用于左心室射血分数或心搏量确定的固有频率分析的制作方法

本文件涉及用于左心室射血分数和/或心搏量确定的血液动力学波形分析。

背景

心血管疾病(CVD)是美国每年大约每三个死亡中的一个的根本原因。同样地，大约34％的美国成人正患有一种或多种类型的CVD。在2010年，CVD的总的直接和间接花费大约是5030亿美元。

无疑地，存在对于开发用于诊断和监控CVD的新的方法和设备的迫切需要。诊断使早期的干预和补救成为可能。监控在行为矫正和预防中以及在导致紧急入院治疗、发病和/或死亡的急性事件的避免中可以是有用的工具。满足这些和其他需要的新的方法和设备有利地采用无创检测以减少医疗并发症并增加患者的舒适度。理想地，它们也易于医疗人员以及受试者他们自己使用，特别是在家庭环境中。

概述

描述了基于固有频率(IF)概念的方法、系统和设备的示例实施例，其使能够无创检测左心室射血分数(LVEF)、心脏出量(CO)和心搏量(SV)。这些实施例根据其压力波、相关联的壁位移波和/或流量波考虑关联于血流的固有频率，以便执行被试者计算。在许多实施例中，只有波形的形状而没有幅值用于这样的计算。无创的方法、系统和设备也可以被用于检测而无需校准。

本文描述的主题内容的其他系统、设备、方法、特征和优点在审阅下面的附图和详细描述之后对于本领域技术人员将是或将成为明显的。其意图是所有这样附加的系统、设备、方法、特征和优点被包括在本说明书、在本文描述的主题内容的范围内、以及由所附权利要求进行保护。在权利要求中缺少对那些特征的明确记载时，示例实施例的特征决不应当被解释为限制附加的权利要求。

附图简述

本文提供的图可以是图解的并且不一定按比例绘制，其中为清楚起见某些组件和特征被夸大和/或被抽象。由图示的实施例的变型被预期。因此，图中的方面和元素的描绘不旨在限制权利要求的范围，除非在本文中明确声明这样的目的。

图1A和1B图解地示出人体循环系统中的心脏和主动脉的动态耦合。

图2A和2B是描绘了IF处理系统的示例实施例的透视图。

图3是描绘评价IF参数并进行诊断的方法的示例实施例的流程图。

图4A是将测量的射血分数和固有频率参数相关联的图表。

图4B是将测量的射血分数和从固有频率中计算射血分数相关联的图表。

图5和6是比较根据人类受试者从2D超声心动图中计算的射血分数相对于利用在颈动脉位置处的皮肤运动波形根据受试者IF方法计算的射血分数的图表。

具体描述

在详细描述当前主题内容之前，应理解的是，本公开内容不限于所描述的特定实施例，因此当然是可变化的。还应可以理解的是，本文所用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制，因为本公开内容的范围将仅由附加的权利要求来限制。

应当注意的是，关于本文提供的任何实施例所描述的所有特征、元素、组件、函数和步骤旨在自由地与来自任何其他实施例的那些进行结合或由其替代。如果关于仅一个实施例描述了特定的特征、元素、组件、函数或步骤，那么应当理解的是，那个特征、元素、组件、函数或步骤可以与本文描述的每个其他的实施例一起使用，除非另有明确说明。这个段落因此充当在任何时刻引用的权利要求的前置基础和撰写支持，权利要求结合来自不同实施例的特征、元素、组件、函数或步骤或利用另一个实施例的特征、元素、组件、函数或步骤来替代来自一个实施例的那些，甚至即使在特定实例中以下描述没有明确地陈述这样的结合和替代是可能的。可以认识到，每个可能的结合或替代的明确记载是过于繁冗的，特别是考虑到每一个这样的结合和替代的容许性将是本领域普通技术人员容易认识到的。

如在USPPN 2013/0184573中所解释的，通过心脏生成的压力和流量波在适合的动脉血管中传播。图1示出在心脏收缩时耦合的心脏-主动脉系统10，其中主动脉瓣打开(未显示)并且血液通过心脏12被泵送到主动脉14中。因此，心脏和主动脉在主动脉瓣关闭之前建立耦合的动态系统。如在图1B中所示，在心脏舒张期间瓣膜关闭之后，心脏和主动脉系统在第二系统状态10’中解耦。

