多路换气监视器和方法

专利名称:多路换气监视器和方法
本发明针对一种设备和一种方法。更准确地说，本发明涉及用来对与呼吸和心血管的活动有关的多个信号进行实时监视的一种多路换气监视器和一种方法。
本发明是1985年4月10日提交的，申请号为753，069的未审定申请案的部分继续申请。
利用各种类型的仪器对人体的生理活动进行监视，这是公认的临床诊断人员用来检查生物功能中异常现象的方法。这些仪器中有用来测量心血管活动、呼吸活动、以及中枢神经系统活动的各种监视器。对生理活动进行监视时，通常将一个检测器固定在人体上，同时又将它与一个信号翻译器相联。信号翻译器可以是比较简单的(即，美国专利4，169，462-给斯特拉布(Strube)的)，或者包括比较简单和清晰易懂的信号处理过程(即，美国专利4，306，567-给克劳斯纳(Krasner)的)，以及4，356，825-给维斯(Veth)的)。
在斯特拉布所说明的装置中，将一个装有一块压电晶体的机电传感器安附在监视对象上。该传感器用来检测因呼吸活动所导致的机械压力的变化。在检测到这种运动时，该传感器发生一个电信号形式的脉冲给一个计数电路。一个振荡器与这个按予定计数周期予置的计数电路相连。该振荡器只是将一个重复信号输入到这个计数器。如果在予定的计数周期中传感器没有产生信号去使计数器复位，则由计数电路闭合一个开关，后者便触发警报信号。
在克劳斯纳所说明的装置中，在监视对象上安附有一个对表示生理节奏功能的声音信号敏感的传感器。克劳斯纳的装置是设计来对某个比较窄的频率范围内的声音信号进行监视的。这些信号是由位于传感器下面的身体部分的机械位移引起的。这个传感器的结构以及直接将它贴附在对象皮肤上这一点，据说是为了减少虚假的和环境的噪音量，以努力提高信号噪音比。对从该检测器来的电信号进行解调，以便能够检测该电信号的周期性幅值和调制频率。一旦信号被改变了形状或标准化后，对它进一步处理以消除所关心的预定声音频率范围内的人为部分。这个进一步的处理过程包括在所关心频带宽度范围内对经过解调的信号的持续时间与某个功能变化率信号进行比较。克劳斯纳监视器排除了任何处于所关心的频带范围内而其持续时间又小于或超过某个予定值的信号(将其持续时间小于400毫秒和大于3-4秒的信号视为人为的而将其排除)。因此，克劳斯纳的这个比较过于简单的信息处理逻辑是不能区别真正的人为成分和可能在系统参数之外(小于400毫秒或大于3-4秒)的呼吸信号。
在维斯所说明的装置中，在被监视的病人身上安附有一组传感器，用来检测不同的生理活动(即，脉博速率、呼吸和温度)。从这些传感器收集到的数据由一个与这个电测系统相联的数字微处理机进行翻译。这个装置在任何时间只能对来自某个单个活动的输入信号进行间歇测量和处理。将该输入信号与系统时钟比较，后者采用一个常规的振荡器(输出频率可调)作为标准。从维斯所强调的快速数据分析可知，它的装置是针对一个间歇式数据采样系统的。更准确地说，对连接的数据点进行检测是根据一种数据采样方法进行的，这种方法包括对一组有限数目的采样值进行收集;其采样间隔和计数频率是由一个电压控制振荡器的输出信号进行控制的。因此，维斯的装置是设计成将数据采样过程限制在一个比较短的周期内的;是在这个予先选定的间隔内对数据点进行选择的，而这个间隔是由电压控制振荡器进行控制的。
上述这些是目前可以购到的相当典型的装置。上述分别由克劳斯纳和维斯所说明的每一种装置，具有基本信息处理的某些相似性，(即，信号数据的均方根处理方法)，以及对与呼吸道障碍有关的窒息和由中枢神经系统(CNS)引起的窒息缺乏分辨能力。此外，上述每种装置对于正常的呼吸和可能表示某种窒息状况的呼吸活动缺乏“有效”的区分能力。没有这种效能的原因是这些系统没有能力动态地对其本身进行调节而使其适应身体姿态或被监视对象呼吸活动强度的变化。因而，当监视开始时被监视对面是醒着的，或者正在睡着，并且睡眠状态逐渐加深，病人生理活动的强度将有变化，因此有关的信号频率也相应地变化。当仪器的灵敏度调整到适合初始活动状态时，随着病人的活动状态逐渐变弱，它就不能有效地对他进行监视。通过将初始灵敏度设置在很高的水平上以克服这种无效性的企图会招致经常性的误报警，因此就会削弱监视器的可靠性。对于这样一种警报作出反应的负责者，对真正的紧急情况的处理可能就不会足够快，因为由于多次的误报警而产生了怀疑。反之，当设定灵敏度使之适应初始活动状态时，监视器对于生理活动强度变得更弱时需要加以干予的真正的窒息状态不能有效地进行识别。因此需要不断改善呼吸和换气监视器，以便减少或者消除误报警率。并对呼吸活动总是在变化的和处于各种强度的病人进行有效的监视。
本发明的目的是排除先有技术中上述的以及有关的缺陷。
更准确地说，本发明的根本目的是提供一种灵敏地鉴别表示呼吸的生理活动的多路换气监视器。
本发明的另一个目的是提供一种能够对表示呼吸的多个信号进行实时监视的多路换气监视器。
本发明还有一个目的是提供一种多路换气监视器，其中的传感器既不直接安附在监视对象上，也不装入监视对象必须穿戴的衣服或背带中。
本发明进一步的目的是提供一种能够对表示呼吸活动的运动和声音进行实时监视的多路换气监视器。
本发明另外的一个目的是提供一种能够对各个被检测的生理活动的增益与频率响应动态调节的多路换气监视器，以适应各个这样的活动的强度变化。
本发明另外还有一个目的是提供一种能够识别障碍性窒息状态的多路换气监视器。
本发明进一步还有一个目的是提供一种能够区别障碍性窒息状态与由中枢神经系统(CNS)引起的窒息状态的多路换气监视器。
