心肺复苏术期间经自适应分段拼接算法的真实心电图测量的制作方法

专利名称：心肺复苏术期间经自适应分段拼接算法的真实心电图测量的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于心电图(ECG)信号的处理的系统、方法和设备的领域。更具 体地，本发明涉及用于ECG信号中由心肺复苏术(CPR)引起的假象(artifact)的自适应降 低的系统、方法和设备。
背景技术：
自从创造了自动体外除颤器(AED)以帮助减少心搏停止的事件以来，已经过近 二十年。经过这段时间，AED在例如办公室、购物中心、体育场和高行人流量的其它区域的 公共场所已经变得更加普遍。AED使市民能够在公共场所的心脏急诊期间提供医疗帮助， 其中帮助以前在心脏事件的关键早期阶段的不可用的。近年来，开发出能够准确检测心室 心律失常和不可电击的室上心律失常的全自动体外除颤器，例如在I^ayne等人的美国专利 5，474，574中描述的那些全自动体外除颤器，以治疗无人照管的患者。这些设备治疗患有心 室心律失常的患者，并且在实时检测可电击心律失常方面具有高灵敏度和特异性。此外，已 经开发出AED来充当诊断监视设备，这些诊断监视设备能够在医院设施中自动提供治疗， 如Lin等人的美国专利6，658，290中所展示的。除AED领域的进步之外，在人体生理学以及人体生理学与医疗的关系的理解方面 已经取得若干进步。医学研究方面的这些进步导致处理物理创伤事件时新协议和标准操作 过程的开发。例如，在用于除颤的公共接入协议方面，最近的指南已经强调了对和AED—起 使用的心肺复苏术(CPR)的需要。事实上，最近的针对心肺复苏术和心血管急救的美国心 脏病学会(AHA)指南建议通过检测可电击心律，应用电击并接着提示抢救人员立即恢复 按压，AED可以进一步被集成到应急协议中。(American Heart Association Guidelines for Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care, IV—36, American Heart Association，he.，2005)。此外，指南评论道可以开发这样的AED，其具 体在减少由于患者的再鉴定而导致的被抑制的按压的数目以及保证高效移交给受训练的 医学专业人员方面进一步再教育或帮助抢救人员。指南以及独立的研究导致包含性的方 案，其涉及除颤和CPR，作为用于AED设备的建议方法。在提供除颤的同时，当前的AED不能实现指南推荐的当前建议的AED使用方法。当 前可用的多数AED试图对心室心律进行分类。具体地，当前AED试图区分可电击心室心律 和所有不可电击的其它心律。这种心室心律检测和分析需要实时分析ECG波形。因而，AED 的功能、准确性和速度严重依赖于用于实时分析ECG波形的算法和硬件。在许多实现中，算法依赖于心率计算和由ECG波形导出的各种形态学特征，例如 Payne等人的美国专利5，474，574和Siang等人的美国专利6，480，734中公开的ECG波形 系数和不规则性。此外，为了提供足够的处理能力，当前AED通常把算法和控制逻辑嵌入微 控制器中。注意到，当前的算法和特定硬件实现能够对AED的效能产生深刻的影响。具体地， ECG信号的信噪比较大地影响AED性能。例如，在抢救工作期间，许多当前AED中实现的算法需要若干秒的干净ECG信号数据以分类所感测的心室心律。在抢救人员可以按照接近每 分钟100周期的指定速率应用胸部按压和放松的心肺复苏术期间，得出这种干净信号数据 的机会显著降低。实际上，胸部按压和放松在ECG记录中引入显著的运动假象。另外，ECG 信号在心室心律失常事件期间表现出不良的幅度，从而进一步降低信噪比，经常导致低质 量或不可用的信号。