CN101242781A - 脑灌注监视器 - Google Patents

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Abstract

一种通过分析头部的IPG和PPG信号来估计脑血流量的方法，该方法包括：a)在心动周期至少一部分内找到IPG信号的最大斜率或最负斜率；b)在心动周期至少一部分内找到PPG信号的最大斜率或最负斜率；c)找到IPG信号的最大或最负斜率与PPG信号的最大或最负斜率的比值；以及d)从该比值计算脑血流量指示器。

Description

脑灌注监视器
相关申请
本申请要求都在2005年6月15日提交的相关PCT专利申请PCT/IL2005/000631和PCT/IL2005/000632的优先权，并且是这两个专利申请的部分继续申请。这两个PCT申请都是2004年7月15日提交的美国专利申请10/893570的部分继续申请，美国专利申请10/893570是2003年1月15日提交的PCT专利申请PCT/IL03/00042的部分继续申请，PCT专利申请PCT/IL03/00042根据35USC119(e)要求2002年1月15日提交的美国临时专利申请60/348278的优先权。所有这些申请的公开内容在此引用，作为参考。
技术领域
本发明的领域涉及测量头部血流量。
背景技术
需要在各种医疗事件和过程中测量脑血流量，因为对到脑血流量的任何干扰都会导致脑细胞功能的损害，如果干扰时间长，甚至会导致脑细胞死亡。维持到脑部的血流量尤为重要，因为脑细胞比其他细胞更容易受到缺氧的损害，并且因为在损害之后脑细胞通常不能再生。
许多常见的情况会导致一般脑血流量的减小，包括心律不齐、心肌梗塞以及创伤失血性休克。脑血流量的突然增加也会导致严重的伤害，并且尤为可能发生在新生儿或早产儿中，虽然这种增加也可以发生在具有某些医学情况或在手术期间的病人。在所有这些情况中，关于脑血流量的数据以及流量的改变在评估对脑组织损害的风险以及治疗的疗效时是重要的。这种数据的可用性可以使得能够及时进行各种医疗过程以增加、减小或稳定脑血流量，并且防止对脑部的永久损害。
在缺少直接、连续监视脑血流量的简单装置的条件下，通过监视监测可以容易测量的临床参数(诸如血压)来间接推断关于脑血流量变化的信息。但是由于不同医学条件下血压和脑血流量之间的不同关系，可能出现即使当血压似乎足够而脑血流量不足的情况。还可以通过监视神经功能来间接推断脑血流量，但是由于神经机能障碍通常在其被检测的时候是不可逆的，更希望直接检测脑血流量的变化，虽然其对脑功能的影响仍是不可逆的。
现有的测量脑血流量的装置比较复杂、昂贵并且在一些情况下是侵入式的，这限制了它们的实用性。目前只用在研究中的三种方法是1)将放射性氙注入颈动脉并且随着其在脑部的扩散观察其发出的辐射；2)正电子发射断层摄影法，也是基于放射性材料的注入；以及3)磁共振血管造影术，使用房间大小的、昂贵的磁共振成像设备进行，并且需要几分钟给出结果。这三种方法只能在具有特殊设备可用的医院或其他中心来执行，并且即使在医院环境中使用这些方法连续监视病人也不现实。
第四种方法是经颅多普勒(TCD)，其使用超声波，该方法不是侵入式的并且立即给出结果。然而，由于声波难以穿过颅骨，TCD在大约15％的病人中不能给出血流量的正确确定，并且其需要受过长时间训练以及进行测试和辨认结果方面的实践的专业人员的高超技术。TCD的另一个缺陷在于它仅仅测量脑部中的局部血流量，不能测量整个血流量。多普勒超声波还可以用于测量颈动脉中的血流量，提供到头部的血流量的估计，但是不是具体到脑部的血流量，并且不包括通过椎动脉到头部的血流量。通过超声波难以测量通过椎动脉的血流量因为它们与椎骨接近。
通常在研究中用于测量头部中的血流量和身体的其他部位中的血流量的两个其他技术是阻抗体积描记法(IPG)和光学体积描记术(PPG)。授予Mills的美国专利6819950(其公开内容在此引入以供参考)描述了在其他条件中使用PPG检测颈动脉狭窄。
