專利名稱：用于慢性疾病監(jiān)視的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于監(jiān)視患有慢性病(chronic medical condition)的人以預(yù)測和評價可影響該主體的護理的生理變化的系統(tǒng)。這種慢性疾病的例子包括(但不限于)心力衰竭、慢性阻塞肺部疾病(COPD)、哮喘和糖尿病。
背景技術(shù)：
為了提供常規(guī)方法的限制的背景，簡要回顧當(dāng)前對于心力衰竭、COPD和哮喘這三種主要疾病的慢性疾病監(jiān)視方法是有益的。心力衰竭(HF)是相對常見并且十分嚴(yán)重的臨床狀況，其特征是心臟不能跟上身體的氧需求。心力衰竭的管理由于其高度的患病率和嚴(yán)重性因而對于當(dāng)代健康護理系統(tǒng)是重大的挑戰(zhàn)。據(jù)估計，心力衰竭占發(fā)達國家的整個健康護理預(yù)算的約2 3%，并且是美國 65歲以上老人的住院的最主要的原因。心力衰竭是慢性病，其在本質(zhì)上是越來越嚴(yán)重的。醫(yī)生一般根據(jù)New York Heart Association (NYHA)主觀分級系統(tǒng)從1到4將疾病的嚴(yán)重性分類，這里，4是最嚴(yán)重的情況。 心力衰竭也可被進一步分成諸如心臟收縮衰竭和心臟舒張衰竭的類別。心力衰竭的發(fā)展的特征常表現(xiàn)為在被急性本質(zhì)的發(fā)作打斷的長時間段上相對穩(wěn)定(盡管具有降低的心血管功能)。在這些急性階段中，病人經(jīng)受諸如呼吸困難(難以呼吸)、奔馬律、頸靜脈壓力增加或端坐呼吸的癥狀的加重。這一般伴隨顯性充血(由肺空洞中的流體構(gòu)成)。該過量的流體常常導(dǎo)致幾千克的可測量重量增加。但是，在許多情況下，到出現(xiàn)顯性充血時，醫(yī)生幫助病人重新穩(wěn)定化的選項有限，并且，在許多情況下，病人需要住院。已存在一些檢測臨床惡化的方法，但是這些方法具有限制。例如，一系列的慢性疾病測量程序已被開發(fā)以改善對于HF的健康護理響應(yīng)，其中強調(diào)更高的病人護理效果和更低的成本。成功的程序的關(guān)鍵成分包括a)病人教育；b)生理測量和癥狀的遠(yuǎn)程監(jiān)控； c)使用報告的癥狀和測量以預(yù)測臨床重大事件的復(fù)雜的決定支持系統(tǒng)；以及d)對于個別護理和通信的關(guān)注(例如，響應(yīng)于影響病人的健康的事件的“及時教導(dǎo)(teaching in the moment)，，)。但是，心力衰竭的臨床惡化的準(zhǔn)確診斷可以是相當(dāng)困難的。特別地，防止常需要住院的顯性充血是特別重要的。重量測量被示為是對心力衰竭惡化的合理可靠的生理向?qū)А?當(dāng)與心力衰竭管理的其它接受的策略結(jié)合時，這可導(dǎo)致死亡率降低。并且，重量管理具有使病人直接參與他們自身的護理，以及簡單和低成本的附加的心理益處。但是，盡管廣泛使用推薦重量增加作為惡化的標(biāo)志(例如，病人被告知2 3天時段增加^g應(yīng)向他們的門診打電話)，但是，存在相對很少的關(guān)于臨床環(huán)境中的重量增加的不需臥床監(jiān)視的敏感性和特異性的出版的數(shù)據(jù)。在區(qū)分臨床穩(wěn)定(⑶)類IV病人與具有臨床惡化(CD)的病人時已研究了重量增加的敏感性的組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，性能相當(dāng)有限。這些研究者發(fā)現(xiàn)孤立的重量增加的相當(dāng)有限的預(yù)測值。例如，48 72小時的2kg的重量增加的臨床準(zhǔn)則具有97%的特異性，但敏感性僅為9%。將閾值減小到體重的2%，敏感性提高到17%(其中特異性僅少量下降)。一般地，他們斷定，孤立的重量增加在檢測臨床惡化時具有相對較差的敏感性(雖然其特異性是良好的)。因此，所需要的是克服對于重量增加以預(yù)測臨床惡化的敏感性的當(dāng)前限制的系統(tǒng)和方法。也已經(jīng)建議腦鈉肽(BNP)的測量作為用于評價心力衰竭狀態(tài)的可行工具；這可使用護理點(point-of-care)裝置在初級保健護理或門診病人門診環(huán)境上實現(xiàn)，盡管當(dāng)前它不能在臨床上以日常監(jiān)視為基礎(chǔ)被施展。在關(guān)于BNP監(jiān)視的報告中，研究者報告了 305個主體的群體的92%的敏感性，但特異性僅為38%。雖然這是有希望的方法，但是，由于成本、 培訓(xùn)和病人便利性，圍繞對于社區(qū)護理中的BNP提供護理點化驗存在明顯的實際問題。因此，需要開發(fā)可在病人的日常環(huán)境中施展的心力衰竭的臨床惡化的改進的低成本、方便的診斷標(biāo)志。因此，所需要的是與諸如BNP監(jiān)視的方法相比改善檢測臨床惡化的特異性的系統(tǒng)和方法以及便于病人在他們的家庭環(huán)境中使用的那種系統(tǒng)。心力衰竭中的臨床惡化的一些潛在的標(biāo)志是夜間心率的變化、睡眠姿勢的改變和呼吸的變化。特別地，盡管因果關(guān)系還沒有很好地被理解，但是心力衰竭與睡眠無序呼吸 (SDB)高度相關(guān)。例如，在最近的德國的研究中，71%的心力衰竭病人具有大于10次每小時的呼吸暫停-呼吸不足指數(shù)(其中43%具有阻塞睡眠呼吸暫停，并且主要具有潮式 (Cheyne-Stokes)呼吸(周期性呼吸))。