WO2008037820A1 - Sistema para la monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido - Google Patents

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WO2008037820A1
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monitoring
cardiorespiratory
analysis
respiratory
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Antonio LEÓN JIMÉNEZ
Luis Felipe Crespo Foix
Nicole Gross
Daniel Sanchez Morillo
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Universidad de Cadiz
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    • A61B2562/0219—Inertial sensors, e.g. accelerometers, gyroscopes, tilt switches

Definitions

  • the system object of this patent is based on the extraction of components of the signal captured by an accelerometer, obtaining and processing information of physiological data. It is, therefore, an invention linked to the field of Bioengineering, with applications in the field of Medicine, allowing the monitoring of various biomedical parameters and the aid in the diagnosis of Apnea-Hypopnea Sleep Syndrome (SAHS) and other cardiorespiratory disorders.
  • SAHS Apnea-Hypopnea Sleep Syndrome
  • SAHS hypopnea sleep apnea syndrome
  • PSG Polysomnography
  • the PSG demands in the majority of the occasions a stay in a Sleep Unit (during a night in which a specialist technician is present) for which there are important waiting lists. This means that a significant number of cases with moderate-severe apnea remain undiagnosed. This problem leads to the growing interest in finding alternative approaches to diagnosis, such as portable methods.
  • Yoshiro Nagai and Kitajima Kazumi proposes, together with the pulse oximetry means, the use of a triaxial acceleration sensor for the determination of the patient's position in the bed in order to correlate it with the oximetry measurement, supposedly to be able to determine the indices (AHI) (apnea and hypopnea indexes).
  • AHI indices
  • This system and other similar ones do not provide data about the snore activity or the cardiac rate.
  • buconasal thermistors are used for the detection of respiratory events (registering changes in temperature as a reflection of airflow). The results obtained with these systems are good in the diagnosis of apneas but show limitations in the detection of hypopneas.
  • John G. Sotos et al [13] use the signal from a microphone to evaluate aspects related to breathing while the patient remains awake or asleep, without this information providing relevant data regarding the condition of the apnea syndrome.
  • John G. Sotos et al [14] through two 2-axis acceleration sensors, capture the tracheal vibrations related to breathing and the subject's position, factors that may be necessary for the definition of some respiratory deficiencies, are not fundamental in the diagnosis of different types of apnea.
  • the non-respiratory parameter studied by the system is the electrocardiogram.
  • electrocardiography ECG or EKG
  • ECG electrocardiography
  • electrodes are fixed on the thorax, for which it is sometimes necessary to clean the area, shave or collect the hair.
  • the cardiac signal is monitored by pulse pulse oximeter.
  • Sierra, Gilberto et al [10] describe a method and device for the non-invasive monitoring of the respiratory and cardiac rate and apnea, by means of a sensor that detects the sounds and biological vibrations coming from the throat, presenting on a screen the results of the algorithms applied.
  • This information is very limited, especially if it is oriented towards the diagnosis of sleep apnea, given that the spectral analysis only provides average values over a wide signal interval.
  • the continuous monitoring of the respiratory signal allows the detection of events such as the cessation or resumption of thoracic movements, as well as the change of its intensity, typical in patients with sleep apnea, and whose monitoring continues to be possible through the proposed system in the present invention.
  • snoring in practice it is recorded by a small microphone, generally piezoelectric, located in the pretracheal area.
  • Campos et al [16] propose a system including the necessary hardware for the analysis of tracheal snoring by placing a highly sensitive microphone for the recording of sounds. This information oriented to pathologies related to apnea is insufficient for a moderately efficient diagnosis.
  • the object of the invention consists of a monosensor system of high sensitivity and sufficient bandwidth, to allow the acquisition of physiological signals (cardiac, respiratory and snoring signal) from which fundamental parameters are extracted for monitoring and aid in the diagnosis of SAHS and other cardiorespiratory pathologies.
  • physiological signals cardiac, respiratory and snoring signal
  • the system object of this patent provides a simple and reliable alternative to current methods of diagnosis allowing its home application by non-experts.
  • the exposed system provides information of the different cardiorespiratory variables useful for the diagnosis of the different types of abnormal respiratory phenomena during sleep (apneas, hypopneas and respiratory efforts associated with micro-arousals, disorders of cardiac and respiratory rhythms), recording time series one-dimensional scalars of these physiological variables, and treating them through various techniques of digital signal processing.
  • the invention allows:
  • SCG Sonocardiogram
  • TRG Thoracic Respirogram
  • RSS Snoring and sibilar sounds
  • HR heart rate
  • HRV heart rate variability
  • SPA sympathetic activity - parasympathetic
  • BTA brady-tachypnea
  • bagosensora activity snore activity: events / hour
  • Figure 1 is an orientation view of the location of the sensor in practice.
