DE102007001709A1

DE102007001709A1 - Verfahren und Messgerät zur Bestimmung der Atemfrequenz

Info

Publication number: DE102007001709A1
Application number: DE102007001709A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Hansmann
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20080171946A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Atemfrequenz eines Patienten mittels Gefäßplethysmographie. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels einer über eine Mehrzahl von Elektroden mit dem Körper verbundene Steuer- und Auswerteeinheit die elektrische Impedanz zwischen wenigstens zwei Elektroden erfasst wird, wozu die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, eine Wechselspannung durch den Körper zu leiten und zwischen wenigstens zwei Elektroden ein Maß der Impedanz zu erfassen, die erfassten Werte für das Maß der Impedanz automatisch als Funktion der Zeit aufzuzeichnen und auszuwerten, um daraus die Atemfrequenz zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messgerät zur Bestimmung der Atemfrequenz mittels Gefäßplethysmographie nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 13.
Die Atemfrequenz ist ein wichtiges Indiz für den Gesundheitszustand eines Patienten. Die Erfassung der Atemfrequenz wird mit den heute verfügbaren Monitoren meist nur im Bereich der Intensivmedizin durchgeführt. Hierfür stehen entweder maschinelle Beatmungsgeräte bzw. atmungsunterstützende Geräte zur Verfügung. Für Patienten ohne Atemwegszugänge mittels Masken oder Tuben werden Messungen mittels Brust- und Bauchbändern oder Impedanzmessungen durchgeführt.
Aus der Literatur (z.B. aus "What is the best site for measuring the effect of ventilation an the pulse oximeter waveform", Kirk H. Shelly et. al., Anesths Analg 2006, 103, 372-7) sind Verfah ren bekannt, bei denen mittels Photoplethysmographie über den Gefäßdruck auf die Atemfrequenz geschlossen wird. Die Gefäßplethysmographie dient im Allgemeinen zur Erfassung der Gefäßweitung und deren Kurvenform, Amplitude, Frequenz und Verlauf als Funktion der Zeit. Hieraus können wichtige Informationen für Aussagen über den Zustand der Gefäße, das Herz-Kreislaufsystem im Allgemeinen und den Wasserhaushalt des Patienten gewonnen werden. Bei der Photoplethysmographie wird ausgenutzt, dass Licht, vorzugsweise unterschiedlicher Wellenlängen, abhängig vom Sättigungsgrad des Hämoglobins mit Sauerstoff absorbiert wird und von der Erfassung dieses Sättigungsgrades als Funktion der Zeit direkt auf die Atemfrequenz geschlossen werden kann. Dieses Verfahren ist als SpO₂-Messung sehr weit verbreitet und in bekannten Messgeräten genutzt.
Das Verfahren der Photoplethysmographie bietet sich vor allem bei Patienten an, deren Sauerstoffsättigung aus physiologischen Gründen ohnehin überwacht werden muss. Dabei muss bedacht werden, dass die einfache Bestimmung der Sauerstoffsättigung nur der kurzzeitigen Vermessung einiger Kurvenzüge der Atmung inner halb weniger Minuten und somit einer kurzen Einschaltdauer von insgesamt nur wenigen Sekunden bedarf. Für eine Bestimmung der Atemfrequenz hingegen ist eine kontinuierliche Messung über einige Minuten erforderlich.
Nachteilig ist hierbei, dass gemäß des Standes der Technik die autarke Energieversorgung für einen kontinuierlichen Betrieb der Photoplethysmographie insbesondere von tragbaren Geräten nicht ohne erhebliche Beeinträchtigungen der Bewegungsfreiheit eines mobilen Patienten möglich ist.