其它的研究者報告了新西蘭研究的其HF群體的 68%的患病率。據(jù)報告，明顯的睡眠無序呼吸與心力衰竭中的較差的后果相關(guān)；但是，還沒有研究能夠跟蹤呼吸模式隨時間的變化以觀察它是否隨臨床穩(wěn)定性改變。例如，在Home or Hospital in Heart failure (HHH)歐洲范圍的研究中，對于443個臨床穩(wěn)定HF病人中在基線處對于單個夜晚實施整夜呼吸記錄(使用呼吸電感應(yīng)體積描記術(shù))。呼吸暫停呼吸不足指數(shù)和周期性呼吸持續(xù)被表示為心臟病死亡和臨床惡化的住院治療的無關(guān)的預(yù)測器。但是，對于這些研究者，沒有可用于以每晚為基礎(chǔ)評價這些呼吸參數(shù)的實際的系統(tǒng)。夜間心率和心率可變性的測量也可有助于心力衰竭中的臨床惡化的檢測?？梢允褂卯?dāng)前的系統(tǒng)的第二慢性病是慢性阻塞肺部疾病(COPD)。COPD是氣道變窄的肺部疾病，該疾病導(dǎo)致到肺部的氣流受限。COPD當(dāng)前是美國第四大主要死因，并且其對于健康護理系統(tǒng)的估計成本在2007年為似6億美元。它與呼吸困難(呼吸短促)和呼吸率上升(呼吸急促)相關(guān)。關(guān)于心力衰竭，常常由于細(xì)菌或病毒感染，可存在COPD的急性加重。但是，什么確切地構(gòu)成加重的定義以及精確地預(yù)測它的手段是醫(yī)療界積極研究的主題。例如，已提出跟蹤C反應(yīng)蛋白質(zhì)或者測量吸氣容量作為預(yù)測加重的手段。對于臨床惡化的預(yù)測，已經(jīng)考慮了峰值呼氣流量的變化，但是認(rèn)為它們不夠靈敏。因此，所需要的是用于精確地識別COPD病人的加重的可靠的方法。并且，所需要的是用于通過跟蹤呼吸模式識別COPD病人中的臨床惡化的系統(tǒng)和方法。呼吸率是COPD的嚴(yán)重性的關(guān)鍵指示。例如，正常的健康的成年人可能具有睡著時約14 16次呼吸/分鐘的呼吸率，具有嚴(yán)重的COPD(但沒有處于急性的呼吸衰竭中)的人的靜止呼吸率可以在20 25次呼吸/分鐘的范圍內(nèi)，而當(dāng)處于急性的呼吸衰竭中時，該呼吸率可增加到大于30次呼吸/分鐘。因此，用于簡單監(jiān)視呼吸率的系統(tǒng)可用于評價具有 COPD的主體的狀態(tài)。但是，當(dāng)前的用于監(jiān)視呼吸率的系統(tǒng)一般基于使用鼻管或呼吸努力帶的氣流的測量，并且，由于舒適性和方便性問題，不被用于人自身環(huán)境中的呼吸模式的連續(xù)監(jiān)視。因此，所需要的是用于跟蹤COPD病人中的加重的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不要求主體配戴口-鼻管或胸帶。另外的慢性病是哮喘。這是一般的慢性病，其中，常常響應(yīng)于諸如煙、香氣或其它的過敏原的一種或更多種觸發(fā)體，氣道偶爾收縮，變得發(fā)炎，并且常常伴隨過量的黏液。病毒病也是可能的觸發(fā)體，特別是在兒童中。氣道的縮窄導(dǎo)致諸如氣喘、呼吸短促、胸悶和咳嗽的癥狀。氣道收縮響應(yīng)于支氣管擴張劑。在發(fā)作之間，大多數(shù)病人感覺良好但是可具有輕度癥狀，并且，在鍛煉后，他們可能比不受影響的個人保持更長時間段的呼吸短促。通?？赏ㄟ^藥物和環(huán)境變化的組合控制范圍可從輕度到危及生命的哮喘的癥狀。美國成年人口中哮喘的估計的患病率為10%，因此，它代表重大的公眾健康問題。關(guān)于HF和C0PD，該疾病由突然的加重標(biāo)志。哮喘的關(guān)鍵指標(biāo)是峰值呼氣流量(PEF)-這可通過要求病人吹入肺活量計中從病人獲得。但是，肺活量測定法僅給出函數(shù)(function)的點測量，并且還需要主體的積極參與，因此不適于兒童。研究者之前已注意到PEF和呼吸率之間的關(guān)聯(lián)性。因此，所需要的是用于監(jiān)視具有哮喘的主體中的呼吸率的系統(tǒng)和方法。并且，可通過能夠監(jiān)視呼吸率和/或夜間心率的系統(tǒng)更好地監(jiān)視諸如囊腫性纖維化、肺炎、肺原性心臟病和由呼吸道合胞體病毒(RSV)導(dǎo)致的感染的所有其它疾病狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本公開提供用于使用諸如呼吸、心率和其它的臨床測量的生理功能的測量監(jiān)視具有慢性疾病的主體的設(shè)備、系統(tǒng)和方法的各種實施例。系統(tǒng)的典型的用戶是(a)具有慢性疾病的人和(b)負(fù)責(zé)被監(jiān)視的人的協(xié)作護理的具有臨床經(jīng)驗的護理人員。在一個實施例中，描述了一種用于監(jiān)視主體的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括被配置為輸出包含主體的測量的呼吸參數(shù)的信號的傳感器；被配置為接收信號并且至少在存儲器中存儲從呼吸參數(shù)導(dǎo)出的多個呼吸特征的分析器，和被配置為選擇性地組合多個呼吸特征以確定提供主體的健康評價的輸出的分析器。在另一實施例中，描述了一種用于監(jiān)視主體的方法，其中，方法包括測量主體的呼吸參數(shù)；產(chǎn)生從呼吸參數(shù)導(dǎo)出的多個呼吸特征；和組合多個呼吸特征以計算提供主體的健康評價的輸出。