CN102526879B - 用于起搏频率自适应调节的装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于起搏频率自适应调节的装置和系统，包括：带通滤波器，对加速度传感器感测到的加速度信号进行带通滤波处理；过阈值检测与计数单元，基于滤波后的加速度信号获得人体的运动强度评估值；心率适配单元，基于运动强度评估值根据预定义的适配曲线来获得对应的目标心率，适配曲线由逐渐上升的欠惯常心率段、平台状的惯常心率段、逐渐上升的超惯常心率段以及平台状上限心率段构成；以及平稳过渡单元，根据当前起搏频率和目标心率采取逼近曲线来更新起搏频率。所述装置和系统可实时敏感地捕捉人体运动的剧烈程度，据此迅速适配得出目标心率并更新起搏频率，实现当前起搏频率到目标心率的平稳过渡。

Description

用于起搏频率自适应调节的装置和系统

技术领域

本发明涉及一种用于起搏频率自适应调节的装置和系统。

背景技术

从第三代生理性起搏器开始，起搏频率自适应调节就成为心脏起搏器的一项必不可少的功能。起搏频率自适应调节功能是一种利用传感器感知人体运动情况、代谢状态以实时调节起搏频率的技术，它可以在很大程度上弥补心脏变时功能不全的问题，极大地改善病人的生活质量和运动耐受量。相反如果不具备此功能，则安装了起搏器的患者由于心脏变时性功能的缺失，使心脏活动不能随着身体代谢的变化而变化。

起搏频率自适应调节功能主要由特殊的传感器以及起搏频率自适应调节算法实现。它通过传感器感知与人体代谢水平相关的生理或非生理参数，并利用传感器的检测结果根据一定的算法和策略计算出“传感器指示频率”，以此提供与代谢水平相适应的起搏频率进而调整心输出量。

特殊的传感器主要分为运动传感器和生理参数传感器两大类。运动传感器采集加速度或压力信息，这些参数与运动强度直接相关，而运动强度又是改变代谢状况的最主要的原因。这类传感器具有响应速度快和长期稳定性好的特点，比较而言，加速度传感器比压力传感器特异性高，较少发生误感知的情况。生理参数传感器采集血氧饱和度、每分钟通气量或Q-T间期等生理参数，从而直接获得对人体代谢量的评估。这类传感器具有更高的特异性，能够准确地感知人体代谢的变化情况，但由于其往往需要消耗额外的能量，且响应速度过慢，因此目前在临床上应用较少，只有每分钟通气量传感器应用较为广泛。

参考文献1-4对于目前用于对起搏器的起搏频率进行自适应调节的方法和相关装置进行了说明，参考文献1-4具体如下：

参考文献1：John G..Webster.Design of Cardiac Pacemakers.Piscataway：IEEE Press，1995.290-334

参考文献2：Todd J.Sheldon等的标题为“Rate Responsive CardiacPacemaker with Tilt Sensor”且授权公开日为1999年9月28日的美国专利5957957

参考文献3：Kenneth M.Anderson和Dennis A.Brumwell的标题为“Rate Adaptive Pacer”且授权公开日为1984年6月31日的美国专利4428378

参考文献4：Frederik H.M.Wittkampf，Kornelis A.M.Mensink，Hendrik L.Brouwer的标题为“Rate Adaptive Pacemaker and Method ofCardiac Pacing”且授权公开日为1981年12月15日的美国专利4305396

参考文献1简要介绍了人体心率的自适应调节机制，详细说明了起搏器中起搏频率自适应调节功能所采用的各类传感器和控制策略；此外，对市场上几种型号的起搏器中基于运动传感器的起搏频率自适应调节功能进行了具体介绍，给出其实现电路以及自适应控制步骤。

参考文献2(也就是美国专利5957957)介绍了一种基于倾斜度传感器对起搏频率进行自适应调节的起搏器，它采用多个加速度计辅之以后续算法处理来获得倾斜度信号和运动信号，这两个信号可以表征人体的姿势以及运动剧烈程度，并据此调节起搏频率。此外，该频率自适应功能采用额外的算法获得上下台阶时的起搏频率，从而增加起搏频率的准确度和特异性。

参考文献3(也就是美国专利4428378)介绍了一种基于压力传感器对起搏频率进行自适应调节的起搏器，其对压力信号进行处理以获得人体运动量的评估，并根据事先给定的对应曲线，在预设的上下限之间给出与所述人体运动量的评估对应的起搏频率。