Eine weitere spezielle Form der Gefäßplethysmographie ist die Elektro-Impedanzplethysmographie. Hierbei wird der Wechselstromwiderstand eines Körpersegmentes in der Umgebung eines Gefäßes, z.B. am Schlüsselbein, gemessen. Das Blut im Gefäß unterscheidet sich vom umliegenden Gewebe durch einen deutlich geringeren Wechselstromwiderstand, sodass der in der Umgebung gemessene Wechselstromwiderstand sehr stark durch die Gefäßweitung beeinflusst wird. Aus der Literatur (z.B. "Apparative Gefäßdiagnostik", Ralf Schüler, ISBN 3-932633-16-4) sind Verfahren zur Bestimmung der Herzaktivität durch Beobachtung der Gefäßweitung als Funktion der Zeit bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Messgerät für die kontinuierliche Bestimmung der Atemfrequenz eines mobilen Patienten zu entwickeln, ohne diesen durch das Messverfahren, die Auswertung oder die Energieversorgung des Messgerätes nennenswert zu beeinträchtigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 in Verbindung mit deren Oberbegriffen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren und ein Messgerät zur Bestimmung der Atemfrequenz mittels Elektro-Impedanzplethysmographie vorgesehen, wobei die technische Schwierigkeit der Ermittlung der Atemfrequenz aus der Abhängigkeit des Gefäßdrucks vom Thoraxdruck durch unten beschriebene Auswerteverfahren gelöst ist und vorzugsweise ein leistungsarmer, batteriebetriebener Betrieb eines mobilen Messgerätes möglich ist.
Die Größenordnung des Thoraxdrucks ist vom Atemmuster des spontan atmenden Patienten abhängig. Ein flaches, schnelles Atmen erzeugt geringe Druckwechsel von ca. 5 mbar bei der Exspiration und –5 mbar bei der Inspiration. Ein tiefes, schnelles Atmen kann Druckwechsel von ± 20 mbar erreichen. Ein erhöhter Atemwegswiderstand erhöht bei gleichem Atemmuster die Amplitude des Druckwechsels. Die Frequenzen der Atmung liegen zwischen 0,1 Hz und 1 Hz und weisen in der Regel keinerlei Oberwellen auf, da die Anregungen durch Brustkorb- oder Zwerchfellbewegungen oberwellenarm ist. Die Druckwechsel überlagern sich mit dem deutlich stärkeren Druckwechsel, der vom Bluttransport stammt und mit der Herzfrequenz alterniert. Die Amplitude des Druckwechsels vom Bluttransport liegt bei 100 mbar bis 270 mbar, wobei die Frequenzen zwischen 1 Hz und 3 Hz liegen und deutliche Oberwellen als zwei und dreifache Harmonische Frequenzen aufweisen. Das Gefäßsystem als Tiefpass reduziert weitere höhere Frequenzen. Als äußere Störgrößen müssen insbesondere kurzfristige Veränderungen des umliegenden Gewebes, wie z.B. der Muskeln, betrachtet werden. Die veränderte, äußere Spannung wirkt sich auf die Dehnbarkeit der Gefäße aus und kann beispielsweise bei Erhöhung des äußeren Drucks der Muskeln den Gefäßdruck vermindert erscheinen lassen, ohne die Druckverhältnisse im Gefäß prinzipiell verändert zu haben. Besonders bei äußeren Druckeinflüssen, die während der Messdauer periodisch mit einer Frequenz im Bereich der Atemfrequenz auftreten, ist eine klare Ursachentrennung von den Einflüssen des Thoraxdrucks schwierig. Eine Auswertung der mit dem Bluttransport verbundenen zweiten und dritten Oberwelle, die bei äußeren Einflüssen häufig steilere Gradienten und damit auch höhere Oberwellenanteile aufweist, kann diese Schwierigkeit lösen. Die während der Messung des Wechselstromwiderstandes gemes senen Signale werden automatisch so verarbeitet und ausgewertet, dass daraus eine Bestimmung der Atemfrequenz erlaubt wird.
Das Messgerät zur Bestimmung der Atemfrequenz mittels Elektro-Impedanzplethysmographie umfasst eine Steuer- und Ausleseeinheit, die über mindestens zwei Elektroden mit dem Körper des Patienten verbunden ist und durch die ein Wechselstrom eingespeist wird, z.B. im Bereich von einigen μA mit einer Leistung von ca. 0,05 μW; die Einspeisung erfolgt so, dass die Stromrichtung und die Blutflussrichtung in der stromdurchflossenen Körperumgebung eine Achse bilden. Die gewählte Körperumgebung dient dabei zur Messung der Gefäßweitung und sollte vorzugsweise wenig äußeren Druckveränderungen durch Muskelbewegungen ausgesetzt sein, wie dies z.B. im Bereich des Schlüsselbeins der Fall ist.
