TW202211882A - 振動抑制設備 - Google Patents

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亞伯拉罕 Ａ 多哈傑爾
亞伯拉罕 亞歷山大 多哈傑爾
丹尼爾 Ｐ 多哈傑爾
麥可 克拉斯科
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美商肯尼提卡股份有限公司
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Abstract

用於減小一人所感知到的歸因於一人工心臟瓣膜的振動的系統及方法包括：一背心，該背心能夠圍繞該人之一軀幹穿戴；複數個感測器，該複數個感測器安裝至該背心；複數個振動生成致動器，該複數個振動生成致動器安裝至該背心；及一控制器。該複數個感測器偵測該人體內由該人工心臟瓣膜生成的振動。該控制器能夠操作以自該複數個感測器接收表示所偵測到的振動的信號，且能夠操作以產生實質上衰減該等所偵測到的振動的抗振信號。該複數個感測器中之一第一感測器定位於該複數個振動生成致動器中之一第一振動生成致動器附近以形成一感測器/致動器組。在該感測器/致動器組中，由該控制器針對該第一振動生成致動器生成的該等抗振信號對應於由該第一感測器偵測到的該等振動。

Description

振動抑制設備
本申請案要求於2021年9月22日提交且名稱為「VibrationSuppressionApparatus」的美國非臨時申請案號17/448,388的優先權，該申請案要求於2020年9月28日提交且名稱為「VibrationSuppressionApparatus」的美國臨時申請案號63/084,559的優先權，該等申請案兩者均特此藉由引用之方式全文併入。
本發明係有關於振動抑制設備。
心臟內及/或周圍的人工內部裝置，諸如人工心臟瓣膜，產生穿過身體的內部骨結構、組織等傳播的振動。瓣膜之顫動(打開及閉合)通過身體傳輸振動，且當此等振動波傳播時，它們被患者感受到。
此等振動的振幅可足夠大，以至於許多患者因此等振動而遭受睡眠剝奪及其他病症。在不同的身體姿勢下，振動可能令人非常不舒服，使患者晚上無法入睡。心臟瓣膜振動對患者生活品質(QOL)影響之研究表明，心臟瓣膜接受者可能經歷嚴重的睡眠障礙，這隨後可導致進一步的健康問題，諸如慢性壓力。此等睡眠問題的一些解決方案旨在改進機械心臟瓣膜之設計。其他解決方案涉及對患者的治療，包括藥物干預(諸如施藥鎮靜劑)，或非藥物干預(諸如認知行為療法及穿戴降噪耳塞)。然而，機械心臟振動對患者生活品質之影響仍然係一個重大的持續問題。
在實施例中，一種用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的系統包括：背心，該背心能夠圍繞人之軀幹穿戴；複數個感測器，該複數個感測器安裝至背心；複數個振動生成致動器，該複數個振動生成致動器安裝至背心；及控制器。複數個感測器偵測人體內由人工心臟瓣膜生成的振動。控制器能夠操作以自複數個感測器接收表示所偵測到的振動的信號，且能夠操作以產生減小所偵測到的振動的抗振信號。複數個感測器中之第一感測器定位於複數個振動生成致動器中之第一振動生成致動器附近以形成感測器/致動器組。在感測器/致動器組中，由控制器針對第一振動生成致動器生成的抗振信號對應於由第一感測器偵測到的振動。
在實施例中，一種用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的設備係背心，該背心能夠圍繞人之軀幹穿戴。複數個感測器係安裝至背心，其中複數個感測器偵測人體內由人工心臟瓣膜生成的振動。複數個振動生成致動器係安裝至背心。複數個感測器中之第一感測器定位於複數個振動生成致動器中之第一振動生成致動器附近以形成感測器/致動器組。
在一些實施例中，用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的方法涉及提供設置背心，該設置背心能夠圍繞人之軀幹穿戴。設置背心具有能夠重新定位於設置背心上的第一複數個感測器及第一複數個振動生成致動器。進行校準會話以定製第一複數個感測器及第一複數個振動生成致動器在設置背心上的放置。將背心提供給人，該背心具有根據來自校準會話的放置安裝於背心上的第二複數個感測器及第二複數個振動生成致動器。第二複數個感測器中之至少一個感測器定位於第二複數個振動生成致動器中之至少一個振動生成致動器附近以形成感測器/致動器組。
許多人患有導致手術及天然主動脈瓣或二尖瓣之置換的心臟或心臟瓣膜問題。存在幾種類型的人工心臟瓣膜；一些係機械的，而另一些由組織(人供體或動物組織)製成。然而，所有此等人工瓣膜，無論係機械瓣膜還係組織瓣膜，都會在心臟泵血時在整個胸腔內生成不希望的振動。此等振動穿過骨結構及胸部組織傳播。
本揭露之系統及方法涉及穿戴在人軀幹外部的振動抑制裝置，以顯著衰減患者所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動。振動可以包括患者所感受到的觸覺感覺以及患者所聽到的可聞噪音。振動抑制裝置呈由患者穿戴的胸部覆蓋件的形式，該胸部覆蓋件具有圍繞患者的軀幹定位的感測器。胸部覆蓋件可呈例如背心的形式。背心中之感測器讀取胸部外側上的由心臟瓣膜生成的振動。在一些實施例中，感測器與組中的振動生成致動器位於同一位置，以使得特定致動器的抗振信號係基於與其配對的感測器所感測到的信號。與針對整個系統生成的單一噪音消除相比，此等感測器/致動器組有利地提供了更準確的噪音消除。此類噪音可以包括可聞及/或不可聞信號。感測器及致動器可以放置在背心上的針對個體患者定製的位置。