這里描述的系統(tǒng)提供變化的較早期檢測，以允許臨床介入，并且改善心力衰竭中的臨床惡化的檢測。并且，這里描述的系統(tǒng)通過生理參數(shù)的準(zhǔn)確、成本有效并且方便的測量和分析而工作。心力衰竭管理中的該系統(tǒng)的利用的生理基礎(chǔ)基于以上參照心力衰竭中的臨床惡化的標(biāo)志提供的觀察。考慮到心力衰竭的評價中的晚間時間呼吸的意義，本公開克服常規(guī)的用于測量呼吸模式的技術(shù)的限制，并且以方便病人的方式提供長時間段的整晚呼吸模式的測量。并且， 對于與臨床惡化的預(yù)測相關(guān)的心力衰竭中的呼吸模式的分析提供改善的系統(tǒng)和方法。除了提供具有以上討論的已知的慢性疾病的主體的長期監(jiān)視以外，這里描述的系統(tǒng)和方法還適于提供某人是否具有上述的慢性疾病(或其它的慢性疾病)中的一種的診斷。在這些情況下，如慢性疾病監(jiān)視的情況那樣實施測量和分析，但是，基于有限數(shù)量的晚間(或記錄時段)測量進行診斷決定。


現(xiàn)在參照附圖描述本公開的實施例，其中，在示圖中附加首字母縮略詞“a. U.，，以表示“任意單位”。以下對于呼吸努力和心率描述的信號的單位可被校準(zhǔn)為諸如升/分鐘 (對于呼吸潮氣容積(tidal volume))或毫米(對于皮膚上的心沖擊描記圖位移)的更有意義的單位。圖1是示出其中主體正被監(jiān)視以及用于測量呼吸模式、心率和其它的生理測量的裝置的實施例的總體示意的圖。用于捕獲主觀癥狀數(shù)據(jù)的裝置也被描繪。它表示測量的本地和遠(yuǎn)程存檔和分析兩者的可能性。圖2示出其中非接觸生物運動傳感器被放在被監(jiān)視的人附近的代表性實施例。運動信號可被用于導(dǎo)出用作慢性疾病監(jiān)視系統(tǒng)的一部分的呼吸和心率模式。圖3表示從生物運動傳感器導(dǎo)出的原始運動信號可如何被分解成呼吸運動、心臟運動和與諸如翻轉(zhuǎn)或手臂運動的大身體運動相關(guān)的運動。圖4示出被施加到從運動傳感器獲得的I和Q信號上的相位解調(diào)的過程可如何被用于導(dǎo)出更準(zhǔn)確的組合運動信號。圖5A和圖5B表示在慢性疾病監(jiān)視系統(tǒng)中使用的呼吸模式的例子。圖5A示出其中呼吸努力振幅在幾分鐘上振蕩的周期性呼吸(潮式呼吸)的發(fā)作。圖5B示出由圖2中所示的生物運動傳感器檢測的兩個呼吸暫停。圖6表示使用正交(I和Q)信號從圖2中所示的生物運動傳感器導(dǎo)出的呼吸努力的兩個估計和從呼吸努力信號導(dǎo)出的信號的包絡(luò)線。圖7A表示當(dāng)出現(xiàn)呼吸不足時呼吸包絡(luò)線如何變化，以及圖7B表示當(dāng)出現(xiàn)呼吸暫停時呼吸包絡(luò)線如何變化。圖8A 8D表示在有無周期性呼吸存在的情況下呼吸包絡(luò)線如何在更長時間段上變化，包括示出存在和不存在周期性呼吸的情況下呼吸包絡(luò)線的功率譜密度。圖8A是在五分鐘時段上測量的具有心力衰竭的人的呼吸包絡(luò)線。圖8B是圖8A中所示的呼吸包絡(luò)線的功率譜密度。圖8C是在五分鐘時段上測量的沒有心力衰竭的人的呼吸包絡(luò)線。圖8D是圖 8C中所示的呼吸包絡(luò)線的功率譜密度。圖9A表示使用圖2中所示的裝置記錄的呼吸努力信號的例子，并且表示可如何使用30秒時期(印och)的頻譜(圖9B)以定義呼吸率。圖10表示使用基于從圖2中的傳感器獲得的信號的算法估計的具有周期性呼吸的主體的特性調(diào)制周期與使用臨床多導(dǎo)睡眠圖(polysomnogram)測量的金標(biāo)準(zhǔn)(gold standard)呼吸測量之間的一致水平的例子。圖11表示使用基于從圖2中的傳感器獲得的信號的算法估計的主體的呼吸暫停呼吸不足指數(shù)與使用臨床多導(dǎo)睡眠圖測量的金標(biāo)準(zhǔn)呼吸測量之間的一致水平的例子。圖12表示圖2的非接觸生物運動傳感器還可如何表示心率以及呼吸率。圖13示出用于確定慢性疾病中的臨床加重的方法的實施例。圖13A示出用于確定具有心力衰竭的人是否需要諸如護士呼叫的介入的基于規(guī)則的方法，以及圖13B示出對具有慢性病的人是否已經(jīng)受惡化進行確定的基于統(tǒng)計的分類器方法。
圖14表示來自具有慢性疾病的人的測量可如何在更長的時間段上被可視化的示圖(幾星期或幾個月)。圖15表示使用在本說明書中描述的系統(tǒng)在約三周的時段上在兩個主體中測量的呼吸暫停呼吸不足指數(shù)的例子。
具體實施例方式圖1是示出本公開的實施例的總體示意圖的示圖。使用呼吸傳感器102監(jiān)視主體 101。呼吸傳感器的例子包括腹部電感帶、胸部電感帶、非接觸生物運動傳感器或氣流傳感器。監(jiān)視的呼吸參數(shù)可包含呼吸努力、呼吸運動、潮氣容積或呼吸率。任選地，還可包括用于捕獲癥狀的裝置103。這可以如書寫的日記那樣簡單，或者可以為詢問諸如“你是否感覺喘不過氣來？ ”、“你在睡眠中具有不舒服的呼吸嗎？ ”、“你感覺比昨天好還是壞？ ”、“你感覺你的心臟加快跳動嗎？ ”等的問題的電子數(shù)據(jù)捕獲裝置。這種電子裝置的一個實施例可以是定制的平板電腦，或者，替代性地，可以使用具有主觀響應(yīng)的聲音捕獲的手機?？赏ㄟ^詢問諸如“你睡眠使用幾個枕頭？”的簡單問題或者通過使用位置(傾斜)傳感器獲得人的睡眠位置。