專利名稱：測量顱內彈性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無創(chuàng)傷地測量顱內壓力的方法。
背景技術：
一般來講，諸如人類的哺乳動物的顱內的血液體積是恒定的，因此，具有恒定的 顱內壓力(“ICP”)。然而，各種正常的和病態(tài)的狀況能夠使顱內壓力產(chǎn)生變化。升高的 顱內壓力能夠減小到大腦的血流，并且在某些情況下能夠導致大腦被機械地壓縮并最終破 裂；。升高的顱內壓力最常見的后果是頭部創(chuàng)傷。升高的顱內壓力的其他后果包括但不限 于搖晃嬰兒綜合癥、硬腦膜外血腫、硬腦膜下血腫、腦溢血、腦膜炎、腦炎、鉛中毒、雷氏綜合 癥、維生素A過多癥、糖尿病酮酸癥、水中毒、腦腫瘤、顱腔內的其他包塊或血塊、腦膿瘡、中 風、ADEM( “急性彌散性腦脊髓炎”)、新陳代謝紊亂、腦積水、硬膜竇和靜脈血栓。因為顱內 壓力的變化需要持續(xù)的監(jiān)視和可能的手術介入，監(jiān)視顱內壓力的技術的發(fā)展在醫(yī)學界仍是 一個重要的目標。美國專利號6875176。傳統(tǒng)的顱內壓力監(jiān)視設備包括硬膜外導管；蛛網(wǎng)膜下腔栓/螺釘；腦室切開術 導管和光纖維導管。所有這些方法和系統(tǒng)均為有創(chuàng)傷性的，且需要由受過良好訓練的神經(jīng) 外科醫(yī)生進行有創(chuàng)傷性的手術過程。此外，所有這些技術都不適于迅速或常規(guī)的顱內壓力 的監(jiān)視。此外，所有這些傳統(tǒng)的技術都局部地測量ICP，且假設局部的ICP反映整個大腦的 ICP。美國專利號6875176的教導示出了現(xiàn)有方法的局限性。目前還沒有被廣泛接受的無創(chuàng)傷性測量ICP的方法。然而，臨床上，測量ICP的有 效方法的發(fā)展非常重要，因為ICP能夠預測臨床結果，且可以導致改變的、更有效的治療。 例如，在腦部受到外傷后，顱內壓力趨于升高，需要馬上確認和處理。Zanier等人，Critical Care 11 :R7 ( “2007”)。測量ICP的現(xiàn)有標準要求直接的、有創(chuàng)傷性的測量，包括放置硬腦 膜外傳感器或腦室內或薄壁組織內導管。Frank等人，Zentralbl Neurochir 61 (“4”) 177-80 ( “2000”)。有創(chuàng)傷性的方法的使用增大了由于感染、流血或手術事故而受傷的風 險。Czosnyka 等人，J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry75 :813_821 ( “2004” )。目前已開發(fā)了各種不同的用于無創(chuàng)傷性測量ICP的技術，包括測量耳聲發(fā)射 (“Frank 等人，Zentralbl Neurochir 61(“4”) 177-80 ( “2000”)”)，及使用經(jīng)顱的多普勒 的超聲(Ragauskas 等人，Innovative non-invasive me thod for absolute intracranial pressure measurement[在線的]，[于2008年7月30號獲取].獲取自互聯(lián)網(wǎng)<URL http//www. neurosonology. org/bern2002/abs_12. html .例如，美國專利號6702743 ( “ ‘743專利”)公開了一種測量ICP的無創(chuàng)傷性方法。 超聲探針放置在病人的頭部，然后用其產(chǎn)生穿過病人的顱骨和大腦進行傳播的超聲脈沖。 超聲脈沖從位于與超聲探針垂直的路徑的顱骨和軟組織反射回來。然后選取生成的回波EG 信號的一部分，并將回波EG信號結合到選取的部分上以產(chǎn)生回波脈沖圖(“EPG”)信號。然 而，為了使用’ 743專利的方法確定ICP，操作員必須手動選擇，或“篩選”(gate)EPG的一部 分并在每一篩選處查看EPG波形以確定哪一個為大腦中的所關注的部位提供了最優(yōu)的EPG 波形。
3
我們已經(jīng)開發(fā)了用于無創(chuàng)傷性測量ICP，更一般地，測量大腦彈性的新方法，其不 需要技術人員手動查看EPG波形。使用結合到模擬的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(“SANN”)的算法(其 基于從多個超聲脈沖生成的一組相互作用的超聲信號(“IUS”)的確定來計算ICP)來確定 ICP。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能夠迅速確定ICP而不需要手動查看EPG波形。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于測量ICP的無創(chuàng)傷性技術，其基于對用回波脈 沖圖(“EPG”)形式表示的反射的超聲信號的分析來測量ICP。通過首先發(fā)射約至少IMHz的超聲脈沖到病人的頭顱內來測量ICP。然后該超聲脈 沖被頭顱內的包括第三腦室的壁的各種結構反射回來。該反射信號被傳感器接收，并生成 “'fn 息包 ο本發(fā)明獲取病人的多個超聲信號。由于流進和流出大腦的血流(“心臟收縮和舒 張”)，第三腦室的壁的狀態(tài)不斷地改變，計算機能夠比較各信號以基于對應的波形的偏離 來定位第三腦室的區(qū)域。一旦定位了第三腦室，沿著第三腦室內的波的部分的數(shù)據(jù)點將用于計算ICP值。 由將采樣值與從具有已知的ICP值的病人獲取的ICP數(shù)據(jù)相關聯(lián)的算法計算ICP值。一旦 參考已知的ICP值比較或訓練了系統(tǒng)，計算機將自動完成計算。