授予Cowings的美国专利5694939(其公开内容在此引入以供参考)描述了用于控制血压的生理回馈技术，其包括在小腿中使用IPG并且在手指中使用PPG。授予Oberg等的美国专利5396893(其公开内容在此引用以供参考)陈述了对于监视病人的心率和呼吸率，PPG要优于IPG。授予Belalcazar的美国专利6832113(其公开内容在此引入以供参考)描述了为了优化心脏起搏器使用IPG或PPG测量血流量。授予HOvland等的美国专利6169914(其公开内容在此引入以供参考)描述了使用各种类型的传感器(包括IPG和PPG)用于利用阴道探头监视女性性唤起，并且描述了组合使用不同类型的传感器。
授予Yang等的美国专利6413223(其公开内容在此引入以供参考)描述了包括两个PPG传感器和一个IPG传感器的用在手指上的探头。利用动脉血流量的数学模型对来自这三个传感器的组合数据进行分析，提供了比单独使用IPG或PPG获得的更为精确的血流量的测量。
J.H.Seipel和J.E.Floam在J.Clinical Pharmacology 15，144-154(1975)中展示了药物betahistidine对脑部，头颅，头皮和小腿血液循环的影响的临床研究的结果。脑血流图(Rheoencephalography，REG)是一种形式的IPG，用于测量脑血流量的幅度。
所有上述专利和出版物的公开内容在此引入，以供参考。
发明内容
本发明的一些实施例的一个方面涉及根据IPG数据和/或其他数据(例如EKG数据)的特性，从IPG数据确定脑血流量，其中只使用来自所选择的心动周期的数据并且丢弃来自其他心动周期的数据。可选地，从放置在头上或耳朵里的电极获得IPG数据，例如如任何上述相关专利申请中所描述的。可选地，从IPG数据和PPG数据的组合确定脑血流量，并且IPG数据、PPG数据、其他数据或它们的任意组合的特性用于选择所使用的IPG和PPG数据所来自的心动周期。可选地，从放置在头上或耳朵里的PPG传感器获得PPG数据，例如如任何上述相关专利申请中所描述的。可选地，这些特性包括心动周期的持续时间并且数据被用于具有相似持续时间的心动周期，而丢弃持续时间有很大不同的心动周期。额外地或替换地，特性包括对于IPG信号和/或PPG信号，每个心动周期和下一个(或前一个)心动周期的信号之间的互相关。例如，对于IPG信号或对于PPG信号，只有当互相关超过阈值时，或者对于IPG和PPG信号两者来说，只有当互相关超过阈值时，才将数据用于心动周期。
本发明的一些实施例的一个方面涉及在使用IPG数据或IPG数据和PPG数据的组合以测量脑血流量之前，减少IPG数据和/或PPG数据中的呼吸伪影(breathing artifact)。例如，通过在每个心动周期中对数据进行不同的调整使得在心动周期中特定阶段(phase)的数据或心动周期的特定阶段范围上的数据的平均值总是具有固定的值，来减少呼吸伪影。可选地，呼吸伪影基本上从IPG数据和/或PPG数据中去除，例如从IPG和PPG数据计算的脑血流量，在许多呼吸周期上平均，随呼吸周期阶段变化小于10％。可选地，心动周期中的特定阶段是心舒张期，例如，如R波的峰值所指示的，或者如IPG信号或PPG信号中的最小值所指示的。
本发明的一些实施例的一个方面涉及使用可选地为IPG信号的最大斜率的斜率与可选地为PPG信号的最大斜率的斜率的比值作为脑血流量的度量。这个斜率被认为与血液流入强相关。可选地，用于IPG和PPG信号两者的最大斜率是舒张期之后的上升沿的最大斜率。或者，用于一个信号或这两个信号的最大斜率是舒张期之前的下降沿的具有最大绝对值的斜率。可选地，例如通过将最大斜率除以那个心动周期的信号幅度的度量，将最大斜率标准化(normalize)。可选地，得到的脑血流量的测量然后通过使用时间平均进行平滑。例如，以固定的时间间隔，例如几秒钟，或者以固定数量的心动周期，使用时间上的移动平均。可选地，适应于信号的特性，在随时间改变的时间间隔上完成平滑。
因此根据本发明的示范性实施例，提供了一种通过分析头部的IPG和PPG信号估计脑血流量的方法，该方法包括：
a)在心动周期的至少一部分内找到最大斜率或最负斜率或IPG信号；
