CN101272730B - 用于监测心脏搏动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于监测受试者心脏运动的方法和装置中使用了一种可与所述受试者解剖结构的一部分相偶联的探针。例如，所述探针可与所述受试者的主动脉弓或甲状软骨偶联。偏向所述探针以使其与所述受试者相接触。所述探针可检测心脏运动所致的移动。所述装置可显示心脏运动所致的加速度和位移。可获得来自多个解剖位点的波形，对其进行时间和振幅标准化，并将其结合以生成合并的波形。所述波形的结合可包括叠加或消减。

Description

用于监测心脏搏动的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求以2005年8月22日提交的美国专利申请No.11/207,704和2006年4月26日提交的美国专利申请No.11/380,409作为优先权基础。

技术领域

本发明涉及用于非侵入性地监测心脏运动的方法和装置。所述方法和装置可用于心脏功能(特别地是人类心脏，但不仅仅是人类心脏)的非侵入性监测。

背景技术

心脏病是死亡的一个主要原因。因此需要能够对心脏问题进行早期检测的方法和装置，并且需要能够获得用于诊断心脏疾病的有用信息的方法和装置。

用于心脏功能非侵入性监测的现有方法包括：

●机械方法，例如，颈部颈动脉的搏动记录或心尖心动描记术。

●电学技术，例如，心电图(ECG)。

●成像技术，包括心脏超声波技术(echocardiology)、放射照相术和磁共振成像(MRI)。

由于受试者之间存在生理差异，因此现有的机械方法可能不准确。例如，心音的强度并不是心脏功能的一个好的量度，这是由于受试者之间的生理差异——例如受试者脂肪层的厚度差异——会影响心音的强度。

电学技术存在的缺点是，难于将测得的电信号与心脏收缩的力度关联起来。成像技术也存在这一问题。例如，超声心动图测定的是一个被称为“射血分数”的比率。对于具有正常功能的心脏，射血分数可与心脏收缩的力度相关联。然而，如果心脏功能不正常，这种关联可能就不成立。

上述的现有方法或技术均不能精确地表征心脏循环的等容期。而等容期的特征对于鉴定冠状动脉疾病和其他心脏相关疾病可能很重要。

Pinchak，ESOPHAGEAL ACCELERATION AND THE CARDIOVASCULAR SYSTEM，Journal of Sound and Vibration，1979，pp.369-373中评价了小型加速度计在听诊器内的应用。

Koblanski的美国专利No.5,865,759中公开了一种用于评估人心脏功能的装置和方法，该文献的公开内容通过引用的方式纳入本申请。该装置提供了一种定位于靠着气管的颈部甲状软骨的传感机构，以感受甲状软骨对心脏功能的应答。提供了一种将该传感机构固定在合适位置的限制系统。该装置虽然可用，但已被发现具有一些缺陷，包括：

·该装置对受试者的姿势过分地敏感；

·该装置不能精确地检测在较高幅度心脏运动过后随即发生的低幅度心脏运动；

·信噪比太低；

·很难恰当地校准该限制系统；以及

·如果该系统的一部分接触到障碍物例如衣服、垫枕、胡须、肥胖的颈部组织或胸部，则该系统可能得到错误的结果。

因此仍然需要用于监测心脏运动的实用的方法和装置。

发明内容

结合系统和方法描述了并说明了以下各实施方案及其各方面，所述系统和方法意在示例和说明而并非限制范围。

本发明的一方面提供了一种用于非侵入性地监测受试者的心脏运动的方法。所述方法包括：施加一个偏向力以使一个探针在第一方向上偏向抵住所述受试者解剖结构；使所述探针响应于所述受试者的心脏运动而逆所述偏向力移动；并测量所述探针的运动。

本发明的另一方面提供了一种用于非侵入性监测受试者的心脏运动的装置。所述装置包括一个适于抵住所述受试者解剖结构的探针。所述探针可响应于受试者的心脏运动而在第一方向上移动。所述装置还包括一个连接的运动传感器，所述运动传感器用于感受所述探针在第一方向上的运动，该运动传感器可包含一个加速度计。还有一个偶联的偏向机构，所述偏向机构用于使探针在第一方向上偏向抵住所述解剖结构。

在探针和运动传感器之间可提供一个机械运动放大器。所述机械运动放大器在所述探针和所述运动传感器之间可包括一个具有枢轴的杠杆。所述枢轴或运动传感器可沿着杠杆移动以调整所述机械运动放大器的增益。

