DE19718806A1 - Diagnose mittels Respiratorischer Sinus-Arrhythmie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Takt­ geber zur Vorgabe eines Atmungsrhytmusses sowie mit ei­ nem Detektor zur Messung der Herzgeschwindigkeit.

Gemäß der Druckschrift "Hirsch J. A, and B. Bishop. Respiratory sinus arrhythmia in humans: how breathing pattern modulates heart rate, Am. J. Physiol. 241: H620-H629, 1981" wurde mittels der vorgenannten Vor­ richtung festgestellt, daß die Schwankungen der Herz­ frequenz im Frequenzbereich der Atmung in der Regel die gleiche Frequenz aufweisen wie die Atmung. Die Ampli­ tude dieser sogenannten Respiratorischen Sinus-Arrhyt­ mie (RSA) nimmt generell mit physischem und psy­ chischem Streß sowie mit dem Alter des Menschen ab. Gemäß der Druckschrift "Angelone A., and N. A. Coulter. Respiratory sinus arrhythmia: a frequency dependent phenomenon. J. Appl. Physiol. 19: 479-482, 1964" nimmt die Amplitude der RSA ferner bei Verlangsamung des At­ mungsrhythmusses zu. Gemäß der Druckschrift "Schiek M., F. R. Drepper, R. Engbert, H.-H. Abel, and K. Suder, Cardiorespiratory Synchronization, in: K. Kantz, Kurths, and G. Mayer-Kress (eds.) Nonlinear Analysis of Physiological Data, Springer, Berlin, 1997" wurde ebenfalls festgestellt, daß die Amplitude der RSA star­ ken Schwankungen unterliegt. Selbst bei Taktatmung im ausgeruhten, streßfreien Zustand treten starke Schwan­ kungen der Amplitude auf.

Da der vom Atemrhythmus abhängige Herzschlag mit dem physischen und/oder psychischen Zustand eines Men­ schen korreliert, könnte die Herzschlaggeschwindigkeit für Diagnosezwecke eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrich­ tung, bei der eine Diagnose, basierend auf der von der Atmung abhängigen Herzgeschwindigkeit, erstellt werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.

Anspruchsgemäß weist die Vorrichtung einen Taktgeber zur Vorgabe einer Atemfrequenz auf. Ein Taktgeber im Sinne des Anspruchs liegt insbesondere dann vor, wenn dieser dem Probanden einen gleichmäßigen Takt zu ver­ mitteln vermag, so daß das vorgegebene Atmungsprofil, also das Verhältnis von Einatmungszeit zu Ausatmungs­ zeit der Spontanatmung entspricht. Das Verhältnis von Einatmungszeit zu Ausatmungszeit beträgt bei der Spon­ tanatmung regelmäßig 2 : 3 bis 3 : 4.

Insbesondere ist ein optischer Taktgeber zur Erzeugung einer phasentreuen periodischen Atmung geeignet.

Besonders zuverlässige Ergebnisse lassen sich erfah­ rungsgemäß erzielen, wenn die frei vorgebbaren Zeit­ punkte des Wechsels zwischen Einatmung und Ausatmung vom Probanden erkennbar und vorhersagbar sind. Die Er­ kennbarkeit und Vorhersagbarkeit wird durch einen opti­ schen Taktgeber gewährleistet, der den Takt mittels ei­ ner wachsenden und anschließend schrumpfenden optischen Anzeige vermittelt. Beispielsweise handelt es sich da­ bei um eine wachsende und anschließend schrumpfende Fläche oder Linie, die auf einem Monitor oder Leuchtdi­ odenfeld zu sehen ist. Das Wachsen der Fläche oder Li­ nie signalisiert dann beispielsweise die Einatmung. Mit schrumpfender Fläche oder Linie soll ausgeatmet werden. Bei einem derartigen optischen Taktgeber kann der je­ weilige Umkehrpunkt zuverlässig vom Probanden erkannt und vorhergesagt werden.

Ferner weist die anspruchsgemäße Vorrichtung einen De­ tektor zur Messung der Herzgeschwindigkeit wie z. B. ein EKG-Meßgerät auf. Als ausreichend hat sich jedes Meßgerät herausgestellt, mit dem der Puls eines Men­ schen und damit die Herzschlaggeschwindigkeit ermittelt werden kann.

Die Zuverlässigkeit einer Diagnose mittels der an­ spruchsgemäßen Vorrichtung wächst mit der Genauigkeit, mit der die Herzschlaglänge ermittelt wird. Eine Herz­ schlaglänge kann z. B. durch Bestimmung der Zeit zwi­ schen benachbarten Maxima der R-Peaks innerhalb des in Fachkreisen bekannten QRS-Komplexes ermittelt werden. Die Herzschlaglänge sollte mit einer Genauigkeit von wenigstens ±5%, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von ±1% bestimmt werden. Entsprechend ist das Meßgerät aus­ zuwählen.