在一些實施例中，本揭露之振動抑制系統獨特地學習個人的心臟瓣膜振動特性且定製振動消除信號以顯著降低彼等振動之影響。此類系統包括電子設備及微控制器，該等電子設備及微控制器使用來自感測器的實時資料以及專門設計的自適應軟體算法來預測下一個振動脈衝。電子設備驅動同樣位於背心上的振動生成致動器，以抵消來自患者體內人工心臟瓣膜的振動。該系統感知、學習、適應、預測並生成抗振脈衝，以使得顯著衰減所感知到的內部振動。獨特設計的信號消除方法用於對各患者的感測器進行算法校準，以解決患者間的可變性。
在本揭露中，振動抑制可被稱為抗振、振動消除、噪音消除或噪音抑制。由振動生成致動器生成的信號可稱為振動、脈衝或波。振動抑制應係指減小患者所感知到的振動，諸如將振動實質上或顯著降低、衰減、消除或取消到患者可接受的位準。
圖1展示了由胸部上的感測裝置測量的心音的典型心音圖100。心音通常包括至少兩個脈衝——在心縮期開始時由二尖瓣及三尖瓣閉合引起的S1，及在心縮期結束時由主動脈瓣及肺動脈瓣閉合引起的S2。各自的兩個週期在圖1中展示，標記為S1-1、S2-1、S1-2及S2-2，還展示了各自的特寫視圖。人工瓣膜生成的脈衝類似於圖1中所見的彼等脈衝。當由人工瓣膜生成的振動行進穿過胸腔時，它們會被神經末梢拾取，且隨後被患者感受到，這在許多情況下會導致焦慮及失眠。由人工瓣膜生成的振動可表現出患者與患者之間的可變性，諸如波形、頻率及/或振幅。可變性取決於各患者的內部骨結構及組織結構、密度及其他因素，因此很難以通用方式表徵振動。此外，在一天的過程中，個體的振動可變化，諸如歸因於體育鍛煉、壓力或睡眠。個體振動也會隨著時間的推移而改變，諸如歸因於衰老、體重減輕或增加或健康狀況的變化。因此，對人心音進行表徵非常複雜。
圖2係人軀幹200的橫截面示意圖，其例示了因個體而異且影響人體內振動信號的生成及傳輸的解剖學方面。在圖2中例示了皮膚210、軟組織220、心臟230、骨240a及240b及神經末梢250。骨240a以縱向視圖展示，諸如代表脊柱，而骨240b以橫截面展示，諸如肋骨。此等解剖學特徵之大小、位置、密度及其他方面會因患者而異，從而導致生成噪音消除信號的無法使用習知技術解決的複雜性。例如，患者之體重、身體質量及肌肉張力將影響振動穿過他們的胸腔傳播的方式。
本揭露中要解決的噪音振動的初始來源係人工心臟瓣膜260。即使將相同類型的瓣膜植入兩個不同的患者體內，所生成振動在兩個患者之間也會因兩個患者的個體生理而不同。振動穿過身體的傳輸在這兩個患者之間將也有所不同。噪音振動穿過軟組織220(肌肉、脂肪等)行進到骨240a、240b及皮膚210。身體許多部位的神經末梢250拾取振動並向大腦發送信號。根據骨在軟組織內之位置、存在的軟組織的類型(例如，肌肉對脂肪之比率)及神經末梢之位置及數量，不同患者對振動的感知將有所不同。為了解決此等振動聲音及身體感覺，本揭露描述了穿戴在患者的胸部上的振動抑制裝置270。振動抑制裝置270感測並分析由患者生成的心音，且分析並產生抗振信號以顯著降低患者所感知到的人工心臟瓣膜音。振動抑制設備270藉由使得能夠定製背心中的感測器放置來有利地適應具有不同解剖學結構的人。設備270還連續監測並適應患者的心臟信號，諸如藉由使用算法來預測性地分析並產生抗振信號。
系統應主要以穿在人胸部上的背心的形式進行描述，諸如在他們的衣服下面與皮膚直接接觸。然而，本揭露之可穿戴設備可以其他形式組態，諸如覆蓋心臟區域上方的胸部之至少一部分的帶、皮帶或條帶。在本揭露中提及「背心」的實施例也應適用於此等其他組態。
圖3A展示了根據一些實施例的背心300的實例，其含有振動抑制系統之組件。背心300具有至少覆蓋患者的心臟上方的區域的主要部分310。例如，主要部分310可以至少覆蓋胸部區域或肋骨架，或者可以覆蓋諸如自肩部到腰部的整個軀幹。在該實例中，背心300包括肩帶320，以幫助防止背心300在患者身上滑落。然而，在其他實施例中，不需要包括條帶320，使得設備僅包括主要部分310，如圖3B中的胸帶301所示。背心300可為男性及女性提供不同的版本，諸如具有不同的大小範圍、輪廓或樣式(例如，男性相對女性的更寬的條帶320)。背心300及胸帶301具有調整機構330以使得大小可調整以圍繞患者的軀幹固定。調整機構330係定位於使用者的背部上。調整機構330在圖3A中被例示為鉤眼閉合件，且在圖3B中被例示為鉤環緊固件。在其他實施例中，調整機構330可以係例如帶有滑動件/調整器的帶扣、按鈕、條帶及/或其他裝置。主要部分310由穿戴者感到舒適的軟材料製成，諸如天然或合成織物。在一些實施例中，該材料可以係彈性織物以允許隨著使用者的胸部擴張及收縮而伸展及收縮。在一些實施例中，主要部分310之材料可以被選擇為實質上隔離抗振信號以免沿著背心300或胸帶301橫向傳播的材料。
