DE102021124965A1

DE102021124965A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person

Info

Publication number: DE102021124965A1
Application number: DE102021124965.1A
Authority: DE
Inventors: Hagen Malberg; Martin Schmidt; Jonas Weiss
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2023-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person (2), umfassend die Schritte:(a) Aufnehmen eines Elektrokardiogramms (5) unter Verwendung von zumindest zwei Elektroden (4), die auf der Bauchdecke der schwangeren Person (2) platziert sind, unter Erhalt von Messwerten für einen Messzeitraum;(b) Bestimmen von zumindest zwei Bereichen (6.1, 6.2, 6.3) des Elektrokardiogramms (5), wobei jeder Bereich (6.1, 6.2, 6.3) in einem Teilzeitraum erfasste Messwerte aufweist;(c) für jeden Bereich (6.1, 6.2, 6.3) Filtern der in dem Teilzeitraum erfassten Messwerte zur Bestimmung eines fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms unter Anwendung eines Algorithmus;(d) für jeden Bereich (6.1, 6.2, 6.3) Bestimmen einer Zeitreihe fetaler Herzschläge aus dem fetalen Bereichs-Elektrokardiogramm;(e) für jeden Bereich (6.1, 6.2, 6.3) Bewerten der Signalqualität des fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms; und(f) Berechnen des Parameters der Herzratenvariabilität des fetalen Herzes aus den in Schritt (d) erhaltenen Zeitreihen aller Bereiche und den in Schritt (e) bestimmten Signalqualitäten aller Bereiche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person.
Als fetale intrauterine Wachstumsretardierung (engl.: intrauterine growth restriction, abgekürzt IUGR) wird eine vorgeburtliche Entwicklungsstörung bezeichnet, bei der der Fetus sein genetisches Wachstumspotenzial aufgrund einer zugrundeliegenden Pathologie nicht erreicht. IUGR ist mit einer großen perinatalen Morbidität und Mortalität assoziiert. Je nach Schwangerschaftswoche (SSW) wird eine frühe IUGR (vor der 34. Schwangerschaftswoche) und eine späte IUGR (ab der 34. Schwangerschaftswoche) unterschieden. Etwa 5 bis 10 % aller Schwangerschaften sind von IUGR betroffen.
Eine IUGR äußert sich unter anderem in einem veränderten autonomen Regulationsmechanismus des vegetativen Nervensystems des Fetus. Der veränderte autonome Regulationsmechanismus ist durch Veränderungen der fetalen Herzratenvariabilität feststellbar. Allerdings ändert sich die Herzratenvariabilität auch physiologisch in Abhängigkeit des fetalen Entwicklungsstandes. Deshalb muss der fetale Entwicklungsstand bei der Charakterisierung einer IUGR berücksichtigt werden.
Die klinische Diagnose und Verlaufsanalyse von fetalen Entwicklungsstörungen, beispielsweise einer IUGR, ist nach dem Stand der Technik technisch nur sehr eingeschränkt möglich. Die klinische Diagnostik der IUGR stützt sich nach dem Stand der Technik auf Daten folgender Methoden [1]:

(i) Mittels einer klinischen Untersuchung wird versucht, eine IUGR durch Schätzung des fetalen Gewichts und durch eine Messung des Symphysen-Fundus-Abstandes zu erkennen. Allerdings ist die Eignung dieser Methode für die Diagnose einer IUGR eingeschränkt.
(ii) Mittels Sonographie wird versucht, eine IUGR durch Messung der Scheitel-Steiß-Länge und eine Korrektur des Konzeptionstermins festzustellen. Allerdings ist die Eignung dieser Methode für die Diagnose einer IUGR eingeschränkt.
(iii) Bei einer Fetometrie soll eine IUGR mittels Messung des fetalen Kopfes, des fetalen Abdomens, des fetalen Oberschenkelknochens und einer Gewichtsberechnung erkannt werden. Allerdings weicht das tatsächliche Gewicht in 95 % der Fälle um bis zu 20 % ab, in 5 % der Fälle um mehr als 20 %. Eine Fetometrie ist daher für die Diagnose einer IUGR nur eingeschränkt geeignet.
(iv) Es ist erwogen worden, das Fruchtwasser zur Diagnose einer IUGR heranzuziehen, indem eine Überprüfung auf reduzierte Fruchtwassermenge vorgenommen wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine solche Überprüfung kein zuverlässiger Indikator für eine IUGR ist.
(v) Bei einer sonographischen Feindiagnostik soll anhand struktureller Abnormitäten des Kindes oder der Plazentamorphologie eine IUGR festgestellt werden. Eine sonographische Feindiagnostik ist allerdings, besonders für die Diagnose einer späten IUGR, nur eingeschränkt geeignet.
(vi) Bei einer Dopplersonographie soll eine Bestimmung des Gefäßwiderstandes der Arteriae Uterinae, der Arteria umbilicalis und der Arteria cerebri media vorgenommen werden, um eine IUGR zu diagnostizieren. Die Dopplersonographie hat im zweiten Trimenon allerdings keinen Nutzen. In Hochrisikokollektiven bringt die Dopplersonographie der Aa. uterinae jedoch einen moderaten Nutzen für die Vorhersage einer schweren IUGR.
(vii) Bei einer Kardiotokographie (CTG) sollen zur Bestimmung einer IUGR ein Abfall der fetalen Herzrate und akute hypoxische Zustände herangezogen werden. Allerdings ist der Nutzen der Kardiotokographie eingeschränkt, nur im späten Verlauf der Schwangerschaft ist es möglich, eine Kardiotokographie zur Diagnose einer IUGR zu verwenden.
(viii) Eine Computer-CTG, die auch als Oxford-CTG bezeichnet wird, soll es ermöglichen, eine IUGR durch eine computergestützte Analyse der CTGs und anhand der fetalen Herzratenvariabilität zu bestimmen. Dieses Verfahren ist bei einer späten IUGR sehr nützlich.

