DE19517138A1

DE19517138A1 - Verfahren und System zur Erkennung der P-, T- und QRS-Komplexe in einem Holter-Elektrokardiogramm

Info

Publication number: DE19517138A1
Application number: DE19517138A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr Joswig; Manfred Dipl Ing Traeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 1996-11-14

Description

Grundlagen des Verfahrens

Die klinisch routinemäßige Überwachung des Elektrokardiogramms (EKG) gefährdeter Inten sivpatienten ermöglicht die rechtzeitige Erkennung lebensbedrohlicher Arrhythmien.

Aufgrund systematischer Einflüsse besitzen EKG-Signale mannigfaltige, patienten-individuelle Erscheinungsformen. Aus der medizinischen Betrachtung des kardialen Erregungsbildungs- und Erregungsleitungssystems folgt, daß die atriellen und ventrikulären Herzaktionen auf zwei voneinander isolierten biologischen Prozessen beruhen. Zwischen diesen Prozessen besteht auf grund eines bidirektionalen Leitungsmechanismus eine im allgemeinen stationäre Erregungs kopplung, die im EKG-Signal durch eine zeitlich sequentielle Folge von P-Welle, QRS- Komplex und T-Welle gekennzeichnet ist. Eine pathologische Störung kann zu zeitlich unkoor dinierten Aktivitäten der Atrien und Ventrikel und damit im EKG-Signal zu additiven Über lagerungen komplexer Muster führen.

Die manuelle Erkennung der Bedeutung dieser Muster, d. h. die Bestimmung des semantischen Inhaltes, basiert sowohl auf der Analyse des Amplitudenverlaufes zugeordneter Signalab schnitte, als auch auf der Betrachtung der zeitlichen Aufeinanderfolge, der Syntax, der auf tretenden Muster innerhalb eines Zeitfensters.

Grundlage heutiger computerunterstützter Arrhythmie-Überwachungssysteme ist die Analyse der ventrikulären Herzaktionen, der QRS-Komplexe, die sich in der Regel durch einen markanten Amplitudenverlauf auszeichnen. Da QRS-Komplexe nur einen Teil der Herz aktionen repräsentieren, ist das Spektrum detektierbarer Arrhythmien in derartigen Systemen prinzipiell beschränkt. Durch eine zusätzliche Erfassung der atriellen Herzaktionen, der P- Wellen, läßt sich das Spektrum erweitern und die Zuverlässigkeit der Mustererkennungs systeme erhöhen. Dem steht aber entgegen, daß in Anwesenheit latenter Störsignale und ausgeprägter QRS-Komplexe die Detektion der schwach ausgeprägten P-Wellen sehr instabil ist. Die Komplexität der gemessenen Daten entzieht sich dabei bis heute jeder vollständigen Modellierung.

Mit dem hier vorgestellten Verfahren wird für die vollständige Verarbeitung des Elektrokardio gramms die P-Welle als Ausdruck eines eigenständigen Prozesses betrachtet, dabei erfolgt deren Detektion und Analyse in Bezug auf QRS-Komplexe und T-Wellen. Dafür wird das ursprüngliche EKG-Signal nach einer automatischen Adaption auf die aktuell vorliegende Erscheinungsform in eine neue Zeitreihe transformiert, indem der dominante QRS-Komplex im Sinne einer Reduktion eines additiven Störsignals aus dem EKG entfernt wird. Auf der neu entstandenen Zeitreihe erfolgt anschließend die Detektion der P-Wellen mit Hilfe der Hough- Transformation.

Die Adaption erfolgt akausal anhand aller in einem Zeitfenster auftretenden Wellenformen vor und nach dem aktuellen Signal. Es orientiert sich an einer bildhaften Wissensrepräsentation auf der Basis eines abstrahierten, als Bild interpretierten Signalverlaufes. Die bei der Rausch- Reduktion angewendeten Operationen sind nicht-linear, da innerhalb eines Zeitfensters die gefundenen EKG-Muster nur segmentweise subtrahiert werden.

