DE102005007963A1 - Verfahren und Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik von Pulssignalen. DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, dass ein zuverlässiger Messparameter zeitnah zur Verfügung gestellt wird, der dem Anwender Informationen über das vegetative Stressniveau des Untersuchten liefert, auch wenn dieser bewusslos ist und/oder sich in Narkose befindet und/oder künstlich beatmet wird. DOLLAR A Die Lösung besteht darin, dass Schwingungsanteile eines inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals sowohl in Zeit als auch Frequenz lokalisiert und anschließend prozessiert und in einen das vegetative Stressniveau S bstimmenden Parameter V umgesetzt werden, DOLLAR A wobei folgende Schritte durchgeführt werden: DOLLAR A - Aufnahme eines Herzschlagsignals, das mit einer Aufnahmerate zwischen 20 und 1000 Hz in einer Kurve erfasst wird, DOLLAR A - Bestimmung eines schlagidentifizierenden Punktes auf der Kurve, DOLLAR A - Umsetzung in ein eindimensionales inäquidistantes Herzfrequenz-Rohsignal, DOLLAR A - schrittweise Abtastung des eindimensionalen inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals mit unterschiedlichen Skalierungen und Translationen eines Mutter-Wavelets, DOLLAR A - Umsetzung der so erhaltenen vollständigen Information in ein Herzfrequenz-Energiespektrum (38), DOLLAR A - Zerlegung des Herzfrequenz-Energiespektrums (38) in einzelne Gipfel (38a, 38b)...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik von Pulssignalen.
  • In der Akutmedizin werden bereits einige Messparameter standardmäßig zur Überwachung der Lebensfunktionen verwendet. Als Standard für die Überwachung der Lebensfunktionen bzw. der Narkosetiefe bei Patienten in der Akutmedizin, d.h. Notfallmedizin, Intensivmedizin und Anästhesiologie, gilt die repetetive oder kontinuierliche Messung des Blutdrucks, der Herzfrequenz sowie der Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut – der Pulsoximetrie – gemäß der DGAI-Leitlinie, die in der Druckschrift Anästh. Intensivmedizin 36/1995, S. 250–254 beschrieben ist. Zusätzlich werden neuerdings zur Bestimmung der Narkosetiefe, prozessierte Messwerte aus elektrischen Potentialen, die aus dem Gehirn abgeleitet werden, herangezogen, wie in der Druckschrift Anästh. Intensivmedizin 44/2003, 1, s. 6–30 beschrieben ist.
  • Einzig in der Neurologie werden zur Diagnostik von Erkrankungen des autonomen Nervensystems Verfahren der Herzfrequenzvariabilitätsanalyse herangezogen, die die Bestimmung der Balance des autonomen Nervensystems – Sympathikus gegen Parasympathikus – diagnostisch nutzen, beschrieben in der Druckschrift Ziemssen ÄB Sachsen 8/2001, S. 363-379. Technische Verfahren hierzu sind die Fast-Fourier-Transformation – FFT – oder autoregressive Modelle, die in der Druckschrift Malliani: Principles of Cardiovascular Neural Regulation in Health and Disease, 2000, ISBN 0-7923-7775-3 beschrieben sind. Die beiden Verfahren sind auf eine Äquidistanz der Rohdaten angewiesen. Da diese in der Regel nicht besteht, wird sie gegenwärtig durch Umcodierung künstlich erzeugt.
  • Wavelet-Funktionen sind periodische mathematische Funktionen von begrenzter Dauer, wie in der Druckschrift Haar, Math. Ann. 69/1910, s.331–371 beschrieben ist, die in der digitalen Signalverarbeitung (engl. Digital Signal Processing – DSP –) eingesetzt werden. Anwendungsgebiete sind vor allem Audio- und Bildbearbeitung sowie Datenkompression und Rauschunterdrückung. An die Art und die Qualität der dort zu verarbeitenden Rohdaten werden keine speziellen Anforderungen gestellt, entsprechend eignen sich diese Funktionen auch zur Analyse diskontinuierlicher Datenströme.
  • Die Probleme bestehen darin, dass im Rahmen der Patientenbetreuung in der Akutmedizin, z.B. Anästhesie, Intensivmedizin, Notfallmedizin und Schmerztherapie – kurz: AINS – die oben angeführten Standardmethoden nicht geeignet sind, frühzeitig das Auftreten von Stress und somit die Gefahr von Durchblutungsstörungen am Herzen zu detektieren. Insbesondere Patienten mit Durchblutungsstörungen der Herzkranzgefäße sind hierdurch erheblich gefährdet.
  • Ein Verfahren und ein Gerät zur Messung der Herzfrequenz mit telemetrischer Datenübertragung sind in der Druckschrift EP 0 747 003 B1 beschrieben, wobei folgende Schritte erfolgen:
    • – Messen eines Herzschlagfrequenz-Signals vom zu messenden Gegenstand unter Verwendung einer telemetrischen Übertragungseinheit, die die Signale erfasst und mittels der die Herzschlagdaten durch induktive Kopplung zu einer telemetrischen Empfangseinheit übertragen werden, wobei die Übertragungseinheit gegen den Körper gehalten wird, von dem die Signale erfasst werden,
    • – Speichern der Herzschlagdaten in einer Speichereinrichtung innerhalb der Empfangseinheit,
    • – Übertragen der Herzschlagdaten durch induktive Kopplung von der Empfangseinheit zu einer ersten Datenübertragungseinheit und
    • – Übertragen der Herzschlagdaten von der ersten Datenverarbeitungseinheit zu einer zweiten Datenverarbeitungseinheit,
    wobei die Datenübertragung, auch unter Verwendung der induktiven Kopplung, von der ersten Datenverarbeitungseinheit zur Empfangseinheit durchgeführt wird, und dass die Datenübertragung in dieser Richtung durch Zufuhr eines oder mehrerer Einstellparameter von der zweiten Datenverarbeitungseinheit vor der tatsächlichen Herzschlagmessung durchgeführt wird, wobei die Parameter über die erste Datenverarbeitungseinheit zur Empfangseinheit durch induktive Kopplung zwischen der ersten Datenübertragungseinheit und der Empfangseinheit übertragen werden.
  • Ein Problem besteht darin, dass ein sehr hoher Aufwand an Einrichtungen zur Datenübertragung und keine zeitnahe Bereitstellung der finalen Daten erfolgen kann.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von Messwertverfälschungen bei invasiven Druckmessungen mit flüssigkeitsgefüllten Systemen sind in der Druckschrift DE 198 20 844 A1 beschrieben. Der gemessene Druck wird über das flüssigkeitsgefüllte System zu einem externen Druckwandler geleitet, der das Drucksignal in ein elektrisches Signal umwandelt. Das elektrische Signal wird durch einen Analog-Digital-Wandler geleitet und das digitalisierte Signal wird einer Signalanalyse- und -verarbeitungseinheit zugeführt, die auf der Basis einer digitalen Fourieranalyse arbeitet. Weiterhin wird eine schlagweise Analyse durchgeführt und das Signal auf der Grundlage der schlagweisen Analyse mit empirisch ermittelten Korrekturdaten verknüpft. Die Korrekturdaten werden als Fourierkoeffizienten abgegeben und das von der Signalanalyse- und -verarbeitungseinheit korrigierte Si gnal wird zu einer Ausgabe- und/oder Auswerteeinheit geleitet.