端坐呼吸是心力衰竭的常見的癥狀。為了簡化，癥狀問題可限于僅需要簡單的是 /否響應(yīng)。任選地，可以使用進一步的裝置以評價臨床狀態(tài)。重量稱104在通過由于流體保持導(dǎo)致的重量增加的客觀評價監(jiān)視心力衰竭中被證明有用。諸如ECG監(jiān)視器、血壓監(jiān)視器、BNP的護理點血液化驗、肺活量計(其可測量強制呼氣容積(expiratory volume)和峰值呼氣流量)、血氧計(其可測量血氧水平)、血糖監(jiān)視器和C反應(yīng)蛋白的護理點血液化驗的其它的醫(yī)療傳感器105可被集成?？稍跀?shù)據(jù)集合裝置106中將從上述的所有的傳感器(呼吸、稱重稱和其它的傳感器)進行的測量集合在一起。集合裝置106可以是手機、個人計算機、平板計算機或定制的計算裝置。該集合裝置也可被稱為數(shù)據(jù)中心(hub)，并且，它至少可從呼吸傳感器102向集合裝置本身傳送數(shù)據(jù)。在本實施例的一個方面中，數(shù)據(jù)集合裝置106還可具有向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析器107傳送收集的數(shù)據(jù)的能力。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析器107自身可以是服務(wù)器計算機、個人計算機、移動計算裝置或另一定制的計算裝置。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析器107 —般將具有存儲、處理、 儲存和計算元件。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析器107 —般將被配置為提供數(shù)據(jù)庫能力，并且還可包含數(shù)據(jù)存檔、處理和分析手段，并且一般會通過顯示器108具有顯示能力，使得遠(yuǎn)程用戶(例如， 心臟病護士)可查閱數(shù)據(jù)。圖2表示呼吸傳感器的實施例，其中，使用非接觸生物運動傳感器201以監(jiān)視主體 202的呼吸努力和心率。在PCT公開No. W02007/143535A2和US專利6，426，716中描述了該非接觸傳感器，在此加入其全部內(nèi)容作為參考。非接觸傳感器201在睡眠中位于人202 的床附近，并且監(jiān)視運動。它通過發(fā)出短脈沖的無線電波操作(在該系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗中，與 5ns的脈沖長度一起使用5. 8GHz的頻率)。該脈沖的反射然后與傳送的脈沖的局部延遲復(fù)制混合?；旌掀麟娐份敵雠c傳送和接收的脈沖之間的相位差有關(guān)的信號-如果目標(biāo)正在運動，則該運動被調(diào)制到相位信號上。該相位信號被稱為原始運動信號。存在可近似地使用的其它的非接觸運動傳感器技術(shù)。如超聲換能器那樣，可以使用紅外-紅色檢測系統(tǒng)以檢測運動。為了提高非接觸生物運動傳感器的靈敏度和穩(wěn)健性，具有其中有效地存在具有其振蕩的基相偏移η/4弧度的兩個傳感器的正交檢測系統(tǒng)是有用的?？赏ㄟ^使用單源振蕩器實現(xiàn)這兩個有效的傳感器，但是，其基相以η /4弧度被周期性調(diào)制。圖3表示來自生物運動傳感器301的原始運動信號可如何被分解成與明顯的身體運動、呼吸努力和心率對應(yīng)的三個成分。明顯的身體運動將與諸如翻轉(zhuǎn)、移動腿或扭頭的動作對應(yīng)?？墒褂迷谝粋€實施例中是應(yīng)用于原始運動信號的帶通濾波器的心臟活動檢測器 302獲得心率信號。該帶通濾波器優(yōu)先通過反映心率信號的區(qū)域0.5 IOHz中的信號。可能需要諸如預(yù)處理以去除運動和呼吸假象的更加復(fù)雜的處理。替代性方法是取得原始信號的時期并且產(chǎn)生其功率譜密度?？梢允褂迷撟V密度中的峰值(例如，在IHz上)以識別該時期上的平均心率(例如，IHz與60跳動/分鐘對應(yīng))。以這種方式，可以產(chǎn)生心率信號。類似地，可由在一個實施例中為應(yīng)用于原始運動信號的帶通濾波器的呼吸檢測器 303產(chǎn)生呼吸努力信號。該帶通濾波器優(yōu)先通過反映呼吸信號的區(qū)域0.05 IHz中的信號。替代性方法是取得原始信號的時期并且產(chǎn)生其功率譜密度?？梢允褂迷撟V密度中的峰值(例如，在0. 2Hz上)以識別該時期上的平均呼吸率(例如，0. 2Hz與12次呼吸/分鐘對應(yīng))。最終，可使用實現(xiàn)用于運動檢測304的技術(shù)的運動檢測器304識別與呼吸或心臟活動無關(guān)的大的身體運動。一種用于檢測運動的方法是高通過濾原始運動信號，并然后將過濾的信號的絕對值閾值化。第二方法是計算短時期(例如，2秒)上的原始運動信號的能量。 如果能量的振幅超過閾值，那么檢測到運動?？赏ㄟ^計算該時期中的能量值評價運動的振幅。以這種方式，活動計數(shù)可被分配給短時期。運動信號被處理以確定主體什么時候睡著。圖4給出如何組合從生物運動傳感器獲得的I和Q信號的例子。在本例子中，使用稱為相位解調(diào)的技術(shù)。這是由于I信號401和Q信號402不與運動的主體的位置線性相關(guān)，反而代表反射信號的相位。為了補償該效果，計算I通道的反正弦、Q通道的反余弦和 I/Q比的反正切。