CN104768588A - 控制咳嗽及吞咽 - Google Patents

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Abstract

为保护患者的气道，患者能够有效地吞咽及咳嗽非常重要。为促进有效的咳嗽或吞咽，电极被定位在患者颈部的皮肤上，所述电极用以捕获肌电图(EMG)信息，并且用以向身体发送刺激电信号。麦克风被定位在颈部上或颈部附近以捕获从患者的身体所发出的音频信息。软件分析EMG及音频信息以识别试图或需要进行的咳嗽或吞咽，并且使电极对患者的颈部施加电刺激以产生更有效的咳嗽或吞咽。额外的麦克风可被定位成捕获周围噪声，使得此种噪声可在第一麦克风的音频信息中得以减少。

Description

控制咳嗽及吞咽
技术领域
本发明涉及一种用于保护气道尤其是促进有效的咳嗽及吞咽的系统及方法。
背景技术
各种神经性肌肉疾病会导致咳嗽困难及/或吞咽困难(吞咽障碍)。对临床人群的最近研究已证实许多此类患者具有由咳嗽困难及吞咽困难组成的气道保护障碍，包括肌萎缩侧索硬化(ALS)、多发性硬化、中风及帕金森病(Parkinson's disease；PD)(Cabre等人，2010年；Jones、Enright及Busse，2011年；Sue Eisenstadt，2010年；Lechtzin等人，2006年；Lalmohamed A等人，2012年)。自主性及反射性咳嗽已被显示用于检测及/或预测中风及帕金森病中的吞咽困难(Pitts等人，2010年；Smith Hammond等人，2009年；Smith Hammond等人，2001年)，且在帕金森病及阿尔茨海默氏病(Alzheimer's disease)中，死亡的主要原因是吸入性肺炎。
除非明确地如此指定，否则此部分中所述技术并非意在承认本文所参考的任何专利、公开或其它信息是本发明的“现有技术”。另外，此部分不应被视为意指已作出一项调查或不存在如在37CFR§1.56(a)中所限定的其它有关信息。
发明内容
在本发明一实施例中，一种保护患者的气道的方法，包括：监测所述患者的肌肉以检测试图进行的咳嗽或吞咽；以及对所述患者的颈部施加电刺激，使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
在本发明一实施例中，所述方法还包括：监测所述患者的音频信息以检测试图进行的咳嗽或吞咽；以及由至少一个计算机处理器来分析与监测肌肉及监测音频信息有关的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽。
在本发明另一实施例中，一种保护患者的气道的方法，包括：监测所述患者的肌肉以检测试图进行的咳嗽或吞咽；监测所述患者的音频信息以检测试图进行的咳嗽或吞咽；由至少一个计算机处理器来分析与监测肌肉及监测音频信息有关的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽；以及如果所述分析表明试图进行咳嗽或吞咽，则对所述患者的颈部施加电刺激，使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
在前述各种实施例中，所述电刺激包括处于大于零伏特且小于20伏特范围内的电压；所述频率是变化的，且其中所述频率在至少约4Hz至不大于约30Hz之间扫描；在所述患者试图吞咽之前施加电刺激，且在所述患者试图吞咽或已吞咽之后施加电刺激约1毫秒至约0.5秒之间；且在EMG显著增大之后施加所述电刺激。
在前述再一些实施例中，监测肌肉是利用EMG来执行；由一个或多个计算机处理器来分析所感测的EMG信息，所述处理器用以启动对所述电刺激的施加；由电子装置来执行对所述患者的肌肉的监测；所述患者可向所述电子装置指出即将发生吞咽或咳嗽；所述患者可向所述处理器指出即将发生吞咽或咳嗽；所述至少一个处理器用以启动对所述电刺激的施加；且所述方法还包括：监测环境周围音频信息，以及使用所述至少一个处理器来降低所述周围音频信息在与试图进行的咳嗽或吞咽有关的所述所监测音频信息中的影响。
在本发明另一实施例中，一种用于保护患者的气道的气道保护系统包括：肌肉监测装置，用以传送与所述患者试图进行的咳嗽或吞咽相关的信息；至少一个计算机处理器，执行存储在非暂时性媒体上的软件，所述软件用以分析由所述肌肉监测装置所传送的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽；信号发生器，用以在如果所述软件分析表明试图进行咳嗽或吞咽时，响应于所述计算机处理器而对所述患者的颈部施加电刺激，所述信号发生器用以使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
在本发明一实施例中，所述系统还包括音频监测装置，所述音频监测装置用以传送所述患者的与试图进行的咳嗽或吞咽相关的音频信息；且所述软件还用以分析由所述音频监测装置所传送的与识别试图进行的咳嗽或吞咽有关的信息。
在本发明的另一实施例中，一种用于保护患者的气道的气道保护系统包括：肌肉监测装置，用以传送与所述患者的试图进行的咳嗽或吞咽相关的信息；音频监测装置，用以传送所述患者的与试图进行的咳嗽或吞咽相关的音频信息；以及至少一个计算机处理器，执行存储在非暂时性媒体上的软件，所述软件用以分析由所述肌肉监测装置所传送的信息及由所述音频监测装置所传送的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽；以及信号发生器，用以在如果所述软件分析表明试图进行咳嗽或吞咽时，响应于所述计算机处理器而对所述患者的颈部施加电刺激，所述信号发生器用以使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
