人类心脏脉搏波响应同时测量几个由两个MR-Compatible光纤传感器位置的方法

文摘

介绍了实验测量进行了使用两种无损光纤的方法检测人体心脏脉搏波。可以使用两种方法结合磁共振成像(MRI)。相比之下,该报还执行MRI-compatible心电图(ECG)测量。同时使用不同的测量方法,所产生的压力波的传播可以感觉到心脏的脉搏在人体的不同区域和不同深度,例如,在胸部和额头和指尖。脉搏波的准确测定允许计算脉冲渡越时间(PTT)的一个特定的心脏脉冲在人体的不同部位。这个结果可以用来估计血流脉搏波速度的不同的地方。两种测量方法实现使用磁resonance-compatible纤维,使方法适用于核磁共振环境。发达的传感器是一个不同寻常的加速度计传感器,而另一个是基于photoplethysmography更常见的传感器。所有测量,涉及几个测试的病人,进行核磁共振内外的房间。测量在核磁共振室里进行了使用3-Tesla力量关闭核磁共振扫描仪的诊断放射学奥卢大学医院。

1。介绍

光学测量在磁共振成像(MRI)环境中通常采用MR-compatible纤维。这是因为主光源和探测器中使用这些测量不能放置在核磁共振室由于干扰问题[1,2]。Photoplethysmogram (PPG)进行的测量通常使用LED /照片探测器对放置在皮肤上彼此靠近。利用这种类型的测量在核磁共振环境下,光由一个领导必须引导在核磁共振室里MR-compatible光纤的另一端连接在病人的皮肤(3- - - - - -5]。光反射回来从组织是由接收机纤维照片探测器放置在MRI的房间。这样的长纤维造成的衰减效应可以通过使用补偿一个非常敏感的光电探测器和大功率LED。这样,血流量的脉动可以无创监测在核磁共振环境下人体的各个部分,只要照明光束可以达到足够深处组织和探测器敏感足以记录接收到的光强度的波动。

1.1。在人体组织中传播的光

测量光旅行的组织通常被称为扩散光学成像(DOI) [6]。作为一个组织,光线穿越运动组织内产生吸收和散射的变化,该探测器记录作为强度的变化。这些运动产生主要是由于心脏泵血流量。光源和探测器之间的距离决定了组织血流量脉动深处可以检测到7]。当光照亮一个组织,它开始散射和散射,产生一个香蕉状光扩散路径(8,9]。因此,探测器接近光源检测表面的部分组织,而探测器进一步从源能够更深的审讯。因此,通过增加光源和探测器之间的距离,我们可以测量血流脉动更深的体内。

随着距离的增加,扩散允许更少的光子被探测到,导致信噪比很差。然而,这可以通过使用不同的调制技术的提高10]。甚至复杂的测量方法允许传感脉动在大脑灰质6),只要源和探测器之间的距离足够宽。模拟显示,这个距离需要使用红色和红外线时超过2.5厘米(10]。此外,近红外光谱(NIRS) DOI相关方法,用于研究大脑活动,因为它允许使用几个波长或更多频段的光照亮组织。当光线穿越一个组织,每个波长提供了一个特定的反应。通过同时测量几个波长的反应,比例的组织中的某些元素,如氧水平,可以观察到11,12]。

1.2。心率感应器的检测

除了基于DOI测量,我们使用一个MR-compatible光纤测量方法,基于加速度计传感器,以确定心率的基础上皮肤运动引起的心跳加速。这些加速度计传感器使测量脉搏波的速度在动脉血液功能磁共振成像在我们的无创血压的设备(13]。这个值可以用来估计舒张压。

1.3。同时使用功能性磁共振成像和血流量脉动测量

同时使用功能性磁共振成像(fMRI)本文描述和测量方法为神经活动的研究提供很大的可能性。因为功能磁共振成像提供了精确的空间信息和DOI-based测量精确的时域信息(14),这些方法相互补充。

此外,血压脉动,以分和加速计传感器,通常使用在临床应用和生物医学研究。本文的主要目的是证明这些脉动也可以在核磁共振测量。此外,新的想法也可以摆脱利用核磁共振环境的能力。作为一个例子,我们另外PTT结果测量信号显示的响应信号准确、充分清楚的分析生物。