這導(dǎo)致三個電勢輸出信號-通過計算信號的總體振幅、其信號噪聲比和其形狀選擇其中的一個。解調(diào)的信號然后可被低通過濾，以給出最終呼吸運動信號403。僅在 I和Q信號被認(rèn)為表示主要為呼吸的運動時應(yīng)用該處理。圖5A和圖5B給出在患有慢性疾病的人中測量的呼吸模式的例子。圖5A給出所謂的潮式呼吸或周期性呼吸的示圖。在這種類型的呼吸中，人的呼吸努力周期性地增加和減小，具有一般為30 90秒的時間量級(time scale)。這由血液中的氧氣和二氧化碳的相對量的控制的不穩(wěn)定性導(dǎo)致，并且一般在具有心力衰竭的病人身上看到。圖5B表示在慢性疾病中看到的另一呼吸事件-阻塞呼吸暫停的例子。在阻塞呼吸暫停中，在呼吸重新開始之前，人的呼吸努力消失10 20秒。圖6是用于識別從呼吸信號或一組信號識別呼吸暫?；蚝粑蛔闶录姆椒ǖ氖緢D。圖6表示非接觸生物運動傳感器返回與呼吸運動相關(guān)的兩個信號。存在所謂的I和 Q正交信號?？赏ㄟ^使用載波為90度異相的射頻脈沖產(chǎn)生它們。其目的是，將系統(tǒng)的靈敏性響應(yīng)平滑化。I和Q通道均捕獲呼吸運動，但是具有不同的振幅和相位。為了獲得“平均” 呼吸信號，我們組合信號以形成單個呼吸努力信號R(t)。完成這一點的一種手段是計算R(t) = ψ2( ) + ρ2( )，這里，I(t)和Q(t)分別表示I和Q信號的采樣值?？扇缓笫褂么罅康姆椒?例如“峰值檢測和保持”方法或使用Hilbert變換的方法)獲得該組合的信號的包絡(luò)線。該呼吸包絡(luò)線信號可然后被處理以識別呼吸暫停和呼吸不足。作為特定的實施例，考慮圖7A和圖7B中所示的結(jié)果。呼吸包絡(luò)線信號在幾分鐘的時段上已被歸一化，并且其值然后隨時間被示出。使用預(yù)先建立(或自適應(yīng))規(guī)則，呼吸包絡(luò)線信號的振幅與許多閾值相比較。例如，在這種情況下，如果振幅保持高于0.7，那么呼吸被視為正常。如果包絡(luò)線保持在0. 2 0. 7超過10秒，那么計算呼吸不足事件。如果包絡(luò)線下降低于0. 210秒， 那么該事件被視為呼吸暫停。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，確切的規(guī)則將依賴于呼吸暫停和呼吸不足的臨床定義(其可在區(qū)域之間改變)和用于歸一化和包絡(luò)線提取的處理方法。以這種方式，可以建立特定的事件和它們的開始和結(jié)束時間。例如，圖7A表示在時間t = 18s 處開始并且在t = 31s處結(jié)束的呼吸不足事件。圖7B表示在時間t = 32s處開始并且在 t = 49s處結(jié)束的呼吸暫停事件。然后，通過對于睡眠的每小時的呼吸暫停和呼吸不足的平均數(shù)量的數(shù)量計數(shù)計算呼吸暫停呼吸不足指數(shù)(AHI)(例如，如果某人具有64個呼吸暫停、102個呼吸不足和6. 3 小時的睡眠，那么他們的AHI為166/6. 3 = 26. 3)。在評價具有慢性疾病的主體的總體狀態(tài)中，這是重要的參數(shù)。在許多的慢性疾病中，監(jiān)視周期性呼吸的發(fā)作也是重要的(在圖5A中示出其一個例子)。用于檢測周期性呼吸發(fā)作的方法的一個實施例可被實現(xiàn)如下。如前面的段落中討論的那樣計算呼吸信號的包絡(luò)線。圖8A表示存在周期性呼吸的約5分鐘的時段上的隨時間變化的呼吸包絡(luò)線。在本例子中，周期性呼吸在約80秒的時間量級上表現(xiàn)為呼吸包絡(luò)線的增加和減小。圖8C表示不發(fā)生周期性呼吸的呼吸包絡(luò)線的類似的時間段。為了識別周期性呼吸發(fā)作，計算5分鐘時段的包絡(luò)線信號的功率譜密度。在用于周期性呼吸信號的圖8B中以及在用于正常呼吸段的圖8D中表示它。周期性呼吸將導(dǎo)致約0. 01和0. 03Hz之間的頻率 (即，33 IOOs的特性時間量級)上的包絡(luò)線的明顯的調(diào)制。然后可以使用閾值算法以確定調(diào)制是否足以被視為周期性呼吸發(fā)作。然后，5分鐘時段可被標(biāo)記為周期性呼吸段。以這種方式，確定了周期性呼吸的發(fā)作。可以使用這樣識別的5分鐘段的總數(shù)以估計周期性呼吸的持續(xù)時間。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，用于確定周期性呼吸(潮式呼吸)的確切的規(guī)則將依賴于周期性呼吸的臨床定義(其在區(qū)域之間改變)和用于歸一化、譜密度估計和包絡(luò)線提取的處理方法。以這種方式，每個夜晚的周期性呼吸的總持續(xù)時間可被確定，例如，某人可在特定的夜晚總共具有22分鐘的周期性呼吸。在慢性疾病監(jiān)視中，監(jiān)視呼吸率自身也是重要的參數(shù)。例如，在急性呼吸衰竭中， 成年人的呼吸率可從15或16呼吸/分鐘的更一般的基線上升到30次呼吸/分鐘以上。如圖9A所示，用于在夜晚跟蹤呼吸率的一種技術(shù)如下。對于從以上討論的非接觸傳感器獲得的呼吸努力信號的情況，滑動窗口被應(yīng)用于數(shù)據(jù)(例如，長度為30秒)。然后，使用諸如平均化周期圖的技術(shù)，對于該時期(圖9B)計算功率譜密度。功率譜密度一般將包含與0. 1 和0.5Hz之間某處的呼吸頻率對應(yīng)的峰值。可通過使用峰值尋找算法識別該峰值。