圖4A係展示了根據實施例的組件在背心400的主要部分中之示範性佈置的示意圖。為簡單起見，僅展示了背心400的前部區段。複數個感測器410及振動生成致動器420沿著背心400定位於不同位置處，以處理使用者胸部上的心音信號。振動生成致動器420產生抗振信號；即，衰減或減小患者所感知到的人工心臟瓣膜噪音的振動。與使用單一感測器及致動器相比，在系統中使用多個感測器410及致動器420(例如，至少兩個感測器及至少兩個振動生成致動器)提高了偵測信號的準確度及靈敏度且能夠更完全地衰減振動。
一或多個感測器410可以位於各振動生成致動器420附近，它們一起工作以形成感測器/致動器組430。在此等感測器/致動器組430中，各振動生成致動器420可生成對應於由感測器410在其位置附近的感測到的振動的衰減信號。即，複數個感測器中之第一感測器410可位於複數個振動生成致動器中之第一振動生成致動器420附近以形成感測器/致動器組430。在感測器/致動器組430中，由系統(例如，控制器)針對第一振動生成致動器生成的抗振信號對應於由第一感測器偵測到的振動。例如，可以指示或編程自/向感測器及致動器接收及發送資料的控制器以將成組的感測器及致動器彼此關聯。感測器/致動器組430可以包含例如一個感測器410及一個致動器420，或者一或多個感測器410及一或多個致動器420。在一些實施例中，二或多個感測器410被放置成彼此間隔一定距離，使得可以確定由二或多個感測器410感測到的振動的振幅的梯度。在使用壓電型感測器及振動生成致動器的一個實例中，感測器410及致動器420各自大約1/2吋平方且彼此相鄰或非常接近地放置。
具有其中抗振致動器根據在其位置附近感測到的振動生成信號的感測器/致動器組係有益的，因為振動將在相對於心臟的方向上變化。根據一些實施例的感測器/致動器組430有利地使得致動器420能夠專門將在該特定位置處感測到的振動作為目標。 感測器/致動器組430跨患者的胸部分佈，其中感測器/致動器組430的數量及它們之間的間距可以由諸如骨密度、肋骨結構及/或體脂肪百分比的因素確定。例如，與較瘦的個體或具有較低脂肪百分比的彼等個體相比，較重的個體或具有較高脂肪百分比的個體可需要更多的感測器及/或感測器之間的更小的間距。在另一個實例中，女性背心可被設計有不同於男性背心的感測器間距及位置，以適應女性與男性在胸部區域中的解剖學差異。如圖4A所示，感測器/致動器組430可以根據針對特定患者評估的噪音干擾以各種取向、間距及相對於彼此的配置進行配置。圖4A還例示，一些感測器410及致動器420可以彼此分開定位(亦即，不成組)，以便提供附加的感測資料或基於來自不同位置的多個感測器提供抗振信號。
圖4B展示了用於定製感測器及致動器在個體患者上的放置的「設置」背心的主要部分401的實施例。背心401包括可調整特徵(例如，圖3A至圖3B的調整機構330)，該等可調整特徵用於將背心大小緊貼在患者身上，以使得可以自患者適當地感測到振動並將其傳輸給患者。背心401具有用於在設置會話(在本揭露中也可以稱為校準會話或校準階段)期間附接及確定感測器410及致動器420的最佳放置位置的試驗表面460。試驗表面460可以包括供感測器及致動器可釋放地安裝至背心的多個連接位置。在一些實施例中，試驗表面可以包括撓性電路板及/或線束。試驗表面460可以位於背心401之內表面上，面向患者，以與患者的身體直接接觸。試驗表面460可經組態為背心401之工作區域之上的片材，或者比整個工作區域更小的條帶或片並放置在背心之不同區域中。
試驗表面460及/或背心材料可經組態有例如感測器410、致動器420及/或感測器/致動器組430所附接到的緊固件(例如，鉤子、夾子、黏合劑條帶)。實施例還可以包括其中可以保持感測器/致動器組430的隔室。緊固件及/或隔室使得感測器及致動器能夠重新定位於設置背心上，針對特定個體定製放置。在一些實施例中，試驗表面460可以包括位置標記——在圖4B中示為網格，該等位置標記印刷或繪製在試驗表面460上以用作感測器410及致動器420 (例如，單獨地或成對地作為感測器/致動器組430)的試驗位置的參考點。
在設置會話期間，感測器410及致動器420可以被移動、重新定向及以其他方式重新定位及調整以確定患者正在經歷具有最高信號振幅的心臟瓣膜信號的位置。在一些實例中，心臟瓣膜信號包括可聞及/或不可聞信號(例如，振動及/或噪音)。在設置會話期間可以改變感測器及致動器的數量及類型，以達成患者可接受的降噪結果。在一些實施例中，感測器410中之二或多個可操作以提供心臟瓣膜信號之振幅梯度，以便快速確定患者正在經歷具有最高信號振幅的心臟瓣膜信號的位置。在一些實施例中，可以藉由使用臨時放置在特定區域中的多個感測器來測量該區域中心臟瓣膜信號的梯度，以指導移動感測器的方向以獲得更好的信號。一旦利用設置背心達成了感測器及致動器的可接受放置，可以針對該患者製作定製背心，其中感測器及致動器在校準會話期間確定的位置中安裝至背心。
圖4A及圖4B還展示了電池440 (例如，薄的鋰離子鈕扣電池)，該電池為感測器410、振動生成致動器420以及處理向及自感測器410及振動生成致動器420的信號的電子設備450供電。在一些實施例中，無線充電器445用於給電池440充電。在一些實施例中，電子設備450可以容納在撓性電子板上以便穿戴者感到舒適。在其他實施例中，電子設備450及/或電池440可以與感測器410及振動生成致動器420進行電力及信號通訊，但可以不機械地固定至背心。
