用于监测颅内压和额外颅内血流动力学参数的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了用于监测颅内血流动力学参数(如颅内压、脑血容量、脑血流量以及脑灌注压)的装置和方法。在一个方面中，所述装置和方法可以涉及接收至少一个阻抗体积描记法信号。可以从所述阻抗体积描记法信号中提取波形并且将其用于估算所述颅内血流动力学参数。可以从所述波形中确定各种特性来帮助估算颅内血流动力学参数。
【专利说明】用于监测颅内压和额外颅内血流动力学参数的装置和方法
[0001]相关申请
[0002]根据美国法典第35篇第119条(e)款，本申请要求在2011年4月12日提交的美国临时申请号61/474，739和在2011年9月28日提交的美国临时申请号61/540，090的优先权权益，这两者通过引用全部并入本文中。
【技术领域】
[0003]本公开的方面涉及表征颅生物阻抗测量的信号的检测、监测和/或分析，以及基于这种分析的对颅内压和额外颅内血流动力学参数的预测。
[0004]背景
[0005]神经危症监护病房和I⑶中的许多脑病症将受益于颅内压(ICP)和其它颅内血流动力学参数的非侵入性监测。实例是创伤性脑损伤(TBI)、蛛网膜下腔和脑内出血(SAH&ICH)、缺血性中风、脑肿瘤以及其它病状，如脑炎、PRES以及脑积水。此外，在其它护理设置(如救护车、急诊室以及外科手术与恢复室)中，在头部创伤的情况下，患者将受益于非侵入性颅内血流动力学监测。
[0006]脑病症可能导致临时性脑损伤、永久性脑损伤，甚至死亡。这些脑病症的一个症状经常包括增高的颅内压。例如，当脑组织受伤时，受伤的组织可能形成水肿和出血，两者引起增高的ICP。为了防止额外脑损伤，一种做法可以包括通过将压力探头插入到脑中来监测ICP。这是一种侵入性过程，其通常涉及钻颅骨(通常在未受影响的区域)、将所述探头通过钻孔插入并用螺母将所述探头固定在颅骨上。这种侵入性方法通常涉及与将探头插入到健康脑组织中相关的风险和由侵入的探头所带来的感染的风险。
[0007]—种非侵入性方法和设备可以被用来测量和监测ICP和额外颅内血流动力学参数，这些参数在临床上对于诊断中风、创伤以及可能影响脑功能的其它病状可以是有用的。这些参数可以包括(例如)脑血容量、脑血流量、脑灌注压、脉管自调节功能以及脑水肿状态。
[0008]监测或检测ICP和额外颅内血流动力学参数的一种方法可以包括将探头在物理上插入到脑脊液中或插入到动脉、血管造影、计算机断层扫描血管造影(CTA)、灌注计算机断层扫描(PCT)、经颅多普勒超声(TCD)、正电子发射断层扫描(PET)以及磁共振成像(MRI)与磁共振血管造影(MRA)中。一些用于检测或监测ICP和额外颅内血流动力学参数的非侵入性方法可能需要(例如)用于执行CT、PCT、PET和/或MRI程序的机器。在一些情况下，在对颅内血流动力学特性的定期、连续或频繁监测可能是所需的情况下，连续监测的缺乏、这些机器的成本、其有限的移动性和/或每次使用的显著费用可能限制其用途。
[0009]前面的描述仅仅是示例性的，用于提供大致的背景并且对于所描述和所主张的系统、方法、装置以及特征的各种实施方案不具有限制性。
[0010]本公开的一些方面的概述
[0011]在本发明公开的实施方案中，描述了可以用来估算ICP和额外颅内血流动力学参数的若干示例性方法和系统。在一些实施方案中，这些方法和系统(例如)对于连续的或频繁的使用可以是有用的，并且可以涉及(例如)电极和/或患者耳机以及脑灌注监测器，其用于获取阻抗信号并提取用于估算ICP和额外颅内血流动力学参数的波形。此外，所述患者耳机和脑灌注监测器可以提供用于诊断动脉闭塞的改变(如由缺血性中风或头部创伤所带来的闭塞)的信息。
[0012]一个示例性公开实施方案可以包括颅内血流动力学测量设备。所述设备可以包括被配置来接收与受试者的脑相关的至少一个阻抗体积描记法(IPG)信号的至少一个处理器。所述至少一个处理器可以进一步被配置来从所述阻抗体积描记法信号中提取至少一个波形。所述至少一个波形可以被用于(例如)估算至少一个颅内血流动力学参数。
[0013]在另一个实施方案中，所述至少一个颅内血流动力学参数可以包括颅内压。
[0014]在其它实施方案中，所述至少一个处理器可以进一步被配置来确定所提取的波形的至少一个时间特性，并且基于所提取的波形的所述至少一个时间特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。所述至少一个时间特性可以包括心动周期长度、所提取的波形中的两个峰之间的时间间隔以及所提取的波形中的峰与最小值之间的时间间隔中的至少一个。
