号。为了容易解释，我们将首先把我们的讨论限制到只使用一个传 感器单元的情况。该工作依据的原理是从该单元发射如下的射频波
[0040]s(t)=u(t)cos(231fct+ 0 ) (1)
[0041]在这个实例中，载波频率是f。，t是时间，并且0是任意相位角。u(t)是脉冲形 状。在连续波系统中，值总是为一，并且可从公式（1)中省去。一般而言，脉冲将被定义为
[0042]

【权利要求】
1. 一种用于测量、分析和显示呼吸、心脏活动以及身体运动的系统，所述系统包括： 一个或多个传感器，配置成接收来自活体的反射射频信号； 处理器，配置成分析该反射信号以确定活体的生理活动的测量结果；以及 显示器，设置成将与该生理活动相关的选中信息提供给系统的用户。
【文档编号】A61B5/00GK104352225SQ201410482368
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2007年10月31日 优先权日:2006年11月1日
【发明者】P·德沙扎尔, C·汉利, C·赫尼根 申请人:瑞思迈传感器技术有限公司