CN110213991A - 用于监测健康的多传感器装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的装置、***和方法，包括：至少两个电极，被配置为定位在受试者上；声学传感器，被配置为定位在受试者上；连接至电极的胸阻抗测量模块，用于测量电极之间的第一阻抗，和连接到所述声学传感器的心脏声学测量模块，用于检测和测量来自所述声学传感器的心音。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2017年1月24日提交的题为“充血性心力衰竭(CHF)管理：多传感器模态”的美国申请序列号62/449,741的优先权的权益。在先申请的公开内容被认为是本申请公开内容的一部分，并且通过引用结合在本申请的公开内容中。
技术领域
本申请一般涉及管理人受试者的医疗或健康状况的***、装置和方法，更具体地涉及在使用多种感测模式的人类受试者中非侵入性检测和监测医疗或健康状况(例如充血性心力衰竭(CHF)和慢性阻塞性肺病(COPD)病症)的***、装置和方法。
背景技术
在人受试者中，充血性心力衰竭(CHF)是一种已知的心脏病，其中受损的心肌丧失其泵送足够量的血液以满足身体需求的能力。在CHF的早期阶段，仅在人受试者运动时才会出现这种无法泵送足够量的血液的情况。然而，在CHF的更晚期阶段，即使在人受试者静止时，也可能发生无法泵送足够量的血液。CHF是65岁以上住院患者中最常诊断的心脏病之一，也是此类患者在30天内再次入院的最常见原因之一。近年来，CHF的30天医院再入院费用已经增加到每年18亿美元，每次再入院的分配费用约为13,000美元，再入院率为25％。此类患者重新入院的部分原因可能包括但不限于：(1)患者不遵守饮食和药物治疗，这可能导致肺部液体过多或极度脱水；(2)药物剂量的不完全滴定，当患者从医院环境移回他或她家时，通常需要进行修改，和(3)心房纤颤，可在患者出院后发病。
医院出院后患者的CHF管理传统上侧重于使用植入式心脏装置中的传感器监测患者的液体潴留，例如植入式心律转复除颤器(ICD)、心脏再同步治疗-除颤器(CRT-D)或起搏器。这种可植入的心脏装置可以通过测量患者的胸腔液阻抗来检测患者中发展的肺充血。例如，诸如ICD、CRT-D或起搏器的可植入心脏装置可以被配置为使电流通过患者的肺，并且测量所产生的胸腔内阻抗。当患者的胸腔积液在肺充血期间累积时，患者肺部的电导增加，导致阻抗的相应减少，表明胸腔积液水平。这种可植入的心脏装置也可以由医院临床医生询问，允许医院临床医生监测患者的流体状态并接收可能发出即将发生的流体过载信号的变化的早期警告。基于患者的监测的流体状态，医院临床医生然后可以确定将患者重新接纳到医院以进行进一步监测和/或治疗是否合适。
发明内容
公开了用于非侵入性地检测和监测医疗状况的***、方法和装置。医学病症可以是慢性阻塞性肺病(COPD)之一。根据一个实施方式，一种用于使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的装置，包括：至少两个电极，被配置为定位在受试者上；声学传感器，被配置为定位在受试者上；连接至所述至少两个电极的胸阻抗测量模块，用于测量所述至少两个电极之间的第一阻抗；和连接到所述声学传感器的心脏声学测量模块，用于检测和测量来自所述声学传感器的心音。在一些实施方式中，所述心音是S3心音。在一些实施方式中，心音是S4心音。在多种实施方式中，声学传感器是超声传感器和压电传声器传感器中的至少一种。在一些实施方式中，至少两个电极包括两个电极对，并且每个电极对包括力电极和感测电极。力电极被配置为向所述受试者施加电流并且感测电极被配置为感测由所施加的电流引起的变化。这些变化可包括测量电压的变化。
在一些实施方式中，装置包括用于确定装置的取向的传感器。在一个实施方式中，当所述装置处于第一取向时所述胸阻抗测量模块测量所述第一阻抗，并且当所述装置处于第二取向时测量至少两个表面传感器之间的第二阻抗。在一个例子中，第一取向表示所述装置近似水平，并且第二取向表示所述装置近似垂直。在另一个例子中，第一取向表示所述装置近似水平，并且第二取向表示所述装置相对于水平面成大约30度和大约90度之间的角度。在另一个例子中，第一取向表示所述装置近似水平，并且第二取向表示所述装置相对于水平面成大于大约30度的角度。在一个例子中，第二取向表示装置处于福勒的位置。在一些实施方式中，胸阻抗测量模块以固定间隔自动测量所述第一阻抗。
在一个实施方式中，装置还包括连接到电极的心电图测量模块，用于测量电极之间的电活动。
根据一个实施方式，一种使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的***，包括：位于受试者上的装置，所述受试者具有多个表面传感器和连接到所述多个表面传感器的多个感测模块，所述装置被配置为收集多模态感测数据，和数据分析器，可操作以执行所述多模态感测数据的数据分析、数据趋势和数据缩减中的至少一种。多模态感测数据包括在至少两个表面传感器之间的第一阻抗和来自所述多个表面传感器中的至少一种的心音。在多种实施方式中，所述表面传感器包括电极、心音传感器、超声传感器和光电容积脉搏波传感器中的至少一种。
在一些实施方式中，该***还包括数据决策引擎，被配置为组合所述多模态感测数据中的至少一些，其中所述组合的多模态感测数据指示所述受试者的医疗状况状态。在一些实施方式中，该***还包括收发器，被配置为通过至少一个无线通信路径将所述组合的多模态感测数据发送到云以进行进一步处理。