Weiterhin existieren in der Literatur Veröffentlichungen zur Nutzung von fetaler Magnetkardiographie (MKG) [2].
In der klinischen Praxis ist die frühe Diagnose von IUGR ein ungelöstes Problem. Dazu heißt es in [1]: „Das antenatale Erkennen einer IUGR ist von entscheidender Bedeutung, da hiervon neben dem Schwangerschaftsverlauf auch das neonatale Outcome entscheidend beeinflusst wird [...]. Der Großteil der IUGR-Fälle wird in Deutschland pränatal nicht oder erst sehr spät erkannt (...)“ (S. 66, a. A.). In der wissenschaftlichen Literatur sind Verfahren zur Risikostratifizierung von frühen IUGR mithilfe von MKG bekannt [2]. Das MKG ist allerdings mit erheblichen Kosten verbunden, weshalb es für ein breites Screening nicht geeignet ist. Es ist wünschenswert, eine IUGR früher als bisher erkennen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zur genaueren Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person vorgesehen, das die Schritte umfasst:

(a) Aufnehmen eines Elektrokardiogramms unter Verwendung von zumindest zwei Elektroden, die auf der Bauchdecke der schwangeren Person platziert sind, unter Erhalt von Messwerten für einen Messzeitraum;
(b) Bestimmen von zumindest zwei Bereichen des Elektrokardiogramms, wobei jeder Bereich in einem Teilzeitraum erfasste Messwerte aufweist;
(c) für jeden Bereich Filtern der in dem Teilzeitraum erfassten Messwerte zur Bestimmung eines fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms unter Anwendung eines Algorithmus;
(d) für jeden Bereich Bestimmen einer Zeitreihe fetaler Herzschläge aus dem fetalen Bereichs-Elektrokardiogramm;
(e) für jeden Bereich Bewerten der Signalqualität des fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms; und
(f) Berechnen des Parameters der Herzratenvariabilität aus den in Schritt (d) erhaltenen Zeitreihen aller Bereiche und den in Schritt (e) bestimmten Signalqualitäten aller Bereiche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wesentlich genauere Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher genutzt werden, um eine Erkrankung des Fetus, beispielsweise eine fetale intrauterine Wachstumsretardierung, erkennen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erkennung einer fetalen intrauterinen Wachstumsretardierung (IUGR) bereits ab der 20. Schwangerschaftswoche (SSW). Eine solche Erkennung ist unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit für eine frühe Diagnostik einer fetalen Entwicklungsstörung, insbesondere einer fetalen Entwicklungsstörung wie IUGR, genutzt werden.
Der Ausdruck „Parameter der Herzratenvariabilität des fetalen Herzes“ bezieht sich auf einen Parameter, der auf Basis der Normalschlag-zu-Normalschlag-Intervalle berechnet werden kann. Dabei kann der Parameter auf Basis einer Zeitreihe aller Herzschläge (RR-Zeitreihe) über einen festen Zeitraum berechnet werden. Es existieren mehrere Parameter der Herzratenvariabilität des fetalen Herzes. Alle diese Parameter charakterisieren (patho-)physiologische Variationen der Herzrate. In einer Ausführungsform betrifft das erfindungsgemäße Verfahren somit ein Verfahren zur Bestimmung der Herzrate eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person. Andere Beispiele eines Parameters der Herzratenvariabilität des fetalen Herzes sind statistische Parameter, die Standartabweichung angrenzender Normalschlag-zu-Normalschlag-Intervalle und Frequenzanteile in einer Schlag-zu-Schlag-Zeitreihe, beispielsweise in einer RR-Zeitreihe. Ein Parameter der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes wird im Folgenden auch als „fetaler HRV-Parameter“ bezeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Bestimmung eines oder mehrerer fetaler HRV-Parameter eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Aufnahme eines Elektrokardiogramms (EKG) in Schritt (a) und ermöglicht eine zuverlässige und robuste Signalerfassung und eine robuste Quellentrennung zwischen Herzsignalen des Fetus, Herzsignalen der schwangeren Person und Rauschen. Mittels der Aufnahme des Elektrokardiogramms (EKG) in Schritt (a) werden über einen Messzeitraum Messwerte erhalten, die zur Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität des fetalen Herzes genutzt werden. Unter dem Begriff „Herzsignal“ wird die Beobachtung der Messgröße über den Messzeitraum verstanden. Dabei werden für die Messgröße Messwerte erhalten. Ein Elektrokardiogramm (EKG) ist somit ein Herzsignal. Ein solches Herzsignal kann beispielsweise mit einer Abtastfrequenz von 1000 Hz zwischen zwei Punkten der Haut beobachtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner eine Weiterverarbeitung von fetalen Herzsignalen zu klinisch relevanten fetalen HRV-Parametern, die robust gegenüber Rauschen sind, ermöglichen. Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte fetale HRV-Parameter kann für eine Verlaufsanalyse der Gesundheitsstörung, beispielsweise einer fetalen Entwicklungsstörung wie IUGR, genutzt werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere Male wiederholt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren nach einem vorgegebenen Zeitraum erneut ausgeführt wird. Der Zeitraum kann in einer Ausführungsform in einem Bereich von einem oder mehreren Tagen, beispielsweise einer Woche, liegen.
Die Erkennung einer Gesundheitsstörung, beispielsweise einer fetalen Entwicklungsstörung wie IUGR, kann durch ein Regelwerk unterstützt werden, das nachstehend im Einzelnen beschrieben wird. Das Regelwerk unterstützt die frühe Diagnose der Gesundheitsstörung und die Verlaufsanalyse der Gesundheitsstörung.
Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht das Aufnehmen eines Elektrokardiogramms unter Verwendung von zumindest zwei Elektroden, die auf der Bauchdecke der schwangeren Person platziert sind, vor. Bei den Elektroden handelt es sich beispielsweise um Klebeelektroden. Ein solches Elektrokardiogramm wird im Folgenden auch als abdominales Elektrokardiogramm bezeichnet. Zur Aufnahme des Elektrokardiogramms kann abdominal eine nicht-invasive Potenzialmessung mittels der Elektroden vorgenommen werden. Vorzugsweise wird das Elektrokardiogramm an mindestens zwei Stellen auf der Bauchdecke der schwangeren Person aufgenommen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Aufnahme des Elektrokardiogramms mobil erfolgt. Der Ausdruck „mobil“ bezieht sich dabei auf die schwangere Person, die während der Aufnahme des Elektrokardiogramms nicht zur Einnahme einer ruhenden Position gezwungen werden muss, sondern sich bewegen darf. Schritt (a) kann bevorzugt als mobile Messung durchgeführt werden.
Unter Aufnahme eines Elektrokardiogramms wird die Messung von elektrischen Potentialen an der Bauchdecke der schwangeren Person über einen Zeitraum, der hier als Messzeitraum bezeichnet wird, verstanden. Die elektrischen Potentiale sind die Messwerte. Die mittels der Elektroden erfassten elektrischen Potentiale spiegeln die Aktivität des fetalen Herzes, die Aktivität des Herzes der schwangeren Person und ein Rauschen wider. Das Elektrokardiogramm ist ein Herzsignal. Dieses Herzsignal kann in Schritt (c) zur Bestimmung des Herzsignals des Fetus verwendet werden. Das Elektrokardiogramm kann mittels eines Messgerätes, beispielweise eines Elektrokardiografen, aufgenommen werden. Ein Elektrokardiogramm kann über die gesamte Lebenszeit einer Person aufgenommen werden. Aus praktischen Gründen beträgt der Messzeitraum vorzugsweise mehrere Stunden oder Tage.
Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Schritt (b) sieht das Bestimmen von zumindest zwei Bereichen des Elektrokardiogramms vor, wobei jeder Bereich in einem Teilzeitraum erfasste Messwerte aufweist. Vorzugsweise sind drei oder mehr solcher Bereiche vorgesehen. Vorzugsweise haben alle Bereiche die gleiche zeitliche Länge, wobei eine Länge von 5 min besonders bevorzugt ist. Die Bereiche können sich über den gesamten Messzeitraum erstrecken. Hat der Messzeitraum beispielsweise eine Länge von 30 min, so kann das Elektrokardiogramm in 6 Bereiche von je 5 min zerlegt werden, wobei die Bereiche jeweils unmittelbar aneinandergrenzen, ohne dass sie dabei überlappen. Es ist bevorzugt, dass die Bereiche nicht überlappen. Sie können direkt aneinander angrenzen, so dass auf einen Bereich ohne zeitlichen Abstand ein nächster Bereich folgt. Zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Bereichen kann jedoch auch ein zeitlicher Versatz, beispielsweise von 30 s, vorgesehen sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Bereiche überlappen.
Jeder Bereich weist die Messwerte auf, die in dem Elektrokardiogramm für den Teilzeitraum des Bereiches erhalten wurden. Jeder Bereich ist somit ein Teil des Elektrokardiogramms, der die über den Zeitraum des Bereiches aufgenommenen Messwerte umfasst. Die Bestimmung der Bereiche des Elektrokardiogramms kann automatisiert, beispielsweise mittels einer Datenverarbeitungsanlage, vorgenommen werden.
Die Schritte (c), (d) und (e) werden für jeden Bereich vorgenommen.
Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Schritt (c) sieht das Filtern der in dem Teilzeitraum erfassten Messwerte zur Bestimmung eines fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms unter Anwendung eines Algorithmus vor. Dieser Schritt wird für jeden der in Schritt (c) bestimmten Bereiche vorgenommen. Sind beispielsweise 6 Bereiche vorgesehen sein, so wird die Filterung für jeden der sechs Bereiche vorgenommen. Es kann vorgesehen, dass zur Filterung für jeden Bereich derselbe Algorithmus verwendet wird, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Ein fetales Bereichs-Elektrokardiogramm wird im Folgenden auch als fetales Bereichs-EKG bezeichnet.
Eine Filterung ist erforderlich, weil das fetale elektrische Herzsignal massiv von den elektrischen Signalen der schwangeren Person, insbesondere ihrem Herzschlag, ihrer Muskelaktivität, und, falls vorhanden, ihren Wehen, überlagert wird und darüber hinaus auch sehr viel kleiner als die Überlagerungen ist. Es ist daher notwendig, Algorithmen einzusetzen, mit denen das fetale Herzsignal aus dem in Schritt (a) aufgenommenen Elektrokardiogramm herausgefiltert wird. Es kann vorgesehen sein, dass der in Schritt (c) angewendete Algorithmus aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem adaptiven Filter, einer Unabhängigkeitsanalyse (engl.: Independent Component Analysis), einem erweiterten Kalman-Filter, einer Hauptkomponentenanalyse (engl.: Principal Component Analysis), einem nichtlinearen statistischen Verfahren, einem maschinellen Lernverfahren oder Kombinationen davon besteht. Dabei ist ein erweiterter Kalman-Filter oder ein maschinelles Lernverfahren besonders bevorzugt.
Das Filtern der Messwerte eines Elektrokardiogramms ist an sich bekannt. Es wird beispielsweise in [6] beschrieben. Zum Filtern kann jeder Algorithmus, der nach dem Stand der Technik benutzt wird, um fetale Herzsignale aus einem abdominalen Elektrokardiogramm abzuleiten, verwendet werden. Schritt (c) kann automatisiert, beispielsweise mittels einer Datenverarbeitungsanlage, vorgenommen werden.
Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Schritt (d) sieht für jeden Bereich das Bestimmen einer Zeitreihe fetaler Herzschläge aus dem fetalen Bereichs-EKG vor. Vorzugsweise werden dabei alle fetalen Herzschläge berücksichtigt, die in dem fetalen Bereichs-EKG aufgezeichnet sind. Es kann somit vorgesehen sein, dass alle einzelnen fetalen Herzschläge, die in dem fetalen Bereichs-EKG aufgezeichnet sind, zur Bestimmung der Zeitreihe benutzt werden.
Dazu kann Schritt (d) die folgenden Teilschritte umfassen:

(d1) Bestimmen von Schlag-zu-Schlag-Abständen aus den fetalen Herzschlägen; und/oder
(d2) Extraktion von Werten für einen oder mehrere zweite Parameter aus den Schlag-zu-Schlag-Abständen.

Die in Schritt (d2) genannten Werte werden im Folgenden als fetale Werte bezeichnet. Der Ausdruck „zweite Parameter“ in Schritt (d2) soll diese Parameter von dem fetalen HRV-Parameter, der kein zweiter Parameter ist, unterscheiden.
Vorzugsweise werden die Schlag-zu-Schlag-Abstände in Schritt (d1) als Zeitreihe erhalten. Es kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung von Schlag-zu-Schlag-Abständen in Schritt (d1) aus den fetalen Herzschlägen mathematische Verfahren eingesetzt werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einer Scheitelpunkterkennung, einem Template-basierten Verfahren, einem maschinellen Lernverfahren, einem statistischen Modell oder Kombinationen davon besteht. Die Scheitelpunkterkennung kann beispielsweise unter Verwendung des Pan-Tomkins-Algorithmus erfolgen. Die Bestimmung von Schlag-zu-Schlag-Abständen in Schritt (d1) aus den fetalen Herzschlägen erfolgt vorzugsweise mittels eines Template-basierten Verfahrens.
In einer Ausführungsform werden die Schlag-zu-Schlag-Abstände unter Verwendung des QRS-Komplexes bestimmt. Der QRS-Komplex ist eine wiederkehrende Gruppe von Ausschlägen, die als Q-Zacke, R-Zacke und S-Zacke bezeichnet werden. Der Schlag-zu-Schlag-Abstand kann durch Bestimmen des zeitlichen Abstandes zwischen der R-Zacke eines ersten QRS-Komplexes und der R-Zacke des nächstfolgenden Komplexes bestimmt werden. Anstelle der R-Zacke kann auch die Q-Zacke oder S-Zacke der QRS-Komplexe oder eine Kombination der Zacken verwendet werden. Aus den Schlag-zu-Schlag-Abständen kann dann die Roh-Herzrate HR(R)_B des jeweiligen Bereiches B bestimmt werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung.
Anstelle oder zusätzlich zu den wiederkehrenden Zacken des QRS-Komplexes können auch ein oder mehrere andere wiederkehrende Parameter verwendet werden, die als zweite Parameter bezeichnet sind. Der oder die zweiten Parameter in Schritt (d2) sind vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem oder mehreren linearen Parametern, einem oder mehreren nicht-linearen Parametern, einem oder mehreren nicht-linearen dynamischen Parametern oder Kombinationen davon besteht. Die Extraktion einer oder mehrerer zweiter Parameter durch Filterung der Messwerte mittels eines Algorithmus in Schritt (d2) erfolgt vorzugsweise aus der Zeitreihe der Schlag-zu-Schlag-Abstände. Die Extraktion des oder der zweiten Parameter erfolgt vorzugsweise adaptiv.
Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Schritt (e) sieht das Bewerten der Signalqualität des fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms vor. Die Bewertung der Signalqualität des fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms in Schritt (e) erfolgt vorzugsweise unter Verwendung eines mathematischen Modells. Die Signalqualität berücksichtigt vorzugsweise alle Fehler, die mit der Aufnahme des Elektrokardiogramms (Schritt (a)) und der Signalverarbeitung in den Schritten (b), (c) und (d) verbunden sind. Bei der Signalqualität kann es sich somit um den Ende-zu-Ende-Fehler handeln.
Zur Bewertung der Signalqualität können Ergebnisse aus Vergleichsversuchen einbezogen werden. Die Vergleichsergebnisse können beispielsweise aus Versuchen, bei denen ein fetaler HRV-Parameter mittels anderer Verfahren bestimmt wurde, oder aus Simulationen stammen. Beispielsweise kann ein fetaler HRV-Parameter mittels Ultraschalls bestimmt werden. Bei Simulationen kann beispielsweise künstliches Rauschen oder eine andere Störung eingesetzt werden, um die Auswirkung von Rauschen auf die Bestimmung des fetalen HRV-Parameters zu bestimmen.
Einzelheiten zur Signalqualität sind unter dem Stichwort „Signalqualitätsindices“ in [3] beschrieben. Einzelheiten zur Simulation sind in [4] und [5] beschrieben.
Das mathematische Modell kann die Anwendung einer linearen Methode, einer nicht-linearen Methode, einer nicht-linearen dynamischen Methode, eines nichtlinearen statistischen Modells, Methoden des maschinellen Lernens oder Kombinationen vorsehen. Dabei ist das nichtlineare statistische Modell bevorzugt. Vorzugsweise wird die Bewertung der Signalqualität mittels des nichtlinearen statistischen Modells einerseits und einer linearen Methode, einer nicht-linearen Methode, einer nicht-linearen dynamischen Methode anderseits durchgeführt. In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mittels des nicht-linearen statistischen Modells auf Basis der Qualität der fetalen Herzsignale eine Bewertung der Signalqualität vorgenommen werden.
Mittels des mathematischen Modells kann die Unsicherheit und soweit vorhanden ein systematischer Fehler des fetalen HRV-Parameters, besonders bevorzugt die Varianz des fetalen HRV-Parameters für ein Signal dieser Signalqualität geschätzt werden. Die Varianz kann genutzt werden, um Mittelwerte genauer zu berechnen. Dazu wird beispielsweise das inverse Varianzgewicht gebildet. Mögliche systematische Fehler können durch einen Korrekturfaktor korrigiert werden. Das mathematische Modell kann trainiert werden, beispielsweise indem Elektrokardiogramme schwangerer Personen aufgenommen und daraus Werte für fetale HRV-Parameter bestimmt werden, die mit Werten verglichen werden, die auf anderem Wege, beispielsweise über eine Simulation oder Magnetokardiographie, erhalten wurden.
Die Verwendung des mathematischen Modells ermöglicht es, auf den Einsatz von Schwellwerten zu verzichten. Nach dem Stand der Technik war es üblich, Signale mit einer niedrigen Signalqualität, bei der Berechnung der Herzratenvariabilität nicht zu berücksichtigen.
Schritt (e) kann automatisiert, beispielsweise mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung, vorgenommen werden.
