CN108882883A - 对副交感自主神经***和交感自主神经***的同时和独立活动进行测量、相关和分析的方法和*** - Google Patents

对副交感自主神经***和交感自主神经***的同时和独立活动进行测量、相关和分析的方法和*** Download PDF

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Abstract

用于测量、相关和分析副交感和交感自主神经***的同时和独立活动的***或方法，包括第一传感器和第二传感器，其中第一传感器用于采集受试者的生理活动的第一独立测量值，第二传感器用于采集受试者的生理活动的第二独立测量值。此外，该***包括计算机，其接收生理活动的第一独立测量值和生理活动的第二独立测量值。此外，该***还包括计算机，该计算机被编程来相关第一独立测量值和第二独立测量值的采集时间，将交感神经***活动的数值与副交感神经***活动的数值进行比较以确定瞬时平衡测量值，并将瞬时平衡测量值与受试者的平衡测量值进行比较。

Description

对副交感自主神经***和交感自主神经***的同时和独立活 动进行测量、相关和分析的方法和***
技术领域
本实施例通常涉及对共同构成自主神经***的副交感神经***和交感神经***的同时和独立测量值进行测量、相关和分析的方法。
背景技术
自主神经***负责体内几乎每个生理过程的控制。通常，自主神经***被认为分成两个部分，包括交感神经***和副交感神经***。这两个***通常会对刺激产生相反的影响或反应，尽管这不是普遍的现象。
交感神经***使身体在应激情境下能够进行生理反应。交感神经***通常被称为“战斗或飞行”***，可以增加心率和/或血压并减缓消化等。交感神经***的反应通常比副交感神经***慢，需要三到五次或更多次心跳。
副交感神经***使身体能够自我维持。副交感神经***通常被称为“休息和消化”***，可以降低心率、血压和/或加速消化。副交感神经***的反应通常比交感神经***快，需要一到两次心跳。
交感神经***和副交感神经***的协调运作表明一个人在生理上是健康的。此外，对交感神经***和副交感神经***功能进行分析可以提供关于个体生理状态的大量信息。
然而，疾病、生活方式、遗传或环境条件可能导致自主神经***失衡，导致交感神经***和副交感神经***过于频繁或不够频繁地处于主导地位。
自主神经***的功能失衡会损害许多器官的功能。由于含糊地使用一些影响自主神经***的药物，如β受体阻滞剂、ACE抑制剂、睡眠辅助剂、抗抑郁药等，可能导致交感神经***和副交感神经***受到显著影响，导致进一步或持续的失衡。
此外，同时使用影响自主神经***各种功能的多种药物，使得：如果没有特定的、独立的但是同时的副交感神经和交感神经功能测量值，那么难以对对总体自主神经***功能的评估以及任何特定药物单个影响进行测量。
由于交感神经***和副交感神经***功能的“背景”性质，当不存在既没有适用于一个临床群体，也没有通常特定于单个患者的假设或近似的情况下，往往很难确定活动。此外，很难对两个***分别同时进行精确测量。
通常，两个***的活动都被测量为总体自主功能，并且单个***的活动是基于假设和近似来估计的。然而这种方法是有缺陷的，因为基本的假设是两个***正常发挥作用并且协调得当，或者两者之间存在一致的关系(例如，由于疾病，一个***的活动水平明显高于另一个***)，无论环境或临床考虑。此外，估算值基于一般原则和“经验法则”，可能出现严重不准确。
由于自主神经***的功能对个体的长期健康至关重要，并且许多疾病和药物仅影响自主神经***的一个分支，因此非常需要对交感神经***和副交感神经***这两个***进行准确、独立、同时的测量。
此外，需要以精确的方式同时测量和分析交感神经***和副交感神经***，以确定整个自主神经***的功能，以便既能提供个人健康的瞬时图像，又能分析长期的生理健康情况。
附图说明
结合以下附图可以更好地理解详细的描述：
图1是用于测量自主神经***活动的***的实施例图。
图2是用于测量受试者自主神经***活动的方法的实施例流程图。
图3是心电图信号的频谱波形实例。
图4是心电图信号的频谱波形实例。
利用以下附图对本实施例进行了详细说明。
具体实施方式
在进一步解释本方法和***之前，应该理解，所公开的方法和***不限于特定实施例；相反，所公开的***可以多种方式实践或执行。