在一些实施方式中，该***中的装置还包括用于确定装置的取向的传感器。在一些实施方式中，装置包括胸阻抗测量模块，被配置为当所述装置处于第一取向时测量所述第一阻抗，并且当所述装置处于第二取向时测量至少两个表面传感器之间的第二阻抗。在一些实施方式中，该***中的装置还包括连接到所述多个表面传感器的心电图测量模块，用于测量所述至少两个表面传感器之间的电活动。
根据一些实施方式，一种使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的方法包括：从位于受试者上的第一电极经皮传输电流,在位于所述受试者上的第二电极处经皮接收电流,测量所述第一和第二电极之间的电压,至少基于所述电压确定胸阻抗,从声学传感器接收声学信号,从所述声学传感器测量心音，和将胸部阻抗数据和心音测量发送到数据分析器，该数据分析器被配置为执行所述胸部阻抗数据和心音测量的数据分析、数据趋势和数据减少中的至少一种。在一些实施方式中，该方法还包括测量所述第一和第二电极之间的电活动并产生心电图。
在一些实施方式中，该方法还包括确定装置的取向。在一些实施方式中，当装置处于第一取向时确定胸阻抗，并且该方法还包括当装置处于第二取向时确定第一和第二电极之间的第二阻抗测量值。
依照本申请，在使用多种感测模式的人类受试者中非侵入性检测和监测医疗或健康状况(例如充血性心力衰竭(CHF)病症)的***、装置和方法包括但不限于胸部阻抗感测、心电图(ECG)感测、呼吸速率感测、潮气量感测、心音感测、脉搏血氧测量感测、血压(心脏收缩、舒张)感测、心输出量感测等。所公开的***、装置和方法可以非侵入地收集并且至少部分地分析、趋势化和/或减少来自每种感测模态的数据，并且按顺序对多个模态感测数据中的一些或全部执行数据融合，以获得用于检测人受试者中CHF发病和/或监测其严重性的策划数据。所公开的***、装置和方法还可以直接通过通信网络将这种多模态感测数据(以及与人受试者的CHF的发作和/或严重性有关的其他信息)发送到“云”、或智能手机或其他通信装置，其又可以通过通信网络将多模态感测数据和/或其他信息传输到云。多模态感测数据还可以在云中进行分析、趋势化、缩小和/或融合，以增强或至少部分地替换由所公开的***、装置和方法所执行的数据分析、趋势化、减少和/或融合。然后可以由医院临床医生从云远程下载所得到的策划多模态感数据和/或其他信息，以用于监视和/或跟踪目的。通过非侵入性地收集和分析来自多种感测模式的数据以检测CHF的发作和/或监测其在人受试者中的严重性，所公开的***、装置和方法可以增加对可能存在问题的CHF病症的阳性检测，同时减少误报，这可以减少不必要的再入院次数、缩短住院时间并降低住院费用。
在某些实施方案中，在使用多种感测模式的人类受试者中非侵入性检测和监测医疗或健康状况(例如充血性心力衰竭(CHF)病症)的方法包括将非侵入性CHF检测和监测装置定位在人受试者身上，使得其通过至少经由至少多个表面电极和/或一个或多个传感器(例如心音传感器、超声传感器、光电容积脉搏波(PPG)传感器等)接触人受试者的躯干和上胸部和颈部区域或身体的任何其他合适的部位或区域。一旦CHF检测和监测装置定位成与人受试者的躯干和上胸部和颈部区域接触，CHF检测和监测装置中包含的多个多模态感测和测量模块被激活以从人受试者获得多模态感测数据。多模态感测数据可以包括但不限于胸部抗感测数据、心电图(ECG)感测数据、呼吸速率和潮气量感测数据、心率变异性/心音感测数据和脉搏血氧饱和度传感数据中的一个或多个。多模态感测数据被提供给包含在CHF检测和监视装置中的数据分析器，用于至少部分地分析、趋势化和/或减少数据。接下来，分析的多模态感测数据至少部分地融合或组合在CHF检测和监测装置中包含的数据融合/决策引擎中，用于随后用于对人受试者的CHF状态进行一个或多个推断。然后，包含在CHF检测和监视装置中的发送器/接收器通过一个或多个到云的无线通信路径发送至少部分融合或组合的多模态感数据，以进行可能的进一步数据分析、趋势化、减和/或融合，以及医院临床医生随后远程下载以进行监测和/或跟踪目的。
在某些进一步的实施方案中，在使用多种感测模式的人类受试者中非侵入性检测和监测医疗或健康状况(例如CHF病症)的装置包括非侵入性CHF检测和监测装置，被配置成定位在人受试者上，从而经由至少多个表面电极和/或一个或多个传感器(例如心音传感器、超声传感器、光电容积脉搏波(PPG)传感器等)接触人体受试者的躯干和上胸部和颈部区域或身体的任何其他合适的部分或区域。CHF检测和监测装置包括多个多模态感测和测量模块、数据分析器、数据融合/决策引擎和发射器/接收器。多个多模态感测和测量模块可操作以从人受试者获得多模态感测数据，包括但不限于胸部抗感测数据、ECG感测数据、呼吸速率和潮气量感测数据、心率变异性/心音感测数据和脉搏血氧测量感测数据中的一个或多个。数据分析器用于对多模态感测数据执行至少部分数据分析、数据趋势化和/或数据减少。数据融合/决策引擎可操作以至少部分地融合或组合所分析的多模态感测数据，以用于随后用于做出关于人受试者的CHF状态的一个或多个推断。发送器/接收器可操作以通过一个或多个无线通信路径将至少部分融合或组合的多模态感测数据发送到云，以进行可能的进一步数据分析、趋势化、缩减和/或融合，以及随后由医院临床医生远程下载以进行监测和/或跟踪目的。
本申请的其他特征、功能和方面将从以下详细描述中显而易见。
附图说明
包含在本申请中并构成本申请的一部分的附图示出了本文描述的一个或多个实施例，并且与详细描述一起解释了这些实施方案。在图中：
