DE102006017279A1

DE102006017279A1 - Automatische Detektion von Hypopnoen

Info

Publication number: DE102006017279A1
Application number: DE200610017279
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Inform. Weigand; Matthias Struck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-10-18
Also published as: WO2007118560A3; WO2007118560A2

Abstract

Das Auftreten einer Hypopnoe kann, basierend auf einer aufgezeichneten Reihe von Samplewerten, die ein Atemgeräusch beschreiben, mit hoher Zuverlässigkeit nachgewiesen werden, wenn ein Energiewert aus den Samplewerten berechnet wird, der die innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt. Das Auftreten einer Hypopnoe wird dadurch nachgewiesen, dass der Energiewert mit einem variablen, von dem jeweiligen Patienten abhängigen Referenzwert verglichen wird, so dass äußere Umwelteinflüsse, wie beispielsweise variable Empfindlichkeiten des Mikrophons bzw. unterschiedliche Lautstärken des Atemgeräusches verschiedener Patienten, keine negativen Einflüsse haben können.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Methoden zur automatischen Detektion von Schlafstörungen und insbesondere mit einer Vorrichtung und mit einem Verfahren, die eine Möglichkeit zur automatisierten Detektion von Hypopnoen schaffen.
Schlafstörungen sind ein immer häufiger auftretendes Phänomen, das die Lebensqualität und die Leistungsfähigkeit der betroffenen Personen stark einschränkt. Bei speziellen Arten von auftretenden Schlafstörungen kann darüber hinaus die Gesundheit des Patienten nachhaltig beeinträchtigt werden.
Zwei besonders häufig auftretende Schlafstörungen sind dabei Apnoen und Hypopnoen. Bei der Apnoe treten kurzzeitige vollständige Atemstillstände auf, deren Häufigkeit in weiten Grenzen variieren kann, wobei Werte von über 35 solcher Schlafstörungen pro Nacht keine Seltenheit sind. Als allgemeine Definition für das Krankheitsbild der Apnoe gilt das Auftreten von mindestens 10 Atemstillständen, welche jeweils mindestens 10 Sekunden dauern, innerhalb einer Schlafstunde. Die Apnoe kann mehrere Ursachen haben, die häufigste ist ein während des Schlafes auftretender Verschluss der oberen Atemwege (obstruktive Schlaf-Apnoe. Der Verschluss wird normalerweise durch eine Erschlaffung des Gaumensegels (Velum) ausgelöst, das unter anderem auch für das Schnarchen verantwortlich ist. Erschlafft das Gaumensegel, kann es dazu führen, dass dieses die Atemwege vollständig verschließt, so dass die Sauerstoffzufuhr zu den Lungen und somit auch zum Gehirn unterbrochen wird. Aufgrund obigen Zusammenhangs wird die Apnoe auch häufig bei Personen beobachtet, die zu starkem Schnarchen neigen. Be dingt durch den abfallenden Sauerstoffgehalt des Blutes vermindert sich die Herzfrequenz und der Blutdruck fällt ab. Dieser Abfall der Vitalparameter löst nach einer gewissen Zeit ein Alarmsignal bzw. eine Gegenmaßnahme im Gehirn aus, so dass, beispielsweise ausgelöst durch verstärkten Adrenalinausstoß, die betroffenen Personen am Ende einer Apnoe ein sog. Arousal erleben. Beim Arousal schreckt der betroffene Patient typischerweise mit einem lauten Schnarchgeräusch hoch, woraufhin die Atmung wieder einsetzt. Herzschlag sowie Sauerstoffgehalt können sich normalisieren. Da sich, wie oben beschrieben, dieser Vorgang mehrmals pro Nacht wiederholt, wird offensichtlich, dass die Schlafapnoe eine Reihe von negativen Begleiterscheinungen hervorrufen kann, wie beispielsweise verstärkte Tagesmüdigkeit, verminderte geistige und körperliche Leistungsfähigkeit, Konzentrationsschwäche, Kopfschmerzen, Depressionen und dergleichen.
