DE10014077A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens. Erfindungsgemäß werden Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbestimmten peripheren Körperstelle jeweils benötigen, bestimmt, werden im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten periodische Schwankungen bestimmt und wird aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Atemaktivität, insbesondere die Dauer eines Atemzyklus ermittelt, die Atemfrequenz bestimmt und/oder Atemstillstände erkannt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestim­ mung der Atemaktivität eines Lebewesens.

Als ein wichtiger Kreislaufparameter in der Medizin wird die Respiration gemessen und zur Patientüberwachung und Diagnostik von Schlaf- und Atemregulationsstö­ rungen bei Erwachsenen und Kleinkindern im Schlaflabor verwendet. Heutzutage wird die Atmung häufig mit Hilfe eines Thermistors, der die Temperaturdifferenz zwischen dem ein- und ausgeatmeten Luftstrom mißt, oder mit Hilfe der Indukti­ onsplethysmographie oder der Impedanzpneumographie bestimmt, wobei Atembe­ wegungen an Bauch und Brust erfaßt werden. Diese Methoden sind jedoch appa­ ratetechnisch relativ aufwendig.

Ebenfalls bekannt ist es, über die Erfassung und Auswertung des Puls- und Herz­ frequenzsignals Aussagen über die Atmung zu treffen. Eine erste Verfahrensweise hierzu ist die Extraktion der Einhüllenden des Pulssignals mittels Bandpaßfilter. Ei­ ne zweite Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, daß die Atemfrequenz durch eine Spektralanalyse des Herzfrequenzsignales bestimmt wird (vgl. EP 0 875 199 A). Diese Methoden haben jedoch den Nachteil, daß die Qualität des aus dem Pulssignal extrahierten Atemsignals patientenabhängig und insbesondere kritisch ist, um bei der Erkennung von Atemstillstand, der sogenannten Apnoe-Erkennung, verwertet zu werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität anzugeben, die die Nachteile aus dem Stand der Technik vermeiden. Insbesondere soll mit einfachen Mitteln ein die Atemaktivität besser kennzeichnendes Atmungs­ signal bereitgestellt werden, das eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Atemaktivität erlaubt.

Verfahrenstechnisch wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß kontinuierlich Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbestimmten, peripheren Körperstelle jeweils benötigen, bestimmt werden, im zeitlichen Verlauf der Puls­ wellenlaufzeiten periodische Schwankungen bestimmt werden und aus den periodi­ schen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Atemak­ tivität bestimmt wird.

Mit einer peripheren Körperstelle ist eine vom Herzen entfernt liegende Körperstelle wie z. B. ein Ohrläppchen oder ein Finger oder eine Zehe gemeint. Mit dem Begriff Pulswellenlaufzeit wird also die Zeit bezeichnet, die eine durch den Herzschlag er­ zeugte Druckwelle im Blutkreislauf braucht, bis sie die genannte periphere Stelle des Körpers erreicht. Aus dem zeitlichen Verlauf bzw. aus den periodischen Schwankungen der bestimmten Pulswellenlaufzeiten werden die die Atemaktivität kennzeichnenden Daten extrahiert. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Pulswellenlaufzeit und dem Blut­ druck besteht und der Blutdruck eine atemabhängige Schwankung aufweist. Neben den dominanten, herzschlagsynchronen Blutdruckschwankungen, die als Rhythmus erster Ordnung eingestuft werden können, treten periodisch wiederkehrende Blutdruckschwankungen zweiter Ordnung auf, die auf die mechanische Tätigkeit von herzunabhängigen Strukturen zurückzuführen sind. Diese Schwankungen zweiter Ordnung stehen vor allem im Zusammenhang mit der Atmung. Die atemabhängige Variation des Blutdrucks wird teilweise durch eine zentrale Kopplung von Atmung und Kreislauf über das autonome Nervensystem bedingt, teilweise aber auch me­ chanisch durch die atembedingten Kapazitätsschwankungen der Lungengefäße hervorgerufen, die eine direkte Druckmodulation des der linken Herzhälfte zuge­ führten Blutes bewirken. Aus den dementsprechend hervorgerufenen Schwankun­ gen der Pulswellenlaufzeiten werden bei dem vorliegenden Verfahren die die At­ mung kennzeichnenden Daten gewonnen.