在一些情況下，可能在數(shù)據(jù)上存在過量的運動假象-在這種情況下，可以使用諸如Lomb的周期圖的技術(shù)以估計功率譜密度(這通過丟失數(shù)據(jù)內(nèi)插)。作為替代方案，可通過使用自動回歸 (Auto Regressive) g ^301/3^ ]5F^ (Auto Regressive Moving Average) 白勺牛莫M 擬合呼吸努力信號。然后可使用模型參數(shù)以估計呼吸頻率。也可以使用Kalman濾波技術(shù)。以這種方式，可獲得用于時間窗口的平均呼吸頻率?；瑒哟翱谌缓罂汕斑M1或更多秒。以這種方式，可以整個夜晚構(gòu)建呼吸頻率的時間序列?？赏ㄟ^夜晚的該時間序列的平均化獲得夜晚的簡單平均呼吸。作為替代方案，可計算諸如中值頻率、呼吸頻率的方差、呼吸頻率的百分位數(shù)分布和呼吸頻率的自動相關(guān)性的呼吸頻率的更復(fù)雜的測量。圖10表示與使用從多導(dǎo)睡眠圖獲得的全呼吸努力和氣流信號計算的周期相比， 使用從生物運動傳感器獲得的信號計算的具有睡眠呼吸暫停的主體中的特性調(diào)制周期的例子。潮式呼吸的該特性調(diào)制周期可具有預(yù)兆意義，原因是它涉及循環(huán)時間。循環(huán)時間大致指的是在血液整個心臟系統(tǒng)上循環(huán)所花費的時間?？赏ㄟ^使用總循環(huán)血液容量(blood volume)(容量-升)和心臟輸出(C0，容量/時間-一般為升/分鐘)估計它，使得循環(huán)時間(CT)可被計算為(血液容量/心臟輸出)。在正常的成年人中，CT 一般為約20秒。中心血液容量的增加和/或心臟輸出的減少導(dǎo)致循環(huán)時間的延長。循環(huán)時間的增加導(dǎo)致肺和頸動脈化學(xué)受體之間的反饋延遲。當(dāng)循環(huán)時間延長時，要由化學(xué)受體感測肺中的通氣干擾將花費更長時間。該延遲導(dǎo)致通氣的過沖和下沖和中心或潮式類型的周期性呼吸模式。因此，以這種方式，計算潮式呼吸的調(diào)制周期提供對于整個循環(huán)時間的洞察力。圖11表示使用基于從圖2中的傳感器獲得的信號的算法估計的主體的呼吸暫停呼吸不足指數(shù)(AHI)與使用臨床多導(dǎo)睡眠圖測量的“金標(biāo)準(zhǔn)”呼吸測量之間的一致水平的例子。這是基于來自85個夜晚的測量的，并且，顯示出高的一致水平。已知AHI對于具有心力衰竭的主體具有預(yù)兆意義。夜晚心率的變化也可在確定人的總體疾病狀態(tài)中扮演重要的角色。在理想的情形中，會以簡單的非侵入方式監(jiān)視人的心率。在系統(tǒng)的一個實現(xiàn)中，使用非接觸生物運動傳感器以也監(jiān)視心沖擊描記圖(由于跳動的心臟導(dǎo)致的人的胸部的機械運動)。在圖12中，繪制使用非接觸生物運動傳感器測量的信號。已經(jīng)通過接收的運動信號的帶通濾波獲得心率信號。各個脈沖是可見的(參見圖12的第四行)_可將它們與通過脈沖血氧計觀察的脈沖 (圖2的第五行)相比較?？赏ㄟ^取得心跳信號的功率譜密度并且尋找每分鐘45 120次心跳范圍中的峰值，計算平均心率。在這種情況下，心率為約55次心跳每分鐘?？赏ㄟ^在從入睡到醒來的時間段上的測量的心率的簡單的平均化計算平均夜晚心率?？蓮纳鲜龅姆墙佑|傳感器，或者，諸如脈沖血氧計、胸帶心率監(jiān)視器、臨床ECG或從壓力敏感或電荷敏感墊子獲得的心沖擊描記圖的其它機制，確定該心率。然后可通過使用基于分類器引擎的預(yù)測算法獲得臨床惡化的預(yù)測。分類器可以是基于規(guī)則的，或者是諸如線性判別式或邏輯判別式分類器模型的受訓(xùn)分類器。在圖13A中， 表示基于規(guī)則的分類器的示例性實施例?；趤碜圆∪说臏y量，各種決定是可能的，例如， 啟動護士呼叫、明天更緊密地監(jiān)視數(shù)據(jù)、不動作等。通過向測量的數(shù)據(jù)或?qū)τ谠摬∪艘咽孪仁占?或者來自其它類似的病人)的數(shù)據(jù)施加規(guī)則做出這些決定。諸如年齡和性別的人口統(tǒng)計學(xué)信息可形成與該主體相關(guān)的先前數(shù)據(jù)的一部分。例如，在圖13A中，我們示出兩個定義的癥狀的存在將如何總是啟動護士呼叫(例如，癥狀問題會是“你是否感覺喘不過氣來” 和“你是否感覺比昨天差”)。在不存在癥狀的情況下，要應(yīng)用的下一規(guī)則可以是檢查是否已存在明顯的重量增加。如果是，那么可啟動檢查以查看是否已存在明顯的周期性呼吸-如果是，那么將進行護士呼叫。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以以啟發(fā)的方式或者使用大量的機器學(xué)習(xí)算法導(dǎo)出這些規(guī)則。