2。的测量方法

应用方法用于确定人体血压的脉动。我们检测技术测量装置采用锁定放大,提供高信噪比,使波长编码,允许不同波长彼此区分开来。四种不同颜色的发光二极管可以应用于同时照亮一个地方。光从这些发光二极管是由纤维束收集成一个单端纤维,它照亮了组织作为一点来源。光反射的照明组织由光纤探测器,测量和颜色解调器相互区别。这两个光纤传感器和测量方法允许心脏脉冲波形等参数的测量,脉冲传输时间(PTT)和血氧饱和度。此外,结果可以结合功能磁共振成像测量的结果,因为它们同时进行功能磁共振成像。这些信号之间的相关性可能为大脑活动的研究提供重要的信息。

2.1。传感器的安排

图1显示所有测量中使用的传感器位置,内外都可以同时进行了核磁共振成像的房间。使用标准的方法,从传感器接收信号首先被放大,过滤、之前接收到的模拟数据被收集在一个国家仪器数据采集卡和使用虚拟仪器程序处理。加速度计传感器的采样率是10 kHz和NIRS /分传感器40 kHz。心电图(ECG)传感器,使用核磁共振室外的采样率为40 kHz和脑电图(EEG) /心电图传感器,内部使用核磁共振室,是5 kHz。测量在MRI 3-Tesla手术室进行的力量封闭核磁共振扫描仪的诊断放射学奥卢大学医院。

以下段落中给出的例子的五个测量安排在这个研究。

测量1
第一个测量,进行光电测量技术实验室,主要是基于分方法。一个红外LED(830海里)放置在测试主题的额头中间纤维炮检距为2.9厘米。另一个红外LED(905海里)被放置在左脚大脚趾的纤维炮检2毫米的距离。领导是红色(660海里),第三是放置在主体的右手的食指。纤维炮检距为1.3厘米。在所有这些情况下,10米长MRI-compatible纤维束被用于LED灯源和探测器/接收器照片。此外,由于FINAPRES可以被视为一个可靠的参考设备测量(152300年],Finapres Ohmeda传感器放置在左手食指获得参考信号与信号作一比较我们的光纤传感器。图中描述的三个心电图传感器被放置1。测量过程中,主题,一个29岁的男人,坐在。

测量2
第二测量进行了光电测量技术实验室和主要依赖分方法。然而,它只使用一个波长(830海里)。在这种测量,分传感器被放置在中间的额头,左侧额头上,左手食指。收发两用机的距离是2.9厘米的额头,左侧额头上2.8厘米,1.3厘米,食指。分使用传感器,位于右手食指,测量1中是一样的。心电图和加速计传感器被放置在测量1。测试是一个41岁的男性。

测量3
第三只测量采用分方法。一个纤维的来源和三个光纤接收器,并排放置,其次是接收器纤维来源。接收器和发射器之间的距离是1,2,3厘米。所有传感器被放置在中心的额头。此外,一个分传感器放在右手食指。这也表现在光电测量和测量技术实验室和测试是测量1中相同的人。

测量4
第四测量,分传感器放置在测试主题的额头,中间两个波长,830 nm和905 nm。此外,加速度计传感器位置对胸部和脖子上的颈动脉。胸部和颈部传感器之间的距离是15厘米。进行一个20岁的女性测试主题,这个测量是在手术室MRI的诊断放射学奥卢大学医院。

测量5
第五的安排测量否则相同的测量4,但它涉及戴着脑电图帽,采用三波长(660 nm、830 nm和905 nm),而不是两个。PPG传感器被放置在主题的额头中间纤维炮检距为3.0厘米。加速度计传感器被放置在胸部和颈动脉在颈部的距离23厘米。心电图测量脑产品的现成的脑电图/功能磁共振成像系统,其中包括一个脑电图帽和一个放大器。测试主题穿一个电极帽连接到一个隔离放大器位于核磁共振室,附近的主题。的电极帽,数字化的信号被送到控制室通过光纤电缆。每个ECG收购的最大采样率放大器(5 kHz),和使用的带宽是dc - 250赫兹。26岁的男性进行测试,这个测量是在MRI进行手术室的诊断放射学奥卢大学医院。

2.2。高峰时间的确定

确定脉冲的延迟时间在不同的传感器位置,R波的峰值脉冲被确定寻找每个时间间隔的最大价值的同步测量信号。在确定这些时间间隔,信号响应最明显和最明显的峰被选作为参考。在大多数情况下,该方法基于最大值搜索寻找最窄峰值和忽略了宽脉冲造成的测量误差,通常长炮检距离测量时的问题。然而,以确保正确的山峰,山峰被标记为点信号曲线,然后检查视力,他们是在正确的地方。