在这些情况下，现有心律失常识别算法不能充分执行，从而将患病人员 置于危险中。已经进行尝试来通过改变ECG电极和模拟前端电路的设计来降低传感假象的影 响。一个设计在ECG放大器中针对高通过截止实现较低截止频率。其它设计利用具有非 常高的共模抑制比(CMRR)的差动放大器，以试图在一定程度上避免假象。然而，在这些设 计中，需要在数字域捕获良好质量的信号以利用数字逻辑和算法移除任何假象。这主要是 由于这样的事实模数转换期间由于饱和效应而损失的信号量不能利用当前已知技术来恢Μ. ο除电极的设计之外，在当前的CPR标准和实践下，当前算法在假象过滤方面不是 有效的。当前的挑战之一是甚至在CPR按压周期期间识别可电击心脏心律并且实时识别 不可电击/恢复心律。因为心搏停止状态是一个重要度量，另一个挑战是准确地检测心搏 停止。已经提出识别和移除能够破坏ECG信号的CPR假象的各种方法。例如，美国专利 6，961，612使用参考信号来尝试移除假象。美国专利7，039，457提供了算法以及参考信号， 该算法依赖于关于心脏系统的工作的假设。美国专利6，807，442使用多个传感器作为CPR 活动的指示器并且提供参考信号。美国专利6，961，612使用指示CPR活动的参考信号来识 别CPR假象在ECG分段中的存在。W0/2006/015348公开了利用经胸廓的阻抗测量来识别显 著的患者运动。美国专利5，704，365描述了利用多个ECG引线来估计ECG信号上噪声的影 响。美国专利7，295, 871公开了一个利用线性预测滤波和回归最小平方的针对系统识别的 频域方案。在某些最近的研究中，KJhineberger介绍了基于滞后参考信号上的自适应回 归的 ECG 滤波的替代方法(Rheinberger, et al. , Removal of resuscitation artifacts from ventricular fibrillation ECG signals using kalman methods, Computers in Cardiology (2005))。其它的(PR假象检测和过滤方法关注于利用调频而不是参考信号来 移除异常° (See Aramendi et al. ， Detection of ventricular fibrillation in the presence of cardiopulmonary resuscitation artifacts，Resuscitation (2007)) 0 其它 所公开的实现响应情形下的治疗的方法关注于CPR活动的检测和确定，并且利用胸部按压 检测器(EP 1859770 Al)或加速计(美国专利7，122,014)来估计CPR按压的深度和存在。然而，所有这些平台或方法在根据最近的美国心脏病学会CPR指南提供实时治疗 时具有限制和问题。因而，需要一种用于从ECG信号中过滤CPR假象的方法和设备，其在不 同范围的ECG分段上是有效的，计算成本低，并且表现出准实时的分析和过滤，因而允许获 得用于确定可电击和不可电击状态的干净ECG信号。

发明内容
本发明各个实施例公开了用于实时地从所感测的ECG信号中过滤信号假象的方 法和设备。各个实施例包含利用分段拼接自适应算法从ECG信号中过滤信号假象的设备或 自动化方法。各个实施例在例如专门设计的计算机处理器或微处理器的计算机硬件中实现5分段拼接自适应算法。其它实施例在计算机可访问的非易失存储器上存储分段拼接自适应 算法。在各个实施例中，硬件被连接到感测生理学信号的传感器。在某些实施例中，传感器 之一感测ECG信号。在其它实施例中，其它传感器感测假象信号。假象信号可以是CPR按 压信号、血液动力学信号或反映可在ECG信号中产生假象的其它生理机能的其它信号。