在每一个状态中主动脉波包括关于心脏动力学、动脉网络动态以及心脏-主动脉耦合的信息。通过如本文进一步详细描述的分析这样的信息的提取基于固有频率(IF)方法，其能够进行以下的计算和近似：

单独的来自动脉压力波形的左心室射血分数(LVEF)；

单独的来自该压力波形的心脏的左心室心搏量(SV)；

单独的来自该压力波形的心脏的心输出量(CO)；

单独的来自动脉壁位移波形的左心室射血分数(LVEF)；

单独的来自该壁位移波形的左心室心搏量(SV)；和/或

单独的来自该壁位移波形的心输出量(CO)。

值得注意的是，数据分析的传统方法是基于数据将是静态和线性的假设。傅里叶分析恰好是典型的、并且经常被使用的方法。但是，已知的事实是静态和线性假设不适用动脉波。因此，稀疏的时间-频率表示(STFR)的新方法已经被开发，该方法可以被应用于本文以实现以上的以及另外其他的方法和目标。

SFTR方法被采用，因为它良好地适于非线性数据分析，它对噪声干扰不敏感并且，它保存信号的一些固有的物理特性。一般的STFR问题被如下定义：

最小化 M

服从于：在本文描述的实施例中，简化且修改的STFR版本可通过最小化以下公式来采用；

服从于：

其中，T0是主动脉瓣关闭的时间(即，在血液动力学波形中的测量的或绘制的重搏切迹处)，以便确定IFω1，ω2的值以及其他适合在重搏切迹的任一侧上的两个域中的波形的IF参数，诸如a1、b1、a2、b2和c常量。关于IF参数确定的更多细节在USPPN 20130184573中进行描述，其通过引用将其全部并入以用于所有目的。

LVEF和/或SV可以如在等式3和4中所示来确定：

LVEF＝f1(IF,p最小,p最大,p平均,T0，HR) (3)

SV＝f2(IF,p最小,p最大,p平均,T0,HR) (4)

其中，IF是固有频率参数(ω1，ω2、a1、b1、a2、b2和c)，p最小是在对应于舒张压的心搏周期中的血液动力学波形信号(如将被本领域普通技术人员理解的，其可以利用输出例如依据电压、光强、微波强度、其他波强、位移或压力的信号的设备来测量)的最小值，p最大是在对应于收缩压的心搏周期中的信号(再一次地，其可以依据电压、压力等每一个上述项)的最大值，p平均是在整个心搏周期上的信号(再一次地，其依据电压、压力等)的平均值，T0是左心室射血时间或切迹时间(即，从波形的起始到切迹的时间)，以及HR是心率。心输出量(CO)可以通过SV乘以HR来计算。

在这些公式中使用的参数的组合取决于波形被测量的位置以及获得的波形的种类(例如，如在压力波、血管壁位移波和皮肤运动波之间)。如以经验确定的，在使用升主动脉压力波形的情况下，等式3和4中的f1和f2分别变成如下面的等式5和6中的表示。因此，LVEF和/或SV可以使用以下等式来计算：

其中，SR是收缩时间比率(SR＝T0/HR)，并且k1、k2、k3、k4是通用常量。CR可以使用以下等式来计算：

这些被采用的波形可以使用如图2A和2B中示出的系统来获得和/或处理。所捕获的波形和/或基于相同波形的IF结果可以实时地被产生和/或被显示以用于医生评估和/或被记录以用于监控或随后的医生评估或其他分析。可选地，基于IF结果的诊断可以被显示，警告可以被触发等等，以用于没有受过医学地或专门地训练的用户(例如，当家庭使用或一般练习医生的情况下)。

无论如何，在以上的上下文中“实时”所意味的内容通常将通常意味着它将花费用于计算和数据表示的数据采集的事件中的大约1秒或更少。理想地，这样的动作发生或执行而没有可察觉的延时。但如说明的是，在主题的实施例中的实时活动涉及这样大量数据的操纵和计算，其任务往往超出可行的人类能力，从而要求使用计算机处理器。