Ferner umfaßt die anspruchsgemäße Vorrichtung einen Speicher, in dem Referenzdaten gespeichert sind. Refe­ renzdaten im Sinne der Erfindung sind vor Fertigstel­ lung der Vorrichtung ermittelte Daten von Herzschlagge­ schwindigkeiten oder Herzschlagmustern in Abhängigkeit von der Atmungsgeschwindigkeit bzw. daraus abgeleitete Daten. Insbesondere handelt es sich bei den abgespei­ cherten Referenzdaten um Herzschlaggeschwindigkeitsda­ ten, die vor der Abspeicherung in der nachfolgend ge­ schilderten Weise in Polarkoordinaten transformiert und bei denen lediglich die Winkel der so ermittelten Po­ larkoordinaten als Referenzdaten abgespeichert worden sind.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei einer gleichmäßigen Atmung, dessen Profil der Spontanatmung angeglichen ist, die Herzgeschwindigkeit einem Schema folgt. Die Frequenz der Taktatmung sollte dabei etwas unterhalb der der Spontanatmung liegen, da mit einer Frequenz unterhalb der Spontanatemfrequenz die Ampli­ tude der respiratorischen Sinus-Arrhythmie vergleichs­ weise groß ist. Es werden dann genauere Ergebnisse er­ zielt.

Werden die gemessenen Daten in Polarkoordinaten trans­ formiert und lediglich die Koordinatenwinkel in Be­ tracht gezogen, so läßt sich diese schematische Abhän­ gigkeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Winkeln des Polarkoordinatensystems visualisiert darstellen. Beim gesunden Probanden im streßfreien Zustand ergeben sich typische Muster. Eine Abweichung vom typischen Muster vermag physische oder psychische Veränderungen anzuzei­ gen. Rückschlüsse auf das Vorliegen krankhafter Zu­ stände sind folglich möglich.

Das anspruchsgemäße Auswertemittel vergleicht die ge­ messenen Daten mit den gespeicherten Referenzdaten und liefert Abweichungen zwischen ermittelten Daten und Re­ ferenzdaten. Die Abweichungen zeigen an, daß eine Ände­ rung von dem Zustand aufgetreten ist, der den Referenz­ daten zugrunde gelegen hat.

Ein PC mit einer Analog-Digitalwandler-Schnittstelle zur Aufzeichnung der EKG-, Atemfluß- und Taktgebersi­ gnale sowie mit Software zur Signalanalyse und -visua­ lisierung wird z. B. als Auswertemittel eingesetzt. Um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen, sollte die Analog-Digitalwandler-Schnittstelle so ausgelegt sein, daß die Analog-Digitalumwandlung mit mindestens 200 Hz, vorzugsweise mit 1000 Hz erfolgen kann.

Die Referenzdaten können Mittelwerte aus den Ergebnis­ sen vieler Probanden und somit "normale" Werte darstel­ len. Als Referenzdaten können alternativ die Werte ei­ nes einzigen Probanden herangezogen werden. Dieser Pro­ band, mittels dem die Referenzdaten ermittelt worden sind, ist dann zweckmäßig mit dem aktuell diagnosti­ zierten Probanden identisch.

Im ersten Fall kann eine Aussage über Abweichungen von "normalen" Werten getroffen werden. Im letztgenannten Fall sind insbesondere relative Aussagen, also Aussagen über sich verändernde psychische oder physische Zu­ stände eines Probanden möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die an­ spruchsgemäße Vorrichtung ein konventionelles Atemfluß- oder eine Atemvolumen-Meßgerät auf. Die Messung der At­ mung dient der online-Überwachung, ob geeignet geatmet wird oder der offline-Überprüfung, ob geeignet geatmet worden ist.

