WO2020136302A1 - Procedimiento para la detección de señales balistocardiográficas y sistema que lo implementa - Google Patents

Procedimiento para la detección de señales balistocardiográficas y sistema que lo implementa Download PDF

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WO2020136302A1
WO2020136302A1 PCT/ES2019/070884 ES2019070884W WO2020136302A1 WO 2020136302 A1 WO2020136302 A1 WO 2020136302A1 ES 2019070884 W ES2019070884 W ES 2019070884W WO 2020136302 A1 WO2020136302 A1 WO 2020136302A1
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Inventor
Alberto PALMA LÓPEZ
Celso MARTÍNEZ BLANQUE
Encarnación CASTILLO MORALES
Antonio GARCÍA RIOS
Luis Fermín CAPITÁN VALLVEY
Antonio MARTÍNEZ OLMOS
Miguel Ángel CARVAJAL RODRÍGUEZ
Pablo ESCOBEDO ARAQUE
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LO MONACO HOGAR SL
Universidad de Granada
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LO MONACO HOGAR SL
Universidad de Granada
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow

Definitions

  • the present invention can be categorized within the field of physics, specifically in the area of the measurement of physiological parameters by physical means and, in particular, from a ballistocardiogram.
  • a ballistocardiogram consists of recording the mechanical movement of the heart by monitoring force or acceleration from the chest, or alternatively taking remote measurements of blood pumping activity due to the heartbeat. With this remote monitoring, the need to place electrodes or other probes on the body is avoided, allowing non-invasive measurement, without altering the subject in their daily life or during rest.
  • the current Balstocardiography systems can be integrated into everyday objects such as beds, chairs or weighing scales, so that it is a non-invasive technique for the subject.
  • the BCG offers good prospects in preventive medicine, for example, in the detection of physical or mental stress, in the early detection of coronary problems or in the monitoring of sleep quality.
  • the BCG waveform is capable of providing an estimate of the blood volume of each beat and of the time intervals, making it possible to monitor the general functionality of the heart, the rhythm and the variability of the heart rhythm. It also allows us to extract useful information to evaluate certain disorders such as problems with the aortic valve or problems in the coronary arteries, which have a very direct impact on predicting the life expectancy of the subject.
  • Recent signal processing algorithms for estimating heart rate from BCG can be divided into two groups: those that provide the heart rate averaged over several seconds, and those that detect each beat individually.
  • the signal is divided into time segments and for each segment the average heart rate is estimated by finding the maximum of the autocorrelation function, or the power spectral density.
  • Other alternatives average over a number of reference points or apply empirical decomposition.
  • these systems cannot provide information for analysis of cardiac variability or classification of sleep stages.
  • BCG is pre-processed using various techniques such as low-pass filtering [S. Junnila, A. Akhbardeh, A. Várri, and T. Koivistoinen, “An EMFi-film sensor based ballistocardiographic chair: Performance and cycle extraction method,” IEEE Work. Signal Process. Syst. SiPS Des. Implement., Vol. 2005, pp. 373-377, 2005 or, noise reduction by transform wavelet [X. Zhu et al. , "Real-Time Monitoring of Respiration Rhythm and Pulse Rate During Sleep," IEEE Trans. Bio ed. Eng., Vol.
  • WO2018020064 a methodology and system is proposed to detect mechanical systolic events from the longitudinal BCG, in which a transfer function is applied to said signal that compensates the dynamic response of the subject's body, so that the function global is flat and phase zero in the range of frequencies of interest, thus reflecting only the signal corresponding to the mechanical events that occur in the heart and the aortic root.
  • the main difficulty associated with the measurement of cross-sectional BCG is their variability and which continues to be a challenge in obtaining methods and devices that have a high correlation with standardized ECG-based techniques.
  • the faithful and non-invasive detection of the appearance of each individual heartbeat from the BCG would allow to assess the state of heart health more quickly and comfortably even over long periods of time, which would be very useful for complex analysis of cardiac variability and estimation of phases during sleep.
  • the present invention describes a method and a device for detecting heart rhythm from the ballistocardiogram (BCG) obtained by non-invasive means.
  • BCG ballistocardiogram
  • the first object of the present invention is a method, hereinafter “method of the invention", that allows obtaining, reliably, the reference points that allow the heartbeats to be temporarily positioned.
  • a second object of the invention is a device, hereinafter “device of the invention", that allows the execution of the method of the invention.
  • object of the present invention are the various devices used for resting subjects that comprise the device of the invention, in particular mattresses that comprise the device of the invention.
  • an object of the invention is a computer program that implements the method of the invention.