在任何情况下，图2A图解地示出基于计算机的系统100，其中扫描仪110包括用于发送和接收信号112的板上电子设备以获得血液动力学的波形测量值。微波传感器(至少用于测量血管位移)和/或超声波传感器(用于测量血管扩张和血流速度/血流量中的一个或两者)的使用以用于这样的目的是众所周知的。适用的公共可用的硬件的例子包括在GE LOGIQ Book便携式超声机中所采用的硬件，其技术容易地适于主题方法和系统。适合的微波传感技术在Fletcher，R R以及S Kulkarni于2012年2月3日在IEEE 2010第265-369页web.发表的“Clip-on wireless wearable microwave sensor for ambulatory cardiac monitoring”中进行描述。

同样也可使用其他类型的扫描仪。这些包括张力测量(tonomeric)和光学单元。在之前的情况中，张力传感器将包括力或压力传感换能器，其产生对应于基于压力或壁-位移的血液动力学波形的电信号(例如，电压输出)。光学扫描仪可以在产生与血液动力学波形关联的信号中体现多种技术中的任意技术。在一个实施例中，光学扫描仪可以包括适于测量壁位移波形的红外(IR)二极管和传感器。在另一个实施例中，扫描仪作为照相机操作。在这种情况下(是否在平板扫描仪格式中、在典型的独立式数码照相机格式中或被合并入iPAD的面板(bezel)中等等)，这样的设备能够捕获被印刷或另外显示的血液动力学波形并将其转换为采用CCD、CMOS等的数字表示。之后，计算机程序(诸如UN-SCAN-IT图形数字化仪)可以被采用以产生表示捕获的血液动力学波形的信号以待由计算机处理器接收以用于分析。

因此，扫描仪110可以是手持的以用于扫描如显示的坐着或站着的病人90。或者扫描仪硬件可以被合并入C型臂或通道以用于扫描躺下的病人。其他扫描仪硬件选项呈现在美国专利第5,363,855号和第5,439,001号中，两者通过引用将其全部并入本文以用于所有目的，以及呈现在并入的USPPN 20130184573文件中。

手持式扫描仪可以有利地是靠电池供电的以便避免连接至壁式插座。无论是手持式或被并入的或在较大单元内，扫描仪110可以通过无线(如所指示的)或有线(未示出)通信与选择性地包括显示器122的通用计算机120交互以分别执行并传达结果。或者，板上处理和/或显示硬件可以与传感器外壳本身一起提供。这样的选择对于手持式或半便携式设备是特别有用的，由于这些可以由患者/受试者在家、在旅行期间等使用。

值得注意的是，所有的硬件可以位于一个位置中。可选地，计算机系统可以位于像基于“云”选择的远程位置中。进一步地，系统可以由计算机及其编程组成且不具有传感器装置。在这样的情况中，系统可以包括光学扫描仪或其他照相机装置以用于通过另一个(已经可用的)测量机器(例如，上述的GE扫描仪等)产生的波形的图像或其他电子捕获。

作为另一个选择，图2B示出便携式设备100’。其包括具有完整显示器122的平板计算机设备124(例如，iPAD)。张力测量或光学扫描仪110’被显示为经由总线126和有线连接128连接至计算机124。但是，(无论何种类型的)扫描仪可以如之前的例子一样进行无线连接。可选地，在捕获血液动力学波形中采用的扫描仪可以是被集成在设备中的照相机110”。

无论负荷捕获血液动力学波形(多个血液动力学波形)，给定的波形可以如图3的实施例中所描述的方法来分析。特别地，在方法200中，在202处得到一个或多个波形以用于分析。数据最初可以是数字形式或者可以被转变为数字形式。其可以来自压力波、壁位移波和/或流量波。无论以何种方式获得的，在204处，可以根据等式(2)计算IF参数。

在206处，左心室射血分数(LVEF)可以被计算。由此，在208处，可以进行关于心血管疾病(CVD)的诊断连同相关联的风险的估计。基于射血分数值这样做是医生通常能力内的一些事情。这种诊断和/或估计可以被计算机化取代。同样地，在214处，分配或推荐适当的治疗或预防策略可以由医生或通过从计算机数据库中查询和输出提示而提供。

