專利名稱：基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測植物神經(jīng)的方法及其裝置，且特別涉及一種根據(jù)心音記錄(心音圖)測量心率變異性(HRV)來監(jiān)測植物神經(jīng)的方法及其裝置。
臨床醫(yī)學(xué)上已發(fā)展了不少診斷植物神經(jīng)功能的儀器和方法，包括深呼吸心率變異性法(Heart rate variation with deep breathing)、強(qiáng)閉氣反應(yīng)(Valsalva response)、排汗功能(Sudomotor function)、姿態(tài)變換時(shí)血壓變化(Orthostatic blood pressure recordings)、冰水造成的升壓反應(yīng)(Cold pressor test)、和生化檢驗(yàn)(Biochemistry test)等，然而部分方法需進(jìn)行侵體性檢驗(yàn)，受試者得承受痛苦；而部分方法需昂貴的儀器，因此均不適合大規(guī)模推廣。
醫(yī)學(xué)界目前以普遍相信的心率變異性形式與植物神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)整有密切的關(guān)系。因此心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)分析即可作為一個(gè)植物神經(jīng)系統(tǒng)功能指標(biāo)。所謂心率變異性(HRV)分析，即分析人體休止時(shí)心率的微小變動(dòng)，來檢測并定量心臟的植物神經(jīng)功能。換言之，我們已可在不干擾一個(gè)正常人作息的情況下，對其植物神經(jīng)功能進(jìn)行分析或診斷。傳統(tǒng)上是利用標(biāo)準(zhǔn)心電圖作檢測工具的。HRV能由眾多植物神經(jīng)診斷方法中脫穎而出，因?yàn)樗鼘俜乔煮w性的診斷技術(shù)，受試者不須承受任何痛苦，且硬件成本低廉，有大規(guī)模推廣的潛力。此外，經(jīng)過許多動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)，已證實(shí)其反應(yīng)植物神經(jīng)功能的正確性。
正常的人體心臟每分鐘約跳動(dòng)70次，此規(guī)律跳動(dòng)源自于心臟內(nèi)部的節(jié)律系統(tǒng)，包括竇房節(jié)、房室節(jié)和各類神經(jīng)纖維。為了、適應(yīng)多變的體內(nèi)和體外環(huán)境，身體發(fā)展了一套完整的植物神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)心率，包括交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)。當(dāng)遇緊急情況時(shí)，交感神經(jīng)系統(tǒng)作用影響可使心率及血壓上升，而當(dāng)緊急情況過去時(shí)，則副交感神經(jīng)系統(tǒng)作用使心率下降，心率就在二者交互作用下產(chǎn)生最佳的平衡狀態(tài)。此外，心率還需要許多詳盡的神經(jīng)的控制，牽涉到精巧復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反射機(jī)制。健康人的心率除了靜態(tài)恒定外，還隱藏了一些幅度不大的波動(dòng)，出現(xiàn)頻率為約每十秒或每三秒一次。
近年來隨著實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和儀器的精進(jìn)，頻譜分析(Frequency-domain Analysis)的技術(shù)已經(jīng)能用以評估心率變異性分析。頻譜分析即是將心電圖(ECG)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)演算。

圖1是一流程圖，描述傳統(tǒng)評估心率變異性的方法。圖1中，先量測測試者的心電圖，將心電信號(hào)放大、濾波并數(shù)字化。一心率變異性分析計(jì)算機(jī)程序用以處理該些心電信號(hào)，計(jì)算機(jī)先檢測出數(shù)字化心電信號(hào)的各個(gè)尖峰，估計(jì)各尖峰間的間隔。測得頻譜再進(jìn)一步以施行快速傅立葉轉(zhuǎn)換法(FFT)量化。
在頻譜分析的協(xié)助下，研究人員發(fā)現(xiàn)心率變異性度中微小的波動(dòng)可明確的分為兩群，一般稱為高頻(High-frequency，HF)和低頻(Low-frequency component，LF)成分。高頻成分和動(dòng)物的呼吸信號(hào)同步，所以又稱為呼吸成分，認(rèn)為可能代表迷走神經(jīng)對心率的影響，在人體內(nèi)約3秒一次。低頻成分則來源不明，推測可能和血管運(yùn)動(dòng)或感壓反射有關(guān)，在人體內(nèi)約10秒一次。部分學(xué)者還進(jìn)一步將低頻成分細(xì)分為極低頻(Very-low frequency，VLF)和低頻成分。