Insbesondere bei einer online-Messung und Auswertung sollte das Meßgerät den Atemfluß oder das Atemvolumen optisch anzeigen, da eine akustische Anzeige den Pro­ banden dann in einen unerwünschten Streßzustand verset­ zen kann. Die optische Anzeige ermöglicht es, daß al­ lein die Person, die die Untersuchung durchführt, re­ gistriert, wann die vorgegebene Atemfrequenz eingehal­ ten wird und welche Meßdaten folglich relevant sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung weist die anspruchsgemäße Vorrichtung einen Hochpaßfilter auf, der die relativ kurzfristigen Schwankungen der Herzschlaglängen im Frequenzbereich der Atmung von längerfristigen Schwankungen bzw. Trends trennt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Hochpaßfilters er­ gibt sich, wenn von den gemessenen Herzschlaglängen ein zentrierter gleitender Mittelwert abgezogen wird, der mit einer Gewichtsfunktion gebildet wird, deren Argu­ ment Herzschlaglängen enthält. Die Gaußverteilung mit den jeweiligen (nichtäquidistanten) Zeitdifferenzen zum Zentrum des Mittelwerts als Argument stellt einen mög­ lichen Funktionstyp der Gewichtsfunktion dar. Die Halb­ wertsbreite der Gewichtsfunktion sollte der Atemzug­ länge entsprechen. Bei der Hochpaßfilterung wird als Grenzfrequenz also insbesondere die Atemfrequenz ge­ wählt.

Der Lehre der Erfindung ist die Erkenntnis vorausgegan­ gen, daß bei Taktatmung, d. h. bei Atmung gemäß eines vorgegeben Rhythmusses, die Variation der Herz­ schlaglängen durch ein relativ einfaches Bewegungsge­ setz beschreibbar ist. Die Regelhaftigkeit bezieht sich hierbei auf das Verhältnis aufeinanderfolgender Herzschlaglängen. Diese Regelhaftigkeit kann durch ein Bewegungsgesetz aufeinanderfolgender Winkel, d. h. durch eine sogenannte Kreisabbildung dargestellt wer­ den. Bei langsamer Taktatmung läßt sich (für kardio­ pulmonar gesunde Probanden im ausgeruhten Zustand) das Bewegungsgesetz mit hoher Signifikanz als eine Kurve darstellen. Im Gegensatz etwa zur künstlichen Beatmung unter Narkose konnte bei der Taktatmung im Wachen kein prinzipieller Unterschied in der Funktion der Kontroll­ mechanismen gegenüber der Spontanatmung festgestellt werden. Die vom Probanden und seinem Zustand abhängige Gestalt der Kurve verläuft in typischer Weise. Sowohl die Gestalt dieser Kurve als auch die Abweichungen von der Kurve sind von Interesse u. a. für die Kardiologie, die Anästhesiologie, die Sportmedizin, die Neurologie und die Psychologie.

Die Zweckmäßigkeit der Vorrichtungen ergeben sich aus der Tatsache, daß bei Taktatmung der starken Unregel­ mäßigkeit der Amplitudenschwankungen eine unerwartete Regelhaftigkeit der Form der Herzschlaglängenschwankun­ gen gegenübersteht.

Es zeigen:

Fig. 1 QRS-Komplex;

Fig. 2 Herzschlaglängen als Funktion der Zeit;

Fig. 3 Auftragung der Herzschlaglängen zum Zeitpunkt "n+1" gegen solche zum Zeitpunkt "n";

Fig. 4 zweidimensionale Einbettung der der Fig. 3 entnommenen Winkel Φ.

Die Signalanalyse wird anhand des folgenden Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Elektrokardiogramm eines Probanden. Aufgetragen ist die Spannung U gegen die Zeit t. Wie in der Fig. 1 dargestellt, wird ein Elektrokardiogramm durch die mit P, Q, R, S und T bezeichneten Punkte ge­ kennzeichnet. Besonders charakteristisch ist der QRS-Komplex.

Es wird mittels einer anspruchsgemäßen Vorrichtung die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Peaks und so­ mit die Herzschlaglänge eines Probanden ermittelt. Eine Hochpaßfilterung mit einer Grenzfrequenz, die der Atem­ frequenz entspricht, wird durchgeführt. Es wird hierfür ein zentrierter gleitender Mittelwert abgezogen, der mit einer gaußglockenförmigen Gewichtsfunktion gebildet wird, deren Argument die jeweilige Zeitdifferenz zum Zentrum des Mittelwerts enthält. Die Halbwertsbreite der Gewichtsfunktion ist hierbei gleich der Atemzug­ länge, also ungefähr gleich 9 s.

Der sich hierdurch ergebende Verlauf der Herzschlaglän­ gen ist in Fig. 2 dargestellt. Die senkrechten, ge­ strichelten Linien markieren jeweils den Beginn einer Inspiration. Der dargestellte Verlauf ist typisch für eine kardiopulmonar gesunde Versuchsperson, die sich im streßfreien Zustand befindet.

Es werden nun die in Fig. 2 mit 1 bis 9 durchnume­ rierten Herzschläge bzw. die zugehörigen Herzschlag­ längen beispielhaft herausgegriffen und in eine zweidi­ mensionale Darstellung gemäß Fig. 3 überführt.

