15 20 , 25 30 HO lg É I 452 946 - Föreliggande uppfinning hänför sig till en anordning för övervakning av andningen hos spädbarn genom bestämning av and- ningsljuden i luftvägarna. l i Oregelbunden andning och andningsuppehåll (apnêer) är vanligt förekommande hos_spädbarn, dels hos för tidigt födda barn, dels hos äldre spädbarn. Man räknar med att vart fjärde barn med födelsevikt under 1750 gram ofta har apnêer. Nästan alla barn med födelsevikt under l000_gram har apnêer. Apnêerna kan vara livshotande och leda Y till grava handikapp. I och med att allt fler för tidigt födda barn nu överlever~(över 50% av de med födelsevikt under 1000 gram) och ~ blir helt friska, så ökar behovet av adekvat apnêövervakning på ny-I föddhetsavdelningar. Även större spädbarn kan få apnëer, särskilt vid l-H månaders ålder. Det finns starka belägg för att det råder ett samband mellan dessa apnêer och plötslig oväntad spädbarnsdöd (SIDS). I USA beräk- - nas cirka 7000 barn dö 1 SIDS årligen, i Sverige cirka 50. Mångdub- _ belt fler har apnêer och betraktas som s.k. near SIDS eller abortiv ' plötslig oväntad spädbarnsdöd. Det är önskvärt att övervaka dessa barns andning. Likaså betraktas även yngre syskon till barn som dött i SIDS som rískfall. _ Apnéer eller andningsstillestånd kan vara antingen centrala (inga andningsrörelser initieras från hjärnans andningscentrum) el- ler obstruktiva (de övre luftvägarna faller ihop eller dras samman).
The present invention relates to a device for monitoring the respiration of infants by determining the respiratory sounds in the airways. Irregular breathing and respiratory arrest (apnea) are common in infants, partly in premature infants, and in older infants. It is estimated that every fourth child with a birth weight below 1750 grams often has apnea. Almost all children with a birth weight below l000_gram have apneas. The apneas can be life threatening and lead Y to severe disability. As more and more premature babies now survive ~ (over 50% of those with a birth weight below 1000 grams) and ~ become completely healthy, the need for adequate apnea monitoring in new-I maternity wards increases. Even larger infants can get apneas, especially at the age of 1-H months. There is strong evidence that there is a link between these apneas and sudden unexpected infant death (SIDS). In the USA it is estimated that about 7000 children die 1 SIDS annually, in Sweden about 50. Many times more people have apnea and are considered so-called near SIDS or abortion 'sudden unexpected infant death. It is desirable to monitor the breathing of these children. Younger siblings of children who have died of SIDS are also considered a risk case. Apneas or respiratory arrest can be either central (no breathing movements are initiated from the respiratory center of the brain) or obstructive (the upper airways collapse or contract).
I det senare fallet kan resultatlösa andningsrörelser utföras av buk och bröstkorg. Z _ _ För att förebygga SIDS är det således önskvärt att andnings- övervakning sker av för tidigt födda barn och av barn med oregel- 'bundet andningsmönster. Ett antal kända metoder finns för dylik övervakning, nämligen: g a) detektering av andningsrörelser, vari larm ges om inga dylika rörelser detekteras inom en viss tid, t.ex. l5 eller 30 sekunder. Bland härvid förekommande detekteringsprinciper märks: - thoraximpedansmätning. Denna impedans varierar med and- '--J ningen och«kan mätas genom att en svag högfrekvent ström'W iimed hjälp av elektroder bringas passera thorax. Metoden âr_enkel men har den nackdelen, att samtidigt förekommande hjärtsynkrona impedansvariationer inte alltid kan skiljas ~: från de andningssynkrona impedansvariationerna, a - anbringande av bälten runt thorax eller buk, vars utvidg- Ä ning detekteras med töjningsgivare eller på induktiv väg. rdïflüfflïwtfi QUAUTY 10 15 25 BO 35 3 2452 946, lämplig kombination av dessas utsignaler uppnås att inverkan av störande omgivningsljud kan'elimineras.'Den ena mikrofonen (sig- nalmikrofoflen Z placeras härvid lämpligen mitt fram på halsen för upptagníng av det ljud som alstras då andningsluft strömmar genom luftstrupe och struphuvud. Den andra mikrofonen (referensmikro- fonen) placeras däremot så att i huvudsak inget andningsljud upp- fångas, exempelvis på sidan av halsen, i nacken eller, ännu hellre, bakom ena örat, där den är minst i vägen. Denna referensmikrofon å kommer härvid att registrera övriga ljud från kroppen, medan