CN101340846A - 医学状况的检测和报警装置 - Google Patents

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CN101340846A CNA2006800479382A CN200680047938A CN101340846A CN 101340846 A CN101340846 A CN 101340846A CN A2006800479382 A CNA2006800479382 A CN A2006800479382A CN 200680047938 A CN200680047938 A CN 200680047938A CN 101340846 A CN101340846 A CN 101340846A
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Abstract

一种便携式装置检测诸如癫痫发作等医学状况。将所述装置实现在尽可能与表结合的腕带上，或者实现在头盔中。所述装置可以采用心率检测来识别与癫痫发作相关的特征模式。所述装置任选地结合一种以上的测量来排除假阳性。在癫痫发作的情况下，可以将与心率相关的测量和与身体运动相关的测量结合起来，以确保更高的准确度。

Description

医学状况的检测和报警装置
技术领域
本发明涉及用于检测医学状况(尤其是癫痫)的装置的领域。
背景技术
癫痫是一种最为常见的中风后的神经紊乱，全世界大约有六千万人患有这种疾病。在患有该种疾病的人中只有三分之二靠药物控制癫痫发作，另外7％到8％可能通过手术治愈。这样就有高达25％的患病群体，或者一千五百万人无法通过任何可以采用的治疗对癫痫的发作加以控制。在过去的十年当中，工程师和定量分析科学家已经收集到了这样的证据，即，癫痫发作并非像以前认为的那样是突然开始的，而是随着时间的推移而发展起来的，甚至在引发临床症状之前会存在几个小时的时间。
研究已经表明，心率测量能够预测癫痫发作。可以参考M.Zijlmans、D.Flanagan和J.Gotman的“Heart rate changes and ECG abnormalitiesduring epileptic seizures：prevalence and definition of an objectiveclinical sign”，Epilepsia，Vol.43，No.8，p.847-854，2002；和M.J.p.van Bussel的“Detection of epileptic seizures based on Heart ratepatterns”，理学硕士报告TU/e，Kempenhaeghe，学号0462628，研究生教授J.Bergmans，2005年4月。
发明内容
本发明的目的是更加准确、方便地预测诸如癫痫发作的医学现象。
可以通过创建结合了检测、处理和警报功能的诸如腕表或头盔等便携式装置来获得便利性。
可以实施多项检测功能，并在处理器中将它们的输出结合起来，从而对结果进行交叉检验，并删除假阳性，由此实现准确性。
通过本发明的具体实施方式和权利要求，其它目的和优点将变得显而易见。
附图说明
现在，将参考附图并利用非限制性的实例来描述本发明，附图包括：
图1示出了用于检测和/或预测癫痫发作的腕带式佩戴装置；
图2是图1的装置的示意图；
图3是心率随经过的时间的曲线，该曲线示出了癫痫发作的模式特征；
图4示出了一种癫痫头盔，在该癫痫头盔中设置了根据本发明所述的装置；
图5示出了用户接口装置；
图6是心率归一化单元的示意图；
图7是EEG分析单元的示意图；
图8是用于加速度计的分析单元的示意图；
图9是警报发生器的示意图；以及
图10是加权控制单元的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于检测和/或预测诸如癫痫发作等医学状况的腕带式佩戴装置。所述装置包括腕带101和任选的时计(time piece)102。虽然病人可以像借助腕表那样通过该装置方便地知道时间，但是这样的时计对本发明的功能而言不是必要的。所述腕带包括衬垫P1和P2，其包括诸如电极等传感器装置。可以使用更多或更少的衬垫P1……Pn。所述腕带还包括处理和显示部分CE。
可以采用诸如头带或胸带等其它类型的便携式医学器械来承载根据本发明的装置。有利地，可以将癫痫发作检测设备安装在癫痫头盔401内，如图4所示。
