DE102019125062A1 - Method for the automated determination of hemodynamic parameters in a blood vessel on invasively recorded pulse waves - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen von hämodynamischen Parametern in einem Blutgefäß an invasiv aufgezeichneten Pulswellen durch die Analyse dieser Pulswellen und/oder von aus der Gesamtheit ausgewählten Pulswellen, mind. jedoch einer Pulswelle. Die invasive Messung und/oder Ermittlung der Pulswellenparameter (PWPs), insbesondere der Pulswellengeschwindigkeit (PWV), erfolgt mit den Verfahrensschritten: Einführen eines Druckmesskatheters mit einem Druckmesssensor bis zu einem vorgesehenen Messpunkt innerhalb des Blutgefäßes, Aufzeichnen und Speichern eines zeitlichen Druckverlaufs und Erfassen eines Pulswellensignals an dem Messpunkt, Identifikation und Klassifizierung der einzelnen Pulswellen aus dem Pulswellensignal, Analyse der Pulswellen hinsichtlich verschiedener Eigenschaften, z.B. Zeiten, Amplituden, Formen und/oder relevante Punkte, Bestimmung der PWV zum einen mittels eines Wellenzerlegungsverfahrens durch Ermitteln und Umrechnen eines Zeitversatzes mit einem gegebenen Referenzabstand zwischen einem Pulswellengrundsignalanteil und dem Pulswellenechoanteil des Blutgefäßsystems im Pulswellensignal, Bestimmung der PWV zum anderen mittels einer Wellenanalyse ohne Abhängigkeit zum Referenzabstand über ein gegebenes Druck/Fluss-Modell und ein Druck/Volumen-Modell des Blutgefäßsystems.The invention relates to a method for the automated determination of hemodynamic parameters in a blood vessel on invasively recorded pulse waves by analyzing these pulse waves and / or pulse waves selected from the entirety, but at least one pulse wave. The invasive measurement and / or determination of the pulse wave parameters (PWPs), in particular the pulse wave speed (PWV), is carried out with the method steps: inserting a pressure measuring catheter with a pressure measuring sensor up to a designated measuring point within the blood vessel, recording and storing a temporal pressure curve and recording a pulse wave signal at the measuring point, identification and classification of the individual pulse waves from the pulse wave signal, analysis of the pulse waves with regard to different properties, e.g. Times, amplitudes, shapes and / or relevant points, determination of the PWV on the one hand by means of a wave decomposition method by determining and converting a time offset with a given reference distance between a pulse wave basic signal component and the pulse wave echo component of the blood vessel system in the pulse wave signal, determination of the PWV on the other hand by means of a wave analysis without dependence to the reference distance using a given pressure / flow model and a pressure / volume model of the blood vessel system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen von hämodynamischen Parametern in einem Blutgefäß an invasiv aufgezeichneten Pulswellen durch die Analyse dieser Pulswellen und/oder von aus der Gesamtheit ausgewählten Pulswellen, mindestens jedoch einer Pulswelle nach Anspruch 1.The invention relates to a method for the automated determination of hemodynamic parameters in a blood vessel on invasively recorded pulse waves by analyzing these pulse waves and / or pulse waves selected from the entirety, but at least one pulse wave according to
Kardiovaskuläre Ereignisse definieren die Mortalität der Menschheit weltweit stark. Um das damit verbundene Risiko frühzeitig zu erkennen und ein solches Ereignis zu verhindern, werden zahlreiche hämodynamische Parameter erhoben und ausgewertet. Beispielsweise ist die Elastizität bzw. die Steifigkeit der Arterien dabei ein unabhängiger Prädiktor für kardiovaskuläre Ereignisse (Herzinfarkt, Schlaganfall, Tod) und eine vielversprechende Möglichkeit, Risikopersonen, insbesondere solche mit intermediärem kardiovaskulärem Risiko, differenziert bewerten zu können. Die Pulswellengeschwindigkeit (
Neben der Pulswellengeschwindigkeit (
Verschiedene PWPs beschreiben Rückschlüsse auf die Steifigkeit der arteriellen Gefäßwand, symbolisch steht hierfür der bekannteste dieser Parameter, die Pulswellengeschwindigkeit (
Eine nach dem aktuellen Stand der Technik als Goldstandard gebräuchliche Messung der Steifigkeit der arteriellen Gefäßwand umfasst eine invasive Messung der
Die weitere Vorgehensweise erfolgt in der Regel wie folgt: Die zeitliche Differenz zwischen der R-Zacke im registrierten EKG und dem Fußpunkt der über den Katheter registrierten Druckwelle ergibt eine so genannte Transit-Zeit (
Aufgrund der hohen volatilen Schwankungen der
Zunehmend setzt sich jedoch eine Änderung der invasiven Messmethodik durch. Für Herzkatheter-Untersuchungen wird überwiegend ein Zugang über die Handgelenksarterie (A. Radialis) gewählt. Aus anatomischen und technischen Gründen ist dann jedoch die invasive Bestimmung der
Außerdem wurde in Studien eine hohe Interoperator-Variabilität bei der manuellen Auswertung der invasiven Druckkurven durch die Rückzugsmethode festgestellt. Das bedeutet, dass die gemessene
Hinzu kommt der vergleichsweise hohe Aufwand der manuellen Auswertung. Diese bindet teures Personal und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Außerdem muss die Rückzugslänge (d.h. der Abstand des Messpunktes in der A. Ascendens bis zur Bifurkation) sowie die Messpunkte möglichst exakt gemessen bzw. bestimmt werden. Dies ist unter realen Messbedingungen oft in einem nur unzureichenden Maße möglich.In addition, there is the comparatively high effort of manual evaluation. This ties up expensive personnel and represents an additional source of error. In addition, the withdrawal length (i.e. the distance from the measuring point in the ascending artery to the bifurcation) and the measuring points must be measured or determined as precisely as possible. This is often only possible to an insufficient extent under real measurement conditions.
