DE102010030714B4

DE102010030714B4 - Verfahren zur Bestimmung von R-Zacken in einem EKG-Signal, EKG-Messvorrichtung und Magnetresonanzgerät

Info

Publication number: DE102010030714B4
Application number: DE102010030714.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Rössler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2030-07-01
Also published as: DE102010030714A1; US8509883B2; US20120004568A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von R-Zacken in EKG-Signalen umfassend folgende Schritte:
– Messen (205) von EKG-Signalen eines Patienten, in denen R-Zacken bestimmt werden sollen, mittels einer EKG-Messvorrichtung,
– Vergleichen (207) von Referenzgrößen entsprechenden Werten der gemessenen EKG-Signale mit den jeweiligen Referenzgrößen anhand von mindestens zwei Vergleichsvorschriften, wobei die zweite Vergleichsvorschrift abhängig von einem Ergebnis eines ersten Vergleichs gemäß der ersten Vergleichsvorschrift ist, und
– Abgeben (209) eines Signals, dass eine R-Zacke erkannt wurde, wenn mindestens der erste Vergleich und ein zweiter Vergleich gemäß der zweiten Vergleichsvorschrift zu einem positiven Ergebnis geführt haben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von R-Zacken in einem EKG-Signal, eine EKG-Messvorrichtung und ein Magnetresonanzgerät.
EKG-Messvorrichtungen werden in erster Linie zur Messung und Überwachung der Herzfunktion eines Patienten eingesetzt, dazu wird typischerweise über mindestens zwei Elektroden die Summenspannung der elektrischen Aktivität der Herzmuskelfasern als so genanntes „EKG-Signal” gemessen. In 1 ist beispielhaft ein idealer Verlauf eines solchen EKG-Signals als Spannung U über der Zeit dargestellt. Charakteristische Verläufe des EKG-Signals sind nach Einthoven mit den Buchstaben P, Q, R, S und T gekennzeichnet und geben üblicherweise die verschiedenen Phasen eines Herzschlags wieder.
Es gibt neben der reinen Überwachung der Herzfunktion eines Patienten noch weitere Anwendungen. Beispielsweise werden EKG-Signale auch bei der medizinischen Bildgebung zur Erzeugung von Trigger-Signalen verwendet. Über das EKG-Signal wird während der Bildgebung Information über die Herzphase gewonnen, um damit die Bildgebung mit der Herztätigkeit zu synchronisieren. Insbesondere bei Bildgebungsverfahren, die eine längere Aufnahmezeit benötigen, können so Herzaufnahmen oder auch Aufnahmen von Bereichen, die durch den Herzschlag bewegt werden, mit hoher Qualität erstellt werden.
Auch während einer Untersuchung eines Patienten mittels eines Magnetresonanzgeräts werden EKG-Messvorrichtungen zur in-situ-Aufnahme von EKG-Signalen verwendet. Dabei stellt der Betrieb im Magnetresonanzgerät wegen der dort zur Bildgebung verwendeten starken Gradientenfelder und hochfrequenten Felder jedoch besondere Anforderungen an die EKG-Messvorrichtung, um eine gegenseitige Störung von Magnetresonanzgerät und EKG-Messvorrichtung zu verhindern. EKG-Messvorrichtungen, die im oben angegebenen Sinn Magnetresonanz-kompatibel sind, sind auf dem Markt erhältlich.
Die Bestimmung von R-Zacken in EKG-Signalen ist für eine zuverlässige Triggerung unerlässlich. Diese Bestimmung wird jedoch z. B. durch im Magnetfeld auftretende T-Wellenüberhöhungen erschwert.
Ein weiteres, großes Problem für eine zuverlässige EKG-Signalmessung stellen auch nach wie vor sich zeitlich ändernde Magnetfelder dar, wie sie im Magnetresonanzgerät als magnetische Gradientenfelder zur Ortskodierung verwendet werden. Derartige sich zeitlich ändernde Magnetfelder erzeugen nach dem Induktionsgesetz Störspannungen, die in dem von den EKG-Elektroden aufgenommenen EKG-Signal als Störung eingekoppelt werden. Derartige magnetisch erzeugte Störsignale überlagern sich mit dem vom Herzen erzeugten EKG-Signal und verfälschen dieses.
Diese Störungen sind höchst unerwünscht. Zur Synchronisation einer Aufnahme eines Magnetresonanzbildes mit dem Herzschlag ist eine zuverlässige Erkennung der R-Zacke des EKG-Signals erforderlich. Die Störsignale können z. B. wegen ihrer oftmals ähnlichen Form irrtümlich als eine R-Zacke interpretiert werden und somit fälschlicherweise eine Triggerung einer Aufnahme eines Magnetresonanzbildes auslösen. Andererseits kann es auch vorkommen, dass eine „echte” R-Zacke wegen der überlagerten Störsignale nicht als solche erkannt wird. Dies führt regelmäßig zu einer deutlichen Verschlechterung der Bildqualität.