  • the triaxial accelerometer sensor must be fixed to the surface of the skin, over (to supraextemal cavity (1) and its output connected the microprocessor system of acquisition and treatment of the signal.
  • Figure 2 represents schematically the physical system on which the invention is based and Figure 3 shows the different stages of information processing until the generation of information useful for diagnosis.
  • Figure 4 shows the shape of the data captured by the accelerometer and the corresponding records of the flow and ECG signals captured by the conventional sensors used in the nocturnal polysomnography.
  • Figure 5 shows the accelerometer signal and the cardiac signal component extracted in the same time interval by filtering.
  • FIGS 6 and 7 show the results provided by the algorithms applied to the Ia cardiac signal obtained.
  • Figure 8 shows the extracted respiratory component and the oronasal flow measurement obtained by means of thermistors included in the PSG. In the lower part, both signals are superimposed, verifying a perfect correspondence.
  • Figure 9 shows the signals of oxygen saturation (SpO2) and respiratory flow provided by the polysomnogram (PSG) and the corresponding filtered signal of the accelerometer, during a typical episode of obstructive apnea.
  • Figure 10 shows the results of the extraction process of the high frequency components of the accelerometer signal linked to the sounds emitted, and especially to snoring. Detailed description of the invention.
  • the system comprises the following physical and logical components (hardware and software):
  • An accelerometer with a sensitivity equal to or greater than 100 mV / g and a frequency response of ⁇ 3 dB between 0.1 and 2000 Hz. It is important to note that an accelerometer records the acceleration components on its sensory axes. It is possible to find various biaxial or triaxial sensors that meet the cited specifications, and any of them can be used for the presented invention.
  • the accelerometer signal is conditioned, in a preprocessing unit, by means of a preamplifier, amplifier and anti-aliasing filter.
  • microprocessor controls the sampling at frequencies not inferior to 1024 samples with a resolution of 12 to 16 bits.
  • This microprocessor system can be implemented physically by one or several devices, capable of complying with the functions described. They can be general purpose or specific systems, such as microprocessors, microcontrollers, digital signal processors, specific application integrated circuits (ASIC), personal computers, PDAs, smartphones, etc.
  • the data will be stored in any storage system or combination of these, such as volatile memories (DRAM), non-volatile, hard drives, CD-RW, DVD, removable memory (SD cards, MMC, ...) of higher capacity or equal to 500 Mbytes. (See figure 2).
  • a previous filtering of the previous workspace is applied, for the elimination of artifacts in the measurement, generating a new record of data free of faults.
  • This preprocessing can include the truncation or interpolation on the original record, and the normalization of the data set, contemplating the elimination of data above a certain threshold (figures 2 and 3).
  • the signal resulting from the previous low-pass filtering is subjected to a calculation step in the time domain, based on an algorithm for estimating crossovers by zero.
  • the instantaneous respiratory rate is obtained directly from this value. From these values are derived the different types of breathing rhythms (normapnea, taqiapnea and brachypnea).
  • the respiratory component and the rate are stored by the system.
  • the ridges R produced by the ventricular concentration and corresponding to the QRS complex of the cardiac signal and the intervals between them (RR interval), which allow the study of viability, are extracted. of heart rhythm (HRV).
  • HRV heart rhythm
  • This processing is based on the most common algorithms for the detection of QRS complexes, although others can be used that lead to effective results in the detection of R ridges ( Figures 5, 6 and 7).
  • the component corresponding to snoring can be extracted from the electrical signal at the output of the acceleration sensor, applying a bandpass filter with cutoff frequencies around the vocal frequencies.
  • Figures 10 and 11 show the signals from the acceleration sensor and a microphone captured for a patient.
  • the snoring intervals are identified at the output of the filtering stage. These intervals can help identify segments of interest for a more specific analysis of the other components.
  • the snoring signal at the filter outlet and the corresponding intervals are stored for a possible subsequent evaluation.
  • SAHS sleep apnea-hypophoea syndrome
  • the presented and exposed invention consequently supposes a simplification of the tests for the diagnosis of certain dysfunctions associated with sleep disorders such as sleep apnea-hypopnea syndrome (SAHS), it provides help in the diagnosis of cardiorespiratory disorders evaluated over long periods of time and also has applications beyond respiratory physiology, (eg cardiology).
  • SAHS sleep apnea-hypopnea syndrome
  • the proposed method includes the following phases:
  • Test for the collection of patient data with the placement of the bi or triaxial accelerometer sensor fixed to the surface of the skin, on the supraexternal cavity ( Figure 1). The test is carried out during a period fixed by the specialist and allows generating a first work space. It is oriented to its nocturnal performance and allows registrations of up to 10 hours.
  • the acquisition of data is done by the acquisition system that conditions the signal through an amplifier preamplifier and anti-aliasing filter.
