CN109984738B - 测量体液及其变化以及测量血流量变化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种使用多频交变电流来计算人或动物体中的体液、血流的方法；该方法包括确定组织的多频电阻和电抗变化，计算体液、血流以及相关生理参数。本发明通过同时测量身体或组织的多个频率的电阻和电抗，可以补偿频率依赖性，或可以找到依赖性的交叉关系，更精确地测量体液、血流。

Description

测量体液及其变化以及测量血流量变化的方法和装置

本发明要求享有申请日2017年12月31日、申请号62/612,442的美国临时申请的优先权，该临时申请全部引入到本发明中。

技术领域

本发明涉及医学领域，具体的，涉及检测生物组织电特性的非侵入性技术，更具体的，但不作为限制，涉及血流量和体液水平的测量。

背景技术

生物阻抗和生物电抗测量作为测量血流量和体液水平的非侵入性方法已被广泛探索。这些技术在医疗领域被广泛接受，但它们有一些缺点，测量值有频率依赖性。进行测量时，有些人相比于其他人会产生不同的频率选择性干扰或噪音。频率选择性缺陷会使某些人的测量结果不佳。即使身体或组织被视为电导和电容(导体和非导体)，组织的特性也是频率依赖性的。随着频率变化，组织整体的电导和电容可能不是线性的。

从电气科学角度来看，生物组织可以划分为导体和非导体。导体通过电导测量(电阻的反向)，非导体可以通过电容测量。任何组织的变化将由电导和电容的变化来表示。可以通过对上述电气特征的信息进行监控，以实现对身体状态的检测。

发明内容

本发明克服了现有方法和装置中使用单频交变电流测量生物阻抗和生物电抗，然后计算体液和心输出量及其相关参数的不足。本发明提供了一种非侵入式装置和方法，用于同时测量局部身体或组织的宽频率范围内的阻抗的振幅和相位，以计算体液和血流的相关参数，其中，上述参数可以用于实现对人体状态的远程监控。

通过使用快速傅立叶逆变换(IFFT)技术产生不同频率的多个交变电流。通过使用快速傅立叶逆变换(IFFT)技术，不同频率的多个信号在频域中相加，并且在不同频率的所有完整正弦周期上的时域中同步地转换成数字序列。IFFT与正交频分复用(OFDM)技术类似，在某个方面，OFDM技术会使用IFFT和/或快速傅里叶变换(FFT)技术。所有的所述频率信号彼此正交。所述序列长度通常是2的幂，如N信号的序列长度为2^N。然后可以将序列转变为更长的序列，但在相同的时间周期内传输，其被称为升频。在某一方面，本发明使用升频来减少量化噪声。所述序列可以被存储在存储器中，该存储器的内容可以由数字控制器连续地或周期性地泵出或者从数字处理器以实时形式生成。所述序列由数字模拟转换器(DAC)以固定的速率转换为模拟电流信号。在某一方面，数字模拟转换器时钟速率通常为100KHz至10MHz。更高的时钟速率将减少量化误差或产生模拟波形失真。结果，所述模拟信号具有不同频率的多个交变电流。

然后将所述多个交变电流通过电极注入人或动物体内并与外部电子部件形成回路。当电流通过身体时，它们被身体组织和组织的变化调制。有一个与注入(传输)回路部分重叠以对调制的交变电流进行采样的接收回路。该采样的电信号和生物信号将被放大并模数转换(A/D)成数字信号，由计算机处理器处理。在某一方面，模数转换速率，也称为采样速率，通常在100KHz和2.5MHz之间。采样信号被分段成与传输序列周期相同的时间周期，类似于OFDM符号。所述采样信号可以根据所述注入(传输)的信号进行同步，并且成为相同的时间周期。传输序列和接收序列长度不必须相同，但时间周期必须相同并且同步。然后用快速傅立叶变换技术对所述采样信号序列进行解调。不同频率的所有信号都被提取出来。由于传输信号的相位是已知的，所以可以从所提取的信号中减去它们。仪器***的传输方程也可以脱机估算，就像有规律的射频(RF)设备校验一样。因此***振幅和相位响应也可以从提取的信号中减去。最后的振幅和相位将代表组织调制，其提供了生理信息。由于人/动物组织的调制，最后的信号通常是复数。这个复数信号提供人/动物组织信息。处理所述复数信号，如低通滤波以去除高频噪声。截止频率通常在10Hz左右。更高的截止频率将带来更多波形的细节，但其通常需要更高的信噪比(SNR)。

