DE19842400C2 - Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen periodischen oder quasi-periodischen Signalen medizinischer Sensorsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen, periodischen oder quasi-periodischen Signalen medizi­ nischer Sensorsysteme durch Digitalisierung und Normierung der Signale und Vergleich von Signalabschnitten der gemessenen Signale mit einer Vielzahl von in einer Datenbank gespeicherten Signalab­ schnitten durch die Abarbeitung einer Rechenvorschrift, deren Ergeb­ nisse als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signale verwend­ bar sind.

Konventionelle EKG-Auswertesysteme, beispielsweise nach US 5,022,404, erfassen ein oder mehrere Elektrodenpotentiale von am Patienten befestigten Elektroden und filtern und digitalisieren die erfaßten Signale. Anschließend werden diese Signale über einen Multiplexer einem im EKG-Auswertesystem vorhandenen Mikrocomputer zugeführt. Dieser berechnet die für die medizinische Bewertung des EKG erfor­ derlichen, medizinischen Ableitungen nach Wilson, Goldberger, Eint­ hoven und/oder die orthogonalen Ableitungen nach Frank. Diese medizinischen Ableitungen werden entweder auf Papierstreifen und/oder elektronischen Displays dargestellt und vom auswertenden Arzt bewer­ tet. Beispielsweise durch US 5,029,082 sind sogenannte auswertende Elektrokardiografen bekannt, bei denen der im Gerät vorhandene Mikrocomputer außer zur Signalaufbereitung und -anzeige auch zur Signalauswertung, Signalvermessung und ggf. zur Ausgabe von diagno­ stischen Hinweisen verwendet wird.

Die Signalvermessung und -auswertung erfolgt in der Regel so, daß aus den berechneten, medizinischen Ableitungen eine Anzahl von für die kardiologische Begutachtung des EKG wichtigen, einzelnen Signal­ parametern hinsichtlich Zeitdauer und Amplitude bzw. daraus abgelei­ teten Kriterien ermittelt werden. Problematisch bei dieser Ermitt­ lung einzelner Signalkenngrößen sind die unterschiedlichen Herange­ hensweisen, wie z. B. bei der exakten Bestimmung der Nullinie des EKG zur Bestimmung des Anfangspunktes der P-Welle und der daraus folgen­ den Ermittlung der Dauer der P-Welle, die je nach Qualität des eingesetzten Verfahrens durchaus wesentlich abweichende Ergebnisse liefern.

Es ist bekannt, nur Teilsignale der ermittelten, periodischen oder quasi-periodischen Signale auszuwerten, beispielsweise das ST-Seg­ ment, die T-Welle, den QRS-Abschnitt, den QRST-Komplex usw. Die Auswertung der unterschiedlichen Signalabschnitte hinsichtlich des Ortes, der Länge und ggf. der Frequenzstruktur läßt Aufschlüsse für spezielle Diagnosen zu, z. B. die Auswertung des ST-Segments für die Feststellung von Ischämien. Die ermittelten Signalkenngrößen werden üblicherweise direkt zusammen mit dem Signalverlauf des EKG auf einem Papierstreifen ausgedruckt oder auf einem Display angezeigt. Zur Ausgabe diagnostischer Hinweise werden in einem mehr oder weni­ ger komplizierten und verzweigten Entscheidungsbaum die einzelnen, ermittelten Signalkenngrößen miteinander zu sinnvollen, diagnosti­ schen Hinweisen verknüpft.

In US 5,437,278 ist ein medizinisches Diagnosesystem beschrieben, bei dem digitalisierte, medizinische Daten über den Zustand eines Patienten mit in einem Speicher abgelegten, zu einem früheren Zeit­ punkt bestimmten, ebenfalls digitalisierten, medizinischen Daten des selben Patienten verglichen werden. Aus dem Vergleich wird eine Diagnose über den aktuellen Zustand des Patienten abgeleitet.

Aus der DE 196 38 738 A1 ist ein Verfahren zur Ableitung diagnosti­ scher Informationen aus Signalen und Daten medizinischer Sensorsy­ steme der eingangs erwähnten Art bekannt. Dieses Verfahren ermög­ licht es, die von einem Patienten aufgenommenen Meßdaten von einem oder mehreren Sensorkanälen durch einen Vergleicher mit in Meßdaten­ banken gespeicherten Meßdaten vergleichbarer Sensorkanäle von Refe­ renzmessungen hinsichtlich ihres Signalmusters so zu vergleichen, daß aus den Meßdatenbanken diejenigen Referenzmessungen ausgewählt werden, die zu der vom Patienten aufgenommenen Messung sowohl hin­ sichtlich der Signalmuster vergleichbarer Sensorkanäle die größte Ähnlichkeit als auch eine größtmögliche Anzahl der in den Meßdaten am meisten übereinstimmenden und einander entsprechenden Sensorkanä­ le besitzen. Mit Hilfe der zu den Referenzmessungen der Meßdatenbank gehörigen Informationen und deren Vergleich mit den zu den Patienten gehörenden Informationen wird auf eine dem Patienten mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zutreffende, diagnostische Aussage geschlossen. Für die Durchführung des Vergleichs der Daten der gemessenen Signale mit den entsprechenden in der Datenbank abgespei­ cherten Signalen wird eine Rechenvorschrift abgearbeitet, deren Ergebnis als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signale ver­ wendbar ist. Die Abarbeitung dieser Rechenvorschrift für die zahl­ reichen, durchzuführenden Vergleiche mit den in der Datenbank abge­ speicherten Signalen benötigt eine nicht unerhebliche Rechenzeit.

Der Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art den jeweiligen Vergleich von gemessenen Signalen mit in der Datenbank abgespeicherten Signalen in möglichst kurzer Rechenzeit durchzuführen.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist das Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sich aus den Daten der Datenbank ergebende Teilergebnisse für die Rechenvor­ schrift berechnet und zugehörig zu den jeweiligen Signalabschnitten als zugehörige Datenbank abgespeichert werden und daß für die Ab­ arbeitung der Rechenvorschrift die in der zugehörigen Datenbank abgespeicherten Teilergebnisse abgerufen und verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Rechenvor­ schriften zur Quantifizierung der Ähnlichkeit von zu vergleichenden Signalen regelmäßig einen erheblichen Anteil an Termen beinhalten, die sich allein aus den Daten jeweils eines der zu vergleichenden Signale ergeben. Erfindungsgemäß werden die betreffenden Terme für die in der Datenbank abgespeicherten Signale vorab berechnet und die so ermittelten Teilergebnisse in einer zugehörigen Datenbank mit einer Zuordnung zu dem jeweiligen Signalabschnitt der Datenbank abgespeichert. Für die Durchführung der Rechenvorschrift können daher die vorberechneten Teilergebnisse aus der zugehörigen Daten­ bank abgerufen werden, so daß für die Abarbeitung der Rechenvor­ schrift der zugehörige Term nicht mehr berechnet zu werden braucht, da das entsprechende Teilergebnis bereits bekannt ist. Hierdurch läßt sich erhebliche Rechenzeit einsparen, da die vorberechneten Teilergebnisse für jeden der betreffenden, abgespeicherten Signal­ abschnitte, die für den Vergleich heranzuziehen sind, nicht mehr berechnet zu werden brauchen.

Besonders zweckmäßig ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn auch die sich für die Abarbeitung der Rechenvor­ schrift allein aus den Daten der gemessenen Signale ergebenden Teilergebnisse vor der Durchführung des Vergleichs berechnet und in einem Zwischenspeicher abgespeichert und zur Durchführung des Ver­ gleichs aus dem Zwischenspeicher abgerufen werden. Dadurch ist es möglich, daß zur Durchführung des Vergleichs nur noch solche Teil­ ergebnisse der Rechenvorschrift erstellt werden müssen, die gemischt aus gemessenen Daten und aus abgespeicherten Daten der Datenbank gebildet werden.

