專利名稱：用于心沖擊圖信號(hào)的分析的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于心沖擊圖信號(hào)的分析的方法和設(shè)備，并且特別涉及提供心沖擊圖信號(hào)中的單次心跳事件的檢測的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
心沖擊描記器(BCG)測量在由心臟泵送血液時(shí)由于血液的沖量(momentum)而引起的人體的運(yùn)動(dòng)。BCG具有超越心電圖儀的優(yōu)勢在于人體生命體征的測量是可能的而不必將電極膠粘到身體上或者佩戴類似于腰帶、紡織品或類似物的特殊傳感器。這在獲得脈搏率和脈搏率變異性數(shù)據(jù)以評(píng)估睡眠質(zhì)量、壓力或心臟功能方面是特別有用的。這些是其中BCG監(jiān)測的不突兀特性是最重要的應(yīng)用，這是因?yàn)榕c病人直接接觸的傳感器不可避免地導(dǎo)致降低的睡眠質(zhì)量。當(dāng)前，用于分析心沖擊圖信號(hào)以確定心率的算法使用譜方法或通過例如評(píng)估信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)來檢測某些圖案(pattern)的重現(xiàn)(reoccurrence)的時(shí)域中的方法。在所有的這些方案中，不得不考慮信號(hào)的分段(segment)，其中這些分段持續(xù)若干秒，以致其覆蓋多次心跳。結(jié)果，獲得在某時(shí)段上的平均心跳，但是不可獲得精確的逐次心跳信息。已提出一些用于根據(jù)心沖擊圖信號(hào)進(jìn)行逐次心跳估計(jì)的算法，但是這些算法或需要大且昂貴的傳感器陣列來恰當(dāng)?shù)毓ぷ?由Kortelainen，J. Μ.和Virkkalει，J.發(fā)表于 Engineering in Medicine and Biology Society, 2007， EMBS 2007， 29th Annual International Conference of the IEEE, 2007 年 8 月 22-26 日，第 6685-6688 頁上的 "FFT averaging of multichannel BCG signals from bed mattress sensor to improve estimation of heart beat interval，，)或人機(jī)交互(由 J. H. Shin, B. H. Choi, Y. G. Lim, D. U. Joeng 禾口 K. S. Park 發(fā)表于 Engineering in Medicine and Biology Society, 2008， EMBS 2008， 30th Annual International Conference of the IEEE, 2008 年 8 月 21-24 日的"Automatic Ballistocardiogram (BCG) Beat Detection Using a Template Matching Approach”)或使用不同的傳感器方式且缺乏準(zhǔn)確性(由D. H. Phan, S. Bonnet, R. Guillemaud, Ε. Castelli, N. Y. Pham Thi 發(fā)表于 Engineering in Medicine and Biology Society, 2008, EMBS 2008, 30th Annual International Conference of the IEEE, 2008 ^8^ 21-24 H ^ "Estimation of Respiratory Waveform and Heart Rate Using an Accelerometer，，)。對(duì)于這些算法是否能夠被投入市場或這些算法是否能夠處理心沖擊圖信號(hào)中高的病人內(nèi)(intra-patient)和病人間(inter-patient)變異性，具有問題。當(dāng)然，逐次心跳估計(jì)能夠利用使用心電圖(ECG)中的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方法來實(shí)現(xiàn)，但是如上所述，這些方法需要給病人布線，并因而是突兀的。如在上面已提到的，用于基于利用單個(gè)傳感器捕獲的心沖擊圖信號(hào)來計(jì)算心率的現(xiàn)有技術(shù)方法只能提供在若干秒的時(shí)間間隔上的心跳估計(jì)。在睡眠壓力或睡眠窒息、心力衰竭等領(lǐng)域中的應(yīng)用需要有關(guān)在逐次心跳基礎(chǔ)上的心率變異性的信息，即，在時(shí)間間隔上的平均估計(jì)是不足的。此外，當(dāng)前方法為了精確的估計(jì)而需要在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的有規(guī)律心跳。據(jù)此，如同異位搏動(dòng)或心律失去的某些心律失常的存在或干擾心率的估計(jì)或完全沒有被注意到。因此，只能檢測到脈搏心率變異性中較低的頻率部分。