  • this invention can be especially interesting for monitoring a subject's heart rate for long periods of time for the prevention of certain cardiovascular diseases and for the evaluation of sleep quality, by estimating the various phases of sleep. Furthermore, the non-invasive and home application nature of this invention allows this monitoring in a known and comfortable environment for the subject, providing information not altered by stress due to the hospital environment. On the other hand, this type of technology allows savings in the cost of health systems by not needing hospitalization or medical personnel on site.
  • FIG. 1 Schematic representation of the device of the invention.
  • A represents a sensor capable of obtaining the BCG, which sends the electronic signal to an analog processing stage, in which (B) represents a stage of conversion of the sensor output to voltage, (C) represents a stage of voltage amplification, (D) represents an analog filtering stage and communicates with a digital stage, where (E) represents the analog-to-digital converter, (6) represents the processor that houses the digital processing procedure of the signal and obtain the heart rate and (G) represents the module for presenting and transmitting the system result
  • FIG. 2 Transformation of the digitized BCG using the procedure proposed in this invention. The following are represented from top to bottom: 1) Digitized BCG signal (step 2), 2) Differences between consecutive maximums and minimums of the signal (step 4); 3) Filtered low-pass anterior signal for both positive and negative envelope reconstruction (step 5); 4) Signal product of the square of the previous signal (step 6) in which the maximums that are considered the reference points that indicate the temporal position of each heartbeat are clearly seen.
  • Figure 3 Histogram of the difference between the heart rate measured with the reference ECG and that measured with our invention with a 60-second BCG mobile processing window.
  • the invention consists of a method and an apparatus for detecting the heartbeat from balistocardiographic signals, also called a balistocardiogram.
  • the innovative solution proposed in the present invention consists in the application of a processing algorithm to the BCG that allows it to increase its amplitude in the event of events of closure of the heart valves and, in this way, isolate and detect reference points that allow identifying reliably the occurrence of a heartbeat. Also, since BCG It can be registered by sensors that are not in direct contact with the subject and integrated into everyday objects (mattress, chair or scale for people), allowing maximum freedom of movement and avoiding the discomfort of being attached to one or more electrodes with cables.
  • balistocardiogram or "BCG” is understood to be a record of the vibrations of the body caused by the mechanical activity of the heart.
  • Low-pass filtering is understood to mean, respectively, an analog or digital filtering, characterized by allowing the lowest frequencies to pass through and attenuating the highest frequencies. Similarly, “high-pass filtering allows higher frequencies to pass and lower frequencies to be attenuated.
  • stage refers to a subsystem or set of components, which comprises the elements necessary to carry out a certain signal processing function.
  • the present invention refers to a procedure of the invention ”) to measure the heart rate from a ballistocardiogram (BCG) obtained by a sensor capable of transducing mechanical vibration in said electrical signal, comprising the following stages:
  • This stage reduces noise and electrical interference and increases the signal-to-noise ratio for efficient subsequent digital processing.
  • the width of the employee passband will be between 0.1 and 40 Hz, preferably between 0.15 and 25 Hz.
  • Digitalization of the analog signal preferably with a sampling frequency greater than 1 KHz and a minimum resolution of 10 bits.
  • the absolute maximums and minimums are acquired and stored.
  • a signal is generated that contains, in the time positions of each maximum and minimum, a value corresponding to the difference of each consecutive maximum and minimum.
  • Stage 5 Construction, through digital low-pass filtering, of two continuous signals, one with the positive points of the discrete signal generated in the previous step, and the other with the negative ones. These two signals form the envelopes of the positive and negative values respectively.
  • the construction of the two signals is carried out by means of digital low-pass filtering.
  • the bandwidth used for filtering will be between 1 Hz and 25 Hz.
  • Stage 6. Creation of a new signal product of the square of the two signals from the previous step.
  • This signal is proportional to the area and therefore to the power of the signal whose envelopes are those of the previous step. That is, detection consists of looking for the regions where energy is concentrated, that is, where both signals are distanced. The result is a signal with very sharp peaks in the regions where the oscillations due to the presence of each beat occur. These pulses vary in amplitude, but their characteristic is that they are very well defined with respect to the signal background in areas where there are no beats.
  • a beat is associated with each one of the maximums identified in the previous stage, which correspond to the regions where the oscillations caused by the heart beat occur. In this way, an estimate of the heart rate can be obtained with the necessary precision.
  • Another object of the present invention is a system that allows the process of the invention to be carried out.
  • the system of the invention in its most general embodiment, comprises three juxtaposed stages (or blocks of components), which execute the process steps consecutively (Figure 1):
  • Vibration transduction stage comprising a sensor or sensor array (A) capable of transducing a mechanical vibration to an electrical signal.