参考文献4(也就是美国专利4305396)介绍了一种基于心电检测对起搏频率进行自适应调节的起搏器，它不仅可以检测心跳信号，提取相关参数，优化起搏脉冲的发放频率，还可以跟踪监测病人的刺激阈值，并提供机制以根据该刺激阈值的事先给定的函数关系式来控制发放频率。

总体说来，频率自适应调节的算法结构有开环和闭环两种方式：在闭环调节方式中，传感器感知某种生理参数的变化并据此调节起搏频率以维持该生理参数在正常范围内波动；而在开环调节方式中，传感器既可以是生理参数传感器，也可以是运动传感器，传感器的输出信号作为算法的输入，算法以先验的统计数据为依据事先设定了传感器输出信号的某些特征参数与目标心率的对应关系，依照一定方式将当前起搏频率过渡到目标心率，并根据当前心率来调节起搏频率，在此过程中不考虑心率变化对生理参数产生的影响。尽管从表面上看，闭环调节方式更符合生理状况，但由于目前具备频率自适应调节功能的起搏器中使用的生理参数传感器种类有限，滞后效应严重，所以这种闭环调节方式并未在具备频率自适应调节功能的起搏器中占主导地位。

因此，需要提供一种用于对起搏频率进行自适应调节的装置和系统，其采用加速度传感器以及开环调节的方式，能够实时敏感地捕捉到人体运动的剧烈程度，并据此迅速适配得出目标心率并调节更新起搏频率，实现从当前起搏频率到目标心率的平稳过渡，从而不仅实时地满足运动强度引起的人体代谢要求，还能够避免心率突变以防止人体不适甚或对心脏造成不可恢复的损伤。

发明内容

本发明提供了一种起搏频率自适应调节装置，所述装置连接到加速度传感器，并包括：

带通滤波器，用于对利用所述加速度传感器感测到的加速度信号进行带通滤波处理；

过阈值检测与计数单元，用于基于滤波后的加速度信号获得人体的运动强度评估值；

心率适配单元，用于基于所述运动强度评估值根据预定义的适配曲线来获得对应的目标心率，所述适配曲线由逐渐上升的欠惯常心率段、平台状的惯常心率段、逐渐上升的超惯常心率段以及平台状上限心率段构成；以及

平稳过渡单元，用于根据当前起搏频率和目标心率采取逼近曲线来更新起搏频率。

优选地，所述带通滤波器的通带为4～12Hz，以便去除外界噪声和部分人体生理信号的干扰。

优选地，过阈值检测与计数单元通过对滤波后的加速度信号加窗，计算其在窗内越过各档阈值的次数，并对所述次数加权求和，作为人体的运动强度评估值。优选地，所述阈值能够调整，以适应不同人体不同生理状态的需求。

优选地，用于根据当前起搏频率和目标心率更新起搏频率的逼近曲线能够表示为：

$\mathrm{npr}=\mathrm{ppr}+(\mathrm{tpr}-\mathrm{ppr})\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\α}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{npr}=\mathrm{tpr}+(\mathrm{ppr}-\mathrm{tpr})\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\β}}}---\left(1\right)$

其中，npr是更新后的起搏频率，ppr是当前起搏频率，tpr是目标心率，式(1)是tpr大于ppr的情况，式(2)是tpr小于ppr的情况，α，β是用于调节过渡过程的快慢程度的时间常数。优选地，所述时间常数α，β可进行调整，以适应不同人体不同生理状况的需求。

优选地，所述适配曲线的形态能够通过调节各段起始处设定的运动强度评估值(简称各段起始设定值)、下限心率、惯常心率、上限心率中的一种或多种来调节，以适应不同人体不同生理状态的需求。

优选地，所述起搏频率自适应调节装置还包括起搏频率自动优化单元，用于维持起搏频率在各段区间内具有合理的时间分布。优选地，所述起搏频率自动优化单元通过如下步骤来维持起搏频率在各段区间内具有合理的时间分布：预先设置起搏频率在各段区间内合理的时间分布；记录最近一段时间内实际的起搏频率在各区间的时间分布，并每隔一定周期更新一次；将实际的时间分布与预设的时间分布进行比较；并基于比较结果，自动调节适配曲线中的各段起始设定值。