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于分析心沖擊圖信號(hào)以確定心率的方法，該方法包括為心沖擊圖信號(hào)中的第一次心跳，確定初始時(shí)間估計(jì)；使用初始時(shí)間估計(jì)，為心沖擊圖信號(hào)中的隨后心跳，迭代地計(jì)算估計(jì)；其中計(jì)算步驟中的每次迭代包括評(píng)估目標(biāo)函數(shù)， 所述目標(biāo)函數(shù)包括多個(gè)評(píng)分函數(shù)的加權(quán)和；以及其中為心沖擊圖信號(hào)中的隨后心跳計(jì)算估計(jì)的每個(gè)迭代步驟限于在先前的迭代計(jì)算步驟中發(fā)現(xiàn)的時(shí)間估計(jì)之后的目標(biāo)間隔。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供包括計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)或處理器上運(yùn)行時(shí)被配置成執(zhí)行上述的方法的步驟。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供用于與用于測量病人的心沖擊圖信號(hào)的儀器結(jié)合使用的設(shè)備，該設(shè)備包括用于從該儀器接收心沖擊圖信號(hào)的裝置；以及用于對(duì)接收的心沖擊圖信號(hào)執(zhí)行上述的方法的處理裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備如在ECG情況中一樣計(jì)算逐次心跳間隔長度。因此，它能滿足上述的應(yīng)用的要求。此外，只需要單個(gè)傳感器來獲得所需的信號(hào)。 既不需要昂貴的多傳感器設(shè)備，也不需要人類專家的監(jiān)督。由于該方法和系統(tǒng)使用有關(guān)特征事件的信息、長期預(yù)測以及有關(guān)心動(dòng)周期的持續(xù)時(shí)間的先驗(yàn)信息，所以該方法和系統(tǒng)強(qiáng)勁地對(duì)通常極其復(fù)雜的BCG信號(hào)起作用。因而，該方法和設(shè)備對(duì)于處理其中信號(hào)因輕微運(yùn)動(dòng)偽像而被破壞的狀況是足夠健壯的，同時(shí)對(duì)于識(shí)別如同心律失常之類的不規(guī)則圖案又是足夠靈敏的。


現(xiàn)在將參考以下附圖、僅利用示例來描述本發(fā)明，其中 圖1顯示典型的心沖擊圖信號(hào)；
圖2是闡明根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖； 圖3更詳細(xì)地顯示圖2中的步驟105 ； 圖4是闡明表征高頻分量的示例性評(píng)分函數(shù)的圖表； 圖5是心沖擊圖信號(hào)的譜圖； 圖6是闡明用于長期預(yù)測的示例性評(píng)分函數(shù)的圖表；
圖7是闡明用于先驗(yàn)心跳持續(xù)時(shí)間的概率分布函數(shù)的示例性評(píng)分函數(shù)的圖表； 圖8是闡明組合函數(shù)及其最大值的圖表； 圖9是闡明圖2中的步驟105的結(jié)果的圖表；和圖10是闡明圖2中的步驟105的結(jié)果以及步驟107的精估計(jì)的圖表。
具體實(shí)施例方式圖1顯示使用被放置在正躺在床或臺(tái)上的病人的胸部下方的箔類傳感器獲得的典型的心沖擊圖(BCG)。該BCG記錄呼吸運(yùn)動(dòng)以及與心率相關(guān)的心跳的周期性圖案。能夠看出，BCG具有與病人的呼吸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的主要低頻分量(大約四秒長)以及由于心臟的機(jī)械活動(dòng)而引起的具有較高頻率的較小波動(dòng)。將意識(shí)到，病人必須處于休息狀態(tài)以獲得這樣的明確BCG信號(hào)。較大的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致BCG信號(hào)中顯著地妨礙其分析的主要運(yùn)動(dòng)偽像。處理BCG信號(hào)中的第一步驟是將其劃分為其中其他的運(yùn)動(dòng)或擾動(dòng)阻礙心率和呼吸率的估計(jì)的子間隔以及其中估計(jì)是有可能的區(qū)域。這種類型的劃分能夠通過評(píng)估信號(hào)的能級(jí)來實(shí)現(xiàn)。此外，呼吸運(yùn)動(dòng)和心臟的機(jī)械活動(dòng)的貢獻(xiàn)能夠利用濾波器來分隔開。例如，利用具有在0. 04到0. 08Hz內(nèi)的低頻截止頻率和在0. 50到0. 70Hz內(nèi)的高頻截止頻率的三階 Butterworth (巴特沃思)濾波器進(jìn)行的帶通濾波產(chǎn)生呼吸分量。心跳分量能夠通過利用高通濾波器(例如，具有截止頻率在0. 8-1. 2Hz范圍中的二階巴特沃思濾波器)進(jìn)行濾波來提取。下述的方法使用心跳分量。將參考圖2中的流程圖簡要地描述根據(jù)本發(fā)明的方法。