  • the sampling is done with frequencies not inferior to 1024 samples.
  • the data obtained is stored in the registry for processing or transmission.
  • a prior filtering of the signal is applied, for the elimination of artifacts in the measurement, generating a new data record free of faults.
  • This preprocessing can include the truncation or interpolation on the original record, and the normalization of the data set, contemplating the elimination of data above a certain threshold (figures 2 and 3).

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Abstract

Sistema para la monitorización y análisis de señales cardiorespiratorias y del ronquido. El sistema objeto dé esta patente se basa en la extracción de componentes de la señal captada por un acelerómetro obteniendo información de datos fisiológicos como actividad cardiaca, respiratoria y del ronquido. Este sistema: - Proporciona información de las diferentes variables cardiorrespiratorias útiles para el diagnóstico de los diferentes tipos de fenómenos respiratorios anormales durante el sueño (apneas, hipoapneas y esfuerzos respiratorios asociados a microdespertares) - Ayuda al diagnostico de trastornos respiratorios evaluados en periodos largos de tiempo - Permite la verificación y posterior titulación de las presiones idóneas en vías aéreas de los equipos de presión positiva continua en vías aéreas y equipos binivel (CPAP y BlPAP), mediante la detección de los fenómenos respiratorios anormales durante la aplicación de estas terapias.

Description

SISTEMA PARA LA MONITORIZACIÓN Y ANÁLISIS DE SEÑALES CARDIORRESP1RATORIAS Y DEL RONQUIDO
Campo técnico de Ia invención El sistema objeto de esta patente se basa en Ia extracción de componentes de Ia señal captada por ün aceleró-metro, obteniendo y procesando información de datos fisiológicos. Se trata, poV tanto, de una invención vinculada al campo de Ia Bioingeniería, con aplicaciones en ef campo de Ia Medicina, permitiendo Ia monitorización de diversos parámetros biomédicos y Ia ayuda al diagnóstico del Síndrome de Apnea-Hipopnea del sueño (SAHS) y de otros trastornos cardiorrespiratorios.
Estado de Ia técnica y antecedentes de Ia invención
Dentro de los diversos grupos que establece Ia International Classification of Sleeping Disorders (ICSD), los diferentes desordenes del sueño, el síndrome de apnea hipopnea del sueño (SAHS), se incluye en el primer grupo "Intrinsic Sleep Disorders". El SAHS se produce por Ia oclusión intermitente y repetitiva de Ia vía aérea superior durante el sueño, Io que origina una interrupción completa (apnea) o parcial (hipopnea) del flujo aéreo, manifestándose bajo un cuadro caracterizado por somnolencia, trastornos neuropsiquiátricos y cardiorrespiratorios secundarios, descensos de Ia SaO2 y despertares transitorios que dan lugar a un sueño no reparador[1],[2].
Actualmente el diagnóstico de SAHS no es fácil. Por un lado interviene Ia sospecha clínica del médico de Atención Primaria, que en muchas ocasiones tiene problemas a Ia hora de remitir el paciente a un servicio de neumología para su estudio, diagnóstico y tratamiento. Todo este proceso suele ser largo y requiere estudios diagnósticos complejos y de elevado coste.
El estándar de facto para el diagnóstico de estas patologías es Ia Polisomnografía (PSG), que mediante el estudio nocturno del paciente, registra diversas funciones del cuerpo durante el sueño, como Ia actividad eléctrica del cerebro, el movimiento de los ojos, Ia actividad muscular, el pulso, el esfuerzo respiratorio, el flujo de aire y las concentraciones de oxígeno en Ia sangre. Ello requiere Ia conexión de varios sensores al cuerpo del paciente: cabeza, cuello, brazos y piernas,... y el posterior análisis manual del registro obtenido por parte de especialistas con el fin de determinar Ia existencia o no del trastorno [3].
La PSG demanda en Ia mayoría de las ocasiones una estancia en una Unidad de Sueño (durante una noche en Ia que esta presente 1 técnico especialista) para Ia que existen importantes listas de espera. Ello hace que un importante número de casos con apnea moderada-severa permanezcan sin diagnosticar. Este problema conduce al creciente interés por encontrar aproximaciones alternativas al diagnóstico, como los métodos portátiles.