醫(yī)學(xué)界目前以普遍相信心率變異性對于反應(yīng)許多生理現(xiàn)象是有醫(yī)療上的效用與準(zhǔn)確度的。已有許多專家同意心率高頻變異性(HF)或總變異性(Total power，TP)能代表副交感神經(jīng)功能，而低頻變異性和高頻變異性的比值(LF/HF)能反應(yīng)交感神經(jīng)活性。譬如腦壓上升的病人其心率變異性會(huì)下降，而老年人的心率低頻成分會(huì)降低。心率高頻變異性(HF)的降低與糖尿病神經(jīng)性變性有關(guān)，而低頻變異性和高頻變異性的比值(LF/HF)對姿勢改變與精神壓力密切相關(guān)。在人體試驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)腦死病人的心率低頻變異性完全消失，故可在加護(hù)病房中作病人預(yù)后(Prognosis)的診斷工具。不久前在美國Framingham的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，若老年人的心率低頻成分降低達(dá)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，其面臨死亡的機(jī)會(huì)是常人的1.7倍。
雖然心率變異性對預(yù)測診斷許多疾病是極有潛力的，但是目前仍有許多問題需要改進(jìn)。首先當(dāng)使用心電圖信號(hào)分析找出心跳頻率的變異，是能間接提供一評估植物神經(jīng)系統(tǒng)的指標(biāo)，但是心電信號(hào)的測量較為不便。為提供心率變異性的信息，病人需要使用一心電圖測量儀，以便評估找出心跳間隔并從中獲得心率變異性。要該些獲得的心電信號(hào)還需要數(shù)個(gè)電極置于身上不同的部位。
由于心率變異性的改變與許多目前普遍且致命的疾病，如心臟病或高血壓相關(guān)，所以對許多病患而言，亟需要一種使用方便且能快速提供診斷及傳送信息的方法及裝置，以避免潛在的危險(xiǎn)與保障病人的生命。
本發(fā)明提供一種基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，易于操作、便于攜帶，對使用者而言兼具方便與舒適的特性。本發(fā)明的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)中包括一收音器收集心音；還包括一放大器、一濾波器與一模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器來處理并數(shù)字化該些心音信號(hào)；還包括一計(jì)算機(jī)進(jìn)行取樣及后續(xù)分析工作，以產(chǎn)生有意義的生理及診斷結(jié)果。可在測量中進(jìn)行線上(on-line)分析或線上直接監(jiān)視，也可待測量結(jié)束后進(jìn)行離線(off-line)分析。
本發(fā)明提供一種測量心率變異性(HRV)來監(jiān)測植物神經(jīng)的方法，一麥克風(fēng)置于心臟附近以收集三至五分鐘的心音信號(hào)。該心音信號(hào)經(jīng)放大、濾波后，傳入一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
數(shù)字化的心音信號(hào)以計(jì)算機(jī)分析將每次心跳波動(dòng)的最高點(diǎn)找出，決定包括高度和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，并將各參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差算出作為標(biāo)準(zhǔn)模板。接下來每個(gè)心跳都以此模板進(jìn)行比對。頻譜分析采用傅立葉方法，施行快速傅立葉轉(zhuǎn)換(fast Fourier transform)得到功率密度頻譜，并通過積分的方式定量頻帶的功率，包括低頻(low-frequency，LF)和高頻(high-frequency，HF)功率。同時(shí)求出總功率(totalpower，TP)、低頻/高頻功率比值(LF/HF)等量化參數(shù)。這些參數(shù)并經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換以達(dá)到常態(tài)分布。
因?yàn)楸景l(fā)明的心率變異性是由心音圖而獲得的，所以可以置放一麥克風(fēng)于使用者身上，而輕易地獲得使用者的生/病理狀態(tài)并用以診斷。此外，心音圖與衍生出的心率變異性信息甚至可以在使用者的家中收集，而傳至一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行離線分析。因?yàn)榭焖俚卦\斷與信息傳遞，可避免潛在的危險(xiǎn)，而提高患者的存活率與生活品質(zhì)。
圖5對圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，而得到各項(xiàng)定量信息；圖6是本發(fā)明一較佳實(shí)施例，對10位受測者收集的心音信號(hào)進(jìn)行分析所得的定量信息與以傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法所得的信息的比較。
圖2是描述本發(fā)明一較佳實(shí)施例一種測量評估心率變異性的方法的流程圖。本發(fā)明的心率變異性是由記錄心音信號(hào)(心音圖)所得。見圖2，將麥克風(fēng)置于受試者以收集3至5分鐘的心音信號(hào)，該麥克風(fēng)置于受試者如左胸前收集心音，也可使用聽診器來收集心音。該心音信號(hào)經(jīng)放大器放大、帶通濾波器濾波之后，傳入一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行每秒1024次或2048次的數(shù)據(jù)取樣。使用一計(jì)算機(jī)進(jìn)行取樣及后續(xù)分析工作，該計(jì)算機(jī)可以是家用計(jì)算機(jī)、筆記本型計(jì)算機(jī)、掌上型計(jì)算機(jī)(PDA)或手機(jī)、手表使用的微芯片。該計(jì)算機(jī)含有微處理器及適量的內(nèi)存，數(shù)字化的信號(hào)同時(shí)存錄于固態(tài)內(nèi)存或磁盤中，可在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行線上(on-line)分析，也可待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行離線(off-line)分析。
