ES2960832T3 - Dispositivo cardíaco - Google Patents

Abstract

Dispositivo cardíaco que comprende un acelerómetro (4) y un filtro (6) dispuesto para eliminar el ruido de una señal SCG procedente del acelerómetro (4), así como un ordenador (8) dispuesto para aplicar un modelo toraco-cardiovascular. a la señal del filtro (6) y obtener del mismo al menos un indicador de actividad cardíaca (IC). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo cardíaco

Dispositivo cardíaco

La invención hace referencia al campo de la monitorización cardíaca.

Los ECG (electrocardiogramas) se utilizan habitualmente para el seguimiento médico de pacientes con cardiopatías. Algunas cardiopatías requieren un seguimiento diario o incluso continuo. En este contexto, los pacientes pueden vivir en casa, pero necesitan hacerse ECG varias veces al día.

Los ECG son exámenes no invasivos, pero son restrictivos en el sentido de que requieren la colocación de varios electrodos de manera bastante precisa y el uso de un aparato específico. En el día a día, el uso de estos aparatos plantea numerosos problemas y reduce considerablemente la movilidad de los pacientes, y la información que se deriva de ellos sigue siendo incompleta porque no dice nada sobre el estado mecánico del sistema (presiones y caudales, etc.).

Existen pruebas denominadas SCG (sismocardiogramas), que muestran datos sobre la actividad cardiaca medida por un acelerómetro. Esta prueba es menos exigente que un ECG, ya que se realiza aplicando un acelerómetro al tórax del paciente y utilizando como base las mediciones obtenidas. Además, el SCG contiene información sobre la mecánica del sistema cardiovascular, a diferencia del ECG.

Sin embargo, la interpretación directa de la información contenida en un SCG es muy delicada, aparte del propio ritmo cardiaco, debido a la complejidad de los fenómenos subyacentes, por lo que estas mediciones rara vez se utilizan en la actualidad.

Se conoce la solicitud US 2011/066041 A1 que describe la medición del movimiento/actividad, la frecuencia cardiaca y la respiración a partir de un único sensor que se lleva en el pecho. Se conoce la solicitud US 6024 705 A que describe la detección sísmica automatizada de la isquemia miocárdica y la medición asociada de los parámetros de gasto cardíaco. Se conoce la solicitud WO 2015/107374 A1 que describe un dispositivo de monitorización cardíaca. Se conoce la solicitud WO 2015/120330 A1, que describe un sistema para llevar puesto para la medición continua no invasiva de las constantes vitales. Se conoce el artículo M. Caruel et al., "Dimensional réductions of a cardiac model for effective validation and calibration", Biomechanics and modeling in mechabiology, vol. 13. n.° 4, 8 de diciembre de 2013, páginas 897-914, XP055320070, DOI: 10.1007/s10237-013-0544-6 que describe la reducción dimensional de un modelo cardíaco para una calibración y validación efectivas. Por último, se conoce el artículo de Laurin Alexandre et al, "A 3D model of the thorax for seismocardiography" COMPUTING IN CARDIOLOGY, N/A, 6 de septiembre de 2015, páginas 465-468, XP032865187, DOI: 10.1109/CIC.2015.7408687, que describe un modelo 3D para sismocardiografía.

La invención mejora la situación. Para ello, la invención propone un dispositivo cardíaco de acuerdo con la reivindicación 1.

Este dispositivo es especialmente ventajoso porque permite realizar un seguimiento cardíaco utilizando equipos muy extendidos y baratos, sin mediciones invasivas, y se puede llevar a cabo fuera del entorno clínico, lo que da acceso a importantes indicadores cardíacos sobre la mecánica cardiovascular, fuera del alcance de un ECG.