b)在心动周期的至少一部分内找到PPG信号的最大斜率或最负斜率；
c)找到IPG信号的该最大或最负斜率与PPG信号的该最大或最负斜率的比值；以及
d)从该比值计算脑血流量指示器。
可选地，找到最大或最负斜率包括为IPG和PPG信号找到最大斜率，并且找到比值包括找到所述最大斜率的比值。
可选地，最大斜率是心动周期的上升部(leading portion)内最大的。
或者，找到最大或最负斜率包括为IPG和PPG信号找到最负斜率，并且找到比值包括找到最负斜率的比值。
可选地，最负斜率是心动周期的下降部(trailing portion)内最负的。
在本发明的实施例中，至少所述信号之一的最大或最负斜率被标准化到所述信号的幅度的度量。
可选地，幅度的度量是所述信号在心动周期上峰值到峰值的幅度。
或者，幅度的度量是所述信号在心动周期上的平均值。
可选地，PPG信号来自头部左侧的PPG传感器。
额外地或替代地，PPG信号来自头部右侧的PPG传感器。
额外地或替代地，PPG信号是来自头部左侧的PPG传感器和来自头部右侧的PPG传感器的信号的平均值。
根据本发明的示范性实施例，还提供了一种估计随时间变化的脑血流量的方法，包括：
a)获得头部的随时间变化的IPG信号；
b)获得头部的随时间变化的PPG信号；
c)使用IPG信号和PPG信号计算脑血流量的随时间变化的指示器；以及
d)对IPG信号、PPG信号和脑血流量指示器中的一个或多个进行数据处理，以减小噪声或伪影或两者。
在本发明的实施例中，进行数据处理包括对于满足一个或多个丢弃标准的心动周期，丢弃IPG信号、PPG信号或两者的数据。
可选地，所述标准包括持续时间在期望范围之外。
可选地，所述期望范围的最大值为1.3-2倍的心动周期平均持续时间。
额外地或替代地，所述标准包括IPG信号和PPG信号之一或两者在那个心动周期和下一个心动周期之间具有低于阈值的互相关。
额外地或替代地，所述标准包括IPG信号和PPG信号之一或两者在那个心动周期和前一个心动周期之间具有低于阈值的互相关。
可选地，所述阈值在+0.5到+0.8之间。
在本发明的实施例中，进行数据处理包括减少IPG信号、PPG信号或两者中的呼吸伪影。
可选地，计算脑血流量指示器包括使用根据本发明的示范性实施例的方法。
在本发明的实施例中，进行数据处理包括对脑血流量指示器进行平滑。
可选地，平滑包括找到时间间隔上的平均值。
可选地，平滑包括使用根据脑血流量指示器的行为随时间的变化受到适应性调整的时间尺度(time scale)。
附图说明
下面参考附图描述本发明的示范性实施例。附图不一定成比例，并且相同的参考数字通常用于不同附图中示出的相同或相关特征。
图1是根据本发明的示范性实施例的用于找到脑血流量的方法的流程图；
图2A-2D示意性地示出了根据本发明示范性实施例的具有呼吸伪影和去除了呼吸伪影的IPG和PPG信号的图形。
图3示意性地示出了根据本发明示范性实施例的在好的心动周期和坏的心动周期期间的IPG和PPG信号的图形。
图4示意性地示出了根据本发明示范性实施例，在动脉内膜切除术期间计算的脑血流量指示器随时间变化的图形；
图5示意性地示出了根据本发明示范性实施例在图4种示出的脑血流量指示器的图形，示出了包括所有心动周期和只包括好的心动周期的效果；
图6示意性地示出了根据本发明的示范性实施例在时间上进行平滑的图4中示出的脑血流量指示器以及在平滑之前的指示器的值的图形；
图7示意性地示出了根据本发明示范性实施例，在通过使对象呼吸二氧化碳水平增加的空气使得脑血流量增加的实验期间，计算的对象的脑血流量指示器随时间变化的图形；以及
图8示意性地示出了根据本发明的示范性实施例，在对象执行增加左半脑血流量的认知任务的实验期间，对象脑部的左半脑和右半脑的计算的脑血流量指示器随时间变化的图形。
具体实施方式
图1示出了流程图100，其概述了根据本发明示范性实施例的用于找到脑血流量(CBF)的方法。将参考图2、3和4中示出的数据的图形，描述流程图100中的不同步骤。