Übersicht

Zur Orientierung ist in Abb. 1 das gesamte Verfahren im Überblick dargestellt. Im EKG-Signal (a) werden zunächst alle potentiellen ventrikulären Bestandteile segmentiert (b) und die wiederholt auftretenden Elemente als dominante Muster klassifiziert (c). Nach der Trans formation des EKG-Signals durch Reduktion der zuvor erkannten ventrikulären Wellenformen (d, e & f & g) erfolgt die Detektion der P-Wellen auf der veränderten Zeitreihe (h). Ab schließend wird durch eine Klassifikation die Dominanz des segmentierten P-Wellen-Musters festgestellt (i). Durch eine syntaktische Überprüfung der medizinisch normalen sequentiellen Folge einzelner EKG-Segmente werden schließlich normale Herzzyklen erkannt und die zu nächst nur auf der Dominanz der Muster basierende Reduktion des EKG-Signals verifiziert (j). Die Analyse beschränkt sich auf ein mitlaufendes kurzes Zeitfenster (ca. 5 sec), wodurch eine schnelle Adaption an Signalveränderungen im EKG erreicht wird.

Segmentierung der EKG-Bestandteile

Die Kriterien für die Segmentierung der einzelnen EKG-Bestandteile werden entsprechend der nicht-deterministischen Eigenschaften des EKG-Signals heuristisch, anhand einer Untersu chung von Expertenwissen, festgelegt. Aus dieser Analyse resultiert, daß der typische normale Herzzyklus in Abb. 2 eine Abstraktion des tatsächlichen Signalverlaufes darstellt und augenscheinlich diejenigen signifikanten Attribute enthält, die bei der manuellen Segmentierung des EKG′s herangezogen werden. Das hier zugrundegelegte Modell einer bildhaften Wissens repräsentation für die manuelle Adaption auf das aktuelle EKG-Signal basiert sowohl auf dieser Abstraktion, als auch dem Wissen über die biologischen Prozesse innerhalb des Er regungsbildungs- und Leitungssystems.

Verarbeitung des QRS-Komplexes

Die Detektion der QRS-Komplexe erfolgt in Anlehnung an die aus Literatur und Technik bekannten Verfahren, basierend auf der Bestimmung von Extrema und Signalflanken minimaler Betrags-Steigung innerhalb des betrachteten Zeitfensters.

Überlagerung, Klassifikation und Reduktion

Die Klassifikation der einzelnen EKG-Segmente beruht auf der Berechnung der jeweiligen dominanten Musterklassen und der Ermittlung der Klassenzugehörigkeit der einzelnen Seg mente. Um den Einfluß möglicher Artefakte zu reduzieren, werden die Klassenvertreter der einzelnen Musterklassen mit einer nicht-linearen Median-Operation bestimmt. Durch eine vor herige Überlagerung der Muster in einer Bildebene wird sowohl die nötige Invarianz der Lage, als auch die für die Median-Operation notwendige Ordnungsrelation der zweidimensionalen Muster erzeugt (Abb. 3).

Für die Überlagerung wird zunächst aus den segmentierten Signalabschnitten ein Bezugssegment mit einer mittleren zeitlichen Ausdehnung bestimmt. Anschließend werden die relativen Verschiebungen Δn_Ri und Δy_Ri der übrigen Segmente jeweils durch das Maximum der normierten Kreuzkorrelationsfunktion ϕ_Ri (Δn) mit

max{ϕ_Ri(Δn)} ϕ_Ri = (Δn_Ri) (G1)

und

sowie dem Minimum des mittleren quadratischen Fehlers

mit

berechnet. Nach der Überlagerung werden aus den Abtastwerten Si(n) der Segmente spalten weise neue Zeitreihen

Z_n(k) = {S₁(k), S₂(k), . . . , S₁(k)|n_min n n_max} (G5)

gebildet und der Medianwert jeder Zeitreihe ermittelt. Abschließend wird das Segment als Klassenvertreter bestimmt, dessen Abtastwerte, bezogen auf die mittlere zeitliche Ausdehnung, am häufigsten die Medianwerte der Zeitreihen liefert. Dieser entspricht also nicht einem aus den Medianwerten neu erzeugten Muster, sondern dem Segment S_i, das die Erscheinungsform der dominanten Musterklasse insgesamt am besten abbildet.

Nach der Lagenormierung und der Ermittlung des Klassenvertreters werden die einzelnen Segmente dann als dominant klassifiziert, wenn sie innerhalb einer Einhüllenden des Klassenvertreters liegen. Für die nun folgende Reduktion der ursprünglichen Zeitreihe wird zunächst mit einer weiteren Median-Operation ein Mittelwert der S_M(n) dominanten Musterklasse gebildet. Anschließend werden in der Bildebene die Differenzen ΔS_i(n) zwischen den zur dominanten Musterklasse gehörenden Segmenten und dem Mittelwert der Klasse gebildet. Im EKG werden daraufhin die Signalabschnitte, die den dominanten Segmenten entsprechen, durch das jeweilige Differenzsignal ersetzt:

S_i(n) → ΔS_i(n) = (S_i(n - Δn_Ri) + Δy_Ri) - (_M(n - Δn_RM) (G6)

Verarbeitung der T-Welle

Da die T-Welle als Ausdruck der Erregungsrückbildung der Ventrikel dem QRS-Komplex unmittelbar folgen muß, ist deren Lage im EKG mit der Erkennung des QRS-Komplexes bereits festgelegt. Ein empirisch ermittelter Schätzwert t_T für die zeitliche Ausdehnung der T- Welle, mit dessen Hilfe eine ausreichend genaue Segmentierung möglich ist, ergibt sich aus

mit mittlerer zeitlicher Abstand zweier detektierter QRS-Komplexe, t_Q mittlere Zeit dauer eines QRS-Komplexes.

Verarbeitung der P-Welle

Die signifikante morphologische Eigenschaft der P-Welle liegt in ihrem parabelförmigen Signalverlauf, der in der zeitlichen Ausdehnung beiderseits durch einen Stetigen Übergang in einen konstanten Amplitudenverlauf gekennzeichnet ist. Das a priori-Wissen über die mittlere Amplitude und Zeitdauer der P-Welle erlaubt entsprechend der grundlegenden Eigenschaft des EKG′s nur eine ungenaue Generierung eines Standard-Musters.

Aus diesem Grund basiert das Segmentierungsverfahren auf der Hough-Transformation, bei der die P-Welle innerhalb eines mitgeführten Koordinatensystems durch die Summe p(m) einer parametrisierbaren Normalparabel und einer Rauschfunktion r(m) approximiert wird (Abb. 4):

p(m) = a m² + r(m), m∈[m₀ - τ, m₀ + τ] (G8).

Die einzelnen Abtastwerte p(m) des Elektrokardiogramms formen die Punkte der in einer Bildebene gelegenen Kontur P und werden durch die Hough-Transformation auf der diskretisierten Hough-Geraden wiederum als Punkte abgebildet.

Bei einer idealen Struktur (r(m)≡0 ∈[m₀-τ,m₀+τ]) würde sich auf der Hough-Geraden ein einzelner Punkt a = a ergeben, durch dessen Lage der gesuchte Wert des Parameters bestimmt wird. Dieser Punkt wird aber durch die Abweichungen r von der idealen Struktur zu einem eindimensionalen Cluster verschmiert, dessen Schwerpunkt einen Schätzwert für den gesuchten Parameter bildet.

Weil kein a priori-Wissen über das Verhalten des Störsignals r vorliegt, können für das vorliegende Punktschätzungs-Problem bei der Ermittlung des gesuchten Parameters keine statistischen Fehlerkriterien sinnvoll angegeben werden. Da die Amplitude der Störfunktion bei der manuellen Segmentierung ortsabhängig bewertet wird, läßt sich im Original-Bildraum ein graphisches Gütekriterium, das Verhältnis der Flächen F₁/F₂=f(τ), definieren, mit dem gleichzeitig eine Adaption auf die Zeitdauer der P-Welle erreicht wird (Abb. 5). Von einem sinnvollen Startwert ausgehend, wird das betrachtete Intervall [-τ,τ] solange ausgedehnt, bis das Verhältnis der Flächen unterhalb eines heuristisch festgelegten Schwellwertes liegt oder die maximal mögliche Zeitdauer einer P-Welle zu weit überschritten wird.

Vorrichtung

Die Vorrichtung realisiert das oben beschriebene Verfahren in Echtzeit durch gleitende Analyse eines Zeitfensters von ca. 6 sec. Länge. Dadurch beträgt die maximale Verzögerung bis zur Verfügbarkeit der erkannten P-, QRS- und T-Segmente in einem nachfolgenden Arrhythmie- Überwachungssystem für die automatische Überwachung von Intensivpatienten ebenfalls ca. 6 sec.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung und Parametrisierung von P-, T- und QRS-Segmenten in einem Holter-Elektrokardiogramm, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Welle als eigenständiger Erregungsprozeß unabhängig vom QRS-T-Komplex modelliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine EKG-Zeitreihe mit Hilfe einer nicht-linearen Transformation von dominierenden QRS-T-Komplexen befreit wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifikation bildhafter Muster mit Hilfe einer nicht-linearen Median-Operation erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der P-Welle mit Hilfe der Hough-Transformation erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Echtzeit durch gleitende Fensterung transformiertes EKG- Signal und erkannte, bzw. parametrisierte EKG-Segmente des ursprünglichen Signals für die nachfolgende Arrhythmie-Erkennung zur Verfügung gestellt werden.