El empleo de métodos alternativos a Ia PSG para evaluar a pacientes susceptibles de padecer apnea de sueño ha sido motivo de múltiples revisiones en Ia literatura. [4],[5],[6] En todas las revisiones, los sistemas de monitorización portátil, clasificados por Ia American Sleep Disorders Association se basan en el empleo de múltiples sensores para Ia monitorización y registro de señales fisiológicas parámetros básicos como Ia saturación de oxigeno en sangre y/o el flujo oronasal, pero su empleo está poco extendido dados los múltiples obstáculos que presentan. Yoshiro Nagai y Kitajima Kazumi [12] propone junto con las medias de pulsioximetría el empleo de un sensor de aceleración triaxial para Ia determinación de Ia posición del paciente en Ia cama a fin de correlacionarla con Ia medida de oximetría, supuestamente para poder determinar los índices (IAH) (índices de apnea e hipopneas). Este sistema y otros parecidos no proporcionan datos acerca de Ia actividad roncadora ni de Ia tasa cardíaca.
Se describen a continuación los métodos empleados comúnmente para el registro de Ia señal cardiaca, respiratoria y del ronquido, en las Poligrafías respiratorias.
El flujo oronasal se cuantifica de forma experimental de manera óptima mediante un neumofacógrafo pero este método no se emplea nunca en sistemas portátiles, ya que precisa de una mascarilla fuertemente adherida a Ia cara del paciente, potencialmente capaz de interferir el sueño por sí sola.
Tradícionalmente se emplean termistores buconasales para Ia detección de eventos respiratorios (registrando cambios de temperatura como reflejo del flujo aéreo). Los resultados obtenidos con estos sistemas son buenos en el diagnóstico de apneas pero evidencian limitaciones en Ia detección de hipopneas.
Actualmente está en práctica el empleo de una cánula nasal estándar alojada en las fosas nasales, conectada a un transductor que detecta cambios de presión condicionados por Ia inspiración y espiración. Es un sistema alternativo para el diagnóstico de eventos respiratorios más sutiles, que proporciona una señal de flujo cuantitativa que no requiere de mascarilla nasal como en el caso de Ia neumotacografía] .
John G. Sotos et al [13] emplean Ia señal de un micrófono para evaluar aspectos relacionados con Ia respiración mientras el paciente permanece despierto o dormido, sin que esta información aporte datos relevantes respecto del padecimiento del síndrome de apnea.
John G. Sotos et al [14], mediante dos sensores de aceleración de 2 ejes, captan las vibraciones traqueales relacionadas con Ia respiración y Ia posición del sujeto, factores que pudiendo ser necesarios para Ia definición de algunas deficiencias respiratorias, no son fundamentales en el diagnóstico de los diferentes tipos de apnea.
Silva et al [15] proponen un sistema basado en un sistema microprocesador con un acelerómetro para el estudio de Ia respiración en animales y el síndrome de muerte súbita en infantes (SIDS).
David Francois [17] propone el empleo de un micrófono situado en el cuello del paciente para detectar los estados de hipoventilación, estableciendo una correlación no detallada de éstos con los índices de apnea e hipopnea. Rymut et al [18] utilizan un sensor piezoelectrico de diseño propio situado sobre el cuello para determinar algunas condiciones respiratorias del paciente, basándose en el registro de (as vibraciones acústicas en Ia garganta del mismo. Schechter et al [19] emplean un acelerómetro en e) cuello del paciente para el registro de vibraciones acústicas, que son comparadas con patrones de respiración, para la identificación de algunos trastornos.
El parámetro no respiratorio estudiado por el sistema es el electrocardiograma. Para el registro de Ia señal cardiaca se emplea como método estandarizado Ia electrocardiografía (ECG o EKG), que representa Ia actividad eléctrica de las células del corazón. Para su aplicación se fijan electrodos en tórax, para Io cual es a veces necesario limpiar el área, rasurar o recoger el cabello. En otras ocasiones Ia señal cardíaca se monitoriza mediante Ia onda de pulso del pulsioxímetro. Sierra, Gilberto et all [10] describen un método y dispositivo para la monitorización no invasiva de Ia tasa respiratoria y cardíaca y Ia apnea, mediante un sensor que detecta los sonidos y vibraciones biológicas procedentes de Ia garganta, presentando en una pantalla los resultados de los algoritmos aplicados. Este método y todos aquellos basados exclusivamente en Ia técnica de registro de sonidos presentan el inconveniente de su aplicación en pacientes no roncadores que pueden presentar apneas obstructivas y/o centrales. Por otra parte, Ia tasa cardíaca obtenida a través del registro de sonidos traqueales está sujeta a múltiples artefactos debido a los algoritmos de cálculo empleados en esta aplicación (derivados del empleo de señales en ¡a banda de 20- 200HZ). Neil Townsend y Stephen Collins [11] describen un sistema para la presentación de Ia tasa cardiaca y respiratoria basado en el análisis espectral de Ia señal procedente de uno o varios acelerómetros. Este sistema proporciona únicamente estos dos parámetros empleando sensores monoaxiales y/o biaxiales, y mediante algoritmos del tipo FFT o autorregresivos (AR). Esta información es muy limitada sobre todo si se orienta al diagnóstico de Ia apnea del sueño, dado que el análisis espectral sólo proporciona valores medios en un intervalo amplio de señal. Sin embargo, Ia monitorización conϊmua de Ia señal respiratoria permite Ia detección de eventos como el cese o reanudación de movimientos toráxicos, así como el cambio de su intensidad, típicos en los pacientes con apnea del sueño, y cuya monitorización continuase posibilita mediante el sistema propuesto en Ia presente invención. Por último, respecto al ronquido, en Ia práctica queda registrado por un pequeño micrófono, generalmente piezoeléctrico, situado en el área pretraqueal.
