用于肺部生理的区域评估的方法和系统 【技术领域】
本发明涉及医疗器械和方法，更具体地说，本发明涉及用于分析人体声音的器械和方法。
背景技术
已经利用放射性核素灌注(radionucleotide perfusion，也称为“VQ扫描”)来进行肺部生理的区域评估。在该技术中，将放射性粒子注入主体的血液系统内，或者使主体吸入悬浮的放射性粒子。获取肺部的X光图像，并且将图像中的一个或两个肺分成两个或多个区域。随后对每个肺部区域进行单独的分析。在大部分的区域性肺部评估中，两个肺部图像中的每一个均被分成三个部分(上部、中部和下部)，并获取对每个区域中的肺部功能或生理的区域评估。通常，区域评估包括确定在每个区域中所检测到的放射能占总的检测到的放射能的部分。在每个区域中所检测到的放射能的量与各个部分中的肺部情况相关联。
在各种异常的诊断中医师通常采用人体声音来进行诊断。医师可能将听诊器放置在人的胸部或背部上，并且监听病人的呼吸，以便检测偶发(即异常的或不希望的)肺音。偶发肺音的识别和分类通常提供与肺部异常有关的重要信息。
还已知将一个或多个麦克风固定在受实验者的胸部或背部上，并且记录肺音。美国专利No.6,139,505公开了一种系统，其中在病人的胸部附近放置了多个麦克风。吸气和呼气过程中麦克风的记录被显示在屏幕上，或者打印在纸上。随后，医师在视觉上对记录进行检查，以便检测病人的肺部异常。Kompis等人(Chest，120(4)，2001)公开了一种系统，其中将M个麦克风放置在病人的胸部上，并记录肺音。这种记录产生了M个用最小二乘拟合来求解的线性等式。系统的方案被用于确定记录中所检测到的声源在肺中的位置。
Kushnir等人的美国专利No.6,887,208提供了一种用于对呼吸道所产生的声音进行记录和分析的方法和系统。在个体的胸部上的多个位置记录呼吸道声音，并且对所记录的声音进行处理以产生呼吸道的图像。这种处理包括根据在时间间隔t1至t2在胸膛的多个位置上记录到的信号来确定声能。此处所使用的术语位置上的“声能”指的是这样一个参数，其表示了或者大约等于该位置上的压力与质量传播速度的乘积。图像可被用来分析呼吸道生理，并被用来检查病理状况。此外，可将时间间隔分成多个子间隔，在胸部上确定两个或多个子间隔的平均声能。随后可以确定针对每一个这些子间隔的图像，并且将图像连续地显示在显示监视器上。这就产生了示出时间间隔内的呼吸道中的声能的动态改变的影片。
【发明内容】
本发明提供了一种用于对肺部功能进行区域评估的系统和方法。根据本发明，将麦克风贴在身体表面的多个位置上，并且对表示肺部声音的信号进行记录。对信号进行分析，以便在肺部的身体表面上的两个或更多位置处得出预定参数的值。其上确定了参数的两个或更多位置被组成组，其中每组均包括肺部的特定区域上的身体表面上的一些位置。这些区域可对应于肺部的解剖区域，或者可通过肺部解剖结构来独立地确定。对于每组位置，根据组中的参数值来获取下面的肺部区域的区域评估。例如，区域评估可能是该组中位置的参数值之和、最大值、最小值或平均值。可选地，区域评估可能是该组中位置的参数值之和除以所有组中的参数值之和。在一个实施例中，每个肺部都被分成三个区域(上部、中部和下部)，并且如上所述的那样获取六个区域中的每个区域的区域评估。在另一实施例中，肺部被分成区域，以使得每个区域上的麦克风数相同。可以以表格的形式表示区域评估。可选地，生成示出了肺部和肺部区域的轮廓的图，并且该图中示出了出现在图中区域的每个区域的区域评估的值。
在一个实施例中，所述多个位置是麦克风所处的位置。由于放置麦克风的位置是已知的，所以可以知道每个麦克风是放在哪个肺部上以及放在肺部的什么位置。可将每个肺部上的麦克风分成组。例如，可将每个肺部上的一套麦克风分成与该肺部的上部、中部和下部区域相对应的上部、中部和下部组。随后可获取六个肺部区域的每个肺部区域的区域评估。
