DE102004051373A1

DE102004051373A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Auswertung eines hinsichtlich der Atmung einer Person indikativen Signales

Info

Publication number: DE102004051373A1
Application number: DE102004051373A
Authority: DE
Inventors: Joerg Meier; Stefan SCHÄTZL; Thomas Betzl; Oliver Lange; Aleksandra Dana-Mika
Original assignee: MAP Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Resmed Pty Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-04-27
Also published as: WO2006045559A1; US8157743B2; US20080119755A1

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auswertung eines hinsichtlich der Atmung einer Person indikativen Signals. Eine derartige Signalauswertung eignet sich insbesondere zur Untersuchung eines Patienten im Hinblick auf das Auftreten schlafbezogener Atmungsstörungen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch welche, bzw. durch welches mit hinreichend hoher Zuverlässigkeit regelungs- oder diagnoserelevante Phasen und Eigenschaften, insbesondere Atemmuster im zeitlichen Verlauf der Atmung eines Patienten feststellbar sind. In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Auswertung eines hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Atmung eines Patienten indikativen Signals, insbesondere Atemflusssignals, mit einer elektronischen Auswertungseinrichtung, die derart konfiguriert ist, dass diese eine Auswertung des Signals vornimmt, indem fortlaufend für zeitlich kurze Signalabschnitte und fortlaufend für hierzu parallele zeitlich längere Signalabschnitte jeweils Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, und anhand der Lage der Zwischenauswertungsergebnisse der kurzen Signalabschnitte relativ zu den Zwischenauswertungsergebnissen der längeren Signalabschnitte, eine Identifikation von Atemmustern in dem zeitlichen Signal oder in bestimmten Zeitperioden erfolgt.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auswertung eines hinsichtlich der Atmung einer Person indikativen Signales. Eine derartige Signalauswertung eignet sich insbesondere zur Untersuchung eines Patienten im Hinblick auf das Auftreten schlafbezogener Atmungsstörungen. Eine derartig Signalauswertung kann weiterhin auch bei der Abstimmung und Steuerung des Atemgasdruckes von Atemgaszufuhrgeräten Anwendung finden. Entsprechende Diagnose- und Atemgaszufuhrgeräte werden insbesondere zur Diagnose schlafbezogener Atmungsstörungen bzw. der Therapie derartiger schlafbezogener Atmungsstörungen durch Überdruckbeatmung eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch welche, bzw. durch welches mit hinreichend hoher Zuverlässigkeit regelungs- oder diagnoserelevante Phasen und Eigenschaften, insbesondere Atemmuster im zeitlichen Verlauf der Atmung eines Patienten feststellbar sind.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Auswertung eines hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Atmung eines Patienten indikativen Signales, insbesondere Atemflusssignales, mit einer elektronischen Auswertungseinrichtung die derart konfiguriert ist, dass diese eine Auswertung des Signales vornimmt, indem fortlaufend für zeitlich kurze Signalabschnitte und fortlaufend für hierzu parallele zeitlich längere Signalabschnitte jeweils Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, und anhand der Lage der Zwischenauswertungsergebnisse der kurzen Signalabschnitte relativ zu den Zwischenauswertungsergebnissen der längeren Signalabschnitte, eine Identifikation von Atemmustern in dem zeitlichen Signal oder in bestimmten Zeitperioden erfolgt.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, ein beispielsweise über eine Differenzdruckmesseinrichtung generiertes und hinsichtlich eines Atemgasstromes indikatives Signal zuverlässig im Hinblick auf das Auftreten bestimmter in dem Atemgasstrom enthaltener Atemmuster zu untersuchen. Die so erkannten Atemmuster können einer ärztlichen Diagnose zugrundegelegt werden. Es ist auch möglich, auf Grundlage der derart vorgenommenen Atemmustererkennung durch entsprecfhend sebstregelndes Beatmungsgerät simultan, oder mit geeigneter zeitlicher Verzögerung Einfluss auf den an einen Patienten anzulegenden Atemgasdruck zu nehmen.