Neben der obstruktiven Apnoe wird häufig auch die sog. zentrale Schlaf-Apnoe beobachtet, bei der kein Verschluss der Atemwege erfolgt, sondern die vielmehr auf ein Aussetzen der Atemimpulse seitens des Gehirns zurückzuführen ist. Dabei ist der beobachtbare Ablauf der Apnoe bis hin zum Arousal im Wesentlichen derselbe wie bei der obstruktiven Apnoe.
Ein der Apnoe eng verwandtes Krankheitsbild ist die Hypopnoe, für die es keine eindeutige Klassifikation gibt. Bei der Hypopnoe wird während des Schlafes aus verschiedenen Ursachen das Atemvolumen während der Dauer der Hypopnoe stark reduziert, so dass auch die Hypopnoe zu einer Verringerung des Sauerstoffgehalts im Blut so wie der Herzfrequenz führt. Aufgrund derselben Symptome sind auch die gesundheitlichen Schäden, die von Hypopnoen hervorgerufen werden können, ähnlich gravierend wie oben im Fall von Apnoen geschildert. Im Unterschied zur Apnoe ist bei der Hypopnoe allerdings das Beobachten des Arousals, also des heftigen, kurzfristigen Erwachvorgangs, in aller Regel nicht möglich. Genauso wie bei der Apnoe sind jedoch Patienten, die schnarchen, deutlich überproportional von Hypopnoe betroffen.
Anhand der 3a und 3b wird im Folgenden kurz ein typischer Signalverlauf, wie er bei Auftreten einer Apnoe bzw. Hypopnoe auftritt, dargestellt. Die 3a beschreibt dabei ein Apnoe-Ereignis und 3b ein Hypopnoen-Ereignis, wobei in beiden Darstellungen jeweils auf der X-Achse die Zeit, und auf der Y-Achse der mittels eines Mikrophons aufgezeichnete Amplitudenverlauf des Atemgeräusches eines schlafenden Patienten aufgetragen ist.
3a zeigt dabei einen normalen Schlafrhythmus in einem ersten Bereich 2, in welchem in annähernd regelmäßigen Abständen ein leichtes Schnarchgeräusch detektiert wird. 3a zeigt darüber hinaus den Apnoenbereich 4, in dem der Atemstillstand auftritt und innerhalb dessen demzufolge keine Signalamplitude aufgezeichnet wird. In 3a ist unmittelbar nach dem Apnoenbereich 4 ein Arousalbereich 6 zu erkennen, der, wie bereits vorhergehend beschrieben, dadurch gekennzeichnet ist, dass am Ende der Apnoe der Patient mit lautem Schnarchen die Atmung wieder aufnimmt, weswegen im Arousalbereich 6 höhere Amplituden aufgezeichnet werden als im ersten Bereich 2, in dem der Patient noch normal schläft. Unmittelbar vor dem Apnoenbereich 4 ist in 3a ferner ein Indikatorbereich 8 dargestellt, der dem Apnoebereich 4 vorausgeht und innerhalb dessen die aufgezeichneten Amplituden bzw. die aufgezeichnete Signalform sich deutlich von den Signalen im ersten Bereich 2 unterscheidet, in dem der Patient sich in einer normalen Schlafphase befindet. Der Indikatorbereich ist typisch für das Auftreten eines Apnoe-Ereignisses, das heißt ein solcher Signalverlauf wird typischerweise vor Beginn des Atemstillstandes im Apnoebereich 4 für alle Patienten beobachtet. Der akustische Eindruck ist in etwa der eines kurzen kräftigen Schnarchens, das oft mit einem leichten Stöhnlaut verbunden sein kann. Eine Möglichkeit zum Nachweis einer Apnoe besteht daher z. B. darin, im aufgezeichneten Schnarchgeräusch einen derartigen Signalverlauf nachzuweisen.