實施例可以包括為了使用者舒適而最小化電池440之大小。可以藉由例如提供省電模式以節省電池使用及/或使電子設備450低功率以提供更長的電池壽命來最小化電池大小。如果感測器讀數在特定時間段內沒有顯著變化(例如，如果患者久坐不動)，則省電模式可涉及不那麼頻繁地進行測量，或者在心音障礙不像其他區域那麼突出的區域中以不那麼頻繁的測量速率或致動速率操作某些感測器及振動生成致動器。在一些實施例中，系統可以具有用於當患者睡著時的睡眠模式，其中微控制器保持對使用者來說舒適的衰減位準，但由於患者睡著且沒有進行身體活動，因此不執行持續監測及未來心音的計算(從而節省電池壽命)。在一個實施例中，系統可以被編程為在夜晚的某個時間改變到睡眠模式。在另一個實施例中，系統可以與外部監測器(例如，患者的智能手錶或睡眠監測器)通訊，該外部監測器偵測患者何時入睡，且隨後指示振動抑制系統切換到睡眠模式。
在實施例中，用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的設備係背心，該背心可圍繞人之軀幹穿戴。複數個感測器係安裝至背心，其中複數個感測器偵測人體內由人工心臟瓣膜生成的振動。複數個振動生成致動器係安裝至背心。複數個感測器中之第一感測器定位於複數個振動生成致動器中之第一振動生成致動器附近以形成感測器/致動器組。
圖5展示了根據一些實施例的用於抑制由患者體內的人工內部裝置產生的振動的設備500的方塊圖。設備500係由使用者穿戴的胸部覆蓋件，諸如背心。設備500包括用於偵測由內部人工裝置(這裡示為機械主動脈瓣560)產生的振動的振動感測器510及用於生成振動消除波的振動生成致動器520。設備500還包括無線可充電電池系統540及電子設備550。電子設備550可以包括例如微控制器、類比數位轉換器、數位類比轉換器、BLUETOOTH ®及Wi-Fi連接、放大器及記憶體。
在圖5中，當心臟泵血並激活主動脈瓣560時，脈瓣膜562之移動產生振動。振動穿過瓣膜主體564傳輸，隨後穿過患者之骨結構570及胸腔之組織。此等振動被許多神經末梢580拾取，且隨後振動感覺被傳輸到患者的大腦。使用本揭露之振動抑制設備500，放置在胸部上多個位置外部的幾個振動感測器510也拾取此等振動。致動器520生成信號以減小患者所感知到的振動，從而提高舒適度及生活品質。
圖6係根據一些實施例的振動抑制系統600之方塊圖。該系統包括諸如由患者穿戴的背心或其他胸部覆蓋件的設備，其中可穿戴設備包括振動感測器610、振動生成致動器620、電池640、電池充電器645 (例如，無線充電器)及電子設備650。振動生成致動器620產生抗振信號，以衰減或減小患者所感知到的人工心臟瓣膜噪音。電子設備650包括類比數位轉換器652、控制器654 (例如，微控制器)及數位類比轉換器656。電子設備650還可以包括在與其他電子設備相同或分開的電路板上的無線傳輸系統670。在一些實施例中，振動抑制系統600與計算裝置660通訊，諸如外部電腦服務器或基於雲的計算系統。
無線傳輸系統670用於經由藍芽或Wi-Fi自振動感測器610、控制器654及振動生成致動器620向計算裝置660發射及接收所存儲的及實時資料。可以在初始患者校準階段及/或自患者之持續監測中收集資料，以通知算法655中參數之重新調整，該算法655可以係例如學習自適應預測(LAP)算法。可由算法655獲知的示範性參數包括心臟脈衝之特性(例如，波形形狀、S1與S2之間的時間間隙、S1及S2之振幅、S1及S2脈衝的頻譜(頻譜)內容)及彼等特性之權重。
可充電電池640給可穿戴背心中的組件供電。在一些實施例中，電池充電器645無線地給電池640再充電。在一些實施例中，電池充電器645可以包括實體連接器以經由插入式充電器給電池640再充電。可以經由手機應用或電腦向患者提供關於電池充電位準及/或系統狀態的資訊。
在使用期間，心音及振動680係由胸部背心中的振動感測器610偵測。來自振動感測器610的類比信號681被傳輸到類比數位轉換器652，隨後該類比數位轉換器652將數位資料682發送至控制器654。數位資料682由控制器654實時分析，且控制器654中的算法655生成抗振數位序列684。控制器654可操作以自複數個感測器接收表示所偵測到的振動的信號，且可操作以產生實質上衰減所偵測到的振動的抗振信號。在一些實施例中，算法655係LAP算法，其預測患者將經歷的下一振動並生成抗振數位序列684以衰減彼等信號。所預測振動之方面可以包括波形、頻率、振幅、脈衝持續時間、脈衝之間的時間及/或脈衝發生的延遲。抗振數位序列684視情況經由數位類比轉換器656轉換為類比信號686。抗振類比信號686或抗振數位序列684被應用於驅動振動生成致動器620，其根據需要向胸部及/或其他方向生成振動消除抗振信號688。
感測器610可操作以偵測機械振動及/或可聞噪音並將代表其的信號提供給類比數位轉換器652。感測器610可以包括但不限於心電圖(ECG)感測器、壓電感測器、微機電(MEMS)、加速度計、位移感測器、速度感測器、壓力感測器及/或麥克風。振動生成致動器620可操作以接收數位或類比信號並產生對應於接收信號的機械振動。振動生成致動器620可以包括但不限於觸覺致動器(例如，壓電致動器、線性諧振致動器及偏心旋轉質量致動器)及/或非觸覺致動器，諸如揚聲器或麥克風。
感測器610及振動生成致動器620在整個背心上都可以係相同的類型及/或大小，或者可以係多種類型及/或大小。由於振動向各個方向傳播，因此與單一感測器及致動器相比，在胸部皮帶中使用不同類型及/或位置的感測器及振動生成致動器可以更有效地消除患者所感受到的振動。