  • Ein Problem besteht darin, dass zu viele empirische Korrekturdaten in die Auswertung eingebunden sind, die das finale Ergebnis verfälschen können.
  • Des Weiteren ist ein Verfahren zur Ermittlung, Überwachung und Aktualisierung von Korrekturdaten für flüssigkeitsgefüllte Übertragungssysteme in der Druckschrift DE 100 99 739 A1 beschrieben, die zur Korrektur von Messwertverfälschungen und zur Kalibrierung von flüssigkeitsgefüllten Übertragungssystemen, über die im Körper eines Patienten erfasste Patientensignale zu einem externen Messwertempfänger übertragen werden, insbesondere für invasive Druckmessungen in der Kardiologie, Intensivmedizin und Anästhesie dient. Die Korrekturdaten werden im Frequenzbereich für jede Frequenz aus der Statistik der bei dieser Frequenz gemessenen Patientensignals gewonnenen Übertragungsfunktion ermittelt. Bei der Ermittlung der Korrekturdaten werden empirisch überprüfte Annahmen über die entsprechende Statistik von unverfälschten Patientensignalen und allgemeinen Eigenschaften der Übertragungsfunktion verwendet.
  • Ein Problem besteht darin, dass die Signale im Körper der Patienten erfasst werden. Auch hier ist eine nachträgliche und keine zeitnahe Bereitstellung des finalen Ergebnisses vorhanden.
  • Die Herzfrequenz als Biosignal mit einer Anzahl von Rohdaten weist eine Reihe von Besonderheiten auf, die die digitale Signalverarbeitung – DSP – komplizieren.
    • 1. Die Zeitpunkte der Herzschläge werden als Punkte entlang eines Zeitstrahls registriert. Dabei handelt es sich demnach um ein eindimensionales Signal. Eine Umcodierung der Herzschlagdauer in eine schlagweise Herzfrequenz (engl. instantaneous HR) und deren Darstellung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem, wie sie derzeit üblich sind, ändern an der Eindimensionalität der Daten nichts, da zwischen der Position auf der Abszisse und deren Wert auf der Ordinate eine eindeutige Beziehung besteht.
    • 2. Die Herzschlagdauer oder die schlagweise Herzfrequenz kann zwischen zwei Herzschlägen nur einmal bestimmt werden. Eine Registrierung mit höherer Auflösung, eine kontinuierliche Erfassung oder eine rechnerische Interpolation sind infolge des diskontinuierlichen Signals nicht möglich oder nicht definiert.
    • 3. Die Existenz einer Herzfrequenzvariabilität impliziert, dass die Herzschlagdauer sich von Schlag zu Schlag und damit auch der Abstand zwischen den Messzeitpunkten ändert, was als inäquidistantes Signal registriert wird.
    • 4. Der Einsatz herkömmlicher Verfahren zur Frequenzanalyse nach der Druckschrift Malliani, Principles of Cardiovascular Neural Regulation in Health and Disease, 2000, ISBN 0-7923-7775-3 erfordert daher eine Umcodierung des Signals zur Generierung einer zweiten Dimension und Äquidistanzerzeugung. Die Auswirkungen der Umcodierung auf das Ergebnis der Umcodierung sind jedoch nicht vorhersagbar und entsprechend unbekannt.
    • 5. Zudem unterliegt der Frequenzgehalt der Herzfrequenzvariabilität ständiger Veränderung in Form von nichtstationären Signalen. Klassische Verfahren wie die Fourier-Transformation werden dem Anspruch der Nichtstationarität nicht gerecht oder lassen sich nur eingeschränkt an die Bedingungen in Form einer Kurzzeit-Fourier-Transformation (engl. short time FT) anpassen. Eine gezielte Steuerung der Auflösung in Zeit oder Frequenz ist dabei nicht möglich.
  • Ein Problem besteht darin, dass das Signal der Herzfrequenz ein eindimensionales Signal ist, dass aufgrund der inäquidistanten Messzeitpunkte nur diskontinuierlich messbar ist. Gleichzeitig erschwert ein zeitlich variabler Frequenzgehalt eine Spektralanalyse mit herkömmlichen Verfahren. Die Folgen der gegenwärtig zur Kompensation dieses Problems durchgeführten Umcodierung der Rohdaten zu äquidistanten Signalen für die Signalqualität sind nicht kalkulierbar und könnten Informationen aus den Rohdaten verzerren. Somit sind die klassischen Verfahren der Herzfrequenzspektralanalyse dadurch limitiert, dass sie von stationären Zeitreihen ausgehend, keine Zuordnung von Frequenz und Zeit erlauben und insbesondere die niedrigen Frequenzbereiche nicht hinreichend genau abbilden.
  • Weiterhin sind die gegenwärtigen Verfahren, die in den Druckschriften Malliani, Principles of Cardiovascular Neural Regulation in Health and Disease, 2000, ISBN 0-7923-7775-3 und Anästh. Intensivmedizin, 42,2001, 9: s. 707–720 beschrieben sind, nicht für eine zeitechte Überwachung ausgelegt, da sie mindesten 200 bis 512 Herzschläge für eine Messung benötigen und damit ausschließlich eine nachträgliche Analyse erlauben und sind somit für die Akutmedizin – wie in AINS aufgelistet – ungeeignet.
  • Eine Herzüberwachungsvorrichtung ist in der Druckschrift WO 97/08989 beschrieben, die aufweist
    • – Eingangseinrichtungen zum Aufnehmen eines Elektrokardiographsignals,
    • – Vorverarbeitungseinrichtungen zum Verarbeiten des Elektrokardiographsignals, um Störungen zu unterdrücken und um die Form jedes Impulses des Elektrokardiographsignals zu analysieren, um eine Vielzahl n von Werten zu erhalten, die repräsentativ für die Form jedes Impulses des Elektrokardiographsignals sind,
    • – Speichereinrichtungen zum Speichern einer Vielzahl n von n-dimensionalen Bezugsvektoren,
    • – Neuronale Netzeinrichtungen zum Aufnehmen der Vielzahl n von Werten der Überwachungsphase, zum Bilden eines n-dimensionalen Vektors aus der Vielzahl n von Werten und zum Vergleichen des n-dimensionalen Vektors mit der gespeicherten Vielzahl m von n-dimensionalen Bezugsvektoren, die ein n-dimensionles Volumen definieren, um die Nähe des n-dimensionalen Vektors zum n-dimensionalen Volumen zu bestimmen, und zum Ausgeben einer Anzeige, ob der n-dimensionale Vektor innerhalb oder außerhalb eines Schwellenwertbereiches der n-dimensionalen Bezugsvektoren liegt.
  • Die Vorverarbeitungseinrichtungen sind derart angepasst, dass sie eine Fourier-Transformation und/oder eine Wavelet-Transformation jedes Impulses des Elektrokardiographsignals durchführen können.