Zur Durchführung des jeweiligen Vergleichs werden in bekannten Algorithmen die Signalverläufe einer relativen schrittweisen, zeitli­ chen Verschiebung um jeweils Δt unterworfen, bis die zu vergleichen­ den Signalverläufe mehr oder weniger deckungsgleich übereinander liegen. Die Durchführung dieser schrittweisen Verschiebung kann erfindungsgemäß dadurch erleichtert werden, daß in der zugehörigen Datenbank auch solche Teilergebnisse abgespeichert werden, die sich aus der zeitlichen Verschiebung des jeweiligen Signalabschnitts um vorgegebene Schritte Δt innerhalb eines Zeitintervalls m.Δt ergeben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung sche­ matisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier zu vergleichender Signalmusterabschnitte einer EKG-Ableitung V1.

In Fig. 1 ist schematisch ein temporärer Speicher 1, eine EKG-Daten­ bank 2, eine zugehörige Datenbank 3 und eine Rechenvorschrift 4 dargestellt, mit der die Ähnlichkeit der im temporären Speicher 1 gespeicherten Daten eines gemessenen Test-EKGs 5 mit den Daten von Vergleichs-EKGs 7 der EKG-Datenbank 2 berechnet wird. Für die Ab­ arbeitung der Rechenvorschrift 4 werden Teilergebnisse 6, die sich allein aus den Daten des gemessenen EKGs 5 ergeben, im temporären Speicher vorberechnet und abgespeichert, während entsprechende Teilergebnisse 8, die sich aus den Daten der in der EKG-Datenbank 2 abgespeicherten Vergleichs-EKGs 7 allein ergeben, in der EKG-Daten­ bank 2 oder in einer externen, zugehörigen Datenbank 3 abgespeichert werden.

Eine Ableitung des gemessenen Test-EKGs 5 wird beispielsweise durch eine Reihe X aus N Abtastwerten x_n und die entsprechende Ableitung eines Vergleichs-EKGs 7 aus der Datenbank 2 durch eine Reihe Y mit N Abtastwerten y_n beschrieben. Als Maß für die Ähnlichkeit der ver­ glichenen Ableitungen wird der Korrelationskoeffizient:

verwendet. Vor der Berechnung des Korrelationskoeffizienten werden sowohl das gemessene Test-EKG 5 als auch die Vergleichs-EKGs 7 der Datenbank 2 auf einen gewählten R-R-Abstand normiert. Diese Normie­ rung erfolgt durch lineares Stauchen oder Strecken der Zeitachse, wobei die Abtastwerte x_n, y_n nach der Normierung neu berechnet werden (Resampling). Die Notwendigkeit der Neuberechnung der Abtastwerte ergibt sich aus der Forderung, daß die Abtastfrequenzen der zu vergleichenden Signale identisch sein müssen. N ist in Gleichung (1) die Anzahl der Abtastwerte des Ausschnitts der zu vergleichenden Ableitung des Test-EKGs. Zur Berechnung der Korrelationskoeffizienten nach Gleichung (1) werden die Ausdrücke:

für jedes Datenbank-EKG einmal berechnet und zusammen mit anderen Informationen über die Ableitung des Datenbank-EKGs als numerische Information 8 in der Datenbank 3 abgelegt. Solche zusätzlichen, numerischen Informationen können z. B. die R-Zacken-Position oder die R-Zackenamplitude der einzelnen Ableitungen der Datenbank-EKG sein.

Analog zu den Datenbank-EKG 7 werden auch bei dem Test-EKG 5 nach der Auswahl eines repräsentativen Signalabschnitts und der Normie­ rung die Ausdrücke:

einmal berechnet sowie mit weiteren, numerischen Informationen 6 in einem temporären Speicher 1 zwischengespeichert.