Es besteht somit die Aufgabe, ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen von hämodynamischen Parametern in einem Blutgefäß an invasiv aufgezeichneten Pulswellen durch die Analyse dieser Pulswellen und/oder von aus der Gesamtheit ausgewählten Pulswellen, mind. jedoch einer Pulswelle anzugeben, bei dem eine invasive Messung der PWPs, insbesondere der
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum automatisierten Bestimmen von hämodynamischen Parametern in einem Blutgefäß an invasiv aufgezeichneten Pulswellen durch die Analyse dieser Pulswellen und/oder von aus der Gesamtheit ausgewählten Pulswellen, mind. jedoch einer Pulswelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens.The problem is solved with a method for the automated determination of hemodynamic parameters in a blood vessel on invasively recorded pulse waves by analyzing these pulse waves and / or pulse waves selected from the entirety, but at least one pulse wave with the features of
Beispielhaft für alle PWPs erfolgt das Verfahren zum invasiven Messen einer Pulswellengeschwindigkeit in einem Blutgefäß mit folgenden Verfahrensschritten:
- Es erfolgt ein Einführen eines Druckmesskatheters mit einem Druckmesssensor bis zu einem vorgesehenen Messpunkt innerhalb des Blutgefäßes. Anschließend erfolgt ein Aufzeichnen und Speichern eines zeitlichen Druckverlaufs und Erfassen mindestens eines Pulswellensignals an diesem Messpunkt.
- A pressure measuring catheter with a pressure measuring sensor is inserted up to a designated measuring point within the blood vessel. This is followed by recording and storing a pressure curve over time and recording at least one pulse wave signal at this measuring point.
In einem nächsten Verfahrensschritt erfolgt die Analyse von mindestens einem Pulswellensignal zur Bestimmung der PWPs, nachfolgend am Beispiel der
- Zum einen wird z.B. ein sogenanntes Wellenzerlegungsverfahren (Wave-Separation) angewandt. Dabei wird durch Extrahieren eines Pulswellenechoanteils aus mindestens einem Pulswellensignal ein Zeitversatz zwischen einem Pulswellengrundsignalanteil und dem Pulswellenechoanteil im Pulswellensignal ermittelt. Aus diesem Zeitversatz wird mittels eines gegebenen Referenzabstandes zwischen einer Echostelle des Blutgefäßsystems und der Position des Druckmesssensors im Blutgefäßsystem eine
PWV berechnet.
- On the one hand, a so-called wave separation method is used, for example. By extracting a pulse wave echo component from at least one pulse wave signal, a time offset between a pulse wave basic signal component and the pulse wave echo component in the pulse wave signal is determined. From this time offset, a given reference distance between an echo point of the blood vessel system and the position of the pressure measurement sensor in the blood vessel system
PWV calculated.
Zum anderen wird eine
Grundgedanke des Verfahrens ist es somit, den zeitlichen Druckverlauf im Blutgefäß an nur einem einzigen Messpunkt im Blutgefäß aufzuzeichnen und den dabei aufgezeichneten Druckverlauf nachfolgend einer automatisierten Signalverarbeitung zuzuführen. Erfindungswesentlich ist weiterhin, aus dem aufgezeichneten Druckverlauf ein Echosignal abzuseparieren, das im Verlauf des Blutgefäßsystems selbst erzeugt wird. Dieses Echosignal wird anschließend in einen Zeitversatz umgerechnet, aus dem sich die
Bei einer vorteilhaften Gestaltung des Verfahrens erfolgt zum Erfassen des Pulswellensignals eine Signalfilterung des gespeicherten zeitlichen Druckverlaufs unter Verwendung eines Hoch- und/oder eines Tiefpassfilters. Signalanteile im Druckverlauf, die durch Störungen oder außerhalb eines als typisch angenommenen Frequenzbereiches liegen, werden dabei ausgefiltert und gehen nicht in die nachfolgende Signalverarbeitung ein. In an advantageous embodiment of the method, a signal filtering of the stored temporal pressure curve is carried out using a high and / or a low pass filter to detect the pulse wave signal. Signal components in the pressure curve that are due to interference or outside a frequency range assumed to be typical are filtered out and are not included in the subsequent signal processing.
Vorteilhafterweise erfolgt bei dem Erfassen des Pulswellensignals eine Klassifizierung von erfassten einzelnen Pulswellen, wobei in einem ersten Schritt eine Fußpunktdetektion zum Identifizieren jeder einzelnen Pulswelle erfolgt und in einem zweiten Schritt an der einzelnen Pulswelle eine Signalanalyse zum Bestimmen physiologisch relevanter Signalpunkte ausgeführt wird. Hierdurch können die Formen des Signalverlaufs berücksichtigt werden und in die nachfolgende Auswertung einfließen.Advantageously, when the pulse wave signal is detected, individual pulse waves are classified, with a base point detection for identifying each individual pulse wave being carried out in a first step and a signal analysis for determining physiologically relevant signal points being carried out on the individual pulse wave in a second step. As a result, the shapes of the signal curve can be taken into account and incorporated into the subsequent evaluation.