在102，采集头部的原始IPG和PPG数据。例如，使用任何上述相关专利申请或专利中，和在背景技术中所引用的出版物中描述的任何方法，或者本领域中采集头部IPG和PPG数据已知的任何其他方法来采集数据。例如，使用结合了用于IPG的电极和用于PPG的光传感器的组合传感器，或者使用单独的传感器。可选地，IPG电极被设计为一尺寸和形状并且放置在头上，使得获得对颅骨内部阻抗的敏感度相对较高，对头皮阻抗的敏感度相对较低的IPG数据，如上述专利申请中所描述的。作为时间的函数的原始IPG和PPG数据的示例分别在图2A和图2B的曲线202和204中示出。
可选地，有多于一个的PPG传感器，例如有两个PPG传感器，头的每侧各有一个。可选地，这两个PPG传感器分别位于前额的左侧和右侧。在此处所述的使用PPG信号的任何方法中，可以使用来自头部左侧的PPG信号或来自头部右侧的PPG信号，或者可以使用两个PPG信号的平均，可能为加权平均。
在104，可选择对原始IPG和/或PPG信号进行调节，以减少呼吸伪影。例如，这是通过调整信号使得每个心动周期的最小值具有恒定值，在图2C和2D中设为零。下面结合106描述定义什么构成单个心动周期的方法。得到的经调节的IPG信号(曲线206所示)以及经调节的PPG信号(曲线208所示)几乎没有呼吸伪影。IPG信号和PPG信号与呼吸周期没有曲线206和208的随意观察者可见的明显相关性，并且IPG信号和/或PPG信号与呼吸周期的任何剩余的相关性可选地对计算的脑血流量导致小于10％的影响。可选地，通过相邻最小值的内插值或平均值减少最小值之间的值。
可选地，在106，选择“好的”心动周期，并且丢弃来自其他心动周期的数据。可选地，三个标准的其中一个或多个用于丢弃来自一些心动周期的数据。第一标准涉及心动周期的持续时间与平均时间的差别有多大。第二和第三标准涉及分别对于IPG信号和PPG信号，给定心动周期的信号形态与下一个(或前一个)心动周期的信号形态的差别有多大。来自满足这些标准中的一个或多个的心动周期的数据可能具有使信号失真的高噪声水平，或者可能对应于不能为脑血流量提供典型值的不规则心搏。本发明人发现丢弃满足这三个标准的任何一个的心动周期的数据对于确定脑血流量的精确测量非常有用。可选地，只有当心动周期满足这些标准中的两个或所有三个标准时，才丢弃数据。可选地，只使用这三个标准中的一个作为丢弃数据的标准。可选地，只使用这些标准中的两个，并且如果满足这两个标准中的任何一个时就丢弃数据。可选地，使用所有三个标准，并且当满足任何标准时丢弃数据。本领域的技术人员将想到用于确定是否应该丢弃特定心动周期的数据的其他标准。
例如，使用EKG数据来确定心动周期的持续时间，并且将其定义为从一个R波的峰值到下一个R波的峰值的时间。可选地，峰值必须满足一定的标准才能被当作R波的峰值。例如，峰值落在前一个R波的峰值的0.3秒到1.5秒之间。如果在这个时间间隔内有多于一个的局部峰值，可选地通过找到最象R波峰值的期望幅度和时间间隔的峰值来找到R波的峰值。期望的幅度和时间间隔例如是基于R波的前一个峰值的幅度和时间间隔，或者基于过去值的移动平均。可选地，使用IPG数据和/或PPG数据来定义心动周期的持续时间，而不是使用R波的峰值或者与R波的峰值相结合。例如，心动周期的持续时间被定义为在IPG和/或PPG信号中从一个局部最小值(或最大值)到下一个局部最小值(或最大值)的时间，或者定义为从信号的斜率的一个局部最大值(或最小值)到斜率的下一个局部最大值(或最小值)的时间。可选地，IPG或PPG信号中的局部最小值或最大值，或者IPG或PPG信号的斜率中的局部最小值或最大值必须满足一定的标准，例如与针对使用R波的峰值在上面描述的标准类似或相同的标准。可选地，对于那些具有期望范围之外的持续时间的心动周期，丢弃数据。可选地，期望范围的最大值为1.3-2倍的心动周期平均持续时间。例如，最大值是1.65倍的平均持续时间。或者，希望范围的最大值小于1.3倍的平均持续时间。可选地，希望范围的最小值小于0.7倍的平均持续时间。或者，希望范围的最小值大于0.7倍的平均持续时间。可选地，由于如上所述的定义心动周期的方式，虽然对于任何心动周期可能有最小持续时间，但范围没有明确的最小值。