圖1示出了用于發(fā)射和接收超聲波及訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)選裝置的框圖。圖2示出了顱內壓力監(jiān)視系統(tǒng)的流程圖。圖3示出了一個完整的超聲反射信號(“USRS”)。圖4示出了 USRS的部分和大腦的部分之間的相關性。圖5示出了將USRS數(shù)據(jù)點輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡和算法以獲得ICP值的流程圖。圖6示出了用作輸入的具體的EPG點的實例。圖7是QRS波群(complex)與超聲信號的并排比較。圖8示出了在訓練過程中使用的反向傳播方法的流程圖。圖9示出了訓練過程是如何創(chuàng)建可測量的ICP值的范圍的實例。圖10示出了用于訓練過程的硬件的一個實施方式。具體描述本發(fā)明的目的是提供一種用于無創(chuàng)傷性測量ICP，更一般地，測量體內的各種器官 或腔室的內部或附近的組織的彈性的方法。在一個實施方式中，通過使用穿顱的多普勒信 號使顱骨腔受超高頻聲波的作用來確定ICP。首先，識別第三腦室的前壁和后壁的位置并建 立ICP波形圖。然后使用神經(jīng)網(wǎng)絡從ICP波計算ICP。更一般地，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用 于測量各種不同的組織的組織彈性。在本發(fā)明的一個實施方式中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)使用超聲探針。這種探針可由 一個或多個通過電極激發(fā)的壓電元件構造，例如，由鋯鈦酸鉛(“PZT”)、聚乙二烯二氟化物 (“PVDF”)、PZT陶瓷/聚合體合成物等。電極連接到電壓源，施加電壓波形，壓電元件的大 小以對應于施加的電壓的頻率的頻率變化。當施加電壓波形時，壓電元件以激勵波形中含有的頻率發(fā)射超聲波到其耦合的介質中。反過來，當超聲波射到壓電元件時，元件在電極兩 端產(chǎn)生相應的電壓。可以使用本領域內公知的各種超聲探針中的任意一種來實施本發(fā)明。圖2提供了本發(fā)明的方法的概覽。超聲探針1發(fā)射超聲波到顱骨腔內。超聲探針 放置在病人的頭部，然后用其生成穿過病人的頭骨和大腦進行傳播的超聲脈沖。超聲脈沖 被顱骨9的枕骨部分及在穿過大腦組織8的過程中遇到的其他半剛性或剛性結構反射。在 穿過過程中超聲脈沖遇到的一個這樣的結構是第三腦室，包括腦室的前壁和后壁。超聲脈 沖被反射回超聲探針1并反射回超聲獲取系統(tǒng)7。任何可從市場上購買到的超聲裝置可用 于本發(fā)明的方法和系統(tǒng)(見，Advanced Transducer Services, Inc.[在線的]，[于2008 年7月30日獲取].獲取自互聯(lián)網(wǎng)<URL :www. atsultrasound. com/ 。該信號可由具有加 載的算法6的微處理器系統(tǒng)解譯，加載的算法6識別第三腦室壁的位置并將EPG點和ICP 值相關聯(lián)。圖1表示能夠用于測量ICP的系統(tǒng)的一個實施方式。該系統(tǒng)包括任何的中央處理 單元(“CPU”)或微處理器系統(tǒng)，諸如膝上計算機6、通用串行總線(“USB”)接口 5、數(shù)字信 號處理器(“DSP”)4、放大器、模擬到數(shù)字轉換器(“々0(”)3、超聲電路2和超聲探針1(其 具有發(fā)射器、接收器和用于生成超聲脈沖的探針)。該系統(tǒng)與測量心跳的裝置相結合。應 該理解圖1所示的實施方式僅表示具有CPU 6、模擬到數(shù)字轉換器(“ADC”)3和超聲探針 1的本發(fā)明的系統(tǒng)的一個示例性的配置。所有這些組件都可以從標準的電子供應商那購買 到。標準的、可購買到的組件可用于本發(fā)明的系統(tǒng)。以下對具體組件的描述僅為示 例性的，且本發(fā)明的系統(tǒng)不限于這些組件。例如，DSP 4可以為德州儀器公司的C2000DSC 和 TMS320C20x，堪培拉公司的 2060 型號、CEVA-X164U CEVA-X1622、CEVA-X1620、或 CEVA-TeakLite-III。