De acuerdo con diversas variantes, el dispositivo puede tener una o más de las siguientes características:

- el ordenador se diseña para calcular un indicador de actividad cardiaca, aplicando un modelo torácicocardiovascular para calcular un valor teórico de señal SCG, y aplicando al menos una función de corrección basada en la diferencia entre el valor teórico de señal SCG y el valor obtenido del filtro,

- el ordenador se diseña para aplicar al menos un filtro de Kalman o una combinación de un filtro de Kalman con un observador de Luenberger en dicha al menos una función de corrección,

- el acelerómetro y el ordenador se alojan en una única caja del dispositivo,

- el acelerómetro y el ordenador se alojan en dos cajas distintas del dispositivo,

- el dispositivo se diseña para emitir una señal en función de una comparación entre un indicador de actividad cardíaca calculado y un valor umbral, y

- el ordenador se diseña para recibir y procesar magnitudes relacionadas con la hemodinámica.

La invención también hace referencia a un método de seguimiento cardiaco de acuerdo con la reivindicación 8.

De acuerdo con este método, la aplicación del modelo torácicocardiovascular puede comprender:

- aplicar un modelo torácicocardiovascular para calcular el valor teórico de la señal SCG,

- determinar la diferencia entre el valor teórico de la señal SCG y el valor filtrado de la señal SCG,

- aplicar al menos una función de corrección basada en diferencias para determinar el indicador de actividad cardíaca.

Otras características y ventajas de la invención resultarán más claras con la lectura de la siguiente descripción, obtenida de ejemplos dados a título ilustrativo y no restrictivo, obtenidos de los dibujos en los que:

- la figura 1 muestra un diagrama general de un dispositivo de acuerdo con la invención,

- la figura 2 muestra un ejemplo de implementación de una función realizada por el dispositivo de la figura 1 ,

- la figura 3 muestra un ejemplo de implementación de una operación descrita en la figura 2, y

- las figuras 4 a 6 muestran ejemplos de señales obtenidas por el dispositivo de la figura 1, antes del filtrado, después del filtrado y después de un tratamiento de conformado, respectivamente.

Los dibujos y la descripción que figuran a continuación contienen, en su mayor parte, elementos de carácter cierto. Por lo tanto, pueden servir no sólo para mejorar la comprensión de la presente invención, sino también para ayudar a definirla, cuando proceda.

Es probable que la presente descripción incluya elementos que puedan estar protegidos por derechos de autor z/o copyright. El titular de los derechos no se opone a la reproducción idéntica por cualquier persona de este documento de patente o de su descripción, tal como figura en los archivos oficiales. Por lo demás, se reserva íntegramente sus derechos.

Además, la descripción detallada se complementa con el Anexo A, que ofrece la formulación de determinadas fórmulas matemáticas utilizadas en el contexto de la invención. Este apéndice se ha reservado con fines aclaratorios y para facilitar las referencias cruzadas. Forma parte integrante de la descripción y, por lo tanto, puede no sólo servir para mejorar la comprensión de la presente invención, sino también contribuir a su definición, cuando proceda.

La figura 1 muestra un esquema general de un dispositivo 2 de acuerdo con la invención. El dispositivo 2 comprende un acelerómetro 4, un filtro 6, un ordenador 8 y una memoria 10.

En el ejemplo descrito en este caso, el dispositivo 2 es un teléfono inteligente. De este modo, el teléfono inteligente se coloca contra el tórax del paciente, preferiblemente en contacto directo con la piel, pero alternativamente el paciente puede llevar puesta una camiseta o camisa, ya que un jersey probablemente amortiguaría demasiado las vibraciones producidas por los latidos del corazón. De este modo, todos los elementos del dispositivo están contenidos en un único objeto que, por su naturaleza, se mantiene cerca del paciente. Alternativamente, los componentes del dispositivo 2 podrían estar separados, estando el acelerómetro 4 alojado en una caja mantenida en contacto con el tórax del paciente y comunicándose por cable o de forma inalámbrica con otra caja que contenga los demás componentes.

En el contexto de la invención, el filtro 6 y el ordenador 8 son elementos que acceden directa o indirectamente a la memoria 10. Se pueden implementar en forma de código informático apropiado ejecutado en uno o más procesadores. Por procesadores se entiende cualquier procesador adecuado. Un procesador de este tipo se puede implementar de cualquier forma conocida, en forma de un microprocesador para ordenador personal, un chip dedicado del tipo FPGA o SoC ("system on chip" en inglés), un recurso informático de red, un microcontrolador o cualquier otra forma capaz de proporcionar la potencia informática necesaria para la implementación descrita a continuación. Uno o más de estos elementos también se pueden implementar en forma de circuitos electrónicos especializados, como un ASIC. También se puede contemplar una combinación de procesador y circuitos electrónicos.