所述装置可包括显示探针的加速度波形和位移波形的显示器。在这些实施方案中，同时可实时地显示心脏运动的加速度和位移，并对其进行观察以检测心脏运动的任何不规律状况。

下文描述了本发明的其他方面和本发明的各示例实施方案的特征，并在附图中显示。

附图说明

在图示出本发明的非限制性实施方案的附图中：

图1为用于监测坐姿受试者的主动脉弓运动的偶联的心脏监测装置的侧视图；

图1A为示出图1心脏监测装置的探针与受试者主动脉弓之间的相互作用的示意图；

图2为示出了用于监测侧卧姿势的受试者的主动脉弓运动的偶联的图1装置的探针的视图；

图3为用于测量坐姿受试者甲状软骨的运动的偶联的图1装置的侧视图；

图4为示出图3心脏监测装置的探针与受试者甲状软骨的相互作用的示意图；

图4A、4B和4C分别为可用于与心脏监测装置偶联以测量受试者甲状软骨的运动的探针的俯视图、部分横截面图和侧视图；

图5为图1-4的装置的透视图；

图6和7示出了图1-4的装置各部分的平面图，该装置具有一个腮托和一个下颌头托(jaw and head rest)；

图8为杠杆和枢轴支持该杠杆的可旋转支撑构件的截断图(broken-awayview)；

图8A为沿图8的8A-8A线截取的截面图；

图9为图8所示装置部件的侧视图，其中的探针与杠杆的着力部分相连从而偶联到主动脉弓；

图10为与图9相对应的视图，但其中的探针被另一不同的探针替换以用于偶联到甲状软骨；

图11为图9装置的正视图；

图12为包括图11所示的部分以及保护套和壳体的装置的分解视图；

图13为图12装置的侧视图；

图14显示了与受试者皮肤偶联接触的图11和12装置的主动脉弓探针末端的截断图；

图15为图1-4装置的各部分(包括机械放大设备和光学运动放大设备)的图解视图；

图16和17图示出两种形式的光学运动放大设备；

图18为可旋转的支撑构件的侧视图；

图19为支持图18支撑构件一端的枢轴的横截面图；

图20为一个心脏运动检测装置实例的各组件的框图；以及

图21为一种可通过应用本文公开的某些实施方案的方法和装置生成的一类心脏运动波形实例。

具体实施方式

为使本领域技术人员能够更完全地理解本发明，在以下描述内容中阐明了具体的细节。然而，公知的要素可能未详尽示出或描述，以避免不必要地使本申请公开内容不清楚。因此，本申请的描述和附图应被认为是示例性的而不具有限制性含义。

对心脏运动例如其加速度的测量提供了对心脏状况的有价值的认知。心脏运动是由心脏循环各期的心脏质量动量和射血动量的改变所产生的力引起的。心脏异常可导致这些力的形式和大小发生改变，从而产生诊断性数值。

心脏可产生较强的力和较弱的力，它们均具有诊断意义。本文所述的方法和装置能够测量心脏循环的心收缩期和心舒张期。所述装置可用于获得能够表征受试者心脏循环等容期(即在心脏瓣膜张开之前的心脏收缩期)的测量值。等容收缩与射血期的幅度和持续时间高度相关。作为可通过监测心脏运动而获得的有价值的诊断结果的一个实例，具有低射血幅度以及等容期中的较大收缩力是存在主动脉瓣狭窄的一个明显指标。

本发明提供了用于监测受试者心脏运动的非侵入性方法。该方法包括，将探针抵住一解剖结构(例如气管软骨或主动脉弓)放置，所述解剖结构可响应于心脏运动而移动。通过偏向力使该探针偏斜以接触该解剖结构，所述偏向力的作用方向通常平行于该解剖结构的心脏诱导运动的方向。在某些实施方案中，该探针通过机械放大器与运动传感器(例如加速度计)连接，所述机械放大器可放大该探针的运动并向运动传感器施加该放大的运动。

图1示出了根据本发明的一个实施方案的心脏监测装置10。装置10被配置成可在主动脉弓的头臂区域测量心脏的力。或者，如下所述，装置10被配置成可在另一解剖结构例如气管的甲状软骨区域测量心脏的力。

主动脉弓是一个测量心脏的力的良好位点，因为在这个位置测量可提供心脏循环所有时期包括动脉收缩期的许多信息。在手术室中也可很方便地在主动脉弓处测量心脏的力，因为受试者以自然姿势卧躺时可获得较好的测量值。对于大多数哺乳动物而言，都可通过监测主动脉弓头臂区的运动来测量心脏运动。

显示了与就坐于椅14的受试者S胸部的主动脉弓具有偶联关系的装置10。装置10负载在通过支持板18固定于天花板17的支持装置16上。支持装置16使得可以容易地操纵装置10并调节它与受试者S的相对位置。支持装置16可包括一种类型的头上方支架和转环机构，该机构类型与用于支持手术室和牙医室中使用的一些类型的头上方照明灯的机构类型相似。许多种合适的支持机构是公知的，因此不在本文中作更详细的描述。

将装置10移动到使其能够偶联探针20(参见图1A)的位置上，以感受由心脏施加到受试者解剖结构的力。该解剖结构可包括例如受试者12的主动脉弓或甲状软骨。图1、图1A和图2示出了被配置成可检测受试者12的主动脉弓A运动的装置10。主动脉弓A在对受试者心脏H的运动作出响应时发生移动。图1A示出探针20可被导向受试者垂管M的右手侧后部，基本上与心脏主轴平行，在颈静脉切迹和锁骨切迹之间与受试者颈部约成45°的角度。支持装置16在受试者S的外部并在相对于固定装置10的基座(例如板18)的适当位置上持有探针20。

为了便于导入探针20，将受试者头部转至右侧。当探针20到达使探针20与主动脉弓A相邻的深度时要求受试者深度吸气数次，并获得记录值。这通常包括将探针20插入到垂管M上缘以下大于约1.5英寸(约3.75cm)的深度。在典型成人受试者中，当探针20处于垂管M上缘以下约2英寸(约5cm)的位置时，可使探针20与主动脉弓的头臂区偶联移动。当探针20接近主动脉弓A时，它会开始在方向21上以遵循受试者的心搏周期的方式运动。在监测被检测心脏运动的幅度时，可以调节探针20的位置直至心脏运动幅度达到最大。

