DE19523199A1 - Verfahren zur Darstellung von EKG-Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Elektrokardiogramm/EKG ist ein weit verbreitetes Diagnosever­ fahren zur Erkennung von Herzfehlern oder Herzerkrankungen. Seine Wirkungsweise beruht darauf, daß das Herz als Muskel während seiner Bewegung ein elektrisches Signal aussendet, das sich über den Körper verbreitet und dort erfaßt werden kann. Zur Erfassung der Signale des Herzens dienen Elektroden, die am Körper angebracht werden und deren elektrische Signale zu geeigneten Auswerteeinrichtungen gelangen, wo sie auf unterschiedliche Art und Weise aufgezeichnet, berechnet und dargestellt werden, derart, daß aus den dargestellten Spannungsverläufen ein Rückschluß auf die Befindlichkeit des Herzens gezogen werden kann.

Allgemein hängt die Aussagekraft und die Zuverlässigkeit dieser medizinischen Information dann natürlich ab von Art und Anordnung der Elektroden einerseits und Auswertungsverfahren andererseits. Im Laufe der Zeit sind hier verschiedene klassische Verfahren bekannt geworden, die nach ihren ersten Anwendern z. B. Einthoven heißen, dieses Verfahren wird auch beim erfindungsgemäßen Verfahren einge­ setzt.

Es sind auch aufwendige Verfahren bekannt geworden, die zur Erken­ nung spezieller Herzerkrankungen geeignet sein sollen und mit denen mit einer Vielzahl von Informationen und spezieller Auswertungs­ verfahren möglichst zuverlässige Informationen über den medizini­ schen Zustand des Herzens gewonnen werden sollen (DE 42 43 889 A1, DE 41 31 103 C1).

Das Ergebnis der Messungen stellt sich meistens als eine Vielzahl von Kurvenverläufen dar, die in direkter oder indirekter Form jeweils einer Elektrode und somit den Auswirkungen der elektrischen Erregung des Herzens am Ort dieser Elektrode entsprechen. Zu einer medizinisch korrekten Interpretation und somit Diagnose ist seitens des Arztes sehr viel Routine und Erfahrung nötig, wozu in ent­ sprechenden Lehrbüchern Atlanten mit beispielhaften "guten" und "schlechten" Kurvenverläufen dargestellt werden, um deren Zuord­ nungen zu typischen Herzerkrankungen zu ermöglichen und das Auge des analysierenden Arztes zu schulen.

Abhängig von der Anordnung der Elektroden, die letztlich verschie­ dene Meßebenen des gleichen Vorgangs, nämlich des Spannungsimpulses des Herzens, darstellen, sind somit eine Vielzahl von EKG-Kurven dokumentiert; die durch typische Krankheiten gebildeten Kurvenab­ weichungen lassen sich in der Regel durch Bildung der Hauptablei­ tungen der Kurven darstellen, gegebenenfalls werden zusätzliche Elektroden an besonderen Körperstellen angebracht, diese Art der Auswertung bzw. Diagnose ist aus den genannten Gründen jedoch unübersichtlich und in ihrer Zuverlässigkeit daher beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit geringem technischen Aufwand bzw. verfügbaren technischen Mitteln dem diagnostizierenden Arzt eine schnelle und zuverlässige Übersicht über den aktuellen Gesundheitszustand des Herzens zu vermitteln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, zur Darstellung der Herzfunktion auf die theoretische Erregungskurve (Korticoid-Kurve) zurückzugreifen, mit der das Erregungssignal des Herzens an einem Meßpunkt/Elektrodenpunkt in Polarkoordinaten theoretisch dargestellt ist, nach der Gleichung

r = a*(1 + b* sinϕ)

mit r = Spannung (Amplitude in der Regel in mV), Phasenwinkel und a*, b* konstante Faktoren.