Die Extraktion des Pulswellenechoanteils nach dem Wellenzerlegungsverfahren erfolgt bei einer vorteilhaften Gestaltung so, dass an den erfassten Pulswellen zur Extraktion des Pulswellenechoanteils eine Zerlegung der klassifizierten Pulswelle in einen Vorwärts-Signalanteil und in einen Rückwärts-Signalanteil erfolgt. Dabei ist der Vorwärts-Signalanteil das Pulswellengrundsignal, während der Rückwärts-Signalanteil das Pulswellenechosignal ist.The extraction of the pulse wave echo component according to the wave decomposition method takes place in an advantageous embodiment such that the classified pulse wave is broken down into a forward signal component and a backward signal component on the detected pulse waves to extract the pulse wave echo component. The forward signal component is the pulse wave basic signal, while the reverse signal component is the pulse wave echo signal.
Zweckmäßigerweise wird zwischen dem Vorwärts-Signalanteil und dem Rückwärts-Signalanteil eine Zeitdifferenz als Zeitversatz bestimmt.A time difference is expediently determined as a time offset between the forward signal component and the backward signal component.
Die Bestimmung der Zeitdifferenz kann über die identifizierten Fußpunkte des Pulswellengrundsignals und dem Pulswellenechosignals oder über das Verfahren der Kreuzkorrelation erfolgen.The time difference can be determined via the identified base points of the basic pulse wave signal and the pulse wave echo signal or via the cross-correlation method.
Bei einer Ausführungsform kann als gegebener Referenzabstand eine auf eine Körpergröße bezogene Reflexionsdistanz zu einer markanten, ein Druckecho erzeugenden Stelle innerhalb des Blutgefäßsystems verwendet werden.In one embodiment, a reflection distance related to a body size to a prominent point that generates a pressure echo within the blood vessel system can be used as the given reference distance.
Ergänzend kann aus dem über das Wellenzerlegungsverfahren bestimmten
Vorteilhafterweise werden die Verfahrensschritte plattformunabhängig ausgeführt, wobei über eine Variation der Abtastraten des Druckverlaufs und des Pulswellensignals eine Approximation auf eine Standard-Auflösung eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen geräteabhängigen Aufnahmetechniken realisiert wird.The method steps are advantageously carried out independently of the platform, with a variation of the sampling rates of the pressure curve and the pulse wave signal approximating to a standard resolution to achieve comparability between different device-dependent recording techniques.
Eine Anordnung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst einen in dem Blutgefäß einführbaren und platzierbaren Messsensor, eine Auswerte- und Speichereinheit zum Aufnehmen, Speichern und Verarbeiten der Daten der von dem Messsensor erfassten Druckdaten und ein in der Auswerte- und Steuereinheit implementiertes Steuer- und Auswerteprogramm.An arrangement for executing a method according to one of the preceding claims comprises a measurement sensor which can be inserted and placed in the blood vessel, an evaluation and storage unit for receiving, storing and processing the data of the pressure data recorded by the measurement sensor and a control implemented in the evaluation and control unit - and evaluation program.
Bei einer zweckmäßigen Gestaltung ist der Messsensor als ein indirekter Messsensor aus einem invasiv in das Blutgefäß einführbaren und mit einem Fluid gefüllten Katheter und einem außerhalb des Blutgefäßes befindlichen Druckaufnehmers ausgebildet.In an expedient design, the measurement sensor is designed as an indirect measurement sensor consisting of an catheter that can be invasively inserted into the blood vessel and filled with a fluid, and a pressure sensor located outside the blood vessel.
Die Auswerte- und Steuereinheit kann zusätzlich auch eine Schnittstelle zum Anschließen einer EKG-Erfassungseinrichtung aufweisen. Hierdurch lassen sich die Pulswellendaten zusammen mit EKG-Daten überwachen und auswerten.The evaluation and control unit can also have an interface for connecting an EKG detection device. In this way, the pulse wave data can be monitored and evaluated together with EKG data.
Zweckmäßigerweise kann die Auswerte- und Steuereinheit eine Auswahlmöglichkeit zum Auslösen eines Eich- und Kalibriervorgangs und/oder zur Abstimmung mit einer anzuschließenden Messeinheit aufweisen.The evaluation and control unit can expediently have a selection option for triggering a calibration and calibration process and / or for coordinating with a measuring unit to be connected.
Es werden nun nachfolgend beispielhaft zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung angegeben. Zur Verdeutlichung dienen die
Nachfolgend erläutert werden eine Apparatur und ein Verfahren zur Bestimmung von Pulswellenparametern (PWPs), insbesondere der Pulswellengeschwindigkeit (
Grundprinzip des Verfahrens ist eine an nur einem Ort ausgeführte so genannte Single-Point-Messung. Bei der Messung wird der zeitliche Signalverlauf des Druckes am Messpunkt aufgezeichnet und ausgewertet. Ziel des Verfahrens ist dabei das Bestimmen und Auswerten eines Pulswellenechos, das sich aus dem Zusammenwirken des Blutflusses, des Blutdruckes und des Verlaufs der Arterien, bspw. aus der körperabwärts gelegenen Aortenbifurkation mit der Gabelung der Aorta in die linke und rechte Oberschenkelarterie, ergibt. Dies erfolgt prinzipiell in der Weise, indem an dem gemessenen Signalverlauf eine Reihe von Parametern z.B. eine Reihe von Funktionen und Stützstellen und deren Zeitabstände bestimmt werden. So kann z.B. bei einer bekannten Reflexionsdistanz unter Verwendung der ermittelten Zeitabstände auf die
Das Verfahren erfolgt beispielhaft mit den folgenden, weiter unten genauer erläuterten prinzipiellen Verfahrensschritten. Es wird hier beispielhaft von einer invasiven Messung in einem arteriellen Blutgefäß ausgegangen.The method is carried out, for example, using the following basic method steps, which are explained in more detail below. An invasive measurement in an arterial blood vessel is assumed here as an example.