此 外，利用类似超声波、光学感测和心冲击描记图，能够指示假象的物理来源的感测技术能够 获得CPR假象表示信号。方法和设备于是可以通过从ECG信号和假象信号中选择信号样本窗口来执行分 段拼接自适应算法，以从ECG信号中移除由假象信号产生的假象。由ECG信号和假象信号 可以产生初级信号分段和次级信号分段。可以确定初级和次级信号分段之间的关系，这允 许基于所确定的关系估计初级信号中的信号假象。最终，各个实施例可以从初级信号分段 中移除所估计的信号假象。在各个实施例中，心律分析算法可以被用来识别可电击ECG心律。这可以允许方 法和系统被用在例如自动体外除颤器(AED)的医学设备中。心律分析算法可以允许管理遵 守针对CPR的最近过程、实践和指南的生命维持治疗。在各个实施例中，方法和设备会通过仅在感测到假象信号时才实现假象过滤处理 来优化过滤和感测。通过这种方式，降低了所需的功率和治疗施加的时延。在其它实施例 中，取决于ECG信号和假象信号之间的时间延迟，以均勻和非均勻大小的信号样本窗口从 ECG信号和假象信号中选择信号样本窗口。因而，方法和设备可以在感测时由于传感不足 (sensory deficiency)而导致的延迟，以及由生理学差别导致的延迟。在某些实施例中， ECG和假象信号中信号分段的开始时间和结束时间会匹配。在其它实施例中，通过利用自适 应索弓I (adaptive indexing)或逐段回归(segment by segment regression)方案来石角定 ECG信号和假象信号样本窗口开始和结束时间。在各个实施例中，分段拼接自适应算法会利用偏移自相关计算来估计ECG信号和 假象信号之间的相位超前或相位滞后。这些估计可以被存储在存储器中，以备将来用于选 择其它信号样本窗口。在各个实施例中，分段拼接自适应算法利用加权方案来对初级和次 级信号分段应用权重。在某些实施例中，所有分段被等加权。在其它实施例中，中央分段加 权被用来对中央信号分段提供更高权重。在各个实施例中，方法和设备可以感测指示其它生理学过程的其它信号中产生的 假象。因而，在某些实施例中，假象信号是血液动力学活动的测量。此外，方法和设备可以 在提供假象信号时对初级信号利用无源(passive)或有源(active)过滤。因而，在某些实 施例中，利用带通滤波器对ECG信号进行滤波以提供假象信号。在这些实施例中，方法和设 备仅需要一个感测的信号来过滤信号假象。


图1是自动体外除颤器的示意图。图2是根据本发明一个实施例的利用分段拼接自适应算法的自动体外除颤器的 示意图。图3是根据本发明一个实施例的利用卷积的分段拼接算法的图形表示。图4是描述根据本发明一个实施例的利用卷积的分段拼接算法的操作的流程图。
图5是根据本发明一个实施例的利用回归的分段拼接算法的图形表示。图6是描述根据本发明一个实施例的利用回归的分段拼接算法的操作的流程图。图7是根据本发明一个实施例的利用可变窗口回归的分段拼接算法的图形表示。图8A是根据本发明一个实施例的分段拼接算法的实现的示意图。图8B是根据本发明一个实施例的分段拼接算法的实现的示意图。图8C是根据本发明一个实施例的分段拼接算法的实现的示意图。图8D是根据本发明一个实施例的分段拼接算法的实现的示意图。图9是根据本发明一个实施例的被集成到除颤器中的分段拼接算法的示意图。图IOA是被CPR假象破坏的心室心动过速波形的图形描述。图IOB是恶化和噪声波形的图形描述。图IOC是利用根据本发明一个实施例的分段拼接算法恢复的心室心动过速波形 的图形描述。图11是根据本发明一个实施例的利用分段拼接自适应算法的自动体外除颤器的 示意图。