3b zeigt das Auftreten einer Hypopnoe, wobei in 3b zunächst ein Schlafbereich 10 identifiziert werden kann, indem sich der Patient in einem normalen Schlafzustand befindet und in dem in annähernd äquidistanten Abschnitten Schnarch- bzw. Atemgeräusche signifikanter Amplitude aufgezeichnet werden. Im Hypopnoenbereich 12, in dem wie bereits oben beschrieben der Atemfluss stark reduziert ist, wird dann während einer Zeitspanne von mehr als 30 Sekunden nur noch ein außerordentlich geringes Atemgeräusch aufgezeichnet. Dabei ist zu bemerken, dass der Hypopnoe kein typischer Signalverlauf wie der Indikatorbereich 8 der Apnoe vorausgeht. Dies wurde durch die Beobachtung einer Vielzahl von Hypopnoenereignissen bei unterschiedlichen Patienten bestätigt.
Im Stand der Technik werden eine Reihe von Verfahren beschrieben, die angewendet werden, um automatisiert den Beginn einer Apnoe nachzuweisen. Die amerikanische Patentanmeldung US 2004/0225226A1 und das US-Patent 6,935,335B1 beschreiben ein Verfahren, bei dem ein oder mehrere Mikrophone eingesetzt werden, welche die von Ihnen aufgenommenen Signale an eine digitale Signalverarbeitung weiterleiten, die den Beginn eines Apnoe-Ereignisses nachweisen kann. Die Signalverarbeitung führt dazu eine Fouriertransformation in den Frequenzraum durch und bestimmt durch Analyse einer großen Zahl von Fourierkoeffizienten, ob ein Signalverlauf vorliegt, der auf den Beginn eines Apnoe-Ereignisses schließen lässt. Dieses Verfahren hat den großen Nachteil, das durch die Fourieranalyse eine sehr große Anzahl von Fourierkoeffizienten als Repräsentation des aufgenommenen Signals erzeugt wird. Eine Echtzeitverarbeitung wird dadurch erheblich erschwert, da ein einfaches Kriterium, das das Auftreten einer Apnoe anzeigt, nicht gefunden werden kann, wenn zur Bestimmung eines solchen Kriteriums die Vielzahl der Fourierkoeffizienten herangezogen werden muss.
Das europäische Patent EP 0504945B1 beschreibt, wie Apnoe-Ereignisse nachgewiesen werden können, wenn sowohl Atmungs- als auch Herzfrequenztöne aufgenommen werden. Dabei wird zur Auswertung der aufgenommen Töne im Wesentlichen ein Schwellwertvergleich durchgeführt. Das heißt, auf eine Apnoe wird dann geschlossen, wenn eines der Signale einen bestimmten vorher festgelegten Grenzwert überschreitet bzw. unterschreitet. Dabei kann der Schwellwertvergleich zusätzlich frequenzselektiv durchgeführt werden, indem das aufgenommene Signal in feste Frequenzbereiche zerlegt werden, wobei jeder Frequenzbereich seinen eigenen Schwellwert besitzen kann. Das beschriebene Verfahren hat dabei den Nachteil, dass ein Schwellwertvergleich lediglich ein einziges Kriterium, nämlich den der Schwellwertberechnung zugrundeliegenden Energie-Wert heranziehen kann, um das Auftreten einer Apnoe nachzuweisen. Das Verwenden dieser einzelnen integralen Information ermöglicht es dabei in der Regel nicht, den charakteristischen Signalverlauf, der sich eben nicht nur durch seine integrierte Intensität auszeichnet, vor Beginn einer Apnoe mit genügend großer Zuverlässigkeit zu erkennen.
Das US-amerikanische Patent 5,123,425 beschreibt ein Halsband, das dazu geeignet ist, Apnoeereignisse zu erkennen und zu behandeln, wobei als Sensor ein Mikrophon verwendet wird. Das Erkennen eines Apnoeereignisses wird auch hier durch einfache Schwellwertüberschreitung vorgenommen, so dass dieselben Nachteile wie bereits oben beschrieben in Kauf genommen werden müssen.