本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为权利要求的基础以及用于教导本领域普通技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。虽然可以参考方法或***，但应该理解该***用于实现该方法，而这里的描述适用于两者。
本发明涉及对共同构成自主神经***(ANS)的副交感神经***(PNS)和交感神经***(SNS)的同时和独立测量值进行测量、相关和分析的方法。测量可以同时进行或稍后进行相关以在给定的时刻提供PNS和SNS活动的快照。
用于测量和评估受试者ANS活动的***可以包括图1所示的实施例。如图所示，***10包括在执行特定活动时被监测的受试者12。如下文的详细解释，通过传感器来监视受试者12，而这些传感器被连接到可以在多个受试者12之间转移的计算机。另外，当存在多个受试者12(即，第二受试者，第三受试者等)时，可以将更多的计算机连接到与这些受试者相连的更多组传感器来对这些受试者进行同时监测。该活动可以包括相对久坐的活动，在这种情况下，***10可以关注采集并比较第一组生理测量值。同样，***10可以在相对紧张或动态的情况下监测受试者12，在这种情况下可以强调其他生理测量值。从受试者收集的测量值和/或信号可被传送到分析和存储数据的集中式计算设施14(例如，“云”)。集中式计算设施14可评估来自多个受试者12的信号以监测每个受试者12的ANS活动的变化。集中式计算设施14可以向受试者12通知任何改变和/或可以向管理实体16发送警报或聚合数据(即，反馈)，参见下文的详细解释。
受试者12佩戴可以包括传感器20和计算机22的ANS监测***18。传感器20可以包括心电图传感器24，该心电图传感器24暂时粘附到受试者12的身体，以在指定活动期间连续接收心电图(EKG)信号。在另一个实施例(未示出)中，这些相同的心电图传感器也可以从例如阻抗体积描记电路捕获呼吸活动。传感器20还可以包括用于跟踪心脏活动和节律的其他传感器20。ANS监测***18可以包括呼吸传感器，用于替代EKG或心脏跟踪传感器24或与其同时存在。例如，传感器20可以包括胸带传感器26或呼吸面罩28以监测受试者12的呼吸模式。传感器20还可以包括附加传感器30，用来跟踪与受试者12或其周围环境相关的其他信息。例如，附加传感器30可以包括全球定位信号(GPS)***、大气压力传感器、温度传感器(其可以检测或可以不检测受试者12的温度)、加速度计、排汗或汗液检测器、心脏输出传感器、逐拍血压传感器、血糖传感器、脉搏血氧仪(SpO2)传感器、脉搏波速度传感器或其他传感器。另外，计算机22可以包括用于存储由传感器20提供的指令和数据的存储器32，用于执行指令的处理器34(即，非暂时性数据存储媒质)以及用于与其他计算机设备通信的网络设备36。网络设备36(例如接收器、发射器、收发器等)可以包括无线通信设备，使得可以在各种各样的活动中监测受试者12。
例如，受试者12可以是长时间从事相对久坐活动的长途卡车驾驶员。在这样的条件下，受试者12可以采用内衣的形式同时佩戴传感器20、其他的传感器30以及计算机22。传感器20和30将信号发送给计算机22，由计算机22进行信号存储、分析和处理以确定、计算和存储PNS和SNS响应。此外，代表交感神经***活动的值可以与代表副交感神经***活动的值相比较。例如，将表示交感神经***活动的值除以代表副交感神经***活动的值所得的商称为交感迷走神经平衡(SB)。这种测量可以是用于确定受试者自主神经***功能的个体化测量。
可选择地或附加地，信号可被实时捕获并传输到集中式计算设施14，由该集中式计算设施14存储、分析、处理或确定PNS、SNS和SB响应。集中式计算设施14可以包括与连接到受试者12的一个或多个计算机22网络连接的服务器40(例如，一起工作以检索和存储数据的一个或多个服务器40)。服务器40可以包括处理器42，存储器44以及存储在存储器44中、用于接收、分析和存储从由一个或多个受试者12使用的一个或多个ANS监视***18检测和发送的响应的指令。另外，服务器40包括通过有线连接或通过无线信号接收信号的接收器46，使得服务器40可以从远程计算机30接收信号。在某些实施例中，接收器46可以包括发射器和/或收发器，使得信号可以由服务器40接收和发送。