  • Ein Problem besteht darin, dass mit der Wavelet-Transformation jedes einzelnen Impulses nur eine Signalmengenreduktion bzw. Rauschunterdrückung einzelner Impulse zur anschließenden Einspeisung in ein neuronales Netzwerk herbeigeführt wird. Eine schlagübergreifende Analyse der verschiedenen Herzschlag-Einzelsignale innerhalb einer Zeitreihe nach Frequenz und Zeit wird mit der Art der Wavelet- Anwendung in der Herzüberwachungsvorrichtung nicht bewirkt und kann somit nicht durchgeführt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus anzugeben, das auf der Basis eines fundierten mathematischen Verfahrens einen zuverlässigen Messparameter zeitnah zur Verfügung stellt, der dem Anwender Informationen über den vegetativen Stresszustand des Untersuchten liefert, auch wenn dieser bewusstlos ist und/oder sich in Narkose befindet und/oder künstlich beatmet wird.
  • Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 25 gelöst. In dem Verfahren zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik von Pulssignalen werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 Schwingungsanteile eines inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals sowohl in Zeit als auch Frequenz lokalisiert und anschließend prozessiert und in einen das vegetative Stressniveau S bestimmenden Parameter V umgesetzt, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
    • – Aufnahme eines Herzschlag-Signals, das mit einer Aufnahmerate zwischen 20 und 1000 Hz erfasst wird,
    • – Bestimmung eines robusten, extremalen herzschlagidentifizierenden Punktes der Kurve, zu dem lokale Maxima oder Minima der Kurven selbst oder ihrer mathematischen Ableitungen zählen,
    • – Umsetzung in ein eindimensionales inäquidistantes Herzfrequenz-Rohsignal,
    • – schrittweise Abtastung des eindimensionalen inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals mit unterschiedlichen Skalierungen und Translationen eines Mutter-Wavelets,
    • – Umsetzung der so erhaltenen vollständigen Information in ein Herzfrequenz-Energiespektrum,
    • – Zerlegung des Herzfrequenz-Energiespektrums in einzelne Gipfel,
    • – Quantifizierung der verschiedenen Energiegipfel durch Integration und/oder nach maximalem Energiegehalt,
    • – Zuordnung der durch Energiegipfel repräsentierten Varianzanteile zu vorgegebenen Frequenzbändern innerhalb eines Zeitfensters,
    • – Zuordnung von innerhalb des gleichen Zeitfensters auftretenden Varianzanteilen LF des niedrigen Frequenzbandes zu Varianzanteilen HF hohen Frequenzbandes,
    • – Ermittlung und Ausgabe des Parameters V als Funktion der Varianzanteile LF des niedrigen Frequenzbandes und der Varianzanteile HF hohen Frequenzbandes.
  • Als vorgegebene Frequenzbänder können
    • – ein niedriges Frequenzband LF (engl. low frequency) bei 0,04–0,15 Hz und
    • – ein hohes Frequenzband HF (engl. high frequency) mit ≥ 0,15 Hz
    festgelegt werden.
  • Als Mutter-Wavelet kann ein komplexes Morlet-Wavelet eingesetzt werden, das eine mittig spiegelsymmetrische Schwingung darstellt.
  • Die Bestimmung eines insbesondere robusten schlagidentifizierenden Punktes der Kurve kann im Falle des Blutdrucks selbst oder Blutdruck und/oder Blutfluss abhängiger Signale, wie in der Plethysmografie, Pulsoximetrie, etc. durch eine Artefakteliminierung begleitet werden.
  • Die Umsetzung in das inäquidistante Herzfrequenz-Rohsignal kann vorzugsweise aus einem Elektrokardiogramm abgeleitet werden.
  • Der Parameter V in Form einer Verhältniszahl V = LF/HF aus den Varianzanteilen LF und den Varianzanteilen HF spiegelt die Balance des vegetativen Nervensystems wider. Je größer z.B. das Verhältnis V mit LF/HF ist, desto größer ist das vegetative Stressniveau S.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können ebenso abnorme Herzschläge, z.B. Arrhythmien und/oder Extrasystolen erkannt werden. Die Erkennung ist eine Voraussetzung dafür, ein Verfahren, Verfahrensschritte, also mindestens einen Vorgang einzubinden, der die hierdurch verursachten Störungen des Herzfrequenz-Energiespektrums eliminiert. Durch die Eliminierung der Extrasystolen-Effekte kann die Analysequalität erheblich verbessert werden. Zweckmäßig ist eine abschnittsweise Analyse des Herzfrequenzsignals oder die Entwicklung eines die Störung beschreibenden, mathematischen Modells zur Berechnung der Korrekturdaten.
  • Dabei können in einfacher Weise vorzugsweise aus den ermittelten Werten oder Bereichen Vk, Ve, V0, V1, V2 des Parameters V zugeordnete Werte oder Bereiche Sk, Se, S0, S1, S2 des vegetativen Stressniveaus S bestimmt und ausgegeben werden.
  • Die Aufgabe wird des Weiteren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 25 gelöst. In der Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik von Pulssignalen sind gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 25 folgende Einheiten vorhanden:
    • – eine Einrichtung zur Herzschlagmessung,
    • – ein Analog-Digital-Wandler, der mit der Einrichtung zur Herzschlagmessung in Verbindung steht und an den der gemessene Herzschlag/Puls in Form eines Herzschlagsignals signaltechnisch geführt wird,
    • – eine Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit, die dem Analog-Digital-Wandler verbunden nachgeordnet ist und aus dem Herzschlagsignal ein Herzfrequenzsignal erzeugt,
    • – eine Recheneinheit, die der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit nachgeschaltet ist und aus dem Herzfrequenzsignal über den Zwischenschritt eines Herzfrequenz-Energiespektrums einen oder mehrere Messwerte bereitstellt, und
    • – eine Ausgabeeinheit, die der Recheneinheit ausgangsseitig zur Ausgabe der zeitnahen Parameter V sowie der zugehörigen Stressniveaus S nachgeordnet ist,
    wobei die Kombination aller Baugruppen eine Einrichtung zur Bestimmung eines oder mehrerer das vegetative Stressniveau S festlegender Parameter V darstellt.
  • Zwischen dem Analog-Digital-Wandler und der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit kann eine Korrektureinheit eingeschaltet sein.
  • Die Einrichtung zur Herzschlagmessung kann mit zugehörigen Sensoren oder Sensorfeldern und Transpondern oder Übertragungseinrichtungen/Steuereinrichtungen versehen sein.
  • Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit mehreren Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Ablaufschema der Signalgewinnung und -prozessierung des Herzfrequenzsignals aus kontinuierlich gemessenen Herzschlagsignalen wie z.B. Blutdruck, Elektrokardiogramm – EKG –, Pulsoxymetrie oder weiteren Signalen, die den Herzschlag abbilden können.