通过偏向机构使探针20偏向心脏H。各种偏向机构如下所述。该偏向机构可通过在方向21上沿探针20施加一个连续的力以使探针20保持与主动脉弓A偶联运动。探针响应于主动脉弓A的运动而在方向21上移动。

装置10的外壳24上提供了一个下颌头支持物23。当探针20与受试者主动脉弓的头臂区偶联时，调整下颌头支持物23使其与受试者的下颌和受试者的头骨底部相接触。在装置10监测探针20的运动时，受试者可将他或她的头部托放在下颌头支持物23上。

图2示出了对受试者S使用装置10，在一个可倾斜平台26上将其头转向右侧。使探针20与受试者S的主动脉弓偶联。使用下颌头支持物23(图2中未示出)来防止装置10相对受试者S发生移动。平台26可以是倾斜的，以使受试者的头部略微向下倾斜。这有助于维持探针20和受试者主动脉弓之间的良好偶联，并且还防止血液以影响受试者的循环的方式汇集在受试者的腿部。图2所示姿势可将腹腔器官推向受试者的膈。从而使膈推挤胸腔器官，从而使主动脉弓移动至更接近垂管上缘的位置，以使其可更容易地被探针20接近。使受试者处于图2所示的仰卧姿势，这对于各种手术室环境而言是都是较好的设置，因为受试者可以仰卧。如图所示，该受试者的头部应转向右侧。

肺阻力可能影响心脏的运动。因此，应结合使用装置10对肺阻力进行测量以确定心脏功能。当对由装置10获得的测量结果进行解析时，可以考虑肺阻力。可以通过在监测装置10所检测的位移时让受试者很快地呼吸来测试肺阻力。与受试者的呼吸对应的位移幅度越大，则测得的肺阻力越大。对该位移可进行电子检测并记录，或者在装置10上提供的显示器上观察。

图3和4显示出被配置成可用于监测受试者S的甲状软骨的心诱导运动的装置10。受试者S坐于座椅28上，将脚放置在抬高的脚托29上。在这种姿势下，腹部会承受一定压力。当受试者处于其他姿势时也可以测量甲状软骨运动，例如，如图2所示，当受试者可在可倾斜台上处于头向下的姿势时可监测甲状软骨的运动。将外壳24的顶部调节至与受试者的下颌平行。用探针20A替换探针20(参见图1)。探针20A在受试者的甲状上切迹N处与受试者的甲状软骨T的上缘相啮合。通过弹簧或下述其他偏向机构使探针20A向下偏斜，并抵住受试者甲状软骨的顶部。

在装置10监测受试者甲状软骨的运动时，受试者的下颌托放于外壳24上的U形下颌托30上。当用装置10来监测受试者的主动脉弓的运动时，下颌托30可以是可拆卸的，这样它就可以不干扰下颌头支持物23的使用。在所示的实施方案中，平板31与下颌托30的两侧可旋转地相连接。将调节螺母32插过平板31中的槽33以与外壳24螺纹啮合。可将下颌托30调节至与受试者下颌相接触。然后可拧紧螺母32以防下颌托30移动。可取下螺母32以使得下颌托30可以被拆卸。

在图3中，受试者的头部朝向胸部低下，并将脚抬起以与身体接近从而升高受试者腹部的压力。还可在受试者12头向下躺于如图2所示的倾斜台上时测量受试者的甲状软骨的运动。

如图4A、4B和4C所示，探针20A具有可与受试者的甲状软骨的上缘啮合的突出部分34。突出部分34优选地具有斜侧面或圆形侧面34A和34B，所述34A和34B有助于使突出部分44A处于受试者甲状上切迹N的中心。在该所示的实施方案中，突出部分34以略向下的角度倾斜。探针20A可包括与毗邻受试者甲状软骨侧面的受试者颈部相吻合的臂36A和36B。臂36A和36B分别从左右两侧使探针20A位于受试者甲状软骨的中心位置。臂36A和36B可以是有弹性的。臂36A和36B以及突出部分34可以被覆有弹性材料以使受试者感觉舒适并防止受试者皮肤受刺激。探针20A可具有其他可使其与受试者甲状软骨的上缘啮合的其他构造。

当装置10已经被描述为可具有用来在主动脉弓或甲状软骨处测量心脏运动的结构时，则可以明确地构建本发明的装置以用于仅在这些位点之一处或某些其他合适的解剖部位测量心脏运动。

图5示出了根据本发明的具体示例实施方案的心脏运动测量装置10的详细构造。在外壳24上提供有手柄38。可通过操纵手柄38将装置10导向所需位置。外壳24通过球窝接头39与支持装置16相连，以使外壳24可按需要倾斜。球窝接头39有一个锁紧螺钉39A，用于将外壳24固定在相对于支持装置16的所需位置。

在外壳24上或在另一方便的位置提供有显示器40。显示器40可显示与装置10的状态相关的信息以及与装置10所测的受试者心脏运动相关的信息。例如，显示器40可显示一种波形，所述波形示出作为时间函数的受试者心脏的位移，并且该显示器可包括用于显示位移大小或幅度的位移幅度显示器42，所述位移的波形由显示器40示出。