3所示。结果

如下所示是血流脉动响应测量的例子在前一节中描述的方法。我们的主要兴趣是记录脉冲形状,特别是每个脉冲波前的最小振幅和脉冲波的前沿。我们也计算脉冲延迟不同传感器位置。

测量1
所有信号呈现在图2规范化的0到1。从图可以看到,最积极的ECG信号的峰值总是第一个,这使得它合理比较其他信号。所有积极的山峰在图2确定从原始血流脉动。我们的结果如表所示1,时间点匹配的正峰呈现在图2显示在前面。降低计算时间差异比较表中相应的积极的山峰ECG信号在不同的阶段。所表示的最大标准差为0.016,表所示2,这些时间差异仍然相当恒定。此外,标准偏差的最大值来自额头信号,在源和探测器之间的距离的传感器是最大的。

一个潜在的原因不同的信号形状如图2是在炮检距方差。距离越短,更清晰的信号的形状。图2和PTT计算值,见表2,也显示,相应的积极的山峰从右手和左手食指不同步。然而,在大多数情况下,这可以解释为在测量手的位置和重力的影响。测试人的坐姿左臂躺在一张桌子和右手臂大约在抬起头的水平。这样做是为了证明引力的影响。此外,必须指出血流量脉冲测量的脚比等效脉冲来自手指,虽然物理距离较短的从心脏手比脚。

根据伯努利定律16],引力导致血液流动速度比向上向下。如果这个人是站着还是坐着,在这个测量,脉冲速度更快的脚比手,这是静止在水平平面。这就解释了为什么差异较小的时间一个人在仰卧位。万有引力也是左手的正峰的原因发生早于前额,虽然距离额头短。但当手臂(右边的一样),脉冲渡越时间变得更长,接近测量的额头。

测量2
所有信号呈现在图3也归一化0到1。再次,心电图信号提供其他的参考信号进行比较。的平均时间差异0.260年代的右手,左手的0.338秒,0.362的左侧前额,0.401,中间的额头。相当于左手的标准差为0.002,0003年为右手,0.014为中心的额头,和0.021的左侧前额。的顺序到达相应的积极的山峰是心电图,右手,左手,和头部。

也每个脉冲的前沿的起点。再次,参考点是积极的ECG信号的峰值。的平均时间差异0.117年代的右手,左手的0.162秒,0.181年代的左侧前额,和0.200年代额头中间。订单是一样的和积极的山峰,和时间的比值差异几乎是相同的。相应的标准差分别为0.026,0.005,0.020,和0.017,分别。

测量3
第三次测量的目的是探讨脉冲波形差异和脉冲时间延迟进行测量的额头在不同炮检距离。作为参考信号,我们使用一个手指分传感器。如图4所示,正峰的手指在大多数情况下是第一个到达的。的平均时间相比差异手指0.032 s 3厘米,2厘米0.034秒,0.058秒为1厘米。传感器放在额头上,定位传感器的行是相关的,因为血液流动的方向会影响探测器的脉冲延迟测量。

不同距离的等价的标准偏差分别为0.038,0.024和0.006。获得的最大标准差,炮检距3厘米,可以解释为信号的形状。

我们还研究了脉冲的起始点,也就是说,每一个脉冲的前沿的起点。相当于正峰相比,差异的平均时间是0.158秒为1厘米,0.152年代2厘米,0.130年代为3厘米,0.136年代的手指。相应的标准差分别为0.005,0.024,0.028,和0.031,分别。最大的标准偏差的一个解释,从手指,获得的温和上升边手指脉搏在一些点。所有计算结果所示如图4,但结果仍然类似甚至更长。

测量4
在这些测量,在核磁共振环境下,进行加速度计信号(胸部和颈部)非常清楚,便于对比加速度计和PPG信号延迟。没有明显的干扰,尽管先生同时成像。
显然,从胸部到第一信号的峰值测量。因此,信号的峰值测量从脖子和额头现在相比。胸部和脖子之间的区别信号的平均时间是0.053秒时期如图5。等价的标准偏差为0.019,但是如果两个有些可疑的山峰(~ 205.8 ~ 208.5年代)排除在外,标准差下降至0.002。在这种情况下,平均时间差异正胸部和颈部信号的峰值0.045 s。积极的山峰PPG信号,测量从额头,显然从胸部对应的峰值后到达。平均胸部信号之间的时差是0.237 0.235 830海里,年代在905 nm,和相应的标准偏差分别为0.035和0.032,分别。这些结果非常接近对方,这是可以预料到的,因为它们是测量同一件事在完全相同的地方。只有脉冲形状不同,因为不同的波长。