En el contexto de la invención, la memoria 10 puede ser cualquier tipo de almacenamiento de datos capaz de recibir datos digitales: disco duro, disco duro de memoria flash (SSD), memoria flash en cualquier forma, memoria de acceso aleatorio, disco magnético, almacenamiento distribuido localmente o en la nube, etc. Los datos calculados por el dispositivo se pueden almacenar en cualquier tipo de memoria similar a la memoria 10, o en ella. Estos datos se pueden borrar o conservar una vez que el dispositivo haya realizado sus tareas.

Cuando el dispositivo se coloca contra el tórax del paciente y se inicia la adquisición de datos cardíacos, el acelerómetro 4 mide las vibraciones de la caja torácica del paciente y produce una señal S1. La figura 4 muestra un ejemplo de señal de salida obtenida del acelerómetro 4.

Acto seguido, la señal S1 se procesa mediante el filtro 6, en particular con el fin de eliminar el ruido. En efecto, la señal procedente del acelerómetro 4 (mostrado en la figura 4) tiene un alto componente de ruido, en particular por el hecho de que el acelerómetro no está en contacto perfecto con el tórax, y de que es probable que el paciente se mueva ligeramente durante la medición, etc.

El objetivo principal de la eliminación de ruido es filtrar la señal, identificar las secciones con ruido significativo e interpolar los datos en ellas. El filtro es un filtro de pasa banda que se utiliza para aislar las frecuencias de interés, como se muestra en la figura 5. Acto seguido, la señal filtrada se compara con una señal de referencia para identificar las zonas en las que el ruido impide el análisis inmediato. Acto seguido, se utilizan las zonas limpias periféricas a las zonas ruidosas, bien para analizar las zonas ruidosas, bien para sustituirlas.

El filtro 6 produce una señal S2, cuyo ejemplo se muestra en la figura 6, que corresponde a la señal sin ruido S1. Acto seguido, el ordenador 8 aplica un modelo torácicocardiovascular a la señal S2 con el fin de obtener la información cardiaca CI. En el ejemplo descrito en este caso, la señal S1, la señal S2 y los datos CI se almacenan en la memoria 10 junto con el modelo torácicocardiovascular.

El modelo torácicocardiovascular incluye:

- un modelo cardiovascular que asocia parámetros de modelización del corazón (módulo de elasticidad, contractilidad, tensión activa máxima de las fibras musculares, etc.), variables que representan el estado del corazón, en particular que describan sus deformaciones, y de la circulación sanguínea (elastancia arterial, resistencia periférica, presión arterial y venosa, etc.), una ley que representa las fuerzas de contacto aplicadas por el corazón sobre la cavidad torácica, en función de parámetros cardíacos y, opcionalmente, de parámetros que representen la posición (vertical/horizontal, etc.) del paciente, y

- un modelo torácico que comprende una función de transferencia entre las fuerzas de contacto aplicadas por el corazón y la aceleración inducida en la caja torácica.

En el ejemplo descrito en este caso, la cardiopatía objeto de seguimiento suele ser una insuficiencia cardíaca crónica, por ejemplo del tipo "miocardiopatía dilatada" (CMD). En este caso, el objetivo del seguimiento es prevenir el riesgo de empeoramiento, en particular de descompensación aguda, adaptando el tratamiento del paciente en función de la evolución de su estado.

En el caso que se describe en este caso, las magnitudes cardíacas que un cardiólogo deseará controlar son la variación del radio de la cavidad del ventrículo izquierdo (en lo sucesivo y), la deformación de las fibras musculares (en lo sucesivo ec), la rigidez cardíaca activa (en lo sucesivo kc), el esfuerzo cardíaco activo (en lo sucesivo tc), la presión aórtica (en lo sucesivo Par) y la presión arterial distal (en lo sucesivo Pd). Estas magnitudes, características del estado de la función cardíaca, se agruparán en lo sucesivo en un vector xc. Otras magnitudes de interés hacen referencia a ciertos parámetros de modelización susceptibles de evolucionar a lo largo del tiempo en función del estado del paciente, y estos parámetros son en particular la contractilidad (en lo sucesivo s0), la rigidez activa (en lo sucesivo k0) y la resistencia periférica (en lo sucesivo Rd). Estos parámetros se agrupan en un vector denominado T. Por último, a partir del vector xc y de los parámetros de modelización T se pueden obtener diversos indicadores que permiten seguir la evolución de la enfermedad. Estos indicadores, incluido en particular el gasto cardíaco (en adelante Q), se designarán en lo sucesivo mediante un vector CI.