装置10可与计算机44相连。计算机44可包括便携式计算机、个人电脑或计算机网络。计算机44可接受来自装置10的数据。该数据可包括代表心脏运动的数据，也可以包括其他数据。可通过计算机44对数据进行存储、操作、显示数据或作其他处理。

在所示的实施方案中，探针20(或20A)被固定在从外壳24凸出的杠杆50的末端。如下文更详细的描述，装置10包括偏置装置例如弹簧。偏置装置使探针偏向受试者的主动脉弓或受试者解剖结构的其他部分，并由此维持探针20和受试者解剖结构间的良好偶联。杠杆50的强旋转运动可表明探针20与受试者主动脉弓在头臂区的正确偶联。

装置10包括可检测杠杆50的运动的传感器。受试者的心脏运动被传递至受试者的主动脉弓(主动脉弓与心脏直接相连)。主动脉弓的运动可通过探针20传递至杠杆50。因此，所测的杠杆50的运动与受试者的心脏运动直接相关联。如下文中所更详细描述的，装置10可记录、处理和/或显示这些运动和/或获自这些运动的数值。

如图6和7所示，下颌头支持物23包括一对臂55，每个臂的一端可旋转地固定在轴57上。轴57可旋转地固定在外壳24上。在所示的实施方案中，轴57穿过轴套59。在臂55另一侧的自由端60，每一个臂55都通过枢轴61与衬垫62相连。在使用下颌头支持物23时，受试者靠在衬垫62上。

通过相对于外壳24旋转所述轴57和臂55，可使下颌头支持物23处于工作位置或非工作位置，非工作位置如图6所示，其中臂55平放在外壳24上，起作用时的位置如图7所述，其中臂55和其衬垫67从外壳端部32处伸出，在所述外壳的端部32伸出杠杆50。图1中示出了处于工作位置时的下颌头支持物23。

当需要测量受试者的甲状软骨的运动时，在操纵手柄38以移动探针20A使其接触受试者的甲状软骨的上缘后，可将下颌头支持物23移动到非工作位置，并且可将下颌支持物30固定在外壳24上，并对其进行调节以使其与受试者相适应。通常通过杠杆50可视的节律性旋转来表明探针20A与受试者甲状软骨的正确偶联。通过卸下下颌托30并将下颌头支持物23旋转至其如图7所示的起作用时的位置，并且通过用探针20替代探针20A，可将装置10配置成用于与受试者的主动脉弓相偶联。

在所示的实施方案中，探针20或20A固定于杠杆50的远端69。杠杆50被支撑在旋转地固定在外壳24上的支撑构件70上。由图18可见，支撑构件70的每一端都插入枢轴(pivotal support)71内，该枢轴71形成于支撑构件70末端的销钉72和支撑于外壳24中的螺母74的插口73之间。受试者心脏运动所致的受试者解剖结构的相对部分的活动导致探针(例如20或20A)位移。这些活动导致杠杆50和支撑构件70绕支撑构件70的纵轴旋转。

将加速度计80(图8a)固定在U形托架81上。提供锁紧螺母82用来可松动地固定托架81，并使加速度计80沿杠杆50位于所需位置。加速度计80沿杠杆50的位置可通过松开螺母82并沿杠杆50滑动托架81来调节。可以理解的是，杠杆50为偶联有探针20或20A的杠杆50的远端69的任何运动提供了机械放大作用。放大量可通过沿杠杆50将加速度计滑动到所需位置来调节。这种调节作用可用于补偿以下这一事实，即不同的加速度计对于相同的加速度往往会产生不同的电输出。可将加速度计80固定在沿杠杆50的一个位置，以使其在杠杆50的远端69以特定加速度移动时能够产生所需输出。

装置10可通过将杠杆50与可提供预定加速度的振动器偶联来进行校准。可对加速度计80沿杠杆50的位置进行调节，直至加速度计50的输出信号的输出为所需值为止。

在所示的实施方案中，杠杆50用作机械运动放大器。支撑构件70用作支点。杠杆50和支撑构件70可响应于探针20或20A的运动而绕枢轴旋转，探针20或20A位于杠杆50着力部分的一端。加速度计80位于与上述着力部分相对的枢轴另一侧的杠杆50的负载部分一端。枢轴位于探针20和加速度计80之间。

如果杠杆50的负载部分和着力部分长度不相等，则加速度计80在杠杆50上的位点会比探针20在杠杆50上的作用点移动得更多或更少。当负载部分长于着力部分，杠杆50可放大探针20的移动，探针20的移动与受试者解剖结构的运动是对应的。加速度计64产生的电信号输出可根据需要放大和调节。

提供一种可调节的机械放大作用，可用于较大程度地消除仪器间的差异，并能对不同临床研究中心的相似装置10之间的数据结果进行比较。与只提供加速度计信号输出的电学放大的装置相比，通过例如杠杆50来提供的机械放大可有助于改善信噪比。

如图11所示，探针20可包括在一端具有分支末端部分的杆，所述分支末端部分通常由参考数字85标示。与末端部分85的臂87螺纹啮合的一对枢销86的尖端88被压入到杠杆50末端部分69的纵向相对的两边缘89中。由此，探针20旋转地与杠杆50相偶联。探针20的纵向运动可导致杠杆50旋转。