除了LVEF计算之外或者作为LVEF计算的替代，在210处，受试系统可以计算心搏量(SV)。一旦被获得，则在212处，心输出量(CO)可以被计算作为SV和受试者的心率的乘积。(如在208处的)诊断/估计可以跟随有(如在214处的)可以推荐的治疗/预防活动。

例子

图4A呈现了证明侵入性测量和使用等式(5)计算的IF参数(ω1和ω2)之间的关联的图表220。此处，压力和超声心动图数据来自三只狗的样本。压力是侵入性测量的并且EF通过超声心动图测量。在图表中，通过2D超声心动图的方法测量的EF被呈现(y-轴，EF-回波)相对于通过等式5(x-轴，f(ω1和ω2)计算的IF参数，其采用同时被2D回波进程测量的侵入性升主动脉压力波形。两个虚线是±10％的误差线。(值得注意的是，EF-回波本身固有包括15％的误差)。因此，图表220指示在直接EF测量和通过在从波形信息中计算EF的IF方法导出的那些之间的极好的一致性。

在图4B中，图表220’示出六只狗的相关比较。如上所述，IF方法被采用，其使用修改版本的稀疏的时间-频率表示(STFR)以从在狗身上侵入性测量的压力波中提取固有频率(ω1和ω2)。如所示，相比于通过标准超声心动图(EF-回波)测量的LVEF，从IF中计算的LVEF沿着图形的X-轴呈现。再一次地，结果证明在EF-回波和从IF参数中近似得出的射血分数的强烈的一致性。虚线代表±15％的误差线。最重要的是，所有的低射血分数数据点(<40％)在误差边界内。

固有频率可以从在位置上的皮肤的运动的测量中被提取，在该位置中动脉在皮肤下面通过，例如在颈部(颈动脉位置)、手臂(臂部位置)以及手腕(径向位置)处。在图5中，图表230显示从2D超声心动图(EF-回波)中计算的射血分数相对于利用人体测试受试者的颈部(颈动脉位置)处的皮肤运动波形由IF方法(EF-IF)计算的EF。皮肤运动波形使用智能手机照相机和光来测量。再一次地，等式5用于计算EF，其中k1和k2均约等于1以提供最优解。图表中的虚线是15％的误差线。再一次地，证明了基于回波的和基于IF的之间的极好的一致性。其他功能在进一步学习之后可以用于替代方案中。

对于在图5中表示的相同测量和计算，图6提供了Bland Altman图240，该图显示了在临床建立的EF-回波方法和来自皮肤波形运动的受试者EF-IF方法之间的一致性。明显的是，没有关于误差的任何特定比例或幅值的证据。此外，整体系统的可变性被标记，其与在超声心动图EF测量中的上面引用的错误相一致。

变型

除了在以上详细公开的实施例之外，在所描述的类型内还有更多实施例，并且发明人打算将其涵盖在本说明书和权利要求中。本公开旨在是示例性的，并且权利要求旨在覆盖本领域普通技术人员可以预见的任意修改和替代方案。

此外，在本文中连同实施例一起描述的各种说明性的过程可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编辑门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件(PLD)、分立式门逻辑或晶体管逻辑，分立式硬件组件，或被设计成执行本文描述的功能的任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器可以是计算机系统的部分，该计算机系统还具有与用户界面通信且接收由用户输入的命令的用户界面端口，该计算机系统具有至少一个存储器(例如，硬盘驱动或其他类似的存储器，以及随机存取存储器)，该存储器存储包括程序和视频输出的电子信息，该程序在处理器的控制下运行并且经由用户界面端口进行通信，以及该视频输出经由任何类型的视频输出格式产生其输出，例如，VGA、DVI、HDMI、显示端口或其他任何形式。

处理器也可以被实施作为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核，或任何其他这种配置。这些设备也可以用于选择用于如本文描述的设备的值。照相机可以是任意类型的数码照相机，包括使用CMOS、CCD或其他数字成像捕获技术的那些数字照相机。