  • 2 eine Darstellung von Signalfolgen zur Abbildung von Herzschlägen auf einem Überwachungsbildschirm sowie Beispiele für Messpunkte zur Schlagerkennung (eingekreist gezeichnet) 1.1 bis 3.3. bei verschiedenen Messverfahren – mit EKG I, mit Blutdruckkurve II, mit Oxymetriekurve III –,
  • 3 eine Darstellung eines aus dem Verfahren gewonnenen Herzfrequenz-Energiespektrums,
  • 4 eine Darstellung von aus dem Herzfrequenz-Energiespektrum gewonnenen Ausgabewerten im Rahmen einer Operation, wobei das geschwärzte Pfeildreieck den Operationsbeginn bezeichnet, wobei der Verlauf des LF/HF-Quotienten über die Zeit den Interventionsbedarf anzeigt und es wird ebenso der Erfolg der schmerztherapeutischen Maßnahme (Spritzensymbol, z.B. Epiduralanalgesie) dokumentiert,
  • 5 eine Parameter (V)-Stressniveau (S)-Funktionsdarstellung mit Benennung und Interpretation der Messwertbereiche,
  • 6 eine Verlaufsdarstellung des Parameters V während verschiedener Abschnitte t1 bis t7 der perioperativen Phase,
  • 7 eine Darstellung einer vegetativen Stressanalyse und Therapiesteuerung im Operationssaal,
  • 8 eine Darstellung einer vegetativen Stressanalyse und Therapiesteuerung auf einer Intensivstation,
  • 9 eine Steuereinrichtung eines Fahrzeuges mit zwei Sensorfeldern im Lenkrad und einem Sensorfeld im Schaltknüppel,
  • 10 eine langärmlige Unterwäsche oder Funktionswäsche mit mindestens zwei Sensorfeldern und einem Transponder,
  • 11 einen Büstenhalter mit mindestens zwei Sensorfeldern zur EKG-Ableitung und einem Transponder,
  • 12 einen Trägershirt mit mindestens zwei Sensorfeldern und einem Transponder,
  • 13 ein T-Shirt mit mindestens zwei Sensorfeldern und einem Transponder und
  • 14 Darstellungen von Einsatzmöglichkeiten der Stressanalyse.
  • In 1 ist schematisch eine Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesen sorik von Pulssignalen dargestellt, bei der der Patient 1 an mindestens eine Einrichtung 2 zur Herzschlagmessung angeschlossen ist. Der Herzschlag/Puls 3 wird anhand mindestens einer der Einrichtungen mit verschiedenen Messverfahren 21, 22, 23, 24 in einem Herzschlagsignal 3a, wie in 2 gezeigt ist, aufgezeichnet, das an einen Analog-Digital-Wandler 4 geführt wird. Dem Analog-Digital-Wandler 4 nachgeordnet ist eine Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit 5, die aus dem Herzschlagsignal 3a ein Herzfrequenzsignal 9 erzeugt. Zwischen dem Analog-Digital-Wandler 4 und der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit 5 kann eine Korrektureinheit 6 eingeschaltet sein. Der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit 5 ist eine Recheneinheit 7 nachgeschaltet, die aus dem Herzfrequenzsignal über den Zwischenschritt eines Herzfrequenz-Energiespektrums einen oder mehrere Messwerte bereitstellt. Die Recheneinheit 7 ist ausgangsseitig mit einer Ausgabeeinheit 8 zur Ausgabe der zeitnahen Parameter V und/oder des vegetativen Stressniveaus 5 verbunden. Die Kombination aller Baugruppen 2, 4, 5, 6, 7, 8 kann eine Einrichtung zur Bestimmung eines oder mehrerer das vegetative Stressniveau S festlegender Parameter V darstellen, z.B. Gesamtspektralenergie, LF/HF-Verhältnis etc.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise der Einrichtung zur Bestimmung des Parameters V erläutert:
    Der Patient 1 wird mit einer Einrichtung 2 zur Herzschlagmessung in Verbindung gebracht. Als Einrichtung 2 zur Herzschlagmessung können der gemessene Blutdruck in einem Druckwandler 21, ein Elektrokardiogramm – EKG – 22, die Ergebnisse der Pulsoxymetrie 23 oder weitere Biosignale 24, die den Herzschlag 3 abbilden können, eingesetzt werden. Der Analog-Digital-Wandler 4 gibt die Herzschlagsignale in digitaler Form weiter.
  • In der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit 5 werden charakteristische Punkte der jeweiligen Kurven, wie in 2 gezeigt ist, identifiziert, die robust gegen Messartefakte sind: das EKG I mit den Punkten 1.1 auf der R-Zacke; QRS-Komplex; Pulsaufzeichnungsverfahren II, z.B. Druckmessung in Blutgefäßen, Pulsoyxmetrie III, Plethysmografie, Tonometrie, Sonografie, Doppler-, Impedanz- und sonstige Pulsmessverfahren, wobei die Punkte jeweils lokale Minima 2.3, 3.3 innerhalb der negativen Halbwelle des jeweils bandpassgefilterten Signals 2.1 oder 3.1 oder lokale Maxima 2.2, 3.3 oder andere charakteristische Punkte – z.B. Wendepunkte – der Kurve darstellen können.
  • Die zeitlichen Abstände der festgelegten, robusten und extremalen Punkte auf den jeweiligen Kurven definieren die Zeit dti, die während eines einzelnen Herzzyklus verstreicht, und sind unabhängig vom Detektionsverfahren bei der zeitsynchronen Signalaufnahme innerhalb einzelner Herzschlagabstände gleich groß, variieren aber zwischen den aufeinander folgenden Herzzyklen, d.h. dti ≠ dti+l.
  • In der Recheneinheit 7 werden mit programmtechnischen Mitteln Wavelets als periodische Funktionen mit begrenzter Dauer eingesetzt. Durch den Einsatz der kontinuierlichen Wavelet-Transformation erfolgt eine schrittweise Abtastung des Herzfrequenzsignales 9 mit unterschiedlichen Skalierungen eines Mutter-Wavelets, z.B. des komplexen Morlet Wavelets. Somit können die Rohdaten ohne Umkodierungen und ohne Äquidistanzerzeugung verarbeitet werden. Es erfolgt eine Lokalisation von Schwingungsanteilen in Zeit und Frequenz.
  • Anschließend erfolgt gegebenenfalls eine Gipfelerkennung sowie eine Zuordnung dieser Spektralgipfel zu einem Hochfre quenzband (engl. high frequency) mit ≥ 0,15 Hz oder einem niedrigen Frequenzband (engl. low frequency) mit 0,04–0,15 Hz.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik 2 von Pulssignalen 3a, wie in 2 gezeigt ist, werden Schwingungsanteile eines aus den Pulssignalen 3a erhaltenen inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals sowohl in Zeit als auch Frequenz lokalisiert und anschließend prozessiert und in einen das vegetative Stressniveau S bestimmenden Parameter V umgesetzt,
    wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
    • – Aufnahme eines Herzschlag-/Pulssignals 3a, das mit einer Aufnahmerate zwischen 20 und 1000 Hz in einer Kurve erfasst wird,
    • – Bestimmung des spätesten lokalen Minimums des Blutdrucks innerhalb der negativen Halbwelle des bandpassgefilterten Blutdrucksignals als schlagidentifizierenden Punkt auf der Kurve,
    • – Umsetzung in ein eindimensionales inäquidistantes Herzfrequenz-Rohsignal 9,
    • – schrittweise Abtastung des eindimensionalen inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals 9 mit unterschiedlichen Skalierungen und Translationen eines komplexen Morlet-Wavelets als Mutter-Wavelet,
    • – Umsetzung der so erhaltenen vollständigen Information in ein Herzfrequenz-Energiespektrum 38, wie in 3 gezeigt ist,
    • – Zerlegung des Herzfrequenz-Energiespektrums 38 in einzelne Gipfel 38a oder 38b,
    • – Bestimmung eines Maßes für jeden Varianzanteil, z.B. das Maximum des zugehörigen Gipfels 38a oder 38b,
    • – Zuordnung der Gipfel 38a oder 38b zu vorgegebenen abgegrenzten Frequenzbereichen, z.B. LF-Varianzanteile im niedrigen Frequenzband (engl. low frequency) mit 0,04–0,15 Hz und HF-Varianzanteile im Hochfrequenzband (engl. high frequency) mit ≥ 0,15 Hz,
    • – Zusammenfassung der Maße der jeweiligen Varianzanteile LF und HF getrennt nach Frequenzbändern, z.B. durch Summation,
    • – Zuordnung von innerhalb des gleichen Zeitfensters auftretenden zusammengefassten Maßen der Varianz in den Frequenzbändern,
    • – Ermittlung und Ausgabe des Parameters V als Verhältniszahl V = LF/HF zwischen den zusammengefassten Maßen der Varianz LF, HF im niedrigen und im hohen Frequenzband.