图2示出了在用于检测癫痫发作的优选实施例中采用的子装置的示意图。处理器201用于控制其它单元，并且用于处理来自其它单元的数据信号。所述处理器与用于存储数据和程序代码的至少一个存储单元208进行交互。所述数据可以包括供其它装置使用的癫痫发作检测阈值或模式信息。所述存储器优选能够保留历史记录信息，以供希望监测癫痫发作活动的保健专业人员进行周期性复查。如果预计很少进行医学复查和/或下载，那么可以以长时间段保留历史记录，例如，一个月或一年。可选地，如果预计将会更为频繁地进行下载和/或复查，那么可以以较短的时间段来保留历史记录，例如一天。处理器201被示为与其它装置分开，但是可以将一些处理功能分配给感测装置内的本地处理器。
使用心搏检测器204来提供用于表现佩带者的心搏的特征的信号。在本申请的开头处所引用的文章中，讨论了这样的心搏检测器。与美国专利No.5795300中的装置类似，这种检测器能够检测心率，或者它可以是实际收集与心搏相关的波形的更为复杂的EKG(心电图)类型的装置。在共同未决申请No.________(ID690694)中示出了心率检测器的实施例。
可以单独采用心率检测来检测癫痫发作；但是，由于癫痫发作以外的状况也能够引起心搏类型或心率的变化，因而希望通过其它感测装置来排除假阳性。例如，在一些情况下，可能难以将与癫痫发作相关的心搏变化和与运动或其它身体活动相关的心搏变化区分开。
如203所示，可以预期的一种其它传感器装置是运动伪影检测器。在L.B.Wood和H.H.Asada的“Active Motion Artifact Reduction forWearable Sensors Using Laguerre Expansion and Signal Separation，”，Proceedings of the 2005 IEEE，Engineering in Medicine and Biology27th Annual Conference，中国上海，2005年，9月，1-4日中公开了这样的一种检测器。这种类型的检测器能够对由装置运动所引起的心率测量误差进行校正。
包括一个或多个加速度计206-1、206-2、206-3也是有用的。一般地，需要一个以上的加速度计来检测多个方向(例如3个方向)上的加速度，以检测3个方向上的运动。所述加速度计可以与适当的处理器一起实施运动伪影检测，该适当的处理器可以位于201，或者可以是本地的一个或多个装置206-1、206-2、206-3，从而使单独的装置203不是必需的。虚线示出了装置203，从而表明它是任选的。除了检测因锻炼而产生的活动之外，还可以采用加速度计来检测与癫痫发作相关的兴奋的身体运动，从而可以将其与心率检测结合使用，甚至替代心率检测。
可以采用GPS装置来实现运动和位置检测。这样的装置可以跟踪病人的运动和位置。这对可随意离开诊所或居住场所的病人是有帮助的。采用GPS及其它装置跟踪目标是一项得到了完善发展的技术。例如，在电影中经常采用这样的跟踪来支持动画。可以采用其它类型的装置来收集运动数据或位置数据，例如，速度计或位置传感器。
所述装置可以任选地包括与EEG(脑电图仪)单元207的连接，从而在判断是否发生或即将发生癫痫发作时将心搏和运动信息与大脑活动联系起来。EEG数据被认为是检测癫痫发作的黄金标准，并且可以采用商用装置和算法来分析EEG数据，进而检测癫痫发作。如果腕带上承载了根据本发明所述的装置，那么必须将来自EEG单元207的信号从头部传送至处理器201，优选利用无线方式，或者经由皮肤传导，例如，在美国专利NO.6859657(PHB34，280)中对其进行了论述，本文将其引入作为参考。如果将根据本发明所述的装置实现在头带、帽子或头盔上，那么可以将EEG单元并入到所述装置内。
在检测到诸如癫痫发作等医学状况时，警报是大家所期望的，并且该警报可以由警报单元202提供。该警报单元可以具有任何适当的类型。它可以给出听觉或视觉指示。可以通过无线方式，将警报指示发送至本地监测站或远程监测站，由此可以派遣急救人员来处理情况。在癫痫开始发作期间，护理者就能够到达病人身边以给病人药物，或者更为妥善地安置病人。
所述装置还包括输入或输入/输出(I/O)设施205。该设施可以是有线的，例如，用于接收电缆或光缆的插座，也可以是无线的，例如，射频(RF)或红外(IR)接收器或收发器。或者，所述设施205可以允许插入某一类型的存储介质，以提供新的数据和/或软件。这种设施允许采用用于检测医学状况的标准或算法对所述装置重新编程。这些更新可适用于任何或所有的检测医学器械203、204、206-1、206-2、206-3和/或207，或者可适用于处理器201。这些更新可能源于正在进行的医学研究，或者源于与具体病人相关的特异性信号模式的临床观察。
例如，在本申请开头处引用的van Bussel的论文包括图3所示的图。该图示出了心率(单位是搏动数/分钟)与秒之间的关系。通过这样的数据得出了与癫痫发作相关的心动过速的模型，其包括线性加速度、可能的平台期和指数减速度。如果指数减速度显示出下冲，那么将该事件称为继心动过速之后的与癫痫发作相关的心动过缓。处理器201中的模式识别算法能够寻找这一模式。如果未来的某一时间的进一步研究揭示了更多的信息，那么可以将新的模式或算法输入到处理器201内。