上述的“心动周期平均持续时间”可选地是心动周期的持续时间的中值或模。使用中值或模而不是均值的潜在优势在于中值和模对在数据中代表噪声而不是心动周期的实际持续时间的异常值相对不敏感。或者，“心动周期的平均持续时间”是心动周期的持续时间的均值。可选地，“心动周期的平均持续时间”是例如在几个心动周期或者在几十个心动周期上的移动平均值。将移动平均用于心动周期的平均持续时间的潜在优势为，由于随时间的生理变化平均持续时间调整到病人脉搏率的实际变化。可选地，使用固定值代替“心动周期的平均持续时间”，可选地调整到病人，或者固定值是基于为该病人确定的脉搏率。
给定心动周期的信号(IPG或PPG信号)的形态与下一个心动周期的信号的差别有多大，例如通过这两个心动周期的信号之间的互相关确定。可选地，对于IPG和PPG信号中的一个或两者，如果互相关小于某个阈值，那么丢弃该心动周期的数据。可选地，该阈值在+0.5和+0.8之间，例如阈值为+0.7。可选地，该标准不是使用一心动周期和下一个心动周期的互相关，而是基于该心动周期和前一个心动周期之间的互相关。或者，只有当这两个互相关的任一个小于阈值时，或者只有当两个互相关都小于阈值时，才丢弃数据。可选地，只有当对于IPG和PPG信号的两者的互相关(不管使用哪一个)低于阈值时才丢弃数据。或者，只有当对于IPG信号，互相关低于阈值时，或者只有当对于PPG信号互相关低于阈值时，才丢弃数据。
图3是出了经调节的IPG数据302(实线)和经调节的PPG数据304(虚线)的曲线300。对于IPG数据，对于在时间间隔306和308中的前两个心动周期，明显因为IPG数据中的噪声，该心动周期和下一个心动周期之间的互相关相对较低，丢弃了这些心动周期的数据。对于剩余的心动周期，对于IPG和PPG信号两者，该心动周期和下一个心动周期之间的互相关相对较高，不丢弃这些心动周期的数据。
在108，对于数据已经被保存的心动周期，从IPG和/或PPG数据计算CBF指示器。在本发明的示范性实施例中，通过求IPG信号的最大斜率与PPG信号的最大斜率的比值，为每个这样的心动周期找到CBF指示器。可选地，最大斜率并不一定是整个心动周期上的最大值，但是是舒张期之后的心动周期的上升沿部分上的最大值。应理解的是IPG和PPG信号两者的量值以及因此这两个信号的最大斜率通常对各种因素比较敏感。这些因素包括电极和PPG传感器在病人头部的准确位置，与皮肤的接触有多好，电极位置处以及病人头部其他地方的病人皮肤厚度和病人皮肤下的脂肪层的厚度。IPG和PPG信号的最大斜率的比值可能不提供脑血流量的绝对度量，但是可以只提供脑血流量的相对度量。可选地，通过在已知病人具有充足的脑血流量时，例如在手术之前，在病人清醒并且可以通过问问题来评估他的精神状态时，观察脑血流量的值来校准脑血流量的度量。可选地，一旦已经校准了脑血流量的度量，例如直到完成了手术，才移开或重新定位电极和PPG传感器。
因为脑中的动脉通常在直径上大于面部皮肤和头皮的动脉，在心脏收缩期的开始，脑中的血量通常比皮肤中的血量增加得更早更快。因为IPG信号对于脑中的血量和皮肤中的血量都敏感，而PPG信号只对皮肤中的血量敏感，在心脏收缩期的开始，IPG信号通常比PPG信号上升得更早更快。每个信号的最大斜率是这个上升发生多快并且能到多高的度量。IPG信号的最大斜率是脑中的血量和皮肤中的血量的加权和的度量，而PPG信号的最大斜率只是皮肤中的血量的度量。在这些区域，与测量血量变化的IPG和PPG信号的峰值到峰值的幅度相比，IPG和PPG信号的最大斜率可能是血量更好的度量。血量的变化取决于流入和流出一区域的血流量之间的差别。然而，IPG和PPG信号的峰值到峰值的幅度对于测量脑血流量也是有用的。
对于IPG信号或PPG信号或两者来说，血流量的另一个有用度量是标准化到信号的幅度的度量的信号的最大斜率。例如，对于那个心动周期，通过除以信号的峰值到峰值幅度来标准化最大斜率。或者，对于那个心动周期，通过除以信号的平均值(可能为加权平均值)与信号的最小值之间的差值来标准化最大斜率。可选地，加权平均值包括正权重和负权重，例如加权平均值是信号在心动周期频率处的傅立叶分量。可选地，标准化是针对信号的面积(例如连续最小值之间的)的。