本发明再有的一个目的是提供一种多路换气监视器，它将主装置和一个便携单元结合在一起，这二者中的任何一个都能与另一个共有由其中任何一个单元对病人进行独立监视而累积起来作为监视结果的数据。
本发明还有另一些目的是提供一种对表示呼吸的多个生理活动进行监视的改进的方法。
上面的以及有关的目的是通过提供一种用来对与呼吸的和心血管的活动相关的多个生理活动进行实时监视的多路换气监视器来达到的。这种换气监视器带有一个或多个不同类型的用来对与呼吸运动和心血管运动有关的生理活动进行监视的传感器。在本发明的一个最佳实施例中，配备了一个经仔细设计的传感器以监视与呼吸活动相关的可闻声音。多路中的每一路负责处理与这些检测中的某一路相关的信号，它们相互之间是独立的(即，运动信号处理过程由某种监视，该路与用来监视声音信息的一路是隔离而有别的)。这个换气监视器还有独到之处，即该最佳系统的元件不必直接与病人接触，(即，不要求将传感器装在背带内或将一个电极安附在病人身上)，而且还能适应病人的运动而不损失或破坏换气监视作用。因此这个最佳监视系统能够表征为一个“环境”监视器，这就是说是通过对病人的附近环境中的生理活动进行检测而对病人进行监视的。
本发明的另一个最佳实施例中，系统具有动态调节监视器的灵敏度以适应病人活动的不同强度(即，不同的睡眠状态)的能力。这是通过实时地对在一个比较短的时间间隔内检测所得的输入信号进行比较、对正在被监视的检测过程的趋势进行识别、以及为适应这个所检测到的趋势而对增益和频率响应进行自动调节而达到的。通过不断地监视和根据所监视的检测情况的变化调节增益与频率响应，如所需要的，换气监视器的灵敏度可以保持在它的最高水平上而能够避免发生误警报。
在本发明的另一个最佳实施例中，系统包含放在一块垫子中的一个压电传感器，它用来检测与呼吸活动有关的身体运动以及与心血管活动(以下称作“心冲击图”或BCG)有关的运动。对从这一单个的传感器来的输入信号监视以区别各种这样的活动的不同的信号频率特性。不必将压电传感器安附在病人身上就能作到对这两种身体活动进行监视，而且这种监视是与病人相对于传感器的方位和活动无关。
在本发明的另一个最佳实施例中，或者用一个定向微音器或者用一组微音器对与呼吸相关的可闻声音进行检测。对与呼吸活动相关的可闻声音进行监视就可鉴别障碍性窒息和CNS窒息。最好采用微音器组，因为它具有将背景噪音(即，与周围环境相关的声音)从表示呼吸活动的声音中区分出来的能力。
在本发明的还有一个最佳实施例中，监视器由两个独立单元组成，它们互相构成总体，但是能够独立运行。为便于区别，一个单元称为“主装置或基本装置”而第二个单元称为“积木单元或便携单元”。这个便携单元“插入”在基本单元内。实践中，病人(通常是婴幼儿)是在家中的床上，或者医院中受到主装置监视的，在这个监视活动期间所得到的数据是与然后在离开家或医院的地方能够用来继续进行这种监视的便携单元所共有的。便携单元所得到的数据由其保存起来并在以后当这两个监视装置重新组成一起时与主装置共有。
图1(a)至(d)是说明装有运动和音响两种传感器的本发明的多路换气监视器的各种部件之间关系的一组图。
图2是说明本发明多路换气监视器的信号处理逻辑的一个流程图。
图3A详细说明图2的心血管信号处理逻辑。
图3B接在图3A的B点之后继续说明心血管信号处理逻辑。
图4A详细说明图2中的垫子信号处理逻辑。
图4B接在图4A的B点之后继续说明垫子信号处理逻辑。
图5详细说明图2中的声音-呼吸信号处理逻辑。
图6详细说明图2中的警报更新电路的信号处理逻辑。
图7详细说明图2中的增益检验调节部分的信号处理逻辑。
图8是本发明的将一个“主装置和一个便携单元互相组合的一个监视器实施例的透视图。
本发明的换气监视器可以采用一个或多个监视运动(病人与呼吸的和心血管的活动相关的运动)的传感器构成;而且最好采用能够对表示某个与呼吸活动有关或无关的功能的可识别生理现象进行检测的多个附加传感器。
图1(a)至(d)是画出了本发明一系列最佳多路换气监视器之一中部件的全部内部关系的一组图形。从这些图显见，图1(a)中所示的装置只有三(3)条通道，然而这张图只是为说明用的，不能认为它表示了这个系统的限度，或者表示了本发明的信号处理能力。例如，可以在系统上加上附加通道以处理来自温度传感器和/或为PO2或PCO2的经皮肤的传感器的信号。
如图1(b)-(d)中更完全地表示的，从一组传感器来的输入信号产生鉴别性电信号，这些信号经过放大，滤放、从模拟信息转换为数字信息，然后由微处理机进行处理。本发明的一个独到之处是微处理机能够根据所监视的活动的强度的变化情况动态地调节可变放大器的增益。更准确地说，当连续监视婴儿时，身体姿态和被监视的生理活动的强度(即，不同的睡眠状态)将有所变化，对监视器的有关的灵敏度的大小值就必须相应地进行调节。在图1(b)所示的信号处理通道中，这样的调节是自动进行的。同样，低通滤波器和带通滤波器也是根据活动强度的变化情况自动地进行调节的。可变增益放大器与可调低通和带通滤波器都由微处理机控制，并根据所接受到的和存贮在微处理机中的信息进行这种调节。
图1(a)的监视器利用了一个运动传感器和二(2)个音响传感器。运动传感器可以与声音传感器无关地独立工作，或者与其它的传感器联合工作。这个装置的图1(b)的运动传感器最好是安装在垫子中的。置于垫子上的对象的运动将使垫子中的一个传感器(即，聚乙二烯氟化物压电薄膜)产生电信号。有效的电信号包括与病人呼吸相关的运动和与病人心血管活动相关的细微的运动。从传感器来的电信号被差动放大器放大，与呼吸相关的信号频带和与心血管运动有关的信号频带各自被由微处理机控制的独立的带通滤波器分别进行处理，然后来自每一路的模拟输入电压由一个缓冲器驱动而送到一个模拟多通转换器，在那里依次对每个信号的模拟输入电压进行采样，再由模拟至数字的转换器转换成数字量并被送至微处理机。微处理机对这个信息的响应与控制将在考察微处理机系统逻辑时详细讨论。将这个信息传送给微处理机就使动态系统对可变增益放大器和可调带通滤波器两者都能进行控制。