  • In 5 ist dazu eine zugehörige Parameter(V)-Stressniveau(S)-Funktionsdarstellung gezeigt, wobei bei den Werten V0 und S0 normale Herzfunktionen und ein zugehöriges normales Stressniveau vorhanden sind. Abweichungen vom Wert S0 des normalen Stressniveaus werden durch eine Auslenkung weg vom Parameterwert V0 der normalen Herzfunktion wiedergegeben, wodurch die erhaltenen und gespeicherten Messwerte entsprechend 5 abgerufen werden können. Bereichen des Parameters V mit Vk, Ve, V0, V1, V2 sind entsprechende Bereiche Sk, Se, S0, S1, S2 des Stressniveaus S zugeordnet. In 5 ergibt sich eine Proportionalitäts-Kurve zwischen dem Parametern V und den unterschiedlichen Stressniveaus S.
  • Die Erfindung ermöglicht es, dass infolge der Verwendung der Routinesensorik mit den Einrichtungen 2 zur Herzschlagmessung kein zusätzlicher Sensor am/im Patienten 1 an- und/oder eingebracht werden muss, was keine zusätzliche Risikobelastung für den Patienten 1 bedeutet.
  • In 6 ist eine Verlaufsdarstellung des Parameters V während verschiedener Abschnitte der perioperativen Phase dargestellt. Der Parameter V zeigt die zeitliche Änderung t1 bis t7 des Stressniveaus S eines Patienten 1 an, wobei Bereiche des Parameters V mit Vk, Ve, V0, V1, V2 entsprechende Bereiche Sk, Se, S0, S1, S2 des Stressniveaus S wie in 5 zugeordnet sind.
  • In 7 ist in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vegetative Stressanalyse und Therapiesteuerung im Operationssaal und analog dazu, wie in 8 gezeigt ist, auf einer Intensivstation dargestellt. Der Puls 3 des Patienten 1 wird über eine Kanüle 10 in einer oder mehreren Schlagadern über flüssigkeitsgefüllte Schläuche 11 Druckwandlern 21 zugeführt. Das dort erzeugte analoge Herzschlag/Pulssignal 3a wird in einem Analog-Digital-Wandler 4 mit einer Aufnahmerate zwischen 20 und 1000 Hz digitalisiert und wahlweise über eine Korrektureinheit 6 für die Signale an ein Monitoringsystem 12 weitergeleitet. Die sich anschließende Schlagidentifizierungseinheit 5 stellt ein Herzfrequenzsignal 9 bereit. Die Recheneinheit 7 erzeugt daraus ein Herzfrequenz-Energiespektrum 38 mit einer nachfolgenden Aufspaltung in Frequenzanteile und deren Zuordnung zu abgegrenzten Frequenzbereichen mittels programmtechnischer Mittel. Aus den Frequenzanteilen der einzelnen Frequenzbereiche sowie der daraus ableitbaren G rößen, z.B. Summen und Verhältniszahlen ergeben sich ein oder mehrere Parameter V als Maßzahlen für das vegetative Stressniveau S des Patienten 1, das gemäß der V-S-Kurve in 5 bzw. 6 ausgegeben wird. Als Einrichtungen 2 zur Herzschlagmessung kommen gege benenfalls elektrische Potentialschwankungen bei Aufnahme mit dem Elektrokardiogramm 22 auf der Körperoberfläche, die mit Hilfe von Elektroden 13 abgeleitet werden, sowie pulsoxymetrische Signale 14 oder Atemgasanalyten aus dem Narkose-/-beatmungsgerät 15 in Frage.
  • Ein Anästhesist 16 kann den angezeigten Parameter V zur Abschätzung des Stressniveaus S sowie weitere prozessierte Daten werten und daraufhin angemessene Therapiemaßnahmen einleiten. Es kann auch gemäß 5 der Wert S oder einer der Bereiche Sk, Se, S0, S1, S2 des vegetativen Stressniveaus über die Ausgabeeinheit 8 oder das Monitoringsystem 12 angezeigt werden.
  • Des Weiteren stellen die Operateure 17 für die vegetative Balance des Patienten 1 eine Störgröße dar und können durch ihre Maßnahmen Stress auslösen. Die Kompensation des Stresses obliegt dem Anästhesisten 16.
  • In 8 ist als weiterer Anwendungsfall eine vegetative Stressanalyse und Therapiesteuerung auf einer Intensivstation dargestellt. Dort wird der Puls 3 für die Analyse des vegetativen Stressniveaus des Patienten 1 über Kanüle 10 in einer oder mehreren Schlagadern über flüssigkeitsgefüllte Schläuche 11 jeweils einem Druckwandler 21 zugeführt, die ihr analoges Herzschlag-/Pulssignal 3a über einen Analog-Digital-Wandler 4 und wahlweise über eine Korrektureinheit 6 an ein Monitoringsystem 12 weiterleiten. Die digitalen Daten werden über die Schlagidentifizierungseinheit 5 an die Recheneinheit 7 weitergeleitet und hier zu einem Parameter V als Maß für den vegetativen Stress S des Patienten 1 prozessiert. Die Recheneinheit 7 enthält zur Ermittlung den Parameter V programmtechnische Mittel, die mit der Wavelet-Transformation zur Analyse der Schwingungsanteile nach Frequenz und Zeit arbeiten.
  • Das aus dem Verfahren gewonnene Herzfrequenz-Energiespektrum 38 ist in 3 über die Zeit X-Achse: Zeitachse [s]; Y-Achse: Spektrale Energie [1/s–2]; Z-Achse: Frequenz [1/s] dargestellt. Hei relativ gleich bleibenden Energiewerten um 0,17 Hz (HF zugeordnetes Band) 38a treten intermittierend Spitzen von LF-Anteilen um 0,05 Hz (LF zugeordnetes Band) 38b auf. Zu diesen Zeitpunkten erhöht sich die Verhältniszahl V von LF/HF und weist ein erhöhtes Stressniveau aus.
