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Verfahren sowie Gerät zur Darstellung und Aus-
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wertung des fetalen Elektrokardiogramms Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Darstellung und Auswertung des fetalen Elektrokardiogramms
aus abdominal oder abdominal und dorsal abgenommenen Ableitungen des Elektrokardiogramms
der Schwangeren, wobei wenigstens drei Signalableitungen verwendet werden, die zumindest
hinsichtlich Amplitude in getrennten Signalkanälen veränderbar sind und wobei die
Ableitungen additiv zur Eliminierung des mütterlichen QRS-Komplexes überlagert werden,
sowie auf ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Aus der US-PS 33 67 323 ist ein Verfahren zur Separierung des fetalen
Elektrokardiogramms der eingangs genannten Art vorbekannt, bei dem die Einzelableitungen
nach Verstärkung auf ein Widerstandsnetzwerk gegeben werden, von dem ein sog. "additives
fetales EKG abgegriffen wird. Statt des Netzwerkes kann dabei
auch
alternativ eine Widerstands-Analog-Platte, die den Abdominal-Widerstand repräsentieren
soll, verwendet werden, wobei gemäß dieser Patentschrift mittels einer auf der Analogebene
verschiebbaren Elektrode ein Punkt gefunden werden konnte, bei dem der mütterliche
QRS-Komplex weitgehend eliminiert und das Signal-Rauschverhältnis für das EKG optimiert
ist.
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Der Meßmethode des Standes der Technik liegt die Vorstellung zugrunde,
daß bei rund um das Abdomen gewonnenen Ableitungen die mütterlichen EKG-Signale
und die Störungen inkohärent, während die fetalen EKG-Signale dagegen weitgehend
kohärent sind. Durch additive Überlagerung der Ableitungen an einer Widerstands-Analog-Ebene
mit gleicher Geometrie wie bei Abnahme am Körper wurde demnach versucht, einen Punkt
zu finden, bei dem sich mütterliches EKG und teilweise auch Störsignale herausmitteln.
Dieser Punkt wird in der US-PS 33 67 323 als eine körperinterne Elektrode(??depth
electrode#.?) angesehen.
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Diese Folgerungen aus dem an sich richtigen Ansatz sind aber zumindest
in letzterer Hinsicht bezüglich der geometrischen Vorstellungen falsch, was sich
an der Feldverteilung im Innern eines quellenfreien Gebietes zeigen läßt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zum Durchführen
dieses Verfahrens anzugeben, mit dem eine gezielte Eliminierung des mütterlichen
QRS-Komplexes aus den abdominal abgenommenen Ableitungen und eine Optimierung der
Darstellung und Auswertung des fetalen EKG t s erfolgen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß die Veränderung in den einzelnen Signalkanälen über eine
für jeden Kanal separat durchführbare, variable Einstellung einer Verstärkung oder
Abschwächung unabhängig von der geometrischen Anordnung der Meßelektroden erfolgt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise
das fetale EKG als fortlaufendes Signal darstellen und hinsichtlich Frequenz, außergewöhnlichen
Ereignissen in den Signalperioden u.dgl.
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auswerten. Dabei kann insbesondere auch ein solches Signal gleichzeitig
mit dem fetalen Herzschall, dem Tokogramm oder anderen Meßgrößen dargestellt und
ausgewertet werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung läßt sich das aus additiver
Woerlagerung resultierende Signal durch Aufsummierung und Speicherung einer Mittelwertbildung
unterziehen und so abschnittsweise ein fetales EKG darstellen. An solchen EKG-Abschnitten
kann insbesondere die Signalstruktur im einzelnen untersucht werden. Bei einer solchen
Mittelwertbildung wird vorzugsweise die Sig#nalkurve in Abschnitten von 1 Sekunde
Dauer in Schritten von 2 Millisekunden digitalisiert und bezogen auf die fetale
R-Zacke in einem Rechner aufsummiert. Dazu kann in zweckmäßiger Ausgestaltung ein
Mikroprozessor verwendet werden,der eine solche Mittelwertbildung "on-line" liefert.
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Bei einem Gerät zur Durchführung des Verfahrens sind den Signalkanälen
Verstärkerstufen zugeordnet, mit denen die Signale separat hinsichtlich ihrer Amplitudenverstärkung
einstellbar sind. Eine solche Einregelung kann rechnergestützt erfolgen.