Insbesondere kann zur Bestimmung der Pulswellenlaufzeiten das zeitliche Auftre­ ten der Herzschläge vorzugsweise mittels eines EKG, also eines Elektrokardio­ gramms und das zeitliche Auftreten der jeweils zugehörigen Druckwellen an der peripheren Körperstelle erfaßt werden, wobei die Pulswellenlaufzeiten als Differenz der Zeitpunkte des Auftretens der Druckwellen an der peripheren Körperstelle und der Zeitpunkte des Auftretens der zugehörigen Herzschläge bestimmt werden. Die Atemaktivität wird also aus einer Kombination von Messung des Herzschlages und Messung des Pulsschlages an einer peripheren Körperstelle ermittelt. Das Auftre­ ten der Druckwelle an der peripheren Körperstelle kann mittels eines PPG, d. h. Photoplethysmograph erfaßt werden.

Als die Atemaktivität kennzeichnende Daten werden vorzugsweise die Dauer eines Atemzyklus bestimmt, die Atemfrequenz ermittelt und/oder Atemstillstände erkannt. Die Dauer eines Atemzyklus kann aus den periodischen Schwankungen des zeitli­ chen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden. Insbesondere kann die Dauer eines Atemzyklus als zeitliche Differenz des Auftretens zweier aufeinander­ folgender Extremwerte des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden. Der aufsteigende Ast einer Schwankung des Pulswellenlaufzeitenverlaufs entspricht einem Einatmen und der absteigende Ast der entsprechenden Schwan­ kung einem Ausatmen. Die Dauer einer Atmungsperiode kann als der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Maxima bzw. zweier aufeinanderfolgender Mi­ nima im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden.

Insbesondere werden zur Bestimmung der Dauer eines Atemzyklus die gemesse­ nen Pulswellenlaufzeiten von einem Mittelwert der vorhergehenden Pulswellenlauf­ zeiten befreit. Mit dem Ausdruck "vom Mittelwert befreit" ist hierbei gemeint, daß von einem jeweils aktuellen Meßwert der Pulswellenlaufzeit der Mittelwert aus n vorherigen Messungen der Pulswellenlaufzeit subtrahiert wird. In dem Verlauf der auf diese Weise vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten werden zunächst die Extremwerte gesucht und anschließend der Zeitabstand zwischen zwei aufeinan­ derfolgenden Extremwerten gleicher Ordnung, d. h. zweier aufeinanderfolgender Maxima oder zweier aufeinanderfolgender Minima, gemessen. Dieser Zeitabstand entspricht dann einer Atemperiode.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Atemfrequenz aus der jeweils ermittelten Dauer eines Atemzyklus ermittelt. Dies besitzt den Vorteil, daß stets die aktuelle Atemfrequenz bestimmt wird. Bezeichnet T die Länge der momentanen Atemperiode in Sekunden, so ist die zugehörige Atemfrequenz AF in Atemzüge pro Minute gegeben durch

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Atemfre­ quenz mittels einer Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden. Hierdurch kann eine durchschnittliche Atemfrequenz über eine bestimmte Zeitdauer ermittelt werden. Die zuvor beschriebene Ausführung besitzt demgegenüber den Vorteil, daß stets die momentane Frequenz erhalten wird.

Vorteilhafterweise können aus den Amplituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs des Pulswellenlaufzeitsignals Atemstillstände erkannt wer­ den. Insbesondere werden zunächst die Pulswellenlaufzeiten in der zuvor beschriebenen Weise von einem Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten be­ freit und in dem sich ergebenden Verlauf der vom Mittelwert befreiten Pulswellen­ laufzeitsignal die Extremwerte bestimmt. Aus den Minima und den jeweils darauf folgenden Maxima werden die aktuellen Amplituden des Pulswellenlaufzeitsignals zwischen den detektierten Punkten berechnet. Zur Erkennung von Atemstillständen wird geprüft, ob die Amplituden über ein vorgegebenes Zeitfenster einen vorgege­ benen Schwellenwert unterschreiten oder nicht. Ist ersteres der Fall, kann davon ausgegangen werden, daß ein Atemstillstand vorliegt. Die zeitliche Länge des Atemstillstandes wird als die Zeitdauer bestimmt, in der die Amplitude des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals kontinuierlich unter dem vorgegebe­ nen Schwellenwert liegt.

Der Schwellenwert, mit dem die Amplituden des Pulswellenlaufzeitsignals vergli­ chen werden, kann auf verschiedene Weisen festgelegt werden. Vorzugsweise wird der Schwellenwert in Abhängigkeit vorangegangener Amplitudenwerte bestimmt. Insbesondere kann er basierend auf dem Amplitudenverlauf des in der zuvor be­ schriebenen Weise vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitensignals berechnet werden, nämlich aus dem Produkt der Summe der entsprechenden Amplituden mit einem Faktor, der als Erfahrungswert festgelegt werden kann. Gegebenenfalls könnte der Schwellenwert auch als Bruchteil eines Mittelwerts der vorangegange­ nen Amplituden festgelegt werden.