图1是示出根据本公开的一些实施方案的包括用于使用多种模态非侵入性地检测和监测受试者中的医疗或健康状况的示例性***的环境的图；
图2是示出根据本公开的一些实施方案的图1的***的示例性功能组件的图；
图3A-3C是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的装置的图；
图4是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者的健康状况的另一装置的图；
图5是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者的健康状况的另一装置的图示；
图6是示出根据本公开的一些实施方案的检测医学或健康状况的发作和/或监测其严重性的示例性方法的流程图；
图7是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的另一装置的图；
图8A-8E是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的电极和传感器躯干放置的各种示例的图；
图9A和9B是示出示例性心血管反馈回路的图；
图10是说明心力衰竭的医学分类的图。
具体实施方式
公开了用于使用多种感测模式非侵入性地检测和监测诸如充血性心力衰竭(CHF)状况和人类受试者中的慢性阻塞性肺病(COPD)状况的医学或健康状况的***、装置和方法。特别地，公开了一种用于非侵入地收集和分析、趋势化和/或减少来自每种感测模态的数据的装置。该装置可以对多模态感测数据中的一些或全部执行数据融合，以获得用于检测人类受试者的健康状况的发生和/或监测其严重性的策划数据，并发送这样的多模态感测数据(以及与人类受试者健康状况的发生和/或严重程度有关的其他信息)。数据可以直接通过通信网络传输到“云”，也可以传输到智能手机或其他通信装置。智能手机或其他通信装置可以在本地分析数据、或者智能手机或其他通信装置可以通过通信网络将多模态感测数据和/或其他信息发送到云。可以远程分析、趋势化、减少和/或融合传输到云的数据，以增强或至少部分地替换由所公开的***、装置和方法执行的数据分析、趋势化、减少和/或融合。在一些示例中，医院临床医生可以远程从云中下载所得到的策划的多模态感测数据和/或其他信息，以监视和/或跟踪人类受试者的健康状态。
所公开的用于使用多种感测模式非侵入性地检测和监测人类受试者中的CHF状况的***、装置和方法可以提供相对于用于管理人类受试者中的CHF的常规可植入心脏装置(如植入式心律转复除颤器(ICD)、心脏再同步治疗-除颤器(CRT-Ds)或心脏起搏器)的改进。例如，这种传统的可植入心脏装置通常包括一个或多个传感器，其配置成提供单个或有限数量的感测模态，例如用于检测人类受试者的液体保留的模态。然而，仅基于单个或有限数量的感测方式监测和/或跟踪人类受试者的CHF状态通常可导致假阳性，导致不必要的再入院，这可能增加医院成本。此外，这种传统的可植入心脏装置通常不能分析多模态感测数据的相互关系，以获得人类受试者中潜在有问题的CHF状况的阳性检测。而且，这种传统心脏装置的可植入性质会增加手术风险以及感染的发生率。另外，这种传统心脏装置的可植入性质限制了装置对患者的可用性，因为只有有资格进行手术以***植入物的患者才能接收该装置。
所公开的用于非侵入性地检测和监测诸如人类受试者中的CHF和COPD状况的医学或健康状况的***、装置和方法可以非侵入地收集数据，并且至少部分地分析、趋势化和/或减少来自多种感测模式的数据。另外，该***、装置和方法可以对多模态感测数据中的一些或全部执行数据融合，并获得用于检测CHF和/或COPD发作的策划数据，并且还可用于监测人受试者中CHF和/或COPD的严重性。因此，所公开的***、装置和方法增加了对潜在有问题的CHF和COPD病症的阳性检测，同时减少了假阳性，这可以减少不必要的再入院次数、缩短住院时间并降低医院成本。此外，所公开的用于非侵入性地检测和监测CHF和COPD状况的***、装置和方法可以在外部装置中实施，该外部装置可以在从医院出院后方便地由人类受试者使用，允许人类受试者以及医院临床医生监测受试者的CHF和/或COPD状态，降低手术和/或感染的风险。
恶化的心力衰竭与多次测量中随时间的变化相关，所述多次测量可使用本文公开的非侵入性***、装置和方法收集。特别地，心力衰竭恶化与S3心音的振幅增加、静息时呼吸越来越快和浅、相对潮气量减小(肺容量代表静息时吸气和呼气之间的空气量)以及胸阻抗减小相关。
图1描绘了根据本公开的一些实施方案的典型的环境100，其中可以采用示例性***102的说明性实施方案，该***102可以采用非侵入性检测和监测医学或健康状况，例如使用多种感测模式的人类受试者的充血性心力衰竭(CHF)病症。如图1所示，***102包括多个多模态感测和测量模块112(另见图2)，以及多个表面电极/传感器114a-114d(例如，四(4)个表面电极/传感器，或任何其他合适数量的表面电极/传感器)。例如，一个或多个表面电极可以实施为固体凝胶表面电极或任何其他合适的表面电极。此外，一个或多个传感器可以实现为心音传感器、超声传感器、光电容积脉搏波(PPG)传感器或任何其他合适的传感器。***102可被配置为大致三角形的装置或任何其他适当形状的装置，其可操作地通过至少多个表面电极/传感器114a-114d与人受试者104的躯干、上胸部和颈部区域或身体的任何其他合适的部分或区域中的一个或多个接触。
在各种实施方式中，***102可以具有允许其在可穿戴背心状结构内实现的配置、多个类似贴片的装置或任何其他合适的结构或装置。装置配置的各种示例在图3-5和图7中示出。