[0015]在又一些其它实施方案中，所述至少一个处理器可以进一步被配置来确定所提取的波形的至少一个振幅特性，并且基于所提取的波形的所述至少一个振幅特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。所述至少一个振幅特性可以包括平均值、峰到峰范围、一阶导数的最大值、一阶导数的最小值、粗糙度量度以及峭度量度中的至少一个。
[0016]在又一个实施方案中，所述至少一个处理器可以进一步被配置来确定所提取的波形的至少一个振幅特性和至少一个时间特性，基于所述至少一个振幅特性和所述至少一个时间特性来确定组合特性，并且基于所提取的波形的所述至少一个组合特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。所述至少一个组合特性可以包括以下两个指数化乘积中的至少一个:心动周期的开始与所提取的波形的一阶`导数的最小值之间的时间间隔、心动周期间隔的倒数以及所述一阶导数的所述最小值的指数化乘积；和心动周期的开始与所提取的波形的一阶导数的最大值之间的时间间隔、倒转的心动周期间隔以及所述一阶导数的所述最大值的指数化乘积。
[0017]在另一个实施方案中，所述至少一个波形可以包括量值波形、相位波形、电抗波形或电阻波形。
[0018]在又一个实施方案中，与所述受试者的脑相关的所述至少一个阻抗体积描记法信号可以至少包括左半球阻抗体积描记法信号和右半球阻抗体积描记法信号。
[0019]在再一个实施方案中，所述至少一个处理器可以进一步被配置来接收与所述受试者相关的至少一个补充生理信号，在所述至少一个补充生理信号中提取至少一个补充波形；基于所述至少一个波形和所述至少一个补充波形来估算颅内血流动力学参数。所述至少一个补充生理信号可以包括动脉血压信号或心电图信号。
[0020]在另外的实施方案中，所述至少一个处理器可以进一步被配置来确定所述至少一个波形和所述至少一个补充波形的至少一个特性，并且基于所述至少一个特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
[0021]其它实施方案涉及下文所描述的替代结构和方法。如所要求的，前面的概要和下面的附图描述以及下面的详细描述示例性说明本公开的仅一些方面，仅是解释性的，并且对本发明不具有限制性。
[0022]附图简述
[0023]被并入本说明书中并构成其一部分的附图连同所述描述一起用来解释本文所描述的实施方案的原理。
[0024]图1提供了与本发明的示例性实施方案一致的示例性颅内血流动力学测量设备的图解表不。
[0025]图2提供了主要脑动脉的图解表示。
[0026]图3提供了与本发明的示例性实施方案一致的受试者的脑中的示例性生物阻抗信号通路的图解表示。
[0027]图4a提供了在正常条件下从健康的脑获得的ICP波形的图解表示。
[0028]图4b提供了从病症脑获得的ICP波形的图解表不。
[0029]图4c提供了在升高的ICP条件下从脑获得的ICP波形的图解表示。
[0030]图5a提供了示例性ICP波形的图解表示。
[0031]图5b提供了与本发明的实施方案一致的与所述ICP波形同时记录的示例性阻抗量值波形的图解表示。
[0032]图5c提供了与本发明的实施方案一致的与所述ICP波形同时记录的示例性阻抗相位波形的图解表示。
[0033]图6提供了与本发明的实施方案一致的一些示例性振幅特性的图解表示，所述振幅特性可以在阻抗量值波形或阻抗相位波形的单一心动周期波形内来识别。
[0034]图7提供了与本发明的实施方案一致的示例性时间特性的图解表示，所述时间特性可以在所提取的阻抗量值波形和阻抗相位波形内来识别。
[0035]图8提供了与本发明的实施方案一致的由脉冲分解算法所分解的所提取的阻抗波形心动周期的图解表示。
[0036]图9示出了与本发明的实施方案一致的测得ICP波形与从动脉血压信号提取的补充动脉血压波形之间的对比。
[0037]图10提供了与本发明的实施方案一致的补充心电图信号的示例性特征的图解表
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[0038]图11提供了与本发明的实施方案一致的用于预测测得ICP的生成IPG波形分析模型的结果的图解表示。
[0039]图12是示出了与本发明的实施方案一致的用于估算颅内血流动力学参数的示例性方法的步骤的流程图。