如图11和12所示，探针20延伸穿过保护壳90。例如通过将螺母94穿过末端92插入至与壳93的突出部分95的螺纹啮合部的方式，将壳90的环状末端部分92可拆卸地固定在壳93上。壳93固定在外壳24上。杠杆50的末端部分69伸入到壳93的突出部分95内并在其中与探针20偶联。可取下的保护套96安装在探针20的自由端，处于具有分支的末端部分85的对侧。

如图14所示，保护壳90具有开口的下端部分98，探针20的尖端(即套96的尖端)伸出穿过下端部分98。在套96一侧的末端部分98上提供有裂瓣99。裂瓣99可任选地为环绕探针20末端延伸的圆环的一部分，并且与探针20径向间隔开。使用时，受试者皮肤100在裂瓣99上伸展开。受试者主动脉弓的运动通过受试者的皮肤100传递至探针20的末端。产生响应时，探针20在箭头102所示的方向上往复运动。

一对导电体104A和104B将来自加速度计80的电信号传送至信号处理电路。在所示的实施方案中，电信号通过枢轴机构传送，支撑构件70通过该枢轴机构固定在外壳24上。图21更详尽地显示出了支撑构件70。

支撑构件70包括电绝缘的管状构件，该管状构件在相对的两末端有端盖106A和106B，从该端盖突伸出枢销72。每个枢销72可旋转地伸入到螺纹平头螺丝74中，螺纹平头螺丝74与螺纹护圈108螺纹啮合，螺纹护圈108转而与外壳24的壁110螺纹啮合。

与加速度计80相连的导体104A沿着管状枢轴构件70内部延伸至末端盖106之一(首个)106A，末端盖106A具有导电性。末端盖106A使导体104A穿过平头螺母72与导电体111电学连接，由此提供了电学连接关系而且不影响枢轴构件70自由旋转的能力。连接导电体111，以将其信号传送至合适的信号处理电路。类似地，导体104B通过另一导电末端盖106B与信号处理电路连接。在支撑构件70内，导体104A和104B沿管状导电防护罩112的内部延伸，管状导电防护罩112与末端盖106B相连。

装置10包括光学运动放大器，所述光学运动放大器提供了能显示心脏运动的其他机构。这些机构在图15中示出。在所示的实施方案中，支撑构件70带有一个携带镜114A的配件114。可包括激光的光源116将光束117导向至镜114A。被反射的光束被镜118和旋转镜119反射到构成显示器40一部分的显示屏120上。屏幕120为高余晖荧光屏。光束117在屏幕120上的轨迹代表被监测的心脏功能位移的波形。

另一镜115A通过配件115固定在支撑构件70上。可包括激光的另一光源122将光束123导向至镜115A，光束123又从镜115A反射到光敏器件124例如光电二极管或光电晶体管上。可转动镜119的电动机125受合适的控制器121(参见图20)的控制响应于来自光敏器件124的电信号，从而使镜119的旋转与支撑构件70的交替旋转运动同步。

支撑构件70还可带有一个携带镜126A的配件126(图16)以将来自光源128的例如激光的光束127反射到屏幕129上，屏幕129构成了显示器40的一部分。屏幕129为长余辉(long duration)荧光屏。心脏功能位移的幅度可通过监视屏幕129观察到。

如图17所示，屏幕129可被位敏二极管阵列130替代，二极管阵列130提供了一种数字输出，所述数字输出可指示出镜126A所致的光束127的偏转。

如上所述，偏向机构导致支撑构件70在这样一个方向上旋转，所述方向可使得探针20或20A偏向抵住受试者解剖结构的一部分，从在心脏循环的一段时间内受试者心脏的运动可导致探针逆该偏向力运动。在所示的实施方案中，该偏向机构包括固定在支撑构件70上的滑轮132。滑轮132通过绳索133与拉伸弹簧134的一端相连。弹簧134对侧端与绳索135连接，绳索135缠绕在滑轮136上。滑轮136固定在杆137上，杆137插入到外壳24的侧壁138中，并且杆137可通过旋转制动把手139调节以在支撑构件70上产生可调节的偏向转矩。这种偏置促使探针20或20A偏向被监测的受试者，从而有助于使探针与受试者偶联。可通过锁紧螺母140将把手139可松卸地锁定到与所要求的偏向力相对应的位置内。

图20图示出对装置10所获数据的处理。来自运动传感器80的信号由计算机系统44处理。诊断目标的波形或其他信息可通过数据处理器151从上述信号获得，并显示于计算机显示器150上，所述数据处理器151执行合适的数据处理算法，计算机显示器150可以是计算机44的显示器(图1)。显示器150例如可显示位移和加速度波形，以及加速度波形和位移波形这两者或两者之一的振幅的图形和/或文字标识。其他波形例如ECG波形也可显示在显示器150上。

连接电源152以向装置10的各部件供应电力。在某些实施方案中，电源152为计算机系统44的一部分。电源152通过功率调节器154向运动传感器80供应动力。按照需要，通过合适的模拟信号调节电路和放大电路调节运动传感器80的输出信号，并用模拟-数字转换器(ADC)153进行数字化。数字化的信号通过合适的数据通信通道(例如USB总线)被传输给计算机44。在所示的实施方案中，信号通过USB模块155、USB多路复用器156和USB隔离器157被传输到计算机44。