In einem ersten Schritt werden zeitliche Druckverläufe gemessen. Diese zeitlichen Druckverläufe repräsentieren arterielle Druckkurven. Dazu werden mit Hilfe einer Messeinheit diese Druckkurven in einer menschlichen Arterie erfasst und gespeichert. Die Druckverlaufsmessung erfolgt auf invasivem Wege.In a first step, pressure curves over time are measured. These pressure curves over time represent arterial pressure curves. For this purpose, these pressure curves are recorded and stored in a human artery using a measuring unit. The pressure curve measurement is carried out invasively.
Der Messvorgang erfolgt zum Beispiel so, dass in Verbindung mit einer Herzkatheter-Untersuchung ein Zugang über die Arterie am Handgelenk (A. Radialis) gelegt und dort der Druckmesssensor bis an eine bestimmte Stelle in die Arterie vorgeschoben wird. Das Verfahren ist jedoch grundsätzlich nicht auf diesen besonderen Zugang beschränkt, sondern kann prinzipiell über jeden arteriellen Zugang ausgeführt werden.The measurement process is carried out, for example, in such a way that, in connection with a cardiac catheter examination, access is made via the artery on the wrist (radial artery) and the pressure measurement sensor is pushed into the artery to a certain point. In principle, however, the method is not restricted to this special access, but can in principle be carried out via any arterial access.
Es wird mindestens ein Druckkurvenverlauf, d.h. eine Pulswelle, aufgezeichnet. Jedoch empfiehlt es sich, über ein bestimmtes Zeitintervall hinweg mehrere Druckkurven aufzuzeichnen. Die Länge dieses Zeitintervalls kann beispielsweise 10 Sekunden betragen.At least one pressure curve course, i.e. a pulse wave recorded. However, it is advisable to record several pressure curves over a certain time interval. The length of this time interval can be 10 seconds, for example.
In einem nächsten Schritt werden aus den aufgenommenen zeitlichen Druckverläufen die einzelnen Pulswellensignale extrahiert. Dies erfolgt mit den folgenden Schritten:
- Ist der Druckmesssensor in der gewünschten Position in der Arterie platziert (z.B. in der A. Ascendens), werden die Signale mit den Druckschwankungen, das heißt mit den Druckverläufen gespeichert. Die aufgezeichneten Signale werden zunächst durch Filter von Störungen bereinigt. Hierzu können beispielsweise Hochpass- und/oder Tiefpass-Filter zur Anwendung kommen.
0,5 Hz für den Hochpass-Filter und 50 Hz für den Tiefpassfilter haben sich dabei als geeignet herausgestellt, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Anschließend werden durch ein Auswerteprogramm die einzelnen Pulswellensignale, insbesondere deren Start und deren Ende, in den Druckverläufen automatisiert erfasst. Dazu eignet sich beispielsweise die Fußpunktmethode, z.B. mit Hilfe der Intersecting-Tangent-Methode oder der Upstroke-Methode. Jedoch ist das Bestimmen der Pulswellen nicht auf diese Methoden beschränkt. Die detektierten Fußpunkte der Pulswellen sind wichtige Parameter bei der Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit.Die Frequenzen von
- If the pressure measurement sensor is placed in the desired position in the artery (e.g. in the Ascendens artery), the signals are saved with the pressure fluctuations, i.e. with the pressure profiles. The recorded signals are first cleaned of interference by filters. For example, high-pass and / or low-pass filters can be used for this purpose. The frequencies of 0.5 Hz for the high-pass filter and 50 Hz for the low-pass filter have been found to be suitable, but are not limited to this. The individual pulse wave signals, in particular their start and end, are then automatically recorded in the pressure profiles by an evaluation program. The base point method is suitable for this, for example, using the intersecting tangent method or the upstroke method. However, the determination of the pulse waves is not limited to these methods. The detected base points of the pulse waves are important parameters when determining the pulse wave speed.
Anschließend werden die erfassten Pulswellen klassifiziert. Dabei werden die einzelnen Pulswellen auf ihre Form hin analysiert. Dies lässt eine Klassifikation in mindestens eine Klasse zu, welche einen wesentlichen Einfluss auf die klassenbezogene Weiterverarbeitung der Signale hat.The detected pulse waves are then classified. The shape of the individual pulse waves is analyzed. This allows a classification into at least one class, which has a significant influence on the class-related further processing of the signals.