Campos et al [16] proponen un sistema incluyendo el hardware necesario para el análisis de los ronquidos traqueales mediante Ia colocación de un micrófono de alta sensibilidad para el registro de los sonidos. Esta información orientada a las patologías relacionadas con Ia apnea resulta insuficiente para un diagnostico medianamente eficiente.
REFERENCIAS
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[10] Gilberto S, Victor L, et all. Non invasive monitoring of respiratory rate, heart rate and apnea. International application published under the patent cooperation treaty (PCT). WO 2005/096931 A1, 2005. [11] Neil T, Stephen C. Respiration and heart rate monitor. International application published under the patent cooperation treaty (PCT). WO 03/005893 A2, 2003.
[12] Yoshiro Nagai, Kitajima Kazumi . Sleep evaluation method, sleep evaluation system, operation program for sleep evaluation system, pulseoximeter, and sleep support system. US Patent application publication 2006/0173257 A1 , 2006.
[13] John G. Sotos et al. System and method for assesing breathing. US Patent application publication 2006/0155205 A1, 2006.
[14] John G. Sotos et al. Method and apparatus for evaluation of sleep disorders. US Patent application publication 2005/0113646 A1, 2006. [15] Silva et al. Monitoring respiratory device. International application published under the patent cooperation treaty (PCT), WO 2004/043263 A2, 2004.
[16] Campos et al. Procedure for analysis of snoring and apnea and apparatus to carry out this analysis. European Patent Application, EP 1 410759 A1 , 2004.
[17] David Francois. Dispositif pour surveiller Ia respiration d'un patient. Instituí national de Ia propieté industrielle - PARÍS. Publication 2847796/ 02 14920, 2004.
[18] Rymut et al. Method and apparatus for monitoring respiration. US Patent application publication 2002/0072685 A1, 2002.
[19] Schechter et al. Graphical readout of laryngotracheal spectra and airway monitor. . US Patent. Patent number 5.058.600, 1991.
Descripción de Ia invención
El objeto de Ia invención consiste en un sistema monosensor de alta sensibilidad y suficiente ancho de banda, para permitir Ia captación de señales fisiológicas (señal cardiaca, respiratoria y ronquido) de tas que se extraen parámetros fundamentales para monitorización y ayuda ai diagnóstico del SAHS y otras patologías cardiorrespiratorias.
El sistema objeto de esta patente proporciona una alternativa simple y fiable a los métodos actuales de diagnosis permitiendo su aplicación domiciliaria por personas no expertas.
Fundamentalmente el sistema expuesto proporciona información de las diferentes variables cardiorrespiratorias útiles para el diagnóstico de los diferentes tipos de fenómenos respiratorios anormales durante el sueño (apneas, hipopneas y esfuerzos respiratorios asociados a microdespertares, trastornos de los ritmos cardiaco y respiratorios), registrando series temporales unidimensionales escalares de estas variables fisiológicas, y tratándolas mediante diversas técnicas de procesado digital de señales.
La invención permite:
Integración de forma novedosa en un sistema monosensor del actual equipo de monitorización y registro de los datos cardíacos, movimientos respiratorios torácicos y el ronquido, empleando un único sensor de aceleración, en sustitución de los electrodos empleados para el registro cardíaco, el termistor o cánula usado para el registro del flujo respiratorio, bandas de detección de movimientos respiratorios de tórax y abdomen y el micrófono empleado para Ia grabación del ronquido.
Procesado de los datos captados, mediante un sistema basado en microprocesador, para (a extracción y monitorización continua en el tiempo de las variables fisiológicas citadas: Sonocardiograma (SCG), Respirograma Torácico (TRG) y Ronquidos y sonidos sibilares (RSS).
Presentar parámetros resultantes del análisis de las variables anteriores: Ritmo cardiaco (HR), Variabilidad del Ritmo Cardiaco (HRV), Actividad Simpática - parasimpática (SPA), Bradi-Taquipnea (BTA), Actividad bagosensora, actividad roncadora: eventos/hora,
La aplicación domiciliaria almacenando o transmitiendo los datos para su interpretación por un especialista. Breve descripción de los dibujos.