具体实施例方式如在背景技术中所述，在当前AED中实现了若干算法，以尝试满足修订的AHA心肺 复苏和心血管急救指南。一个实现是自适应滤波器技术，这里关于如图1中提供的结合这 种算法的AED通用示意图进行简要回顾。虽然可以利用若干算法实现自适应滤波器，但最经常利用的是最小均方(LMS)算 法和其派生算法。在LMS自适应滤波器中，采用均方成本函数，即ξ =E[e2(n)]。然后，自 适应滤波器使用最陡梯度算法将瞬时平方误差ξ (η)最小化。该算法以步长μ在负梯度 方向上更新系数向量。例如，在FIR自适应滤波器的情况下有w(n+l) = w(n)-y 2. N' ξ (η)(A)其中，能够每个采样调整权重w (η)。在很多自适应算法中利用的另一个算法是递 归最小二乘(RLQ算法。在RLS算法中，成本函数由下式给出f ⑷=i>A、2 ⑴0(B)= X [4)-^ (Ow⑷]1=0在计算方面，对于基于LMS和RLS的自适应滤波器，都需要对每个采样进行{w (η)} 的值的更新。这些计算非常耗费成本，并且每个更新都需要多个计算。此外，没办法在每个 窗口中对正在对每个采样进行的计算进行调整。另外，自适应算法具有建立时间，且该用于 最小误差输出或有用信号(去除了噪声)的建立时间花费若干秒。建立时间还取决于LMS 算法的μ以及RLS算法的权重和参数λ的初始值。在CPR假象去除问题中，ECG和CPR信号的时变属性增加了自适应过程的复杂性。 ECG信号从室性心动过速(VT)变化到心室纤颤(VF)、细心室纤颤以及心搏停止。此外，恢 复信号也从心搏停止变化到细VF、VT、室上性心动过速(SVT)等。所有这些波形的频率和 振幅示出它们本身内的巨大变化。在这些变化之上，诸如压缩和扩张的CPR假象在救助人员之间以及在CPR的特定周期期间以宽范围变化。此外，压缩和扩张的实际振幅以宽范围 变化。实质上，与CPR假象匹配的心室信号的可变性阻碍自适应滤波器建立，降低实现该方 法的设备的操作能力。带着对当前自适应滤波器技术的能力和不足的这种理解，说明本发明的实施例。其它实施例提供使用分段拼接自适应算法(PSAA)对ECG信号进行降噪的方案。在 各实施例中，PSAA可以利用分段回归和/或分段去卷积方法，以便高效地分析和清洁感测的心室信号。在各实施例中，PSAA利用从测量CPR行为的设备接收的参考信号。这些实施例允 许PSAA具有所有CPR行为的基线或参考，所述基线或参考能够用来将CPR行为与感测的 ECG相关联。在获得CPR信号中利用的获取方法、起源、采样技术、滤波方法和传感器反映出 在获得ECG信号中利用的获取方法、起源、采样技术、滤波方法和传感器。例如，可以利用共 模ECG确定CPR参考信号，以便确保CPR行为的适当表现。通过利用同样的技术，CPR参考 信号可以一对一地与ECG信号参考相映射，导致CPR数据与ECG数据的瞬时相关。其它实施 例可以利用根据感测机械加速度、速度或距离测量产生的参考信号。然而，在利用这些可选 的参考信号时，由于参考信号和ECG的假象分量之间的可能的因果关系，准确度可能下降。 因此，实施例可以利用沿着时间序列ECG的时间序列CPR信号来提高准确度。虽然在测量CPR参考信号和RCG信号时利用相同的方法提供准确度，在采样帧内 感测信号仍然可能不一对一地对准。这可能部分由机械或电信号经由各身体组织的传播造 成。例如，经由肌肉细胞的传导可能生成信号中的失真。在其它情况下，由于传感器设备或 其它系统需要的不同，在感测ECG和CPR信号中利用的方法可以略微不同。虽然是略微的 不同，但这些不同也可能引入延迟，导致缺乏一对一的相关。各实施例可以利用卷积或传递 函数来帮助确定CPR信号和ECG信号之间的关系。这允许一个时间序列中的多个采样到另 一个时间序列的相关。例如，ECG信号的假象分量中多于一个的采样的分段能够被关联到 CPR参考信号中相似尺寸的分段。一旦建立，CPR参考信号和ECG信号之间的关系可以被用 来从ECG信号中去除假象。在各实施例中，瞬时去混合和去卷积算法都被用来从ECG信号 中去除CPR假象。