  • Analog conditioning stage comprising:
  • Stage 1 collects the vibrations produced by the heartbeat and converts them to actionable electrical signals for the following stages.
  • Stage 2 is used to adapt the level of the signal obtained by the sensor to an analog-digital converter with a useful signal-to-noise ratio.
  • Stage 3 performs the digital conversion and processing of the BCG to obtain the reference points for determining the heart rate.
  • the senor (1) is a capacitive sensor.
  • the capacitive sensor is a coaxial cable with a dielectric with a piezoelectric effect to improve shielding against electromagnetic interference.
  • the capacitive sensor is replaced by an assembly comprising an LED light source and a photodetector that collects the light emitted by said LED, so that when the LED light is transmitted by the means between them (affected by vibration of heart movement) is modulated by vibration.
  • This signal modulated by the vibration presents a similar aspect to the BCG from which to extract the information of the appearance of the beats.
  • the voltage conversion means comprise a load-voltage amplifier or also called a transimpedance amplifier.
  • the analog processing stage in turn comprises a voltage gain stage (C) for those environments with a high presence of electronic noise and electromagnetic interference.
  • the processor is physically separated from the rest of the stages and the system includes means capable of communication (data exchange) with the processor.
  • Figure 1 the system of the invention consists of the following three juxtaposed stages:
  • Stage 1 Vibration transduction stage, formed by a capacitive sensor (A),
  • Stage 2 Analog conditioning stage, consisting of:
  • Stage 3 Digital computing and presentation / transmission stage consisting of:
  • E a signal digitizer of at least 10 bits resolution
  • F a processor that includes the indicated procedure for digital signal processing and extraction of the time between heartbeats
  • a mobile phone which is wirelessly connected to the above circuit to receive the information and present it to the user.
  • the capacitive sensor generates charge by piezoelectric effect (A) due to the vibration transmitted to it by the human body and by various intervening solid means (textiles, wood, metals) caused by the mechanical movement of the heart.
  • A piezoelectric effect
  • various intervening solid means textiles, wood, metals
  • Said capacitive sensor consists of a thin and flexible sheet forming a capacity of plane-parallel sheets.
  • This generated load is converted to voltage in a load amplifier (B) to which, later and still within the analog domain, a band-pass filter (D) with lower and upper cut-off frequencies of 0.15 Hz and 25 Hz, respectively.
  • B load amplifier
  • D band-pass filter
  • the result consisting of heart rate as a function of time is displayed on a screen or is transmitted wirelessly (G) to another device (for example, a mobile device) through the corresponding data transmission and presentation modules.
  • the senor was placed under a mattress, imperceptibly, for monitoring the subject during sleep in order to use the heart rate and its variability to assess the quality of the sleep by estimating its phases, along with other indicators.

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Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento para la detección de los latidos del corazón mediante una señal balistocardiográfica. Este procedimiento, mediante el incremento de la relación señal-ruido y el aumento de la potencia de la señal en el instante de la sístole, permite la identificación fiable de los puntos de referenciaque señalan cada latido del corazón. En particular, este procedimiento se lleva a cabo con un sistemaque también es objeto de la invención.

Description

DESCRIPCIÓN
PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCIÓN DE SEÑALES BALISTOCARDIOGRÁFICAS Y
SISTEMA QUE LO IMPLEMENTA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se puede categorizar dentro del sector de la física, concretamente en el área de la medida de parámetros fisiológicos por medios físicos y, en particular, a partir de un balistocardiograma.
Su campo de aplicación es el de la medicina, y en particular en el del diagnóstico asociado a la medición del movimiento de alguna parte del cuerpo, en particular, la balistocardiografía, o dispositivos que permiten la evaluación simultánea del sistema cardiovascular y de diferentes tipos de condiciones corporales
ESTADO DE LA TÉCNICA
Balistocardiograma
Un balistocardiograma (BCG) consiste en el registro del movimiento mecánico del corazón mediante la monitorización de la fuerza o aceleración desde el pecho, o alternativamente tomando medidas remotas de la actividad de bombeo sanguíneo debido al latido cardiaco. Con esta monitorización remota se evita la necesidad de colocar electrodos u otras sondas sobre el cuerpo, lo que permite la medida no invasiva, sin alterar al sujeto en su vida cotidiana o durante el descanso. Los sistemas actuales de Balistocardiografía se pueden integrar en objetos cotidianos tales como camas, sillas o básculas de pesaje, de manera que sea una técnica no invasiva para el sujeto. El BCG ofrece buenas perspectivas en medicina preventiva, por ejemplo, en la detección de estrés físico o mental, en la detección temprana de problemas coronarios o en la monitorización de la calidad del sueño. La forma de onda del BCG es capaz de proporcionar una estimación del volumen de sangre de cada latido y de los intervalos temporales, lo que hace posible monitorizar la funcionalidad general del corazón, el ritmo y la variabilidad del ritmo cardiaco. También permite extraer información útil para evaluar ciertos trastornos tales como problemas en la válvula aórtica o problemas en las arterias coronarias, que inciden muy directamente en la predicción de la expectativa de vida del sujeto.