[0040]详细描述
[0041]现在将参照附图对示例性实施方案详细地进行介绍。在一些例子中，将在整个附图和下面的描述中使用相同的参考标号来指代相同或类似的部件。这些实施方案被足够详细地进行描述来使本领域的技术人员能够实践本发明，但应理解，可以采用其它实施方案并且可以在不脱离本发明的范围的情况下作出改变。因此，下面的详细描述不应在限制意义上进行解释。
[0042]除非另有定义，否则本文中所使用的所有技术和/或科学术语具有如本发明的实施方案所属的领域的普通技术人员所普遍理解的相同含义。虽然与本文中所描述的方法和材料相似或相当的方法和材料可以被用于实践或测试本发明的实施方案，但下文仍描述示例性方法和/或材料。在发生冲突的情况下，将由本专利说明书(包括定义)来控制。另外，所述材料、方法以及实施例仅是说明性的，而非必然旨在进行限制。
[0043] 所公开的示例性实施方案可以包括用于代表生物阻抗的阻抗体积描记法(IPG)信号的接收和分析的装置和方法。更具体地说，其可以包括用于接收和分析信号且输出信息以用于估算脑生理条件的设备。
[0044]与本公开一致的实施方案可以包括用于非侵入性颅内血流动力学参数的测量设备。颅内血流动力学测量设备可以包括(但不一定包括)(例如)支撑元件，如耳机、头带或用以携带或容纳额外功能元件的其它框架元件。可以被并入的进一步的结构可以包括电极、电路、处理器、传感器、导线、发射器、接收器以及适合用于获得、处理、发射、接收以及分析电信号的其它装置。颅内血流动力学测量设备另外可以包括紧固件、粘合剂和其它元件来方便附连到受试者的身体。如本文中所使用的，颅内血流动力学测量设备不必包括所有这些特征。
[0045]图1提供了示例性颅内血流动力学测量设备100的图解表示。这个示例性设备100可以包括经由耳机120固定到受试者的头部的电极110。电极110可以经由导线连接到脑灌注监测器130 (或可以替代地包括无线连接)。
[0046]在与本公开一致的一些示例性实施方案中，颅内血流动力学测量设备可以包括被配置来执行动作的至少一个处理器。如本文中所使用的，术语“处理器”可以包括对一个输入或多个输入执行逻辑运算的电路。例如，这样的处理器可以包括一个或多个集成电路、微芯片、微控制器、微处理器、中央处理单元(CPU)的全部或部分、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或适合用于执行指令或执行逻辑运算的其它电路。所述至少一个处理器可以被配置来执行动作，如果其被允许存取、被编程具有、包括或以另外方式被使得能够实行用于执行所述动作的指令的话。所述至少一个处理器可以直接通过永久地或暂时地保持在所述处理器中的信息或通过由所述处理器存取或被提供给所述处理器的指令而被提供这类指令。被提供给所述处理器的指令可以用计算机程序的形式来提供，所述计算机程序包括有形地体现在信息载体上(例如，在机器可读存储装置或任何有形的计算机可读介质中)的指令。计算机程序可以用任何形式的编程语言来编写，包括编译或解释语言，并且其可以用任何形式来部署，包括作为独立的程序或作为一个或多个模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其它单元。所述至少一个处理器可以包括专用硬件、通用硬件或两者的组合来执行有关指令。所述处理器还可以包括集成的通信接口，或通信接口可以与所述处理器分开并分离地被包括进来。所述至少一个处理器可以被配置成通过到存储器位置或存储装置的连接来执行指定的功能，所述存储器位置或存储装置中存储了用以执行此功能的指令。
[0047]与本发明的一些实施方案一致，所述至少一个处理器被配置来接收信号。如本文中所使用的，信号可以是任何随时间变化或随空间变化的数量。接收信号可以包括通过导电性装置(如导线或电路)获得信号；无线发射信号的接收；和/或先前所记录的信号(如存储在存储器中的信号)的接收。接收信号可以进一步包含本领域中已知的用于信号接收的其它方法。
[0048]在图1中示意性地示出的被配置来接收和分析与受试者的脑相关的一个或多个IPG信号的至少一个处理器160可以被包括在脑灌注监测器130中，作为示例性颅内血流动力学测量设备100的一部分。处理器160可以被配置来执行本文中所描述的信号分析方法中的全部或一些，或这些功能中的一些可以通过单独的处理器来执行。处理器160也可以被配置来执行本领域的技术人员已知的任何常见的信号处理任务，如滤波、除噪等。处理器160可以进一步被配置来执行针对本文中所描述的信号分析技术的预处理任务。这类预处理任务可以包括(但不限于)去除信号伪影，如运动伪影。