Die deutsche Patentschrift DE 69632015T2 beschreibt eine Schlafapnoe-Behandlungsvorrichtung, mittels derer der Beatmungsdruck einer Atemmaske variabel an dem Schlafzustand eines Patienten angepasst werden kann. Dabei wird zur Detektion des Schlafzustands ein Sensor wie beispielsweise ein Mikrophon verwendet, das innerhalb des Frequenzbereichs von 20 Hz bis 20.000 KHz ein Atemsignal aufzeichnet und das auf Basis dieses Signals den Atemdruck zur Vermeidung von Apnoe-Ereignissen dynamisch verändert.
Die europäische Patentanmeldung 0371424A1 beschreibt eine Überwachungsvorrichtung zur Diagnose von Apnoe, bei der sowohl die Herzfrequenz als auch Atmungslaute aufgezeichnet werden und bei der anhand von einfachen Schwellwertvergleichen sowohl der Herzfrequenz als auch der Atemlautstärke auf das Einsetzen eines Apnoe-Ereignisses geschlossen wird.
Die beschriebenen Verfahren, die auf einfachem Schwellwertvergleich basieren, haben bei der Apnoendetektion den großen Nachteil, dass lediglich ein integraler Wert als Kriterium dafür benutzt wird, ob eine Apnoe eingesetzt hat oder nicht. Daher ist eine zuverlässige Detektion in der Regel deshalb nicht möglich, da für diese der charakteristische Signalverlauf berücksichtigt werden muss, was aufgrund der integralen Eigenschaft beim Schwellwertvergleich nicht möglich ist.
Bei der Detektion von Hypopnoen hat das Schwellwertverfahren den großen Nachteil, dass ein fester Schwellwert eine Hypopnoe nicht zuverlässig entdecken kann, da diese dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Auftretens der Hypopnoen noch ein Atemgeräusch vorhanden ist, dessen Lautstärke im Vergleich zur normalen Atemlautstärke variieren kann und das darüber hinaus stark patientenabhängig ist.
Die Detektion eines Beginns einer Apnoe mittels Fourieranalyse hat den großen Nachteil, dass durch die Fourieranalyse eine Vielzahl von Fourierkoeffizienten erzeugt wird, die das Frequenzspektrum des aufgenommenen Geräusches beschreiben. Ein einfacher und damit in sinnvoller Rechenzeit durchführbarer Test bzw. eine Charakterisierung dieser Fourierkoeffizienten ist aufgrund deren großer Anzahl in Echtzeit kaum möglich. Bereits vor dem Auftreten des Atemstill stands einer Apnoe dieser vorhersagen zu können, wird dabei aufgrund der Komplexität der Charakterisierung verhindert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche den Nachweis von Hypopnoen zuverlässiger als bisher ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das Auftreten einer Hypopnoe basierend auf einer aufgezeichneten Reihe von Samplewerten, die ein Atemgeräusch beschreiben, mit größerer Zuverlässigkeit dann nachgewiesen werden kann, wenn ein Energiewert aus den Samplewerten berechnet wird, der die innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt. Das Auftreten einer Hypopnoe wird erfindungsgemäß dadurch nachgewiesen, dass der Energiewert mit einem variablen, von dem jeweiligen Patienten abhängigen Referenzwert verglichen wird, so dass äußere Umwelteinflüsse, wie beispielsweise variable Empfindlichkeiten des Mikrophons bzw. unterschiedliche Lautstärken des Atemgeräusches verschiedener Patienten keine negativen Auswirkungen auf die Erkennungsleistung haben können.