Tradicionalmente se definen tres ejes de medida para los registros del BCG: longitudinal (cabeza-pies), transversal (lateral a lateral) y dorsoventral (pecho-espalda). Históricamente, la mayoría de sistemas de registro BCG han sido en el eje longitudinal debido a que se corresponde con el eje principal de flujo sanguíneo, incluyendo medidas con báscula. Entre éstos últimos, una alternativa adicional propone una metodología para detectar eventos sistólicos mecánicos a partir del BCG, en la que a dicha señal se aplica una función de transferencia que compensa la respuesta dinámica del cuerpo del sujeto para que el BCG refleje únicamente la señal correspondiente a los eventos mecánicos acontecidos en el corazón y en la raíz aórtica.
Recientemente, se han introducido sistemas de registro no invasivos, de forma particular los alojados en alguno de los elementos de una cama. En estos sistemas, el eje exacto de medición no es longitudinal si no transversal, dorsoventral o una combinación de ambos (a partir de aquí denominaremos eje trasversal a todas estas combinaciones), dependiendo de la posición del sujeto respeto al sensor. Este hecho, junto con la dificultad de la introducción del modelado mecánico de los elementos de la cama (colchón, somier, etc.), producen BCG mucho más variables que aquéllas registradas en el eje longitudinal o mediante electrocardiografía (ECG) [O. T. Inan et al.,“Ballistocardiography and Seismocardiography : Ballistocardiography and Seismocardiography : A Review of Recent Advances,” IEEE J. Biomed. Heal. Informatics, vol. 19, no. 4, pp. 1414-1427, 2015]
Detección de ritmo cardiaco a partir del BCG
Los algoritmos de procesado de señal recientes para la estimación del ritmo cardiaco a partir del BCG se pueden dividir en dos grupos: aquéllos que proporcionan el ritmo cardiaco promediado a lo largo de varios segundos y los que detectan cada latido de forma individual. En el primer caso, la señal se divide en segmentos temporales y para cada segmento el ritmo cardiaco promedio se estima hallando el máximo de la función de autocorrelación, o de la densidad espectral de potencia. Otras alternativas hacen un promedio sobre un número de puntos de referencia o aplican descomposición empírica. Sin embargo, estos sistemas no pueden proporcionar información para análisis de variabilidad cardiaca o clasificación de las etapas del sueño.
De los algoritmos que detectan individualmente cada latido, muchos lo hacen detectando máximos de pendiente u otros puntos de referencia del BCG. En algunos casos, el BCG es pre-procesado aplicando diversas técnicas tales como, filtrado paso bajo [S. Junnila, A. Akhbardeh, A. Várri, and T. Koivistoinen,“An EMFi-film sensor based ballistocardiographic chair: Performance and cycle extraction method,” IEEE Work. Signal Process. Syst. SiPS Des. Implement., vol. 2005, pp. 373-377, 2005 o, eliminación de ruido mediante transformada wavelet [X. Zhu et al. ,“Real-Time Monitoring of Respiration Rhyth and Pulse Rate During Sleep,” IEEE Trans. Bio ed. Eng., vol. 53, no. 12, pp. 2553-2563, 2006.]. Estos algoritmos que se basan en la detección de puntos de referencia presentan falta de fiabilidad para los BCG transversales debido a la gran variabilidad de esas señales con el cambio de posición del sujeto y, por tanto, la pérdida de dichos puntos.
En la última década, se ha propuesto otra alternativa basada en la detección del cierre de las válvulas del corazón durante el latido. Una alternativa en esta línea estima el intervalo temporal entre latidos mediante un algoritmo basado en técnicas de aprendizaje no supervisadas que se adapta a cada señal de forma individual, obteniendo un conjunto de parámetros empleados en tres métodos independientes para localizar cada latido. Los principales inconvenientes de esta técnica recaen en la necesidad de un periodo de entrenamiento del sistema, sin salida útil, y su falta de viabilidad en caso de patrones repetidos no coincidentes en cada latido del corazón [C. Brüser, K. Stadlthanner, S. De Waele, and S. Leonhardt,“Adaptive beat-to-beat heart rate estimation in ballistocardiograms,” IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed., vol. 15, no. 5, pp. 778-786, 2011.].