däremot ljudet från andningsluftens strömming har väsentligt lägre styrka eller kan försummas._Båda mikrofonerna registrerar yttre ljud från omgivningen med ungefär samma signalstyrka, dels direkta ljud, dels . yttre ljud transmitterade via kroppen. Dessa ljud kan sedan elimi- neras genom subtraktion av mikrofonsignalerna, vilket medför att . risken minimeras för att yttre ljud inom samma frekvensområde som andningsljuden skall tolkas som andningsljud. _ 'Uppfinningen beskrives närmare nedan i form av ett utförings- exempel och under hänvisning till den bifogade ritningen, vars enda figgr i blockschemaform visar en enligt uppfinningen utförd anord- ning för övervakning av andning. .In the latter case, ineffective breathing movements can be performed by the abdomen and chest. Z _ _ In order to prevent SIDS, it is therefore desirable that respiratory monitoring be carried out on premature babies and on children with irregular breathing patterns. A number of known methods exist for such monitoring, namely: g a) detection of respiratory movements, in which alarms are given if no such movements are detected within a certain time, e.g. l5 or 30 seconds. Among the detection principles involved are: - thoracic impedance measurement. This impedance varies with the respiration and can be measured by passing a weak high-frequency current through the thorax by means of electrodes. The method is simple but has the disadvantage that co-occurring cardiac synchronous impedance variations cannot always be distinguished from the respiratory synchronous impedance variations, a - application of belts around the thorax or abdomen, the expansion of which is detected by a strain gauge or by inductive means. rdï fl üf fl ïwt fi QUAUTY 10 15 25 BO 35 3 2452 946, the appropriate combination of their output signals is achieved that the effect of disturbing ambient noise can be 'eliminated'. The other microphone (reference microphone) is placed so that essentially no breathing sound is picked up, for example on the side of the neck, in the neck or, even better, behind one ear, where it is least in the way This reference microphone will detect other sounds from the body, while the sound from the respiratory air flow has a significantly lower volume or can be neglected. Both microphones register external sounds from the environment with approximately the same signal strength, partly direct sound and partly external sound transmitted via the body. These sounds can then be eliminated by subtracting the microphone signals, minimizing the risk of a tt external sounds within the same frequency range as the breathing sounds shall be interpreted as breathing sounds. The invention is described in more detail below in the form of an exemplary embodiment and with reference to the accompanying drawing, the only figure of which in block diagram form shows a device designed according to the invention for monitoring respiration. .
Såsom framgår av figuren används två mikrofoner för upptag- ning av ljud, nämligen en signalmikrofon 10, som lämpligen anbringas mitt fram på halsen i och för upptagning av de av andningsluften förorsakade ljuden i luftstrupe och struphuvud, och en referens- mikrofon 12, som såsom nämnts ovan exempelvis anbringas vid sidan av halsen, i nacken eller bakom örat och som uppfångar väsentligen samma störljud som signalmikrofonen. De båda mikrofonerna utgöres företrädesvis av miniatyrmikrofoner av elektrettyp och fästs lämp- ligen med häfta eller med ett tunt elastiskt band runt halsen. Övervakningsanordningen har på sin ingångssida två identiskt uppbyggda kanaler lä och 16, dvs. en för vardera mikrofonen. Vardera kanalen innehåller en förstärkare 18 resp. 20, ett därefter kopplat bandpassfilter 22 resp. 2U samt en krets 26 resp. 28 för likriktning och medelvärdesbíldning av filtrets utsignal. Förstärkarnas 18 och 20 förstärkningsfaktor är av storleksordningen 1000 gånger och kan justeras med en i figuren antydd gangad potentíometer 21 för optimal 7 signalnivå.-Bandpassfiltren 22, 2U bör för spädbarn ha det approxima- ¿ tiva passbandet 300-1000 Hz och kan exempelvis utgöras av fjärde § ordningens filter med dämpningen 24 dB/oktav utanför passbandet. I š _. . .