A fin de hacer más inteligible el objeto de Ia invención, ha sido ilustrada con tres figuras esquemáticas, que asumen un carácter de ejemplo demostrativo:
La figura 1, es una vista orientativa de Ia ubicación del sensor en Ia práctica. El sensor acelerómetro triaxial debe ser fijado a Ia superficie de Ia piel, sobre (a cavidad supraextemal (1) y su salida conectada el sistema microprocesador de adquisición y tratamiento de Ia señal.
La figura 2, representa de forma esquemática el sistema físico en el que se basa Ia invención y Ia figura 3 muestra las diferentes etapas de procesado de Ia información hasta Ia generación de Ia información útil para el diagnóstico.
Acompañando a estas 3 figuras, se anexan otras ocho que muestran de forma gráfica los resultados expresados en este documento, y que permiten contrastar de forma fehaciente las informaciones expresadas en Ia descripción de Ia invención que sigue.
La figura 4 muestra Ia forma de los datos captados por el acelerómetro y los correspondientes registros de las señales de flujo y ECG captadas por los sensores convencionales empleados en Ia polisomnografía nocturna.
Las figura 5 muestra Ia señal del acelerómetro y Ia componente de señal cardiaca extraída en el mismo intervalo de tiempo mediante filtrado.
En las figuras 6 y 7 se muestran los resultados proporcionados por los algoritmos aplicados a Ia de Ia señal cardiaca obtenida.
La figura 8 muestra Ia componente respiratoria extraída y Ia medida de flujo oronasal obtenida mediante termistores incluida en el PSG. En Ia parte inferior se superponen ambas señales, verificándose una correspondencia perfecta.
En Ia figuras 9 pueden observarse las señales de saturación de oxígeno(SpO2) y flujo respiratorio proporcionadas por el polisomnograma (PSG) y Ia correspondiente señal filtrada del acelerómetro, durante un episodio típico de apnea obstructiva.
En Ia figura 10 se muestran los resultados del proceso de extracción de las componentes de alta frecuencia de Ia señal del acelerómetro vinculadas a los sonidos emitidos, y especialmente al ronquido. Descripción detallada de Ia invención.
El sistema comprende los siguientes componentes físicos y lógicos (hardware y software):
1. Un acelerómetro con una sensibilidad igual o superior a 100 mV/g y una respuesta en frecuencia de ± 3 dB entre 0.1 y 2000 Hz. Es importante destacar que un acelerómetro registra las componentes de Ia aceleración sobre sus ejes sensitivos. Es posible encontrar diversos sensores de biaxiales o triaxiales que cumplan las especificaciones citadas, y para Ia invención presentada pueden usarse cualquiera de ellos. La señal del acelerómetro se acondiciona, en una unidad de preprocesado, mediante un preamplificador, amplificador y filtro antialiasing.
2. El sistema, basado en microprocesador, controla el muestreo a frecuencias no inferiores a 1024 muestras con una resolución de 12 a 16 bits. Este sistema microprocesador puede implementarse físicamente por uno o varios dispositivos, capaces de cumplir con las funciones descritas. Pueden ser sistemas de propósito general o especifico, tales como microprocesadores, microcontroladores, procesadores digitales de señal, circuitos integrados de aplicación especifica (ASIC), ordenadores personales, PDAs, smartphones, etc.
3. Los datos se almacenarán en cualquier sistema de almacenamiento o combinación de estos, como memorias volátiles (DRAM), no volátiles, discos duros, CD-RW, DVD, memorias extraíbles (tarjetas SD, MMC,...) de capacidad superior o igual a 500 Mbytes. (Ver figura 2).
4. Se aplica un filtrado previo del espacio de trabajo anterior, para Ia eliminación de artefactos en Ia medida, generando un nuevo registro de datos libre de fallas. Este preprocesado puede incluir el truncado o Ia interpolación sobre el registro original, y Ia normalización del conjunto de datos, contemplando Ia eliminación de datos superiores a cierto umbral (figuras 2 y 3).
5. De acuerdo al procedimiento indicado en Ia figura 3, extrae las componentes cardiaca, respiratoria y del ronquido. El triple procesado independiente de Ia señal, permite extraer las variables cardíacas (figuras 5,6 y 7), respiratorias
(figuras 8 y 9) y del ronquido (figuras 10 y 11), contenidas en Ia señal captada. En el caso de Ia señal cardiaca, el análisis se centra en las frecuencias [0.5, 3HZ] y para Ia señal respiratoria, se estudian las frecuencias [0,0.5HZ]. El ronquido se estudia en el resto del espectro superior de Ia señal. 6. Para Ia extracción de Ia componente respiratoria se realiza un filtrado previo paso bajo con frecuencia de corte en torno a 0.7Hz, ya que las funciones respiratorias oscilan por debajo de este limite. La señal a Ia salida de esta etapa de filtrado tiene una elevada correlación con Ia señal correspondiente al flujo oronasal captado con un termistor, tal y como se aprecia en Ia figura 8. El calculo de Ia tasa respiratoria, se ilustra en Ia figura 8. La señal resultante del filtrado paso bajo anterior se somete a una etapa de cálculo en el dominio temporal, basado en un algoritmo de estimación de cruces por cero. La tasa respiratoria instantánea se obtiene de forma directa a partir de este valor. De estos valores se derivan los diferentes tipos de ritmos de respiración (normapnea, taqiapnea y braquiapnea).La componente respiratoria y Ia tasa son almacenados por el sistema.