在典型环境100中，***102可操作以通过无线通信路径116与智能手机106进行双向通信，智能手机106又可操作以通过无线通信路径118与通信网络108(例如，互联网)进行双向通信。智能手机106还通过通信网络108操作，以通过无线通信路径120与云110进行双向通信，云110包括用于云计算、数据处理、数据分析、数据趋势、数据减少、数据融合、数据存储和其他功能的资源。***102还可操作以通过无线通信路径122直接与云110进行双向通信。
图2描绘了根据本公开的一些实施方案的用于非侵入性地检测和监测诸如人类受试者中的CHF和/或COPD状况的医学或健康状况的***102的详细视图。如图2所示，***102包括多个多模态感测和测量模块112、处理器202及其相关存储器208、用于存储多模态感测数据的数据存储器206、以及发送器/接收器204。发送器/接收器204可以被配置为执行蓝牙通信、WiFi通信或任何其他合适的短程通信，以通过无线通信路径116与智能电话106(参见图1)通信。发送器/接收器204可以进一步被配置为执行蜂窝通信或任何其他合适的远程通信，用于通过无线通信路径122与云110(参见图1)通信。
在一些实施方式中，多个多模态感测和测量模块112可以包括但不限于胸阻抗测量模块212、心电图(ECG)测量模块214、呼吸速率和潮气量测量模块216、218、基于心音的测量模块220和脉搏血氧测量模块222中的一个或多个。在一个实施方案中，***102可以被配置为执行反射脉搏血氧测量。在另一个实施方案中，***102可以包括用于执行基于手指的脉搏血氧测量的手指袋装置(未示出)。多个多模态感测和测量模块112还包括电极/传感器连接切换电路224，用于可切换地与图1中所示的多个表面电极/传感器114a-114d连接。
处理器202可以包括多个处理模块，例如数据分析器226和数据融合/决策引擎228。发送器/接收器204可以包括至少一个天线210，用于通过无线通信路径116向/从智能手机106发送/接收诸如蓝牙或WiFi信号的无线信号，智能手机106可以是蓝牙或支持WiFi的智能手机或任何其他合适的智能手机。天线210还可操作以通过无线通信路径122向/从云110发送/接收诸如蜂窝信号的无线信号。
将参考以下说明性示例以及图1和图2进一步理解用于使用多种感测模式非侵入性地检测和监测诸如人类受试者中的CHF和COPD状况的医学或健康状况的***102的操作。在该说明性示例中，在人类受试者104处于仰卧或直立位置时，每天在固定时间预定天数(例如，一天两次)，人类受试者104(参见图1)或人类助手将***102定位为大致三角形的装置(或任何其他适当形状的装置)，使得其经由多个表面电极/传感器114a-114d与受试者的躯干和上胸部和颈部区域(或身体的任何其他合适的部位或区域)中的一个或多个接触。
已经将***102定位成与人类受试者的躯干和/或上胸部和/或颈部区域接触，可以激活多个多模态感测和测量模块112以收集、感测、测量或以其他方式获得人受试者104的多模态感测数据。例如，胸阻抗测量模块212可以使用多个矢量执行胸阻抗感测以获得人体受试者胸腔液阻抗的测量值，以及获得肺部液体充血局部化的趋势。为此，胸阻抗测量模块212可以经由电极/传感器连接切换电路224在两个或更多个表面电极114a-114d之间施加合适的高频、低振幅电流。在一个示例中，电流施加在人体的颈部和胸部处的两个电极114a-114d之间，例如表面电极对114a、114b。胸阻抗测量模块212通过测量两个表面电极114a-114d之间的电位差，经由电极/传感器连接切换电路224获得胸阻抗信号。在一些示例中，在表面电极114a-114d之间施加的高频、低幅度电流具有在约50kHz和约100kHz之间的频率，并且具有在约1mArms和4mArms之间的幅度。在其他示例中，电流具有低于约50kHz或高于约100kHz的频率。在一些示例中，电流具有介于约20kHz与约200kHz之间、或介于约20kHz与约1MHz之间的频率。
在一些实施方案中，胸阻抗测量模块212使用从两对表面电极获得的测量值。在一个实施方案中，四个电极用于阻抗测量。四个电极包括两个力电极和两个感测电极，每个力电极与感测电极配对。每组四个电极可以分辨空间中的矢量以定位观察到的变化。在矢量的每一侧有四个电极中的两个。特别地，在矢量的每一侧，存在力电极和感测电极。力电极将电流施加(或注入)体内(或接收注入体内的电流)。感测电极测量由力电极施加到体内的电流引起的干扰。在各种实施方式中，矢量的感测电极感测由力电极通过施加电压和/或电流将电流注入体内引起的电流和/或电压降。由于电压和电流与阻抗(V＝Z*i)有关，为了测量阻抗Z，可以施加已知电流i，并且可以测量随后的电压降V，并且可以使用已知电流i和测量的电压变化V来计算Z。根据各种实施方式，用于施加电流的电路(力电极)的特性不同于用于测量电压的电路(感测电极)的特性。根据各种实施方式，存在两组不同的电极(力电极和感测电极)，并且每个电极具有正侧和负侧。
使用四个电极，可以通过调节注入波形的频率来扫描组织的不同部分和不同深度的组织。在没有空间分辨率的单个矢量上测量阻抗。在一些实施方案中，使用多于四个电极，且额外电极对添加多个载体，其添加额外组织扫描。在一些实施方案中，每对感测和力电极是多个矢量的一侧。例如，两对感测和力电极形成一个矢量，三对感测和力电极形成三个矢量。在其他示例中，使用更多对电极并且形成更多矢量。因此，每个矢量监视所选择的空间区域。