Bisher wird versucht diese Problematik dadurch zu lösen, dass als mögliche R-Zacke bewertete Signale vor einer Triggerung weiter einer einfachen Schwellenwertprüfung unterworfen werden. Diese Schwellenwertprüfung sieht in der Regel einen nicht zu überschreitenden Maximalwert sowie einen nicht zu unterschreitenden Minimalwert vor. Wird der Maximalwert überschritten, wird davon ausgegangen, dass eine Störeinkopplung durch die Gradientenfelder vorlag. Wird der Minimalwert unterschritten, geht man davon aus, fälschlicherweise eine T-Welle als R-Zacke bewertet zu haben. In beiden Fällen wird kein Triggersignal abgegeben.
Eine weitere Schwierigkeit sind Änderungen der Messbedingungen für die EKG-Messvorrichtung. Beispielsweise ist es bei bestimmten MR-Untersuchungen erforderlich, dass der untersuchte Patient seinen Atem eine gewisse Zeit lang anhält. Dadurch wird auch das gemessene EKG-Signal beeinflusst, was eine Detektion einer R-Zacke weiter erschweren kann.
Aus der US 6 070 097 A ist ein Magnetresonanzsystem bekannt, welches ein EKG-Signal von einem Patienten empfängt und ein Triggersignal für eine kardiologische Magnetresonanzuntersuchung unter Verwendung des EKG-Signals erzeugt. Das Triggersignal wird dabei erzeugt, wenn eine R-Zacke in dem EKG-Signal erkannt wurde. Zur Erkennung der R-Zacke können dabei verschiedene Kriterien, wie beispielsweise das Vorliegen einer bestimmten Steigung im EKG-Signal oder das Vorliegen einer minimalen Amplitude im EKG-Signal, geprüft werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine EKG-Messvorrichtung und ein Magnetresonanzgerät anzugeben, die eine zuverlässige Detektion von R-Zacken von in dem Magnetresonanzgerät gemessenen EKG-Signalen auch bei geänderten Messbedingungen erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine EKG-Messvorrichtung gemäß Anspruch 11 bzw. ein Magnetresonanzgerät gemäß Anspruch 12.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von R-Zacken in einem EKG-Signal umfasst folgende Schritte:

– Messen von EKG-Signalen eines Patienten, in denen R-Zacken bestimmt werden sollen, mittels einer EKG-Messvorrichtung,
– Vergleichen von Referenzgrößen entsprechenden Werten der gemessenen EKG-Signale mit den jeweiligen Referenzgrößen anhand von mindestens zwei Vergleichsvorschriften, wobei die zweite Vergleichsvorschrift abhängig von einem Ergebnis eines ersten Vergleichs gemäß der ersten Vergleichsvorschrift ist, und
– Abgeben eines Signals, dass eine R-Zacke erkannt wurde, wenn mindestens der erste Vergleich und ein zweiter Vergleich gemäß der zweiten Vergleichsvorschrift zu einem positiven Ergebnis geführt haben.

Durch die Abhängigkeit der zweiten Vergleichsvorschrift von dem Ergebnis der ersten Vergleichsvorschrift kann geschickt auf Veränderungen der Messbedingungen, welche sich auf das Ergebnis der ersten Vergleichsvorschrift auswirken, reagiert und diese bei weiteren Vergleichen mit berücksichtigt werden. Damit kann die Detektion von R-Zacken in einem gemessenen EKG-Signal optimiert werden, was wiederum zu einer Verbesserung der Bildqualität bei EKG-getriggerten MR-Untersuchungen führt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Vergleich mit einer Vergleichsvorschrift mindestens eine komplexe Zahl verwendet, deren Realteil die zeitliche Ableitung eines Referenz-Signalwertes eines ersten Kanals einer EKG-Messvorrichtung und deren Imaginärteil die zeitliche Ableitung eines Referenz-Signalwertes eines zweiten Kanals der EKG-Messvorrichtung ist, wobei die Referenz-Signalwerte des ersten und des zweiten Kanals jeweils zu einem gleichen Zeitpunkt gemessen wurden. Diese Referenzgröße wird mit einer entsprechenden Größe, also einer komplexen Zahl, deren Realteil die zeitliche Ableitung eines aktuellen Signalwertes des ersten Kanals der EKG-Messvorrichtung und deren Imaginärteil die zeitliche Ableitung eines zum gleichen Zeitpunkt gemessenen aktuellen Signalwertes des zweiten Kanals der EKG-Messvorrichtung ist, verglichen. Die erste zeitliche Ableitung eines Signals kann ohne großen Aufwand ermittelt werden und erlaubt insbesondere bei EKG-Signalen bereits aussagekräftige Vergleiche anzustellen.