In einem nächsten Schritt wird an den klassifizierten Pulswellensignalen eine Signalanalyse ausgeführt. Es werden klassenspezifisch physiologische Punkte und Eigenschaften des Pulswellensignals bestimmt, wie bspw. Ejection Duration
Aus diesen klassifizierten Pulswellensignalen werden für das Wellenzerlegungsverfahren jeweils ein Pulswellengrundsignalanteil und ein Pulswellenechoanteil ermittelt, deren Zeitversatz zueinander bestimmt werden.From these classified pulse wave signals, a pulse wave basic signal component and a pulse wave echo component are determined for the wave decomposition method, the time offset of which is determined from one another.
Die Ermittlung beider Signalanteile und die Extraktion des Pulswellenechoanteils kann beispielsweise über die Bestimmung einer so genannten Flusskurve erfolgen. Diese Flusskurve kann statistisch gemittelt bspw. als Dreieck beginnend bei dem Fußpunkt (
Der Vorwärts-Signalanteil ist dann der Pulswellengrundsignalanteil, der Rückwärts-Signalanteil repräsentiert dann den Pulswellenechoanteil im einzelnen Pulswellensignal. Im nächsten Schritt wird die Zeitdifferenz zwischen dem Pulswellengrundsignalanteil und dem Pulswellenechosignalanteil, bestimmt. Die Bestimmung der Zeitdifferenz kann über die identifizierten Fußpunkte des Pulswellengrundsignals und dem Pulswellenechosignal erfolgen. Das Verfahren der Kreuzkorrelation, welche durch Verschiebung der beiden Signale Pulswellengrundsignal und dem Pulswellenechosignals ineinander die Zeitdifferenz bestimmt, hat sich als jedoch als robuster herausgestellt.The forward signal component is then the pulse wave basic signal component, the reverse signal component then represents the pulse wave echo component in the individual pulse wave signal. In the next step, the time difference between the pulse wave fundamental signal component and the pulse wave echo signal component is determined. The time difference can be determined via the identified base points of the pulse wave basic signal and the pulse wave echo signal. The method of cross-correlation, which determines the time difference by shifting the two signals pulse wave basic signal and the pulse wave echo signal into one another, has proven to be more robust.
Um mit Hilfe des Wellenzerlegungsverfahrens z.B. eine
Dieser Referenzabstand kann entweder gemessen werden und führt dann zur Vorgabe insbesondere einer Arterienlänge, welche für die Reflexion als geeignet herangezogen wird. Es lässt sich jedoch auch z.B. anhand der Körpergröße der untersuchten Person eine effektive Reflexionsdistanz (EfRD) bestimmen.This reference distance can either be measured and then leads to the specification, in particular, of an arterial length, which is used as suitable for the reflection. However, it can also be e.g. determine an effective reflection distance (EfRD) based on the height of the person examined.
Alternativ kann durch den Einsatz der Wellenanalyse die
Alle Ansätze, wie das beschriebene Wellenzerlegungsverfahren unter Einbeziehung der Länge und die Wellenanalyse, welche unabhängig von der Länge ist, können anschließend gemeinsam betrachtet werden, wobei hierdurch die
Das Verfahren wird zweckmäßigerweise plattformunabhängig ausgeführt. Beispielsweise kann durch ein Hoch- bzw. Herunter-Samplen der Abtastrate und einer Approximation auf eine Standard-Auflösung eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Aufnahmen (d.h. insbesondere verschiedener Patienten) und unterschiedlichen Messeinheiten (wie z.B. unterschiedliche Katheter-Typen, so genannte smarte Stents und dergleichen andere Mess-Sensoriken) erreicht werden. Die Werte 1.000 Hz und 12 Bit haben sich dabei als geeignet herausgestellt, sind jedoch nicht darauf beschränkt.The method is advantageously carried out independently of the platform. For example, by sampling the sampling rate and approximating to a standard resolution, comparability between different recordings (ie in particular different patients) and different measuring units (such as different types of catheters, so-called smart stents and the like) can be compared Measuring sensors) can be achieved. The values of 1,000 Hz and 12 bits have been found to be suitable, but are not limited to this.
Zum Ausführen des Verfahrens ist folgende Anordnung zweckmäßig, deren Merkmale nachfolgend auch anhand von Beispielen erläutert werden:
- Es ist eine Messeinheit vorgesehen. Die Messeinheit besteht aus einem Messsensor, welcher an einer Steuer- und Speichereinheit angeschlossen ist. Dieser Messsensor kann direkt oder indirekt invasiv eingesetzt und an der gewünschten Stelle in der Arterie platziert werden. Eine Ausgestaltungsform sieht dabei vor, dass ein flüssigkeitsgefüllter Katheter mit dem Zugang über die A. Radialis in der A. Ascendens platziert und an einen Drucksensor angeschlossen wird. Dabei befinden sich der zu dem Katheter zugehörige Druckdomen und die Steuer- und Speichereinheit außerhalb des Messpunktes, d.h. insbesondere außerhalb des Körpers. Optional kann eine EKG-Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, über die ein EKG (ein Elektrokardiogramm) parallel geschrieben und gespeichert werden kann.
- A measuring unit is provided. The measuring unit consists of a measuring sensor which is connected to a control and storage unit. This measuring sensor can be used directly or indirectly invasively and placed at the desired location in the artery. One embodiment provides that a liquid-filled catheter with access via the radial artery is placed in the ascending artery and connected to a pressure sensor. The pressure dome associated with the catheter and the control and storage unit are located outside the measuring point, ie in particular outside the body. Optionally, an EKG detection device can be provided, via which an EKG (an electrocardiogram) can be written and stored in parallel.