阻抗测量可用于确定生理信息，包括呼吸率、潮气量和肺液。阻抗测量也可用于确定导出的度量，例如肺阻力和肺液位置。对于呼吸率，患者的呼吸导致空气进入肺部并增加肺容积，从而压缩周围组织。这导致阻抗的变化随着一些矢量(主要是穿过肺的矢量)的增加而导致其他矢量的减少，这是由于电流的重定向。呼吸速率基于阻抗的变化确定，其遵循与呼吸相同的周期性。另外，可以通过确定变化的幅度来监测潮气量，该变化幅度与潮气量(肺容积的变化)成比例。波形的形状与呼吸模式有关，可用于监测气道/肺阻力。
可以通过扫描多个频率和/或多个空间矢量来检测和/或监测肺中的流体，所述多个频率和/或多个空间矢量用于区分肺中的流体与其他体液。另一种增加肺液和其他体液分离特异性的方法是测量阻力随姿势的变化。姿势的改变会导致肺液在重力作用下移动。通过各种矢量测量来检测流体中的运动，并且有助于将移动的肺液与其他体液分离。在一个例子中，使用50KHz的单一频率在肺的底部测量阻抗矢量。例如，可以测量图1的电极114c和114d之间的阻抗矢量。如果在人仰卧(水平位置)时测量阻抗矢量，然后在患者移动到标准福勒位置后再次测量阻抗矢量，则阻抗变化1欧姆或更大可以指示肺中存在液体。在充血性心力衰竭患者中，当患者开始出现症状时，阻抗的变化通常大于5欧姆。
请注意，在医学中，福勒的位置是标准的患者位置，其中患者坐在半直立的坐姿中，患者的躯干相对于水平面成一角度。在各种示例中，福勒的位置包括患者的躯干处于大约15到30度之间的角度、患者的躯干处于大约30到大约45度之间的角度、患者的躯干处于大约45度和大约60度之间的角度、患者的躯干处于大约60度至约90度之间。在标准Fowler的位置，患者的躯干在约45度和约60度之间。
在各种实施方式中，该装置包括可以确定装置位置的传感器，从而指示患者的水平位置，包括患者是直立还是仰卧。该装置自动测量患者的直立和仰卧位置的胸阻抗，并使用这两种测量来监测和/或检测CHF。
如上所述，该装置还包括心电图(ECG)测量模块214，其可以在多个表面电极114a-114d中的一些或全部上执行ECG测量，所述表面电极114a-114d在他或她的躯干、上胸部和/或颈部区域与人受试者104的皮肤接触。在一个实施方案中，脉搏血氧测量模块222(或用于进行基于手指的脉搏血氧测量的手指袋装置)可以与ECG测量模块214结合使用以获得进一步的测量。因为呼吸活动可以引起测量的胸阻抗的相应变化，所以呼吸速率测量模块216和潮气量测量模块218中的每一个可以与胸阻抗测量模块212一起操作，以分别获得人类受试者的呼吸速率/呼吸速率变化性和潮气量的测量值。
基于心音的测量模块220可以包括电子听诊器、***或用于获得心率变异性数据的任何其他合适的装置，以及获得心音(例如，S1心音，“lub”；S2心音，“dub”)并将其转换为感测数据，该感测数据随后可以由数据分析器226进行算法分析，以在快速充填心室期间获得有关可在舒张期开始时听到的S3心音(也称为原始舒张期或心室疾驰)以及可能在心脏舒张后期听到的S4心音(也称为心房疾驰)的信息。在一个实施方式中，基于心音的测量模块220测量亚听觉心音(低于约40Hz的心音)，从而测量医生或其他医疗保健专业人员使用听诊器不能听到的S3和S4心音。S3和S4心音是病理性的并且表示心力衰竭。关于亚听觉S3和S4心音的信息可用于检测和监测CHF。可以通过放置在心脏区域上的传感器来测量心音。传感器检测声音和/或振动。传感器根据传感器放置相对于心脏各个区域的位置来检测不同的心音。例如，为了最大化检测与S3相关的信号的机会，传感器定位在心脏的顶点上，该心脏位于第五肋间隙中。当心脏泵血受损时，会出现异常的S3心音。S3心音是心脏问题的早期指标，可以在其他可测量的心脏信号之前改变。因为S3心音在低频下具有很多能量，而人耳听不到，S3心音最初是由医生检测不到的。对低频敏感的传感***与自动算法相结合，可以更早地检测到S3心音。成年患者中任何S3或S4心音的存在都是异常的，并且可以使用被确定为S3或S4的任何能量的检测来标记潜在的问题。来自不同传感器的标志可以由更高级逻辑组合以生成单个度量，该度量可以被设计为比单独度量更具体和更敏感。
在一个实施方案中，脉搏血氧测量模块222(或用于执行基于手指的脉搏血氧测量的手指袋装置)可以与基于心音的测量模块220结合使用以获得进一步的测量。注意，脉搏血氧测量模块222可以执行反射或基于手指的脉搏血氧测量。在一个实施方案中，脉搏血氧测量模块222可包括脉搏率传感器，以及血氧水平(SpO2)传感器。
已经执行了胸部阻抗测量、ECG测量、呼吸速率和潮气量测量、心率变异性/基于心音的测量以及脉搏血氧测量、胸阻抗测量模块212、心电图(ECG)测量模块214、呼吸率和潮气量测量模块216、218、基于心音的测量模块220和脉搏血氧饱和度测量模块222将相应的多模态感测数据提供给数据分析器226，以进行至少部分数据分析、数据趋势和/或数据缩减。在一个实施方案中，还可以“在云中”分析、趋势化和/或减少这种多模态感测数据，并且使其在基于云的数据存储110中可用，其具有用于各种级别的临床干预的预设警报。例如，数据分析器226可以(1)分析胸阻抗测量数据以获得与人类受试者的肺充血有关的信息，(2)分析呼吸速率和潮气量测量数据，以获得与人类受试者呼吸短促有关的信息(例如，呼吸困难、阵发性夜间呼吸困难)，(3)分析多个(例如，3个)投影中的ECG测量数据和心率变异性数据，以获得关于人类受试者104中可能的心房颤动和定位的信息，以及(4)分析基于心音的测量数据，获得关于S3心音可能增加的信息(其可以指示由于扩张的CHF条件导致的左心室衰竭)。