Eine mögliche erste Vergleichsvorschrift umfasst die Anwendung eines Optimalfilters und Ausgabe eines Ähnlichkeitswertes als Ergebnis. Ähnlichkeitswerte geben die Korrelation der verglichenen Größen wieder und eignen sich somit besonders, um gleiche Muster zu identifizieren. Da das EKG-Signal und auch dessen zeitliche Ableitung ein periodisches Muster aufweist, eignet es sich für eine Analyse mit Optimalfiltern.
Eine mögliche zweite Vergleichsvorschrift umfasst eine Bestimmung einer Abweichung der Referenzgröße von einer entsprechenden Größe des gemessenen EKG-Signals multipliziert mit einem von dem Ähnlichkeitswert abhängigen Faktor, wobei die Abweichung insbesondere über die Bestimmung eines Fehlers, insbesondere die Summe der Fehlerquadrate, erfolgt. Eine Bestimmung einer Abweichung eines Referenzwertes und eines aktuellen Wertes, der von einem Ähnlichkeitswert abhängig gemacht wird, erlaubt eine Berücksichtigung des Grades der Ähnlichkeit bei dem Vergleich. Im Gegensatz zu einem direkten Vergleich zweier Werte ohne weitere Abhängigkeit von Ähnlichkeitswerten kann so eine systematische Veränderung erkannt und berücksichtigt werden.
Eine erfindungsgemäße EKG-Messvorrichtung umfasst eine Verarbeitungseinheit, eine Recheneinheit und eine Speichereinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät umfasst eine EKG-Messvorrichtung, eine Verarbeitungseinheit, eine Recheneinheit und eine Speichereinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das abgegebene Trigger-Signal zur Triggerung von Messungen mit dem Magnetresonanzgerät verwendet wird.
Für eine erfindungsgemäße EKG-Messvorrichtung und ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät gelten die verfahrensbezogenen Vorteile analog.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Figuren. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
1 beispielhaft einen idealen Verlauf eines EKG-Signals über der Zeit,
2 eine schematische Darstellung eines Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einer EKG-Messvorrichtung und einem Magnetresonanzgerät,
3 schematisch eine EKG-Messvorrichtung und
4 eine beispielhafte Trajektorie von der ersten zeitlichen Ableitung von Signalverläufen zweier EKG-Signale unter einer Änderung der Messbedingungen.
Anhand der 2 und 3 wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer EKG-Messvorrichtung und einem Magnetresonanzgerät erläutert.
Während einer Untersuchung befindet sich ein Patient mit einer angelegten EKG-Messvorrichtung 10 in dem Magnetresonanzgerät 100. Das Magnetresonanzgerät 100 sowie die EKG-Messvorrichtung sind hier nur schematisch als Block dargestellt, da der prinzipielle Aufbau aus Magneteinheit, Hochfrequenzspulen, Gradientenspuleneinheit, Liege, Steuereinheiten eines Magnetresonanzgeräts sowie der prinzipielle Aufbau einer EKG-Messvorrichtung mit EKG-Elektroden und Verstärker-/Filtereinheiten zur Messung einer Spannung zwischen zwei EKG-Elektroden bekannt ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Magnetresonanzgerät 100 insbesondere eine EKG-Messvorrichtung 10, eine Verarbeitungseinheit 9, eine Recheneinheit 8 und eine Speichereinheit 8a. Die getrennte oder zusammengelegte Darstellung dieser Einheiten ist nicht unbedingt körperlich, sondern vielmehr als eine Trennung bzw. Zusammenfassung nach Sinneinheiten zu verstehen.
Die EKG-Messvorrichtung 10, die Verarbeitungseinheit 9, die Recheneinheit 8 und die Speichereinheit 8a sind mit dem Magnetresonanzgerät 100 und untereinander zur Übermittlung von Daten verbunden.
Die EKG-Messvorrichtung 10 ist als zwei EKG-Kanäle 1 und 2 umfassend dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit EKG-Messvorrichtungen mit mehr als 2 EKG-Kanälen durchführbar, jedoch sind zwei EKG-Kanäle, wie weiter unten genauer ausgeführt wird, für eine besonders zuverlässige und aufwandsarme Bestimmung von R-Zacken in EKG-Signalen bereits ausreichend geeignet.