图1(c)-(d)中所示的其它两路是用来处理来自声音传感器的一个输入信号的。除每路所监视的频率外，这两路本质上是相同的;其中一路是用来处理表示呼吸活动的频带中的声音信号的(用来检测“障碍性窒息”)，而另一路是用来处理表示背景的频带中的声音信号的(偏离中心的脉冲噪音)。声音信号首先通过一个参量放大器进行低噪音放大，通过改变放大器的增益调节信号电压，再将它滤波，再将模拟电压转换为数字量。该数字信号通过一个数字信号处理器而进一步被滤波。该数字信号处理器包含一片语音识别片。从这些元件出来的合成输出是一组线性予测编码系数(LPCS)的导数，这是由呼吸模式识别用的主处理机进行分析的。
从系统处理逻辑的讨论将显见，监视器中已编程微处理机对至今尚未进行过的生理信号数据处理过程提供一定程度的控制。该微处理机的功能包括(1)对来自这些传感器中每一个的输入信号进行连续监视;(2)根据监视对象不断更新自己的数据以测定生理活动趋势;(3)对可变增益放大器的增益进行动态调节以适应生理活动强度的变化，并对各种滤波器(带通和低通滤波器)进行动态调节以对伴随这种活动强度变化的信号频率内容的变化进行补偿;(4)分析输入信号波形以便获得与异常呼吸活动相关联的特征形状;(5)不断监视系统性能和运行中的错误;以及(6)提醒临床诊疗人员或父母注意需要进行干预的窒息情况和对监视过程的完善性能够产生不利影响的系统故障。
如图1(a)中的框图所示，微处理机不仅控制各种系统功能和警报，而且还控制一个声音综合器，后者产生声音信息以提醒临床诊疗人员或父母注意系统对所监视事件(即，需要加以干预的紧急情况或系统故障)的响应情况。所综合的信息还能够向对监视器性能进行监察的人员发出指令。
图1中所示的其它的外围设备包括一个保存记录病人生理活动的数字式磁带驱动器。磁带记录可以在以后由临床诊疗人员作独立分析用，以使他能够周期性地重新规定监视器的工作参数。在这里所用的术语“参数”广义地包括在某种算法控制下的任何数值，或者由医生规定的某个极限，即是由临床诊疗人员为病人预定的，限定了一个正常生理活动的范围。通常，由监视生理活动的临床诊断人员以平均速率的上下限来设定系统。例如，对新生儿的呼吸速率范围可以规定为每分钟30-60次，心跳率规定为每分钟100-140次。
速率范围可以由临床诊断人员或父母周期性地重新规定，只要在为此目的而配备的键盘上键入新参数即可。还配备了一个字母式数字显示器，带有一张重新规定这些参数的指令表，显示器也可以由微处理机寻址，以显示许多信息中的任何一个(例如紧急电话号码及其类似的)或者系统已经或正在收集的这类其它的数据。
图2是说明图1所示多路换气监视器的系统处理逻辑概观情况的流程图。需要再次强调的是在这张图中所监视的生理活动的数量不能看作是表示了本发明的范围。也可以在这张图中包括其它的生理活动，但是这样做就会增加复杂性而并不能有助于理解或提高理解水平。
简而言之，本装置的系统逻辑进行“初始化”，或者不严格地说是“自检验”(较低级系统检验)。这是通过各种系统功能设定为已知的状态，然后进一步确认每个这种系统功能准确地反映了这种已知值的方法而完成的。一旦系统以上述方式经过了核准，它就开始对来自这些独立输入通道的每一路的输入信号进行多路采样。
根据用来监视各个生理活动的传感器的类型的不同，信号输入的采样速率将不同。一般说来，对以较快速率变化的输入信号的采样次数比以较慢速率变化的输入信号的频繁。就图1所示系统而言，对运动传感器每秒采样二十(20)次。在图2所示的逻辑图中，每接受器(4)次呼吸信号采样数据后对它们求平均值，于是将有效采样速率降低到每秒五(5)次，以便提供一个较准确的信号趋势。在数字信号采样过程发出一组系统(LPC系数)前，对声音数据以每秒6000次的采样速率进行采样，这些系数将信号精选成比较小的一组代表信号主要频率的数字(例如，每秒导出20次)。采样频率是由算法决定的参数，并能根据系统对信号输入的处理和比较能力而作增减。
为说明起见，图2中所示的对每种生理活动的采样、分析以及增益检验次序都已作了简化。实际上，这些活动是沿每路独立通道同时发生的。系统的信号处理逻辑也同时对这些独立的通道进行分析，并且是实时进行的。在对每种被监视生理活动的这些输入信号完成采样时，便由警报更新系统处理逻辑对各生理活动的信号采样进行质量评价(图6)。如果这种定性分析表示是异常活动，使触发警报，警报的类型可以是要求进行干予以恢复呼吸;或者只是指出是非正常的信号或信号模式，而不必加以干预。这样，这个系统逻辑有能力对多种不正常的活动状态有效地进行区分(尤其是指出任何有兴趣的情况)并提醒临床诊断人员或父母只要去注意那些需要加以干预的情况。于是这个监视器执行了一个正确的测量功能，而不是只控制(+)或(-)的警报状度。这种在异常信号模式之间进行鉴别的能力也大大降低了误报警频率，从而增强了监视器的可信性。
图3A和3B详细说明为心脏信号输入用的系统处理逻辑。由于涉及这个生理活动的系统处理逻辑比较复杂，需要用两张图，图3A和图3B来说明这个活动。必须强调这个心脏信号(心冲击图-BCG)是从与心血管活动相关的细微的运动中获得的。用来检测这种运动的传感器与用来检测与呼吸活动相关的运动的传感器是相同的。