Ein typischer Verlauf dieser Funktion ist in Fig. 1 dargestellt. Der Vorzug dieser Darstellungsform liegt in dem "runden", glatten Verlauf bei einem gesunden Herzen, wodurch Abweichungen gegenüber einem gestörten Ablauf leichter zu erkennen sind als durch Vergleich der bisher verwendeten Zeitdiagramme mit einer Vielzahl von Impuls­ spitzen, die zum Vergleich in Fig. 2 dargestellt sind. Man kann nachweisen, daß die Darstellungen der Fig. 1 und 2 verschiedene Darstellungen des gleichen Phänomens sind und durch entsprechende Transformationsregeln ineinander übergeführt werden können. Insofern kann die Polarkoordinatendarstellung der Fig. 1 auch als "Urkurve" bezeichnet werden.

Derartige geschlossene Darstellungen der Herzkurve können ansatz­ weise auch aus einzelnen Elektrodensignalen gewonnen werden und oszillographisch dargestellt werden (Vektorkardiographie), haben aber nur eine sehr begrenzte Aussagekraft.

Eine beispielhafte Ausführungsform einer Meßanordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Darstellungsverfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei erfolgt die Ableitung der Meßwerte vom Körper des Patienten in bekannter Weise von den Elektroden (RA, LA, RL) an Handgelenken und Fußgelenken (die andere Elektrode LL liegt an Masse). Ebenfalls dargestellt bei Fig. 3 ist auf dem Körper des Patienten das sogenannte Einthoven-Dreieck, in dem drei Geraden I, II und III die Elektroden untereinander gedanklich verbinden und in dessen Mittelpunkt das Herz liegt. Die Signale der Elektroden (RA, LA, RL) gelangen zu einem Präzisions-Gleichspannungsverstärker, wo sie etwa um den Faktor 10³ von mV in V verstärkt werden. Diesem Verstärker ist ein schneller A/D-Wandler zugeordnet, der von einem nachgeschalteten Rechner (beispielsweise PC) steuerbar ist. Die mit typisch bei 6kHZ liegender Abtastfrequenz einlaufenden drei EKG- Analogsignale (im folgenden als UI, UII und UIII bezeichnet) werden hier mit hoher Auflösung digitalisiert und diese Werte werden nacheinander im Speicher des Rechners abgelegt. Hierzu sind mindestens vier Kanäle vorgesehen. Die Speicherkapazität muß so bemessen sein, daß die derart abgetasteten und digitalisierten EKG- Signale für die Dauer mindestens eines Herzschlages abgespeichert werden können (hierfür ist in der Regel ein Speicherplatz von 60 kB ausreichend). Die hohe Abtastgeschwindigkeit zusammen mit der hohen Auflösung des A/D-Wandlers führen zu äußerst präzisen digitalisierten Meßwerten, so kann beispielsweise in der Spanne zwischen den Erregungszuständen R und S von etwa 0,1 Sekunden ein Meßbereich von mindestens 50 Meßpunkten bei einer Abtastfrequenz von 500 Hz bis 600 Meßpunkten bei einer Abtastfrequenz von 6 kHz liegen.

Sind die Elektrodenspannungen UI, UII, UIII derart digitalisiert abgespeichert, so werden diese zum Erhalt einer vektoriellen Gesamtdarstellung der drei einzelnen Spannungen im Sinne der oben genannten Korticoid-Kurve wie folgt behandelt, wobei die drei Winkel ϕ1, ϕ2 und ϕ3 den Spannungen gemäß dem Einthovenschen Dreieck wie folgt zugeordnet werden:
Wenn UI < 0 ist, dann ist ϕ1 = 180°, sonst ist ϕ1 = 0.
Wenn UII < 0, dann ist ϕ2 = 240°, sonst ist ϕ2 = 60°.
Wenn UIII < 0, dann ist ϕ3 = 300°, sonst ist ϕ3 = 120°.