在前述各种实施例中，所述肌肉监测装置包括可定位在所述患者的皮肤上的至少两个电极，所述至少两个电极用以捕获肌电图信息并用以向身体发送来自所述信号发生器的信号；所述音频监测装置包括第一麦克风，所述第一麦克风被定位成捕获从所述患者的身体发出的音频信息；且所述软件还用以根据所述音频信息来分析所述肌电图以识别试图进行的咳嗽或吞咽，且其中所述处理器用以将来自所述信号发生器的所述信号发送至所述至少两个电极，以在如果所述分析表明试图进行咳嗽或吞咽时对所述患者的所述颈部施加电刺激。
在前述再一些实施例中，所述系统还包括第二麦克风，所述第二麦克风用以捕获来自所述患者的身体外的周围音频信息，且所述软件还用以减少由所述第一麦克风所捕获的音频信息中由所述第二麦克风收集的来自所述身体外的音频信息；所述第一麦克风连接至所述至少两个电极至少其中的一个电极；所述第一麦克风及所述第二麦克风被配置于单个双向麦克风内；且所述双向麦克风连接至所述至少两个电极至少其中的一个电极。
附图说明
结合附图参照以下详细说明将更易于达成对本发明的更完整的理解，且更易于理解本发明的伴随优点及其特征，其中：
图1描绘患者的气道及相关联生理结构的现有技术图；
图2A描绘患者的吸气的现有技术图；
图2B描绘患者的呼气的现有技术图；
图3描绘对气管进行机械刺激以产生咳嗽或吞咽；
图4描绘通过将流体引至患者口腔中来刺激气管以产生咳嗽或吞咽；
图5描绘对气管进行机械刺激以产生咳嗽或吞咽，伴有本发明的电信号以产生有效的咳嗽或吞咽；
图6描绘通过将流体引至患者口腔中来刺激气管以产生咳嗽或吞咽，伴有本发明的电信号以产生有效的咳嗽或吞咽；
图7例示患者体内的抑制性通路及兴奋性通路以及患者体内的行为控制；
图8是根据本发明在利用及不利用电刺激时下颔舌骨肌的电活动图；
图9例示其中对气管施加机械刺激的控制并且测量腹直肌的电活动；
图10例示其中对气管施加机械刺激的控制并且测量胸骨旁肌的电活动；
图11例示其中对气管施加机械刺激的控制并且测量食管压力；
图12例示根据本发明对气管施加机械刺激以及电刺激，其中测量腹直肌的电活动；
图13例示根据本发明对气管施加机械刺激以及电刺激，其中测量胸骨旁肌的电活动；
图14例示根据本发明对气管施加机械刺激以及电刺激，其中测量食管压力；
图15例示患者体内的抑制性通路及兴奋性通路以及患者体内的行为控制，包括本发明的控制器；
图16描绘本发明的控制板；
图17描绘用于形成本发明的系统的一部分的信号发生器及电子板；
图18是可能与本发明的系统相关联的部件的方块图；
图19描绘根据本发明包括控制器以及包括集成麦克风在内的电极的组件；
图20描绘根据本发明包括双向麦克风的电极的横截面；以及
图21描绘根据本发明包括两个麦克风的电极的横截面，其中一个麦克风面向身体，而另一个则不面向身体。
具体实施方式
根据需要，本文公开详细实施例；然而应理解，所公开的实施例仅仅是实例，且下文所述系统及方法可实施为各种形式。因此，本文所公开的具体结构及功能细节不应被视为限制性的，而仅被视为权利要求书的基础并且被视为用于教示所属领域的技术人员的代表性基础，以将本发明主题以各种方式用于实际上任何适当详细的结构及功能中。另外，本文所用用语及措词并非旨在限制，而是旨在提供对概念的可理解的说明。
本文所用用语“一(a)”或“一(an)”被定义为一个或多于一个。本文所用用语多个被定义为两个或多于两个。本文所用用语另一被定义为至少两个或更多个。本文所用用语“包括”及“具有”被定义为包括(即，开放性语言)。本文所用用语“耦合”被定义为“连接”，但未必是直接连接且未必是机械连接。
根据本发明，保护气道以改善患者的健康状况，并且在某些疾病(例如多发性硬化(MS)、肌萎缩侧索硬化(ALS)、缺血性或出血性中风、帕金森病(PD)及阿尔茨海默氏病(Alzheimer's disease；AD))的情况下，保护气道以降低由气道保护受损所引发的吸入性肺炎及随后死亡的发生率。此外，本发明用于观察及控制咳嗽及吞咽以便改善例如患有神经变性疾病的患者的气道保护障碍。例如，PD及AD一起在美国影响大约6百万人，且吞咽困难及咳嗽困难是PD及AD患者死亡的主要因素。此外，中风每年在美国将影响近1百万人并且耗费737亿美元用于相关医疗费用及残疾(2012年7月15日所访问的www.strokeassociation.org)。MS及ALS在美国影响近50万人，然而ALS诊断后的平均预期寿命是大约3年。
参见图1及图2A至图2B，可理解对呼吸系统行为的某些方面的概述，包括呼吸的两个阶段。在图2A中，例示吸气，在吸气时隔膜与肋间肌接触且隔膜向下移动，从而增大肺容量。在图2B中，例示呼气，在呼气时吸气肌放松，隔膜向上移动，且肺容量减小。
吞咽是复杂的协调行为，其中身体通常通过密封气管以防止误吸、或材料进入气道来保护气道。吞咽困难是表现出不协调的吞咽行为的吞咽障碍。吞咽可由来自舌头、悬雍垂、会厌、咽部、食管、或身体的其它部位的感觉反馈引起。不受特定理论的约束，本文中，认为吞咽机制至少部分地由脑干内的神经网络来协调或控制，所述神经网络被称为行为控制组件(BCA’s)。