为了理解本发明，应该对ECG和CPR信号发送中的各种信号和普遍原理进行讨论。 在理解了这些原理以及它们如何相关之后，可以实现对本发明的各实施例的进一步理解。诸如ECG信号、影响ECG信号的假象分量信号和参考信号的信号被视为随机信号。 这种信号不能按意愿再现。表现随机信号的主要统计学参数是随机信号的平均值、方差和 自协方差。只有在信号呈现遍历(ergodicity)的情况下实际的信号处理或时间序列估计才 有可能。在其所有统计属性能够根据充分大的有限长度的单个实现估计的情况下，随机信 号被定义为遍历信号。对于遍历信号，时间平均等于经由实现长度趋近于无限大的极限中 的期望算子得出的总体均值。对于真实的遍历信号，下面是估计公式
权利要求
1.一种实时地从ECG信号中过滤假象的设备，包括用于感测ECG信号的装置，所述ECG信号表示心脏组织的物理搏动； 用于感测假象信号的装置，所述假象信号表示生理机能； 用于利用分段拼接自适应算法从所述ECG信号中移除信号假象的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述分段拼接自适应算法包括 用于从所述ECG信号和所述假象信号中选择信号样本窗口的装置；用于基于所选择的样本窗口由所述ECG信号产生初级ECG信号分段并且由所述假象信 号产生初级假象信号分段的装置；用于确定所述初级ECG信号分段和初级假象信号分段之间的关系的装置； 用于基于所确定的关系估计所述初级ECG信号分段中的ECG信号假象的装置； 用于从所述ECG信号的所述初级信号分段中移除所估计的ECG信号假象的装置。
3.如权利要求1所述的设备，包括适于从所述ECG信号中过滤CPR按压假象的处理器 和分段拼接自适应算法处理器，所述分段拼接自适应算法处理器耦合到所述用于感测ECT 信号的装置和所述用于感测假象信号的装置，并且被编程为计算由所述假象信号产生的 ECG信号假象并且利用所述分段拼接自适应算法从所述ECG信号中移除所述ECG信号假象。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述分段拼接处理器适于执行存储于可操作耦合到 所述分段拼接处理器的存储器中的指令，所述指令包括从所述ECG信号和所述假象信号中选择信号样本窗口 ；由所述ECG信号产生初级ECG信号分段并且由所述假象信号产生初级假象信号分段； 确定所述初级ECG信号分段和初级假象信号分段之间的关系； 基于所确定的关系估计所述初级信号中的信号假象； 从所述初级信号分段中移除所估计的信号假象。
5.一种机器实现的过程，用于实时地从ECG信号中过滤信号假象，包括 用ECG传感器感测ECG信号，所述ECG信号表示心脏组织的物理搏动； 用假象传感器感测表示生理机能的假象信号；使用耦合到所述ECG传感器和所述假象传感器的分段拼接自适应算法处理器，以利用 分段拼接自适应算法自动地从所述ECG信号中移除所述信号假象，从而产生干净的ECG信号。
6.如权利要求5所述的方法，其中使用耦合到所述ECG传感器和所述假象传感器的分 段拼接自适应算法处理器以利用分段拼接自适应算法自动地从所述ECG信号中移除所述 信号假象包括从所述ECG信号中选择第一信号样本窗口以及从所述假象信号中选择第二信号样本 窗口 ；由所述第一信号样本窗口产生初级ECG信号分段以及由所述第二信号样本窗口产生 初级假象信号分段；确定所述初级ECG信号分段和初级假象信号分段之间的关系； 基于所述关系估计所述初级ECG信号分段中的信号假象； 从所述初级ECG信号分段中移除所估计的信号假象。
7.如权利要求5所述的方法，还包括使用心律分析算法处理器识别可电击ECG心律。