Die Darstellung der Korticoidkurve in kartesischen Koordinaten x und y ergibt sich dann wie folgt:
x = x1 - x2 + x3
y = y1 - y2 + y3
mit
x1 = UI cos ϕ1
x2 = UII cos ϕ2
x3 = UIII cos ϕ3
y1 = UI sin ϕ1
y2 = UII sin ϕ2
y3 = UIII sin ϕ3

Die derart gebildeten Summen werden dann auf dem Bildschirm des PC dargestellt und zeigen eine geschlossene Darstellung der Korticoid­ funktion. Die erreichte Korticoidkurve liegt allerdings schräg im Raum, was darauf zurückgeht, daß infolge des Dipolcharakters des Herzens dieses gegenüber der Meßebene geneigt ist. Eine weitere Veranschaulichung kann man auf einfache Art und Weise erreichen, wenn man die Korticoidkurve mittels einer Koordinatendrehung mit der Vorschrift

x1 = x*cosβ +y*sinβ und y1 = x*sinβ -y*cosβ

aufrichtet, wobei der Winkel β ein Maß für den Winkel darstellt, mit dem die Dipolachse des Herzens gegenüber der durch die 3 Meßpunkte aufgespannten Meßebene geneigt ist.

Bei einem gesunden Herzen ergibt die so erhaltene Korticoidkurve einen weitgehend glatten Verlauf, der mit der theoretischen Korticoidkurve gemäß Abb. 1 vergleichbar ist. Störungen der Herzfunktion lassen sich somit sehr einfach durch entsprechende "Dellen" oder "Einbeulungen" dieser Kurve erkennen und zumindest zu einer ersten, vorläufigen Diagnose herangezogen werden; zur ein­ gehenderen Abklärung können dann in bekannter Art und Weise die Zeitfunktionen der einzelnen Elektrodensignale herangezogen werden oder die eingangs erwähnten aufwendigeren Verfahren bei bestimmten Herzfehlern und Herzkrankheiten zusätzlich für Diagnose herangezogen werden.

Es ist auch möglich, eine zusätzliche Elektrode in der kritischen Richtung, die auch vom Rechner ermittelt werden kann, am Patienten anzubringen und dann den dort gemessenen Zeit-Verlauf des Elektro­ densignals zu bewerten.

Die Programmierung beispielsweise eines 486-PC nach den oben genannten Vorschriften ist dem Fachmann ohne weiteres möglich, so daß auf weitere Erläuterungen hierzu verzichtet werden kann, da Meßwerterfassungen und deren rechnergesteuerte Verarbeitung in weiten Bereichen der Technik bekannt geworden sind.

Claims (4)

1. Verfahren zur Darstellung von EKG-Signalen, die an mehreren Stellen des Körpers über Elektroden gewonnen werden, und bei dem die von den Elektroden abgegebenen Spannungen und/oder hieraus abgeleitete Zusatzsignale grafisch oder optisch derart darge­ stellt werden, daß eine medizinische Bewertung der dargestellten Signale ermöglicht wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 1) Die gegebenenfalls verstärkten Elektrodensignale von mindestens drei Elektroden werden mit einer Abtastfrequenz von mindestens 500 Hz zyklisch erfaßt und digitalisiert,
• 2) für die Dauer mindestens eines Herzschlags werden die derart verarbeiteten Signale abgespeichert,
• 3) die abgespeicherten Signale werden nach dem Verfahren des Einthovenschen Dreiecks bewertet, und
• 4) die Vektorsumme der bewerteten Signale wird auf einem geeig­ neten Ausgabemedium in Form einer Polardarstellung der Korticoidkurve dargestellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abtastfre­ quenz von 6 kHz.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Polardarstellung der Korticoidkurve um einen Korrekturwinkel (β) in ihrer Ebene gemäß den folgenden Koordi­ natengleichungen gedreht wird: x1 = xcos β + ysin β
y1 = xsin β + ycos βmit (x1/y1) = korrigierte Koordinaten und (x/y) = gemessene Koordinaten.

4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwinkel (β) etwa dem Neigungswinkel des Herzens gegenüber der durch die drei Elektroden aufgespannten Meßebene gewählt ist.