咳嗽是一种例如由误吸触发的防御反射。通常存在三个阶段：(1)吸气阶段，(2)声带内收阶段，在所述声带内收阶段中气管密封且通过收缩腹肌而使压力积聚在肺中，以及(3)颤搐式呼气阶段，包括气管迅速打开以及空气的爆发性释放以产生高线性气流速度以及剪切力从而自气道移除材料。咳嗽困难是指咳嗽障碍，通常导致咳嗽强度下降或压缩阶段持续时间(自吸气阶段至呼气阶段的过渡时间)延长。与吞咽类似，不受特定理论的约束，本文中认为咳嗽也至少部分地由BCAs来控制。因此，在本发明的一个实施例中，大脑(尤其是BCAs)受到来自本发明的系统300的电信号的刺激或影响。
参见图7，例示实际或概念性控制通路，所述通路有利地用于执行本发明。具体来说，咽部及/或喉部(包括咽喉后部中或靠近咽喉或口腔后部处的区域)中的水或液体受体(200)触发吞咽(202)以可能使材料移动离开气管。因此，吞咽障碍或模拟吞咽障碍可用于触发此响应。所触发的吞咽继而触发呼吸系统(204)中的响应以暂停呼吸并且密封气管(抑制性)，或作为另一选择如果材料已进入气管或肺则启动咳嗽。根据本发明，兴奋性通路及抑制性通路均形成在吞咽模式发生器与咳嗽模式发生器之间，其中例如吞咽障碍会触发咳嗽。
根据本发明的一个实施例，患者可(例如通过按下按钮来)启动电刺激的所编程变化以产生有效的咳嗽及/或吞咽。作为另一选择，EMG(肌电图)活动是由本发明的肌肉监测装置跟踪，且电刺激的所编程变化如本文所述独立于患者而被启动。在另一实施例中，患者可向系统指出可能会发生吞咽及/或咳嗽，例如在吃或喝之前，使系统“预先变敏感”或更改系统参数以提高电刺激的可能性。此指示可以设置在系统上的开关、对系统执行的手势的形式或通过个体或系统所理解的口头命令来进行。在一实施例中，使用音频或听觉信号(可能结合本文所述其它触发器)来指出可能会发生吞咽或咳嗽。
本发明的系统及方法用于以本文所述的方式来改善气道保护，而不管是否识别到正确的生理理论。然而在理解本发明时，有利地认为从咽喉、气管、口腔及/或食管引出的传入神经可能向大脑(可能是大脑的BCA区域)传送与吞咽质量有关的信息，大脑或大脑的BCA区域可与呼吸模式协调运作然后触发协调的咳嗽及吞咽模式。在一个实施例中，吞咽模式与咳嗽模式相协调以使被喷入或侵入食管中的材料移动离开气管。
因此，根据本发明，气管受到机械刺激(图18，310)从而刺激咳嗽且在一个实施例中刺激重复咳嗽。另外或作为另一选择，例如通过注入允许液体(例如水)进入咽部，从而触发吞咽。为进行测试，流体的注入可由机械或机器人流体导入装置310(图18)来执行，包括流体供应器及施加器以及软管(如果流体供应器距施加器(图中未示出)遥远)。根据本发明，有利地对喉上神经(SLN)进行电刺激有利地根据刺激参数来促进吞咽、咳嗽或吞咽及咳嗽两者。电刺激可在处理器802(图18)的控制下由信号发生器(例如，频率发生器)以及电源供应器(V out)308来提供。发生器/供应器308的电源可由装置的板载电池或外部电源供应器来提供。任何或所有此等事件均有利地由传感器及/或EMG装置或子单元(图18，306)所执行的EMG测量及/或也由传感器306所测量的食管压力来触发。
根据本发明，自定义或患者具体算法将根据成功吞咽数据来确定及实施。自定义算法可例如响应于伤风感染、疾病进展、进一步的脑损伤或其它生理变化而由临床医师或其它执业医师进行远程修改或可在诊所修改，以使所述算法的参数适应患者变化的医疗状况。
现在参见图3至图8，可以看到气管受到机械刺激以进行测试。在所述图解中，例示特征，然而应理解对气管的机械刺激可由任何物体(例如通过引入薄聚合物套管)来执行。例如，机器人或机械刺激器312可定位成在处理器802(图18)的控制下在体内或体外邻近气管。例示特征是因为轻的及变化的机械压力(如在自旋挠痒法中)是有利的。在图4中，执行将液体引至口腔中，本文中所述口腔包括咽部或口腔后部。液体是由任何已知或以下所开发的工具来引入，包括例如滴管、注射器或喷雾嘴。在一个实施例中，流体的引入可响应于所检测到的患者努力进行咳嗽或吞咽来执行。图5至图6分别象征性地指出除图3及图4所述刺激之外的电刺激的其它用途，如本文所述。电的施加及EMG测量均有利地无创地执行，且更具体来讲不会在患者体内形成开口。相似地，电刺激可响应于患者试图进行咳嗽或吞咽而执行。
在一个实施例中，本发明的系统是由EMG中的行为特定标记物触发以提供行为特定编程表面电刺激程序从而利于咳嗽及吞咽的产生。在一实施例中，音频信号可被捕获并分析从而用于触发电刺激，如下文进一步所述。电信号是由多个电极递送且在一个实施例中由一对电极递送，根据一个实施例所述一对电极横向于喉部放置，其中一个电极放置在甲状软骨上方而另一个电极则放置在环状软骨下方。然而，应理解，可使用其它放置。如下文所述，电极可包括麦克风。
在一个实施例中，由电极递送的电压及频率在施加过程中有所改变。例如为修改一系列重复咳嗽，施加慢波形，例如在约5秒至约20秒的时间内执行介于4Hz至20Hz之间具有从大于0伏特至7伏特的向上斜升的电压的图案化频率变化。在一个实施例中，电压高达20伏特且时间长达60秒。此外，此等刺激时间可针对24小时至数周的时间跨度被重复达数分钟。应理解，可使用信号发生器/电源供应器308来调节脉冲宽度、频率及/或振幅以更改刺激而达成用于患者的最佳结果。图案化频率变化的实例包括三角形、扫描式、阶梯式、固定型、多样型、正弦型、尖峰形、方形、单相型及双相型。在一个实施例中，改变频率被用于有利地降低患者对刺激习惯化的可能性。在另一实施例中，可施加信号达长于20秒的时间以引起突触可塑性(例如与吞咽相关联的突触改进)，从而提高患者的独立功能。