Weiterhin ein Steuer- und Auswerteprogramm vorgesehen, welches die beschriebenen Schritte zur Aufbereitung, Verarbeitung und Auswertung der gespeicherten Drucksignale automatisiert ausführt.Furthermore, a control and evaluation program is provided, which carries out the described steps for processing, processing and evaluating the stored pressure signals automatically.
Es kann außerdem eine Schnittstelle zum Exportieren der Daten vorgesehen sein ebenso wie eine GUI-Schnittstelle zum Anzeigen der Informationen, wie bspw. der Drucksignale sowie bestimmter Parameter, wie z.B. der Fußpunkte
Zusätzlich kann bei einer Ausführungsform ein Schalter zum Eichen bzw. Kalibrieren des Messsystems vor jeder Messung vorgesehen sein (bspw. Druckkalibrierung). Außerdem ist je nach eingesetzter Messeinheit (Katheter, smarter Stent und derartige Vorrichtungen) eine individuelle Bestimmung des Dämpfungskoeffizienten und der Resonanzfrequenz sinnvoll.In addition, in one embodiment, a switch for calibrating or calibrating the measuring system can be provided before each measurement (for example pressure calibration). In addition, depending on the measuring unit used (catheter, smart stent and such devices), an individual determination of the damping coefficient and the resonance frequency is useful.
Das genannte Verfahren sowie die beschriebene Beispiel-Anordnung werden zum Extrahieren und Analysieren aortaler Pulswelle und zur Bestimmung hämodynamischer Parameter (PWPs) der Pulswellenanalyse, wie z.B. Pulswellengeschwindigkeit, verwendet.The method mentioned and the example arrangement described are used for extracting and analyzing aortic pulse waves and for determining hemodynamic parameters (PWPs) of pulse wave analysis, such as e.g. Pulse wave speed used.
Das Verfahren und die Anordnung sollen nachfolgend zusätzlich anhand der beigefügten Figuren erläutert werden.The method and the arrangement are additionally explained below with reference to the attached figures.
Es zeigt:
-
1 eine beispielhafte Grundkonfiguration der Messanordnung, -
2 einen beispielhaften gemessenen Druckverlauf in einem Blutgefäß -
3 eine Darstellung der Fußpunktmethode, -
4 eine Darstellung einzelner, über die Fußpunkte erfasster Pulswellen, -
5 eine prinzipielle Darstellung verschiedener Signalanteile an einem einzelnen Pulswellensignal, -
6 ,7 und8 jeweils eine beispielhafte Darstellung möglicher Klassifizierungen der Pulswellenverläufe, -
9 eine beispielhafte Darstellung markanter Punkte in einer Pulswelle, -
10 eine beispielhafte Wellenzerlegung einer Pulswelle bei der Signalanalyse.
-
1 an exemplary basic configuration of the measuring arrangement, -
2nd an exemplary measured pressure curve in a blood vessel -
3rd a representation of the base point method, -
4th a representation of individual pulse waves detected via the base points, -
5 a basic representation of different signal components in a single pulse wave signal, -
6 ,7 and8th each an exemplary representation of possible classifications of the pulse waveforms, -
9 an exemplary representation of prominent points in a pulse wave, -
10th an exemplary wave decomposition of a pulse wave in the signal analysis.
Weiterhin kann ein Steuer- und Auswerteprogramm
Es kann außerdem eine Schnittstelle
Zusätzlich kann bei einer Ausführungsform ein Schalter
Das Signal sollte in einer hinreichenden Auflösung und Abtastrate aufgezeichnet werden, damit Details in den Pulswellen erhalten bleiben. Eine Abtastrate von 1.000 Hz und eine Verarbeitungsbreite von 12 Bit haben sich als geeignet herausgestellt, diese Parameter sind aber nicht darauf beschränkt.The signal should be recorded in a sufficient resolution and sampling rate so that details in the pulse waves are retained. A sampling rate of 1,000 Hz and a processing width of 12 bits have been found to be suitable, but these parameters are not limited to this.
Sowohl die Abtastrate als auch die Auflösung sind an sich nicht festgelegt, sondern an sich ausschließlich gerätespezifische Größen. Zur Gewährleistung einer Plattformunabhängigkeit und somit einer bestmöglichen Verarbeitbarkeit wird die Messwertmenge des zeitlichen Druckverlaufs anschließend entweder in der Steuer- und Speichereinheit selbst oder in der externen Auswerteeinheit auf einen einheitlichen Standard so transformiert, dass deren Verarbeitung plattformunabhängig und damit vereinheitlicht erfolgen kann. Hierzu kann das Signal des zeitlichen Druckverlaufs beispielsweise auf eine Abtastfrequenz von 1.000 Hz hochgesampelt werden. Für diesen Samplingprozess können verschiedene Approximationsverfahren zur Anwendung kommen. Insbesondere wird hierzu z.B. die sogenannte kubische Splineapproximation eingesetzt. Bei dieser Approximation werden zwei benachbarte Samplepunkte approximiert.Both the sampling rate and the resolution are not fixed per se, but rather only device-specific sizes. To ensure platform independence and thus the best possible processability, the measured value quantity of the temporal pressure curve is then transformed either in the control and storage unit itself or in the external evaluation unit to a uniform standard so that it can be processed independently of the platform and thus standardized. For this purpose, the signal of the temporal pressure curve can, for example, be sampled up to a sampling frequency of 1,000 Hz. Various approximation methods can be used for this sampling process. In particular, e.g. the so-called cubic spline approximation is used. With this approximation, two neighboring sample points are approximated.