如圖1 所示，決定進行處理的替代性實施例可以使用諸如基于線性、邏輯或二次判別式的分類器的更加基于統(tǒng)計的方法。在這些方法中，使用來自呼吸信號1301和心臟信號1302的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生特征(例如，呼吸特征可以是平均夜晚呼吸率、周期性呼吸的百分比、呼吸的方差等)。癥狀輸入可被映射到0或1(這里，1是“是”，且0是“否”)。例如， 對于問題“你是否感覺喘不過氣來”的問題的回答可映射到0或1并且作為元素1303被輸入。對于問題“你是否感覺比昨天差”的問題的回答可映射到元素1304。對于問題“你是使用多于一個的枕頭嗎”的問題的回答可映射到元素1305。也可使用諸如重量或血壓的模擬測量以產(chǎn)生“點”特征。也可包含來自之前幾晚的記錄的測量和人口統(tǒng)計特征。來自各種來源的特征然后被組合成單個矢量X。該矢量然后乘以線性矢量α，以產(chǎn)生判別式值c。 該值與閾值相比較，以進行決定。也可使用到閾值的距離以產(chǎn)生用于決定的后驗概率。作為基于統(tǒng)計的分類器的特定實施例，考慮特征矢量X被構(gòu)成如下的范例X =[平均呼吸率與最近5個夜晚的平均值相比的Δ (平均呼吸率)呼吸率的第90百分位數(shù)值呼吸率的方差平均心率與最近5個夜晚的平均值相比的Δ (平均心率)心率的第90百分位數(shù)值與最近5個夜晚的平均值相比的Δ (重量)對于“你是否感覺喘不過氣來”的響應(yīng)(0或1)對于“你是否感覺比昨天差”的響應(yīng)(0或1)對于“你是否在躺下時感覺喘不過氣來”的響應(yīng)(0或1)年齡性別(男性=1，女性=0)]在這種情況下，特征矢量具有13個元素，線性行矢量α可取以下的值[1. 4 3.1 0.8 1.2 1. 3 2. 4 0. 9 3. 2 4. 1 2. 5 3. 4 0. 1 0.2]。可以以許多方式確定α的值。一種用于計算參數(shù)的有用值的技術(shù)是使用測量和先前結(jié)果的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，并然后優(yōu)化參數(shù)以最正確地預(yù)測記錄的結(jié)果。注意，α的值對于不同的疾病將不同。對于不同的病人組，或者，甚至對于各個病人，它們也可能改變。特征矢量X —般也隨著疾病類型和病人組改變?；趶谋O(jiān)視病人的特定的夜晚記錄的數(shù)據(jù)，α X的積可提供c = 34. 7的判別式值。 可以將其與閾值30相比，這里c > 30表明臨床惡化。到閾值的距離表示已出現(xiàn)臨床惡化的決定的置信度(例如，如果c = 40，那么與c的值僅為31相比，我們更確信該人具有臨床惡化)ο本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可通過對已知的值和結(jié)果的數(shù)據(jù)庫的事先訓(xùn)練獲得特征矢量X的值，或者，可以使其進入自適應(yīng)、自訓(xùn)練算法中。圖14表示可如何在慢性疾病的監(jiān)視中使用系統(tǒng)的例子。在這種情況下，具有心力衰竭的人在90天時段上被監(jiān)視。在這種情況下，使用呼吸傳感器、稱重稱和用于測量部分或全部夜晚的心率的裝置監(jiān)視主體。對于記錄的各晚，記錄以下的參數(shù)(a)醒來進入浴室之后的重量(所謂的“干重”)、(b)估計的呼吸暫停呼吸不足指數(shù)(AHI)、(c)周期性呼吸指數(shù)和(d)平均夜晚心率。然后可以使用這些參數(shù)的變化以預(yù)測臨床事件。為了說明，我們已示出在系統(tǒng)的開發(fā)中跟蹤的典型的臨床事件-到心力衰竭門診看病和對于護士的非預(yù)定呼叫。使用在圖13A和圖13B中示出的臨床預(yù)測算法用于預(yù)測需要護士呼叫的事件的出現(xiàn)。圖15表示從使用圖2中所示的非接觸生物運動傳感器從在約3星期時段上監(jiān)視的兩個病人獲得的數(shù)據(jù)。它示出AHI不明顯改變-這與這些主體在試驗時段的心力衰竭的穩(wěn)定狀態(tài)一致。僅有的例外是主體1的夜晚9，其中，AHI從5 10的基線跳到約18。這可能是由于例如由于過量的鹽攝入或較差的睡眠位置導(dǎo)致的癥狀的暫時變差。工業(yè)適用性的陳述本公開的設(shè)備、系統(tǒng)和方法可用于監(jiān)視具有慢性疾病的主體。特別地，可以使用它以測量作為臨床決定處理的一部分使用的臨床狀態(tài)的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)視主體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括被配置為輸出包含主體的測量的呼吸參數(shù)的信號的傳感器；被配置為接收信號并且在存儲器中存儲從呼吸參數(shù)導(dǎo)出的至少多個呼吸特征的分析器，其中，分析器被配置為選擇性地組合多個呼吸特征以確定提供主體的健康評價的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括與分析器操作耦合的心臟傳感器，其中，分析器進一步被配置為存儲從檢測的心臟參數(shù)導(dǎo)出的多個心臟特征，其中，分析器被配置為選擇性地將多個心臟特征與多個呼吸特征組合，以確定提供主體的健康評價的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括被供給到分析器的提供主體的體重測量的輸入信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括被供給到分析器的提供來自主體的主觀癥狀數(shù)據(jù)的輸入信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括被供給到分析器的輸入信號，所述輸入信號提供選自包含血壓、強制呼氣容積、峰值呼氣流量、血氧水平、血糖水平、腦鈉肽的測量和C反應(yīng)蛋白的測量的組中的一個或更多個生理測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，傳感器包含被配置為接收主體反射的射頻(RF)信號的RF傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括被配置為至少在傳感器和分析器之間交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，導(dǎo)出的運動信號通過使用相位解調(diào)技術(shù)組合兩個正交運動信號而計算。