在某一方面，本发明具有自适应低通滤波器。在信号处理之后，提取相关信息以从不同频率信号计算体液和血流参数。结果是频率补偿的。计算生理参数的方程系数是不同的。也可以检查来自不同频率电流的结果的交叉关系。为了获得更好的结果，来自不同频率信号的相同生理参数可以用不同的权重求和。在信息提取过程中，电子心电图(ECG)被作为心脏时序基准采集。在这个过程中血压是分开测量的。

常用计算的生理参数包括但不限于心率(HR)、左心室射血时间(LVET)、每搏输出量(SV)、每搏指数(SI)、心输出量(CO)、心脏指数(CI)、胸腔液体水平(TFC)、速度指数(VI)、总血管阻力(TVR)和加速指数(ACI)。

在某一方面，本发明还提供了监测人或动物的血液动力学的***，包括体液和血流。该***包括产生多个频率的交变电流的发生器；可将生成的电流传递到人或动物体内，并可感应人或动物体电压变化的电转换器；多个感测放大器，连接在电转换器和发生器之间、以及电转换器和感测放大器之间的电缆或电线束；信号处理单元，其可以是单个计算机或多个计算机；处理软件和连接人或动物和***的人机界面。电脑可以是远程的，人(医生)可以实时模式远程观察***工作。

发明效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明使用多频交变刺激(电流)来测量阻抗和电抗，可以从更多的方面表示组织的变化，使得测量的结果一致性更高，更准确。

(2)本发明通过同时测量身体或组织的多个频率的阻抗和电抗，可以补偿频率依赖性，或可以找到依赖的交叉关系，更精确地测量体液和血流。

附图说明

图1为本发明终端***的实施例；

图2为本发明终端***的结构图的一个例子；

图3为本发明一个例子的示意图；

图4为本发明***内部结构图的例子；

图5为本发明传输波形图的例子；

图6为本发明接收信号的频谱图的例子；

图7为本发明解调阻抗心动图(ICG)的例子；

图8为本发明不同频率的相位曲线图的例子；

图9为本发明阻抗振幅和相位变化图的一个例子；

图10为本发明阻抗振幅和相位变化图的另一个例子。

具体实施方式

应当理解本发明不必须限制于用以下说明的示例性细节，例如下面的说明和/或附图和/或实施例中解释的用数字表示的元素和方向。

图1显示了在人或动物体上的终端***的机制，人或动物体1具有将人或动物体连接到***的电极或触点A-D，电极的不同布置具有不同的焦点和测量点。对于心血管的测量，电极主要布置在胸部，沿着主动脉。对于身体其他器官或区域的测量，其他在胸部或身体其他部位的电极布置可以由普通技术人员选择合适的布置。

对于终端***本身，信号发生器2产生具有多频分量的宽带信号，***还包括信号检测器3，信号处理器4，和将一个或多个元件2-4连接至人或动物体1的电线或电缆5-8。电线或电缆将产生的信号传输至电极或触点A和D，设置电极A和D使得产生的信号可以通过相关的动脉。在图1所示例子中，电极A和D连接至胸部，其中有若干个主动脉通过。信号流跟着血流或动脉径向方向。产生的信号在人或动物体1内从A到D或从D到A传送。信号检测器3通过电线或电缆7和8从电极B和C收集生物信号。信号处理器4控制和协调信号发生器2和信号检测器3。信号处理器4还处理从电极B和C接收的信号并从处理的信号中提取生物信息。