Dabei gibt ein EKG-Kanal 1,2 ein EKG-Signal aus, das die EKG-Messvorrichtung 10 aus einer Spannung zwischen zwei an dem Patienten anliegenden EKG-Elektroden (nicht dargestellt) ermittelt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in einem ersten Schritt 201 je ein Referenz-EKG-Signal an den Kanälen 1 und 2 der EKG-Messvorrichtung 10 gemessen. Dabei werden die Referenz-EKG-Signale vorteilhaft in einer nicht durch äußere Einflüsse gestörten Umgebung, z. B. im Magneten des Magnetresonanzgeräts 100, ohne dass Gradientenfelder in dem Magnetresonanzgerät 100 geschalten werden, aufgenommen. In einem weiteren Schritt 203a wird die R-Zacke in jedem Referenz-EKG-Signal, z. B. auf eine der im Stand der Technik bekannten Weisen, bestimmt.
Aus den Referenz-EKG-Signalen wird weiter (Schritt 203b) mindestens eine Referenzgröße bestimmt, die das Referenz-EKG-Signal in einem Zeitintervall annimmt, das vorteilhaft vor der R-Zacke des EKG-Signals beginnt und bis maximal zum Zeitpunkt des Auftretens der R-Zacke andauert. Es kann sich somit bei der Referenzgröße auch um einen Verlauf einer aus dem EKG-Signal ermittelten Größe über eine Zeitdauer in dem Zeitintervall handeln. Die Referenzgröße kann auch auf andere Weise bestimmt werden, doch kann durch eine solche Ermittlung der Referenzgröße sichergestellt werden, dass die Referenzgröße mit einem später an demselben Patienten mit derselben EKG-Messvorrichtung gemessenen EKG-Signal besonders gut vergleichbar ist, da eine große Ähnlichkeit der Referenz-EKG-Signale und der später gemessenen aktuellen EKG-Signale zu erwarten ist. Die Größe des Zeitintervalls kann dabei weitgehend frei vorgegeben werden.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt das Zeitintervall z. B. innerhalb der Steigung des EKG-Signals zwischen den mit „Q” und „R” bezeichneten Punkten (siehe 1). Wird mehr als ein EKG-Kanal 1, 2 erfasst, beginnt das Zeitintervall vorteilhaft, sobald in einem der Kanäle 1, 2 der Beginn der Steigung zwischen „Q” und „R” detektiert wird, und endet, sobald im letzten der Kanäle 1, 2 das Ende dieser Steigung detektiert wird. Damit hat das Zeitintervall eine Dauer in der Größenordnung von ca. 12 bis 20 Millisekunden, maximal 50 bis 60 Millisekunden, vor der R-Zacke. Bei einer solchen Wahl des Zeitintervalls ist die weitere Analyse von EKG-Signalen innerhalb des Zeitintervalls wegen des dort besonders unterscheidungskräftigen Signalverlaufs, z. B. wegen einer dort relativ großen Amplitude und einer dort relativ großen ersten Ableitung des Signalverlaufs, wie weiter unten beschrieben, gut zu bewerkstelligen.
Das Bestimmen einer Referenzgröße kann dabei z. B. wie in 3 schematisch veranschaulicht durchgeführt werden. Die von den Kanälen 1 und 2 gewonnenen EKG-Signale 3.1 und 3.2 werden einer Verarbeitungseinheit 9 zugeführt, die dazu ausgebildet ist, die EKG-Signale weiter zu verarbeiten. Als mögliche Referenzgröße kann somit einerseits das EKG-Signal 3.1, 3.2, sofern es in dem Zeitintervall liegt, wie es der Verarbeitungseinheit 9 zugeführt wurde, in einer Speichereinheit 8a gespeichert werden. Die Referenzgröße ist somit einfach ein Signalwert über der Zeit, also ein Signalverlauf, eines Kanals der EKG-Messvorrichtung. Gegebenenfalls wird nicht der gesamte Verlauf des EKG-Signals 3.1, 3.2 in dem Zeitintervall als Referenzgröße gespeichert, sondern nur Teile desselben, z. B. einzelne Messpunkte in dem Zeitverlauf. Grundsätzlich sind jedoch möglichst umfassende Signalverläufe aus dem Zeitintervall allein wegen der höheren Datenmenge und der dadurch möglichen Mittelung über die Daten als sicherere Referenzgröße einzelnen Messpunkten vorzuziehen. Eine solche Mittelung kann weiterhin auch über mehrere aufgenommene Signalverläufe von Referenz-EKG-Signalen erfolgen.
Vorteilhaft wird ein EKG-Signal 3.1, 3.2 in der Verarbeitungseinheit 9 einer Ableitungsbildungseinheit 4 zugeführt, die die zeitliche Ableitung des jeweiligen EKG-Signals 3.1, 3.2 als Referenzgröße an die Speichereinheit 8a weiterführt. Die Speicherung dieser zeitlichen Ableitung als Referenzgröße kann zusätzlich oder alternativ zu der Speicherung des EKG-Signals 3.1, 3.2 selbst als Referenzgröße erfolgen. Dabei kann durch die Ableitungsbildungseinheit 4 neben einer ersten zeitlichen Ableitung des jeweiligen EKG-Signals 3.1, 3.2 auch eine zweite zeitliche Ableitung des jeweiligen EKG-Signals 3.1, 3.2 ermittelt und an die Speichereinheit 8a weitergeführt werden.