7. Mediante el procesamiento detallado en Ia figura 3, se extraen las crestas R, producidas por Ia concentración ventricular y que corresponden con el complejo QRS de Ia señal cardiaca y los intervalos entre ellos( intervalo RR), que permiten el estudio de Ia viabilidad del ritmo cardiaco (HRV). Este procesamiento está basados en los algoritmos más comunes para Ia detección de complejos QRS, aunque pueden emplearse otros que conduzcan a resultados eficaces en Ia detección de las crestas R (figuras 5, 6 y 7). 8. Finalmente, Ia componente correspondiente al ronquido puede extraerse de Ia señal eléctrica a Ia salida del sensor de aceleración, aplicando un filtro paso banda con frecuencias de corte en torno a las frecuencias vocales. Las figuras 10 y 11 muestran las señales procedentes del sensor de aceleración y de un micrófono captadas para un paciente. Los intervalos de ronquido se identifican a Ia salida de Ia etapa de filtrado. Estos intervalos pueden ayudar a identificar segmentos de interés para un análisis más específico de las otras componentes. La señal de ronquido a Ia salida del filtro y los correspondientes intervalos quedan almacenados para una posible evaluación posterior.
Ventajas que aporta
En relación a Ia invención presentada, se proporciona un método detallado para identificar posibles trastornos respiratorios, como el síndrome de apnea-hipopπea del sueño (SAHS), enfermedades respiratorias, cardíacas, cardiorrespiratorias, neumológicas o similares, o el síndrome de muerte súbita infantil.
La invención presentada y expuesta supone en consecuencia una simplificación de las pruebas para el diagnóstico de determinadas dísfunciones asociadas con desordenes del sueño como el síndrome de apnea-hipopnea del sueño (SAHS), proporciona ayuda al diagnóstico de trastornos cardiorrespiratorios evaluados en periodos largos de tiempo y además tiene aplicaciones más allá de Ia fisiología respiratoria, (p.e. cardiología).
Entre las ventajas que aporta respecto al estado de Ia técnica actual, destacan las siguientes:
1. Sistema de sencilla aplicación y operación.
2. No requiere personal experto. 3. Uso domiciliario y uso hospitalario.
4. Empleo en situaciones de catástrofes y emergencias para la rápida discriminación de situación vital de los afectados.
5. Integración en un solo sensor de los 3 sistemas empleados actualmente.
6. Procesado novedoso de Ia información captada para Ia obtención y monitorización continua de tres señales biológicas útiles para el diagnóstico, así como ias diferentes tasas e índices que de ellas se derivan.
Ejemplo de realización de Ia invención.
El método propuesto incluye las siguientes fases:
1. Test para Ia recogida de los datos del paciente, con Ia colocación del sensor acelerómetro bi o triaxial fijado a Ia superficie de Ia piel, sobre Ia cavidad supraexternal (Figura 1). El test se realiza durante un período prefijado por el especialista y permite generar un primer espacio de trabajo. Está orientado a su realización nocturna y permite registros de hasta 10 horas.
2. La adquisición de datos se hace por el sistema de adquisición que acondiciona Ia señal mediante un preamplificador amplificador y filtro antialiasing. El muestreo se hace con frecuencias no inferiores a 1024 muestras. Los datos obtenidos se almacenan en registro para su procesamiento o transmisión.
3. Se aplica un filtrado previo de Ia señal, para Ia eliminación de artefactos en Ia medida, generando un nuevo registro de datos libre de fallas. Este preprocesado puede incluir el truncado o Ia interpolación sobre el registro original, y Ia normalización del conjunto de datos, contemplando Ia eliminación de datos superiores a cierto umbral (figuras 2 y 3).
4. Triple procesado independiente eή el dominio temporal, para extraer las componentes cardiacas (figuras 5, 6 y 7), respiratorias (figuras 8 y 9) y del ronquido (figuras 10 y 11), contenidas en Ia señal captada. 5. Entrega del resultado del procesamiento a una etapa decisoria para Ia generación de Ia información de salida, conteniendo directrices útiles al especialista para facilitar el diagnóstico. Los resultados se determinan inmediatamente y pueden ser presentados al paciente por su médico especialista tan pronto como el test concluye (figura 2).