Das Zeitfenster, über das die jeweils aktuellen Amplituden mit dem Schwellenwert verglichen werden, kann vorzugsweise in Abhängigkeit der Dauer zumindest eines vorangegangenen Atemzyklus bestimmt werden. Insbesondere kann die Länge des Zeitfensters als Summe der jeweils letzten beiden Atemperioden bzw. deren Dauer festgelegt werden. Eine Atemperiode kann dabei als Zeitabstand zwischen dem Auftreten zweier aufeinanderfolgender Maxima oder zweier aufeinanderfolgender Minima im zeitlichen Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals bestimmt werden.

Zur Apnoeerkennung, d. h. Atemstillstandserkennung, kann auch der Mittelwert des Pulswellenlaufsignals berücksichtigt werden. Bei Apnoen nimmt dieser häufig ab, so daß Atemstillstandszeitpunkte durch einen Vergleich des Mittelwerts der Puls­ wellenlaufzeiten mit einem Schwellenwert bestimmt werden können. Diese Vorge­ hensweise kann alternativ, vorzugsweise jedoch zusätzlich zu dem zuvor beschrie­ benen Vergleich der Amplituden mit einem Schwellenwert vorgesehen werden, um eine größere Sicherheit bei der Erkennung von Atemstillständen zu erreichen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann zur Bestim­ mung der Atemtätigkeit das Pulswellenlaufzeitensignal bandpaßgefiltert werden, wobei vorzugsweise eine Mittelfrequenz und die Bandbreite der Filterung an die Variation der Atemfrequenz angepaßt werden, um Unterschiede der Atemfrequenz beispielsweise bei Erwachsenen und Kindern zu berücksichtigen. Typischerweise kann ein Bandpaßfilter mit einem Frequenzband von 0,10 Hz bis 0,40 Hz verwen­ det werden. Die Auswertung, d. h. die Ermittlung der momentanen Atemfrequenz, die Erkennung von Apnoen und die Bestimmung der Zeitdauer von Apnoen erfolgt analog der zuvor beschriebenen Art und Weise über Zeitfenster und Schwellenwert wie bei dem genannten Mittelwertverlauf.

Vorrichtungstechnisch wird die oben genannte Aufgabe bei einer Vorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Pulswellenlaufzeit- Einrichtung zur Bestimmung von Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag er­ zeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbestimmten peripheren Körperstelle jeweils benötigen, eine Einrichtung zur Bestimmung periodischer Schwankungen im zeitlichen Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals, und eine Einrichtung zur Bestim­ mung der Atemaktivität aus den periodischen Schwankungen des Pulswellenlauf­ zeitsignals vorgesehen sind.

Die Pulswellenlaufzeit-Einrichtung kann eine Einrichtung zur Erfassung des Herz­ schlags, insbesondere eine Elektrokardiogramm-Einrichtung, sowie eine Einrich­ tung zur Erfassung der vom Herzschlag erzeugten Druckwellen an der peripheren Körperstelle, insbesondere einen Photoplethysmograph aufweisen. Eine Zeitdiffe­ renz-Einrichtung berechnet die zeitliche Differenz zwischen dem Auftreten eines Herzschlags und dem Auftreten der zugehörigen Druckwelle an der peripheren Körperstelle und damit die Pulswellenlaufzeit. Die Pulswellenlaufzeit-Einrichtung kann dabei derart ausgebildet sein, daß sie die sogenannte R-Zacke als Zeitpunkt des Herzschlages und einen eindeutigen Anstiegspunkt in der Pulskurve als Zeit­ punkt des Auftretens der Druckwelle an der peripheren Körperstelle festlegt.

Die Einrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität umfaßt vorzugsweise eine Atem­ zyklus-Einrichtung zur Bestimmung der Dauer eines Atemzyklus und eine Atemfre­ quenz-Einrichtung zur Bestimmung der Atemfrequenz. Die Atemzyklus-Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie in der zuvor beschriebenen Art und Weise die Dauer eines Atemzyklus aus den periodischen Schwankungen des zeitli­ chen Verlaufs des Pulswellenlaufzeitsignals, insbesondere aus den Extremwerten des vom Mittelwert der Pulswellenlaufzeiten bereinigten zeitlichen Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals berechnet. Die Atemfrequenz-Einrichtung ist vorzugswei­ se derart ausgebildet, daß sie die jeweils momentane Atemfrequenz in der zuvor beschriebenen Art und Weise aus der Dauer des jeweiligen Atemzyklus bestimmt.