感測器610可用於偵測患者(或患者附近的人)所聽到的聲學空氣傳播的可聞咔嗒聲以及患者所感受到的觸覺振動。用於感測聲學聲音的感測器類型包括麥克風，諸如接觸式麥克風(例如，基於壓電的)及微機電(MEMS)麥克風。在一些實施例中，感測器可經組態來偵測在人可聞範圍內(例如，20 Hz至20 kHz)以及低於該範圍的頻率。例如，感測器可以包括在低於20 Hz的亞音頻(亦即，次聲)範圍內回應的麥克風。儘管患者可能聽不到次聲波，但該等資訊可有助於LAP算法預測未來的振動。用於拾取物理振動的感測器類型包括加速度計，例如三軸加速度計及壓電MEMS加速度計。來自聲學感測器及觸覺振動感測器的讀數可以相互關聯地使用以增強對噪音信號的識別。例如，可聞心臟瓣膜咔噠聲的響度可小於存在的其他聲音，且因此觸覺振動讀數可用於驗證聲學感測器所偵測到的哪些信號係由心臟瓣膜引起的。
感測器610還被選擇為具有低延遲，且回應速率與感興趣的心臟噪音頻率相比更快。選擇具有足夠聲學過載點(AOP)的感測器，以便感測器可感測到的信號振幅將不使麥克風過載。
可利用各種致動器620來解決藉由患者的聽覺感知到的振動噪音以及藉由患者的身體(例如，骨、軟組織)傳遞而由患者感受到的觸覺。在一些實施例中，致動器620及感測器610可以用作前饋或反饋振動及/或可聞噪音消除拓撲的一部分。在前饋拓撲中用作致動器的揚聲器之實例中，此類揚聲器可以自患者面朝外以消除自患者身體發出的可聞心臟瓣膜咔噠聲。用於拾取來自人工心臟瓣膜的可聞咔嗒聲的感測器(例如麥克風)可以與用作抗振致動器的揚聲器配對，其中麥克風經定位成使得它偵測離開背心的可聽噪音。相比之下，感測器610 (例如，麥克風)及致動器620可以儘可能靠近噪音/振動源放置，諸如緊鄰背心上特定感測器拾取待被消除的聲音的位置處靠近患者的皮膚。反饋揚聲器生成進入身體的聲音，以消除來自源(心臟瓣膜)的振動。
在一些實施例中，複數個感測器及複數個振動生成致動器可釋放地安裝至背心，從而使得能夠調整複數個感測器及複數個振動生成致動器的位置。在一些實施例中，複數個感測器及複數個振動生成致動器安裝於針對個體患者定製的位置。複數個感測器可以包括加速度計、麥克風、聲學感測器及/或觸覺振動感測器。複數個振動生成致動器可以包括觸覺致動器或諸如前饋麥克風的非觸覺致動器。
圖7展示了如由感測器偵測到的原始振動710 (S1-S2波)之示範性心音圖。抗振信號720 (抗振波S1'及S2')由致動器回應於原始振動而施加。由與抗振信號720相加的原始振動710產生的組合信號730將振動降低至患者可接受的閾值或患者未註意到振動的位準。在一些實施例中，當抗振信號720行進穿過胸腔時，該等信號消除或顯著減少在胸腔中的不同神經末梢處偵測到的振動信號。在其他實施例中，抗振信號720穿過空氣行進以消除患者所聽到的噪音信號。
在實施例中，本揭露之學習算法不僅可以分析對使用者產生干擾的振動，還可以分析患者的正常心律以提高預測未來心臟信號的準確性。例如，算法可以分析各心臟週期之血液攝入部分以實現超前估計並減小處理延遲。該等算法還可以學習在個體患者的心率加快或減慢之前的指標，這也可以實現更準確的估計並減小處理延遲。
圖8係根據一些實施例的用於減小患者所感知到的人工心臟瓣膜聲音的示範性係統800之方塊圖。該系統包括可穿戴裝置805 (例如，胸部背心)及使用者介面裝置850。使用者介面裝置850係來自可穿戴裝置805的板外設裝置且可以係諸如個人電腦或行動電話的電子裝置。使用者介面裝置850具有使用者應用852，該使用者應用852允許使用者(例如，醫師、技術員或患者)針對個體患者校準可穿戴裝置805。校準或設置會話可以在例如醫生辦公室或實驗室中進行。
在一些實施例中，算法855接收與人工心臟瓣膜相關聯的信號(例如，電信號、振動及/或可聞噪音)之類比或數位表示，確定用於(例如，藉由產生與振動或可聞噪音異相的消除信號)最大化患者所感受到的振動及噪音之衰減位準的各單獨致動器的單獨信號，並生成類比或數位信號或指令來控制各致動器，使得致動器產生實質上衰減與人工心臟瓣膜相關聯的信號的噪音或振動。衰減量可以根據患者對噪音及振動干擾的容忍度來設定，諸如希望將所感知到的噪音降低至少2分貝(dBs)，諸如降低至少3dB、降低至少4dB或降低至少6dB。在一些實施例中，無論使用者的偏好如何，算法都可以以達成至少最小衰減量(例如，至少3dB或至少4dB)為目標。
在一些實施例中，該算法實施此項技術已知的用於主動振動控制(AVC)的經典控制策略或現代策略。在一些實施例中，算法855實施比例積分微分(PID)控制算法。在一些實施例中，算法855實施模型預測控制(MPC)算法。在一些實施例中，與心臟相關聯的電信號(例如，ECG)用於確定與人工心臟瓣膜相關聯的信號被發射及/或將被發射的時間。在一些實施例中，算法855包括學習自適應預測(LAP)算法855，該LAP算法855使用人工智能來學習穿戴該裝置的個體之振動特性，且隨後基於彼等特性預測未來的振動。在一些實施例中，LAP算法係專門設計的預測算法，該算法使用先前接收的與人工心臟瓣膜相關聯的信號之類比或數位表示來預測與人工心臟瓣膜相關聯的信號之未來特性，諸如振幅、頻率內容及週期性。