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Die selektive Addition der Signalableitungen im Sinne der Eliminierung
des mütterlichen EKG's erfolgt im erfindungsgemäßen Gerät also allein über separate
regelbare Meßverstärker, denen ein Summierglied nachgeschaltet ist. Die Verstärkungsgrade
der einzelnen Verstärkungsstufen lassen sich bei Kenntnis der Einzelsignalableitungen
rein rechnerisch durch Lösen eines linearen Gleichungssystems ermitteln.
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Es ist möglich, die Regelgrößen für die selektive Veränderung der
einzelnen Signalableitungen schrittweise manuell zu bestimmen. Es kann dazu aber
auch vorteilhaft ein digitaler Rechner, beispielsweise ein Mikroprozessor, der gegebenenfalls
bereits für die Mittelwertbildung vorhanden ist, verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung
in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand
der wesentlichen Funktionsgruppen, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Gerätes zur
Durchführung eines erweiterten Verfahrens nach Fig. 1 und Fig. 3 Beispiele für mit
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Signalkurven für das fetale EKG.
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In der Fig. 1 ist mit 1 der Körper einer Schwangeren bezeichnet, an
dem vier Einzelelektroden 2 bis 5 ab-
dominal bzw. dorsal angebracht
sind. Mit diesen Einzelelektroden 2 bis 5 werden gegen eine fünfte Elektrode 6,
die oberhalb der Symphyse der Schwangeren angebracht ist, die Potentialdifferenzen
abgenommen, wobei die Elektrode 7, die am Oberschenkel der Schwangeren angeordnet
ist, die Neutralelektrode bildet. Die an den Elektroden 2 bis 6 abgenommenen Signale
enthalten Anteile des mütterlichen und fetalen EKG und werden einem Vierkanal-Vorverstärker
8 zugeführt. Am Ausgang des Vorverstärkers 8 stehen also vier EKG-Ableitungen zur
Verfügung. Diese werden auf ein Verstärkungs- bzw.
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Widerstandsnetzwerk 9 gegeben, das vier separat einstellbare Einzelkanäle
aufweist. An dem Netzwerk 9 können die Einzelableitungen so durch eine jeweils variable
Einstellung der Verstärkung und/oder Abschwächung verändert werden, daß nach Überlagerung
(Summation) der Einzelsignale am Ausgang der Einheit 9 lediglich ein Signal zur
Verfü#urlg steht, das von Anteilen des mütterlich#en EKG weitgehend befreit ist
und im wesentlichen das fetale EKG repräsentiert. In getrennten Kanälen wird dieses
Signal einem Herzfrequenzmesser 11 und einer Einheit 10 zur Mittelwertbildung zugeführt.
Die Herzfrequenzmessung erfolgt durch Triggerung auf die fetale R-Zacke, wobei eine
Erhöhung der Meßsicherheit durch Berücksichtigung des mütterlichen QRS-Komplexes
in an sich bekannter Weise erfolgen kann. Die Mittelwertbildung zur verbesserten
Darstellung des fetalen EKG's wird in bezug auf die fetale R-Zacke ausgeführt.
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An diese Verarbeitungseinheiten schließt sich eineDisplay-Einheit
12 an, aufder der Zeitverlauf der Signale und der daraus abgeleiteten Größen dargestellt
und registriert werden kann.
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Das Gerät nach Fig. 2 läßt sich im wesentlichen in drei Ebenen strukturieren:
Der Meßwertaufnahme und -vorver-
stärkung A folgt eine Meßwertverarbeitung
B, von der die Signalkurven bzw. Meßergebnisse auf verschiedene Einheiten C zur
Anzeige und/oder Dokumentation gebbar sind.
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In der Fig. 2 kennzeichnen im einzelnen die Bezugszeichen 15 bis 20
wiederum Körperelektroden, die den Elektroden 2 bis 7 nach Fig. 1 entsprechen. Zusätzlich
sind ein Herzschallmikrofon 21 sowie ein Tokogrammabnehmer 22 als Meßsignalgeber
vorhanden. Die mit den Meßwertaufnehmern 15 bis 20, 21 und 22 jeweils abgenommenen
Signale werden in den Vorverstärkern 23 sowie 28 und 29 zur weiteren Verarbeitung
verstärkt.
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Speziell Verstärker 23 entspricht wiederum als Vierkanal stärker mit
den einzelnen, als Differenzverstärker aufgebauten Kanälen 24 bis 27 dem Vorverstärker
8 nach Fig 1.