然后可以将检测到的响应与例如存储在计算机22、服务器40或本地或远程电子通信可访问的其他地方的先前确定的阈值进行比较。比较可以指示受试者12的神经***的状态。在上文驾驶员的实例中，确定和比较的响应可以指示驾驶员有多警觉或清醒。如果服务器40确定受试者12的状态落入指示受试者12可能昏昏欲睡或处于危险中的范围内，从而导致可能是“受损状态”的事件，则中央计算设施14将警告信号发送给受试者12、管理实体16或其某种组合。警告信号可以包括对受试者的音频、视频或触觉警报，并且可以向受试者12警告受损状态并且建议受试者12靠边停车、休息、等待固定时间段以恢复活力等等。此外，计算机22、服务器40或两者的组合可以确定已经发生了与受试者12有关的紧急情况，例如晕厥或心脏病发作，在这种情况下，警告信号可以建议受试者12寻求医疗救助。如果受损状态涉及健康问题或驾驶员可能出现酒精或化学物质或其他物质中毒的情况，则警告信号可能包括通知应急响应人员或其他当局。如果该第一警告信号被忽略并且驾驶员的PNS、SNS或SB响应落入指示受试者12正在睡眠或其他危险方式的范围内，则可以向受试者12(并且可选地，管理实体16或他们的组合)发送额外的警告信号试图唤醒受试者12，和/或第二警报可以被发送给地方当局以使他们能够辅助驾驶员，例如受试者12。
作为可以如何使用***10的另一个实例，考虑受试者12是被要求处理紧急情况的应急人员(不管是陆上还是船上的，这也适用于被命令参与战斗的士兵)。这一次，受试者12穿着带有传感器的内衣收集包括位置、温度、出汗水平、空气质量、脉搏波速度、SpO2以及EKG和呼吸活动的数据。这些信号可以被实时捕获并传输到集中式计算设备14，由该集中式计算设备14进行信号的存储、分析和处理，并且计算并存储PNS、SNS和SB响应。然后将这些响应与先前确定的指示受试者12状态的阈值进行比较。这些指示然后可以被传送到包括监督紧急情况的人员(或参与战斗的高级军官)在内的管理实体16。管理实体16可以使用这些指示来帮助维持受试者12的安全水平，或者确定何时提取受试者12，或者提供更多协助，或者提供紧急医疗协助(在这种情况下，指示用于受试者12的远程伤情鉴别分类)。
计算机22、服务器40或其组合可以编程来通过计算机指令来使用图2中所示的方法60来测量、相关和分析同时及独立的PNS、SNS和ANS活动。由于副交感神经***和交感神经***在人体中协调工作，因此对每个***进行独立测量是有益的，因为即使一个***或另一个***功能异常，两个***仍然以协调的方式运行。此外，使用单一生理测量值来估计交感神经***和副交感神经***的功能可掩盖一个***或另一个***内的异常情况。就像必须提供两个独立的方程来解决具有两个独立变量的代数问题一样，需要两个独立的物理测量值来独立表征副交感神经***和交感神经***。
方法60可以包括采集生理活动的第一独立测量值(方框62)。生理活动的第一独立测量值可以指示PNS或SNS或总体ANS活动。例如，在第一独立测量值包括SNS活动的实施例中，从EKG传感器24获得的EKG信号或其他信号可以用于评估SNS。SNS活动可以通过其他参数进行评估，包括但不限于：血压、脉搏波速度、心跳与心跳间之心率变化、微神经检查、局部血浆去甲肾上腺素测量值或其他测量值。
方法60可以包括采集身体活动的第二独立测量值(方框64)。身体活动的第二独立测量值也可以指示SNS或PNS或总体ANS活动。例如，在第一独立测量值包括SNS活动的实施例中，第二独立测量值可能包括PNS活动。作为一个可能的实例，可以使用呼吸活动信号来评估PNS。PNS活动可以通过其他参数进行评估，包括但不限于：胃肠活动、静息时的心率变化和响应深呼吸时的心率变化、瓦尔萨尔瓦(Valsava)动作、姿势变化和颜面浸水呼吸暂停(apneic facial immersion)以及其他测量值。
然后可以分析获得的第一独立生理活动指标和第二独立生理活动指标的信号，以确定交感神经和副交感神经***的活动。对于每个独立的测量值，当ANS监测***18或服务器40操纵测量时可以确定数值(方框66，方框68)。例如，可以操纵两个信号来计算两个独立的频谱。图3示出了生理活动的第一独立测量值的频谱80(例如EKG频谱、心率频谱、SNS频谱等)的示例性实施例。频谱80示出了由ANS监测***18(和相关的传感器20)检测的与给定时间段内发生次数84相关的频率82。针对生理活动的第二独立测量值(例如，PNS频谱、呼吸频率频谱等)计算类似的频谱。ANS监测***18和/或服务器40将针对第一和第二测量值采集的时间进行相关(图2的方法60的方框70)。通过相关采集的时间，可以使用生理活动的第一独立测量值的频谱80来计算关于受试者12的ANS和相对活动的有用信息。