简单地说，心脏信号系统处理逻辑一开始对信号输入进行“归一化”以确定信号是在模拟/数字转换器的范围内。这是通过利用某些软件滤波器增强有兴趣的波形而实现的。如果增益设定不合适，或者生理活动比预计的强烈，信号的幅值可能太大而不能予以准确地监视。为了防止“截去”信号，并且为了使信号幅值回到数字化范围之内，而相应地调节增益。同样地，当系统底线漂移时，也予以指出以便将它校正以保证信号输入的幅值与在微处理机中所贮存的数据进行比较时有正确的底线。
图3B是图3A的接续，接在B点之后。一旦信号已经归一化，就可以对心脏信号进行质量估价。如果心脏信号质量太差(例如，被截去、漂移或杂音)或者太弱，信号逻辑将进行增益检验调节、自行复位、以及对另外一组数据进行采样。如果输入信号的质量一直不好，系统逻辑就启动警报程序，指出系统错误。根据与所设立的参数进行比较的结果，如果心脏信号的质量是可接受的，系统逻辑就复位，以便对下一组心脏信号数据进行采样。对于每一个被检测的新的心脏输入数据波，心脏信号质量定时器是复位的。当在相邻的心脏波的检测之间是一个大的间隔时，就进行第二次增益检验调节，并且如果在心脏停歇的时间间隔(参数)中没有检测到新的心脏波，系统逻辑就置心脏状态为信号不足。当警报更新系统逻辑确定心脏状态为不合格时，就发出警报。
如果心脏信号质量在合格的限度以内，并且存在基本连续的新的心脏信号数据流，就可将心脏速率与由医生或父母设定的参数进行比较。如果速率太高(心动过速)，系统逻辑就置心脏状态为心动过速警报。如果心脏速率太低(心博缓慢)，系统逻辑就置心脏状态为心博缓慢警报。如果心脏输入速率在为被监视的活动所设定的参数范围，或被发现是不正常的，系统逻辑再进行一次增益检验调节。然后对心脏信号波形的形状/模式进行分析以便获得表征某一给定波的特性(周期和幅值)，并将其与先前的心脏数据波形进行比较。对波形的表征特性进行这种比较就使监视器能够把人为的数据和真正的心脏信号区别开。系统逻辑在对心脏信号趋势进行估值和识别时也考察这些表征波形的特征。然后系统逻辑将刚获得的数据与先前得到的数据求平均值而更新心脏统计数据。就是这个对数据求平均值的过程使系统逻辑能够预示心脏活动的趋势并相应地调节增益。
图4A和图4B详细说明图2的垫子呼吸信号处理逻辑。因为对这个生理活动的说明比较复杂，就需要用两张图来说明。图4A说明了系统逻辑对垫子呼吸信号进行“归一化”。以保证该信号在模拟/数字转换器的范围内。这个归一化过程与前面涉及心脏输入信号的讨论中所叙述的相似。因此不必在此重复。在能够对垫子呼吸信号进行质量评价前，图4A的系统逻辑进行必要的校正和调节(如果需要的话)。
一旦这些调节达到所需程度，就评价垫子呼吸信号的质量，如果信号被截去，有漂移或杂音，系统逻辑就进行增益检验调节，将自己复位并对另一组数据进行采样。如果呼吸输入信号的质量始终不好，系统逻辑就置呼吸状态以表示系统故障(垫子呼吸信号不足)。
如果认为垫子呼吸信号的质量是够好的，系统逻辑就复位以对下一组垫子呼吸数据进行采样。对于每个被检测的新的垫子呼吸数据波，垫子呼吸信号质量定时器是复位的。如果在相邻的垫子呼吸波的检测之间存在比较长的间隔，就作第二次增益检验调节，如果在垫子呼吸停歇的间隔之内没有检测到新的垫子呼吸波，系统逻辑便置垫子呼吸状态为窒息警报。如果由警报更新系统逻辑确定垫子呼吸状态在被设定的呼吸活动容许的限度之外，就发出警报。
假如垫子呼吸信号质量在容许的限度之内，并且存在基本连续的新的垫子呼吸信号数据流，就可以将垫子呼吸速率与由医生或父母设定的参数进行比较。如果呼吸速率太高(心动过速)，系统逻辑就置垫子呼吸状态为心动过速警报。如果呼吸速率太低(心博缓慢)，系统逻辑就置垫子呼吸状态为心博缓慢警报。对呼吸信号波形的形状/模式进行分析以表征一个给定的波形的特性(即，周期和幅值)，并与先前呼吸数据波形作比较。对波形的表征特性作这个比较使监视器能够有效地区分人为数据与真正的呼吸信号。系统逻辑在它对呼吸信号的趋势进行估计和识别时也接收到这些表征波形的特性。例如，对呼吸信号波形进行这个模式辨认就能对一列呼吸波求出表示正常呼吸或病态呼吸模式-例如陈一施二氏(cheynestokes)呼吸-的特征。不论呼吸速率是在为被监视的活动所设定的参数范围内或被认为是不正常的，系统逻辑都将进行一次增益检验调节。
图5详细说明图2的基于声音的呼吸信号处理逻辑。这个信号是从前面讨论的线性预测系数得出的。简单地说，对基于声音的呼吸信号进行归一化以保证它是处于模拟/数字转换器的范围内。这个归一化过程是与前面对心脏输入信号所描述的相似，因此没有必要重复。一旦信号已经过了归一化，就对它进行质量评价。这个质量评价包括确定信号的强度和足够性，并执行增益检验调节。如果持续存在弱信号或不足信号，系统逻辑就置声音状态以指出一个不足的基于声音的呼吸信号，然而，当基于声音的呼吸信号被认为足够时，便将系统逻辑复位以对下一组基于声音的呼吸数据进行采样。然后，系统逻辑将信号质量定时器复位并对另一组数据采样。对于被检测的基于声音的呼吸数据的每个新波形语音呼吸信号质量定时器是复位的。在声音呼吸波相邻检测之间存在比较长的间隔时，就进行第二次增益检验调节。如果在障碍性窒息的停息期间没有检测到新的基于声音的呼吸波，系统逻辑便置基于声音的呼吸状态为障碍性窒息警报。如果由警报更新系统逻辑确定基于声音的呼吸信号状态在为声音呼吸活动所设定的容许的限度以外，就启动警报。假设基于声音的呼吸信号是在容许的限度以内，并且基本上存在一个连续的新的基于声音的呼吸信号的数据信号流，障碍性窒息定时器就将复位。系统逻辑也利用容许的垫子的和基于声音呼吸信号数据以更新微处理和存贮器中的呼吸统计值。对统计值进行的这个更新使微处理机能够测绘这些数据中的趋势。