在另一实施例中，在包括没有放置麦克风的一个或多个位置的位置上计算参数值。例如，可以通过对在麦克风的位置处计算的值的插值来确定没有放置麦克风的位置处的参数值。优选地，针对在其上计算参数的每一个位置，确定该位置处于左边肺部上还是右边肺部上。本发明提供了一种用于对左边和右边肺部上的位置之间的边界进行定位以及用于对肺部的顶部和底部进行定位的方法。
在本发明的一个实施例中，呼吸周期被分成两个或多个时间间隔，并且针对每个时间间隔，根据本发明来获取肺部的区域评估。
本发明的系统包括多个(N个)传感器(麦克风)，其被配置成附在个体背部或胸部上的基本平坦的区域R上。传感器通常被嵌入基体(matrix)，以便很容易地将传感器附于个体的皮肤上。通常，这种基体可能是马甲或外衣，以便轻易地将它们放置在个体的胸膛上。可以理解的是，对于不同年龄、性别等，可以针对不同体型的个体采用不同的基体。
区域R中的位置由定义在平坦区域R中的二维坐标系中的二维位置矢量x＝(x1，x2)表示。第i个传感器(i＝1至N)被固定在区域R中的位置xi并产生表示身体中到达xi处的压力波的信号(在此表示为P(xi，t))。
在优选实施例中，在多个位置的每个位置处计算出的参数是平均声能。在此所使用的术语位置处的“声能”指的是表示或者约等于该位置处的压力与质量传播速度的乘积。Kushnir等人的美国专利No.6,887,208公开了一种用于根据肺部声音的声信号来计算肺部上的多个位置处的平均声能。如该专利所公开的那样，可以通过N个信号来产生区域R中的多个位置x处在t1至t2的时间间隔内的平均声能(在此用表示该平均声能)，并用其来产生肺部图像。
在本发明的一个实施例中，利用以下代数表达式，在麦克风的一个或多个位置处获取在t1至t2的时间间隔内的平均声能：
P~(xi,t1,t2)=∫t1t2P2(xi,t)dt---(1)]]>
其中xi是麦克风的位置。
在更优选的实施例中，例如利用等式(1)，在麦克风的多个位置xi获取在t1到t2的时间间隔内的随后通过利用任何已知的插值方法对进行插值，从而获取其它位置x处的
在最优选的实施例中，利用下列代数表达式来执行插值以获取表面R的位置x=(xi1,xi2)]]>处的平均声能
P~(x,t1,t2)=Σi=1NP~(xi,t1,t2)g(x,xi,σ)---(2)]]>
其中g(x，xi，σ)是函数核，其满足
▿2g=∂g∂σ---(3)]]>
其中xi=(xi1,xi2)]]>是第i个麦克风的位置，σ是可选参数。
例如，可以采用以下函数核：
g(x,xi,σ)=Exp-((x1-xi1σ)22σ)·Exp-((x2-xi2σ)22σ)---(5).]]>
Kushnir等人的美国专利No.6,887,208公开了根据在一时间间隔内计算出来的平均声能来产生肺部图像。在本发明的最优实施例中，根据所计算出来的平均声能来产生肺部图像。在显示装置中显示该图像，图像中的肺部被分成两个肺部区域。肺部区域的区域评估与肺部图像一同显示。
因此，在本发明的第一方面中，本发明提供了一种用于在个体的肺部的两个或更多区域中进行区域评估的系统，其包括：
(a)N个传感器，每个传感器均被配置成固定在该个体胸膛上的表面上，第i个传感器被固定在位置xi并产生表示位置xi处的压力波的信号P(xi，t)，其中i＝1至N；以及
(b)处理器，其被配置成接收信号P(xi，t)并且在包括一个或多个信号P(xi，t)的计算中确定每个区域中的参数值。
在本发明的第二方面中，本发明提供了一种用于在个体的肺部的两个或更多区域中进行区域评估的方法，其包括：
(a)获取表示位置xi处的压力波的信号P(xi，t)，其中i＝1至N；以及
(b)在包括一个或多个信号P(xi，t)的计算中确定每个区域中的参数值。
在本发明的第三方面中，本发明提供了一种计算机程序产品，其包括计算机可用介质，该介质包括嵌入其中的用于在个体的肺部的两个或更多区域中进行区域评估的计算机可读程序代码，该计算机程序产品包括：
计算机可读程序代码，用于使计算机在包括一个或多个信号P(xi，t)的计算中确定每个区域中的参数值，该信号P(xi，t)表示位置xi处的压力波，其中i＝1至N。