然而，应理解，对于向体内传送电信号呈现出更大障碍的患者(例如具有相对大量的脂肪组织或高皮肤厚度的患者)，可能需要更高的电压，所述电压是由执业医师权衡患者的个体耐受性及安全性来确定。
此刺激有利地通过增大食管压力来触发以提高咳嗽的力度及效力。另外或作为另一选择，在吞咽发生后，在恒定的5伏特电压下执行介于4Hz至20Hz之间的图案化频率变化达例如约0.25秒至0.75秒。更高的频率也被发现是有效的，例如约30Hz。根据本发明，刺激会形成正常吞咽，所述正常吞咽有利地是使食物原料以正常速度移动经过咽部并且不会穿透或吸至声带或气管中的吞咽。此刺激有利地是由指示试图进行的吞咽的EMG信号触发，并且促进及时、有效地吞咽。此等频率、电压及定时仅仅是例示性的，并且代表一种已被发现有利于所述目的的模式。应理解，可设想出显著变型形式。还应理解，有效的电压范围可与颈部的尺寸、颏下脂肪量以及皮肤的厚度成比例变化。更具体来讲，根据本发明，已发现变化的频率及变化的电压(振幅及/或脉冲宽度)的新颖程序通常可修改咳嗽的产生，且变化的频率及恒定的电压通常可修改吞咽的产生，且此等电刺激的施加分别响应于身体试图开始咳嗽或吞咽而最佳地执行。此两种施加模式包含在系统中以启动患者的期望行为。不受特定理论的约束，以上述方式施加电压可将信号沿气管及食管的传入神经传送至脑干，从而修改生理响应且具体来讲利于咳嗽及/或吞咽的产生。
在一个实施例中，对患者施加电压是响应于如由连接至患者肌肉的传感器所检测到的试图进行咳嗽或吞咽而进行，有利地如由一个或多个处理器所说明。在另一实施例中，施加电压与以下两者或两者中的任一者相协调(将流体引入至口腔、或对气管或颈部区域的其它组织进行机械刺激)，以便刺激或促进有效的咳嗽或吞咽，从而保护气道以免引入不需要的材料。
现在参见图8，口腔中水的刺激或口腔中的水与如本文所述的电刺激相结合伴随试图进行吞咽。曲线图指出下颌舌骨肌(位于颏之下)的电活动作为标记物或指示吞咽的影响及力度。可以看到，如本文所述的电刺激会显著增大吞咽力度。还可以看到，表面电刺激在刺激后的吞咽期间会因口腔中水的注入而增大吞咽的兴奋性。根据本发明，在吞咽受损的患者中，用于产生吞咽的肌肉的活动是颤搐式或痉挛性的。然而，他们的活动持续时间非常短，通常约200毫秒。
在图9至图14中，对颈部进行的电刺激改变咳嗽呼气阶段的运动驱动力，在这一过程中所述刺激在20秒的时间内线性增大。在图9至图11中，例示对机械气管刺激的控制。在图11中可以看到食管内的压力遵循弯曲图案(曲线“A”)，其中压力逐渐增大然后逐渐减小。在图12至图14中，施加如本文所述的电刺激和气管刺激一起使食管压力斜坡式上升(线“B”)，从而引发更强烈的及有效的咳嗽。
监测有利地是由耦合至传感器306(图18)的计算机处理器来执行，传感器306用以检测由患者生成的电信号或其它信号。所述计算机处理器根据本发明分析信号并且实施刺激，以提高咳嗽及吞咽响应的定时及效力，从而保护气道而实现对患者的治疗益处。
在图15中，可以看到如在图7所示背景中所述的本发明所用的模型可与控制器(例如，具有计算机处理器802(图16至图18)的计算机)相结合，以形成封闭环电刺激控制战略从而调节咳嗽及吞咽的表达，如本文所述。控制器从例如由EMG所监测的咽部及喉部中的受体接收输入，且所述控制器利用电信号的施加来刺激咳嗽、吞咽及呼吸。控制器接着测量此等行动的效果并且据此调整随后的行动，以达成被很好的定时且有效的气道保护，包括例如密封气管、咳嗽以移除气道内的污染物以及吞咽以从咽部移除污染物。系统可进一步通过EMG实时地与患者的呼吸模式同步。在一实施例中，控制器及相关联处理器802根据所检测到的声音来接收音频信号(包括双向音频信号)，所述音频信号可用于指示触发咳嗽或吞咽的适当时间，如下文进一步所述。
本发明的系统的刺激参数形成运动响应以改善吞咽及咳嗽的执行受损。本发明的系统可被最优化以用于基于临床的使用或基于家庭的使用。例如，临床装置可以更坚固或耐用的材料来构造以承受更大的使用，或可针对基于家庭的装置启用更广的一系列构型参数。在任一种构型中，装置帮助患者保护他们的气道，包括帮助患者实现吞咽、机械通气撤机及咳嗽中的任一个。
在一个实施例中，系统包括一个或多个可穿戴式微型芯片控制的多模态装置，所述一个或多个可穿戴式微型芯片控制的多模态装置包括自我控制的或可有线控制或无线控制或与其它电子装置通信的刺激阵列。例如，本发明的系统可通过手机或其它计算装置上的基于移动或网络的应用来控制。据估计，在美国大约1500万人口具有吞咽困难及咳嗽困难(咳嗽障碍)的症状。因此，本发明的系统可针对各种患者生理机能(包括广泛的分级支撑及电功率输出)进行调整。
在一实施例中，本发明的系统提供多模态刺激阵列，针对患者的生理机能，所述多模态刺激阵列根据来自EMG(有利地表面EMG)的实时行为反馈而被最优化，但也可使用肌肉内EMG。有利地，本发明的系统重量轻及/或尺寸小，使得所述系统可穿戴而不引人注目。进一步有利地，如果所述系统可通过有线或无线连接至计算机或其它电子控制器而被编程，则所述系统可针对患者的状态变化而被远程地最优化。最优化因此可通过利用系统的板载控制器或排外地利用远程连接的控制器或通过两者的结合来达成，以增加气道保护而减少与误吸相关的条件。无线协议包括例如WiFi、蓝牙、4G或任何其它已知或以下所开发的无线技术。
本发明的系统有利地被定位成与其它形式的治疗处理相结合使用，包括在系统的使用期间或系统的各使用之间的吞咽及咳嗽锻炼。