利用上述***，通过IFFT技术产生的不同频率的多个交变电流，在不同频率的所有完整正弦周期上的时域中同步地转换为数字序列。所有的所述频率信号彼此正交。然后可以将该信号升频为更长的序列，但在相同的时间周期内传输。所述序列可以被存储在存储器中，该存储器可以由数字控制器连续地或周期性地输出或者从数字处理器以实时形式生成。所述序列由数字模拟转换器以固定的速率转换为模拟电流信号。在一些实施例中，数字模拟转换器时钟速率通常为100KHz至10MHz。更高的时钟速率将减少量化误差或模拟波形失真。交变电流图5示出了数字域中的传输波形，DAC时钟频率为3.353MHz，具有16比特，并叠加有多重正弦波。

然后将所述多个交变电流通过电极注入人或动物体内并与外部电子部件形成回路。当电流通过身体时，它们被身体组织和组织的变化调制。然后获取采样信号，所述采样信号可以根据所述注入(传输)信号进行同步，并且具有相同的时间周期。图6示出了接收信号的频谱。在某一方面，ADC采样率为769KHz，具有24位，其他的采样率和/或更大或更小的位数可以根据待测量的参数和本领域普通技术人员将采用的其他情形来获得合适的数值。在某一方面，有6个正弦波，频率分别为19.5KHz、34.5KHz、49.6KHz、72.1KHz、99.1KHz和120KHz。这些正弦波在体内传播，并受到身体的调制。图8显示了频率为19.5KHz、34.5KHz、49.6KHz、72.1KHz和99.1KHz的相位曲线，其清楚的显示了心搏周期。作为普通技术人员，可以根据要测量的身体区域选择其他频率的数字、和/或其他频率本身。

传输序列和接收序列长度不必须相同，但时间周期必须相同并且同步。然后用快速傅立叶变换技术对所述采样的信号序列进行解调。不同频率的所有信号都被提取出来。由于传输信号的幅度相位是已知的，所以可以从所提取的信号中减去它们。设备的***振幅和相位响应也可以从提取的信号中减去。最后的振幅和相位将代表组织调制，它带来了生理信息。由于人或动物体内的调制，所述信号通常是复数。这个复数信号提供人或动物体信息。处理所述复数信号，如使用低通滤波以去除高频噪声。在某一方面，截止频率通常在10Hz左右。更高的截止频率将带来更多波形的细节，但其通常需要更高的信噪比(SNR)。在某一方面，本发明实施例中使用了自适应低通滤波器。在信号处理之后，提取相关信息以从不同频率信号计算体液和血流参数。结果是频率补偿的。计算生理参数的方程系数是不同的。也可以检查来自不同频率电流的结果的交叉关系。为了获得更好的结果，来自不同频率信号的相同生理参数可以用不同的权重求和。在信息提取过程中，电子心电图(ECG)被作为心脏时序基准采集。在这个过程中血压是分开测量的。其中，具体的采集过程以及信号处理如图2-4所示。

图2显示的终端***也被称为采集***。其中信号发生器9可以在时域和频域工作，图中还显示了数字模拟转换器10、模拟放大器11和14、宽带电流泵12、模拟数字转换器15和数字信号处理器(DSP)16。一方面，该***不仅获得信号，而且还将刺激电流发送到人或动物体和组织。在时域和频域都可以工作的信号发生器9产生多频信号。在时域中，信号是多个正弦或余弦波的总和。在频域中，信号是多个频率“音调”的总和。它可以通过IFFT技术将频率“音调”转换为时域中的多个正弦信号。产生的数字正弦信号通过数字模拟转换器10，变成模拟信号，其通过模拟放大器11放大以驱动宽带电流泵12做阻抗变换。基本上，电流泵12将宽带单端电压信号转换为宽带差动电流信号。从电流泵12开始，一多频正弦波小电流通过触点A和D进入身体。人或动物体作为复杂的媒介将调制传送中的电流。该调制的电流和其他生物电信号将从点B和C中拾取。由于所有这些信号都很弱，它们将被模拟放大器14放大，然后被模拟数字转换器15数字化。该数字信号将由数字信号处理器16处理，通过诸如解调、滤波、提取不同的生物信号等处理方式预处理数字信号。