光源116、122和128也由电源152提供动力。通过位敏二极管阵列130测得的光束127的偏转可通过数据通道(通过USB模块158)输送至计算机44，以作为直接指示支撑构件70角位移的位移波形。

因为光源128可和屏幕129或者和位敏二极管阵列130仪器一起使用，所以它在图20中显示了两次。

外壳24具有用于连接辅助装置例如数字传声器160、数字ECG装置161和数字呼吸带162的插口159。这些辅助装置图示于图20中，并且在使用装置10时以已知方式与待监测的受试者相关联。

图20显示出来自数字传声器160、数字ECG装置161和数字呼吸带162的信号分别与各USB模块163、164和165相连接。USB模块163、164和165通过USB多路复用器156和USB隔离器157向计算机44输送数据。在所示的实施方案中，呼吸带162产生模拟输出信号。呼吸带的输出被模拟-数字转换器166转换为数字流。

图21示出了心脏运动波形的实例。曲线202(实线)为在受试者主动脉弓处检测到的运动的实例。曲线204(虚线)为在受试者的甲状软骨处检测到的运动的实例。在图21中，两个波形的振幅是通过将各模型的最大和最小振幅分别设置为+1和-1来标准化的。

在根据本发明某些实施方案的装置中，可同时记录各种心脏参数。例如，本发明的装置可记录并显示以下任何或所有参数：

·加速度，

·位移，

·ECG，

·心音图，和

·呼吸。

本申请描述的装置实例可以以多种方式变化。以下是所述装置的变化方式的一些非限制性实例。很多种传感器中的任一种均可被用于测量支撑构件70的位移。例如：

·可将小型线性电位计与支撑构件62偶联；

·可使用光学方法(包括上文所述的那些光学方法)；

·可整合加速度计80的输出；

·可连接旋转编码器以测量支撑构件70的角位置；

·可提供电容传感器；

·等等。

可提供许多偏向机构的任一种以使探针20或20A偏向抵住受试者的解剖结构。例如：

·可提供电磁机构以向杠杆50施加一个转矩；

·可在支撑构件70和合适的锚点问连接一个扭簧；

·可提供磁性机构以向杠杆50施加一个转矩；

·可提供电磁机构以向探针20施加一个力；

·可在探针20和合适的锚点间连接一个弹簧以向探针20施加一个力；

·可提供磁性机构以向探针20施加一个力；

·等等。

可提供许多种机构中的任一种以提供探针20或20A运动的机械放大。例如：

·该探针可导致凸轮运动，所述凸轮转而导致运动传感器所检测的放大运动。

·该探针可移动多连杆机械联动装置的连杆，所述多连杆机械联动装置导致运动传感器所检测的放大运动。

·可提供其他类型的运动放大机械联动装置以将探针与运动传感器相连。

可以以许多种替代方式处理并显示来自装置10的数据。数据处理可通过在计算机系统44上执行的软件来控制。例如：

·可以将装置10所检测到的波形的任何组合一起显示。这使得临床医生、研究者或其他观察者可以观察这些波形特征之间的相关性。

·可以计算不同波形之间的相关性。

·可计算一个波形的一个或多个选定区域的平均位移、速度和/或加速度。可计算一系列心搏波形的平均值。

·可识别并去除或标记由呼吸导致或者由受试者和装置10之间的相对运动导致的假象。

·可实时显示数据，或可以储存数据以用于以后的显示和/或处理，或者两者兼可。

如果需要，可将数据处理装置例如计算机系统44整合到外壳24内。

加速度波形可能解析起来比较困难。在本发明的某些实施方案中，加速度和位移波形会同时显示。位移波形可用于解析加速度波形，因为加速度方向特别是在等容期的加速度方向可通过位移来确定。获悉了加速度方向可以有助于诊断异常的左室运动，异常的左室运动是心肌损害的一个标志。当在心脏循环的各个时期中加速度方向与正常状况相反时，就表明存在反常的左室运动。位移波形和加速度波形的形状和振幅可表明左室壁的弹性程度。

如上所述，装置10使得能够从两个不同的身体部位(例如主动脉弓和气管)非侵入性地获得心脏运动的波形。在获得每个心脏运动的波形时可同时获得另一种信号例如ECG或心音记录。可在使用ECG或其他信号作为时相标记时，将心脏运动波形合并为单一的合并波形，从而提供比从单一身体部位获得的信息更具体的诊断信息。或者，可将信号处理技术用于使两种(或多种)心脏运动波形同步。可独立地分析这两个波形，并在彼此间进行比较，也可以与合并波形进行比较。可以例如通过叠加或消减两种心脏运动波形来获得合并波形。优选地，在合并之前对心脏运动波形进行振幅和时间标准化。装置10或计算机44可显示一种或多种波形。

用于显示或分析目的的心脏波形标准化可包括放大和/或向该波形施以偏移，以使波形的最大值和最小值为预定值例如+1和-1。或者可使用其他合适的标准化方法。例如，可使波形偏移以使其平均值为所需值例如0，然后将该波形放大以使其最大值(或最小值)为所需值例如+1(或-1)。

在某些实施方案中，ECG波形与代表心脏运动的波形一起显示。通常在ECG波形中出现QRS复合波后随即开始心脏循环的等容期。通过将心脏运动波形和ECG波形一起考虑可获得有用的诊断信息。