Schritt (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Schritt (f) sieht das Berechnen des Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes aus den in Schritt (d) erhaltenen Zeitreihen aller Bereiche und den in Schritt (e) bestimmten Signalqualitäten aller Bereiche vor. Der fetale HRV-Parameter kann durch Mittelwertbildung aus den Zeitreihen und den zugehörigen Signalqualitäten aller Bereiche berechnet werden. Beispielsweise kann die Herzrate HR(G), die ein beispielhafter fetaler HRV-Parameter ist, mittels inverser Varianzgewichtung berechnet werden: $H R (G) = \frac{\sum_{B} \frac{H R {(R)}_{B}}{{(σ_{B})}^{2}}}{\sum_{B} {(σ_{B})}^{- 2}}$
In Formel I bezeichnet HR(R)_B die Herzrate eines Bereiches B, die sich aus der in Schritt (c) bestimmten Zeitreihe ergibt, σB bezeichnet die Varianz der Signalqualität dieses Bereiches, die sich aus Schritt (d) ergibt.
Schritt (e) kann somit eine Korrektur des fetalen HRV-Parameters, der sich ohne Berücksichtigung der Signalqualität aus den Schritten (a), (b), (c) und (d) ergeben würde, mittels eines Modells vorsehen, das einen Zusammenhang zwischen der Signalqualität eines einzelnen Bereiches, d. h. gegebenenfalls dem systematischen Fehler und der Schwankung, der mit der Bestimmung des HRV-Parameters in diesem Bereich verbunden ist, und der Signalqualität dieses Bereiches herstellt.
Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte fetale HRV-Parameter spiegelt den tatsächlichen fetalen HRV-Parameter besser wider, als die mit bisher bekannten Verfahren ermittelten fetalen HRV-Parameter. Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte fetale HRV-Parameter ermöglicht somit eine bessere Diagnostik einer Gesundheitsstörung des Fetus, insbesondere von fetalen Entwicklungsstörungen wie IUGR.
Schritt (f) kann automatisiert, beispielsweise mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung, vorgenommen werden.
Weitere potentielle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die Schritte (b), (c), (d), (e) und (f) können unter Verwendung einer Datenverarbeitungsanlage, beispielsweise eines Computers, ausgeführt werden. Die Schritte (b), (c), (d), (e) und (f) können automatisiert ausgeführt werden. Die Datenverarbeitungsanlage kann eine Komponente eines Messgerätes sein, das neben der Datenverarbeitungsanlage die Elektroden für die Aufnahme des EKG in Schritt (a) aufweist. Das Messgerät kann ein mobiles Messgerät sein. Ein mobiles Messgerät ermöglicht eine mobile Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es kann vorgesehen sein, dass der in Schritt (e) erhaltene fetale HRV-Parameter, der wie vorstehend beschrieben berechnet wurde, verwendet wird, um eine Gesundheitsstörung, beispielsweise eine fetale Entwicklungsstörung wie IUGR, bei dem Fetus der schwangeren Person zu erkennen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist dazu ein Vergleich des erfindungsgemäß bestimmten fetalen HRV-Parameters mit Vergleichswerten vorgesehen. Die Vergleichswerte sind vorzugsweise in einer Datenbank gespeichert. Die Vergleichswerte können mit weiteren Parametern verknüpft sein, die als Vergleichsparameter bezeichnet werden. Die Vergleichsparameter können vorgegeben sein. Der Vergleich kann unter Verwendung einer Datenverarbeitungsanlage, beispielsweise eines Computers, ausgeführt werden. Der Vergleich kann automatisiert ausgeführt werden.
Mittels der Vergleichsparameter können Normwerte für den fetalen HRV-Parameter enthalten werden. Dieser Normwert wird bei einer gesunden Entwicklung des Fetus erwartet. Die Normwerte sind somit dem Zeitverlauf einer gesunden Schwangerschaft angepasst. Diese Normwerte können beispielsweise mittels eines multivarianten Regressionsverfahrens, unter Verwendung von Schwellwerten und/oder unter Verwendung von Trendbereichen bestimmt werden. Schwellwerte und Trendbereiche sind bekannte Funktionen zum Monitoring von Patienten.
Bei dem Vergleich des erfindungsgemäß bestimmten fetalen HRV-Parameters mit einem Vergleichswert, beispielweise einem Normwert, können zumindest einer, bevorzugt zwei oder mehr und besonders bevorzugt alle der folgenden Vergleichsparameter berücksichtigt werden: Schwangerschaftswoche, Alter der schwangeren Person, Tageszeit, Anzahl der Feten der schwangeren Person, Vorerkrankungen der schwangeren Person. Die Anzahl der Feten der schwangeren Person ist in der Mehrzahl der Fälle 1, bei einer Mehrlingsschwangerschaft jedoch 2 oder größer. Die Berücksichtigung dieser Vergleichsparameter soll sicherstellen, dass der erfindungsgemäß bestimmte fetale HRV-Parameter mit einem Normwert verglichen wird, dessen Vergleichsparameter möglichst den Parametern entsprechen, unter denen der fetale HRV-Parameter mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurde. Die Parameter werden im Folgen als „Aufnahmeparameter“ bezeichnet. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäß bestimmte fetale HRV-Parameter mit einem Normwert verglichen, der für die gleiche Schwangerschaftswoche, das gleiche Alter der schwangeren Person, Tageszeit, die gleiche Anzahl der Feten der schwangeren Person und/oder die gleichen Vorerkrankungen der schwangeren Person gilt.
Sind zwei oder mehr Vergleichsparameter vorgesehen, so können diese gemeinsam ein Regelwerk bilden. Der erfindungsgemäß bestimmte fetale HRV-Parameter wird dann mit diesem Regelwerk verglichen. Werden dabei Abweichungen zu einem Normwert bestimmt, dessen Vergleichsparameter den Aufnahmeparametern entsprechen, unter denen der erfindungsgemäß bestimmte fetale HRV-Parameter erhalten wurde, so kann eine Gesundheitsstörung, insbesondere eine fetale Entwicklungsstörung wie IUGR, vorliegen. Es kann vorgesehen sein, dass das Regelwerk Merkmale wie beispielsweise Schwangerschaftswoche, Alter der Mutter, Tageszeit, Anzahl der Feten der schwangeren Person, Vorerkrankungen der schwangeren Person berücksichtigt. Das Regelwerk kann besonders bevorzugt personalisiert ausgeführt sein. Unter einer Personalisierung wird dabei die Berücksichtigung des erfindungsgemäß bestimmten fetalen HRV-Parameters und der zugehörigen Aufnahmeparameter in dem Regelwerk verstanden. Dabei können sich beispielsweise Schwellwerte und Trendbereiche adaptiv ändern.