【附图说明】
为了理解本发明以及为了了解本发明实际上是如何执行的，现在将仅仅以非限制性示例的方式并通过参照附图来对优选实施例进行描述，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于执行区域评估的系统；
图2示出了根据本发明的一个实施例的区域评估的方法的流程图；
图3示出了根据本发明的放置在受实验者背部上用以区域评估的麦克风的位置；
图4示出了通过本发明的方法(图4a)和通过VQ扫描(图4b)对第一受实验者进行的区域评估；
图5示出了用于将肺部的图像分成多个区域的方法；以及
图6示出了通过本发明的方法(图6a)和通过VQ扫描(图6b)对第二受实验者进行的区域评估。
【具体实施方式】
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于执行区域评估的总体上由100表示的系统。多个(N个)传感器105(图中示出了其中的四个)被放置在个体110的胸部或背部皮肤的平坦区域上。可以通过本领域已知的任何方式来将传感器105放置在主体上，例如利用粘合剂、吸力作用或紧固带。每个传感器105均产生模拟电压信号115，该信号表示到达传感器的压力波。通过多通道模数转换器120来将模拟电压信号115转换成数字信号。数字数据信号P(xi，t)125代表了时刻t在第i个传感器(i＝1至N)的位置xi上的压力波。数据信号125被输入至存储器130。配置成用于处理数据信号125的处理器135对输入至存储器130的数据进行存取。可通过对诸如具有肺部声音频率范围之外的频率的分量之类的分量(例如，由于个体运动而产生的振动)进行滤波来降低信号125的噪声。还可以对每个信号125进行带通滤波，以便仅对感兴趣的范围内的信号进行分析。
诸如计算机键盘140或鼠标145之类的输入装置被用来输入诸如个体110的个人资料之类的与检查相关的信息。输入装置140还可用来输入一个或多个时刻t1和t2的值，其规定了信号P(xi，t)将被分析的时刻或者规定了其间没有对信号P(xi，t)进行分析的一个或者多个时间间隔。处理器135在规定的时刻或者在规定的时间间隔在肺部的多个位置上计算参数值。在优选实施例中，处理器135被配置成计算在区域R的多个位置x上的在t1到t2的时间间隔内的平均声能该计算包括至少一个信号P(xi，t)。
计算参数所处的位置被分成多个组，每组均覆盖了肺的一个区域。处理器135还被配置成执行肺部的区域评估。区域评估包括针对每组来确定一个或多个区域参数的值，其中在包括在区域中的位置上计算出来的参数值的计算中获取每个区域参数。例如，区域参数可能是区域中的参数之和、参数值的最大值、最小值或平均值。可以通过用区域参数除以区域参数值之和来使区域参数值标准化。
图2示出了用于执行根据优选实施例的本发明的方法的流程框图。在步骤200中，从放置在肺部上的预定位置xi(i＝1至N)上的N传感器中获得信号P(xi，t)。在步骤205中，利用输入装置140或145将一个或多个时刻的值输入处理器135，或者由处理器135确定这些时刻的值。在步骤210中，在一个或多个输入时刻或在一个或多个间隔上确定多个位置x上的参数值。在步骤220中，在一个或多个预定肺部区域中的每一个区域中计算区域参数。在步骤225中，计算区域参数的总和。在步骤230中，针对每个区域，通过用区域参数除以计算出来的总和来使区域参数标准化，从而产生区域的区域评估。在步骤240中，肺部的图像被显示在显示器150上，其中肺部被分成预定的肺部区域，每个区域的标准化或者非标准化区域参数被显示在图像中的区域中。区域评估是时间间隔中区域内的总的平均声能，或者区域的总声能除以肺部的总声能。
在本发明的最优选实施例中，肺部图像是根据一段时间间隔内获取的平均声能而产生的。Kushnir等人的美国专利No.6,887,208公开了根据在肺部上的多个位置上计算出来的平均声能来产生肺部图像。肺部图像被显示在显示监视器上，其中图像中的肺部被分成多个肺部区域。