本发明还提供一种用于连接到起搏器并对其起搏频率进行自适应调节的系统，所述系统包括：

加速度传感器，用于感测和采集人体运动时的加速度信息；

上述的起搏频率自适应调节装置，连接到所述加速度传感器；

液晶显示装置和用户控制面板，连接到所述起搏频率自适应调节装置，用于实时显示更新后的起搏频率和目标心率，以及在起搏频率自适应调节处理之前，使得用户经由其对起搏频率自适应调节的参数进行调整；

输出接口，用于根据利用所述起搏频率自适应调节装置更新后的起搏频率输出调制信号，致使所连接的起搏器以所述更新后的起搏频率发起起搏脉冲。

根据本发明的起搏频率自适应调节装置及包含其的系统，能够与当前的各种起搏器协同使用，能够实时敏感地捕捉到人体运动的剧烈程度，并据此迅速适配得出目标心率并调节更新起搏频率，实现从当前起搏频率到目标心率的平稳过渡，从而不仅实时地满足运动强度引起的人体代谢要求，还能够避免心率突变以防止人体不适甚或对心脏造成不可恢复的损伤。

附图说明

为了更清楚地描述本发明的技术方案，下面将结合附图作简要介绍。显而易见，这些附图仅是本申请记载的一些具体实施方式。根据本发明的包括但不限于以下这些附图。

图1示出根据本发明实施例的用于对起搏频率进行自适应调节的系统的构成框图。

图2示出用于起搏频率自适应调节的方法的控制流程图。

图3示出了图1中的起搏频率自适应调节装置2的构成框图。

图4是用于计算与运动强度评估值对应的目标心率的适配曲线的示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面将结合实施例对本发明的优选方案进行描述。这些描述只是举例说明本发明的特征和优点，而非限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种可以应用于起搏器的、用于对起搏频率进行自适应调节的装置和系统。

图1示出了根据本发明实施例的用于连接到起搏器并对其起搏频率进行自适应调节的系统的构成框图。如图1所示，该系统主要由四个部分组成：加速度传感器1、起搏频率自适应调节装置2、液晶显示和用户控制面板3以及输出接口4。加速度传感器1被附着于人体，以感测和采集人体运动时的加速度信息。作为示例，可以采用ADI公司生产的ADXL345超低功耗三轴加速度传感器作为加速度传感器1，并可视人体运动的方向分布状况来选用其中单轴或多轴方向上的加速度信号。为了便于说明，当人体仅在单向上进行运动时，可以仅仅提取和利用所述三轴加速度传感器所检测的相应单轴上的加速度信号。将利用加速度传感器1感测到的加速度信息馈送到起搏频率自适应调节装置2，其执行频率自适应调节处理，包括：基于所述加速度信息得出运动强度评估值，所述运动强度评估值反映人体运动的剧烈程度；根据预定义的适配曲线计算与所述运动强度评估值对应的目标心率；并根据当前起搏频率到目标心率的缓慢过渡过程计算更新后的(例如下一秒的，视起搏频率的更新周期而定)起搏频率。例如，所述起搏频率自适应调节装置2可以利用单片机控制单元和EEPROM存储系统2来实现，其所执行的步骤可以通过烧录其中的程序代码来实现。具体说来，该单片机可以采用德州仪器公司(Texas Instruments)生产的MSP430系列单片机，其整合16位超低功耗微处理器和32.768KHz晶振的实时时钟，并且将程序代码烧录在单片机内的ROM存储单元中。所述起搏频率自适应调节装置2向液晶显示装置和用户控制面板3发送启用信息，使其能够进行当前心率和目标心率的实时显示以及使得用户能够经由其对频率自适应调节的参数进行调整，从而满足不同人体的不同情况。所述参数包括用于评估运动强度的阈值、决定适配曲线的形态的参数、用于影响平缓过渡过程的快慢程度的上升时间常数或下降时间常数等，并将在下文中进一步说明。此外，所述起搏频率自适应调节装置2将更新后的起搏频率馈送到输出接口4，使得输出接口4根据该更新后的起搏频率输出调制信号，致使所连接的起搏器以该更新后的起搏频率发放起搏脉冲。