  • Die Aufnahme des Pulses 3 zur Festlegung der niedrigen und der hohen Frequenzanteile kann mit folgenden, in Fahrzeuge oder in Kleidungsstücke integrierten Sensoren oder Sensorfelder realisiert werden:
    • – Über mindestens zwei Sensorfelder 31, 32, 33, die in die Steuereinrichtung – Lenkrad, Schaltknüppel – eines Fahrzeugs 30, wie in 9 gezeigt, oder sonstigen Anlagen-Leitstandes integriert sind, wobei die Fahrzeug/Anlagenelektrik 29 über eine Vorrichtung entweder direkt (engl. on board) eine Notfallprozedur (engl. fail-safe) auslöst oder über geeignete Kommunikationswege zur Alarmierung einer übergeordneten Leitstelle führt, können Pulssignale 3a aufgenommen werden,
    • – in langärmliger Unterwäsche oder Funktionswäsche 34 in 10 können mindestens zwei Sensorfelder 25, 26 und ein Transponder 20 vorgesehen sein,
    • – in einem Büstenhalter 35 in 11 können mit mindestens zwei Sensorfeldern 18, 19 zur EKG-Ableitung und einem Transponder 20 die Pulssignale 3a aufgenommen werden,
    • – in einem Trägershirt 36 in 12 können mindestens zwei Sensorfelder 27, 28 und ein Transponder 20 vorhanden sein,
    • – in einem T-Shirt 37 in 13 können sich mindestens zwei Sensorfelder 27, 28 und ein Transponder 20 befinden.
  • Weitere Pulsfrequenzaufnahmeverfahren können z.B. mit einer in der Druckschrift EP 1 330 981 A1 beschriebenen Vorrichtung am Kopf und/oder an der Stirn, einer in der Druckschrift DE 203 01 473 U1 beschriebenen Vorrichtung am Ohrläppchen, einer in der Druckschrift DE 196 32 361 A1 beschriebenen Vorrichtung an Brille sowie einer in der Druckschrift EP 0747003 B1 beschriebenen Vorrichtung am Brustkorb durchgeführt werden.
  • In 14 sind Einsatzmöglichkeiten der Stressanalyse bei der systematischen Vermeidung von „menschlichem Versagen" aufgrund von Stress-Überlastung bei Personen in verantwortungsvollen Tätigkeiten, z.B. Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben – BOS – 39 durch rechtzeitige Initiierung von Notfallprozeduren oder Notfallprotokollen 40 dargestellt. Im Fahrzeug- oder Anlagenbereich 41a, 41b können on board fail-safe-Lösungen unmittelbar automatisch implementierte Notfallprozeduren 40 auslösen, z.B. Zwangsbremsung, Reaktorabschaltung und Verhinderung eines Raketenabschusses. Autonom operierende Einsatzkräfte im BOS-Bereich 39, auf die keine Möglichkeit einer Einflussnahme durch automatisierte on board-fail-safe-Systeme besteht, werden im Rahmen ihrer Befehls- und Einsatzstruktur von übergeordnete Leitstellen 42a, 42b geführt. Rückmeldungen z.B. über überforderte Einheitsführer können in solchen Leitstellen 42a, 42b entsprechend taktisch verwertet werden. Die Kommunikationswege 43 können über Satellit 44, terrestrischen Funk 45 und/oder über Kabel 46 vorgegeben oder ausgewählt sein.
  • Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass aus dem erfindungsgemäßen Verfahren therapeutische Maßnahmen, z.B. Variation der Narkosetiefe, Epiduralanalgesie oder sonstige Verabreichung von Schmerzmitteln oder Medikamenten mit Wirkungen auf die Balance des autonomen Nervensystems abgeleitet werden können. Ein solch ermittelter Parameter V ergänzt das Überwachungsspektrum insbesondere beim Herzkranken entscheidend und dient der frühzeitigen Erkennung einer überschießenden, u.U. lebensgefährlichen Stressreaktion des Organismus und ermöglicht deren zeitnahe Abwehr.
  • Die Einführung des zeitnahen Parameters V in die Akutmedizin zur Bestimmung der aktuellen Balance des autonomen Nervensystems – vegetativer Stress – eröffnet erstmals die Möglichkeit, Stress frühzeitig zu erkennen, zu quantifizieren sowie eine gezielte zeitnahe Therapie von Folgeerscheinungen, bevor diese sich voll entwickelt haben, durchzuführen.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Einführung des zeitnahen Verfahrens zur Stresskontrolle in die Akutmedizin erstmals die Möglichkeit eröffnet, Stress frühzeitig zu erkennen, objektiv und unabhängig von Untersuchtem und Untersucher zu quantifizieren sowie eine gezielte frühzeitige Therapie einzuleiten, bevor sich Folgeerscheinungen des vegetativen Stresses wie z.B. Herzrasen, Durchblutungsstörungen, Herzinfarkt, Magengeschwüre manifestieren und sich negativ auswirken.
  • Die vorliegende Erfindung vermeidet die bisher durch Umcodierung des inäquidistanten Pulsrohsignals in ein äquidistantes Signal in Kauf genommene unkontrollierte Signalverzerrung und erlaubt zusätzlich eine Lokalisation von Schwingungsanteilen in Zeit und Frequenz bei höherer Zeitauflösung der sich schnell ändernden hohen Frequenzen sowie höherer Frequenzauflösung zwischen eng benachbarten niedrigen Frequenzanteilen. Dadurch wird die Genauigkeit im niedrigen Frequenzbereich gesteigert.
  • Die Umsetzung der komplexen Information aus dem Herzfrequenz- Energiespektrum in einen einzigen Zahlenwert steigert die klinische Handhabbarkeit.
  • Das Verfahren bedient sich der Analyse von Rohsignalen, die ohnehin in der Akutmedizin erhoben werden, erfordert daher keine zusätzliche Belastung des Organismus. Grundsätzlich kann sie auch durch Laien angewendet werden oder auch als Komponente automatisierter Überwachungseinrichtungen, z.B. in Kraft- oder Schienenfahrzeugen mit einer Totmann-/fail-safe-Schaltung dienen.
  • Die Bestimmung des Parameters V stellt eine Schlagidentifizierung dar, die für eine Stressanalyse ein einfaches, aber grundlegend erforderliches Element ist. Im Folgenden werden Möglichkeiten der Schlagidentifizierung angegeben.
  • Die Schlagidentifizierung kann aus invasiv gemessenem Blutdrucksignal mit einer zusätzlichen Optimierung, z.B. einer Artefakteliminierung durch Verwendung eines Korrekturalgorithmus zur Eliminierung von Messfehlern in flüssigkeitsgefüllten Systemen erfolgen. Dabei kann eine Nutzung von Merkmalen der Blutdruckwelle, die robust sind gegen Wellenveränderungen durch Herzfrequenz, Gefäßwiderstand, Arrhythmien des Herzens vorgesehen werden.
  • Die Schlagidentifizierung kann aus elektrischen Potentialen an der Körperoberfläche erfolgen.
  • Die Schlagidentifizierung kann aus der Pulsoximetriekurve ermittelt werden.
  • Die Schlagidentifizierung kann aus Atemgasen entwickelt werden.
  • Die Schlagidentifizierung kann aus Doppler oder anderen Flusssignalen entwickelt werden.
  • Die Schlagidentifizierung kann aus Impedanz-Signalen ermittelt werden.
  • Es kann eine plethysmografische Schlagidentifizierung, incl. Reflexions- und Transmissionsplethysmografie mit verschiedenen Wellenlängen erfolgen.
  • Es kann eine sonografische Schlagidentifizierung, eine tonometrische Schlagidentifizierung sowie eine Schlagidentifizierung aus der Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Aufnahmemöglichkeiten erfolgen.
  • Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele des Parameters V beschrieben:
    • – Verlaufsbeurteilung des Stressniveaus und Therapiesteuerung bei Patienten in der Akutmedizin und Notfallmedizin, z.B. Herzinfarkt, wobei Schmerz- und Beruhigungsmedikamente ausreichend erscheinen,
    • – Intensivmedizin, wobei z.B. eine Betreuung von Patienten mit koronarer Herzkrankheit, Vorhersage und Vermeidung von Durchblutungsstörungen am Herzen durch angemessene Pharmakotherapie vorgesehen sind,
    • – Anästhesiologie während der Operationen mit einer Steuerung der Narkosetiefe und/oder einer Steuerung der Epiduralanalgesie und/oder einer Steuerung einer angemessene Pharmakotherapie, z.B. im Rahmen der Betreuung von Patienten mit Durchblutungsstörungen der Herzkranzgefäße,
    • – Vorhersage und Vermeidung von Durchblutungsstörungen am Herzen,
    • – Risikostratifizierung für Kreislaufunregelmäßigkeiten während anästhesiologischer intensivmedizinischer, operativer Maßnahmen oder sonstiger Manipulationen mit Auswirkungen auf das Stressniveau,
    • – Verlaufsbeurteilung des Stressniveaus und Therapiesteuerung bei Patienten in der Psycho- und Schmerztherapie sowie in der Kardiologie, Neurologie und bei Schlaflaboruntersuchungen.
    • – Anwendung als Rückkopplungsparameter zu einem Biofeedbacktraining als Entspannungstraining und in der Psychotherapie und im Wellnessbereich,
    • – Abschätzung der Erfolgschancen und Therapiekontrolle bei der gezielten Sympathikus-Ausschaltung, z.B. bei arterieller Verschlusskrankheit, bei einem komplexen regionalen Schmerzsyndrom, durch interventionelle Sympathikolysen, Regionalanästhesieverfahren, rückenmarknah und peripher,
    • – Diagnostik, Therapiesteuerung und Verlaufsbeurteilung bei kardiologischen Patienten, z.B. Bluthochdruck, Herzinsuffizienz,
    • – Beurteilung des Stressniveaus von Menschen in der Arbeitsmedizin, Stress am Arbeitsplatz,
    • – Identifikation von Auslösefaktoren und Verlaufskontrolle Evaluierung der Stressfolgen am Arbeitsplatz im Sinne der Qualitätssicherung,
    • – Primär- und Sekundärprävention von Herzerkrankungen im Rahmen von regulären Vorsorgeuntersuchungen
    • – dauerhafte Überwachung z.B. Herzkranker zu Hause mit der Möglichkeit z.B. automatisiert einen Hausnotruf zu aktivieren Sicherheit während verantwortungsvoller Tätigkeiten durch Einkopplung des Stressniveaus in automatische Sicherheitssysteme/Protokolle im Verkehr,
    • – Überwachung von Fahrzeugführern, z.B. für Landfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Luftfahrt, Raumfahrt (z.B. Abregelung der Fahrzeugleistung, Totmann-/fail-safe-Schaltung, Zwangsbremsung) Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (Kern-) Energie, Militär/Polizei/SEK, Rettungsdienst, Fluglotsen, Assessment, Eignungsprüfungen, Sportmedizin und
    • – Strafverfolgung/Forensische Medizin, Drogenkonsum – Alkohol, Nikotin, illegale Drogen –, Lügendetektor.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann im gleichen Maße auch bei Tieren eingesetzt werden.
  • 1
    Patient
    2
    Einrichtung zur Herzschlagmessung
    3
    Puls
    3a
    Pulssignal
    4
    Analog-Digital-Wandler
    5
    Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit
    6
    Korrektureinheit
    7
    Recheneinheit
    8
    Ausgabeeinheit
    9
    Herzfrequenzsignal
    10
    Kanüle
    11
    Schläuche
    12
    Monitoringsystem
    13
    Elektroden
    14
    pulsoxymetrische Signale
    15
    Narkose-/-beatmungsgerät
    16
    Anästhesist
    17
    Operateur
    18
    Sensorfeld
    19
    Sensorfeld
    20
    Transponder
    21
    Druckwandler
    22
    EKG
    23
    Pulsoxymetrieeinrichtung
    24
    Herzschlagsignale
    25
    Sensorfeld
    26
    Sensorfeld
    27
    Sensorfeld
    28
    Sensorfeld
    29
    Fahrzeug-/Anlagenelektrik
    30
    Fahrzeug
    31
    Sensorfeld
    32
    Sensorfeld
    33
    Sensorfeld
    34
    Funktionswäsche
    35
    Büstenhalter
    36
    Trägershirt
    37
    T-Shirt
    38
    Herzfrequenz-Energiespektrum
    38a
    Gipfel der spektralen Energie im Hochfrequenzband
    38b
    Gipfel der spektralen Energie im Niederfrequenzband
    39
    Behörden und Organisation mit Sicherheitsaufgaben
    40
    Notfallprotokoll/-Prozedur
    41a
    Notfall-Prozedur-Lösung in Industrie und Energie
    41b
    Notfall-Prozedur-Lösung im Verkehr
    42a
    globale Leitstelle
    42b
    lokale Leitstelle
    43
    Kommunikationswege
    44
    Satellit
    45
    terrestrischer Funk
    46
    Kabel
    V
    Parameter
    S
    Stressniveau
    1.1
    schlagidentifizierender Punkt der R-Zacke im EKG
    2.3
    schlagidentifizierender Punkt des lokalen Minimums
    3.3
    schlagidentifizierender Punkt des lokalen Minimums
    2.2
    schlagidentifizierender Punkt des lokalen Maximums
    3.3
    schlagidentifizierender Punkt des lokalen Maximums
    t
    Zeit
    dt
    Abstand zweier vorgegebener Kurvenextrempunkte

Claims (27)

  1. Verfahren zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik von Pulssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungsanteile eines inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals sowohl in Zeit als auch Frequenz lokalisiert und anschließend prozessiert und in einen das vegetative Stressniveau S bestimmenden Parameter V umgesetzt werden, wobei folgende Schritte durchgeführt werden: – Aufnahme eines Herzschlagsignals, das mit einer Aufnahmerate zwischen 20 und 1000 Hz in einer Kurve erfasst wird, – Bestimmung eines schlagidentifizierenden Punktes auf der Kurve, – Umsetzung in ein eindimensionales inäquidistantes Herzfrequenz-Rohsignal, – schrittweise Abtastung des eindimensionalen inäquidistanten Herzfrequenz-Rohsignals mit unterschiedlichen Skalierungen und Translationen eines Mutter-Wavelets, – Umsetzung der so erhaltenen vollständigen Information in ein Herzfrequenz-Energiespektrum (38), – Zerlegung des Herzfrequenz-Energiespektrums (38) in einzelne Gipfel (38a, 38b), – Quantifizierung der verschiedenen Energiegipfel (38a, 38b) durch Integration und/oder nach maximalem Energiegehalt, – Zuordnung von durch Energiegipfel (38a, 38b) repräsentierten Varianzanteilen LF, HF zu vorgegebenen Frequenzbändern innerhalb eines Zeitfensters, – Zuordnung von innerhalb des gleichen Zeitfensters auftretenden Varianzanteilen im niedrigen Frequenzband LF zu Varianzanteilen im hohen Frequenzband HF, – Ermittlung und Ausgabe des Parameters V als Funktion der Varianzanteile LF des niedrigen Frequenzbandes und den Varianzanteilen HF des hohen Frequenzbandes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebene Frequenzbänder – ein niedriges Frequenzband LF (engl. low frequency) bei 0,04–0,15 Hz und – ein hohes Frequenzband HF (engl. high frequency) mit ≥ 0,15 Hz festgelegt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung eines robusten, extremalen schlagidentifizierenden Punktes der Kurve im Falle pulsabhängiger Signale, wie in der Plethysmografie, Pulsoximetrie, durch eine Artefakteliminierung begleitet wird.