人工智能领域已经发现了几种综合来自多个感测医学器械的结果的方法。H.Witte、L.D.Iasemidis和B.Litt的文献“Special Issue on EpilepticSeizure Prediction”，IEEE Transactions on Biomedical Engineering，pp.537-539，50(5)，2003年5月，描述了采用遗传算法来组合多个EEG输入，以预测癫痫发作。文中引用的供参考的美国专利申请No.09/718255论述了一种类型的多模型综合。PCT文献WO 0242242是该申请的对应文本。处理器201可以采用人工智能技术，例如，采用上述文献中描述的人工智能技术，从而对来自各个医学器械203、204、206-1、206-2、206-3和207的结果进行结合。还可以采用相关分析。或者，如下所述，可以仅仅采用归一化和加权信号的和。
结合来自几种医学器械的结果降低了假阳性的可能性。例如，在癫痫发作检测领域，加速心率模式可能是由锻炼导致的，模式识别算法可能将其与癫痫发作混淆。
更宽泛而言，可以采用便携式装置，例如一种带有多个感测医学器械以消除假阳性的腕带式佩戴装置来检测其它医学状况，例如，与睡眠紊乱或梦游症相关的腿动综合症。在这些情况下，结合了运动或加速度指示的心率也可以指示所述状况的存在。可以使用其它类型的感测医学器械来检测其它状况。
此外，可以单独采用所述单元内的各个装置来实现其它目的。例如，心率监测器或加速度计的输出可能对正在进行体育活动的病人有帮助。还希望所述装置出于病人选择的目的为病人提供将这些独立的输出离析出来的选择。
图5示出了可以在205上采用的用户接口装置。装置501可以包括屏幕502、用于插入线缆或线以便输入数据的插座503、控制按钮504和光标控制器505。可以将该装置连同处理器201一起置于腕带上的点CE处。可以将这样的接口安装在头盔401上，优选地将该接口安装在凹陷位置或添补位置内。可以采用屏幕502来指导病人如何使用所述装置或者给出癫痫即将发作的警报指示。屏幕502还可以为尝试研究或更新所述装置的服务人员或医务人员提供指导或其它信息。可以将连接器503连接至键盘或其它数据输入装置，或者连接至用于传输数据或代码的数据处理装置。还可以通过控制按钮504和光标控制器505手动输入数据。根据设计选择，可以采用其它按钮或控制装置来替代图5所示的按钮或控制装置。除了所述屏幕之外，或者作为它的替代，所述接口装置还可以包括扬声器，以实现与用户的通信。还可以添加LED指示器，或者对其加以替换。
一般而言，本发明的所有电子设备都必须坚固或者给所有这些电子设备加上衬垫，从而在因癫痫发作导致的兴奋的肢体运动过程中对它们加以保护。
图6-10的电路可以位于传感器203、204、206-1、206-2、206-4和207内，或者位于处理器201内，或者分布于所述传感器和处理器之间。此外，可以通过硬件或软件实现这些图中所示的功能。
图6是心率归一化单元601的示意图。可以将该单元并入到心率检测器204内。或者，它可以是处理器201的一部分。可以通过硬件或软件实现归一化。可以采用来自图8中的信号分析块的活动级A和医生从205经由输入I/O给出的阈值来对心率HR进行归一化，从而得到归一化心率HRN。通过执行归一化，能够允许将不同医学器械的输出加到一起。例如，如果心率在(例如)50和220之间变化，那么医生可以将诸如220之类的心率输入到I/O装置205内，从而使所述范围变为0到1。类似地，下文标为“归一化”的其它装置也将使它们的输出的范围在0和1之间。
图7是EEG分析单元的示意图。块信号调节单元701对来自EEG电极e1、……、en的信号进行放大和处理。该调节包括滤波和降噪。所述调节单元的输出为e1、……、en。将这些输出提供给开窗口块(windowing block)702，其具有三个输出。可以采用开窗口来选择将要使用的数据的长度。可以在A.v.Oppenheim和R.W.Schaffer的“Discrete-Time SignalProcessing”(Prentice Hall 1989)一书中找到有关开窗口的更多信息，例如，参考444-462页。块702的第一输出通往非线性处理块703，以得到输出fn。开窗口块702的另一输出通往傅里叶变换块707，从而得到输出ω。开窗口块702的第三输出通往平均单元706，从而得到输出t。之后，将三个输出fn、ω和t提供给块特征检测单元704，其输出被称为fe的特征，接着将fe提供给块判别分析器705。块判别分析器705提供输出d，在708对输出d进行归一化，这里的归一化与在图6的块601处进行的归一化类似。在N.