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Die vier Ausgangsleitungen des Vorverstärkers 23 werden einem weiteren
Verstärker 30 zugeführt. Dieser Verstärker 30 ist als Vierkanalverstärker mit den
Kanälen 31 bis 34 ausgelegt, wobei die Kanäle 32 bis 34 separat in ihrem Verstärkungsgrad
variierbar sind. Vom Verstärker 30 werden nach selektiver Verstärkung die Einzelsignale
auf ein Additionsglied 35 gegeben. Vom Additionsglied 35 ausgehend wird eine EKG#Ableitung,
die im wesentlichen das fetale EKG enthält, einerseits auf ein Oszilloskop 36 und/oder
einen Registrierer 37 gegeben und/oder andererseits einer Weiterverarbeitung zugeführt.
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Oszilloskop 36 und Registrierer 37 weisen zweckmäßigerweise wenigstens
je drei Meßkanäle auf. Dabei ist neben dem fetalen EKG jeweils auf dem zweiten Kanal
das fortlaufende Zeitsignal einer der ursprünglichen EKG-Ab-
leitungen,
entsprechend den Ausgangssignalen der Differenzverstärker 24 bis 27, darstellbar
und unmittelbar mit der fetalen EKG-Kurve vergleichbar. Dazu werden vor dem Verstärker
30 die Signale der Kanäle 24 bis 27 über einen Wahlschalter 38 angewählt. In dem
dritten Kanal von Oszilloskop 36 und/oder Registrierer 37 wird gleichzeitig der
fetale Herzschall, der mit dem fetalen EKG korreliert ist, nach Verstärkung im Verstärker
28 dargestellt.
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Aus dem Verhältnis der Größenordnung der R-Zacken im mütterlichen
QRS-Komplex der Ableitungen 24 bis 27 kann die notwendige Verstärkung der separaten
Verstärkungskanäle 31 bis 34 im Verstärker 30 bestimmt werden, so daß nach Addition
in der Einheit 35 der fetale QRS-Komplex im Verhältnis zum mütterlichen QRS-Komplex
und überlagerteh Störsignalen in seiner Amplitude maximal angehoben ist. Dazu ist
eine Einheit 39 zur Vermessung der amplituden des mütterlichen QRS-Komplexes vorhanden,
der eine Recheneinheit 40 sowie eine Stelleinheit 41 zur Berechnung und Einstellung
der Verstärkung in den Verstärkern 32 bis 34 nachgeschaltet sind. Zur Variation
der Einzelverstärkungen und Vorzeichen in den Verstärkern 31 bis 34 brauchen in
der Praxis nur drei der vier Kanäle variiert zu werden; Kanal 31 erhält dagegen
eine konstante Verstärkung. Einerseits kann die Einstellung der Verstärkungen der
Kanäle 32 bis 34 schrittweise manuell unter Betrachtung des resultierenden Signals
am Oszilloskop 36 erfolgen.
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Andererseits bietet sich eine Automatisierung der selektiven Verstärkung
an, die auch eine selbsttätige Anpassung bei Änderungen der Signalamplituden gestattet.
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Zur Berechnung der drei Einzelverstärkungen bei automatischer Einstellung
muß folgendes lineares Gleichungssystem gelöst werden:
. Ugå = 0 mit j = Q, R, S, wobei Uoj die Signalableitung 24 und Uij die Signalamplituden
der Ableitungen 25 bis 27 bedeuten. Die sich als Lösung ergebenden Koeffizienten
< entsprechen dabei den Verstärkungsgraden der drei separat variierbaren Verstärkungsstufen
32 bis 34.
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Die weitere Auswertung der Signalkurven erfolgt digital.