Claims

Reivindicaciones
1. Sistema para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, caracterizado por emplear un solo sensor de aceleración para Ia captación y monitorización continua de señales fisiológicas en el dominio temporal (señal cardiaca, respiratoria y ronquido), de las cuales se extraen otros parámetros fundamentales para ayuda al diagnóstico del síndrome de Apnea- Hipoapnea del sueño y de otros trastornos cardiorrespiratorios.
2. Sistema para Ia monitorización y anáfisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicación 1 , que comprende: a. Un acelerómetro para el registro de las componentes de aceleración sobre sus ejes sensitivos de las componentes cardiaca, respiratoria y del ronquido. b. Un sistema de adquisición de datos para el acondicionamiento de Ia señal mediante un preamplificador, amplificador y filtro antialising, y un convertidor analógico-digital. c. Un sistema, basado en microprocesador, mediante el cual se realizará el triple procesado de Ia señal, de Ia cual se extraerán, medíante filtrado y técnicas de tratamiento temporal las variables cardiacas, respiratorias y del ronquido, contenidas en Ia misma y serán mostradas para permitir el diagnóstico del especialista. d. Sistema de almacenamiento y transmisión de los datos anteriores.
3. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, utilizando el sistema descrito en las reivindicaciones 1 y 2, que comprende: a) Test de recogida de datos del paciente, realizado mediante Ia colocación del sensor acelerómetro, fijado a Ia superficie de Ia piel sobre Ia cavidad supraexternal. b) Filtrado de los datos obtenidos, para Ia eliminación de artefactos en Ia medida, normalizando y generando un nuevo registro de datos libre de fallas. c) Triple procesado de Ia señal, para extraer las variables cardiacas, respiratorias y del ronquido, pontenidas en Ia señal captada. d) Presentación de Ia información de salida útil al especialista para facilitar el diagnóstico. e) Análisis de Ia información mostrada, que debe ser interpretada por el especialista médico.
4. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicación 3, caracterizado porque el análisis de Ia señal cardiaca se centra en las frecuencias [0.5, 3HZ], el análisis de Ia señal respiratoria se centra en frecuencias [0,0.5HZ] y el ronquido se estudia en el resto del espectro superior de Ia señal.
5. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque para Ia extracción de Ia componente respiratoria se realiza un filtrado paso bajo previo con frecuencia de corte en torno a 0.7Hz, que permite su monitorización continua.
6. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque Ia señal resultante del filtrado paso bajo se somete a una etapa de cálculo en el dominio temporal, basada en Ia detección de cruces por cero, que permite obtener Ia tasa respiratoria de forma directa a partir de este valor.
7. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque Ia extracción de Ia componente cardiaca, mediante algoritmo en el dominio del tiempo, que se ejecuta en los siguientes pasos: a. Aplicación de un operador derivativo. b. Obtención de valores absolutos mediante un operador cuadrático. c. Integración de datos obtenidos en el paso anterior. d. Filtrado paso bajo para Ia supresión de ruidos. e. Cálculo y promediado de los intervalos entre latidos cardiacos.
8. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3, 4 y 7, caracterizado porque mediante el procesamiento detallado en Ia reivindicación 7 se extraen las crestas R de Ia señal cardiaca y los correspondientes intervalos RR, el ritmo y Ia variabilidad cardiacas.
9. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3, 4, 7 y 8, caracterizado porque partiendo de (os datos obtenidos en Ia variabilidad cardiaca se obtienen otros datos que reflejan Ia actividad simpática, parasimpática y sensor baroreflex.
10. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque Ia componente correspondiente al ronquido se extrae de Ia señal eléctrica a Ia salida del sensor de aceleración, aplicando un filtro paso banda con frecuencias de corte en torno a las frecuencias vocales.
11. Procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 3, 4 y 10, caracterizado porque a Ia salida de Ia etapa de filtrado se identifican los intervalos de ronquido, los cuales ayudan a identificar segmentos de interés para un análisis más específico de las otras componentes.
12. Uso doméstico del sistema y procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 1 a 11 , para Ia detección de eventos cardiorrespiratorios.
13. Uso doméstico del sistema y procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 1 a 11, para
Ia vigilancia y monitorización domiciliaria.
14. Uso del sistema y procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 1 a 11, para su utilización hospitalaria en unidades de cuidados intensivos y cirugía.
15. Uso del sistema y procedimiento para Ia monitorización y análisis de señales cardiorrespiratorias y del ronquido, según reivindicaciones 1 a 11 , en situaciones de catástrofes y emergencias para Ia rápida discriminación de situación vital de los afectados, en base al estudio de sus variables fisiológicas cardiorrespiratorias.
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