Die Herzschlaglänge des Herzschlages 1 wird gegen die Herzschlaglänge des Herzschlages 0 in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise aufgetragen. Die Herzschlaglänge des Herzschlages 2 wird gegen die Herzschlaglänge des Herzschlages 1 aufgetragen. Es wird also generell die Herzschlaglänge des Herzschlages n gegen die Herz­ schlaglänge des Herzschlages n-1 aufgetragen und folg­ lich eine Einbettung durchgeführt. Typischerweise er­ gibt sich so eine Ellipse gemäß Fig. 3.

Diese in Fig. 3 dargestellten, sogenannten "verzögerten" Koordinaten werden anschließend in Polar­ koordinaten (Winkel und Radien) transformiert. Als Zen­ trum C dient dabei die mittlere Herzschlaglänge von ca. 1050 ms. Ausgehend von diesem Zentrum C werden die Win­ kel Φ zu den Herzschlägen 1 bis 9 ermittelt. Der Fig. 3 ist zu entnehmen, wie der Winkel Φ für den Herz­ schlag 1 ermittelt wird.

Die zeitliche Abfolge der Winkel wird dann in einer Einbettung aufeinanderfolgender Winkel in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise dargestellt (Kreisabbildung). Es ergibt sich so ein typisches Muster des Herzschlages, das dem Profil einer zweistufigen Treppe ähnelt.

Im nächsten Schritt wird die in dieser Darstellung sichtbare Regelhaftigkeit der respiratorischen Sinus-Arrhythmie z. B. am Bildschirm eines Personalcomputers anhand eines Diagramms dargestellt.

Die Regelhaftigkeit wird in besonders anschaulicher Weise durch charakteristische Kenngrößen quantifiziert.

Eine erste, im folgenden Asymmetrieindex 1 genannte charakteristische Kenngröße wird durch die relative Differenz der Anzahl der Herzschlagintervalle, die grö- ßer als der Mittelwert sind, minus der Anzahl kleiner als der Mittelwert gebildet.

Eine zweite, im folgenden Asymmetrieindex 2 genannte charakteristische Kenngröße stellt die relative Diffe­ renz der Anzahl ansteigender Herzschlagintervalle minus der Anzahl abfallender Intervalle dar. Die erste Anzahl entspricht der Zahl der Punkte im Winkelbereich 0.25 π bis 1.25 π, die zweite dem übrigen Winkelbereich.

Eine dritte, im folgenden Klumpungsgrad genannte cha­ rakteristische Kenngröße wird quantifiziert als nega­ tiver Logarithmus des Mittelwertes der jeweiligen mini­ malen Winkeländerung im Winkelbereich 0,75 π bis 1,75 π. Dieser erste Klumpungsgrad ist ein Maß für den Grad der Klumpung oder mit anderen Worten der Clusterung der Winkel im Bereich des Maximums der Herzschlaglängen. Ein zweiter Klumpungsgrad ist ein Maß für den Grad der Klumpung im übrigen Winkelbereich. Dies entspricht der Klumpung im Bereich des Minimums der Herzschlaglängen.

Die zugehörigen Klumpungswinkel geben jeweils den Mit­ telwert des Winkels an, für den jeweils das Minimum der Winkeländerung angenommen wird. Die Abweichungen von 0.25 π bzw. von 1.25 π geben jeweils an, inwieweit die Klumpung der Winkel mit dem Maximum bzw. mit dem Mini­ mum der Herzschlaglängen zusammenfällt.

Anschließend werden diese Daten mit bereits klassifi­ zierten Kenngrößen aus einer Referenzdatenbank vergli­ chen. Der Vergleich ermöglicht Rückschlüsse auf Abwei­ chungen von einem Normalzustand oder aber auf eingetre­ tene Veränderungen.

Die genaueren Eigenschaften der betreffenden Geräte und Algorithmen definieren sich aus dem obigen Verwendungs­ zweck.

Claims (2)

1. Vorrichtung mit einem Taktgeber zur Vorgabe einer Einatmungs- und/oder Ausatmungsfrequenz, mit einem Detektor zur Messung der Herzgeschwindigkeit, mit ei­ nem Speicher, in dem Referenzdaten gespeichert sind, mit einem Auswertemittel zur Erzeugung eines Wertes, der von der gemessenen Herzgeschwindigkeit sowie von den gespeicherten Referenzdaten abhängt.

2. Vorrichtung mit den Merkmalen des vorhergehenden An­ spruch mit einem Meßgerät zur Überwachung der Atmung.