测量5
测量5探索脉冲波的响应使用三种不同的测量方法:心电图、加速计、分/ NIRS呈现在图6。相当于积极的ECG信号的峰值相比,记录时间之间的差异正峰之前相同的测量。然而,加速度计信号的信噪比很软弱,由于贫穷的传感器定位尤其是在颈部。

在大多数情况下,它是相当容易使用加速度计脉动的胸部,因为传感器被放置在心脏附近。然而,在颈部,微小的皮肤运动有时很难理解,很大程度上依赖于人来衡量,测量5就证明了这一点。原因可以fysiological,但在大多数情况下动脉位于有点深,血流脉动引起皮肤少运动。在这种情况下,脖子上的传感器的合理安排是至关重要的。通常能找到最好的位置传感器按你的手指轻轻地在颈部感觉血流量脉动是最为明显的。此外,加速度计连接紧密,轻轻地,防止皮肤运动造成紧迫太难。通常不是很难获得足够的信噪比,但有时只能实现这几个传感器更换。

4所示。讨论

脉搏波信号的质量提出了传感器测量是在所有情况下都高度依赖于传感器的定位。加速度计传感器必须认真定位高于脉动表面紧密放在皮肤上,但不要太紧,因为这将防止脉搏波振动在皮肤上到达传感器。同样,基于分的传感器,紧附件的纤维对皮肤是很重要的。一个松散的附件允许纤维与皮肤移动,造成干扰峰。另外,如果光纤输出的方向为整个测量不保持不变(垂直于皮肤),要么过多或过少,光可以反射到探测器。这扰乱了测量基于非常敏感的探测器和高放大,尤其是大炮检距。同样,当使用长纤维,纤维的运动可能会影响信号的响应,如果附件是不够安全的。然而,随着适当的传感器连接,两个传感器提供可靠的数据进行进一步的信号处理。

进一步的信号分析,精确的脉冲波形的测量是非常重要的。这些测量深受照明光的波长,测量位置,和定位的传感器和PPG传感器的情况下,也通过纤维纤维源和探测器之间的距离。也有一些方面测量时,必须考虑时间延迟相关血液脉动在不同的位置。首先,脉动信号的形状变化的测量位置。因此,例如,如果测量是基于最大峰值脉冲值,结果将不同于那些获得脉冲的起始点。脉冲形状的变化相关的过滤效果循环系统(17]。这种影响最小化的一种方法是测量脉冲过渡时间使用脉冲的起点。在大多数情况下,一个脉冲的起始点是最低记录在每个时间间隔的最大峰值。然而,如果信号脉动干扰或骑R波脉冲的边缘不清楚,那么起点必须估计视觉。

此外,如果延迟是由心电图信号,必须指出使检测到的心电信号峰值的位置值与电极的位置变化。这应该考虑使用心电图信号时,例如,确定PTT。此外,ECG信号的形状是不直接与血液脉动信号的形状,和ECG信号也经历一个额外的延迟(preejection周期)。因此,在确定PTT、一个加速度计传感器放置在胸部以上心脏,可能会提供一个更可靠的起始时间为每一个心脏脉搏波比心电图,假设加速度计传感器正确定位。在胸部,此外,在测量加速度计传感器的信号脉动更清晰和更少的被呼吸分比测量的传感器。

5。结论

我们的测量表明,可以测量血液压力脉动和每个心脏脉冲产生的这些电波传播在身体不同区域功能磁共振成像通过使用光纤。心率和延迟不同传感器之间的脉动波位置可以确定的准确性毫秒。脉冲的形状也可以决定纤维炮检距为3厘米。

测量压力波的传播时,人的位置测量是一个重要的因素,因为脉冲转运时间的强烈依赖于垂直放置的传感器,由于万有引力。因此,PTT反应两个测量之间具有可比性只有人完全相同的位置测量。然而,这些时间差异更小一个人在仰卧位。这里讨论传感器类型的目的是主要用于核磁共振测量时,病人几乎总是在仰卧位。这使得PTT比较值更合理。

结果可以用来确定脉搏波速度等参数,血氧饱和度、血压在人体的不同部位。此外,由于兼容性先生,这些结果,结合时和分析一起fMRI信号,研究提供新的可能性的神经活动产生的信号之间的相关性和信号从身体的各个部分。

确认

作者要感谢moran。托马斯(科技)。学生a Szczesńy和亚当Krysinski援助。研究部分由SalWe财务支持身心研究项目(Tekes-the芬兰技术和创新融资机构,批准号1104/10)和Instrumentariumin Tiedesaatio。

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