确定受试者周期性生理过程频率的方法以及确定受试者周期性生理过程频率的装置和系统制造方法及图纸

公开了用于确定受试者的周期性生理过程的频率，特别是呼吸率或心率，的方法、装置和系统。在一种设置中，获得生理数据的多个时间窗口。识别对应于调制模式的基准特征(S2)。提取基准特征的调制(S3)。通过处理提取的调制获得质量参数(S4)。质量参数表示提取的调制在多强的程度上体现出周期性生理过程的波形。处理提取的调制以计算受试者的周期性生理过程的频率(S6、S8、S11)。周期性生理过程的频率可以仅使用提取的调制的子集来计算(S5、S9)，该子集使用质量参数来选择；或者周期性生理过程的频率也可使用所提取的调制的组合来计算(S7、S10)，其中，每个提取的调制具有由提取的调制的质量参数定义的加权。

The method of determining the frequency of periodic physiological process of subjects and the device and system of determining the frequency of periodic physiological process of subjects

A method, apparatus and system for determining the frequency of a subject's periodic physiological processes, in particular respiratory rate or heart rate, are disclosed. In one setting, multiple time windows are obtained for physiological data. Identify the reference feature (S2) corresponding to the modulation mode. Modulation (S3) for extracting reference features. The quality parameters (S4) are obtained by processing the extracted modulation. The quality parameter indicates to what extent the extracted modulation reflects the waveform of periodic physiological processes. The extracted modulation was processed to calculate the frequency of the subjects'periodic physiological processes (S6, S8, S11). Frequencies of periodic physiological processes can be calculated using only a subset of extracted modulations (S5, S9), which are selected using quality parameters, or the frequency of periodic physiological processes can be calculated using the combination of extracted modulations (S7, S10), where each extracted modulation has a weight defined by the quality parameters of the extracted modulations.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】确定受试者周期性生理过程频率的方法以及确定受试者周期性生理过程频率的装置和系统本专利技术涉及测量周期性生理过程的频率，特别是呼吸率或心率。虽然临床上对能够监测呼吸率的技术的需求是显而易见的，但是目前很少有方法能够可靠、舒适且经济地实现这一目的。虽然已有许多技术，包括肺活量计、鼻热电偶、经胸廓的电感、经胸廓的阻抗体积描记法、二氧化碳图和应变计用于监测呼吸率，但它们都需要特殊设备，且未必适合通常的医院环境。其中，经胸廓的阻抗体积描记法(transthoracicimpedanceplethysmography,TTI)和二氧化碳图是最常用的临床使用方法；然而，两者都不理想。由于电极-皮肤阻抗不稳定性和由电极凝胶引起的皮肤刺激，TTI可靠性低。二氧化碳图是侵入性的，难以快速设置和使用。鉴于这些挑战，为了连续监测呼吸率，需要从已经普遍从医院患者收集的生理信号中提取出呼吸率。虽然医院中使用了许多不同的电子监测技术，但两种最普遍存在的技术是心电图(ECG)和光电容积脉搏波描记法(PPG)，它们用于收集心率数据和血氧饱和度(仅限SpO2、PPG)。事实上，这些技术十分普遍，以至于建议普通病房的所有患者也应连续或间歇地进行监测，至少应使用ECG或PPG。之所以医院中大量采用的ECG和PPG具有特别的意义，是因为已广泛显示，心率和循环系统节律是由呼吸率通过神经系统和胸腔内由呼吸引起的身体变化这两者所引发的反应来进行生理调制的。