系统300可包括图16至图18所示部件中的一些或全部，图16至图18是电子装置及相关联部件的方块图。在此实例中，电子系统300有利地(但未必)是无线双向通信装置，所述无线双向通信装置具有数据通信能力及视需要语音通信能力(例如在呼吸急救事件中有用)。此等电子装置利用合适的无线通信协议与无线语音或数据网络850通信。无线语音通信利用模拟无线通信信道或数字无线通信信道来执行。数据通信允许系统300通过互联网与其它计算机系统通信。能够并入上述系统及方法中的电子装置的实例包括例如数据消息传递装置、双向寻呼机、具有数据消息传递能力的手机、无线互联网设备或可包括或可不包括电话能力的数据通信装置。
所示系统300是包括双向无线通信功能的实例性电子装置。此等电子装置包含通信子系统元件，例如无线发送器810、无线接收器812以及相关联部件(例如一个或多个天线元件814及816)。数字信号处理器(DSP)808执行处理以从所接收的无线信号提取数据以及生成要传送的信号。通信子系统的特定设计取决于通信网络及相关联的旨在运行装置的无线通信协议。另外或作为另一选择，DSP 808可处理从患者的颈部处或附近的位置所接收的音频信号，以分析所述信号从而确定触发咳嗽或吞咽的适当时间。
系统300包括用于控制系统300的总体操作的微处理器802。微处理器802与上述通信子系统元件互动并且也与如下其它装置子系统互动：闪速存储器806、随机存取存储器(RAM)804、辅助输入/输出(I/O)装置838、数据端口828、显示器834、键盘836、扬声器832、麦克风830、近距离通信子系统820、电源子系统822以及任何其它装置子系统。
系统300还有利地包括能够输出本文所述治疗性变化的频率及电压的频率发生器308中的一些或全部。另外，提供有利地包括EMG及压力感测的传感器306。前述元件306及308有利地与处理器802通信及/或在处理器802的控制之下，但是前述元件306及308可设置有各自的逻辑及控制，或前述元件306及308可在外部处理器或逻辑电路的控制之下。在一个实施例中，元件306或308的一个或多个方面可由手动调节器(例如，电位计314(图16))来控制。线缆304或无线信号将子单元306及308连接至处理器802或一个或多个其它逻辑或控制电路。系统300的包括子单元306及308的部分可提供在一个或多个分开的电路板上。
电池824连接至电源子系统822以向系统300的电路提供电源。电源子系统822包括用于向系统300提供电源的配电电路系统，并且也包含电池充电电路系统以管理对电池824进行再充电。电源子系统822包括电池监测电路，所述电池监测电路可用于向系统300的各种部件提供一个或多个电池状态指示器的状态，例如剩余电量、温度、电压、电流消耗等。
一个实例的数据端口828是插座连接器104或如上所述啮合及配合电及光学数据通信电路连接器800的连接器。数据端口828能够通过各种模式的数据通信(例如光学通信电路或电数据通信电路上的高速度数据传送)支撑系统300与其它装置之间的数据通信(例如并入某些实例的数据端口828中的USB连接)。数据端口828能够支撑例如与外部计算机或其它装置的通信。
通过数据端口828进行数据通信使使用者能够通过外部装置或通过软件应用设置偏好，并且通过系统300与外部数据源之间的直接连接而不是通过无线数据通信网络达成信息或软件交流而扩展系统的能力。除了数据通信之外，数据端口828向电源子系统822提供电源以对电池824充电或对系统300的电子电路(例如微处理器802)供应电源。
微处理器802所用的操作系统软件存储在闪速存储器806中。其它实例能够使用电池备份RAM或其它非暂时性存储数据元件，以存储操作系统、其它可执行程序或操作系统及其它可执行程序两者。操作系统软件、装置应用软件、或前述软件的零件能够临时加载至暂时性数据存储器(例如RAM 804)中。通过无线通信信号或通过有线通信所接收的数据也能够存储至RAM 804。
微处理器802除了其操作系统功能外还能够执行系统300上的软件应用程序。用于控制基本装置操作的预定一组应用程序(包括至少数据及语音通信应用程序)能够在制造期间安装在系统300上。能够加载至系统上的应用程序的实例可以是个人信息管理器(PIM)应用程序，所述个人信息管理器应用程序能够组织及管理与系统使用者相关的数据项，例如但不限于：电子邮件消息；文本消息传递；编程治疗事件；提醒维护任务；通知电池充电；设置或修改治疗方法，包括改变频率模式、电压模式以及对治疗事件定时；以及向照料者、护士或医生传送信息。
其它应用程序也可通过例如无线网络850、辅助I/O装置838、数据端口828、近距离通信子系统820或此等界面的任意组合而被加载至系统300上。然后此等应用程序能够由使用者安装在RAM 804或非暂时性存储器中以供微处理器802执行。
在数据通信模式中，所接收的信号(例如文本消息或网页下载)由通信子系统(包括无线接收器812及无线发送器810)处理，且通信数据是由微处理器802提供，微处理器802能够进一步处理所接收的数据以输出至显示器834或作为另一选择，输出至辅助I/O装置838或数据端口828。系统300的使用者也可使用键盘836以及显示器834及可能辅助I/O装置838来编写数据项(例如电子邮件消息)，键盘836能够包括完整的字母数字键盘或电话型小键盘。此等编写项然后能够通过通信子系统在通信网络上传送。