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird daher der für ein festes Zeitintervall errechnete Energiewert mit einem Referenzwert verglichen, der aus einer Mehrzahl dem aktuellen Energiewert vorhergehenden Energiewerte berechnet wird. Zur Bestimmung des Referenzwertes wird somit das Atemgeräusch des betrachteten Patienten selbst verwendet, das unter den aktuellen Umgebungsbedingungen aufgezeichnet wurde und das somit spezifisch für den Patienten unter den gegebenen Umgebungsbedingungen ist. Dadurch kann das Detektionsverhalten im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren mit festem Schwellwert extrem verbessert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Referenzwert beispielsweise als Durchschnittswert einer vorbestimmten Anzahl vorhergehender Energiewerte bestimmt. Dies ist äquivalent dazu, dass für den Vergleich des Energiewerts mit einem Referenzwert solche Energiewerte verwendet werden, die auf die aktuellen Referenzenergien normiert sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Hypopnoe nur dann angezeigt, wenn eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Energiewerten das Hypopnoenkriterium erfüllen, wenn also der Energieinhalt mehrerer aufeinanderfolgender Signalabschnitte (mit fester Anzahl von Samplewerten), also unterhalb eines variablen, patientenspezifischen Schwellwerts liegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden als Samplewerte die mit vorbestimmter Frequenz abgetasteten Amplitudenwerte des aufgenommenen Atemgeräusches verwendet, wobei geeignete Abtastfrequenzen beispielsweise zwischen 5 kHz und 25 kHz liegen können.
Bevorzugt wird die abgetastete Amplitude in digitalen Werten gespeichert, wobei die Digitalisierung beispielsweise mit einer Genauigkeit von weniger als 12 Bit erfolgen kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für jeweils eine diskrete Fensterlänge, also für eine feste Anzahl aufeinanderfolgender Sample-Werte, ein Energiewert als quadratische Summe der innerhalb der Fensterlänge abgetasteten Samplewerte gebildet. Dies hat den großen Vorteil, dass das quadratische Summieren diskreter, digitalisierter Größen eine mathematisch äußerst unaufwendige und daher schnell durchzuführende Operation darstellt.
Für das Bestimmen des Hypopnoen-Kriteriums wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der durch quadratische Addition erzeugte Amplitudenwert vor der Weiterverarbeitung normiert. Durch die Normierung wird eine Unabhängigkeit vom spezifischen Patienten bzw. von dessen Atemgeräuschlautstärke und von anderen, das Signal möglicherweise verfälschenden Einflüssen (veränderlicher Mikrophonempfindlichkeit) erreicht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zur Aufnahme des Atemgeräuschs ein Kehlkopfmikrophon verwendet, was den großen Vorteil hat, dass die Schallübertragung auf das Kehlkopfmikrophon mittels mechanischer Kopplung stattfindet, so dass eventuelle andere Umgebungsgeräusche, wie beispielsweise Straßengeräusche oder Schnarchgeräusche von Bettnachbarn das Messergebnis nicht verfälschen können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, genauer beschrieben. Es zeigen:
1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Nachweis von Hypopnoen;
2 ein Beispiel für erfindungsgemäße abschnittsweise Verarbeitung von Samplewerten;
3a ein Beispiel für einen Atemgeräuschverlauf während einer Apnoe; und
3b ein Beispiel für einen Atemgeräuschverlauf während einer Hypopnoe.
1 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Nachweis des Beginns einer Apnoe, wobei der Nachweis unter Verwen dung einer Reihe von Samplewerten, die ein Atemgeräusch eines Patienten beschreiben, erfolgen kann. Gezeigt sind ein Analysator 20 und eine Auswerteeinrichtung 22 sowie ein optionales Mikrophon 24 mit einer Abtasteinheit 26. Erfindungsgemäß wird von dem Analysator 20 unter Verwendung der Reihe von Samplewerten für jeweils ein vorbestimmtes Zeitintervall des Atemgeräuschs ein Energiewert bestimmt, der die innerhalb eines Zeitintervalls im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt.
Der so ermittelte Energiewert wird an die Auswerteeinrichtung 22 übertragen, die durch Vergleich des Energiewerts mit einem variablen, von dem Patienten abhängigen Referenzwert das Auftreten einer Hypopnoe erkennen kann.