图6详细说明图2中的警报更新信号处理逻辑。简单地说，警报更新只是检验垫子的和声音的呼吸状态警报。如果发明呼吸信号异常，就由警报更新系统逻辑启动一个警报。同样地，警报更新系统逻辑检验心脏状态警报。如果置于任何异常的状态，就启动一个警报。系统逻辑也能规定警报状态的优先次序了。在本发明的最优系统结构中，系统逻辑将在执行一个启动警报的决定之前在不同的警报状态间进行“仲裁”。
图7详细说明图2中进行增益检验调节的信号处理逻辑。该增益检验调节信号处理逻辑首先确定前一次增益检验是什么时候进行的。如果规定的时间间隔已经结束，系统便进行一次增益检验，以便确证数据采样过程是在为系统设定的参数内发生的。系统也将检验确定是否自前一次增益检验以来发生了截去故障，即是否信号的一部分在由系统为信号所设定的参数之外。如果实际上进行了截去，系统逻辑便确定是否增益已为最小值。如果实际上它已为最小值，就不能再降低增益。如果当检测到截去时增益未处于最小值，系统逻辑便降低增益，然后相应地重新改变信号参数的尺度。如果没有发生截去，系统便将确定是否信号幅值小于为对输入数据进行采样的理想值，如果信号幅值小于理想值，并且增益已设定为其最大值，就不能进一步增加增益。如果增益并不为最大值，而且信号幅值小于理想值，系统逻辑便增加增益，然后相应地重新改变信号参数的尺度。如果信号幅值处于为这些参数所设定的范围内，就不重新改变信号参数的尺度，只是当增益检验调节不致触发一个错误的警报时-即去信号处于或接近底线(零电压)时，才允许由上面的系统逻辑进行这个检验调节。
上面的系统逻辑藉以工作的信息(数据组)最好是由一个在垫子中的传感器与一个或多个安置在关键地方用来接收表示呼吸活动的可闻声音的微音器产生的。本发明的装置中适用的垫子传感器可以是由刘维纳(Lewiner)等在美国专利4359726中说明的和弗兰登(Fraden)在美国专利4509527中所说明的类型。该装置的最优结构内装一个聚乙二烯氟化物的电压薄膜。这个传感器既能感受与呼吸活动相关的又能感受与心血管活动(心冲击图)相关的运动。另一种类型，或者说与上述传感器相似，是一种应变仪型传感器，它能装入垫子中或直接安附在被监视对象上。
对与呼吸/窒息相关的可闻声音的检测可以由一个或多个安置在与被监视对象有关的关键地方的微音器来完成。如果采用单个的微音器，就必须对它进行较准确的设计和安放，以便将它的集声能力对准声音输入源。这可以通过对微音器本身的设计(即抛物面式微音器)或屏蔽被监视区以防止外部声音来达到。
或者，可以用一个微音器阵列进行可闻声音检测。采用这类微型器结构，就有可能突出所需的声音信息而同时使不希望有的语音或随机噪音削弱和/或失真。这是通过对两个或多个微音器(称为一个微音器阵列)的输出采用有各的非线性信号处理技术(或者对模拟信号进行预处理，或者利用属于数字信号处理那样一类的技术)来实现的。对微音器信号处理的结果是产生一个中心(床)声音增强的输出信号。这一类用于微音器阵列输出的非线性信号处理器突出来自某个特定(中心)的、克服其它声音背景的部位的声音。作这样处理就完全消除了任何偏离中心的、不复盖在微音器上的脉冲噪音。
通过模拟预处理得出单声音信号的方法是根据阵列内每个同时接收所需信号的微音器进行的，因而就需要进行滞后和增益调节，除非这些参数的影响是可以忽略的。如果增益和滞后的影响不可忽略，就需要采用数字信号处理。对微音器阵列进行数字信号处理就允许滞后和增益调节由计算机的程序进行数学处理。
在一个具有由本发明所仔细考虑的型式的换气监视器中，阵列处理器是采用了美国声学协会(J.Acoustic Soc.Amer.)，V01，50No.2(第二部分)，PP.650-660，1971年8月，由M.M.Mitchell等人的一篇文章“鸡尾酒会效应的信号处理”(Signal Processing for a Cock-tai party Effect)中叙述的非线性信号处理器的一种变化形式。这种类型的非线性处理器的输出信号是由下面的方程给出的S＝V1+V2+V3+V4-|V1-V2|-|V3-V4|+|V1+V2-V3-V4-|V1-V2|+|V3-V4|式中V1，V2，V3，V4是四(4)个微音器输入信号。输出信号显得比较复杂，但是输出信号S总是准确地等于输入信号和的四倍，由下列关系给出S1＝min(V1，V2)，S2＝min(V3，V4)从而 S＝4×max(S1，S2)。
可以将上述方程中所表示的关系式总结如下输出S是S1和S2两个量中的较大那个的四倍;其中S1是输入量V1和V2中的较小者，而S2是输入量V3和V4中的较小者。实际上，非线性处理器每次只“注意”一个输入量，而不考虑其它所有的输入量。
除了上述运动与声音传感器，该系统与其它通常用来监视与呼吸及其它重要生理功能相关的生理活动的传感器是兼容的。例如，上面的装置也能够包括并处理从诸如阻抗带、经皮肤的(transcuta-neous)传感器(为PO2和PCO2)和温度计等其它的传感器得到的信息。应该指出，这些附加的传感器并不是用来替代前述运动传感器或声音传感器的。可以知道，这些附加传感器某种程度上需要比上述装置中最优的运动和声音传感器更多地与被监视对象进行直接的实体的接触。然而在某种情况下，可能需要将最优装置的运动传感器装在被监视对象所穿的一条背带中。例如，当将监视对象从医院或家庭环境中带走时，一只装在一条背带中的运动传感器，与一个便携式监视器一起，可能就是唯一能对被监视对象(即，婴儿)保持连续监视的现实的办法。当然，如果在间接的环境(即，车子)中在一块垫子内装有一个运动传感器，这种背带就没有必要了。