图3示出了本发明的计算机***在本发明中工作原理。其中刺激信号通过路径17发出，来自人或动物体的调制信号和其他生物信号可以从路径18获得。终端***19进行一些预处理工作，包括但不限于如解调和过滤的示例中的功能。终端***19也可以有自己的人机界面。终端***19将中间结果发送到本地计算机20，在那里完成所有最终处理(如参数计算，特征提取，数据分析)。使用本发明软件的远程计算机21可以实时或脱机地从本地计算机20获取所有信息。结果和数据可以存储在任何地方的数据库服务器22中，可以从本地计算机20和远程计算机21中恢复。其中，23是指本地主机20和终端***19之间的通信。

图4显示了终端***或是采集***，其包括一个微处理***(其可能包括一个或多个ARM处理器)。通过现场可编程门阵列(FPGA)可以实现微处理***与***部件的通信。数据通过微处理***被发送至FPGA并存储，然后FPGA可将数据发送至DAC，数据然后被转换为模拟电流信号，以获取对人或动物体的交流电流输入。另一方面，前置放大器选择从人或动物体***获取模拟信号。执行基本的阻抗变换。将信号输入至两个不同的放大器，其一为阻抗心动图(ICG)，其二为心电图(ECG)。ECG因微处理***(ARM)具有模数转换器可直接与该微处理器***相连。ICG信号通过24位ADC进行数字化，然后通过高速串行***接口(SPI)总线输送至FPGA，FPGA对数字信号进行重新封包，该信号通过另一个SPI总线输入至微处理器，由微处理器进行解调。图7示出了解调的ICG信号分别对应频率19.5KHz、34.5KHz、49.6KHz、72.1KHz和99.1KHz。从接收到的频谱中计算出来的心电信号具有5个波形。每个ICG信号是从5个频率中的一个计算得出。这里清楚的显示心搏周期。图9-10分别显示了经过不同的人体得到的阻抗振幅(ICG)和相位(电抗)变化，其中，Y轴标准化为1(没有单位)。

利用上述***以及基于测量体液、血流参数和生理参数的本发明的方法，本发明还可以提供监测人或动物的血液动力学的方法及***，包括体液和血流的检测，该方法包括同时生成多个频率的多个同步交变电流(AC)(频率范围从10KHz到1MHz)，将产生的电流传送到人或动物体，感测由人或动物体引起的AC电压变化，放大并数字化所感测的AC信号，处理AC信号，根据AC信号估计血液动力学参数，并在任何位置安全连接的电脑上实时显示参数信息。

基于上述测量体液、血流参数和生理参数的方法以及实现该测量的***，本发明还可以提供一种操作所提取的不同信息以获得关于人体血液动力学的参数的***/方法。

基于上述测量体液、血流参数和生理参数的方法以及实现该测量的***，本发明还可以提供一种改变频率和频率数量以及AC电流强度的***/方法。

基于上述测量体液、血流参数和生理参数的方法以及实现该测量的***，本发明还可以提供一种检测诸如导电性和电容率的人体组织和器官特征频率依赖性的***/方法。

基于上述测量体液、血流参数和生理参数的方法以及实现该测量的***，本发明还可以提供一种估计频率依赖性与器官或组织特征之间的关系的***/方法。

基于上述测量体液、血流参数和生理参数的方法以及实现该测量的***，本发明还可以提供了一种根据依赖频率的电导和电容率值计算血液动力学参数的***/方法。这些参数包括但不限于每搏输出量(SV)、心输出量(CO)、左心室射血时间(LVET)、射血前期(PEP)、胸腔液体水平(TFC)、加速指数(ACI)、速度指数(VI)、心率(HR)、全身血管阻力(SVR)和左心功(LCW)。