Vorzugsweise ist die Zeitdauer der kurzen Signalabschnitte so bemessen, dass eine Inspirationsphase in wenigstens 10 vorzugsweise 13 Signalabschnitte unterteilt wird. Die Zeitdauer der längeren Signalabschnitte ist vorzugsweise so bemessen, dass eine Inspirationsphase in eine Anzahl längerer Signalabschnitte unterteilt wird, die in etwa der Hälfte der Anzahl entspricht, in welche die Inspirationsphase in kurze Signalabschnitte unterteilt wird. Insoweit ist die Anzahl längerer Zeitabschnitte so bemessen, dass eine Inspirationsphase in 7 Signalabschnitte unterteilt wird.

Das Signal wird vorzugsweise in weiterhin parallel in nochmals längere Signalabschnitte unterteilt, wobei wiederum für diese längeren Signalabschnitte Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, die in den Identifikationsprozess einbezogen werden.

Die Zwischenauswertungsergebnisse bestehen vorzugsweise in einer Angabe darüber, ob ein Signalabschnitt hinsichtlich des Atemgasstromes einen lokalen Extremwert gegenüber einem vorangegangenen und einem nachfolgenden Zeitabschnitt des Signals enthält.

Die Atemmustererkennung erfolgt vorzugsweise anhand der Lage von extremwertrepräsentierenden Signalabschnitten zueinander. Es ist möglich, matrixartig für bestimmte Atemmuster Relativpositionen der Zwischenauswertungsergebnisse der verschiedenen Signalabschnitte zueinander zu definieren. In dieser Erfüllungsmatrix können insbesondere auch ODER Verknüpfungen vorgesehen sein.

Es ist möglich, die Generierung der Zwischenauswertungsergebnisse definiert zu dämpfen, z.B. indem vorgesehen wird, dass eine Extremwertzuschreibung erst erfolgt, wenn ein definierter Wertunterschied zwischen dem vorangegangenen und dem nachfolgenden Atemzug festgestellt wird. Dieser definierte Wertunterschied kann statisch, oder auch veränderbar definiert sein.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt anhand der Lage der Auswertungsergebnisse zu den kurzen und längeren Zeitabschnitten eine Atemphasenerkennung. Hierzu sind vorzugsweise entsprechende Kriterien in einer für den Atemphasenwechsel vorgesehenen Kriterien-Matrix vorgesehen. Es ist möglich, für die Inspirationsphase Kriterien heranzuziehen, die sich von den Kriterien für die Exspirationsphase unterscheiden.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zur Auswertung eines hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Atmung eines Patienten indikativen Signales, insbesondere Atemflusssignales, unter Verwendung einer zur Abarbeitung dieses Verfahrens konfigurierten elektronischen Auswertungseinrichtung bei welchem fortlaufend für zeitlich kurze Signalabschnitte und fortlaufend für hierzu parallele zeitlich längere Signalabschnitte jeweils Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, und anhand der Lage der Zwischenauswertungsergebnisse der kurzen Signalabschnitte relativ zu den Zwischenauswertungsergebnissen der längeren Signalabschnitte, eine Identifikation von Atemmustern in dem zeitlichen Signal erfolgt.

Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich sinngemäß aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Diagrammdarstellung zur Illustration der Zuordnung hinsichtlich ihrer zeitlichen Länge unterschiedlicher Zeitfenster zur Generierung von Zwischenauswertungsergebnissen;
2 eine auf eine Inspirationsphase gerichtete Darstellung zur Erläuterung der Auffindung lokaler Kurzzeit-Maxima und lokaler Langzeit-Maxima;
3 eine Tabelle zur beispielhaften Erläuterung der Auswertung der Streifenabschnitte gemäß 2.
Wie aus 1 ersichtlich, wird ein hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs des Atemgasstromes indikatives Atemflusssignal S im Hinblick auf darin enthaltene Atemmuster und Atemzugsabshnitte untersucht. Bei dem hier gezeigten Beispiel beschreibt das Signal S fünf abfolgende Atemzüge.
Für diese Atemzüge werden zu hinsichtlich ihrer zeitlichen Länge unterschiedlich bemessenen, d.h. unterschiedlich „groben" Zeitabschnitten, Zwischenauswertungsergebnisse generiert. Diese Zwischenauswertungsergebnisse werden dem jeweiligen Streifenabschnitt innerhalb einer Streifenabschnittssequenz n1, n2, n3, n4... zugeordnet. Anhand der zeitlichen Lage der so für definierte Zeitfenster gewonnenen Zwischenauswertungsergebnisse zueinander, können anhand von Verknüpfungskriterien bestimmte Atemmuster erkannt werden. Es ist möglich, Verknüpfungskriterien zu definieren, die eine Klassifizierung des jeweiligen Atemzuges als beispielsweise flusslimitierten oder normalen Atemzug ermöglichen. Es ist auch möglich, Auswertungskriterien zu definieren, anhand welcher Atemmuster erkennbar sind, die erst im Zusammenhang mit mehreren Atemzügen Ausprägung finden.
Die Streifenabschnittssequenz n1 ist bei dieser Diagrammdarstellung lediglich beispielhaft mit einer im Verhältnis zur Länge eines hier dargestellten Atemzuges schon relativ groben Zeitfensterrasterung dargestellt. Im konkreten Anwendungsfall wird die zeitliche Länge der Steifenabschnitte vorzugsweise so abgestimmt, dass ein typischer Atemzug in wenigstens 10 kurze Signalabschnitte zerlegt wird. Die zeitliche Länge der einzelnen Zeitfenster innerhalb einer Streifenabschnittssequenz kann statisch festgelegt sein. Es ist jedoch auch möglich, die zeitliche Länge der Zeitfenster so festzulegen, dass ein gesamter Atemzug oder auch insbesondere die Inspirationsphase desselben stets in eine vorbestimmte Anzahl von Streifenabschnitten zerlegt wird, d.h. atemzugsspezifisch anzupassen.
Die Streifenabschnitte können nummeriert oder durch ihre Zeitposition spezifiziert sein. Dem jeweiligen Streifenabschnitt kann ein nach Maßgabe eines vorgegebenen Zwischenauswertungskriterium aus dem Atemflusssignal generiertes Zwischenauswertungsergebnis zugeordnet werden. Als Zwischenauswertungsergebnis sind insbesondere Ergebnisse vorgesehen, die darüber Aufschluss geben, ob das Signal S innerhalb des dem jeweiligen Streifenabschnitt zugeordneten Zeitfensters einen Extremwert gegenüber den Signalwerten in benachbarten Zeitfenstern aufweist. Anhand der Lage der in bestimmten Streifenabschnitten festgestellten Extremwerte zueinander, kann über eine Verknüpfungsmatrix eine Atemmustererkennung oder auch insbesondere eine Atemphasendetektion durchgeführt werden.
Die vorliegende Untersuchung des hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signals S durch die hier gezeigte Auswertung in hinsichtlich ihrer zeitlichen Länge unterschiedlich langen, einander überlagernden Zeitfenstern ermöglicht insbesondere eine Erkennung von obstruktiven Atmungsstörungen, vorwiegend Flusslimitationen, exspiratorischer Mundatmung, Hypopnoen, Flussreduktionen, RERA und Apnoen. Diese Methode ermöglicht weiterhin auch die Erkennung von zentralen Atmungsstörungen, vorwiegend Cheyne-Stokes-Atmung, zentralen und gemischten Apnoen sowie periodischer Atmung. Weiterhin können auch allgemeine Atmungsstörungen oder auch Systemstörungen, z.B. Leckage sowie periodische Leckage erkannt werden. Für diese Atemzugseigenschaften könne geeignete Erfüllungskriterien für die Position von Zwischenauswertungsergebnissen zueinander festgelegt werden.