在步驟101，通過BCG來收集信號(hào)。第一次心跳出現(xiàn)時(shí)間的初始值在步驟103中從心沖擊圖信號(hào)的開頭進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)估計(jì)的計(jì)算將在下面更詳細(xì)地進(jìn)行描述，并且它用作迭代計(jì)算心跳估計(jì)的迭代程序(顯示在步驟105中)的起始點(diǎn)，其中所述迭代程序在時(shí)間上利用每一個(gè)估計(jì)來向前進(jìn)行，直至到達(dá)心沖擊圖信號(hào)的末尾。在下面將參考圖3更詳細(xì)地描述在步驟105中執(zhí)行的程序。步驟105的結(jié)果是心沖擊圖信號(hào)分成心跳間隔的第一分段。在步驟107，執(zhí)行細(xì)化程序，該程序使用來自步驟105的在先知識(shí)來計(jì)算最后的心跳間隔長度。這個(gè)程序的實(shí)現(xiàn)將在下文更詳細(xì)地進(jìn)行描述。首先，參考圖3、更詳細(xì)地描述步驟103。當(dāng)已發(fā)生心跳事件時(shí)，已知的是下一心跳將在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)跟著發(fā)生。因此， 在優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)屬性通過將下一次心跳的搜索間隔限制到生理上合理的值來加以利用。因此，假設(shè)心跳估計(jì)為tn，則下一心跳的時(shí)間點(diǎn)‘必定位于間隔[tn+tmin，tn+tmax]內(nèi)。 對(duì)于tmin和tmax來說，合理的選擇是大約0. 5秒(代表每分鐘大約120次心跳的心率)并且高達(dá)2秒(代表每分鐘大約30次心跳的心率)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，能夠選擇替代的生理上可接受的值。優(yōu)選地，生成三個(gè)評(píng)分函數(shù)λ⑴、μ (t)和σ (t)(步驟123,125和127)來分別地評(píng)估tn+1的可能估計(jì)是如何良好涉及優(yōu)選地與特征高頻分量的發(fā)生(評(píng)分函數(shù)λ (t))、 心率的長期行為(μ (t))和心跳間隔長度的概率分布(σ (t))相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。在步驟129，根據(jù)這些評(píng)分函數(shù)的最佳估計(jì)將變成估計(jì)tn+1，并且也用作計(jì)算tn+2 的基礎(chǔ)。對(duì)于tn+2的搜索間隔隨后利用[tn+1+tmin，tn+1+tmax]來給定，并且評(píng)分函數(shù)λ (t)、 μ (t)和σ (t)被更新。重復(fù)這個(gè)迭代程序，該方法從位于心沖擊圖信號(hào)開始時(shí)的初始值開始、從左到右沿著時(shí)間軸來處理心沖擊圖信號(hào)，直至已到達(dá)心沖擊圖信號(hào)的末端。以下描述如何在給定心跳估計(jì)&的情況下計(jì)算評(píng)分函數(shù)λ (t)、μ (t)和σ (t)以及如何將這些函數(shù)用于計(jì)算下一迭代步驟tg。
6
特征高頻分量λ (t)心沖擊圖信號(hào)被帶通濾波，以提取高頻內(nèi)容。對(duì)結(jié)果信號(hào)進(jìn)行平方和低通濾波產(chǎn)生具有主要峰值的新信號(hào)，其中高頻分量位于原始信號(hào)中。這更詳細(xì)地描述在與這個(gè)申請(qǐng)同時(shí)并由同一申請(qǐng)人提交的題為“Method and apparatus for the analysis of ballistocardiogram signals”的專利申請(qǐng)中。利用這個(gè)方法產(chǎn)生的信號(hào)是用于特征高頻分量在整個(gè)心沖擊圖信號(hào)中的出現(xiàn)的評(píng)分函數(shù)，并且在被限制于間隔 [tn+tmin，tn+tmax]時(shí)，它能夠用作該迭代的這個(gè)特定步驟的λ (t)。圖4顯示示例性的評(píng)分函數(shù)λ (t)，其中帶通濾波器提取從20到40Hz的頻率內(nèi)容，并且低通濾波器具有3. 5Hz的截止頻率。長期預(yù)測μ (t)具有良好頻率定位的時(shí)間-頻率分布是用于計(jì)算函數(shù)μ (t)的起始點(diǎn)。譜圖的絕對(duì)值平方給出
BCG(s)h《s - t)e—ifsds
2
(1)
其中BCG(s)代表所記錄的心沖擊圖信號(hào)，并且h(s)代表具有15秒長度的Harming(漢寧)窗h(s)譜圖測量頻率f在時(shí)間點(diǎn)t上的頻率內(nèi)容。給定tn以及在時(shí)間t上可能的心跳事件，那么這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)定義(t-tj—1的心率頻率。如果這個(gè)對(duì)應(yīng)于心率的正確頻率，則該譜圖將在S(t，(t-tj—1)顯示增加的值，而它在其他方面將是較小的。于是，評(píng)分函數(shù)μ (t) 被選擇為
= S(t, (t - tj'1)’ for t e [tn + Irftin, tn + trrtfix] (3)。在圖5中顯示心沖擊圖信號(hào)的譜圖的一部分。在這里，較亮的部分對(duì)應(yīng)于該譜圖的較高能量值，并且線條是函數(shù)t ^ (I — ( ) 1 ,·圖6顯示使用譜圖的長期預(yù)測的評(píng)分函數(shù)μ (t)。圖5中的線條的函數(shù)值用于圖 6中的評(píng)分函數(shù)的計(jì)算。用于確定μ (t)的可選擇方案是使用類似于自相關(guān)函數(shù)(ACF)的周期性確定的方法。在這里，計(jì)算自相關(guān)
其中BCG(S)是心沖擊圖信號(hào)，并且2 ε是通常范圍從5到20秒的分析窗口的長度。
概率分布函數(shù)ο (t)在兩次連續(xù)心跳之間的間隔長度遵循高斯分布。因而，評(píng)分函數(shù)σ (t)能夠在優(yōu)選實(shí)施例中被選擇為在優(yōu)選實(shí)施例中，平均m和方差s的值是m=0. 92以及s=0. 4。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，對(duì)于m和s的選擇，能夠考慮先前檢測到的心跳的歷史記錄?？蛇x擇地，人們能夠使用隨機(jī)模型，其中這些隨機(jī)模型使用有關(guān)過去的心跳間隔長度的信息來預(yù)測下一個(gè)心跳間隔長度，并且這些模型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的。在圖7中顯示示例性的概率分布評(píng)分函數(shù)σ (t)。為了對(duì)這三個(gè)函數(shù)之間的加權(quán)進(jìn)行更佳的控制，有用的是相對(duì)于最大范數(shù)來標(biāo)準(zhǔn)化這些評(píng)分函數(shù)，或者利用適當(dāng)?shù)姆律溆成鋵⑦@些函數(shù)的范圍映射到間隔W，l]。然后，
在步驟I29，相對(duì)于
權(quán)利要求
1.一種用于分析心沖擊圖信號(hào)以確定心率的方法，該方法包括 為心沖擊圖信號(hào)中的第一次心跳，確定初始時(shí)間估計(jì)；使用初始時(shí)間估計(jì)，為心沖擊圖信號(hào)中的隨后心跳，迭代地計(jì)算估計(jì)； 其中計(jì)算步驟中的每次迭代包括評(píng)估目標(biāo)函數(shù)，其中所述目標(biāo)函數(shù)包括多個(gè)評(píng)分函數(shù)的加權(quán)和；以及其中為心沖擊圖信號(hào)中的隨后心跳計(jì)算估計(jì)的每個(gè)迭代步驟限于在計(jì)算的先前迭代步驟中發(fā)現(xiàn)的時(shí)間估計(jì)之后的目標(biāo)間隔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中評(píng)估目標(biāo)函數(shù)包括識(shí)別目標(biāo)函數(shù)的峰值，目標(biāo)函數(shù)中的峰值對(duì)應(yīng)于心跳。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中評(píng)分函數(shù)之一反映高頻分量在心沖擊圖信號(hào)中的出現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中反映高頻分量在心沖擊圖信號(hào)中的出現(xiàn)的所述評(píng)分函數(shù)通過如下來確定對(duì)心沖擊圖信號(hào)進(jìn)行濾波，以提取高頻分量； 對(duì)經(jīng)濾波的心沖擊圖信號(hào)進(jìn)行平方；對(duì)經(jīng)平方且經(jīng)濾波的心沖擊圖信號(hào)進(jìn)行濾波，以給出結(jié)果信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中為心沖擊圖信號(hào)中的第一次心跳確定初始時(shí)間估計(jì)的步驟包括選擇反映高頻分量在心沖擊圖信號(hào)中的出現(xiàn)的所述評(píng)分函數(shù)的最大值點(diǎn)，其中最大值點(diǎn)可從位于心沖擊圖信號(hào)開頭的間隔中選擇。
6.如權(quán)利要求1-4之中任一權(quán)利要求所述的方法，其中為心沖擊圖信號(hào)中的第一次心跳確定初始時(shí)間估計(jì)的步驟包括對(duì)于初始估計(jì)以及心沖擊圖信號(hào)中的第二次心跳的可能的時(shí)間估計(jì)，評(píng)估目標(biāo)函數(shù);以及選擇初始時(shí)間估計(jì)和可能的時(shí)間估計(jì)作為對(duì)于前兩次心跳而使目標(biāo)函數(shù)最大化的值。
7.如權(quán)利要求1-4之中任一權(quán)利要求所述的方法，其中為心沖擊圖信號(hào)中的第一次心跳確定初始時(shí)間估計(jì)的步驟包括選擇位于心沖擊圖信號(hào)開頭的時(shí)間值作為初始時(shí)間估計(jì)。
8.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中在計(jì)算步驟的多次迭代之后，該方法進(jìn)一步包括通過以下來細(xì)化初始時(shí)間估計(jì)利用被限于在計(jì)算的先前迭代步驟中發(fā)現(xiàn)的時(shí)間估計(jì)周圍的小鄰域中的目標(biāo)間隔的用于細(xì)化的每一個(gè)目標(biāo)間隔，執(zhí)行進(jìn)一步的計(jì)算步驟。
9.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中評(píng)分函數(shù)之一反映心率的長期預(yù)測。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中反映心率的長期預(yù)測的所述評(píng)分函數(shù)通過以下來確定在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上評(píng)估心沖擊圖信號(hào)的譜圖，所述時(shí)間點(diǎn)取決于在計(jì)算的先前迭代步驟中發(fā)現(xiàn)的時(shí)間估計(jì)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中反映心率的長期預(yù)測的所述評(píng)分函數(shù)通過以下來確定評(píng)估心沖擊圖信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。
12.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中評(píng)分函數(shù)之一反映有關(guān)心跳間隔的隨機(jī)行為的信息。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中反映有關(guān)心跳間隔的隨機(jī)行為的信息的所述評(píng)分函數(shù)通過以下來確定計(jì)算反映心跳間隔長度的概率分布的概率分布。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中反映有關(guān)心跳間隔的隨機(jī)行為的信息的所述評(píng)分函數(shù)通過以下來確定考慮先前檢測到的心跳的定時(shí)。
15.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟 使用隨后心跳的時(shí)間估計(jì)和心沖擊圖信號(hào)來細(xì)化心跳的識(shí)別。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中使用時(shí)間估計(jì)的步驟包括 將高通濾波器應(yīng)用于心沖擊圖信號(hào)；識(shí)別與時(shí)間估計(jì)相關(guān)聯(lián)的經(jīng)濾波的心沖擊圖信號(hào)中的峰值；以及將心跳識(shí)別為跟隨在心沖擊圖信號(hào)中識(shí)別的峰值之后的具有較低頻率但具有高幅度的波。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中使用時(shí)間估計(jì)的步驟包括使用用于檢測時(shí)間序列中的周期性的方法來識(shí)別兩次連續(xù)心跳之間的逐次心跳距離。
18.—種包括計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)或處理器上運(yùn)行時(shí)被配置成執(zhí)行如權(quán)利要求1-17之中任一權(quán)利要求所述的方法的步驟。
19.一種用于與用于測量病人的心沖擊圖信號(hào)的儀器相結(jié)合使用的設(shè)備，該設(shè)備包括用于從該儀器接收心沖擊圖信號(hào)的裝置；以及處理裝置，用于對(duì)接收到的心沖擊圖信號(hào)執(zhí)行在權(quán)利要求1-17之中任一權(quán)利要求中定義的方法。
全文摘要
提供用于分析心沖擊圖信號(hào)以確定心率的方法，該方法包括為心沖擊圖信號(hào)中的第一次心跳，確定初始時(shí)間估計(jì)；使用初始時(shí)間估計(jì)，為心沖擊圖信號(hào)中的隨后心跳，迭代計(jì)算估計(jì)；其中計(jì)算步驟中的每次迭代包括評(píng)估包括多個(gè)評(píng)分函數(shù)的加權(quán)和的目標(biāo)函數(shù)；以及其中為心沖擊圖信號(hào)中的隨后心跳計(jì)算估計(jì)的每個(gè)迭代步驟限于在先前的迭代計(jì)算步驟中發(fā)現(xiàn)的時(shí)間估計(jì)之后的目標(biāo)間隔。
文檔編號(hào)A61B5/11GK102245102SQ200980149711
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者布勞爾斯 A., 弗里德里希 D., 菲爾 H., 施塔德爾坦納 K., L. M. A. 奧伯特 X. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司