对于语音通信，对系统300的总体操作实质上相似，除了所接收的信号通常提供至扬声器832且用于传送的信号通常是由麦克风830形成。替代语音或音频I/O子系统(例如语音消息记录子系统)也可在系统300上实施。尽管语音或音频信号输出通常主要通过扬声器832来实现，然而也可使用显示器834来提供例如对呼叫方的身份、语音呼叫的持续时间或其它语音呼叫相关信息的指示。
根据系统300的条件或状态来定，可禁用一个或多个与子系统电路相关联的特定功能，或可禁用整个子系统电路。例如，如果电池温度低，则可禁用语音功能，但仍可在通信子系统上启用数据通信(例如，电子邮件)。
近距离通信子系统820提供系统300与不同系统或装置(未必是相似装置)之间的数据通信。例如，近距离通信子系统820包括红外装置及相关联电路及部件或基于射频的通信模块(例如支持通信的模块)，以提供与以相似方式启用的系统及装置的通信，包括上述数据文件传送通信。
媒体阅读器860能够连接至辅助I/O装置838以允许例如将计算机程序产品的计算机可读程序代码加载至系统300中以存储至闪速存储器806中。媒体阅读器860的一个实例是光学驱动器(例如CD/DVD驱动器)，所述光学驱动器可用于将数据存储至计算机可读媒体或存储器产品(例如计算机可读存储媒体862)以及从计算机可读媒体或存储器产品读取数据。合适的计算机可读存储媒体的实例包括光学存储媒体(例如CD或DVD)、磁性媒体或任何其它合适的数据存储装置。作为另一选择，媒体阅读器860能够通过数据端口828连接至系统，或者作为另一选择，计算机可读程序代码能够通过无线网络850而被提供至系统300。
现在参见图19，电极200包括患者接触表面202以及电导体206，患者接触表面202在图19中显示在上部电极中并且具有粘合表面204。在一实施例中，提供导电材料208(例如导电凝胶)以提高皮肤与导体206之间的导电性。电极200可具有任何形状，包括例如方形、矩形、圆形或卵形。
一个或多个线材导体210远离电极200延伸，并且电传送或接收来自控制器的电信号。无线信号也可从与电极200相关联的合适的发送器(图中未示出)传送电极200与控制器之间的信号。在此种构型中，连接至电极200及无线发送器的电池可被提供用于根据由无线发送器从控制器所接收的信号而产生刺激电流。
音频监测装置(例如听觉信号换能器或身体麦克风250A)被定位成优先检测从皮肤方向及身体内部发出的音频信号。应理解，图19中所示的上部电极相对于皮肤上的功能位例示为倒置状态，从而可理解患者接触表面202。在下部电极200中所示的功能位中，麦克风250A面向患者的皮肤500。一个或多个线材导体252远离麦克风250A延伸，并且电传送音频信号至控制器。无线信号也可从合适的与麦克风250A(图中未示出)相关联的发送器(图中未示出)传送。
在一实施例中，一个或多个电极200被设置成记录来自身体的EMG读数，所述EMG读数可由控制器进行分析以确定触发咳嗽或吞咽的治疗或适当时间，如在本文别处所述。然后控制器可在内部切换电极200以用作如本文所述咳嗽或吞咽刺激信号的发送器。
可与电极200具有相似或不同构型的一个或多个接地电极220可设置在身体上的其它地方，例如以获得或改善EMG读数或提供刺激信号的替代通路。
电极200还包括图19中的下部电极中所示的环境面对表面222。当电极200定位在皮肤500上时，环境麦克风250B可定位在表面222上以检测从环境、身体外部发出的音频信号。在一实施例中，麦克风250B与麦克风250A一起形成双向麦克风250C的一部分，如图20所示。在另一实施例中，一个电极200包括麦克风250A且另一电极200包括麦克风250B。在再一实施例中，单个电极包括两个分开的麦克风250A、250B，如图21所示。
图19可被视为描绘分开的麦克风250A(上方)及250B(下方)或在电极200的上部图或下部图两者或任一者中的双向麦克风。此外，尽管图19描绘两个电极且其中每一个电极包括至少一个麦克风，然而仅一个电极200可设置有麦克风250A、250B两者。
在所有构型中，控制器可接收第一信号及第二音频信号，所述第一信号包括与从身体发出的声音相关的音频信息，所述第二音频信号包括与从环境发出的声音相关的音频信息。控制器还可用以合成来自多于一个环境音频信息源及/或多于一个来自身体的音频信息源的音频信息。
在一实施例中，如图19所示的两个电极200是由常用绳索或线缆230来连接。系绳232保持电极在皮肤500上的最大间距(在图19中由箭头“x”指示)，例如成人的最大间距为约1英寸，但其它最大距离也可以此种方式确立。因此，电极及其相关联部件可放置成实质上小于或实质上大于一英寸的间隔，然而最大间距可由系绳232的构型确立。用于刺激咳嗽或吞咽的电极200的放置如在本文中别处所述以其它方式确立。根据本发明，多于一对电极及相关联麦克风可有效地连接至控制器。
此外根据本发明，得自身体麦克风250A的音频信息由处理器802来处理以在一实施例中检测咽部声音，且更具体来讲检测整个行为产生过程中的频率及振幅信息。此音频信息可被单独或与关于身体的其它信息一起分析，以确定咳嗽或吞咽开始或应迫切发生。例如，与试图进行咳嗽或吞咽关联的声音是所有个体及特定患者的特征。处理器802可例如使用软件算法对此等特征声音进行模式匹配，以确定此等行为努力发生。如果此得到指示，那么控制器可向电极发送刺激电信号以通过刺激靠近电极的肌肉来提高咳嗽或吞咽的效力。另外或作为另一选择，可如本文所述施加机械或流体刺激以提供进一步或替代刺激而产生有效的咳嗽或吞咽。