Figure A20068004793800121
的“Epileptic Seizure Detection：a Non-linearViewpoint”，Computer Methods and Programs in Biomedicine(2005)79，151-159中对每一单元703-705的块特征检测和判别分析给出了进一步的说明。
图8是与加速度计结合使用的分析单元的示意图。将来自加速度计的输入a1、……、am提供给运动分析单元801。在该单元中，在所接收的任何输入的控制下，对这些输入进行滤波，以去除与人的运动不一致的信号。将来自单元801的输出A提供给归一化单元802，并考虑来自I/O装置205的输入对其归一化。这些输入来自医生或其它装置的操作者，并且将包括与各个病人相关的数据，例如，性别、体重和年龄，这将有助于判断这个人的运动的正常范围。
图9是警报发生器的示意图。分别从图6、图7和图8的单元接收归一化的输入HRN、E和An。为这些输入添加相应的权重WH、WE和WA。最初，可以将所述权重设为1，但是以后可以响应于输入而对其加以改变，以强化或弱化某一参数。为了简化图示，未示出从线I/O到线WH、WE和WA的连接。之后，在901处，对经加权的输入进行相加，从而得到最终信号S，利用蜂鸣器或扬声器903，可使该最终信号S能够被听到，或者利用诸如LED 904或屏幕502等装置，可使该最终信号S能够被看到。或者，所述输出可以是无线的905，并被发送至护理者。
图10示出了加权控制单元1001，其获取来自图8的单元和单元205的I/O的输入，并利用它们生成WH、WE和WA。单元1001可以是查找表。
通过阅读本公开，其它修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这样的修改可能涉及在医学装置的设计、制造和使用中已知的其它特征，可以使用这些已知的其它特征来代替本文已经描述的特征，或者可以将这些已知的其它特征与本文已经描述的特征一起使用。尽管在本申请中将权利要求明确表述为特征的特定组合，但是应当理解，本申请公开的范围还包括文中明确或隐含公开的任何新颖性特征或特征的新颖性组合，或者其概括，不管其是否像本发明一样缓和了任何或所有的相同的技术问题。申请人据此通知，在本申请或者由其得到的任何其它申请的诉讼过程中，可以将新的权利要求表述为这样的特征。
不应将文中使用的词语“包括”或其变形视为排除其它元件。不应当将文中使用的单数冠词“一”或“一个”视为排除多个元件。应当将词语“或”理解成“和/或”。

Claims (20)

1、一种用于预测癫痫发作的便携式装置，包括：
·至少一个传感器(203、204、206-1、206-2、206-3、207)，其用于感测病人身体内的已知能够预测癫痫发作的物理现象，并且提供该现象的信号特征；
·与所述传感器(203、204、206-1、206-2、206-3、207)耦合的至少一个处理器(201)，其用于执行操作，所述操作包括对所述信号进行处理，以判断其是否满足癫痫发作的至少一个标准特征；
·至少一个输出装置(205、501、903、904、905)，其用于在满足所述标准时提供警报指示；以及
·至少一个固定设备，其用于将所述装置固定到病人的身体上。
2、根据权利要求1所述的装置，其中，所述固定设备包括用于至少承载所述处理器(CE)和所述输出装置(CE)的腕带(101)。
3、根据权利要求1所述的装置，其中，所述用于固定的设备包括用于承载所述传感器、所述处理器和所述输出装置的帽子(401)。
4、根据权利要求1所述的装置，其中，
·所述现象包括心搏模式(图3)；
·所述至少一个标准包括至少一个已知的用于预测癫痫发作的存储的心搏模式；以及
·所述处理装置采用人工智能算法来判断所述信号是否与所存储的模式匹配。
5、根据权利要求4所述的装置，其中，
·所述传感器还包括至少一个适于检测运动伪影、加速度或二者的运动检测装置(204、206-1、206-2、206-3)；
·所述传感器提供的信号包括与心搏模式以及在至少一个方向上的一个或多个运动伪影和加速度相关的信号；