[0049]IPG信号可以表示受试者的生物阻抗信息。当从附连到受试者的头部的电极记录时，IPG信号可以与所述受试者的脑相关联，并且可以表示所述受试者的脑组织的生物阻抗信息。取决于合适的电极的放置，IPG信号还可以包含关于所述受试者的在受试者的身体的任何两个部分之间的电阻抗的信息。关于所述受试者的电阻抗的信息可以包括关于电阻抗的电阻分量和/或电抗分量的信息。根据本公开，在一些示例性实施方案中，IPG信号可以作为对至少一个测量电压信号和/或至少一个测量电流信号的响应信号进行测量。如本文中所使用的，IPG信号可以包括所述响应信号和所述测量信号中的一个或多个。根据本公开，IPG信号可以间断地或大 致不断地从受试者来获得。即使当以模拟方式来连续地获得数据时，其也可以按足够高来捕捉所述信号内的所关注的特性的固定或可变数字采样速率来获得。如本文中所使用的，不断地获得的信号是指大致不断地获得的信号。不断地获得的信号可以定期或不定期地包含间断，但包含足够多的数据来生成所述信号内的任何所关注的特性的时间重建。例如，不断地获得的IPG信号可以使用20兆样品/秒(MS/sec)的数字采样速率在持续若干分钟或若干小时的时间段内来获取。20MS/sec的采样速率可以足以捕捉在IKHz至IMHz的频率范围内所生成的任何电压/电流信号。在通过相对于所述电流测量解调所述电压测量来获得所述IPG信号之后，所述采样速率可以大幅下降到足以捕捉可能与具有百分之一秒的时间尺度的所述受试者的心动周期相关的任何波形特性的较低的采样速率(例如，625S/sec)。可以在从不断地获得的IPG信号提取的数据中捕捉的所关注的特性将在下文中进一步详细地进行讨论。
[0050]根据本公开，可以从IPG信号提取一个或多个波形。所提取的波形可以包括(例如)表示阻抗分量和其随时间的改变的波形。阻抗分量可以包括(例如)所述阻抗的量值和相位，或所述阻抗的电阻分量和电抗分量。所提取的波形也可以由这些分量的各种组合来表征。如本文中所使用的，如果波形可以从IPG信号导出或如果其可以使用所述IPG信号来确定的话，那么所述波形可以被认为是从IPG信号“提取”的。
[0051]仅通过举例的方式，表示IPG信号内的阻抗分量的所提取的波形可以在数学上被如下表达。所提取的波形可以是时间相依的，其中I(t)描述所述阻抗的电阻分量，Q(t)表示电抗分量，并且|Z(t) I表示所述阻抗的整体量值分量，其中所有三个量都用单位欧姆来计量。Error! Reference source not found?,即相位,表示所述信号的电阻分量
I =与电抗分量 Q = Hmag(Z) Error!Reference source not found.之间的关
系，其中Error !Reference source not found.是组织的阻抗。所述阻抗的不同表示可以
通过闺師如⑵、
【权利要求】
1.一种颅内血流动力学测量设备，其包括: 至少一个处理器，其被配置来: 接收与受试者的脑相关的至少一个阻抗体积描记法信号； 从所述阻抗体积描记法信号提取至少一个波形；并且 基于所述至少一个波形来估算至少一个颅内血流动力学参数。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个颅内血流动力学参数包括颅内压。
3.如权利要求1所述的设备，其中被配置来基于所述至少一个波形估算所述至少一个颅内血流动力学参数的所述至少一个处理器进一步被配置来: 确定所提取的波形的至少一个时间特性；并且 基于所提取的波形的所述至少一个时间特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述至少一个时间特性包括心动周期长度、所提取的波形中的两个峰之间的时间间隔以及所提取的波形中的峰与最小值之间的时间间隔中的至少一个。
5.如权利要求1所述的设备，其中被配置来基于所述至少一个波形估算所述至少一个颅内血流动力学参数的所述至少一个处理器进一步被配置来: 确定所提取的波形的至少一个振幅特性；并且 基于所提取的波形的所述至少一个振幅特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述至少一个振幅特性包括平均值、峰到峰范围、一阶导数的最大值、一阶导数的最小值、粗糙度量度以及峭度量度中的至少一个。