使用者介面裝置850使得使用者能夠將生物特徵輸入854輸入並存儲到系統中。在設置會話期間，其可以係患者的初始設置或定期重新校準會話，使用者創建包括各種使用者生物特徵輸入854的簡檔。生物特徵輸入854可以包括諸如身高、體重、性別及年齡的資訊，該等資訊可以用作算法855的參數及/或經由使用者介面裝置850選擇預訓練模型856以與算法855之LAP算法一起使用。預訓練模型856可以自雲處理器(例如，圖6的計算裝置660)或自內置到使用者應用852中的選擇中檢索。
在使用LAP算法作為算法855之一部分的實施例中，下一步係在預訓練模型856或算法855之初始LAP算法之上運行校準過程，自可穿戴裝置805上的振動感測器陣列810獲取輸入。
可穿戴裝置805 (例如，設置背心401)包括用於感測器810及致動器830的多個位置。在一些實施例中，電腦資料庫或算法可以基於患者之解剖結構及他們的生物特徵輸入854來暗示感測器810及致動器830在可穿戴裝置805上的初始位置圖。電腦資料庫或算法還可以建議要使用的感測器810及致動器830之數量及類型。在校準階段期間，除了來自可穿戴裝置805的彼等測量之外，還可以使用輔助感測器820進行輔助測量。輔助感測器820可以包括用於測量心率的心率感測器及/或用於測量血壓的血壓監測器。在一些實施例中，可以執行履帶運動心電圖檢查，且在試驗期間記錄校準讀數，使得算法855之LAP算法學習患者的特定身體結構(例如，骨結構、骨密度、脂肪百分比、脂肪在胸部內的分佈、肌肉質量)影響由人工心臟瓣膜在體能活動期間生成的振動的方式。還可以在靜止模式下收集讀數，諸如在患者睡覺的不同身體姿勢下，因為在睡覺時振動通常對患者來說係最麻煩的。校準會話可用於找到偵測到最強振動信號的感測器位置，尤其係當患者躺下時。校準階段還可以涉及使用來自患者的主觀輸入來學習困擾患者的振動振幅之閾值。
一旦已經根據校準試驗確定了感測器及致動器之最佳位置，就基於在校準階段期間確定的放置來訂購患者的定製背心。在定製背心中，複數個感測器中之感測器及複數個振動生成致動器中之致動器至少部分地基於在校準階段期間進行的測量及收集的其他參數安裝於背心上的位置中。同樣，定製背心中所使用的感測器及致動器的類型及數量係基於在校準階段期間進行的評估。
在患者持續使用背心期間可以多次執行校準階段。例如，可以使用設置背心在初始會話中為患者執行校準階段。還可以在患者首次使用定製背心時執行校準，以檢查背心是否按計劃操作。校準也可以定期執行，諸如每隔幾個月，以進一步微調學習算法(除了學習算法持續進行的調整)及/或查看患者健康或其他狀況的變化是否已經影響背心滿足患者的需求的方式。在一些實施例中，在校準階段期間進行的測量可用於確定或重新調整感測器及致動器在背心上之位置，用不同類型的感測器及致動器替換感測器及/或致動器，或進行軟體調整。
在正常使用期間，胸部背心會感測到穿戴者胸部周圍多個點處的振動。基於感測器在可穿戴裝置上的位置佈局及基於患者的骨及組織結構，為各致動器各患者實施個性化模型，以確保最佳衰減。在一些實施例中，算法855之LAP算法對未來的振動做出預測，諸如強度、性質(例如，波形形狀)、頻率及/或延遲及/或下一個脈衝的發生時間，且對振動生成致動器830進行編程以生成消除脈衝。感測器810不斷地收集感測器讀數，且應用不斷地重新訓練算法855並輸出最佳模型以預測下一個振動脈衝。在一些實施例中，由感測器810進行的連續測量係以大於穿過骨及組織傳輸的心音圖信號的速率且大於與心音圖信號相關聯的最大頻率的速率進行的持續測量。例如，對於具有1-2 kHz頻譜的典型心臟振動信號，本實施例之測量算法可以利用係頻譜之最大頻率及/或頻帶寬度的至少兩倍的採樣率。
微控制器中的LAP算法在使用期間持續監測及測量振動及附近的聲音，以嘗試並預測下一個振動脈衝及致動器的對應消除策略。該系統可以利用模式識別算法及機器學習。該系統以低延遲組態，其中微控制器以非常快的速度循環，以使得信號的處理速度與比感興趣的頻率時段相比更快。
在一些實施例中，可以使用基於線性迴歸的模型來生成衰減如在患者的神經末梢處感受到的振動所需的抗振致動器波形輸出。一些實施例可以利用Darmois-Skitovich定理，該定理藉由來自獨立隨機變量的兩個線性形式的獨立性來表徵高斯分佈。Darmois-Skitovich定理已被用於通訊行業，以在不使用導頻信號的情況下有效地反轉通訊信道，並被放射科醫師用來嘗試使介入組織噪音基本上透明。
在各種實施例中，一種用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的系統包括：背心，該背心能夠圍繞人之軀幹穿戴；複數個感測器，該複數個感測器安裝至背心；複數個振動生成致動器，該複數個振動生成致動器安裝至背心；及控制器。複數個感測器偵測人體內由人工心臟瓣膜生成的振動。控制器可操作以自複數個感測器接收表示所偵測到的振動的信號，且控制器可操作以產生減小諸如實質上衰減所偵測到的振動的抗振信號。複數個感測器中之第一感測器定位於複數個振動生成致動器中之第一振動生成致動器附近以形成感測器/致動器組。在感測器/致動器組中，由控制器針對第一振動生成致動器生成的抗振信號對應於由第一感測器偵測到的振動。
在一些實施例中，控制器具有回應於來自複數個感測器的所偵測到的振動而對來自人工心臟瓣膜的未來振動進行預測的一算法，且其中控制器基於預測針對複數個振動生成致動器生成抗振信號。在一些實施例中，複數個感測器持續偵測振動，且控制器基於由複數個感測器偵測到的振動監測並自適應地調整算法。在一些實施例中，算法包含根據校準階段初始設定的參數，且參數包含心率、血壓或患者身體結構之測量結果。患者的身體結構可以包括脂肪百分比、骨結構及骨密度。複數個感測器基於來自校準階段的測量結果安裝於背心上的位置中。