Anhand der hier beschriebenen Streifenmethode kann ein beliebiges Atemflusssignal auf spezielle Atemmuster untersucht werden. Die Untersuchungsbereiche können auf die Inspirations- und Exspirationsphase je Atemzugsperioden, sowie auch auf Intervalle von Atemzügen oder eine bestimmte Anzahl von zu untersuchenden Datenpunkten angewendet werden.
Die Auswertung für jeden Streifen (Fenster innerhalb der Sequenz) kann so erfolgen, dass dieser einen Informationsgehalt erhält, der mit anderen Bereichen innerhalb einer Gruppe und/oder untereinander mit anderen Gruppen analysiert werden kann. Die Informationsgehalte eines Streifens können beispielsweise sein:
Minima, Maxima, 1. Ableitung, 2. Ableitung, Mittelwert, Standardabweichung, Zeit, Zeitintervalle, zeitliche Verhältnisse zwischen Inspiration, Exspiration und Gesamtatemzugslänge, Korrelation. Die so gewonnenen Zwischenauswertungsergebnisse können über Matrixsysteme ausgewertet werden. In den entsprechenden Matrixsystemen sind Kriterien festgelegt, die bei Vorliegen eines zu erkennenden Atemmusters erfüllt sein müssen.
2 zeigt zeitlich stark gestreckt den Verlauf des hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signals S, insbesondere innerhalb einer Inspirationsphase. Diese Inspirationsphase wird hier beispielhaft in 13 kurze Streifenabschnitte und sieben gröbere Streifenabschnitte zerlegt. In den kurzen Streifenabschnitten 2 und 11 können jeweils lokale Maxima festgestellt werden. In dem groben Streifenabschnitt Nr. 2 kann ein absolutes Maximum des Werts des Signals S innerhalb der Inspirationsphase festgestellt werden. Durch verknüpfende Betrachtung der Auswertungsergebnisse zu den feinen Streifenabschnitten in Relation mit den Auswertungsergebnissen zu den groben Streifenabschnitten kann, wie an Hand der Tabelle gemäß 3 nachvollziehbar, erkannt werden, dass der hier abschnittsweise dargestellte Atemzug als flusslimitierter Atemzug zu klassifizieren ist.
Das vorangehend beschriebene Konzept der Untersuchung und Auswertung eines hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Atmung indikativen Signals kann zur weitgehend automatisierten Erkennung von Atemmuster herangezogen werden. Weiterhin ist es auch möglich, auf Grundlage der derart abwickelbaren Atemmustererkennung auch Solldruckpegel für die Verabreichung eines atembaren Gases festzulegen.
Das vorangehend beschriebene Konzept zur Atemmustererkennung kann insbesondere bei einem Auto-CPAPgerät wie folgt angewendet werden:
Zur Durchführung einer CPAP-Therapie wird ein sogenanntes Auto-CPAPgerät über eine flexible Schlauchleitung und eine Atemmaske mit dem zu behandelnden Patienten gekoppelt. Durch das Auto-CPAPgerät wird zunächst Umgebungsluft zu dem Patienten auf einem Druckniveau gefördert, das auf einem, auf eine Einschlafphase abgestimmten Wert über dem Umgebungsdruckniveau liegt. Über einen, in das Auto-CPAP integrierten Strömungssensor wird fortlaufend der Fluss des Atemgases erfasst. Die in diesem Zusammenhang generierten Messsignale werden einer elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt. Diese elektronische Signalverarbeitungseinrichtung ist derart konfiguriert, dass diese sukzessive für hinsichtlich ihrer zeitlichen Länge unterschiedliche, jedoch parallele Zeitfenster Zwischenauswertungsergebnisse generiert. Diese Zwischenauswertungsergebnisse werden einer verknüpfenden Betrachtung unterzogen. Diese verknüpfende Betrachtung ermöglicht es, anhand der Erfüllung vorgegebener Verknüpfungsmuster in dem aufgezeichneten Signal auftretende Atemmuster zu erkennen.
Bei Auftreten bestimmter Atemmuster können Druckerhöhungen, oder gegebenenfalls auch Druckabsenkungen veranlasst werden. Beispielsweise ist es möglich, bei Auftreten flusslimitierter Atemzüge den Atemgasdruck allmählich, beispielsweise um etwa 2 mbar zu erhöhen bis keine Limitationserscheinungen in dem Atemmuster auftreten. Sobald für eine vorgegebene Zeitdauer keine als Indiz für Flusslimitationen zu wertende Eigenschaften feststellbar sind, kann der Atemgasdruck wieder allmählich abgesenkt werden. Durch diesen Ansatz wird es möglich, die Überdruckbeatmung auf dem niedrigsten therapeutisch sinnvollen Druckniveau durchzuführen.