本文中连同所公开的实施例所描述的方法或算法的步骤可以直接体现在硬件中、在通过处理器执行的软件模块中或两者的组合中。软件模型可以存在于随机存取存储器(RAM)、闪存存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除的可编程ROM(EPROM)、寄存器，硬盘，可移动盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其他形式的存储介质。示例性存储介质被耦合至处理器使得处理器可以从存储接种中读取信息以及将信息写入到存储介质。在替代方案中，存储介质可以被集成到处理器。处理器和存储介质可以存在于ASIC中。ASIC可以存在于用户终端。在替代方案中，处理器和存储介质可以存在作为用户终端中的分立组件。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可实现在硬件、软件、固件或其任意组合中。如果在软件中实现，则功能可以被存储在分析/计算数据输出上、被传输在分析/计算数据输出上或产生分析/计算输出作为一个或多个指令、代码或计算机可读介质上的其他信息。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质二者，该通信介质包括便于计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。通过举例且非限制性的方式，该计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储装置，或可用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并可以通过计算机访问的任何其他介质。存储器也可以是旋转磁性硬盘驱动器、光盘驱动器或基于闪存存储器的存储驱动器或其他这种固态、磁性或光学的存储设备。此外，任何连接都可被恰当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是从网站、服务器或使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外、无线电和微波的无线技术的其它远程源传输的，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或诸如红外、无线电和微波的无线技术被包括在介质的定义中。如本文中所使用的磁盘(disk)和光盘(disc)，包括压缩光盘(CD)、激光盘、光学盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁化方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。

如本文所描述的操作可以在网页上或通过网页执行。网页可以在服务器计算机上操作，或者本地操作，例如被下载至客户端计算机，或通过服务器场操作。网页可以通过移动电话或PDA或任何其他客户端访问。网页可以使用任何形式(例如MHTML或XML)的HTML代码，以及通过诸如级联样式表(“CSS”)或其他的任何形式使用HTML代码。

另外，本发明人希望的是，只有那些使用词语“意味着”的权利要求旨在根据35USC112的第六段来解释。此外，来自本说明书的限制不旨在曲解任何权利要求，除非那些限制明确地被包括在权利要求中。本文描述的计算机可以是任何类型的计算机，或者是通用计算机，或是一些专用计算机，例如工作站。程序可以用C、或JAVA、Brew或任何其他编程语言编写。程序可以存在于存储介质上，例如磁或光的存储介质，例如计算机硬盘、可移动盘或诸如记忆棒或SD介质的介质，或其他可移动介质。程序也可以在网络上运行，例如，使用服务器或其他将信号发送至本地机器的其他机器，其允许本地机器执行本文所描述的操作。

另外，可以预期的是，所描述的实施例的变型的任何可选特征可以被独立地阐述和要求保护，或者与本文描述的任何一个或多个特征相结合。参考单数项，包括存在多个相同项的可能性。更具体地，如本文使用并在附加的权利要求中，单数形式“一(a)”、“一(an)”、“所述”以及“该”包括复数个参照对象，除非另有明确说明。换句话说，冠词的使用允许以上描述中以及在以下权利要求中的主题项的“至少一个”。还应当注意的是，权利要求可以被撰写以排除任何可选元素。因此，这个声明旨在用作与权利要求元素的记载联合使用的这种排外的术语如“单独地”、“仅”等前置基础，或者“否定”限制的使用。

在没有使用这样的排外术语的情况下，权利要求中的术语“包括”将允许包括任何附加元素，无论给定数目的元素是否被列举在权利要求中，或者特征的添加可以被视为转化在权利要求中阐述的元素的性质。除了本文中所特殊定义的，本文所使用的所有技术和科学术语在保持权利要求的有效性的同时尽可能给定广泛的普遍理解的含义。

虽然实施例容易受到各种修改和替换形式的影响，但是其特定例子已经被显示在附图中并且在本文中被详细地描述。但应当理解的是，这些实施例不被限制为所公开的特定形式，而是与此相反，这些实施例覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同物以及替代选择。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元素以及否定限制可以被记载或加入到权利要求，该否定限制通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元素来定义权利要求的发明范围。