8.如权利要求5所述的方法，其中用假象传感器感测表示物理搏动的假象信号启动所 述分段拼接自适应算法处理器以利用分段拼接自适应算法自动地从所述ECG信号中移除 所述信号假象。
9.如权利要求6所述的方法，其中从所述ECG信号中选择第一信号样本窗口以及从所 述假象信号中选择第二信号样本窗口还包括根据所述ECG信号和假象信号之间的时间延 迟从由均勻大小的信号样本窗口和非均勻大小的信号样本窗口构成的组中选择信号样本 窗口，优选地，从所述ECG信号中选择第一信号样本窗口以及从所述假象信号中选择第二 信号样本窗口还包括通过匹配开始和结束时间来选择所述第一和第二信号样本窗口。
10.如权利要求6所述的方法，其中从所述ECG信号中选择第一信号样本窗口以及从所 述假象信号中选择第二信号样本窗口还包括利用非匹配信号样本窗口开始时间和信号样 本窗口结束时间来选择所述第一和第二信号样本窗口，优选地，从所述ECG信号中选择第 一信号样本窗口以及从所述假象信号中选择第二信号样本窗口还包括利用选自由自适应 索引和逐段回归的组的方案来指示信号样本窗口开始时间和信号样本窗口结束时间，优选 地，从所述ECG信号中选择第一信号样本窗口以及从所述假象信号中选择第二信号样本窗 口还包括自相关所述ECG信号和假象信号，交叉相关所述ECG信号和假象信号，以及利用自 适应索引方案来确定信号样本窗口开始时间和信号样本窗口结束时间。
11.如权利要求5所述的方法，其中使用耦合到所述ECG传感器和所述假象传感器的分 段拼接自适应算法处理器以利用分段拼接自适应算法自动地从所述ECG信号中移除所述 信号假象还包括利用偏移自相关计算估计所述ECG信号和假象信号之间的相位超前或相位滞后，其中 所述相位超前或相位滞后计算被存储在存储器中，以用于选择附加信号样本窗口。
12.如权利要求5所述的方法，其中使用耦合到所述ECG传感器和所述假象传感器的分 段拼接自适应算法处理器以利用分段拼接自适应算法自动地从所述ECG信号中移除所述 信号假象还包括用选自由等加权和中央分段加权构成的组的加权方案对初级和次级信号分段进行加权。
13.如权利要求5所述的方法，其中所述假象信号选自由CPR按压信号和血液动力学信 号构成的组，优选地，通过对所述ECG信号应用带通滤波器来产生所述假象信号，优选地， 通过利用时域估计产生等级来对所述假象信号分级，其中所述时域估计选自由零交叉和 峰-峰振荡构成的组，优选地，所述等级指示信噪比的质量并且提供置信度测量以用于进 一步的心律识别。
14.如权利要求6所述的方法，还包括产生所述ECG信号和假象信号的均值，其中针对 每个信号样本窗口刷新所述均值。
15.如权利要求10所述的方法，其中基于指定信号样本窗口长度和信号样本窗口交叠 在选择的信号样本窗口计算所述假象信号的自相关和所述假象信号和所述ECG信号的交 叉相关。
全文摘要
公开了一种心肺复苏术期间经自适应分段拼接算法的真实心电图测量。实时地利用分段拼接自适应算法(PSAA)从感测的信号中过滤信号假象，例如由心肺复苏术(CPR)造成的信号假象的方法和设备。PSAA是估计第一信号中出现的与第二信号高度相关的假象分量的方法。PSAA可以利用自相关和交叉相关计算来确定第一和第二信号中的信号样本窗口。PSAA可以基于初级信号和假象信号之间的所确定的相关性来估计初级信号分段中的信号假象。PSAA可以从初级信号中移除所估计的信号假象。在没有假象信号的情况下，PSAA能够利用滤波器估计第一信号中的假象。PSAA可以在自动体外除颤器、监视除颤器或能够感测高度相关的信号，例如ECG和CPR信号的其它设备中实现。
文档编号A61B5/0402GK102048531SQ201010543580
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者斯里康德·蒂亚加拉詹, 普拉博德·马图尔 申请人:心脏科学公司