数据分析器226将至少部分分析的多模态感测数据提供给数据融合/决策引擎228，其根据一个或多个算法和/或决定标准有效地至少部分地融合或组合多模态感测数据，用于随后用于做出关于人类受试者104的CHF状态的一个或多个推论。例如，组合的多模态感测数据基本上同时显示S3心音的增加、人类受试者104静止时快速浅呼吸的增加、相对潮气量的减少，以及胸阻抗的减少，可以是人类受试者104中潜在有问题的CHF病症的强预测因子。在一个实施方案中，可以通过一个或多个临床试验来证明和/或改进在数据融合/决策引擎228中实现的这种算法和/或决策标准，以加强数据融合/决策引擎228关于人类受试者的CHF状态的推论。然后，处理器202将至少部分组合的多模态感测数据提供给发送器/接收器204，发送器/接收器204将组合的多模态感测数据直接通过无线通信路径122发送到云110，或者通过无线通信路径116发送到智能手机106。接下来，智能手机106可以经由通信网络108将组合的多模态感测数据通过无线通信路径118、120发送到云110，在那里可以进一步分析、趋势化、缩小和/或融合。然后，由医院临床医生远程下载所得到的策划多模态感测数据，以用于监视和/或跟踪目的。
图3A是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的装置300的图。特别地，装置300非侵入性地检测和监测人类受试者中的CHF状况。装置300包括第一电极对302a-302b、第二电极对304a-304b、第三电极306和第四电极308。第一电极对302a-302b包括一个力电极和一个感测电极，如上所述。同样的，第二电极对304a-304b包括一个力电极和一个感测电极。第三电极306和第四电极308可以是电极类型，包括例如心音传感器、力电极和感测电极中的一种。装置300具有细长的矩形基部310，其包括位于第一端的第一电极对302a-302b和位于第二端的第二电极对304a-304b。在各种示例中，细长基部310在约10cm至约20cm之间，并且在约2cm至约6cm之间。在一些示例中，细长基部310的厚度在约1cm和约4cm之间。沿着矩形基部310的长度的中间部分，弯曲的尾部312在与矩形基部310相同的平面中向外延伸并且朝向第一电极对302a-302b的方向弯曲。弯曲的尾部312包括第三电极306和第四电极308。第三电极306位于弯曲的尾部312的末端，第四电极308位于弯曲的尾部312的中间。在各种实施方式中，装置300放置在受试者的躯干上，其中电极302a-302b、304a-304b、306、308与受试者的皮肤接触。
图3B示出了定位在受试者的躯干上的装置300。细长基部310围绕第六肋间空间定位，并且弯曲的尾部312向上延伸，朝向躯干的中线向内弯曲。在一些实施方式中，第四电极308位于躯干左侧的第五肋间空间中，并且被最佳地定位以检测S3声音。在其他实施方式中，弯曲的尾部312远离躯干的中线向外弯曲。
图3C示出了定位在受试者的躯干上的装置300。细长基部310位于肩部水平下方，并且弯曲的尾部312在心脏上方向下延伸，向内朝向躯干的中线弯曲。在其他实施方式中，弯曲的尾部312远离躯干的中线向外弯曲。
图4是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的装置400的图。特别地，装置400非侵入性地检测和监测人类受试者中的CHF状况。装置400包括第一电极对402a-402b、第二电极对404a-404b和传感器406。第一电极对402a-402b包括力电极和感测电极。类似地，第二电极对404a-404b包括力电极和感测电极。另外，第一电极对402a-402b中的一个和第二电极对404a-404b中的一个测量ECG。传感器406是用于检测声音振动的心音传感器。在一个实施方式中，传感器406是压电麦克风。麦克风的膜突出以接触躯干并检测心音。第一电极对402a-402b经由第一细长元件408连接到第二电极对404a-404b。第二电极对404a-404b经由第二细长元件410连接到传感器406。如图4所示，在装置400中，第一细长元件408和第二细长元件410近似彼此垂直。在其他实施方式中，第一细长元件408和第二细长元件410可以相对于彼此定向在任何选定位置。装置400放置在受试者的躯干上，电极402a-402b和404a-404b以及传感器406与受试者的皮肤接触。在一些实施方式中，电极402a-402b和404a-404b沿着第六肋间空间定位，并且传感器406沿着心脏的顶点处的第五肋间空间定位。
图5是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的装置500的图。装置500包括从矩形盒510延伸的三个长柔性臂508。在每个柔性臂508的尖端处是成对电极-第一电极对502a-502b、第二电极对504a-504b和第三电极对506a-506b。电极对502a-502b、504a-504b、506a-506b可以移动以定向以适合受试者的身体并固定在适当位置。装置500是受试者放置在身体上的手持装置。在一些示例中，受试者定期地将装置500定位在身体上，例如每天两次或更多次，并记录测量值。根据一些实施方式，装置500包括用于记录心音的传感器。心音传感器还可以通过长柔性臂连接到装置。心音传感器可以是麦克风，并且在一些示例中，它是压电麦克风。