Otras patentes que describen invenciones similares son W0200907392, WO2010145009, US8262582 y WO2018020064.
Por ejemplo, en WO2018020064, se propone una metodología y sistema para detectar eventos sistólicos mecánicos a partir del BCG longitudinal, en la que a dicha señal se aplica una función de transferencia que compense la respuesta dinámica del cuerpo del sujeto, de manera que la función global sea plana y de fase cero en el rango de frecuencias de interés, reflejando así únicamente la señal correspondiente a los eventos mecánicos acontecidos en el corazón y en la raíz aórtica.
Otra aproximación hace uso de un matriz de sensores aplicando la transformada rápida de Fourier junto con el análisis del cepstrum al BCG para determinar los intervalos entre latidos propuesto en US8262582.
La principal dificultad asociada a la medida de BCG transversales es la variabilidad de las mismas y que sigue siendo un reto para la obtención de métodos y dispositivos que presenten una alta correlación con las técnicas estandarizadas basadas en ECG. La detección fiel y no invasiva de la aparición de cada latido individual a partir del BCG permitiría evaluar el estado de salud del corazón de forma más rápida y cómoda incluso durante períodos de tiempo largos, lo que sería de gran utilidad para el análisis complejo de la variabilidad cardiaca y la estimación de las fases durante el sueño.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un procedimiento y un dispositivo para la detección del ritmo cardiaco a partir del balistocardiograma (BCG) obtenida por medios no invasivos.
Así, el primer objeto de la presente invención es un procedimiento, en adelante“procedimiento de la invención”, que permite la obtención, de manera fiable, de los puntos de referencia que permiten posicionar temporalmente los latidos del corazón.
Un segundo objeto de la invención es un dispositivo, en adelante“dispositivo de la invención”, que permite la ejecución del procedimiento de la invención.
También son objeto de la presente invención los distintos dispositivos empleados para el reposo de sujetos que comprenden el dispositivo de la invención, en particular colchones que comprenden el dispositivo de la invención.
Finalmente, es objeto de la invención un programa de ordenador que implementa el procedimiento de la invención.
La utilización de esta invención puede resultar especialmente interesante para la monitorización durante largos periodos de tiempo del ritmo cardiaco de un sujeto para la prevención de ciertas enfermedades cardiovasculares y para la evaluación de la calidad del sueño, mediante la estimación de las diversas fases del mismo. Además, el carácter no invasivo y de aplicación en los hogares de esta invención permite esta monitorización en un ambiente conocido y confortable para el sujeto, proporcionando información no alterada por el estrés debido al medio hospitalario. Por otro lado, este tipo de tecnologías permiten un ahorro en el gasto de los sistemas de salud al no necesitar hospitalización ni personal médico in situ. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción y ayudar en la compresión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de esta descripción un conjunto de figuras en las que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Representación esquemática del dispositivo de la invención. (A) representa un sensor capaz de obtener el BCG, que envía la señal electrónica a una etapa de procesamiento analógico, en la que (B) representa una etapa de conversión de la salida del sensor a voltaje, (C) representa una etapa de amplificación de voltaje, (D) representa una etapa de filtrado analógico y que se comunica con una etapa y digital, en la que (E) representa el convertidor de analógica a digital, (6) representa el procesador que aloja el procedimiento de procesado digital de la señal y obtiene el ritmo cardiaco y (G) representa el módulo de presentación y transmisión del resultado del sistema
Figura 2.- Transformación del BCG digitalizado mediante el procedimiento propuesto en esta invención. De arriba abajo se representa: 1) Señal BCG digitalizada (paso 2), 2) Diferencias entre máximos y mínimos consecutivos de la señal (paso 4); 3) Señal anterior filtrada paso- bajo para reconstrucción de envolventes tanto positiva como negativa (paso 5); 4) Señal producto del cuadrado de la señal anterior (paso 6) en la que se aprecian claramente los máximos que se consideran los puntos de referencia que señalan la posición temporal de cada latido del corazón.
Figura 3.- Histograma de la diferencia entre el ritmo cardiaco medido con ECG de referencia y el medido con nuestra invención con una ventana móvil de procesado de 60 s del BCG.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en un procedimiento y un aparato para detectar el latido cardiaco a partir de señales balistocardiográficas, también denominado balistocardiograma. La solución innovadora propuesta en la presente invención consiste en la aplicación de un algoritmo de procesado al BCG que permite aumentar su amplitud en los casos de eventos de cierre de las válvulas cardiacas y, de esta manera, aislar y detectar puntos de referencia que permiten identificar de manera fiable la aparición de un latido del corazón. Además, dado que el BCG se puede registrar mediante sensores que no estén en contacto directo con el sujeto e integrados en objetos cotidianos (colchón, silla o báscula para personas) se permite la máxima libertad de movimiento del mismo y se evita la incomodidad de estar unido a uno o más electrodos con cables.
Definiciones
A lo largo de la presente invención se entenderá por balistocardiograma o“BCG" un registro de las vibraciones del cuerpo causado por la actividad mecánica del corazón.
Por “filtrado paso-baja’’ se entiende, respectivamente a un filtrado, analógico o digital, caracterizado por permitir el paso de ¡as frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. Análogamente, el“filtrado paso-alta permite el paso de las frecuencias más altas y atenuar las frecuencias más bajas.
Cuando se trata de un elemento físico, el término“etapa” se refiere a un subsistema o conjunto de componentes, que comprende los elementos necesarios para llevar a cabo una determinada función de procesamiento de señal.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra " comprende " y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.
A lo largo de este documento se empleará una notación que utiliza en símbolo como separador decimal.
Procedimiento de la invención
En su primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento rocedimiento de la invención”) para medir el ritmo cardiaco a partir de un balistocardiograma (BCG) obtenido por un sensor capaz de transducir vibración mecánica en dicha señal eléctrica, que comprende las siguientes etapas:
1. Filtrado analógico, en paso-alta y paso-baja, del BCG analógico
2. Conversión analógica-digital.
3. Identificación de los máximos y mínimos de la señal digitalizada. 4. Creación una señal discretizada formada por impulsos en las posiciones donde hay máximos o mínimos y cuya amplitud es la diferencia entre cada máximo y mínimo consecutivos.
5. Construcción, mediante un filtrado paso-baja digital, de dos señales continuas, una con los puntos positivos de la señal discreta generada en el paso anterior, y otra con los negativos.
6. Creación de una nueva señal producto del cuadrado de las dos señales del paso anterior.
7. Detección de los máximos de la señal creada en el paso anterior.
8. Asociación de cada máximo con un latido cardiaco.
A continuación, se describen con mayor detalle cada una de las etapas:
Etapa 1.- Filtrado analógico, en paso-alta y paso-baja, del BCG analógico
Esta etapa permite reducir el ruido e interferencias eléctricas y aumentar la relación señal- ruido para un posterior procesado digital eficiente.
En una realización particular, el ancho de la banda pasante de empleado estará entre 0,1 y 40 Hz, preferentemente entre 0,15 y 25 Hz.
Etapa 2.- Conversión analógica-digital.
Digitalización de la señal analógica, preferentemente con una frecuencia de muestro superior a 1 KHz y una resolución mínima de 10 bits.
Etapa 3.- Identificación de los máximos y mínimos.
En la señal digitalizada, se adquieren y almacenan los máximos y mínimos absolutos.
Etapa 4 Señal discretizada.
En esta etapa, se genera una señal que contiene, en las posiciones temporales de cada máximo y mínimo, un valor correspondiente a la diferencia de cada máximo y mínimo consecutivo.
Etapa 5.- Construcción, mediante un filtrado paso-baja digital, de dos señales continuas, una con los puntos positivos de la señal discreta qenerada en el paso anterior, y otra con los negativos. Estas dos señales forman las envolventes de los valores positivos y negativos respectivamente. En una realización preferente, la construcción de las dos señales se lleva a cabo mediante un filtrado paso-baja digital. De forma preferente, el ancho de banda empleado para el filtrado estará comprendido entre 1 Hz y 25 Hz.
Etapa 6.- Creación de una nueva señal producto del cuadrado de las dos señales del paso anterior.
Esta señal es proporcional al área y por tanto a la potencia de la señal cuyas envolventes son las del paso anterior. Es decir, la detección consiste en buscar las regiones donde se concentra la energía, esto es, donde ambas señales se distancian. El resultado es una señal con picos muy acentuados en las regiones donde se producen las oscilaciones debidas a la presencia de cada latido. Estos pulsos varían en amplitud, pero su característica es que están muy bien definidos respecto al fondo de la señal en zonas donde no existen latidos.
Etapa 7.- Detección de los máximos de la señal creada en el paso anterior.
Al generar una señal en la que sus máximos están muy bien definidos respecto al fondo de la señal en zonas donde no existen latidos, se permite identificar dichos máximos con mayor precisión, ya que esta señal posee picos muy acentuados en las regiones donde se producen las oscilaciones causadas por los latidos cardiacos.
Etapa 8.- Asociación de cada máximo con un latido cardiaco.
En esta última etapa se asocia un latido a cada uno de los máximos identificados en la etapa anterior, que se corresponden con las regiones donde se producen las oscilaciones causadas por los latidos cardiacos. De esta forma se puede obtener una estimación de la frecuencia cardiaca con la precisión necesaria.
Sistema de la Invención
Otro objeto de la presente invención es un sistema que permite llevar a cabo el procedimiento de la invención.
El sistema de la invención, en su realización más general, comprende tres etapas (o bloques de componentes) yuxtapuestas, que ejecutan las etapas de procedimiento de forma consecutiva (figura 1):
1. Etapa de transducción de vibraciones, que comprende un sensor o matriz de sensores (A) capaces de transducir una vibración mecánica a una señal eléctrica. 2. Etapa de acondicionamiento analógico, que comprende:
• Medios para la conversión de señal del sensor a voltaje (B).
• Medios para llevar a cabo un filtrado analógico tanto paso-alto como paso-bajo (D).
3. Etapa de cómputo digital y presentación/transmisión de resultados que comprende:
• Medios para llevar a cabo una conversión de analógico a digital (E)
• Medios de cómputo (F) capaces de llevar a cabo el procedimiento de la invención a partir de los datos digitalizados.
• Medios de presentación y transmisión de señales digitales (G)
La Etapa 1 recoge las vibraciones producidas por el latido cardiaco y las convierte a señales eléctricas procesables por las etapas siguientes.
La Etapa 2 se emplea para adaptar el nivel de la señal obtenida por el sensor a un convertidor analógico-digital con una relación señal-ruido útil.
La Etapa 3 realiza la conversión y procesamiento digital del BCG para la obtención de los puntos de referencia para la determinación de la frecuencia cardiaca.
En una realización particular, el sensor (1) es un sensor capacitivo. De forma aún más particular, el sensor capacitivo es un cable coaxial con un dieléctrico con efecto piezoeléctrico para mejorar el apantallamiento frente a interferencias electromagnéticas.
En otra realización particular, el sensor capacitivo se sustituye por un conjunto que comprende una fuente de luz LED y un fotodetector que recoja la luz emitida por dicho LED, de forma que al ser transmitida la luz del LED por los medios entre ambos (afectados por la vibración del movimiento del corazón) es modulada por la vibración. Dicha señal modulada por la vibración presenta un aspecto similar al BCG de la que extraer la información de la aparición de los latidos.
En otra realización particular, los medios de conversión a voltaje comprenden un amplificador carga-voltaje o también denominado de transimpedancia.
En otra realización preferente, la etapa de procesado analógico comprende a su vez una etapa de ganancia de voltaje (C) para aquellos ambientes de elevada presencia de ruido electrónico e interferencia electromagnética. En una realización equivalente, el procesador está físicamente separado del resto de etapas y el sistema comprende medios aptos para la comunicación (intercambio de datos) con el procesador.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ejemplo, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
Sistema de la invención:
En un primer modo de realización (Figura 1), el sistema de la invención consiste en las siguientes tres etapas yuxtapuestas:
• Etapa 1 : Etapa de transducción de vibraciones, formada por un sensor capacitivo (A),
• Etapa 2: Etapa de acondicionamiento analógico, formada por:
o un amplificador de carga (B)
o un filtro paso-alta y filtro paso baja frecuencias inferior y superior de corte de 0,15 Hz y 25 Hz, respectivamente (D)
o una etapa de ganancia de voltaje (C).
• Etapa 3: Etapa de cómputo digital y presentación/transmisión formada por:
o un digitalizador de señales de al menos 10 bits de resolución (E). o un procesador que incluya el procedimiento indicado para el procesamiento digital de la señal y la extracción del tiempo entre latidos (F).
o una pantalla LCD para presentar los resultados al usuario (G)
o Un circuito electrónico con antena para transmisión inalámbrica (bluetooth o Wifi) de la información. (G)
o Un teléfono móvil, que conectado inalámbricamente al circuito anterior para recibir la información y presentarla al usuario.
Figure imgf000012_0001
El sensor capacitivo genera carga por efecto piezoeléctrico (A) debido a la vibración que le llega transmitida por el cuerpo humano y por diversos medios sólidos interpuestos (textiles, madera, metales) originado por el movimiento mecánico del corazón.
Dicho sensor capacitivo consiste en una lámina delgada y flexible formando una capacidad de láminas plano-paralelas.
De esta manera, no es perceptible ni se requiere el contacto directo del sensor con la superficie corporal, para mayor confort del sujeto.