Vorzugsweise ist eine Extremwert-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Extremwerten im Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals und eine Zeitdifferenz- Einrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen dem Auftreten auf­ einanderfolgender Extremwerte, insbesondere aufeinanderfolgender Maxima oder aufeinanderfolgender Minima, vorgesehen. Es kann eine Mittelwert-Einrichtung zur Bildung eines Mittelwerts der Pulswellenlaufzeiten und eine Subtraktions- Einrichtung zur Subtraktion des Mittelwerts von den Pulswellenlaufzeiten vorgese­ hen sein. Die Subtraktionseinrichtung kann der Extremwert-Bestimmungsein­ richtung vorgeschaltet sein, so daß die Extremwert-Bestimmungseinrichtung die Extremwerte im vom Mittelwert bereinigten Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals bestimmt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann zur Bestim­ mung der Atemfrequenz eine Spektralanalyse-Einrichtung zur Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen sein.

In Weiterbildung der Erfindung ist zur Erkennung von Atemstillständen eine Ampli­ tuden-Einrichtung zur Bestimmung der Amplituden der periodischen Schwankun­ gen des Pulswellenlaufzeitsignals vorgesehen. Die Amplituden-Einrichtung kann der zuvor genannten Subtraktions-Einrichtung nachgeschaltet sein, so daß die Am­ plituden im vom Mittelwert bereinigten Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals be­ stimmt werden. Die Amplituden-Einrichtung selbst kann als Subtraktions- Einrichtung ausgebildet sein, die der zuvor beschriebenen Extremwert- Bestimmungseinrichtung nachgeschaltet ist und die Differenz zwischen zwei auf­ einanderfolgenden Extremwerten, d. h. zwischen einem Maximum und einem Mini­ mum berechnet.

Ferner ist vorteilhafterweise eine Schwellenwert-Einrichtung zur Vorgabe eines Schwellenwerts und eine Zeitvorgabe-Einrichtung zur Vorgabe einer Vergleichszeit und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der bestimmten Amplituden mit dem vorgegebenen Schwellenwert über die vorgegebene Vergleichszeit vorgesehen. Stellt die Vergleichseinrichtung fest, daß die Amplitudenwerte über die vorgegebe­ ne Vergleichszeit kleiner als der Schwellenwert sind, aktiviert sie eine Alarm- Einrichtung, die einen entsprechenden Alarm gibt, der Apnoe anzeigt.

Die Schwellenwert-Einrichtung besitzt vorzugsweise eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegangener Amplituden und eine Skalier-Einrichtung zur Multiplikation der Amplitudensumme mit einem Faktor, der als Erfahrungswert in die Skalier-Einrichtung eingebbar ist. Die Zeitvorgabe-Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Vergleichszeit an die aktuelle Atemperiode angepaßt wird, insbesondere weist sie eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung voran­ gegangener Atemzyklen auf.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß ein vorzugs­ weise adaptiver, digitaler Bandpaßfilter vorgesehen ist, mit Hilfe dessen der Atemrhythmus aus dem Pulswellenlaufzeitsignal extrahiert wird. Das Frequenzband des Bandpaßfilters beträgt typischerweise zwischen 0,1 Hz und 0,4 Hz. Adaptiv meint dabei, daß die Mittelfrequenz und die Bandbreite des Filters an die Variation der Atemfrequenz angepaßt werden. Ein solcher Filter kann mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors, einem sogenannten DSP realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöri­ ger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine prinzipielle Flowchart-Darstellung, die die Erfassung der Atemtätig­ keit gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt,

Fig. 3 eine Darstellung des Pulswellenlaufzeitsignals gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung über 60 Sekunden, wobei die Pulswellenlauf­ zeiten in Millisekunden über der Zeit aufgetragen sind, die viereckigen Punkte die diskreten Zeitpunkte für die Bestimmung der Pulswellenlauf­ zeit angeben und die ein dem Pulswellenlaufzeitsignal zugrunde liegen­ den Pulssignale an einem Zeigefinger des Probanden gemessen wur­ den,

Fig. 4 den Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals, der die Erkennung eines Atemstillstands verdeutlicht, wobei in Fig. 4a ähnlich Fig. 3 das Pulswel­ lenlaufzeitsignal in Millisekunden über der Zeit aufgetragen ist und in Fig. 4b der Amplitudenverlauf des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlauf­ zeitsignals aus Fig. 4a ebenfalls über der Zeit aufgetragen ist und das dem Pulswellenlaufzeitsignal zugrunde liegende Pulssignal am Zeigefin­ ger eines Probanden gemessen wurde.