Für die kubische Splineapproximation werden für zwei benachbarte Samplepunkte (xi,yi) und (xi+1,yi+1) Polynome vom Grad
Dabei gilt wegen der Stetigkeit des zu sampelnden Signals die Stetigkeitsforderung si(xi+1)=si+1(xi+1), wobei s zweimal stetig differenzierbar sein muss:
Bei der Wahl eines neuen Δx ist eine Neuabtastung des Signals durchführbar. Wird das Ausgangssignal auf eine Abtastfrequenz von 1.000 Hz hochgesampelt, so gilt in diesem Fall somit:
Die Wahl der Art des Splinetyps bezüglich der Ränder spielt allerdings keine ausschlaggebende Rolle.The choice of the type of splints with regard to the edges does not play a decisive role.
Auftretende Signalstörungen können durch geeignete Filter eliminiert werden. Die aufgezeichneten Signale werden zunächst durch Filter von Störungen bereinigt. Hierzu können beispielsweise Hochpass- und Tiefpass-Filter zur Anwendung kommen. Die Frequenzen von 0,5 Hz für den Hochpass-Filter und 50 Hz für den Tiefpassfilter haben sich dabei als geeignet herausgestellt, sind jedoch nicht darauf beschränkt.Signal interference can be eliminated by using suitable filters. The recorded signals are first cleaned of interference by filters. For example, high-pass and low-pass filters can be used for this. The frequencies of 0.5 Hz for the high-pass filter and 50 Hz for the low-pass filter have been found to be suitable, but are not limited to this.
Anschließend werden in dem aufgenommenen Signal die einzelnen Herzzyklen, d.h. die einzelnen Pulswellensignale, insbesondere deren Start und deren Ende, identifiziert und extrahiert. Das Ausführen der ersten zeitlichen Ableitung mit einer nachfolgenden Fußpunktbestimmung hat sich als geeignet herausgestellt, ist jedoch nicht darauf beschränkt.Then the individual cardiac cycles, i.e. the individual pulse wave signals, in particular their start and end, are identified and extracted. Carrying out the first time derivative with a subsequent determination of the base point has turned out to be suitable, but is not limited to this.
Die Variable w bezeichnet dabei die jeweiligen Positionen der „positiven“ Wendepunkte auf der Zeitachse. Das Ergebnis ist eine Menge aller ermittelten Ausschläge, d.h. Peaks, innerhalb des pulsartigen Signalanteils.The variable w denotes the respective positions of the "positive" turning points on the time axis. The result is a set of all identified rashes, i.e. Peaks, within the pulse-like signal component.
Ausgehend vom jeweils ermittelten Wendepunkt werden die Fußpunkte
Anschließend werden alle Peaks der 1. Ableitung der Größe nach absteigend sortiert.
Diese sortierte Folge s der Peaks wird schrittweise analysiert. Jeder Peak wird dann als ein für die Signalauswertung relevanter Wendepunkt erfasst, wenn dessen Mindesthöhe größer als 0 ist und wenn dessen Abstand zu allen bereits erfassen Wendepunkten größer als ein festgelegtes zeitliches Intervall bezüglich einer vorgegebenen Samplerate FS ist.This sorted sequence of peaks is analyzed step by step. Each peak is then recorded as a turning point relevant for the signal evaluation if its minimum height is greater than 0 and if its distance from all turning points already detected is greater than a defined time interval with respect to a predetermined sample rate FS.
Jeder Peak w(i) aus der Folge s(i) ist somit dann ein Wendepunkt idx, wenn folgende Bedingungen (a) und (b) gleichzeitig erfüllt sind:
- (a) s(i) > 0 und
- (b)
- (a) s (i)> 0 and
- (b)
Die Bedingung (b) bringt zum Ausdruck, dass ein Peak
Ein folgendes aufsteigendes Sortieren von idx bringt die Indizes in die richtige zeitliche Reihenfolge.A subsequent ascending sorting of idx puts the indices in the correct chronological order.
Um ein eventuelles Rauschen und geringe Störungen im Signal und erst recht bei der Differentiation zu vermeiden, kann die 1. Ableitung ggf. nach dem Verfahren von „Savitzsky-Goley“ berechnet werden.In order to avoid any noise and minor interference in the signal, and even more so when differentiating, the 1st derivative can be calculated using the "Savitzsky-Goley" method.
Von entscheidender Bedeutung für die Identifikation der einzelnen Pulswelle im pulsierenden Signalanteil ist die Lage ihrer jeweiligen Fußpunkte. Diese können wie bereits beschrieben aus den Wendepunkten heraus ermittelt werden.The location of their respective base points is of crucial importance for the identification of the individual pulse wave in the pulsating signal component. As already described, these can be determined from the turning points.