前述音频信息可与从电极200或其它电极采集的EMG信息一起分析，以提高意图或需要咳嗽或吞咽的可能性。处理器802可用以例如仅在音频信息及EMG信息均指示需要刺激的第一种可能性时、或在音频信息或EMG信息至少其中的一个指示需要刺激的第二种可能性(例如较高的可能性)时，刺激咳嗽或吞咽。
处理器802内或另一处理器上的软件执行可用于以标准化程序启用处理器802，以区分患者可能发出的非吞咽/咳嗽声音之间的频率及振幅差异。例如，可收集、记录及分析音频信息以形成声音图，随后所述声音图可与患者的即将发生的、初始的、最初的或正在进行的咳嗽或吞咽声音进行比较(其也可与声音图进行比较)，以确定咳嗽或吞咽正在进行或需要发生。在获得此确定后，控制器可使用如本文所述的机械、液体或电刺激来刺激咳嗽或吞咽。
环境麦克风250B捕获周围环境的音频信息，使得来自环境的不期望周围或背景噪声可与身体麦克风250A所接收的身体的所需音频信息分开。此会提高处理器802比较咳嗽或吞咽声音与模板或声音地图信息、或从先前记录或分析的不指示咳嗽或吞咽的其它身体声音中区分新的身体音频信息的能力。因此，环境麦克风250B提供针对减少或消除处理器802的功能的背景噪声的音频信息。此在患者常去吃或喝的餐馆及其它嘈杂地方中尤其有用。
根据一实施例，不具备特殊技能或未经过特殊训练的患者可在一个实施例中利用附接有电极200的模板或导板将电极200附接至其身体，将连接至电极200及麦克风250A、250B的单芯线缆插入至控制器中，然后倚靠在组件上以视需要刺激有效的咳嗽或吞咽，并且可有效地用于嘈杂环境中。另外，麦克风250A、250B所提供的详细生理反馈有助于确保适当的刺激以使咳嗽及吞咽最优化。集成控制器、电极200及麦克风250A、250B进一步在治疗处理期间启用对患者进展的医师/临床医师监测。在一实施例中，控制器收集音频信息、EMG信息以及与刺激有关的信息中的任一个，并且将此信息传送至有经验的执业医师以供分析。在此方式中，可进行远程分析，且缺乏此等有经验执业人员的人口区域可从改善的护理中受益。
包含本文所述实体装置中的任一个或全部的系统被构造成十分坚固、简单且以本文所述方式可靠地使用。因此，所述系统可包含下列中的任一个或全部：机械刺激装置、刺激流体、电极、线缆、系绳、麦克风、肌肉监测装置(例如EMG传感器、电极或以下所开发的肌肉监测装置)、音频监测装置(包括麦克风、换能器或以下所开发的音频监测装置)、信号或频率发生器、电源供应器、计算部件及计算机控制装置、发送器、接收器、天线、电池、电源线、连接器、端口、显示器、键盘、I/O装置、连网装置、媒体读取装置、媒体存储装置以及本文所述的任何其它装置。
本文所列举的所有参考文献均明确地以引用方式全文并入。所属领域的技术人员将了解，本发明并非仅限于以上本文所特别显示及描述者。此外，除非作出相反之说明，否则应注意所有附图均不是按比例绘示。本发明存在诸多不同特征且设想此等特征可一起或分开使用。因此，本发明不应受限于特征的任一特定组合或本发明的特定应用。此外，应当理解，本发明所属领域的技术人员可在本发明的精神及范围内进行变化及修改。因此，应包括易于由所属领域的熟练人员从本文所述公开内容获得的且处于本发明的范围及精神内的所有权宜修改作为本发明的进一步实施例。
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元件符号列表
104：插座连接器
200：电极
202：患者接触表面
204：粘合表面
206：电导体
208：导电材料
210：线材导体(电极)
222：环境面对表面
230：线缆
232：线缆系绳
250A：身体麦克风
250B：环境麦克风
252：线材导体(麦克风)
300：系统
304：线缆或无线连接
306：传感器/EMG感测
308：频率发生器/电源供应器
500：皮肤
802：一个或多个处理器
804：随机存取存储器
806：闪速存储器
808：数字信号处理器
810：无线发送器
812：无线接收器
814：一个或多个天线
816：一个或多个天线
820：近距离通信系统
822：电源子系统
824：电池
828：数据端口
830：麦克风
832：扬声器
834：显示器
836：键盘
838：输入/输出装置
850：数据网络
860：媒体阅读器

Claims (24)

1.一种保护患者的气道的方法，其特征在于，包括：
监测所述患者的肌肉以检测试图进行的咳嗽或吞咽；以及
对所述患者的颈部施加电刺激，使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
监测所述患者的音频信息以检测试图进行的咳嗽或吞咽；以及
由至少一个计算机处理器来分析与监测肌肉及监测音频信息有关的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽。
3.一种保护患者的气道的方法，其特征在于，包括：
监测所述患者的肌肉以检测试图进行的咳嗽或吞咽；
监测所述患者的音频信息以检测试图进行的咳嗽或吞咽；
由至少一个计算机处理器来分析与监测肌肉及监测音频信息有关的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽；以及
如果所述分析表明试图进行咳嗽或吞咽，则对所述患者的颈部施加电刺激，使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述电刺激包括处于大于零伏特且小于20伏特范围内的电压。