Sind beispielsweise die diskreten Abtastwerte, also die Samplewerte S (t_i) gegeben, ist ein Beispiel für die Berechnung eines sinnvollen Energiewerts die quadratische Summe der Abtastwerte im Intervall t_i=0 bis t_i=1:
Erfindungsgemäß wird von der Auswerteeinrichtung 22 das so gewonnene Energiesignal nicht mit einem vorher fest einprogrammierten Wert, sondern mit einem variablen, patientenabhängigen Referenzwert verglichen, so dass das System maximale Flexibilität und daraus resultierend maximale Erkennungsgenauigkeit ermöglicht, da dieses sich selbst auf die Schnarchlautstärke bzw. das Schnarchverhalten des zu untersuchenden Patienten einstellen kann. Dazu wird beim Schwellwertvergleich entweder der Energiewert des momentan betrachteten Zeitfensters auf die Energie der vorhergehenden Zeitfenster normiert oder der Referenzwert selbst wird ständig aktualisiert. Der Referenzwert kann beispielsweise als Mittelwert einer Anzahl von vorhergehenen Energiewerten berechnet werden (floating average). Ist der momentan betrachtete Energiewert E_f+1, so kann der Referenzenergiewert R beispielsweise also nach folgender Formel berechnet werden:
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die variable vom Patienten abhängige Referenzenergie während einer Trainingsphase des Apparates zu bestimmen, während derer eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nachweis einer Hypopnoe die mittlere Schnarchenergie eines spezifischen Patienten bestimmt und diese in einem Speicher ablegt. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Patient dann beispielsweise seine Konfiguration aus einem Menü wählen, so dass auch in diesem Fall die Auswerteeinrichtung 22 die Energiewerte mit variablen, vom Patienten abhängigen Referenzwerte vergleichen kann, um die optimale Erkennungsleistung erfindungsgemäß zu erzielen.
Die Reihe von Samplewerten, die das Atemgeräusch beschreiben, können dabei entweder räumlich getrennt von der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezeichnet werden und dann, beispielsweise in Form eines transportablen Datenträges oder mittels einer schnurlosen Datenschnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, wie in 1 angedeutet, eine Abtasteinheit 26 mit dem Analysator 20 verbunden, welche die von einem mit der Abtasteinheit 26 verbundenen Mikrophon 24 aufgenommenen Signale mit vorbestimmter Abtastfrequenz digitalisiert. Die Abtastfrequenz ist dabei in keinster Weise vorgeschrieben, sie kann beispielsweise 5, 11 oder 22 kHz betragen. Die Übermittlung zwischen der Abtasteinheit 26 und dem Analysator 20 kann dabei wiederum beliebig, insbesondere also auch schnurlos oder über ein Datennetzwerk wie das Internet erfolgen. Die selben Verbindungsmethoden sind prinzipiell auch für die Verbindung zwischen dem Mikrophon 24 und der Abtasteinheit 26 vorstellbar, so dass das erfindungsgemäße Konzept insgesamt in kei ner Art und Weise dadurch beschränkt ist, wie die Reihe von Samplewerten, die das Atemgeräusch beschreiben, aufgenommen oder erzeugt werden, um dem Analysator 20 zur Verfügung gestellt zu werden.
2 zeigt, wie erfindungsgemäß die Reihe von Samplewerten erzeugt wird, und wie das vorbestimmte Zeitintervall, für das ein Energiewert berechnet wird, bestimmt werden kann. 2 zeigt auf der X-Achse die Zeit in willkürlichen Einheiten und auf der Y-Achse die Amplitude eines gemessenen Signals ebenfalls in willkürlichen Einheiten.