本发明人发现IPG信号的最大斜率与PPG信号的最大斜率的比值(或者标准化最大斜率或者不标准化)经常与某些情况下脑中的血流速率很好地相关，如通过其他装置例如TCD独立确定的那样。例如，在某些情况下，通过收缩影响到达头皮和面部皮肤的血流量的周围动脉，脑部增加了脑血流量。在这些情况中，脑血流量的增加与皮肤中血流量的减少相关，并且IPG信号的最大斜率与PPG信号的最大斜率的比值可以很好地与脑血流量相关。
在通过阻塞头部一侧的动脉或对其放血而减少脑血流量的情况中，头部另一侧的周围血流量可以保持相对恒定。在这些情况中，尤其如果在头部另一侧测量来自受影响的动脉的PPG信号，IPG信号的最大斜率与PPG信号的最大斜率的比值也可以很好地与脑血流量相关。即使在与受影响的动脉相同的头部一侧获取PPG信号，最大斜率的比值也可以相当好地与脑血流量相关，也许是因为副动脉可以将血液从头部的一侧重新分布到另一侧。
在其他情况下，脑血流量的不同度量可能更为有用。例如，如果由于血压的减小，到头部的总血流量减小，那么脑部可以通过收缩周围动脉，在皮肤中减少比脑部中更多的血流量来进行补偿。在这种情况下，仅IPG信号的最大斜率或者IPG和PPG信号之间的最大斜率的加权差，会是优于最大斜率的比值的脑血流量的度量。
在本发明的一些实施例中，使用不同的准则来寻找CBF指示器。例如，不是使用IPG和PPG信号的最大斜率的比值，而是使用最小(最负)斜率的比值，这些斜率标准化或不标准化到幅度的度量。可选地，最负斜率不必是整个心动周期上的最负值，而只是收缩期之后的心动周期的下降沿部分上的最负值。收缩期之后的血量的下降，就像舒张期之后血量的上升一样，脑部的要比皮肤的快。IPG和PPG信号的最小斜率的比值可以以类似于最大斜率的比值的方式与脑血流量相关。或者，当采用斜率的比值时，为一个信号使用最大斜率，为另一个信号使用最小斜率(或其绝对值)。
替代地或额外地，通过从IPG信号中减去加权的PPG信号，然后取差分信号的最大斜率来找到CBF指示器。可选地，通过要求加权的PPG信号的下降沿的斜率(例如下降沿的平均斜率或下降沿的最陡斜率)等于IPG信号的相应斜率来确定加权因子。如果IPG信号的下降沿由皮肤中的血流量主导，则加权因子的这种选择是合适的。得到的CBF指示器的潜在优势在于，它可以更好地指示由血压减小引起的脑血流量的变化，血压的减小减少了脑部和皮肤中的血流量。另一方面，基于两个信号的斜率的比值的CBF指示器比基于两个信号之差的斜率的CBF指示器可能对信号中的噪声更不敏感。
可选地，CBF指示器只基于IPG信号或者只基于PPG信号。例如，CBF指示器是每个心动周期中的信号之一的峰值到峰值的幅度，或者是信号之一的最大或最小斜率，或者是在每个心动周期中标准化到信号幅度的最大或最小斜率。
在110，使用任何已知的时间平滑算法在时间上对CBF指示器进行平均。可选地，在几秒(例如5，10或20秒)的时间尺度上或者在多个心动周期(例如5，10或20个心动周期)上完成平均。可选地，用于平滑的时间尺度取决于被平滑的数据适应性地改变。例如，平滑包括在时间间隔上平均数据，如果线性外插对下一个数据点在哪里作出良好预测，则向上调整该时间间隔，如果线性外插对下一个数据点在哪里作出较差的预测，则向下调整该时间间隔。
可选地，在108找到CBF指示器之前，使用任何上述的方法，多个心动周期的每一个的IPG信号被一起叠加和平均，而不是在多个心动周期上平均CBF指示器或者与在多个心动周期上平均CBF指示器相结合，并且可选地对PPG信号进行同样的操作。