Die Berechnung der Korrelationskoefizienten erfolgt nun mit der aus Gleichung (1) abgeleiteten Rechenvorschrift 4:

für jedes Datenbank-EKG. Die entsprechenden, vorberechneten Terme und sonstigen numerischen Werte 8 für die jeweilige Ableitung des momentan verglichenen Datenbank-EKGs werden aus der Datenbank 3 ausgelesen und die entsprechenden, vorberechneten Terme und andere Werte 6 für das Test-EKG aus dem Zwischenspeicher 1. Nur der Summenterm:

aus Gleichung (1) bzw. (6) muß für jeden Vergleich neu berechnet werden (Fig. 1).

Durch diese Verfahrensweise werden in diesem Beispiel eine große Anzahl von immer wiederkehrenden Rechenoperationen durch einfache Speicher- bzw. Datenbankzugriffe ersetzt. Damit wird ein schneller Vergleich von Ableitungen eines Test-EKGs 5 mit einer sehr großen Anzahl von vergleichbaren Ableitung von Datenbank-EKG 7 möglich.

Zwei Ableitungen sind ähnlich, wenn ihre Signalverläufe im Ergebnis einer schrittweisen Verschiebung um Δt mehr oder weniger deckungs­ gleich übereinanderliegen (Fig. 1). Dies bedeutet, daß dann auch die R-Zacken übereinander liegen müssen. Ausgehend von dieser Überlegung wird die Korrelation in der Weise durchgeführt, daß die R-Zacken des Test- und des Referenz-EKGs übereinander gelegt werden und der Korre­ lationskoeffizient an dieser Stelle berechnet wird (Fig. 2). Da es unter Umständen schwierig ist, die Lage der R-Zacke in einer Ablei­ tung genau zu bestimmen, wird der Korrelationskoeffizient in einem Intervall m.Δt links und rechts von der angenommenen R-Zackenposition des Datenbank-EKGs berechnet. Dies bedeutet, daß in der Datenbank zu jeder Ableitung für die Verschiebung 1 . . . m.Δt die Terme (2) und (3) links und rechts von der R-Zackenposition ebenfalls vorgerechnet und abgespeichert werden. Das Maximum der so berechneten Werte des Korrelationskoeffizienten wird als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signalabschnitte verwendet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen, peri­ odischen oder quasi-periodischen Signalen (5) medizinischer Sensorsysteme durch Digitalisierung und Normierung der Signale und Vergleich von Signalabschnitten der gemessenen Signale (5) mit einer Vielzahl von in einer Datenbank (2) gespeicherten Signalabschnitten (7) durch die Abarbeitung einer Rechenvor­ schrift (4), deren Ergebnisse als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signale verwendbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich aus den Daten der Datenbank (2) ergebende Teilergeb­ nisse (8) für die Rechenvorschrift (4) berechnet und zugehörig zu den jeweiligen Signalabschnitten als zugehörige Datenbank (3) abgespeichert werden und daß für die Abarbeitung der Re­ chenvorschrift (4) die in der zugehörigen Datenbank (3) gespei­ cherten Teilergebnisse (8) abgerufen und verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zugehörige Datenbank (3) für die Teilergebnisse (8) in die Datenbank (2) für die Daten der Signalabschnitte (7) integriert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich für die Abarbeitung der Rechenvorschrift (4) allein aus den Daten der gemessenen Signale (5) ergebenden Teilergeb­ nisse (6) vor der Durchführung des Vergleichs berechnet und in einem Zwischenspeicher (1) abgespeichert und zur Durchführung des Vergleichs aus dem Zwischenspeicher (1) abgerufen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Vergleichs nur noch solche Teilergebnisse der Rechenvorschrift (4) erstellt werden, die gemischt aus Daten des gemessenen Signals (5) und abgespeicherten Daten (7) der Datenbank (2) gebildet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der zugehörigen Datenbank (3) auch solche Teilergebnisse abgespeichert werden, die sich aus der zeitli­ chen Verschiebung des jeweiligen Signalabschnittes (7) um vor­ gegebene Schritte (Δt) innerhalb eines Zeitintervalls (m.Δt) ergeben.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Rechenvorschrift (4) zur Bestimmung eines Korrelationskoeffizienten.