在一些實施例中，系統包括與控制器通訊的使用者介面裝置。在一些實施例中，複數個感測器包含加速度計或麥克風。在一些實施例中，複數個感測器包含聲學感測器及觸覺振動感測器。在一些實施例中，複數個振動生成致動器包含觸覺致動器或非觸覺致動器。在一些實施例中，複數個振動生成致動器包含前饋拓撲中的揚聲器。
圖9係表示用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的方法的流程圖900。步驟910涉及提供設置背心，該設置背心可圍繞人之軀幹穿戴，該設置背心具有可重新定位於設置背心上的第一複數個感測器及第一複數個振動生成致動器。在步驟920中，進行校準會話以定製第一複數個感測器及第一複數個振動生成致動器在設置背心上的放置。在步驟930中，將定製背心提供給人，背心具有根據來自校準會話的放置安裝於背心上的第二複數個感測器及第二複數個振動生成致動器。步驟930的背心因此有益地針對個體患者的解剖結構及對所感知到的振動的回應而定製。第二複數個感測器中之至少一個感測器定位於第二複數個振動生成致動器中之至少一個振動生成致動器附近以形成感測器/致動器組。
實施例還包括提供控制器的步驟940，該控制器可操作以接收表示自複數個感測器偵測到的振動的信號，該等振動由人工心臟瓣膜生成。控制器可操作以產生抗振信號，該等抗振信號減小諸如實質上衰減所偵測到的振動。在感測器/致動器組中，由控制器針對至少一個振動生成致動器生成的抗振信號對應於來自至少一個感測器的感測器讀數。在流程圖900之一些實施例中，控制器具有回應於由第二複數個感測器產生的感測器讀數而對來自人工心臟瓣膜的未來振動進行預測的算法。在一些實施例中，控制器基於由第二複數個感測器偵測到的振動監測並自適應地調整算法。在一些實施例中，系統包括與控制器通訊的使用者介面裝置。在一些實施例中，複數個感測器包含加速度計或麥克風。在一些實施例中，複數個感測器包含聲學感測器及觸覺振動感測器。在一些實施例中，複數個振動生成致動器包含觸覺致動器或非觸覺致動器。在一些實施例中，複數個振動生成致動器包含前饋拓撲中的揚聲器。
已經詳細參考所揭示發明之實施例，該等實施例之一或多個實例已在附圖中圖解說明。已經藉由解釋本技術的方式提供各實例，而不係作為對本技術之限制。事實上，儘管已經關於本發明之特定實施例詳細描述了說明書，但將瞭解，熟習此項技術者在獲得對前述內容之理解後可容易地想到對此等實施例之更改、此等實施例之變化及等效實施例。例如，作為一個實施例之一部分例示或描述的特徵可以與另一實施例一起使用以產生又一實施例。因此，本標的旨在涵蓋在所附申請專利範圍及其等效物之範疇內之所有此類修改及變化。在不背離本發明之範疇(其在所附申請專利範圍中更特定地闡述)之情況下，一般熟習此項技術者可實踐本發明之此等及其他修改及變化。此外，熟習此項技術者應當理解，前述闡述僅係示範性的且不意欲限制本發明。
100:心音圖 200:人軀幹 210:皮膚 220:軟組織 230:心臟 240a, 240b:骨 250, 580:神經末梢 260:人工心臟瓣膜 270:振動抑制裝置 300,400:背心 301:胸帶 310,401:主要部分 320:肩帶 330:調整機構 410,510,610,810:振動感測器 420,520,620,830:振動生成致動器 430:感測器/致動器組 440,640:電池 445:無線充電器 450,550,650:電子設備 460:試驗表面 500:設備 540:可充電電池系統 560:主動脈瓣 562:脈瓣膜 564:瓣膜主體 570:骨結構 600,800:振動抑制系統 645:電池充電器 652:類比數位轉換器 654:控制器 655,855:算法 656:數位類比轉換器 660:計算裝置 670:無線傳輸系統 680:心音及振動 681:類比信號 682:數位資料 684:抗振數位序列 686:抗振類比信號 710:原始振動 720:抗振信號 730:組合信號 805:可穿戴裝置 820:輔助感測器 850:使用者介面裝置 852:使用者應用 854:生物特徵輸入 856:預訓練模型 900:流程圖 910,920,930,940:步驟
圖1係此項技術中已知的心音圖的實例。 圖2係根據一些實施例的具有振動抑制設備的人胸部之橫截面示意性側視圖。 圖3A展示了根據一些實施例的振動抑制設備之等角視圖。 圖3B展示了根據一些實施例的另一個振動抑制設備之等角視圖。 圖4A係根據一些實施例的振動抑制設備之圖示。 圖4B係根據一些實施例的設置背心之圖示。 圖5係根據一些實施例的人體上的振動抑制系統之示意圖。 圖6係根據一些實施例的振動抑制系統之電子組件方塊圖。 圖7展示了根據一些實施例的振動消除波形。 圖8係根據一些實施例的振動抑制系統之方塊圖。 圖9係根據一些實施例的用於減小人所感知到的歸因於人工心臟瓣膜的振動的方法之流程圖。
400:背心
410:振動感測器
420:振動生成致動器
430:感測器/致動器組
440:電池
445:無線充電器
450:電子設備

Claims (28)