为了允许被监视对象能有一定程度的可动性，本发明的最佳换气监视器，如图8所示型式既考虑了一个综合的主装置(6)也考虑了一个基本单元即便携单元(8)。图8所示监视器中的主装置包括了一个电子线路外壳(10)和微处理机(未示出)，后者是用来处理对病人的监视过程中所获得的数据的。外壳(10)的面板(12)包括一个显示器(14)、功能键(16)、配合磁带记录器驱动器(未示出)的部分(18)，和用来插入一个便携式监视器(8)的部分(20)。在家中或在医院中进行监视时，这个便携式监视器(22)是装在主装置(6)中的。主装置和便携单元是通过一个带型联接件(24)相互保持信息传递关系的，以便保证在每个这样的单元中的微处理机对与被监视对象呼吸活动相关的数据保持通行。因此，当将病人从医院或家中移走时，便携单元(8)能够对病人进行连续的监视。当病人已返回到医院或家中时，便携单元重新插入主装置，由便携单元所记录的全部数据便输送给主装置的微处理机。从而本发明的这个最优实施例提供了一种既能在主装置的环境中又能在远离该主装置的地点进行连续监视的有效手段。
本发明的换气监视器也考虑了利用其它的外围设备。例如，如果检测到一种警报状态，主装置的微处理机就有能力将这种信息传给某个远程终端。此外，一个独立的磁带驱动器也能与主装置相联，以记录被监视对象上的数据或通过一个调制解调器将这个数据传送给远方的计算机或磁带驱动器。
从上面的说明显见，本发明的这个换气监视器具有目前在先有技术系统中所设有的多功能性与完善性。然而，显然可以对这个装置作一定的变化，补充和改进，而并不离开本发明的精神与原则，这些将在下列权利要求
中提出。
权利要求
1.一个对与某个被监视对象的呼吸相关的多个生理活动进行实时监视的，包括对一组表示每个这样的活动的离散数据信号进行比较的多路换气监视器，所说监视器包含(a)一组传感器，其中每一个能够对一个与呼吸活动相关的独立的生理活动进行检测并能够产生表征每个被检测的生理活动的数据信号；(b)一组离散信息处理通道，所说通道的每一条与表示每个这种生理活动的数据信号相关并能对它进行处理；(c)一个与每条这种通道相联的用来检测每个这种信号的质量的信号处理装置；(d)用来为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映表示每个这样的生理活动的数据信号中的趋势的装置；(e)用来将每个这种信号的波形与一些包括已经被存贮在一个数据库中的某个被检测到的生理活动的多个波形、以及用来表示被监视对象某个被检测到的活动中的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准进行比较的装置；以及(f)用来产生一个表示与呼吸活动相关的异常生理活动的输出信号的装置；
2.权利要求
1中的监视器，其中的传感器包括一个装在一个垫子中的运动检测器和一个用来检测与呼吸活动相关的可闻声音的声音传感器。
3.权利要求
1中的监视器，其中用来对表示每个被检测的生理活动的数字信号的增益进行调节的装置是对被检测的生理活动的强度变化产生响应的。
4.权利要求
1中的监视器，其中用来对信号数据波形和存贮在一个数据库中的多个波形进行比较的装置使监视器能够有效地区别表示某个被检测到的生理活动的数据信号与人为的数据信号。
5.一个对与某个被监视对象的呼吸的及心血管的运动相关的多个生理活动进行实时监视的，包括对一组表示每个这种活动的离散数据信号进行比较的，多路换气监视器，所说监视器包含(a)一组传感器，至少其中有一个能够对与呼吸活动相关的运动进行检测并且其中另一个能够对与心血管活动相关的运动进行检测，并能产生表征每个这种被检测的生理活动的数据信号;(b)一组离散信息处理通道，所说通道中的每一条与表示每个这种生理活动的一个数据信号相关并能对它进行处理;(c)一个与每条这种通路相联的用来检验每个这种信号的质量的信号处理装置;(d)用来为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映每个表示这种生理活动的数据信号中的趋势的装置;(e)用来将每个这种信号的波形与一些包括已经被存贮在一个数据库中的某个被检测到的生理活动的多个波形、以及用来表示被监测对象某个被检测到的活动中的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准进行比较的装置;以及(f)用来产生一个表示与呼吸和/或心血管活动相关的异常运动的输出信号的装置;
6.权利要求
5的监视器，其中传感器包括一个装在一个垫子中的运动检测器，和一个用来对与呼吸运动相关的可闻声音进行检测的声音传感器。
7.权利要求
5的监视器，其中用来对表示每个被检测的生理活动的数据信号的增益进行调节的装置是对被检测的生理活动的强度变化产生响应的。
8.权利要求
5中的监视器，其中用来对信号数据波形和存贮在一个数据库中的多个波形进行比较的装置能使监视器有效地区别表示某个被检测的生理活动的数据信号与人为的数据信号。
9.在一个具有信号数据处理能力的、用来通过对表示呼吸的感测信号进行检测而对与呼吸相关的多种生理活动进行测量的换气监视器中，改进之处包括(a)能够增减一个数据信号幅值的可变信号放大器;以及(b)用来根据被监视的生理活动的强度的变化动态调节可变信号放大器的增益、以保证一对于每个被监视的生理活动-这种数据信号具有最佳的信号强度，从而能够对对象进行连续监视而不致产生错误警报的装置;