7.如权利要求1所述的设备，其中被配置来基于所述至少一个波形估算所述至少一个颅内血流动力学参数的所述至少一个处理器进一步被配置来: 确定所提取的波形的至少一个振幅特性和至少一个时间特性； 基于至少一个振幅特性和所述至少一个时间特性来确定至少一个组合特性；并且 基于所提取的波形的所述至少一个组合特性来估算至少一个颅内血流动力学参数。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述至少一个组合特性包括以下中的至少一个: 心动周期的开始与所提取的波形的一阶导数的最小值之间的时间间隔、心动周期间隔的倒数以及所述一阶导数的所述最小值的指数化乘积；以及 心动周期的开始与所提取的波形的所述一阶导数的最大值之间的时间间隔、所述心动周期间隔的倒数以及所述一阶导数最大值的指数化乘积。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个波形包括量值波形、相位角波形、电阻波形以及电抗波形中的至少一个。
10.如权利要求1所述的设备，其中与所述受试者的脑相关的所述至少一个阻抗体积描记法信号至少包括左半球阻抗体积描记法信号和右半球阻抗体积描记法信号。
11.一种颅内血流动力学测量设备，其包括: 至少一个处理器，其被配置来: 接收与受试者的脑相关的至少一个阻抗体积描记法信号； 接收与所述受试者相关的至少一个补充生理信号；基于所述阻抗体积描记法信号和所述补充生理信号来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述至少一个补充生理信号包括动脉血压信号和ECG信号中的至少一个。
13.如权利要求11所述的设备，其中被配置来基于所述IPG信号和所述补充生理信号估算所述至少一个颅内血流动力学参数的所述至少一个处理器进一步被配置来: 从所述阻抗体积描记法信号提取至少一个波形； 从所述补充生理信号提取至少一个补充波形；并且 基于所述至少一个波形和所述至少一个补充波形来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
14.如权利要求13所述的设备，其中被配置来基于所述至少一个波形和所述至少一个补充波形估算所述至少一个颅内血流动力学参数的所述至少一个处理器进一步被配置来: 确定所述至少一个波形和所述至少一个补充波形的至少一个特性；并且基于所述至少一个波形和所述至少一个补充波形的所述至少一个特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
15.一种测量颅内血流动力学参数的方法，其包括: 接收与受试者的脑相关的 至少一个阻抗体积描记法信号； 从所述阻抗体积描记法信号提取至少一个波形；并且 基于所述至少一个波形来估算至少一个颅内血流动力学参数。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个颅内血流动力学参数包括颅内压。
17.如权利要求15所述的方法，其进一步包括 确定所提取的波形的至少一个时间特性；其中估算所述至少一个颅内血流动力学参数包括基于所提取的波形的所述至少一个时间特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
18.如权利要求15所述的方法，其进一步包括: 确定所提取的波形的至少一个振幅特性；其中估算所述至少一个颅内血流动力学参数包括基于所提取的波形的所述至少一个振幅特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
19.如权利要求15所述的方法，其进一步包括: 确定所提取的波形的至少一个振幅特性和至少一个时间特性； 确定所述至少一个振幅特性和所述至少一个时间特性的组合特性； 其中估算所述至少一个颅内血流动力学参数包括基于所提取的波形的所述至少一个组合特性来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
20.如权利要求15所述的方法，其进一步包括: 接收与所述受试者相关的至少一个补充生理信号； 在所述至少一个补充生理信号中确定至少一个补充波形；并且基于所述至少一个波形和所述至少一个补充波形来估算所述至少一个颅内血流动力学参数。
【文档编号】A61B5/053GK103619244SQ201280028936
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2011年4月12日
【发明者】S.马科维奇, S.本-阿里, O.金罗 申请人:奥森医疗科技有限公司