在其他实施方式中，电极和/或其他传感器皮下定位在受试者上。皮下传感器可以长期保持在原位，并且可以连接到外部装置进行测量。在其他实施方式中，电极和/或其他传感器定位在贴附于受试者皮肤的贴片内。贴片连接到外部装置进行测量。
下面参考图6以及图1和2描述使用多种感测模式非侵入性地检测和监测人类受试者的医学或健康状况的示例性方法。在方框602处，配置为适当形状的装置的***102(参见图1和2)定位在人类受试者104上，使得其通过至少多个表面电极/传感器114a-114d与身体的合适部分或区域接触。在框604处，一旦***102定位成与身体的合适部分或区域接触，则激活多个多模态感测和测量模块112以从人类受试者104获得多模态感测数据，包括但不限于胸部阻抗感测数据、ECG感测数据、呼吸速率和潮气量感测数据、心率变异性/基于心音的感测数据和脉搏血氧测量感测数据中的一个或多个。在框606处，将多模态感测数据提供给数据分析器226，用于至少部分数据分析、数据趋势和/或数据减少。在框608，将分析的多模态感测数据提供给数据融合/决策引擎228，其有效地至少部分地融合或组合多模态感测数据，以便随后用于做出关于人受试者104的医学或健康状态的一个或多个推断。在框610处，将组合的多模态感测数据提供给发射器/接收器204，发射器/接收器204通过无线通信路径122将至少部分组合的多模态感测数据发送到云110，用于可能的进一步数据分析、趋势化、减少和/或融合。部分组合的多模态感测数据还可以通过无线通信路径122发送到云110，以供医院临床医生远程下载以用于监视和/或跟踪目的。
图7是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的装置700的图。特别地，装置700非侵入性地检测和监测人类受试者中的COPD状况。装置700是细长的矩形元件704并且包括第一电极702a、第二电极702b和第三电极702c。第一电极702a位于细长矩形元件704的第一端，第二电极702b大致位于细长矩形元件704的中心，第三电极702c位于细长矩形元件704的第二端。在使用中，装置700定位在受试者的躯干上，其中电极702a-702c定位成与受试者的皮肤接触。如上面关于图1的***102所描述的，来自电极702a-702c的数据连接到多个多模态感测和测量模块(例如图2中所示的模块112)，其可以被激活以收集、感测、测量或以其他方式从受试者获得多模态感测数据。
为了检测和/或监测COPD，心音传感器位于躯干的较高位置，以便更好地检测肺部声音。COPD的测量包括用于确定呼吸率的阻抗，如果需要的ECG，用于确定潮气量、肺音(用于检测肺导管异常)的阻抗，用于测量肺容积形状的阻抗变化。特别地，阻抗变化形状的变化表明肺/气道阻力，其可用于确定COPD的存在。
图8A-8E是示出根据本公开的一些实施方案的用于检测和监测受试者中的健康状况的电极和传感器躯干放置的各种示例的图。在图8A中，四个元件802a-802d定位在受试者的躯干上，通常在受试者的心脏上。一个元件802a位于心脏的顶点，在第五肋间空间中。根据一些示例，在第五肋间空间中心脏的顶点处的802a的放置通常对于检测S3和S4心音是最佳的。
在图8B中，元件804a-804d横跨躯干的两侧定位，从而定位成测量两肺的阻抗。元件806是用于检测心音的麦克风。包括元件804a-804d的装置横跨躯干的宽度延伸。在一些实施方式中，可以使用围绕躯干的带子将其固定在适当位置。元件804a-804d还可用于测量ECG。
在图8C中，元件808a-808d位于躯干的一侧并测量跨越一个肺的阻抗。元件806是用于检测心音的麦克风。包括元件808a-808d的装置延伸穿过托架的一侧。在一个示例中，诸如图3A中的装置300的装置可以包括元件808a-808d和806。元件808a-808d也可以用于测量ECG。
图8D示出了图8C的元件808a-808d和806，以及附加元件810。元件810可以与元件808a-808d中的任何元件一起使用以测量ECG。
图8E示出了元件812a-812d、814a-814b和806。元件812a-812d和814a-814b可用于测量阻抗和测量ECG。元件812a-812d、814a-814b和806的配置可以在诸如背心或衬衫的装置中实现。
已经描述了使用多种感测模式非侵入性地检测和监测诸如人类受试者中的CHF状况的医疗或健康状况的***、装置和方法的上述说明性实施方案，可以进行其他替换实施方案和/或变化和/或实践。例如，这里描述了胸阻抗测量模块212、ECG测量模块214、呼吸速率和潮气量测量模块216、218、基于心音的测量模块220和脉搏血氧测量模块222，可以将相应的多模态感测数据提供给数据分析器226，用于后续数据分析、数据趋势和/或数据缩减。在替代实施方案中，多个多模态感测和测量模块112中的一个或多个可以进一步获得关于非侵入性、基于压力波速度(PWV)的人体受试者胸部和手指之间的收缩压和/或舒张压的多模态感测数据，例如和/或基于至少心脏收缩性的直接测量的心输出量数据，并且将这些额外的感测数据模式提供给数据分析器226以进行进一步的数据分析、数据趋势和/或数据减少。
本领域普通技术人员将理解，在不脱离本文公开的发明构思的情况下，可以对上述***、装置和方法进行修改和变化。因此，除了通过重要方面的所附概述的范围和精神之外，本申请不应被视为受限制。
附录
心血管反馈回路(参见图9A和9B)