10.在一个具有信号数据处理能力的、用来通过对表示呼吸的感测信号进行检测而对与呼吸相关的多种生理活动进行测量的换气监视器中，改进之处包括(a)用来增强有用数据信号的可调低通和/或带通滤波器;以及(b)用来根据被监视的生理活动的强度的变化而动态调节低通和带通滤波器的频率响应以反映每个表示这种生理活动的信号数据中的趋势的装置。
11.在一个用来通过对表示呼吸的感测信号进行检测而对与呼吸相关的多种生理活动进行测量、并当发现一个或多个这种活动异常时启动警报的换气监视器中，改进之处包括(a)用来在不同的被发现是异常活动状态之间规定优先次序的装置;以及(b)用来根据优先次序的规定在发出一个警报前在不同的异常活动状态间进行仲裁的装置。
12.一个用来对与呼吸相关的多个生理活动进行实时监视的多路换气监视器，它是通过对被监视病人的直接周围环境进行检测以得到表示每个这种活动状态的离散的数据信号进行监视的，所说的监视器包括(a)一组传感器，其中每一个能够在被监视对象的直接周围环境中对与呼吸活动相关的离散的生理活动进行检测，并且能够产生表征被检测的生理活动的信号数据;(b)一组离散信息处理通道，所说通道的每一条是与表示每个这种生理活动的一个数据信号相关的，并能对它进行处理;(c)一个与各条这种通道相联的，用来对各个这种信号的质量进行检验的信号处理装置;(d)用来为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映在表示每个这种生理活动的数据信号中的趋势的装置;(e)用来将每个这种信号的波形与一些包括已经被存贮在一个数据库中的某个被检测到的生理活动的多个波形、以及用来表示被监视对象某个被检测到的活动中的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准，进行比较的装置;(f)用来产生一个表示与呼吸相关的异常生理活动的输出信号的装置。
13.权利要求
12的监视器，其中传感器包括一个装在一个垫子中的运动检测器，以及一个用来检测与呼吸活动相关的可闻声音的声音传感器。
14.权利要求
12的监视器，其中用来对表示各个被检测的生理活动的数据信号的增益进行调节的装置是对被检测的生理活动的强度的变化产生响应的。
15.权利要求
12的监视器，其中用来将信号数据的波形与存贮在一个数据库中的多个波形进行比较的装置使监视器能够有效地区别表示一个被检测的生理活动的数据信号和人为的数据信号。
16.在一个用来通过对表示呼吸的感测信号进行检测而测量一组与被监视对象的呼吸相关的生理活动向换气监视器中，改进之处包括(a)用来通过对监视对象的直接周围环境进行检测而对被监视对象的一组离散的生理活动进行检测并用来产生表征被检测的生理活动的信号数据的装置;(b)用来对各个信号数据波的波形进行分析以获得波形的特征性能并用来对各个这样的波形与先前信号数据的波形进行比较以使监视器能够区别表示生理活动的信号数据和表示人为的信号数据的装置。
17.在一种用来对与某个被监视对象的呼吸相关的多个生理活动进行实时监视的，包括对生理活动进行检测、产生表示这种生理活动的一个数据信号，对数据信号进行处理、并将该数据信号与某些标准和/或由医生规定的参数进行比较的方法中，改进之处包括(a)提供(ⅰ)一组传感器，其中每一个能够检测一个与呼吸活动相关的独立的生理活动并能够产生表征各个被检测的生理活动的数据信号;(ⅱ)一组离散信息处理通道，所说通道中的每一条与一个表示每个这种生理活动的数据信号相关并能对它进行处理;(ⅲ)一个与各条这种通道相联以用来对每个这种信号的质量进行检验的信号处理装置;(b)对一组与呼吸活动相关的生理活动进行检测并产生表示各个这种活动的数据信号;(c)为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映表示每个这种生理活动的数据信号中的趋势;(d)将每个这种信号的波形与一些包括已经被存贮在一个数据库中的某个被检测到的生理活动的多个波形、以及表示被监视对象某个被检测到的活动中的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准进行比较;(e)产生一个表示与呼吸相关的异常生理活动的输出信号。
18.一台包含一个主装置监视器的设备，该主装置监视器包括外壳、用来将一个便携式监视器安装在所说外壳内的装置、用来当所说便携式监视器安装在所说外壳内时可以在所说主装置监视器的一个微处理机与所说便携式监视器的一个微处理机之间进行数据传递的装置。
19.一个对与被监视对象的呼吸相关的多个生理活动进行实时监视的，包括对一组表示每个这样的活动的离散数据信号进行比较的多路换气监视器，所说监视器包括(a)至少一个能够对于与呼吸活动相关的一个独立的生理活动进行检测以及能够产生表征每个被检测生理活动的数据信号的传感器;(b)一条或多条离散信息处理通道，所说通道中的各条与一个表示各个这样的生理活动的数据信号相关并能对它进行处理;(c)一个与各条这种通道相联的，用来对各个这种信号的质量进行检验的信号处理装置;(d)为各个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映表示每个这样的生理活动的数据信号中的趋势;
20.权利要求
19的监视器，其中传感器包含一个装在一个垫子中的运动检测器。
21.权利要求
19的监视器，其中用来对表示各个被检测的生理活动的数据信号的增益进行调节的装置是对被检测的生理活动的强度的变化产生响应的。