Vorzugsweise erfolgt die Messung über ein zusätzliches Messelektrodenpaar in einer 4-Elektroden-Anordnung. Hier liegt der Vorteil in einer fast stromlosen Messung des Spannungsabfalls, der unabhängig von den Übergangswiderständen zwischen den Elektroden und der Haut bestimmt werden kann. Das gemessene Signal besteht aus einer Wechselspannung auf einer Trägerfrequenz der eingespeisten Wechselspannung von beispielsweise 50 kHz als Maß für die Impedanz der stromdurchflossenen Körperumgebung. Durch die im Gegensatz zu den zu erfassenden Frequenzen des Gefäßdrucks hohe Trägerfrequenz von 50 bis 100 kHz ist die Möglichkeit der Signalweiterverarbeitung mittels Filterung, Glättung, Offset-Eliminierung, usw. gewährleistet. Der zu erfassende Frequenzbereich reicht mit bis zu 10 Hz an die dritte Oberwelle des Bluttransports. Vorzugsweise wird das deutliche Signal der Herzfrequenz als Qualitätsmaß für die Erfassung der Wechselspannung herangezogen. Die Abtastrate liegt demnach bei 100 Hz oder höher. Die Amplitude des Wechselspannungssignals ist mit der Gefäßweite moduliert, wobei eine kleine Amplitude einem engen Gefäßzustand entspricht und eine Weitung des Gefäßes zu einem Anstieg der Signalamplitude führt. Durch eine Faltung des Signals mit der Trägerfrequenz wird das Rohsignal demoduliert und ein Nutzsignal extrahiert. Bei der anschließenden Auswertung des aufgezeichneten Nutzsignals bieten sich für die Erkennung einzelner diskreter Frequenzen vier vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens an.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Fast-Fourier-Transformation verwendet, wobei das Signal als Funktion der Zeit in eine Funktion der Frequenz transformiert wird. Dabei müssen zur Reduzierung von Artefakten längere Signalverläufe betrachtet werden. Aus der Fast-Fourier-Transformation ergibt sich das Frequenzspektrum des Signals, nicht aber dessen Phasenlage.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Autokorrelation verwendet, wobei ein Abschnitt des Signals mit sich selbst multipliziert und summiert wird, nachdem eines um eine Zeit versetzt wurde. Dieses Vorgehen wird für alle für den Frequenzbereich interessanten Zeiten wiederholt und die Korrelation als Summe gegen den Zeitversatz aufgetragen. Es ergibt sich eine hohe Summe bei hoher Deckung mit der Periodizität des Signals.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein Lock-In-Verfahren verwendet, wobei das Nutzsignal mit einem periodischen Signal fester Frequenz und Amplitude multipliziert wird. Es ergibt sich der Verlauf des Amplitudenanteils für diese Frequenz, wobei auch der Phasenwinkel bestimmt werden kann. Dieses Vorgehen wird mit den interessanten Frequenzen wiederholt und die Amplituden als Funktion der Frequenz aufgetragen, sodass sich die spektralen Anteile des Signals zeigen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden durchstimmbare Filter verwendet, wobei das Signal mit eifern Bandpassfilter bewertet wird. Diese Bewertung wird im gesamten interessanten Frequenzbereich für einzelne Frequenzbänder durchgeführt. Über eine Parallelschaltung mehrerer Filter kann so ein Amplituden- und Phasenverhältnis für Harmonische Frequenzen bestimmt werden.
Die vier zuvor aufgeführten vorteilhaften Ausführungsformen eignen sich sowohl für die Bestimmung der Herz- als auch der Atemfrequenz.