Claims

Vorrichtung zur Auswertung eines hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Atmung eines Patienten indikativen Signales, insbesondere Atemflusssignales, mit einer elektronischen Auswertungseinrichtung die derart konfiguriert ist, dass diese eine Auswertung des Signales vornimmt, indem fortlaufend für zeitlich kurze Signalabschnitte und fortlaufend für hierzu parallele zeitlich längere Signalabschnitte jeweils Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, und anhand der Lage der Zwischenauswertungsergebnisse der kurzen Signalabschnitte relativ zu den Zwischenauswertungsergebnissen der längeren Signalabschnitte, eine Identifikation von Atemmustern in dem zeitlichen Signal erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der kurzen Signalabschnitte so bemessen ist, dass eine Inspirationsphase in vorzugsweise wenigstens 10 Signalabschnitte unterteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der kurzen Signalabschnitte so bemessen ist, dass eine Inspirationsphase in vorzugsweise wenigstens 13 Signalabschnitte unterteilt wird.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der längeren Signalabschnitte so bemessen ist, dass eine Inspirationsphase in eine Anzahl längerer Signalabschnitte unterteilt wird, die in etwa der halben Anzahl entspricht, in welche die Inspirationsphase in kurze Signalabschnitte unterteilt wird
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der längeren Signalabschnitte so bemessen ist, dass eine Inspirationsphase in vorzugsweise wenigstens 7 Signalabschnitte unterteilt wird.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal weiterhin parallel in nochmals längere Signalabschnitte unterteilt wird und wiederum für diese längeren Signalabschnitte Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, die in den Identifikationsprozess einbezogen werden.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenauswertungsergebnisse in einer Angabe bestehen, ob ein Signalabschnitt einen lokalen Extremwert gegenüber eines vorangegangenen und eines nachfolgenden Zeitabschnitts des Signals enthält.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Atemmustererkennung anhand der Lage von extremwertrepräsentierenden Signalabschnitten zueinander erfolgt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Extremwertzuschreibung erst erfolgt, wenn ein definierter Wertunterschied zwischen dem vorangegangenen und dem nachfolgenden Atemzug festgestellt wird.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Lage der Auswertungsergebnisse zu den kurzen und längeren Zeitabschnitten eine Atemphasenerkennung erfolgt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Inspirationsphase Kriterien herangezogen werden, die sich von den Kriterien für die Exspirationsphase unterscheiden.
Verfahren zur Auswertung eines hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Atmung eines Patienten indikativen Signales, insbesondere Atemflusssignales, unter Verwendung einer zur Abarbeitung dieses Verfahrens konfigurierten elektronischen Auswertungseinrichtung bei welchem fortlaufend für zeitlich kurze Signalabschnitte und fortlaufend für hierzu parallele zeitlich längere Signalabschnitte jeweils Zwischenauswertungsergebnisse generiert werden, und anhand der Lage der Zwischenauswertungsergebnisse der kurzen Signalabschnitte relativ zu den Zwischenauswertungsergebnissen der längeren Signalabschnitte, eine Identifikation von Atemmustern in dem zeitlichen Signal erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse lokale Minima des Atemflusssignales festgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse lokale Maxiama des Atemflusssignales festgestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse die Werte der ersten Ableitung des Atemflusssignales festgestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse die Werte der zweiten Ableitung des Atemflusssignales festgestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse die Werte der Standardabweichung des Atemflusssignales festgestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse Mittelwert des Atemflusssignales innerhalb des entsprechenden Zeitabschnitts festgestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse Zeitintervalle und/oder zeitliche Verhältnisse zwischen Inspiration, Exspiration und Gesamtatemzugslänge festgestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenauswertungsergebnisse die Rückwärts-Korrelation der Werte der ersten Ableitung des Atemflusssignales festgestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von Atemmustern durch Untersuchung der Zwischenauswertungsergebnisse durch Matrixsysteme erfolgen, wobei in den entsprechenden Matrixsystemen Kriterien festgelegt sind, die bei Vorliegen eines zu erkennenden Atemmusters erfüllt sein müssen.