虽然呼吸有许多调制(modulation)，使得可以在ECG上观察-呼吸性窦性心律不齐(respiratorysinusarrhythmia,RSA)、R波峰值幅度(R-wavepeakamplitude,RPA)和R波面积(R-wavearea,RWA)-以及PPG的-呼吸引起的幅度变化(respiratory-inducedamplitudevariation,RIAV)、呼吸引起的强度变化(respiratory-inducedintensityvariation,RIIV)和呼吸引起的频率变化(respiratory-inducedfrequencyvariation,RIFV)-但要实际上提取这些测量值并获得医学上有用的呼吸率就更加困难了。已经使用许多不同的方法来尝试从ECG和PPG中提取这些调制中的一个或多个，包括：数字滤波、短时快速傅立叶变换、小波分解、自回归、时频谱估计、主分量分析(principlecomponentanalysis)和相关熵谱密度(correntropyspectraldensity)。下面简要描述这些已知方法。数字滤波：获取呼吸率的最简单方法之一，特别是最常见的是PPG中的RIIV就进行数字滤波。这是因为RIIV表示PPG的DC区域中的独特呼吸信号，而心脏信号位于AC区域中。因此，已经可以通过使用不同的数字滤波器从PPG中提取心脏信号和RIIV信号，以从噪声中取出(remove)所需信号。在使用数字滤波从PPG中检测呼吸率的其中一个第一实例中，发现可以使用带通滤波器提取心脏信号，然后根据估计的心率，可以用截止频率不同的三个低通滤波器之一来检测呼吸信号。大多数情况下，使用数字滤波器的方法使用快速傅立叶变换或简单峰值检测来从PPG中提取呼吸信号。通过时序分析技术，数字滤波已被用于从PPG的RIAV、RIIV和RIFV调制以及ECG的RSA中提取呼吸率。可参见例如K.Nakajima,T.Tamura,T.Ohta,H.Miike和P.A.Oberg.的“使用数字滤波的心率和呼吸率光电容积脉搏波测量(Photoplethysmographicmeasurementofheartandrespiratoryratesusingdigitalfilters)”(生物医学工程协会(EngineeringinMedicineandBiologySociety),1993，第15届IEEE年度国际会议论文集，第1006-1007页)，以及P.deChazal,C.Heneghan,E.Sheridan,R.Reilly,P.Nolan和M.O’Malley的“使用进行睡眠呼吸暂停期的自动分类(Automaticclassificationofsleepapneaepochsusingtheelectrocardiogram)”(心脏病学中的计算机2000(ComputersinCardiology2000)，第745-748页)。短时快速傅立叶变换(STFFT)：除了简单的数字滤波方法之外，STFFT已被用于估计PPG中RIIV信号的呼吸率。FFT的一个限制是它只能检测数据样本中是否存在某个频率，它无法检测该频率在信号中的位置。相比之下，STFFT使用更小的滑动窗口并在这些窗口上执行顺序FFT。当所有数据被绘制和一起查看时，这允许更精细的时间分辨率以及长期趋势的观察。可参见例如KirkHShelley,AymenAAwad,RobertGStout和DavidGSilverman的“联合时频分析在量化通气对脉搏血氧计的影响中的运用(Theuseofjointtimefrequencyanalysistoquantifytheeffectofventilationonthepulseoximeterwaveform)”(临床监测与计算期刊(Journalofclinicalmonitoringandcomputing),20(2):81–87,2006)。小波分解：连续小波分解和离散小波分解都被用于从ECG和PPG中提取呼吸率。小波分解已广泛用于信号处理，因为它允许时域中信号的时频展开。小波分解方法的工作原理是将输入信号与给定长度的小波函数互相关，并使该函数平移该输入信号的整个长度。然后拉伸小波函数，重复该过程。不断重复，最终可以更精细地理解信号的细节，这在处理长期频率未必均匀的信号时特别有用(即长时间的呼吸率不会保持不变)。可参见例如，W.J.Yi和K.S.Park的“使用小波变换从不知情对象测得的ECG中得出呼吸作用(Derivationofrespirationfromecgmeasuredwithoutsubject’sawarenessusingwavelettransform)”(生物医学工程(EngineeringinMedicineandBiology),2002，第24届年会和生物医学工程学会年度秋季会议，EMBS/BMES会议，2002；第二次联合会议论文集，第1卷，第1卷第130-131页)，以及PSAddison和JNWatson的“二次小波特征解耦(SWFD)及其在从光电容积脉搏波中检测出患者呼吸的运用(Secondarywaveletfeaturedecoupling(swfd)anditsuseindetectingpatientrespirationfromthephotoplethysmogram)”(生物医学工程协会(EngineeringinMedicineandBiologySociety),2003，第25届IEEE年度国际会议论文集，第3卷，第2602-2605，IEEE)。