Fig. 5 einen Vergleich eines nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ermittelten Pulswellenlaufzeitsignals zur Bestimmung der At­ mungsaktivität und insbesondere des Atemstillstands zu einem gefilter­ ten Pulssignal, mit Hilfe dessen nach dem Stand der Technik die Atmungsaktivität bestimmt wurde, wobei Fig. 5a ein Pulssignal in Volt über der Zeit aufgetragen zeigt, Fig. 5b ein durch Filterung des Pulssignales aus Fig. 5a mit einem Bandpaßfilter erhaltenes gefiltertes Pulssignal in Volt über der Zeit aufgetragen zeigt und Fig. 5c ein nach der vorliegen­ den Erfindung ermitteltes Pulswellenlaufzeitsignal zeigt, das am selben Patienten zur selben Zeit gemessen wurde und in Millisekunden über der Zeit aufgetragen ist, wobei in allen drei Darstellungen 5a bis 5c eine Atemstillstandszeit zwischen 60 und 75 Sekunden als Apnoebereich ein­ gezeichnet ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Elektrokardiogramm-Einrichtung 1 und eine Photoplethysmogramm-Einrichtung 2, die als Pulsmeßeinrichtung dient. Die beiden Einrichtungen 1 und 2 sind an eine zentrale Auswerte- und Rechenein­ heit 3 angeschlossen, die eine Vielzahl von Funktionen bei der Auswertung der Si­ gnale der Einrichtungen 1 und 2 sowie der weiteren Bestimmung und Auswertung des daraus abgeleiteten Pulswellenlaufzeitsignales erfüllt. Die Auswerte- und Re­ cheneinheit 3 kann in Form eines Mikroprozessors, der mit Software programmier­ bar ist, verwirklicht sein.

Wie Fig. 2 zeigt, werden die EKG-Einrichtung 1 und die PPG-Einrichtung 2 an ei­ nen Patienten angeschlossen, wobei die PPG-Einrichtung 2 den Puls des Patienten an einer peripheren Körperstelle, insbesondere einem Finger, einer Zehe oder ei­ nem Ohrläppchen abgreift. Die Elektrokardiogramm-Einrichtung 1 liefert ein den Herzschlag angebendes Signal, das in Fig. 2 mit EKG bezeichnet ist. Das EKG- Signal stellt die Aufzeichnung der durch Herzerregung verursachten Potentialdiffe­ renz an der Körperoberfläche in Abhängigkeit von der Zeit dar. Einem Herzschlag entsprechend besitzt das EKG-Signal einen charakteristischen Ausschlag, der in Fig. 2 als R-Zacke bezeichnet ist.

Die Photoplethysmograph-Einrichtung 2 liefert ein Signal, welches das Auftreten der von dem entsprechenden Herzschlag verursachten Druckwelle an der periphe­ ren Körperstelle angibt. Wie Fig. 2 zeigt, besitzt der Puls an der peripheren Körperstelle einen charakteristischen Anstieg, der dem Eintreffen der Druckwelle ent­ spricht. Zur Berechnung der jeweiligen Pulswellenlaufzeit wird zum einen auf das EKG-Signal und zum anderen auf das Pulssignal zurückgegriffen. Die R-Zacke des EKG-Signales ist der erste Bezugspunkt E(t_n), der zweite Bezugspunkt ist der Auf­ tritt des Pulses an der peripheren Körperstelle, nämlich der eindeutige An­ stiegspunkt P(t_n+1) in der Pulskurve gemäß Fig. 2. Die momentane Pulswellenlauf­ zeit PWLZ(t_n) wird als Zeitabstand zwischen den genannten Bezugspunkten be­ rechnet, also

PWLZ(t_n) = P(_tn+1) - E(t_n).

Die Pulswellenlaufzeiten werden kontinuierlich, vorzugsweise für jeden Herzschlag gemessen bzw. bestimmt.

Wie Fig. 3 zeigt, weist das Pulswellenlaufzeitsignal, nachfolgend PWLZ-Signal eine periodische Schwankung auf, die mit der Atemtätigkeit übereinstimmt. Dabei ent­ spricht jeder aufsteigende Ast einer Schwankung einem Einatmen und jeder ab­ steigende Ast einem Ausatmen. Diese Korrelation des PWLZ-Signales mit der At­ mung erklärt sich aus der Tatsache, daß ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Pulswellenlaufzeit und dem Blutdruck besteht und letzter wiederum atmungsabhängige Schwankungen zeigt.

Aus dem in der beschriebenen Weise bestimmten PWLZ-Signal bestimmt die zen­ trale Auswerte- und Recheneinheit 3 zunächst die Dauer des jeweiligen Atmungs­ zyklus. Hierfür bereinigt die Auswerte- und Recheneinheit 3 das PWLZ-Signal zu­ nächst vom Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten. Insbesondere wird hierzu vom jeweils aktuellen Meßwert der Pulswellenlaufzeit der Mittelwert aus ei­ ner Anzahl n vorheriger Messungen der Pulswellenlaufzeiten subtrahiert. Die Aus­ werte- und Recheneinheit 3 bestimmt in dem vom Mittelwert befreiten PWLZ-Signal die lokalen Maxima und berechnet anschließend den Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima. Dieser Zeitabstand T wird als momentane Atempe­ riode in Sekunden festgelegt.