神经***接收到血压下降的信号。为了确保生存，大脑向心脏、肾脏和动脉发送信号，每个都发挥作用，将血流转移到主要器官并维持血压。为了响应来自大脑的信号，心脏跳得更快，更有力。这增加了身体的循环血压。然后它向大脑发送反馈，通知已经做出改变，并停止神经***的干预。来自大脑的信号刺激肾上腺(位于每个肾脏顶部的内分泌***的成员)将肾上腺素(通常称为肾上腺素)和去甲肾上腺素分泌到血液中。到达目标器官后，它会改变它们的活动。动脉响应来自大脑的信号，通过改变动脉对血流的阻力来协助身体的血压。血管张力的变化将血液从肌肉转移到内脏，因为它们的健康最直接地影响生存。动脉将反馈发送给大脑，告知其变化。
什么是“心力衰竭？”(见图10)
2013年ACCF/AHA心力衰竭指南将心力衰竭定义为“由于心室充盈或血液排出导致的任何结构或功能损害导致的复杂临床综合症。”心脏泵损伤导致症状：
心脏：任何临床心力衰竭的发生必须包括心脏的主要或次要受累。如果这不明显，我们要么没有仔细检查，要么不是心力衰竭。
泵：心脏的完整描述包括多种功能，包括电子、荷尔蒙和结构组件。然而，对于心力衰竭而言，必须对心脏在血液循环中移动血液的能力产生明显影响。
减损：减损意味着一定程度的不足，一般而言，不需要完全替代治疗。它可能只是被活动或压力所掩盖。如果给予字母等级，许多患者的心脏功能将评定C+而不是F。然而，对于患有心力衰竭的个体，必须存在某种程度的降低的功能。
结果：对心脏的初始损伤可能导致仅随时间推移直接深刻或微妙地发展为心脏泵损伤。神经激素机制可能被激活并导致这种综合征。这可能包括不利的结构和生化重塑。任何影响心脏的过程都必须与个体的状态因果关系导致心力衰竭。
阶段：心力衰竭的ACC/AHA分类定义了4个心衰阶段，开始于(1)心力衰竭的危险因素，(2)无症状性心脏病，(3)症状性心力衰竭和(4)晚期心力衰竭。
Claims (20)
1.一种用于使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的装置，包括：
至少两个电极，被配置为定位在受试者上，
声学传感器，被配置为定位在受试者上，
连接至所述至少两个电极的胸阻抗测量模块，用于测量所述至少两个电极之间的第一阻抗，和
连接到所述声学传感器的心脏声学测量模块，用于检测和测量来自所述声学传感器的心音。
2.权利要求1所述的装置，还包括用于确定所述装置的取向的传感器。
3.权利要求2所述的装置，其中当所述装置处于第一取向时所述胸阻抗测量模块测量所述第一阻抗，并且当所述装置处于第二取向时所述胸阻抗测量模块测量至少两个电极之间的第二阻抗。
4.权利要求3所述的装置，其中所述第一取向表示所述装置近似水平，并且其中所述第二取向表示所述装置相对于水平面成一角度。
5.权利要求1所述的装置，其中所述胸阻抗测量模块以固定间隔自动测量所述第一阻抗。
6.权利要求1所述的装置，还包括连接到所述至少两个电极的心电图测量模块，用于测量所述至少两个电极之间的电活动。
7.权利要求1所述的装置，其中所述声学传感器是超声传感器和压电传声器之一。
8.权利要求1所述的装置，其中所述至少两个电极包括至少两个电极对，每个电极对包括被配置为向所述受试者施加电流的力电极和被配置为感测由所施加的电流引起的变化的感测电极。
9.权利要求1所述的装置，其中所述心音是S3心音。
10.一种使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的***，包括：
位于受试者上的装置，所述受试者具有多个表面传感器和连接到所述多个表面传感器的多个感测模块，所述装置被配置为收集多模态感测数据，其中所述多模态感测数据包括：
在至少两个表面传感器之间的第一阻抗，和
来自所述多个表面传感器中的至少一种的心音；和
数据分析器，可操作以执行所述多模态感测数据的数据分析、数据趋势和数据缩减中的至少一种。
11.权利要求10所述的***，还包括数据决策引擎，被配置为组合所述多模态感测数据中的至少一些，其中所述组合的多模态感测数据指示所述受试者的医疗状况状态。
12.权利要求11所述的***，还包括收发器，被配置为通过至少一个无线通信路径将所述组合的多模态感测数据发送到云以进行进一步处理。
13.权利要求10所述的***，其中所述装置还包括用于确定所述装置的取向的传感器。
14.权利要求13所述的***，其中所述装置包括胸阻抗测量模块，被配置为当所述装置处于第一取向时测量所述第一阻抗，并且当所述装置处于第二取向时测量至少两个表面传感器之间的第二阻抗。
15.权利要求10所述的***，其中所述装置还包括连接到所述多个表面传感器的心电图测量模块，用于测量所述至少两个表面传感器之间的电活动。
16.权利要求10所述的***，其中所述表面传感器包括电极、心音传感器、超声传感器和光电容积脉搏波传感器中的至少一种。
17.一种使用多种感测模式非侵入性地检测和监测医疗状况的方法，包括：
从位于受试者上的第一电极经皮传输电流；
在位于所述受试者上的第二电极处经皮接收电流；
测量所述第一和第二电极之间的电压；
至少基于所述电压确定胸阻抗；
从声学传感器接收声学信号；
从所述声学传感器测量心音；和
将胸部阻抗数据和心音测量发送到数据分析器，该数据分析器被配置为执行所述胸部阻抗数据和心音测量的数据分析、数据趋势和数据减少中的至少一种。
18.权利要求17所述的方法，还包括确定所述装置的方向。
19.权利要求18所述的方法，其中当所述装置处于第一取向时确定胸阻抗，并且还包括当所述装置处于第二取向时确定所述第一和第二电极之间的第二阻抗测量值。
20.权利要求17所述的方法，还包括测量所述第一和第二电极之间的电活动并产生心电图。
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