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，分析器計算指示呼吸努力的相對振幅的呼吸努力包絡(luò)線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，分析器通過分析呼吸努力包絡(luò)線確定呼吸模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，分析器被配置為使用測量的呼吸參數(shù)確定呼吸暫停和呼吸不足的出現(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，分析器被配置為使用測量的呼吸參數(shù)確定周期性呼吸的出現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，分析器被配置為使用測量的呼吸參數(shù)確定周期性呼吸的特性時間周期。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，測量的呼吸參數(shù)包含主體的呼吸率。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，分析器被配置為至少基于測量的呼吸參數(shù)應(yīng)用提出并輸出臨床介入步驟的存儲于存儲器中的一組自動化規(guī)則。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，分析器被配置為至少基于測量的呼吸參數(shù)計算已經(jīng)出現(xiàn)明顯臨床惡化的可能性。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括與分析器操作耦合的顯示器，使得測量的呼吸參數(shù)的趨勢可被可視化。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，由傳感器輸出的信號包括包含呼吸特征、心臟特征和身體運動特征的復(fù)合信號，并且其中，分析器被配置為選擇性地將呼吸特征、心臟特征和身體運動特征組合，以確定提供主體的健康評價的輸出。
19.一種用于監(jiān)視主體的計算機實現(xiàn)方法，所述方法包括使用傳感器測量主體的呼吸參數(shù)；通過處理器產(chǎn)生從呼吸參數(shù)導(dǎo)出的多個呼吸特征；組合多個呼吸特征以計算提供主體的健康評價的輸出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括將多個呼吸特征中的一個或更多個呼吸特征與基于心臟測量的多個特征組合，以導(dǎo)出輸出。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括將多個呼吸特征中的一個或更多個呼吸特征與基于由主體表明的主觀癥狀數(shù)據(jù)的多個特征組合，以導(dǎo)出輸出。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括將多個呼吸特征中的一個或更多個呼吸特征與選自包含體重、血壓、強制呼氣容積、峰值呼氣流量、血氧水平、血糖水平、腦鈉肽的測量和C 反應(yīng)蛋白的測量的組中的一個或更多個生理測量組合，以導(dǎo)出輸出。
23.一種用于評價主體的健康的變化的計算機實現(xiàn)方法，所述方法包括對于第一時間段計算選自包含主體的呼吸率、呼吸暫停和呼吸不足的發(fā)生率以及周期性呼吸的振幅和周期的組中的一個或更多個參數(shù)；對于第一時間段之后的第二時間段計算選自所述組的所述一個或更多個參數(shù)；將來自第一時間段的所述計算的一個或更多個參數(shù)與來自第二時間段的所述計算的一個或更多個參數(shù)相比較，以獲得比較結(jié)果；和基于比較結(jié)果確定健康狀態(tài)的變化。
全文摘要
用于監(jiān)視患有慢性病的人的設(shè)備、系統(tǒng)和方法預(yù)測和評價可影響該主體的護理的生理變化。這種慢性疾病的例子包括(但不限于)心力衰竭、慢性阻塞肺部疾病、哮喘和糖尿病。監(jiān)視包括呼吸運動的測量，這些測量然后可對于呼吸率的變化的跡象或者對于諸如呼吸不足、呼吸暫停和周期性呼吸的事件被分析?？赏ㄟ^與呼吸監(jiān)視結(jié)合測量夜晚心率而增加監(jiān)視。也可取得諸如主觀癥狀數(shù)據(jù)、血壓、血氧水平和各種分子標(biāo)志的附加的生理測量。與基于這些測量的決定處理的示例性實現(xiàn)一起，用于檢測呼吸模式和心率的實施例被公開。
文檔編號A61B5/113GK102355852SQ201080012088
公開日2012年2月15日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者A·扎法羅尼, C·赫尼根, P·德沙扎爾, R·肖爾代斯 申請人:必安康醫(yī)療有限公司