Dargestellt ist ein zu analysierender Signalverlauf 30, der in äquidistanten Zeitabständen der Länge 32 gesampelt wird, so dass zu jedem Zeitpunkt ein Amplitudenwert s(t_i) in digitaler Form vorliegt. Dabei kann die Digitalisierungsgenauigkeit, also die Anzahl der Bits, die einen einzelnen Amplitudenwert repräsentieren, in weiten Grenzen frei variiert werden. 2 zeigt darüber hinaus ein erstes Zeitfenster 34a und ein zweites Zeitfenster 34b, für die jeweils ein individueller Energiewert bestimmt wird. Die Energiewerte können dabei beispielsweise, wie oben beschrieben, durch quadratische Addition der Amplitudenwerte s(t_i) bestimmt werden. Diese einfache mathematische Operation ist in Echtzeit durchführbar. Eine Länge eines Zeitfensters kann dabei beispielsweise 200 ms betragen, die Länge ist jedoch in weiten Grenzen variabel, da die Länge eines Hypopnoenereignisses, wie anhand von 3b zu sehen, typisch 30 Sekunden oder mehr beträgt. Bevorzugte Worte liegen im Intervall zwischen 100 ms und 500 ms. Durch geeignete Länge der Zeitfenster und der zur Normierung der Energiewerte vorgesehenen Zeitdauer (typischerweise mehrere 10 Sekunden) kann die Variabilität, das heißt die Patientenindividualität, und somit auch die Erkennungseffizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt die Auswerteeinrichtung 22 das Auftreten einer Hypopnoe erst dann, wenn eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Zeitfenster 34a bzw. 34b beim Vergleich mit dem variablen Referenzwert auf das Auftreten einer Hypopnoe schließen lassen. Die Anzahl von Fehlauslösungen wird dadurch verringert, wenn der Patient beispielsweise lediglich seine Körperposition ändert, wodurch das Atemgeräusch temporär unterbrochen sein kann.
Dabei kann die Anzahl der Zeitfenster, die zum endgültigen Anzeigen einer Hypopnoe verwendet werden, wiederum patientenspezifisch variiert werden, was die große Flexibilität des erfindungsgemäßen Konzepts erneut unterstreicht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Auswerteeinrichtung mit einer Alarmeinrichtung gekoppelt sein, die eine Vielzahl von Operationen bei dem Auftreten einer Hypopnoe durchführen kann. Dies kann beispielsweise das Alarmieren von medizinischem Personal, oder das Stimulieren der Atmung des betreffenden Patienten sein, um den Zustand der Hypopnoe sofort zu beenden. Gesundheitliche Beeinträchtigungen können so vermieden werden. Erfindungsgemäß können Analysator und Auswerteeinrichtungen räumlich getrennt vom Mikrophon und dessen Signalverarbeitung ausgeführt sein, wobei die Verbindung insbesondere drahtlos sein kann, so dass selbst bei Echtzeitüberwachung eines schlafenden Patienten dieser durch möglichst wenig an seinem Körper befestigter Komponenten beim Schlafen gestört wird.
Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren mit unterschiedlichsten Techniken implementierbar, insbesondere kann dies auf vorteilhafte Art und Weise in Software implementiert sein, die auf jedwedem universellen Computersystem ausgeführt werden kann. Darüber hinaus sind embedded-Lösungen vorstellbar, die das Verfahren auf einer spezialisierten Hardware oder einem speziell programmierten FPGA ausführen, der aufgrund seiner geringen Größe und seines geringen E nergieverbrauchs auch in unmittelbarer Nähe zum Mikrophon, das heißt, am Patienten direkt, angebracht sein kann.