Der Vergleich kann eine Klassifikation des Gesundheitszustandes des Fetus ermöglichen, wobei eine Gesundheitsstörung vorliegt, wenn der erfindungsgemäß bestimmte fetale HRV-Parameter von einem Normwert abweicht, dessen Vergleichsparameter den Aufnahmeparametern entsprechen. Weicht der erfindungsgemäß bestimmte fetale HRV-Parameter von dem Normwert nicht ab, so lässt sich dem erfindungsgemäß berechneten fetalen HRV-Parameter kein Hinweis auf eine Gesundheitsstörung entnehmen, insbesondere kein Hinweis auf eine fetale Entwicklungsstörung wie IUGR. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Erkennung einer fetalen intrauterinen Wachstumsretardierung.
Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte fetale HRV-Parameter kann allein oder zusammen mit der Klassifikation, beispielsweise der Klassifikation auf Basis des Regelwerks, angezeigt und/oder ausgegeben werden. Zur Anzeige des erfindungsgemäß bestimmten fetalen HRV-Parameters und, falls vorgesehen, der Klassifikation kann eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise ein Monitor vorgesehen sein. Die Anzeigevorrichtung kann mit der Datenverarbeitungsanlage über eine drahtgebundene oder drahtlose Datenleitung verbunden sein. Zur Ausgabe des erfindungsgemäß bestimmten HRV-Parameters und, falls vorgesehen, der Klassifikation kann eine Ausgabevorrichtung, beispielsweise ein Drucker vorgesehen sein. Die Ausgabevorrichtung kann mit der Datenverarbeitungsanlage über eine drahtgebundene oder drahtlose Datenleitung verbunden sein. Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte fetale HRV-Parameter und, falls vorgesehen, die Klassifikation können auf diese Weise für die klinische Diagnose oder Verlaufsanalyse von fetalen Entwicklungsstörungen wie der IUGR benutzt werden. Die Anzeigevorrichtung kann eine Komponente des Messgerätes sein. Die Ausgabevorrichtung kann eine Komponente des Messgerätes sein.
Die Erfindung nutzt gegenüber dem Stand der Technik eine vergleichbar einfache und etablierte Technik, nämlich das EKG. Um ein abdominales EKG zu erhalten, werden zumindest zwei Elektroden am Bauch der schwangeren Person befestigt. Beispielsweise können die Elektroden auf den Bauch der schwangeren Person geklebt werden. Die auf diese Weise erhaltenen Messwerte besitzen allerdings ein sehr schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis wegen starker Überlagerungen. Trotz dieses Nachteils ist das EKG den alternativen Verfahren, insbesondere dem Ultraschall gerade unter dem Einfluss von Bewegung der schwangeren Person überlegen, da keine Neuausrichtung nach einer Bewegung erfolgen muss. Die erfindungsgemäß vorgesehene Bestimmung fetaler Bereichs-Elektrokardiogramme in Schritt (c) aus den Messwerten ermöglicht die Anwendung von Methoden der Variabilitätsanalyse, wie sie beispielsweise in der Kardiologie etabliert sind, am Fetus. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mobil angewendet werden. Es kann über einen längeren Messzeitraum angewendet werden. Unter einem längeren Messzeitraum wird ein Zeitraum von einer oder mehreren Stunden, einem oder mehreren Tagen oder einer oder mehreren Wochen verstanden.
Die Probleme der niedrigen Qualität der in Schritt (a) erhaltenen Messwerte konnten nach dem Stand der Technik nicht gelöst werden. Die Erfindung adressiert dieses Problem durch eine verbesserte komplexe Messsignalverarbeitung. Dazu kann zusätzlich vorgesehen sein, dass auf Basis der Signalqualität eine statistische Bewertung der klinisch relevanten Parameter vorgenommen wird, wodurch Diagnose und Verlaufsanalyse ermöglicht werden.
Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Verbesserung der Diagnose und Verlaufsanalyse fetaler Entwicklungsstörungen wie der IUGR. Die Anwendung des abdominalen EKG bietet außerdem deutliche Kostenvorteile. Überdies kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in einem mobilen Messgerät ausgeführt werden.
Die Erfindung kann in der Humanmedizin speziell in der gynäkologischen Diagnostik Anwendung finden. Die Früherkennung der Erkrankungsrisiken und die Verlaufsprognose fetaler Entwicklungsstörungen wie der IUGR sind dabei bevorzugte Anwendungsgebiete. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, durch eine Abschätzung des Erkrankungsrisikos wesentlich schneller beim Ausbruch der Erkrankung reagieren zu können, um ein Überleben des Fetus zu ermöglichen und Schäden abzuwenden.
Die Erfindung kann in der klinischen Routine bevorzugt in mobilen Anwendungen genutzt werden. Sie kann zur gesundheitlichen Vorsorge des Fetus durch rechtzeitige Informationen über dessen Zustand die Möglichkeit bieten, gezielt auf eine sich ändernde gesundheitliche Situation zu reagieren. Dadurch können gegebenenfalls entscheidende Kosten in der Notfallmedizin erspart werden.
Die Erfindung ermöglicht es, aus einem abdominalen EKG klinisch relevante Herzsignale in Form von Bereichs-Elektrokardiogrammen durch Filtern zu extrahieren, die der Analyse der autonomen Regulationsprozesse des fetalen vegetativen Nervensystems dienen. Damit werden eine verbesserte klinische Diagnostik von fetalen Entwicklungsstörungen wie der IUGR sowie eine Verlaufsanalyse ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere schon ab der 20. Schwangerschaftswoche nutzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine robuste Ableitung des fetalen EKG durch die Bauchdecke der Mutter. Dazu können messtechnische Methoden eingesetzt werden. Ein besonders bevorzugtes Messsetup ist die mobile Messung des abdominalen EKG. Das abgeleitete fetale EKG wird vorzugsweise zur Gewinnung von einem oder mehreren fetalen HRV-Parametern, bevorzugt solchen mit klinischer Relevanz, mit Methoden der Signalverarbeitung weiter verarbeitet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine schematische Teildarstellung einer schwangeren Person und der auf dem Bauch platzierten Elektroden zur Aufnahme eines Elektrokardiogramms;
2 ein Beispiel eines abdominalen Elektrokardiogramms;
3 das in 2 gezeigte Elektrokardiogramm, in das die Bereiche eingezeichnet sind, die zur Bestimmung des fetalen HRV-Parameters verwendet werden;
4 Teildarstellungen der Bereichs-Elektrokardiogramme, die durch Filterung der in 3 gezeigten Bereiche des Elektrokardiogramms erhalten wurden;
5A ein Diagramm, das ein erstes mathematisches Modell zeigt; und
5B ein Diagramm, das ein zweites mathematisches Modell zeigt.