整个说明书提到人体或动物体，本发明的装置和方法对该两种类型都同样适用。此外，还提到不同种类的参数，其特征可能根据***和/或依照方法的输出被识别。从在单个频率的信号的独立参数的计算是已知的。多频和多个相应信号的使用可以生产前述讨论的更好的结果。

上文某些例子的描述，包括图解示例，是出于说明和描述的目的呈现的，而不打算为了详尽的列举或将发明限制到公开的特定形式。其中许多修改、调整和运用对本领域的普通技术人员是显然的，不会脱离本发明保护范围的。

以上对本发明所提供的测量体液及其变化以及测量血容量变化的方法和装置进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种测量体液参数、血流参数和生理参数的方法，其包括：

将不同频率的多个信号相加，将其同步地校准在全频率的完整周期上；

将数字序列转换为多个交变电流，并在相同时间内传输多个交变电流；

将所述多个交变电流通过电极注入人或动物体并与外部电子部件形成注入回路；

将接收回路与注入回路部分重叠以对调制的交变电流进行采样，作为采样的电信号；

将采样信号分割成与传输的序列相同的时间段；

将所述采样信号与所述传输数字序列同步；

解调所述采样信号，并减去注入信号；

处理信号，并从不同频率的信号中提取相关信息以计算体液参数、血流参数和/或生理参数，

所述相加包括将所述数字序列上变频为更长的序列，并在相同的时间周期内传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述相加是通过将不同频率的多个信号在频域中相加，并同步转换为数字序列来实现的，其还包括：通过快速傅立叶逆变换(IFFT)技术，将不同频率的多个信号在频域中相加，并且在不同频率的所有完整正弦周期上的时域中同步地转换为数字序列。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转换包括所述数字序列通过数字模拟转换器，所述数字模拟转换器的时钟速率为100KHz至10MHz；其中，采样的电信号和生物信号的模数转换包括使用在100KHz和2.5MHz之间的转换速率。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，当交变电流通过人或动物体时，所述电流由身体血液和组织调制。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相关信息包括人或动物体的阻抗随着宽频率范围的振幅和相位的变化。

6.如权利要求5所述的方法，还包括，使用计算得到的体液参数、血流参数和/或生理参数对人或动物体状态监控。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述重叠之后，所述方法还包括放大采样的电信号和生物信号，并模数转换为数字信号。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解调采样信号还包括，在从采样信号中减去注入信号得到减掉的信号后，从所述减掉的信号中减去***振幅和相位响应。

9.一种对人或动物的体液或血液动力学进行监控的方法，包括：

同时生成多个频率的多个同步的交变电流(AC)，频率范围从10KHz到1MHz；

产生的电流传输进入人体或动物体，感测由人或动物体引起的交流电压变化；

放大并数字化所感测的交流信号，模数转换速率在100KHz和2.5MHz之间，所述感测的交流信号可以根据所述传输进入人体或动物体的信号进行同步，并且成为相同的时间周期，然后用快速傅立叶变换技术对所述感测的交流信号序列进行解调，从所提取的信号中减去***振幅和相位响应，处理交流信号；

根据交流信号估计体液或血液动力学参数。

10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述方法的***，其特征在于，所述***包括信号发生器、信号检测器和信号处理器；

所述信号发生器用于产生由多频分量组成的宽带信号，并通过电线或电缆连接到相关的电极或触点；

所述信号检测器放大通过电线或电缆收集的生物信号；

所述信号处理器实现对信号发生器和信号检测器的控制和协调，以及解调收集的信号，并从收集的信号中提取生物信息，以获取所需的相关参数。

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