自回归：自回归模型的工作原理是，使用一定数量的前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定受试者的周期性生理过程的频率的方法，包括：获得表示所述受试者的生理测量的数据的多个时间窗口；在每个所述时间窗口中，识别对应于所述生理测量的一个或多个调制模式的基准特征；对于每个所述调制模式，在每个所述时间窗口中提取相应基准特征的调制；处理每个提取的调制以获得调制模式和时间窗口的每个组合的质量参数，所述质量参数表示所述提取的调制在多强的程度上表现出周期性生理过程的波形；以及处理所述提取的调制以计算所述受试者的所述周期性生理过程的所述频率，其中：所述周期性生理过程的所述频率仅使用所述提取的调制的子集来计算，所述子集使用所述质量参数选择，所述周期性生理过程的所述频率使用所述提取的调制的组合来计算，每个所述提取的调制具有由所述提取的调制的所述质量参数定义的加权，或者所述周期性生理过程的所述频率仅使用所述提取的调制的子集来计算，所述子集使用所述质量参数选择，并且所述周期性生理过程的所述频率使用所述提取的调制的被选中的子集的组合来计算，所述提取的调制的每一个所述被选中的子集具有由所述提取的调制的所述质量参数定义的加权。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.10 GB 1608170.51.一种确定受试者的周期性生理过程的频率的方法，包括：获得表示所述受试者的生理测量的数据的多个时间窗口；在每个所述时间窗口中，识别对应于所述生理测量的一个或多个调制模式的基准特征；对于每个所述调制模式，在每个所述时间窗口中提取相应基准特征的调制；处理每个提取的调制以获得调制模式和时间窗口的每个组合的质量参数，所述质量参数表示所述提取的调制在多强的程度上表现出周期性生理过程的波形；以及处理所述提取的调制以计算所述受试者的所述周期性生理过程的所述频率，其中：所述周期性生理过程的所述频率仅使用所述提取的调制的子集来计算，所述子集使用所述质量参数选择，所述周期性生理过程的所述频率使用所述提取的调制的组合来计算，每个所述提取的调制具有由所述提取的调制的所述质量参数定义的加权，或者所述周期性生理过程的所述频率仅使用所述提取的调制的子集来计算，所述子集使用所述质量参数选择，并且所述周期性生理过程的所述频率使用所述提取的调制的被选中的子集的组合来计算，所述提取的调制的每一个所述被选中的子集具有由所述提取的调制的所述质量参数定义的加权。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述周期性生理过程的所述频率是呼吸率。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述生理测量包括ECG测量。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述一个或多个调制模式包括以下中的一个或多个：呼吸性窦性心律不齐、R波峰值幅度和R波面积。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述基准特征包括以下中的一个或多个：Q波最小和R波最大。6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中所述生理测量包括PPG测量。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述一个或多个调制模式包括以下中的一个或多个：呼吸引起的幅度变化、呼吸引起的强度变化和呼吸引起的频率变化。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述基准特征包括以下中的一个或多个：PPG测量的波峰和PPG测量的波谷。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述周期性生理过程的所述频率是心率。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述生理测量包括加速度计测量。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述调制的子集的所述选择通过以下方式进行：仅选择所述周期性生理过程的波形强度高于预定水平的那些提取的调制；比较所述质量参数与相应的预定阈值。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述调制的子集的所述选择通过以下方式进行：按照如所述质量参数所表示的所述周期性生理过程的所述波形的强度的降序，选择预定比例的所述提取的调制。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中相比于质量参数表示所述周期性生理过程的所述波形的强度较低的提取的调制，将较高的加权应用于质量参数表示所述周期性生理过程的所述波形的强度较高的提取的调制。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对于数据的所述时间窗口的至少一部分，将不同的加权应用于对应于不同调制模式的提取的调制。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述获得每个提取的调制的所述质量参数包括：对所述时间窗口中的所述提取的调制进行傅里叶变换，以及评估所述傅立叶变换中...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维·安德鲁·克利夫顿，德鲁·伯伦科特，莱昂内尔·塔拉塞恩科，马尔科·皮门特尔，
申请(专利权)人：牛津大学创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB