用于测量管的共振频率的系统和方法 技术领域 本发明涉及用于测量管的特性的系统和方法， 具体地， 其涉及用于测量管的共振 频率的系统和方法。
背景技术 在人类身体或动物身体中， 最值得注意的软管为血管和气道。 气道可包括气管、 主 支气管和小细支气管等。在医学诊断领域， 知道管对刺激的响应是有用的。刺激可以为诸 如心脏收缩的自然刺激， 或人工刺激。所述人工刺激可以为来自身体外部的压力刺激。管 对刺激的响应可以被用于病理学诊断或者被用于优化治疗处理。
管对刺激的响应可以产生共振。 当外部刺激导致管中的最大能量存储并引起管壁 运动的最大振幅时发生共振。管的共振与由施加于管的刺激引起的运动有关。发生共振的 频率主要取决于管的材料特性等。为了诊断的目的， 已经实施对由刺激引起的管运动的测 量。
例如， 动脉硬度测量通常基于测量压力脉冲沿动脉从一个位置行进到另一位置的 时间延迟。所述时间延迟取决于压力脉冲在动脉中行进的速度， 并且所述时间延迟与动脉 壁的弹性相关。 当前， 检测动脉的共振频率的方法为取出动物动脉的片段、 施加压力脉冲以 刺激所述动脉片段并且测量导致观测到共振的管壁运动的振幅。 如果人们注意到动脉片段 是共振的， 则对应于所述共振的频率为动脉的共振频率。 然而， 当前方法并不适用于临床实 践， 由于动脉位于人体或动物体中， 因此在普通临床实践中， 人们不能看到动脉是否共振， 这使得难以基于当前方法确定动脉的共振频率。
另一示例为测量气道 ( 例如气管、 主支气管或小细支气管 ) 的特性， 从而测量气道 的共振频率， 以便当使用振荡 / 叩击治疗时通过优化治疗频率而辅助进行咳嗽， 或者有助 于诊断或疾病管理。共振频率为帮助患者增强粘痰咳出的最优振荡频率。
当前， 使用强迫振荡技术 (FOT) 和脉冲振荡法 (IOS) 测量在嘴部分别响应于由施 加于肺系统的压力引起的周期性压力变化和压力脉冲的气压和气流， 以便对病理进行诊 断。 基于 FOT 和 IOS， 当所施加的压力脉冲和在嘴部所检测到的响应之间没有相位延迟时确 定共振频率。然而， 由于系统的固有不精确性， 由 FOT 或 IOS 确定的共振频率被限制于低频 率。
另外， 为了改善肺粘痰咳出， 通常， 指导患者以不同的方式咳嗽， 从而先将粘痰从 较小的细支气管移至主支气管， 然后将粘痰从主支气管移至气管， 最终将粘痰咳出。因此， 需要分别针对较小的细支气管、 主支气管和气管检测共振。特别地， 一些疾病只对整个肺 系统的一部分具有影响。例如， COPD( 慢性阻塞性肺疾病 ) 主要对小细支气管具有影响， 其 显示出独立地识别肺系统较小气道的共振以诊断 COPD 的必要性。但是， 当前， 基于 FOT 或 IOS， 难以分别区分肺系统的小细支气管、 主支气管和气管的共振。
发明内容本发明的一个目的为提出一种用于精确测量管的共振频率的系统。
一种用于测量管的共振频率的系统， 其包括 ：
- 振荡单元， 其用于分别以多个振荡频率来振荡所述管 ；
- 检测单元， 其用于检测当所述管以每个振荡频率振荡时将压力脉冲从所述管中 的第一位置传输到第二位置的时间延迟， 其中， 在所述管以所述多个振荡频率的特定振荡 频率范围中的每个振荡频率振荡时， 所述检测单元检测时间延迟的变化 ；
- 确定单元， 其用于确定当所述管以所述特定振荡频率范围中的振荡频率振荡时 时间延迟的最大变化 ； 以及
- 指示单元， 其用于将与所述时间延迟的所述最大变化对应的振荡频率指示为所 述管的所述共振频率。
其优势在于所述系统可以更精确地测量所述管的共振频率。
在实施例中， 所述系统包括比较单元， 该比较单元用于将所述共振频率与预先定 义的频率表进行比较以确定所述管的一个 / 一组特性。
其优势在于能够基于所述精确的共振频率测量所述管的一个 / 一组更精确的特 性。 在另一实施例中， 系统包括计算单元， 该计算单元用于基于所述共振频率计算所 述管的一个 / 一组特性。
其优势在于能够基于所述精确的共振频率计算所述管的一个 / 一组更精确的特 性。
在另一实施例中， 所述系统包括辅助单元， 所述辅助单元在所述管为气道的情况 下用于基于所述共振频率辅助进行咳嗽。
其优势在于能够基于所述精确的共振频率更有效地实现咳嗽。
本发明还提出一种用于测量管的至少一个共振频率的系统， 所述系统包括 ：
- 振荡单元， 其用于分别以多个振荡频率来振荡所述管，
- 检测单元， 其用于检测当所述管以每个振荡频率振荡时将压力脉冲从所述管中 的第一位置传输到第二位置的时间延迟， 以及
- 指示单元， 其用于输出图表以反映所述多个振荡频率和所述时间延迟之间的相 关性， 其中， 在所述多个振荡频率的至少一个特定振荡频率范围中， 每个振荡频率都对应于 时间延迟的变化， 并且， 在所述至少一个特定振荡频率范围中， 与时间延迟的最大变化对应 的振荡频率为所述管的所述至少一个共振频率。
其优势在于所述系统能够更精确地生成图表以显示出所述管的至少一个共振频 率。
本发明还提出与测量管的共振频率的系统对应的方法。
下面将给出本发明的详细解释及其他方面。
附图说明 从下述结合附图考虑的详细描述中， 本发明的上述和其他目的和特征将变得更加 明显， 在附图中 ：
图 1A 描述了未被振荡的管的横截面 ；
图 1B 描述了正被振荡的管从最小直径到最大直径的周期性变化 ； 图 2 示意性地示出了根据本发明的实施例用于测量管的共振频率的系统 ； 图 3 为图示说明了振荡频率和振幅之间的相关性的图表 ； 图 4 示意性地示出了时间延迟和振荡频率之间的相关性 ； 图 5 示意性地示出了测量管的共振频率的示例 ； 图 6 示意性地示出了测量管的共振频率的另一示例 ； 图 7 示意性地描述了根据本发明的实施例用于测量管的共振频率的方法。 在全部附图中， 相同的附图标记用于指示相似的部分。具体实施方式
压力脉冲在管中传输的速度与管壁的特性、 管中的内容物 ( 例如气体 / 液体 ) 的 特性、 管的直径以及引起管的直径变化的外部振荡压力相关。
例如， 压力脉冲在血管中传输的速度与血管壁的顺应性、 血管中血液的密度、 血管 的直径以及外部振荡压力相关。外部振荡压力引起血管壁以正散度 (divergence) 和负散 度振动， 从而令血管壁的直径以循环模式增大和减小。血管中压力脉冲的速度变化基于血 管的直径变化而发生。 血管中压力脉冲的速度变化引起将压力脉冲沿血管从一个位置传输 到另一位置的时间变化。 外部振荡压力通过覆盖血管壁的对应的皮肤而被传输到血管壁和 血液。
在另一示例中， 在肺的气道中传输压力脉冲的速度与管的直径、 气道中所包含的 气体的密度、 气道的顺应性以及施加于气道的外部振荡压力相关。当气道在振荡压力振荡 时， 气道以循环模式扩张和收缩， 并且气道的直径也以循环模式变化。 气道中压力脉冲的速 度基于直径的变化而变化， 并且速度变化引起将压力脉冲沿气道从一个位置传输到另一位 置的时间变化。
图 1A 描述了未被振荡的管的横截面， 而图 1B 描述了正被振荡的管从最小直径到 最大直径的周期性变化。 管的直径周期性变化， 这引起管中压力脉冲的速度周期性变化。 如 图 1B 所示， 当管的直径为最大值时， 传输压力脉冲的速度为最大值， 而当管的直径为最小 值时， 传输压力脉冲的速度为最小值。 速度的最大变化由振荡压力引起， 并且相应的振荡压 力的频率为管的共振频率。
时间延迟是将压力脉冲沿管从第一位置传输到第二位置的时间， 并且该时间延迟 与管中压力脉冲的速度相关。如果管中压力脉冲的速度变化， 则该时间延迟也变化。如果 速度变化为最大值， 则时间延迟的变化为最大值， 因此时间延迟的最大变化也指示出管的 共振。
图 2 示意性地示出了根据本发明的实施例用于测量管的共振频率的系统。 系统 20 包括 ：
- 振荡单元 21， 其用于分别以多个振荡频率来振荡所述管 ；
- 检测单元 22， 其用于检测当所述管以每个振荡频率振荡时将压力脉冲从所述管 中的第一位置传输到第二位置的时间延迟， 其中， 在所述管以所述多个振荡频率的特定振 荡频率范围中的每个振荡频率振荡时， 所述检测单元检测时间延迟的变化 ；
- 确定单元 23， 其用于确定当所述管以所述特定振荡频率范围中的振荡频率振荡时时间延迟的最大变化， 以及
- 指示单元 24， 其用于将与时间延迟的所述最大变化对应的振荡频率指示为所述 管的所述共振频率。
所述管为诸如血管、 肺系统的气道的软管。 所述气道可以为气管、 主支气管或小细 支气管。基于振荡频率， 管壁被振荡。所述管包含诸如气体或液体的内容物。在所述管为 气道的情况下， 压力脉冲可以由通过刺激单元 ( 图 2 中未示出 ) 提供的刺激引起。在所述 管为血管的情况下， 压力脉冲可以由心脏收缩引起。
在接收指令信号 ( 在图 2 中示出为 IS) 之后， 振荡单元 21 开始生成多个振荡压力 以依次振荡所述管， 并且每个振荡压力对应于不同的振荡频率。可以由用户 ( 医生、 患者 等 ) 输入指令信号。
多个振荡频率在预先定义的频率范围中， 并且所述预先定义的频率范围可以由系 统 20 的制造者或用户 ( 医生、 患者等 ) 提供。如果所述预先定义的频率范围未被存储在系 统 20 中， 用户可以向振荡单元 20 输入预先定义范围的振荡频率以分别振荡所述管。如果 预先定义的频率范围被存储在系统 20 中， 用户和 / 或振荡单元 21 可以从预先定义的频率 范围中选择振荡频率以分别振荡所述管。预先定义的振荡频率范围可以为 1Hz ～ 500Hz 的 范围、 1Hz 到 100Hz 的范围等。 管的第一位置可以为管中沿着压力脉冲的传输方向的位置， 而管的第二位置为从 管的第一位置沿着压力脉冲的传输方向的另一位置。 压力脉冲到达第一位置的时间由第一 到达时间 ( 以下称为 FAT) 表示， 而压力脉冲到达第二位置的时间由第二到达时间 ( 以下称 为 SAT) 表示。 检测单元 22 包括分别收集第一位置的 FAT 和第二位置的 SAT 的两个传感器。 所述传感器可以为传声器。
作为替代， 如果所述管为气道， 并且所述压力脉冲由刺激单元引起， 则管的第一位 置可以为刺激单元处的位置， 且管的第二位置为管中沿着压力脉冲的传输方向的另一位 置。检测单元 22 包括收集第二位置的 SAT 的传感器， 而第一位置的 FAT 几乎为 0。所述传 感器可以为传声器。
检测单元 22 意在基于第一位置的 FAT 和第二位置的 SAT 计算将压力脉冲从第一 位置传输到第二位置的时间延迟 ( 时间差 )。
指示单元 24 意在以字符信息、 图表、 光、 声音、 警告等指示共振频率 ( 在图 2 中示 出为 RF)。指示单元 24 也可以意在指示将共振频率存储在存储器中， 所述存储器可以在系 统 20 或者在外部设备中。
针对医学诊断应用， 系统 20 可以包括用于将共振频率与预先定义的共振频率表 进行比较以确定管的一个 / 一组特性的比较单元 ( 图 2 中未示出 )。所述特性可以为血管 或肺系统的机械特性， 诸如管壁的弹性。 所述预先定义的频率表可以包括一组共振频率， 其 中每个共振频率可以对应于人体或动物体的状态， 并且每个共振频率也可以对应于所述管 的一个或一组特性。
对于另一医学诊断应用， 系统 20 可以包括用于基于共振频率计算管的一个 / 一组 特性的计算单元 ( 图 2 中未示出 )。血管的共振频率和血管的弹性之间的相关性可以由下 述已知等式表示 ：
在该等式中， f 表示共振频率， E 表示血管壁的弹性， ρ 表示血管中血液的密度， 并 且 R 为血管的内半径。基于等式和共振频率， 可以计算血管的弹性， 这是由于如果假定血液 具有相对恒定的密度， 则所述共振频率与血管壁的弹性直接相关。
对于另外的医学诊断应用， 在所述管为气道的情况下， 系统 20 还可以包括用于基 于共振频率辅助肺系统咳嗽的辅助单元。例如， 共振频率用于振荡肺系统的支气管以有助 于肺系统咳嗽。辅助单元还可以与正压呼气 (PEP) 治疗设备结合。
所述多个振荡频率可以包括一组特定振荡频率范围。在该组特定振荡频率范围 中， 当每个振荡频率被用于振荡所述管时， 将压力脉冲从管中的第一位置传输到第二位置 的时间延迟发生变化。 包括了时间延迟的最大变化并且该最大变化对应于每个特定振荡范 围中的振荡频率。检测单元 22 可以意在当该组振荡频率范围中的每个振荡频率被用于振 荡所述管时检测时间延迟的变化。确定单元 23 可以意在当每组特定振荡频率范围中的振 荡频率被用于振荡所述管时确定时间延迟的最大变化， 从而分别确定与该组特定振荡频率 范围对应的一组时间延迟的最大变化。指示单元 24 可以意在将与每个时间延迟的最大变 化对应的振荡频率指示为所述管的共振频率， 从而指示一组管的共振频率。
作为替代， 比较单元可以将该组共振频率与预先定义的共振频率表进行比较以确 定管的一个 / 一组特性。计算单元可以基于该组共振频率计算管的一个 / 一组特性。辅助 单元可以用于基于该组共振频率辅助肺系统咳嗽， 例如， 选择与时间延迟的最大变化中最 大的一个对应的共振频率来辅助进行咳嗽。 例如气管、 主支气管和小细支气管的气道的共振频率是不同的。基于本发明的所 提到的实施例， 可以分别测量不同气道的共振频率。例如， 气管、 主支气管和小细支气管的 共振频率可以被分别施加于气管、 主支气管和小细支气管以辅助进行咳嗽。
图 3 为图示说明了振荡频率 ( 示出为 F) 和振幅 ( 示出为 A) 之间的相关性的图表。 在图 3 中， 多个振荡频率被分别施加于三个管上， 并引起针对这三个管的三组最大 ( 峰值 ) 振荡振幅。具有最大振幅的振荡频率为共振频率。管壁的最大振幅引起管中压力脉冲的速 度的最大变化， 并且因此引起将压力脉冲从管中的第一位置传输到第二位置的时间延迟的 最大变化。
在另一实施例中， 系统 20 的指示单元 (24) 还用于输出图表以反映多个振荡频率 和时间延迟之间的相关性， 其中， 在多个振荡频率的至少一个特定振荡频率范围中， 每个振 荡频率都对应于时间延迟的变化， 并且， 在所述至少一个特定振荡频率范围中， 与时间延迟 的最大变化对应于的振荡频率为所述管的至少一个共振频率。
图 4 示意性地示出了时间延迟 ( 示出为 TD) 和振荡频率 ( 示出为 F) 之间的相关 性。每个共振频率都对应于时间延迟的最大变化， 例如， Fr1 对应于特定振荡频率范围 Fr11 至 Fr12 中的时间延迟的最大变化， Fr2 对应于另一特定振荡频率范围 Fr21 至 Fr22 中的时 间延迟的最大变化。在图 4 中， 对应于 Fr1 的最大变化为最大的一个。振荡频率的单位为 Hz， 时间延迟的单位为 ms( 毫秒 )。当所述管以振荡频率振荡时， 检测若干次对应的时间延 迟以检查时间延迟是否发生变化。
图 5 示意性地示出了测量管的共振频率的示例。管 50 由刺激压力 ( 在图 5 中示 出为 EP) 刺激以引起压力脉冲在管 50 中传输。振荡压力 ( 在图 5 中示出为 OP) 被施加于 管 50 以引起管 50 振荡。传感器 S1 用于收集第一位置的 FAT， 而传感器 S2 用于收集第二位
置的 SAT， 从而基于 FAT 和 SAT 得到第一位置和第二位置之间的时间延迟。 由刺激单元提供 刺激压力， 并且由振荡单元 21 提供振荡压力。
图 6 示意性地示出了测量管的共振频率的另一示例。在该实施例中， 给出了肺系 统， 该肺系统包括若干气道， 诸如气管 61、 主支气管 62 以及小细支气管 63。刺激压力 ( 在 图 6 中示出为 EP) 通过嘴部 ( 在图 6 中未示出 ) 而被施加于气管 61， 其引起压力脉冲从气 管经由主支气管传输到小细支气管， 并且施加振荡压力 ( 在图 6 中示出为 OP) 以引起气道 振荡。气管 61、 主支气管 62 和细支气管 63 的共振频率可以被分别测量， 其中， 传感器 S1 和 传感器 S2 被用于测量气管 61 的共振频率， 传感器 S2 和传感器 S3 被用于测量主支气管 62 的共振频率。由刺激单元提供刺激压力， 并且由振荡单元 21 提供振荡压力。肺系统的状态 ( 在呼气状态或不在呼气状态 ) 可以影响压力脉冲的传输， 从而将肺系统保持在同一状态 ( 例如充分吸气的状态 ) 一段短的时间以完成对肺系统的共振频率的测量。 系统 20 还可以 包括用于确保在不同的肺体积进行测量以便确保可以测量所有气道的设备。
图 7 示意性地描述了测量管的共振频率的方法。所述方法包括以下步骤。
步骤 71 用于分别以多个振荡频率来振荡所述管。所述振荡频率在预先定义的频 率范围中， 并且所述预先定义的频率范围可以由系统 20 的制造者或由用户提供。 步骤 72 用于检测当所述管以所述多个振荡频率的特定振荡频率范围中的每个振 荡频率振荡时将压力脉冲从所述管中的第一位置传输到第二位置的时间延迟， 检测步骤 72 检测时间延迟的变化。在所述管为血管的情况下， 所述压力脉冲可以由心脏收缩引起。
步骤 73 用于确定当所述管以所述特定振荡频率范围中的振荡频率振荡时时间延 迟的最大变化。
步骤 74 用于将与时间延迟的所述最大变化对应的振荡频率指示为所述管的所述 共振频率。
指示步骤 74 意在以字符信息、 图表、 光、 声音、 警告等指示共振频率。指示步骤 74 还可以意在指示将共振频率存储在存储器中。
针对医学诊断应用， 所述方法可以包括将共振频率与预先定义的共振频率表进行 比较以确定管的一个 / 一组特性的步骤。
针对另一医学诊断应用， 所述方法可以包括基于共振频率计算管的一个 / 一组特 性的步骤。
针对另外的医学诊断应用， 在所述管为气道的情况下， 所述方法还可以包括基于 共振频率辅助肺系统咳嗽的步骤。
所述多个振荡频率可以包括一组特定振荡频率范围。在该组特定振荡频率范围 中， 当每个振荡频率被用于振荡所述管时， 将压力脉冲从管中的第一位置传输到第二位置 的时间延迟发生变化。 包括了时间延迟的最大变化并且该最大变化对应于每个特定振荡范 围中的振荡频率。检测步骤 72 可以意在当该组振荡频率范围中的每个振荡频率被用于振 荡所述管时检测时间延迟的变化。确定步骤 73 可以意在当每组特定振荡频率范围中的振 荡频率被用于振荡所述管时检测时间延迟的最大变化， 因此分别确定与该组特定振荡频率 范围对应的一组时间延迟的最大变化。指示步骤 74 可以意在将与每个时间延迟的最大变 化对应的振荡频率指示为管的共振频率， 并且然后指示一组管的共振频率。
作为替代， 比较步骤可以将该组共振频率与预先定义的共振频率表进行比较以确
定管的一个 / 一组特性。计算步骤可以基于该组共振频率计算管的一个 / 一组特性。辅助 步骤可以用于基于该组共振频率辅助肺系统咳嗽， 例如， 选择与时间延迟的最大变化中最 大的一个对应的共振频率来辅助进行咳嗽。
在另一实施例中， 指示步骤 74 还意在输出图表以反映多个振荡频率和时间延迟 之间的相关性， 其中， 在多个振荡频率的至少一个特定振荡频率范围中， 每个振荡频率都与 时间延迟的变化对应， 并且在所述至少一个特定振荡频率范围中， 与时间延迟的最大变化 对应的振荡频率为所述管的至少一个共振频率。
在测量管的共振频率的所述方法中使用计算机程序。
应该注意的是， 上述实施例举例说明本发明而非限制本发明， 并且本领域技术人 员在不脱离所附权利要求书的范围的情况下能够设计替代实施例。在权利要求书中， 置于 括号中的任何附图标记不应该被解释为对权利要求的限制。词语 “包括” 不排除存在权利 要求或说明书中未列出的元件或步骤。元件前面的词语 “一” 或 “一个” 不排除存在多个这 样的元件。 本发明可以由包括若干不同元件的硬件的单元以及预先编程的计算机的单元实 现。在列举了若干单元的系统权利要求中， 可以由硬件或软件中的一项和相同项体现这些 单元中的若干。 词语第一、 第二、 第三等的使用不指示任何排序。 要把这些词语解释为名称。