Das zu messende Wechselspannungssignal kann aber auch zusätzlich zur Erfassung einer Pulswellenlaufzeit ausgewertet werden. Hierfür ist der Spannungsabfall mittels mindestens zweier Messelektrodenpaare zusätzlich zu den zwei Einspeiseelektroden in einer 6-Elektroden-Anordnung zu messen. Vorzugsweise sind die beiden Messelektrodenpaare auf der Achse zwischen den Einspeiseelektroden in einem Abstand von mindestens einigen Zentimetern am Körper angebracht. Dabei dient ein Paar der Messung des Wechselspannungssignals an einem bezüglich des Blutflusses im Gefäß stromaufwärts gelegenen Punkt und das andere Paar der Messung desselben Signals an einem bezüglich des Blutflusses im Gefäß stromabwärts gelegenen Punkt. Durch die Laufzeit der Pulswelle im Gefäß ist das Signal vom stromabwärtigen Punkt um einen Zeitversatz t versetzt zu dem vom stromaufwärtigen Punkt. Beide Signale werden mit dem Trägersignal multipliziert oder anderweitig gefiltert und auf eine mittlere Amplitude normiert verstärkt. Die Anpassung der Verstärkung wird langsam mit einer Frequenz von weniger als 0,1 Hz im Vergleich zu den betrachteten Pulswellenfrequenzen im Bereich von 1 Hz durchgeführt. Durch Vergleich der Signale mittels Subtraktion oder Division wird die Signalverarbeitung kontrolliert. Die Pulswellengeschwindigkeit v wird aus dem Zeitversatz t und dem Ortsversatz L mit v = L/t berechnet, wobei sich L aus dem Abstand der Messelektrodenpaare voneinander ergibt und entweder geschätzt, gemessen oder durch eine gemeinsame feste Verbindung festgelegt ist.
Bei bekanntem Blutdruck stellt die Pulswellengeschwindigkeit ein Maß für die Elastizität des Gefäßes oder in der Annahme einer unveränderten Gefäßelastizität ein Maß für den Blutdruck dar.
Über dieses Maß für den Blutdruck kann nach Kalibration mit einer unabhängigen Blutdruckmessung, z.B. einer oszillatorischen Blutdruckmessung mittels Oberarmmanschette, kontinuierlich ein absolutes Maß für den Blutdruck bestimmt werden. Der Vorteil liegt hierbei in der erheblichen Reduzierung der Beeinträchtigungen für den Patienten, insbesondere für dessen Bewegungsfreiheit.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 erläutert, in denen:
1: das Messsignal und dessen Anteile aufgrund von Herzschlag und Atmung als Funktion der Zeit zeigt;
2: die Autokorrelation des Messsignals zeigt; und
3: eine mögliche Anbringung der Elektroden am Patientenkörper zeigt.
1 zeigt in der Kurve, die in der Legende als „Messwert" bezeichnet ist, eine Aufzeichnung des Wechselspannungssignals in mV als Funktion der Zeit in ms nach der Faltung des Rohsignals mit der Trägerfrequenz, d.h. nachdem der Tägerfrequenzsignalanteile entfernt sind. Dieses aus der Faltung mit der Trägerfrequenz gewonnene Mess- oder Nutzsignal setzt sich aus den Hauptfrequenzenanteilen für die Herzaktivität (1–3 Hz) und für die Atmung (0.1–1 Hz) zusammen. Diese Frequenzanteile des Messsignals sind in den unteren Kurven dargestellt und in der Legende mit „Herzsignal" und „Atmung" bezeichnet.
2 zeigt das Ergebnis der Autokorrelation des Nutzsignals in Einheiten von mV²·ms als Funktion des für die Autokorrelation benutzten Zeitversatzes τ in ms. Rausch- und Störsignale sammeln sich im Bereich kleiner Werte für τ an, sodass dort ein Signal-Rausch-Verhältnis abgelesen werden kann. Für große Werte von τ zeichnet sich von Störfrequenzen bereinigt eine Atemfrequenz von 0.33 Hz als periodische Amplitudenmodulation der Korrelation ab. Die überlagerte Modulation mit einer Periodendauer von τ = 0.5 s entspricht einer Herzfrequenz von 2 Hz.
3 zeigt die Anordnung der Elektroden in der Region des Schlüsselbeins des Patienten in einer Reihe im Bereich eines die Schulter entlang lateral führenden Gefäßes für eine 6-Elektroden-Anordnung wie sie für die Bestimmung der Pulswellenlaufzeit benötigt ist. Außen in der Reihe liegen die Einspeiseelektroden 2 und jeweils ein Messelektrodenpaar 4 ist stromaufwärts bezüglich der Blutflussrichtung angebracht und das andere entsprechend stromabwärts.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Atemfrequenz eines Patienten mittels Gefäßplethysmographie, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer über eine Mehrzahl von Elektroden mit dem Körper verbundene Steuer- und Auswerteeinheit die elektrische Impedanz zwischen wenigstens zwei Elektroden erfasst wird, wozu die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, eine Wechselspannung durch den Körper zu leiten und zwischen wenigstens zwei Elektroden ein Maß der Impedanz zu erfassen, die erfassten Werte für das Maß der Impedanz automatisch als Funktion der Zeit aufzuzeichnen und auszuwerten, um daraus die Atemfrequenz zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die angelegte Wechselspannung als auch die Aufzeichnung und Auswertung der gemessenen Signale in kontinuierlichem Betrieb erfolgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Signalen auch die Herzfrequenz mittels Plethysmographie bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und einem Verfahren einer Fast-Fourier-Transformation ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und einem Verfahren einer digitalen Korrelation ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und einem Verfahren einer digitalen Filterdurchstimmung ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und eines digitalen Lock-In-Verfahrens ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale automatisch mittels digitaler Filter ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der gemessenen Signale aufgrund einer Fehlerbestimmung auch ein Wert für die Aussagesicherheit über die Messergebnisse bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zusätzliche Messelektrodenpaare um eine bestimmte Strecke voneinander entfernt am stromdurchflossenen Körpersegment angebracht und mit der Steuer- und Auswerteienheit verbunden sind, und die Laufzeit der Pulswelle für die Strecke zwischen den Messelektrodenpaaren gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messelektrodenpaare mit größtmöglichem Abstand zwischen zwei Elektroden zum Einspeisen der Wechselspannung angebracht sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Pulswellenlaufzeit aufgrund einer Fehlerbestimmung auch ein Wert für die Aussagesicherheit über die Pulswellenlaufzeit bereitgestellt wird.
Messgerät zur Bestimmung der Atemfrequenz eines Patienten mittels Gefäßplethysmographie, gekennzeichnet durch eine über eine Mehrzahl von Elektroden (2, 4) mit dem Körper verbundene Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu vorbereitet ist, eine Wechselspannung durch den Körper zu leiten und zwischen wenigstens zwei Elektroden ein Maß der Impedanz zu erfassen, die erfassten Werte für das Maß der Impedanz automatisch als Funktion der Zeit aufzuzeichnen und auszuwerten, um daraus die Atemfrequenz zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, sowohl die angelegte Wechselspannung als auch die Aufzeichnung und Auswertung der gemessenen Signale kontinuierlich zu betreiben.
Messgerät nach einem der Anprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, aus den gemessenen Signalen auch die Herzfrequenz mittels Plethysmographie zu bestimmen.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und einem Verfahren der Fast-Fourier-Transformation zu verarbeiten und auszuwerten.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und einem Verfahren der digitalen Korrelation zu verarbeiten und auszuwerten.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und einem Verfahren der digitalen Filterdurchstimmung zu verarbeiten und auszuwerten.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, die gemessenen Signale automatisch mittels analoger Filterung und eines digitalen Lock-In-Verfahrens zu verarbeiten und auszuwerten.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, die gemessenen Signale automatisch mittels digitaler Filter zu verarbeiten und auszuwerten.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, bei der Aufzeichnung und Auswertung der gemessenen Signale auch Werte für die Aussagesicherheit über die Messergebnisse bereitzustellen.
Messgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zusätzliche Messelektrodenpaare um eine bestimmte Strecke voneinander entfernt am stromdurchflossenen Körpersegment angebracht und mit der Steuer- und Auswerteienheit verbunden sind und die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, die Laufzeit der Pulswelle für die Strecke zwischen den Messelektrodenpaaren zu messen.
Messgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu vorbereitet ist, bei der Bestimmung der Pulswellenlaufzeit auch einen Wert für die Aussagesicherheit über die Pulswellenlaufzeit bereitzustellen.