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Die Signale werden dafür an geeigneter Stelle digitalisiert: Im einzelnen
wird das fetale EKG vom Addierer 35 über einen Bandpaß 42 auf einen Analog-Digital-Wandler
43 und von dort auf eine Einheit 44 zur fetalen R-Zackenerkennung gegeben. Parallel
dazu werden über einen Wählschalter 46 anwählbar eine der Ableitungen 24 bis 27
auf einen entsprechenden Bandpaß 47 mit nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler
48 und von dort auf eine Einheit 49 zur Erkennung der R-Zacke des mütterlichen EKG's
gegeben. Von den beiden Einheiten zur R-Zackenerkennung 44 und 49 werden Frequenzmesser
50 und 51 angesteuert. Während wegen der dominierenden mütterlichen R-Zacke die
Frequenzbestimmung im Frequenzmesser 51 unproblematisch ist, muß zur Ermittlung
der fetalen Herzfrequenz der Einfluß eventuell noch vorhandener Reste des mütterlichen
QRS-Komplexes eliminiert werden. Dafür wird von der Einheit 49 ein Signal abgenommen
und der Einheit 44 zur fetalen R-Zackenerkennung zugeführt, so daß hier eine zusätzliche
Diskriminierung von fetalen und mütterlichen Signalen in an sich bekannter Weise
möglich ist. Die
in den Frequenzmessern 50 und 51 ermittelten momentanen
Herzfrequenzen von Fetus und/oder Mutter werden auf einem Trendschreiber 52 aufgezeichnet.
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Die fetale EKG-Kurve kann zusammen mit dem Herzschall zusätzliche
diagnostische Aussagen, z.B. über das elektromechanische Intervall (pre ejection
period = PEP) des fetalen Herzens, liefern. Dazu wird das Signal des Herzschallverstärkers
28 zusammen mit dem R-Zackensignal auf eine spezielle Auswerteeinheit 53 gegeben.
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Das so mittels Herzschall abgeleitete Signal wird zusammen mit den
Frequenzen auf dem Trendschreiber 52 aufgezeichnet. Dementsprechend wird das Signal
des Tokogrammverstärkers 29 nach üblicher Verarbeitung in einer Einheit 54 ebenfalls
auf dem Trendschreiber 52 registriert.
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Zur Mittelwertbildung von fetalem EKG und fetalem Herzschall werden
die entsprechenden Signale von Addierer 35 und Herzschallverstärker 28 auf Analog-Digital-Wandler
55 und 56 gegeben. Von den Analog-Digital-Wandlern 55 und 56 sind jeweils sog. Mittelwertbildner
57 und 58 (averager) ansteuerbar. Diesen Mittelwertbildnern 57 und 58 ist ein Speicher
59 zugeordnet.
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Die Mittelwertbildner 57 und 58 sind durch eine Starteinheit 60, die
Speichereinheit 59 durch eine Ausgabebefehlseinheit 61 ansteuerbar.
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Die Einheiten 57 bis 61 stellen vom Prinzip her einen Rechner dar.
Die in den Analog-Digital-Wandlern 55 und 56 in Schritten von 2 Millisekunden digitalisierten
Signale werden in den Mittelwertbildnern 57 und 58 in Einzelabschnitte von 1 Sekunde
Dauer bezüglich der in der Einheit 44 ermittelten R-Zacke phasensynchron aufsummiert.
Zur Synchronisierung werden die Mittelwertbildnern
57 und 58 jeweils
von den R-Zackensignalen der Einheiten 44 und 49 angesteuert. Durch die zusätzliche
Einspeisung des Signals der mütterlichen R-Zacke besteht die Möglichkeit, fetale
Herzaktionen, deren R-Zacke zeitlich mit dem mütterlichen QRS-Komplex zusammenfällt,
bei der Aufsummierung nicht zu berückwichtigen.
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Zur weiteren Kennzeichnung wird zusätzlich in die Mittelwertbildner
57 und 58 das Tokogrammsignal der Einheit 54 eingespeist. Dadurch erfolgt über das
Tokogrammsignal eine weitere Diskriminierung, wobei zwischen Signalen in der wehenfreien
Zeit und während der Wehen unterschieden werden kann. Die so, jeweils bezogen auf
eine fetale Herzperiode, aufsummierten Signalwerte werden im Speicher 59 abgelegt.
Mittels Ausgabebefehl durch die Einheit 61 kann dann vom Benutzer das aufsi'##riierte
fetale Signal gemittelt auf einem Drucker (plotter) 62 ausgegeben werden. Gleichzeitig
ist auch die Möglichkeit gegeben, dieses Signal auf einem vierten Kanal des Oszilloskops
36 darzustellen.
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Vom digitalisierten Herzschallsignal wird zusätzlich eine Einheit
63 zur Erkennung signifikanter Herzschall-Strukturen angesteuert. Mittels daraus
abgeleiteter.
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Triggersignale kann ebenfalls der fetale Herzfrequenzmesser 50 angesteuert
werden, so daß bei Ausfall des EKG-Signals weiterhin ein Wert angezeigt wird.