Ein Vorteil der Verwendung der jeweiligen zeitlichen ersten und ggf. zweiten Ableitungen der beschriebenen Größen ist, dass diese nicht etwaigen Offsetschwankungen unterworfen sind.
Aus den gespeicherten Referenzgrößen werden in weiteren Schritten eine erste Vergleichsvorschrift (203c) und eine zweite Vergleichsvorschrift (203d) erstellt. Dies geschieht in einer Recheneinheit 8, die Zugriff auf die in der Speichereinheit 8a gespeicherten Referenzgrößen hat, und an die später gemessene EKG-Signale, ggf. in verarbeiteter Form geleitet werden können. Die Vergleichsvorschriften geben als Ergebnis an, wie später gemessene EKG-Signale, in denen eine R-Zacke bestimmt werden soll, mit den Referenzgrößen korrelieren müssen, wenn eine R-Zacke vorliegt.
Eine erste Vergleichsvorschrift kann die Anwendung eines Optimalfilters und Ausgabe eines Ähnlichkeitswertes als Ergebnis umfassen. Ein Optimalfilter (engl. „matched filter”, MF) bestimmt die Ähnlichkeit einer Kurve, hier z. B. des Verlaufs des später gemessenen EKG-Signals oder einer einer Referenzgröße entsprechenden Größe des EKG-Signals im Zeitintervall, hier Δt, als Vergleichswert, mit einer vorgegebenen Kurve, hier einer Referenzgröße, z. B. dem Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung der Referenz-EKG-Signale. Mathematisch geschieht dies vorteilhaft über Bilden der Korrelation von Referenzgröße und entsprechender Größe, z. B. vorteilhaft nach folgender Formel:
wobei LX(t) die Referenzgröße, X(t) die gemessene entsprechende Vergleichsgröße, die jeweils als komplexwertige Größe dargestellt sind, Δt das Zeitintervall und α ein Normalisierungsfaktor ist, der sicherstellt, dass MF(τ) gleich eins ist, wenn X(t) identisch mit der vorher bestimmten Referenzgröße LX(τ) ist. Das „*” bedeutet, wie bei komplexen Zahlen üblich, dass die konjugiert-komplexe Größe eingesetzt wird. Eine vorteilhafte Wahl des Normierungsfaktors ist die reziproke Summe der quadrierten Referenzgrößenwerte über das Zeitintervall. Dieser Wert kann auch als „Energie” der Referenzgröße im Zeitintervall bezeichnet werden.
Ein positives Ergebnis dieses Vergleichskriteriums ist somit ein Vergleichswert gleich eins (Idealwert), bzw. ein Wert, der maximal einen vorgebbaren kleinen Schwellwert ε_U nach unten bzw. ε_O nach oben von eins abweicht. Die obere bzw. untere Schwelle ε_O bzw. ε_U kann dabei je nach gewünschter Genauigkeit gewählt werden.
Es hat sich gezeigt, dass Änderungen in den Messbedingungen Änderungen in den gemessenen EKG-Signalen und somit auch in aus den gemessenen EKG-Signalen abgeleiteten Größen verursachen. Ein Beispiel ist in 4 gezeigt, wo eine Trajektorie der ersten zeitlichen Ableitung eines an einem ersten Kanal einer EKG-Messvorrichtung gemessenen EKG-Signals (dCH1) gegen die erste zeitliche Ableitung eines an einem zweiten Kanal der EKG-Messvorrichtung gemessenen EKG-Signals (dCH2) aufgetragen ist. Wie zu sehen ist, umfasst die Trajektorie eine große Schleife S, auf welcher der Punkt A eine R-Zacke markiert, welche nach Eintritt der Änderung der Messbedingungen, hier Änderung der Atmung des Patienten, um einen Winkel α verkippt ist und nunmehr in der Schleife S' verläuft, wodurch nun eine R-Zacke durch den Punkt B repräsentiert wird. Die Punkte A und B lassen sich somit über eine Drehung um den Winkel α ineinander überführen.
Wurde hierbei die Referenzgröße „erste zeitliche Ableitung des EKG-Signals” vor der Änderung der Messbedingungen ermittelt, so wird erwartet, dass wieder eine R-Zacke vorliegt, wenn die zeitliche Ableitung des aktuellen EKG-Signals auf dem Punkt A liegt und die nach der Änderung auf Punkt B liegenden R-Zacken werden nicht mehr ordnungsgemäß erkannt.