Wie bereits oben erwähnt, ist die Art der Energiewertbestimmung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht festgelegt, beispielsweise können die Energiewerte auch je nach ihrer Position innerhalb des Zeitfensters mit einem zusätzlichen Gewichtungsfaktor versehen werden. Auch die relative Lage der Zeitfenster, die individuell ausgewertet werden, ist nicht vorgeschrieben. Anstelle der in 2 gezeigten Konfiguration, bei der die beiden Zeitfenster 34a und 34b unmittelbar aufeinanderfolgen, ist darüber hinaus auch eine Vorgehensweise denkbar, in der zwischen zwei ausgewerteten Zeitfenstern eine Zeitspanne liegt, die zur Berechnung der Energiewerte nicht herangezogen wird. Alternativ ist auch denkbar, dass aufeinanderfolgende Zeitfenster sich gegenseitig zeitlich leicht überlappen.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis einer Hypopnoe in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis einer Hypopnoe ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

2: erster Bereich
4: Apnoebereich
6: Arousalbereich
8: Indikatorbereich
10: Schlafbereich
12: Hypopnoenbereich
20: Analysator
22: Auswerteeinrichtung
24: optionales Mikrophon
26: Abtasteinheit
30: Signalverlauf
32: Zeitintervall
34a: erstes Zeitfenster
34b: zweites Zeitfenster

Claims

Vorrichtung zum Nachweis einer Hypopnoe unter Verwendung einer Reihe von Samplewerten, die ein Atemgeräusch eines Patienten beschreiben, mit folgenden Merkmalen: einem Analysator (20) zum Analysieren der Reihe von Samplewerten, um für eine einem vorbestimmten Zeitintervall (34a, 34b) des Atemgeräuschs entsprechende Anzahl von Samplewerten einen Energiewert zu bestimmen, der die im vorbestimmten Zeitintervall im Atemgeräusch enthaltende Energie beschreibt; und eine Auswerteeinrichtung (22), um durch Vergleich des Energiewerts mit einem variablen von dem Patienten abhängigen Referenzwert das Auftreten einer Hypopnoe zu erkennen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Analysator (20) ausgebildet ist, um den Energiewert als quadratische Summe der Anzahl von Samplewerten zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Analysator (20) ausgebildet ist, um eine Reihe von Samplewerten zu analysieren, die einem Zeitintervall des Atemgeräuschs aus dem Bereich von 100 ms bis 500 ms entsprechen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Samplewerte, die das Atemgeräusch des Patienten beschreiben, mit einer Abtastfrequenz kleiner 25 kHz bestimmt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (22) ausgebildet ist, um das Auftreten einer Hypopnoe dann zu erkennen, wenn der Energiewert den variablen Referenzwert unterschreitet.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (22) ausgebildet ist, um den variablen Referenzwert aus einer vorbestimmten Anzahl vorhergehender Energiewerte, die dem Energiewert in zeitlicher Abfolge vorausgehen, zu berechnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Auswerteeinrichtung (22) ausgebildet ist, um den variablen Referenzwert durch Bildung des arithmetischen Mittels der vorbestimmten Anzahl vorhergehender Energiewerte zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden zusätzlichen Merkmalen: einem Mikrophon (24) zum Aufnehmen des Atemgeräuschs; und einer Abtasteinheit zum Bestimmen der Reihe von Samplewerten, basierend auf der Aufnahme des Mikrophons (24).
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der das Mikrophon (24) ein Kehlkopfmikrophon ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Abtastgenauigkeit der Abtasteinheit (26) geringer als 12 Bit ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Abtasteinheit (26) eine schnurlose Datenschnittstelle zum Übertragen der Reihe von Samplewerten aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Analysator (20) eine schnurlose Datenschnittstelle zum Empfangen der Reihe von Samplewerten aufweist.
Verfahren zum Nachweis einer Hypopnoe unter Verwendung einer Reihe von Samplewerten, um die ein Atemgeräusch eines Patienten beschreiben, mit folgenden Schritten: Analysieren der Reihe von Samplewerten, für eine einem vorbestimmten Zeitintervall des Atemgeräuschs entsprechende Anzahl von Samplewerten einen Energiewert zu bestimmen, der die im vorbestimmten Zeitintervall im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt; und Vergleichen des Energiewerts mit einem variablen von dem Patienten abhängigen Referenzwert, um das Auftreten einer Hypopnoe zu erkennen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.