仍參考圖2，分析數(shù)字化的心音信號(hào)以進(jìn)行心跳識(shí)別。首先以尖峰檢測程序，將每次心跳波動(dòng)的最高點(diǎn)找出，作為每次心跳的代表。從每個(gè)心跳代表尖峰中，計(jì)算機(jī)程序測量其高度和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，并將各參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差算出作為標(biāo)準(zhǔn)模板。接下來每個(gè)心跳都以此模板進(jìn)行比對，如果某一心跳的比對結(jié)果落在標(biāo)準(zhǔn)模板三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之外，將被認(rèn)為是噪聲而刪除。接下來將鄰近兩個(gè)心跳尖峰的相隔時(shí)間測出作為該次的心跳周期。將所有心跳周期的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差算出，再進(jìn)行所有心跳周期的確認(rèn)，如果某一心跳周期落在三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之外，它也會(huì)被認(rèn)為是噪聲或不穩(wěn)定信號(hào)而濾掉。通過此識(shí)別程序的心跳周期序列將進(jìn)行后續(xù)分析。圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施例，對受測者進(jìn)行3秒鐘試驗(yàn)所獲得的心音圖，打點(diǎn)者為計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的心跳代表尖峰。圖4是對受測者進(jìn)行5分鐘試驗(yàn)所獲得心音圖，打點(diǎn)者為計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的心跳代表尖峰。
參考圖2，將所有合格的心跳周期序列以7.11Hz的頻率進(jìn)行取樣與保值程序以維持其時(shí)間連貫性，頻譜分析采用傅立葉轉(zhuǎn)換方法(FTT)。首先消除信號(hào)的直線飄移以防止低頻帶的干擾，也采用Hamming運(yùn)算以避免頻譜中個(gè)別頻率成分的互相滲漏(Leakage)。接下來取288秒的數(shù)據(jù)(共2048點(diǎn))施行快速傅立葉轉(zhuǎn)換(Fast FourierTransform)，得到功率密度頻譜，并對取樣與Hamming運(yùn)算造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。
心率變異性的功率密度頻譜(PSD)通過積分的方式定量其中2個(gè)頻帶的功率，包括低頻(LF，大約0.04-0.15Hz)功率和高頻(HF，大約0.15-0.4Hz)功率。同時(shí)求出總功率(Total power，TP)與低頻/高頻功率比值(LF/HF)等量化參數(shù)。這些參數(shù)并經(jīng)由對數(shù)轉(zhuǎn)換以達(dá)到常態(tài)分布。
圖5是對圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，而得到的各項(xiàng)定量信息。見圖5中，描述5分鐘心音圖轉(zhuǎn)換繪制所得的該受試者的心跳周期、功率密度頻譜、HF、LF、HF/LF。圖6是本發(fā)明一較佳實(shí)施例，對10位受測者收集的心音信號(hào)進(jìn)行分析所得的定量信息(以N表示)與以傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法所得的信息(以T表示)的比較。所有參數(shù)有良好的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)大于0.95。
因?yàn)楸景l(fā)明的心率變異性是由心音圖而獲得的，所以可以置放一麥克風(fēng)于使用者身上，而輕易地獲得使用者的生/病理狀態(tài)并用以診斷。此外，心音圖與衍生出的心率變異性信息甚至可以在使用者的家中收集，而傳至一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行離線分析。因?yàn)榭焖俚卦\斷與信息傳遞，可避免潛在的危險(xiǎn)，而提高患者的存活率與生活品質(zhì)。
雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉該項(xiàng)技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所作的各種更動(dòng)與潤飾，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于至少包括一收音器以收集心臟的心音信號(hào)，其中心搏的高頻聲音與低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以分析心搏產(chǎn)生心音轉(zhuǎn)化的電信號(hào)，其中定量化該些電信號(hào)的頻域參數(shù)以標(biāo)定心率變異性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于該收音器包括一麥克風(fēng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于該收音器包括聽診所用的一器具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于還包括至少一放大器、一濾波器及一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以在該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理前，處理該些電信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)人計(jì)算機(jī)、一掌上型計(jì)算機(jī)(PDA)或一微芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括一具備數(shù)字信號(hào)處理(DSP)能力的單元，以標(biāo)定評估心跳周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于該具備數(shù)字信號(hào)處理(DSP)能力的單元能至少進(jìn)行頻域分析、時(shí)域分析及非線性分析，以針對心率變異性進(jìn)行分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，其特征在于頻域分析的參數(shù)包括低頻(LF)功率、高頻(HF)功率、總功率(TP)與低頻/高頻功率比值(LF/HF)。
9.一種監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于至少包括下列步驟收集心臟縮放產(chǎn)生的聲音信號(hào)；數(shù)字化該些聲音信號(hào)；根據(jù)該些數(shù)字化聲音信號(hào)，評估心跳周期數(shù)值；轉(zhuǎn)換該些周期數(shù)值為一頻譜；定量化心率變異性的一頻率分布圖參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于該些聲音信號(hào)是以一麥克風(fēng)或一聽診器置于心臟附近收集所得。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于該些數(shù)字化聲音信號(hào)的一尖峰與下一尖峰的一間隔即為一心跳周期。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于評估心跳周期數(shù)值的步驟還包括測量該些數(shù)字化聲音信號(hào)所有尖峰的高度和持續(xù)時(shí)間參數(shù)；計(jì)算該些尖峰高度和持續(xù)時(shí)間參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差以作為標(biāo)準(zhǔn)模板；將該些數(shù)字化聲音信號(hào)每一尖峰的高度和持續(xù)時(shí)間參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比對；刪除該尖峰，如果該尖峰的高度和持續(xù)時(shí)間參數(shù)的對比結(jié)果落在標(biāo)準(zhǔn)模板三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差外。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于以一計(jì)算機(jī)進(jìn)行評估心跳周期數(shù)值、轉(zhuǎn)換該些周期數(shù)值為一頻譜以及定量化心率變異性的一頻率分布圖參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于該計(jì)算機(jī)是一個(gè)人計(jì)算機(jī)、一掌上型計(jì)算機(jī)(PDA)或一微芯片。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于心率變異性的該頻率分布圖的該些參數(shù)包括低頻(LF)功率、高頻(HF)功率、總功率(TP)與低頻/高頻功率比值(LF/HF)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測自主神經(jīng)系統(tǒng)的方法，其特征在于在收集心臟聲音信號(hào)之后，該些聲音信號(hào)會(huì)被放大與過濾處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于心音的植物神經(jīng)診斷系統(tǒng)，收集的心音信號(hào)經(jīng)處理以計(jì)算機(jī)分析心率變異性的特定參數(shù)。因?yàn)楸景l(fā)明的心率變異性是由心音圖而獲得的，所以可以置放一麥克風(fēng)或一聽診器于使用者身上，而輕易地獲得使用者的生理或病理狀態(tài)并用以診斷。因?yàn)榭焖俚卦\斷與信息傳遞，可避免潛在的危險(xiǎn)，而提高患者的存活率與生活品質(zhì)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1426759SQ0114034
公開日2003年7月2日 申請日期2001年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月17日
發(fā)明者郭博昭 申請人:麗臺(tái)科技股份有限公司, 郭博昭