可以理解的是，根据本发明的系统可能是适当编程的计算机。同样，本发明设想一种计算机可读的计算机程序，用于执行本发明的方法。本发明还设想一种可机读存储器，其确实地实施了可被机器执行的用以执行本发明的方法的指令程序。
示例
通过VQ扫描并通过本发明的方式对两个受实验者进行肺部功能的区域评估。第一受实验者为35岁的男性，他的BMI(身高体重指数，体重除以身高的平方)为26且没有吸烟史。第二受实验者为71岁的男性，他的BMI为30，并且在接受肺部功能的区域评估之前戒烟5年。第二受实验者的PIY(每天吸烟的包数乘以吸烟年数)为150。
针对由本发明的方法所执行的区域评估，在受实验者的背部定义了二维坐标系统。如图3所示，在个体肺部上面的背部上放置了48个传感器，传感器放置的位置由圆圈300表示。曲线305示出了肺部的假定轮廓。可以看到，传感器被放置在规则的矩形格子中，传感器之间的水平和垂直间隔为5cm。随后对信号P(xi，t)进行记录。利用截止频率为150Hz的低通滤波器来对每个信号进行滤波。通过每个圆圈300的灰度阴影(参考灰度量表)的方式，在图3中表示出呼吸周期中的每个滤波后的函数P(xi，t)的平均值。利用上述等式(1)和(2)(其中函数核g采用σ＝36像素时的等式(5))得到
图4a示出了肺部图像500，它是通过对第一受实验者实施美国专利No.6,887,208的方法获得的。该图是像素x(i，j)的二维阵列，其中x(i，j)是像素(i，j)上的灰度值或其它亮度值，其中i和j分别是像素的列数和行数。利用图5所示的流程框图所示的算法来将图像500分成6个部分。在步骤400中，每列i中的亮度值被加在一起以产生列的和Ai=Σjx(i,j).]]>图4a示出了函数Ai的曲线501。函数Ai具有局部最小值502，该最小值识别出了图像500中的左肺504和右肺506之间的边界。在步骤402中，分别在左肺504和右肺506之间的边界处，在图像中引入垂线508。
在步骤404中，右肺中的图像的行被加在一起以得到行的和图500中示出了邻近右肺506的函数Bj的曲线511。在步骤406中，在最高行j识别右肺的顶部，对于该最高行，Bj超过了预定阈值。随后在步骤408中在右肺的顶部将水平线引入图像500中。在步骤410中，在最低行j识别右肺的底部，对于该最底行，Bj超过了预定阈值。随后在步骤410中在右肺的底部将水平线512引入图像。
在步骤412中，左肺中的图像的行被加在一起以得到行的和图500中示出了邻近左肺504的函数Cj的曲线513。在步骤414中，在最高行j识别左肺的顶部，对于该最高行，Cj超过了预定阈值。在步骤416中，在最低行j识别左肺的底部，对于该最底行，Cj超过了预定阈值。随后在步骤420中在左肺的底部将水平线516引入图像。
在步骤422中，将右肺的高度计算为图像中右肺的顶部和底部之间的像素行数。在步骤424中，用右肺的高度除以3，在步骤426中，将水平线520和522引入图像500以便将图像中的右肺分成等高的3个部分，即右上RT、右中RM和右下RB。
在步骤428中，将左肺的高度计算为图像中左肺的顶部和底部之间的像素行数。在步骤430中，用左肺的高度除以3，在步骤432中，将水平线524和526引入图像以便将图像中的左肺分成等高的3个部分，即左上LT、左中LM和左下LB。
现在图像500中的肺已经被分成6个区域RT、RM、RB、LT、LM和LB，在步骤434中对每个区域中的像素的亮度进行求和。每个区域的和就是针对该区域的区域评估参数的值。在按照美国专利No.6,887,208所公开的那样计算像素亮度的情况下，所获取的区域评估表示了肺的每个区域中的气流。
图4示出了VQ扫描所确定的同一个体的区域评估。如本领域所公知的那样，该图像被分成6个区域，并且计算每个区域中的放射能部分。区域中示出了每个区域的区域评估。
图6a示出了通过本发明的方法从第二受实验者获取的区域评估，而图6b示出了通过VQ扫描从第二受实验者获取的区域评估。