  4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des robusten schlagidentifizierenden Punktes der Kurve beim Elektrokardiogramm jeweils anhand der einzelnen R-Zacken (1.1) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des robusten schlagidentifizierenden Punktes der Kurve beim QRS-Komplex sowie bei Pulsauf zeichnungsverfahren in Form von Druckmessung in Blutgefäßen, Pulsoyxmetrie, Plethysmografie, Tonometrie, Sonografie, Doppler-, Impedanz- und sonstige Pulsmessverfahren entweder anhand des lokalen Minimums (2.3, 3.3) innerhalb der negativen Halbwelle, des lokalen Maximums (2.2, 3.2) oder des Wendepunktes der bandpassgefilterten Signale der einzelnen Impulse in den Messkurven durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das inäquidistante Herzfrequenz-Rohsignal aus dem Elektrokardiogramm abgeleitet wird.
  7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung eines Maßes für jeweiligen Varianzanteil anhand des Maximums der zugehörigen Gipfel (38a, 38b) des Herzfrequenz-Energiespektrums (38) durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Gipfel (38a, 38b) zu vorgegebenen abgegrenzten Frequenzbereichen im niedrigen Frequenzband bei 0,04–0,15 Hz sowie im Hochfrequenzband bei ≥ 0,15 Hz in Form ihrer Varianzanteile HF und LF durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammenfassung der Maße der Varianzanteile getrennt nach Frequenzbändern durch Summation zu Varianzen LF und HF erfolgt, wobei die Varianzen LF, HF die jeweiligen Frequenzanteile darstellen.
  10. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Herzfrequenzsignals eine Schlagidentifizierung einschließt, die für eine Stressanalyse ein einfaches, aber grundlegend erforderliches Element ist.
  11. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des finalen Parameters V als Summe von Varianzen verschiedener Frequenzbänder mit den Varianzanteilen LF im niedrigen Frequenzband und den Varianzanteilen HF im hohen Frequenzband durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des finalen Parameters V als Verhältniszahl von Varianzen verschiedener Frequenzbänder nach V = LF/HF mit den Varianzanteilen LF im niedrigen Frequenzband und den Varianzanteilen HF im hohen Frequenzband durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter V zwischen den Varianzanteilen LF im niedrigen Frequenzband und den Varianzanteilen HF im hohen Frequenzband die Balance des vegetativen Nervensystems widerspiegelt, wobei je größer das Verhältnis LF/HF ist, desto größer der vegetative Stress ist.
  14. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlagidentifizierung aus invasiv gemessenem Blutdrucksignal mit einer zusätzlichen Optimierung, z.B. einer Artefakteliminierung durch Verwendung eines Korrekturalgorithmus zur Eliminierung von Messfehlern in flüssigkeitsgefüllten Systemen erfolgt.
  15. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Pulswellenveränderungen durch die Herzfrequenz selbst oder durch den Gefäßwiderstand mittels geeigneter Maßnahmen erkannt und korrigiert werden und somit die hierdurch verursachten Störungen des Herzfrequenz-Energiespektrums reduziert und somit die Analysequalität erheblich verbessert werden.
  16. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass abnorme Herzschläge, z.B. Arrhythmien und/oder Extrasystolen erkannt werden, wobei die Erkennung eine Voraussetzung dafür ist, mindestens einen Vorgang einzubinden, der die hierdurch verursachten Störungen des Herzfrequenz-Energiespektrums (38) eliminiert und somit die Analysequalität erheblich verbessert, was durch eine abschnittsweise Analyse des Herzfrequenzsignals (9) oder durch die Entwicklung eines die Störung beschreibenden, mathematischen Modells zur Berechnung der Korrekturdaten erreicht wird.
  17. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlagidentifizierung aus elektrischen Potentialen an der Körperoberfläche erfolgt.
  18. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlagidentifizierung aus der Pulsoxymetriekurve ermittelt wird.
  19. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlagidentifizierung aus Atemgasen entwickelt wird.
  20. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlagidentifizierung aus Doppler oder anderen Flusssignalen entwickelt wird.
  21. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlagidentifizierung aus Impedanz-Signalen ermittelt wird.
  22. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine plethysmografische Schlagidentifizierung, incl. Reflexions- und Transmissionsplethysmografie mit verschiedenen Wellenlängen durchgeführt wird.
  23. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine sonografische Schlagidentifizierung oder eine tonometrische Schlagidentifizierung oder eine Schlagidentifizierung aus der Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Signal-Aufnahmemöglichkeiten durchgeführt werden.
  24. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Werten oder Bereichen Vk, Ve, V0, V1, V2 des Parameters V zugeordnete Werte oder Bereiche Sk, Se, S0, S1, S2 des vegetativen Stressniveaus S bestimmt und ausgegeben werden.
  25. Einrichtung zur Quantifizierung von vegetativen Stressniveaus unter Aufnahme von Herzschlag-Rohsignalen auf der Grundlage vorhandener Routinesensorik von Pulssignalen nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Einheiten vorhanden sind: – eine Einrichtung (2; 21, 22, 23, 24) zur Herzschlagmessung, – ein Analog-Digital-Wandler (4), der mit der Einrichtung (2; 21, 22, 23, 24) zur Herzschlagmessung in Verbindung steht und an den der gemessene Herzschlag/Puls (3) in Form eines Herzschlagsignals (3a) signaltechnisch geführt wird, – eine Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit (5), die dem Analog-Digital-Wandler (4) verbunden nachgeordnet ist und aus dem Herzschlagsignal (3a) ein Herzfrequenzsignal (9) erzeugt, – eine Recheneinheit (7), die der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit (5) nachgeschaltet ist und aus dem Herzfrequenzsignal (9) über den Zwischenschritt eines Herzfrequenz-Energiespektrums (38) einen oder mehrere Messwerte bereitstellt, – eine Ausgabeeinheit (8, 12), die der Recheneinheit (7) ausgangsseitig zur Ausgabe der zeitnahen Parameter v und/oder der zugehörigen Stressniveaus S nachgeordnet ist, wobei die Kombination aller Baugruppen (2, 4, 5, 6, 7, 8) eine Einrichtung zur Bestimmung eines oder mehrerer das vegetative Stressniveau S festlegender Parameter V darstellt.
  26. Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Analog-Digital-Wandler (4) und der Schlagidentifizierungs- und Erfassungseinheit (5) eine Korrektureinheit (6) eingeschaltet ist.
  27. Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2, 34, 35, 36, 37, 29) zur Herzschlagmessung mit zugehörigen Sensoren oder Sensorfeldern (25, 26; 18, 19; 27, 28; 31, 32) und Transpondern (20) oder Übertragungseinrichtungen/Steuereinrichtungen versehen ist. Hierzu 10 Blatt Zeichnungen
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