Die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 bestimmt aus der jeweils momentanen Dauer des Atemzyklus die zugehörige Atemfrequenz AF in Atemzüge pro Minute und zwar folgendermaßen:

Die auf diese Weise bestimmte Atemfrequenz AF entspricht stets der jeweils aktu­ ellen Atemfrequenz. Diese kann im zeitlichen Verlauf über die Eingabe/Ausgabe- Einheit 4 dargestellt werden. Gegebenenfalls kann auch ein Mittelwert aus einer vorgegebenen Anzahl von berechneten Atemfrequenzen bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann eine durch­ schnittliche Atemfrequenz über eine bestimmte Zeitdauer durch eine Spektralanaly­ se des PWLZ-Signales bestimmt werden (vgl. Fig. 2).

Ferner erkennt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 Apnoen, d. h. Atemstill­ stände und bestimmt die zeitliche Länge von Apnoen. Hierzu bestimmt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 zunächst in dem in der zuvor beschriebenen Weise vom Mittelwert bereinigten PWLZ-Signal die auftretenden Minima und Maxima und berechnet die jeweils aktuelle Amplitude als Differenz zwischen jeweils aufeinan­ derfolgenden Minima und Maxima. In Verbindung mit der jeweils zugehörigen, ebenfalls bestimmten Periodendauer berechnet die Auswerte- und Recheneinheit 3 hieraus den aktuellen Amplitudenverlauf, wie er in Fig. 4b gezeigt ist. Danach prüft die Auswerte- und Recheneinheit 3, ob die Amplitude einen vorgegebenen Schwellenwert über ein gegebenes Zeitfenster unterschreitet. Ist dies der Fall, gibt die Auswerte- und Recheneinheit 3 über die Ausgabe-Einheit 4 ein Alarmsignal ab. Die Auswerte- und Recheneinheit bestimmt den Schwellenwert basierend auf dem Amplitudenverlauf des vom Mittelwert befreiten PWLZ-Signals. Konkret berechnet die Auswerte- und Recheneinheit 3 den Schwellenwert (vgl. Fig. 4b) aus dem Produkt der Summe einer Anzahl n vorhergehender Amplituden mit einem Faktor, der als Erfahrungswert festgelegt wird. Dabei muß die Amplitude über eine vorgegebe­ ne Zeit unterhalb des Schwellenwertes liegen, damit ein Alarmsignal abgegeben wird. Dieses Zeitfenster wird von der Auswerte- und Recheneinheit 3 basierend auf dem originalen PWLZ-Signal bestimmt. Insbesondere summiert die Auswerte- und Recheneinheit 3 die Dauer der beiden letzten Atemperioden vor der Unterschrei­ tung des Schwellenwertes. Eine Atemperiode ist dabei definiert als der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima in dem PWLZ-Signal.

In vorteilhafter Weise bestimmt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 auch die zeitliche Länge von Apnoen. Hierzu wird die Zeitdauer bestimmt, in der die Am­ plitude des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals kontinuierlich unter dem zuvor beschriebenen Schwellenwert liegt. Diese Zeitdauer entspricht der zeitli­ chen Länge eines Atemstillstands.

Bei dem in Fig. 4a gezeigten Verlauf des PWLZ-Signals tritt bei einer Zeit von 60 Sekunden Apnoe ein. Wie Fig. 4b zeigt, fällt hier die Amplitude unter den vorgege­ benen Schwellenwert. Dementsprechend wird von der Auswerte- und Rechenein­ heit 3 zur Bestimmung des Zeitfensters die beiden letzten Atemperioden vor der Zeit 60 Sekunden bestimmt. Das etwa bei 48 Sekunden liegende Maximum des PWLZ-Signales sowie das etwa bei 58 Sekunden liegende Maximum des PWLZ- Signales aus Fig. 4a werden hierzu herangezogen, so daß im konkreten gezeigten Fall ein Zeitfenster von 10 Sekunden vorgegeben wird. Bleibt die Amplitude des vom Mittelwert bereinigten PWLZ-Signales über 10 Sekunden unter dem Schwel­ lenwert, wird Alarm ausgelöst, im gezeigten Fall gemäß der Fig. 4 etwa zum Zeit­ punkt 70 Sekunden. Die zeitliche Länge der Apnoe beträgt ca. 13 Sekunden.