- _... ._ 10 sl5 20 25 I _30 35 HO 452 946 g_ ~ Filtren är matchade med varandra för att ge identisk signalpåver- kan i de båda kanalerna. ' ' 4 . Ljudet från hjärtats aktivitet har befunnits ha ett frekvens- innehåll liknande andningsljuden. Energiinnehållet hos hjärtljuden avtar dock med frekvensen ovanför cirka 200 Hz, vilket innebär att V de båda ljudtyperna kan separeras med hjälp av filtren. Hos mycket , små barn (exempelvis prematurer) är hjärtljuden starka om mikro- fonen placeras i hjärtats närhet. Vid mikrofonplacering på halsen är hjärtljuden normalt svagare än andníngsljuden. Hjärtljudens styrka vid mikrofonplacering på halsen avtar snabbt med stigande ålder hos barnen.As shown in the figure, two microphones are used for recording sound, namely a signal microphone 10, which is suitably mounted in the middle of the front of the neck for recording the sounds caused by the respiratory air in the trachea and larynx, and a reference microphone 12, which as mentioned above, for example, is placed next to the neck, in the neck or behind the ear and which picks up essentially the same noise as the signal microphone. The two microphones preferably consist of miniature microphones of the electret type and are suitably fastened with a staple or with a thin elastic band around the neck. The monitoring device has on its input side two identically constructed channels lä and 16, i.e. one for each microphone. Each channel contains an amplifier 18 resp. 20, a subsequently connected bandpass filter 22 resp. 2U and a circuit 26 resp. 28 for rectification and averaging of the output signal of the filter. The gain of the amplifiers 18 and 20 is of the order of 1000 times and can be adjusted with a multiplied potentiometer 21 indicated in the figure for an optimal 7 signal level. The bandpass filters 22, 2U should for infants have the approximate passband 300-1000 Hz and can for example consist of § 4 of the order filter with the attenuation 24 dB / octave outside the passband. I š _. . .- _... ._ 10 sl5 20 25 I _30 35 HO 452 946 g_ ~ The filters are matched to each other to give identical signal influence in the two channels. '' 4. The sound from the activity of the heart has been found to have a frequency content similar to the breathing sounds. However, the energy content of the heart sounds decreases with the frequency above about 200 Hz, which means that the two sound types can be separated by means of the filters. In very young children (eg premature babies), the heart sounds are strong if the microphone is placed close to the heart. When placing a microphone on the neck, the heart sounds are usually weaker than the breathing sounds. The intensity of the heart sounds when the microphone is placed on the neck decreases rapidly with increasing age in the children.
Innan de båda kanalernas signaler subtraheras från varandra, måste signalerna likriktas. Míkrofonerna 10, 12 är nämligen mycket känsliga för fasläget hos det upptagna ljudet, varför signalfasen kan ändras så mycket som 1800 vid synnerligen ringa förändring.av . mikrofonläget (-< 5 mm). Detta skulle kunna resultera i att ett ytt- -ore ljud som registreras i båda kanalerna och som har frekvenser inom filtrens 22, Zfi passbandsummeras i stället för subtraheras och där-' med tolkas som andningsljud. Genom att signalerna likriktas och me- delvärdesbildas i kretsarna 26, 28 innan de subtraheras från va- randra iien dífferentíalförstärkare 30 elimineras helt inverkan från fasskillnader mellan signalerna. Kretsarna 26, 28 utför en_helvågs- likritníng av signalerna samt.medelvärdesbildar de likriktade sig- nalerna med en tidskonstant av cirka 0,1 s. Tidskonstantens låga värde medför att även relativt snabba förändringar i ljudet detek- teras. De likriktade och medelvärdesbildade signalerna subtraheras och förstärks ytterligare cirka 10 gånger i differentialförstärkaren 50¿ Éftersom signalkanalen-och referenskanalen registrerar yttre ljud med samma känslighet och eftersom de båda mikrofonerna är pla- cerade relativt nära varandra, kommer utsignalen från differential- förstärkaren 50 att vara nära noll vid frånvaro av andningsljud. Om andningsljud finns, blir resultatet en positiv utsignal från dif- ferantialförstärkaren. ' Differentialförstärkarens 10 utsígnal matas till en tröskel- värdeskrets 32, som detekterar om utsignalen överstiger en förutbe- stämd nivå (t.ex. 0,5 V), dvs. om andníngsljud föreligger. Är detta fallet ligger kretsens 32 utgång vid hög nivå och håller en tidkrets 3U overksam. Så snart som kretsens 32 utgång övergår till låg nivå, motsvarande att andningsljuden upphör, friges dock tidkretsen BU. Återkommer andningsljuden så att kretsens 32 utsignal återgår till u » WE: -----_«_...-f>.