可通过构建列线图，以一种非常具有成本效益的方式利用装置10来测量射血分数。这可通过使用装置10获得测试受试者心脏循环的每个等容期和射血期的心脏循环幅度值来实现，所述测试受试者具有已知射血分数范围。对于休息状态的健康成人，射血分数已知为约67％。可通过让受试者进行运动来改变射血分数。另外，心脏异常的受试者在休息状态的射血分数也可能明显不同于67％。可通过获取回波心动描记图来测量测试受试者的射血分数。测试受试者优选地包括健康受试者以及通过超声心动图显像法测得的射血分数范围为17％-57％的受试者。可通过不使用存在瓣膜异常的迹象时的数据来避免错误。当等容期的高运动幅度值未与射血期的高运动幅度值一起出现时表明为瓣膜异常，反之亦然。

通过测量主动脉弓、甲状软骨或这两个部位的运动所获得的心脏运动数据可用于构建列线图。

装置10还可用于测量测试受试者在每个等容期和射血期的心脏运动幅度值。可构建列线图，从而可通过等容期和射血期的心脏运动幅度来指示射血分数。作为列线图的等价手段，一种至少基于等容期和射血期的心脏运动的幅度来预测射血分数的数学式可以被用于拟合来自测试受试者的数据。一旦构建了列线图或数学式，就可通过测量受试者心脏循环等容期和射血期的心脏运动幅度，并将这些值输入到列线图或数学式中来获得受试者的射血分数。

可以理解的是，可将本文所述的装置构建成可提供两种或多种用于同时感受心脏运动的不同传感器。所述不同的传感器可包括加速度传感器和位移传感器。可以使用多种传感器包括光学类型的传感器。偏向机构促成的与探针20或20A间的强偶联导致机械和光学放大，由此降低或避免了对高增益电学放大的任何需求和高增益电学放大可能导致的电噪声。本文所述的装置能够记录非常微弱但具有临床意义的心脏运动，例如，血流被动流入心室所致的运动。

简化的装置10可用于筛选心脏问题。在某些实施方案中，筛选装置可以不含有加速度计80及其相关电子器件。在该装置中，光束例如光束127响应于心脏运动而发生偏转，并可通过观察屏幕或电子显示器等上的光束偏转获得受试者心脏相关的信息。

除非另外指明，上文提及组件(例如计算机、软件、处理器、组装件、装置、电路、联接器等)时，所提及该组件(包括所提及的“手段”)应解释为包括该组件的等同物，即执行所述组件的功能(即功能上等同)的任何组件，包括与所公开的结构在结构上不等同的组件，所述公开的结构在本发明示出的示例性实施方案中执行所述功能。

虽然上文中已经述及了很多个示例方面和实施方案，但本领域技术人员仍可认识到其某些修改、变换、添加和亚组合。因此，随后所附的权利要求和此后引入的权利要求应解释为包括在其真实的精神和范围内的所有这类修改、变换、添加和亚组合。

Claims (46)

1.用于非侵入性地监测受试者心脏运动的装置，所述装置包括：

一个适于抵住所述受试者解剖结构的探针，所述探针在响应于受试者的心脏运动时可在第一方向上移动；

一个连接的运动传感器，所述运动传感器用于感受所述探针在第一方向上的运动；

一个偶联的偏向机构，所述偏向机构用于使所述探针在第一方向上偏向抵住所述解剖结构；

其中所述解剖结构为所述受试者的主动脉弓，此时所述第一方向与所述受试者的颈部约成45°的角度；或者所述解剖结构为所述受试者的气管，此时所述第一方向通常与所述受试者的颈部平行。

2.权利要求1的装置，包括一个支撑机构，所述支撑机构在所述受试者的外部，并在相对于固定所述装置的基座的适当位置上持有所述探针。

3.权利要求1的装置，其中所述运动传感器包括加速度计。

4.权利要求3的装置，包括一个连接的加速度显示器，所述显示器用于显示所述加速度计的输出。

5.权利要求1的装置，包括偶联在所述探针和所述运动传感器之间的机械运动放大器。

6.权利要求5的装置，包括与所述机械运动放大器相连以指示所述探针的位移的位移显示器。

7.权利要求5的装置，其中所述机械运动放大器包括绕枢轴旋转的固定杠杆。

8.权利要求7的装置，其中所述偏向机构包括用于向所述杠杆施加转矩的偶联的弹簧。

9.权利要求7的装置，包括用于向所述杠杆施加转矩以使所述探针偏向抵住所述受试者的器件。

10.权利要求7的装置，其中所述探针在固定杠杆的一端以绕枢轴旋转，在所述杠杆上提供有所述运动传感器，并且所述枢轴在所述探针固定端和所述运动传感器之间。

11.权利要求10的装置，其中所述杠杆与一个构件可旋转地偶联，所述构件被一个相对于固定所述装置的基座的支撑机构支撑。

12.权利要求10的装置，其中所述杠杆通过间隔开的导电枢轴可旋转地固定在所述装置上，所述导电枢轴彼此绝缘，并且所述运动传感器通过贯穿枢轴的电连接与信号处理电路偶联。