如图4所示，生理活动频谱的第二独立测量值的具体峰值模式频率86可以被确定、存储并被映射到生理活动的第一独立测量值的频谱80。在将生理活动的第一独立测量值和第二独立测量值进行相关后，ANS监测***18或服务器40将比较数值(方框72)。数值比较可以包括关于生理活动的第一和第二独立测量值之间的关系来计算频谱80的面积。例如，如图5所示，频谱80在特定范围88的面积可以用于计算PNS响应。指定的范围可以包括0.03Hz、0.04Hz、0.05Hz、0.06Hz、0.07Hz、0.08Hz或在峰值模式频率86上方和下方测量的其他频率范围。在一个实施例中，峰值模式频率86可以被测量为0.19Hz。指定的范围可以在峰值模式频率86之上或之下0.06Hz。因此，频谱80在0.13Hz和0.25Hz之间的面积将等同于PNS响应。指定的范围88可以根据受试者12的预定特征而改变，或者可以对于所有受试者12均保持一致。
SNS响应也可以利用频谱80计算。如图6所示，ANS监控***18可以编程来包括SNS默认范围90。例如，在一个特定实施例中，默认范围90可以包括从0.04Hz至0.15Hz的范围。然而，为了计算SNS响应，必须移除与PNS响应的频率重叠的频率92。频谱80在剩余范围94内的面积等同于PNS响应。交感神经反应与副交感神经反应的比率被计算为交感神经平衡(SB＝S/P)，其用于确定受试者12的自主神经***的瞬时功能(方框74)。交感神经平衡高度依赖于个人，以及当时个人正在进行的活动。当受试者正在休息或参与更久坐的活动时适用的静态交感迷走平衡将与受试者从事更剧烈的活动时适用的动态交感迷走平衡存在明显区别。
根据监测传感器20连接时受试者12的活动，受试者12或者在休息，或者在参与活动。如果受试者12正在休息，SB是衡量休息平衡的指标。如果受试者正在参与活动，则SB是衡量动态平衡的指标。然后可将来自受试者的这些平衡响应与先前确定的阈值或范围(“预定范围”)相比较，所述阈值或范围定义了针对被监测受试者的大量操作状态或身体健康状态、身心健康状态。当受试者的反应处在这些预定范围内时，可以用于评估个人的健康状况，无论是关于她/他的健康状况还是她/他在所处环境中运动或发挥作用的身体状态。
先前的方法已经使用了不准确地应用于许多个人的标准和近似值。此外，将标准应用于自主神经***功能不正常的个体会获得更加不准确的信息。
将两个独立的生理测量值转换为瞬时值，以确定副交感神经***和交感神经***在特定时刻的功能。然后，将这些值与时间进行相关，以确保可行的比较。信号可以用多种方式操纵。可以对信号进行滤波，以去除噪声，并将采集的数据平滑处理。然后可以将采集到的数据转换为量化数值，以便进行客观比较。
然后可以独立和同时测量交感神经***和副交感神经***。这些功能可以进行相关和分析，以提供自主神经***的全貌。可以计算瞬时心率的数值作为交感神经***的指标。可以计算呼吸频率的数值作为副交感神经***的指标。在计算交感迷走平衡时，可以将其与先前确定或存储的特定于个体的数据进行比较，以指示受试者的状况。以这种方式，本发明提供了对受试者的完整自主神经***的高度特定、准确且个性化的评估。
尽管已经重点描述了这些实施例，但应该理解的是，在所附权利要求的范围内，可以以不同于在此具体描述的方式来实施这些实施例。

Claims (20)

1.一种用于对副交感自主神经***和交感自主神经***的同时和独立活动进行测量、相关和分析的方法，包括：
从受试者采集生理活动的第一独立测量值，其中所述第一独立测量值指示交感神经***活动或总体自主神经***活动；
从受试者采集生理活动的第二独立测量值，其中所述第二独立测量值指示副交感神经***活动；
从所述第二独立测量值来确定副交感神经***活动的数值；
从所述第一独立测量值来确定交感神经***活动的数值，或从所述第一独立测量值和所述第二独立测量值的组合来确定交感神经***活动的数值；
将所述第一独立测量值和所述第二独立测量值的采集时间进行相关；
紧随所述相关之后，将用于所述采集时间的所述交感神经***活动的数值与用于所述采集时间的所述副交感神经***活动的数值进行比较；以及，