图4示出了曲线图400，具有被平滑的CBF指示器信号402随时间变化的曲线。通过取IPG信号的标准化最大斜率与PPG信号的标准化最大斜率的比值来计算CBF指示器，使用每个信号的峰值到峰值幅度来完成标准化。CBF指示器的平滑是通过在适应性改变的时间间隔上进行平均完成的，如上所述。IPG和PPG信号是在经受动脉内膜切除术的病人上测量的，其中在清除动脉的动脉粥样斑的同时在颈部一侧上的颈总动脉、颈内动脉和颈外动脉在时间406和时间408之间被夹紧。使用的PPG数据从与夹紧的动脉相对的头部侧来获取。CBF指示器信号402在时间406减小，主要是由于当动脉被夹紧并且到头部那一侧以及到作为整体的脑部的血流量减小时，IPG信号减小。在时间408，当释放夹紧的动脉，CBF指示器信号402增加，主要是由于IPG信号的增加。在时间408之后，CBF指示器信号高于夹紧动脉之前的CBF指示器信号，因为清除了动脉粥样斑的动脉比之前允许更大的脑血流量。
应注意本发明人发现计算CBF指示器的这个方法在被测试过的方法中给出动脉内膜切除术期间脑内血流量的最好结果。然而，计算CBF指示器的一些其他方法，包括使用来自与夹紧的动脉的头的相同侧的PPG信号，也被发现给出动脉内膜切除术期间脑血流量的相当好的指示。
图5示出了曲线图500，其说明了丢弃坏的心动周期对CBF指示器的影响。曲线图500中示出的CBF指示器信号是根据与图4中使用的相同的数据计算的。示为实线的CBF指示器信号402是只使用“好的”心动周期计算的，并且与图4示出的信号402相同。好的心动周期被定义为心动周期持续时间小于1.65倍的所有心动周期的中值持续时间的那些心动周期，并且对于这些心动周期，IPG和PPG信号在该心动周期和下一个心动周期之间都至少有+0.7的互相关。以同样的方式计算示为虚线的CBF指示器信号502，但是包括来自所有心动周期的信号数据。虽然信号502示出了与信号402相同的一般趋势，但是信号502在动脉被夹紧的时候减小，且在动脉被释放之后回到甚至更高的水平，相比信号402显示出明显更多的噪声。
图6示出了曲线图600，说明了平滑对CBF指示器的影响。在曲线图600中画出的平滑的CBF指示器402与图4和5中画出的信号402相同。许多小星星602示出各个心动周期的CBF指示器的值，其示出了比平滑的信号402高得多的噪声水平。
图7和图8示出了本发明人使用健康的志愿者进行的两个其他试验的结果，以验证CBF指示器信号的有效性。在这些试验中，CBF指示器702(图7)和802以及806(图8)被定义为IPG信号的最大斜率与PPG信号之一的最大斜率的比值，但是最大斜率并没有标准化到相应信号的幅度。这个计算CBF指示器的方法在这两个试验中通常比使用标准化的最大斜率给出更好的结果。平滑方法和“好的”心动周期的定义与用于图4-6中的CBF指示器的相同。
在用于产生绘制在图7中的曲线图700的数据的试验中，对象呼吸正常空气直到时间708。在时间708和时间710之间，对象从密封袋中呼吸，导致二氧化碳水平增加，已知能引起脑血流量增加的过程。在时间710之后，对象重新呼吸正常空气。对象呼出的气体中所测量的二氧化碳的水平相对于典型的正常呼出的二氧化碳的40mmHg的分压，作为信号704绘制在曲线图700中。正如所期望的那样，当二氧化碳水平上升时，CBF指示器702上升，当二氧化碳水平降低时，CBF指示器70再次降低。CBF指示器702的变化主要是由于PPG信号的变化，当二氧化碳的水平增加时，PPG信号减小，因为脑部收缩头部的周围动脉，以便确保到脑部的氧气的持续充足供应。平滑的TCD信号704——脑血流量的标准指示器，当二氧化碳水平上升时显示出类似的上升。
图8示出了认知活动对脑血流量的影响。使用来自头部左侧的PPG信号计算CBF指示器802。CBF指示器802应该特别指示脑部左侧的血流量，由于已知脑部在头部左侧或右侧独立地收缩或释放周围动脉，以便调节脑部相应侧的血流量。在由箭头804指示的时刻，给对象提出九个乘法问题，并要求对象在脑中解决它们。已知心算主要是脑部左侧的活动，并且在对象解决问题的过程中，CBF指示器802显示左脑血流量的增加，大约有两分钟的延时。相反，使用来自头部右侧的PPG信号计算的CBF指示器806没有显示这样的增加，表示在这期间右脑血流量没有增加。CBF指示器806在这个期间甚至显示稍微的减少。两个CBF指示器中的变化主要是由于PPG信号的变化。