Für jeden Fußpunkt
Die so extrahierten Pulswellensignale
Die
Bei der Klassifizierung beschreiben die erste und die zweite Schulter jedes einzelnen Pulswellenpeaks in jedem einzelnen Pulswelleneinzelsignal die Stärke der „Doppelgipfeligkeit“ eines Peaks. Sie beschreibt die Veränderung der Pulswelle durch das Eintreffen einer reflektierten Welle. Dieser reflektierte Anteil ist der Pulswellenechoanteil. Zwischen den Doppelgipfeln des Pulswellensignals befindet sich der so genannte Inflection Point
Die Zuordnung zu einer Klasse kann nach dem Prinzip des „nächsten Nachbarn“ erfolgen. So kann beispielsweise das zu einer Pulswelle gehörende Pulswelleneinzelsignal
Die Klassifizierung nach Funktionstypen ist aber nicht die einzige Klassifizierungsmöglichkeit. Eine weitere Möglichkeit die Zuordnung zu einer Klasse vorzunehmen ist, die Ähnlichkeitsanalyse mit Hilfe einer dynamischen Zeitentzerrung (
Für jede dieser Klassen kann ein klassenspezifischer Algorithmus angegeben werden, welcher die hämodynamischen Parameter für die Klasse bestimmt. So können beispielhaft die in den
Die Pulswelleneinzelsignale
Die Pulswelleneinzelsignale der Pulswellensignale in
Die Pulswelleneinzelsignale der Pulswellensignale in
Um Unstetigkeiten bei der Transformation zu vermeiden, werden die Zwischenbereiche zwischen den Klassen glatt gehalten. Das bedeutet, dass dann, wenn eine Pulswelle beispielsweise zwei Klassen zugeordnet werden kann, jede dieser beiden Klassen als gleichwahrscheinlich behandelt wird.In order to avoid discontinuities in the transformation, the intermediate areas between the classes are kept smooth. This means that if, for example, a pulse wave can be assigned to two classes, each of these two classes is treated as equally likely.
Liegt beispielweise eine Pulswelle
Dabei sind ci und ci+1 die Koeffizienten beiden nächsten Nachbarn.Here, c i and c i + 1 are the coefficients of the two nearest neighbors.
Die Punkte
Die Größe z ist dabei eine charakteristische Impedanz des Blutgefäßes und dient als Skalierungskoeffizient der Flusskurve
Eine so genannte Transittime
Die Funktion „mean“ bedeutet hier, dass der Mittelwert (Mean) für die Forward-Wave
Die Länge des Blutgefäßes für die Bestimmung der
Die Pulswellengeschwindigkeit
Ein weiterer Ansatz zur Bestimmung der
Dabei ist Eine der Elastizitätsmodul der Wand des Blutgefäßes, h die Wanddicke des Blutgefäßes, r der lichte Radius des Blutgefäßlumens und ρ die Dichte der Blutflüssigkeit.One is the modulus of elasticity of the wall of the blood vessel, h the wall thickness of the blood vessel, r the clear radius of the blood vessel lumen and ρ the density of the blood fluid.
Der Elastizitätsmodul
E0 entspricht Einc bei einem Anfangsdruck von Null. SBP entspricht dem systolischen Blutdruck, welcher sich aus der Höher der Amplitude der jeweiligen Pulswelle ableitet. E 0 corresponds to E inc at an initial pressure of zero. SBP corresponds to the systolic blood pressure, which is derived from the higher the amplitude of the respective pulse wave.
Alle Ansätze, sowohl das Wellenzerlegungsverfahren unter Einbeziehung der Länge und die Wellenanalyse, welche unabhängig von der Länge ist, können anschließend gemeinsam betrachtet werden, denn die
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsbeispiele und Abwandlungen möglich. Weiter Ausführungsbeispiele ergeben sich ebenfalls aus den Unteransprüchen.The method according to the invention was explained using exemplary embodiments. Further exemplary embodiments and modifications are possible within the scope of professional action. Further exemplary embodiments also result from the subclaims.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- DruckmesskatheterPressure measuring catheter
- 22nd
- DruckmesssensorPressure measuring sensor
- 33rd
- Steuer- und SpeichereinheitControl and storage unit
- 44th
- Zugang (z.B. A. Radialis)Access (e.g. A. Radialis)
- 55
- Messort (z.B. A. Ascendes)Measurement location (e.g. A. Ascendes)
- 66
- EKGEKG
- 77
- Steuer- und AuswerteprogrammControl and evaluation program
- 88th
- Schnittstelle (für Updates)Interface (for updates)
- 99
- Schnittstelle für Exports und GUIInterface for exports and GUI
- 1010th
- DisplayDisplay
- 1111
- externe Auswerteeinheitexternal evaluation unit
- 1212th
- externes Auswerteprogrammexternal evaluation program
- 1313
- Schalter zum Eichen/KalibrierenCalibration / calibration switch
- APAP
- Ascendens-Pressure KurveAscendens-Pressure curve
- BWBW
- Backward WaveBackward wave
- EDED
- AuswurfzeitEjection time
- FLWFLW
- KlowkurveKlow curve
- FWFW
- Forward WaveForward wave
- FF
- FußpunktBase
- II.
- InzisurIncisor
- MM
- erstes lokales Minimumfirst local minimum
- P1P1
- erster Teilpeakfirst partial peak
- P2P2
- zweiter Teilpeaksecond partial peak
- PEPE
- PulswellenechosignalPulse wave echo signal
- PGPG
- PulswellengrundsignalBasic pulse wave signal
- PWPW
- PulswellePulse wave
- PWVPWV
- PulswellengeschwindigkeitPulse wave velocity
- RPRP
- Reservoir-Pressure KurveReservoir pressure curve
- SS
- SchnittpunktIntersection
- TT
- ZeitversatzTime offset
- TTTT
- TransitzeitTransit time
- tM t M
- waagerechte Tangente im Mimimumhorizontal tangent at the minimum
- tW t W
- Tangente im WendepunktTangent at the turning point
Claims (13)
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
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-
2019
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