确定所述受试者的自主神经***(ANS)的瞬时功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述交感神经***活动的数值和所述副交感神经***活动的数值包括从频谱获得的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述生理活动的第一独立测量值包括受试者的呼吸活动的测量值，所述生理活动的第二独立测量值包括受试者的心率的测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中采集所述生理活动的第二独立测量值的步骤包括使用心电监护仪测量所述心率。
5.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述受试者的自主神经***的瞬时功能与预定的范围进行比较。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将电子信号发送给管理员，所述电子信号指示所述受试者的自主神经***的瞬时功能。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：基于所述自主神经***的瞬时功能提供反馈。
8.根据权利要求1所述的方法，其中采集所述生理活动的第一独立测量值的步骤包括使用心电监护仪测量所述心率。
9.一种用于对副交感自主神经***和交感自主神经***活动同时和独立测量值进行测量、相关和分析的***，包括：
第一传感器，用于采集受试者的生理活动的第一独立测量值；
第二传感器，用于采集所述受试者的生理活动的第二独立测量值；
计算机，其中所述计算机包括：
计算机处理器；
接收器，用于接收所述生理活动的第一独立测量值和所述生理活动的第二独立测量值；以及
非瞬时性的数据存储媒质，包括：计算机指令，用于指示所述计算机处理器来：
将所述第一独立测量值和所述第二独立测量值的采集时间进行相关；
将交感神经***活动的数值与副交感神经***活动的数值进行比较；
确定所述受试者的自主神经***的瞬时功能。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述第一传感器包括心电图传感器，并且所述第二传感器包括监测受试者的呼吸模式的传感器。
11.根据权利要求9所述的***，进一步包括：与所述计算机本地或远程网络通信的一个或多个服务器，其中所述一个或多个服务器包括所述计算机指令。
12.根据权利要求9所述的***，其中所述一个或多个服务器配置成从监测第二受试者的第二计算机接收所述生理活动的第一独立测量值的第二实例和所述生理活动的第二独立测量值的第二实例。
13.根据权利要求9所述的***，其中所述一个或多个服务器配置成向管理实体通知关于所述受试者、所述第二受试者或所述两者的所述自主神经***的所述瞬时功能。
14.一种用于对副交感自主神经***和交感自主神经***的同时和独立活动进行测量、相关和分析的***，包括：
第一传感器，用于采集受试者的生理活动的第一独立测量值；
第二传感器，用于采集所述受试者的生理活动的第二独立测量值；
计算机，其中所述计算机包括：
计算机处理器；
接收器，用于接收所述生理活动的第一独立测量值和所述生理活动的第二独立测量值；以及
非瞬时性的数据存储媒质，包括：计算机指令，用于指示所述计算机处理器来：
将所述第一独立测量值和所述第二独立测量值的采集时间进行相关；
将交感神经***活动的数值与副交感神经***活动的数值进行比较，以确定瞬时平衡测量值；以及
将所述瞬时平衡测量值与受试者参考平衡测量值进行比较，以确定所述受试者的自主神经***的瞬时功能。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述计算机指令被编程为基于所述自主神经***所确定的瞬时功能提供反馈。
16.根据权利要求15所述的***，其中所述反馈以音频、视频或触觉警告警报的形式提供给所述受试者。
17.根据权利要求15所述的***，其中所述反馈被提供给位于所述受试者本地或远离所述受试者的管理实体。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：与计算机进行本地或远程网络通信的服务器。
19.根据权利要求18所述的***，其中所述一个或多个服务器被配置为从监视第二受试者的第二计算机接收生理活动的第一独立测量值的第二实例以及生理活动的第二独立测量值的第二实例。
20.根据权利要求18所述的***，其中所述一个或多个服务器被配置为向管理实体通知关于所述受试者、所述第二受试者或所述两者的所述自主神经***的所述瞬时功能。
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