Das Beispiel veranschaulicht die Bestimmung eines fetalen HRV-Parameters mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dem in diesem Beispiel bestimmten fetalen HRV-Parameter handelt es sich um die gewichtete Herzrate (HR(G)).
1 zeigt eine Teildarstellung einer schwangeren Person. Am Bauch 1 der schwangeren Person 2, die einen Fetus 3 trägt, sind zwei Elektroden 4 befestigt. Mittels der Elektroden wird ein abdominales Elektrokardiogramm 5 aufgenommen (Schritt (a)), das in 2 gezeigt ist. Das abdominale Elektrokardiogramm setzt sich aus folgenden Beiträgen zusammen: den elektrischen Aktivitäten der Mutter, den elektrischen Aktivitäten des Fetus und einem Rauschen. Allerdings kann in dem abdominalen Elektrokardiogramm 5 nicht ohne weiteres zwischen den einzelnen Beiträgen unterschieden werden. Das in 2 gezeigte Elektrokardiogramm 5 wurde über einen Zeitraum von 15 min aufgenommen. Dieser Zeitraum ist der Messzeitraum t_M.
Das abdominale Elektrokardiogramm 5 wird in Bereiche zerlegt (Schritt b)), in diesem Beispiel in die Bereiche 6.1, 6.2 und 6.3, wie in 3 gezeigt ist. Diese Bestimmung der Bereiche wird automatisch vorgenommen. Die Bereiche 6.1, 6.2 und 6.3 haben die gleiche Zeitdauer, in diesem Beispiel 5 min. Die Teilzeiträume t₁, t₂, t₃ sind somit jeweils 5 min lang. Der erste Bereich 6.1 beginnt bei 0 und endet mit dem Ende der 5. Minute. Der zweite Bereich 6.2 grenzt unmittelbar, also ohne zeitlichen Versatz, an den ersten Bereich 6.1 an und endet mit dem Ende der 10. Minute. Der dritte Bereich 6.3 grenzt unmittelbar, also ohne zeitlichen Versatz, an den zweiten Bereich 6.2 an und endet mit dem Ende der 15. Minute.
Jeder dieser Bereiche 6.1, 6.2 und 6.3 wird zur Bestimmung fetaler Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 genutzt (Schritt (c)). Die Bestimmung der fetalen Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 erfolgt durch Filterung auf an sich bekannte Weise mittels eines Algorithmus. Mittels des Algorithmus werden die Messwerte gefiltert, wodurch die fetalen Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 erhalten werden. In 4 sind die Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 gezeigt, die mittels des Algorithmus für jeden Bereiche 6.1, 6.2 und 6.3 erhalten wurden.
Die Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 in 4 zeigen zwei wiederkehrende Ausschläge. Die deutlich größeren sind die QRS-Komplexe der schwangeren Person (S), die kleineren sind die QRS-komplexe des Fetus, in diesem Beispiel werden die fetalen R-Zacken (M) für die Ermittlung des Schlag-zu-Schlag-Abstandes genutzt. Jede R-Zacke steht für einen Herzschlag. In jedem der Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 sind somit mehrere Herzschläge wiedergegeben. Die Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 werden zur Bestimmung von Zeitreihen verwendet (Schritt (d)), wobei für jeden Bereich eine gesonderte Zeitreihe bestimmt wird. Zur Bestimmung der Zeitreihe eines Bereiches kann ein wiederkehrendes Merkmal verwendet werden, beispielsweise ein Ausschlag des QRS-Komplexes. In diesem Beispiel wird die R-Zacke zur Bestimmung der Zeitreihe verwendet. Die R-Zacken sind im Bereichs-Elektrokardiogram 7.1 mit dem Buchstaben M gekennzeichnet. Zwischen benachbarten R-Zacken liegt ein Zeitraum t_z, wie im Bereichs-Elektrokardiogramm 7.1 zu erkennen ist. Aus der Zahl der R-Zacken und der Summe der Zeiträume t_z kann die Roh-Herzrate HR(R)_B berechnet werden, indem die Anzahl der Schläge durch die Summe der Zeiträume t_z geteilt wird. Die für die drei Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2 und 7.3 erhaltenen Herzraten HR(R)_B sind in Tabelle 1 angegeben. Mittels der R-Zacken kann der Schlag-zu-Schlag-Abstand bestimmt werden. Wird aus den Roh-Herzrate HR(R)_B durch Mittelwertbildung eine erste mittlere Roh-Herzrate HR(R)_M berechnet, so ergibt sich ein Wert von 153,33 min^-1, der jedoch weder eine Plausibilitätsprüfung mittels Schwellwerten noch eine Bewertung der Signalqualität der Roh-Herzraten HR(R)_B berücksichtigt.
Nach dem Stand der Technik sind Schwellwerte vorgesehen, um Signale mit Signalqualitäten, die außerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegen, von der Berechnung der mittleren Herzrate des fetalen Herzes auszuschließen. Diese Schwellwerte sollen verhindern, dass bei Berechnung der mittleren Herzrate des fetalen Herzes Herzraten berücksichtigt werden, die mit einem hohen Fehler assoziiert sind. Weiterhin können Herzraten, die außerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegen, von der Berechnung ausgeschlossen werden. Dabei kann es sich um Herzraten handeln, die oberhalb eines oberen Schwellwertes liegen und somit Herzraten sind, die ein fetales Herz nach aller Erfahrung nicht aufweist. Andererseits kann es sich um Herzraten handeln, die unterhalb eines unteren Schwellwertes liegen und somit ebenfalls Herzraten sind, die ein fetales Herz nach aller Erfahrung nicht aufweist. In diesem Beispiel liegen die Roh-Herzrate HR(R)₁, die für das erste Bereichs-Elektrokardiogramm 7.1 ermittelt wurde, und die Roh-Herzrate HR(R)₃, die für das dritte Bereichs-Elektrokardiogramm 7.3 ermittelt wurde, oberhalb des unteren Schwellwertes und unterhalb des oberen Schwellwertes und werden daher nach dem Stand der Technik für die Berechnung der mittleren Herzrate HR(R)_M des fetalen Herzes berücksichtigt. Die Roh-Herzrate HR(R)₂, die für den zweiten Bereich 7.2 ermittelt wurde, liegt allerdings oberhalb des Schwellwertes der Signalqualität und wird daher nach dem Stand der Technik für die Berechnung der mittleren Herzrate HR(R)_M des fetalen Herzes nicht berücksichtigt. Nur aus den berücksichtigten Herzraten HR(R)_B wird nach dem Stand der Technik die mittlere Herzrate HR(R)_M durch Mittelwertbildung bestimmt. Wird aus den berücksichtigten Roh-Herzraten HR(R)_B durch Mittelwertbildung eine zweite mittlere Herzrate HR(R)_M berechnet, so ergibt sich ein Wert von 145,00 min^-1, der jedoch die Signalqualität der Roh-Herzrate HR(R)_B nicht berücksichtigt und einen Bereich des Elektrokardiogramms 5, nämlich das daraus erhaltene Bereichs-Elektrokardiogramm7.2, außer Acht lässt.
Erfindungsgemäß ist hingegen eine Bewertung der Signalqualität der Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2, 7.3 mittels eines mathematischen Modells vorgesehen (Schritt (e)). In den 5A und 5B sind zwei alternative mathematische Modell als Diagramme gezeigt. Die Diagramme zeigen jeweils die Signalqualität und den zugehörigen relativen Fehler, einschließlich der Varianz. In diesem Beispiel wird das erste mathematische Modell (5A) verwendet. Das zweite mathematische Modell (5B) würde verwendet werden, wenn es einen systematischen Fehler im Zusammenhang mit der Signalqualität gibt.