«.». -.,---.« - Å 'f _ «,-__ ,_ f, -_'. _ n 'i *"~'ffl>'\~iv*-'--ø+-»»”~ fM-ekøårg ...än fr.Before the signals of the two channels are subtracted from each other, the signals must be aligned. Namely, the microphones 10, 12 are very sensitive to the phase position of the recorded sound, so the signal phase can be changed as much as 1800 with very little change. microphone mode (- <5 mm). This could result in a surface sound which is recorded in both channels and which has frequencies within the filters 22, Z fi passband being summed instead of being subtracted and thus interpreted as breathing sound. By rectifying and averaging the signals in the circuits 26, 28 before they are subtracted from each other and differential amplifiers 30, the effect of phase differences between the signals is completely eliminated. The circuits 26, 28 perform a full-wave rectification of the signals and the mean value forms the rectified signals with a time constant of about 0.1 s. The low value of the time constant means that even relatively rapid changes in the sound are detected. The rectified and averaged signals are subtracted and amplified about 10 more times in the differential amplifier 50¿. Since the signal channel and the reference channel register external sounds with the same sensitivity and since the two microphones are placed relatively close to each other, the output signal from the differential amplifier 50 will be close. zero in the absence of breathing noise. If there is breathing noise, the result will be a positive output signal from the differential amplifier. The output signal of the differential amplifier 10 is supplied to a threshold value circuit 32, which detects if the output signal exceeds a predetermined level (eg 0.5 V), i.e. if breathing sounds are present. If this is the case, the output of the circuit 32 is at a high level and keeps a timing circuit 3U inactive. As soon as the output of the circuit 32 changes to a low level, corresponding to the cessation of breathing sounds, however, the time circuit BU is released. The breathing sounds return so that the output 32 of the circuit 32 returns to u »WE: -----_« _...- f>. «.». -., ---. «- Å 'f _«, -__, _ f, -_'. _ n 'i * "~' f fl> '\ ~ iv * -'-- ø + -» »” ~ fM-ekøårg ... än fr.
Ke... >' 10 15 5 i 452 946 hög nivå, återställes tidkretsen BH omedelbart. Om andninge- ljuden dock uteblir, kommer tidkretsen 3H efter ett inställbart tidsintervall (exempelvis 1-60 sekunder) att aktivera en larmkrets 36, som i sin tur förblir aktiverad ända tills en återställnings- knapp 38 intryckes. Larmkretsen kan anslutas till en varningslam- pa HO, en summer H2 etc. samt via en reläutgång UN till en annan yttre larmanordning. Ä Tidkretsens 30 utgång är även förbunden med en ackumulerande , minneskrets H6, som registrerar dels förfluten tid från larmets aktivering ti1l.dess att andningssignaler återkommer eller tills larmets återställningsknapp 38 intryckes, dels motsvarande larm- tíder ackumulerade under 2U timmar. Dessutom kan minneskretsen H6 registrerar totala antalet larm under Zü timmar. Den i minnet lagrade informationen kan presenteras på en digital presentationsenhet H8.Ke ...> '10 15 5 at 452 946 high level, the time cycle bra is reset immediately. However, if the breathing sounds are absent, the time circuit 3H will activate an alarm circuit 36 after an adjustable time interval (for example 1-60 seconds), which in turn remains activated until a reset button 38 is pressed. The alarm circuit can be connected to a warning lamp HO, a buzzer H2 etc. and via a relay output UN to another external alarm device. The output of the timing circuit 30 is also connected to an accumulating, memory circuit H6, which registers partly elapsed time from the activation of the alarm until breathing signals return or until the alarm reset button 38 is pressed, and corresponding alarm times accumulated for 2U hours. In addition, the memory circuit H6 can register the total number of alarms during Zü hours. The information stored in the memory can be presented on a digital presentation unit H8.
I En pulsräknare 50 kan vara ansluten till differentialförstär- karens 30 utgång i och för registrering av andningsfrekvensen och visning av det erhållna värdet på en digital presentationsenhet 52. _-1A pulse counter 50 may be connected to the output of the differential amplifier 30 for recording the respiratory rate and displaying the value obtained on a digital display unit 52.