22.权利要求
19中的监视器，其中用来将信号数据波形与存贮在一个数据库中的多个波形进行比较的装置使监视器能够有效地区别表示某个被检测的生理活动的数据信号与人为数据信号。
23.一个对与一个被监视对象的呼吸和心血管活动相关的多个生理活动进行实时监视的，包括对表示各个这种活动的一组离散数据信号进行比较的多路换气监视器，所说监视器包括(a)至少一个能够对与呼吸活动相关的运动和对与心血管活动相关的运动进行检测，并能够产生表征各个被检测生理活动的数据信号的传感器;(b)一组离散信息处理通道，所说通道的每一条是与表示每个这样的生理活动的某个数据信号相关并能对后进行处理;(c)一个与每个这样的通道相联的、用来检验每个这样的信号的质量的信号处理装置;(d)用来为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映表示每个这种生理活动的数据信号中的趋势的装置;以及(e)用来将每个这种信号的波形与一些包括已经被存贮在一个数据库中的某个被检测到的生理活动的多个波形、以及用来表示被监视对象某个被检测到的活动中的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准进行比较的装置;(f)用来产生一个表示与呼吸的和/或心血管的活动相关的异常活动的输出信号的装置。
24.权利要求
23的监视器，其中传感器包含一个装在一个垫子中的运动检测器。
25.权利要求
23的监视器，其中用来对表示每个被检测的生理活动的数据信号的增益进行调节的装置是对被检测的生理活动的强度变化产生响应的。
26.权利要求
23的监视器，其中对信号数据的波形与存储在一个数据库中的多个波形进行比较的装置使监视器能够有效地区别表示某个被检测的生理活动的数据信号与人为的数据信号。
27.一个对与呼吸相关的多个生理活动进行实时监视的多路换气监视器，它是通过对被监视病人的直接周围环境进行测量以获得表示每个这种活动状态的离散数据信号来进行监视的，所说监视器包括(a)至少一个能够在被监视对象的直接周围环境中对与呼吸活动相关的离散生理活动进行检测，并能够产生表征被检测的生理活动的信号数据的传感器;(b)一组离散信息处理通道，所说通道的每一条是与表示每个这种生理活动的一个数据信号相关并能对它进行处理的;(c)一个与每个这种通道相联，用来对每个这种信号的质量进行检验的信号处理装置;(d)为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映表示每个这种生理活动的数据信号中的趋势的装置;以及(e)对每个这种信号的波形与一些包括已经被存贮在一个数据库中的某个被检测到的生理活动的多个波形、以及表示被监视对象某个被检测到的活动中的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准进行比较的装置，以及(f)用来产生一个表示与呼吸相关的异常生理活动的输出信号的装置。
28.权利要求
27的监视器，其中的传感器包含一个装在一个垫子中的运动检测器。
29.权利要求
27的监视器，其中用来表示每个被检测的生理活动的数据信号的增益进行调节的装置是对被检测生理活动的强度的变化产生响应的。
30.权利要求
27中的监视器，其中用来将信号数据波形与被存贮在一个数据库中的波形进行比较的装置使监视器能够有效地区别表示某个被检测的生理活动的数据信号与人为的数据信号。
31.在一种对某个被监视对象的呼吸相关的多个生理活动进行实时监视-包括对生理活动进行检测、产生一个表示这种生理活动的数据信号，对该数据信号进行处理并将该数据信号与一些标准和/或由医生定义的参数进行比较的方法中，改进之处包括(a)提供(ⅰ)至少一个能够对与呼吸活动相关的某个独立的生理活动进行检测并能够产生表征每个被检测的生理活动的数据信号的传感器;(ⅱ)一组离散信息处理通道，所说通道的每一条是与表示每个这种生理活动的一个数据信号相关并能对它进行处理的;以及(ⅲ)一个与每条这种通道相联，用来对每个这种信号的质量进行检验的信号处理装置;(b)对一组与呼吸活动相关的生理活动进行检测并产生表示每个这种活动的数据信号;(c)为每个被检测的生理活动动态调节增益和频率响应以反映表示每个这种生理活动的数据信号的趋势;(d)对每个这种信号的波形与一些包括已经存贮在一个数据库中的某个被检测的生理活动的多个波形、以及表示在被监视对象某个被检测到的活动的趋势的被检测生理活动的多个波形在内的一些标准进行比较;以及(e)产生一个用来表示与呼吸相关的异常生理活动的输出信号。
专利摘要
换气监视器包括一个或多个独立传感器和一组对其发出的信号处理的独立通道。一类传感器能接收与呼吸的和心血管的运动相关的信息。第二类能接受与呼吸相关的可闻声音。这些信号作为表示正在受监视的感测信号，经过检验，然后与存贮在微处理机中的另一个信号及标准进行实时比较。其目的是检验标准的呼吸模式并当呼吸模式不正常时发出警报。该换气监视器也配备有对每条通道的增益与频率响应进行动态调节的装置以适应被监视对象的姿态和生理状态的变化。
文档编号A61B5/08GK86106763SQ86106763
公开日1988年4月20日 申请日期1986年10月10日
发明者莱昂·T·辛德, 詹姆斯·L·里斯, 弗朗克·A·斯卡福尼, 乔治·万·卡姆普恩, 乔治·H·亚蒂斯 申请人:输出技术公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan