專利名稱：腦灌注監(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及測量頭部血流量。
技術(shù)背景需要在各種醫(yī)療事件和過程中測量腦血流量，因為對到腦血流量 的任何干擾都會導(dǎo)致腦細胞功能的損害，如果干擾時間長，甚至?xí)?dǎo) 致腦細胞死亡。維持到腦部的血流量尤為重要，因為腦細胞比其他細 胞更容易受到缺氧的損害，并且因為在損害之后腦細胞通常不能再生。許多常見的情況會導(dǎo)致一般腦血流量的減小，包括心律不齊、心 肌梗塞以及創(chuàng)傷失血性休克。腦血流量的突然增加也會導(dǎo)致嚴重的傷 害，并且尤為可能發(fā)生在新生兒或早產(chǎn)兒中，雖然這種增加也可以發(fā) 生在具有某些醫(yī)學(xué)情況或在手術(shù)期間的病人。在所有這些情況中，關(guān) 于腦血流量的數(shù)據(jù)以及流量的改變在評估對腦組織損害的風(fēng)險以及治 療的療效時是重要的。這種數(shù)據(jù)的可用性可以使得能夠及時進行各種 醫(yī)療過程以增加、減小或穩(wěn)定腦血流量，并且防止對腦部的永久損害。在缺少直接、連續(xù)監(jiān)視腦血流量的簡單裝置的條件下，通過監(jiān)視 監(jiān)測可以容易測量的臨床參數(shù)(諸如血壓)來間接推斷關(guān)于腦血流量 變化的信息。但是由于不同醫(yī)學(xué)條件下血壓和腦血流量之間的不同關(guān) 系，可能出現(xiàn)即使當(dāng)血壓似乎足夠而腦血流量不足的情況。還可以通過監(jiān)視神經(jīng)功能來間接推斷腦血流量，但是由于神經(jīng)機能障礙通常在 其被檢測的時候是不可逆的，更希望直接檢測腦血流量的變化，雖然 其對腦功能的影響仍是不可逆的。現(xiàn)有的測量腦血流量的裝置比較復(fù)雜、昂貴并且在一些情況下是 侵入式的，這限制了它們的實用性。目前只用在研究中的三種方法是l )將放射性氙注入頸動脈并且隨著其在腦部的擴散觀察其發(fā)出的輻射； 2)正電子發(fā)射斷層攝影法，也是基于放射性材料的注入；以及3)磁 共振血管造影術(shù)，使用房間大小的、昂貴的磁共振成像設(shè)備進行，并 且需要幾分鐘給出結(jié)果。這三種方法只能在具有特殊設(shè)備可用的醫(yī)院 或其他中心來執(zhí)行，并且即使在醫(yī)院環(huán)境中使用這些方法連續(xù)監(jiān)視病 人也不現(xiàn)實。第四種方法是經(jīng)顱多普勒(TCD),其使用超聲波，該方法不是 侵入式的并且立即給出結(jié)果。然而，由于聲波難以穿過顱骨，TCD在 大約15。/。的病人中不能給出血流量的正確確定，并且其需要受過長時 間訓(xùn)練以及進行測試和辨認結(jié)果方面的實踐的專業(yè)人員的高超技術(shù)。 TCD的另一個缺陷在于它僅僅測量腦部中的局部血流量，不能測量整 個血流量。多普勒超聲波還可以用于測量頸動脈中的血流量，提供到 頭部的血流量的估計，但是不是具體到腦部的血流量，并且不包括通 過推動脈到頭部的血流量。通過超聲波難以測量通過推動脈的血流量 因為它們與推骨接近。通常在研究中用于測量頭部中的血流量和身體的其他部位中的血 流量的兩個其他技術(shù)是阻抗體積描記法(IPG)和光學(xué)體積描記術(shù) (PPG)。授予Mills的美國專利6819950 (其公開內(nèi)容在此引入以供 參考)描述了在其他條件中使用PPG檢測頸動脈狹窄。授予Cowings的美國專利5694939 (其公開內(nèi)容在此引入以供參 考)描述了用于控制血壓的生理回饋技術(shù)，其包括在小腿中使用IPG 并且在手指中使用PPG。授予Oberg等的美國專利5396893 (其公開 內(nèi)容在此引用以供參考)陳述了對于監(jiān)視病人的心率和呼吸率，PPG 要優(yōu)于IPG。授予Belalcazar的美國專利6832113 (其公開內(nèi)容在此引 入以供參考)描述了為了優(yōu)化心臟起搏器使用IPG或PPG測量血流量。 授予HOvland等的美國專利6169914 (其公開內(nèi)容在此引入以供參考) 描述了使用各種類型的傳感器(包括IPG和PPG)用于利用陰道探頭監(jiān)視女性性喚起，并且描述了組合使用不同類型的傳感器。授予Yang等的美國專利6413223(其公開內(nèi)容在此引入以供參考) 描述了包括兩個PPG傳感器和一個IPG傳感器的用在手指上的探頭。 利用動脈血流量的數(shù)學(xué)模型對來自這三個傳感器的組合數(shù)據(jù)進行分 析，提供了比單獨使用IPG或PPG獲得的更為精確的血流量的測量。J.H.Seipel 和 J.E.Floam 在 J.Clinical Pharmacology 15， 144-154(1975)中展示了藥物betahistidine對腦部，頭碩，頭皮和小腿血 液循環(huán)的影響的臨床研究的結(jié)果。腦血流圖(Rheoencephalography， REG)是一種形式的IPG,用于測量腦血流量的幅度。所有上述專利和出版物的公開內(nèi)容在此引入，以供參考。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的 一 些實施例的 一 個方面涉及根據(jù)IPG數(shù)據(jù)和/或其他數(shù)據(jù) (例如EKG數(shù)據(jù))的特性，從IPG數(shù)據(jù)確定腦血流量，其中只使用來 自所選擇的心動周期的數(shù)據(jù)并且丟棄來自其他心動周期的數(shù)據(jù)?？蛇x 地，從放置在頭上或耳朵里的電極獲得IPG數(shù)據(jù)，例如如任何上述相 關(guān)專利申請中所描述的?？蛇x地，從IPG數(shù)據(jù)和PPG數(shù)據(jù)的組合確定 腦血流量，并且IPG數(shù)據(jù)、PPG數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)或它們的任意組合的 特性用于選擇所使用的IPG和PPG數(shù)據(jù)所來自的心動周期?？蛇x地， 從放置在頭上或耳朵里的PPG傳感器獲得PPG數(shù)據(jù)，例如如任何上述 相關(guān)專利申請中所描述的。可選地，這些特性包括心動周期的持續(xù)時 間并且數(shù)據(jù)被用于具有相似持續(xù)時間的心動周期，而丟棄持續(xù)時間有 很大不同的心動周期。額外地或替換地，特性包括對于IPG信號和/或 PPG信號，每個心動周期和下一個(或前一個)心動周期的信號之間 的互相關(guān)。例如，對于IPG信號或?qū)τ赑PG信號，只有當(dāng)互相關(guān)超過 閾值時，或者對于IPG和PPG信號兩者來說，只有當(dāng)互相關(guān)超過閾值 時，才將數(shù)據(jù)用于心動周期。本發(fā)明的一些實施例的一個方面涉及在使用IPG數(shù)據(jù)或IPG數(shù)據(jù) 和PPG數(shù)據(jù)的組合以測量腦血流量之前，減少IPG數(shù)據(jù)和/或PPG數(shù) 據(jù)中的呼吸偽影(breathing artifact),例如，通過在每個心動周期中對 數(shù)據(jù)進行不同的調(diào)整使得在心動周期中特定階段(phase)的數(shù)據(jù)或心 動周期的特定階段范圍上的數(shù)據(jù)的平均值總是具有固定的值，來減少呼吸偽影?？蛇x地，呼吸偽影基本上從IPG數(shù)據(jù)和/或PPG數(shù)據(jù)中去 除，例如從IPG和PPG數(shù)據(jù)計算的腦血流量，在許多呼吸周期上平均， 隨呼吸周期階段變化小于10%?？蛇x地，心動周期中的特定階段是心 舒張期，例如，如R波的峰值所指示的，或者如IPG信號或PPG信號 中的最小值所指示的。本發(fā)明的一些實施例的一個方面涉及使用可選地為IPG信號的最 大斜率的斜率與可選地為PPG信號的最大斜率的斜率的比值作為腦血 流量的度量。這個斜率被i人為與血液流入強相關(guān)。可選地，用于IPG 和PPG信號兩者的最大斜率是舒張期之后的上升沿的最大斜率?；蛘?， 用于一個信號或這兩個信號的最大斜率是舒張期之前的下降沿的具有 最大絕對值的斜率。可選地，例如通過將最大斜率除以那個心動周期 的信號幅度的度量，將最大斜率標準化(normalize)。可選地，得到 的腦血流量的測量然后通過使用時間平均進行平滑。例如，以固定的 時間間隔，例如幾秒鐘，或者以固定數(shù)量的心動周期，使用時間上的 移動平均?？蛇x地，適應(yīng)于信號的特性，在隨時間改變的時間間隔上 完成平滑。因此根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，提供了一種通過分析頭部的IPG 和PPG信號估計腦血流量的方法，該方法包括a) 在心動周期的至少一部分內(nèi)找到最大斜率或最負斜率或IPG 信號；b) 在心動周期的至少一部分內(nèi)找到PPG信號的最大斜率或最負斜率；c) 找到IPG信號的該最大或最負斜率與PPG信號的該最大或最 負斜率的比值；以及d) 從該比值計算腦血流量指示器?？蛇x地，找到最大或最負斜率包括為IPG和PPG信號找到最大斜 率，并且找到比值包括找到所述最大斜率的比值?？蛇x地，最大斜率是心動周期的上升部(leading portion )內(nèi)最大的?；蛘?，找到最大或最負斜率包括為IPG和PPG信號找到最負斜率， 并且找到比值包括找到最負斜率的比值。可選地，最負斜率是心動周期的下降部(trailing portion )內(nèi)最負的。
在本發(fā)明的實施例中，至少所述信號之一的最大或最負斜率被標 準化到所述信號的幅度的度量。
可選地，幅度的度量是所述信號在心動周期上峰值到峰值的幅度。 或者，幅度的度量是所述信號在心動周期上的平均值。
可選地，PPG信號來自頭部左側(cè)的PPG傳感器。 額外地或替代地，PPG信號來自頭部右側(cè)的PPG傳感器。 額外地或替代地，PPG信號是來自頭部左側(cè)的PPG傳感器和來自
頭部右側(cè)的PPG傳感器的信號的平均值。
根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，還提供了 一種估計隨時間變化的腦
血: 危量的方法，包4舌
a) 獲得頭部的隨時間變化的IPG信號；
b) 獲得頭部的隨時間變化的PPG信號；
c) 使用IPG信號和PPG信號計算腦血流量的隨時間變化的指示 器；以及
d) 對IPG信號、PPG信號和腦血流量指示器中的一個或多個進 行數(shù)據(jù)處理，以減小噪聲或偽影或兩者。
在本發(fā)明的實施例中，進行數(shù)據(jù)處理包括對于滿足一個或多個丟 棄標準的心動周期，丟棄IPG信號、PPG信號或兩者的數(shù)據(jù)。 可選地，所述標準包括持續(xù)時間在期望范圍之外。 可選地，所述期望范圍的最大值為1.3-2倍的心動周期平均持續(xù) 時間。
額外地或替代地，所述標準包括IPG信號和PPG信號之一或兩者 在那個心動周期和下一個心動周期之間具有低于閾值的互相關(guān)。
額外地或替代地，所述標準包括IPG信號和PPG信號之一或兩者 在那個心動周期和前一個心動周期之間具有低于閾值的互相關(guān)。
可選地，所述閾值在+0.5到+0.8之間。
在本發(fā)明的實施例中，進行數(shù)據(jù)處理包括減少IPG信號、PPG信 號或兩者中的呼吸偽影。
可選地，計算腦血流量指示器包括使用根據(jù)本發(fā)明的示范性實施 例的方法。
在本發(fā)明的實施例中，進行數(shù)據(jù)處理包括對腦血流量指示器進行平滑。
可選地，平滑包括找到時間間隔上的平均值。
可選地，平滑包括使用根據(jù)腦血流量指示器的行為隨時間的變化
受到適應(yīng)性調(diào)整的時間尺度(time scale)。


下面參考附圖描述本發(fā)明的示范性實施例。附圖不一定成比例， 并且相同的參考數(shù)字通常用于不同附圖中示出的相同或相關(guān)特征。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的用于找到腦血流量的方法的 流程圖2A-2D示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的具有呼吸偽 影和去除了呼吸偽影的IPG和PPG信號的圖形。
圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的在好的心動周期 和壞的心動周期期間的IPG和PPG信號的圖形。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例，在動脈內(nèi)膜切除 術(shù)期間計算的腦血流量指示器隨時間變化的圖形；
圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例在圖4種示出的腦 血流量指示器的圖形，示出了包括所有心動周期和只包括好的心動周 期的效果；
圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例在時間上進行平 滑的圖4中示出的腦血流量指示器以及在平滑之前的指示器的值的圖 形；
圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例，在通過使對象呼 吸二氧化碳水平增加的空氣使得腦血流量增加的實驗期間，計算的對 象的腦血流量指示器隨時間變化的圖形；以及
圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，在對象執(zhí)行增 加左半腦血流量的認知任務(wù)的實驗期間，對象腦部的左半腦和右半腦 的計算的腦血流量指示器隨時間變化的圖形。
具體實施例方式
圖l示出了流程圖100,其概述了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的用于 找到腦血流量(CBF)的方法。將參考圖2、 3和4中示出的數(shù)據(jù)的圖形，描述流程圖100中的不同步驟。
在102,采集頭部的原始IPG和PPG數(shù)據(jù)。例如，使用任何上述 相關(guān)專利申請或?qū)＠?，和在背景技術(shù)中所引用的出版物中描述的任 何方法，或者本領(lǐng)域中采集頭部IPG和PPG數(shù)據(jù)已知的任何其他方法 來采集數(shù)據(jù)。例如，使用結(jié)合了用于IPG的電極和用于PPG的光傳感 器的組合傳感器，或者使用單獨的傳感器。可選地，IPG電極被設(shè)計 為一尺寸和形狀并且放置在頭上，使得獲得對顱骨內(nèi)部阻抗的敏感度 相對較高，對頭皮阻抗的敏感度相對較低的IPG數(shù)據(jù)，如上述專利申 請中所描述的。作為時間的函數(shù)的原始IPG和PPG數(shù)據(jù)的示例分別 在圖2A和圖2B的曲線202和204中示出。
可選地，有多于一個的PPG傳感器，例如有兩個PPG傳感器，頭 的每側(cè)各有一個?？蛇x地，這兩個PPG傳感器分別位于前額的左側(cè)和 右側(cè)。在此處所述的使用PPG信號的任何方法中，可以使用來自頭部 左側(cè)的PPG信號或來自頭部右側(cè)的PPG信號，或者可以使用兩個PPG 信號的平均，可能為加權(quán)平均。
在104，可選擇對原始IPG和/或PPG信號進行調(diào)節(jié)，以減少呼吸 偽影。例如，這是通過調(diào)整信號使得每個心動周期的最小值具有恒定 值，在圖2C和2D中設(shè)為零，下面結(jié)合106描述定義什么構(gòu)成單個心 動周期的方法。得到的經(jīng)調(diào)節(jié)的IPG信號(曲線206所示)以及經(jīng)調(diào) 節(jié)的PPG信號(曲線208所示)幾乎沒有呼吸偽影。IPG信號和PPG 信號與呼吸周期沒有曲線206和208的隨意觀察者可見的明顯相關(guān)性， 并且IPG信號和/或PPG信號與呼吸周期的任何剩余的相關(guān)性可選地 對計算的腦血流量導(dǎo)致小于10°/ 的影響?？蛇x地，通過相鄰最小值的 內(nèi)插值或平均值減少最小值之間的值。
可選地，在106，選擇"好的"心動周期，并且丟棄來自其他心動 周期的數(shù)據(jù)。可選地，三個標準的其中一個或多個用于丟棄來自一些 心動周期的數(shù)據(jù)。第一標準涉及心動周期的持續(xù)時間與平均時間的差 別有多大。第二和第三標準涉及分別對于IPG信號和PPG信號，給定 心動周期的信號形態(tài)與下一個(或前一個)心動周期的信號形態(tài)的差 別有多大。來自滿足這些標準中的一個或多個的心動周期的數(shù)據(jù)可能 具有使信號失真的高噪聲水平，或者可能對應(yīng)于不能為腦血流量提供 典型值的不規(guī)則心搏。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)丟棄滿足這三個標準的任何一個的心動周期的數(shù)據(jù)對于確定腦血流量的精確測量非常有用?？蛇x地， 只有當(dāng)心動周期滿足這些標準中的兩個或所有三個標準時，才丟棄數(shù)
據(jù)。可選地，只使用這三個標準中的一個作為丟棄數(shù)據(jù)的標準?？蛇x 地，只使用這些標準中的兩個，并且如果滿足這兩個標準中的任何一 個時就丟棄數(shù)據(jù)?？蛇x地，使用所有三個標準，并且當(dāng)滿足任何標準 時丟棄數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到用于確定是否應(yīng)該丟棄特定心 動周期的數(shù)據(jù)的其他標準。
例如，使用EKG數(shù)據(jù)來確定心動周期的持續(xù)時間，并且將其定義 為從一個R波的峰值到下一個R波的峰值的時間。可選地，峰值必須 滿足一定的標準才能被當(dāng)作R波的峰值。例如，峰值落在前一個R波 的峰值的0.3秒到1.5秒之間。如果在這個時間間隔內(nèi)有多于一個的局 部峰值，可選地通過找到最象R波峰值的期望幅度和時間間隔的峰值 來找到R波的峰值。期望的幅度和時間間隔例如是基于R波的前一個 峰值的幅度和時間間隔，或者基于過去值的移動平均?？蛇x地,使用 IPG數(shù)據(jù)和/或PPG數(shù)據(jù)來定義心動周期的持續(xù)時間，而不是使用R 波的峰值或者與R波的峰值相結(jié)合。例如，心動周期的持續(xù)時間被定 義為在IPG和/或PPG信號中從一個局部最小值(或最大值)到下一 個局部最小值(或最大值)的時間，或者定義為從信號的斜率的一個 局部最大值(或最小值)到斜率的下一個局部最大值(或最小值)的 時間。可選地，IPG或PPG信號中的局部最小值或最大值，或者IPG 或PPG信號的斜率中的局部最小值或最大值必須滿足一定的標準，例 如與針對使用R波的峰值在上面描述的標準類似或相同的標準?？蛇x 地，對于那些具有期望范圍之外的持續(xù)時間的心動周期，丟棄數(shù)據(jù)。 可選地，期望范圍的最大值為1.3-2倍的心動周期平均持續(xù)時間。例 如，最大值是1.65倍的平均持續(xù)時間。或者，希望范圍的最大值小于 1.3倍的平均持續(xù)時間?？蛇x地，希望范圍的最小值小于0.7倍的平均 持續(xù)時間。或者，希望范圍的最小值大于0.7倍的平均持續(xù)時間?？蛇x 地，由于如上所述的定義心動周期的方式，雖然對于任何心動周期可 能有最小持續(xù)時間，但范圍沒有明確的最小值。
上述的"心動周期平均持續(xù)時間"可選地是心動周期的持續(xù)時間 的中值或模。使用中值或模而不是均值的潛在優(yōu)勢在于中值和模對在 數(shù)據(jù)中代表噪聲而不是心動周期的實際持續(xù)時間的異常值相對不敏感?；蛘撸?心動周期的平均持續(xù)時間"是心動周期的持續(xù)時間的均 值?？蛇x地，"心動周期的平均持續(xù)時間"是例如在幾個心動周期或 者在幾十個心動周期上的移動平均值。將移動平均用于心動周期的平 均持續(xù)時間的潛在優(yōu)勢為，由于隨時間的生理變化平均持續(xù)時間調(diào)整 到病人脈搏率的實際變化?？蛇x地，使用固定值代替"心動周期的平 均持續(xù)時間，，，可選地調(diào)整到病人，或者固定值是基于為該病人確定 的脈搏率。
給定心動周期的信號(IPG或PPG信號)的形態(tài)與下一個心動周 期的信號的差別有多大，例如通過這兩個心動周期的信號之間的互相 關(guān)確定。可選地，對于IPG和PPG信號中的一個或兩者，如果互相關(guān) 小于某個閾值，那么丟棄該心動周期的數(shù)據(jù)?？蛇x地，該閾值在+0.5 和+0.8之間，例如閾值為+0.7?？蛇x地，該標準不是使用一心動周期和 下一個心動周期的互相關(guān)，而是基于該心動周期和前一個心動周期之 間的互相關(guān)?；蛘撸挥挟?dāng)這兩個互相關(guān)的任一個小于閾值時，或者 只有當(dāng)兩個互相關(guān)都小于閾值時，才丟棄數(shù)據(jù)?？蛇x地，只有當(dāng)對于 IPG和PPG信號的兩者的互相關(guān)(不管使用哪一個)低于閾值時才丟 棄數(shù)據(jù)?；蛘?，只有當(dāng)對于IPG信號，互相關(guān)低于閾值時，或者只有 當(dāng)對于PPG信號互相關(guān)低于閾值時，才丟棄數(shù)據(jù)。
圖3是出了經(jīng)調(diào)節(jié)的IPG數(shù)據(jù)302 (實線)和經(jīng)調(diào)節(jié)的PPG數(shù)據(jù) 304 (虛線)的曲線300。對于IPG數(shù)據(jù)，對于在時間間隔306和308 中的前兩個心動周期，明顯因為IPG數(shù)據(jù)中的噪聲，該心動周期和下 一個心動周期之間的互相關(guān)相對較低，丟棄了這些心動周期的數(shù)據(jù). 對于剩余的心動周期，對于IPG和PPG信號兩者，該心動周期和下一 個心動周期之間的互相關(guān)相對較高，不丟棄這些心動周期的數(shù)據(jù)。
在108，對于數(shù)據(jù)已經(jīng)被保存的心動周期，從IPG和/或PPG數(shù)據(jù) 計算CBF指示器。在本發(fā)明的示范性實施例中，通過求IPG信號的最 大斜率與PPG信號的最大斜率的比值，為每個這樣的心動周期找到 CBF指示器?？蛇x地，最大斜率并不一定是整個心動周期上的最大值， 但是是舒張期之后的心動周期的上升沿部分上的最大值。應(yīng)理解的是 IPG和PPG信號兩者的量值以及因此這兩個信號的最大斜率通常對各 種因素比較敏感。這些因素包括電極和PPG傳感器在病人頭部的準確 位置，與皮膚的接觸有多好，電極位置處以及病人頭部其他地方的病人皮膚厚度和病人皮膚下的脂肪層的厚度。IPG和PPG信號的最大斜 率的比值可能不提供腦血流量的絕對度量，但是可以只提供腦血流量 的相對度量?？蛇x地，通過在已知病人具有充足的腦血流量時，例如 在手術(shù)之前，在病人清醒并且可以通過問問題來評估他的精神狀態(tài)時， 觀察腦血流量的值來校準腦血流量的度量?？蛇x地， 一旦已經(jīng)校準了 腦血流量的度量，例如直到完成了手術(shù)，才移開或重新定位電極和PPG 傳感器。
因為腦中的動脈通常在直徑上大于面部皮膚和頭皮的動脈，在心 臟收縮期的開始，腦中的血量通常比皮膚中的血量增加得更早更快。 因為IPG信號對于腦中的血量和皮膚中的血量都敏感，而PPG信號只 對皮膚中的血量敏感，在心臟收縮期的開始，IPG信號通常比PPG信 號上升得更早更快。每個信號的最大斜率是這個上升發(fā)生多快并且能 到多高的度量。IPG信號的最大斜率是腦中的血量和皮膚中的血量的 加權(quán)和的度量，而PPG信號的最大斜率只是皮膚中的血量的度量。在 這些區(qū)域，與測量血量變化的IPG和PPG信號的峰值到峰值的幅度相 比，IPG和PPG信號的最大斜率可能是血量更好的度量。血量的變化 取決于流入和流出一區(qū)域的血流量之間的差別。然而，IPG和PPG信 號的峰值到峰值的幅度對于測量腦血流量也是有用的。
對于IPG信號或PPG信號或兩者來說，血流量的另一個有用度量 是標準化到信號的幅度的度量的信號的最大斜率。例如，對于那個心 動周期，通過除以信號的峰值到峰值幅度來標準化最大斜率?；蛘?， 對于那個心動周期，通過除以信號的平均值(可能為加權(quán)平均值)與 信號的最小值之間的差值來標準化最大斜率?？蛇x地，加權(quán)平均值包 括正權(quán)重和負權(quán)重，例如加權(quán)平均值是信號在心動周期頻率處的傅立 葉分量?？蛇x地，標準化是針對信號的面積(例如連續(xù)最小值之間的) 的。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)IPG信號的最大斜率與PPG信號的最大斜率的比值 (或者標準化最大斜率或者不標準化)經(jīng)常與某些情況下腦中的血流 速率很好地相關(guān)，如通過其他裝置例如TCD獨立確定的那樣。例如， 在某些情況下，通過收縮影響到達頭皮和面部皮膚的血流量的周圍動 脈，腦部增加了腦血流量。在這些情況中，腦血流量的增加與皮膚中 血流量的減少相關(guān)，并且IPG信號的最大斜率與PPG信號的最大斜率的比值可以^艮好地與腦血流量相關(guān)。
在通過阻塞頭部一側(cè)的動脈或?qū)ζ浞叛鴾p少腦血流量的情況 中，頭部另一側(cè)的周圍血流量可以保持相對恒定。在這些情況中，尤
其如果在頭部另一側(cè)測量來自受影響的動脈的PPG信號，IPG信號的 最大斜率與PPG信號的最大斜率的比值也可以很好地與腦血流量相 關(guān)。即使在與受影響的動脈相同的頭部一側(cè)獲取PPG信號，最大斜率 的比值也可以相當(dāng)好地與腦血流量相關(guān)，也許是因為副動脈可以將血 液從頭部的一側(cè)重新分布到另一側(cè)。
在其他情況下，腦血流量的不同度量可能更為有用。例如，如果 由于血壓的減小，到頭部的總血流量減小，那么腦部可以通過收縮周 圍動脈，在皮膚中減少比腦部中更多的血流量來進行補償。在這種情 況下，僅IPG信號的最大斜率或者IPG和PPG信號之間的最大斜率的 加權(quán)差，會是優(yōu)于最大斜率的比值的腦血流量的度量。
在本發(fā)明的一些實施例中，使用不同的準則來尋找CBF指示器。 例如，不是使用IPG和PPG信號的最大斜率的比值，而是使用最小(最 負)斜率的比值，這些斜率標準化或不標準化到幅度的度量?？蛇x地， 最負斜率不必是整個心動周期上的最負值，而只是收縮期之后的心動 周期的下降沿部分上的最負值。收縮期之后的血量的下降，就像舒張 期之后血量的上升一樣，腦部的要比皮膚的快。IPG和PPG信號的最 小斜率的比值可以以類似于最大斜率的比值的方式與腦血流量相關(guān)。 或者，當(dāng)采用斜率的比值時，為一個信號使用最大斜率，為另一個信 號使用最小斜率(或其絕對值)。
替代地或額外地，通過從IPG信號中減去加權(quán)的PPG信號，然后 取差分信號的最大斜率來找到CBF指示器?？蛇x地，通過要求加權(quán)的 PPG信號的下降沿的斜率(例如下降沿的平均斜率或下降沿的最陡斜 率)等于IPG信號的相應(yīng)斜率來確定加權(quán)因子。如果IPG信號的下降 沿由皮膚中的血流量主導(dǎo)，則加權(quán)因子的這種選擇是合適的。得到的 CBF指示器的潛在優(yōu)勢在于，它可以更好地指示由血壓減小引起的腦 血流量的變化，血壓的減小減少了腦部和皮膚中的血流量。另一方面， 基于兩個信號的斜率的比值的CBF指示器比基于兩個信號之差的斜率 的CBF指示器可能對信號中的噪聲更不敏感。
可選地，CBF指示器只基于1PG信號或者只基于PPG信號。例如，CBF指示器是每個心動周期中的信號之一的峰值到峰值的幅度，或者 是信號之一的最大或最小斜率，或者是在每個心動周期中標準化到信 號幅度的最大或最小斜率。在110，使用任何已知的時間平滑算法在時間上對CBF指示器進 行平均?？蛇x地，在幾秒(例如5， 10或20秒)的時間尺度上或者在 多個心動周期(例如5， 10或20個心動周期)上完成平均?？蛇x地，用于平滑的時間尺度取決于被平滑的數(shù)據(jù)適應(yīng)性地改變。例如，平滑 包括在時間間隔上平均數(shù)據(jù)，如果線性外插對下一個數(shù)據(jù)點在哪里作 出良好預(yù)測，則向上調(diào)整該時間間隔，如果線性外插對下一個數(shù)據(jù)點 在哪里作出較差的預(yù)測，則向下調(diào)整該時間間隔?？蛇x地，在108找到CBF指示器之前，使用任何上述的方法，多 個心動周期的每一個的IPG信號被一起疊加和平均，而不是在多個心 動周期上平均CBF指示器或者與在多個心動周期上平均CBF指示器 相結(jié)合，并且可選地對PPG信號進行同樣的操作。圖4示出了曲線圖400，具有被平滑的CBF指示器信號402隨時 間變化的曲線。通過取IPG信號的標準化最大斜率與PPG信號的標準 化最大斜率的比值來計算CBF指示器，使用每個信號的峰值到峰值幅 度來完成標準化。CBF指示器的平滑是通過在適應(yīng)性改變的時間間隔 上進行平均完成的，如上所述。IPG和PPG信號是在經(jīng)受動脈內(nèi)膜切 除術(shù)的病人上測量的，其中在清除動脈的動脈粥樣斑的同時在頸部一 側(cè)上的頸總動脈、頸內(nèi)動脈和頸外動脈在時間406和時間408之間被 夾緊。使用的PPG數(shù)據(jù)從與夾緊的動脈相對的頭部側(cè)來獲取。CBF指 示器信號402在時間406減小，主要是由于當(dāng)動脈被夾緊并且到頭部 那一側(cè)以及到作為整體的腦部的血流量減小時，IPG信號減小。在時 間408，當(dāng)釋放夾緊的動脈，CBF指示器信號402增加，主要是由于 IPG信號的增加。在時間408之后，CBF指示器信號高于夾緊動脈之 前的CBF指示器信號，因為清除了動脈粥樣斑的動脈比之前允許更大 的腦血流量。應(yīng)注意本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)計算CBF指示器的這個方法在被測試過的方 法中給出動脈內(nèi)膜切除術(shù)期間腦內(nèi)血流量的最好結(jié)果。然而，計算CBF 指示器的一些其他方法，包括使用來自與夾緊的動脈的頭的相同側(cè)的 PPG信號，也被發(fā)現(xiàn)給出動脈內(nèi)膜切除術(shù)期間腦血流量的相當(dāng)好的指示。圖5示出了曲線圖500，其說明了丟棄壞的心動周期對CBF指示 器的影響。曲線圖500中示出的CBF指示器信號是根據(jù)與圖4中使用 的相同的數(shù)據(jù)計算的。示為實線的CBF指示器信號402是只使用"好 的，，心動周期計算的，并且與圖4示出的信號402相同。好的心動周 期被定義為心動周期持續(xù)時間小于1.65倍的所有心動周期的中值持續(xù) 時間的那些心動周期，并且對于這些心動周期，IPG和PPG信號在該 心動周期和下一個心動周期之間都至少有+0.7的互相關(guān)。以同樣的方 式計算示為虛線的CBF指示器信號502，但是包括來自所有心動周期 的信號數(shù)據(jù)。雖然信號502示出了與信號402相同的一般趨勢，但是 信號502在動脈被夾緊的時候減小，且在動脈被釋放之后回到甚至更 高的水平，相比信號402顯示出明顯更多的噪聲。圖6示出了曲線圖600，說明了平滑對CBF指示器的影響。在曲 線圖600中畫出的平滑的CBF指示器402與圖4和5中畫出的信號402 相同。許多小星星602示出各個心動周期的CBF指示器的值，其示出 了比平滑的信號402高得多的噪聲水平。圖7和圖8示出了本發(fā)明人使用健康的志愿者進行的兩個其他試 驗的結(jié)果，以驗證CBF指示器信號的有效性。在這些試驗中，CBF指 示器702 (圖7)和802以及806 (圖8)被定義為IPG信號的最大斜 率與PPG信號之一的最大斜率的比值，但是最大斜率并沒有標準化到 相應(yīng)信號的幅度。這個計算CBF指示器的方法在這兩個試驗中通常比 使用標準化的最大斜率給出更好的結(jié)果。平滑方法和"好的，，心動周 期的定義與用于圖4-6中的CBF指示器的相同。在用于產(chǎn)生繪制在圖7中的曲線圖700的數(shù)據(jù)的試驗中，對象呼 吸正?？諝庵钡綍r間708。在時間708和時間710之間，對象從密封袋 中呼吸，導(dǎo)致二氧化碳水平增加，已知能引起腦血流量增加的過程。 在時間710之后，對象重新呼吸正?？諝?。對象呼出的氣體中所測量 的二氧化碳的水平相對于典型的正常呼出的二氧化碳的40mmHg的分 壓，作為信號704繪制在曲線圖700中。正如所期望的那樣，當(dāng)二氧 化碳水平上升時，CBF指示器702上升，當(dāng)二氧化碳水平降低時，CBF 指示器70再次降低。CBF指示器702的變化主要是由于PPG信號的 變化，當(dāng)二氧化碳的水平增加時，PPG信號減小，因為腦部收縮頭部的周圍動脈，以便確保到腦部的氧氣的持續(xù)充足供應(yīng)。平滑的TCD信 號704——腦血流量的標準指示器，當(dāng)二氧化碳水平上升時顯示出類似 的上升。圖8示出了認知活動對腦血流量的影響。使用來自頭部左側(cè)的PPG 信號計算CBF指示器802。 CBF指示器802應(yīng)該特別指示腦部左側(cè)的 血流量，由于已知腦部在頭部左側(cè)或右側(cè)獨立地收縮或釋放周圍動脈， 以便調(diào)節(jié)腦部相應(yīng)側(cè)的血流量。在由箭頭804指示的時刻，給對象提 出九個乘法問題，并要求對象在腦中解決它們。已知心算主要是腦部 左側(cè)的活動，并且在對象解決問題的過程中，CBF指示器802顯示左 腦血流量的增加，大約有兩分鐘的延時。相反，使用來自頭部右側(cè)的 PPG信號計算的CBF指示器806沒有顯示這樣的增加，表示在這期間 右腦血流量沒有增加。CBF指示器806在這個期間甚至顯示稍微的減 少。兩個CBF指示器中的變化主要是由于PPG信號的變化。已經(jīng)在實施本發(fā)明的最佳模式的上下文中描述了本發(fā)明。應(yīng)理解 的是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例并不是所有在附圖中示出或相關(guān)文本中 描述的特征都會出現(xiàn)在實際設(shè)備中。此外，對示出的方法和裝置的變 化都包括在僅由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。而且， 一個 實施例的特征可以結(jié)合本發(fā)明的不同實施例的特征來提供。如此處所 用的，術(shù)語"具有"、"包括"和"包含"或者它們的變型意味著"包 括但不限于"。如此處所用的，信號的"斜率，，可以指非標準化斜率 或標準化斜率，例如標準化到信號幅度的度量的斜率。
權(quán)利要求
1.一種通過分析頭部的IPG和PPG信號來估計腦血流量的方法，該方法包括a)在心動周期的至少一部分內(nèi)找到IPG信號的最大斜率或最負斜率；b)在心動周期的至少一部分內(nèi)找到PPG信號的最大斜率或最負斜率；c)找到IPG信號的最大或最負斜率與PPG信號的最大或最負斜率的比值；以及d)根據(jù)該比值計算腦血流量指示器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中找到最大或最負斜率包括為IPG 信號和PPG信號兩者找到最大斜率，并且找到比值包括找到最大斜率 的比值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中最大斜率是心動周期的上升部分 內(nèi)最大的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中找到最大或最負斜率包括為IPG 信號和PPG信號兩者找到最負斜率，并且找到比值包括找到最負斜率 的比值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中最負斜率是心動周期的下降部分 內(nèi)最負的。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中至少所 述信號之一的最大或最負斜率標準化到所述信號的幅度的度量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中幅度的度量是所述信號在該心動 周期上的峰值到峰值的幅度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中幅度的度量是所述信號在該心動 周期上的平均值。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中PPG信 號來自頭部左側(cè)上的PPG傳感器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中PPG 信號來自頭部右側(cè)上的PPG傳感器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l-8中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中PPG 信號是來自頭部左側(cè)上的PPG傳感器和頭部右側(cè)上的PPG傳感器的信號的平均。
12. —種估計隨時間變化的腦血流量的方法，包括a) 獲得頭部的隨時間變化的IPG信號；b) 獲得頭部的隨時間變化的PPG信號；c) 使用IPG和PPG信號計算隨時間變化的腦血流量指示器；以及d) 對IPG信號、PPG信號和腦血流量指示器中的一個或多個進行 數(shù)據(jù)處理，以減小噪聲或偽影或兩者。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中進行數(shù)據(jù)處理包括對于滿足一 個或多個丟棄標準的心動周期，丟棄IPG信號、PPG信號或兩者的數(shù)據(jù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該標準包括具有期望范圍之外 的持續(xù)時間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該希望范圍的最大值為1.3-2 倍的心動周期的平均持續(xù)時間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13-15中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中該 標準包括IPG信號和PPG信號中的一個或兩個在那個心動周期和下一 個心動周期之間具有低于閾值的互相關(guān)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13-15中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中該 標準包括IPG信號和PPG信號中的一個或兩個在那個心動周期和前一 個心動周期之間具有低于閾值的互相關(guān)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17的方法，其中該閾值在+0. 5 到+0. 8之間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12-18中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中進 行數(shù)據(jù)處理包括在IPG信號、PPG信號或兩者中減少呼吸偽影。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12-19中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中計 算腦血流量指示器包括使用權(quán)利要求1-11中的任何一個權(quán)利要求的方 法。
21. 根據(jù)權(quán)利要求12-20中的任何一個權(quán)利要求的方法，其中進 行數(shù)據(jù)處理包括對腦血流量指示器進行平滑。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中平滑包括找到時間間隔上的平均。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或權(quán)利要求22的方法，其中平滑包括使用 根據(jù)腦血流量指示器的行為隨時間的變化被適應(yīng)性調(diào)整的時間尺度。
全文摘要
一種通過分析頭部的IPG和PPG信號來估計腦血流量的方法，該方法包括a)在心動周期至少一部分內(nèi)找到IPG信號的最大斜率或最負斜率；b)在心動周期至少一部分內(nèi)找到PPG信號的最大斜率或最負斜率；c)找到IPG信號的最大或最負斜率與PPG信號的最大或最負斜率的比值；以及d)從該比值計算腦血流量指示器。
文檔編號A61B5/0265GK101242781SQ200680029920
公開日2008年8月13日 申請日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月15日
發(fā)明者B·Z·波普科, S·本-阿里, Y·雷克曼 申請人:奧森醫(yī)療科技有限公司