已经在实施本发明的最佳模式的上下文中描述了本发明。应理解的是根据本发明的一些实施例并不是所有在附图中示出或相关文本中描述的特征都会出现在实际设备中。此外，对示出的方法和装置的变化都包括在仅由权利要求书所限定的本发明的范围之内。而且，一个实施例的特征可以结合本发明的不同实施例的特征来提供。如此处所用的，术语“具有”、“包括”和“包含”或者它们的变型意味着“包括但不限于”。如此处所用的，信号的“斜率”可以指非标准化斜率或标准化斜率，例如标准化到信号幅度的度量的斜率。

Claims (23)

1.一种通过分析头部的IPG和PPG信号来估计脑血流量的方法，该方法包括：
a)在心动周期的至少一部分内找到IPG信号的最大斜率或最负斜率；
b)在心动周期的至少一部分内找到PPG信号的最大斜率或最负斜率；
c)找到IPG信号的最大或最负斜率与PPG信号的最大或最负斜率的比值；以及
d)根据该比值计算脑血流量指示器。
2.根据权利要求1的方法，其中找到最大或最负斜率包括为IPG信号和PPG信号两者找到最大斜率，并且找到比值包括找到最大斜率的比值。
3.根据权利要求2的方法，其中最大斜率是心动周期的上升部分内最大的。
4.根据权利要求1的方法，其中找到最大或最负斜率包括为IPG信号和PPG信号两者找到最负斜率，并且找到比值包括找到最负斜率的比值。
5.根据权利要求4的方法，其中最负斜率是心动周期的下降部分内最负的。
6.根据上述权利要求中的任何一个权利要求的方法，其中至少所述信号之一的最大或最负斜率标准化到所述信号的幅度的度量。
7.根据权利要求6的方法，其中幅度的度量是所述信号在该心动周期上的峰值到峰值的幅度。
8.根据权利要求6的方法，其中幅度的度量是所述信号在该心动周期上的平均值。
9.根据上述权利要求中的任何一个权利要求的方法，其中PPG信号来自头部左侧上的PPG传感器。
10.根据权利要求1-8中的任何一个权利要求的方法，其中PPG信号来自头部右侧上的PPG传感器。
11.根据权利要求1-8中的任何一个权利要求的方法，其中PPG信号是来自头部左侧上的PPG传感器和头部右侧上的PPG传感器的信号的平均。
12.一种估计随时间变化的脑血流量的方法，包括：
a)获得头部的随时间变化的IPG信号；
b)获得头部的随时间变化的PPG信号；
c)使用IPG和PPG信号计算随时间变化的脑血流量指示器；以及
d)对IPG信号、PPG信号和脑血流量指示器中的一个或多个进行数据处理，以减小噪声或伪影或两者。
13.根据权利要求12的方法，其中进行数据处理包括对于满足一个或多个丢弃标准的心动周期，丢弃IPG信号、PPG信号或两者的数据。
14.根据权利要求13的方法，其中该标准包括具有期望范围之外的持续时间。
15.根据权利要求14的方法，其中该希望范围的最大值为1.3-2倍的心动周期的平均持续时间。
16.根据权利要求13-15中的任何一个权利要求的方法，其中该标准包括IPG信号和PPG信号中的一个或两个在那个心动周期和下一个心动周期之间具有低于阈值的互相关。
17.根据权利要求13-15中的任何一个权利要求的方法，其中该标准包括IPG信号和PPG信号中的一个或两个在那个心动周期和前一个心动周期之间具有低于阈值的互相关。
18.根据权利要求16或权利要求17的方法，其中该阈值在+0.5到+0.8之间。
19.根据权利要求12-18中的任何一个权利要求的方法，其中进行数据处理包括在IPG信号、PPG信号或两者中减少呼吸伪影。
20.根据权利要求12-19中的任何一个权利要求的方法，其中计算脑血流量指示器包括使用权利要求1-11中的任何一个权利要求的方法。
21.根据权利要求12-20中的任何一个权利要求的方法，其中进行数据处理包括对脑血流量指示器进行平滑。
22.根据权利要求21的方法，其中平滑包括找到时间间隔上的平均。
23.根据权利要求21或权利要求22的方法，其中平滑包括使用根据脑血流量指示器的行为随时间的变化被适应性调整的时间尺度。
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