  1. 一種用於減小一人所感知到的歸因於一人工心臟瓣膜的振動的系統，該系統包含： 一背心，該背心能夠圍繞該人之一軀幹穿戴； 複數個感測器，該複數個感測器安裝至該背心，其中該複數個感測器偵測由該人工心臟瓣膜生成的振動； 複數個振動生成致動器，該複數個振動生成致動器安裝至該背心；及 一控制器，該控制器能夠操作以自該複數個感測器接收表示所偵測到的振動的信號，且其中該控制器能夠操作以產生減小該等所偵測到的振動的抗振信號； 其中該複數個感測器中之一第一感測器定位於該複數個振動生成致動器中之一第一振動生成致動器附近以形成一感測器/致動器組；且 其中在該感測器/致動器組中，由該控制器針對該第一振動生成致動器生成的該等抗振信號對應於由該第一感測器偵測到的振動。
  2. 如請求項1之系統，其中該控制器具有回應於來自該複數個感測器的該等所偵測到的振動而對來自該人工心臟瓣膜的未來振動進行預測的一算法，且其中該控制器基於該等預測針對該複數個振動生成致動器生成該等抗振信號。
  3. 如請求項2之系統，其中： 該複數個感測器持續偵測該等振動；且 該控制器基於由該複數個感測器偵測到的該等振動監測並自適應地調整該算法。
  4. 如請求項2之系統，其中： 該算法包含根據一校準階段初始設定的參數；且 該等參數包含心率、血壓或患者身體結構之測量結果。
  5. 如請求項4之系統，其中該患者身體結構包括脂肪百分比、骨結構及骨密度。
  6. 如請求項4之系統，其中該複數個感測器基於來自該校準階段的該等測量結果安裝於該背心上的位置中。
  7. 如請求項1之系統，其進一步包含：與該控制器通訊的一使用者介面裝置。
  8. 如請求項1之系統，其中該複數個感測器包含一加速度計或一麥克風。
  9. 如請求項1之系統，其中該複數個振動生成致動器包含一觸覺致動器或一非觸覺致動器。
  10. 如請求項1之系統，其中該複數個振動生成致動器包含一前饋拓撲中之一揚聲器。
  11. 如請求項1之系統，其中該複數個感測器包含一聲學感測器及一觸覺振動感測器。
  12. 一種用於減小一人所感知到的歸因於一人工心臟瓣膜的振動的設備，該設備包含： 一背心，該背心能夠圍繞該人之一軀幹穿戴； 複數個感測器，該複數個感測器安裝至該背心，其中該複數個感測器偵測由該人工心臟瓣膜生成的振動；及 複數個振動生成致動器，該複數個振動生成致動器安裝至該背心； 其中該複數個感測器中之一第一感測器定位於該複數個振動生成致動器中之一第一振動生成致動器附近以形成一感測器/致動器組。
  13. 如請求項12之設備，其中該複數個感測器及該複數個振動生成致動器可釋放地安裝至該背心，從而使得能夠調整該複數個感測器及該複數個振動生成致動器的位置。
  14. 如請求項12之設備，其中該複數個感測器及該複數個振動生成致動器係安裝於針對一個體患者定製的位置中。
  15. 如請求項12之設備，其中該複數個感測器包含一加速度計或一麥克風。
  16. 如請求項12之設備，其中該複數個振動生成致動器包含一觸覺致動器或一非觸覺致動器。
  17. 如請求項12之設備，其中該複數個振動生成致動器包含一前饋麥克風。
  18. 如請求項12之設備，其中該複數個感測器包含一聲學感測器及一觸覺振動感測器。
  19. 一種用於減小一人所感知到的歸因於一人工心臟瓣膜的振動的方法，該方法包含： 提供一設置背心，該設置背心能夠圍繞該人之一軀幹穿戴，該設置背心具有能夠重新定位於該設置背心上的一第一複數個感測器及一第一複數個振動生成致動器； 進行一校準會話以定製該第一複數個感測器及該第一複數個振動生成致動器在該設置背心上的一放置；及 將一背心提供給該人，該背心具有根據來自該校準會話的該放置安裝於該背心上的一第二複數個感測器及一第二複數個振動生成致動器； 其中該第二複數個感測器中之至少一個感測器定位於該第二複數個振動生成致動器中之至少一個振動生成致動器附近以形成一感測器/致動器組。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包含：提供一控制器，該控制器能夠操作以接收表示自該第二複數個感測器偵測到的振動的信號，該等振動由該人工心臟瓣膜生成；且 其中該控制器能夠操作以產生減小該等所偵測到的振動的抗振信號。
  21. 如請求項20之方法，其中在該感測器/致動器組中，由該控制器針對該至少一個振動生成致動器生成的該等抗振信號對應於來自該至少一個感測器的感測器讀數。
  22. 如請求項20之方法，其中該控制器具有回應於由該第二複數個感測器產生的感測器讀數對來自該人工心臟瓣膜的未來振動進行預測的一算法。
  23. 如請求項22之方法，其中該控制器基於由該第二複數個感測器偵測到的該等振動監測並自適應地調整該算法。
  24. 如請求項20之方法，其進一步包含：與該控制器通訊的一使用者介面裝置。
  25. 如請求項19之方法，其中該第一複數個感測器及該第二複數個感測器包含一加速度計或一麥克風。
  26. 如請求項19之方法，其中該第一複數個振動生成致動器及該第二複數個振動生成致動器包含一觸覺致動器或一非觸覺致動器。
  27. 如請求項19之方法，其中該第二複數個振動生成致動器包含一前饋麥克風。
  28. 如請求項19之方法，其中該第二複數個感測器包含一聲學感測器及一觸覺振動感測器。
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