Der Vergleich einer solchen Referenzgröße mit einem solchen aktuellen entsprechenden Wert mit dem obigen Optimalfilter liefert nicht den Idealwert eins („1”), sondern exp(i·(–α)), wobei i die sogenannte imaginäre Einheit, also i = √–1 ist.
Um in diesem Fall trotzdem ein positives Ergebnis des Vergleichskriteriums Optimalfilter zu erhalten, kann statt der obigen Forderung, dass der Vergleichswert direkt gleich eins (Idealwert), bzw. ein Wert, der maximal einen vorgebbaren kleinen Schwellwert ε_U nach unten bzw. ε_O nach oben von eins abweicht ist, gefordert werden, dass der Betrag des obigen Vergleichswertes, also |MF(τ)|, diese Forderung erfüllt, da |exp(i·R)| = 1, für alle reellen Zahlen R. In diesem Fall umfasst die erste Vergleichsvorschrift damit die Anwendung eines Optimalfilters und Ausgabe des Betrags eines Ähnlichkeitswertes als Ergebnis.
Alternativ oder zusätzlich kann für ein positives Ergebnis des Vergleichs gefordert werden, dass der Winkel α eine obere Grenze α_o nicht übersteigt und eine untere Grenze α_u nicht unterschreitet. Ist der mit dem Optimalfilter ermittelte Winkel zu groß, deutet dies wiederum darauf hin, dass doch keine R-Zacke vorliegt, da die Änderungen in dem EKG-Signal durch die Änderungen in den Messbedingungen in der Regel keine gravierenden sind.
In Schritt 203d kann nun eine zweite Vergleichsvorschrift angewendet werden, welche eine Bestimmung einer Abweichung der Referenzgröße von einer entsprechenden Größe des gemessenen EKG-Signals multipliziert mit einem von dem Ähnlichkeitswert abhängigen Faktor umfasst. Dies kann vorteilhaft derart erfolgen, dass die Referenzgrößen derart aufbereitet werden, dass z. B. die Summe über die Fehlerquadrate von den Referenzgrößen entsprechenden Größen des gemessenen EKG-Signals multipliziert mit exp(i·β) gegenüber den Referenzgrößen bestimmt wird. Die Summe der Fehlerquadrate wird somit z. B. über folgende Formel bestimmt:
wobei LX(t) die Referenzgröße (zeitliche Ableitung des Referenz-EKG-Signals), X(t) die gemessene entsprechende Vergleichsgröße, Δt das Zeitintervall und α_S ein Normalisierungsfaktor ist, der sicherstellt, dass SumQ(τ) gleich null ist, wenn X(t)·exp(i·β) identisch mit der vorher bestimmten Referenzgröße LX(τ) ist.
Hierbei wird β = α gesetzt, falls der Winkel α eine obere Grenze α_o nicht übersteigt und eine untere Grenze α_u nicht unterschreitet und sonst β = 0. Dies führt dazu, dass der Vergleich über eine Abweichung bei kleinen Verkippungen der Trajektorie diese Verkippung mit berücksichtigt, aber bei zu großen Verkippungen, welche darauf hindeuten, dass tatsächlich keine R-Zacke vorliegt, ein „normaler” Vergleich, ohne Berücksichtigung eventueller Verkippungen (exp(i·0) = 1) durchgeführt wird.
Eine vorteilhafte Wahl des Normierungsfaktors ist hierbei wieder die reziproke Summe der quadrierten Referenzgrößenwerte über das Zeitintervall. Dieser Wert kann auch als „Energie” der Referenzgröße im Zeitintervall bezeichnet werden.
Ein positives Ergebnis dieses Vergleichskriteriums ist somit ein Wert gleich Null (Idealwert), bzw. ein Wert, der maximal einen vorgebbaren kleinen Schwellwert ε von Null abweicht.
Eine andere Art der Fehlerberechnung, wie z. B. die Bestimmung des einfachen Fehlers, zur Bestimmung der Abweichung ist je nach angestrebter Genauigkeit ebenfalls denkbar. Die jeweiligen Vor- und Nachteile verschiedener Fehlerberechnungen sind bekannt.
Eine Messung eines Referenz-EKG-Signals und die Schritte bis zur Erstellung der Vergleichsvorschriften (201, 203a, b, c, d) werden vorteilhaft jedes Mal nach Anlegen der EKG-Messvorrichtung 10 an den Patienten vor Durchführung der mit dem Magnetresonanzgerät 100 geplanten, einer Triggerung bedürfender Messungen durchgeführt. Insbesondere wird ein Referenz-EKG-Signal nach Anlegen der EKG-Messvorrichtung 10 an den auf einer Untersuchungsliege des Magnetresonanzgeräts befindlichen Patienten, solange immer wieder durchgeführt, bis der Patient und mit ihm die EKG-Messvorrichtung 10 durch die elektromagnetischen Felder des Magnetresonanzgeräts 100 gestört werden. Auf diese Weise können besonders aktuelle Referenzgrößen bestimmt werden, nachdem eine weitestgehende Stabilisierung der Kontaktierung der EKG-Messvorrichtung 10 mit dem Patienten erfolgt ist, und noch keine störenden Einflüsse des Magnetfeldes des Magnetresonanzgeräts auf die EKG-Messvorrichtung 10 vorliegen.
Es sind weitere Vergleichsvorschriften, wie z. B. Vergleiche von aus dem Referenz-Signal als Referenzgrößen ermittelten Magnituden oder Winkeln mit entsprechenden Magnituden und Winkeln des aktuellen EKG-Signals denkbar, welche parallel abgefragt werden können, um die Detektion der R-Zacke durch die somit noch stärkere Überprüfung des aktuellen EKG-Signals noch sicherer zu gestalten. Die Speicherung mehrerer Referenzgrößen und deren Verwendung für die Erstellung von Vergleichsvorschriften erhöht außerdem die Flexibilität und Stabilität des Verfahrens. Es kann aber auch genügen, nur eine Referenzgröße, z. B. die zeitliche Ableitung, insbesondere die erste zeitliche Ableitung der EKG-Signalwerte auszuwerten.
Sind die Referenzgrößen bekannt und die Vergleichsvorschriften festgelegt, wird die eigentliche EKG-Messung, die zur Triggerung von weiteren Messungen oder Untersuchungen, z. B. mittels des Magnetresonanzgeräts verwendet werden sollen begonnen (Schritt 205). Aus den hierbei gemessenen EKG-Signalen werden analog der mit Bezug auf 3 beschriebenen Vorgehensweise zur Bestimmung der Referenzgrößen den Referenzgrößen entsprechende Vergleichswerte ermittelt (Schritt 205a).
Diese Vergleichswerte (z. B. erste zeitliche Ableitung der Signalwerte) werden anhand mindestens einer ersten und einer von einem Ergebnis der ersten Vergleichsvorschrift abhängigen zweiten Vergleichsvorschrift mit den Referenzwerten verglichen (Schritt 207).
Weiterhin vorteilhaft werden Referenz-EKG-Signale und vor der Bestimmung der Referenzgrößen gemessene EKG-Signale vor der Bestimmung der Vergleichswerte (vgl. 3) einem Glättungsfilter 11, beispielsweise einem Tiefpass, zugeführt, der die EKG-Signale z. B. von hochfrequenten Störungen befreit.
Mit auf diese Weise erhaltenen „geglätteten” Referenzwerten und Vergleichswerten können, insbesondere zusätzlich, analog die oben beschriebenen Schritte 203c, 207 und 209 durchgeführt werden.
Als Bedingung für die Abgabe eines Trigger-Signals können sowohl die Ergebnisse des oben beschriebenen Vergleichs mit den ungeglätteten Werten, als auch die Ergebnisse dieses „geglätteten” Vergleichs positiv sein müssen („und”-Verknüpfung; „AND”) oder die Ergebnisse der beiden Vergleiche können mit einer „oder”-Verknüpfung („OR”) als Bedingung für die Abgabe eines Trigger-Signals herangezogen werden.
Durch Verwendung eines solchen Glättungsfilters 11 wird die Dauer des Verfahrens zwar insgesamt verlängert. Der Nachteil dieser längeren Dauer, die in einer Größenordnung von ca. 2 bis 3 Millisekunden liegt, muss nach Bedarf gegen den Vorteil der störungsfreien Signale für die Auswertung abgewogen werden.
Sind mindestens die Ergebnisse der ersten und der zweiten Vergleichsvorschrift positiv, wird in einem letzten Schritt 209 ein Trigger-Signal abgegeben, das dem Magnetresonanzgerät zugeführt wird und dort eine Messung, z. B. eine Bildaufnahme eines Organs, triggert.
Weitere Bedingungen, die vor Abgabe eines Trigger-Signals erfüllt sein müssen, um Fehltriggerungen weiter zu vermeiden, sind denkbar. Beispielsweise kann so gefordert werden, dass die Abgabe eines Trigger-Signals in Schritt 209 erst dann erfolgt, wenn zusätzlich, nach Feststellung einer ausreichenden Zahl positiver Ergebnisse der bereits beschriebenen Kriterien, die erste zeitliche Ableitung mindestens eines gemessenen EKG-Signalwerts nur noch maximal einen kleinen, vorgebbaren Schwellenwert von Null abweicht. Mit einer solchen Extremumsbedingung wird die Existenz eines Extremums im gemessenen Signalverlauf bestimmt. Somit kann der Zeitpunkt des Vorliegens einer R-Zacke, da dort ein solches Extremum, ein Maximum, vorliegt, besonders genau bestimmt werden, und damit das Trigger-Signal besonders genau abgegeben werden.
Als weitere Bedingung für die Abgabe eines Trigger-Signals kann, z. B. auch in dem im letzten Absatz beschriebenen Fall, nur dann ein Trigger-Signal ausgelöst werden, wenn eine vorgebbare Maximaldauer zwischen einer Feststellung einer ausreichenden Zahl positiver Ergebnisse einerseits und der Bestimmung eines Extremums im gemessenen Signalverlauf andererseits nicht überschritten wird. Eine solche Maximaldauer ist vorteilhaft kleiner oder gleich dem bereits beschriebenen Zeitintervall, besonders vorteilhaft in der Größenordnung von ca. 15 Millisekunden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von R-Zacken in EKG-Signalen umfassend folgende Schritte: – Messen (205) von EKG-Signalen eines Patienten, in denen R-Zacken bestimmt werden sollen, mittels einer EKG-Messvorrichtung, – Vergleichen (207) von Referenzgrößen entsprechenden Werten der gemessenen EKG-Signale mit den jeweiligen Referenzgrößen anhand von mindestens zwei Vergleichsvorschriften, wobei die zweite Vergleichsvorschrift abhängig von einem Ergebnis eines ersten Vergleichs gemäß der ersten Vergleichsvorschrift ist, und – Abgeben (209) eines Signals, dass eine R-Zacke erkannt wurde, wenn mindestens der erste Vergleich und ein zweiter Vergleich gemäß der zweiten Vergleichsvorschrift zu einem positiven Ergebnis geführt haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine der Referenzgrößen eine komplexe Zahl ist, deren Realteil die zeitliche Ableitung eines Referenz-Signalwerts eines ersten Kanals der EKG-Messvorrichtung zu einem Zeitpunkt der Messung und deren Imaginärteil die zeitliche Ableitung eines Referenz-Signalwertes eines zweiten Kanals der EKG-Messvorrichtung zu demselben Zeitpunkt der Messung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine der Referenzgrößen eine chronologische Folge komplexer Zahlen ist, deren Realteil jeweils die zeitliche Ableitung eines Referenz-Signalwerts eines ersten Kanals der EKG-Messvorrichtung zu einem Zeitpunkt der Messung und deren Imaginärteil jeweils die zeitliche Ableitung eines Referenz-Signalwertes eines zweiten Kanals der EKG-Messvorrichtung zu demselben Zeitpunkt der Messung ist, wobei der erste Vergleich und/oder der zweite Vergleich über eine Korrelation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Vergleichsvorschrift die Anwendung eines Optimalfilters und Ausgabe eines komplexen Ähnlichkeitswertes als Ergebnis des ersten Vergleichs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Vergleichsvorschrift die Anwendung eines Optimalfilters und Ausgabe des Betrags eines komplexen Ähnlichkeitswertes als Ergebnis des ersten Vergleichs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite Vergleichsvorschrift eine Bestimmung einer Abweichung der verwendeten Referenzgröße von einer entsprechenden Größe des gemessenen EKG-Signals multipliziert mit einem von dem komplexen Ähnlichkeitswert abhängigen Faktor umfasst, wobei der Faktor gleich dem komplexen Ähnlichkeitswert ist, sofern ein durch den komplexen Ähnlichkeitswert definierter Winkel eine diesbezüglich gewählte obere Grenze nicht übersteigt und eine weitere diesbezüglich gewählte untere Grenze nicht unterschreitet, und gleich Eins ist,
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Abweichung über die Bestimmung eines Fehlers mittels Fehlerberechnung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste Vergleich ein positives Ergebnis hat, wenn der Betrag des komplexen Ähnlichkeitswerts eine gewählte obere Grenze nicht übersteigt und eine gewählte untere Grenze nicht unterschreitet und/oder ein durch den komplexen Ähnlichkeitswert definierter Winkel eine weitere gewählte obere Grenze nicht übersteigt und eine weitere gewählte untere Grenze nicht unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zweite Vergleich ein positives Ergebnis hat, wenn die Abweichung eine gewählte Schwelle nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzgrößen aus einem Referenz-EKG-Signal bestimmt werden, welches an demselben Patienten mit derselben EKG-Messvorrichtung gemessen wurde.
EKG-Messvorrichtung (10), die eine Verarbeitungseinheit (9), eine Recheneinheit (8) und eine Speichereinheit (8a) umfasst, wobei die EKG-Messvorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät (100) mit einer EKG-Messvorrichtung (10), einer Verarbeitungseinheit (9), einer Recheneinheit (8) und einer Speichereinheit (8a), wobei das Magnetresonanzgerät (100) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, wobei das von der Verarbeitungseinheit (9) abgegebene Trigger-Signal zur Triggerung von Messungen mit dem Magnetresonanzgerät (100) verwendet werden kann.