Esta carga generada se convierte a voltaje en un amplificador de carga (B) al que, posteriormente y aún dentro del domino analógico, se le aplica un filtro paso-banda (D) con frecuencias inferior y superior de corte de 0, 15 Hz y 25 Hz, respectivamente.
A continuación, tras la digitalización de la señal (E), se le aplica el procedimiento digital enunciado anteriormente en una unidad de cómputo (F). El resultado constituido por la frecuencia cardiaca en función del tiempo se presenta en una pantalla o es transmitido inalámbricamente (G) a otro dispositivo (por ejemplo, un dispositivo móvil) a través de los correspondientes módulos de presentación y transmisión de datos.
Ensayos realizados
Para llevar a cabo la adquisición de señales (formación del BCG), el sensor se colocó bajo un colchón, de forma imperceptible, para la monitorización del sujeto durante el sueño con el objetivo de utilizar el ritmo cardiaco y su variabilidad para evaluar la calidad del sueño mediante la estimación de las fases del mismo, junto con otros indicadores.
Resultados de los ensayos
Se acompañan en la Figura 3 los resultados obtenidos mediante la realización de la invención descrita, en la que se muestra el histograma de la diferencia entre el ritmo cardiaco obtenido por una técnica estándar ECG y nuestra invención propuesta. De esta figura se deduce una correlación de más del 70% entre ambas señales admitiendo un error experimental de ± 4 latidos por minuto.
Una vez descrita suficientemente la invención, así como varios modos de realización preferentes, sólo debe añadirse que es posible realizar modificaciones en su constitución, materiales empleados, en la elección de los elementos y sensores empleados para detectar el BCG y en los métodos para identificar los puntos de referencia de la señal correspondiente a la actividad mecánica acontecida en el corazón y la raíz aórtica, sin apartarse del alcance de la invención, definido en las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento para medir el ritmo cardiaco a partir de un balistocardiograma, que comprende las siguientes etapas:
• Filtrado analógico, en paso-alta y paso-baja, del balistocardiograma analógico.
• Conversión analógica-digital.
• Identificación de los máximos y mínimos de la señal digitalizada
• Creación una señal discretizada formada por impulsos en las posiciones donde hay máximos o mínimos y cuya amplitud es la diferencia entre cada máximo y mínimo consecutivos.
• Construcción, mediante un filtrado paso-baja digital, de dos señales continuas, una con los puntos positivos de la señal discreta generada en el paso anterior, y otra con los negativos.
• Creación de una nueva señal producto del cuadrado de las dos señales del paso anterior.
• Identificación de los máximos de la señal generada en la etapa anterior como los puntos de referencia que permiten la identificación de cada latido del corazón.
2.- Procedimiento según reivindicación anterior, caracterizado por que el ancho de la banda pasante de interés empleado en el filtrado analógico está entre 0,1 y 40 Hz, preferentemente entre 0,15 y 25 Hz.
3.- Procedimiento, según reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que ancho de banda empleado para el filtrado paso-baja digital está comprendido entre 1 Hz y 25 Hz.
4 - Sistema para medir el ritmo cardiaco a partir de un balistocardiograma (BCG) que comprende las siguientes etapas yuxtapuestas, que ejecutan las etapas del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores:
1. Etapa de transducción de vibraciones, que comprende un sensor o matriz de sensores (A) capaces de transducir una vibración mecánica a una señal eléctrica.
2. Etapa de acondicionamiento analógico, que comprende:
• Medios para la conversión de señal del sensor a voltaje.
• Medios para llevar a cabo un filtrado analógico tanto paso-alto como paso-bajo.
3. Etapa de cómputo digital y presentación/transmisión de resultados que comprende: • Medios para llevar a cabo una conversión de analógico a digital
• Medios de cómputo capaces de llevar a cabo el procedimiento de la invención a partir de los datos digitalizados.
• Medios de presentación y transmisión de señales digitales
5.- Sistema, según reivindicación anterior, en el que el sensor empleado es un sensor capacitivo.
6.- Sistema según reivindicación anterior en el que el sensor capacitivo es un cable coaxial con un dieléctrico con efecto piezoeléctrico para mejorar el apantallamiento frente a interferencias electromagnéticas.
7.- Sistema según reivindicación 4, en el que el sensor empleado que comprende una fuente de luz LED y un fotodetector que recoja la luz emitida por dicho LED
8.- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que los medios de conversión a voltaje comprenden un amplificador carga-voltaje. 9.- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en el que la etapa de procesado analógico comprende a su vez una etapa de ganancia de voltaje.
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