DSP4負責經(jīng)由探針1生成頻率為至少IMHz的電脈沖或信號，通過探 針1檢測反射回來的波形和回波，并處理檢測到的數(shù)字信號。根據(jù)研究的數(shù)字信號可以改 變DSP 4的硬件的范圍。當DSP 4接收到來自計算機6的啟動信號時，測量周期開始。作為反應，DSP 4指 示探針1生成一系列超聲脈沖。可商業(yè)購買到的超聲探針可用于本發(fā)明的方法和系統(tǒng)(見 Advanced Transducer Services, Inc.[在線的]，[獲取于 2008 年 7 月 30 日]·獲取自互 聯(lián)網(wǎng)<URL :www. atsultrasound. com/ 。超聲探針1應該能夠發(fā)射頻率為至少IMHz且上 限為約IOMHz的超聲波?？稍诎l(fā)射模式、或各種反射或散射模式(包括檢查由壓力波轉變?yōu)闄M波或由橫波 轉變?yōu)閴毫Σǖ哪Ｊ?中采用超聲源和檢測器。超聲檢測技術也可用于監(jiān)視來自聲穿透的 組織的聲發(fā)射。檢測技術包括測量諸如反向散射的聲散射中的變化，或聲發(fā)射中的變化。與 組織特性相關的聲散射或發(fā)射數(shù)據(jù)的實例包括聲信號的幅值變化、聲信號的相位變化、聲 信號的頻率變化、與問診信號相關的散射或發(fā)射信號的長度變化、在一個心動周期和/或 呼吸周期內的聲信號的初始和/或其他最大和/或最小幅值的變化；在一個心動周期內最 大和/或最小幅值與后續(xù)振蕩的平均值和/或變化和/或分布的比值，在同一位置的不同 時間和/或不同位置的同一時間散射或發(fā)射信號的時間或空間差異(variance)的變化，所 有可能的內生的大腦組織移位或松弛的變化速率，諸如移位的速度或加速度等。可以采用 多個具有相同或不同的頻率、脈沖長度、脈沖重復頻率、強度的聲問診信號，且多個聲問診信號可以同時和/或順序地從同一位置或多個位置發(fā)送?？梢砸詥我坏幕蚨鄠€頻率、在同 一或多個時間、及在單個或多個位置檢測來自一個或多個問診信號的散射或發(fā)射。圖3示出了單個超聲反射信號(“USRS”)。圖示中，該超聲信號指回波脈沖圖或 EPG 10。它是指示前后顱頂?shù)慕M織位置和超聲脈沖的路徑中的顱內內容的交互信號。聲穿 透包括第三腦室的大腦的超聲信號具有一定的頻率特性。如果返回的信號沒有變化，EPG僅 測量解剖結構并反射回同樣的波形。然而，如果聲穿透的超聲信號與其路徑中的每一樣東 西尤其與第三腦室動態(tài)相互作用，最終的波形或EPG是交互的，并可進行過濾以得到一組 反射信號以計算ICP。例如，圖4是有標記的交互的EPG。波形的可識別的部分對應于探針 11內的反射信號(“a”)、前顱頂?shù)?“b”)、硬腦膜和腦膜12、大腦13的(“C”)、第三腦 室14的(“d”)、及硬腦膜和后顱頂15的反射信號(“e”)。在任一心動周期(“收縮”和“舒張”)中，可以進行多個EPG測量；圖7是EPG和 QRS波群的并排比較，其示出了心動周期和大腦的關系。在所述心動周期(“收縮”和“舒 張”)中，第三腦室的壁伸展和縮小。因此，在心動周期中第三腦室的壁的位置相對于超聲 探針變化。在本發(fā)明的一個實施方式中，進行至少10個EPG測量。在另一個實施方式中，進行 了至少25個EPG測量。在第三個實施方式中，進行了至少50個EPG測量。在第四實施方 式中，進行了至少100個EPG測量。EPG信號均被數(shù)字化并在顯示屏上顯示為強度和時間的 函數(shù)。如圖5所示，所有的EPG 16-19中創(chuàng)建的來自第三腦室區(qū)的點被輸入算法以計算ICP 值。這些點在圖6中表示得更為清晰，其示出了 EPG的第三腦室區(qū)是如何在時間(“t”)上 被劃分為孤立的點21-35的。這些點表示來自EPG的孤立部分的數(shù)字化的數(shù)據(jù)點的離散包，然后其被用于基于 等式計算ICP ICP = Σ tanh( "Σ IXW+b")ff+b其中，I表示來自回波脈沖圖21-35的選取部分的所有數(shù)據(jù)點的輸入矩陣，W是通 過訓練(training)過程得到的權重矩陣，及b是由計算機6分配的隨機偏差常數(shù)。輸入矩陣是(“nXk”)的數(shù)學矩陣，其中η行等于樣本數(shù)；在本發(fā)明的一個實施 方式中，該值至少為10。k列等于沿著在腦室壁之間發(fā)現(xiàn)的對應的EPG的數(shù)據(jù)點。經(jīng)由已 知的數(shù)學方法計算該矩陣。通過必須進行一次的訓練或相關過程獲得W值或權重矩陣。在V. D. De Viterbo 禾口 J. C. Belchior, Artificial Neural Networks Applied for Studying Metallic Complexes, Journal of Computational Chemistry, vol. 22, no. 14,1691-1701 ( ‘‘2001，，) 中描述了訓練SANN的方法。該訓練過程是一反向傳遞算法，該算法由將輸入集合和期望的 輸出集合提供給網(wǎng)絡組成。權重被逐漸校正直到在網(wǎng)絡中實現(xiàn)期望的誤差。在圖8中圖示 了該方法。在本發(fā)明的一個實施方式中，根據(jù)下式執(zhí)行反向傳遞算法AWji = ^Jjout；-1 + ^AWpprevi0US)(ι)其中表示第1層第j個元素和前一層的第i個元素之間的權重的相關性。量 out,M含有第1-1層的輸出結果。參數(shù)η和μ分別被命名為學習速率和動量(momentum) 常數(shù)。這些常數(shù)確定訓練步驟中的收斂速率。通常，動態(tài)地調整這些參數(shù)以獲得最好的收 斂速率。將在訓練期間引入的誤差計算為