·所述用于处理的装置根据至少两个标准来对所述信号进行分析，每一标准用于所述传感器提供的每种类型的信号，以创建综合分析结果；以及
·响应于所述综合结果，提供或者不提供所述警报指示。
6、根据权利要求1所述的装置，其中，
·所述传感器包括多个传感器，其包括心搏检测器204、用于检测在三个维度上的运动的至少三个加速度计(206-1、206-2、206-3)和EEG装置(207)；
·所述标准包括多个标准，其包括：
·与癫痫发作相关的至少一个心搏模式；
·被设计为用于将正常运动与癫痫发作运动区分开的至少一个第一运动标准；
·被设计为针对运动伪影校正心搏测量的至少一个第二运动标准；以及
·至少一个与癫痫发作相关的EEG标准；并且
·所述操作包括根据所述多个标准来考虑来自所述多个传感器的信号，以判断是否存在癫痫发作。
7、根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理装置采用来自所述传感器的信号来实现与癫痫发作检测分开的第二目的。
8、根据权利要求6所述的装置，其中，所述处理包括加权(WH、WE和WA)、和对来自所述传感器的归一化信号进行相加(901)。
9、根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器包括至少一个运动伪影检测器(203)，并且所述操作包括响应于至少一个运动伪影对来自至少一个其它检测器的信号进行校正。
10、根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器包括至少一个加速度计(206-1、206-2、206-3)。
11、根据权利要求1所述的装置，还包括用于接收数据和/或编程更新的输入装置(205)。
12、根据权利要求1所述的装置，其中，所述警报指示被提供给本地装置(502、903、904)。
13、根据权利要求1所述的装置，其中，所述警报指示经无线(905)发送到所述监测站。
14、一种用于检测癫痫发作的方法，其包括：在固定到病人身体上的至少一个便携式电子装置内执行下述操作：
·感测病人身体内的已知能够预测癫痫发作的物理现象，并提供该现象的信号特征；
·在至少一个处理器内执行操作，所述操作包括对所述信号进行处理，以判断其是否满足癫痫发作的至少一个标准特征；以及
·在满足所述标准时，提供警报指示。
15、根据权利要求14所述的方法，其中，所述现象包括心搏，并且所述标准包括已知的心搏模式。
16、根据权利要求14所述的方法，其中，所述现象包括运动，并且所述标准包括已知的运动模式。
17、根据权利要求14所述的方法，其中，
·所述现象包括多个现象，其包括心搏和运动；
·所述标准包括多个标准，其包括：
·与癫痫发作相关的已知心搏模式；以及
·与癫痫发作相关的已知运动模式；并且
·所述处理包括针对运动伪影对所述信号进行校正，并将所述信号与所述标准进行比较。
18、一种可由至少一种数据处理装置读取的介质，其包括使所述装置实施权利要求14所述的方法的代码。
19、一种用于检测医学状况的装置，其包括：
·便携式设备(101、501)，其适于附着至病人身体并且佩戴在病人身体上；
·至少一个传感器(203、204、206-1、206-2、206-3、207)，其与所述设备耦合，并且用于测量所述病人身体的至少第一物理特性和第二物理特性，并提供用于表示这些特性的信号；以及
·至少一个处理器(201)，其设置在所述设备内，并且适于执行操作，所述操作包括：
·至少采用分别与所述第一特性和第二特性相关的第一标准和第二标准来分析所述信号，以判断结合到一起的所述第一特性和第二特性二者是否表示所述医学状况；以及
·如果表示所述医学状况，那么提供警报指示。
20、根据权利要求19所述的装置，其中，所述至少一个传感器包括至少单个传感器(206-1)，其进行单个测量，利用该测量来判断所述病人身体的至少两种物理特性。
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