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Insbesondere die digital arbeitenden Einheiten können zusammen eine
kompakte Recheneinheit geben. Sofern ein frei programmierbarer, digitaler Rechner
(Mikroprozessor) vorhanden ist, kann die Berechnung der Einzelverstärkungen für
den Mehrkanalverstärker 30 einerseits sowie die Mittelwertbildung in diesem Rechner
nach vor-
gegebenem Programm erfolgen. Ein solcher Rechner kann
die in der Fig. 2 eingerahmt eingezeichneten Auswerteeinheiten umfassen.
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In der Fig. 3 zeigen A bis D verschiedene, gleichzeitig abdominal
bzw. dorsal mit vier Elektroden in Taillenhöhe gegen eine fünfte Elektrode oberhalb
der Symphyse abgenommene EKG-Ableitungen, die auf einem Registriergerät mit Registriergeschwindigkeit
von 25 mm/s aufgezeichnet wurden. In der Figur sind die Einzelableitungen untereinander
zeitsynchron dargestellt. Man erkennt in den Einzelableitungen A bis D jeweils die
mit M gekennzeichneten mütterlichen QRS-Komplexe. Die Ableitungen A bis D verdeutlichen
mit den unterschiedlichen Amplituden und Vorzeichen die Inkohärenz der mütterlichen
Signale bei der gewählten El ektrodenano rdnung.
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Zusätzlich sind in jeder Einzelableitung kleine Spitzen mit jeweils
gleichen Vorzeichen erkennbar, die die R-Zacke des bei dieser Elektrodenanordnung
kohärenten fetalen EKG-Signals repräsentieren. Diese fetalen Signale sind allerdings
in den Einzelableitungen relativ schwach, daß sie nicht ohne~ weiteres zur Auswertung
herangezogen werden können.
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In der Fig. 3E ist die Signalkurve nach selektiver Addition der Signalkurven
A bis D dargestellt. Das mütterliche EKG ist weitgehend kompensiert, während die
fetalen Signale nun deutlich hervortreten. Für die weitere Verarbeitung, insbesondere
zur Herzfrequenzanalyse, ist eine Kurve dieser Art wesentlich günstiger als die
Ausgangskurven A bis D. Die Erkennung der fetalen R-Zacke wird vereinfacht und sicherer.
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In der Fig. 3F ist das Ergebnis einer zusätzlichen Mittelwertbildung
(averaging) dargestellt. Hierzu wurde die Signalkurve nach Fig. 3E in Abschnitte
von 1 Sekunde Dauer in Schritten von 2 Millisekunden digitalisiert und bezogen auf
die fetale R-Zacke in einem Rechner aufsummiert. Das Ergebnis wurde ausgedruckt.
In dieser Darstellung wird zusätzlich zum fetalen QRS-Komplex die Pfund T-Welle
deutlich sichtbar. Somit besteht nun die Möglichkeit, auch auf das indirekt abgenommene
fetale EKG Kriterien der diagnostischen Analyse anzuwenden, wie sie bisher nur auf
direkt abgenommenen EKG Ableitungen angewandt werden konnten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem nach diesem Verfahren
arbeitenden Gerät eröffnen sich neue Möglichkeiten zur kardiologischen Diagnostik
des Fetus sowie zur frühzeitigen Erkennung drohender Gefahrenzustände.
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Zusammenfassung Verfahren sowie Gerät zur Darstellung und Auswertung
des fetalen Elektrokardiogramms Es sind Verfahren und Geräte zur Durchführung dieser
Verfahren bekannt, bei denen durch Überlagerung von abdominal oder abdominal und
dorsal abgenommenen Ableitungen des Elektrokardiogramms das fetale Elektrokardiogramm
darstellbar ist. Dabei werden im wesentlichen die Einzelableitungen hinsichtlich
ihrer Amplitude in getrennten Signalkanälen verändert und entsprechend der Elektrodenanordnung
zur Eliminierung des mütterlichen QRS-Komplexes überlagert. Gemäß der Erfindung
erfolgt nun die Veränderung in den einzelnen Kanälen über eine für jeden Kanal separat
durchführbare, variable Einstellung einer Verstärkung oder Abschwächung un##häflgig
von der geometrischen Anordnun der Meßelektroden. Mit einem nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitenden Gerät werden die mütterlichen QRS-Komp1 exe sowie andere Störsignale
weitgehend eliminiert (Fig. 1).
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L e e r s e i t e