图2示出用于图1中所示的系统的起搏频率自适应调节的方法的控制流程图。在接通电源步骤200后，首先初始化图1中的液晶显示装置和用户控制面板3以及起搏频率自适应调节装置2中的定时器、端口和计数器，即步骤201。接下来，执行步骤202，即检测用户控制面板的S1按键是否被按下，如果没有，则可以对用于起搏频率自适应调节的参数进行调整步骤203。一旦调整完毕，则按下S1按键，执行步骤204，即读入调整后的参数，使能定时器以及中断功能。然后，在液晶显示装置上实时显示当前起搏频率和目标心率，即执行步骤205。对于液晶显示装置上的首次显示而言，当前起搏频率和目标心率均被初始化为预先设置的下限心率。在液晶显示装置上实时显示之后，利用后续的频率自适应调节处理步骤对所显示的当前起搏频率和目标心率进行实时更新步骤206。然后，进行(例如2S的)延时步骤207，再回到液晶显示的步骤205以实时显示更新后的起搏频率和更新后的目标心率，如此循环步骤205-207，以保证目标心率的更新每隔所述延时周期(例如2S)进行一次。

图3示出了图1中的起搏频率自适应调节装置2的构成框图，其主要包括带通滤波器5、过阈值检测与计数单元6、心率适配单元7、平稳过渡单元9以及可选地起搏频率自动优化单元8。下面基于图3所示的起搏频率自适应调节装置2的各个构成单元，具体说明图2中的频率自适应调节处理步骤206的过程。首先利用带通滤波器5对加速度传感器1感测并采集到的加速度信号进行带通滤波处理，以去除外界噪声和部分人体生理信号的干扰。该带通滤波器5的通带为4～12Hz，这是综合考虑运动信号的频率分布以及滤波后的波形特征后所采纳的。利用过阈值检测与计数单元6基于滤波后的结果来获得人体的运动强度评估值。作为示例，综合考虑加速度信号的幅值和频率特性，对滤波后的加速度信号加窗处理，设置多档阈值，计算窗口内加速度信号越过各档阈值的次数并对该次数加权求和，作为在该时间窗中的人体的运动强度评估值，其中，越过越高阈值的次数具有越大的权重，且各档阈值大小能够经由用户控制面板3进行调整步骤203。可以视不同情况采取不同时间长度的窗口和不同档数的阈值，作为示例，窗口长度可以设置为2秒，并设置低、中、高三档阈值。

然后，心率适配单元7基于所述运动强度评估值根据预定义的适配曲线来获得对应的目标心率。图4中示出了三条适配曲线，横坐标为运动强度评估值，纵坐标为目标心率，每条适配曲线由逐渐上升的欠惯常心率段、平台状的惯常心率段、逐渐上升的超惯常心率段以及平台状上限心率段构成。图4中的下限心率表征人体在静息状态下的目标心率，惯常心率表征人体在经常性的运动状态下的稳定不变的目标心率，而上限心率表征人体在极端代谢水平下的目标心率。不同人体不同的生理状况对应不同的适配曲线，所述适配曲线的形态主要由如下参数来确定：各段起始处设定的运动强度评估值(简称各段起始设定值)、下限心率、惯常心率和上限心率，可以通过经由用户控制面板调整所述参数来生成适合的适配曲线。图4中所示的各逐渐上升段是线性的，这仅仅作为示例，视需要各逐渐上升段也可以采用曲线形状，诸如二次曲线、指数曲线等。

所述心率适配单元7将对应的目标心率馈送到平稳过渡单元9，后者根据当前起搏频率和目标心率采取逼近曲线来更新起搏频率，实现当前起搏频率向目标心率的平缓过渡。例如，所述逼近曲线可以用式(1)或式(2)来表示：

$\mathrm{npr}=\mathrm{ppr}+(\mathrm{tpr}-\mathrm{ppr})\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\α}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{npr}=\mathrm{tpr}+(\mathrm{ppr}-\mathrm{tpr})\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\β}}}---\left(2\right)$

其中，npr是更新后的起搏频率，ppr是当前起搏频率，tpr是目标心率，式(1)是tpr大于ppr的情况，式(2)是tpr小于ppr的情况。式中α，β是用于调节过渡过程的快慢程度的时间常数，可经由用户控制面板3进行调整步骤203，以适应不同人体不同生理状况的需求，同时防止了心率突变，避免由此引起的人体不适以及避免对心脏造成不可恢复的损伤。需要指出的是，平稳过渡单元9可以采用函数形式设置在单片机的中断区中，参见图2所示的控制流程图，程序主体不断循环，每隔1S触发一次中断，运行一次平稳过渡函数，保证当前起搏频率每1S更新一次。带通滤波器5、过阈值检测与计数单元6、心率适配单元7可以采用函数形式放置在程序主体中例如步骤206中，2S延时步骤207保证目标心率每2S更新一次。当前起搏频率的更新和目标心率的更新两者互不干扰。

可选地，起搏频率自适应调节装置2还可以包括起搏频率自动优化单元8，用于维持起搏频率在各区间内具有合理的时间分布。具体而言，在下限频率和上限频率之间每10bpm划分为一段区间，预先设置各区间内合理的时间分布。记录最近一段时间(例如一个月)实际的起搏频率在各区间的时间分布，并每隔一定周期(例如每天)更新一次。通过不断将实际的时间分布与预设的时间分布进行比较并基于比较结果进行调整。调整的方式是自动调节适配曲线中各段起始设定值，上文中已经提到，改变该参数可以改变适配曲线的形态，改变相同运动强度评估值所对应的目标心率，从而实现起搏频率在各数值区间的时间再分配，对于该参数的自动调节可以每隔上述周期(例如每天)进行一次。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，但这些改进和修饰也落入本发明权利要求请求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种起搏频率自适应调节装置，所述装置连接到加速度传感器，并包括：

带通滤波器，用于对利用所述加速度传感器感测到的加速度信号进行带通滤波处理；

过阈值检测与计数单元，用于基于滤波后的加速度信号获得人体的运动强度评估值；

心率适配单元，用于基于所述运动强度评估值根据预定义的适配曲线来获得对应的目标心率，所述适配曲线由逐渐上升的欠惯常心率段、平台状的惯常心率段、逐渐上升的超惯常心率段以及平台状上限心率段构成；以及

平稳过渡单元，用于根据当前起搏频率和目标心率采取逼近曲线来更新起搏频率，

其中，所述装置还包括起搏频率自动优化单元，用于维持起搏频率在各段区间内具有合理的时间分布。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述过阈值检测与计数单元通过对滤波后的加速度信号加窗，计算其在窗内越过各档阈值的次数，并对所述次数加权求和，作为人体的运动强度评估值。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述阈值能够调整，以适应不同人体不同生理状态的需求。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，用于根据当前起搏频率和目标心率更新起搏频率的逼近曲线能够表示为：

$\mathrm{npr}=\mathrm{ppr}+(\mathrm{tpr}-\mathrm{ppr})\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\α}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{npr}=\mathrm{tpr}+(\mathrm{ppr}-\mathrm{tpr})\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\β}}}---\left(2\right)$

其中，npr是更新后的起搏频率，ppr是当前起搏频率，tpr是目标心率，式(1)是tpr大于ppr的情况，式(2)是tpr小于ppr的情况，α,β是用于调节过渡过程的快慢程度的时间常数。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述时间常数α,β能够调整，以适应不同人体不同生理状况的需求。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述适配曲线的形态能够通过调节各段起始处设定的运动强度评估值、下限心率、惯常心率、上限心率中的一种或多种来调节，以适应不同人体不同生理状态的需求。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述起搏频率自动优化单元通过如下步骤来维持起搏频率在各段区间内具有合理的时间分布：预先设置起搏频率在各段区间内合理的时间分布；记录最近一段时间内实际的起搏频率在各区间的时间分布，并每隔一定周期更新一次；将实际的时间分布与预设的时间分布进行比较；并基于比较结果，自动调节适配曲线中的各段起始设定值。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述带通滤波器的通带为4～12Hz。

9.一种用于连接到起搏器并对其起搏频率进行自适应调节的系统，所述系统包括：

加速度传感器，用于感测和采集人体运动时的加速度信息；

根据权利要求1所述的起搏频率自适应调节装置，连接到所述加速度传感器；

液晶显示装置和用户控制面板，连接到所述起搏频率自适应调节装置，用于实时显示更新后的起搏频率和目标心率，以及在起搏频率自适应调节处理之前，使得用户经由其对起搏频率自适应调节的参数进行调整；

输出接口，用于根据利用所述起搏频率自适应调节装置更新后的起搏频率输出调制信号，致使所连接的起搏器以所述更新后的起搏频率发起起搏脉冲。