Die Signalqualität der in den Schritten (a), (b), (c) und (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Roh-Herzraten HR(R)_B der Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2, 7.3 ist bekannt. Sie ergibt sich aus der verwendeten Methodik zur Aufnahme des Elektrokardiogrammes, dem angewendeten Algorithmus und dem in Schritt (d) verwendeten Verfahren. Mittels des mathematischen Modells kann nun die Varianz bestimmt werden, die mit einer bestimmten Signalqualität verbunden ist. In Tabelle 1 ist die Varianz für die Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2, 7.3, die sich aus dem verwendeten mathematischen Modell ergibt, angegeben. In den 5A und 5B sind die Signalqualität S_7.1 des ersten Bereichs-Elektrokardiogramms 7.1, die Signalqualität S_7.2 des zweiten Bereichs-Elektrokardiogramms 7.2 und die Signalqualität S_7.3 des dritten Bereichs-Elektrokardiogramms 7.3 eingetragen. Aus der Signalqualität ergibt sich die Varianz (σ²) des Fehlers, der mit der Signalqualität verbunden ist. Das Fehlerintervall ist den 5A und 5B durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. Tabelle 1

Bereich	Tatsächliche HR(R)_B [min^-1]	Roh-HR(R)_B [min^-1]	Berücksichtigung gemäß Stand der Technik	Varianz (er²) des Fehlers
6.1	140	140	Ja	0,1
6.2	160,6	170	Nein	0,2
6.3	150	150	Ja	0,005
Fetaler HRV - Parameter	150,20 min^-1	153,33 min^-1 *	145 min^-1 **	150 min^-1 ***