Die Fig. 4b zeigt einen gleitenden Mittelwert, der einen Durchschnittswert aus je­ weils zwei Mittelwerten darstellt. Dieser gleitende Mittelwert kann somit, wie der Mittelwert selbst, ebenso zur Apnoeerkennung verwendet werden.

Als Alternative kann der Atemrhythmus durch einen adaptiven digitalen Bandpaß­ filter aus dem PWLZ-Signal extrahiert werden (vgl. Fig. 2).

Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem eine Atemmessung über ein gefilter­ tes Pulssignal erfolgt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfin­ dungsgemäß arbeitenden Vorrichtung die Atemaktivität eines Probanden wesent­ lich präziser und zuverlässiger bestimmt werden. Wie Fig. 5 zeigt, zeigt das PWLZ- Signal zu Zeiten eines Atemstillstandes, der in der Figur mit Apnoe gekennzeichnet ist, einen deutlich wahrnehmbaren Abfall der Amplituden der periodischen Schwan­ kungen des PWLZ-Signales und darüber hinaus auch einen Rückgang des Mittel­ wertes des PWLZ-Signales (vgl. Fig. 5c). Im Vergleich hierzu ist der Zeitraum des Atemstillstandes aus dem entsprechenden Pulssignal des gleichen Probanden, das in Fig. 5a gezeigt ist, nur schwer zu erkennen. Das gefilterte Pulssignal gemäß Fig. 5b zeigt keine klar erkennbare Anormalität, die Amplitude des gefilterten Puls­ signales nimmt während der Apnoephase eher zu, während der Atemstillstand durch eine Abnahme der Amplituden im PWLZ-Signal gemäß Fig. 5c deutlich zu erkennen ist.

Vorteilhaft ist an dem beschriebenen Verfahren, daß nicht nur eine Messung der Atemfrequenz, sondern auch eine präzise Apnoe-Erkennung erfolgen kann. Sind Vorrichtungen zur Elektrokardiogramm- und Pulsmessung vorhanden, ist keine zu­ sätzliche Sensorik notwendig. Die Erfindung kann isoliert genutzt oder in Behand­ lungsgeräte aller Art, auch für den Homecare-Bereich, integriert werden, wenn eine Überwachung der Atmung erwünscht wird.

Claims (22)

1. Verfahren zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druck­ wellen zum Erreichen einer vorbestimmten, peripheren Körperstelle jeweils benötigen, bestimmt werden, im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten periodische Schwankungen bestimmt werden und aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Atemakti­ vität bestimmt wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zeitliche Auftreten der Herzschläge und das zeitliche Auftreten der jeweils zugehörigen Druck­ wellen an der peripheren Körperstelle, insbesondere an einem Finger, einer Zehe oder einem Ohrläppchen erfaßt und die Pulswellenlaufzeiten als Diffe­ renz der Zeitpunkte des zeitlichen Auftretens der Druckwellen an der peripheren Körperstelle und des Auftretens der zugehörigen Herzschläge bestimmt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus den peri­ odischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Dauer eines Atemzyklus (T) und hieraus die jeweilige Atemfrequenz (AF) be­ stimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer eines Atemzyklus (T) als zeitliche Differenz des Auftretens zweier aufeinanderfol­ gender Extremwerte, d. h. zweier Maxima oder zweier Minima, des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, wobei insbesondere zu­ nächst die jeweils bestimmten Pulswellenlaufzeiten vom Mittelwert einer vor­ herbestimmten Anzahl vorangegangener Pulswellenlaufzeiten befreit werden, der zeitliche Verlauf der von diesem Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, in diesem aufeinanderfolgende Extremwerte bestimmt werden und hieraus die Dauer der jeweiligen Atemzyklen (T) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Atemfre­ quenz mittels einer Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlauf­ zeiten bestimmt und aus diesen Atemstillstände erkannt werden, wobei insbe­ sondere die Pulswellenlaufzeiten von einem Mittelwert vorangehender Puls­ wellenlaufzeiten befreit werden, der zeitliche Verlauf dieser vom genannten Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, die periodischen Schwankungen und deren Amplituden des so bestimmten zeitlichen Verlaufs bestimmt und die Amplituden mit einem vorgegebenen Schwellenwert über eine vorgegebene Zeit verglichen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zeitliche Länge von Atemstillständen bestimmt wird, wobei insbesondere die Pulswel­ lenlaufzeiten von einem Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten befreit werden, der zeitliche Verlauf dieser vom Mittelwert befreiten Pulswellenlauf­ zeiten bestimmt wird, die periodischen Schwankungen und deren Amplituden des so bestimmten zeitlichen Verlaufs bestimmt werden, die Amplituden mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden und die zeitliche Län­ ge der Atemstillstände als die Zeitdauer bestimmt wird, in der die Amplituden des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals kontinuierlich unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegen.

8. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwellenwert in Abhängigkeit vorangegangener Amplitudenwerte bestimmt und/oder die vorgegebene Zeit in Abhängigkeit der Dauer (T) vorangegange­ ner Atemzyklen bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Atemstillstände in Abhängigkeit des Mittelwerts der Pulswellenlaufzeit, insbesondere durch Vergleich desselben mit einem Schwellenwert, erkannt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erkennung von Atemstillständen die Pulswellenlaufzeiten bandpaßgefiltert werden, wobei vorzugsweise eine Mittelfrequenz und/oder eine Bandbreite der Filterung an eine Variation der Atemfrequenz angepaßt werden.

11. Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens, mit einer Pulswellenlaufzeit-Einrichtung (1, 2, 3) zur Bestimmung von Pulswellenlauf­ zeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbe­ stimmten peripheren Körperstelle jeweils benötigen, einer Einrichtung (3) zur Bestimmung periodischer Schwankungen im zeitlichen Verlauf der Pulswel­ lenlaufzeiten, und einer Einrichtung (3) zur Bestimmung der Atemaktivität aus den periodischen Schwankungen der Pulswellenlaufzeiten.

12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Einrichtung (1) zur Erfassung des Herzschlags insbesondere eine Elektrokardiogramm- Einrichtung und eine Einrichtung (2) zur Erfassung von durch den Herzschlag erzeugten Druckwellen an der peripheren Körperstelle vorgesehen sind und die Pulswellenlaufzeit-Einrichtung (3) eine Zeitdifferenz-Einrichtung zur Be­ stimmung der zeitlichen Differenz zwischen dem zeitlichen Auftreten der Druckwellen an der peripheren Körperstelle und dem Auftreten der zugehöri­ gen Herzschläge aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Atemzy­ klus-Einrichtung (3) zur Bestimmung der Dauer eines Atemzyklus aus den pe­ riodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten und eine Atemfrequenz-Einrichtung (3) zur Bestimmung der Atemfrequenz aus der jeweiligen Dauer eines Atemzyklusses vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Extrem­ wert-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Extremwerten im Verlauf der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist und die Atemzykluseinrichtung (3) ei­ ne Zeitdifferenz-Einrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen dem Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mittel­ wert-Einrichtung (3) zur Bildung eines Mittelwerts einer Anzahl von Pulswel­ lenlaufzeiten und eine Subtraktions-Einrichtung (3) zur Subtraktion des Mittel­ werts von den jeweiligen Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Spek­ tralanalyse-Einrichtung zur Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten vorgese­ hen ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Amplitu­ den-Einrichtung zur Bestimmung von Amplituden der periodischen Schwan­ kungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach dem Anspruch 14 und dem Anspruch 16, wobei die Amplitu­ den-Einrichtung der Subtraktionseinrichtung zur Subtraktion des Mittelwerts von den jeweiligen Pulswellenlaufzeiten derart vorgeschaltet ist, daß die Am­ plituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schwel­ lenwert-Einrichtung (3) zur Vorgabe eines Schwellenwertes und eine Zeitvor­ gabe-Einrichtung (3) zur Vorgabe einer Vergleichszeit und eine Vergleichs- Einrichtung (3) zum Vergleich der Amplituden der periodischen Schwankun­ gen der Pulswellenlaufzeiten mit dem vorgegebenen Schwellenwert über die vorgegebene Vergleichszeit vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schwellenwert- Einrichtung (3) eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegange­ ner Amplituden und eine Skalier-Einrichtung zur Multiplikation der Amplitu­ densumme mit einem Faktor besitzt und/oder die Zeitvorgabe-Einrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die Vergleichszeit in Abhängigkeit der Dauer zumindest eines vorangegangenen Atemzyklus bestimmt, insbesondere eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegangener Atemzyklen be­ sitzt.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein vorzugs­ weise adaptiver digitaler Bandpaßfilter zur Bandpaßfilterung der Pulswellen­ laufzeiten vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zentrale, vorzugsweise softwareprogrammierbare Auswerte- und Recheneinheit (3) vorgesehen ist, die die Einrichtung zur Bestimmung periodischer Schwankun­ gen im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten, die Einrichtung zur Be­ stimmung der Atemaktivität, die Zeitdifferenz-Einrichtung, die Atemzyklus- Einrichtung, die Atemfrequenz-Einrichtung, die Extremwert-Bestimmungsein­ richtung, die Mittelwert-Einrichtung, die Amplituden-Einrichtung, die Subtraktions-Einrichtung, die Schwellenwert-Einrichtung, die Zeitvorgabe- Einrichtung und/oder die Vergleichseinrichtung bildet.