El vector xc y el vector T se relacionan mediante las ecuaciones (10) a (60) del anexo A, donde las ecuaciones (10), (20), (30), (40), (50) y (60) designan relaciones independientes, y las ecuaciones (11) a (18) definen elementos de la ecuación (10). El artículo de M. Caruel et al, "Dimensional reductions of a cardiac model for effective validation and calibration", Biomech Model Mechanobiol, 2013 describe estas ecuaciones en detalle.

El sistema formado por las ecuaciones (10) a (60) se puede resumir en forma de la ecuación (100).

Una vez establecido este modelo cardíaco, se utiliza un modelo mecánico de fuerza cardiotorácica. Este modelo incluye una función de transferencia que convierte el vector xc en la fuerza ejercida por el corazón sobre el tórax.

Este modelo se resume en forma de la ecuación (110), donde f(t) representa la fuerza ejercida por el corazón en el estado asociado al vector xc(t), kcon representa una rigidez e ycon representa una distancia en reposo entre el tórax y el corazón.

A partir de esta fuerza, se puede aplicar un modelo torácico para determinar los desplazamientos del tórax bajo el efecto de la fuerza ejercida por el corazón. En términos generales, el tórax se puede modelizar como un conjunto de modos propios, es decir, funciones de desplazamiento independientes entre sí y dependientes de la aplicación de un componente de fuerza modal.

El modelo torácico se puede resumir en forma de la ecuación (120), en la que la matriz At representa la dinámica del sistema de modos propios que modela el tórax, y xt representa el vector que describe el estado del tórax en este modelo. La ecuación (125) muestra un ejemplo de implementación de este modelo, en el que el vector xt está modelado por at y su derivada temporal, donde at es el componente de cada modo seleccionado para el modelo, w es la pulsación natural de cada modo seleccionado para el modelo, xsi es el coeficiente de amortiguamiento de cada modo seleccionado para el modelo, y b es el coeficiente de excitación modal de cada modo seleccionado para el modelo.

Por último, a partir del vector xt que describe el tórax, es posible determinar una aceleración equivalente z(t) del tórax a través de la ecuación (130), en la que la función h() es una función de transferencia aplicada al vector xt del estado del tórax.

Por tanto, en una situación ideal, sería posible medir la aceleración z(t) del tórax y, a continuación, utilizar las ecuaciones (100) a (130) para remontarse hasta el vector xc y el vector T, permitiendo seguir la evolución de los parámetros pertinentes.

Sin embargo, el dispositivo 2 no puede medir perfectamente la aceleración del tórax, ni siquiera tras la eliminación de ruido. Por tanto, todos los datos que se pueden deducir son aproximaciones.

Con el fin de superar este problema, así como el hecho de que los operadores Ac y At, así como las funciones f() y h(), no son necesariamente invertibles, el Solicitante ha diseñado una función Calc() para complementar el modelo descrito anteriormente, y los ha discretizado.

De este modo, con la ecuación (140), el Solicitante ha introducido un vector de innovación que mide la diferencia entre la medición sin ruido Z(t) y la medición teórica z(t). Acto seguido, el vector de innovación se reintroduce en funciones de corrección basadas en un filtro de Kalman, o en una combinación de un filtro de Kalman con un observador de Luenberger, según se describe en el artículo de Moireau et al. "Joint state and parameter estimation for distributed mechanical systems", Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 197 (2008) 659-677. Estas funciones de corrección tienen la ventaja de garantizar una convergencia en una amplia gama de situaciones, en sólo unos pocos bucles de funcionamiento.

Por consiguiente, el Solicitante ha introducido las ecuaciones (200) y (220) para modificar las ecuaciones (100) y (120) con el fin de tener en cuenta estas correcciones, y ha introducido la ecuación (205) para tener en cuenta sus efectos en el vector T.

El ordenador 8 también puede recibir señales medidas por otros sensores, en particular mediciones no invasivas de magnitudes relacionadas con la hemodinámica (tensiómetro, tonometría radial, fotopletismograma, etc.), y combinarlas con los datos cardíacos determinados por el ordenador 8 para obtener indicadores cardíacos que permitan el seguimiento de cardiopatías específicas.

La figura 2 muestra un ejemplo de una función implementada por el dispositivo 2. En una operación 200, el dispositivo 2 ejecuta una función Init(). La función Init() inicializa el dispositivo 2, en particular seleccionando parámetros específicos del paciente relativos al modelo cardiovascular y/o al modelo torácico. Esta función puede realizar una operación de calibración cada vez que se enciende el dispositivo 2, o realizar esta calibración periódicamente o de una vez por todas.

Acto seguido, en una operación 210, el acelerómetro 4 mide las vibraciones del tórax del paciente y obtiene la señal S1 y, a continuación, en una operación 220, el filtro 6 ejecuta una función Filt() para procesar la señal S1 y obtener la señal S2. Por ejemplo, la función Filt() puede implementar el filtrado descrito en la tesis de A. Laurin "New timing estimations of cardiovascular events; application to seismocardiography, microneurography, and bloodpressure".

Por último, en una operación 230, el ordenador 8 ejecuta una función Calc() que aplica el modelo torácicocardiovascular a la señal S2 para obtener los datos cardíacos CI.

La figura 3 muestra un ejemplo de implementación de la función Calc().

La función Calc() tiene dos bucles que funcionan de forma idéntica, el primero de los cuales se utiliza para la inicialización y el segundo para la explotación.

En una operación 300, la función Calc() comienza con valores de inicialización para los vectores xc y T, así como un índice temporal i.

Acto seguido, en una operación 310, se aplica una función Sim1() con el índice i-1 como argumento. La función Sim1 () aplica de manera secuencial una versión discretizada de las ecuaciones (100) a (130), con el fin de determinar cuál sería el valor de z(t) para el instante correspondiente al instante i, calculado de acuerdo con el modelo teórico. Las ecuaciones (300) a (330) muestran una posible versión discretizada, por un método denominado explícito, de las ecuaciones (100) a (130) aplicadas por la función Sim1 ().

Acto seguido, en una operación 320, el ordenador 8 calcula el vector de innovación aplicando la ecuación (140), y la simulación se repite en una operación 330 con una función Sim2().

La función Sim2() recibe el vector de innovación I(i) para aplicar las ecuaciones (200) a (220), de forma discretizada de la misma manera que las ecuaciones (300) a (330), como aparece con las ecuaciones (400) a (430). En la práctica, la función Sim2() aplica una corrección obtenida del vector de innovación a los cálculos ya realizados con la función Sim1 (). Alternativamente, la función Sim2() podría repetir los cálculos en su totalidad.

Acto seguido, en una operación 335, se incrementa el índice i, y se ejecuta una función Conv() en una operación 340 para comparar la diferencia entre el valor h(i) procedente de la operación 330 y la medida Z(i) del acelerómetro 4 utilizado en la operación 320.

Cuando esta diferencia es mayor que un umbral elegido, entonces las funciones de corrección se siguen considerando insuficientes, y la función Calc() se reanuda con la operación 310.

Como se ha mencionado anteriormente, la convergencia mediante las funciones de corrección se consigue con bastante rapidez, por ejemplo utilizando mediciones del acelerómetro asociadas a un único latido.

Cuando la diferencia es inferior al umbral elegido, los valores determinados se consideran útiles y comienza el segundo bucle.

En el segundo bucle, se ejecutan operaciones 350 a 370 idénticas a las operaciones 310 a 330 con el fin de determinar los valores actuales del vector xt(i) y T(i). Acto seguido, en una operación 380, estas mediciones se visualizan y/o son objeto de un procesamiento relativo al seguimiento de la enfermedad con la ejecución de una función Proc(). La función Proc() también determina si quedan datos por procesar. Si es el caso, entonces el índice i se incrementa en una operación 385, y el segundo bucle se reanuda con la operación 350. En caso contrario,, la función Calc() termina en una operación 390.

A partir de los cálculos de la función Calc(), se pueden implementar un conjunto de funciones, como el envío de una señal de alerta al usuario o a un elemento del cuerpo médico (localmente o por comunicación remota), la visualización de los vectores xc y T calculados, el cálculo de indicadores cardíacos de CI a partir de los vectores xc y T, etc. El dispositivo de la invención permite complementar o incluso sustituir a varios aparatos de medición utilizados anteriormente pero no necesariamente sincronizados entre sí. Además, permite obtener mediciones directamente interpretables en situaciones en las que antes los profesionales médicos tenían que interpretar gráficos.

La función de cálculo puede llevar a cabo otros modelos tóracocardiovasculares del que en este caso se presenta como ejemplo, y recibir y preprocesar señales medidas por otros sensores, y en particular mediciones no invasivas de magnitudes vinculadas a la hemodinámica (tensiómetro, tonometría radial, fotopletismograma, etc.).

ANEXO A

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo cardiaco que comprende un acelerómetro (4) y un filtro (6) diseñado para eliminar el ruido de una señal de sismocardiograma, SCG, obtenida del acelerómetro (4); comprendiendo el dispositivo cardiaco además un ordenador (8) dispuesto para aplicar un modelo torácicocardiovascular a la señal derivada del filtro (6) y obtener de ella al menos un indicador (CI) de actividad cardiaca,caracterizado por queel modelo torácicocardiovascular comprende:

- un modelo cardiovascular que relaciona parámetros de modelización del corazón, variables representativas de un estado del corazón y de una circulación sanguínea, y una ley que representa las fuerzas de contacto aplicadas por el corazón a la caja torácica, y

- un modelo torácico que comprende una función de transferencia entre las fuerzas de contacto aplicadas por el corazón y una aceleración inducida en la caja torácica.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el ordenador (8) se diseña para calcular un indicador de actividad cardiaca (CI), aplicando el modelo torácicocardiovascular para calcular un valor teórico de señal SCG, y aplicando al menos una función de corrección basada en la diferencia entre el valor teórico de señal SCG y el valor obtenido del filtro (6).

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el ordenador (8) se diseña para aplicar al menos un filtro de Kalman o una combinación de un filtro de Kalman con un observador de Luenberger en dicha al menos una función de corrección.

4. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el acelerómetro (4) y el ordenador (8) están alojados en una única caja del dispositivo (2).

5. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el acelerómetro (4) y el ordenador (8) están alojados en dos cajas diferentes del dispositivo (2).

6. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, diseñado además para emitir una señal en función de una comparación entre el indicador de actividad cardíaca calculado y un valor umbral.

7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el ordenador (8) se diseña para recibir y procesar magnitudes relacionadas con la hemodinámica.

8. Método de seguimiento cardíaco, que comprende:

- obtener (210) una señal de sismocardiograma, SCG, a partir de un acelerómetro,

- filtrar (220) la señal SCG,

- aplicar (230) un modelo torácicocardiovascular a la señal SCG filtrada y obtener de ella al menos un indicador de actividad cardiaca,caracterizado por queel modelo torácicocardiovascular comprende:

- un modelo cardiovascular que relaciona parámetros de modelización del corazón, variables representativas de un estado del corazón y de una circulación sanguínea, y una ley que representa las fuerzas de contacto aplicadas por el corazón a la caja torácica, y

- un modelo torácico que comprende una función de transferencia entre las fuerzas de contacto aplicadas por el corazón y una aceleración inducida en la caja torácica.

9. Método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la aplicación del modelo torácicocardiovascular comprende:

- aplicar el modelo torácicocardiovascular para calcular un valor teórico de la señal SCG,

- determinar una diferencia entre el valor teórico de la señal SCG y el valor filtrado de la señal SCG,

- aplicar al menos una función de corrección basada en la diferencia para determinar el indicador de actividad cardíaca.