5.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述频率是变化的，且其中所述频率在至少约4Hz至不大于约30Hz之间扫描。
6.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，在所述患者试图吞咽之前施加电刺激，且在所述患者试图吞咽或已吞咽之后施加电刺激约1毫秒至约0.5秒之间。
7.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，在EMG显著增大之后施加所述电刺激。
8.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，监测肌肉是利用EMG来执行。
9.如权利要求1、或2所述的方法，其特征在于，由一个或多个计算机处理器来分析所感测的EMG信息，所述处理器用以启动对所述电刺激的施加。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由电子装置来执行对所述患者的肌肉的监测。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述患者可向所述电子装置指出即将发生吞咽或咳嗽。
12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述患者可向所述处理器指出即将发生吞咽或咳嗽。
13.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个处理器用以启动对所述电刺激的施加。
14.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括：监测环境周围音频信息，以及使用所述至少一个处理器来降低所述周围音频信息在与试图进行的咳嗽或吞咽有关的所述所监测音频信息中的影响。
15.一种用于保护患者的气道的气道保护系统，其特征在于，所述系统包括：
肌肉监测装置，用以传送与所述患者试图进行的咳嗽或吞咽相关的信息；
至少一个计算机处理器，执行存储在非暂时性媒体上的软件，所述软件用以分析由所述肌肉监测装置所传送的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽；以及
信号发生器，用以在如果所述软件分析表明试图进行咳嗽或吞咽时，响应于所述计算机处理器而对所述患者的颈部施加电刺激，所述信号发生器用以使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括：
音频监测装置，用以传送所述患者的与试图进行的咳嗽或吞咽相关的音频信息；以及
所述软件还用以分析由所述音频监测装置所传送的与识别试图进行的咳嗽或吞咽有关的信息。
17.一种用于保护患者的气道的气道保护系统，其特征在于，所述系统包括：
肌肉监测装置，用以传送与所述患者的试图进行的咳嗽或吞咽相关的信息；
音频监测装置，用以传送所述患者的与试图进行的咳嗽或吞咽相关的音频信息；以及
至少一个计算机处理器，执行存储在非暂时性媒体上的软件，所述软件用以分析由所述肌肉监测装置所传送的信息及由所述音频监测装置所传送的信息，以识别试图进行的咳嗽或吞咽；以及
信号发生器，用以在如果所述软件分析表明试图进行咳嗽或吞咽时，响应于所述计算机处理器而对所述患者的颈部施加电刺激，所述信号发生器用以使振幅或频率至少其中的一个随时间变化，所施加的所述电刺激用以促进有效的咳嗽或吞咽。
18.如权利要求15或17所述的系统，其特征在于，所述肌肉监测装置包括可定位在所述患者的皮肤上的至少两个电极，所述至少两个电极用以捕获肌电图信息并用以向身体发送来自所述信号发生器的信号。
19.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于，所述音频监测装置包括第一麦克风，所述第一麦克风被定位成捕获从所述患者的身体发出的音频信息。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述软件还用以根据所述音频信息来分析所述肌电图以识别试图进行的咳嗽或吞咽，且其中所述处理器用以将来自所述信号发生器的所述信号发送至所述至少两个电极，以在如果所述分析表明试图进行咳嗽或吞咽时对所述患者的所述颈部施加电刺激。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括第二麦克风，所述第二麦克风用以捕获来自所述患者的身体外的周围音频信息，且所述软件还用以减少由所述第一麦克风所捕获的音频信息中由所述第二麦克风收集的来自所述身体外的音频信息。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述第一麦克风连接至所述至少两个电极至少其中的一个电极。
23.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述第一麦克风及所述第二麦克风被配置于单个双向麦克风内。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述双向麦克风连接至所述至少两个电极至少其中的一个电极。
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