權利要求
1.一種測量哺乳動物體內組織的彈性的方法，包括以下步驟a.發(fā)射至少一個超聲脈沖到所述體內的靶位以獲得一反射信號；b.繪制隨時間(“t”)的所述反射信號(“S”)強度以生成回波脈沖圖(“EPG”)；c.識別所述信號隨時間的變化點；d.對于各EPG繪制在時間(“t”)的所述點；及e.使用計算機算法計算組織的彈性。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖的頻率為至少1MHz。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖的頻率為至少5MHz。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖的頻率為至少10MHz。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中至少10個超聲脈沖被發(fā)射到所述體內。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖具有在0到200伏之間的幅值。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖被超聲接收器以在14次心跳中IOM 樣本/秒的速率接收。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖被超聲接收器以在14次心跳中 1000M樣本/秒的速率接收。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖被超聲接收器以在14次心跳中 10，000M樣本/秒的速率接收。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述超聲脈沖被超聲接收器以在14次心跳中 100，000M樣本/秒的速率接收。
11.一種測量哺乳動物大腦內的顱內壓力(“ICP”)的方法，包括以下步驟a.發(fā)射至少一個超聲脈沖到哺乳動物的顱腔內的靶位以獲得一反射信號；b.繪制隨時間(“t”)的所述反射信號(“S”)強度以生成回波脈沖圖(“EPG”)；c.識別所述信號隨時間的變化點；d.對于各EPG繪制在時間(“t”)的所述點；及e.使用計算機算法計算所述顱內壓力。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述靶位是所述顱腔內或鄰近所述顱腔的至少 一個半剛性或剛性結構。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述靶位包括顱骨的枕骨部分。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述靶位包括第三腦室。
15.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述計算機算法是用于計算顱內壓力的頭部動 態(tài)特性的相關性的算法(ACDPH)。
16.一種顱內壓力監(jiān)視系統(tǒng)，包括a.一超聲探針；b.一超聲獲取系統(tǒng)；及c.一微處理器系統(tǒng)、USB、監(jiān)視器、存儲器和A⑶PH波群儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無創(chuàng)傷地測量顱內壓力(ICP)，更一般地，測量大腦彈性的新方法。使用結合到模擬的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(SANN)的算法來確定ICP，所述算法基于一組從多個超聲脈沖中產(chǎn)生的相互作用的超聲信號(IUS)的確定來計算ICP。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能夠迅速確定ICP而不需要技術人員人工查看EPG波。
文檔編號A61B8/14GK102112061SQ200980129786
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權日2008年7月30日
發(fā)明者V·D·德維特波 申請人:A·拉帕波特