13.权利要求10的装置，其中所述运动传感器可沿所述杠杆移动以改变所述探针运动的机械放大量。

14.权利要求1的装置，其中所述探针包括适于将所述装置与所述受试者的主动脉弓偶联的细长构件。

15.权利要求14的装置，其中所述探针的自由端从保护壳的开口端伸出。

16.权利要求15的装置，包括一对间隔开的由所述保护壳支撑的裂瓣，并处于所述探针自由端的两侧。

17.权利要求15的装置，其中所述探针的自由端伸出由所述保护壳形成的环，其中所述环与所述探针的自由端被径向间隔开。

18.权利要求14的装置，包括可与受试者的下颌部和头部相吻合的下颌头支持物，以便在偶联所述探针以记录所述受试者主动脉弓运动时支撑受试者的下颌部和头部。

19.权利要求1装置，其中所述探针包括可与所述受试者的甲状上切迹相啮合的突出部。

20.权利要求19的装置，其中从所述突出部的横截面来看，所述突出部的侧面彼此相对倾斜并通过圆形下表面连接在一起。

21.权利要求19的装置，包括一对弹性臂，每个所述弹性臂分别位于所述突出部的每一侧。

22.权利要求1的装置，包括一个显示所述探针位移的位移显示器和一个位于所述探针和所述位移显示器之间的光学运动放大器。

23.权利要求22的装置，其中所述光学运动放大器包括固定在支撑构件上的镜子，和位于可将光束导向至所述镜子以得到反射光束的位置上的光源，所述位移显示器在所述反射光束的光路中。

24.权利要求1的装置，包括用于显示所述心脏运动幅度的一种装置和用于显示所述心脏运动位移的另一种装置。

25.权利要求1的装置，包括用于生成心电图波形的心电描记器和用于存储所述心电图波形和由所述运动传感器的输出产生的波形的存储器。

26.权利要求25的装置，包括用于将一种波形和另一种波形组合以获得组合的运动波形的器件，所述两种波形的每一种均由所述运动传感器的输出生成。

27.权利要求1的装置，包括用于支持所述受试者的平台，所述平台为可倾斜的，以将所述受试者置于头向下的姿势。

28.一种非侵入性地监测受试者的心脏运动的方法，所述方法包括：

施加一个偏向力以使探针在第一方向上偏向抵住所述受试者的解剖结构；

使所述探针响应于所述受试者心脏运动而逆所述偏向力移动；并且

测量所述探针的运动，

其中所述解剖结构为所述受试者的主动脉弓，此时所述第一方向与所述受试者的颈部约成45°的角度；或者所述解剖结构为所述受试者的气管，此时所述第一方向通常与所述受试者的颈部平行。

29.权利要求28的方法，其中测量所述探针的运动包括：机械放大所述探针的运动以获得放大的运动，并测量所述放大的运动。

30.权利要求29的方法，其中测量所述探针的运动包括测量感受到所述放大运动的加速度计的输出。

31.权利要求29的方法，其中机械放大所述探针的运动包括：使所述探针在距杠杆枢轴第一距离的位置处作用于杠杆，并在距所述枢轴的第二距离的位置处测量所述杠杆的运动，所述第二距离大于所述第一距离。

32.权利要求31的方法，其中施加所述偏向力包括向所述杠杆施加一个转矩，所述转矩使得所述杠杆倾向于绕所述枢轴旋转。

33.权利要求28的方法，其中所述解剖结构包括所述受试者的主动脉弓。

34.权利要求33的方法，包括将所述探针插入所述受试者垂管右侧后部并基本上与心脏的主轴平行，插入深度大于1.5英寸。

35.权利要求28的方法，其中所述解剖结构包括所述受试者的甲状软骨。

36.权利要求28的方法，包括在测量所述探针的运动时使所述受试者维持在头向下的姿势。

37.权利要求28的方法，包括在测量所述探针的运动时获取心电图。

38.权利要求37的方法，包括在显示器上既显示代表所述探针的运动的波形，又显示心电图波形。

39.权利要求38的方法，包括在存储器中存储心电图数据和代表所述探针的运动的数据。

40.权利要求28的方法，其中所述解剖结构构成第一解剖结构，所述方法包括将所述探针运动记录存储为第一数据，并且所述方法还包括通过以下方式来获得第二数据：

施加一个偏向力以使探针偏向抵住所述受试者的第二解剖结构；

使所述探针响应于所述受试者心脏运动而逆所述偏向力移动；并测量所述探针的运动；

以及结合第一数据和第二数据以获得合并的波形。

41.权利要求40的方法，其中结合所述第一数据和第二数据包括叠加所述第一数据和第二数据。

42.权利要求40的方法，其中结合所述第一数据和第二数据包括消减所述第一数据和第二数据。

43.权利要求40的方法，其中所述第一数据和第二数据的每一个都包括ECG波形，结合所述第一数据和第二数据包括基于ECG波形使所述第一数据和第二数据同步。

44.权利要求28的方法，包括在测量所述探针的运动之前进行校准步骤，所述校准步骤包括：

使所述探针进行已知的运动；并

调节机械放大器，直至与通过所述机械放大器与探针偶联的运动传感器的输出信号具有所需值为止。

45.权利要求44的方法，其中所述机械放大器包括一个杠杆，调节所述机械放大器包括沿所述杠杆移动所述运动传感器。

46.权利要求28的方法，包括在测量所述探针的运动时，通过所述受试者外部的支撑机构支撑所述探针。

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