* erste mittlere Herzrate HR(R)_M als einfacher fetaler HRV-Parameter, bestimmt durch Bildung des Mittelwertes der Roh-Herzraten der drei Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1, 7.2, 7.3
** zweite mittlere Herzrate HR(R)_M, bestimmt durch Bildung des Mittelwertes der berücksichtigten Roh-Herzraten der Bereichs-Elektrokardiogramme 7.1 und 7.3
*** gewichtete Herzrate HR(G), bestimmt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren

Formel I kann nun genutzt werden, um eine gewichtete Herzrate HR(G) zu berechnen. Dabei ergibt sich aus $H R (G) = \frac{\sum_{B} \frac{H R {(R)}_{B}}{{(σ_{B})}^{2}}}{\sum_{B} {(σ_{B})}^{- 2}}$
ein Wert von 150 min^-1. Dieser Wert spiegelt die tatsächliche Herzrate des fetalen Herzes aufgrund der Berücksichtigung der Signalqualität besser wider als die Werte für die erste und zweite Herzrate. Die gewichtete Herzrate HR(G) ist ein Beispiel für einen fetalen HRV-Parameter, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet wurde.
Bezugszeichenliste

1: Bauch
2: schwangere Person
3: Fetus
4: Elektroden
5: Elektrokardiogramm
6.1: erster Bereich
6.2: zweiter Bereich
6.3: dritter Bereich
7.1: erstes Bereichs-Elektrokardiogramm
7.2: zweites Bereichs-Elektrokardiogramm
7.3: drittes Bereichs-Elektrokardiogramm

Literatur

[1]: Intrauterine growth restriction. Guideline of the German Society of Gynecology and Obstetrics (S2k, AWMF-Registry-No.: 015/080, Oktober 2016). https://www.awmf.org/leitlinien/detail/11/015-080.html
[2]: Hoyer, D., Schneider, U., Kowalski, E.-M., Schmidt, A., Witte, O. W., Schleußner, E., Hatzmann, W., Grönemeyer, D. H., & van Leeuwen, P. (2015). Validation of functional fetal autonomic brain age score fABAS in 5 min short recordings. Physiological Measurement, 36(11), 2369-2378. https://doi.org/10.1088/0967-3334/36/11/2369
[3]: Andreotti, F., Gräßer, F., Malberg, H., and Zaunseder, S. (2017). Non-Invasive Fetal ECG Signal Quality Assessment for Multichannel Heart Rate Estimation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 64, 2793-2802
[4]: Behar J., Andreotti F., Zaunseder S., Li Q., Oster J. and Clifford G D., An ECG model for simulating maternal-foetal activity mixtures on abdominal ECG recordings. Physiol Meas 35(8), pp.1537-50, 2014.
[5]: Andreotti F., Behar J., Zaunseder S., Oster J. and Clifford G D., An Open-Source Framework for Stress-Testing Non-Invasive Foetal ECG Extraction Algorithms. Physiol Meas 37(5), pp. 627-648, 2016.
[6]: N. Pini, G. Magenes, A. Fanelli and M. G. Signorini, An Efficient Algorithm for the Extraction of Fetal ECG from Standard and Non-Standard Multi Abdominal Maternal Leads" 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2019, pp. 5717-5720, doi: 10.1109/EMBC.2019.8858152.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Parameters der Herzratenvariabilität eines fetalen Herzes bei einer schwangeren Person (2), umfassend die Schritte: (a) Aufnehmen eines Elektrokardiogramms (5) unter Verwendung von zumindest zwei Elektroden (4), die auf der Bauchdecke der schwangeren Person (2) platziert sind, unter Erhalt von Messwerten für einen Messzeitraum; (b) Bestimmen von zumindest zwei Bereichen (6.1, 6.2, 6.3) des Elektrokardiogramms (5), wobei jeder Bereich (6.1, 6.2, 6.3) in einem Teilzeitraum erfasste Messwerte aufweist; (c) für jeden Bereich (6.1, 6.2, 6.3) Filtern der in dem Teilzeitraum erfassten Messwerte zur Bestimmung eines fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms unter Anwendung eines Algorithmus; (d) für jeden Bereich (6.1, 6.2, 6.3) Bestimmen einer Zeitreihe fetaler Herzschläge aus dem fetalen Bereichs-Elektrokardiogramm; (e) für jeden Bereich (6.1, 6.2, 6.3) Bewerten der Signalqualität des fetalen Bereichs-Elektrokardiogramms; und (f) Berechnen des Parameters der Herzratenvariabilität des fetalen Herzes aus den in Schritt (d) erhaltenen Zeitreihen aller Bereiche und den in Schritt (e) bestimmten Signalqualitäten aller Bereiche.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzeiträume aller Bereiche (6.1, 6.2, 6.3) die gleiche zeitliche Länge aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzeiträume aller Bereiche (6.1, 6.2, 6.3) jeweils eine Länge von 5 min aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (6.1, 6.2, 6.3) sich über den gesamten Messzeitraum erstrecken.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt (c) angewendete Algorithmus aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem adaptiven Filter, einer Unabhängigkeitsanalyse, einem erweiterten Kalman-Filter, einer Hauptkomponentenanalyse, einem nichtlinearen statistischen Verfahren, einem maschinellen Lernverfahren oder Kombination davon besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (d) einen oder beide der Teilschritte umfasst: (d1) Bestimmen von Schlag-zu-Schlag-Abständen aus den fetalen Herzsignalen; (d2) Extraktion von Werten, die als fetale Werte bezeichnet werden, für einen oder mehrere Parameter, die als zweite Paramater bezeichnet werden, aus den Schlag-zu-Schlag-Abständen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlag-zu-Schlag-Abstände in Schritt (d1) unter Verwendung des QRS-Komplexes bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Schlag-zu-Schlag-Abständen in Schritt (d1) mathematische Verfahren eingesetzt werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einer Scheitelpunkterkennung, einem Template-basierten Verfahren, einem maschinellen Lernverfahren, einem statistischen Modell oder Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung der Signalqualität in Schritt (d) unter Verwendung eines mathematischen Modells erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell die Anwendung einer linearen Methode, einer nicht-linearen Methode, einer nicht-linearen dynamischen Methode, einem nichtlinearen statistischen Modell oder Kombinationen davon umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Vergleich des in Schritt (e) berechneten Parameters der Herzratenvariabilität mit einem Normwert umfasst, der in einer Datenbank gespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Normwert ein oder mehrere Vergleichsparameter zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Normwerte mittels eines multivarianten Regressionsverfahrens, unter Verwendung von Schwellwerten und/oder unter Verwendung von Trendbereichen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich eine Klassifikation des Gesundheitszustandes des Fetus ermöglicht, wobei eine Gesundheitsstörung vorliegt, wenn der in Schritt (e) berechnete Parameter der Herzratenvariabilität von einem Normwert abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesundheitsstörung des Fetus eine fetale intrauterine Wachstumsretardierung ist.